表面被覆切削工具及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種表面被覆切削工具、以及該表面被覆切削工具的制造方法，其中 該表面被覆切削工具包括基材、以及形成于該基材上的覆膜。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，已知這樣一種表面被覆切削工具，其包括基材以及形成于該基材上的覆膜， 在該表面被覆切削工具中，包括TiB 2層作為覆膜。
[0003] 例如，日本專利公開No. 51-148713(專利文獻1)公開了一種耐磨性成形部件，其 包括硬質(zhì)合金基體以及由兩層層疊的部分層形成的表面層，這兩層層疊的部分層包括：由 氧化鋁和/或氧化鋯制成的外側(cè)部分層；以及由一種以上的硼化物、特別是鈦、鋯和鉿等元 素的二硼化物制成的內(nèi)側(cè)部分層（即，TiBJl)。
[0004] 上述表面層中的內(nèi)側(cè)部分層形成為3ym的TiBJl，該TiB2層是通過在1000°C和 50托的高溫高真空條件下，以1900L/小時引入氫氣、以20mL/小時引入TiCl4并以4g/小 時引入BCl3作為反應性原料氣體，并進行成膜1小時從而獲得的。此外，所述外側(cè)部分層 形成為5 ym的氧化鋁層。
[0005] 然而，在上述成膜過程中的高溫高真空條件下，接合層和TiB2層中的硼向硬質(zhì)合 金基體中的擴散會導致強n層和/或含硼脆性層的形成，從而顯著縮短該耐磨性成形部件 的壽命。
[0006] 為了解決上述問題，提出了這樣一種被覆制品，該被覆制品通過抑制硼的擴散并 且使TiB 2層中的TiB2微粒化，從而改善了耐磨性（日本專利公布No. 2011-505261 (專利文 獻2))。這種被覆制品是通過如下方式形成的：其中，用由氮化鈦、碳氮化鈦和硼碳氮化鈦 的組制成的0.1 ym至3ym的層覆蓋硬質(zhì)合金基材的表面，然后形成Iym至5ym的TiB2 層。上述各種層中的TiB2層的形成條件如下。具體而言，利用包含10體積％的氫氣、0.4 體積％的TiCl 4、0. 7體積％的此13和88. 9體積％的氬氣的原料氣體組分，在標準壓力和 800°C的溫度下進行熱CVD法1小時從而形成厚度為2. 5 y m的1182層。在該被覆制品中， 未形成由硼向硬質(zhì)合金基材中的擴散而導致的含硼脆性層，并且TiB 2層中TiB2的粒徑也被 控制至50nm以下，因此工具壽命得到一定程度的延長。
[0007] 引用列表
[0008] 專利文獻
[0009] 專利文獻1 :日本專利公開No. 51-148713
[0010] 專利文獻2 :日本專利公布No. 2011-505261

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 技術(shù)問題
[0012] 如上所述，專利文獻2中的被覆制品的工具壽命得到一定程度的延長。然而，專利 文獻2僅關(guān)注了對強n層和/或含硼脆性層的形成的抑制、或者對TiB 2層中TiB2粒徑的 控制。因此，對TiB2層性能的進一步改善有限，因而需要從其他角度進行考慮。
[0013] 此外，在使用該被覆制品對作為難切削材料的Ti系合金進行加工的情況中，尤其 在切削刃的溫度傾向于升高的加工中，以及在因切肩的獨特形狀（鋸齒狀）使得工具的切 削刃傾向于發(fā)生應力集中和振動的加工中，切削刃的崩裂可能會顯著縮短工具的壽命，因 而需要進一步提高抗崩裂性。
[0014] 鑒于上述狀況完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供包括TiB2層作為覆膜的表面 被覆切削工具，并且該表面被覆切削工具的耐磨性和抗崩裂性得到了顯著改善。
[0015] 問題的解決方案
[0016] 本發(fā)明的發(fā)明人為了解決上述問題進行了深入研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，控制TiB2層中所 含的氯的濃度對于抗崩裂性的提高是非常重要的。本發(fā)明的發(fā)明人隨后基于該發(fā)現(xiàn)進行進 一步研宄，從而完成了本發(fā)明。
[0017] 具體而言，本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及形成于所述基材上的覆膜。 所述覆膜至少包括一層TiBJl。該TiB 2層包含Cl以及TiB2。假定在所述TiB2層中，第一 區(qū)域表示自所述基材側(cè)的界面起厚度為0. 5 y m的區(qū)域，第二區(qū)域表示自所述覆膜表面?zhèn)?的界面起厚度為〇. 5 ym的區(qū)域，則所述第二區(qū)域中Ti與Cl之間的原子比CV(Ti+Cl)大 于所述第一區(qū)域中的該原子比。
[0018] 在這種情況中，所述第一區(qū)域中的所述原子比CV(Ti+Cl)優(yōu)選為0.00001至 0.001，并且所述第二區(qū)域中的所述原子比CV (Ti+Cl)優(yōu)選為0.0001至0.01。所述TiB2 層的厚度優(yōu)選為I U m至10 ym。
[0019] 此外，本發(fā)明還涉及一種制造表面被覆切削工具的方法，該表面被覆切削工具包 括基材以及形成于該基材上的覆膜，其中所述覆膜至少包括一層TiBJl。所述方法包括形 成所述TiBJl的步驟。所述步驟為通過化學氣相沉積法利用至少包含TiCl 4和BCl 3的原 料氣體來形成所述TiBJl的步驟，并且其特征在于：在所述步驟開始時，所述原料氣體中所 述TiCl 4與所述BCl 3之間的摩爾比TiCl 4/BCl3小于0. 6,并且在所述步驟結(jié)束時，該摩爾比 TiCl4/BCl3等于或大于0. 6。
[0020] 發(fā)明效果
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的表面被覆切削工具實現(xiàn)了大幅改善耐磨性和抗崩裂性的優(yōu)異效果。
【具體實施方式】
[0022] 下面將對本發(fā)明進行更為詳細的說明。
[0023] 〈表面被覆切削工具〉
[0024] 本發(fā)明的表面被覆切削工具具有這樣的構(gòu)成，其包括基材以及形成于基材上的覆 膜。優(yōu)選的是，該覆膜覆蓋了基材的全部表面。然而，即使部分基材未被該覆膜覆蓋、或者 該覆膜的構(gòu)成部分不同，該結(jié)構(gòu)仍未脫離本發(fā)明的范圍。
[0025] 本發(fā)明的上述表面被覆切削工具可以適當?shù)赜米髑邢鞴ぞ撸玢@頭、端銑刀、鉆頭 用切削刃替換型切削刀片、端銑刀用切削刃替換型切削刀片、銑削用切削刃替換型切削刀 片、車削用切削刃替換型切削刀片、金工鋸、齒輪切削刀具、鉸刀和絲錐。
[0026] 〈基材〉
[0027] 作為用于本發(fā)明表面被覆切削工具的基材，可以使用任何材料，只要該材料是傳 統(tǒng)上已知的作為上述類型的基材即可。例如，該基材優(yōu)選為硬質(zhì)合金（例如，WC基硬質(zhì)合 金、或者含有WC和Co或含有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的材料）、金屬陶瓷（主要由TiC、TiN、 TiCN等構(gòu)成）、高速鋼、陶瓷（碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁等）、立方氮化硼燒結(jié) 體、金剛石燒結(jié)體等中的任一種。
[0028] 在這些多樣的基材中，特別優(yōu)選的是選擇WC基硬質(zhì)合金和金屬陶瓷（特別是TiCN 基金屬陶瓷）。這是因為這些基材在硬度和強度（尤其在高溫下）之間的平衡方面是優(yōu)異 的，并且具有作為針對上述用途的表面被覆切削工具的基材的優(yōu)異特性。
[0029] 在表面被覆切削工具為切削刃替換型切削刀片等的情況中，該情況中的基材可以 是具有斷肩器或不具有斷肩器的基材，并且切削刃棱線部分可呈銳邊（前刀面和后刀面彼 此相交的棱）、銜磨（通過加工銳邊以使其具有曲線（R)而獲得）、負刃帶（negative land) (通過斜削（beveling)獲得）、以及銜磨與負刃帶的組合中的任意一種形狀。
[0030] 〈覆膜〉
[0031] 本發(fā)明的覆膜可包括其他層，只要其至少包括一層TiB2層即可。其他層的例子可 包括 Al2O3層、TiN 層、TiCN 層、TiBNO 層、TiCNO 層、TiAlN 層、TiAlCN 層、TiAlON 層、TiAlONC 層等。在本發(fā)明中，在將除TiBJl以外的其他層的組成表示為"TiN"和"TiCN"等化學式 的情況中，以及在對化學式中的原子比值沒有特別限定的情況中，并非認為各元素的原子 比值僅為" 1"，而是認為包括所有常規(guī)已知的原子比值。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的這種覆膜起到覆蓋基材以實現(xiàn)改善耐磨性和抗崩裂性等若干特性 的效果的作用。
[0033] 適宜的是，本發(fā)明的這種覆膜的厚度為2ym至20 ym，更優(yōu)選為5ym至15ym。當 厚度小于2 ym時，耐磨性可能不足。當厚度超過20 ym時，當在斷續(xù)加工過程中覆膜與基 材之間受到相對較強的應力時，覆膜可能會非常頻繁地發(fā)生剝落或受損。
[0034] 〈1^2層 >
[0035] 本發(fā)明覆膜中所包括的TiBJl的特征在于：TiB2層包含Cl(氯）以及TiB 2，并且 假定在TiB2層中，第一區(qū)域表示自所述基材側(cè)的界面起厚度為0. 5 y m的區(qū)域，第二區(qū)域表 示自所述覆膜表面?zhèn)鹊慕缑嫫鸷穸葹椹? 5 ym的區(qū)域，則所述第二區(qū)域中Ti與Cl之間的原 子比CV(Ti+Cl)大于所述第一區(qū)域中的該原子比。由于如上所述控制了厚度方向上的氯 濃度，因此本發(fā)明的TiBJl顯示出了顯著改善耐磨性和抗崩裂性的優(yōu)異效果。這是因為將 第一區(qū)域中的Cl的量設(shè)定為相對較小，可得到較高的硬度；將第二區(qū)域中的Cl的量設(shè)定為 相對較大，可改善滑動特性（sliding characteristic)和追蹤性（followability)。即，據(jù) 推測，因為第一區(qū)域中的硬度較高，因此可抵抗來自工具的橫向的力；并且由于第二區(qū)域中 的滑動特性和追蹤性得到提高，因此改善了對附著至表面的切肩的耐粘著性，這些因素協(xié) 同作用，從而獲得了上述優(yōu)異效果。
[0036] 相反，當貫穿整個TiB2層中的Cl量均較小時，硬度變高，因此耐磨性優(yōu)異，同時抗 崩裂性降低。另一方面，當貫穿整個TiB 2層中的Cl量均較大時，耐粘著性和耐磨性均降低。
[0037] 將第一區(qū)域和第二區(qū)域的厚度均限定為0. 5ym的原因是：當該厚度小于0. 5ym 時，從分析精確度的角度來看，有時無法充分限定原子比CV(Ti+Cl)。因此，從分析精確 度的角度，并且從第一區(qū)域代表最能夠反映基材側(cè)界面附近的特性的區(qū)域、并且第二區(qū)域 代表最能夠反映覆膜表面?zhèn)冉缑娓浇奶匦缘膮^(qū)域的角度來看，將各區(qū)域的厚度限定為 0. 5 ym。當限定第一區(qū)域和第二區(qū)域中的原子比CV(Ti+Cl)時，優(yōu)選的是，獲得各區(qū)域中 的三個或更多個不同的點處的數(shù)值（比值）的平均值，從而防止測量誤差。
[0038] 如上所述，本發(fā)明的TiBJl主要由TiB2 (二硼化鈦）構(gòu)成，并且還包含Cl，并且通 過積極地控制Cl (常規(guī)已知的是，在制造中Cl作為原料的殘余物而存在）的濃度，成功獲 得了上述優(yōu)異效果。對TiBJi中這種Cl的存在方式?jīng)]有特別的限制?？墒笴l和TiB2B 成為固溶體，或者可以自由原子或離子的形式存在。此外，即使本發(fā)明的TiBJl含有除TiB2 和Cl之外的不可避免的雜質(zhì)，該TiBJl也不會偏離本發(fā)明的范圍。
[0039] 在這種情況中，優(yōu)選的是，第一區(qū)域中的原子比CV(Ti+Cl)為0.00001至0.001， 并且第二區(qū)域中的原子比CV(Ti+Cl)為0.000