專利名稱：刃口替換型切削刀片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及刃口替換型切削刀片。

背景技術(shù)：
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，已知有裝卸自如地安裝在工具上以對工件進(jìn)行切削加工的刃口替換型切削刀片。為了提高這種刃口替換型切削刀片的耐磨性或韌性，人們提出了許多個關(guān)于這樣的結(jié)構(gòu)的方案采用化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法，在由超硬質(zhì)合金或金屬陶瓷構(gòu)成的基材上形成陶瓷等硬質(zhì)涂膜以作為涂層。
人們已知，通常來說，由于通過化學(xué)氣相沉積法形成的涂層與基材的熱膨脹系數(shù)不同，涂敷之后，存在著由熱應(yīng)力造成的殘余拉應(yīng)力，由此降低了抗破損性。
針對這種情況，在日本特開平07-100701號公報(專利文獻(xiàn)1)和特開平11-256336號公報(專利文獻(xiàn)2)中，公開了這樣的被覆切削工具其中，通過控制TiCN層(已知其作為上述涂層中的一種)的結(jié)晶取向性而使得抗破損性優(yōu)異。然而，僅僅控制涂層的結(jié)晶取向性，依然存在殘余拉應(yīng)力，因此不能獲得充分的抗破損性。
另一方面，在日本特開平04-300104號公報(專利文獻(xiàn)3)中，公開了通過下述方法使抗破損性得以提高的表面被覆切削工具，所述方法為采用化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法形成涂層之后，用壓縮空氣沖撞氧化鋁制的球以進(jìn)行噴丸，使涂層中的殘余拉應(yīng)力或殘余壓應(yīng)力為9kgf/mm2(88MPa)以下。但是，近年來，高效加工顯著進(jìn)步，針對這種狀況，具有上述應(yīng)力水平的話，抗破損性并不充分，因此需要進(jìn)一步提供殘余壓應(yīng)力。
此外，在日本特開昭64-031972號公報(專利文獻(xiàn)4)中，公開了通過下述方法獲得的高韌性涂覆材料，所述方法為通過化學(xué)氣相沉積法形成涂膜之后，使用盡可能大的沖擊力進(jìn)行噴丸，由此將50kgf/mm2(490MPa)以上的壓應(yīng)力施加到基材和/或涂膜上。然而，當(dāng)涂膜整體具有高的壓應(yīng)力時，存在這樣的問題涂膜自身發(fā)生自我破壞，使得耐磨性降低。另外，由于涂膜和基材的粘附性降低，因此存在涂膜容易剝離的問題。
專利文獻(xiàn)1日本特開平07-100701號公報 專利文獻(xiàn)2日本特開平11-256336號公報 專利文獻(xiàn)3日本特開平04-300104號公報 專利文獻(xiàn)4日本特開昭64-031972號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題 鑒于上述問題，進(jìn)行了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種在兼顧耐磨性和抗破損性的同時、基材和涂層之間的粘附性也優(yōu)異的刃口替換型切削刀片。
解決問題的手段 本發(fā)明人對提高通過化學(xué)氣相沉積法形成涂層后的刃口替換型切削刀片的耐磨性和抗破損性的方法進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過形成以TiCN為主體的TiCN層作為涂層中的一層、并控制該TiCN層的結(jié)晶取向性，同時給涂層中的任意一層賦予殘余壓應(yīng)力，從而可以在兼顧耐磨性和抗破損性的同時，使得基材和涂層之間的粘附性也優(yōu)異，并且基于該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步進(jìn)行了研究，最終完成了本發(fā)明。
也就是說，本發(fā)明的刃口替換型切削刀片具有基材以及形成于該基材上的涂層，所述涂層由至少含有TiCN層的多個層構(gòu)成，并且所述多個層中的至少一層被賦予了殘余壓應(yīng)力，所述TiCN層是以TiCN為主體的層，其特征在于在X線衍射中，(422)面具有最高峰強度，同時，(311)面具有第二高峰強度，并且(422)面的峰強度I(422)與(311)面的峰強度I(311)的峰強度比I(422)/I(311)大于或等于1.1且小于或等于10。
所述TiCN層的(220)面的取向性指數(shù)TC(220)優(yōu)選為1以下。此外，上述涂層包括上述TiCN層、最表面層以及氧化鋁層；所述最表面層是構(gòu)成上述涂層表面的層，該最表面層以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者為主成分；所述氧化鋁層是位于所述最表面層和上述TiCN層之間的、以Al2O3為主體的層；上述最表面層、上述氧化鋁層、以及上述TiCN層中的至少一層被賦予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。
此處，上述最表面層優(yōu)選由Ti的氮化物構(gòu)成，并且優(yōu)選的是，上述氧化鋁層是以具有κ型晶體結(jié)構(gòu)的Al2O3為主體的層。
另外，上述涂層優(yōu)選在上述氧化鋁層的正下面具有由TiBxNy(式中，x和y分別表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)構(gòu)成的TiBN層。而且，上述最表面層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。
此外，上述氧化鋁層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.05μm且小于或等于2μm，并且所述涂層優(yōu)選包括一層以上的由選自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)和VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、以及Si所構(gòu)成的組中的至少一種元素；與選自碳、氮、氧和硼所構(gòu)成的組中的至少一種元素形成的化合物構(gòu)成的硬質(zhì)層。
另外，上述涂層優(yōu)選通過化學(xué)氣相沉積法來形成，并且優(yōu)選具有由Ti的氮化物構(gòu)成的、且厚度為大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下層。此外，上述基材優(yōu)選由超硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、高速鋼、陶瓷、立方氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、或氮化硅燒結(jié)體中的任意一者構(gòu)成。
發(fā)明效果 本發(fā)明的刃口替換型切削刀片由于具備上述結(jié)構(gòu)，所以在兼顧耐磨性和抗破損性的同時，可以使得基材和涂層之間的粘附性也優(yōu)異。
實施本發(fā)明的最佳方式 下面對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
<刃口替換型切削刀片> 本發(fā)明的刃口替換型切削刀片具有基材以及形成于該基材上的涂層。對所述刃口替換型切削刀片的形狀沒有特別的限定，只要具備上述基本結(jié)構(gòu)即可，可以具有以往公知的所有形狀。
本發(fā)明的這種刃口替換型切削刀片可適用于下述用途例如，鉆孔加工用、端銑刀(end mill)加工用、銑削加工用、旋削加工用、金屬鋸加工用、齒輪刀具(gear cutting tools)加工用、鉸刀(reamer)加工用、攻螺紋(tapping)加工用、或者曲軸的噴丸(crankshaft pinmilling)加工用等。
<基材> 對本發(fā)明的刃口替換型切削刀片的基材沒有特別的限定，可以采用以往公知的作為這種切削刀片的基材。作為這種基材的例子，可以列舉例如，超硬質(zhì)合金(例如包括WC基超硬質(zhì)合金、除了WC外還含有Co和/或Ni的材料、或者進(jìn)一步添加有Ti、Ta、Nb、Zr、Hf、Cr、V等的碳化物、氮化物、碳氮化物等的材料)、金屬陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等為主成分的材料)、高速鋼、陶瓷(碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、以及它們的混合物等)、立方氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、或者氮化硅燒結(jié)體等。當(dāng)使用超硬質(zhì)合金作為這種基材時，該超硬質(zhì)合金即使在結(jié)構(gòu)中包含游離碳或者被稱作ε相的異常相，也可以顯示出本發(fā)明的效果。
此外，這些基材即使其表面被改性也沒有關(guān)系。例如，當(dāng)使用超硬質(zhì)合金時，在其表面上可以形成脫β層，或者當(dāng)使用金屬陶瓷時，可以形成表面硬化層，這樣，即使表面被改性，也可以顯示出本發(fā)明的效果。
<涂層> 本發(fā)明的涂層由至少含有具有特定的結(jié)晶取向性的TiCN層的多個層構(gòu)成，其特征在于，所述多個層中的至少一層被賦予了殘余壓應(yīng)力。這樣，通過具有特定的結(jié)晶取向性的TiCN層，對于剪切變形的強度變得非常強大，由此在抗破損性方面優(yōu)異。而且，在抗破損性得到提高的同時，耐磨性也得以提高，因此，可以平衡地改善耐磨性和抗破損性這二者。此外，通過給構(gòu)成涂層的多個層中的至少一層賦予殘余壓應(yīng)力，可以抑制由切削時的沖擊而發(fā)生于涂層表面上的裂縫向涂層整體傳播的現(xiàn)象，由此進(jìn)一步改善抗破損性。另一方面，只要在位于被賦予了殘余壓應(yīng)力的層的內(nèi)側(cè)的層(即，相對于被賦予了殘余壓應(yīng)力的層，位于基材一側(cè)的各層)中殘存有殘余拉應(yīng)力，則不會發(fā)生涂層的自我破壞，從而在顯示出優(yōu)異的耐磨性的同時，其與基材之間的粘附性也優(yōu)異。這樣，通過上述的特性協(xié)同作用，本發(fā)明的涂層具有高度協(xié)調(diào)的耐磨性和抗破損性，同時其與基材之間的粘附性也優(yōu)異。
在本文中，上述殘余壓應(yīng)力是指殘留在涂層中的內(nèi)應(yīng)力(固有應(yīng)變)、并且通常以“-”(負(fù)號)的數(shù)值(單位在本發(fā)明中使用“GPa”)來表示的應(yīng)力。但是，在本發(fā)明中，除了與殘余拉應(yīng)力進(jìn)行對比的情況等之外，如果沒有特別的指出，則省略該負(fù)號的符號。因此，特別是在不使用數(shù)值的情況下表示殘余壓應(yīng)力的大小時，上述數(shù)值的絕對值越大，表示殘余壓應(yīng)力越大；另外，上述數(shù)值的絕對值越小，表示殘余壓應(yīng)力越小。與此相對，殘余拉應(yīng)力也是指殘留在涂層中的內(nèi)應(yīng)力(固有應(yīng)變)，并且通常以“+”(正號)的數(shù)值(單位在本發(fā)明中使用“GPa”)來表示的應(yīng)力。
另外，可利用X射線應(yīng)力測量儀根據(jù)sin2ψ法來測量所述殘余壓應(yīng)力或殘余拉應(yīng)力。根據(jù)所述sin2ψ法，測定位于刃口替換型切削刀片的前刀面(rake face)或后刀面(flank face)等平坦部位的任意3個以上的點(優(yōu)選的是，選擇這些點使得它們彼此相距0.5mm以上的距離，使得這些點可以代表該部位的應(yīng)力)的應(yīng)力，并求出其平均值，從而測定殘余壓應(yīng)力或殘余拉應(yīng)力。
這種利用X射線的sin2ψ法作為一種測量多晶材料殘余應(yīng)力的方法而被廣泛使用，例如，可以使用文獻(xiàn)“X線應(yīng)力測定法”(日本材料學(xué)會，株式會社養(yǎng)賢堂1981年出版)第54-67頁中詳細(xì)描述的方法。另外，也可以利用放射線來測定上述的殘余應(yīng)力。在這種情況下，具有這樣的優(yōu)點可以求出涂層厚度方向上的殘余應(yīng)力分布。
此外，合適的是，本發(fā)明的所述涂層的厚度為大于或等于0.1μm且小于或等于30μm，優(yōu)選為大于或等于1μm且小于或等于20μm。另外，本發(fā)明的涂層可以形成為包覆基材的整個表面，也可以形成為包覆基材的一部分。
<TiCN層> 本發(fā)明的涂層至少包含TiCN層。該TiCN層是以TiCN為主體的層，其特征在于在X線衍射中，(422)面具有最高峰強度，同時，(311)面具有第二高峰強度，并且(422)面的峰強度I(422)與(311)面的峰強度I(311)的峰強度比I(422)/I(311)為大于或等于1.1且小于或等于10。
通過使峰強度比I(422)/I(311)位于上述范圍內(nèi)，可以獲得特別優(yōu)異的抗破損性。據(jù)推測，這是因為相對于作為TiCN的一次滑動面的(220)面，(422)面和(311)面分別具有約30°、約31°的角度，這些面的取向性越高，對于切削時的剪切變形的強度就越強。特別是，在(422)面具有最高峰強度并且峰強度比I(422)/I(311)為大于或等于1.1且小于或等于10的情況下，抗破損性和耐磨性之間的平衡性特別優(yōu)異。而且，在這種情況下，還可以充分地經(jīng)受住后述的對涂層表面進(jìn)行噴拋處(blast treatment)時所產(chǎn)生的沖擊，從而在防止涂層被破壞的同時，可以賦予充分的殘余壓應(yīng)力。上述峰強度比I(422)/I(311)更優(yōu)選為大于或等于4且小于或等于10的范圍，進(jìn)一步優(yōu)選為大于或等于5且小于或等于10的范圍。
所述TiCN層的(220)面的取向性指數(shù)TC(220)優(yōu)選為1以下。在本文中，取向性指數(shù)TC(hk1)由下式(I)來定義。
[式1] 在式(I)中，I(hk1)表示被測定的(hk1)面的峰強度(衍射強度)，I0(hk1)是按照J(rèn)CPDS文件(Joint Committee on Powder DiffractionStandards(粉末X線衍射標(biāo)準(zhǔn))文件；32-1383(TiC)、38-1420(TiN))測定的構(gòu)成(hk1)面的TiC和TiN的粉末衍射強度的平均值，(hk1)表示(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)、(511)這8個面。
通過使該(220)面的取向性變差(也就是說，使取向性指數(shù)TC(220)減小)，可以進(jìn)一步提高TiCN層的抗破損性，而且即使在通過后述的噴拋處理賦予殘余壓應(yīng)力之后，涂層也不會發(fā)生破壞，可以保持良好的涂膜形態(tài)，因而在抗破損性和耐磨性之間取得了優(yōu)異的平衡。所述取向性指數(shù)TC(220)更優(yōu)選為0.5以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.3以下。
雖然所述TiCN層以TiCN為主體，但是在本文中，“以TiCN為主體”意味著含有90質(zhì)量％以上的TiCN，優(yōu)選的是除了不可避免的雜質(zhì)之外僅由TiCN構(gòu)成。
雖然對所述TiCN(Ti的碳氮化物)中所含有的各元素之間的原子比沒有特別的限定，可以包括以往公知的所有原子比，但是，例如，關(guān)于Ti和CN的原子比，當(dāng)將CN合計為1時，Ti優(yōu)選為0.8～1.4；關(guān)于C和N的原子比，當(dāng)將C設(shè)為1時，N優(yōu)選為0.8～1.2。
所述TiCN層優(yōu)選由MT-CVD(中溫化學(xué)氣相沉積法)法來形成，由此表現(xiàn)出特別良好的抗破損性和耐磨性。在本文中，MT-CVD法是指在約830～950℃的比較低的溫度下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積法，而通常的化學(xué)氣相沉積法(CVD法)多在約950～1050℃下進(jìn)行成膜。此外，通過所述MT-CVD法，特別是通過采用以0.5體積％以下這樣少量的CH3CN進(jìn)行成膜的條件(當(dāng)在該TiCN層的正下面形成如后所述的最下層時，在850℃以下的低溫下形成該最下層)，可以形成具有上述的結(jié)晶取向性的TiCN層。
另外，TiCN層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.1μm且小于或等于15μm，更優(yōu)選的是，其上限為12μm、下限為0.5μm。如果該厚度超過15μm，則有時候由于抗破損性降低因而不是優(yōu)選的，而如果不足0.1μm，則有時不能顯示出如上所述的優(yōu)異效果。
<最表面層和氧化鋁層> 本發(fā)明的涂層在含有上述TiCN層的同時，優(yōu)選含有最表面層和氧化鋁層。
在本文中，最表面層是構(gòu)成所述涂層表面的層，其以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者為主成分。術(shù)語“以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者為主成分”是指含有90質(zhì)量％以上的Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者，優(yōu)選的是，除了不可避免的雜質(zhì)之外僅由Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者構(gòu)成。此外，在各Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中，關(guān)于Ti與Ti以外的元素(即，C、N、以及CN)的質(zhì)量比，優(yōu)選的是Ti為50質(zhì)量％以上。
此外，在Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物的任意一者中，特別優(yōu)選的是Ti的氮化物(即，由TiN表示的化合物)。在這些化合物中TiN的色彩最鮮明(呈金色)，因此其具有切削使用之后的切削刀片的位置容易識別的優(yōu)點。
另外，在本發(fā)明中，當(dāng)化合物由TiN等化學(xué)式來表示、且對原子比沒有特別的限定時，可以包含以往公知的所有原子比，而并不一定僅限定于化學(xué)計量范圍內(nèi)的原子比。例如，當(dāng)僅記載為“TiCN”時，“Ti”、“C”和“N”的原子比并不一定僅限于50∶25∶25，此外，當(dāng)記載為“TiN”時，“Ti”和“N”的原子比也并不一定僅限于50∶50。作為這些原子比，包括以往公知的所有原子比。
本發(fā)明的最表面層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。進(jìn)一步，該厚度的上限為0.8μm，更優(yōu)選為0.6μm，并且其下限為0.1μm，更優(yōu)選為0.2μm。在該厚度不足0.05μm的情況下，當(dāng)賦予殘余壓應(yīng)力時，其效果不充分，對改善抗破損性沒有太大的效果；而如果該厚度超過1μm，則有時候與位于最表面層內(nèi)側(cè)的層之間的粘附性降低。
另一方面，上述氧化鋁層是位于上述最表面層與上述TiCN層之間的、以Al2O3為主體的層。這種氧化鋁層對高速切削時的氧化磨損顯示出良好的性能，因此其有助于提高耐磨性。在本文中，術(shù)語“以Al2O3為主體”意味著含有90質(zhì)量％以上的Al2O3，優(yōu)選的是，除了不可避免的雜質(zhì)之外僅由Al2O3構(gòu)成。
優(yōu)選的是，所述氧化鋁層是以具有κ型晶體結(jié)構(gòu)的Al2O3(以下有時以κ-Al2O3來表示)為主體的層。通常，在高速切削時，雖然具有α型晶體結(jié)構(gòu)的Al2O3(以下有時以α-Al2O3來表示)在耐磨性方面優(yōu)異，但是如后所述，在為了賦予殘余壓應(yīng)力而進(jìn)行噴拋處理時，在進(jìn)行處理的同時氧化鋁層自身被破壞，因此有時其與最表面層等一起發(fā)生剝離。與此相對，當(dāng)采用κ-Al2O3時，即使進(jìn)行噴拋處理也不會發(fā)生破壞，從而防止了與最表面層等一起發(fā)生剝離的現(xiàn)象，因此優(yōu)選κ-Al2O3。另外，這種晶體結(jié)構(gòu)可通過X線衍射來確認(rèn)。
所述氧化鋁層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.05μm且小于或等于2μm，更優(yōu)選的是，其上限為1.5μm、下限為0.5μm。如果該厚度超過2μm，則抗破損性降低，因此有時是不優(yōu)選的，而如果該厚度不足0.05μm，則有時不能顯示出充分的耐磨性。
<殘余壓應(yīng)力> 如上所述，優(yōu)選的是，本發(fā)明的涂層由多個層構(gòu)成，并且在所述多個層中至少一層被賦予了殘余壓應(yīng)力，特別是，在所述最表面層、所述氧化鋁層、以及所述TiCN層中，至少一層被賦予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。而且，所賦予的殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步優(yōu)選為大于或等于0.1GPa且小于或等于2GPa。另外，所述殘余壓應(yīng)力的上限值更優(yōu)選為1.8GPa以下。
當(dāng)所賦予的殘余壓應(yīng)力不足0.05GPa時，有時不能表現(xiàn)出提高抗破損性的效果，而如果超過2GPa，則有時候由于與形成在該層內(nèi)側(cè)的層之間的應(yīng)力差而使得粘附性降低，在切削開始初期就發(fā)生了剝離，因此有時候抗破損性降低。
<TiBN層> 優(yōu)選的是，本發(fā)明的涂層在氧化鋁層的正下面(與氧化鋁層鄰接的基材一側(cè)的位置處)具有由TiBxNy(式中，x和y分別表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)構(gòu)成的TiBN層。由于所述TiBN層的表面形成為非常細(xì)的針狀組織，所以顯示出優(yōu)異的與氧化鋁層的粘附性。
如后所述，在為了給涂層表面賦予殘余壓應(yīng)力而進(jìn)行噴拋處理等的情況下，雖然存在著氧化鋁層發(fā)生剝離或者脫落的問題，但是通過使所述TiBN層形成在氧化鋁層的正下面，從而可以解決上述問題。上式中，x和y特別優(yōu)選為0.003≤x/(x+y)≤0.02)。由此使得其與氧化鋁層之間獲得特別良好的粘附力。此外，關(guān)于Ti與BN的原子比，當(dāng)將BN總數(shù)設(shè)為1時，Ti優(yōu)選為0.8～1.5。
另外，所述TiBN層中可以含有構(gòu)成本發(fā)明涂層的其他層中所含有的元素(特別是，與TiBN層鄰接的層中所含有的元素)。所述TiBN層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.05μm且小于或等于1μm，更優(yōu)選的是，其上限為0.8μm、下限為0.1μm。如果該厚度超過1μm，則耐磨性降低，因此有時候是不優(yōu)選的，而如果該厚度不足0.05μm，則有時候其與氧化鋁層之間不能顯示出充分的粘附性。
另外，所述TiBN層優(yōu)選被賦予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。由此可以提高上述氧化鋁層與后述TiCN層之間的粘附性。
<硬質(zhì)層> 本發(fā)明的涂層還包括一層以上的由選自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Al、以及Si所構(gòu)成的組中的至少一種元素與選自碳、氮、氧和硼所構(gòu)成的組中的至少一種元素形成的化合物構(gòu)成的硬質(zhì)層。除了本發(fā)明涂層中最表面層的位置之外，可以在任何位置上形成所述硬質(zhì)層。例如，可以在最表面層和氧化鋁層之間、氧化鋁層(TiBN層)和TiCN層之間、或者TiCN層和基材(最下層)之間等形成。另外，當(dāng)該硬質(zhì)層位于最表面層和氧化鋁層之間、或者氧化鋁層(TiBN層)和TiCN層之間時，該硬質(zhì)層優(yōu)選被賦予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。由此可以提高各層之間的粘附性。
作為構(gòu)成所述硬質(zhì)層的化合物，可以列舉(例如)TiC、TiN、TiCN、TiNO、TiCNO、TiB2、TiO2、TiBN、TiBNO、TiCBN、TiCrCN、ZrC、ZrO2、HfC、HfN、TiAlN、AlCrN、CrN、VN、TiSiN、TiSiCN、AlTiCrN、TiAlCN、ZrCN、ZrCNO、AlN、AlCN、ZrN、TiZrN、TiAlC、NbC、NbN、NbCN、Mo2C、WC、W2C等。
所述硬質(zhì)層每層的厚度優(yōu)選為大于或等于0.1μm且小于或等于15μm。
<最下層> 本發(fā)明的涂層優(yōu)選具有由Ti的氮化物構(gòu)成的、且其厚度大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下層(與基材鄰接的層)。這種由Ti的氮化物(TiN)構(gòu)成的最下層與基材之間的粘附性高，如后所述，即使為了給涂層中的至少一層賦予殘余壓應(yīng)力而對涂層表面進(jìn)行噴拋處理時，也可以防止涂層整體發(fā)生剝離。此外，根據(jù)本發(fā)明，即使在涂層中的至少一層被賦予了殘余壓應(yīng)力時，通過形成所述最下層，可以顯示出這樣優(yōu)異的效果可獲得可經(jīng)受切削的充分的粘附性。
所述最下層的厚度的下限優(yōu)選為0.1μm。
<制造方法> 本發(fā)明的涂層優(yōu)選通過化學(xué)氣相沉積法(CVD法)來形成。由此，使涂層的各層具有殘余拉應(yīng)力，直到進(jìn)行后述的噴拋處理為止，從而使其與基材的粘附性非常高。而且，在本發(fā)明中，通過對采用所述化學(xué)氣相沉積法形成的涂層表面進(jìn)行噴拋處理，給涂層中的至少一層賦予了殘余壓應(yīng)力，并且通過化學(xué)氣相沉積法來形成涂層的各層，使得粘附性和抗破損性之間的平衡性特別優(yōu)異。
對所述化學(xué)氣相沉積法沒有特別的限定，可以使用以往公知的方法，并且對條件等沒有限定。例如，可以采用850～1050℃左右的成膜溫度，并且對所使用的氣體也沒有特別的限定，可以使用乙腈等腈類氣體等以往公知的氣體。
此外，作為給涂層中的至少一層賦予殘余壓應(yīng)力的方法，例如可以利用噴拋處理來實施使鋼球等金屬粉末或氧化鋁等陶瓷粉末直接地與涂層的表面相撞、或者與水等溶劑混合之后再與涂層的表面相撞。雖然可以根據(jù)涂層的結(jié)構(gòu)或所賦予的殘余壓應(yīng)力的大小等來適宜地調(diào)節(jié)所述相撞等的具體條件，但是，如果相撞程度過弱，則不能賦予殘余壓應(yīng)力，因此優(yōu)選的是，用適當(dāng)?shù)膹姸仁顾鼈兿嘧?。作為更?yōu)選的具體條件，可以列舉下述條件噴射壓力(使所述金屬粉末或陶瓷粉末相撞時作為介質(zhì)的壓縮空氣等的壓力)為大于或等于0.08MPa且小于或等于0.3MPa，相撞時間為大于或等于3秒且小于或等于20秒，噴射距離(從所述粉末的噴出口(噴嘴前端)到被噴射物的距離)為大于或等于20mm且小于或等于50mm。通過對涂層的表面進(jìn)行這種條件的噴拋處理，可以給構(gòu)成涂層的多個層中的至少一層賦予大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。
<實施例> 雖然下面將列舉實施例來更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于此。
將由1.5質(zhì)量％的TaC、1.0質(zhì)量％的NbC、9.0質(zhì)量％的Co以及余量的WC構(gòu)成(含有不可避免的雜質(zhì))的超硬質(zhì)合金制切削刀片(形狀住友電工硬質(zhì)合金(株)制造的CNMG120408N-UX)作為基材，根據(jù)公知的熱CVD法，在該基材上形成表1所示的涂層的各層(在表1中，從左側(cè)所示的層開始依次在基材上形成的各層)，由此制作刃口替換型切削刀片。
例如，在表1中的實施例1中，在基材上依次形成0.2μm的TiN(最下層)、6.5μm的TiCN(根據(jù)MT-CVD法來形成，TiCN層)之后，形成0.4μm的TiBN膜(TiBN層)、1.0μm的κ-Al2O3膜(氧化鋁層)、0.7μm的TiN膜(最表面層)。
另外，在下述條件下，形成基材正上面的TiN層(即，最下層)。即，使用由TiCl42.0體積％、N250體積％、H2剩余部分構(gòu)成的反應(yīng)氣體，并且壓力設(shè)定為6.7kPa，溫度設(shè)定為840℃。
此外，在下述條件下，根據(jù)MT-CVD法，形成上述TiCN層。即，使用由TiCl42.0體積％、CH3CN0.5體積％、N250體積％、H2剩余部分構(gòu)成的反應(yīng)氣體，并且壓力設(shè)定為6.7kPa，溫度設(shè)定為840℃。這樣，特別是在850℃以下的低溫下形成最下層、同時用0.5體積％以下的少量CH3CN來形成TiCN層，由此可以控制形成TiCN層，使得TiCN層具有本發(fā)明所希望的特定的結(jié)晶取向性。
此外，在下述條件下形成上述TiBN層。即，使用由TiCl42.0體積％、BCl30.01體積％、N210.0體積％、H2剩余部分構(gòu)成的反應(yīng)氣體，并且壓力設(shè)定為4.0kPa，溫度設(shè)定為930℃。這樣，特別是在壓力為2.0～4.2kPa的條件下，其與氧化鋁層之間的粘附性高，因此優(yōu)選。
另外，κ-Al2O3(氧化鋁層)的成膜條件如下。使用由AlCl35.0體積％、CO22.0體積％、H2剩余部分構(gòu)成的反應(yīng)氣體，并且壓力設(shè)定為6.0kPa，溫度設(shè)定為1000℃。
此外，這樣成膜后的涂層總厚度記載在表1的“總膜厚”欄中。在表1中，涂層最右側(cè)記載的、并且其組成中含有Ti的層為最表面層(但是，在實施例24和25中，在涂層的表面上形成有含Zr的層)，κ-Al2O3或者α-Al2O3的標(biāo)記表示氧化鋁層。另外，TiBN的標(biāo)記表示TiBN層，TiCN的標(biāo)記表示TiCN層，除此之外的化合物的標(biāo)記表示最下層(記載在最左側(cè)的TiN)或者硬質(zhì)層。即，表1中的涂層一欄中，通過各標(biāo)記的化合物來表示各層的構(gòu)成。
此外，如上所述在形成涂層之后，一邊以60rpm的速度旋轉(zhuǎn)切削刀片，一邊從與刃口脊線呈45°的方向開始，在前刀面和后刀面上均勻地進(jìn)行下述噴拋處理，所述噴拋處理為在0.1MPa的壓縮空氣下，使平均粒徑為50μm的氧化鋁球，在噴射距離為30mm的條件下相撞5秒鐘，由此給涂層的至少一層賦予殘余壓應(yīng)力，從而制得本發(fā)明的刃口替換型切削刀片。另外，位于TiCN層的內(nèi)側(cè)(基材一側(cè))的涂層各層中具有殘余拉應(yīng)力。
利用上述的X射線應(yīng)力測量儀，根據(jù)sin2ψ法測定賦予到涂層中的殘余壓應(yīng)力，其結(jié)果示于表1中。例如，在實施例1的刃口替換型切削刀片中，TiCN層被賦予了0.6GPa的殘余壓應(yīng)力、氧化鋁層被賦予了0.8GPa的殘余壓應(yīng)力，并且最表面層被賦予了0.9GPa的殘余壓應(yīng)力。另外，在表1中，對殘余壓應(yīng)力的數(shù)值標(biāo)注“負(fù)號”符號，以與標(biāo)注有“正號”符號的殘余拉應(yīng)力區(qū)別開。
此外，根據(jù)EPMA(電子探針微分析，Electron Probe MicroAnalysis)，求出構(gòu)成上述TiBN層的TiBxNy的x和y，并將x/(x+y)的值記載在表1中。實施例1中的x/(x+y)的值為0.004。
而且，通過利用X射線衍射儀(RIGAKU株式會社制造；“RINT2400”)對TiCN層進(jìn)行X射線衍射，從而確認(rèn)了(422)面具有最高峰強度，同時(311)面具有第二高峰強度，并且，測定了(422)面的峰強度I(422)與(311)面的峰強度I(311)的峰強度比I(422)/I(311)，并示于表1(“TiCN層的I(422)/I(311)”欄)中。同樣，測定了(220)面的取向性指數(shù)TC(220)，并示于表1(“TiCN層的TC(220)”欄)中。
以上對實施例1進(jìn)行了描述，采用與實施例1相同的方法，制作了實施例2～25和比較例1～7的刃口替換型切削刀片，并示于表1中。另外，比較例1與實施例1的不同之處在于沒有對涂層表面進(jìn)行噴拋處理，由此最表面層、氧化鋁層、以及TiCN層具有殘余拉應(yīng)力。比較例2與實施例1的不同之處在于峰強度比I(422)/I(311)不足1.1。比較例3與實施例1的不同之處在于沒有形成最表面層，并且氧化鋁層和TiCN層具有殘余拉應(yīng)力。比較例4與實施例1的不同之處在于峰強度比I(422)/I(311)不足1.1，并且取向性指數(shù)TC(220)超過1。比較例5與實施例1的不同之處在于峰強度比I(422)/I(311)超過10。在比較例6中，最表面層、氧化鋁層、以及TiCN層具有殘余拉應(yīng)力。在比較例7中，最表面層、氧化鋁層、以及TiCN層具有殘余拉應(yīng)力，并且沒有形成最下層。
另外，通過對實施例的各刃口替換型切削刀片的TiCN層進(jìn)行X射線衍射，從而確認(rèn)了(422)面具有最高峰強度、同時(311)面具有第二高峰強度。
[表1]
此外，在以下條件下對這些刃口替換型切削刀片(實施例1～25和比較例1～7)進(jìn)行切削試驗。
<抗破損性試驗> 在工件為SCM440(6個開槽)、切削速度為150m/分鐘、進(jìn)給量為0.2mm/rev、切削深度為1.5mm、以及干式的條件下進(jìn)行。用20個刀刃切削20秒鐘，根據(jù)此時的破損數(shù)(破損的刀刃數(shù))求出破損率，從而進(jìn)行評價。即，破損率(％)＝(破損數(shù)/20)×100。其結(jié)果示于表2中。破損率越低，表示抗破損性越優(yōu)異。由表2顯然可見，與比較例的刃口替換型切削刀片相比，實施例的刃口替換型切削刀片的抗破損性大幅度提高。
<臨界進(jìn)給量試驗> 在工件為S45C、切削速度為200m/分鐘、切削深度為1.8mm、以及干式的條件下，將進(jìn)給量從0.2mm/rev開始，每次提高0.01mm/rev，測定刀刃缺損時的進(jìn)給量作為臨界進(jìn)給量。其結(jié)果示于表2中。臨界進(jìn)給量的數(shù)值越大，表示切削效率越優(yōu)異。由表2顯然可見，與比較例的刃口替換型切削刀片相比，實施例的刃口替換型切削刀片的臨界進(jìn)給量大幅度提高，從而可以進(jìn)行高效加工。
<耐磨性試驗> 在工件為SCr420H、切削速度為300m/分鐘、進(jìn)給量為0.2mm/rev、切削深度為2.0mm、以及濕式(水溶性切削油)的條件下進(jìn)行。測定切削15分鐘后的刀片后刀面?zhèn)鹊钠骄p量Vb(mm)(該數(shù)值越小，表示耐磨性越優(yōu)異)而進(jìn)行評價。此外，測定工件的外徑，并測定相對于設(shè)定值的加工精度(其絕對值越小，表示加工精度越優(yōu)異)。另外，利用掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察切削試驗后的刃口替換型切削刀片的損傷形態(tài)(在表2中，Al2O3是指氧化鋁層)。此外，對于切削試驗后的刃口替換型切削刀片，用肉眼來確認(rèn)位置的清晰性。這些結(jié)果示于表2中。
由表2顯然可見，與比較例的刃口替換型切削刀片相比，實施例的刃口替換型切削刀片的耐磨性大幅度提高，同時還可以獲得非常高的加工精度。此外，由SEM觀察的結(jié)果可見，與比較例的刃口替換型切削刀片相比，實施例的刃口替換型切削刀片的損傷形態(tài)良好，穩(wěn)定且壽命長，并且基材與涂層的粘附性良好。另外，還可以確認(rèn)，特別是當(dāng)形成由TiN構(gòu)成的層作為最表面層時，使用位置的識別非常清晰。
由上可見，本發(fā)明的刃口替換型切削刀片在兼顧耐磨性和抗破損性的同時，基材與涂層之間的粘附性也優(yōu)異。
[表2]
如上所述，雖然對本發(fā)明的實施方案和實施例進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明的本意也包括上述各實施方案和實施例的結(jié)構(gòu)的適當(dāng)組合。
在此公開的實施方案和實施例均應(yīng)該看作是解釋性的，而不是限制性的。本發(fā)明的范圍不是由上面的說明書部分示出的，而是由權(quán)利要求書的范圍限定的，并且含義及范圍與本發(fā)明權(quán)利要求書的范圍等同的所有變化也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)
1.一種刃口替換型切削刀片，其為具有基材以及形成于該基材上的涂層的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層由至少含有TiCN層和氧化鋁層的多個層構(gòu)成，并且所述多個層中的至少一層被賦予了殘余壓應(yīng)力，
所述TiCN層是以TiCN為主體的層，在X線衍射中，(422)面具有最高峰強度，同時(311)面具有第二高峰強度，并且(422)面的峰強度I(422)與(311)面的峰強度I(311)的峰強度比I(422)/I(311)為大于或等于1.1且小于或等于10，而且(220)面的取向性指數(shù)TC(220)為小于或等于1，
所述氧化鋁層是以具有κ型晶體結(jié)構(gòu)的Al2O3為主體的層，并且其厚度為大于或等于0.5μm且小于或等于1.5μm。
2.(刪除)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層包含所述TiCN層、最表面層和所述氧化鋁層，
所述最表面層是構(gòu)成所述涂層表面的層，該最表面層以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者為主成分，
所述氧化鋁層位于所述最表面層和所述TiCN層之間，
所述最表面層、所述氧化鋁層、以及所述TiCN層中的至少一層被賦予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述最表面層由Ti的氮化物構(gòu)成。
5.(刪除)
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層包含在所述氧化鋁層正下面的由TiBxNy(式中，x和y分別表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)構(gòu)成的TiBN層。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述最表面層的厚度為大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。
8.(刪除)
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層進(jìn)一步包含一層以上的由選自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、以及Si所構(gòu)成的組中的至少一種元素與選自碳、氮、氧和硼所構(gòu)成的組中的至少一種元素形成的化合物所構(gòu)成的硬質(zhì)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層是通過化學(xué)氣相沉積法形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層包含由Ti的氮化物構(gòu)成的、并且厚度大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述基材由超硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、高速鋼、陶瓷、立方氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、或氮化硅燒結(jié)體中的任意一者構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種刃口替換型切削刀片，其為具有基材以及形成于該基材上的涂層的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層由至少含有TiCN層的多個層構(gòu)成，并且所述多個層中的至少一層被賦予了殘余壓應(yīng)力，
所述TiCN層是以TiCN為主體的層，在X線衍射中，(422)面具有最高峰強度，同時(311)面具有第二高峰強度，并且(422)面的峰強度I(422)與(311)面的峰強度I(311)的峰強度比I(422)/I(311)為大于或等于1.1且小于或等于10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述TiCN層的(220)面的取向性指數(shù)TC(220)為小于或等于1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層包含所述TiCN層、最表面層和氧化鋁層，
所述最表面層是構(gòu)成所述涂層表面的層，該最表面層以Ti的碳化物、氮化物和碳氮化物中的任意一者為主成分，
所述氧化鋁層是位于所述最表面層和所述TiCN層之間的、并且以Al2O3為主體的層，
所述最表面層、所述氧化鋁層、以及所述TiCN層中的至少一層被賦予了大于或等于0.05GPa且小于或等于2GPa的殘余壓應(yīng)力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述最表面層由Ti的氮化物構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述氧化鋁層是以具有κ型晶體結(jié)構(gòu)的Al2O3為主體的層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層包含在所述氧化鋁層正下面的由TiBxNy(式中，x和y分別表示原子比，并且0.001≤x/(x+y)≤0.04)構(gòu)成的TiBN層。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述最表面層的厚度為大于或等于0.05μm且小于或等于1μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述氧化鋁層的厚度為大于或等于0.05μm且小于或等于2μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層進(jìn)一步包含一層以上的由選自在日本使用的元素周期表中的IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、以及Si所構(gòu)成的組中的至少一種元素與選自碳、氮、氧和硼所構(gòu)成的組中的至少一種元素形成的化合物所構(gòu)成的硬質(zhì)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層是通過化學(xué)氣相沉積法形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述涂層包含由Ti的氮化物構(gòu)成的、并且厚度大于或等于0.05μm且小于或等于1μm的最下層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刃口替換型切削刀片，其中
所述基材由超硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、高速鋼、陶瓷、立方氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、或氮化硅燒結(jié)體中的任意一者構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種刃口替換型切削刀片，該刃口替換型切削刀片具有基材和形成于該基材上的涂層，該刃口替換型切削刀片的特征在于所述涂層由至少含有TiCN層的多個層構(gòu)成，并且所述多個層中的至少一層施加有殘余壓應(yīng)力，所述TiCN層是以TiCN為主體的層，在X線衍射時，(422)面具有最高峰強度，同時，(311)面具有第二高峰強度，并且(422)面的峰強度I(422)與(311)面的峰強度I(311)的峰強度比I(422)/I(311)為大于或等于1.1且小于或等于10。
文檔編號C23C16/30GK101821040SQ20088011159
公開日2010年9月1日 申請日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
發(fā)明者今村晉也, 大森直也, 岡田吉生, 小島周子, 奧野晉 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社