專利名稱：表面被覆工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在基體的表面成膜有被覆層而成的表面被覆工具。
背景技術：
現(xiàn)在，對于沖頭和鍛造機(header)等冷鍛和溫熱鍛造工具等的耐磨工具、滑動構(gòu)件、切削工具這樣的工具，需要耐磨損性、滑動性和耐缺損性。在這樣的工具中所使用的方法是，對于WC基超硬合金、TiCN基金屬陶瓷、陶瓷、金剛石或CBN等的硬質(zhì)材料基體的表面成膜各種各樣的被覆層，以使耐磨損性、滑動性、耐缺損性提高。作為這樣的被覆層，一般廣泛采用TiCN層和TiAlN層，以更高的耐磨損性和耐缺損性的提高為目的而進行了各種改善。例如在專利文獻1中記述有一種切削工具，其在基體的表面被覆有耐磨損性被膜，該耐磨損性被膜含有從 B4C、BN、Ti&、TiB、TiC、WC、SiC、SiNx (X = 0· 5 1· 33)和 Al2O3 構(gòu)成的群中選擇的至少一種硬度非常高的超微?；衔?，并公開了通過含有超微?；衔铮荒さ挠捕忍岣?。另外，在專利文獻2中公開有一種被覆層，其由結(jié)晶寬度的縱/寬比的平均值為1. 5 7和縱長的TiAlN結(jié)晶構(gòu)成，并記述了耐磨損性和耐氧化性優(yōu)異。此外， 在專利文獻3中公開有一種工具，其在基體的表面成膜有組成不同的兩層硬質(zhì)皮膜。先行技術文獻專利文獻專利文獻1 特開2001-293601號公報專利文獻2 特開平10-315011號公報專利文獻3 特開2005-199420號公報但是，上述專利文獻1這樣的含有高硬度的超微?；衔锏谋荒?，其被膜的韌性不充分，期望有韌性和耐缺損性優(yōu)異的被覆層。還有，在專利文獻1中還記述了使上述超微粒子化合物為高硬度化合物的非晶質(zhì)，能夠借助被膜中的能量分散來抑制在被膜中進展的裂紋的傳播，如此可知，若超微粒子化合物為非晶質(zhì)，則提高韌性的效果小，還需要進一步提高耐缺損性。另外如專利文獻2可知，由縱長結(jié)晶構(gòu)成的被覆層在耐磨損性的提高上也存在局限。此外，如專利文獻3可知，即使是將組成不同的被覆層兩層層疊的構(gòu)成，仍需要進一步提高被覆層的耐缺損性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的表面被覆工具就是為了解決上述問題，其目的在于，提供一種耐磨損性高，并且具有高耐缺損性的工具。本發(fā)明的表面被覆工具，是以被覆層被覆基體的表面的表面被覆工具，其中，所述被覆層由下層和上層構(gòu)成，該下層和上層均由相對于所述基體的表面垂直延伸的柱狀粒子構(gòu)成，構(gòu)成所述上層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度比構(gòu)成所述下層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度小，并且在所述下層和所述上層中均存在含有的鎢的分散粒子，存在于所述上層的所述分散粒子的分布密度比存在于所述下層的所述分散粒子的分布密度小。在此，優(yōu)選存在于所述上層的分散粒子的平均粒徑比存在于所述下層的分散粒子的平均粒徑小，優(yōu)選存在于所述下層的分散粒子含有的鎢比存在于所述上層的分散粒子含有的鎢多。另外，優(yōu)選在所述被覆層的表面，通過以納米壓痕法進行的硬定測定求得的彈性回復率為40 50%。根據(jù)本發(fā)明的表面被覆工具，通過下層和上層均由相對于所述基體的表面垂直延伸的柱狀粒子構(gòu)成，構(gòu)成上層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度比構(gòu)成下層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度小，并且在所述下層和所述上層中均存在含有的鎢的分散粒子，存在于所述上層的所述分散粒子的分布密度比存在于所述下層的所述分散粒子的分布密度小，由此，被覆層的硬度和耐氧化性提高，并且被覆層的密接性高。在此，存在于上層的分散粒子的平均粒徑比存在于下層的分散粒子的平均粒徑小，出于能夠使被覆層的耐剝離性和耐崩刃性提高這一點而優(yōu)選。另外，存在于下層的分散粒子比存在于上層的分散粒子含有更多的鎢，由于提高被覆層的密接性而優(yōu)選。此外，在所述被覆層的表面，通過以納米壓痕法進行的硬定測定求得的彈性回復率為40 50%，出于提高被覆層的韌性強度，提高被覆工具的切削中的耐崩刃性、耐缺損性這一點而優(yōu)選。


圖1表示作為本發(fā)明的表面被覆工具的恰當?shù)睦拥牟恢啬サ镀螤畹那邢鞴ぞ叩囊焕?a)是概略立體圖，(b)是概略剖面圖。圖2是表示作為本發(fā)明的表面被覆工具的另一恰當?shù)睦拥亩算姷?end mill) 形狀的切削工具的一例的概略側(cè)視圖。圖3是在制造本發(fā)明的表面被覆工具時的被覆層的成膜工序中，電弧離子鍍成膜裝置的模式圖。圖4是表示在制造本發(fā)明的表面被覆工具時，在被覆層的成膜工序中，成膜中的試料整體的配置的模式圖。
具體實施例方式使用圖1，即作為恰當?shù)膶嵤┓绞嚼那邢鞴ぞ叩?a)的概略立體圖、(b)概略剖面圖，對于本發(fā)明的表面被覆工具的一例進行說明。根據(jù)圖1，本發(fā)明的切削工具1構(gòu)成如下在主面具有前刀面3，在側(cè)面具有退刀面 4，在前刀面3和退刀面4的交叉脊線上具有切刃5，在基體2的表面成膜有被覆層6。被覆層6如圖1 (b)所示，由下層8和上層9構(gòu)成，下層8和上層9均由相對于基體2的表面垂直延伸的柱狀粒子10(10a、10b)構(gòu)成。而且其構(gòu)成為，構(gòu)成上層9的柱狀粒子IOb的平均結(jié)晶寬度比構(gòu)成下層8的柱狀粒子IOa的平均結(jié)晶寬度小。另外其構(gòu)成為， 在下層8和上層9中均存在含有鎢的分散粒子12 (12a、12b)，存在于上層9的分散粒子12b 的分布密度比存在于下層8的分散粒子12a的分布密度小。
根據(jù)上述構(gòu)成，被覆層6的硬度和耐氧化性提高，并且被覆層6的密接性高。艮口， 在構(gòu)成上層9的柱狀粒子IOb的平均粒徑比構(gòu)成下層8的柱狀粒子IOa的平均粒徑大或相同的情況下，被覆層6的硬度降低，并且耐氧化性也差。另外，若在下層8和上層9雙方不存在含有鎢的分散粒子12，則被覆層6的耐崩刃性降低。此外，如果由如下結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即存在于上層9的分散粒子12b的分布密度比存在于下層8的分散粒子12a的分布密度大或相同時，則被覆層6的密接性差，被覆層6有可能部分性地剝離。還有在本發(fā)明中，由相對于與基體2的表面平行的方向的結(jié)晶寬度，與基體2的表面垂直的方向的結(jié)晶長度為1. 5倍以上的長結(jié)晶所特定的結(jié)晶定義為柱狀粒子10。若被覆層6不是由柱狀粒子10構(gòu)成，則工具1的韌性降低。另外，若柱狀粒子10的平均結(jié)晶寬度(與基體2的表面平行的方向，即下層和上層的層疊面方向上的結(jié)晶寬度的平均值)為0. 05 μ m以上，則被覆層6的耐氧化性不會降低。另一方面，若柱狀粒子10的平均結(jié)晶寬度為0. 3 μ m以下，則被覆層6的硬度和耐缺損性高。被覆層6的平均結(jié)晶寬度的優(yōu)選范圍是0.1 0.2 μ m。還有在本發(fā)明中，為了測定被覆層6的平均結(jié)晶寬度，在被覆層6的截面照片中，在相當于被覆層6的中間的厚度的部分引出線A(未圖示。)而進行測定。具體來說，就是被覆層6中的柱狀粒子10的平均結(jié)晶寬度，是特定線A的IOOnm以上的長度L (未圖示。)，計數(shù)橫穿該長度L的線A的晶界的數(shù)量，根據(jù)長度L/晶界的數(shù)量進行計算。在此，被覆層6在相對于下層8和上層9的層疊面垂直的方向上，形成有沿該垂直的方向伸長的柱狀粒子10，但是優(yōu)選在鄰接存在的兩個柱狀粒子10、10彼此的界面，下層8 和上層9的層疊面不間斷，而是連續(xù)的。由此，抵制裂紋的進展的效果高，能夠提高被覆層 6的耐崩刃性。另外，本發(fā)明的所謂分散粒子12的分布密度，是指在任意相同的面積區(qū)域內(nèi)存在的分散粒子的個數(shù)(其中，分散粒子的個數(shù)在3個以上的面積區(qū)域進行比較。)。還有，被覆層的組成優(yōu)選由Ti1-A(CVxNx)(其中，M是從Nb、Mo、Ta、Hf、Al、Si和Y 的群選出的至少1種，3555，01)構(gòu)成。在此，作為金屬元素M，優(yōu)選含有強度特別高的Ti和Al，另外還優(yōu)選一并含有Nb、Mo、Ta、W、Cr和Si的至少1種。另外，被覆層6的整體平均厚度以0. 8 10 μ m構(gòu)成。如果是該層厚，則工具1耐磨損性高，并且被覆層6的內(nèi)部應力不會過高，被覆層6的耐缺損性也不會降低。被覆層6 優(yōu)選的整體平均層厚為1 6 μ m。此外，在被覆層6的表面，通過以納米壓痕法進行的硬度試驗求得的彈性回復率為40 50%，出于提高被覆層的韌性強度，提高被覆工具的切削中的耐崩刃性、耐缺損性這一點而優(yōu)選。在此，彈性回復率根據(jù)以納米壓痕法進行的硬定測定的下述測定值來計算 (參照 W. C. Oliverand, G. m. Pharr J. Mater. Res. ,Vol. 7, NO. 6，Junel992,pp. 1564—1583)。彈性回復率R = (Hmax-Hf) /HmaxX 100(% )Hmax :最大壓入深度Hf 卸除載荷后的壓入深度本發(fā)明中的由納米壓痕法進行的硬度試驗，使用具有對頂角115度的金剛石制三棱錐壓頭的微小壓入硬度試驗儀，根據(jù)壓頭壓入時的深度和載荷的關系，測定硬度和楊氏模量。在本發(fā)明中，以這時的最大載荷為130mN、最大壓入深度為500nm進行測定。
另外，作為基體2，適合使用的有超高壓燒結(jié)體等的硬質(zhì)材料，其是在超高壓下，將由以碳化鎢和碳氮化鈦為主要成分的硬質(zhì)相和以鈷、鎳等鐵族金屬為主要成分的結(jié)合相構(gòu)成的超硬合金或金屬陶瓷的硬質(zhì)合金、由以氮化氟和氧化鋁為主要成分的陶瓷、多結(jié)晶金剛石和立方晶氮化硼構(gòu)成的硬質(zhì)相與陶瓷和鐵族金屬等的結(jié)合相燒成而成。還在在圖1中，對于由近乎平板上的不重磨刀片形狀構(gòu)成的切削工具1進行了記述，但本發(fā)明并不限定于此，例如也可以適當?shù)貞脠D2所示這樣的具有旋轉(zhuǎn)中心軸0的端銑刀形狀的切削工具15。此外，本發(fā)明的表面被覆構(gòu)件，并不限定為上述切削工具，在耐磨損材、滑動構(gòu)件這樣需要耐磨損性、耐缺損性的構(gòu)件中也可以適當?shù)厥褂谩?制造方法)對于本發(fā)明的表面被覆工具的制造方法進行說明。首先，使用現(xiàn)有公知的方法制作工具形狀的基體2。其次，在基體2的表面成膜被覆層6。作為被覆層6的成膜方法，離子鍍法等的物理沉積(PVD)法可以恰當?shù)剡m應。參照作為電弧離子鍍成膜裝置(以下簡稱為AIP裝置)20 的模式圖的圖3，和作為表示成膜中的試料的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的模式圖的圖4，對于詳細的成膜方法的一例進行說明。圖3的AIP裝置20為如下構(gòu)造真空室21之中，從氣體導入口 22導入N2或Ar等的氣體，配置陰極電極23和陽極電極M，在兩者間施加高壓電而使等離子體發(fā)生，借助該等離子體使預期的金屬或陶瓷從主靶25 (25a、25b)和副靶32蒸發(fā)，并且使之離子化而成為高能量狀態(tài)，使該離子化的金屬附著在試料(基體幻的表面，在基體2的表面覆蓋被覆層 6。另外，根據(jù)圖3或圖4，基體2被設置在試料支承夾具沈上，多個試料支承臺沈構(gòu)成塔 27。此外，為多個塔27被載置于工作臺觀上的構(gòu)成。此外根據(jù)圖3，還配置有用于加熱基體2的加熱器四，用于將氣體排放到系統(tǒng)外的氣體排出口 30，和用于對基體2外加偏壓的偏壓電源31。在此，在本發(fā)明中，控制的方式是使上層9的組成與下層8的組成相比，其蒸氣壓高的金屬成分的含有比率高，并且，使成膜下層8時的偏壓設定得比成膜上層9時的偏壓要高，由此能夠成為上層9構(gòu)成的柱狀粒子IOb的平均結(jié)晶寬度比構(gòu)成下層8的柱狀粒子IOa 的平均結(jié)晶寬度小的結(jié)構(gòu)。另外，施加到主靶25上的電弧電流恒定，以下層8的成膜時和上層9的成膜時，使施加到副靶32上的電弧電流變化，由此能夠構(gòu)成為，存在于上層9的分散粒子12b的分布密度比存在于下層8的分散粒子12a的分布密度小。還有，作為主靶25，例如能夠使用如下金屬靶，其分別獨立含有金屬鈦(Ti)、金屬鋁(Al)、金屬M(其中，M為從除去Ti的元素周期表第4、5、6族元素、稀土元素及Si中選出的1種以上)；將如上這些復合化的合金靶；混合物靶，其由上述元素的碳化物、氮化物、 硼化物化合物粉末或燒結(jié)體構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，使用于成膜下層8的主靶25a中含有金屬鎢或鎢化合物，并且使成膜上層9的主靶2 中不含金屬鎢或鎢化合物，這一構(gòu)成因為可控制柱狀結(jié)晶12的平均結(jié)晶寬度而優(yōu)選。另外，副靶32由鎢作為主要成分的組成構(gòu)成。然后，使用主靶25和副靶32，通過電弧放電或輝光放電等使金屬源蒸發(fā)而離子化，同時使氮源的氮(N2)氣和碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)氣體反應，由此在基體2的表面堆積被覆層6。還有，為了使等離子體發(fā)生而采用電弧放電或輝光放電等，導入氣體能夠使用氮源的氮(N2)氣和碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)氣。此外，考慮到被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，為了能夠制作高硬度的被覆層6，并且提高與基體2的密接性，成膜時的偏壓優(yōu)選成膜初期設定在 50 200V。實施例以平均結(jié)晶寬度0. 8 μ m的碳化鎢(WC)粉末作為主要成分，并按以下比例添加混合如下粉末平均結(jié)晶幅度1. 2 μ m的金屬鈷(Co)粉末10質(zhì)量％、平均結(jié)晶幅度l.OymW 炭化釩(VC)粉末0. 1質(zhì)量％、平均結(jié)晶幅度Ι.Ομπι的炭化鉻(Cr3C2)粉末0.3質(zhì)量％，通過擠壓成形，成形為端銑刀(型號京瓷制6HFSM060-170-06)形狀后，實施脫粘結(jié)劑處理， 在0. OlPa的真空中，在1450°C進行1小時燒成，制作超硬合金。另外，通過噴丸加工、刷磨加工等對于各試料的前刀面表面進行研磨加工。此外，對于制作的超硬合金以刷磨加工實施刀尖處理(珩磨)。對于如此制作的基體通過電弧離子鍍法，以表1、2所示的各種組成成膜被覆層。 還有，主靶雖然下層用與上層用使用了不同的靶，但施加到各靶的電弧電流在成膜下層、上層時分別為相同的電流值150A。另外，副靶成膜下層、上層時均使用相同的靶，使施加到副靶的電弧電流值變化來控制分散粒子的存在狀態(tài)。對于得到的試料，用透射型電子顯微鏡(TEM)對于含有被覆層的表面的剖面進行觀察，求得構(gòu)成被覆層的粒子的形狀和平均結(jié)晶寬度，并且在膜厚整體χ寬ΙΟμπι的區(qū)域確認分散粒子的存在狀態(tài)。在任意的3處視野進行觀察，測定各視野中的分散粒子的個數(shù)和組成，計算平均值。另外，用TEM進行觀察時，通過能量色散光譜分析(EDQ測定各被覆層的任意3處的全體組成，計算其平均值作為各被覆層的組成。此外，使用具有對頂角115度的金剛石制三棱錐壓頭的微小壓入硬度試驗儀，進行基于納米壓痕法進行的硬度試驗。這時，使最大載荷為130mN，最大壓入深度為500nm，測定最大壓入深度Hmax和卸除載荷后的壓入深度Hf，遵循彈性回復率R= (Hmax-Hf)/HmaxX 100(% )的算式，計算彈性回復率R。接著，使用所得到的端銑刀(京瓷制6HFSM060-170-06)，按以下的切削條件進行切削試驗。結(jié)果顯示在表3中。切削方法端銑刀加工被切削材SKD64切削速度69. 7m/分送給0. 035mm/rev切入深度X橫切入=6mmX0. 18mm切削狀態(tài)干式評價方法用顯微鏡測定90分鐘切削后的橫退刀面磨損和前端磨損，有無崩刃。[表1]
權利要求
1.一種表面被覆工具，其特征在于，是以被覆層被覆基體的表面的表面被覆工具，其中，所述被覆層由下層和上層構(gòu)成，該下層和該上層均由相對于所述基體的表面垂直延伸的柱狀粒子構(gòu)成，構(gòu)成所述上層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度比構(gòu)成所述下層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度小，并且，在所述下層和所述上層中均存在含有鎢的分散粒子，存在于所述上層的所述分散粒子的分布密度比存在于所述下層的所述分散粒子的分布密度小。
2.根據(jù)權利要求1所述的表面被覆工具，其特征在于，存在于所述上層的分散粒子的平均粒徑比存在于所述下層的分散粒子的平均粒徑小。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的表面被覆工具，其特征在于，存在于所述下層的分散粒子含有的鎢比存在于所述上層的分散粒子含有的鎢多。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的表面被覆工具，其特征在于，在所述被覆層的表面，通過以納米壓痕法進行的硬定測定求得的彈性回復率為40 50%。
全文摘要
提供一種具有提高耐磨損性和耐缺損性的被覆層的表面被覆工具，是切削工具(1)等的表面被覆工具，其以被覆層(6)被覆基體(2)的表面，被覆層(6)由下層(8)和上層(9)構(gòu)成，下層(8)和上層(9)均由相對于基體(2)的表面垂直延伸的柱狀粒子(10)構(gòu)成，構(gòu)成上層(9)的柱狀粒子(10b)的平均結(jié)晶寬度比構(gòu)成下層的柱狀粒子的平均結(jié)晶寬度小，并且在所述下層和所述上層中均存在含有的鎢的分散粒子，存在于所述上層的所述分散粒子的分布密度比存在于所述下層的所述分散粒子的分布密度小。
文檔編號C23C14/06GK102196874SQ200980142238
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權日2008年10月28日
發(fā)明者脅真宏 申請人:京瓷株式會社