專利名稱：被覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在其基材上有涂層的被覆切削工具，更具體而言，涉及一種即使是在切削部分經(jīng)受來自于高速、高效率的機(jī)械加工所導(dǎo)致的高溫的工作條件下，也能夠具有延長(zhǎng)的工具壽命的被覆切削工具，原因在于其優(yōu)異的耐磨性。
背景技術(shù)：
用被覆硬質(zhì)合金切削工具或用被覆金屬陶瓷合金切削工具進(jìn)行各種材料如鋼和鑄鐵的連續(xù)切削和斷續(xù)切削，該切削工具通過使用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法或物理氣相沉積(PVD)方法，具有形成在由硬質(zhì)合金或金屬陶瓷合金制成的基材之上的平均厚度為3至20μm的涂層。通常，硬質(zhì)合金是基于碳化鎢(以下稱為WC)，并且金屬陶瓷合金是基于碳氮化鈦(以下稱為TiCN)。通常，涂層由選自碳化鈦(以下稱為TiC)、氮化鈦(以下稱為TiN)、TiCN、碳氧化鈦(以下稱為TiCO)和碳氮氧化鈦(以下稱為TiCNO)的至少一種鈦化合物制成的內(nèi)層和由氧化鋁(以下稱為Al2O3)制成的外層組成。
下面所示的專利文件1建議，為了提高耐磨性，通過在普通的CVD儀器中、在適度的溫度下使用有機(jī)的碳氮化物作為反應(yīng)氣體來制備TiCN層，以便TiCN層可以具有柱狀的結(jié)構(gòu)。
下面所示的專利文件2建議，為了改善斷續(xù)切削的性能，通過使用TiCl4、CH3CN、CO、N2和H2氣體來制備TiCNO層，以便TiCNO層在X射線衍射分析中在(111)平面上可以具有最高峰強(qiáng)度，并且具有用TiCuNvOw表示的滿足于u≥v＞w＞0和u+v+w＝1和0.05≥w＞0的原子比率。
下面所示的專利文件3建議，以這樣的方法制備TiCNO層，以便TiCNO層在X射線衍射分析中在(422)或(311)平面上具有最高峰強(qiáng)度，并且含有0.05至3重量％的氧。
下面所示的專利文件4建議，以這樣的方法制備TiCNO層，以便TiCNO層具有用TiCxOyNz表示的滿足于0.7≤x+y+z≤1.3并且0.4＜y＜0.6的原子比率。
下面所示的專利文件5建議，以這樣的方法制備TiCNO層，以便TiCNO層含有從TiOv制成的最底層擴(kuò)散出來的氧，這里v是“O”與“Ti”的原子比率并且在1.2至1.7的范圍內(nèi)，具有用TiCxNy(Oz)表示的滿足于x+y+z＝1和0.25≤x≤0.65和0.25≤y≤0.65和0.01≤z≤0.4的原子比率。
(專利文件1)公布的日本專利2974284(專利文件2)公布的日本專利申請(qǐng)?zhí)仄介_8-257808(專利文件3)公布的日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_2000-158209(專利文件4)公布的日本專利申請(qǐng)?zhí)仄介_8-47999(專利文件5)公布的日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_2001-71203近年來，切削操作傾向于提高速度，原因在于除了考慮在切削操作中的人工和能源節(jié)省外，切削機(jī)器性能的改善和輸出的增加。此外，環(huán)境保護(hù)問題促進(jìn)不使用切削液的干式加工。作為結(jié)果，切削工具的切削部分在機(jī)械加工時(shí)經(jīng)受高達(dá)約1,000℃的溫度。通過用TiCNO層涂布切削工具，想要顯著地提高上面所述的被覆切削工具在斷續(xù)切削時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度，粘接強(qiáng)度和潤(rùn)滑性。但是，在常規(guī)的被覆切削工具中，上面所述在機(jī)械加工方法中的手段難以抑制工具的磨損。作為結(jié)果，在相對(duì)短的時(shí)間工具達(dá)到其使用壽命的終點(diǎn)。
更具體而言，在由專利文件2建議的技術(shù)中，TiCNO層含有非常少量的氧，如由0.05≥w＞0所示。從而，在切削部分經(jīng)受來自于高速、高效率的機(jī)械加工所導(dǎo)致的高溫的工作條件下，TiCNO層不能在由充分的耐磨性和耐破損性所保證的優(yōu)異的切削性能下工作。
在由專利文件3提出的技術(shù)中，TiCNO層含有非常少量的氧。當(dāng)通過使用氧的重量百分比來計(jì)算氧與碳氮氧化物的原子比率時(shí)，原子比率的范圍為0.001至0.06。此量可與在專利文件2中所規(guī)定的量相比。(專利文件3沒有清楚地表明碳和氮的含量(原子比率)。)。作為結(jié)果，如同專利文件2中一樣，在高速、高效率的機(jī)械加工中，在相對(duì)短的時(shí)間TiCNO層達(dá)到其使用壽命的終點(diǎn)。
在由專利文件4提出的技術(shù)中，TiCNO層傾向于作為最下層(第一層)和最上層(第三層)之間的粘合層起作用，并且作為防止鈷從基材擴(kuò)散至涂層的層起作用。因此，TiCNO層比第三層薄。更具體而言，在當(dāng)前的技術(shù)中，不期望薄且富氧的TiCNO層具有提高的耐磨性。
在由專利文件5提出的技術(shù)中，TiCNO層具有0.05至2μm的厚度，這是相當(dāng)薄的。此外，通過使用擴(kuò)散的氧形成層來獲得潤(rùn)滑性。作為結(jié)果，難以提高耐磨性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種被覆切削工具，由于其優(yōu)異的耐磨性，即使是在其切削部分經(jīng)受來自于高速、高效率的機(jī)械加工所導(dǎo)致的高溫的工作條件下，也具有長(zhǎng)的工具壽命。
通過規(guī)定TiCNO層的下列性質(zhì)，本發(fā)明達(dá)實(shí)現(xiàn)了前述目的碳、氮和氧的原子比率；厚度；在整個(gè)涂層中所占的百分比；晶體結(jié)構(gòu)；和在X射線衍射分析中的最高峰強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明，被覆切削工具具有在其硬合金基材之上形成的涂層。涂層包括第一化合物層，第一化合物層包括至少一層，并且具有至少為0.5μm和至多為20μm的平均層厚度。此厚度至少占涂層平均總厚度的一半。該至少一層是由在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的一種金屬的碳氮氧化物制成的。該至少一層具有(a)分別用x、y和z表示的碳、氮和氧的原子比率，其滿足于下面的公式x＞y＞z并且x+y+z＝10.74＞x＞0.35，0.45＞y＞0.20并且0.30＞z＞0.06；(b)柱狀結(jié)構(gòu)；和(c)在晶體結(jié)構(gòu)中的最大取向結(jié)構(gòu)系數(shù)，其是分別位于(220)、(311)和(422)平面上的取向結(jié)構(gòu)系數(shù)TC(220)、TC(311)和TC(422)中的一個(gè)。
本發(fā)明人深入細(xì)致地研究以開發(fā)一種被覆切削工具，即使當(dāng)將其用于高速、高效率的連續(xù)或斷續(xù)切削及考慮到環(huán)境保護(hù)，也具有優(yōu)異的切削性能和延長(zhǎng)的工具壽命。研究特別集中在涂層的耐磨性上。然后，本發(fā)明人獲得下面的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)通過如上所述規(guī)定下面的條件制備由在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的一種金屬的碳氮氧化物制成的涂層，該涂層包括眾所周知的TiCNO時(shí)，可以在常規(guī)的TiCNO層上提高耐磨性，即使在切削部分經(jīng)受更高溫度的切削條件下(1)碳(x)、氮(y)和氧(z)的原子比率；(2)上面的(b)項(xiàng)和(c)項(xiàng)；和(3)平均層厚度。
作為結(jié)果，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)工具的壽命。本發(fā)明的說明書是基于上面所述的發(fā)現(xiàn)。下面進(jìn)一步的詳細(xì)解釋本發(fā)明。
在本發(fā)明中，在第一化合物層中碳(x)、氮(y)和氧(z)的原子比率規(guī)定為x＞y＞z并且x+y+z＝1。如果比率未達(dá)到此條件，在層中的原子結(jié)構(gòu)傾向于扭曲，難以在預(yù)期的高速、高效率的機(jī)械加工中提高耐磨性。
同樣要求原子比率滿足于0.74＞x＞0.35，0.45＞y＞0.20，和0.30＞z＞0.06的限制。如果碳的原子比率不小于0.74或者氮的原子比率不大于0.20，則層的硬度增加。硬度增加降低韌性，因此增加斷裂發(fā)生的可能性。作為結(jié)果，工具的壽命被降低。另一方面，如果碳的原子比率不大于0.35或者氮的原子比率不小于0.45，則層以顯著高的速率磨損掉，工具的壽命被降低。如果氧的原子比率不小于0.30，則原子結(jié)構(gòu)相當(dāng)明顯地扭曲，因此層傾向于是脆性的。另一方面，如果氧的原子比率不大于0.06，在切削工具的切削部分經(jīng)受高溫的工作條件下，不能得到預(yù)期的耐磨性。具體而言，當(dāng)原子比率滿足于0.62＞x＞0.40，0.40＞y＞0.25并且0.20＞z＞0.13的限制時(shí)，可以進(jìn)一步提高耐磨性。
為了獲得在上面所規(guī)定的限制范圍內(nèi)的碳(x)、氮(y)和氧(z)的原子比率，并且為了防止原子結(jié)構(gòu)扭曲，值得推薦的是用下面的方法制備第一化合物層。首先，使用下面的氣體作為原料氣氣化的液態(tài)有機(jī)碳氮化物例如CH3CN，在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的一種金屬的氯化物例如VCl4、ZrCl4和TiCl4，氫氣和氮?dú)?。根?jù)要求也可以使用其它的氣體如Ar、CO和CO2。接著，向原料氣中以這樣的比例加入H2O，即H2O與液態(tài)有機(jī)碳氮化物的體積比率變?yōu)橹辽?.01和至多5.00。如上所述，可以將H2O加入到有機(jī)碳氮化物中以使用有機(jī)碳氮化物作為H2O源。也可以將H2O加入到上面所列的另一種氣體中以使用該氣體作為H2O源。即使當(dāng)將H2O加入到另一種氣體中時(shí)，控制H2O與有機(jī)碳氮化物的體積比率為至少0.01和至多5.00。除了H2O的體積控制之外，控制反應(yīng)氣氛的溫度為至少700℃并且至多1,000℃，并且控制反應(yīng)氣氛的壓力為至少5kPa和至多20kPa。當(dāng)控制H2O的體積比率和反應(yīng)氣氛的溫度和壓力進(jìn)入所規(guī)定的界限時(shí)，第一化合物層的碳、氮和氧的原子比率可以進(jìn)入前面所規(guī)定的界限內(nèi)。值得推薦的是通過使用常規(guī)的CVD或PVD儀器形成第一化合物層。
可以用眾所周知的方法測(cè)量原子比率，例如X射線光電子能譜法，二次離子質(zhì)譜儀，或俄歇電子能譜學(xué)。在本發(fā)明中，不超過0.5原子％的非金屬元素如氯在測(cè)量中被當(dāng)作雜質(zhì)對(duì)待。
如上所述，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過上面所述的方法加入適量的氧至第一化合物層時(shí)，即使在更苛刻的切削條件和環(huán)境下，在常規(guī)的被覆切削工具之上可以提高耐磨性。因此，本發(fā)明首先規(guī)定如上所述的第一化合物層的原子比率。本發(fā)明人也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由前面所述的碳氮氧化物制成的第一化合物層滿足于下面的條件時(shí)，可以進(jìn)一步提高耐磨性(a)該層具有至少0.5μm和至多20μm的平均層厚度。
(b)該厚度占涂層平均總厚度的至少一半(占有比率至少0.5)。
(c)該層具有柱狀結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明規(guī)定如上所述的厚度，占有比率和晶體結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，當(dāng)?shù)谝换衔飳影▋蓪踊蚨鄬訒r(shí)，不論該層具有的原子比率相同與否，術(shù)語“平均層厚度”是指這些層的厚度的總和。如果其平均層厚度低于0.5μm，不能在高溫切削條件下提高耐磨性。另一方面，如果其平均層厚度高于20μm，盡管增加的厚度提高了耐磨性，但不能提高抗斷裂的性能。作為結(jié)果，降低工具的壽命。此外，如果平均層厚度低于涂層的平均總厚度的一半(第一化合物層的占有比率小于0.5)或第一化合物層具有粒狀結(jié)構(gòu)，不能達(dá)到預(yù)期的耐磨性的提高。
為了在第一化合物層中形成柱狀結(jié)構(gòu)，值得推薦的是原料氣含有有利于形成柱狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)碳氮化物例如CH3CN。此外，如上所述，當(dāng)控制反應(yīng)氣氛的溫度為至少700℃和至多1,000℃，并且控制反應(yīng)氣氛的壓力為至少5kPa和至多20kPa時(shí)，可以在第一化合物層形成柱狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用除有機(jī)碳氮化物之外的氣體時(shí)，值得推薦的是增大膜形成的速度，提高膜形成的溫度或增加原料氣的濃度。
此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由前面所述的碳氮氧化物制成的第一化合物層具有特定的晶體取向，即使在切削工具的切削部位經(jīng)受高溫的更苛刻的切削條件下，不僅可以提高耐磨性而且可以提高層的機(jī)械強(qiáng)度。因此，本發(fā)明規(guī)定晶體取向。更具體而言，要求第一化合物層的晶體具有取向結(jié)構(gòu)系數(shù)TC(結(jié)構(gòu)取向強(qiáng)度的系數(shù))的最大值，其位于來自(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)和(511)平面的(220)、(311)和(422)平面的晶體生長(zhǎng)取向中的一個(gè)。用下面的方程式1定義取向結(jié)構(gòu)系數(shù)TC。
TC(hkl)=I(hkl)I0(hkl){18ΣI(hkl)I0(hkl)}-1]]>……方程式1，其中I(hkl)在(hkl)平面測(cè)得的衍射強(qiáng)度，I0(hkl)依照J(rèn)CPDS文件，組成(hkl)平面的金屬的碳化物和氮化物的粉末衍射強(qiáng)度的平均值，和(hkl)下面8個(gè)平面(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)和(511)平面。
在上述表達(dá)中，“JCPDS”是“Joint Committee on Powder DiffractionStandard”的縮寫，并且“JCPDS文件”是指“JCPDS International Center forDiffraction Data公布的粉末衍射文件?！痹诰w生長(zhǎng)取向中，為了定位在(220)、(311)和(422)平面的取向結(jié)構(gòu)系數(shù)中的一個(gè)的最大值，值得推薦的是適宜地控制形成第一化合物層的條件，比如膜形成的溫度和壓力，氣體組合物，氣體流速和氣體流量。將推薦的另一種方法是適宜地控制直接在第一化合物層下面的元件的表面條件，不論該元件是基材或另一化合物層。更具體而言，例如，在基材之上，控制基材具有至少為0.05μm并且至多為1.5μm的表面粗糙度，通過適宜地控制膜形成條件可以形成第一化合物層。作為另一個(gè)實(shí)例，控制另一化合物層以具有適宜的表面粗糙度，晶體顆粒的化學(xué)條件和晶體粒度，通過適宜地控制膜形成條件，在另一化合物層上可以形成第一化合物層。
值得推薦的是在基材的平坦部分測(cè)量衍射強(qiáng)度以避免由基材的不均勻表面所引起的X射線的反射。JCPDS文件沒有在周期表中屬于IVa、Va或VIa族金屬的碳氮氧化物的X射線衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。但是，通過衍射強(qiáng)度可以通過下面的方法進(jìn)行在第一化合物層中的碳氮氧化物的識(shí)別。首先，將測(cè)得的在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的金屬的碳氮氧化物的衍射數(shù)據(jù)和在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的金屬的碳化物和氮化物的文件衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。此比較能夠估算個(gè)體的密勒指數(shù)。最后，可以讀出每個(gè)密勒指數(shù)的衍射強(qiáng)度。
不將在第一化合物層所用的在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的金屬限制為一種類型?？梢詫⒆鳛榇我氐牧硪环N金屬元素加入到主要的金屬元素中。在此情況下，理想的是次要元素與主要元素的原子比率至多為40％。例如，可以使用(Ti70W30)CNO，這里數(shù)字表示原子比率。
為了進(jìn)一步提高耐磨性以延長(zhǎng)工具的壽命，理想的是第一化合物層具有縱橫比至少為3的柱狀結(jié)構(gòu)。如果縱橫比低于3，耐磨性在高溫切削條件下傾向于降低。同樣理想的是，第一化合物層具有一種晶體結(jié)構(gòu)，其中晶體具有至少為0.05μm并且至多為1.5μm的平均微粒直徑。如果平均微粒直徑低于0.05μm，第一化合物層不能具有高的結(jié)晶度。作為結(jié)果，組成層的晶體微粒間的粘接強(qiáng)度變低，所以層難以保持其形狀。因而，層不能具有足夠的耐磨性。另一方面，如果平均微粒直徑大于1.5μm，第一化合物層的表面非均勻性變得過分。作為結(jié)果，與工件的摩擦阻力增加，增加不正常的高切削溫度發(fā)生的可能性。因而，層不能具有優(yōu)異的耐磨性。
為了達(dá)到規(guī)定的縱橫比和晶體微粒直徑，值得推薦的是，作為基本的方法，在保持細(xì)小的平均微粒直徑的同時(shí)生長(zhǎng)柱狀結(jié)構(gòu)。更具體而言，值得推薦的是，適宜地控制形成第一化合物層的條件，例如膜的形成溫度和壓力、氣體組成、氣體流速和氣體流量。將推薦的另一種方法是適宜地控制直接在第一化合物層下面的元件的表面條件，不論該元件是基材或另一化合物層。更具體而言，例如控制該基材具有至少為0.05μm并且至多為1.5μm的表面粗糙度，通過合適地控制膜形成條件，可以在基材之上形成第一化合物層。作為另一個(gè)實(shí)例，控制另一化合物層以具有適宜的表面粗糙度，晶體顆粒的化學(xué)條件和晶體粒度(具體而言，至少為0.01μm并且至多為1.0μm)，通過適宜地控制膜形成條件，可以在另一化合物層上形成第一化合物層。
例如可以通過下面的方法測(cè)量縱橫比。首先，對(duì)垂直切下的涂層表面進(jìn)行磨光整理。然后，蝕刻表面以使在第一化合物層中的柱狀結(jié)構(gòu)的微粒分界線清楚。在與基材表面平行的方向，在第一化合物層或其每一層的厚度中心測(cè)量每個(gè)晶體的寬度。假設(shè)寬度是晶體微粒的直徑。平均各個(gè)晶體微粒的測(cè)量結(jié)果以得到平均的晶體微粒直徑。層的厚度除以平均的晶體微粒直徑得到縱橫比。
如上所述，涂層包括含有至少一層的第一化合物層。但是，涂層可以包括除了第一化合物層外的第二化合物層，該第二化合物層包括由一種材料組成的至少一層，該材料選自下面的組(a)在周期表中屬于IVa、Va或VIa族金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硼氮化物、硼氮碳化物、硼氮氧化物、氧化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮氧化物；(b)氧化鋁；和(c)這些物質(zhì)的固溶體。在上面所述的組中，排除那些具有與第一化合物層相同原子比率的碳氮氧化物。在此情況下，理想的是含有第一和第二化合物層的涂層具有至少為1.0μm并且至多為30.0μm的平均總厚度。此結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提高耐磨性。如果平均總厚度小于1.0μm，不能有效地提高耐磨性。另一方面，如果平均總厚度大于30.0μm，盡管增加的厚度提高耐磨性，但是硬度增大。增大的硬度降低抗斷裂性能。作為結(jié)果，工具的壽命傾向于降低。組成第二化合物層的碳氮氧化物層主要具有粒狀結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，涂層可以包括下面的元件(a)氮化鈦層，其作為最里層在硬質(zhì)合金基材的表面上形成；(b)第一化合物層，其包括在氮化鈦層外面形成的至少兩層；和(c)第二化合物層，其包括在第一化合物層外面形成的至少一層。
氮化鈦可以高強(qiáng)度地鍵接到硬質(zhì)合金基材上。因此，理想的是用其作為最里層。具有前面所述結(jié)構(gòu)的涂層即使在更苛刻的切削條件和環(huán)境下也可以具有提高的耐磨性。因而，涂層可以具有延長(zhǎng)的使用壽命。在上面所述的涂層結(jié)構(gòu)中，既可以緊接著在氮化鈦層之上形成第一化合物層，也可以經(jīng)過另一化合物層而形成第一化合物層。類似地，既可以緊接著在第一化合物層之上形成第二化合物層，也可以經(jīng)過另一化合物層而形成第二化合物層。
在本發(fā)明中，涂層可以還包括下面的元件(a)鈦化合物層，其(a1)包括由選自硼氮化鈦和硼氮氧化鈦中的一種材料制成的至少一層，和(a2)是緊接著在第一化合物層上形成的；(b)氧化物層，其(b1)包括由選自氧化鋁、氧化鋯和它們的固溶體中的一種材料制成的至少一層；和(b2)是緊接著在鈦化合物層上形成的；(c)化合物層，其(c1)由選自在周期表中屬于IVa、Va或VIa族的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮氧化物(排除那些與第一化合物層具有相同原子比率的碳氮氧化物)中的一種材料制成；和(c2)是在涂層的最外面的位置上形成的。
在第一化合物層上緊接著提供鈦化合物層以提高第一化合物層與氧化物層間的粘合強(qiáng)度。緊接著在鈦化合物層上提供氧化物層以提高在下面的層的化學(xué)穩(wěn)定性，因?yàn)樗梢砸种茖拥难趸途哂袃?yōu)異的熱穩(wěn)定性。提供最外面的化合物層來識(shí)別舊角，裝飾切削工具和使用其良好的化學(xué)穩(wěn)定性。它可以由例如TiN、TiCN、ZrC、HfC和HfN的材料制成。特別是，TiN層不僅具有與由例如鐵的材料制成的工件低的反應(yīng)能力和優(yōu)良的抗粘附性能，而且起到金色著色層的功能，其有利于識(shí)別切削工具的舊角。具有上面所述結(jié)構(gòu)的涂層可以加強(qiáng)層間的粘接強(qiáng)度。作為結(jié)果，即使在更苛刻的切削條件和環(huán)境下，涂層不僅可以具有提高的耐磨性，而且可以具有提高的抗散裂性能。因此，涂層可以具有延長(zhǎng)的使用壽命。
可以用眾所周知的CVD或PVD方法形成上面所述的第二化合物層、氮化鈦層、鈦化合物層、氧化物層和最外面的化合物層。方法包括熱絲CVD法、等離子體CVD法、反應(yīng)磁控管濺射法和離子電鍍法。
在本發(fā)明中，硬質(zhì)合金基材可以由眾所周知的硬質(zhì)合金例如基于碳化鎢的硬質(zhì)合金，金屬陶瓷合金，陶瓷，cBN和用于切削的其它合金制成。與常規(guī)的切削工具一樣，在基材表面之上形成上面所述的涂層之后，通過磨光或激光處理，可以對(duì)本發(fā)明的被覆切削工具的刀刃部分進(jìn)行表面處理?？梢栽跊]有對(duì)涂層性質(zhì)有值得注意的有害的影響條件下，進(jìn)行表面處理。
如上所解釋的，本發(fā)明對(duì)于提供一種具有優(yōu)異耐磨性的被覆切削工具特別有效，即使是在切削部分經(jīng)受來自于高速、高效率的機(jī)械加工所導(dǎo)致的高溫的工作條件下。作為結(jié)果，被覆切削工具可以具有進(jìn)一步延長(zhǎng)的工具壽命。
具體實(shí)施例方式
下面將解釋本發(fā)明的實(shí)施方案。
(實(shí)施例1)通過下面的方法制備硬質(zhì)合金基材。首先，按指示的重量百分比制備下面原料的粉末87％WC、1％TiC、3％NbC、1％ZrC和8％Co。用球磨機(jī)將粉末濕式混合72小時(shí)。將混合的粉末干燥并且用壓力將其形成為壓坯。壓坯具有如ISO SNMG120408所示的用長(zhǎng)切片碎裂器可索引到的插入物的形狀。將壓坯放入在燒結(jié)爐中，于1,400℃在真空氣氛中燒結(jié)2小時(shí)。燒結(jié)體經(jīng)受珩磨處理以得到硬質(zhì)合金基材。在表I所示的條件下，通過使用CVD儀器，在得到的基材上形成各種類型的由在周期表中屬于IVa、Va或VIa族金屬的碳氮氧化物制成的第一化合物層。在表I中，題為“H2O量”的欄是指H2O與CH3CN的體積比。表II所示為，除了第一化合物層外的其它化合物層的形成條件。制備的各種樣品如表III所示。表III所示為涂層的組成、每一層的平均厚度、涂層的平均總厚度(縮寫為“總厚度”)、第一化合物層厚度與涂層的平均總厚度的比率(縮寫為“占有比率”)、縱橫比、晶體微粒的平均直徑(縮寫為“微粒直徑”)和第一化合物層的最大取向組織系數(shù)所在的平面(縮寫為“最大TC平面”)。在表III中，符號(hào)“a”至“l(fā)”所示為表I所示的第一化合物的類型。
表I

(*)H2O與CH3CN的體積百分?jǐn)?shù)表II

表III

(1)涂層的平均總厚度(2)第一化合物層的平均層厚度與涂層的平均總厚度的比率(3)晶體微粒的平均直徑(4)第一化合物層的最大取向組織系數(shù)所在的平面在此實(shí)施例中，通過從0.05μm至1.5μm改變基材的表面粗糙度，制備樣品1、2、11、12和13。類似地，通過從0.01μm至1.0μm改變緊接著在第一化合物層下面的元件的表面粗糙度，制備樣品3至10和14至18，不管該元件是基材或另一化合物層。這些變化改變了縱橫比和最大取向組織系數(shù)所在的平面。所有由碳氮氧化物制成的第一化合物層具有柱狀結(jié)構(gòu)。
在表III所示的被覆切削工具在下面所述的條件下經(jīng)受切削測(cè)試以評(píng)估切削性能。通過使用工具直到達(dá)到使用壽命的終點(diǎn)的可使用時(shí)間，評(píng)估切削性能。通過這樣的時(shí)刻來判定工具壽命的終點(diǎn)，即當(dāng)工具的基材斷裂或當(dāng)側(cè)面磨損的寬度超過0.3mm之時(shí)。測(cè)試結(jié)果也示于表III。
(切削條件)切削方法連續(xù)切削工件JIS SCM435，圓棒切削速度400m/min給料0.30mm/rev.
切削深度1.8mm切削時(shí)間直到工具達(dá)到使用壽命的終點(diǎn)時(shí)的可使用時(shí)間切削液不使用從表III可以看出，其第一化合物層滿足下面的條件的樣品1至10，與在常規(guī)的膜形成條件下制備的樣品19至21相比，具有顯著長(zhǎng)的工具壽命(a)x＞y＞z并且x+y+z＝10.74＞x＞0.35，0.45＞y＞0.20并且0.30＞z＞0.06；(b)平均層厚度至少為0.5μm和至多為20μm，并且厚度至少占涂層平均總厚度的一半；(c)層具有柱狀結(jié)構(gòu)；和(d)在晶體結(jié)構(gòu)中，最大的取向結(jié)構(gòu)系數(shù)位于(220)、(311)和(422)平面中的一個(gè)平面。
測(cè)試結(jié)果也顯示，樣品1至10具有比未能滿足上面所列的條件(a)至(d)的樣品11至18更長(zhǎng)的工具壽命。特別是，本發(fā)明人相信，得到上述結(jié)果是因?yàn)闃悠?至10具有滿足上面所述條件(a)至(d)的第一化合物層并且因此具有提高的耐磨性。因而，本發(fā)明的被覆切削工具即使在切削部分經(jīng)受由高速、高效率的機(jī)械加工或干式切削所導(dǎo)致的高溫的工作條件下也具有優(yōu)異的耐磨性。工具在切削部分處于同樣的條件下也具有優(yōu)異的抗碎裂性能和抗斷裂性能。作為結(jié)果，該工具具有延長(zhǎng)的工具壽命。
具體而言，滿足條件0.62＞x＞0.40，0.40＞y＞0.25，和0.20＞z＞0.13的樣品2具有比滿足條件(a)的樣品1更好的耐磨性。除了第一化合物層外還有第二化合物層的樣品3至10具有更加優(yōu)異的耐磨性，顯示更長(zhǎng)的工具壽命。在樣品3至10中，下面的兩個(gè)樣品具有特別值得注意的耐磨性，顯示更長(zhǎng)的工具壽命樣品10它具有按下列順序接續(xù)的在最里面位置處的氮化鈦層，由具有不同原子組成的兩層所構(gòu)成的第一化合物層，和第二化合物層。
樣品9它具有按下列順序接續(xù)的在最里面位置處的氮化鈦層，第一化合物層，硼氮化鈦層，氧化鋁層，和最外面位置處的氮化鈦層。
(實(shí)施例2)在與實(shí)施例1相同的條件下，通過用實(shí)施例1的樣品9所用的相同涂料涂布不同類型的基材，制備下面的切削工具樣品具有金屬陶瓷合金基材的樣品2-1，具有陶瓷基材的樣品2-2和具有cBN基材的樣品2-3。樣品在下面所述的條件下經(jīng)受切削試驗(yàn)以評(píng)估其切削性能。用實(shí)施例1所用的相同方法，評(píng)估切削性能。為了比較，實(shí)施例1的樣品20也經(jīng)受相同的切削試驗(yàn)以評(píng)估切削性能。
通過下面的方法制備樣品2-1的金屬陶瓷合金基材。首先，按指示的重量百分比制備下面原料的粉末22％TiCN，5％TaC，4％NbC，7％Co、10％Ni和占余下部分的TiC。用球磨機(jī)濕式混合粉末10小時(shí)。將混合的粉末干燥并且用壓力將其形成為壓坯。壓坯具有如ISO SNMG120408所示的用長(zhǎng)切片碎裂器可索引的插入物的形狀。在燒結(jié)爐中放入壓坯，于1,500℃在真空氣氛下燒結(jié)1小時(shí)。燒結(jié)體經(jīng)受珩磨處理以得到金屬陶瓷合金基材。
通過下面的方法制備樣品2-2的陶瓷基材。首先，按指示的重量百分比制備下面原料的粉末74％Al2O3，24％ZrO2，1％MgO和1％的CaO。與含有高分子電解質(zhì)的溶劑一起混合粉末，并且用旋轉(zhuǎn)磨將粉末粉碎72小時(shí)。向得到的漿液中加入粘合劑并混合。將混合的漿液干燥，并且用壓力將其形成為壓坯。壓坯具有如ISO SNMG120408所示的用長(zhǎng)切片碎裂器可索引的的插入物的形狀。在大氣壓下、在大氣中于1,600℃燒結(jié)壓坯260分鐘。在惰性氣體中，于1,550℃和150MPa下，燒結(jié)體經(jīng)受高溫等靜壓(HIP)處理以得到陶瓷體。通過珩磨處理陶瓷體以得到陶瓷基材。
通過下面的方法制備樣品2-3的cBN基材。首先，制備下面的原料粉末平均顆粒直徑為2.5μm的由40重量％TiN和10重量％Al和50重量％cBN粉末組成的粘合劑粉末。通過使用都是由硬質(zhì)合金制成的坩堝和球來混合粉末。將混合的粉末裝入硬質(zhì)合金容器中，于1,400℃的溫度和5Gpa的壓力下燒結(jié)60分鐘。加工cBN燒結(jié)體以獲得為切削所使用的可索引的插入物，該插入物具有ISO SNGA120408的形狀。
(切削條件)切削方法斷續(xù)切削工件JIS SCM435，有兩個(gè)凹槽的圓棒切削速度300m/min給料0.4mm/rev.
切削深度2.5mm切削時(shí)間直到工具達(dá)到使用壽命的終點(diǎn)時(shí)的可使用時(shí)間切削液不使用切削試驗(yàn)結(jié)果表明，樣品20具有0.5分鐘的可使用時(shí)間，而樣品2-1至2-3有超過10分鐘的可使用時(shí)間。結(jié)果證實(shí)，此實(shí)施例的樣品即使在更苛刻的切削條件如高速、高頻率給料斷續(xù)切削下，也具有優(yōu)異的耐磨性，表示它們具有延長(zhǎng)的工具壽命。
權(quán)利要求
1.一種被覆切削工具，其包括硬質(zhì)合金基材和在基材上形成的涂層，所述的涂層包括第一化合物層，該第一化合物層(a)包括至少一層；和(b)具有至少為0.5μm并且至多為20μm的平均層厚度，該厚度至少占涂層平均總厚度的一半；所述的至少一層是由在周期表中屬于IVa、Va和VIa族之一的金屬的碳氮氧化物制成；所述的至少一層具有(c)分別用x、y和z表示的碳、氮和氧的滿足于下面公式的原子比率x＞y＞z并且x+y+z＝10.74＞x＞0.35，0.45＞y＞0.20，和0.30＞z＞0.06；(d)柱狀結(jié)構(gòu)；和(e)在晶體結(jié)構(gòu)中的最大取向結(jié)構(gòu)系數(shù)，其是分別位于(220)、(311)和(422)平面上的取向結(jié)構(gòu)系數(shù)TC(220)、TC(311)和TC(422)中的一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被覆切削工具，其中所述的至少一層具有滿足下面公式的原子比率0.62＞x＞0.40、0.40＞y＞0.25并且0.20＞z＞0.13。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被覆切削工具，其中(a)所述的柱狀結(jié)構(gòu)具有至少為3的縱橫比；和(b)所述的晶體具有至少為0.05μm并且至多為1.5μm的平均微粒直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被覆切削工具，其中(a)所述的涂層還含有第二化合物層，所述的第二化合物層含有由選自下組的一種材料制成的至少一層(a1)在周期表中屬于IVa、Va和VIa族的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硼氮化物、硼氮碳化物、硼氮氧化物、氧化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮氧化物(排除那些與第一化合物層具有相同原子比率的碳氮氧化物)；(a2)氧化鋁；和(a3)這些物質(zhì)的固溶體；和(b)所述的涂層具有至少為1.0μm并且至多為30μm的平均總厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的被覆切削工具，其中所述的涂層包括(a)氮化鈦層，其作為最里層在硬質(zhì)合金基材的表面上形成；(b)第一化合物層，其包括在氮化鈦層外面形成的至少兩層；和(c)第二化合物層，其包括在第一化合物層外面形成的至少一層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被覆切削工具，其中所述的涂層還包括(a)鈦化合物層，其(a1)包括由選自硼氮化鈦和硼氮氧化鈦中的一種材料制成的至少一層；和(a2)是緊接著在第一化合物層上形成的；(b)氧化物層，其(b1)包括由選自氧化鋁、氧化鋯和它們的固溶體中的一種材料制成的至少一層；和(b2)是緊接著在鈦化合物層上形成的；和(c)化合物層，其(c1)由選自在周期表中屬于IVa、Va和VIa族的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮氧化物(排除那些與第一化合物層具有相同原子比率的碳氮氧化物)中的一種材料制成；和(c2)是在涂層的最外面的位置上形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的被覆切削工具，其中所述的涂層還包括(a)鈦化合物層，其(a1)包括由選自硼氮化鈦和硼氮氧化鈦中的一種材料制成的至少一層；和(a2)是緊接著在第一化合物層上形成的；(b)氧化物層，其(b1)包括由選自氧化鋁、氧化鋯和它們的固溶體中的一種材料制成的至少一層；和(b2)是緊接著在鈦化合物層上形成的；和(c)化合物層，其(c1)由選自在周期表中屬于IVa、Va和VIa族的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮氧化物(排除那些與第一化合物層具有相同原子比率的碳氮氧化物)中的一種材料制成；和(c2)是在涂層的最外面的位置上形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的被覆切削工具，其中所述的涂層還包括(a)鈦化合物層，其(a1)包括由選自硼氮化鈦和硼氮氧化鈦中的一種材料制成的至少一層；和(a2)是緊接著在第一化合物層上形成的；(b)氧化物層，其(b1)包括由選自氧化鋁、氧化鋯和它們的固溶體中的一種材料制成的至少一層；和(b2)是緊接著在鈦化合物層上形成的；和(c)化合物層，其(c1)由選自在周期表中屬于IVa、Va和VIa族的金屬的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮氧化物(排除那些與第一化合物層具有相同原子比率的碳氮氧化物)中的一種材料制成；和(c2)是在涂層的最外面的位置上形成的。
全文摘要
一種即使是在其切削部分經(jīng)受來自于高速、高效率的機(jī)械加工所導(dǎo)致的高溫的工作條件下、也由于其優(yōu)異的耐磨性而具有長(zhǎng)的工具壽命的被覆切削工具。該被覆切削工具具有形成在硬質(zhì)合金基材上的涂層。涂層包括由在周期表中屬于IVa、Va或VIa族金屬的碳氮氧化物制成的第一化合物層。第一化合物層具有(a)滿足于x＞y＞z；x+y+z=1；0.74＞x＞0.35；0.45＞y＞0.20；和0.30＞z＞0.06的碳(x)、氮(y)和氧(z)的原子比率；(b)0.5μm至20μm的平均層厚度，該厚度占涂層平均總厚度的至少一半；(c)柱狀結(jié)構(gòu)；和(d)在X射線衍射分析中，最高峰強(qiáng)度位于(220)、(311)和(422)平面中的一個(gè)平面上。
文檔編號(hào)C23C16/36GK1500582SQ0316020
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者岡田吉生, 伊藤實(shí), 森口秀樹, 樹 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社