專利名稱：表面被覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于切削材料如鋼產(chǎn)品的被覆切削工具。
背景技術(shù)：
建議了各種類型的被覆切削工具。例如，下列專利文件1到6公開了在它們的基材上有涂層的工具。涂層結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例是由鈦基材料制成的內(nèi)層，由Al2O3制成的外層，和由鈦基材料制成的最外層組成。然而，在內(nèi)層和外層之間的粘結(jié)強(qiáng)度在多數(shù)情況下是不夠的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，建議了各種粘結(jié)層。
(專利文件1)公開的日本專利申請(qǐng)?zhí)毓?7-42152(專利文件2)公開的日本專利申請(qǐng)?zhí)毓?8-67858(專利文件3)公開的日本專利申請(qǐng)?zhí)毓?9-44358(專利文件4)公開的日本專利申請(qǐng)?zhí)毓?0-37189(專利文件5)公開的日本專利申請(qǐng)?zhí)毓?-12835(專利文件6)公開的日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_平5-8103另一方面，近年來(lái)因?yàn)楣ぜ膹?fù)雜形狀增加了工作接觸點(diǎn)的數(shù)量和難于機(jī)械加工材料增加了對(duì)工具的附著量，因而極大地增加了施加在涂層上的切削負(fù)荷。更具體而言，附著量的增加增加了切削阻力。結(jié)果，膜碎裂或者膜磨損突然發(fā)生，縮短了工具壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于是提供一種能夠抑制由于附著造成的膜碎裂的被覆切削工具。
根據(jù)本發(fā)明，被覆切削工具在它的基材上有涂層。該涂層包含涂層包括內(nèi)層，中間層和外層，每一層包括至少一層。內(nèi)層由選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，硼化物，硼氮化物，硼氮碳化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物，和碳氮氧化物中的至少一種材料組成。內(nèi)層包括至少一層具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的層。外層由選自氧化鋁，氧化鋯，氧化鉿，和它們固溶體中的至少一種氧化物組成。中間層由硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成，該TiBxNy滿足式10.001＜x/(x+y)＜0.04...式1中間層的平均厚度為0.1至1μm。
如

圖1所示，本發(fā)明的被覆切削工具按從內(nèi)開始的順序包括基材1，內(nèi)層2，中間層3，和外層4。可以在外層4上形成識(shí)別層5。如上所述，本發(fā)明規(guī)定了中間層中的硼含量并限制了中間層的平均厚度。這種結(jié)構(gòu)可以在內(nèi)層和外層之間產(chǎn)生高粘結(jié)強(qiáng)度并降低了與鐵的反應(yīng)性。結(jié)果，本發(fā)明可以制備降低附著和膜碎裂可能性的被覆切削工具。下面詳細(xì)解釋本發(fā)明的被覆切削工具的結(jié)構(gòu)。
(內(nèi)層)內(nèi)層2由選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，硼化物，硼氮化物，硼氮碳化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物，和碳氮氧化物中的至少一種材料組成。更具體而言，該材料可以是例如TiC，TiN，TiCN，TiCNO，TiB2，TiBN，TiCBN，ZrC，ZrO2，HfC，和HfN。
理想的是內(nèi)層包括至少一層具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的層。具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的層具有優(yōu)異的耐磨性。理想的是具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的層由碳氮化鈦或碳氮氧化鈦組成。可以主要通過(guò)調(diào)整反應(yīng)氣的組成和反應(yīng)溫度并且通過(guò)延長(zhǎng)膜形成周期到某一范圍，來(lái)制備具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)層。理想的是該柱狀晶體結(jié)構(gòu)的縱橫比至少為5。此下限通過(guò)主要考慮在外層磨損掉或者碎裂后的耐磨性來(lái)確定的。
通過(guò)晶粒長(zhǎng)度(垂直長(zhǎng)度＝膜厚度)與(d1+d2)/2之比來(lái)確定縱橫比，其中d1為在具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的TiCN層頂部的顆粒的水平直徑，和d2為在同一TiCN層底部的顆粒的水平直徑。
通過(guò)下面的方法來(lái)測(cè)量縱橫比。沿平行于切削面的方向或以相對(duì)于切削面的適當(dāng)?shù)慕嵌龋硐氲淖畲鬄?0度，拋光垂直切割的被覆切削工具的表面。用適當(dāng)?shù)母g性液體處理拋光表面，以便清楚地觀察晶粒間界。通過(guò)使用掃描電子顯微鏡在適當(dāng)?shù)姆糯蟊堵氏屡臄z出處理過(guò)的表面的顯微照片。通常將顯微照片用來(lái)計(jì)算在明確顆粒的生長(zhǎng)方向后的晶粒的縱橫比。
理想的是內(nèi)層的平均厚度為1.0至20.0μm。如果該厚度小于1.0μm，則難于形成柱狀晶體，以致難以保持在外層碎裂后的耐磨性。另一方面，如果該厚度大于20.0μm，內(nèi)層變得易碎，以致耐磨性降低。
(外層)外層4由選自氧化鋁，氧化鋯，氧化鉿，和它們固溶體中的至少一種氧化物組成。這些氧化物化學(xué)穩(wěn)定，與鐵反應(yīng)性低，并且形成附著的可能性低。在這些中，理想的是Al2O3。具體而言，理想的是外層主要由α-型Al2O3組成。α-型Al2O3在高溫下穩(wěn)定，且具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。使用表述“外層主要由α-型Al2O3組成”是指外層包含至少50重量％的α-型Al2O3。理想的是外層的平均厚度為0.5到10.0μm。如果該厚度小于0.5μm，不能有效地抑制附著。如果厚度大于10.0μm，外層易于遭受破碎和碎裂。
(中間層)夾在內(nèi)層2和外層4之間的中間層3由硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成，該TiBxNy滿足式1。在式1中不包括在中間層中作為雜質(zhì)存在的氯0.001＜x/(x+y)＜0.04...式1更理想的是中間層由硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成，該TiBxNy滿足式20.003＜x/(x+y)＜0.02 式2當(dāng)硼的量在式1所示的范圍內(nèi)時(shí)，可以抑制外層的碎裂。此外，即使當(dāng)由于外層的磨損或者碎裂導(dǎo)致TiBN層暴露時(shí)，也可以降低和工件的反應(yīng)性，因此延長(zhǎng)了工具的壽命。
有一個(gè)使用TiB2作為中間層以增加內(nèi)層和外層之間粘結(jié)強(qiáng)度的主意。然而，從圖2的曲線中可以看出，TiB2與鐵的反應(yīng)性約為TiN與鐵的反應(yīng)性的35倍高。因此，工件容易附著。還有使用TiN代替TiBN作為中間層的另一個(gè)主意。然而，TiN不僅在內(nèi)層和外層之間產(chǎn)生低的粘結(jié)強(qiáng)度，而且具有顯著低的硬度。因此，不能提高工具的壽命。本發(fā)明限制在中間層中的硼量，以降低當(dāng)由于外層磨損或者碎裂導(dǎo)致的中間層暴露時(shí)與鐵的反應(yīng)性。換言之，這種限制能夠抑制工件的附著。然而，這種硼的量的減少導(dǎo)致硬度的降低(TiN的硬度比TiB2的硬度低)。因此，當(dāng)TiBN層暴露時(shí)，耐磨性下降。本發(fā)明通過(guò)具有足夠厚度的TiBN層和具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)層補(bǔ)償這種下降，所以可以改善耐磨性。
另外，采用TiBN層可以抑制構(gòu)成外層的氧化層中的顆粒尺寸的增大。結(jié)果，可以降低涂層的表面不平整度，因此降低了切削阻力。上述的抑制發(fā)生在下面的過(guò)程中。首先，少量的硼添加到TiN中導(dǎo)致產(chǎn)物TiBN層具有由微粒構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。這種微粒結(jié)構(gòu)導(dǎo)致外層生成具有均勻尺寸的晶體生長(zhǎng)核。結(jié)果，外層可以具有細(xì)晶體。更具體而言，本發(fā)明規(guī)定了當(dāng)粗糙度由峰線和谷線之間的垂直距離表示時(shí)，在1μm的參考長(zhǎng)度內(nèi)中間層的表面粗糙度為50至500nm，其中峰線是從最高點(diǎn)得到的水平線，谷線是從最低點(diǎn)得到的水平線。這種規(guī)定可以使外層均勻生長(zhǎng)和使被覆切削工具的最外層的表面不平整度最小化。此外，可以提高中間層和外層之間的粘結(jié)強(qiáng)度。
另外，可以通過(guò)限制TiBN層的厚度并且通過(guò)形成具有至少一層具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的鈦基層的內(nèi)層來(lái)改善耐磨性。理想的是中間層的平均厚度為0.1至1μm。如果該厚度小于0.1μm，不能有效地提高內(nèi)層和外層之間的粘結(jié)強(qiáng)度。如果該厚度大于1μm，不能有效地提高涂層的耐磨性。
此外，通過(guò)采用以下結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高內(nèi)層和外層之間的粘結(jié)強(qiáng)度(a)中間層3包含滿足式1的硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成0.001＜x/(x+y)＜0.04...式1(b)中間層3進(jìn)一步包含含于內(nèi)層，外層，或兩層中的至少一種元素，除Ti，B和N以外。
(c)當(dāng)中間層3進(jìn)一步包含含于內(nèi)層中的至少一種元素時(shí)，含于內(nèi)層中的至少一種元素的量從內(nèi)層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或階梯式地降低。
(d)當(dāng)中間層3進(jìn)一步包含含于外層中的至少一種元素時(shí)，含于外層中的至少一種元素的量從外層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或階梯式地降低。
然而，在這種情況下，為了獲得足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)粗糙度由峰線和谷線之間的垂直距離表示時(shí)，中間層在1μm參考長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度必須為50至500nm。
還理想的是由硼氮氧化鈦TiBxNyOz(x，y，z原子％)代替硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成中間層，且硼氮氧化鈦滿足式1和30.001＜x/(x+y)＜0.04...式10.0005＜x/(x+y+z)＜0.04和0＜z/(x+y+z)＜0.5...式3與不含氧的硼氮化鈦相比，含氧中間層可以有更細(xì)的顆粒尺寸和更高的硬度。另外，硼量的限制進(jìn)一步提高了外層的粘結(jié)強(qiáng)度。結(jié)果，改善了耐磨性，因此可以延長(zhǎng)工具的壽命。
如果x/(x+y+z)值不大于0.0005，硼量的減少導(dǎo)致硬度降低。相反地，如果x/(x+y+z)值不小于0.04，與工件的反應(yīng)性增加。結(jié)果，當(dāng)中間層暴露時(shí)，和工件的反應(yīng)導(dǎo)致粘附物強(qiáng)烈附粘于工具的切削部位，促進(jìn)了內(nèi)層的碎裂。還理想的是x/(x+y+z)值小于0.02。另一方面，如果z/(x+y+z)的值為0，其特性與不含氧的硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)的特性相同。如果該值不小于0.5，盡管這種層增加了它的硬度，但降低了它的剛度，導(dǎo)致在間歇切削時(shí)的抗斷裂性的降低。
另外，理想的是中間層由位于內(nèi)層側(cè)的不含氧的硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)和由位于外層側(cè)的含氧的硼氮氧化鈦TiBxNyOz(x，y原子％)組成。這種結(jié)構(gòu)可以提高內(nèi)層和外層兩者的粘結(jié)強(qiáng)度，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)工具的壽命。具體而言，理想的是提供具有其中氧含量從內(nèi)層側(cè)向外層側(cè)連續(xù)地或階梯式地增加的組成分級(jí)(composition-graded)結(jié)構(gòu)的中間層。
(識(shí)別層)理想的是被覆切削工具在外層上具有識(shí)別層5，其由選自元素周期表中屬于IVa族，Va族和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物，和碳氮氧化物中的至少一種材料組成。通常地，Al2O3是黑色的或棕色的。因此，如果涂層的最外層整個(gè)由Al2O3組成，難于識(shí)別工具的舊角。因此，提供識(shí)別層以便簡(jiǎn)化舊角的識(shí)別。該層還用來(lái)提高耐磨性。識(shí)別層可以是單層或多層。理想的是識(shí)別層的平均厚度為約為0.2至5.0μm。
(涂層的表面粗糙度)理想的是當(dāng)通過(guò)觀察工具的橫截面的方法測(cè)量時(shí)，在與除切削刃附近外的工件接觸部分中，所述涂層的最外層在5μm參考長(zhǎng)度內(nèi)的平均表面粗糙度Rmax為0.2至1.3μm。
此外，理想的是當(dāng)通過(guò)觀察工具的橫截面的方法測(cè)量時(shí)，在切削刃附近，所述涂層的最外層在5μm參考長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度Rmax最大為0.2μm。如果表面粗糙度超過(guò)規(guī)定的限制，附著易于發(fā)生，由此阻止了碎片的平滑流動(dòng)。切削刃附近是實(shí)際履行切削操作和遭受切削阻力最強(qiáng)的部位。因此，表面的平滑降低了切削阻力，且能夠進(jìn)行高精度加工。
(基材)基材1由硬相和粘結(jié)相組成的燒結(jié)碳化物制成。硬相主要由碳化鎢組成且包含選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族和VIa族的金屬的碳化物，氮化物，碳氮化物，和它們的固溶體中的至少一種材料，不包括碳化鎢。使用的表述“硬相主要由碳化鎢組成”是指硬相包含至少50重量％的碳化鎢。粘結(jié)相包含選自鐵族金屬中的至少一種元素。
(應(yīng)用)本發(fā)明的被覆切削工具的應(yīng)用包括端銑刀，對(duì)于切削的可索引的插入物，對(duì)于銑床的可索引的插入物和對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)切削方法的可索引的插入物。
(工件)本發(fā)明的被覆切削工具對(duì)其特別有效的工件材料的種類包括低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼和其它普通鋼以及易于促進(jìn)附著的金屬，例如球墨鑄鐵，不銹鋼和鉻鎳鐵合金。
附圖簡(jiǎn)述圖1是示意性舉例說(shuō)明本發(fā)明被覆切削工具的涂層結(jié)構(gòu)的圖。
圖2所示為各種陶瓷與鐵的反應(yīng)性和熱導(dǎo)率的曲線圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下面解釋本發(fā)明的實(shí)施方案。
(試驗(yàn)實(shí)施例1)用球磨機(jī)將下面所示的基材A的材料粉末濕式混合15小時(shí)。將混合的粉末干燥并且用壓力將其形成為壓坯。本實(shí)施例的壓坯具有按照ISOCNMG120408的具有長(zhǎng)切片碎裂器的可索引的插入物的形狀。將壓坯放入燒結(jié)爐中，在1,526.85℃(1,800K)、負(fù)壓100Pa下燒結(jié)30分鐘。僅對(duì)燒結(jié)體的切削刃附近使用SiC刷進(jìn)行珩磨處理。
(基材材料粉末重量％)ATaC2.3，NbC1.2，TiC2，TiN2，ZrC0.2，Co6，WC余數(shù)BTaC2.3，NbC1.2，TiC2，TiN2，TiCN0.2，Co6，Ni3，WC余數(shù)CTaC2.3，NbC1.2，TiC2，TiN2，ZrC0.2，F(xiàn)e6，WC余數(shù)在基材A的表面上，在表1所示的氣體組成，壓力和溫度下，在CVD爐中形成表1所示的各種涂層。在表1所示的涂層之外，具有TiCN、TiBN、α型Al2O3和TiN組分的涂層分別作為內(nèi)層、中間層、外層和識(shí)別層。內(nèi)層的厚度為10μm，中間層的厚度為1.0μm，外層的厚度為7μm和識(shí)別層的厚度為3μm。用作內(nèi)層的TiCN具有縱橫比為7.0的貫穿其結(jié)構(gòu)的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。用表2所示的兩種類型的TiBN制造樣品；一種類型對(duì)于TiBxNy(x，y原子％)滿足式0.001＜x/(x+y)＜0.04而另一種不滿足。通過(guò)觀察工具的橫截面的方法測(cè)量所得到的涂層的最外層的表面粗糙度，且在5μm參考長(zhǎng)度內(nèi)表示粗糙度。測(cè)量結(jié)果顯示，切削刃附近的表面粗糙度Rmax為0.15μm且除切削刃附近之外的部位為0.7μm。在1μm參考長(zhǎng)度內(nèi)，TiBN層由峰線和谷線之間的垂直距離表示的表面粗糙度在1μm參考長(zhǎng)度內(nèi)為50到150nm。
表1

*1涂層對(duì)于TiBxNy(x，y原子％)滿足式0.001＜x/(x+y)＜0.04。
*2涂層對(duì)于TiBxNy(x，y原子％)不滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04。
表2

將在上述條件下制得的樣品在下表3所示的條件下進(jìn)行間歇切削試驗(yàn)和在下表4所示的條件下進(jìn)行連續(xù)切削試驗(yàn)。這些試驗(yàn)評(píng)價(jià)了直到工具達(dá)到它的使用壽命的終點(diǎn)時(shí)的可使用時(shí)間。這些試驗(yàn)結(jié)果也顯示于表2。
表3

表4

從表2中可以看出，對(duì)于TiBxNy(x，y原子％)滿足式0.001＜x/(x+y)＜0.04的樣品，由于涂層碎裂的抑制，其在間歇切削和連續(xù)切削兩種試驗(yàn)下都具有長(zhǎng)的可使用時(shí)間。
(試驗(yàn)實(shí)施例2)在實(shí)施例1描述的基材A的表面上，在表1所示的氣體組成，壓力，和溫度下，在CVD爐中形成涂層。在表1所示的涂層之外，具有TiCN、TiBN、α-Al2O3和TiN組分的涂層分別作為內(nèi)層、中間層、外層和識(shí)別層。在試驗(yàn)實(shí)施例2中，中間層具有以下的結(jié)構(gòu)。除了上述的TiBN外，中間層進(jìn)一步包含含于內(nèi)層、外層或兩層中包含的至少一種元素，Ti、B和N除外。當(dāng)中間層包含含于內(nèi)層中的至少一種元素時(shí)，含于內(nèi)層中的至少一種元素的量從內(nèi)層側(cè)向中間層的厚度中心被連續(xù)地或階梯式地降低。在供給中間層形成氣時(shí)，通過(guò)從內(nèi)層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或階梯式地降低內(nèi)層形成氣的量來(lái)得到這種結(jié)構(gòu)。當(dāng)中間層包含含于外層中的至少一種元素時(shí)，含于在外層中的至少一種元素的量從外層側(cè)向中間層的厚度中心被連續(xù)地或階梯式地降低。在供給中間層形成氣時(shí)，通過(guò)從中間層的厚度中心的附近向外層連續(xù)地或階梯式地提高外層形成氣的量來(lái)得到這種結(jié)構(gòu)。制備了依照上面所述的各種樣品。
為了對(duì)比通過(guò)上述方法制得的涂層，使用試驗(yàn)實(shí)施例1中表2所示的樣品1-3。這樣制備試驗(yàn)實(shí)施例2的上述涂層，以便通過(guò)調(diào)整溫度和壓力，其具有與樣品1-3同樣的厚度，縱橫比，x/(x+y)，工具最外層的表面粗糙度，和TiBN層的峰線和谷線之間的垂直距離。
將在試驗(yàn)實(shí)施例2中得到的樣品和樣品1-3在表3所示的條件下進(jìn)行間歇切削試驗(yàn)。試驗(yàn)評(píng)價(jià)了直到工具達(dá)到它的使用壽命的終點(diǎn)時(shí)的可使用時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣品1-3完成了30分鐘工作，而試驗(yàn)實(shí)施例2的樣品能夠工作40分鐘。
它們還在表4所示的條件下進(jìn)行了連續(xù)切削試驗(yàn)。試驗(yàn)也評(píng)價(jià)了直到工具達(dá)到其使用壽命的終點(diǎn)時(shí)的可使用時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣品1-3完成了20分鐘工作，而試驗(yàn)實(shí)施例2的樣品能夠工作30分鐘。
上面所述的試驗(yàn)結(jié)果證明，具有以下結(jié)構(gòu)的涂層，由于涂層碎裂的進(jìn)一步抑制，其在間歇切削和連續(xù)切削工作下都具有長(zhǎng)的可使用時(shí)間(a)中間層由硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成，該TiBxNy滿足式10.001＜x/(x+y)＜0.04式1(b)中間層進(jìn)一步包含含于內(nèi)層、外層或兩層中的至少一種元素，除了Ti，B和N以外。
(c)當(dāng)含于中間層時(shí)，含于內(nèi)層中的至少一種元素從內(nèi)層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或階梯式地降低它的量。
(d)當(dāng)含于中間層時(shí)，含于外層中的至少一種元素從外層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或階梯式地降低它的量。
(試驗(yàn)實(shí)施例3)在試驗(yàn)實(shí)施例1中描述的基材A和C的表面上，形成具有表5所示結(jié)構(gòu)的各種涂層。涂層進(jìn)行與試驗(yàn)實(shí)施例1相同的切削試驗(yàn)。具有規(guī)定組成的各種涂層形成條件與試驗(yàn)實(shí)施例1中表1所示的那些相同，表6顯示了x/(x+y)，縱橫比，最外層的表面粗糙度和各種樣品的試驗(yàn)結(jié)果。在表6中，“中間層的表面粗糙度”列顯示了通過(guò)峰線和谷線之間的垂直距離表示在1μm的參考長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度。
表5

圓括號(hào)內(nèi)的數(shù)字代表以微米為單位的厚度。
除非另作說(shuō)明，所有的TiCN，TiCNO，和TiC都具有柱狀-晶體結(jié)構(gòu)。
除非另作說(shuō)明，所有的Al2O3都是α-Al2O3。
表6

表6顯示以下結(jié)果(1)理想的是由TiCN制成的內(nèi)層具有縱橫比至少為5的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。
(2)理想的是中間層的厚度為0.1至2.0μm。
(3)理想的是外層的厚度為0.5至10μm和由α-Al2O3制成。
(4)理想的是切削刃附近的表面粗糙度Rmax最多為0.2μm，和除切削刃附近外的部位為0.2至1.3μm。(試驗(yàn)實(shí)施例4)將試驗(yàn)實(shí)施例1中所述的基材A用來(lái)形成具有依照ISO CNMG120408形狀的燒結(jié)體。燒結(jié)體提供有涂層。涂層包括內(nèi)層(TiCN)，中間層(TiBN和TiBNO中的至少一種)，外層(α-Al2O3)和識(shí)別層(TiN)。內(nèi)層的厚度為10μm，中間層的厚度為1.0μm，外層的厚度為7μm，和識(shí)別層的厚度為3μm。通過(guò)改變中間層的組成制備各種樣品。一些中間層具有其中氧含量從內(nèi)層側(cè)向外層連續(xù)地增加的組成-分級(jí)結(jié)構(gòu)。表7顯示各種樣品的中間層的組成。
在下面條件下形成由TiBxNyOz制備的層，所述TiBxNyOz滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04和0.0005＜x/(x+y+z)＜0.04和0＜z/(x+y+z)＜0.5的組成TiCl42體積％，BCl30.005至2體積％，N25至15體積％，NO5至15體積％，和H2余數(shù)壓力4至10.7kPa溫度800至930℃。
在下面條件下形成由TiBxNyOz制備的層，所述TiBxNyOz不滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04和0.0005＜x/(x+y+z)＜0.04和0＜z/(x+y+z)＜0.5組成TiCl42體積％，BCl35體積％，N25至15體積％，NO1至10體積％，和H2余數(shù)壓力13.3kPa溫度950℃。
通過(guò)逐漸改變氧的量形成具有組成-分級(jí)結(jié)構(gòu)的中間層。更具體而言，可以通過(guò)改變一氧化氮(NO)氣體的量、壓力和溫度形成該涂層。
所有的內(nèi)層具有縱橫比為7的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察工具的橫截面的方法測(cè)量所得到的涂層的最外層在5μm參考長(zhǎng)度之內(nèi)的表面粗糙度。測(cè)量結(jié)果顯示，切削刃附近的表面粗糙度Rmax為0.15μm和除切削刃附近外的部位為0.90μm。TiBNO層具有由峰線和谷線之間的垂直距離表示在1μm參考長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度為100至300nm。TiBN層用同樣的方法表示的表面粗糙度為50至150nm。
樣品在表3所示的條件下進(jìn)行間歇切削試驗(yàn)和在表4所示的條件下進(jìn)行連續(xù)切削試驗(yàn)。試驗(yàn)評(píng)價(jià)了直到工具達(dá)到它的使用壽命的終點(diǎn)時(shí)的可使用時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果也顯示在表7中。
表7

從表7可以看出，具有由滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04和0.0005＜x/(x+y+z)＜0.04和0＜z/(x+y+z)＜0.5的TiBNO制成的中間層的樣品具有顯著長(zhǎng)的工具壽命。具體而言，樣品3-9，其中間層由位于內(nèi)層側(cè)不含氧的TiBN，和位于外層側(cè)含氧的TiBNO組成，具有顯著長(zhǎng)的工具壽命。
工業(yè)適應(yīng)性如上解釋，本發(fā)明的被覆切削工具在內(nèi)層和外層之間可以具有改進(jìn)的粘結(jié)強(qiáng)度。通過(guò)使用由粘結(jié)內(nèi)層和外層的硼氮化鈦和硼氮氧化鈦中至少一種組成的粘結(jié)層和通過(guò)規(guī)定硼和氧的含量取得這種改進(jìn)。甚至在外層碎裂時(shí)，含指定量的硼的硼氮化鈦的使用可以使與工件的反應(yīng)最小化，所以可以防止工件的附著。具體而言，當(dāng)中間層由位于內(nèi)層側(cè)不含氧的硼氮化鈦，和位于外層側(cè)含氧的硼氮氧化鈦組成時(shí)，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)工具的壽命。
權(quán)利要求
1.一種被覆切削工具，其包括基材和在基材上的涂層，所述涂層包括內(nèi)層，中間層和外層，每一層包括至少一層；內(nèi)層(a)由選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，硼化物，硼氮化物，硼氮碳化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物和碳氮氧化物中的至少一種材料組成；和(b)包括至少一種具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的層；外層，其由選自氧化鋁，氧化鋯，氧化鉿和它們固溶體中的至少一種氧化物組成；中間層(c)由硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)組成，所述TiBxNy滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04...式1；(d)平均厚度為0.1至1μm；和(e)由峰線和谷線之間的垂直距離表示的在1μm參考長(zhǎng)度之內(nèi)的表面粗糙度為50至500nm。
2.一種被覆切削工具，其包括基材和在基材上的涂層，所述涂層包括內(nèi)層，中間層和外層，每一層包括至少一層；內(nèi)層(a)由選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族，和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，硼化物，硼氮化物，硼氮碳化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物，和碳氮氧化物中的至少一種材料組成；和(b)包括至少一層具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)的層；外層，其由選自氧化鋁，氧化鋯，氧化鉿和它們固溶體中的至少一種氧化物組成；中間層(c)包括(c1)硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)，其滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04...式1；和(c2)除Ti，B和N外的至少一種元素，其含于內(nèi)層和外層中的至少一層中，；(d)具有如下分布的一種元素(d1)當(dāng)含于中間層中時(shí)，含于內(nèi)層中的至少一種元素從內(nèi)層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或階梯式地降低其量；和(d2)當(dāng)含于中間層中時(shí)，含于在外層中的至少一種元素從外層側(cè)向中間層的厚度中心連續(xù)地或者階梯式地降低其量；(e)平均厚度為0.1至1μm；和(f)其由峰線和谷線之間的垂直距離表示的在1μm參考長(zhǎng)度內(nèi)表面粗糙度為50至500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的被覆切削工具，其中在中間層中的硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)滿足0.003＜x/(x+y)＜0.02...式2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的被覆切削工具，其中所述中間層由硼氮氧化鈦TiBxNyOz(x，y，z原子％)組成，該TiBxNyOz滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04 ...式1和0.0005＜x/(x+y+z)＜0.04和0＜z/(x+y+z)＜0.5...式3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的被覆切削工具，其中所述的中間層(a)包含(a1)在內(nèi)層側(cè)的硼氮化鈦TiBxNy(x，y原子％)，所述硼氮化鈦滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04 ...式1；和(a2)在外層側(cè)的硼氮氧化鈦TiBxNyOz(x，y，z原子％)，所述硼氮氧化鈦滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04...式1和0.0005＜x/(x+y+z)＜0.04和0＜z/(x+y+z)＜0.5 ...式3；和(b)具有其中的氧含量從內(nèi)層側(cè)向外層側(cè)增加的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中所述內(nèi)層的平均厚度為1.0至20.0μm和所述外層的平均厚度為0.5至10.0μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中所述的具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)和含于內(nèi)層中的至少一層或每層(a)由碳氮化鈦和碳氮氧化鈦中的一種組成；(b)平均厚度為1.0至20.0μm；和(c)在柱狀晶體結(jié)構(gòu)中的縱橫比至少為5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中所述的外層主要由α-型Al2O3組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中所述的涂層在外層之外進(jìn)一步包括一種識(shí)別層，其(a)由選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族，和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物和碳氮氧化物中的至少一種材料組成；和(b)平均厚度為0.2至5.0μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中當(dāng)通過(guò)觀察工具的橫截面的方法測(cè)量時(shí)，在與除切削刃附近外的工件接觸部分中，所述涂層的最外層在5μm參考長(zhǎng)度內(nèi)的平均表面粗糙度Rmax為0.2至1.3μm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中當(dāng)通過(guò)觀察工具的橫截面的方法測(cè)量時(shí)，在切削刃附近，所述涂層的最外層在5μm參考長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度Rmax最大為0.2μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任何一項(xiàng)所述的被覆切削工具，其中所述的基材由以下物質(zhì)組成的燒結(jié)碳化物制成(a)硬相，其(a1)主要由碳化鎢組成，和(a2)包含選自在元素周期表中屬于IVa族，Va族和VIa族的金屬的碳化物，氮化物，碳氮化物和它們的固溶體中的至少一種材料，不包括碳化鎢；和(b)粘結(jié)相，其包含選自鐵族金屬中的至少一種元素。
全文摘要
一種表面被覆切削工具，其包括基材和形成在其表面上的內(nèi)層(2)，中間層(3)，和外層(4)，其中內(nèi)層(2)包含選自元素周期表IVa族，Va族，和VIa族的元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，硼化物，硼氮化物，硼氮碳化物，氧化物，碳氧化物，氧氮化物和碳氮氧化物中的至少一種材料并且包括一種包含筒狀結(jié)構(gòu)的層，外層(4)包含由選自氧化鋁，氧化鋯，氧化鉿和它們的固溶體中的至少一種氧化物層，中間層(3)包含由硼氮化鈦，其中x和y表示原子％，滿足0.001＜x/(x+y)＜0.04－(1)，且其中中間層(3)的平均厚度為0.1至1μm，和由由峰線和谷線之間的垂直距離表示在1μm標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度內(nèi)的表面粗糙度為50至500nm。表面被覆切削工具可以抑制由涉及由該工具與切削材料粘結(jié)引起的膜脫落。
文檔編號(hào)C23C16/30GK1620349SQ0380242
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者岡田吉生, 森口秀樹 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社