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)明涉及表面被覆切削工具，特別是覆蓋有用于提高耐磨性和耐崩裂性的覆膜的表面被覆切削工具
背景技術(shù)：
就切削工具而言,傳統(tǒng)上已經(jīng)使用硬質(zhì)合金(WC-Co合金，或者添加有Ti (鈦)、Ta (鉭)或Nb (鈮)等的碳氮化物的WC-Co合金)。然而，近年來伴隨著切削高速化的趨勢，普遍使用這樣的切削工具，該切削工具通過采用硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、立方氮化硼燒結(jié)體、或者氧化鋁類或氮化硅類陶瓷作為基體、并在其表面上實(shí)施化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)而覆蓋有至少一層被覆層。所述被覆層的厚度為3-20 μ m,并且由這樣的化合物形成該化合物包含選自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Al (鋁)、Si或B中的至少一種的第一元素、以及選自B、C、N或O中的至少一種的第二元素(當(dāng)?shù)谝辉貎H為B時(shí)，第二元素不為B)。在現(xiàn)代切削加工中，對節(jié)省能量和減少成本的要求較高。因此，在切削加工條件方面，對進(jìn)一步提聞速度和進(jìn)給、以及提聞加工效率的要求日益提聞。此外，機(jī)械部件向著成本低、強(qiáng)度高和輕量化的趨勢發(fā)展。在部件中所使用的工件材料已經(jīng)變得難以切削，這使得難以對工件材料進(jìn)行加工。從上述角度考慮，人們已經(jīng)采用多種方法以提高切削工具的耐崩裂性和壽命。作為旨在提高切削工具壽命的方法，例如日本專利特開No. 2001-062603(日本專利No. 3661503,專利文獻(xiàn)I)公開了一種由長形結(jié)晶(oblong crystal)組織所形成的被膜，該被膜的上部和下部具有不同的殘留應(yīng)力。具體地說，在被膜的上層施加殘留壓縮應(yīng)力，同時(shí)在該被膜的下層施加殘留拉伸應(yīng)力，由此提高切削工具的耐崩裂性。日本專利特開No. 2001-096404(專利文獻(xiàn)2)公開了通過采用包含由Ti化合物層、碳氮化鈦層、碳化鈦層和氧化鋁層組成的疊層體的硬質(zhì)被覆層進(jìn)行被覆來提高耐崩裂性的方法。日本專利特開No. 2009-078309(專利文獻(xiàn)3)教導(dǎo)了，通過噴拋方式向硬質(zhì)被覆層(其覆蓋表面被覆切削工具的表面)的外層側(cè)引入壓縮應(yīng)力來提高耐崩裂性。此外，W02006/064724(專利文獻(xiàn)4)公開了一種在表面?zhèn)劝蒩 -Al2O3形成的第一涂層以及在內(nèi)側(cè)包含由TiCN形成的第二涂層的被膜，其中，向第一涂層施加壓縮應(yīng)力，并且向第二涂層施加拉伸應(yīng)力。通過將第一涂層的拉伸應(yīng)力和第二涂層的壓縮應(yīng)力設(shè)定為滿足預(yù)定的關(guān)系，由此該被膜的韌性和耐磨性得到了提高。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本專利特開No. 2001-062603專利文獻(xiàn)2 :日本專利特開No. 2001-096404專利文獻(xiàn)3 :日本專利特開No. 2009-078309
專利文獻(xiàn)4 :W02006/06472
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題雖然上述專利文獻(xiàn)1-4所公開的方法在耐崩裂性方面能夠達(dá)到足夠的性能，但耐磨性不足以滿足目前對切削工具的要求。從上述角度考慮， 本發(fā)明的目的是提供一種兼具高的耐磨性和耐崩裂性的表面被覆切削工具。解決問題的手段為解決上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使被覆膜倒角部分的結(jié)晶組織與被覆膜的除倒角部分以外的其它部分的結(jié)晶組織不同，并且對這兩種結(jié)晶組織分別施加不同的殘留應(yīng)力，能夠最有效地達(dá)到兼具高的耐磨性和耐崩裂性的效果。通過在該發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，發(fā)明人完成了本發(fā)明。本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及在所述基材上形成的被覆膜。所述表面被覆切削工具在前刀面和后刀面相交處具有倒角部分。所述被覆膜包含至少一層第一被覆層。所述第一被覆層在所述倒角部分處為所述被覆膜的最外表面層。所述倒角部分處的所述第一被覆層的殘留應(yīng)力在與表面相距2 μ m以內(nèi)的深度A處表現(xiàn)出極小值，并且在更深的深度方向上作為距離所述深度A的深度的函數(shù)而連續(xù)地或階段式增加。所述殘留應(yīng)力的所述極小值大于或等于_7GPa且小于或等于-lGPa。所述倒角部分以外的部分處的所述第一被覆層的殘留應(yīng)力大于所述殘留應(yīng)力的極小值，并且該殘留應(yīng)力向著前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而連續(xù)地或階段式增加。所述倒角部分以外的所述第一被覆層的殘留應(yīng)力在所述基材側(cè)大于或等于OGPa且小于或等于2GPa。在所述倒角部分處的第一被覆層中，從所述表面直至所述深度A的區(qū)域?yàn)槲⒓?xì)結(jié)晶組織區(qū)域，該區(qū)域包含平均粒度大于或等于IOnm且小于或等于200nm的結(jié)晶。在所述第一被覆層中，所述倒角部分處的在深度方向上比所述深度A更深的區(qū)域、以及所述倒角部分以外的區(qū)域均為粗結(jié)晶組織區(qū)域，它們包含比所述微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域中的結(jié)晶大的結(jié)晶。所述第一被覆層的厚度優(yōu)選大于或等于2 μ m且小于或等于30 μ m。雖然除倒角部分以外，所述第一被覆層在其它區(qū)域也優(yōu)選為最外表面層，但所述第一被覆層沒有必要必須為最外表面層。所述被覆膜優(yōu)選由這樣的化合物形成,該化合物包含選自由IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、Si、Y、B和S組成的組中的至少一種元素、以及選自由硼、碳、氮和氧組成的組中的至少一種元素。所述被覆膜優(yōu)選包含一層或多層除所述第一被覆層以外的層。所述被覆膜的整體厚度優(yōu)選大于或等于3 μ m且小于或等于50 μ m。所述第一被覆層優(yōu)選由氧化鋁形成。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的表面被覆切削工具由于具有上述結(jié)構(gòu)而兼具高的耐磨性和耐崩裂性。附圖
簡要說明圖I為在切削加工中表面被覆切削工具和工件材料處于接觸狀態(tài)的示意圖。圖2為前刀面為方形的表面被覆切削工具的示意圖。
圖3為倒角部分的示意性截面圖，該倒角部分被倒角成曲面。圖4為倒角部分的示意性截面圖,該倒角部分被倒角成平面。圖5為在第一被覆層的深度A處具有極小值，并且在更深的深度方向上作為距離深度A的深度的函數(shù)而連續(xù)地增加的殘留應(yīng)力分布的圖。圖6為在第一被覆層的深度A處具有極小值，并且在更深的深度方向上作為距離深度A的深度的函數(shù)而階段式增加的殘留應(yīng)力分布的圖。圖7為倒角部分處附近的第一被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。圖8為倒角部分處附近的第一被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。
具體實(shí)施方式
下文將對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。在本發(fā)明中，利用掃描電子顯微鏡(SEM)測量
層厚或膜厚。<表面被覆切削工具>本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及在所述基材上形成的被覆膜。具有此基本構(gòu)造的本發(fā)明表面被覆切削工具用作鉆頭、立銑刀、鉆頭用可替換刀頭(indexableinsert)、立銑刀用可替換刀頭、銑削用可替換刀頭、車削用可替換刀頭、金屬用鋸、齒輪用切削工具、鉸刀、絲錐等是非常有利的。圖I為在切削加工中表面被覆切削工具和工件材料處于接觸狀態(tài)的示意圖。如圖I所述，本發(fā)明的表面被覆切削工具I包括在切削加工中與工件材料5的切屑6接觸的前刀面2、以及與工件材料5本身接觸的后刀面3。前刀面2與后刀面3相交處的脊為經(jīng)過刃口處理的倒角部分4。倒角部分4是表面被覆切削工具I與工件材料5接觸的區(qū)域，在切削工具中極其重要。圖2為具有方形前刀面2的表面被覆切削工具的示意圖。在本發(fā)明的表面被覆切削工具I為可替換刀頭型切削工具的情況中，可以在可替換刀頭切削工具的中央，貫穿前刀面2的頂面和底面形成貫通孔20。該貫通孔20用作固定孔以連接工具。如果需要，除固定孔以外還可以提供其它的固定方式，或者可以提供其它的固定方式來代替固定孔。〈倒角部分〉圖3為倒角部分的示意性截面圖，該倒角部分被倒角加工成曲面。圖4為倒角部分的示意性截面圖，該倒角部分被倒角加工成平面。在本發(fā)明中，倒角部分4是指，如圖3所示，在對應(yīng)于前刀面2與后刀面3相交處的脊的區(qū)域處被倒角加工的部分(衍磨部分)，其經(jīng)過刃口處理而具有曲面(R);倒角部分4還指，如圖4所示，通過將對應(yīng)于前刀面2與后刀面3相交處的脊的區(qū)域進(jìn)行線形切除而被倒角加工的部分(凹棱(negative land)部分)。此外，還包括基于組合進(jìn)行上述倒角加工而形成的部分。對前刀面2與后刀面3相交處的脊進(jìn)行研磨加工、刷光加工、滾磨處理、噴拋加工、拋光加工、衍磨加工等，從而形成倒角部分4。當(dāng)從前刀面方向或后刀面方向水平觀察表面被覆切削工具時(shí)(圖4)，倒角部分4的寬度優(yōu)選為大于或等于O. Olmm且小于或等于O. 2mm,更優(yōu)選為大于或等于O. 02mm且小于或等于O. 1mm。〈基材〉對用于本發(fā)明表面被覆切削工具的基材沒有限制，可以使用任何公知的用于切削工具的基材。作為基材，可以列舉(例如)硬質(zhì)合金(例如，WC基硬質(zhì)合金；除WC以外還含有Co的硬質(zhì)合金；或者還添加有諸如Ti、Ta或Nb的碳氮化物的那些硬質(zhì)合金)、金屬陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等作為主要成分的那些)、高速鋼、陶瓷(碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、它們的復(fù)合物等)、立方氮化硼燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體、氮化硼燒結(jié)體、或者由氧化鋁和碳化鈦形成的復(fù)合物。在上述基材中，優(yōu)選硬質(zhì)合金(WC基硬質(zhì)合金)。這是因?yàn)橛操|(zhì)合金包含諸如鈷之類的鐵族金屬，并且以高硬度的碳化鎢作為主要成分，因此硬質(zhì)合金是一種兼具硬度和強(qiáng)度并且平衡性極好的合金。在將這種硬質(zhì)合金用作基材的情況中，即使是硬質(zhì)合金在其組織中包含游離碳或者稱為n相的異常相時(shí) ，也能夠表現(xiàn)出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)?？梢詫倪M(jìn)行表面改性。例如，在使用硬質(zhì)合金的情況中，可以在表面上形成脫β層。在使用金屬陶瓷的情況中，可以形成表面硬化層。即使是在表面改性的情況下，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也得以展現(xiàn)。<被覆膜>在本發(fā)明的表面被覆切削工具中，在基材上形成的被覆膜的特征在于，至少包含第一被覆層。本發(fā)明的被覆膜可以僅由第一被覆層形成(在此情況中，形成第一被覆層使其與基材相接觸)、或者可以包含一層或多層除第一被覆層以外的其它層。如下文中將要描述的那樣，該第一被覆層以外的層可以形成在基材和第一被覆層之間、或者可以形成在第一被覆層之上。即使在第一被覆層以外的層形成在第一被覆層之上的情況中，在參與切削的倒角部分處第一被覆層仍是最外層(構(gòu)成被覆膜表面的層)。由于第一被覆層根據(jù)位置不同而包含有平均粒度不同的結(jié)晶，因此，第一被覆層具有適合該位置的殘留應(yīng)力。因此，能夠兼具高的耐磨性和耐崩裂性。在下文中將描述第一被覆層的粒度和殘留應(yīng)力。本發(fā)明的被覆膜包括覆蓋基材的整個(gè)表面的情況、僅部分地設(shè)置被覆膜的情況、以及被覆膜的一部分的層疊狀態(tài)存在部分差異的情況。優(yōu)選的是，本發(fā)明的被覆膜的整體厚度大于或等于3 μ m且小于或等于50 μ m。如果厚度小于3 μ m，則耐磨性可能降低。如果厚度超過50 μ m,與基材的粘附性以及耐崩裂性可能降低。特別地，被覆膜的厚度優(yōu)選大于或等于5 μ m且小于或等于25 μ m。對本發(fā)明的被覆膜沒有特別限定，可以使用上述的用于本應(yīng)用的公知被覆膜。本發(fā)明的被覆膜優(yōu)選由這樣的化合物形成，該化合物包含選自由元素周期表中的IVa族元素(Ti、Zr、Hf 等)、Va 族元素(V、Nb、Ta 等)、VIa 族元素(Cr、Mo、W 等)、鋁(Al)、硅(Si)、釔(Y)、硼(B)和硫(S)組成的組中的至少一種元素、以及選自由硼、碳、氮和氧組成的組中的至少一種元素(不包括兩種元素都是B的情況)。對于該化合物而言，可以列舉選自由上述IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、鋁(Al)、硅(Si)和釔(Y)組成的組中的元素的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物、碳氧化物、氧氮化物、碳氧氮化物等。可以包括它們的固溶體。對于該化合物而言，可以列舉Ti、Al、(Ti1^xAlx)、(Al1^xZrx)、(Ti1^xSix)、(Al1^xCrx)、(Ti1^ySixAly)或(Alh_yCrxVy)的氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物、碳氧氮化物等(也包括其中加入有B、Cr等的化合物)作為合適的組成(在式中，X和y表示小于或等于I的任意的數(shù))。更優(yōu)選地，可以列舉TiCN, TiN, TiSiN, TiSiCN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN,TiAlSiCrN、AlCrN、AlCrCN、AlCrVN、TiBN、TiAlBN、TiBCN、TiAlBCN、TiSiBCN、AlN、AlCN、A10、Al2O3^ZrO2, (AlZr)2O3等。下文將更加詳細(xì)地描述構(gòu)成被覆膜的第一被覆層?！吹谝槐桓矊拥臍埩魬?yīng)力〉在本發(fā)明的第一被覆層中，根據(jù)倒角部分處的深度，殘留應(yīng)力有很大差別；并且在倒角部分與除倒角部分以外的部分之間，殘留應(yīng)力也有很大差別，并且殘留應(yīng)力滿足下述(1)-(5)中的所有條件。(I)倒角部分處的第一 被覆層的殘留應(yīng)力在與表面相距2 μ m以內(nèi)的深度A處表現(xiàn)出極小值。(2)上述殘留應(yīng)力的極小值大于或等于_7GPa且小于或等于-lGPa。(3)殘留應(yīng)力在更深的深度方向上作為距離所述深度A的深度的函數(shù)而連續(xù)地或階段式增加。(4)倒角部分以外的第一被覆層部分處的殘留應(yīng)力大于倒角部分處的第一被覆層的殘留應(yīng)力的極小值。(5)倒角部分以外的第一被覆層部分處的殘留應(yīng)力向著前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而連續(xù)地或階段式增加，并且在基材側(cè)大于或等于OGPa且小于或等于2GPa。在圖5和圖6中示出第一被覆層中的應(yīng)力分布滿足上述條件(1)-(5)中的
(1)-(3)的例子。圖5為示出在第一被覆膜的深度A處具有極小值的應(yīng)力分布圖，該殘留應(yīng)力在深度方向上作為距離所述深度A的深度的函數(shù)而連續(xù)地增加。圖6為與圖5相似的圖，其提供了殘留應(yīng)力的增加為階段式的情況。由于本發(fā)明的第一被覆層具有這樣的應(yīng)力分布并且具有下文中將要描述的第一被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此，兼具高的耐磨性和耐崩裂性。此外，進(jìn)一步提高了基材和被覆膜之間的粘附性。由于在被覆膜(第一被覆層)的表面附近處具有殘留應(yīng)力的極小值，因此，能夠抑制切削過程中在被覆膜表面處產(chǎn)生的裂紋的發(fā)展。下文將描述條件(1)-(5)以及由此帶來的優(yōu)點(diǎn)。通過滿足條件⑴，能夠保持耐磨性和耐崩裂性之間的平衡。深度A(此處的殘留應(yīng)力為極小值)優(yōu)選位于距離第一被覆層的表面大于或等于O. I μπι且小于或等于I μπι的范圍內(nèi)。如果深度A距離第一被覆層的表面超過2 μ m,則會(huì)失去耐磨性和耐崩裂性之間的平衡，這可能會(huì)降低工具壽命。通過滿足條件(2)，表面被覆切削工具在切削過程中不易于發(fā)生被覆膜的自身破壞，并且能夠獲得優(yōu)異的耐崩裂性。殘留應(yīng)力的極小值優(yōu)選大于或等于_5GPa且小于或等于-I. 5GPa。如果殘留應(yīng)力的極小值小于_7GPa，則第一被覆膜的壓縮應(yīng)力將過高，因而發(fā)生自身破壞從而易于崩裂。如果該極小值超過-lGPa，則不能夠獲得切削工具所需要的耐崩裂性。如本申請所用，本發(fā)明中的“極小值”是指數(shù)學(xué)含義上的最小值，以及殘留應(yīng)力在第一被覆層的厚度方向上連續(xù)地表現(xiàn)出恒定數(shù)值(如下文所述的圖8所示)的情況。提供條件(3)的目的是排除殘留應(yīng)力包括任何的在局部出現(xiàn)或高或低的值的情況。在殘留應(yīng)力局部或高或低的情況中，易于以此區(qū)域作為起點(diǎn)而發(fā)生崩裂。滿足此條件
(3)(殘留應(yīng)力以連續(xù)或階段式的方式變化)可以抑制這樣的崩裂發(fā)生。通過滿足條件(4)和(5)，殘留應(yīng)力向著第一被覆層的前刀面或后刀面的中心方向逐漸地增加(壓縮應(yīng)力也逐漸地降低)。由此能夠防止被覆膜由于其自身的應(yīng)力而發(fā)生內(nèi)部破壞。第一被覆層的除倒角部分以外的部分處的殘留應(yīng)力優(yōu)選最終大于或等于OGPa且小于或等于2GPa。第一被覆層的除倒角部分以外的部分處的殘留應(yīng)力超過2GPa是不優(yōu)選的，這是因?yàn)楦鶕?jù)切削工具的形狀，被覆膜將在倒角部分處發(fā)生脫落。如果在上述基材側(cè)的殘留應(yīng)力小于OGPa，則不能夠獲得足夠的耐磨性。 如本申請所用，“前刀面的中心方向”是指從刃口棱(其為倒角部分)的任意一點(diǎn)朝向前刀面的中心的矢量方向。相似地，“后刀面的中心方向”是指從刃口棱(其為倒角部分)的任意一點(diǎn)朝向后刀面的中心的矢量方向。如本申請所用，本發(fā)明中壓縮應(yīng)力是指由(負(fù))數(shù)值(單位GPa)表示的、存在于被覆膜中的一種內(nèi)部應(yīng)力(固有應(yīng)變)。因此，高的壓縮應(yīng)力(內(nèi)部應(yīng)力)意味著上述數(shù)值的絕對值變大，而低的壓縮應(yīng)力(內(nèi)部應(yīng)力)意味著上述數(shù)值的絕對值變小。應(yīng)指出的是，由“ + ” (正)表示的數(shù)值是指拉伸應(yīng)力。利用下述sin2(p法測量本發(fā)明第一被覆層的殘留應(yīng)力分布。利用X射線的Sin2q^i被廣泛用作測量多晶材料的殘留應(yīng)力的方法。在“X射線應(yīng)力測量法”(日本材料學(xué)會(huì)，株式會(huì)社養(yǎng)賢堂出版，1981年)第54-66頁中詳細(xì)描述了該測量方法。在本發(fā)明中，首先，通過組合使用ISO傾斜法和側(cè)傾法來固定X射線的穿透深度。測量相對于平面中各個(gè)φ方向(包括測量應(yīng)力方向和測量位置處的樣品表面的法線)的衍射角2 Θ，從而繪制20-sin2(p線圖。由斜率獲得達(dá)到相關(guān)深度處(與被覆膜表面的距離)的壓縮應(yīng)力。更具體而言，在X射線應(yīng)力測量方法中，將從X射線源發(fā)出的X射線以預(yù)定的角度射向第一被覆層。利用X射線檢測器來檢測在第一被覆層發(fā)生衍射的X射線。根據(jù)所檢測的值來測量內(nèi)部應(yīng)力。關(guān)于用于測量被覆膜厚度方向上的殘留應(yīng)力的X射線源，從X射線源的性能(高亮度、高平行度、可變波長等)角度考慮，優(yōu)選使用同步輻射(SR)。為了由20-sin2(p線圖獲得上述壓縮應(yīng)力，優(yōu)選使用被覆膜的楊氏模量和泊松比?？梢允褂脛?dòng)態(tài)硬度計(jì)測量楊氏模量。對泊松比而言，應(yīng)當(dāng)采用O. 2左右的值，因?yàn)槠洳粫?huì)由于材料而發(fā)生很大變化。當(dāng)由20-sin2(p線圖獲得壓縮應(yīng)力時(shí)，沒有必要必須使用楊氏模量?？梢愿挠命c(diǎn)陣常數(shù)和點(diǎn)陣間距來計(jì)算壓縮應(yīng)力。<第一被覆層的組成>優(yōu)選地，第一被覆層由這樣的化合物形成，該化合物包含選自由元素周期表中的IVa 族元素(Ti、Zr、Hf 等)、Va 族元素(V、Nb、Ta 等)、VIa 族元素(Cr、Mo、W 等)、鋁(Al)、硅(Si)、釔(Y)、硼(B)和硫(S)組成的組中的至少一種元素、以及選自由硼、碳、氮和氧組成的組中的至少一種元素(不包括兩種元素都是B的情況)，更優(yōu)選由氧化鋁形成，進(jìn)一步優(yōu)選由具有α型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氧化鋁形成。<第一被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)>圖7和圖8為倒角部分附近處的第一被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。圖7和圖8表示被覆膜僅包含第一被覆層的情況。本發(fā)明的第一被覆層8包含微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域10 (其中，構(gòu)成化合物的平均粒度小)和粗結(jié)晶組織區(qū)域9 (其中，構(gòu)成化合物的平均粒度大)。第一被覆層由化合物晶粒的聚集體形成。平均粒度為10nm-200nm的晶粒聚集的區(qū)域稱為微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域，而晶粒比微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域中的結(jié)晶大的區(qū)域稱為粗結(jié)晶組織區(qū)域。如圖7和圖8所示，微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域構(gòu)成了距離倒角部分4處的第一被覆層8的表面直達(dá)深度A的區(qū)域。具 體地說，倒角部分4處的第一被覆層8在厚度方向上由兩個(gè)區(qū)域形成，即，位于基材7側(cè)的粗結(jié)晶組織區(qū)域9和位于表面?zhèn)鹊奈⒓?xì)結(jié)晶組織區(qū)域10。微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域10的厚度構(gòu)成了距離第一被覆層8的表面直到深度A的區(qū)域。由于第一被覆層8具有上述構(gòu)成，本發(fā)明能夠兼具高的耐磨性和耐崩裂性。具體地說，在第一被覆層8的表面上形成微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域10，減小了被覆膜的破壞單位，這使得耐磨性提高。此外，通過使晶粒微小化而增加了晶界。因此，在被覆膜的表面?zhèn)犬a(chǎn)生的裂紋不會(huì)向基材側(cè)發(fā)展，這使得耐崩裂性提高。此外，通過在被覆膜中提供粒度不同的界面，抑制了裂紋在微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域與粗結(jié)晶組織區(qū)域之間的界面處的發(fā)展。此外，可以期待韌性得以提高。使大晶粒聚集在基材側(cè)的原因在于，通過使第一被覆層8中的結(jié)晶隨著構(gòu)成基材7的結(jié)晶而生長，從而提高第一被覆層8與基材7之間的粘附性。因此，本發(fā)明的第一被覆層8的作用是兼具高的耐磨性和耐崩裂性，并且提高與基材7的粘附性。為了獲得上述效果，微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域中的晶粒的平均粒度必須大于或等于IOnm且小于或等于200nm，更優(yōu)選為大于或等于15nm且小于或等于80nm。如果粒度小于10nm，則由于構(gòu)成第一被覆層8的結(jié)晶組織的粒子之間的結(jié)合力變?nèi)?，耐磨性將?huì)降低。如果平均粒度超過200nm，則切削表面處的被覆膜的結(jié)晶組織將過于粗大以至于在工件材料上發(fā)生粘著磨損，這導(dǎo)致耐磨性降低。雖然根據(jù)微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域中晶粒的平均粒度，粗結(jié)晶組織區(qū)域中的晶粒的平均粒度具有不同的最佳范圍，但是粗結(jié)晶組織區(qū)域中的晶粒尺寸基本上大于微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域中晶粒的晶粒尺寸，并且優(yōu)選為大于或等于200nm,更優(yōu)選大于或等于300nm且小于或等于 1500nmo可以如下所述來獲得本發(fā)明中晶粒的平均粒度。對基材和形成于該基材上的被覆膜(第一被覆層)進(jìn)行處理，使得FIB加工材料的截面可視化。利用FE-SEM(場發(fā)射-掃描電子顯微鏡)觀察截面。通過觀察反射電子圖像，在相同的對比度下觀察具有相同結(jié)晶取向的部分。將對比度相同的部分視為一個(gè)晶粒。之后，對于所獲得的圖像，在第一被覆層的任意位置處畫出平行于基材表面的任意長度(優(yōu)選為大約400 μπι)的直線。測量該直線上所包含的晶粒的數(shù)量。用直線的長度除以晶粒的數(shù)量。將該值視為第一被覆層在該位置處的平均粒度。將微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域與粗結(jié)晶組織區(qū)域之間的界面作為結(jié)晶在與基材表面垂直的方向上的取向發(fā)生改變(基于利用透射電子顯微鏡對被覆膜(第一被覆層)的截面所進(jìn)行的觀察)的位置。或者，具有如此結(jié)晶取向的位置作為邊界沒有顯示出明確的改變，而取向改變了一定寬度(與基材表面垂直的方向上的長度)，在這種情況中，將該寬度的中點(diǎn)視為微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域與粗結(jié)晶組織區(qū)域之間的界面。<第一被覆層的位置>在本發(fā)明的被覆膜由多個(gè)層形成的情況中，第一被覆層可以形成在被覆膜的基材偵lJ,或者形成在被覆膜的表面?zhèn)?。?yōu)選地，使第一被覆層位于最外表面層。相應(yīng)地，使第一被覆層與工件材料接觸，這抑制了在切削開始階段的任何缺損。這能夠提高切削性能并且提高壽命。在倒角部分處，第一被覆層必須為被覆膜的最外表面層。<第一被覆層的厚度>在本發(fā)明中，第一被覆層的厚度優(yōu)選為大于或等于2μπι且小于或等于30μπι。此夕卜，厚度的上限為20 μ m,更優(yōu)選為10 μ m。厚度的下限為3 μ m,更優(yōu)選為5 μ m。如果厚度小于2 μ m，則由于施加殘留壓縮應(yīng)力時(shí)的效果不充分，提高耐崩裂性的效果沒有那么明顯。如果厚度超過30 μ m,則與基材或者與位于第一被覆層內(nèi)側(cè)的層的粘附性可能降低。<第一被覆層以外的其它層>本發(fā)明的被覆膜除上述第一被覆層以外，還可以包含一層或多層其它的層。這樣的層包括在基材和第一被覆層之間形成的中間層、和/或在第一被覆層之上形成的最外表面層。根據(jù)第一被覆層的上述效果，提供這些層的目的是抗氧化、潤滑等。特別地，提供上述中間層的目的是提高耐磨性和/或與基材的粘附性。中間層可以包括一層或多層。中間層可以由(例如)Tie、TiN, TiCN, TiCNO, TiSiN, TiAlN, TiZrCN,TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlCrSiN等形成。在這些組成中，不特別限定各原子的比例，并且遵循常規(guī)公知的比例。優(yōu)選的是，所形成的中間層的厚度大于或等于O. 2μπι且小于或等于I μ m,并且殘留應(yīng)力大于或等于-IGPa且小于或等于_0. IGPa0形成最外表面層的目的是著色等，從而識別已使用過的切削刃，最外表面層可以包含一層或多層。最外表面層由(例如)Cr、CrN、TiN、TiCN等形成。在這些組成中，不特別限定各原子的比例，并且遵循常規(guī)公知的比例。優(yōu)選的是，所形成的最外表面層的厚度大于或等于O. I μ m且小于或等于O. 3 μ m。<制備方法>對基材的前刀面與后刀面相交處的脊進(jìn)行研磨處理、刷光處理、滾磨處理、碾磨處理等，從而形成倒角部分。被覆膜沉積在形成有倒角部分的基材上。對制備本發(fā)明的被覆膜的方法沒有特別限定，可以使用公知的常規(guī)方法。優(yōu)選地，利用化學(xué)氣相沉淀法形成被覆膜。利用CVD形成被覆膜的有利之處在于，被覆膜的各層都具有殘留拉伸應(yīng)力，這表現(xiàn)出與基材的高粘附性。所形成的被覆膜的特征在于，對第一被覆層的倒角部分進(jìn)行局部噴砂處理。因此，可以將壓縮應(yīng)力施加到第一被覆層的表面?zhèn)鹊牡菇遣糠郑⑶椅挥诰嚯x倒角部分處的第一被覆層的表面直到深度A處的晶粒的平均粒度被降低至大于或等于IOnm且小于或等于200nmo制備其中直接分散有磨粒的分散溶劑、或者磨粒分散在例如水等溶劑中的分散溶齊U，并且使該分散溶劑沖擊第一被覆層的表面，由此來進(jìn)行噴砂處理。在本發(fā)明中，使磨粒在分散溶劑中的體積比在大于或等于5體積％且小于或等于40體積％的范圍內(nèi)變化，同時(shí)通過連續(xù)或階段式增加分散溶劑中的液體濃度來逐漸使磨粒濃度變稀，由此來進(jìn)行噴砂處理。磨粒優(yōu)選基于比重和硬度不同的至少兩種粉末的混合物。例如，優(yōu)選使用兩種粉末(即，金剛石、氮化硼、碳化硅等硬度高且比重低的粉末，以及諸如氧化鋯、碳化鉭、碳化鎢等硬度低且比重高的粉末)的混合物。此外，噴砂處理可以分為兩個(gè)階段，在每個(gè)階段中使用不同的粉末。可以根據(jù)被覆膜的構(gòu)造和/或所施加的殘留壓縮應(yīng)力的水平來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)磨粒的沖擊條件。優(yōu)選地，投射壓力為大于或等于O. OlMPa且小于或等于O. 5MPa ;投射距離為大于或等于O. 5mm且小于或等于50mm ;并且投射角與倒角部分成直角。如果磨粒的沖擊強(qiáng)度不足，則不能夠施加所需的殘留壓縮應(yīng)力。因此優(yōu)選以合適的強(qiáng)度施加沖擊。雖然本發(fā)明的特征在于，倒角部分處的第一被覆層的殘留應(yīng)力和粒度通過上述噴砂處理而改變，但是其中倒角部分以外的第一被覆層部分的殘留應(yīng)力和粒度等于倒角部分處的第一被覆層的區(qū)域的情況，以及在第一被覆層的倒角部分處上述殘留應(yīng)力和粒度部分地得到滿足的情況也包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，只要不損害本發(fā)明的有益效果即可。例子以下基于例子對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，但本發(fā)明不限于此。在實(shí)施例和對比例中，利用X射線光電子能譜儀(XPS)來確認(rèn)被覆膜的化合物組成。 利用球磨機(jī)將由86質(zhì)量％的WC、8. O質(zhì)量％的Co、2. O質(zhì)量％的TiC、2. O質(zhì)量％的NbC和2. O質(zhì)量％的ZrC共混而成的原料粉末混合72小時(shí)。之后，將該混合物干燥、力口壓成型，并且在真空氣氛中，在1420°C的溫度下進(jìn)行燒結(jié)I小時(shí)，從而制備用于由WC基硬質(zhì)合金制成的不磨刃刀片(形狀由Sumitomo Electric Hardmetal公司制的CNMG120408)的基材。利用具有SiC磨粒的尼龍刷對此基材的切削刃進(jìn)行倒角加工，從而形成作為倒角部分的圓形衍磨體。之后，對基材表面進(jìn)行清潔。利用公知的熱CVD法，在基材上形成表I的“層結(jié)構(gòu)”一欄中所示出的各層被覆膜(表I的“層結(jié)構(gòu)”一欄中所示出的組成的層從右側(cè)開始依次形成在基材上)。例如，實(shí)施例3從基材一側(cè)依次具有厚度為O. 3 μ m的TiN層、厚度為10 μ m的TiCN層、之后的厚度為O. 5μπι的TiCNO層、以及厚度為4μπι的K-Al2O3層。各例子中的第一被覆層均為最外表面層。利用硬度小于被覆膜且比重大于被覆膜的氧化鋯、以及硬度大且比重小的金剛石磨粒對第一被覆層的倒角部分進(jìn)行噴砂處理。具體地說，使磨粒的濃度逐漸變稀，同時(shí)連續(xù)地或階段式增加液體的濃度，并且將投射距離調(diào)整為O. 5-50mm,以O(shè). 01-0. 5MPa的投射壓力對被覆膜的倒角部分進(jìn)行噴砂處理。由此，利用兩種類型的介質(zhì)對第一被覆層進(jìn)行處理，從而獲得下表I中所示出的殘留應(yīng)力和微細(xì)組織。表I中的“增加方式”一欄示出殘留應(yīng)力的增加方式是“連續(xù)”還是“階段式”。在對比例中，相應(yīng)欄中的“恒定”表示第一被覆層的殘留應(yīng)力的增加方式為恒定的。通過相似的方法制造各實(shí)施例中的表面被覆切削工具。按照與上文所描述的各實(shí)施例相似的方法制備各對比例中的表面被覆切削工具，但不進(jìn)行上述噴砂處理。利用sin2(p法測量所制備的表面被覆切削工具的第一被覆層的殘留應(yīng)力分布。按照上文所描述的方法觀察被覆膜的截面，從而確定第一被覆層的平均粒度。在利用sin2(p法進(jìn)行測量的過程中，所采用的X射線的能量為IOkeV,并且衍射線的峰為α型Al2O3的(166)面。通過高斯函數(shù)擬合來確定所測量的衍射峰的位置。獲得了20-sin2(p線圖的傾斜度。關(guān)于楊氏模量，采用了利用動(dòng)態(tài)硬度測試儀(MST制的nanoindenter)所獲得的值。關(guān)于泊松比,采用了 A1203(0. 2)的值。
權(quán)利要求
1.一種表面被覆切削工具(I)，包括基材(7)和在所述基材(7)上形成的被覆膜，所述表面被覆切削工具(I)在前刀面(2)和后刀面(3)相交處具有倒角部分(4)，所述被覆膜包含至少一層第一被覆層(8)，所述第一被覆層(8)在所述倒角部分(4)處為所述被覆膜的最外表面層，所述倒角部分(4)處的所述第一被覆層(8)的殘留應(yīng)力在與所述倒角部分(4)的表面相距2 y m以內(nèi)的深度A處表現(xiàn)出極小值，并且在更深的深度方向上作為距離所述深度A的深度的函數(shù)，該殘留應(yīng)力連續(xù)地或階段式增加，所述殘留應(yīng)力的所述極小值大于或等于_7GPa且小于或等于-lGPa，所述倒角部分(4)以外的部分處的所述第一被覆層(8)的殘留應(yīng)力大于所述殘留應(yīng)力的極小值，所述倒角部分(4)以外的部分處的所述第一被覆層(8)的殘留應(yīng)力向著前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而連續(xù)地或階段式增加，并且該殘留應(yīng)力在所述基材(7)側(cè)大于或等于OGPa且小于或等于2GPa，在所述倒角部分(4)處的第一被覆層(8)中，從所述表面直至所述深度A的區(qū)域?yàn)槲⒓?xì)結(jié)晶組織區(qū)域(10)，該區(qū)域包含平均粒度大于或等于IOnm且小于或等于200nm的結(jié)晶， 并且在所述第一被覆層(8)中，所述倒角部分(4)處的在深度方向上比所述深度A更深的區(qū)域、以及所述倒角部分(4)以外的區(qū)域均為粗結(jié)晶組織區(qū)域(9)，它們包含比所述微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域(10)中的結(jié)晶大的結(jié)晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面被覆切削工具(I)，其中所述第一被覆層(8)的厚度大于或等于2 u m且小于或等于30 u m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面被覆切削工具(I)，其中所述被覆膜由這樣的化合物形成，該化合物包含選自由IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、Si、Y、B和S組成的組中的至少一種元素、以及選自由硼、碳、氮和氧組成的組中的至少一種元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面被覆切削工具(I)，其中所述被覆膜包含一層或多層除所述第一被覆層(8)以外的層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面被覆切削工具(I)，其中所述被覆膜的整體厚度大于或等于3 ii m且小于或等于50 u m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面被覆切削工具(I)，其中所述第一被覆層(8)由氧化鋁形成。
全文摘要
表面被覆切削工具(1)兼具高的耐磨性和耐崩裂性。本發(fā)明的表面被覆切削工具(1)包括基材(7)和在基材(7)上形成的被覆膜。倒角部分(4)處的第一被覆層(8)的殘留應(yīng)力在與表面相距2μm以內(nèi)的深度A處表現(xiàn)出極小值，并且該極小值大于或等于-7GPa且小于或等于-1GPa。倒角部分(4)以外的部分處的第一被覆層(8)的殘留應(yīng)力向著前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而連續(xù)或階段式增加，并且該殘留應(yīng)力大于或等于0GPa且小于或等于2GPa。在第一被覆層(8)中，倒角部分處的在深度方向上比深度A更深的區(qū)域、以及倒角部分(4)以外的區(qū)域都為粗結(jié)晶組織區(qū)域(9)，它們包含比微細(xì)結(jié)晶組織區(qū)域(10)中的結(jié)晶大的結(jié)晶。
文檔編號C23C16/40GK102625737SQ201180004081
公開日2012年8月1日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者伊藤實(shí), 岡田吉生, 金岡秀明, 鈴木智惠, 阿儂薩克·帕索斯 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會(huì)社