專(zhuān)利名稱(chēng)：被覆工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鋼的高速切削加工、不銹鋼和難削材料等的切削加工或者金屬模具中使用的被覆工具。
背景技術(shù)：
作為利用物理蒸鍍法被覆氧化物膜而成的被覆工具的現(xiàn)有技術(shù)，有被覆有由鉻含量多于5原子％的、實(shí)質(zhì)上由(Al，Cr) 203結(jié)晶體構(gòu)成的硬質(zhì)層的切削用工具(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)I )。但是，該切削用工具存在硬質(zhì)層與基材的密合性不充分、耐開(kāi)裂性和耐磨損性差的問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本專(zhuān)利第3323534號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題 當(dāng)使用被覆工具進(jìn)行鋼的高速切削加工、不銹鋼和難削材料等的切削加工時(shí)，被覆工具會(huì)產(chǎn)生磨料磨損、化學(xué)磨損、膠合磨損、缺損等。在廣泛的加工領(lǐng)域中，為了延長(zhǎng)切削工具的壽命，不僅需要改善I個(gè)性能，還有必要平衡性良好地改善所有的性能。在利用物理蒸鍍法被覆氧化物膜而成的被覆工具的現(xiàn)有技術(shù)中，存在無(wú)法兼顧氧化物膜的耐開(kāi)裂性和耐磨損性的問(wèn)題。另外，在利用物理蒸鍍法被覆氧化物膜而成的被覆工具的現(xiàn)有技術(shù)中，氧化物膜與基材的密合性不充分，無(wú)法充分地發(fā)揮氧化物膜的優(yōu)異的耐熱性和耐化學(xué)反應(yīng)性。本發(fā)明鑒于該事實(shí)而完成，其目的在于提供在鋼的高速切削加工、不銹鋼和難削材料等的切削加工中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、在金屬模具中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的被覆工具。用于解決技術(shù)問(wèn)題的手段本發(fā)明人在對(duì)延長(zhǎng)被覆有含有利用物理蒸鍍法形成的氧化物膜的覆膜的被覆工具的工具壽命進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，基材的材質(zhì)和各界面的特性會(huì)影響基材與覆膜的密合性、覆膜中的裂紋傳播特性，當(dāng)測(cè)定對(duì)被覆有含有利用物理蒸鍍法形成的氧化物膜的覆膜的被覆工具表面以196N的施加負(fù)荷P按壓維氏壓頭而在被覆工具的表面上產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度dc(μ m)和基材的斷裂韌性Kk (MPa ·πι°_5)后所求出的開(kāi)裂系數(shù)R在特定的范圍時(shí)，可以延長(zhǎng)被覆有含有利用物理蒸鍍法形成的氧化物膜的覆膜的被覆工具的工具壽命。即，本發(fā)明的被覆工具由基材和被覆在其表面上的覆膜構(gòu)成，覆膜含有被覆在基材表面上的中間膜和利用物理蒸鍍法被覆在中間膜的表面上的氧化物膜，測(cè)定對(duì)被覆工具的表面以196Ν的施加負(fù)荷P按壓維氏壓頭而在被覆工具的表面上產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度dc( μ m)和基材的斷裂韌性Krc (MPa ·πι°_5)后由以下的數(shù)學(xué)式I的公式求出的開(kāi)裂系數(shù)R為O. 07 O. 12m0.5。數(shù)學(xué)式I
R = P/ (dc · Kic)另外，本發(fā)明的被覆工具優(yōu)選覆膜包含由ML所示的金屬化合物形成、由單層膜或2層以上的多層膜所構(gòu)成的平均膜厚為I 6μπι的中間膜，式中M表示選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al和Si中的至少I(mǎi)種元素，L表示選自C和N中的I種或2種元素；被覆在中間膜的表面上的平均膜厚為O. 01 O. 9 μ m的由(Al (^y) Cry)203所形成的氧化物膜，式中y表示Cr相對(duì)于Al和Cr總量的原子比，y滿(mǎn)足O.1≤y≤O. 5 ;以及被覆在氧化物膜的表面上、由QJ所示的金屬化合物形成、由單層膜或2層以上的多層膜所構(gòu)成的平均膜厚為O. 2 2 μ m的上部膜，式中Q表示選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al和Si中的至少I(mǎi)種元素，J表示選自C、N和O中的至少I(mǎi)種元素。進(jìn)而，本發(fā)明的被覆工具優(yōu)選覆膜包含平均膜厚為I 6μ m的由Ti(1_x)AlxN形成的中間膜，式中x表示Al相對(duì)于Ti和Al總量的原子比，X滿(mǎn)足O. 35 < X < O. 7 ;被覆在中間膜的表面上的平均膜厚為O. 01 O. 9 μ m的由(Al(1_y)Cry)203形成的氧化物膜,式中y表示Cr相對(duì)于Al和Cr總量的原子比，y滿(mǎn)足O.1≤·y≤O. 5 ;以及被覆在氧化膜的表面上的平均膜厚為O. 2 2 μ m的Ti(1_Z)A1ZN形成的上部膜，式中z表示Al相對(duì)于Ti和Al總量的原子比，z滿(mǎn)足O≤z≤O. 7。發(fā)明的效果本發(fā)明的被覆工具的耐磨損性、耐缺損性和耐氧化性?xún)?yōu)異。將本發(fā)明的被覆工具用作切削工具時(shí)，可以獲得工具壽命延長(zhǎng)的效果。特別是在高速加工、高進(jìn)給加工、高硬度被削材料的加工、難削材料的加工等加工條件苛刻的切削加工中效果高。將本發(fā)明的被覆工具用作耐磨工具時(shí)，可以獲得工具壽命延長(zhǎng)的效果。


圖1為被覆工具的表面上產(chǎn)生的維氏壓痕和裂紋的概略圖。圖2為基材的鏡面研磨面上產(chǎn)生的維氏壓痕和裂紋的概略圖。圖3為表示Schulz反射法的光學(xué)體系的示意圖。圖4為表示α角和β角的位置的正極點(diǎn)圖。圖5為表示本發(fā)明的與中間膜的(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布的一個(gè)例子的圖。
具體實(shí)施例方式對(duì)于開(kāi)裂系數(shù)R在特定范圍時(shí)可以延長(zhǎng)工具壽命的原因雖不清楚，但可以認(rèn)為由于覆膜中的龜裂前方損傷區(qū)域發(fā)達(dá)的應(yīng)力遮蔽效應(yīng)所帶來(lái)的覆膜的高韌性化機(jī)制，因此開(kāi)裂系數(shù)R越大，則因經(jīng)高韌性化的膜使破壞能量分散，因而裂紋在工具表面上越難以擴(kuò)展。即，本發(fā)明的開(kāi)裂系數(shù)R表示裂紋的擴(kuò)展難度。開(kāi)裂系數(shù)R達(dá)到O. 07m°_5以上時(shí)，可獲得裂紋的擴(kuò)展變慢、大碎屑的發(fā)生得以抑制、工具壽命有所提高的效果。但是，當(dāng)開(kāi)裂系數(shù)R變大而超過(guò)O. 12m0·5時(shí)，則在覆膜與基材之間易于發(fā)生剝離，工具壽命縮短。因此，通過(guò)將裂紋長(zhǎng)度dc調(diào)節(jié)在9(Γ310 μ m為左右、將基材的斷裂韌性Krc調(diào)節(jié)在8 18MPa · m°_5左右，從而使開(kāi)裂系數(shù)R為O. 07 O. 12m°_5的范圍。其中更優(yōu)選開(kāi)裂系數(shù)R為O. 08 O.1lm0 5o
Dc是將從對(duì)被覆工具的表面以施加負(fù)荷196N按壓維氏壓頭而在覆膜表面上產(chǎn)生的維氏壓痕的角附近延伸出的4個(gè)裂紋的裂紋長(zhǎng)度dn Cn= 1、2、3、4)如下述數(shù)學(xué)式2的公式所示進(jìn)行加和所得的值。數(shù)學(xué)式2dc = dl+d2+d3+d4如圖1所示，從維氏壓痕的角附近延伸出的裂紋長(zhǎng)度dn (η = 1、2、3、4)是以從維氏壓痕的角附近的裂紋產(chǎn)生的起點(diǎn)至裂紋頂端為止的直線(xiàn)距離來(lái)測(cè)定的。另外，從維氏壓痕的角附近產(chǎn)生2個(gè)以上的裂紋時(shí)，將最長(zhǎng)的裂紋長(zhǎng)度作為該角的裂紋長(zhǎng)度dn Cn= 1、2、
3、4)來(lái)用于dc的計(jì)算，長(zhǎng)度第2短之后的裂紋長(zhǎng)度不用于dc的計(jì)算。裂紋長(zhǎng)度dc主要可通過(guò)基材的組成和覆膜的膜構(gòu)成及組成和被覆條件來(lái)進(jìn)行調(diào)整。覆膜的被覆條件對(duì)裂紋長(zhǎng)度dc的影響較大，如果將被覆氧化物膜、中間膜、上部膜時(shí)所使用的基材偏壓的絕對(duì)值減小，則可以延長(zhǎng)裂紋長(zhǎng)度dc。例如，如果將被覆氧化膜時(shí)使用的施加了脈沖的基材偏壓設(shè)為-70V -40V，則裂紋長(zhǎng)度dc延長(zhǎng)約40 μ m。作為本發(fā)明的被覆部材的基材，具體地可舉出燒結(jié)合金、陶瓷、cBN燒結(jié)體、金剛石燒結(jié)體等。其中，燒結(jié)合金由于耐缺損性和耐磨損性?xún)?yōu)異，因而優(yōu)選，其中更優(yōu)選金屬陶瓷和超硬合金，其中進(jìn)一步優(yōu)選超硬合金，其中更進(jìn)一步優(yōu)選下述的超硬合金其由75 93體積％的WC、0 5體積％的由選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的碳化物、氮化物及它們的相互固溶體中的至少I(mǎi)種構(gòu)成的立方晶相、和7 20體積％的以Co為主成分的結(jié)合相構(gòu)成，且通過(guò)Fullman公式獲得的WC的平均粒徑為O. 5 2 μ m。這里,通過(guò)Fullman公式獲得的WC的平均粒徑是指使用 下述數(shù)學(xué)式3的公式測(cè)定的WC的平均粒徑。數(shù)學(xué)式3dm = (4/ 31) X (NL/NS)(式中，dm是WC的平均粒徑，π是圓周率，NL是從燒結(jié)體的截面組織的拍攝照片得到的截面組織上的任意直線(xiàn)截出的每單位長(zhǎng)度的WC數(shù)，NS是任意的單位面積內(nèi)所含的WC數(shù))。作為立方晶相，具體地可舉出(Nb，W) C、(Nb, ff) CN、(Ti，W) C、(Ti，ff) CN、(Ti，Ta，W)C、(Ti, Ta, ff) CN、(Ti, Nb, W) C、(Ti, Nb, ff) CN、(Ti, Ta, Nb, W) C、(Ti, Ta, Nb, ff) CN、(Ti,Ta, Zr, W) C、(Ti, Ta, Zr, ff) CN、(Ti, Nb, Zr, W) C、(Ti, Nb, Zr, ff) CN、(Ti, Ta, Nb, Zr, W) C、(Ti，Ta，Nb，Zr，W) CN等。本發(fā)明中，以Co為主成分的結(jié)合相是指由Co形成的結(jié)合相或者由在Co中固溶有相對(duì)于Co合金整體為30質(zhì)量％以下的T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的至少I(mǎi)種的Co合金所形成的結(jié)合相。基材的斷裂韌性Kk可通過(guò)組成或組織進(jìn)行控制。例如在為超硬合金基材時(shí)，通過(guò)增加超硬合金的結(jié)合相量或增大超硬合金的WC的平均粒徑，可以提高超硬合金基材的Krc。例如，如果將超硬合金的結(jié)合相量從8體積％增加到16體積％，則超硬合金基材的Krc提高約3MPa · ma50另外，如果將超硬合金的WC的平均粒徑從O. 8 μ m增大到1. 5 μ m，則超硬合金基材的Krc提高約7、MPa · m°_5?；牡腒k是在將覆膜除去后、在沒(méi)有殘留應(yīng)力的位置進(jìn)行測(cè)定。具體地說(shuō)，用150篩目的金剛石磨石將覆膜除去后，再用1500篩目的金剛石磨石從基材表面開(kāi)始研磨深度20 μ m以上，然后再使用金剛石粒子的平均粒徑為I μ m以下的金剛石研磨膏進(jìn)行鏡面研磨。可以通過(guò)對(duì)基材的鏡面研磨面以196N的施加負(fù)荷按壓維氏壓頭并使用論文“新原皓一，《陶瓷的微小壓頭壓入破壞其應(yīng)用和問(wèn)題點(diǎn)》，陶瓷，1985年，Vol. 20，No. 1，p. 12-18”中所記載的下述數(shù)學(xué)式4的公式的維氏壓痕法來(lái)測(cè)定基材的Κκ。數(shù)學(xué)式4Kic = O. 203 · H · a0.5 · (c/a”.5其中，在上述數(shù)學(xué)式4的公式中，Kic (MPa ·πι°_5)表示斷裂韌性，H (MPa)表示維氏硬度，a ( μ m)表示壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的一半長(zhǎng)度，c ( μ m)表示裂紋兩端距離的一半長(zhǎng)度。a、c如圖2所示，通過(guò)測(cè)定壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度2a和裂紋兩端距離2c來(lái)求得。本發(fā)明的覆膜含有被覆在基材的表面上的中間膜和被覆在中間膜的表面上的氧化物膜。中間膜使基材與氧化物膜的密合性提高、并使耐磨損性提高。進(jìn)而，當(dāng)在氧化物膜的表面上被覆上部膜時(shí)，由于抑制初期磨損，因而優(yōu)選。本發(fā)明的中間膜當(dāng)由ML (其中M表示選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al和Si中的至少I(mǎi)種元素，L表示選自C和N中的I種或2種元素)所示的金屬化合物形成時(shí)，耐磨損性提高，因而優(yōu)選。作為本發(fā)明的中間膜，具體地可舉出TiN、TiCN、TiAlN、TiAlZrN、TiAlCrN、AlCrN 等。更具體地可舉出 TiN, TiCN, Ti。. 33AIa67N、Ti0.35A10.65N、Tia5Ala4Zra #、Tia5Ala4CraiI Tia55AlQ.45N、Al。.7CrQ.3N等。其中，本發(fā)明的中間膜更優(yōu)選為T(mén)iAIN，其中本發(fā)明的中間膜進(jìn)一步優(yōu)選為由Ti(1_x)AlxN (其中X表示Al相對(duì)于Ti和Al總量的原子比，x滿(mǎn)足O. 35 < X < O. 7)形成的金屬化合物。其原因在于，當(dāng)X小于O. 35時(shí)，有時(shí)中間膜的硬度降低、耐磨損性降低，在X變多而超過(guò)O. 7時(shí)，變成含有A1N，有時(shí)耐磨損性降低。其中更優(yōu)選O. 4 < X < O. 6。本發(fā)明的中間膜的膜構(gòu)成可以是I層的單層膜、2層以上的多層膜中的任一種，還可以是作為I種多層膜的交替層疊組成不同且厚度為5 IOOnm的薄膜而成的交替層疊膜。本發(fā)明的中間膜的平均膜厚小于Iym時(shí)，有時(shí)耐磨損性降低，本發(fā)明的中間膜的平均膜厚變厚而超過(guò)6μπι時(shí)，有時(shí)覆膜易于剝離。因此，本發(fā)明的中間膜的平均膜厚優(yōu)選為I 6 μ m,更優(yōu)選為3 6 μ m。本發(fā)明的覆膜的平均膜厚可`通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)或透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)覆膜的截面進(jìn)行測(cè)定。具體地說(shuō)，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡對(duì)覆膜的截面拍攝3個(gè)位置以上的照片，將在照片上測(cè)得的膜厚的平均值作為平均膜厚。另外，覆膜的組成可以使用二次離子質(zhì)譜分析裝置(SIMS)、能量分散型元素分析裝置(EDS)、輝光放電型分析裝置(⑶S)等元素分析裝置進(jìn)行測(cè)定。本發(fā)明的中間膜是立方晶時(shí)，由于耐磨損性提高，因此優(yōu)選。其中，在2 Θ = 10 140度的范圍內(nèi)進(jìn)行使用了 CuKa線(xiàn)的2Θ/Θ法的X射線(xiàn)衍射測(cè)定所獲得的中間膜的衍射線(xiàn)中，當(dāng)(200)面衍射線(xiàn)的峰強(qiáng)度最高時(shí)，由于耐磨損性提高，因此優(yōu)選。為了提高中間膜的(200)面衍射線(xiàn)的峰強(qiáng)度，也可以使中間膜中含有Al元素。另外，與中間膜的(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布在α角為80 90度的范圍內(nèi)顯示最高強(qiáng)度時(shí)，則與中間膜上的氧化物膜的密合性?xún)?yōu)異、耐磨損性進(jìn)一步提高，因而優(yōu)選。對(duì)本發(fā)明的中間膜進(jìn)行X射線(xiàn)衍射的正極點(diǎn)圖測(cè)定時(shí)，與(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布在α角為80 90度的范圍內(nèi)顯示最高強(qiáng)度是指在構(gòu)成中間膜的立方晶的結(jié)晶中(200)面與被覆工具表面一起平行取向的結(jié)晶多。為了使得與中間膜的(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布在α角為80 90度的范圍內(nèi)顯示最高強(qiáng)度，可以使中間膜中含有Al元素、進(jìn)而使被覆中間膜時(shí)的基材偏壓的絕對(duì)值增大。與(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布在α角為80 90度的范圍內(nèi)顯示最高強(qiáng)度的被覆工具相比較于與(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布在α角小于80度的范圍內(nèi)顯示最高強(qiáng)度的被覆工具，可以進(jìn)一步提高耐磨損性。其理由雖不清楚，可以認(rèn)為由于與被覆工具的表面平行取向的(200)面占據(jù)較多的中間膜表面，因而耐磨損性進(jìn)一步提高。另外，可以認(rèn)為由于與氧化物膜的密合性?xún)?yōu)異，因而可充分地發(fā)揮氧化物膜的優(yōu)異耐氧化性，從而進(jìn)一步提高整個(gè)覆膜的耐磨損性。本發(fā)明的與中間膜的(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布可通過(guò)Schulz反射法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。Schulz反射法是下述的方法如圖3所示，以2 Θ作為衍射角，使用入射角和反射角分別為Θ的等角度反射的光學(xué)體系，通過(guò)以試樣面內(nèi)的A軸為中心的α旋轉(zhuǎn)和以試樣面法線(xiàn)(B軸)為中心的β旋轉(zhuǎn)即試樣面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，改變?cè)嚇酉鄬?duì)于入射X射線(xiàn)的方向，對(duì)衍射線(xiàn)的強(qiáng)度分布進(jìn)行測(cè)定。B軸處于由入射線(xiàn)和衍射線(xiàn)所決定的平面上時(shí)，將α角定義為90度。當(dāng)α角為90度時(shí)，如圖4所示，在正極點(diǎn)圖上變?yōu)橹行牡狞c(diǎn)。作為具體的測(cè)定方法，例如可以使用株式會(huì)社Rigaku制X射線(xiàn)衍射裝置RINT-TTRIII的正極點(diǎn)測(cè)定程序，利用下述的測(cè)定條件和測(cè)定手法來(lái)測(cè)定與中間膜的(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布。[測(cè)定條件](I) TTRIII水平測(cè)角器(2)極點(diǎn)用多目標(biāo)試樣臺(tái)(3)掃描方法同心圓(4) β掃描范圍0 360度/5度節(jié)距(5) β掃描速度:180度/分鐘(6) Y 振幅0mm[測(cè)定手法(Schulz反射法)](I)固定角度使中間膜的(200)面的衍射角度為43. O 44. O度。(2) α掃描范圍20 90度(5度步進(jìn))(3)靶Cu、電壓50kV、電流250mA(4)發(fā)散狹縫1/4度(5)散射狹縫6_(6)發(fā)散縱向限制狹縫5mm由與(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的等聞線(xiàn)也可以讀取表不最聞強(qiáng)度的α角，但由如圖5所示的與(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布，可以容易地求得表示最高強(qiáng)度的α角。本發(fā)明的在中間膜的表面上利用物理蒸鍍法被覆的氧化物膜由(Al(1_y)Cry)203 (其中I表示Cr相對(duì)于Al和Cr總量的原子比，y滿(mǎn)足O.1 < y < O. 5)形成時(shí)，由于耐熱性和耐化學(xué)反應(yīng)性提高，因此優(yōu)選。其原因在于，當(dāng)I小于O.1時(shí)，有時(shí)成膜過(guò)程不穩(wěn)定、無(wú)法獲得良好的膜質(zhì)，當(dāng)y增多而超過(guò)O. 5時(shí)，有時(shí)氧化物膜的晶粒發(fā)生粗粒化、耐開(kāi)裂性降低。其中，當(dāng)為O.1 < y < O. 3時(shí)，更為優(yōu)選。作為本發(fā)明的氧化物膜，具體地可舉出(Ala5Cra5)2。3、(Al。.55〇γ0.45) 2。3、^-^l0.6Cr0,4) 2。3、 (Al0.7Cr0,3) 2。3、(AlasCra2) 203、(Ala9Crai) 203 等。本發(fā)明的氧化物膜的平均膜厚小于O. 01 μ m時(shí)，有時(shí)作為氧化物膜的耐熱性或耐化學(xué)反應(yīng)性無(wú)法充分地發(fā)揮，本發(fā)明的氧化物膜的平均膜厚增厚而超過(guò)O. 9 μ m時(shí)，有時(shí)整個(gè)覆膜的密合性降低、耐磨損性降低，因此本發(fā)明的氧化物膜的平均膜厚優(yōu)選為O. Ol O. 9 μ m,更優(yōu)選為O.1 O. 5 μ m。本發(fā)明的上部膜當(dāng)由町(其中0表示選自11、21'、!^、￥、恥、了&、0、]\10、胃、41和51中的至少I(mǎi)種元素，J表示選自C、N和O中的至少I(mǎi)種的元素)所示的金屬化合物形成時(shí)，由于耐磨損性提高，因此優(yōu)選。作為本發(fā)明的上部膜，具體地可舉出TiN、TiCN、TiAlN、TiAlZrN、TiAlCrN、AlCrN 等，更具體地可舉出 TiN, TiCN, Ti。.33AIa67N、Ti0.35A10.65N、Tia5Ala4Zra#、Tia5Ala4Crai^ Tia55Ala45N、Ala7Crtl3N 等。其中，Q 更優(yōu)選為 Ti 或者 Ti 和 Al。其中，本發(fā)明的上部膜更優(yōu)選由Ti(1_z)AlzN (其中z表示Al相對(duì)于Ti和Al總量的原子比，z滿(mǎn)足O < z < O. 7)形成。其原因在于，z增多而超過(guò)O. 7時(shí)，有時(shí)變成含有A1N、耐磨損性降低。其中，當(dāng)為O. 45 < z < O. 7時(shí)，更為優(yōu)選。本發(fā)明的上部膜的膜構(gòu)成可以是I層的單層膜、2層以上的多層膜中的任一種，也可以是作為I種多層膜的交替層疊組成不同且厚度為5 IOOnm的薄膜而成的交替層疊膜。本發(fā)明的上部膜的平均膜厚優(yōu)選為O. 2 2 μ m，更優(yōu)選為O. 4 2μπι。其原因在于，本發(fā)明的上部膜的平均膜厚小于O. 2μπι時(shí)，有時(shí)氧化物膜的磨損變快；當(dāng)本發(fā)明的上部膜的平均膜厚增厚而超過(guò)2 μ m時(shí)，有時(shí)覆膜與基材的密合性降低、耐磨損性降低。通過(guò)利用機(jī)械處理使本發(fā)明的被覆工具的表面變得平滑，從而在切削加工中對(duì)提高切屑排出性或抑制切削刃碎屑具有效果，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)切削壽命。

本發(fā)明的被覆工具由于耐磨損性、耐缺損性和耐氧化性?xún)?yōu)異，因此作為切削工具顯示優(yōu)異的性能。作為切削工具，例如可舉出嵌入物、球頭立銑刀、多刃立銑刀、鉆頭、刀具、拉刀、鉸刀、滾刀、木板加工機(jī)等。另外，本發(fā)明的被覆工具作為金屬模具、穿孔機(jī)等耐磨工具使用也顯示優(yōu)異的性能。本發(fā)明的被覆工具按照開(kāi)裂系數(shù)R達(dá)到O. 07 O. 12m0·5的方式在基材上被覆覆膜。例如，經(jīng)過(guò)下述工序時(shí)可獲得開(kāi)裂系數(shù)R為O. 07 O. 12m0·5的本發(fā)明的被覆工亙.
ZN ·(I)準(zhǔn)備超硬合金的基材，其由75 93體積％的WC、0 5體積％的由T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的碳化物、氮化物及它們的相互固溶體中的至少I(mǎi)種構(gòu)成的立方晶相、7 20體積％的以Co為主成分的結(jié)合相所構(gòu)成，且WC的平均粒徑為O. 5 2 μ m，(2)在設(shè)置有具有中間膜、氧化物膜、上部膜等覆膜的金屬元素的規(guī)定成分比的靶的電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)裝入基材，在O. 5Pa以下的真空中利用加熱器加熱至基材溫度達(dá)到500 650°C的加熱工序，(3)為了將阻礙覆膜成膜的雜質(zhì)從基材表面除去，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入Ar氣，在電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)的壓力為O. 2 IPa、Ar氣氛、基材的直流偏壓為-100 -600V下將基材表面刻蝕30 80分鐘的刻蝕工序，(4)在電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入N2等原料氣體，將壓力調(diào)整至I 4Pa，在基材的直流偏壓為-50 -80V、電弧電流為150 200A下對(duì)具有中間膜的金屬元素的規(guī)定成分比的靶進(jìn)行電弧放電60 360分鐘，從而形成中間膜的中間膜形成工序，(5)在電弧電流為120 170A下對(duì)具有氧化物膜的金屬元素的規(guī)定成分比的靶開(kāi)始電弧放電，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)供給O2和N2的混合氣體，使壓力為O. 2 2Pa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-20 -60V，在電弧電流為120 170A下進(jìn)行電弧放電I 5分鐘，接著向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)僅供給O2氣體，使壓力為O. 2 2Pa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-20 -60V，在電弧電流為120 170A下對(duì)具有氧化物膜的金屬元素的規(guī)定成分比的靶進(jìn)行電弧放電5 50分鐘，從而形成氧化物膜的氧化物膜形成
工序，(6)向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入N2等原料氣體，將壓力調(diào)整至I 4Pa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-20 -80V，在電弧電流為150 200A下對(duì)具有上部膜的金屬元素的規(guī)定成分比的靶進(jìn)行電弧放電5 60分鐘，從而形成上部膜的上部膜形成工序。實(shí)施例[實(shí)施例1]作為基材，準(zhǔn)備屬于由WC83. 8體積％和Co合金(94質(zhì)量％Co_6質(zhì)量％Cr的Co合金)16. 2體積％形成的、通過(guò)Fullman公式獲得的WC的平均粒徑為O. 8 μ m的超硬合金、且形狀為ISO標(biāo)準(zhǔn)CNMG120408的切削嵌入物。對(duì)于發(fā)明品I 4，在設(shè)置有具有表I所示的中間膜、氧化物膜、上部膜的金屬元素成分比的靶的電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)裝入基材，在O. 5Pa以下的真空中利用加熱器加熱至基材溫度達(dá)到600°C，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入Ar氣，將電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)至O. 8Pa，設(shè)成Ar氣氛，對(duì)基材在直流偏壓為-250V下進(jìn)行Ar刻蝕70分鐘后，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入N2氣體，將壓力調(diào)整至2 3Pa，使基材的直流偏壓為-70V，在電弧電流為180A的條件下，對(duì)具有中間膜的金屬元素成分比的靶進(jìn)行電弧放電260 300分鐘，形成表I所示平均膜厚的中間膜。接著，對(duì)具有氧化物膜的金屬元素成分比的靶在電弧電流為130A下 開(kāi)始電弧放電，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)供給O2和N2的混合氣體，將壓力調(diào)整至O. 5 IPa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-40V，進(jìn)行電弧放電4分鐘，接著僅供給O2氣，將壓力調(diào)整至O. 5 IPa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-40V，在電弧電流為130A對(duì)具有氧化物膜的金屬兀素成分比的祀進(jìn)行電弧放電15 35分鐘,形成表I所示平均膜厚的氧化物膜。接著，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入N2氣體，將裝置內(nèi)的壓力調(diào)整至2 3Pa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-40V，在電弧電流為180A下對(duì)具有上部膜的金屬元素成分比的靶進(jìn)行電弧放電30 40分鐘，形成表I所示平均膜厚的上部膜。對(duì)于比較品廣4，在設(shè)置有具有表I所示的中間膜、氧化物膜、上部膜的金屬元素成分比的靶的電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)，與發(fā)明品同樣地裝入基材，在O. 5Pa以下的真空中通過(guò)加熱器加熱至基材溫度達(dá)到600°C，在與發(fā)明品相同的條件對(duì)基材進(jìn)行Ar刻蝕后，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入N2氣體，將壓力調(diào)整至2Pa，在基材的直流偏壓為-100V、電弧電流為180A的條件下對(duì)具有中間膜的金屬元素成分比的靶進(jìn)行電弧放電260 280分鐘，從而被覆了表I所示的平均膜厚的中間膜。接著，對(duì)具有氧化物膜的金屬元素成分比的靶在電弧電流為130A下開(kāi)始電弧放電，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)供給O2和N2的混合氣體，將壓力調(diào)整至O. 5 IPa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-70V，在電弧電流為130A下進(jìn)行電弧放電10分鐘，接著向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)僅供給O2氣體，將壓力調(diào)整至O. 5 IPa，使基材的偏壓為施加有脈沖的偏壓-70V，在電弧電流為130A下對(duì)具有氧化物膜的金屬元素成分比的靶進(jìn)行電弧放電30 35分鐘，從而被覆了表I所示平均膜厚的氧化物膜。接著，對(duì)于比較品1、2，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入N2氣體，將裝置內(nèi)的壓力調(diào)整至2 3Pa，在基材的直流偏壓為-40V、電弧電流為180A的條件下對(duì)具有上部膜的金屬元素成分比的靶進(jìn)行電弧放電30 60分鐘，形成表I所示平均膜厚的上部膜。另外，對(duì)于比較品3、4，向電弧放電式離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入C2H2和N2的混合氣體，將壓力調(diào)整至3Pa，在基材的直流偏壓為-90V、電弧電流為180A下對(duì)具有上部膜的金屬元素成分比的靶進(jìn)行電弧放電50分鐘，形成表I所示平均膜厚的上部膜。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡觀察所得試樣的截面組織，測(cè)定各膜的平均膜厚。另外，使用帶有掃描電子顯微鏡的能量分散型元素分析裝置或帶有透射電子顯微鏡的能量分散型元素分析裝置對(duì)試樣的截面組織測(cè)定各膜的組成。它們的結(jié)果不于表I。表I

權(quán)利要求
1.一種被覆工具，其由基材和被覆在其表面上的覆膜構(gòu)成，覆膜含有被覆在基材表面上的中間膜和在中間膜的表面上利用物理蒸鍍法被覆的氧化物膜，測(cè)定對(duì)被覆工具的表面以196N的施加負(fù)荷P按壓維氏壓頭而在被覆工具的表面上產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度dc ( μ m)和基材的斷裂韌性Kk (MPa · m°_5)后由以下的數(shù)學(xué)式I的公式求出的開(kāi)裂系數(shù)R為O. 07 O. 12m0.5， 數(shù)學(xué)式I R = P/ (dc · Kic)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被覆工具，其中，覆膜包含 由ML所示的金屬化合物形成、由單層膜或2層以上的多層膜所構(gòu)成的平均膜厚為I 6μπι的中間膜，式中M表示選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al和Si中的至少I(mǎi)種元素，L表示選自C和N中的I種或2種元素； 被覆在中間膜的表面上的平均膜厚為O. 01 O. 9 μ m的由(Al (^y)Cry)203所形成的氧化物膜，式中y表示Cr相對(duì)于Al和Cr總量的原子比，y滿(mǎn)足O.1 ^ y ^ O. 5 ;以及 被覆在氧化物膜的表面上、由QJ所示的金屬化合物形成、由單層膜或2層以上的多層膜所構(gòu)成的平均膜厚為O. 2 2μπι的上部膜，式中Q表示選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al和Si中的至少I(mǎi)種元素，J表示選自C、N和O中的至少I(mǎi)種元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的被覆工具，其中，覆膜包含 平均膜厚為I 6 μ m的由Ti(1_X)A1XN形成的中間膜，式中x表示Al相對(duì)于Ti和Al總量的原子比，X滿(mǎn)足O. 35彡X彡O. 7 ; 被覆在中間膜的表面上的平均膜厚為O. 01 O. 9 μ m的由(Al(1_y)Cry) 203形成的氧化物膜，式中y表示Cr相對(duì)于Al和Cr總量的原子比，y滿(mǎn)足O.1 ^ y ^ O. 5 ;以及 被覆在氧化膜的表面上的平均膜厚為O. 2 2μ m的由Ti(1_z)AlzN形成的上部膜，式中z表示Al相對(duì)于Ti和Al總量的原子比，z滿(mǎn)足O < z < O. 7。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，由數(shù)學(xué)式I的公式求出的開(kāi)裂系數(shù) R 為 O. 08 O.1lm0-5O
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2及4中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，中間膜由選自TiN、TiCN,TiAlN, TiAlZrN, TiAlCrN 及 AlCrN 中的至少一種構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的被覆工具，其中，中間膜的X滿(mǎn)足O.4 < X < O. 6。
7.根據(jù)權(quán)利要求Γ6中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，中間膜的平均膜厚為3飛μπι。
8.根據(jù)權(quán)利要求廣7中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，中間膜為立方晶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的被覆工具，其中，在使用了Cu-Ka射線(xiàn)的X射線(xiàn)衍射測(cè)定的中間膜的衍射線(xiàn)中，中間膜的(200)面衍射線(xiàn)的峰強(qiáng)度最高。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的被覆工具，其中，與中間膜的(200)面有關(guān)的正極點(diǎn)圖的α軸的X射線(xiàn)強(qiáng)度分布在α角為80 90度的范圍內(nèi)顯示最高強(qiáng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求疒10中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，氧化物膜的y滿(mǎn)足O.1 ≤ y ≤ O. 3o
12.根據(jù)權(quán)利要求f11中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，氧化物膜由選自(Ala5Cra5)2。3、(Al。. 55^Γ0. 45) 2。3、(Al。. 6?！?. 4 ) 2。3、(Al。.3) 2。3、(Al。. 8。『0. 2 ) 2。3 及(Al。. 9。『0.1 ) 2。3 中的至少一種構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求廣12中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，氧化物膜的平均膜厚為O.1^0. 5 μ m。
14.根據(jù)權(quán)利要求3 13中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，上部膜的z滿(mǎn)足O.45 彡 z 彡 O. 7。
15.根據(jù)權(quán)利要求2 14中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，上部膜由選自TiN、TiCN,TiAlN, TiAlZrN, TiAlCrN 及 AlCrN 中的至少一種構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求2 15中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，上部膜的平均膜厚為O.4 2 μ m。
17.根據(jù)權(quán)利要求f16中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，基材是下述的超硬合金其由75 93體積％的WC、0 5體積％的由選自T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的碳化物、氮化物及它們的相互固溶體中的至少I(mǎi)種形成的立方晶相、以及7 20體積％的以Co為主成分的結(jié)合相構(gòu)成，且WC的平均粒徑為O. 5 2 μ m。
18.根據(jù)權(quán)利要求廣17中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，基材是通過(guò)下述數(shù)學(xué)式2的Fullman公式獲得的WC的平均粒徑為O. 5 2 μ m的超硬合金， 數(shù)學(xué)式2dm = (4/ ii ) X (NL/NS) 式中，dm是WC的平均粒徑，π是圓周率，NL是從燒結(jié)體的截面組織的拍攝照片得到的截面組織上的任意直線(xiàn)截出的每單位長(zhǎng)度的WC數(shù)，NS是任意的單位面積內(nèi)所含的WC數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的被覆工具，其中，立方晶相為選自(Nb，W)C、(Nb，W)CN、(Ti, W) C、(Ti, ff) CN、(Ti, Ta, W) C、(Ti, Ta, ff) CN、(Ti, Nb, W) C、(Ti, Nb, ff) CN、(Ti,Ta, Nb, ff) C、(Ti, Ta, Nb, ff) CN、(Ti, Ta, Zr, ff) C、(Ti, Ta, Zr, ff) CN、(Ti, Nb, Zr, ff) C、(Ti,Nb, Zr, ff) CN、(Ti, Ta, Nb, Zr, W) C 及(Ti，Ta, Nb, Zr, ff) CN 中的至少一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求17 19中任一項(xiàng)所述的被覆工具，其中，以Co為主成分的結(jié)合相是由Co形成的結(jié)合相或者是由在Co中固溶有相對(duì)于Co合金整體為30質(zhì)量％以下的T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的至少I(mǎi)種的Co合金所形成的結(jié)合相。
全文摘要
本發(fā)明提供在鋼的高速切削加工、不銹鋼和難削材料等的切削加工中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、在金屬模具中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的被覆工具。本發(fā)明的被覆工具由基材和被覆在其表面上的覆膜形成，覆膜含有被覆在基材表面上的中間膜和被覆在中間膜的表面上的氧化物膜，測(cè)定對(duì)覆膜表面以施加負(fù)荷P＝196(N)按壓維氏壓頭而在被覆工具的表面上產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度dc(μm)和基材的斷裂韌性KIC(MPa·m0.5)后由以下的數(shù)學(xué)式1的公式求出的開(kāi)裂系數(shù)R為0.07～0.12m0.5。數(shù)學(xué)式1R＝P/(dc·KIC)
文檔編號(hào)C23C14/06GK103052456SQ201180038200
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者陳路 申請(qǐng)人:株式會(huì)社圖格萊