專利名稱：涂覆切削工具及其制造方法
技術領域：
本發明涉及涂覆切削工具及其制造方法，特別是具有較長壽命的涂覆切削工具及其制造方法。
背景技術：
日本專利公開7-310174(專利文獻1)披露了一種由組成物(AlxTi1-x-ySiy)(NzC1-z)(其中，0.05≤x≤0.75，0.01≤y≤0.1，0.6≤z≤1)制成的涂層，該涂層形成在WC基硬質合金、金屬陶瓷、高速鋼等基體材料的表面上，用于提高涂覆切削工具、耐磨工具等的耐磨性并改善表面保護功能。
但是，隨著涂覆切削工具的最近發展，從保護全球環境的觀點出發，對不使用切削油溶液的干式加工的需求日益增長，被切削材料多樣化，切削速度進一步增大，以便提高加工效率。在這些條件下，涂覆切削工具的切削刃在切削過程中的溫度趨向于越來越高，這將導致涂覆切削工具的壽命縮短。因此，對涂覆切削工具的材料性能的要求越來越嚴格。
基于以上所述，例如，日本專利公開2004-169076(專利文獻2)披露了一種由組成物(AlxCr1-x)(N1-α-β-γBαCβOγ)(其中，0.45＜x＜0.75，0≤α＜0.12，0≤β＜0.20，0.01≤γ≤0.25)制成的涂層，目的在于提高耐磨性以及提高抗附著性和耐磨性。此外，日本專利公開2003-34859(專利文獻3)披露了一種由組成物(Alb，[Cr1-aVa]c)(C1-dNd)(其中，0.5≤b≤0.8，0.2≤c≤0.5，b+c＝1，0.05≤a≤0.95，0.5≤d≤1)或組成物(Ma，Alb，[Cr1-aVa]c)(C1-dNd)(其中，M是選自Ti、Nb、W、Ta和Mo的至少一種，0.02≤a≤0.3，0.5≤b≤0.8，0.05≤c，a+b+c＝1，0.5≤d≤1，0≤a≤1)的涂層。
專利文獻1日本專利公開No.7-310174專利文獻2日本專利公開No.2004-169076專利文獻3日本專利公開No.2003-34859發明內容本發明要解決的問題在嚴格的切削條件下，像高加工效率下執行干式加工的情況，可以認為，為了保證涂覆切削工具的長壽命，簡單地提高涂層的性能，例如硬度是不夠的，并且抑制由于切削初期切削刃破碎而造成基體材料暴露是非常重要的。
圖1是涂覆切削工具的典型切削刃的示意性放大剖視圖。在圖1中，涂覆切削工具包括基體材料2和在基體材料2表面上形成的涂層3。涂覆切削工具的切削刃構造為具有前刀面4和后刀面5，二者在許多情況下形成銳角或直角。在這種涂覆切削工具的切削刃上，涂層3在切削刃脊線部分的厚度8大于其在前刀面4的厚度6或者在后刀面5的厚度7。
下面將參考圖2(a)到(c)解釋涂覆切削工具的切削刃的理想磨損過程。理想地，涂覆切削工具的切削刃如圖2(a)所示開始磨損，其中切削刃脊線部分的涂層3逐漸磨掉。隨著磨損發展，在如圖2(b)所示到達基體材料后，基體材料2和涂層3的表面都露出，如圖2(c)所示。
然而，作為對涂覆切削工具磨損部分深入研究的結果，本發明的發明人發現切削刃在尖端處的磨損不是像圖2(a)到(c)所示發展的。相反，如圖3所示，由于如虛線X所示切削刃脊線部分的破碎，所以在切削初期已經失去了基體材料2的一部分，并且涂覆切削工具的切削刃磨損是從露出基體材料2的一部分10的狀態開始發展的。隨著從由破碎造成的基體材料2露出的部分開始氧化而形成氧化部分11。這樣，當在切削初期露出基體材料2時，基體材料2的露出部分在切削過程中受到相當大的磨損，或者涂層3將從氧化部分11上剝落，在這種情況下難以保證涂覆切削工具的較長壽命。
考慮到上述問題，本發明的目的在于提供一種具有較長壽命的涂覆切削工具及其制造方法。
解決問題的技術手段本發明提供一種涂覆切削工具，包括基體材料和在基體材料表面上形成的涂層。涂層包括交替層，所述交替層具有彼此交替層疊的A層和B層中的至少各一層。A層由含有Al和Cr的氮化物形成，并且當構成A層的金屬原子的總數表示為1時，Cr原子數的比例大于0并且不大于0.4。B層由含有Ti和Al的氮化物形成，并且當構成B層的金屬原子的總數表示為1時，Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。
這里，在本發明的涂覆切削工具中，B層可以含有Si元素，此時當構成B層的金屬原子的總數表示為1時，Si原子數的比例大于0并且不大于0.2。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，A層和B層中的至少之一可以含有數量小于30原子％的V(釩)元素。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，A層和B層的中至少之一可以含有數量小于10原子％的B(硼)元素。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，優選A層和B層各具有不小于0.005μm并且不大于2μm的厚度。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，當交替層中的A層厚度和B層厚度分別表示為λa和λb時，優選地，A層和B層之間的厚度比λa/λb滿足1≤λa/λb＜5。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，當交替層中的A層厚度和B層厚度分別表示為λa和λb時，優選地，A層和B層之間的厚度比λa/λb在最靠近基體材料一側滿足λa/λb＝1，比值λa/λb隨著距基體材料的距離增大而不斷增大，并且比值λa/λb在距基體材料最遠一側滿足1＜λa/λb＜5。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，涂層的最下層可以是A層。
再者，在本發明的涂覆切削工具中，作為最下層的A層可以含有數量小于10原子％的Si元素。
再者，在本發明的涂覆切削工具中，優選地，作為最下層的A層具有不小于0.1μm并且不大于2μm的厚度。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，涂層的最下層可以是B層。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，涂層最上層可以是C層。C層可以由含有Ti和Al的碳氮化物形成，在這種情況下，當構成C層的金屬原子的總數表示為1時，Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。
再者，在本發明的涂覆切削工具中，C層可以含有Si元素，在這種情況下，當構成C層的金屬原子的總數表示為1時，Si原子數的比例大于0并且不大于0.2。
再者，在本發明的涂覆切削工具中，C層可以含有數量小于10原子％的B元素。
再者，在本發明的涂覆切削工具中，優選地，C層具有不小于0.1μm并且不大于2μm的厚度。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，優選地，涂層具有不小于0.8μm并且不大于15μm的總厚度。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，優選地，涂層具有不小于0GPa并且不大于6GPa的壓縮殘余應力。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，優選地，涂層具有立方晶體結構。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，基體材料可以由選自以下群組的至少一種材料制成，所述群組包括WC基硬質合金、金屬陶瓷、高速鋼、陶瓷、燒結立方氮化硼、燒結金剛石、燒結氮化硅、氧化鋁和碳化鈦。
此外，本發明的涂覆切削工具可以是鉆頭、端銑刀、銑削加工用可轉位刀片、車削加工用可轉位刀片、金屬鋸、齒輪切削工具、鉸刀或絲錐。
本發明還提供一種制造上述涂覆切削工具的方法，包括制備基體材料的步驟；以及利用物理汽相沉積法通過交替層疊A層和B層中的至少各一層形成交替層的步驟。
這里，在本發明的涂覆切削工具制造方法中，物理汽相沉積法可以是選自以下群組的至少一種方法，所述群組包括陰極電弧離子鍍法、平衡磁控濺射法和非平衡磁控濺射法。
本發明還提供一種涂覆切削工具，包括基體材料和在基體材料表面上形成的涂層，其中，涂層包括由(Al1-aCra)(其中0＜a≤0.4)的氮化物形成的A層和由(Ti1-x-yAlxSiy)(其中0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0)的氮化物形成的B層，并且A層和B層中的至少各一層交替層疊。
此外，在本發明的涂覆切削工具中，涂層的最上層可以是由(Ti1-x-yAlxSiy)(其中0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0)的碳氮化物形成的C層。
發明效果根據本發明，可以提供一種具有較長壽命的涂覆切削工具及其制造方法。


圖1是涂覆切削工具的切削刃的一個實例的示意性放大剖視圖；圖2是表示涂覆切削工具的切削刃的理想磨損的示意性放大剖視圖；圖3是表示常規涂覆切削工具的破碎實例的示意性放大剖視圖；圖4是根據本發明涂覆切削工具的一個實例的切削刃的示意性放大剖視圖；圖5是沿圖4的線V-V截取的示意性放大剖視圖；
圖6是本發明涂覆切削工具的另一個實例的示意性放大剖視圖；圖7是在一個實施例中使用的陰極電弧離子鍍設備的示意性剖視圖；圖8是圖7所示陰極電弧離子鍍設備的示意性頂部平面圖；圖9是本發明涂覆切削工具的一個實例的示意性放大剖視圖；以及圖10是本發明涂覆切削工具的另一個實例的示意性放大剖視圖。
參考標號的說明1涂覆切削工具；2基體材料；3涂層；4前刀面；5后刀面；6前刀面處的厚度；7后刀面處的厚度；8切削刃脊線部分的厚度；10部分；11氧化部分；12A層；13交替層；14C層；101腔室；103出氣口；104基體材料支持器；105氣體；106、107、120陰極；108、109電弧電源；以及110偏壓電源。
具體實施例方式
下面將描述本發明的實施例。在附圖中，相同的參考符號表示相同或相應的部分。
本發明的涂覆切削工具包括基體材料和在該基體材料的表面上形成的涂層。涂層包括交替層，該交替層具有交替層疊的A層和B層中的至少各一層。A層由含有Al和Cr的氮化物制成。當構成A層的金屬原子的總數表示為1時，Cr原子數的比例大于0并且不大于0.4。B層由含有Ti和Al的氮化物制成。當構成B層的金屬原子的總數表示為1時，Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。
這里，上述涂層中的A層包括Al，使得A層表現出較高的抗氧化性。A層不僅包括Al，而且包括Cr，使得A層表現出更高的抗氧化性。由于在A層中結合有Al和Cr，所以A層趨向于具有立方晶體結構和增大的硬度。
此外，Cr原子數與構成A層的金屬原子的總數之比大于0并且不大于0.4。如果Cr原子數的比例大于0.4，則A層的硬度減小。從提高A層硬度的觀點出發，更優選的是，Cr原子數的比例不小于0.2并且不大于0.35。在本發明中，“金屬原子”指的是除了氫、氦、氖、氬、氪、氙、氡、氟、氯、溴、碘、砹、氧、硫、硒、碲、氮、磷、砷、銻和碳以外的元素的原子。
此外，Al原子數與構成B層的金屬原子的總數之比大于0并且不大于0.7。如果B層中的Al原子數的比例超過0.7，則B層的硬度下降，造成加速磨損。從提高B層硬度的觀點出發，更優選的是，B層中的Al原子數的比例不小于0.3并且不大于0.65。
此外，B層也可以包括硅。在B層中包括硅將增大B層的硬度，提高抗氧化性。當在B層中包括硅時，硅原子數與構成B層的金屬原子的總數之比優選大于0并且不大于0.2。如果硅原子數的比例大于0.2，則B層容易變脆，反而加速了磨損。在通過熱等靜壓工藝制造由作為B層金屬源的合金制成的靶層的情況下，如果硅原子數的比例大于0.2，則由合金制成的靶層將在焙燒過程中斷裂，使得難以獲得足夠形成B層的材料強度。從增大B層的硬度以及提高由合金制成的靶層的強度的觀點出發，更優選的是，硅原子數與構成B層的金屬原子的總數之比不小于0.05并且不大于0.15。
為了提高在基體材料的表面上形成的涂層對碎裂的抵抗力，本發明的發明人對不同涂膜和涂層的層結構進行了研究。結果他們發現，當涂層包括交替層時，通過交替層疊例如壓縮殘余應力、硬度等性能不同的上述A層和B層中的至少各一層來形成該交替層，可以提高整個涂層的耐磨性和韌性，如此完成本發明。
在本發明的涂覆切削工具中，如果在基體材料上單獨形成A層或B層中任何之一，則將僅獲得A層或B層的相關層的性能。
相反，當提供具有交替層疊的A層和B層中的至少各一層的交替層時，A層的性能和B層的性能將在該交替層中彼此補償，使得與單獨提供A層或B層的情況相比，可以提高涂層的性能。
具體而言，假定A層應力較大且硬度較低，而B層應力較小且硬度較高。在這種情況下，B層的高硬度性能彌補A層的低硬度性能，并且B層的小應力性能彌補A層的大應力性能。如此，A層和B層彼此彌補對方的薄弱性能，并且與簡單組合A層和B層的情況相比，該涂層表現出顯著優于該情況下的性能的性能。如此可以預期本發明的涂覆切削工具的壽命的延長。
此外，當涂層中包括交替層，該交替層具有交替層疊的A層和B層中的至少各一層時，如果由于切削過程中的碎裂等而從涂層的最上層出現裂紋，則可以在組成和晶格不連續的交替層中的層界面處抑制裂紋的擴展。如此，可以預期本發明的涂覆切削工具的壽命的進一步延長。
在本發明中，交替層中A層的層數和B層的層數指的是構成該交替層的A層的層數和B層的層數。例如，當交替層具有依次層疊A層、B層、A層、B層和A層的構造時，則該交替層中的A層的層數和B層的層數分別是3和2。
此外，在本發明中，A層和B層中的至少之一可以包括數量小于30原子％的釩。在這種情況下，即使在切削時A層和/或B層的一個或多個表面在高溫環境下經歷氧化，具有較低熔點的釩氧化物也會在切削過程中作為潤滑劑，因此，可以抑制已切削材料的附著。如果所包含的釩的數量是30原子％或更多，則A層和/或B層的硬度將降低。如果所包含的釩的數量小于15原子％，則可以抑制已切削材料的附著，并且同時可以增大A層和/或B層的硬度。在本發明中，“原子％”指的是原子數相對于構成層的原子總數的百分比(％)。
此外，在本發明中，A層和B層中的至少之一可以包括數量小于10原子的硼。在這種情況下，盡管尚不清楚其機理，但是層的硬度將進一步增大。優點還在于，在切削過程中通過表面氧化形成的硼氧化物趨于特別使層內的Al氧化物致密化。此外，具有較低熔點的硼氧化物在切削過程中作為潤滑劑，這可以抑制已切削材料的附著。
優選地，A層和B層各具有不小于0.005μm并且不大于2μm的厚度。這將抑制在涂層的表面產生的裂紋的擴展。如果A層和B層各具有小于0.005μm的厚度，則這些層將彼此混合，在這種情況下，不會獲得通過交替層疊A層和B層所預期的效果。如果A層和B層各具有大于2μm的厚度，則也不會獲得進一步抑制裂紋擴展的效果。
此外，如圖9的示意性橫截面視圖所示，當λa和λb分別表示交替層13中的A層12和B層15的厚度時，A層12和B層15之間的厚度比λa/λb優選地滿足1≤λa/λb＜5，更優選地滿足1≤λa/λb＜3。A層不僅如上所述表現出較高的抗氧化性，而且具有較低程度的導熱性，使得其不容易將切削時產生的熱量傳導到基體材料。這樣，如果涂層內的A層比例相對增大，則提高整個涂覆切削工具的耐熱性。這將特別導致涂覆切削工具在連續切削時的耐磨性的提高。由于涂層內Ti的數量相對降低，所以限制了例如在切削Ti合金時Ti合金與涂覆切削工具的損傷部分的附著，這可以延長涂覆切削工具的壽命。如果λa/λb＜1，則涂層的抗氧化性將降低。如果λa/λb＞5，則不會獲得通過層疊A層和B層所預期的抑制裂紋擴展的效果。
此外，如圖10的示意性橫截面視圖所示，當λa和λb分別表示交替層13中的A層12和B層15的厚度時，優選地，A層12和B層15之間的厚度比λa/λb在最靠近基體材料2一側滿足λa/λb＝1，并且λa/λb的值隨著距基體材料2距離的增大而不斷增大。在距基體材料2最遠一側，該比值優選地滿足1＜λa/λb＜5，更優選地滿足1＜λa/λb＜3。A層不僅如上所述具有較好的抗氧化性，而且具有較低程度的導熱性，使得其不容易將切削時產生的熱量傳導到基體材料。這樣，如果涂層內A層的比例相對增大，則提高整個涂覆切削工具的耐熱性。這特別導致了涂覆切削工具在連續切削時的耐磨性的提高。然而，從防止涂層附著的觀點出發，交替層疊應力較低的B層是有效的。因此，在最靠近基體材料一側，B層的比例增大，而A層的比例隨著距基體材料的距離增大而不斷增大，這可以提高斷續切削時的性能，在斷續切削過程中載荷施加在切削刃上。此外，由于涂層中的Ti的數量隨著距基體材料距離的增大而相對減少，所以限制了例如在切削Ti合金時Ti合金與涂覆切削工具的損傷部分的附著，這可以延長涂覆切削工具的壽命。如果在距基體材料最遠一側λa/λb＜1，則涂層的抗氧化性容易下降。如果λa/λb＞5，則不會獲得通過層疊A和B層所預期的抑制裂紋擴展的效果。
在本發明中，涂層的最下層可以是A層。這里，最下層指的是涂層內與基體材料直接接觸的一層。當涂層的最下層是A層時，即使在切削過程的早期階段露出基體材料，也可以抑制基體材料和涂層之間界面的氧化。需要注意的是，當在最下層A層上形成交替層時，可以直接在最下層A層上層疊A層或B層。
此外，作為涂層的最下層的A層可以包括數量小于10原子％的Si。這將增大作為最下層的A層的硬度，并且其組織結構可以變得更細密。
作為涂層的最下層的A層優選地具有不小于0.1μm并且不大于2μm的厚度。如果A層的厚度小于0.1μm，則不會獲得通過提供A層作為涂層的最下層所預期的效果。如果A層的厚度超過2μm，則無法預期通過提供A層作為涂層的最下層而獲得的效果的進一步提高。
在本發明中，涂層的最下層可以是B層。當B層設置為涂層最下層時，由于B層應力較小，所以將顯著增大涂層的耐剝離性，特別是在例如銑削或端銑削等載荷重復施加于切削刃上的斷續加工情況下。當構成最下層的B層的金屬原子的總數表示為1時，從提高耐剝離性觀點出發，優選地，B層內的Al原子數的比例大于0.3并且不大于0.55。此外，在最下層B層上形成交替層的情況下，可以在B層上層疊A層或B層。
在本發明中，涂層的最上層可以是C層。這里，C層由包括Ti和Al的碳氮化物(含有碳和氮的化合物)制成，并且當構成C層的金屬原子的總數表示為1時，Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。此外，C層可以包括硅。當C層包括硅時，硅原子數與構成C層的金屬原子的總數之比大于0并且不大于0.2。提供C層作為涂層的最上層將減小涂層相對于待切削材料的摩擦系數，這可以有助于延長本發明的涂覆切削工具的壽命。一般而言，碳氮化物比氮化物具有較低的相對于待切削材料的摩擦系數。這種摩擦系數的減小被認為是可歸因于碳原子。此外，C層的表面在切削過程中比任何其它層的表面受到更高的溫度。因此，在本發明中，使C層具有如上所述的組成，以便保證其抗氧化性。從提高抗氧化性的觀點出發，更優選地，上述C層中的Al原子數的比例不小于0.3并且不大于0.65，并且上述硅原子數的比例不小于0.05并且不大于0.15。
C層也可以包括數量小于10原子％的硼。在這種情況下，盡管尚不清楚其機理，但是層的硬度將進一步增大。此外，優選這個條件的原因還在于，在切削過程中通過表面氧化形成的硼氧化物可以特別使層內的Al氧化物致密化。再者，具有較低熔點的硼氧化物將在切削過程中作為潤滑劑，這可以抑制已切削材料的附著。
優選地，C層具有不小于0.1μm并且不大于2μm的厚度。如果C層的厚度小于0.1μm，則不會獲得通過向涂層的最外層提供潤滑性所預期的效果。如果C層的厚度超過2μm，則無法預期相關效果的進一步提高。
此外，通過調整氮和碳之間的組成比例，C層可以設有預定顏色。這可以向本發明的涂覆切削工具的外觀增加一些設計，這在商業上是有用的。
在本發明中，涂層優選地具有不小于0.8μm并且不大于15μm的總厚度。如果涂層的總厚度小于0.8μm，則其太薄，會導致本發明的涂覆切削工具的壽命較短。如果總厚度大于15μm，則涂層將在切削過程的早期階段遭受碎裂，同樣導致本發明的涂覆切削工具的壽命較短。
需要注意的是，在本發明中，可以通過切割本發明的涂覆切削工具，并通過使用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)分析橫截面來獲得上述各個層的厚度以及整個涂層的厚度。
在本發明中，涂層優選地具有不小于0GPa并且不大于6GPa的壓縮殘余應力。如果壓縮殘余應力小于0GPa，則其變成拉伸應力，在這種情況下將不會抑制從涂層的最外表面產生的裂紋的擴展。如果壓縮殘余應力超過6GPa，則應力太大，在這種情況下，在切削過程開始之前，涂層會特別從涂覆切削工具的刃部剝離，會導致涂覆切削工具的壽命縮短。在本發明中，涂層的壓縮殘余應力指的是整個涂層的壓縮殘余應力。
在本發明中，涂層優選地具有立方晶體結構。當涂層具有立方晶體結構時，涂層的硬度將增大。例如，以氮化物AlN為例，其通常具有六方晶體結構。其在亞穩相的立方晶體結構的情況下具有0.412nm的晶格常數。同時，在室溫和常壓下立方晶體結構是穩定相的CrN和VN具有0.414nm的晶格常數，這與具有立方晶體結構的AlN的晶格常數非常接近。如此，在其吸引作用下，AlN得到立方晶體結構，并且硬度增大。涂層中的每一層優選地具有立方晶體結構。可以用本領域公知的X射線衍射儀分析涂層以及涂層內的各個層的晶體結構。
在本發明中，可以采用選自以下群組中的至少一種作為基體材料，該群組包括WC基硬質合金、金屬陶瓷、高速鋼、陶瓷、燒結立方氮化硼、燒結金剛石、燒結氮化硅、氧化鋁和碳化鈦。
本發明的涂覆切削工具可以用作例如鉆頭、端銑刀、銑削加工用可轉位刀片、車削加工用可轉位刀片、金屬鋸、齒輪切削工具、鉸刀或絲錐。
圖4是本發明的涂覆切削工具的實例的切削刃的示意性放大橫截面視圖。本發明的涂覆切削工具1包括以下部件基體材料2；A層12，其作為層疊在基體材料2上的最下層；交替層13，其具有交替層疊在最下層A層12上的A層和B層；以及C層14，其作為層疊在交替層13上的最上層。涂層3構造為具有最下層A層12、交替層13和最上層C層14。
這里，最上層C層14具有較低的相對于待切削材料的摩擦系數。這使切削刃在切削過程中對于待切削材料是光滑的，因而涂層3趨向于磨損掉，而不會遭受碎裂。當A層12設置為與基體材料2接觸的最下層時，可以抑制基體材料2一側的氧化，并且即使在磨損擴展之后，也可以保持基體材料2和涂層3之間的較好附著。在最下層A層12和最上層C層14之間設置耐磨性和韌性極佳的交替層13可以延長本發明的涂覆切削工具1的壽命。
圖5是沿圖4所示的線V-V截取的示意性放大橫截面視圖。這里，交替層13具有交替層疊在最下層A層12上的A層12和B層15。在交替層13中，層疊了4層A層12和3層B層15。
這里，可以采用例如(Al1-aCra)氮化物(其中0＜a≤0.4)作為A層12。可以采用例如(Ti1-x-yAlxSiy)氮化物(其中0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0)作為B層15。可以采用例如(Ti1-x-yAlxSiy)碳氮化物(其中0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0)作為C層14。
圖6是本發明的涂覆切削工具的另一實例的示意性放大橫截面視圖，其特征在于B層15作為涂層3的最下層。如上所述，當B層15作為最下層時，由于B層15的應力較小，所以可以提高基體材料2和涂層3之間的耐剝離性。
這里，可以采用例如具有不小于0.3μm并且不大于0.5μm厚度的(Ti1-x-yAlxSiy)氮化物(其中0.3＜x＜0.5，0≤y≤0.2，x+y≠0)作為圖6所示的最下層B層15。可以采用例如以下層作為圖6所示的交替層13，該層具有交替層疊的由(Al1-aCra)氮化物(其中0.2＜a＜0.4)制成的A層12和由(Ti1-x-yAlxSiy)氮化物(其中0.3＜x＜0.5，0≤y≤0.2，x+y≠0)制成的B層15。這里，構成交替層13的A層12和B層15的總數可以設為例如不小于640層并且不大于1000層。整個交替層13的厚度可以設為例如不小于2μm并且不大于6μm。此外，可以采用例如具有不小于0.1μm并且不大于0.5μm厚度的(Ti1-x-yAlxSiy)碳氮化物(其中0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0)作為圖6所示的最上層C層14。
可以用以下方法制造本發明的涂覆切削工具，該方法包括制備基體材料的步驟以及通過利用物理汽相沉積法交替層疊A層和B層中至少的各一層來形成交替層的步驟。這里，可以采用選自以下群組中的至少一種作為物理汽相沉積法，該群組包括陰極電弧離子鍍法、平衡磁控濺射法和非平衡磁控濺射法。
在本發明中，為了在基體材料的表面上形成具有耐磨性的涂層，優選地，由具有較高結晶性的化合物形成涂層。通過研究用于形成涂層的各種方法，本發明的發明人已經發現，優選地使用物理汽相沉積法。雖然物理汽相沉積法包括陰極電弧離子鍍法、平衡磁控濺射法、非平衡磁控濺射法等，但特別適合的是具有較高源元素離子化速率的陰極電弧離子鍍法。當采用陰極電弧離子鍍法時，在形成涂層之前，可以對基體材料的表面進行金屬離子轟擊處理。其優點在于可以顯著改善基體材料和涂層之間的附著性。
這里，例如可以如下執行陰極電弧離子鍍法。將基體材料布置在設備中。還布置作為陰極的靶層，并將高電壓施加于該靶層上以引起電弧放電，從而使構成該靶層的原子離子化并蒸發。如此將材料沉積在基體材料上。
例如可以如下執行平衡磁控濺射法。將基體材料布置在設備中。在該設備中，還將靶層布置在磁控電極上，該磁控電極設有形成平衡磁場的磁體。在磁控電極和基體材料之間施加高頻電以產生氣體等離子。使通過氣體等離子的產生得到的氣體離子撞擊靶層，使得從該靶層釋放的原子沉積在基體材料上。
此外，可以通過使上述平衡磁控濺射法中的磁控電極產生非平衡磁場來執行非平衡磁控濺射法。
實例(實例1～18)<涂覆切削工具的制造>
(1)基體材料的清潔在圖7所示的陰極電弧離子鍍設備中，安裝以JIS標準P30等級以及形狀為JIS標準SPGN120308的硬質合金制成的刀片，作為基體材料2。圖8是圖7中的設備的示意性頂部平面圖。
在圖7和圖8所示的設備中，在腔室101中設置有用于A層的陰極106，用于B層的陰極107，用于C層的陰極120，這些層是由作為涂層金屬源的合金制成的靶層，并設置用于放置基體材料2的旋轉式基體材料支持器104。電弧電源108連接到陰極106上，電弧電源109連接到陰極107上。偏壓電源110連接到基體材料支持器104上。腔室101中還設置有使氣體105進入其中的進氣口，以及調節腔室101內部壓力的出氣口103。該設備設計成這樣，即由真空泵經由出氣口103抽吸腔室101內的氣體。
在圖7所示的設備中，首先，通過真空泵減小腔室101內的壓力，并使用設備內的加熱器將溫度提高到500℃，同時基體材料2是旋轉的。對腔室排氣，直到腔室101內的壓力達到1.0×10-4pa。接下來，通過進氣口輸入氬氣，并使腔室101內的壓力保持在3.0Pa。將偏壓電源110的電壓逐漸增大到-1000V，將基體材料2的表面清潔15分鐘。然后，將氬氣從腔室101內排出。
(2)涂層的形成接下來，在基體材料2在中心旋轉的同時，形成具有如表1所示的組成物的最下層和交替層。特別是，在輸入氮氣作為反應氣體的同時，并且在基體材料2的溫度保持在500℃，反應氣體的壓力保持在2.0Pa，偏壓電源110的電壓在從-50V到-200V范圍內保持一定值的條件下，將100A的電弧電流供給到每個陰極106和107，以便從中產生金屬離子，從而形成表1中實例1～18的最下層和交替層。這里，交替層是通過在最下層上將A層和B層各一層地交替層疊表1所示的層疊層數而形成的。此外，最下層的厚度以及交替層中A和B層的層疊厚度和層數，是利用基體材料的旋轉速度調節的。當最下層和交替層達到表1所示的厚度時，停止向蒸發源供給電流。
隨后，在每個實例1～18中形成具有表2所示的組成物的C層作為最上層。這里，在將氮氣以及甲烷氣輸入腔室101作為反應氣體的同時，在基體材料2的溫度保持為400℃，反應氣體壓力保持在2.0Pa，偏壓電源110的電壓保持在-350V的條件下，將100A的電弧電流供給到陰極120，使得從陰極120產生金屬離子，從而形成表2中的每個實例1～18的最上層。當最上層的厚度達到表2所示厚度時，停止向蒸發源供給電流。表2所示的最上層組成物的氮與碳之間的比例，是通過氮氣輸入量與甲烷氣輸入量之比調節的。在這種方式下，制備實例1～18的可轉位刀片。
作為比較例，還制備比較例1～3的可轉位刀片，其中在與每個實例1～18相同的基體材料上形成如表1所示組成物的的層。
<涂覆切削工具的壽命評價>
將通過上述步驟制備的實例1～18的每個可轉位刀片在表3所示的條件下進行干式連續車削試驗和干式斷續車削試驗，以測量切削刃的后刀面磨損量。壽命評價結果示于表2中。在表2中，后刀面磨損量較小則壽命較長。
表1

表2

表3

從表2可以看出，可以發現與A層和B層都未用作最下層并且未在最下層上形成A和B層的交替層的比較例1～3的可轉位刀片相比，使用A層作為最下層、A和B層的交替層形成在最下層上并且C層形成在交替層上作為最上層的實例1～15的可轉位刀片和使用B層作為最下層、A和B層的交替層形成在最下層上并且C層形成在交替層上作為最上層的實例16～18的可轉位刀片明顯減小了在連續車削和斷續車削試驗中切削刃處的后刀面磨損量，它們每一個都有相當長的壽命。
需要注意，表1中的“每層厚度”指構成交替層的每一層A層和B層各自的厚度。表1和2的“厚度”指最下層、交替層、最上層和涂層中每一層的整個厚度。
此外，表1的“層疊層數”指在A和B層彼此交替層疊的交替層中包括的各個A層和B層的層數。
此外，表1和表2中的每一層最下層、交替層和最上層的組成物是用X射線光電子能譜分析設備(XPS)測量的，整個涂層的硬度是使用Nano Indenter XP(從MTS SystemsCorporation購得)確定的。
表1和2的每層厚度以及厚度是用SEM或TEM測量的，表2的整個涂層的壓縮殘余應力是使用X射線殘余應力測量設備(參見“X-Ray Stress Measurement”，The Society of MaterialsScience，Japan，1981，由Yokendo Co.，Ltd.出版，pp.54-66)按sin2ψ法測量的。
表2的整個涂層的結晶性是使用X射線衍射儀分析的。
此外，表2的“破碎”指的是在切削早期階段出現的破碎，這將使一部分基體材料損失而露出基體材料。
<鉆削試驗>
在作為基體材料、外徑8mm的鉆頭(JISK10硬質合金)上，按照類似于上面所述的方式形成表1和2所示的每個實例1、7、12和比較例1、2的最下層、交替層和最上層，得到實例1、7、12和比較例1、2的鉆頭。使用實例1、7、12和比較例1、2的每個鉆頭對被加工材料SCM440(HRC30)實際進行鉆削試驗，以評價其壽命。
這里，通過形成深24mm的盲孔而執行鉆削試驗，條件是切削速度90m/min，進給量0.2mm/轉，使用風吹而不使用切削油。基于被加工材料的尺寸精度超出預定范圍之前得到的孔數確定壽命。壽命評價結果列于表4中。在表4中，加工次數越大表示壽命越長。
表4

從表4可以發現，與其中A層和B層都沒有形成為最下層并且最下層上沒有形成A和B層的交替層的比較例1和2的鉆頭相比，使用A層作為最下層、在最下層上形成A和B層的交替層并且在交替層上形成C層作為最上層的每個實施例1、7、12的鉆頭每個都具有相當多的加工孔數，因此具有相當長的壽命。
<端銑刀側面切削試驗>
在作為基體材料、外徑8mm的6刃端銑刀(JISK10硬質合金)上，按照類似于上面所述的方式形成表1和2所示的每個實例2、6、13和比較例3的最下層、交替層和最上層，得到實例2、6、13和比較例3的端銑刀。使用實施例2、6、13和比較例3的端銑刀對被加工材料SKD11(HRC60)實際進行側面銑削試驗，以評價其壽命。
這里，在以下條件下執行側面切削試驗切削速度200m/min，進給量0.03mm/刃，以及切削量Ad(軸向切削量)＝12mm，切削量Rd(徑向切削量)＝0.2mm，使用風吹而不使用切削油。基于被加工材料的尺寸精度超出預定范圍時的切削長度確定壽命。壽命評價結果示于表5中。在表5中，尺寸精度超出范圍時的長度越長表示壽命越長。
表5

從表5可以發現，與其中A層和B層都沒有形成為最下層并且最下層上沒有形成A和B層的交替層的比較例3的端銑刀相比，使用A層作為最下層、在最下層上形成A和B層的交替層并且在交替層上形成C層作為最上層的每個實例2、6、13的端銑刀在尺寸精度超出預定范圍時的長度很長，因此具有相當長的壽命。
<外圓周車削試驗>
使用硬質合金的罐和缽，使由40％質量的TiN和10％質量的Al制成的粘結劑粉末與具有平均粒徑2.5mm的50％質量的立方氮化硼(cBN)粉末混合，將立方氮化硼(cBN)粉末填充在硬質合金容器中并在1400℃燒結60分鐘。將得到的燒結cBN加工，以得到形狀為ISO標準SNGA120408的刀片。
在作為基體材料的刀片上，按照類似于上面所述的方式形成表1和表2所示的每個實例3、8、14和比較例1的最下層、交替層和最上層，得到實例3、8、14和比較例1的可轉位刀片。使用實例3、8、14和比較例1的可轉位刀片實際對一種淬火鋼SUJ2的圓棒(HRC62)進行外圓周車削試驗，以評價其壽命。
這里，在以下條件下執行外圓周車削試驗切削速度120m/min，切削0.2mm，進給量0.1mm/轉，在干式方式下進行40分鐘。基于測量可轉位刀片的表面粗糙度從表6所示的其與切削之前的表面粗糙度(Rz)對應的初始表面粗糙度(μm)變到Rz＝3.2μm時經過的時間(min)確定其壽命。壽命評價結果列于表6中。在表6中，直到Rz變為3.2μm的時間越長表示壽命越長。
表6

從表6可以發現，與其中A層和B層都沒有形成為最下層并且最下層上沒有形成A和B層的交替層的比較例1的可轉位刀片相比，使用A層作為最下層、在最下層上形成A和B層的交替層并且在交替層上形成C層作為最上層的每個實例3、8、14的可轉位刀片中的每一個在直到Rz變為3.2μm所花費的時間很長，因此具有相當長的壽命。
<連續車削試驗>
在作為基體材料、由JIS標準S20等級的硬質合金制成并具有JIS標準CNMG120408形狀的刀片上，按照類似于上面所述的方式形成表1和2所示的每個實例4、9、15和比較例2、3的最下層、交替層和最上層，得到實例4、9、15和比較例2、3的可轉位刀片。使用實例4、9、15和比較例2、3的可轉位刀片在以下所述條件下進行濕式(水溶性乳液)連續車削試驗。測量切削刃處的后刀面磨損量超過0.2mm的時間，以評價其壽命。
這里，使用Ti合金Ti-6Al-4V(HB＝310)作為被切削材料進行連續車削試驗，試驗條件如下切削速度80m/min，進給量0.2mm/轉，切削1mm。確定壽命時，假定直到后刀面磨損量超過0.2mm的時間越長表示壽命越長。壽命評價結果列于表7中。
表7

從表7可以發現，與其中A層和B層都沒有形成為最下層并且最下層上沒有形成A和B層的交替層的比較例2和3的可轉位刀片相比，使用A層作為最下層、在最下層上形成A和B層的交替層并且在交替層上形成C層作為最上層的每個實例4、9、15的可轉位刀片中的每一個直到后刀面磨損量超過0.2mm所花費的時間相當長，因此具有相當長的壽命。
(實例19～21)按照類似于實例1～18的方式制造具有如下面表8和表9所示構造的涂層的實例19～21的可轉位刀片，只是形成交替層的狀態是，用于A層的陰極106的電弧電流量大于用于B層的陰極107的電弧電流量。表8的λa/λb欄的數值各表示構成交替層的一層A層的厚度λa與一層B層的厚度λb之比(λa/λb)。需要注意的是，在實例19～21中，交替層中的每層A層具有相同的每層厚度，每層B層具有相同的每層厚度。
實例19～21的每個可轉位刀片在表3的條件下進行干式連續車削試驗和干式斷續車削試驗，以測量切削刃處的后刀面磨損量。壽命評價結果列于表9中。
從表9可以發現，與比較例1～3的可轉位刀片相比，實例19～21的可轉位刀片使用B層作為最下層，A和B層的交替層形成在最下層上，C層形成在交替層上作為最上層，并且交替層中的一層A層厚度λa與一層B層厚度λb之比λa/λb滿足1≤λa/λb＜5，在連續和斷續車削試驗中都明顯減小切削刃處的后刀面磨損量。此外，還發現即使與實例1～18的可轉位刀片相比，實例19～21的可轉位刀片也大大減小了連續車削試驗中切削刃處的后刀面磨損量。
表8

表9

此外，使用與上述相同的方法并在相同條件下，對實例20的可轉位刀片進行上述連續車削試驗。使用與上述相同的基準進行連續車削試驗評價。結果，實例20的可轉位刀片的切削刃處的后刀面磨損量超過0.2mm需要花費65分鐘，因此發現與實例4、9和15的可轉位刀片相比，實例20的可轉位刀片的耐磨性得到提高。
(實例22～24)按照類似于實例1～18的方式制造具有如下面表10和表11所示構造的涂層的實例22～24的可轉位刀片，只是形成交替層的狀態是，在開始形成交替層時，使得用于A層的陰極106的電弧電流量等于用于B層的陰極107的電弧電流量；然后使得用于A層的陰極106的電弧電流量不斷大于用于B層的陰極107的電弧電流量，以便使得一層A層的厚度λa與一層B層的厚度λb之比(λa/λb)從最靠近基體材料一側到距基體材料最遠一側不斷增大。表10中的“基體材料側”欄的數值各表示在交替層中彼此層疊的A層厚度λa和B層厚度λb在最靠近基體材料一側之比λa/λb。表10中的“最外表面側”欄的數值各表示在交替層中彼此層疊的A層厚度λa和B層厚度λb在離基體材料最遠一側之比λa/λb。
實例22～24的每個可轉位刀片在表3的條件下進行干式連續車削試驗和干式斷續車削試驗，以測量切削刃處的后刀面磨損量。壽命評價結果列于表10中。
從表10可以發現，與比較例1～3的可轉位刀片相比，實例22～24的可轉位刀片使用A層作為最下層，A和B層的交替層形成在最下層上，C層形成在交替層上作為最上層，并且交替層中的一層A層厚度λa與一層B層厚度λb之比λa/λb在最靠近基體材料一側等于1，并隨著距基體材料的距離增大而增大，并在距基體材料最遠一側滿足1＜λa/λb＜5，從而在連續和斷續車削試驗中都大大減小切削刃處的后刀面磨損量。此外，還發現即使與實例1～18的可轉位刀片相比，實例22～24的可轉位刀片也大大減小了連續和斷續車削試驗中切削刃處的后刀面磨損量。特別是，還發現交替層中一層A層厚度λa與一層B層厚度λb之比λa/λb在距基體材料最遠一側滿足1＜λa/λb＜3的實例22和23的可轉位刀片更加明顯地減小在連續和斷續車削試驗中切削刃處的后刀面磨損量。
表10

表11

此外，使用與上述相同的方法并在相同條件下，對實例24的可轉位刀片進行上述連續車削試驗。使用與上述相同的基準進行連續車削試驗評價。結果，實例24的可轉位刀片的切削刃處的后刀面磨損量超過0.2mm需要花費75分鐘，因此發現與實例4、9、15和20的可轉位刀片相比，實例24的可轉位刀片的耐磨性得到提高。
需要注意的是，雖然上述實例1～24的涂層是通過陰極電弧離子鍍法形成的，但是也可以通過例如平衡磁控濺射法或非平衡磁控濺射法形成上述涂層。
應該理解的是，這里披露的實施例和實例在各個方面都是解釋性的，而不是限制性的。本發明的保護范圍由權利要求項而不是上面的說明來限定，并且本發明意在包括與權利要求項等同的保護范圍和含義范圍內的任何修改。
工業實用性本發明的涂覆切削工具可以用作鉆頭、端銑刀、銑削加工用可轉位刀片、車削加工用可轉位刀片、金屬鋸、齒輪切削工具、鉸刀或絲錐。
權利要求
1.一種涂覆切削工具(1)，包括基體材料(2)和在所述基體材料(2)表面上形成的涂層(3)，其中所述涂層(3)包括交替層(13)，所述交替層(13)具有彼此交替層疊的A層(12)和B層(15)中的至少各一層，所述A層(12)由含有Al和Cr的氮化物形成，并且當構成所述A層(12)的金屬原子的總數表示為1時，所述Cr原子數的比例大于0并且不大于0.4，并且所述B層(15)由含有Ti和Al的氮化物形成，并且當構成所述B層(15)的金屬原子的總數表示為1時，所述Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。
2.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述B層(15)含有Si元素，并且當構成所述B層(15)的金屬原子的總數表示為1時，所述Si原子數的比例大于0并且不大于0.2。
3.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述A層(12)和所述B層(15)中的至少之一含有數量小于30原子％的V元素。
4.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述A層(12)和所述B層(15)中的至少之一含有數量小于10原子％的B元素。
5.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述A層(12)和所述B層(15)各具有不小于0.005μm并且不大于2μm的厚度。
6.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，當所述交替層(13)中的所述A層(12)厚度和所述B層(15)厚度分別表示為λa和λb時，所述A層(12)和所述B層(15)之間的厚度比λa/λb滿足1≤λa/λb＜5。
7.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，當所述交替層(13)中的所述A層(12)厚度和所述B層(15)厚度分別表示為λa和λb時，所述A層(12)和所述B層(15)之間的厚度比λa/λb在最靠近所述基體材料(2)一側滿足λa/λb＝1，比值λa/λb的數值隨著距所述基體材料(2)的距離增大而不斷增大，并且比值λa/λb在距所述基體材料(2)最遠一側滿足1＜λa/λb＜5。
8.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)的最下層是所述A層(12)。
9.根據權利要求8所述的涂覆切削工具(1)，其中，作為所述最下層的所述A層(12)含有數量小于10原子％的Si元素。
10.根據權利要求8所述的涂覆切削工具(1)，其中，作為所述最下層的所述A層(12)具有不小于0.1μm并且不大于2μm的厚度。
11.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)的最下層是所述B層(15)。
12.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)的最上層是C層(14)，所述C層(14)由含有Ti和Al的碳氮化物形成，并且當構成所述C層(14)的金屬原子的總數表示為1時，所述Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。
13.根據權利要求12所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述C層(14)含有Si元素，并且當構成所述C層(14)的金屬原子的總數表示為1時，所述Si原子數的比例大于0并且不大于0.2。
14.根據權利要求12所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述C層(14)含有數量小于10原子％的B元素。
15.根據權利要求12所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述C層(14)具有不小于0.1μm并且不大于2μm的厚度。
16.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)具有不小于0.8μm并且不大于15μm的總厚度。
17.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)具有不小于0GPa并且不大于6GPa的壓縮殘余應力。
18.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)具有立方晶體結構。
19.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述基體材料(2)由選自以下群組的至少一種材料制成，所述群組包括WC基硬質合金、金屬陶瓷、高速鋼、陶瓷、燒結立方氮化硼、燒結金剛石、燒結氮化硅、氧化鋁和碳化鈦。
20.根據權利要求1所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂覆切削工具(1)是鉆頭、端銑刀、銑削加工用可轉位刀片、車削加工用可轉位刀片、金屬鋸、齒輪切削工具、鉸刀或絲錐。
21.一種制造權利要求1所述涂覆切削工具(1)的方法，包括以下步驟制備所述基體材料(2)；以及利用物理汽相沉積法通過交替層疊所述A層(12)和所述B層(15)中的至少各一層形成交替層(13)。
22.根據權利要求21所述的涂覆切削工具(1)制造方法，其中，所述物理汽相沉積法是選自以下群組的至少一種方法，所述群組包括陰極電弧離子鍍法、平衡磁控濺射法和非平衡磁控濺射法。
23.一種涂覆切削工具(1)，包括基體材料(2)和在所述基體材料(2)表面上形成的涂層(3)，其中，所述涂層(3)包括由(Al1-aCra)的氮化物形成的A層(12)和由(Ti1-x-yAlxSiy)的氮化物形成的B層(15)，其中0＜a≤0.4，0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0，并且所述A層(12)和所述B層(15)中的至少各一層交替層疊。
24.根據權利要求23所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)的最下層是所述A層(12)。
25.根據權利要求23所述的涂覆切削工具(1)，其中，所述涂層(3)的最上層是由(Ti1-x-yAlxSiy)的碳氮化物形成的C層(14)，其中0＜x≤0.7，0≤y≤0.2，x+y≠0。
全文摘要
本發明提供一種涂覆切削工具(1)及其制造方法。所述涂覆切削工具(1)包括基體材料(2)和在基體材料(2)表面上形成的涂層(3)。涂層(3)包括交替層(13)，交替層(13)具有彼此交替層疊的A層(12)和B層(15)中的至少各一層。A層(12)由含有Al和Cr的氮化物形成，并且當構成A層(12)的金屬原子的總數表示為1時，Cr原子數的比例大于0并且不大于0.4。B層(15)由含有Ti和Al的氮化物形成，并且當構成B層(15)的金屬原子的總數表示為1時，Al原子數的比例大于0并且不大于0.7。
文檔編號B23B51/00GK101090790SQ20058004523
公開日2007年12月19日 申請日期2005年12月26日 優先權日2004年12月28日
發明者福井治世, 大森直也, 今村晉也, 森口秀樹, 瀬戶山誠, 柴田彰彥 申請人:住友電工硬質合金株式會社