表面被覆切削工具的制作方法

專利名稱：表面被覆切削工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種切削工具，例如鉆頭、端銑刀、鉆頭用可轉位刀頭、端銑刀用可轉位刀頭、銑削用可轉位刀頭、車削用可轉位刀頭、金工鋸、齒輪切削工具、鉸刀或絲錐；更具體地說，本發明涉及一種表面被覆切削工具，其中在該切削工具的表面上形成有用于提高諸如韌性和耐磨性等特性的涂層。
背景技術：
通常，人們采用硬質合金(WC-Co合金、或者通過添加Ti(鈦)、Ta(鉭)或Nb(鈮)的碳氮化物而制成的合金)作為切削工具。但是，隨著近期以來切削技術的快速發展，使用這樣一種硬質合金工具的比例逐漸增大，該硬質合金工具具有由硬質合金、金屬陶瓷、立方氮化硼燒結體或者氧化鋁基或氮化硅基陶瓷構成的基體，該基體被覆有至少一個通過CVD(化學氣相沉積法)或PVD(物理氣相沉積法)形成的化合物涂層，該化合物由選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Al(鋁)、Si和B中的至少一種第一元素以及選自B、C、N和O中的至少一種第二元素(如果第一元素僅為B，則第二元素不為B)形成，該涂層的厚度為3到20μm。
這種切削工具具有與工件產生的切屑接觸的前刀面、以及與工件本身接觸的后刀面，并且對應于在該前刀面和該后刀面彼此相交處的脊線的部分(及其周圍部分)被稱為刀頭脊線。
近些年，為了進一步提高切削性，切削速度已經被大幅度提高，由此要求這種切削工具具有更高的耐磨性。但是，如果達到了高耐磨性的要求，則韌性會下降，因此要求高耐磨性和高韌性之間具有協調性。
作為滿足這種要求的一種嘗試，例如，日本專利申請公開No.05-177411(專利文獻1)關注通過化學氣相沉積法(CVD)于高溫下在基體上形成涂層并隨后將其冷卻到室溫的情況下、在該涂層中所產生的殘余拉應力，據推測此拉應力會減弱切削工具的韌性，由此提出一種解決該問題的方案。由于此拉應力來自于基體和涂層之間的熱膨脹系數的差異，因此采用這樣一種提高韌性(抗斷裂性)同時保持高耐磨性的技術首先在基體上形成具有所述拉應力的第一涂層，在該第一涂層上形成規定的裂紋，然后在該第一涂層上形成具有壓應力的第二涂層。
日本專利申請公開No.05-177412(專利文獻2)關注類似于上述的涂層拉應力，采用了一種與上述不同的方法，并提出了一種通過在硬陶瓷基體上形成具有拉應力的內涂層以及在該內涂層上面形成具有壓應力的外涂層而獲得的結構。此外，日本專利申請公開No.05-177413(專利文獻3)提出了一種切削工具，其具有金屬陶瓷基體并具有與專利文獻2類似的結構。
另一方面，日本專利申請公開No.06-055311(專利文獻4)提出了一種通過以下方法制備的切削工具利用化學氣相沉積法在硬質合金基體上形成一層硬質涂層，并基本消除硬質涂層前刀面部分上的拉應力并保持硬質涂層后刀面部分上的拉應力。
日本專利No.3087465(日本專利申請公開No.06-079502，專利文獻5)提出了一種通過以下方法制備的切削工具在碳氮化鈦基金屬陶瓷基體的表面上形成其壓應力沿著整個刀頭脊線基本均勻分布的硬質涂層，并通過對該硬質涂層進行噴砂處理來增大前刀面部分的壓應力，使其比后刀面部分的壓應力至少大49MPa。
雖然上述每一種方法都可以在一定程度上使韌性和耐磨性相協調，但是，人們要求切削工具在當前切削工具所處的情況下具有更高的性能，并且需要開發能夠充分滿足這種性能要求的切削工具。
專利文獻1日本專利申請公開No.05-177411專利文獻2日本專利申請公開No.05-177412專利文獻3日本專利申請公開No.05-177413專利文獻4日本專利申請公開No.06-055311
專利文獻5日本專利No.3087465(日本專利申請公開No.06-079502)發明內容本發明要解決的問題本發明是在考慮了上述現狀的情況下提出的，并且本發明的一個目的是提供一種韌性和耐磨性彼此高度協調的表面被覆切削工具。
解決問題的手段本發明人為了解決上述問題進行了深入地研究，從而認識到最有效地使韌性和耐磨性之間相協調的方法是選擇特定的用于覆蓋基體的涂層材料，不著眼于在用多個層覆蓋基體時以各層為單位的應力，而是著眼于以諸如前刀面和后刀面之類的表面為單位進行的應力控制，并對前刀面和后刀面施加特定的應力，本發明人以此認識為基礎進行進一步研究，最終完成了本發明。
本發明涉及一種表面被覆切削工具，其包含基體和在該基體上形成的涂層，其特征在于該涂層具有包含TiCN的第一涂層和包含α-Al2O3的第二涂層，該第一涂層處于所述基體和所述第二涂層之間，該第二涂層在前刀面上具有壓應力S1，而在后刀面上具有拉應力S2，并且壓應力S1和拉應力S2由以下表達式(I)限定441MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
所述第一涂層可以具有拉應力，或者可以消除拉應力，從而使其基本沒有應力。
所述第一涂層可以在前刀面上具有拉應力SS1，而在后刀面上具有拉應力SS2，同時拉應力SS1和拉應力SS2可以由以下表達式(II)限定0≤|SS1-SS2|≤500MPa(II)。
所述表面被覆切削工具可以具有由以下表達式(III)限定的表面粗糙度，其中設定“A”表示所述被覆切削工具的前刀面的表面積增加比，并且“B”表示所述覆切削工具的后刀面的表面積增加比0.05≤A/B≤0.50(III)。
所述第一涂層還可以含有氧，并且可以含有選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Si、Y、B和S中的至少一種元素。此外，所述第二涂層還可以含有選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Si、Y、B和S中的至少一種元素。
所述第一涂層可以含有縱橫比為至少3的柱狀結構，并且可以含有平均粒徑為至少0.05μm但不超過1.5μm的晶體結構。此外，所述第一涂層的厚度可以是2到20μm，所述第二涂層的厚度可以是0.5到20μm。
發明效果根據本發明的表面被覆切削工具具有上述結構，從而具有彼此高度協調的韌性和耐磨性。
附圖簡要說明圖1是典型地示出切削過程中表面被覆切削工具和工件之間的接觸狀態的示意圖；圖2是表面被覆切削工具的示意性立體圖；圖3是表面被覆切削工具的示意性剖視圖。
參考標號說明1表面被覆切削工具，2前刀面，3后刀面，4刀頭脊線，5工件，6切屑，7通孔，8基體，9涂層，10第一涂層，11第二涂層。
實施本發明的最佳方式下面將更加詳細地說明本發明。在參考


以下實施方案時，相同的參考標號表示本申請的附圖中的相同或相應的部分。
<被覆切削工具>
根據本發明的表面被覆切削工具包含基體和在該基體上形成的涂層。
如圖1所示，這種表面被覆切削工具1具有在切削過程中與工件5產生的切屑6接觸的前刀面2以及與該工件本身接觸的后刀面3，對應于在前刀面2和后刀面3相交處的脊線部分被稱為刀頭脊線4，該刀頭脊線起到對工件5進行切削的中心作用點的作用。本發明中使用的術語前刀面和后刀面定義為不僅包括位于表面被覆切削工具表面上的面，而且包括涂層中相應的面。
根據本發明人的研究已經證實工件在切削過程中首先與所述的前刀面2接觸，并且因這種首次接觸而產生的沖擊顯著地影響了前刀面2的韌性，同時，前刀面2被暴露于由于這種沖擊產生的熱所導致的相當高的溫度下。這種現象在其中反復進行切削和接觸的斷續切削步驟中特別明顯。因此，使用可避免前刀面2產生這種現象的方法是重要的，并且本發明無疑提供了針對這種現象的有效的方法。
這種表面被覆切削工具例如可用作鉆頭、端銑刀、鉆頭用可轉位刀頭、端銑刀用可轉位刀頭、銑削用可轉位刀頭、車削用可轉位刀頭、金工鋸、齒輪切削工具、鉸刀和絲錐。
例如，當這種表面被覆切削工具1是可轉位刀頭時，如圖2所示，則可在該可轉位刀頭的中心部分設置通孔7，從而使得該切削工具可安裝到工具主體上。至于這種通孔7，如果需要的話，除了這種通孔之外或者為了替代這種通孔，可以提供其它的固定手段。
<基體>
可以采用已知作為這種切削工具的基體的通常為公知的基體來作為上述的基體，而沒有特別的限制。例如，可以列舉硬質合金(例如，包括WC基硬質合金、除WC外含有Co或者還含有諸如Ti、Ta或Nb的碳氮化物的硬質合金)、金屬陶瓷(主要由TiC、TiN、TiCN等構成)、高速鋼、陶瓷(碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、等等)、立方氮化硼燒結體、金剛石燒結體、氮化硅燒結體、或者由氧化鋁和碳化鈦形成的混合物作為這種基體。
在這些不同的基體中，本發明特別優選地使用硬質合金(WC基硬質合金)。這是因為除了含有硬的碳化鎢主體之外還含有諸如鈷之類的鐵族金屬的硬質合金是作為具有高硬度和高強度的切削工具用的基體的一種性能平衡極好的合金。
<涂層>
如圖3所示，形成在上述基體8上的涂層9主要是為了進一步提高韌性和進一步提高耐磨性，該涂層包含含TiCN的第一涂層10和含α-Al2O3的第二涂層11。
為了進一步提高涂層與基體之間的附著力、進一步提高第一涂層和第二涂層之間的附著力、或者改善涂層表面的狀態，該涂層除了包含上述第一涂層和上述第二涂層以外，還可以包含第三涂層。
例如，可以列舉TiN、TiC、TiCO、TiBN、ZrCN、TiZrCN、AlN、AlON、TiAlN等作為這種第三涂層。
可以形成一層或者至少兩層的這種第三涂層，而對這種第三涂層的堆疊方式沒有特別限制，其可以在(例如)基體與第一涂層之間、第一涂層與第二涂層之間、或者第二涂層的表面上等部分中的至少一個任意部分處形成。
雖然現在要描述第一涂層和第二涂層，但是為了便于說明，首先描述第二涂層。
<第二涂層>
根據本發明的第二涂層由α-Al2O3構成。通過在基體的最外表面或在最外表面的附近形成由這種物質構成的第二涂層，可以有效地防止基體的氧化，以及極其有效地防止構成工件的元素在切削過程中朝基體擴散。盡管切削過程中產生的熱加速了這種氧化和擴散，但是由于α-Al2O3具有優異的高溫穩定性，從而使得因為這些效果的協同作用而顯示出一種顯著優異的效果。
所述的第二涂層可以僅僅由α-Al2O3構成，或者可以包含選自在日本使用的元素周期表IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)和VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Si、Y、B和S中的至少一種元素。對所含元素的形式沒有特別限制，但是，該元素可以作為置換元素占據上述α-Al2O3晶體點陣的正常位置中，可以作為間隙元素被引入晶體點陣中，可以形成金屬間化合物，或者可以以無定形元素的形式存在。
該元素的任何濃度分布都可以被采用。例如，該元素可以按在涂層中均勻分布、以高濃度或低濃度在晶界處分布、或者以高濃度或低濃度在涂層表面部分上分布。此外，關于濃度，優選的是，相對于α-Al2O3中的Al，該元素的含量為0.01原子％(原子百分比)到30原子％，其上限更優選為20原子％、進一步優選為10原子％，其下限更優選為0.05原子％、進一步優選為0.1原子％。如果該元素的濃度小于0.01原子％，則第二涂層不會顯現出因該元素的存在而產生的效果(例如，在高溫下表現出高硬度和高強度，或者被賦予優異的潤滑性的效果)；如果該元素的濃度超過30原子％，則第二涂層的晶體點陣可能發生畸變，使得其硬度和強度下降。
這種第二涂層的成形厚度優選為0.5到20μm，其上限更優選為10μm、進一步優選為5μm，其下限更優選為1μm、進一步優選為1.5μm。如果第二涂層的厚度小于0.5μm，則第二涂層本身的化學穩定性可能受損，使得諸如粘著磨損或擴散磨損之類的磨損過程加速；如果第二涂層的厚度超過20μm，則涂層強度可能受損，從而可能出現涂層剝落或破碎，最終導致碎裂。
該第二涂層在前刀面上具有壓應力S1，并且在后刀面上具有拉應力S2，同時壓應力S1和拉應力S2由以下表達式(I)限定441MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
如上所述，該前刀層是在切削過程中首先與工件接觸的部分，同時也是暴露于高溫的部分，因此可以通過將壓應力S1作為應力施加于該部分上來顯著有效地提高韌性。壓應力是涂層中存在的一種內應力(比應變)，用帶“-” (負號)的數值來表示(單位MPa)。因此，壓應力大的概念是指上述數值的絕對值增大，壓應力小的概念是指上述數值的絕對值減小。
該壓應力S1特別優選為大于441MPa(45kg/mm2)的壓應力(|S1|＞441MPa)。因此，在基本普通的工作條件下就可獲得足夠的韌性。
在這種第二涂層中，將拉應力S2用作施加于后刀面上的應力，從而試圖保持涂層的耐磨性并避免涂層本身發生剝離。拉應力也是涂層中存在的一種內應力(比應變)，用帶“+”(正號)的數值來表示(單位MPa)。因此，拉應力大的概念是指上述數值增大，拉應力小的概念是指上述數值減小。如果基體是由硬質合金制備的，則該后刀面的拉應力S2的值通常為50MPa到300MPa。
此外，根據本發明的第二涂層的特征在于，上述壓應力S1和上述拉應力S2由上述表達式(I)限定。更優選的是，500MPa≤|S1-S2|≤3000MPa。
因此，這就使得可以在特別高的水平上獲得韌性和耐磨性之間的協調性成為可能。如果上述的壓應力S1和拉應力S2之差的絕對值(|S1-S2|)小于441MPa(45kg/mm2)，則不能充分達到提高韌性的作用；如果此絕對值超過3500MPa，則第二涂層可能與底層剝離。
雖然在根據本發明的第二涂層中形成上述應力分布的方法不受特殊限制，但是可以通過以下方法形成所需的應力分布利用公知的化學氣相沉積法(CVD)形成α-Al2O3涂層，并使用諸如刷光處理、噴拋處理(例如，包括噴砂處理或水砂拋光處理)、噴丸處理或PVD轟擊等技術對通常具有拉應力的該涂層的前刀面部分施加壓應力。
另一方面，可供選用的另一種方式是，可以通過公知的物理氣相沉積法(PVD)形成該α-Al2O3涂層，并且此涂層在這種情況下一般具有壓應力，由此還可以使用這樣一種方法根據諸如熱處理、激光處理或高頻處理等技術對該涂層的后刀面部分進行處理，從而消除這部分的壓應力并對其施加拉應力。
可利用X射線應力測量儀根據sin2ψ法來測量這種應力分布，其中選擇α-Al2O3的(116)面作為測量的衍射面。上述前刀面和后刀面分別具有規定的面積，因此利用這種方法通過測量各個表面中包含的任意10點(優選的是，選擇這些點使得它們彼此相距至少0.5mm，從而它們可以代表各個表面的應力)的應力并得出其平均值，就可以測出上述壓應力S1和上述拉應力S2。
這種利用X射線的sin2ψ法作為一種測量多晶材料殘余應力的方法被廣泛使用，并且可以使用文獻“X射線應力測定法”(日本材料學會，株式會社養賢堂1981年出版)第54-66頁中詳細描述的方法。
為了如上所述從2θ-sin2ψ圖得到應力分布，需要知道涂層的楊氏模量和泊松比。不過，可以使用動態硬度計或類似儀器來測量楊氏模量，而泊松比隨材料不同沒有明顯變化，可以使用大約0.2的值。根據本發明，準確的應力值不是特別重要的，而應力差才是重要的。因此，當從2θ-sin2ψ圖求應力差時，可以不使用楊氏模量而求出點陣常數和點陣間距來代替應力分布。
此外，如上所述，當根據本發明的第二涂層含有選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Si、Y、B和S中的至少一種元素時，(116)面的衍射峰出現在大體相當的2θ位置上，因此可采用類似于上面所述的方法來測量應力。
<第一涂層>
根據本發明的第一涂層處于上述基體和上述第二涂層之間，并且包含TiCN。具有上述優異作用的上述α-Al2O3第二涂層相對較脆，因此在抗磨粒磨損性被認為尤其重要的、切削溫度較低的應用中可能會要求具有較高的耐磨性。根據本發明的第一涂層正是為了滿足此要求而形成的，雖然第一涂層本身在高溫下切削時容易被氧化，但是它具有極高的硬度，并且由于第一涂層處于上述第二涂層和基體之間，因而具有明顯提高耐磨性的作用。
第一涂層可以僅僅由TiCN構成，或者還可以含有氧元素。對所含氧元素的形式沒有限制，可以采用任何形式的氧。例如，氧元素可以作為置換元素而占據上述TiCN的晶體點陣中的正常位置，也可以作為間隙元素而進入晶體點陣，或者可以作為無定形元素而存在。
第一涂層可以含有上述的氧，還可以含有選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Si、Y、B和S中的至少一種元素。這些元素可以與氧一起存在，或者沒有氧而單獨存在，也可以以類似于上述氧的任何形式存在。
因此，第一涂層可以僅僅由TiCN構成，或者可供選擇的另一種方式是，第一涂層可以主要由TiCN構成，同時含有上述諸如氧之類的元素。
諸如氧之類的元素的任何濃度分布都可以采用。例如，該元素可以在涂層中均勻分布、可以以高濃度或低濃度分布于晶界處、或者可以以高濃度或低濃度分布于涂層表面部分上。此外，關于濃度，所述的諸如氧之類的元素的濃度優選為TiCN中C和N總量的0.1原子％到40原子％，其上限更優選為30原子％、進一步優選為20原子％，其下限更優選為1原子％、進一步優選為5原子％。如果該元素的濃度小于0.1原子％，則第一涂層可能不會表現出因諸如氧之類的元素的存在而產生的效果(例如，晶粒細化)；而如果該元素的濃度超過40原子％，則涂層的晶體點陣可能發生畸變，從而造成硬度或強度下降。
這種第一涂層的成形厚度優選為2到20μm，其上限更優選為15μm、進一步優選為10μm；其下限更優選為2.5μm、進一步優選為3μm。如果厚度小于2μm，則可能會使磨損加劇，從而露出基體，而這會進一步明顯地促進磨損的發展；而如果厚度超過20μm，則涂層強度可能會受損，從而可能會出現涂層剝落或破碎，最終導致碎裂。
此外，優選的是，第一涂層含有縱橫比為至少3的柱狀結構，并且含有平均粒徑為至少0.05μm但不超過1.5μm的晶體結構。這種晶體結構可以使耐磨料磨損性得到進一步提高。縱橫比是通過采用以下方法測量第一涂層所含晶體的平均粒徑并用第一涂層的厚度除以此平均粒徑而得到的數值。可以通過以下方法測量平均粒徑對第一涂層的斷面進行鏡面拋光，并對晶粒邊界進行蝕刻，然后在第一涂層的厚度的一半位置處，測量每個晶體的寬度(每個晶體在與厚度方向垂直的方向上的寬度)，將寬度的平均值作為平均粒徑。
如果縱橫比小于3，則耐磨料磨損性可能得不到改善。雖然由于耐磨料磨損性隨該縱橫比數值的增大而提高，并因此可能不用對縱橫比的上限進行限定，但如果縱橫比超過300，則晶體可能過于細化，從而使晶體結構變脆，造成抗破碎性下降。縱橫比更優選為7到200，其上限進一步優選為100、特別優選為50，其下限進一步優選為15、特別優選為20。
如果平均粒徑小于0.05μm，則晶體可能過于細化，從而使晶體結構變脆，造成抗破碎性下降。如果平均粒徑超過1.5μm，則晶體結構可能會粗化，從而使表面不規則性增強，使得諸如切屑流動之類的切削阻力劣化。平均粒徑更優選為至少0.1μm并且不超過1.0μm，其上限進一步優選為0.6μm、特別優選為0.4μm，并且其下限進一步優選為0.15μm、特別優選為0.2μm。
這種第一涂層優選具有拉應力，或者優選被消除拉應力從而使其基本沒有應力。具有這種應力的第一涂層在第一涂層與基體之間可以產生高的附著力，并且可以獲得特別優異的耐磨性。如果基體是由硬質合金制備的，則該拉應力通常為50MPa到300MPa。
此外，這種第一涂層優選地在前刀面上具有拉應力SS1，并且在后刀面上具有拉應力SS2，同時拉應力SS1和拉應力SS2由以下表達式(II)限定0≤|SS1-SS2|≤500MPa(II)。
該前刀面和后刀面與上述第二涂層中的前刀面和后刀面具有相同的區域。使拉應力SS1與拉應力SS2之差的絕對值(|SS1-SS2|)在上述表達式(II)所示范圍內的規定表明，為了向上文所述的第二涂層提供上文所述的指定應力分布而對前刀面進行的處理(或者對后刀面進行的處理)所產生的影響優選地未實質性地傳遞到第一涂層。換句話說，第一涂層不會實質性地具有類似于第二涂層的應力分布。相反，如果拉應力SS1與拉應力SS2之差的絕對值(|SS1-SS2|)超過500MPa，則第一涂層與底層的附著作用可能會受到破壞，從而可能出現涂層剝落或破碎，最終導致碎裂。拉應力SS1與拉應力SS2之差的絕對值(|SS1-SS2|)的上限更優選為200MPa，進一步優選為100MPa。
所述第一涂層可以通過公知的CVD法來形成。因而，可使第一涂層同時受到拉應力的作用。可供選用的另一種方式為，可以通過公知的PVD法形成第一涂層，在這種情況下，該涂層一般具有壓應力。為了將所述的壓應力轉變成拉應力、或者為了消除第一涂層的拉應力而使其基本不具有應力，優選的是，可以根據諸如熱處理、激光處理或高頻處理之類的技術對第一涂層進行處理。
與上述第二涂層的情況相似，可以利用X射線應力測量儀根據sin2ψ法對所述第一涂層的應力分布進行測量，其中選擇TiCN的(422)面作為測量的衍射面。此外，當根據本發明的第一涂層還包含上述諸如氧之類的元素時，(422)面的衍射峰出現在大體相當的2θ位置上，因此可采用類似的方法來測量應力。
<表面粗糙度>
根據本發明的表面被覆切削工具優選具有由以下表達式(III)限定的表面粗糙度，其中設定“A”表示所述被覆切削工具的前刀面的表面積增加比，并且“B”表示所述覆切削工具的后刀面的表面積增加比0.05≤A/B≤0.50(III)。
表面積增加比是以三維視點來定義涂層的表面粗糙度的，其具有與僅在垂直方向上定義二維表面粗糙度的傳統的表面粗糙度Ra和Rmax截然不同的概念。換句話說，表面積增加比用(a1/a2)-1表示，其通過在預定的測量范圍內所包含的全方向(包括垂直方向和水平方向)上的不規則形狀的總表面積a1與該測量范圍內二維面積a2之比a1/a2再減去1而獲得。隨著該表面積增加比的減少，表面平整度得到提高。更具體地說，可以使用Elionix公司制造的電子束3D粗糙度分析儀(ERA-8000等)所測定的數值得到表面積增加比。例如，表面積增加比可通過下述步驟測定將放大倍數設置成5000倍以排除涂層表面上宏觀的不平坦處，使得對細微的不規則處可以進行測量；并將在前刀面和后刀面上測量范圍內的水平方向和垂直方向上的樣本數分別設定為280和210以進行測定。可任選地使用其它裝置測定表面積增加比，只要該裝置能夠根據上述相同的原理測量表面積增加比即可。
設定“A”表示以上述方式測定的前刀面的表面積增加比，“B”表示后刀面的表面積增加比，A/B的值優選由上述表達式(III)所限定。當A/B所示出的數值在表達式(III)所限定的范圍內時，前刀面的平整度得到特別改善，使得切削過程中切屑的去除也得到特別改善，從而表現出抑制前刀面溫度升高的效果。這可能是由于在切削過程中，達到高溫的切屑被充分去除，因此，抑制了該前刀面溫度的升高。
如果上述A/B的值高于0.50，就削弱了切屑的去除能力，從而無法預期上述效果。如果上述A/B的值小于0.05，上述效果沒有特別的改善，卻因為平整處理所需的費用而使經濟上不利。
為了使本發明的表面被覆切削工具具有表達式(III)所限定的表面粗糙度，優選采用公知的拋光處理或平整處理對表面(特別是前刀面)進行處理。例如，可以列舉磨光、刷光、滾光、金剛石研磨和噴拋作為這類處理。
<例子>
雖然下面將參考例子來更加詳細地描述本發明，但本發明并不限于此。
<實施例1到5和對比例1到4>
在球磨機中將由86質量％的WC、8.0質量％的Co、2.0質量％的TiC、2.0質量％的NbC、以及2.0質量％的ZrC組成的粉末濕混72小時。接著，將此混合物干燥，再模壓成形。然后在真空氣氛中在1420℃燒結1小時。
通過用SiC刷進行珩磨來將得到的燒結體的刀頭脊線部分倒角，由此制成具有ISO·SNMG120408刀尖形狀的拋棄型WC基硬質合金切削工具的基體。
通過一種公知的、屬于化學氣相沉積法的熱CVD在此基體的表面上形成具有如下結構的涂層。通過以下方法制備具有基體以及在此基體上形成的涂層的表面被覆切削工具在基體上形成厚0.5μm的TiN膜，在該TiN膜上形成厚0.7μm的TiCN膜作為第一涂層，在該TiCN膜上形成厚0.5μm的TiN膜，在該TiN膜上形成厚3.0μm的α-Al2O3膜作為第二涂層，在該α-Al2O3膜上再形成厚0.5μm的TiN膜。如上所述，該涂層具有包含TiCN的第一涂層和包含α-Al2O3第二涂層，并且第一涂層位于基體和第二涂層之間。
然后，采用粒徑不超過250μm的陶瓷磨粒Al2O3或類似材料、在噴射壓力為0.01到0.5MPa、噴射距離為0.5到200mm、粉末濃度為5體積％到40體積％的條件下，對按上述方式制備的表面被覆切削工具的整個前刀面進行水砂拋光處理，由此，制備出具有如表1所示的應力分布(各個第二涂層的應力分布是|S1-S2|值，各個第一涂層的應力分布是|SS1-SS2|值)的實施例1到5和對比例1到4的表面被覆切削工具。本發明實施例1到5的每個表面被覆切削工具在第二涂層的前刀面上具有壓應力S1，在后刀面上具有拉應力S2，同時第一涂層具有拉應力，或者第一涂層的拉應力被消除從而使其基本沒有應力。
通過在上述數字范圍內適當地調節上述水砂拋光處理的條件來形成各個實施例和對比例的上述應力分布(各個第二涂層的應力分布是|S1-S2|值，各個第一涂層的應力分布是|SS1-SS2|值)，并通過上述sin2ψ法來測量此應力分布(各個第二涂層的應力分布是|S1-S2|值，各個第一涂層的應力分布是|SS1-SS2|值)。
根據上述方法測量的結果，實施例1到5的表面被覆切削工具的第一涂層都含有縱橫比為30的柱狀結構，并且這些第一涂層都含有平均粒徑為0.23μm的晶體結構。
在以下條件下對這些表面被覆切削工具進行車削/切削試驗，以測量在發生碎裂之前所持續的時間。發生碎裂之前所持續的時間增加，則韌性和耐磨性得到提高。
<試驗條件>
工件SCM435開槽圓棒切削速度230m/分鐘進給速率0.15mm/轉切削深度1.0mm切削油無表1

由表1顯然可見，第二涂層的壓應力S1和拉應力S2之差的絕對值(|S1-S2|)(如上述表達式(I)所示)在至少441MPa并且不超過3500MPa范圍內的表面被覆切削工具(實施例1到5)與該差值的絕對值超出上述范圍的表面被覆切削工具(對比例1到4)相比，前者高水平地達到韌性和耐磨性間相協調的效果。
當使用電子束3D粗糙度分析儀(ERA-800，由Elionix公司制造)測定根據實施例1到5的表面被覆切削工具各自的前刀面的表面積增加比“A”和后刀面的表面積增加比“B”時，根據實施例1、2、3、4和5的每個表面被覆切削工具的A/B的值分別為0.6 1、0.49、0.41、0.43和0.45。
<實施例6到10>
在根據實施例1到5的表面被覆切削工具各自的前刀面上進行以下平整化處理(實施例1對應于實施例6，其余實施例依次對應)。
如表2所示，通過對表面被覆切削工具各自的前刀面使用不同粒徑(#400到#4000)的金剛石磨粒和不同的研磨時間來進行該平整化處理。
然后，使用電子束3D粗糙度分析儀(ERA-800，由Elionix公司制造)測定經歷該平整化處理的表面被覆切削工具各自的前刀面的表面積增加比“A”和后刀面的表面積增加比“B”，進而獲得如表2所示的A/B的值。
在類似于上述條件下對這些表面被覆切削工具進行車削/切削試驗，以測量在發生碎裂之前所持續的時間。發生碎裂之前所持續的時間增加，則韌性和耐磨性得到提高。表2顯示了該結果。
表2

由表1和2顯然可見，與實施例1(A/B∶0.61)相比，具有A/B值為至少0.05并且不超過0.50的表面被覆切削工具(實施例2到10)顯示出更優異的韌性和耐磨性，并且，特別的是，A/B的值越小，表現為韌性和耐磨性越優良。
在此公開的實施方案和例子必須被看作是解釋性的，而絕不是限制性的。本發明的范圍不是由上面的說明書部分示出，而是由本發明的權利要求書的范圍限定，并且含義和范圍與本發明的權利要求書的范圍等價的所有修改也包括在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種表面被覆切削工具(1)，其具有基體(8)和在所述基體(8)上形成的涂層(9)，其中所述涂層(9)具有含有TiCN的第一涂層(10)和含有α-Al2O3的第二涂層(11)，所述第一涂層(10)處于所述基體(8)和所述第二涂層(11)之間，以及所述第二涂層(11)在前刀面(2)上具有壓應力S1，在后刀面(3)上具有拉應力S2，同時所述壓應力S1和所述拉應力S2由以下表達式(I)限定441MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
2.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂層(10)具有拉應力，或者所述第一涂層(10)被消除拉應力從而使其基本沒有應力。
3.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂層(10)在所述前刀面(2)上具有拉應力SS1，在所述后刀面(3)上具有拉應力SS2，同時所述拉應力SS1和所述拉應力SS2由以下表達式(II)限定0≤|SS1-SS2|≤500MPa(II)。
4.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述表面被覆切削工具(1)具有由以下表達式(III)限定的表面粗糙度，其中設定“A”表示所述前刀面(2)的表面積增加比，并且“B”表示所述后刀面(3)的表面積增加比0.05≤A/B≤0.50 (III)。
5.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂層(10)還含有氧。
6.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂層(10)還含有選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Si、Y、B和S中的至少一種元素。
7.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第二涂層(11)還含有選自在日本使用的元素周期表IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Si、Y、B和S中的至少一種元素。
8.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂層(10)含有縱橫比為至少3的柱狀結構，并且含有平均粒徑為至少0.05μm但不超過1.5μm的晶體結構。
9.根據權利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂層(10)的厚度為2μm到20μm，并且所述第二涂層(11)的厚度為0.5μm到20μm。
全文摘要
本發明涉及一種表面被覆切削工具(1)，其具有基體和在該基體上形成的涂層，其特征在于該涂層具有含有TiCN的第一涂層和含有α－Al
文檔編號B23B51/00GK101090789SQ20058004501
公開日2007年12月19日 申請日期2005年11月16日 優先權日2004年12月27日
發明者岡田吉生, 大森直也, 伊藤實, 高梨智裕, 今村晉也, 奧野晉 申請人:住友電工硬質合金株式會社