專利名稱：表面被覆切削工具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括基材以及在該基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具和制造該表面被覆切削工具的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，存在已知的包括基材和在基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具，在所述表面被覆切削工具中包括TiCN層作為所述被覆膜。例如，日本專利特開No. 2008-087150(專利文獻(xiàn)I)提出了這樣的嘗試通過將碳相對于碳與氮總數(shù)的原子比設(shè)定為0. 70至0. 90作為TiCN層的組成，從而改善耐磨性和耐朋裂性。 另外，日本專利特開No. 2006-231433(專利文獻(xiàn)2)提出了這樣的嘗試通過相對于TiCN層的晶粒的晶面提供特定的傾斜角度分布，從而改善耐崩裂性。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本專利特開No. 2008-087150專利文獻(xiàn)2 :日本專利特開No. 2006-23143
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題如專利文獻(xiàn)I中所公開，雖然通過提高碳相對于碳與氮總數(shù)的原子比作為TiCN層的組成可靠地改善了耐磨性，但是相反，被覆膜更可能從基材剝離，結(jié)果是，當(dāng)工具用于斷續(xù)切削等時，耐崩裂性不足。另一方面，如專利文獻(xiàn)2中所公開，雖然通過相對于TiCN層的晶粒的晶面提供特定的傾斜角度分布從而可靠地改善了耐崩裂性，但是被覆膜本身不能高度地硬化，結(jié)果是，當(dāng)工具用于連續(xù)切削等時，耐磨性不足。特別指出的是，耐磨性因以下事實而變得不充分在切削鑄鐵等過程中，工件附著到切削刃上。鑒于上述情況進(jìn)行本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是提供一種表現(xiàn)出顯著改善的耐磨性和耐崩裂性的表面被覆切削工具。解決問題的方案本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材以及在該基材上形成的被覆膜。該被覆膜包括至少一層TiCN層。該TiCN層具有柱狀結(jié)晶區(qū)。該柱狀結(jié)晶區(qū)的組成為TiCxNy (其中
0.65 ( x/ (x+y) ( 0. 90)，(422)面的面間距為 0.8765A 至0.8790A，并且 TC(220)在取
向指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值。在這種情況中，優(yōu)選的是，該被覆膜包括至少一層氧化鋁層，并且該氧化鋁層由a型氧化鋁形成并且平均厚度為2 y m至15 y m。另外，本發(fā)明還涉及制造包括基材和在該基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具的方法，其中所述被覆膜包括至少ー層TiCN層。該方法包括形成TiCN層的步驟。該步驟的特征是毎分鐘將體積等于或大于化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)室的體積10倍的原料氣供應(yīng)至所述化學(xué)氣相沉積裝置，并將反應(yīng)溫度設(shè)定為820°C至950°C，從而通過化學(xué)氣相沉積法形成所述TiCN層。本發(fā)明的有益效果
如上所述構(gòu)造本發(fā)明的表面被覆切削工具，從而實現(xiàn)耐磨性和耐崩裂性得到顯著改善的優(yōu)異效果。本發(fā)明的實施方式下文將對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說明。〈表面被覆切削工具〉本發(fā)明的表面被覆切削工具具有包括基材和在該基材上形成的被覆膜的構(gòu)造。優(yōu)選的是，該被覆膜覆蓋基材的整個表面。然而，即便基材的一部分沒有被該被覆膜覆蓋、或者被覆膜的構(gòu)造在局部上是不同的，這種結(jié)構(gòu)仍不脫離本發(fā)明的范圍。上述的本發(fā)明表面被覆切削工具可以適當(dāng)?shù)赜米髑邢鞴ぞ?，如鉆頭、立銑刀、鉆頭用切削刃可替換型割嘴(cutting tip)、立銑刀用切削刃可替換型割嘴、銑削用切削刃可替換型割嘴、車削用切削刃可替換型割嘴、金屬用鋸、齒輪用切削工具、鉸刀和絲錐。< 基材 >作為用于本發(fā)明表面被覆切削工具的基材，可以使用任何材料，只要該材料傳統(tǒng)上已知是作為上述類型的基材即可。例如，該基材優(yōu)選為硬質(zhì)合金(例如，WC基硬質(zhì)合金或者含有WC和Co的材料或含有WC和Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的材料)、金屬陶瓷(主要由TiC、TiN、TiCN等構(gòu)成)、高速鋼、陶瓷(碳化鈦、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋁等)、立方氮化硼燒結(jié)體、鉆石燒結(jié)體等中的任ー種。在這些多祥的基材中，特別優(yōu)選的是選擇WC基硬質(zhì)合金和金屬陶瓷(特別是TiCN基金屬陶瓷)。這是因為這些基材在硬度和強度(尤其在高溫下)之間的平衡方面是優(yōu)異的，并且具有作為針對上述用途的表面被覆切削工具的基材的優(yōu)異特性。<被覆膜>本發(fā)明的被覆膜可以包括其它的層，只要其包括至少ー層TiCN層即可。其它層的實例可以包括氧化鋁層、TiN層、TiBNO層、TiCNO層等。本發(fā)明的這種被覆膜起到這樣的作用覆蓋基材以實現(xiàn)改善諸如耐磨性和耐崩裂性等若干特性的效果。適宜的是,本發(fā)明的這種被覆膜具有10 μ m至30 μ m、更優(yōu)選10 μ m至25 μ m的厚度。當(dāng)厚度小于IOym時，耐磨性可能不足。當(dāng)厚度超過30 μ m時，當(dāng)在斷續(xù)加工過程中在被覆膜和基材之間施加相對較強的應(yīng)カ時，被覆膜可能相當(dāng)頻繁地發(fā)生剝離或破裂?！碩iCN 層〉本發(fā)明被覆膜中所包含的TiCN層具有柱狀結(jié)晶區(qū)。該柱狀結(jié)晶區(qū)的特征在干，其組成為TiCxNy (其中O. 65彡Xバx+y)彡O. 90)，(422)面的面間距(d值)為0.8765A至0.8790A，并且TC(220)在取向指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值。如上所述構(gòu)造本發(fā)明的TiCN層，從而實現(xiàn)耐磨性和耐崩裂性得以顯著改善的優(yōu)異效果。據(jù)認(rèn)為這種效果源自以下事實通過增加柱狀結(jié)晶區(qū)的碳氮化鈦中碳相對于碳與氮總數(shù)的原子比，從而改善了針對エ件的抗粘著性和耐磨性，并且還源自以下事實通過對(422)面的面間距進(jìn)行限定以落入指定的范圍，從而引起晶體內(nèi)部的應(yīng)變變化，并且TC(220)在取向指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值，從而引起柱狀晶體沿著垂直于基材表面的方向一起生長，這導(dǎo)致被覆膜的均勻磨損；結(jié)果，這些協(xié)同效果使得在不降低耐剝離性的情況下改善了耐崩裂性。本發(fā)明人進(jìn)行的研究顯示了以下結(jié)果當(dāng)不控制(422)面的面間距時，上述數(shù)值χ/(χ+y)越大，則被覆膜越容易從基材剝離。該結(jié)果表明，提高上述數(shù)值χ/(χ+y)，從而提高了硬度并實現(xiàn)了優(yōu)異的耐磨性，但在斷續(xù)切削等時被覆膜容易破裂，導(dǎo)致耐崩裂性差。因而，本發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行了進(jìn)ー步研究以尋找這樣的條件在仍保持上述數(shù)值χパχ+y)高的同吋，耐崩裂性不下降。隨后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以通過控制TiCN的柱狀晶體的晶面來改善與基材的耐剝離性。通過進(jìn)ー步反復(fù)研究，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)(422)面的面間距被控制在0.8765A 至0.8790A。換句話說，本發(fā)明的TiCN層中耐磨性和耐崩裂性均明顯得以改善的原因主要在于，通過將數(shù)值x/(x+y)設(shè)定落在上述范圍內(nèi)，從而引起耐磨性的改善，并且還在于通過將(422)面的面間距設(shè)定落在上述范圍內(nèi)，從而引起耐崩裂性的改善。另外，TC(220)在取向 指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值的事實有助于這些效果的改善。TiCN層是指由碳氮化鈦(TiCN)構(gòu)成的層。另外，如上文所述，本發(fā)明的TiCN層的特征在于至少具有柱狀結(jié)晶區(qū)作為其一部分。具體而言，該TiCN層可以完全僅由柱狀結(jié)晶區(qū)形成，或者可以通過包括柱狀結(jié)晶區(qū)和其它結(jié)晶區(qū)(如粒狀結(jié)晶區(qū))而形成。在本發(fā)明中，柱狀結(jié)晶區(qū)是指由柱狀晶體構(gòu)成的區(qū)域。這種柱狀晶體在大致垂直于基材表面的方向(即，在被覆膜的厚度方向)上生長。這種柱狀晶體例如具有50nm至500nm的寬度(直徑)和IOOOnm至IOOOOnm的長度。在本發(fā)明的TiCN層通過包括柱狀結(jié)晶區(qū)和其它結(jié)晶區(qū)(如粒狀結(jié)晶區(qū))而構(gòu)成的情況下，優(yōu)選如此設(shè)定柱狀結(jié)晶區(qū)在TiCN層中的比例，使得相對于整個TiCN層的厚度，柱狀結(jié)晶區(qū)的厚度是50%或更高，并且優(yōu)選是70%或更高。當(dāng)柱狀結(jié)晶區(qū)的厚度小于50%時，可能不能實現(xiàn)本發(fā)明TiCN層的上述效果。應(yīng)當(dāng)指出，對柱狀結(jié)晶區(qū)的比例的上限不作特別限制。這是因為在本發(fā)明中該TiCN層可以僅由柱狀結(jié)晶區(qū)構(gòu)成。此外，對應(yīng)于其它結(jié)晶區(qū)的粒狀結(jié)晶區(qū)是指由粒狀晶體構(gòu)成的區(qū)域。粒狀晶體不是指像柱狀晶體那樣在ー個方向上生長的晶體，而是指具有大致球形或不定形狀并且粒度為IOOnm至IOOOnm的晶體。在本發(fā)明的TiCN層通過包括柱狀結(jié)晶區(qū)和其它結(jié)晶區(qū)(如粒狀結(jié)晶區(qū))而構(gòu)成的情況下，優(yōu)選在基材側(cè)形成其它結(jié)晶區(qū)，并且在被覆膜的表面?zhèn)刃纬芍鶢罱Y(jié)晶區(qū)。如上文所述的構(gòu)造可以提供以下優(yōu)點在溫度上升/冷卻至某種程度的過程中因基材與被覆膜之間的熱膨脹系數(shù)差而產(chǎn)生的熱應(yīng)カ可以減輕，以分散造成裂紋發(fā)展的能量。此外，在本發(fā)明的TiCN層以這種方式通過包括柱狀結(jié)晶區(qū)和其它結(jié)晶區(qū)(如粒狀結(jié)晶區(qū))而構(gòu)成的情況下，此TiCN層可以看做是具有雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層結(jié)構(gòu)包括僅由柱狀結(jié)晶區(qū)構(gòu)成的TiCN層和僅由其它結(jié)晶區(qū)構(gòu)成的第二 TiCN層。然而，無論以何種方式看待TiCN層，這種結(jié)構(gòu)均不脫離本發(fā)明的范圍，并且區(qū)分上文所述的結(jié)構(gòu)沒有意義。如上文所述，本發(fā)明的TiCN層的特征在于，其在柱狀結(jié)晶區(qū)中的組成為TiCxNy (其中O. 65彡x/(x+y)彡O. 90)。該組成是指TiCN中碳相對于碳與氮總數(shù)的原子比增加。當(dāng)x/(x+y)小于O. 65時,不能實現(xiàn)足夠的硬度和潤滑性，因此耐磨性未改善。另外，當(dāng)x/(x+y)超過O. 90吋，TiCN層變得極脆，導(dǎo)致耐沖擊性(耐崩裂性)降低。χ/(x+y)的更優(yōu)選范圍是O. 67至O. 87。此外，就TiCxNy中“Ti ”相對于“C”與“N”總和的原子比而言，假定“Ti ”是I吋，“C”與“N”的總和優(yōu)選設(shè)定為O. 80至I. 10。在本發(fā)明中，就化學(xué)式“TiCN”和“TiCxN/而言，“ Ti”并不一定表示該原子比是1，而是表示包括常規(guī)已知的每種原子比(關(guān)于這ー點，除非另外說明，稍后描述的“TiN”、“TiCNO”、“TiBNO”等中的每ー者也都具有常規(guī)已知的每種原子比)。應(yīng)當(dāng)指出，可以通過使用EDX(能量色散X射線光譜)裝置測量被覆膜的截面來檢查包括TiCN層組成(碳和氮之間的原子比)的被覆膜的組成。另外，可以通過使用XRD(X射線衍射)裝置測量衍射圖案來檢查稍后描述的氧化鋁層的晶體形狀等。 另外，本發(fā)明的TiCN層的特征在于，在柱狀結(jié)晶區(qū)中(422)面的面間距是0.8765A至0.8790A。當(dāng)(422)面的面間距小于0.8765A時，不能在鑄鐵切削中充分地實現(xiàn)耐磨性。另外，當(dāng)(422)面的面間距超過0.8790A時，晶體中的應(yīng)變增加，這導(dǎo)致耐崩裂性和耐剝離性降低。(422)面的面間距的更優(yōu)選范圍是0.8767A至0.8786A。 如上文所述的(422)面的面間距可以通過使用XRD(X射線衍射)裝置進(jìn)行測量來計算。例如，優(yōu)選采用如下文所描述的測量條件。特征性X射線Cu-Ka單色儀石墨(002)面發(fā)散狹縫1°散射狹縫1°光接收狹縫0. 15mm掃描速度6° /分鐘掃描步長0.03。另外，本發(fā)明TiCN層的柱狀結(jié)晶區(qū)的特征在于，TC(220)在取向指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值。這里，取向指數(shù)TC(hkl)由以下等式(I)定義。[等式I]TCQjkP)=聊、聊、I-(1)在等式(I)中，I(hkl)表示(hkl)面的X射線衍射強度，并且根據(jù)JCPDS (粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(粉末X射線衍射標(biāo)準(zhǔn)))，I0 (hkl)表示形成(hkl)面的TiC和TiN的X射線粉末衍射強度的平均值。應(yīng)當(dāng)指出，(hkl)代表包括(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)和(511)在內(nèi)的8個面，并且等式(I)右側(cè)中的大括號表示這8個面的平均值。TC(220)在取向指數(shù)TC(hkl)中顯示最大值的意思是，當(dāng)使用等式(I)來計算上述全部8個面的取向指數(shù)TC (hkl)時，TC(220)顯示最大值。換句話說，這表明，TiCN的柱狀晶體強烈地沿(220)面取向。以這種方式將(220)面定義為取向面，使得所述柱狀晶體沿著垂直于基材表面的方向一起生長。這使得被覆膜均勻地磨損，從而使得耐磨性和耐崩裂性改善。適宜的是,本發(fā)明的這種TiCN層的厚度為5 μ m至16 μ m,并且更優(yōu)選為7 μ m至13ym0當(dāng)其厚度小于5μπι時，在連續(xù)加工中TiCN層可能不能夠充分地發(fā)揮耐磨性。當(dāng)該厚度超過16 μ m吋，耐崩裂性可能在斷續(xù)切削中不穩(wěn)定。<氧化鋁層>除上述TiCN層以外，本發(fā)明的被覆膜優(yōu)選還包括至少ー層氧化鋁層。本發(fā)明的這種氧化鋁層由α型氧化鋁構(gòu)成，并且平均厚度為2μπι至15μπι。這種氧化鋁層在耐氧化性方面是優(yōu)異的，在抵抗因鋼的高速切削期間產(chǎn)生的熱所致的磨損(氧化磨損)方面是優(yōu)異的，并且在切削鑄件時在抗粘著性方面也是優(yōu)異的，因此其是優(yōu)選的。由于本發(fā)明的氧化鋁層具有如上文所述的效果，因此相對于上述TiCN層，這種氧化鋁層優(yōu)選形成在被覆膜的表面?zhèn)壬稀４送?，?dāng)氧化鋁層的厚度小于2μπι時，高速切削過程中的耐磨性可能變得不足。另外，當(dāng)氧化鋁層的厚度超過15 μ m時，在斷續(xù)切削中抗破裂性可能降低，并且可能出現(xiàn)經(jīng) 濟(jì)上的不利。氧化鋁層更優(yōu)選的平均厚度是3μπ 至ΙΟμπ 。<其它層>本發(fā)明的被覆膜可以包括除上述TiCN層和氧化鋁層之外的層。這種其他層的實例可以包括但不限干，由TiN、TiC、TiBN等形成并且在基材上直接形成以進(jìn)ー步增強基材與被覆膜之間粘附性的底層，由TiCN0、TiBN0等形成并且在TiCN層和氧化鋁層之間形成以改善二者之間粘附性的中間層，由TiN、TiCN、TiC等形成并且在被覆膜的最外表面上形成以指示諸如切削刃是否已經(jīng)使用過或未曾用過的最外層，等。通?？梢孕纬珊穸葹镺. 5μηι至2. Ομπι的上述其它層。<制造方法>本發(fā)明還涉及制造包括基材和被覆膜的表面被覆切削工具的方法，其中所述被覆膜在該基材上形成并且包括至少ー層TiCN層。所述制造方法包括形成TiCN層的步驟。這個步驟的特征是毎分鐘將體積等于或大于化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)室的體積10倍的原料氣供應(yīng)至所述化學(xué)氣相沉積裝置，并將反應(yīng)溫度設(shè)定為820°C至950°C，從而通過化學(xué)氣相沉積法形成所述TiCN層。換句話說，如上文所述的本發(fā)明TiCN層(特別是其柱狀結(jié)晶區(qū))可以通過上述的制造方法而形成。因而，在本發(fā)明的制造方法中，將原料氣以大的流量導(dǎo)入化學(xué)氣相沉積裝置并設(shè)定反應(yīng)溫度落在指定的范圍內(nèi)，以使得在該裝置的反應(yīng)室內(nèi)部出現(xiàn)原料氣的強制對流，從而可以形成具有上文所述特征的TiCN層的結(jié)構(gòu)。關(guān)于為何通過采用上述條件使得TiCN層被構(gòu)造為具有如上文所述的特征結(jié)構(gòu)的詳細(xì)機(jī)制尚不清楚。然而，據(jù)推測，這是因為在TiCN層的晶體內(nèi)部產(chǎn)生特定應(yīng)變的同時，該晶體可能可以生長。在這種情況下，根據(jù)在反應(yīng)室中形成TiCN層時的溫度和壓力，來確定體積(其表示上述原料氣的流量)。當(dāng)上述原料氣的流量小于化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)室的體積10倍時，不能穩(wěn)定地形成本發(fā)明的TiCN層。另外，對上述原料氣的流量上限不需要進(jìn)行特別限制。然而，考慮到化學(xué)氣相沉積裝置的持久性和破裂風(fēng)險以及待生成的TiCN層的均勻性，優(yōu)選將所述上限設(shè)定為不超過反應(yīng)室體積的20倍。另外，將反應(yīng)溫度設(shè)定為850°C至950°C，更優(yōu)選設(shè)定為880°C至920°C。當(dāng)反應(yīng)溫度小于850°C時，難以形成其中TC(220)顯示出最大值的TiCN層。當(dāng)反應(yīng)溫度超過950°C時，在基材是WC-Co的情況中可能生成η相(Co3W3C^PCo6W6Ch由于這種H相是極脆的，并且在基材與被覆膜之間的界面處生成的這種n相可能導(dǎo)致切削工具的性能特征顯著下降，因此該η相是不優(yōu)選的。然而，在形成底層作為除TiCN層之外的層并且將形成底層的反應(yīng)溫度設(shè)定為相對較高的溫度(如900°C至950°C )的情況下，TiCN層可以在相對較低的溫度(如820°C至850°C )下形成。待使用的上述原料氣的組成可以包括這樣的組成其傳統(tǒng)上已知作為通過化學(xué)氣相沉積法形成TiCN層時所用的原料氣，而無任何特別限制。該組成的實例可以包括由TiCl4XH3CNX2H4和H2構(gòu)成的混合氣體。優(yōu)選的是在這種混合氣體中特別使用C2H4 (こ烯)并且增加H2的混合比，這使得即使在相對低的成膜溫度下也能改善TiCxNy膜中的x/(x+y)比。關(guān)于本發(fā)明的TiCN層，只要采用上述條件，則可以將傳統(tǒng)上已知的條件用于其它條件(如壓カ)，而無任何特別限制。此外，當(dāng)本發(fā)明的被覆膜包括除TiCN層之外的層時，這些層可以通過常規(guī)已知的化學(xué)氣相沉積方法和物理氣相沉積方法形成。雖然對其形成方 法沒有特別限制，但鑒于以下事實這些層可以在ー個化學(xué)氣相沉積裝置內(nèi)與TiCN層一起連續(xù)地形成，因此優(yōu)選通過化學(xué)氣相沉積方法來形成這些層。
實施例下文將參考實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說明，但是本發(fā)明不限于此。〈基材的制備〉制備了下表I中所示的5種類型的基材A至E。具體而言，將具有表I中所示共混組成的原料粉末均一地混合并且模制成預(yù)定的形狀，然后將其在1300°C至1500°C下燒結(jié)I至2小時，從而形成由硬質(zhì)合金構(gòu)成并且形狀為CNMG120408N-GZ的基材(由SumitomoElectric Hardmetal Corp.制造)。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種表面被覆切削工具，包括 基材；以及 在所述基材上形成的被覆膜，其中 所述被覆膜包括至少一層TiCN層， 所述TiCN層具有柱狀結(jié)晶區(qū)，并且 所述柱狀結(jié)晶區(qū)的組成為TiCxNy (其中0. 65 ( x/(x+y) ( 0. 90)，(422)面的面間距為.0.8765A至0.8790A，并且TC(220)在取向指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的表面被覆切削工具，其中 所述被覆膜包括至少一層氧化鋁層，并且 所述氧化鋁層由a型氧化鋁形成，并且平均厚度為2 至15 ym。
3.—種制造包括基材和在該基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具的方法，所述被覆膜包括至少一層TiCN層，所述方法包括形成所述TiCN層的步驟， 所述步驟是這樣進(jìn)行的每分鐘將體積等于或大于化學(xué)氣相沉積裝置的反應(yīng)室的體積10倍的原料氣供給至所述化學(xué)氣相沉積裝置，并將反應(yīng)溫度設(shè)定為820°C至950°C，從而通過化學(xué)氣相沉積法形成所述TiCN層。
全文摘要
本發(fā)明的表面被覆切削工具包括基材和在該基材上形成的被覆膜。該被覆膜包括至少一層TiCN層。該TiCN層具有柱狀結(jié)晶區(qū)。該柱狀結(jié)晶區(qū)的特征在于，其組成為TiCxNy(其中0.65≤x/(x+y)≤0.90)，(422)面的面間距為至并且TC(220)在取向指數(shù)TC(hkl)中顯示出最大值。
文檔編號B23B27/14GK102858483SQ20118000382
公開日2013年1月2日 申請日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者阿儂薩克·帕索斯, 岡田吉生, 小島周子, 金岡秀明, 巖井惠里香, 森本浩之 申請人:住友電工硬質(zhì)合金株式會社