表面被覆切削工具的制作方法

专利名称：表面被覆切削工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种切削工具，例如钻头、端铣刀、钻头用可转位刀头、端铣刀用可转位刀头、铣削用可转位刀头、车削用可转位刀头、金工锯、齿轮切削工具、铰刀或丝锥；更具体地说，本发明涉及一种表面被覆切削工具，其中在该切削工具的表面上形成有用于提高诸如韧性和耐磨性等特性的涂层。
背景技术：
通常，人们采用硬质合金(WC-Co合金、或者通过添加诸如Ti(钛)、Ta(钽)或Nb(铌)的碳氮化物而制成的合金)作为切削工具。但是，随着近期以来切削技术的快速发展，使用这样一种硬质合金工具的比例逐渐增大，该硬质合金工具具有由硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼烧结体或者氧化铝基或氮化硅基陶瓷构成的基体，该基体的表面上被覆有至少一个通过CVD(化学气相沉积法)或PVD(物理气相沉积法)形成的化合物涂层，该化合物由选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(铝)、Si和B中的至少一种第一元素以及选自B、C、N和O中的至少一种第二元素(如果第一元素仅为B，则第二元素不为B)形成，该涂层的厚度为3到20μm。
这种切削工具具有在切削时与工件产生的切屑接触的前刀面、以及在切削时与工件本身接触的后刀面，并且对应于在该前刀面和该后刀面彼此相交处的脊线的部分(及其周围部分)被称为刀头脊线部分。
近些年，为了进一步提高切削效率，切削速度已经被大幅度提高，由此要求切削工具具有更高的耐磨性。但是，如果达到了高耐磨性的要求，则韧性会下降，因此要求兼具高耐磨性和高韧性。
作为满足这种要求的一种尝试，例如，日本专利申请公开No.05-177411(专利文献1)关注在通过高温下的化学气相沉积法(CVD)在基体上形成覆盖层并随后冷却到室温的情况下，在该覆盖层中所产生的残余拉应力，据推测此拉应力会减弱切削工具的韧性，由此提出一种解决方案。换句话说，此拉应力来自于基体和覆盖层之间的热膨胀系数的差异，因此采用这样一种提高韧性(抗断裂性)同时保持高耐磨性的技术首先在基体上形成具有所述拉应力的第一覆盖层，在该第一覆盖层上形成规定的裂纹，然后在该第一覆盖层上形成具有压应力的第二覆盖层。
日本专利申请公开No.05-177412(专利文献2)关注类似于上述的覆盖层拉应力，采用了一种与上述不同的方法，并提出了一种通过在硬陶瓷基体上形成具有拉应力的内覆盖层以及在其上面形成具有压应力的外覆盖层而制备的结构。此外，日本专利申请公开No.05-177413(专利文献3)提出了一种切削工具，其包含金属陶瓷基体并具有与专利文献2类似的结构。
另一方面，日本专利申请公开No.06-055311(专利文献4)提出了一种通过以下方法制备的切削工具利用化学气相沉积法在硬质合金基体上形成一层硬质覆盖层，同时基本消除前刀面部分上硬质覆盖层的拉应力并保持后刀面部分上硬质覆盖层的拉应力。
日本专利No.3087465(日本专利申请公开No.06-079502，专利文献5)提出了一种通过以下方法制备的切削工具形成其压应力在整个刀头的碳氮化钛基金属陶瓷基体的表面上基本均匀分布的硬质覆盖层，并通过对该硬质覆盖层进行喷砂处理来增大前刀面部分的压应力，使其比后刀面部分的压应力至少大49MPa。
虽然上述每一种方法都可以在一定程度上达到兼具韧性和耐磨性的要求，但是，人们要求切削工具在当前切削工具所处的情况下具有更高的性能，并且需要开发能够充分满足这种性能要求的切削工具。
专利文献1日本专利申请公开No.05-177411专利文献2日本专利申请公开No.05-177412专利文献3日本专利申请公开No.05-177413
专利文献4日本专利申请公开No.06-055311专利文献5日本专利No.3087465(日本专利申请公开No.06-079502)发明内容本发明要解决的问题本发明是在考虑了上述现状的情况下提出的，并且本发明的一个目的是提供一种韧性和耐磨性彼此高度协调的表面被覆切削工具。
解决问题的手段为了解决上述问题，本发明人进行了深入地研究，从而认识到最有效地使韧性和耐磨性彼此协调的方法是选择特定的用于覆盖基体的涂层材料，并注意在用多个层覆盖基体时不以各层为单位来调节应力、或者不以诸如前刀面和后刀面之类的表面为单位来调节应力，而是按照涂层的特定部分来调节应力，使得这部分的应力与其它部分的应力不同；本发明人以此认识为基础进行进一步研究，最终完成了本发明。
本发明涉及一种表面被覆切削工具，其包含基体和在该基体上形成的涂层，该涂层包含TiCN第一涂层和α-Al2O3第二涂层，该第一涂层处于所述基体和所述第二涂层之间，该第二涂层在区域A1(从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域)中具有压应力S1，并且在所述区域A1以外的区域A2中具有拉应力S2，同时压应力S1和拉应力S2由以下表达式(I)限定400MPa≤|S1-S2|≤3500MPa (I)。
所述第一涂层可以具有拉应力，或者可以消除所述第一涂层的拉应力，从而使其基本没有应力。
所述第一涂层可以在区域A1(从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域)中具有拉应力SS1，并且在所述区域A1以外的区域A2中具有拉应力SS2，同时拉应力SS1和拉应力SS2可以由以下表达式(II)限定
0≤|SS1-SS2|≤500MPa(II)。
所述第一涂层可以含有纵横比为至少3的柱状结构，并且可以含有平均粒径为至少0.05μm但不超过1.5μm的晶体结构。此外，所述第一涂层的厚度可以是2到20μm，所述第二涂层的厚度可以是0.5到20μm。
所述第一涂层还可以含有氧，并且还可以含有选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中的至少一种元素。此外，所述第二涂层还可以含有选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中的至少一种元素。
发明效果根据本发明的表面被覆切削工具由于上述结构而具有彼此高度协调的韧性和耐磨性。
附图简要说明图1是典型地示出切削过程中表面被覆切削工具和工件之间的接触状态的示意图；图2是表面被覆切削工具的示意性立体图；图3是刀头脊线部分(尖刃)的示意性放大剖视图；图4是经过磨刃处理的刀头脊线部分的示意性放大剖视图；图5是经过倒角处理的刀头脊线部分的示意性放大剖视图；图6是表面被覆切削工具的示意性剖视图。
参考标号说明1表面被覆切削工具，2前刀面，3后刀面，4刀头脊线部分，5工件，6切屑，7通孔，8基体，9涂层，10第一涂层，11第二涂层。
实施本发明的最佳方式下面将更加详细地说明本发明。在参考


以下实施方案时，相同的参考标号表示本申请的附图中的相同或相应的部分。
<表面被覆切削工具>
根据本发明的表面被覆切削工具具有包含基体和涂层的结构，其中该涂层形成在该基体上。
如图1所示，所述表面被覆切削工具1具有在切削过程中与工件5产生的切屑6接触的前刀面2以及在切削过程中与工件5本身接触的后刀面3，并且对应于在前刀面2和后刀面3彼此相交处的脊线的部分被称为刀头脊线部分4，该刀头脊线部分起到对工件5进行切削的中心作用点的作用。根据本发明人的研究已经证实从该刀头脊线部分4开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域A1是实质性参与对工件进行切削的部分，如图2到5所示。
据推测，根据本发明的刀头脊线部分4不仅包括如图3所示的、对应于在前刀面2和后刀面3彼此相交处的脊线的部分(尖刃)，而且包括如图4所示的、通过将该尖刃磨成具有一定的半径(R)而得到的部分(所谓的圆弧型角)，以及如图5所示的倒角部分(所谓的倒角型角)，并且还可以包括采用所述的磨刃处理和倒角处理的组合进行处理的部分。
另外据推测，从该刀头脊线部分4开始分别在前刀面2方向和后刀面3方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域A1是在前刀面2和后刀面3这两个方向上、相对于刀头脊线部分4、以指定的宽度而延伸的区域，这由图2到图5可以明显地看出，并且此延伸宽度为从刀头脊线部分4的端部(在图3所示的尖刃的情况中，所述的端部为尖刃)开始的至少0.5mm。
如上所述，此区域A1必须具有从刀头脊线部分4开始的至少0.5mm的宽度，这是因为区域A1是如上所述的、参与对工件进行切削的区域。考虑到此区域A1是最实质性地参与切削的区域，因此此区域A1的宽度的最大值随着切削过程中的切削深度(切削深度取决于断屑槽)的不同而变化。换句话说，可能需要将前刀面方向上的宽度的最大值设定为大约10mm，这是因为在深切削工件时前刀面与切屑接触的宽度(垂直力的作用范围)也会增大。但是一般而言，此宽度不超过5mm就已足够，更优选为不超过4mm，进一步优选为不超过3mm。另一方面，与切屑不接触的后刀面方向上的宽度几乎不受切削深度的影响，一般而言，其最大值不超过3mm就已足够。因此，区域A1的宽度特别优选被设定为至少0.5mm并且不超过3mm。
由此，如果区域A1的宽度小于参与切削的部分的宽度，则不能涵盖整个参与切削的部分，因此不能表现出任何通过调节区域A1中的应力来达到兼具韧性和耐磨性的效果。如果区域A1的宽度超过上述最大值，那么还必须对非实质性参与切削的部分进行处理，因此这种处理所需的成本高，这在经济上是不利的。因此优选的是，在考虑到切削条件、特别是与切削深度相关的切削条件的前提下来适当地选择区域A1的宽度的最佳值。
本发明的表面被覆切削工具可以用作(例如)钻头、端铣刀、钻头用可转位刀头、端铣刀用可转位刀头、铣削用可转位刀头、车削用可转位刀头、金工锯、齿轮切削工具、铰刀或丝锥。
如果该表面被覆切削工具1是(例如)可转位刀头，则其中心部分可以设置有通孔7，如图2所示，从而可以将其安装到工具主体上。如果需要，除了通孔7以外或者为了代替通孔7，可以设置其它固定手段。
<基体>
可以采用已知作为这种切削工具的基体的公知基体来作为上述的基体，而没有特别的限制。例如，可以列举硬质合金(例如，包括WC基硬质合金、除WC外含有Co或者还含有诸如Ti、Ta或Nb的碳氮化物的硬质合金)、金属陶瓷(主要由TiC、TiN、TiCN等构成)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、等等)、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、氮化硅烧结体、或者由氧化铝和碳化钛形成的混合物作为这种基体。
在这些不同的基体中，本发明特别优选地使用硬质合金(WC基硬质合金)。这是因为硬质合金以硬的碳化钨为主体并且其中含有诸如钴之类的铁族金属而兼具高硬度和高强度，因此作为切削工具用基体，硬质合金是一种性能平衡极好的合金。
<涂层>
如图6所示，形成在上述基体8上的涂层9主要是为了进一步提高韧性和进一步提高耐磨性，该涂层包含TiCN第一涂层10和α-Al2O3第二涂层11。
为了进一步提高涂层与基体之间的附着力、进一步提高第一涂层和第二涂层之间的附着力、或者改善涂层表面的状态，该涂层除了包含上述第一涂层和上述第二涂层以外，还可以包含第三涂层。
例如，TiN、TiC、TiCO、TiBN、ZrCN、TiZrCN、AlN、AlON、TiAlN等可以作为第三涂层。
第三涂层可以形成为单独的一层或者至少两层，并且对第三涂层的层叠方式没有特别限制，但第三涂层可以在诸如基体与第一涂层之间、第一涂层与第二涂层之间、或者第二涂层的表面上等部分中的至少一个任意部分处形成。
虽然现在要描述第一涂层和第二涂层，但是为了便于说明，首先描述第二涂层。
<第二涂层>
根据本发明的第二涂层由α-Al2O3构成。通过在基体的最外表面或在最外表面的附近形成由这种物质构成的第二涂层，可以有效地防止基体的氧化，以及极其有效地防止构成工件的元素在切削过程中朝基体扩散。
所述的第二涂层可以仅仅由α-Al2O3构成，但是还可以包含选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中的至少一种元素。对所含元素的形式没有特别限制，但是，例如，该元素可以作为置换元素被引入上述α-Al2O3晶体点阵的正常位置中，可以作为间隙元素被引入晶体点阵中，可以形成金属间化合物，或者可以以无定形元素的形式存在。
该元素可以按在涂层中均匀分布、晶界处分布浓度高或浓度低、或者在涂层表面部分上分布浓度高或浓度低的任何浓度分布方式而存在。优选的是，相对于α-Al2O3中的Al，该元素的含量为0.01原子％(原子百分比)到30原子％，其上限更优选为20原子％、进一步优选为10原子％，其下限更优选为0.05原子％、进一步优选为0.1原子％。如果该元素的浓度小于0.01原子％，则引入此元素的效果(例如，这种效果是第二涂层在高温下表现出高硬度和高强度，或者第二涂层被赋予优异的润滑性)可能不会显现出来；如果该元素的浓度超过30原子％，则第二涂层的晶体点阵可能发生畸变，使得其硬度和强度下降。
第二涂层的成形厚度优选为0.5到20μm，其上限更优选为10μm、进一步优选为5μm，其下限更优选为1μm、进一步优选为1.5μm。如果第二涂层的厚度小于0.5μm，则第二涂层本身的化学稳定性可能受损，使得诸如粘着磨损或扩散磨损之类的磨损过程加速；如果第二涂层的厚度超过20μm，则涂层强度可能受损，从而可能出现涂层剥落或破碎，最终导致碎裂。
第二涂层在区域A1(从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域)中具有压应力S1，并且在所述区域A1以外的区域A2中具有拉应力S2，同时压应力S1和拉应力S2由以下表达式(I)限定400MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
如上所述，从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域A1是实质性参与对工件进行切削的部分，并且通过将此部分的应力设置为压应力S1，就会显著提高韧性。压应力是涂层中存在的一种内应力(比应变)，用带“-”(负号)的数值来表示(单位MPa)。因此，压应力大的概念是指上述数值的绝对值增大，压应力小的概念是指上述数值的绝对值减小。
在第二涂层中，把除了上述区域A1以外的区域A2中的应力设置为拉应力S2，从而保持涂层的附着作用并维持其耐磨性。拉应力也是涂层中存在的一种内应力(比应变)，用带“+”(正号)的数值来表示(单位MPa)。因此，拉应力大的概念是指上述数值增大，拉应力小的概念是指上述数值减小。
此外，根据本发明的第二涂层的特征在于，上述压应力S1和上述拉应力S2由上述表达式(I)限定。从而，可以在特别高的水平上兼具韧性和耐磨性。如果上述的压应力S1和拉应力S2之差的绝对值(|S1-S2|)小于400MPa，则不能充分达到提高韧性的作用；如果此数值超过3500MPa，则可能出现第二涂层与底层剥离的情况。更优选的是，压应力S1和拉应力S2之差的绝对值(|S1-S2|)的上限是3000MPa、进一步优选为1700MPa，其下限更优选为700MPa、进一步优选为1000MPa。
虽然在根据本发明的第二涂层中形成上述应力分布的方法不受特殊限制，但是可以通过以下方法形成所需的应力分布使用上述硬质合金作为基体，利用公知的化学气相沉积法(CVD)形成通常具有拉应力的α-Al2O3涂层，并使用诸如刷光处理、喷抛处理(例如，包括喷砂处理或水砂抛光处理)、喷丸处理或PVD轰击等技术对区域A1施加压应力，其中区域A1是从该涂层的刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域。
另一方面，可供选用的另一种方式是，可以通过公知的物理气相沉积法(PVD)形成该α-Al2O3涂膜，并且此涂层在这种情况下一般具有压应力，由此还可以使用这样一种方法根据诸如热处理、激光处理或高频处理等技术对该涂层中除了区域A1(从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离所形成的区域)以外的区域A2进行处理，从而消除这部分的压应力并对其施加拉应力。
可利用X射线应力测量仪根据sin2ψ法来测量这种应力分布，其中选择α-Al2O3的(116)面作为测量的衍射面。上述区域A1和A2分别具有规定的尺寸，因此利用这种方法通过测量各个区域中包含的任意10点(优选的是，选择这些点使得它们彼此相距至少0.5mm，从而它们可以代表各个区域的应力)的应力并得出其平均值，就可以测出上述压应力S1和上述拉应力S2。
这种利用X射线的sin2ψ法作为一种测量多晶材料残余应力的方法被广泛使用，并且可以使用(例如)文献“X射线应力测定法”(日本材料学会，株式会社养贤堂1981年出版)第54-66页中详细描述的方法。
为了如上所述从2θ-sin2ψ图得到应力分布，需要知道涂层的杨氏模量和泊松比。不过，可以使用动态硬度计或类似仪器来测量杨氏模量，而泊松比随材料不同没有明显变化，可以使用大约0.2的值。在本发明中，应力值特别准确不是重要的，而应力差才是重要的。因此，当从2θ-sin2ψ图求应力差时，可以不使用杨氏模量而求出点阵常数和点阵间距来代替应力分布。
此外，如上所述，当根据本发明的第二涂层含有选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中的至少一种元素时，(116)面的衍射峰出现在大体相当的2θ位置上，因此可采用类似于上面所述的方法来测量应力。
<第一涂层>
根据本发明的第一涂层处于上述基体和上述第二涂层之间，并且包含TiCN。具有上述优异作用的上述α-Al2O3第二涂层的特性是它比较脆，因此在抗磨粒磨损性被认为尤其重要的、切削温度较低的应用中可能会要求具有较高的耐磨性。根据本发明的第一涂层正是为了满足此要求而形成的，虽然第一涂层本身具有在高温下切削时容易氧化的特性，但是它具有极高的硬度，并且由于第一涂层处于上述第二涂层和基体之间，因而具有明显提高耐磨性的作用。
第一涂层可以仅仅由TiCN构成，也可以还含有氧元素。对所含氧元素的形式没有特别限制，但是，例如，氧元素可以作为置换氧而进入上述TiCN的晶体点阵中的正常位置，也可以作为间隙氧而进入晶体点阵，或者可以作为无定形氧而存在。
除了上述含氧的情况以外，第一涂层还可以含有选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中的至少一种元素。此元素可以与氧一起存在，或者没有氧而单独存在。
因此，第一涂层可以仅仅由TiCN构成，或者可以在TiCN主结构以外还含有上述诸如氧之类的元素。
所述的诸如氧之类的元素可以按在涂层中均匀分布、晶界处分布浓度高或浓度低、或者在涂层表面部分上分布浓度高或浓度低的任何浓度分布方式而存在。所述的诸如氧之类的元素的浓度优选为TiCN中C和N总量的0.1原子％到40原子％，其上限更优选为30原子％、进一步优选为20原子％，其下限更优选为1原子％、进一步优选为5原子％。如果此浓度小于0.1原子％，则可能不会表现出由包含诸如氧之类的元素所产生的效果(例如，晶粒细化)；而如果此浓度超过40原子％，则涂层的晶体点阵可能发生畸变，从而造成硬度或强度下降。
第一涂层的成形厚度优选为2到20μm，其上限更优选为15μm、进一步优选为10μm；其下限更优选为2.5μm、进一步优选为3μm。如果厚度小于2μm，则可能会使磨损加剧，从而露出基体，而这会进一步明显地促进磨损的发展；而如果厚度超过20μm，则涂层强度可能会受损，从而可能会出现涂层剥落或破碎，最终导致碎裂。
优选的是，第一涂层含有纵横比为至少3的柱状结构，并且含有平均粒径为至少0.05μm但不超过1.5μm的晶体结构。这种晶体结构可以使耐磨料磨损性得到进一步提高。纵横比是通过采用以下方法测量第一涂层所含晶体的平均粒径并用第一涂层的厚度除以此平均粒径而得到的数值。可以通过以下方法测量平均粒径对第一涂层的断面进行镜面抛光，并对晶粒边界进行蚀刻，然后在第一涂层的厚度的一半位置处，测量每个晶体的宽度(每个晶体在与厚度方向垂直的方向上的宽度)，将宽度的平均值作为平均粒径。
如果纵横比小于3，则耐磨料磨损性可能得不到改善。虽然由于耐磨料磨损性随此数值增大而提高，使得可能不用对纵横比的上限进行限定，但如果纵横比超过300，则晶体可能过于细化，从而使晶体结构变脆，造成抗破碎性下降。纵横比更优选为7到200，其上限进一步优选为100、特别优选为50，其下限更优选为15、特别优选为20。
如果平均粒径小于0.05μm，则晶体可能过于细化，从而使晶体结构变脆，造成抗破碎性下降。如果平均粒径超过1.5μm，则晶体结构可能会粗化，从而使表面不规则性增强，使得与切屑流动等有关的切削阻力增大。平均粒径更优选为至少0.1μm并且不超过1.0μm，其上限进一步优选为0.6μm、特别优选为0.4μm，并且其下限进一步优选为0.15μm、特别优选为0.2μm。
第一涂层优选具有拉应力，或者优选被消除拉应力从而使其基本没有应力。当第一涂层薄膜的应力被设定为这种应力时，在第一涂层与基体之间可以产生高的附着力，并且可以获得特别优异的耐磨性。
此外，第一涂层优选地在区域A1(从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸至少0.5mm的距离而形成的区域)中具有拉应力SS1，并且在所述区域A1以外的区域A2中具有拉应力SS2，同时拉应力SS1和拉应力SS2优选为由以下表达式(II)限定0≤|SS1-SS2|≤500MPa(II)。
区域A1和区域A2分别与上述第二涂层中的区域A1和区域A2相同。使拉应力SS1与拉应力SS2之差的绝对值(|SS1-SS2|)在上述表达式(II)所示范围内的规定表明，在上文所述的第二涂层中实施的、为了获得上文所述的指定应力分布而对区域A1进行的处理(或者对区域A2进行的处理)的影响优选地未实质性地传递到第一涂层。换句话说，第一涂层不会实质性地具有类似于第二涂层的应力分布。相反，如果拉应力SS1与拉应力SS2之差的绝对值(|SS1-SS2|)超过500MPa，则第一涂层与底层的附着作用可能会不利地受到破坏，从而可能出现涂层剥落或破碎，最终导致碎裂。拉应力SS1与拉应力SS2之差的绝对值(|SS1-SS2|)的上限更优选为200MPa，进一步优选为100MPa。
第一涂层可以通过公知的CVD来形成。在这种情况下，可使第一涂层同时受到拉应力的作用。另一方面，也可以通过公知的PVD形成第一涂层，在这种情况下，该涂层一般具有压应力。为了将所述的压应力转变成拉应力、或者为了消除第一涂层的拉应力而使其达到基本没有应力的状态，优选的是，可以根据诸如热处理、激光处理或高频处理之类的技术对第一涂层进行处理。
与上述第二涂层的情况相似，可以利用X射线应力测量仪根据sin2ψ法对第一涂层的这种应力分布进行测量，其中选择TiCN的(422)面作为测量的衍射面。此外，当根据本发明的第一涂层还包含上述诸如氧之类的元素时，(422)面的衍射峰出现在大体相当的2θ位置上，因此可采用类似的方法来测量应力。
<例子>
虽然下面将参考例子来更加详细地描述本发明，但本发明并不限于此。
<实施例1到5和对比例1到4>
在球磨机中将各种原料粉末湿混72小时，混合比例为WC 86质量％，Co 8.0质量％，TiC 2.0质量％，NbC 2.0质量％，以及ZrC 2.0质量％。接着，将此混合物干燥，再模压成形。然后在真空气氛中在1420℃烧结1小时。
通过用SiC刷进行珩磨来将得到的烧结体的刀头脊线部分倒角，由此制成具有ISO·SNMG120408刀尖形状的抛弃型WC基硬质合金切削工具的基体。
通过一种公知的、属于化学气相沉积法的热CVD在此基体的表面上形成具有如下结构的涂层。即，通过以下方法制备具有基体以及在此基体上形成的涂层的表面被覆切削工具首先在基体上形成厚0.5μm的TiN膜，在该TiN膜上形成厚0.7μm的TiCN膜作为第一涂层，在该TiCN膜上形成厚0.5μm的另一层TiN膜，在该另一层TiN膜上形成厚3.0μm的α-Al2O3膜作为第二涂层，在该α-Al2O3膜上再形成厚0.5μm的另一层TiN膜。如上所述，基体上的涂层包含TiCN第一涂层和α-Al2O3第二涂层，并且第一涂层位于基体和第二涂层之间。
然后，通过以下方法制备具有如表1所示的应力分布(各个第二涂层的应力分布是|S1-S2|值，各个第一涂层的应力分布是|SS1-SS2|值)的实施例1到5和对比例1到4的表面被覆切削工具采用粒径不超过250μm的陶瓷磨粒Al2O3或类似材料、在喷射压力为0.01到0.5MPa、喷射距离为0.5到200mm、粉末浓度为5体积％到40体积％的条件下，对按上述方式制备的表面被覆切削工具的区域A1进行喷抛处理，其中区域A1是从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸0.5mm的距离而形成的区域。本发明实施例1到5的每个表面被覆切削工具在第二涂层的上述区域A1中具有压应力S1，在除了上述区域A1以外的区域A2中具有拉应力S2，而第一涂层具有拉应力，或者第一涂层的拉应力被消除从而使其基本没有应力。
通过在上述数字范围内适当地调节上述喷抛处理的条件来形成各个实施例和对比例的上述应力分布(各个第二涂层的应力分布是|S1-S2|值，各个第一涂层的应力分布是|SS1-SS2|值)，并通过上述sin2ψ法来测量此应力分布(各个第二涂层的应力分布是|S1-S2|值，各个第一涂层的应力分布是|SS1-SS2|值)。
根据上述方法测量的结果，实施例1到5的表面被覆切削工具的第一涂层都含有纵横比为35的柱状结构，并且这些第一涂层都含有平均粒径为0.3μm的晶体结构。
在以下条件下对这些表面被覆切削工具进行车削试验，以测量在发生碎裂之前所持续的时间。那些在发生碎裂前持续较长时间的表面被覆切削工具在韧性和耐磨性方面更为优异。
<试验条件>
工件SCM435开槽圆棒切削速度230m/分钟进给量0.15mm/转切削深度0.5mm切削油无表1

由表1显然可见，表面被覆切削工具的第二涂层的压应力S1和拉应力S2之差的绝对值(|S1-S2|)(如上述表达式(I)所示)在至少400MPa并且不超过3500MPa范围内的那些(实施例1到5)、与该差值的绝对值超出上述范围的那些(对比例1到4)相比，前者高水平地达到兼具韧性和耐磨性的效果。
<实施例6到10>
类似于上述实施例1到5得到根据实施例6到10的表面被覆切削工具，不同之处在于将上述区域A1设置成从刀头脊线部分开始分别在前刀面方向和后刀面方向上延伸1.5mm的距离而形成的区域(假设实施例1到5与实施例6到10按编号顺序彼此对应、将表面被覆切削工具调节成具有类似于表1所示的应力分布)。
当使用除了切削深度被设置为1.3mm这点不同以外与上述完全相同的条件进行车削试验时，这些根据实施例6到10的表面被覆切削工具表现出类似于上述实施例1到5的结果。
在此公开的实施方案和例子必须被看作是解释性的，而绝不是限制性的。本发明的范围不是由上面的说明书部分示出，而是由本发明的权利要求书的范围限定，并且含义和范围与本发明的权利要求书的范围等价的所有修改也包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种表面被覆切削工具(1)，其具有基体(8)和在所述基体(8)上形成的涂层(9)，其中所述涂层(9)包含TiCN第一涂层(10)和α-Al2O3第二涂层(11)，所述第一涂层(10)处于所述基体(8)和所述第二涂层(11)之间，以及所述第二涂层(11)在从刀头脊线部分(4)开始分别在前刀面(2)方向和后刀面(3)方向上延伸至少0.5mm的距离而形成的区域A1中具有压应力S1，并且在所述区域A1以外的区域A2中具有拉应力S2，同时所述压应力S1和所述拉应力S2由以下表达式(I)限定400MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂层(10)具有拉应力，或者所述第一涂层(10)被消除拉应力从而使其基本没有应力。
3.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂层(10)在从所述刀头脊线部分(4)开始分别在所述前刀面(2)方向和所述后刀面(3)方向上延伸至少0.5mm的距离而形成的所述区域A1中具有拉应力SS1，并且在所述区域A1以外的所述区域A2中具有拉应力SS2，同时所述拉应力SS1和所述拉应力SS2由以下表达式(II)限定0≤|SS1-SS2|≤500MPa (II)。
4.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂层(10)含有纵横比为至少3的柱状结构，并且含有平均粒径为至少0.05μm但不超过1.5μm的晶体结构。
5.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂层(10)的厚度是2到20μm，所述第二涂层(11)的厚度是0.5到20μm。
6.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂层(10)还含有氧。
7.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一涂层(10)还含有选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中的至少一种元素。
8.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第二涂层(11)还含有选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中的至少一种元素。
全文摘要
本发明涉及一种表面被覆切削工具(1)，其具有基体和在该基体上形成的涂层，该涂层包含TiCN第一涂层和α－Al
文档编号B23C5/16GK101048250SQ20058003704
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年10月29日
发明者冈田吉生, 大森直也, 伊藤实, 高梨智裕, 今村晋也, 奥野晋 申请人:住友电工硬质合金株式会社