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。
这种切削工具具有与工件产生的切屑接触的前刀面、以及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。
近些年，为了进一步提高切削性，切削速度已经被大幅度提高，由此要求这种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，因此要求高耐磨性和高韧性之间具有协调性。
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)关注通过化学气相沉积法(CVD)于高温下在基体上形成涂层并随后将其冷却到室温的情况下、在该涂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，由此提出一种解决该问题的方案。由于此拉应力来自于基体和涂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涂层，在该第一涂层上形成规定的裂纹，然后在该第一涂层上形成具有压应力的第二涂层。
日本专利申请公开No.05-177412(专利文献2)关注类似于上述的涂层拉应力，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涂层以及在该内涂层上面形成具有压应力的外涂层而获得的结构。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，其具有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涂层，并基本消除硬质涂层前刀面部分上的拉应力并保持硬质涂层后刀面部分上的拉应力。
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在碳氮化钛基金属陶瓷基体的表面上形成其压应力沿着整个刀头脊线基本均匀分布的硬质涂层，并通过对该硬质涂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使韧性和耐磨性相协调，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。
解决问题的手段本发明人为了解决上述问题进行了深入地研究，从而认识到最有效地使韧性和耐磨性之间相协调的方法是选择特定的用于覆盖基体的涂层材料，不着眼于在用多个层覆盖基体时以各层为单位的应力，而是着眼于以诸如前刀面和后刀面之类的表面为单位进行的应力控制，并对前刀面和后刀面施加特定的应力，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，其特征在于该涂层具有包含TiCN的第一涂层和包含α-Al2O3的第二涂层，该第一涂层处于所述基体和所述第二涂层之间，该第二涂层在前刀面上具有压应力S1，而在后刀面上具有拉应力S2，并且压应力S1和拉应力S2由以下表达式(I)限定441MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
所述第一涂层可以具有拉应力，或者可以消除拉应力，从而使其基本没有应力。
所述第一涂层可以在前刀面上具有拉应力SS1，而在后刀面上具有拉应力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)。
所述表面被覆切削工具可以具有由以下表达式(III)限定的表面粗糙度，其中设定“A”表示所述被覆切削工具的前刀面的表面积增加比，并且“B”表示所述覆切削工具的后刀面的表面积增加比0.05≤A/B≤0.50(III)。
所述第一涂层还可以含有氧，并且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。
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。
发明效果根据本发明的表面被覆切削工具具有上述结构，从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，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。
<被覆切削工具>
根据本发明的表面被覆切削工具包含基体和在该基体上形成的涂层。
如图1所示，这种表面被覆切削工具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以及与该工件本身接触的后刀面3，对应于在前刀面2和后刀面3相交处的脊线部分被称为刀头脊线4，该刀头脊线起到对工件5进行切削的中心作用点的作用。本发明中使用的术语前刀面和后刀面定义为不仅包括位于表面被覆切削工具表面上的面，而且包括涂层中相应的面。
根据本发明人的研究已经证实工件在切削过程中首先与所述的前刀面2接触，并且因这种首次接触而产生的冲击显著地影响了前刀面2的韧性，同时，前刀面2被暴露于由于这种冲击产生的热所导致的相当高的温度下。这种现象在其中反复进行切削和接触的断续切削步骤中特别明显。因此，使用可避免前刀面2产生这种现象的方法是重要的，并且本发明无疑提供了针对这种现象的有效的方法。
这种表面被覆切削工具例如可用作钻头、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、铰刀和丝锥。
例如，当这种表面被覆切削工具1是可转位刀头时，如图2所示，则可在该可转位刀头的中心部分设置通孔7，从而使得该切削工具可安装到工具主体上。至于这种通孔7，如果需要的话，除了这种通孔之外或者为了替代这种通孔，可以提供其它的固定手段。
<基体>
可以采用已知作为这种切削工具的基体的通常为公知的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)。这是因为除了含有硬的碳化钨主体之外还含有诸如钴之类的铁族金属的硬质合金是作为具有高硬度和高强度的切削工具用的基体的一种性能平衡极好的合金。
<涂层>
如图3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，该涂层包含含TiCN的第一涂层10和含α-Al2O3的第二涂层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，可以列举TiN、TiC、TiCO、TiBN、ZrCN、TiZrCN、AlN、AlON、TiAlN等作为这种第三涂层。
可以形成一层或者至少两层的这种第三涂层，而对这种第三涂层的堆叠方式没有特别限制，其可以在(例如)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。尽管切削过程中产生的热加速了这种氧化和扩散，但是由于α-Al2O3具有优异的高温稳定性，从而使得因为这些效果的协同作用而显示出一种显著优异的效果。
所述的第二涂层可以仅仅由α-Al2O3构成，或者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，该元素可以作为置换元素占据上述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。
该元素的任何浓度分布都可以被采用。例如，该元素可以按在涂层中均匀分布、以高浓度或低浓度在晶界处分布、或者以高浓度或低浓度在涂层表面部分上分布。此外，关于浓度，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％，则第二涂层不会显现出因该元素的存在而产生的效果(例如，在高温下表现出高硬度和高强度，或者被赋予优异的润滑性的效果)；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。
这种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。
该第二涂层在前刀面上具有压应力S1，并且在后刀面上具有拉应力S2，同时压应力S1和拉应力S2由以下表达式(I)限定441MPa≤|S1-S2|≤3500MPa(I)。
如上所述，该前刀层是在切削过程中首先与工件接触的部分，同时也是暴露于高温的部分，因此可以通过将压应力S1作为应力施加于该部分上来显著有效地提高韧性。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。
该压应力S1特别优选为大于441MPa(45kg/mm2)的压应力(|S1|＞441MPa)。因此，在基本普通的工作条件下就可获得足够的韧性。
在这种第二涂层中，将拉应力S2用作施加于后刀面上的应力，从而试图保持涂层的耐磨性并避免涂层本身发生剥离。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。如果基体是由硬质合金制备的，则该后刀面的拉应力S2的值通常为50MPa到300MPa。
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。更优选的是，500MPa≤|S1-S2|≤3000MPa。
因此，这就使得可以在特别高的水平上获得韧性和耐磨性之间的协调性成为可能。如果上述的压应力S1和拉应力S2之差的绝对值(|S1-S2|)小于441MPa(45kg/mm2)，则不能充分达到提高韧性的作用；如果此绝对值超过3500MPa，则第二涂层可能与底层剥离。
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利用公知的化学气相沉积法(CVD)形成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轰击等技术对通常具有拉应力的该涂层的前刀面部分施加压应力。
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涂层，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的后刀面部分进行处理，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。上述前刀面和后刀面分别具有规定的面积，因此利用这种方法通过测量各个表面中包含的任意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表面的应力)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。根据本发明，准确的应力值不是特别重要的，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第二涂层相对较脆，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，虽然第一涂层本身在高温下切削时容易被氧化，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，或者还可以含有氧元素。对所含氧元素的形式没有限制，可以采用任何形式的氧。例如，氧元素可以作为置换元素而占据上述TiCN的晶体点阵中的正常位置，也可以作为间隙元素而进入晶体点阵，或者可以作为无定形元素而存在。
第一涂层可以含有上述的氧，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。这些元素可以与氧一起存在，或者没有氧而单独存在，也可以以类似于上述氧的任何形式存在。
因此，第一涂层可以仅仅由TiCN构成，或者可供选择的另一种方式是，第一涂层可以主要由TiCN构成，同时含有上述诸如氧之类的元素。
诸如氧之类的元素的任何浓度分布都可以采用。例如，该元素可以在涂层中均匀分布、可以以高浓度或低浓度分布于晶界处、或者可以以高浓度或低浓度分布于涂层表面部分上。此外，关于浓度，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％。如果该元素的浓度小于0.1原子％，则第一涂层可能不会表现出因诸如氧之类的元素的存在而产生的效果(例如，晶粒细化)；而如果该元素的浓度超过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。
这种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。
此外，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该纵横比数值的增大而提高，并因此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，其下限进一步优选为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，使得诸如切屑流动之类的切削阻力劣化。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。
这种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。具有这种应力的第一涂层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。如果基体是由硬质合金制备的，则该拉应力通常为50MPa到300MPa。
此外，这种第一涂层优选地在前刀面上具有拉应力SS1，并且在后刀面上具有拉应力SS2，同时拉应力SS1和拉应力SS2由以下表达式(II)限定0≤|SS1-SS2|≤500MPa(II)。
该前刀面和后刀面与上述第二涂层中的前刀面和后刀面具有相同的区域。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，为了向上文所述的第二涂层提供上文所述的指定应力分布而对前刀面进行的处理(或者对后刀面进行的处理)所产生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。
所述第一涂层可以通过公知的CVD法来形成。因而，可使第一涂层同时受到拉应力的作用。可供选用的另一种方式为，可以通过公知的PVD法形成第一涂层，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基本不具有应力，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法对所述第一涂层的应力分布进行测量，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。
<表面粗糙度>
根据本发明的表面被覆切削工具优选具有由以下表达式(III)限定的表面粗糙度，其中设定“A”表示所述被覆切削工具的前刀面的表面积增加比，并且“B”表示所述覆切削工具的后刀面的表面积增加比0.05≤A/B≤0.50(III)。
表面积增加比是以三维视点来定义涂层的表面粗糙度的，其具有与仅在垂直方向上定义二维表面粗糙度的传统的表面粗糙度Ra和Rmax截然不同的概念。换句话说，表面积增加比用(a1/a2)-1表示，其通过在预定的测量范围内所包含的全方向(包括垂直方向和水平方向)上的不规则形状的总表面积a1与该测量范围内二维面积a2之比a1/a2再减去1而获得。随着该表面积增加比的减少，表面平整度得到提高。更具体地说，可以使用Elionix公司制造的电子束3D粗糙度分析仪(ERA-8000等)所测定的数值得到表面积增加比。例如，表面积增加比可通过下述步骤测定将放大倍数设置成5000倍以排除涂层表面上宏观的不平坦处，使得对细微的不规则处可以进行测量；并将在前刀面和后刀面上测量范围内的水平方向和垂直方向上的样本数分别设定为280和210以进行测定。可任选地使用其它装置测定表面积增加比，只要该装置能够根据上述相同的原理测量表面积增加比即可。
设定“A”表示以上述方式测定的前刀面的表面积增加比，“B”表示后刀面的表面积增加比，A/B的值优选由上述表达式(III)所限定。当A/B所示出的数值在表达式(III)所限定的范围内时，前刀面的平整度得到特别改善，使得切削过程中切屑的去除也得到特别改善，从而表现出抑制前刀面温度升高的效果。这可能是由于在切削过程中，达到高温的切屑被充分去除，因此，抑制了该前刀面温度的升高。
如果上述A/B的值高于0.50，就削弱了切屑的去除能力，从而无法预期上述效果。如果上述A/B的值小于0.05，上述效果没有特别的改善，却因为平整处理所需的费用而使经济上不利。
为了使本发明的表面被覆切削工具具有表达式(III)所限定的表面粗糙度，优选采用公知的抛光处理或平整处理对表面(特别是前刀面)进行处理。例如，可以列举磨光、刷光、滚光、金刚石研磨和喷抛作为这类处理。
<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>
在球磨机中将由86质量％的WC、8.0质量％的Co、2.0质量％的TiC、2.0质量％的NbC、以及2.0质量％的ZrC组成的粉末湿混72小时。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。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TiN膜，在该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TiN膜。如上所述，该涂层具有包含TiCN的第一涂层和包含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，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整个前刀面进行水砂抛光处理，由此，制备出具有如表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。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前刀面上具有压应力S1，在后刀面上具有拉应力S2，同时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水砂抛光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30的柱状结构，并且这些第一涂层都含有平均粒径为0.23μm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/切削试验，以测量在发生碎裂之前所持续的时间。发生碎裂之前所持续的时间增加，则韧性和耐磨性得到提高。
<试验条件>
工件SCM435开槽圆棒切削速度230m/分钟进给速率0.15mm/转切削深度1.0mm切削油无表1

由表1显然可见，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441MPa并且不超过3500MPa范围内的表面被覆切削工具(实施例1到5)与该差值的绝对值超出上述范围的表面被覆切削工具(对比例1到4)相比，前者高水平地达到韧性和耐磨性间相协调的效果。
当使用电子束3D粗糙度分析仪(ERA-800，由Elionix公司制造)测定根据实施例1到5的表面被覆切削工具各自的前刀面的表面积增加比“A”和后刀面的表面积增加比“B”时，根据实施例1、2、3、4和5的每个表面被覆切削工具的A/B的值分别为0.6 1、0.49、0.41、0.43和0.45。
<实施例6到10>
在根据实施例1到5的表面被覆切削工具各自的前刀面上进行以下平整化处理(实施例1对应于实施例6，其余实施例依次对应)。
如表2所示，通过对表面被覆切削工具各自的前刀面使用不同粒径(#400到#4000)的金刚石磨粒和不同的研磨时间来进行该平整化处理。
然后，使用电子束3D粗糙度分析仪(ERA-800，由Elionix公司制造)测定经历该平整化处理的表面被覆切削工具各自的前刀面的表面积增加比“A”和后刀面的表面积增加比“B”，进而获得如表2所示的A/B的值。
在类似于上述条件下对这些表面被覆切削工具进行车削/切削试验，以测量在发生碎裂之前所持续的时间。发生碎裂之前所持续的时间增加，则韧性和耐磨性得到提高。表2显示了该结果。
表2

由表1和2显然可见，与实施例1(A/B∶0.61)相比，具有A/B值为至少0.05并且不超过0.50的表面被覆切削工具(实施例2到10)显示出更优异的韧性和耐磨性，并且，特别的是，A/B的值越小，表现为韧性和耐磨性越优良。
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)具有含有TiCN的第一涂层(10)和含有α-Al2O3的第二涂层(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)在前刀面(2)上具有压应力S1，在后刀面(3)上具有拉应力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441MPa≤|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)在所述前刀面(2)上具有拉应力SS1，在所述后刀面(3)上具有拉应力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)，其中所述表面被覆切削工具(1)具有由以下表达式(III)限定的表面粗糙度，其中设定“A”表示所述前刀面(2)的表面积增加比，并且“B”表示所述后刀面(3)的表面积增加比0.05≤A/B≤0.50 (III)。
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)还含有氧。
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。
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。
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。
9.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)的厚度为2μm到20μm，并且所述第二涂层(11)的厚度为0.5μm到20μm。
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，其特征在于该涂层具有含有TiCN的第一涂层和含有α－Al
文档编号B23B51/00GK101090789SQ20058004501
公开日2007年12月19日 申请日期2005年11月16日 优先权日2004年12月27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