表面被覆切削工具及其制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种表面被覆切削工具、以及该表面被覆切削工具的制造方法，其中 该表面被覆切削工具包括基材、以及形成于该基材上的覆膜。
【背景技术】
[0002] 通常，已知这样一种表面被覆切削工具，其包括基材以及形成于该基材上的覆膜， 在该表面被覆切削工具中，包括TiB 2层作为覆膜。
[0003] 例如，日本专利公开No. 51-148713(专利文献1)公开了一种耐磨性成形部件，其 包括硬质合金基体以及由两层层叠的部分层形成的表面层，这两层层叠的部分层包括：由 氧化铝和/或氧化锆制成的外侧部分层；以及由一种以上的硼化物、特别是钛、锆和铪等元 素的二硼化物制成的内侧部分层（即，TiBJl)。
[0004] 上述表面层中的内侧部分层形成为3ym的TiBJl，该TiB2层是通过在1000°C和 50托的高温高真空条件下，以1900L/小时引入氢气、以20mL/小时引入TiCl4并以4g/小 时引入BCl3作为反应性原料气体，并进行成膜1小时从而获得的。此外，所述外侧部分层 形成为5 ym的氧化铝层。
[0005] 然而，在上述成膜过程中的高温高真空条件下，接合层和TiB2层中的硼向硬质合 金基体中的扩散会导致强n层和/或含硼脆性层的形成，从而显著缩短该耐磨性成形部件 的寿命。
[0006] 为了解决上述问题，提出了这样一种被覆制品，该被覆制品通过抑制硼的扩散并 且使TiB 2层中的TiB2微粒化，从而改善了耐磨性（日本专利公布No. 2011-505261 (专利文 献2))。这种被覆制品是通过如下方式形成的：其中，用由氮化钛、碳氮化钛和硼碳氮化钛 的组制成的0.1 ym至3ym的层覆盖硬质合金基材的表面，然后形成Iym至5ym的TiB2 层。上述各种层中的TiB2层的形成条件如下。具体而言，利用包含10体积％的氢气、0.4 体积％的TiCl 4、0. 7体积％的此13和88. 9体积％的氩气的原料气体组分，在标准压力和 800°C的温度下进行热CVD法1小时从而形成厚度为2. 5 y m的1182层。在该被覆制品中， 未形成由硼向硬质合金基材中的扩散而导致的含硼脆性层，并且TiB 2层中TiB2的粒径也被 控制至50nm以下，因此工具寿命得到一定程度的延长。
[0007] 引用列表
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本专利公开No. 51-148713
[0010] 专利文献2 :日本专利公布No. 2011-505261
【发明内容】
[0011] 技术问题
[0012] 如上所述，专利文献2中的被覆制品的工具寿命得到一定程度的延长。然而，专利 文献2仅关注了对强n层和/或含硼脆性层的形成的抑制、或者对TiB 2层中TiB2粒径的 控制。因此，对TiB2层性能的进一步改善有限，因而需要从其他角度进行考虑。
[0013] 此外，在使用该被覆制品对作为难切削材料的Ti系合金进行加工的情况中，尤其 在切削刃的温度倾向于升高的加工中，以及在因切肩的独特形状（锯齿状）使得工具的切 削刃倾向于发生应力集中和振动的加工中，切削刃的崩裂可能会显著缩短工具的寿命，因 而需要进一步提高抗崩裂性。
[0014] 鉴于上述状况完成了本发明。本发明的目的是提供包括TiB2层作为覆膜的表面 被覆切削工具，并且该表面被覆切削工具的耐磨性和抗崩裂性得到了显著改善。
[0015] 问题的解决方案
[0016] 本发明的发明人为了解决上述问题进行了深入研宄，结果发现，控制TiB2层中所 含的氯的浓度对于抗崩裂性的提高是非常重要的。本发明的发明人随后基于该发现进行进 一步研宄，从而完成了本发明。
[0017] 具体而言，本发明的表面被覆切削工具包括基材以及形成于所述基材上的覆膜。 所述覆膜至少包括一层TiBJl。该TiB 2层包含Cl以及TiB2。假定在所述TiB2层中，第一 区域表示自所述基材侧的界面起厚度为0. 5 y m的区域，第二区域表示自所述覆膜表面侧 的界面起厚度为〇. 5 ym的区域，则所述第二区域中Ti与Cl之间的原子比CV(Ti+Cl)大 于所述第一区域中的该原子比。
[0018] 在这种情况中，所述第一区域中的所述原子比CV(Ti+Cl)优选为0.00001至 0.001，并且所述第二区域中的所述原子比CV (Ti+Cl)优选为0.0001至0.01。所述TiB2 层的厚度优选为I U m至10 ym。
[0019] 此外，本发明还涉及一种制造表面被覆切削工具的方法，该表面被覆切削工具包 括基材以及形成于该基材上的覆膜，其中所述覆膜至少包括一层TiBJl。所述方法包括形 成所述TiBJl的步骤。所述步骤为通过化学气相沉积法利用至少包含TiCl 4和BCl 3的原 料气体来形成所述TiBJl的步骤，并且其特征在于：在所述步骤开始时，所述原料气体中所 述TiCl 4与所述BCl 3之间的摩尔比TiCl 4/BCl3小于0. 6,并且在所述步骤结束时，该摩尔比 TiCl4/BCl3等于或大于0. 6。
[0020] 发明效果
[0021] 根据本发明的表面被覆切削工具实现了大幅改善耐磨性和抗崩裂性的优异效果。
【具体实施方式】
[0022] 下面将对本发明进行更为详细的说明。
[0023] 〈表面被覆切削工具〉
[0024] 本发明的表面被覆切削工具具有这样的构成，其包括基材以及形成于基材上的覆 膜。优选的是，该覆膜覆盖了基材的全部表面。然而，即使部分基材未被该覆膜覆盖、或者 该覆膜的构成部分不同，该结构仍未脱离本发明的范围。
[0025] 本发明的上述表面被覆切削工具可以适当地用作切削工具，如钻头、端铣刀、钻头 用切削刃替换型切削刀片、端铣刀用切削刃替换型切削刀片、铣削用切削刃替换型切削刀 片、车削用切削刃替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀和丝锥。
[0026] 〈基材〉
[0027] 作为用于本发明表面被覆切削工具的基材，可以使用任何材料，只要该材料是传 统上已知的作为上述类型的基材即可。例如，该基材优选为硬质合金（例如，WC基硬质合 金、或者含有WC和Co或含有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的材料）、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）、立方氮化硼烧结 体、金刚石烧结体等中的任一种。
[0028] 在这些多样的基材中，特别优选的是选择WC基硬质合金和金属陶瓷（特别是TiCN 基金属陶瓷）。这是因为这些基材在硬度和强度（尤其在高温下）之间的平衡方面是优异 的，并且具有作为针对上述用途的表面被覆切削工具的基材的优异特性。
[0029] 在表面被覆切削工具为切削刃替换型切削刀片等的情况中，该情况中的基材可以 是具有断肩器或不具有断肩器的基材，并且切削刃棱线部分可呈锐边（前刀面和后刀面彼 此相交的棱）、銜磨（通过加工锐边以使其具有曲线（R)而获得）、负刃带（negative land) (通过斜削（beveling)获得）、以及銜磨与负刃带的组合中的任意一种形状。
[0030] 〈覆膜〉
[0031] 本发明的覆膜可包括其他层，只要其至少包括一层TiB2层即可。其他层的例子可 包括 Al2O3层、TiN 层、TiCN 层、TiBNO 层、TiCNO 层、TiAlN 层、TiAlCN 层、TiAlON 层、TiAlONC 层等。在本发明中，在将除TiBJl以外的其他层的组成表示为"TiN"和"TiCN"等化学式 的情况中，以及在对化学式中的原子比值没有特别限定的情况中，并非认为各元素的原子 比值仅为" 1"，而是认为包括所有常规已知的原子比值。
[0032] 根据本发明的这种覆膜起到覆盖基材以实现改善耐磨性和抗崩裂性等若干特性 的效果的作用。
[0033] 适宜的是，本发明的这种覆膜的厚度为2ym至20 ym，更优选为5ym至15ym。当 厚度小于2 ym时，耐磨性可能不足。当厚度超过20 ym时，当在断续加工过程中覆膜与基 材之间受到相对较强的应力时，覆膜可能会非常频繁地发生剥落或受损。
[0034] 〈1^2层 >
[0035] 本发明覆膜中所包括的TiBJl的特征在于：TiB2层包含Cl(氯）以及TiB 2，并且 假定在TiB2层中，第一区域表示自所述基材侧的界面起厚度为0. 5 y m的区域，第二区域表 示自所述覆膜表面侧的界面起厚度为〇. 5 ym的区域，则所述第二区域中Ti与Cl之间的原 子比CV(Ti+Cl)大于所述第一区域中的该原子比。由于如上所述控制了厚度方向上的氯 浓度，因此本发明的TiBJl显示出了显著改善耐磨性和抗崩裂性的优异效果。这是因为将 第一区域中的Cl的量设定为相对较小，可得到较高的硬度；将第二区域中的Cl的量设定为 相对较大，可改善滑动特性（sliding characteristic)和追踪性（followability)。即，据 推测，因为第一区域中的硬度较高，因此可抵抗来自工具的横向的力；并且由于第二区域中 的滑动特性和追踪性得到提高，因此改善了对附着至表面的切肩的耐粘着性，这些因素协 同作用，从而获得了上述优异效果。
[0036] 相反，当贯穿整个TiB2层中的Cl量均较小时，硬度变高，因此耐磨性优异，同时抗 崩裂性降低。另一方面，当贯穿整个TiB 2层中的Cl量均较大时，耐粘着性和耐磨性均降低。
[0037] 将第一区域和第二区域的厚度均限定为0. 5ym的原因是：当该厚度小于0. 5ym 时，从分析精确度的角度来看，有时无法充分限定原子比CV(Ti+Cl)。因此，从分析精确 度的角度，并且从第一区域代表最能够反映基材侧界面附近的特性的区域、并且第二区域 代表最能够反映覆膜表面侧界面附近的特性的区域的角度来看，将各区域的厚度限定为 0. 5 ym。当限定第一区域和第二区域中的原子比CV(Ti+Cl)时，优选的是，获得各区域中 的三个或更多个不同的点处的数值（比值）的平均值，从而防止测量误差。
[0038] 如上所述，本发明的TiBJl主要由TiB2 (二硼化钛）构成，并且还包含Cl，并且通 过积极地控制Cl (常规已知的是，在制造中Cl作为原料的残余物而存在）的浓度，成功获 得了上述优异效果。对TiBJi中这种Cl的存在方式没有特别的限制。可使Cl和TiB2B 成为固溶体，或者可以自由原子或离子的形式存在。此外，即使本发明的TiBJl含有除TiB2 和Cl之外的不可避免的杂质，该TiBJl也不会偏离本发明的范围。
[0039] 在这种情况中，优选的是，第一区域中的原子比CV(Ti+Cl)为0.00001至0.001， 并且第二区域中的原子比CV(Ti+Cl)为0.000