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和形成在该基材上的覆膜。
【背景技术】
[0002] 通常使用由诸如烧结硬质合金等材料制成的切削工具对钢和铸件进行切削。在切 削过程中，这些切削工具的刀头暴露于高温（也就是800°C以上）之下。切削过程中所产生 的热量会引发许多问题，例如切削工具的塑性变形和后刀面磨损增加。
[0003] 为了改善高温下的切削性能，已经提出了包括各种覆膜的表面被覆切削工具，所 述覆膜形成在由诸如烧结硬质合金等材料制成的基材上。作为一个例子，专利文献1公开 了一种被覆工具，其包括形成在氧化铝覆膜之上的含硼覆膜。作为另一个例子，专利文献2 公开了一种包括在基材上形成的二硼化钛层的切削工具。
[0004] 引用列表
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1:日本未审查的专利申请公开No. 2003-266213
[0007] 专利文献2:日本未审查的专利申请公开（PCT申请的译文）No. 2011-505261
【发明内容】
[0008] 技术问题
[0009] 这些覆膜通过化学气相沉积法（例如，化学气相沉积（CVD))和物理气相沉积法 (例如离子镀和离子溅射）而形成。
[0010] 在由这些方法形成的覆膜中，由化学气相沉积形成的覆膜对烧结硬质合金基材具 有高粘着强度，并且其还具有高耐磨性。随着对于更高的切削速度和效率的需求日益增长， 趋向于形成更厚的覆膜；由此，基材和覆膜之间的粘着强度十分重要。鉴于此，优选的是通 过化学气相沉积形成覆膜。
[0011] 然而，如果通过化学气相沉积形成覆膜，则在沉积过程中，覆膜将暴露于高温下， 即约1，ooo°c。当沉积后覆膜冷却到室温时，由于烧结硬质合金基材和覆膜之间的热膨胀系 数存在差异，因此导致覆膜内残留有拉伸应力。
[0012] 如果在切削过程中由覆膜的表面处出现裂缝，则残留在覆膜中的拉伸应力会促进 裂缝扩大。这样的切削工具不足以抵抗覆膜剥落和碎裂。
[0013] 尽管更厚的覆膜具有更高的耐磨性，但是覆膜中趋向于残留更高的拉伸应力。这 增加了异常工具损伤的频率，由此降低了抗断裂性。因此，通过化学气相沉积难以形成同时 具有高耐磨性和高抗断裂性的覆膜。
[0014] 诸如车削工具和铣削工具之类的切削工具配有一个或多个表面被覆切削工具。这 些表面被覆切削工具的刀头在其使用寿命结束时需要被替换。仅具有一个切削刃的表面被 覆切削工具自身需要被替换，而具有多个切削刃的切削工具能够在相同的座面处以不同的 位置重复利用。即，通过将这些切削工具中未使用的切削刃安装在切削位置处，则可在不同 切削位置处利用这些切削工具。也可以通过将切削刃重新安装在不同的座面上从而使用未 经使用的切削刃。
[0015] 然而，在实际的切削情况中，即使表面被覆切削工具的切削刃未经使用，也常常会 替换表面被覆切削工具或者改变方向。这是因为在替换刀头或将刀头转向不同的切削刃 时，操作者无法容易地确定切削刃是否已被使用。因此，在替换操作之前，操作者需要细心 且充分地检查切削刃以确保切削刃已被使用。
[0016] 专利文献1公开的被覆工具包括作为工具最外层的有色的含硼覆膜，从而可以容 易地确定该工具是否已经使用过。该被覆工具的含硼覆膜中具有拉伸残余应力，其提高了 含硼覆膜和下层覆膜间的粘合性，由此改善了耐磨性。遗憾的是，如上所述，这样的工具在 最外层中具有拉伸残余应力，因此其存在抗断裂性不足的问题。
[0017] 如果对这样的被覆工具的表面进行加工处理以消除拉伸残余应力，则最外层的颜 色可能消失，使得难以确定工具的使用情况。
[0018] 对于上述问题，即确定工具使用情况的难点，专利文献2公开的切削工具也不是 令人满意的技术方案。
[0019] 如果对专利文献1和2公开的工具表面进行加工处理，则由于最外层的损耗，也可 能降低工具的耐磨性。
[0020] 鉴于上述内容，本发明的目的在于提供一种同时具有高耐磨性和高抗断裂性的表 面被覆切削工具，并且该工具具有十分易于确定切削刃使用情况的指示功能。
[0021] 问题的解决方案。
[0022] 本发明的发明人为了解决上述问题进行了广泛研究，结果发现，可在比常规已知 条件更苛刻的条件下对由多个层构成的覆膜进行后加工，从而保留易于确定工具使用情况 的层，同时改善诸如耐磨性之类的性能，其中所述多个层包括由特定化合物制成的最外层。 基于该发现的进一步研究使得本发明人完成了本发明。
[0023] 具体来说，根据本发明的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆 膜。覆膜包括多个层。所述多个层中的表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且 满足1. 5〈y/x〈2. 5)制成的硼化钛层，并且该表面层的压缩残余应力的绝对值为0.lGPa以 上。
[0024] 覆膜优选包括位于表面层下的由氧化铝制成的氧化铝层。
[0025] 覆膜优选包括在表面层和氧化铝层之间的中间层。所述中间层优选包括至少一层 由如下化合物制成的层，该化合物由选自在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族 元素和第6族元素、铝和硅组成的组中的至少一种元素与选自由碳、氮和氧组成的组中的 至少一种元素构成。
[0026] 中间层优选包括TiCN层和TiN层中的至少一者。中间层可包括TiC层。
[0027] 本发明还涉及表面被覆切削工具的制造方法。该方法为用于制造包括基材和形成 在所述基材上的覆膜的表面被覆切削工具的方法。所述方法包括以下步骤：通过化学气相 沉积在基材上形成多个层，并通过选自喷丸法、刷光法、滚磨法和离子注入法的方法，向所 述多个层中的表面层施加绝对值为〇.lGPa以上的压缩残余应力。所述表面层为由TixBy (其 中x和y表示原子百分比并且满足1. 5〈y/x〈2. 5)制成的硼化钛层。
[0028]发明的有益效果
[0029]如此构成的根据本发明的表面被覆切削工具的优点在于，其同时具有高耐磨性和 高抗断裂性，并具有十分有助于确定切削刃使用情况的指示功能。
【具体实施方式】
[0030] 现在将更详细地描述本发明的实施方案，然而它们不构成对本发明的限制。
[0031]〈表面被覆切削工具〉
[0032] 根据本发明的一个实施方案的表面被覆切削工具包括基材和形成在基材上的覆 膜。覆膜包括多个层。所述多个层中的表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且 满足1. 5〈y/x〈2. 5)制成的硼化钛层，并且该表面层的压缩残余应力的绝对值为0.lGPa以 上。
[0033] 根据本发明的表面被覆切削工具的覆膜形成在前刀面和后刀面的至少一部分上。 覆膜的表面层为具有优越的高耐磨性等性能的硼化钛层。硼化钛层具有高硬度和杨氏模 量，其在类似于常规已知条件下、或比常规已知条件更苛刻的条件下进行机械后处理之后， 可保持其自身的性质，例如色彩，由此可以容易地确定切削刃的使用情况。
[0034] 在比常规已知条件更苛刻的条件下进行的机械后处理消除了覆膜中的拉伸残余 应力，并向其施加了压缩残余应力。这同时改善了覆膜的表面层和下部的耐磨性和抗断裂 性，这些与表面层的高硬度和杨氏模量结合在一起大幅提高了切削工具的耐磨性和抗断裂 性。
[0035]如此构成的根据本发明的表面被覆切削工具具有特别有助于确定切削刃的使用 情况的指示功能。
[0036] 根据本发明的表面被覆切削工具在使用之前呈银色或白色。在切削刃处开始进行 切削时，在切削工具中邻近切削刃的区域发生变色。切削工具最初在邻近切削刃的前刀面 区域内发生相对大的变化。已经变色的区域看起来与银色或白色完全不同。根据工具的使 用情况，在该区域中可看到下层，该下层看起来比原始颜色要深得多。这使得操作者易于确 定工具是否已被使用。
[0037]工具变色的机理可能是：如上所述，由于颜色的改变或者是亮度对比度的改变，使 得下层显露出来；或者由于（例如）氧化作用导致的热改变。
[0038] 由氧化作用导致颜色改变的例子为：当工具和工件之间产生的摩擦热使切削刃受 热时，由于邻近切削刃的区域内的氧化作用会使得出现回火色（tempercolor)。
[0039] 本发明中所使用的术语"颜色改变"也包括任何伴随着切肩和切削油等物质的附 着而看起来似乎发生颜色改变的外观。
[0040] 短期使用后，根据本发明的表面被覆切削工具在前刀面和后刀面处显示出了如上 所述的外观，从而留下了清楚的痕迹。这使得操作者能够立即确定是否切削刃已经被使用 过。如本文所使用的，具有能够从颜色改变而确定工具使用情况的功能或其他性质（即，指 示功能）的层也称为"使用情况指示层"。
[0041] 根据本发明的表面被覆切削工具优选具有多个切削刃。如上所述，根据本发明的 表面被覆切削工具具有优异的指示功能，其非常有助于确定切削刃的使用情况；因此，即使 其具有可使用的多个切削刃，也不必在使用前就替换每个切削刃。这显著简化了工具维修， 由此提供了极高的有用性。
[0042] 切削工具的例子包括钻头、端铣刀、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。
[0043] 现在将对根据本发明的表面被覆切削工具的各个部分进行描述。
[0044]〈基材〉
[0045] 根据本发明的表面被覆切削工具的基材可以是作为切削工具基材常规已知的任 何基材。所述基材的例子包括碳化钨（WC)系烧结硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方 氮化硼烧结体和金刚石烧结体。
[0046] 如果基材由WC系烧结硬质合金制成，那么所述烧结硬质合金优选包含硬质相和 粘合相。具体来说，该烧结硬质合金优选包含由WC制成的硬质相和由至少一种铁族元素 (即，铁、钴、镍，也称为"铁族金属"）制成的粘合相。
[0047] 烧结硬质合金还可包