表面被覆工具及其制造方法

文档序号:9712780阅读:580来源:国知局
表面被覆工具及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面被覆工具及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 通过在基材的表面上形成覆膜从而改进了以耐磨损性为代表的各种特性的切削 工具(表面被覆工具)是已知的[例如,参见日本专利未审查公开No.7-310174(专利文献1)、 国际公开冊2006/070730(专利文献2)、日本专利未审查公开如.8-127862(专利文献3)和日 本专利未审查公开No. 2007-31779(专利文献4)]。
[0003] 引用列表
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1:日本专利未审查公开No. 7-310174
[0006] 专利文献2:国际公开W02006/070730
[0007] 专利文献3:日本专利未审查公开No.8-127862
[0008] 专利文献4:日本专利未审查公开No.2007-31779

【发明内容】

[0009] 技术问题
[0010] 近年来,在工业制品中广泛地使用了所谓的"难切削材料",如不锈钢、Inconel?或 钛合金。由于难切削材料是具有优异的机械性能和热性能的材料,因此在未来应用范围还 有望会扩大。然而,这样的难切削材料字面上是难以切削的材料。一般难切削材料的热传导 率低,此外,这样的材料与切削工具间的反应性(亲和性)高。因此,在难切削材料的切削中, 由于工具温度的升高导致切削工具的磨损加速,并且难切削材料附着于工具的切削刃,这 可能会导致附着断裂。
[0011] 为了使切削工具在加工难切削材料时的使用寿命更长,已经提出了各种方案。例 如,专利文献1提出了由氮化物或碳氮化物构成的覆膜,其中将Si添加至代表公知的覆膜组 成的TiAIN中。然而,该覆膜具有单一组成,因此晶粒趋向于变粗。当在覆膜中产生裂纹时, 裂纹迅速沿晶粒边界发展,这可能会导致断裂。
[0012] 与此相比,专利文献2提出了一种包括交替层的覆膜,其中在交替层中含有Cr的 AlCrN层和TiAIN层交替层叠。根据专利文献2,用由彼此类型不同的材料构成的单元层替代 具有单一组成的层,并使这些单元层交替层叠,并且各单元层的厚度为0.005μπι以上2μπι以 下,从而能够抑制裂纹的蔓延。然而,这样的交替层也有改善的空间。即,由于在交替层中彼 此相邻的单元层由彼此不同类型的材料构成,因此位错倾向于累积于单元层之间的边界附 近,并且在切削过程中可能发生剥离。
[0013] 鉴于上述问题,本发明第一个目的在于提供一种表现出稳定的长寿命的表面被覆 工具。
[0014] 根据专利文献1和2所公开的技术,基材和覆膜之间的密合性不足。因此,例如,当 对与工具用材料之间具有高亲和性的材料(例如不锈钢)进行切削时,会发生其中加工材料 附着至工具的切削刃并且覆膜从基材上剥离下来的所谓的附着断裂,工具的使用寿命可能 缩短。
[0015] 关于基材和覆膜之间的密合性,专利文献3提出了在基材与覆膜之间设置中间层, 该中间层的晶格延续至覆膜。根据该技术,在覆膜和中间层之间维持了良好的密合性。然 而,基材和中间层之间的密合性并不一定足够高,在这一方面仍有改善的空间。
[0016] 为了提高基材与覆膜之间的密合性,专利文献4提出了在基材(烧结合金)的表面 上形成凸出状结合相,其形成平均高度Η在0.05以 111〈!1〈0.5(^111的范围内的大致三角形。然而, 烧结合金中结合相所占的比例保持为至多约10%。因此,虽然暴露在基材表面上的全部结 合相均能够与覆膜接合,但是密合作用有限。此外,在基材由复合材料(例如WC-Co系硬质合 金)制成的情况下,许多不同材料混合存在于覆膜和基材彼此接触的界面处,不容易使所有 这些材料实现理想的紧密接触。
[0017]如上所述,根据常规的技术,基材和覆膜之间的密合性不足,并且例如在将难切削 材料(例如不锈钢或Inconel)用作加工材料时的严苛切削条件下,工具的使用寿命短。
[0018] 鉴于这样的情况下,本发明的第二个目的在于提供一种表面被覆工具,其基材和 覆膜之间具有优异的密合性,并且还能够承受严苛的切削条件。
[0019] 问题的解决方案
[0020] 根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在该基材上的覆膜, 该覆膜包括其中一层或多层A层和一层或多层B层交替地层叠的交替层,该A层和该B层各自 的厚度为2nm以上100nm以下,A层的平均组成表示为Ti aAlbSicN(0.5〈a〈0.8,0.2〈b〈0.4, 0·01〈c〈0 · 1,a+b+c = 1),B层的平均组成表示为TidAleSifN(0 ·4〈d〈0 ·6,0· 3〈e〈0· 7,0·01〈f〈 0 · 1,d+e+f = 1),并且满足条件0 · 05〈a-cK 0 · 2和0 · 05〈e-b < 0 · 2。
[0021] 根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在该基材上的覆膜, 所述基材含有WC颗粒、以及含有Co并将WC颗粒相互结合在一起的结合相,该覆膜包括与基 材接触的密合层、以及形成在密合层上的上部层,所述密合层的厚度为〇.5nm以上20nm以 下,并且密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化物,该碳化物、氮化物或碳氮化物含有选自Cr、 Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成 上部层的元素中的一种或多种元素。
[0022] 根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具的制造方法包括以下步骤:制备基 材,所述基材包含WC颗粒、以及包含Co并将WC颗粒相互结合在一起的结合相;以及在所述基 材上形成覆膜,所述形成覆膜的步骤包括以下步骤:将选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种 元素附着到基材的表面上,在基材上形成密合层,以及在密合层上形成上部层,该密合层的 厚度为0.5nm以上20nm以下,并且形成密合层的步骤包括:通过使选自形成上部层的元素中 的一种或多种元素沉积在经过附着步骤的表面上,从而生成碳化物、氮化物或碳氮化物的 步骤,该碳化物、氮化物或碳氮化物包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成 基材的元素中的一种或多种元素、以及选自形成上部层的元素中的一种或多种元素。
[0023]本发明的有益效果
[0024]根据上述内容,本发明提供了一种呈现出稳定的长寿命的表面被覆工具。
[0025]附图简要说明
[0026] 图1是示出了根据本发明第一实施方案的表面被覆工具的构造的一个实例的示意 性部分截面图。
[0027] 图2示出了截面TEM图像,其示出了根据本发明第一实施方案的交替层的一个实 例。
[0028] 图3是示出了根据本发明第一实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性侧面 透视图。
[0029] 图4是示出了根据本发明第一实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性平面 透视图。
[0030] 图5是示出了根据本发明第二实施方案的表面被覆工具的构造的一个实例的示意 性部分截面图。
[0031] 图6示出了截面TEM图像,其示出了根据本发明第二实施方案的基材和覆膜之间的 界面的一个实例。
[0032] 图7是图6中所示密合层的放大图。
[0033] 图8是示出了根据本发明第二实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性侧面 透视图。
[0034] 图9是示出了根据本发明第二实施例的成膜装置的构造的一个实例的示意性平面 透视图。
[0035] 图10是示出了根据本发明第二实施方案的表面被覆工具的制造方法的概要的流 程图。
【具体实施方式】
[0036][本发明实施方案的说明]
[0037] 首先将对本发明的实施方案进行列举说明。根据以下[1]至[4],主要实现了本发 明的第一个目的。根据以下[5]至[13],主要实现了第二个目的。
[0038] [1]根据本发明的一个实施方案的表面被覆工具包括基材和形成在所述基材上的 覆膜,所述覆膜包括一层或多层A层和一层或多层B层交替地层叠的交替层,所述A层和所述 B层各自的厚度为2nm以上100nm以下,所述A层的平均组成表示为TiaAlbSi cN(0.5〈a〈0.8, 0 · 2〈b〈0 · 4,0 · 01〈c〈0 · 1,a+b+c = 1),所述B层的平均组成表示为TidAleSifN(0 · 4〈d〈0 · 6,0 · 3 <e〈0 · 7,0 · 01 <f〈0 · 1,d+e+f = 1),并且满足条件0 · 05〈a-cK 0 · 2和0 · 05〈e-b < 0 · 2。
[0039] 首先,在表面被覆工具中,采用了Ti (钛)比A1(铝)占更大比例的组成作为全部交 替层的平均组成。由此,可以抑制月牙洼磨损的发展。由于交替层包含少量的Si(硅),所以 交替层还具有抗氧化性。
[0040] 此外,在表面被覆工具中,与常规技术不同的是,采用了将有意使组成彼此接近的 两种单元层(A层和B层)中的各单元层的一层或多层交替地层叠的交替层。如上所述,由于A 层和B层的构成元素是共同的,并且其组成比彼此接近,因此宏观观察时整个交替层好似具 有单一组成。然而,A层和B层的平均组成满足关系式0.05〈a-cK 0.2和0.05〈e-b < 0.2。因 此,在A层和B层之间存在微观上的边界(不会导致位错的程度的微小应变),可通过该边界 将A层和B层区分为不同的层。因此,虽然覆膜在宏观上看起来好似具有单一组成,但是当在 覆膜中产生裂纹时,在A层和B层之间的边界处能够抑制裂纹的蔓延。由于A层和B层的平均 组成彼此相近,因此晶格在A层和B层之间能够连续,并且能够确保A层与B层之间的密合性。 [0041 ]此外,将A层和B层各自的厚度限制为2nm以上1 OOnm以下。因此,形成各A层和B层的 晶粒是微细晶粒,晶界的面积增加,由此增强了在晶界处阻止塑性变形以及裂纹进展的作 用。
[0042] 通过以上作用的组合,使表面被覆工具展示出稳定的长寿命。在此,A层和B层的 "平均组成"可以用透射电子显微镜-能量分散型X射线光谱法(TEM-EDX)测定。即,平均组成 可以通过如下方式测定:用TEM观察覆膜的截面,同时在A层或者B层的任意5个点处对lnm的 点直径进行TEM-EDX分析,并计算这5个点处获得的各元素的组成比的算数平均值。
[0043] [2]在上述[1]中,优选满足条件1 <λΑ/λΒ〈5,其中λΑ表示A层的厚度,λΒ表示B层的 厚度。由此,提高了交替层的耐月牙洼磨损性,并阻止了裂纹的蔓延。
[0044] [3]在上述[1]或[2]中,所述覆膜优选在其与基材接触的部分中进一步包括密合 层,该密合层的厚度为〇.5nm以上20nm以下,并且所述密合层包含碳化物、氮化物或碳氮化 物,该碳化物、氮化物或碳氮化物包含选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一种或多种元素、选自形成基 材的元素中的一种或多种元素、以及选自A1和Si中的一种或多种元素。
[0045] 由于覆膜所包括的密合层同时包含形成基材的元素以及形成覆膜的元素,并且还 包含选自Cr(铬)、Ti、Zr(锆)和Nb(铌)中的一种或多种元素,因此基材和覆膜之间彼此牢固 地结合,并且进一步延长了工具的使用寿命。
[0046] 例如,可以通过如下所述的方法形成密合层。首先,利用选自Cr、Ti、Zr和Nb中的一 种或多种元素的离子对基材表面进行离子轰击处理,从而清洁基材表面,并且选自Cr、Ti、 Zr和Nb中的一种或多种元素附着至基材表面上。此后,利用电弧离子镀等将用于形成交替 层的元素(!1^1、31、《气相沉积至所述表面上。由此,能够形成作为覆膜的最底层(形成覆 膜的层中最接近基材的层)的密合层。通过以这种方法形成密合层,尽管实际上密合层是厚 度为0.5nm以上20nm以下的极薄的层,但是仍然能够抑制覆膜从基材上剥离下来。
[0047] [4]在上述[3]中,基材优选包含:含有WC的硬质颗粒、以及包含Co并将硬质颗粒彼 此结合在一起的结合相,并且所述密合层包含含有1、0、11^1和31的氮化物。
[0048]由于基材包含上述WC(碳化钨)_Co(钴)系硬质合金,因此工具的耐磨损性得以提 高。此外,在此,当密合层包含含有1、0、1'^1和51的氮化物时,密合层与基材之间以及与 交替层之间的化学亲和性均得以增强,并且基材和交替层能够牢
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