专利名称：切削工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及在基材的表面涂覆了金属层的切削工具，尤其涉及在交替层合地涂覆机械特性不同的两种金属层、使切削性能经过磨耗也不改变这方面下功夫的切削工具。
背景技术：
一般情况下，设置在工作机械等上的切削工具，要求具有在切削时耐摩擦的硬度、 用来表示摩擦系数为能够把被切削材料快速排出那么低的光滑度。因此，在切削工具中，有 时不仅要对应所要求的性能从各种工具用金属材料中选择合适的金属材料作为基材，而且 要在该基材的表面特别要涂覆用来实现所需机械特性的金属层。下述专利文献1记载了一种金属部件，其在基材的表面层合一层 三层每层厚度 为1 4μπι的Ti与Al的碳化物、氮化物以及碳氮化物这样的具有耐磨性的金属而形成硬 质被膜层。专利文献1 日本特开昭62-56565号公报
发明内容
根据上述专利文献记载的发明，在基材的表面层合1 3层具有耐磨性的金属而 形成硬质被膜层，因而，虽然在用于切削工具的情况下提高了连续切削的耐磨性，但是其它 的性质，例如光滑度等不算充分，不能在切削时把切削屑迅速排出。本发明鉴于这样的现有技术的问题而提出，目的是提供一种切削工具，其兼备耐 切削摩擦的硬度和将被切削件迅速排出的高光滑度，而且，即使经连续切削产生磨耗也不 会改变性质。本发明第一方面记载的切削工具，在具有规定表面粗糙度的基材的表面涂覆了由 与该基材不同的金属构成的金属层，其特征在于交互地层合了第一金属层和第二金属层， 所述第一金属层和第二金属层的机械特性相互不同，而且膜厚小于所述基材的所述表面粗 糙度。本发明第二方面记载的切削工具在具有规定表面粗糙度的基材的表面涂覆了由 与该基材不同的金属构成的金属层，其特征在于交互地层合了第一金属层和第二金属层， 所述第一金属层和第二金属层的机械特性相互不同，而且膜厚小于所述基材的所述表面粗 糙度；通过被层合了的金属层的表面的磨耗，使所述第一金属层和所述第二金属层同时露 出到表面。本发明第三方面的切削工具的特征是，在第一或第二方面的切削工具中，所述基 材的所述表面粗糙度在500 2000埃的范围内，所述第一金属层的膜厚和所述第二金属层 的膜厚为所述基材的所述表面粗糙度的1/20以上、1/3以下。本发明第四方面的切削工具的特征是，在第三方面的切削工具中，所述第一金属 层和所述第二金属层各膜厚的合计为ι μ m以上、3 μ m以下。本发明第五方面的切削工具的特征是，在第四方面的切削工具中，所述第一金属层由与所述第二金属层相比硬度相对较大的金属构成，至少与所述基材的表面相接地形 成，所述第二金属层由与所述第一金属层相比光滑度相对较高的金属构成。本发明第六方面的切削工具的特征是，在第五方面的切削工具中，所述第一金属层是从TiAIN、AlCrN, TiSiN, CrSiN, TiCN构成的群选择的金属，所述第二金属层的机械特 性与所述第一金属层不同，是从CrN、CrSiN, TiN, TiCN构成的群选择的金属。根据第一方面记载的切削工具，把膜厚小于基材的表面粗糙度的金属层交互层合 在基材上，因而，使用而磨耗后，双方金属层同时显露在表面而可同时发挥相互不同的各自 的机械特性。而且，即使连续切削而进一步磨耗，由于双方的金属层同时显现的状态不发生 改变，所以同时发挥各个金属层的机械特性的状态也不会改变而得以维持。根据第二方面记载的切削工具，把膜厚小于基材的表面粗糙度的金属层交互层合 在基材上，而且层合的金属层的表面的磨耗使所述第一金属层和所述第二金属层同时露出 到表面，因此，无需等待经使用磨耗后使双方的金属层显露到表面，使用开始后直接同时显 露的双方的金属层同时发挥相互不同的各自的机械特性，可以使工具直接具备所希望的性 能进行使用。根据本发明第三方面记载的切削工具，在第一或第二方面记载的切削工具所具有 的效果上，进而由于各个金属层的厚度为基材的表面粗糙度的1/20以上1/3以下，因而不 会受到使用状态或使用中的磨耗的状况等的左右，可以在切削工具的表面一直同时显现双 方的金属层，确实取得同时发挥各个机械特性的效果。根据本发明第四方面记载的切削工具，在第三方面记载的切削工具所具有的效果 上，进而由于全部金属层的合计厚度为1 μ m以上，因而使切削造成磨耗的进展不会过快， 而且由于全部金属层的合计厚度为3 μ m以下，因而不用担心金属层过厚而在磨耗之前从 基体剥落。根据本发明第五方面记载的切削工具，在第四方面记载的切削工具所具有的效果 上，进而由于第一金属层是与第二金属层相比硬度相对较大的金属，第二金属层是与第一 金属层相比光滑度相对较高的金属，所以，可以同时提高基于硬度的良好的耐磨性和基于 光滑度的被切削材料的良好排出性。而且，由于硬度较大的第一金属层与基材的附着性高， 所以层合的金属层整体上可以保持稳定附着在基材上的状态。根据本发明第六方面记载的切削工具，除了具备第五方面记载的切削工具所具有 的效果，而且第一金属层可以从TiAlN、AlCrN、TiSiN、CrSiN、TiCN构成的群选择，第二金属 层的机械特性与所述第一金属层不同，可以从CrN、CrSiN、TiN、TiCN构成的群选择，可以对 应于从两个群高自由度地选择的各个金属的多种多样的组合的目的进行任意设定，具有选 择范围宽的效果。
图1是表示本发明的实施方式涉及的切削工具的制造中使用的电弧离子镀(7 — 夕4才l·一歹4 >夕‘)装置的构造的示意图。图2是表示本发明的实施方式涉及的切削工具中的、层合金属层之前的基材的表 面粗糙度的一个例子的图。图3(a)是本发明的实施方式涉及的切削工具的图3(b)中的a_a切割线示意截面图，图3(b)是沿垂直于表面的面将该切削工具截断后的示意截面图。图4是表示在本发明的实施方式涉及的切削工具的切削试验中，作为比较例的切削工具的金属层的种类及其膜厚、和所达成的切削长度的图表。图5是表示本发明的第一实施方式涉及的切削工具的切削试验中，该切削工具的 金属层每一层的厚度、所达成的切削长度以及用〇印来表示取得了良好效果的试料的图表。图6(a)是供本发明的第一或第二实施方式涉及的试验例的切削工具中的、沿与 一层的厚度为500埃(才> V 7卜α — Λ )的切削工具的表面垂直的面进行截断后的截面 图，图6(b)是图6(a)的局部放大图。图7是表示在本发明的第二实施方式涉及的切削工具的切削试验中，该切削工具 的金属层的每一层的厚度、所达成的切削长度以及用〇印来表示取得了良好效果的试料的 图表。附图标记说明1电弧离子镀装置7、8对电极11 基材12作为第一金属层的TiAlN层13作为第二金属层的CrN层
具体实施例方式参照图1 图7说明本发明的实施方式。1.电弧离子镀装置的构造本发明的切削工具，在具有规定的表面粗糙度的基材的表面交互地层合机械特性 互不相同而且膜厚比所述基材的表面粗糙度小的第一金属层和第二金属层。为了把两种金 属层交互地层合在基材的表面，本例中使用图1所示的电弧离子镀装置1。如图1所示，该电弧离子镀装置1具有用来收纳作为被涂覆物的切削工具的基材 的真空腔2。真空腔2是高气密性的箱形容器，设有用来通过未图示的排气泵把内部的气体 进行排气的排气口 3，和用来在涂覆工序中导入所需的流程气(/ α力7)的供给口 4。在真空腔2内设有通过设置在外部的未图示的驱动源进行转动的旋转台5，通过 偏压电源6可以在该旋转台5上施加一定的负的偏压电压。在真空腔2内，把要涂覆到切削工具的基材上的由金属材料构成的第一对电极 (，U卜)7、第二对电极8分别设置在旋转台5的正上方和左侧方这两个部位。这些 对电极7、8是与各个电弧电源9的负极连接的阴极，在各个电弧电源9的阳极连接着分别 设置在各个阴极7、8周围的大致圆筒形的阳极10。作为阴极的两个对电极7、8在真空腔2 的外面成回路地连接着并且电位相同。2.通过电弧离子镀装置1形成金属层在旋转台5的上面配置切削工具的基材11。基材11的材质根据期间的用途、目的 进行适当选择即可，但是例如在碳素工具钢之外，可以采用在碳素工具钢中添加了少量的钨、铬、钒等的合金工具钢(低合金工具钢)、或在钢里大量添加铬、钨、钼、钒这样的金属成 份的高速工具钢(锋钢)。基材11的表面粗糙度通常因工具的种类而不同，而本例中，成膜之前的基材11的 表面粗糙度在500埃 2000埃的范围内。图2所示的例子中，表面粗糙度为2000埃。 在真空腔2内的规定位置分别安装金属材料构成的第一和第二对电极7、8并分别 与电弧电源9连接。本例中，在基材11上交互附着两种金属层。第一金属层采用与基材11 和第二金属层相比硬度相对较大的金属TiAIN，因而设置在真空腔2的上方的第一对电极7 为TiAl。另外，第二金属层采用与基材11和第一金属层相比光滑度相对较高的金属CrN， 因而设置在真空腔2的左侧面的第二对电极8为Cr。各个金属层所含的N由作为流程气的 氮气供给。对基材11涂覆金属层的顺序为，由于硬度大的金属一般具有良好的与金属的附 着性，所以在本例中，最先附着在基材11上的是TiAIN。而且，金属的涂覆工序在涂覆CrN 后终止，从而使切削工具的最表面被CrN层覆盖。这是由于，基材11的刃部以外的部分也 被光滑度高的CrN层覆盖，从而使被切削件能够因CrN层的高光滑度而迅速被排出。作为与第二金属层相比硬度相对较大的第一金属层，除了 TiAlN(维氏硬度(以 下称作 HV) 2800)以外，可以从 AlCrN(HV 3200)、TiSiN(HV 3200)、CrSiN(HV 2500)、 TiCN(HV:2500)等中选择采用。另外，作为与第一金属层相比光滑度相对良好的第二金 属层，为了使其机械特性与第一金属层不同而从其它金属选择，可以从CrN(HV :1800)、 CrSiN、TiN(HV 2300) ,TiCN等中选择采用。即，由于CrSiN、TiCN具有出于被用作切削工具 的涂覆的金属硬度和光滑度双方的考虑能够被采用的性能，因而在为了硬度或光滑度而选 择它们的情况下，对于另一方的金属，采用光滑度或硬度比其更好的另外的金属。对使用电弧离子镀装置1的金属层的形成进行说明。从排气口 3抽真空腔2内的 空气而提高真空度，从供给口 4导入作为流程气的氮气。如图1所示，一边转动旋转台5 — 边通过电弧电源9在设于真空腔2的上方的对电极7与阳极10之间产生电弧放电，使作为 对电极7的金属的TiAl蒸发。蒸发了的TiAl和作为气氛气体的氮气所构成的离子，堆积 到被施加了负的偏压电压的基材11的表面，形成作为第一金属层的TiAIN。然后，切断通到对电极7的电，切换成向对电极8通电。即，一边使旋转台5继续旋 转，一边通过电弧电源9在设于真空腔2左侧面的对电极8与阳极10之间产生电弧放电， 使作为对电极8的金属的Cr蒸发。由蒸发了的Cr与作为气氛气体的氮构成的离子，堆积 在前面的工序中被涂覆到施加了负的偏压电压的基材11上的TiAlN上，形成作为第二金属 层的CrN。这样，一边转动基材11 一边交替对第一和第二对电极7、8通电而分别反复进行所 需次数的蒸镀，从而可以在基材11的表面层合形成TiAlN层和CrN层。各个金属层的各自的厚度，为小于基材11的表面粗糙度的厚度，使基材11表面因 表面粗糙度而出现的凹凸即使在涂覆金属层之后也同样在该金属层的表面显露出凹凸。具 体将在下面的“实施例”中进行说明，而各个金属层的膜厚为基材11的表面粗糙度的1/20 以上1/3以下，而且两个金属层的各膜厚的合计为Iym以上3 μπι以下。3.得到的金属层的构成图3(b)中示出了沿垂直于在以上的制造工序中形成了金属膜的切削工具的表面的面进行切断的场合的示意截面图。在基材11的表面存在硬度大且对金属的附着性良好 的TiAlN层12，与CrN层13交互层合地构成金属层，基材11的最外表面被光滑度良好的 CrN层13覆盖。如图3(b)所示，两种金属层12、13交互重叠成的金属层的表面表现出与基材11 的表面大致相同的粗糙度。在把其用作切削工具的场合，会将突出的部分如图3(b)中的切 断线a-a所示那样磨耗而成为表面近似平坦的状态，如图3(a)所示，例如，两种金属层12、 13在切削工具的表面交互显露为条纹状。变成这样的状态后，作为切削工具可以高水平发挥由硬度大的TiAlN层12产生的 耐磨性和由光滑度良好的CrN层13产生的切削屑排出性双方的性能。而且，即使累积总切 削长度变大使切削工具进一步磨耗，也依然维持TiAlN层12与CrN层13交互显露的条纹 状的表面状态，因而直至最终全部金属层被磨耗而露出基材11为止，都可以继续维持良好 的耐磨性和光滑度、能长时间继续进行稳定的切削。
有时也会因基材11的表面的凹凸形状的状态、或两种金属层12、13与基材11的 表面的附着状态的不同，而使层合的金属层的表面的磨耗所造成的同时露出到表面而显露 的两种金属层12、13表现出与图3(a)所示条纹状不同的形状。另外，层合在切削工具的基材11表面的两种金属层12、13，如果通过层合的金属 层的表面磨耗而同时露出到表面的话，就无需等待通过使用而造成的磨耗使两种金属层 12、13显露在表面，开始使用后直接同时显露的两种金属层12、13会同时发挥相互不同的 各自的机械特性，可以使工具直接按所希望的性能进行使用。4.实施例下面，实际按各种条件制造以上说明了的本例的切削工具，而且作为比较例，制造 具有单层的金属膜的切削工具，把这些供切削试验相互比较寿命，从而研究本例的切削工 具的构成中所需的膜厚等诸项条件。(1)切削条件等本实施例的切削工具由WC-Co构成，为外径10mm、刃长22mm、全长80mm、杆径IOmm 的立铣刀，在其表面粗糙度1500埃的基材11上形成了如上述那样由TiAlN层12和CrN层 13交互层合成的合计厚度为3 μ m的金属层。把所述立铣刀供实际切削使用而进行寿命评 价。切削条件是，被切削件为机械构造用碳素钢S55C、切削速度为50m/min、每一刀的进刀 量为0.44mm/刀、切入深度为径向1mm、轴向15mm。在以上条件下进行切削，把作为与立铣 刀的切削刃的切削方向相反侧的面的退刀面的磨耗量达到0. 2mm的时候当作寿命，记录此 时的切削长度。每切削3 5m的切削长度就随时中断切削来确定退刀面的磨耗量是否达 至Ij 0. 2mm。(2)比较例图4表示比较例，表示形成了单层且厚度为30000埃(3 μ m)的TiAlN的比较例的 寿命评价试验的结果，达到寿命时的累积切削长度(以下简称为切削长度)为50m。(3)实施例 1图5是作为第一实施例的把TiAlN层12和CrN层13交互层合成的多层膜的切削 工具，使每一层的厚度从10埃至2000埃进行改变而制作出七种，分别进行上述试验而获得 作为寿命的切削长度值。同图5中，标注了O印的被认为是比比较例好的结果，为每一层厚度75埃、切削长度80m ；每一层厚度250埃、切削长度90m ；每一层厚度500埃、切削长度95m。对于该范围与基材11的表面粗糙度1500埃进行比较时，条件为，如图5的表中的“每 一层的厚度”的栏目中排列记载的膜厚的数值那样，金属层每一层的厚度为基材11的表面 粗糙度的1/20以上1/3以下。另外，在图5中还确认出，在不足切削工具的基材11的表面粗糙度的1/20、超过切 削工具的基材11的表面粗糙度的1/3的范围，效果不能取得。另外，总膜厚1 μ m 3 μ m为良好，如果比这薄则磨耗快(切削长度缩短)，而且如 果比这厚则膜厚难以变得均勻，厚度过大会造成金属层剥离而从基材11剥落。第一实施例 是总膜厚为3 μ m的例子，但是通过同样的试验确认到了在总膜厚1 μ m 3 μ m的范围可以 取得效果。图6是随着实施例的实际尺寸表示本实施例中的切削工具的金属膜的状态的图， 图6(a)是表示表面粗糙度约为1500埃的基材11的表面的图，图6 (b)放大地表示在该基 材11的表面构成由每层约为500埃的TiAlN层12和CrN层13交互层合而成的整体约为 30000埃的金属层的状态。因此，根据图6(b)所示的构造，虽然省略了一部分进行表示，但 是可以看出，在各层中层合了 30层、合计层合了 60层的金属层的状态，最下层的TiAlN层 12混杂在基材11的凹凸中而可靠地附着在基材11上，最上层的CrN层显露出与基材11相 同的凹凸。因此，如图6(b)中的朝向的箭头所示那样，金属层随着切削而磨耗，使凹凸均勻， 当表面如该图中的切断线所示那样变为大致平坦时，TiAlN层12和CrN层13会在该表面 上交互显露为条纹状，可以高水平发挥由硬度大的TiAlN层12产生的耐磨性和由光滑度良 好的CrN层13产生的切削屑排出性双方的性能。即使切削工具进一步磨耗而使金属层整 体的厚度减小，也依然维持TiAlN层12与CrN层13呈条纹状显露在同一个表面内的状态， 因而直至最终露出基材11为止，都可以继续维持良好的耐磨性和光滑度、能长时间继续进 行稳定的切削。(4)实施例 2图7是作为第二实施例的TiAlN层和CrSiN层(CrSi中的Si含有率为3% )交互 层合成的多层膜的切削工具。其它条件等与第一实施例相同。本实施例中，为，每一层厚度 为75埃、切削长度为85m ；每一层厚度为250埃、切削长度为95m ；每一层厚度为500埃、切 削长度为100m，寿命比第一实施例长。这是由于，通过添加Si而进一步提高了膜的硬度。 与第一实施例相同，本例中的条件也是每一层的厚度为基材11的表面粗糙度的1/20以上 1/3以下。其它事项也取得与第一实施例相同的结果。以上说明了的各个实施例中，切削工具的基材11的材质为WC-Co，但是，高速工具 钢也取得了相同的结果。而且，在本实施方式乃至实施例中，用电弧离子镀装置1形成金属 膜，但是，也可以不用电弧放电而是采用电子束等进行的离子镀装置、或采用其它蒸镀机构 乃至手法。而且，本实施方式乃至实施例中，以立铣刀为例说明了切削工具，但是除此以外 本发明也可以适用于铰刀、钻、刀片等切削工具。如上述那样，根据本实施方式的切削工具，与把单层膜、或具有耐磨性的多种金属 膜层合设置在基材上的场合相比，具有下述效果，即，由于耐磨性和滑动性的双方都优异， 因此，不仅可以谋求工具的长寿命化，而且可以提高切削性，而且，即使长时间使用而进一步磨耗也可以维持与初期相同的状态.性能。
权利要求
一种切削工具，所述切削工具在具有规定表面粗糙度的基材的表面涂覆了由与该基材不同的金属构成的金属层，其特征在于交互地层合了第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和第二金属层的机械特性相互不同，而且膜厚小于所述基材的所述表面粗糙度。
2.一种切削工具，所述切削工具在具有规定表面粗糙度的基材的表面涂覆了由与该基 材不同的金属构成的金属层，其特征在于交互地层合了第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和第二金属层的机械特性相 互不同，而且膜 厚小于所述基材的所述表面粗糙度；通过被层合了的金属层的表面的磨耗， 使所述第一金属层和所述第二金属层同时露出到表面。
3.如权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，所述基材的所述表面粗糙度在 500 2000埃的范围内，所述第一金属层的膜厚和所述第二金属层的膜厚为所述基材的所 述表面粗糙度的1/20以上、1/3以下。
4.如权利要求3所述的切削工具，其特征在于，所述第一金属层的膜厚和所述第二金 属层的膜厚的合计为1 μ m以上、3 μ m以下。
5.如权利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述第一金属层由与所述第二金属层 相比硬度相对较大的金属构成，至少与所述基材的表面相接地形成，所述第二金属层由与所述第一金属层相比光滑度相对较高的金属构成。
6.如权利要求5所述的切削工具，其特征在于，所述第一金属层是从TiAIN、AlCrN, TiSiN, CrSiN, TiCN构成的群选择的金属，所述第二金属层的机械特性与所述第一金属层不同，是从CrN、CrSiN, TiN, TiCN构成 的群选择的金属。
全文摘要
本发明的切削工具提供兼备耐磨性和高光滑度，即使连续切削其特性也不改变的切削工具。切削工具在表面粗糙度500～2000埃的基材(11)的表面交互层合厚度为基材的表面粗糙度的1/20以上1/3以下、硬度大的TiAlN层(12)和光滑度优异的CrN层(13)，构成整体厚度为1～3μm的金属层。表面磨耗时，在表面同时显露TiAlN层(12)和CrN层(13)，因而可同时获得高的耐磨性和光滑度，即使进一步磨耗也可以维持与初期相同的状态、性能。
文档编号B32B15/01GK101837478SQ2010101434
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者土岐均, 野原康弘 申请人:双叶电子工业株式会社