专利名称：：表面被覆工具及被切削物的加工方法
技术领域：
：本发明涉及在基体的表面形成被覆层的膜而成的表面被覆工具及被切削物的加工方法。
背景技术：
：现今，在冲头或镦锻机等冷锻或热锻工具等耐磨工具、切削工具之类的工具中，需要有耐磨损性或滑动性、耐缺损性。此种工具中，使用的是在WC基超硬合金、TiCN基金属陶瓷、陶瓷、金刚石或cBN等硬质材料基体的表面形成各种被覆层的膜而提高耐磨损性、滑动性、耐缺损性的方法。作为该被覆层，一般来说广泛采用TiCN层或TiAlN层，然而为了实现更高的耐磨损性和耐缺损性的提高，进行过各种改善。例如，在日本特开2001-293601号公报中，记载有在基体的表面被覆了含有选自B4C、BN、TiB2、TiB、TiC、WC、SiC、SiNx(x=0.51.33)及A1203中的至少一种非常高硬度的超微粒化合物的耐磨损性被膜的切削工具，公开有通过含有超微粒化合物来提高被膜的硬度的内容。另外，在日本特开平10-251831号公报中，公开有如下的硬质被覆层，其在形成TiAlMN系硬质被覆层的膜后，实施加热氧化处理，形成在TiAlMN系的底材中分散分布了Al氧化物及M氧化物等的组织。另外，在日本特开2002-129306号公报中，公开有如下的复合硬质膜，其在TiAlN系硬质膜中，分散组成比率与膜的底材不同的TiAlN复合氮化物分散粒子；或含有与膜的底材不同的元素的TiAlVN、TiAlZrN、TiAlCrN等分散粒子，将膜强化。
发明内容根据本发明之一的观点，表面被覆工具具备基体、设于该基体的表面而将Ti和W作为氮化物或碳氮化物含有的被覆层，上述被覆层具备基质、分散于该基质中的分散粒子，该分散粒子的W含量大于上述基质的W含量，并且上述基质与上述分散粒子中的W含量的差大于其他成分的含量的差。根据本发明的其他观点，被切削物的加工方法具备3个工序。在最初的工序中，准备具有由上述的表面被覆工具构成的切削刃的切削工具。在其后的工序中，使切削工具的切削刃接触被切削物。在最后的工序中，利用切削工具对被切削物进行切削加工。图1是本发明的一个实施方式的表面被覆工具的被覆层的透过型电子显微镜(TEM)照片。图2是本发明的另一个实施方式的工具的被覆层的透过型电子显微镜(TEM)照片。图3是针对图2中显示于被覆层中的柱状粒子(A部)及粒状粒子(B部)的能量色散型分光分析(EDS)数据。其中，1基体，2被覆层，3柱状粒子，4粒状粒子，5粗大粒子(小滴droplet)具体实施例方式下面，对作为本发明的实施方式的表面被覆工具的表面被覆切削工具进行说明。表面被覆切削工具(以下简称为工具)中，形成前面与后面的交叉棱线为切削刃的形状。此外，被覆层2将基体1的表面覆盖。这里，被覆层2由含有Ti和W的氮化物或碳氮化物构成。根据图1及图2，基质由柱状粒子3构成。此外，在柱状粒子3内或柱状粒子3间的至少一方中存在有分散粒子。而且，根据图1及图2，分散粒子形成粒状粒子4，图l及2中成为近似球状的球状粒子。此外，如图3所示，粒状粒子4的组成(B部)相对于柱状粒子3的组成(A)来说W的含量更多，并且柱状粒子3的组成(A部)与粒状粒子4(B部)的各自的组成中的W的含量的差大于其他的成分的含量的差。利用上述构成，可以减少在被覆层2的内部产生的残留应力，即使在被覆层2的厚度厚达3nm以上的情况下，也不会有自行破坏的情况。由此，就会成为没有局部的缺口或剥离的稳定的被覆层2，并且被覆层2的韧性高，耐缺损性提高。而且，本发明中，所谓柱状粒子3是指被覆层2的厚度方向(晶体长度(垂直于与基体的界面的方向)/晶体宽度(平行于与基体的界面的方向)=纵横比为1.5以上的晶体。另外，从图l、2中可以清楚地看到，本发明的柱状粒子并不仅限于纵剖面为纵长的长方形形状，也可以形成纵向的头端逐渐变细的三角形形状。另外，也有在基质中存在如图l所示的粗大粒子5的情况。另一方面，本发明的所谓粒状粒子4是指上述纵横比小于1.5的晶体，然而在本发明中，从提高残留应力的缓解效果的方面考虑，最好分散粒子(粒状粒子4)的截面形状为圆形，且没有多角形那样的角部，立体地看是球状的球状粒子。这里，粒状粒子4的组成如图3所示的图1的被覆层2的组成那样，将W作为必需元素含有，然而为了改善粒状粒子4的硬度及韧性，最好除了W及氮(N)以外，还含有Ti、Al、M、Si、Co。根据该组成的被覆层2，分散粒子(粒状粒子4)的组成也可以是由WNX(其中，0《x《l。)构成，然而为了提高耐缺损性，例如优选由(Ti!-".eAlaMbWe)(C"Nx)z(其中，M是选自将Ti和W除外的周期表4、5、6族元素、稀土类元素及Si中的一种以上，0《a《0.4，0《b《0.5，0.01《c《l，0.2《x《l，0.1《z《l。)构成。另外，对于柱状粒子3的组成，由于可以提高柱状粒子3与粒状粒子4的密合性而提高耐缺损性，因此例如优选由(TVa.b.cAlaMbWc)(d.yNy)z(其中，M是选自将Ti和W除外的周期表4、5、6族元素、稀土类元素及Si中的一种以上，0.4《a《0.7，0《b《0.5，0.01《c《0.3，0.2《y《l，0.9《z《l.l。)构成。而且，上述构成中，对于被覆层2的整体的组成，由于可以维持作为工具来说必需的耐磨损性和耐缺损性，因此优选由(TVa-b.eAlJVIbWc)(Ci.yNy)z(其中，M是选自将Ti和W除外的周期表4、5、6族元素、稀土类元素及Si中的一种以上，0.4《a《0.65，0《b《0.5'0.01《c《0.3'0.2《y《l，0.9《z《l.l。)构成。特别是，上述组成当中，作为M优选以0.010.05(15原子％)的比率含有Si，该组成区域中，被覆层2的氧化开始温度变高而使抗氧化性提高，切削时的耐磨损性提高，并且可以抑制容易产生于切削刃头端的崩刀，耐缺损性提高。而且，该情况下，从在耐磨损性抗氧化性方面最为优异的方面考虑，优选作为金属M含有Nb或Mo。另外，作为上述被覆层2的非金属成分的C、N是在对于切削工具所必需的硬度及韧性方面优异的元素，为了抑制产生于被覆层2表面的粗大粒子(小滴)5，y(N含量)的特别优选的范围是0.5《y《l。这里，根据本发明，上述被覆层2的组成可以利用能量色散型X射线分光分析法(EDX)或X射线光电子分光分析法(XPS)来测定。此外，即使将上述被覆层2厚膜化到3um以上，被覆层2也很难崩刀，即使被覆层2的膜厚为0.56um，也可以防止被覆层2剥离或崩刀，可以维持足够的耐磨损性。这里，基于可以提高被覆层2的韧性的原因，最好粒状粒子4的平均粒径为5200nm。另外，为了提高被覆层2的硬度及强度而提高耐磨损性，最好柱状粒子3的平均晶体宽度为50500nm。另外，基于可以提高被覆层2的耐缺损性，并且可以维持被覆层2的耐磨损性的原因，最好截面组织观察中的分散粒子(粒状粒子4)的存在比率为0.125面积％。截面组织观察中的分散粒子(粒状粒子4)的存在比率的特别优选的范围为0.110面积％,进一步优选的范围为0.15面积％。另外，基于粒状粒子4的韧性高并且可以提高耐塑变性的原因，最好分散粒子(粒状粒子4)的外周部的N含量(xsuf)大于该分散粒子(粒状粒子4)的中心部的N含量(xin)。另外，基于提高表面被覆工具的高温时的抗氧化性的原因，最好被覆层2的表面的A1含量bs大于基体l的附近的Al含量bb;特别优选上述bs与上述bb的比(bs/bb)为U1.25。此外，最好在相当于推测抗氧化性的评价方法的将上述构成的表面被覆工具在大气中、IOO(TC保持1小时的试验中的重量变化率小于2.5%。而且，作为基体l，除了可以合适地使用由以碳化钨或碳氮化钛为主成分的硬质相和以钴、镍等铁族金属为主成分的粘结相构成的超硬合金或金属陶瓷以外，还可以合适地使用由以氮化硅或氧化铝为主成分的陶瓷；将由多晶金刚石或立方晶氮化硼构成的硬质相、陶瓷或铁族金属等粘结相在超高压下烧成的超高压烧结体等硬质材料。另外，还可以使用钢或高速钢。(制造方法)下面，对作为本发明的表面被覆工具的一例的表面被覆切削工具的制造方法进行说明。首先，使用以往公知的方法制作工具形状的基体1。然后，在基体1表面形成被覆层2的膜。作为被覆层2的成膜方法，可以合适地应用离子镀法、溅射法等物理蒸镀(PVD)法。如果对成膜方法的一例进行详细说明，则在利用离子镀法制作被覆层2的情况下，使用分别独立地含有金属钛(Ti)、金属铝(Al)、金属钨(W)、金属硅(Si)、金属M(M是选自Nb、Mo、Ta、Hf、Y中的一种以上)的金属靶或复合化了的合金靶，利用电弧放电或辉光放电等将金属源蒸发并电离，同时使之与氮源的氮(N2)气或碳源的甲垸(CH4)/乙炔(C2H2)气体反应而成膜。另外，通过作为成膜气氛导入氮(N2)气和氩(Ar)气的混合气体，使得成膜室内达到l10Pa，就会提高被覆层2与基体的密合力和硬度。此时，作为靶，使用作为主靶的第一靶和作为副靶的第二靶两种。第二靶可以举出由氮化钨(WN)制成的、由氮化钨(WN)和钨(W)的混合物制成的、由以氮化钨(WN)和根据所需使用的钨(W)的混合物为主而在其中还含有Ti源或Al源的混合物制成的。第一靶由用于供给剩下的成分的组成构成。这样，通过使用这两种靶，利用离子镀法或溅射法形成被覆层2的膜，就可以制作在上述的基质(柱状粒子3)中分散了W含量多的分散粒子(粒状粒子4)的被覆层2。而且，作为被覆层2的成膜方法，最好采用可以控制被覆层2的晶体结构及取向性而制作高硬度的被覆层2的离子镀法或溅射法，为了提高与8基体1的密合性，尤其优选使用离子镀法在施加30200V的偏压的条件下成膜。另外，通过与上述第三靶分开地准备金属铝(Al)单质或金属铝(Al)的含量多的第三耙，在成膜后半段提高对该靶的放电功率，就可以形成被覆层表面的A1含量bs大于上述基体附近的Al含量bb的被覆层。虽然通过切削工具的实施方式对本发明进行了说明，然而本发明并不限定于不重磨刀片或钻头、立铣刀等切削工具，也可以应用于冲头或镦锻机等冷锻或热锻工具等耐磨工具、整体型的切削工具之类的其他工具中。实施例1相对于平均粒径0.5um的碳化钨(WC)粉末，添加10质量％的金属钴(Co)粉末、合计1质量X的比例的碳化钒(VC)粉末和碳化铬(Cr3C2)粉末，混合，以立铣刀形状成形而烧成。此后，在经过了研削工序后，依次利用碱、酸、蒸馏水清洗表面，制作了外径16mm的4片刃立铣刀基体。此后，在向安装有表1、2所示的主靶和副靶的电弧离子镀装置或溅射装置内安放了上述基体并加热为55(TC后，形成了表l、2所示的被覆层的膜。而且，成膜条件是采用氮气与氩气的混合气体，在总压力为4Pa的气氛中，基体的加热温度设为55(TC，设为表l所示的偏压。另外，在电弧离子镀法中电弧电流设为150A，在空心阴极离子镀法中电流设为200A，在溅射法中功率设为5000W。另外，通过改变各靶的比率或配置，调整了分散粒子的存在比率等被覆层的组织或组成。对所得的立铣刀，使用Keyence公司制扫描型电子显微镜(VE8800)以500倍的倍率进行观察，使用附带在相同装置中的EDAX分析仪(AMETEKEDAX-VE9800)以15kV的加速电压利用作为能量色散型X射线分光分析法(EDX)的一种的ZAF法，进行了被覆层的整体组成的定量分析。另外，该方法中对于由于检测峰与其他的元素的检测峰重叠而无法测定的元素，例如对于检测峰与Ti的检测峰重叠的氮，使用PHI公司制X射线光电子分光分析装置(Quantum2000)，X射线源在测定区域约200um照射单色化A1K(200Um、35W、15kV)而进行测定，决定详细的组成。另外，根据截面显微镜照片测定了被覆层的层厚。将结果表示于表l、2中。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>*标记表示本发明的范围外的试样。1)方式AIP:电弧离子镀法、HC:空心阴极离子镀法SP:溅射法[表2〗<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>*标记表示本发明的范围外的试样。)方式AIP:电弧离子镀法、HC:空心阴极离子镀法SP:溅射法另外，利用透过型电子显微镜观察被覆层而确认W含量多的粒状粒子的有无，此外对基质(柱状粒子)及分散粒子(粒状粒子)利用能量色散分光分析法(EDS)对任意3个晶体定量组成，并且定量了中心部和外周部的N量。另外，对llxmX5um的任意3处区域算出了粒状粒子的面积比率。将结果表示于表35中。然后，使用所得的立铣刀，将立铣刀的切削刃碰触被切削物(被削材料)的加工部分，利用以下的切削条件进行了切削试验。将结果记载于表3、5中。切削方法肩加工(顺铣)被削材料SCM440切削速度80m/min进给速度0.025mm/刀切口切口深度ap-18mmX横切口ae=1.5mm切削状态鼓风评价方法90分钟切削后的崩刀的有无、后面磨损宽度测定<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>1)方式AIP:电弧离子镀法、HC:空心阴极离子镀法、SP:溅射法<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>根据表6、7，被覆层表面的Al含量的比率与被覆层的基体附近相比更高的试样No.2731、33、35及36中，被覆层表面的高温下的抗氧化性进一步提高，即使在苛刻的切削条件下，也显示出优异的切削性能。权利要求1.一种表面被覆工具，其特征在于，具备基体、设于所述基体的表面并将Ti和W作为氮化物或碳氮化物含有的被覆层，所述被覆层具备基质、分散于所述基质中的分散粒子，所述分散粒子的W含量大于所述基质的W含量，并且所述基质与所述分散粒子中的W含量之差大于其他成分的含量之差。2.根据权利要求1所述的表面被覆工具，其中，所述分散粒子由WNX构成，其中，0《x《l。3.根据权利要求1或2所述的表面被覆工具，其中，所述基质由柱状粒子构成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的表面被覆工具，其中，所述分散粒子由粒状粒子构成。5.根据权利要求3所述的表面被覆工具，其中，所述柱状粒子的平均宽度为50500nm。6.根据权利要求4所述的表面被覆工具，其中，所述粒状粒子的平均粒径为5200nm。7.根据权利要求1至6中任一项所述的表面被覆工具，其中，所述被覆层由(TVa-b.cAUVIbWc)(d-yNy)z构成，其中，M选自除Ti和W之外的周期表4、5、6族元素、稀土类元素及Si中的一种以上，0.4《a《0.65，0《b《0.5，0.01《c《0.3，0.2《y《l,0.9《z《l.l。8.根据权利要求1至7中任一项所述的表面被覆工具，其中，截面组织观察中的所述分散粒子的存在比率为0.125面积％。9.根据权利要求1至8中任一项所述的表面被覆工具，其中，所述分散粒子的外周部的N含量Xsuf大于所述分散粒子的中心部的N含量xin。10.根据权利要求1至9中任一项所述的表面被覆工具，其中，所述被覆层的表面的Al含量bs大于所述被覆层的所述基体附近的Al含量bb。11.根据权利要求IO所述的表面被覆工具，其中，所述bs与所述bb的比(bs/bb)为1.11.25。12.根据权利要求10或11所述的表面被覆工具，其中，将所述表面被覆工具在大气中、IOO(TC保持1小时后的重量变化率小于2.5%。13.—种被切削物的加工方法，其特征在于，具备准备具有由权利要求1至12中任一项所述的表面被覆工具构成的切削刃的切削工具的工序，使所述切削工具的所述切削刃接触被切削物的工序，利用所述切削工具对所述被切削物进行切削加工的工序。全文摘要本发明提供一种表面被覆工具，具备基体、设于基体的表面而将Ti和W作为氮化物或碳氮化物含有的被覆层。被覆层具备基质、分散于基质中的分散粒子。分散粒子的W含量大于基质的W含量，并且基质与分散粒子中的W含量的差大于其他成分的含量的差。此外，准备具有由该表面被覆工具构成的切削刃的切削工具，使切削工具的切削刃接触被切削物，利用切削工具对被切削物进行切削加工。文档编号B23B27/14GK101557896SQ200780046059公开日2009年10月14日申请日期2007年12月17日优先权日2006年12月25日发明者松泽正人,胁真宏申请人:京瓷株式会社