专利名称：表面被覆切削工具及其制造方法
技术领域：
本发明涉及包括基材以及在该基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具和制造该表面被覆切削工具的方法。
背景技术：
传统上，存在已知的包括基材和在基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具，在所述表面被覆切削工具中包括TiCN层作为所述被覆膜。例如，日本专利特开No. 2008-087150(专利文献I)提出了这样的尝试通过将碳相对于碳与氮总数的原子比设定为0. 70至0. 90作为TiCN层的组成，从而改善耐磨性和耐朋裂性。 另外，日本专利特开No. 2006-231433(专利文献2)提出了这样的尝试通过相对于TiCN层的晶粒的晶面提供特定的倾斜角度分布，从而改善耐崩裂性。引用列表专利文献专利文献I :日本专利特开No. 2008-087150专利文献2 :日本专利特开No. 2006-23143
发明内容
技术问题如专利文献I中所公开，虽然通过提高碳相对于碳与氮总数的原子比作为TiCN层的组成可靠地改善了耐磨性，但是相反，被覆膜更可能从基材剥离，结果是，当工具用于断续切削等时，耐崩裂性不足。另一方面，如专利文献2中所公开，虽然通过相对于TiCN层的晶粒的晶面提供特定的倾斜角度分布从而可靠地改善了耐崩裂性，但是被覆膜本身不能高度地硬化，结果是，当工具用于连续切削等时，耐磨性不足。特别指出的是，耐磨性因以下事实而变得不充分在切削铸铁等过程中，工件附着到切削刃上。鉴于上述情况进行本发明。本发明的一个目的是提供一种表现出显著改善的耐磨性和耐崩裂性的表面被覆切削工具。解决问题的方案本发明的表面被覆切削工具包括基材以及在该基材上形成的被覆膜。该被覆膜包括至少一层TiCN层。该TiCN层具有柱状结晶区。该柱状结晶区的组成为TiCxNy (其中
0.65 ( x/ (x+y) ( 0. 90)，(422)面的面间距为 0.8765A 至0.8790A，并且 TC(220)在取
向指数TC(hkl)中显示出最大值。在这种情况中，优选的是，该被覆膜包括至少一层氧化铝层，并且该氧化铝层由a型氧化铝形成并且平均厚度为2 y m至15 y m。另外，本发明还涉及制造包括基材和在该基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具的方法，其中所述被覆膜包括至少ー层TiCN层。该方法包括形成TiCN层的步骤。该步骤的特征是毎分钟将体积等于或大于化学气相沉积装置的反应室的体积10倍的原料气供应至所述化学气相沉积装置，并将反应温度设定为820°C至950°C，从而通过化学气相沉积法形成所述TiCN层。本发明的有益效果
如上所述构造本发明的表面被覆切削工具，从而实现耐磨性和耐崩裂性得到显著改善的优异效果。本发明的实施方式下文将对本发明进行更详细地说明。〈表面被覆切削工具〉本发明的表面被覆切削工具具有包括基材和在该基材上形成的被覆膜的构造。优选的是，该被覆膜覆盖基材的整个表面。然而，即便基材的一部分没有被该被覆膜覆盖、或者被覆膜的构造在局部上是不同的，这种结构仍不脱离本发明的范围。上述的本发明表面被覆切削工具可以适当地用作切削工具，如钻头、立铣刀、钻头用切削刃可替换型割嘴(cutting tip)、立铣刀用切削刃可替换型割嘴、铣削用切削刃可替换型割嘴、车削用切削刃可替换型割嘴、金属用锯、齿轮用切削工具、铰刀和丝锥。< 基材 >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，只要该材料传统上已知是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的材料或含有WC和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、钻石烧结体等中的任ー种。在这些多祥的基材中，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強度(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。<被覆膜>本发明的被覆膜可以包括其它的层，只要其包括至少ー层TiCN层即可。其它层的实例可以包括氧化铝层、TiN层、TiBNO层、TiCNO层等。本发明的这种被覆膜起到这样的作用覆盖基材以实现改善诸如耐磨性和耐崩裂性等若干特性的效果。适宜的是,本发明的这种被覆膜具有10 μ m至30 μ m、更优选10 μ m至25 μ m的厚度。当厚度小于IOym时，耐磨性可能不足。当厚度超过30 μ m时，当在断续加工过程中在被覆膜和基材之间施加相对较强的应カ时，被覆膜可能相当频繁地发生剥离或破裂。〈TiCN 层〉本发明被覆膜中所包含的TiCN层具有柱状结晶区。该柱状结晶区的特征在干，其组成为TiCxNy (其中O. 65彡Xバx+y)彡O. 90)，(422)面的面间距(d值)为0.8765A至0.8790A，并且TC(220)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值。如上所述构造本发明的TiCN层，从而实现耐磨性和耐崩裂性得以显著改善的优异效果。据认为这种效果源自以下事实通过增加柱状结晶区的碳氮化钛中碳相对于碳与氮总数的原子比，从而改善了针对エ件的抗粘着性和耐磨性，并且还源自以下事实通过对(422)面的面间距进行限定以落入指定的范围，从而引起晶体内部的应变变化，并且TC(220)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值，从而引起柱状晶体沿着垂直于基材表面的方向一起生长，这导致被覆膜的均匀磨损；结果，这些协同效果使得在不降低耐剥离性的情况下改善了耐崩裂性。本发明人进行的研究显示了以下结果当不控制(422)面的面间距时，上述数值χ/(χ+y)越大，则被覆膜越容易从基材剥离。该结果表明，提高上述数值χ/(χ+y)，从而提高了硬度并实现了优异的耐磨性，但在断续切削等时被覆膜容易破裂，导致耐崩裂性差。因而，本发明人已经进行了进ー步研究以寻找这样的条件在仍保持上述数值χパχ+y)高的同吋，耐崩裂性不下降。随后，本发明人发现可以通过控制TiCN的柱状晶体的晶面来改善与基材的耐剥离性。通过进ー步反复研究，本发明人还发现(422)面的面间距被控制在0.8765A 至0.8790A。换句话说，本发明的TiCN层中耐磨性和耐崩裂性均明显得以改善的原因主要在于，通过将数值x/(x+y)设定落在上述范围内，从而引起耐磨性的改善，并且还在于通过将(422)面的面间距设定落在上述范围内，从而引起耐崩裂性的改善。另外，TC(220)在取向 指数TC(hkl)中显示出最大值的事实有助于这些效果的改善。TiCN层是指由碳氮化钛(TiCN)构成的层。另外，如上文所述，本发明的TiCN层的特征在于至少具有柱状结晶区作为其一部分。具体而言，该TiCN层可以完全仅由柱状结晶区形成，或者可以通过包括柱状结晶区和其它结晶区(如粒状结晶区)而形成。在本发明中，柱状结晶区是指由柱状晶体构成的区域。这种柱状晶体在大致垂直于基材表面的方向(即，在被覆膜的厚度方向)上生长。这种柱状晶体例如具有50nm至500nm的宽度(直径)和IOOOnm至IOOOOnm的长度。在本发明的TiCN层通过包括柱状结晶区和其它结晶区(如粒状结晶区)而构成的情况下，优选如此设定柱状结晶区在TiCN层中的比例，使得相对于整个TiCN层的厚度，柱状结晶区的厚度是50%或更高，并且优选是70%或更高。当柱状结晶区的厚度小于50%时，可能不能实现本发明TiCN层的上述效果。应当指出，对柱状结晶区的比例的上限不作特别限制。这是因为在本发明中该TiCN层可以仅由柱状结晶区构成。此外，对应于其它结晶区的粒状结晶区是指由粒状晶体构成的区域。粒状晶体不是指像柱状晶体那样在ー个方向上生长的晶体，而是指具有大致球形或不定形状并且粒度为IOOnm至IOOOnm的晶体。在本发明的TiCN层通过包括柱状结晶区和其它结晶区(如粒状结晶区)而构成的情况下，优选在基材侧形成其它结晶区，并且在被覆膜的表面侧形成柱状结晶区。如上文所述的构造可以提供以下优点在温度上升/冷却至某种程度的过程中因基材与被覆膜之间的热膨胀系数差而产生的热应カ可以减轻，以分散造成裂纹发展的能量。此外，在本发明的TiCN层以这种方式通过包括柱状结晶区和其它结晶区(如粒状结晶区)而构成的情况下，此TiCN层可以看做是具有双层结构，所述双层结构包括仅由柱状结晶区构成的TiCN层和仅由其它结晶区构成的第二 TiCN层。然而，无论以何种方式看待TiCN层，这种结构均不脱离本发明的范围，并且区分上文所述的结构没有意义。如上文所述，本发明的TiCN层的特征在于，其在柱状结晶区中的组成为TiCxNy (其中O. 65彡x/(x+y)彡O. 90)。该组成是指TiCN中碳相对于碳与氮总数的原子比增加。当x/(x+y)小于O. 65时,不能实现足够的硬度和润滑性，因此耐磨性未改善。另外，当x/(x+y)超过O. 90吋，TiCN层变得极脆，导致耐冲击性(耐崩裂性)降低。χ/(x+y)的更优选范围是O. 67至O. 87。此外，就TiCxNy中“Ti ”相对于“C”与“N”总和的原子比而言，假定“Ti ”是I吋，“C”与“N”的总和优选设定为O. 80至I. 10。在本发明中，就化学式“TiCN”和“TiCxN/而言，“ Ti”并不一定表示该原子比是1，而是表示包括常规已知的每种原子比(关于这ー点，除非另外说明，稍后描述的“TiN”、“TiCNO”、“TiBNO”等中的每ー者也都具有常规已知的每种原子比)。应当指出，可以通过使用EDX(能量色散X射线光谱)装置測量被覆膜的截面来检查包括TiCN层组成(碳和氮之间的原子比)的被覆膜的组成。另外，可以通过使用XRD(X射线衍射)装置測量衍射图案来检查稍后描述的氧化铝层的晶体形状等。 另外，本发明的TiCN层的特征在于，在柱状结晶区中(422)面的面间距是0.8765A至0.8790A。当(422)面的面间距小于0.8765A时，不能在铸铁切削中充分地实现耐磨性。另外，当(422)面的面间距超过0.8790A时，晶体中的应变增加，这导致耐崩裂性和耐剥离性降低。(422)面的面间距的更优选范围是0.8767A至0.8786A。 如上文所述的(422)面的面间距可以通过使用XRD(X射线衍射)装置进行测量来计算。例如，优选采用如下文所描述的测量条件。特征性X射线Cu-Ka单色仪石墨(002)面发散狭缝1°散射狭缝1°光接收狭缝0. 15mm扫描速度6° /分钟扫描步长0.03。另外，本发明TiCN层的柱状结晶区的特征在于，TC(220)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值。这里，取向指数TC(hkl)由以下等式(I)定义。[等式I]TCQjkP)=聊、聊、I-(1)在等式(I)中，I(hkl)表示(hkl)面的X射线衍射強度，并且根据JCPDS (粉末衍射标准联合委员会(粉末X射线衍射标准))，I0 (hkl)表示形成(hkl)面的TiC和TiN的X射线粉末衍射强度的平均值。应当指出，(hkl)代表包括(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)和(511)在内的8个面，并且等式(I)右侧中的大括号表示这8个面的平均值。TC(220)在取向指数TC(hkl)中显示最大值的意思是，当使用等式(I)来计算上述全部8个面的取向指数TC (hkl)时，TC(220)显示最大值。换句话说，这表明，TiCN的柱状晶体強烈地沿(220)面取向。以这种方式将(220)面定义为取向面，使得所述柱状晶体沿着垂直于基材表面的方向一起生长。这使得被覆膜均匀地磨损，从而使得耐磨性和耐崩裂性改善。适宜的是,本发明的这种TiCN层的厚度为5 μ m至16 μ m,并且更优选为7 μ m至13ym0当其厚度小于5μπι时，在连续加工中TiCN层可能不能够充分地发挥耐磨性。当该厚度超过16 μ m吋，耐崩裂性可能在断续切削中不稳定。<氧化铝层>除上述TiCN层以外，本发明的被覆膜优选还包括至少ー层氧化铝层。本发明的这种氧化铝层由α型氧化铝构成，并且平均厚度为2μπι至15μπι。这种氧化铝层在耐氧化性方面是优异的，在抵抗因钢的高速切削期间产生的热所致的磨损(氧化磨损)方面是优异的，并且在切削铸件时在抗粘着性方面也是优异的，因此其是优选的。由于本发明的氧化铝层具有如上文所述的效果，因此相对于上述TiCN层，这种氧化铝层优选形成在被覆膜的表面侧上。此外，当氧化铝层的厚度小于2μπι时，高速切削过程中的耐磨性可能变得不足。另外，当氧化铝层的厚度超过15 μ m时，在断续切削中抗破裂性可能降低，并且可能出现经 济上的不利。氧化铝层更优选的平均厚度是3μπ 至ΙΟμπ 。<其它层>本发明的被覆膜可以包括除上述TiCN层和氧化铝层之外的层。这种其他层的实例可以包括但不限干，由TiN、TiC、TiBN等形成并且在基材上直接形成以进ー步增强基材与被覆膜之间粘附性的底层，由TiCN0、TiBN0等形成并且在TiCN层和氧化铝层之间形成以改善二者之间粘附性的中间层，由TiN、TiCN、TiC等形成并且在被覆膜的最外表面上形成以指示诸如切削刃是否已经使用过或未曾用过的最外层，等。通常可以形成厚度为O. 5μηι至2. Ομπι的上述其它层。<制造方法>本发明还涉及制造包括基材和被覆膜的表面被覆切削工具的方法，其中所述被覆膜在该基材上形成并且包括至少ー层TiCN层。所述制造方法包括形成TiCN层的步骤。这个步骤的特征是毎分钟将体积等于或大于化学气相沉积装置的反应室的体积10倍的原料气供应至所述化学气相沉积装置，并将反应温度设定为820°C至950°C，从而通过化学气相沉积法形成所述TiCN层。换句话说，如上文所述的本发明TiCN层(特别是其柱状结晶区)可以通过上述的制造方法而形成。因而，在本发明的制造方法中，将原料气以大的流量导入化学气相沉积装置并设定反应温度落在指定的范围内，以使得在该装置的反应室内部出现原料气的强制对流，从而可以形成具有上文所述特征的TiCN层的结构。关于为何通过采用上述条件使得TiCN层被构造为具有如上文所述的特征结构的详细机制尚不清楚。然而，据推測，这是因为在TiCN层的晶体内部产生特定应变的同时，该晶体可能可以生长。在这种情况下，根据在反应室中形成TiCN层时的温度和压力，来确定体积(其表示上述原料气的流量)。当上述原料气的流量小于化学气相沉积装置的反应室的体积10倍时，不能稳定地形成本发明的TiCN层。另外，对上述原料气的流量上限不需要进行特别限制。然而，考虑到化学气相沉积装置的持久性和破裂风险以及待生成的TiCN层的均匀性，优选将所述上限设定为不超过反应室体积的20倍。另外，将反应温度设定为850°C至950°C，更优选设定为880°C至920°C。当反应温度小于850°C时，难以形成其中TC(220)显示出最大值的TiCN层。当反应温度超过950°C时，在基材是WC-Co的情况中可能生成η相(Co3W3C^PCo6W6Ch由于这种H相是极脆的，并且在基材与被覆膜之间的界面处生成的这种n相可能导致切削工具的性能特征显著下降，因此该η相是不优选的。然而，在形成底层作为除TiCN层之外的层并且将形成底层的反应温度设定为相对较高的温度(如900°C至950°C )的情况下，TiCN层可以在相对较低的温度(如820°C至850°C )下形成。待使用的上述原料气的组成可以包括这样的组成其传统上已知作为通过化学气相沉积法形成TiCN层时所用的原料气，而无任何特别限制。该组成的实例可以包括由TiCl4XH3CNX2H4和H2构成的混合气体。优选的是在这种混合气体中特别使用C2H4 (こ烯)并且增加H2的混合比，这使得即使在相对低的成膜温度下也能改善TiCxNy膜中的x/(x+y)比。关于本发明的TiCN层，只要采用上述条件，则可以将传统上已知的条件用于其它条件(如压カ)，而无任何特别限制。此外，当本发明的被覆膜包括除TiCN层之外的层时，这些层可以通过常规已知的化学气相沉积方法和物理气相沉积方法形成。虽然对其形成方 法没有特别限制，但鉴于以下事实这些层可以在ー个化学气相沉积装置内与TiCN层一起连续地形成，因此优选通过化学气相沉积方法来形成这些层。
实施例下文将參考实施例对本发明进行更详细地说明，但是本发明不限于此。〈基材的制备〉制备了下表I中所示的5种类型的基材A至E。具体而言，将具有表I中所示共混组成的原料粉末均一地混合并且模制成预定的形状，然后将其在1300°C至1500°C下烧结I至2小时，从而形成由硬质合金构成并且形状为CNMG120408N-GZ的基材(由SumitomoElectric Hardmetal Corp.制造)。[表 I]
权利要求
1.一种表面被覆切削工具，包括 基材；以及 在所述基材上形成的被覆膜，其中 所述被覆膜包括至少一层TiCN层， 所述TiCN层具有柱状结晶区，并且 所述柱状结晶区的组成为TiCxNy (其中0. 65 ( x/(x+y) ( 0. 90)，(422)面的面间距为.0.8765A至0.8790A，并且TC(220)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值。
2.根据权利要求I所述的表面被覆切削工具，其中 所述被覆膜包括至少一层氧化铝层，并且 所述氧化铝层由a型氧化铝形成，并且平均厚度为2 至15 ym。
3.—种制造包括基材和在该基材上形成的被覆膜的表面被覆切削工具的方法，所述被覆膜包括至少一层TiCN层，所述方法包括形成所述TiCN层的步骤， 所述步骤是这样进行的每分钟将体积等于或大于化学气相沉积装置的反应室的体积10倍的原料气供给至所述化学气相沉积装置，并将反应温度设定为820°C至950°C，从而通过化学气相沉积法形成所述TiCN层。
全文摘要
本发明的表面被覆切削工具包括基材和在该基材上形成的被覆膜。该被覆膜包括至少一层TiCN层。该TiCN层具有柱状结晶区。该柱状结晶区的特征在于，其组成为TiCxNy(其中0.65≤x/(x+y)≤0.90)，(422)面的面间距为至并且TC(220)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值。
文档编号B23B27/14GK102858483SQ20118000382
公开日2013年1月2日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年4月21日
发明者阿侬萨克·帕索斯, 冈田吉生, 小岛周子, 金冈秀明, 岩井惠里香, 森本浩之 申请人:住友电工硬质合金株式会社