表面被覆切削工具及其制造方法
【专利摘要】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)，并且(422)面的面间距为至
【专利说明】表面被覆切削工具及其制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002]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。
[0003]例如，日本专利特开N0.2008-087150(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。
[0004]另外，日本专利特开N0.2006-231433(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。
[0005]引用列表
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本专利特开N0.2008-087150
[0008]专利文献2:日本专利特开N0.2006-231433
【发明内容】
[0009]技术问题
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]解决问题的方案
[0014]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)，并且(422)面的面间距为0.8765A至0.8790A。
[0015]另外，优选的是，在所述柱状结晶区中，TC(422)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值。另外，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α型氧化铝形成并且平均厚度为2 μ m至15 μ m。
[0016]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一层TiCN层。该方法包括形成TiCN层的步骤。该步骤的特征是: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倍的原料气供应至所述化学气相沉积装置，从而通过化学气相沉积法形成所述TiCN层。
[0017]本发明的有益效果
[0018]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。
[0019]本发明的实施方式
[0020]下文将对本发明进行更详细地说明。[0021]〈表面被覆切削工具〉
[0022]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。
[0023]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。
[0024]< 基材 >
[0025]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T1、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一种。
[0026]在这些多样的基材中，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强度(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。
[0027]<被覆膜>
[0028]本发明的被覆膜可以包括其它的层，只要其包括至少一层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。
[0029]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。
[0030]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力时，被覆膜可能相当频繁地发生剥离或破裂。
[0031]〈TiCN 层〉
[0032]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于，其组成为TiCxNy (其中0.65≤x/(x+y)≤0.90)，并且(422)面的面间距(d值)为0.8765A至0.8790A。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，从而改善了针对工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，结果，在不降低耐剥离性的情况下改善了耐崩裂性。
[0033]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一步研究以寻找这样的条件:在仍保持上述数值x/(x+y)高的同时，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 过进一步反复研究，本发明人还发现(422)面的面间距被控制在0.8765A 至0.8790A。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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1000nm至1000Onm的长度。
[0037]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%至100%，并且优选是70%至100%。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一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100nm至1000nm的晶体。
[0038]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力可以减轻，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。
[0039]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0.65≤x/(χ+y) ≤0.90)。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0.65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0.90时，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0.67至0.87。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时，“C”与“N”的总和优选设定为0.80至1.10。在本发明中，就化学式“TiCN”和“TiCxNy”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(关于这一点，除非另外说明，稍后描述的“TiN”、“TiCNO”、“TiBNO”等中的每一者也都具有常规已知的每种原子比)。
[0040]应当指出，可以通过使用EDX (能量色散X射线光谱)装置测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)装置测量衍射图案来检查稍后描述的氧化铝层的晶体形状等。
[0041 ] 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。
[0042]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。
[0043]特征性X射线:Cu-Ka
[0044]单色仪:石墨(002)面
[0045]发散狭缝:1°
[0046]散射狭缝:1°
[0047]光接收狭缝:0.15mm
[0048]扫描速度:6° /分钟
[0049]扫描步长:0.03。
[0050]另外，优选的是，在本发明TiCN层的柱状结晶区中，TC(422)在取向指数TC(hkl)中显示最大值。这里，取向指数TC(hkl)由以下等式(I)定义。
[0051][等式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)，并且(422)面的面间距为0.8765A 至0.8790A。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，在所述柱状结晶区中，TC(422)在取向指数TC(hkl)中显示出最大值。
3.根据权利要求1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α型氧化铝形成，并且平均厚度为2μπι至15μπι。
4.一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，从而通过化学气相沉积法形成所述TiCN层。
【文档编号】C23C16/36GK103958098SQ201180003827
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2011年7月4日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】阿侬萨克·帕索斯, 冈田吉生, 金冈秀明, 小岛周子, 岩井惠里香 申请人:住友电工硬质合金株式会社