表面被覆工具及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面被覆工具及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過在基材的表面上形成覆膜從而改進了以耐磨損性為代表的各種特性的切削 工具(表面被覆工具)是已知的[例如，參見日本專利未審查公開No.7-310174(專利文獻1)、 國際公開冊2006/070730(專利文獻2)、日本專利未審查公開如.8-127862(專利文獻3)和日 本專利未審查公開No. 2007-31779(專利文獻4)]。
[0003] 引用列表
[0004] 專利文獻
[0005] 專利文獻1:日本專利未審查公開No. 7-310174
[0006] 專利文獻2:國際公開W02006/070730
[0007] 專利文獻3:日本專利未審查公開No.8-127862
[0008] 專利文獻4:日本專利未審查公開No.2007-31779

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 技術(shù)問題
[0010] 近年來，在工業(yè)制品中廣泛地使用了所謂的"難切削材料"，如不銹鋼、Inconel?或 鈦合金。由于難切削材料是具有優(yōu)異的機械性能和熱性能的材料，因此在未來應(yīng)用范圍還 有望會擴大。然而，這樣的難切削材料字面上是難以切削的材料。一般難切削材料的熱傳導(dǎo) 率低，此外，這樣的材料與切削工具間的反應(yīng)性(親和性)高。因此，在難切削材料的切削中， 由于工具溫度的升高導(dǎo)致切削工具的磨損加速，并且難切削材料附著于工具的切削刃，這 可能會導(dǎo)致附著斷裂。
[0011] 為了使切削工具在加工難切削材料時的使用壽命更長，已經(jīng)提出了各種方案。例 如，專利文獻1提出了由氮化物或碳氮化物構(gòu)成的覆膜，其中將Si添加至代表公知的覆膜組 成的TiAIN中。然而，該覆膜具有單一組成，因此晶粒趨向于變粗。當在覆膜中產(chǎn)生裂紋時， 裂紋迅速沿晶粒邊界發(fā)展，這可能會導(dǎo)致斷裂。
[0012] 與此相比，專利文獻2提出了一種包括交替層的覆膜，其中在交替層中含有Cr的 AlCrN層和TiAIN層交替層疊。根據(jù)專利文獻2,用由彼此類型不同的材料構(gòu)成的單元層替代 具有單一組成的層，并使這些單元層交替層疊，并且各單元層的厚度為0.005μπι以上2μπι以 下，從而能夠抑制裂紋的蔓延。然而，這樣的交替層也有改善的空間。即，由于在交替層中彼 此相鄰的單元層由彼此不同類型的材料構(gòu)成，因此位錯傾向于累積于單元層之間的邊界附 近，并且在切削過程中可能發(fā)生剝離。
[0013] 鑒于上述問題，本發(fā)明第一個目的在于提供一種表現(xiàn)出穩(wěn)定的長壽命的表面被覆 工具。
[0014] 根據(jù)專利文獻1和2所公開的技術(shù)，基材和覆膜之間的密合性不足。因此，例如，當 對與工具用材料之間具有高親和性的材料(例如不銹鋼)進行切削時，會發(fā)生其中加工材料 附著至工具的切削刃并且覆膜從基材上剝離下來的所謂的附著斷裂，工具的使用壽命可能 縮短。
[0015] 關(guān)于基材和覆膜之間的密合性，專利文獻3提出了在基材與覆膜之間設(shè)置中間層， 該中間層的晶格延續(xù)至覆膜。根據(jù)該技術(shù)，在覆膜和中間層之間維持了良好的密合性。然 而，基材和中間層之間的密合性并不一定足夠高，在這一方面仍有改善的空間。
[0016] 為了提高基材與覆膜之間的密合性，專利文獻4提出了在基材(燒結(jié)合金）的表面 上形成凸出狀結(jié)合相，其形成平均高度Η在0.05以 111〈!1〈0.5(^111的范圍內(nèi)的大致三角形。然而， 燒結(jié)合金中結(jié)合相所占的比例保持為至多約10%。因此，雖然暴露在基材表面上的全部結(jié) 合相均能夠與覆膜接合，但是密合作用有限。此外，在基材由復(fù)合材料(例如WC-Co系硬質(zhì)合 金)制成的情況下，許多不同材料混合存在于覆膜和基材彼此接觸的界面處，不容易使所有 這些材料實現(xiàn)理想的緊密接觸。
[0017]如上所述，根據(jù)常規(guī)的技術(shù)，基材和覆膜之間的密合性不足，并且例如在將難切削 材料(例如不銹鋼或Inconel)用作加工材料時的嚴苛切削條件下，工具的使用壽命短。
[0018] 鑒于這樣的情況下，本發(fā)明的第二個目的在于提供一種表面被覆工具，其基材和 覆膜之間具有優(yōu)異的密合性，并且還能夠承受嚴苛的切削條件。
[0019] 問題的解決方案
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的表面被覆工具包括基材和形成在該基材上的覆膜， 該覆膜包括其中一層或多層A層和一層或多層B層交替地層疊的交替層，該A層和該B層各自 的厚度為2nm以上100nm以下，A層的平均組成表示為Ti aAlbSicN(0.5〈a〈0.8,0.2〈b〈0.4， 0·01〈c〈0 · 1，a+b+c = 1)，B層的平均組成表示為TidAleSifN(0 ·4〈d〈0 ·6，0· 3〈e〈0· 7，0·01〈f〈 0 · 1，d+e+f = 1)，并且滿足條件0 · 05〈a-cK 0 · 2和0 · 05〈e-b < 0 · 2。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的表面被覆工具包括基材和形成在該基材上的覆膜， 所述基材含有WC顆粒、以及含有Co并將WC顆粒相互結(jié)合在一起的結(jié)合相，該覆膜包括與基 材接觸的密合層、以及形成在密合層上的上部層，所述密合層的厚度為〇.5nm以上20nm以 下，并且密合層包含碳化物、氮化物或碳氮化物，該碳化物、氮化物或碳氮化物含有選自Cr、 Ti、Zr和Nb中的一種或多種元素、選自形成基材的元素中的一種或多種元素、以及選自形成 上部層的元素中的一種或多種元素。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的表面被覆工具的制造方法包括以下步驟：制備基 材，所述基材包含WC顆粒、以及包含Co并將WC顆粒相互結(jié)合在一起的結(jié)合相；以及在所述基 材上形成覆膜，所述形成覆膜的步驟包括以下步驟:將選自Cr、Ti、Zr和Nb中的一種或多種 元素附著到基材的表面上，在基材上形成密合層，以及在密合層上形成上部層，該密合層的 厚度為0.5nm以上20nm以下，并且形成密合層的步驟包括:通過使選自形成上部層的元素中 的一種或多種元素沉積在經(jīng)過附著步驟的表面上，從而生成碳化物、氮化物或碳氮化物的 步驟，該碳化物、氮化物或碳氮化物包含選自Cr、Ti、Zr和Nb中的一種或多種元素、選自形成 基材的元素中的一種或多種元素、以及選自形成上部層的元素中的一種或多種元素。
[0023]本發(fā)明的有益效果
[0024]根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明提供了一種呈現(xiàn)出穩(wěn)定的長壽命的表面被覆工具。
[0025]附圖簡要說明
[0026] 圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的表面被覆工具的構(gòu)造的一個實例的示意 性部分截面圖。
[0027] 圖2示出了截面TEM圖像，其示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的交替層的一個實 例。
[0028] 圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的成膜裝置的構(gòu)造的一個實例的示意性側(cè)面 透視圖。
[0029] 圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的成膜裝置的構(gòu)造的一個實例的示意性平面 透視圖。
[0030] 圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的表面被覆工具的構(gòu)造的一個實例的示意 性部分截面圖。
[0031] 圖6示出了截面TEM圖像，其示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的基材和覆膜之間的 界面的一個實例。
[0032] 圖7是圖6中所示密合層的放大圖。
[0033] 圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的成膜裝置的構(gòu)造的一個實例的示意性側(cè)面 透視圖。
[0034] 圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的成膜裝置的構(gòu)造的一個實例的示意性平面 透視圖。
[0035] 圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的表面被覆工具的制造方法的概要的流 程圖。
【具體實施方式】
[0036][本發(fā)明實施方案的說明]
[0037] 首先將對本發(fā)明的實施方案進行列舉說明。根據(jù)以下[1]至[4]，主要實現(xiàn)了本發(fā) 明的第一個目的。根據(jù)以下[5]至[13]，主要實現(xiàn)了第二個目的。
[0038] [1]根據(jù)本發(fā)明的一個實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，所述覆膜包括一層或多層A層和一層或多層B層交替地層疊的交替層，所述A層和所述 B層各自的厚度為2nm以上100nm以下，所述A層的平均組成表示為TiaAlbSi cN(0.5〈a〈0.8， 0 · 2〈b〈0 · 4，0 · 01〈c〈0 · 1，a+b+c = 1)，所述B層的平均組成表示為TidAleSifN(0 · 4〈d〈0 · 6，0 · 3 <e〈0 · 7，0 · 01 <f〈0 · 1，d+e+f = 1)，并且滿足條件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 (鈦)比A1(鋁）占更大比例的組成作為全部交 替層的平均組成。由此，可以抑制月牙洼磨損的發(fā)展。由于交替層包含少量的Si(硅），所以 交替層還具有抗氧化性。
[0040] 此外，在表面被覆工具中，與常規(guī)技術(shù)不同的是，采用了將有意使組成彼此接近的 兩種單元層(A層和B層）中的各單元層的一層或多層交替地層疊的交替層。如上所述，由于A 層和B層的構(gòu)成元素是共同的，并且其組成比彼此接近，因此宏觀觀察時整個交替層好似具 有單一組成。然而，A層和B層的平均組成滿足關(guān)系式0.05〈a-cK 0.2和0.05〈e-b < 0.2。因 此，在A層和B層之間存在微觀上的邊界(不會導(dǎo)致位錯的程度的微小應(yīng)變），可通過該邊界 將A層和B層區(qū)分為不同的層。因此，雖然覆膜在宏觀上看起來好似具有單一組成，但是當在 覆膜中產(chǎn)生裂紋時，在A層和B層之間的邊界處能夠抑制裂紋的蔓延。由于A層和B層的平均 組成彼此相近，因此晶格在A層和B層之間能夠連續(xù)，并且能夠確保A層與B層之間的密合性。 [0041 ]此外，將A層和B層各自的厚度限制為2nm以上1 OOnm以下。因此，形成各A層和B層的 晶粒是微細晶粒，晶界的面積增加，由此增強了在晶界處阻止塑性變形以及裂紋進展的作 用。
[0042] 通過以上作用的組合，使表面被覆工具展示出穩(wěn)定的長壽命。在此，A層和B層的 "平均組成"可以用透射電子顯微鏡-能量分散型X射線光譜法(TEM-EDX)測定。即，平均組成 可以通過如下方式測定：用TEM觀察覆膜的截面，同時在A層或者B層的任意5個點處對lnm的 點直徑進行TEM-EDX分析，并計算這5個點處獲得的各元素的組成比的算數(shù)平均值。
[0043] [2]在上述[1]中，優(yōu)選滿足條件1 <λΑ/λΒ〈5,其中λΑ表示A層的厚度，λΒ表示B層的 厚度。由此，提高了交替層的耐月牙洼磨損性，并阻止了裂紋的蔓延。
[0044] [3]在上述[1]或[2]中，所述覆膜優(yōu)選在其與基材接觸的部分中進一步包括密合 層，該密合層的厚度為〇.5nm以上20nm以下，并且所述密合層包含碳化物、氮化物或碳氮化 物，該碳化物、氮化物或碳氮化物包含選自Cr、Ti、Zr和Nb中的一種或多種元素、選自形成基 材的元素中的一種或多種元素、以及選自A1和Si中的一種或多種元素。
[0045] 由于覆膜所包括的密合層同時包含形成基材的元素以及形成覆膜的元素，并且還 包含選自Cr(鉻）、Ti、Zr(鋯)和Nb(鈮）中的一種或多種元素，因此基材和覆膜之間彼此牢固 地結(jié)合，并且進一步延長了工具的使用壽命。
[0046] 例如，可以通過如下所述的方法形成密合層。首先，利用選自Cr、Ti、Zr和Nb中的一 種或多種元素的離子對基材表面進行離子轟擊處理，從而清潔基材表面，并且選自Cr、Ti、 Zr和Nb中的一種或多種元素附著至基材表面上。此后，利用電弧離子鍍等將用于形成交替 層的元素(!1^1、31、《氣相沉積至所述表面上。由此，能夠形成作為覆膜的最底層(形成覆 膜的層中最接近基材的層）的密合層。通過以這種方法形成密合層，盡管實際上密合層是厚 度為0.5nm以上20nm以下的極薄的層，但是仍然能夠抑制覆膜從基材上剝離下來。
[0047] [4]在上述[3]中，基材優(yōu)選包含:含有WC的硬質(zhì)顆粒、以及包含Co并將硬質(zhì)顆粒彼 此結(jié)合在一起的結(jié)合相，并且所述密合層包含含有1、0、11^1和31的氮化物。
[0048]由于基材包含上述WC(碳化鎢)_Co(鈷）系硬質(zhì)合金，因此工具的耐磨損性得以提 高。此外，在此，當密合層包含含有1、0、1'^1和51的氮化物時，密合層與基材之間以及與 交替層之間的化學(xué)親和性均得以增強，并且基材和交替層能夠牢