CN100479955C - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

一种表面被覆切削工具，其具有基材和在基材上形成的被覆膜，其中所述的被覆膜具有硬质层，所述的硬质层由选自至少一种主要元素以及B、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物构成，所述的主要元素选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属，并且其中所述的硬质层满足下面：(a)在根据纳米压痕硬度测试，(hmax-hf)/hmax为0.2至0.7，其中hmax表示最大压痕深度和hf表示卸载后的压痕深度(凹痕深度)，(b)所述的硬质层的膜厚度为0.5至15μm，和(c)根据纳米压痕方法的硬度为20至80GPa。

Description

表面被覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种包含在基材表面上的被覆膜的切削工具。更具体地，它涉及一种具有优异耐磨损性、优异耐断裂性和耐碎裂性和能够改善切割性能的表面被覆切削工具。

背景技术

通常，将为了改善耐磨损性和表面保护功能而在包含WC基硬质合金、金属陶瓷或高速钢的基材表面上的AlTiSi的氮化物或碳氮化物的被覆膜的工具称作切削工具或耐磨损工具(例如，参考专利文献1)。

但是，为了适应下面描述的最近趋势，工具的切削刃温度倾向于在切割中不断提高，需要工具的特性越来越严格。例如，可以列举：

1.考虑到地球环境保护需要没有润滑剂(冷却剂)的干式加工，

2.使加工过的材料(加工件)多样化，和

3.为了进一步改善加工效率而提高切削速度。

在这点上，例如，专利文献2公开通过下面的方法同样在干式高速切割过程改善切割工具性能：立即在基材上提供TiN膜，同时在其上提供TiAlN膜，并且还在其上提供TiSiN膜。根据该专利，由于当提供TiAl化合物膜作为被覆膜时，通过切削期间膜表面的氧化而形成的氧化铝层，可以抑制解决这种内膜氧扩散的问题，同时通过通常不能防止氧化进行的动态切削，立即在氧化铝层之下形成的多孔Ti氧化层，而更容易使氧化铝层分离，没有形成前述的多孔Ti氧化层，但是通过在膜表面上提供具有非常高的耐氧化性的致密TiSi化合物膜达到性能的改善。

专利文件1：日本专利公开No.7-310174

非专利文件1：日本专利公开No.2000-326108

发明内容

本发明要解决的问题

但是，为了解决在没有任何润滑剂的情况下进行高速/高效加工或干燥加工，仅考虑被覆膜在前述高温下的安全性是不够的。换言之，有必要考虑在不导致分离或断裂的情况下如何长期在具有优异粘附性的基材表面上保持被覆膜的优异特性。

图1是显示切削工具的典型切削刃结构的示意性截面图。在基材10中，切削刃通常由如图1所示的侧面11和前面12构成，并且在大多数情况下，由侧面11和前面12形成的角度α成锐角或直角。当在这种形状的切削刃上形成被覆膜20时，与侧面11和前面12的厚度a和b相比，切削刃的前端厚度c扩大。

图2A至2C显示切削工具的被覆膜磨损过程的示意性截面图。在描述具有前述被覆膜20的切削工具中切削刃的理想磨损的过程中，磨损从位于切削刃的前端上的被覆膜20部分逐渐发展，达到如图2C所示的基材10，此后基材10连同被覆膜20一起损耗的同时，暴露出基材10，如图2C所示。

但是，本发明人详细研究切削工具的磨损状态，发现磨损不是如上面所述的图2A至2C所示发展，而是，不仅被覆膜20而且基材10切削刃的前端已经在初始切削中消失，如图3所示，从而暴露基材10，这被认为从它的构型被断裂。此外，还认为在基材10中，暴露部分13已经被氧化。因此，虽然在前述专利文献2中描述了具有优异耐氧化性的被覆膜，但是由于在初始切削中基材的暴露，可以想象难以显著改善工具寿命。图3是表示切削工具被覆膜有碎裂状态的示意性截面图。

因此，在严格条件下，用于高速加工或干燥加工的切削工具中，不仅改善被覆膜工作的抗氧化性自然是重要的，而且抑制在初始切削中引起的切削刃上的断裂或碎裂，即抑制基材的暴露是重要的。

因此，本发明的一个目的是提供一种表面被覆切削工具，其具有耐氧化性和耐磨损性，以及被覆膜改善的断裂性和耐碎裂性，以达到优异切削性能。

解决该问题的手段

根据本发明的一个方面，一种表面被覆切削工具包含基材上的被覆膜，同时所述的被覆膜包含硬质层，所述的硬质层由选自至少一种主要元素以及B、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物构成，所述的主要元素选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属，并且所述的硬质层满足下面：

(a)(hmax-hf)/hmax为至少0.2和不超过0.7，

假定在根据纳米压痕的硬度测试中，

hmax表示最大压痕深度并且hf表示卸载后的压痕深度(凹痕深度)，

(b)所述的硬质层的厚度为至少0.5μm和不超过15μm，和

(c)根据纳米压痕的硬度为至少20GPa和不超过80GPa。

优选硬质层由选自Ti、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物的化合物组成。

优选硬质层由选自(Ti_1-x-yAl_xSi_y)(0≤x≤0.7，0≤y≤0.2)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物的化合物组成。

优选主要元素包含选自B、Mg、Ca、V、Cr、Zn和Zr中的至少一个附加元素，和主要元素包含低于10原子％的所述附加元素。

优选硬质层由选自(Al_1-a-b-cCr_aV_bSi_c)(0≤a≤0.4，0≤b≤0.4，0≤c≤0.2，a+b≠0，0<a+b+c<1)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物的化合物组成。

优选被覆膜还包含在基材表面和硬质层之间形成的中间层，所述的中间层由Ti的氮化物、Cr的氮化物、Cr和Ti中的任何一种构成。

优选中间层的厚度为至少0.005μm和不超过0.5μm。

优选基材由WC基硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、氮化硅烧结体和包含氧化铝和碳化钛的烧结体中的任何一种构成。

优选表面被覆切削工具是钻头、端铣刀、切削刃可更换型铣用插入物、切削刃可更换型车削用插入物、金工用锯、齿轮切削工具、铰刀和丝锥中的任何一种。

优选通过物理气相淀积涂敷被覆膜。

优选物理气相淀积是电弧离子电镀或磁控管溅射。

发明效果

如上文所述，根据本发明的表面被覆切削工具，不仅通过高硬度和优异耐磨损性而且通过具有特定弹性回复，可以达到优异耐断裂性和耐碎裂性的特定效果。因此，本发明的工具可以有效抑制在初始切削中基材连同被覆膜断裂。因此，在本发明的工具中，在没有冷却剂的情况下的高速切削或干燥切削中，被覆膜很难分离或碎裂，并且可以改善工具寿命。本发明特别适合在提高切削刃的温度的切削条件下的切削，例如高速/干燥切削、断续切削或重切割。

附图简述

图1是显示切削工具的典型切削刃结构的示意性截面图。

图2A是显示切削工具用的被覆膜的磨损过程、说明在理想磨损状态的初始切削阶段的示意性截面图。

图2B是显示切削工具用的被覆膜的磨损过程、说明在理想磨损状态的中间切削阶段的示意性截面图。

图2C是显示切削工具用的被覆膜的磨损过程、说明在理想磨损状态的最后切削阶段的示意性截面图。

图3是显示常规切削工具在初始切削阶段状态的示意性截面图。

图4A是一种硬度试验，显示根据纳米压痕硬度试验的状态的模型图。

图4B是说明另一种硬度试验，显示维氏微硬度试验的状态的模型图。

图5是显示在由纳米压痕将压头插入被覆膜表面的情况下，压痕负载和压痕深度之间关系的概念图。

实施本发明的最佳方式

根据本发明，除了通过对在基材上提供的被覆膜的组成、厚度和硬度进行限定外，还通过对特定性能进行限定，更具体而言对弹性回复进行限定，达到前述目的。

换言之，本发明提供一种表面被覆切削工具，其包含基材上的被覆膜，并且所述的被覆膜包含硬质层，所述的硬质层由选自至少一种主要元素以及B、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物构成，所述的主要元素选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属，同时所述的硬质层满足下面(a)至(c)：

(a)(hmax-hf)/hmax为至少0.2和不超过0.7，

假定在根据纳米压痕的硬度测试中，

hmax表示最大压痕深度并且hf表示卸载后的压痕深度(凹痕深度)，

(b)所述的硬质层的厚度为至少0.5μm和不超过15μm，和

(c)根据纳米压痕的硬度为至少20GPa和不超过80GPa。

为了达到切削工具寿命的延长，重要的是改善切削刃特别是被覆膜的耐断裂性和耐碎裂性。本发明人经过研究，认识到：如果在切削时，可以使被覆膜变形至一定程度以跟随向切削刃施加的负载，可以抑制在初始切削中导致断裂或碎裂。换言之，当被覆膜具有特定的弹性回复时，可以改善耐断裂性和耐碎裂性。因此，根据本发明，在硬质层中特别限定弹性回复。将(hmax-hf)/hmax用作弹性回复，假定在根据纳米压痕的硬度测试中，hmax表示最大压痕深度并且hf表示卸载后的压痕深度(凹痕深度)。现在详细描述本发明。

根据本发明，被覆膜包含由前述特定化合物构成的硬质层。被覆膜可以仅由这种硬质层构成，或还可以包含中间层或稍后描述的最外层。硬质层可以是单层或多层。假设硬质层满足对于前述(a)弹性回复，(b)厚度和(c)硬度的限定的上述要求。当硬质层是多层时，总厚度可以满足前述要求(b)，和安置在相对于整个硬质层的特定深度上的层可以满足前述要求(a)和(c)。更具体地，假定纳米压痕用的压头的凹痕深度约为总厚度的1/10，例如，安置在这种厚度上的层可以满足前述要求(a)和(c)。

现在描述纳米压痕。纳米压痕，其是一种硬度测试(参考＂Tribologist＂，Vol.47，No.3(2002)，第177至183页)，是一种从压头上的压痕负载和不同深度之间的关系得到硬度的技术(以下称为技术1)，这不同于在常规努普硬度测量或维氏硬度测量中从在压头压痕后的凹痕状得到硬度的技术(以下称为技术2)。根据技术2，压头30上压痕负载如图4B所示的大，以至于被覆膜20的物理性能评估不仅是被覆膜20的物理性能评估，而且受位于被覆膜20下面的基材10的影响。据说，为了在不受被覆膜20下面提供的基材10的影响下测量被覆膜20的硬度，需要设置压头30的压痕深度至不超过厚度约1/10。例如，假定被覆膜20的厚度为1μm，将压头30的压痕深度理想地设置为不超过100nm。但是，根据技术2，用光学显微镜观察凹痕的尺寸W，因此，当进行前述压痕时，难以精确测量凹痕形状。另一方面，根据技术1，同样当将压头30的压痕深度设置为不超过被覆膜20厚度约1/10时，由于机械测量可以精确测量压痕深度h(图4A)。

图5是显示在由纳米压痕将压头插入被覆膜表面的情况下，压痕负载P和压痕深度h之间的关系。根据技术2，通常，通过逐渐提高压头上的负载直到最大负载，并且在达到最大负载Pmax后进行卸载直到零，来测量压痕深度。另一方面，根据技术1，不仅测量卸载后压头深度h，而且测量压头压痕的最大压痕深度hmax。因为被覆膜的弹性回复是通过最大压痕深度hmax和卸载后的凹痕深度hf之间的差值hmax-hf得到的，本发明人将(hmax-hf)/hmax定义为显示弹性回复的指数。

被覆膜容易弹性变形，但是，如果前述的弹性回复非常大，其柔软性是如此过度以至于可能恶化耐磨损性，虽然被覆膜的硬度提高显示优异的耐磨损性，但是如果弹性回复小，被覆膜很难弹性变形，以至于在切削中冲击容易产生断裂或碎裂。因此，设置下限为0.2，作为有效改善耐断裂性和耐碎裂性的弹性回复，和设置上限为0.7，作为对达到优异耐磨损性所必须的弹性回复。更优选弹性回复为至少0.3和不超过0.65。

如上所述弹性回复也受硬度影响，因此，为了得到优异的耐磨损性和耐碎裂性(耐断裂性)的切削工具，优选纳米压痕测量的硬质层的硬度至少为20GPa和不超过80GPa。因此，根据本发明，如上限定纳米压痕测量的硬度。更优选硬度为至少25GPa和不超过60GPa，更优选为至少25GPa和不超过50GPa，再优选为至少25GPa和不超过40GPa。特别是在加工例如连续旋转接受少量反复冲击，优选具有更高硬度的膜具有优异的耐磨损性。例如，可以通过在相同膜形成条件(温度、气压、偏压等)下改变组成，来控制硬度。当组成保持不变时，可以通过改变膜形成条件，更具体地，膜形成中的温度、气压、偏压等，来控制硬度。为了达到至少50GPa的高硬度，具体地，例如，提高基材的偏压超过常规水平。更具体地，优选设置偏压为-250至-450V。当基材的偏压设置高时，如此提高离子的入射能，以便增加在膜形成中引入膜表面的晶格缺陷数量，并且在构成膜的晶体中保留显著的应变。因此，如此提高残留的应力，以便作为结果，可以想得到地提高膜的硬度。

根据本发明，假定在根据纳米压痕的硬度测试中控制压头的压痕深度不超过膜厚度的1/10的状态下，施加压痕负载，以不受在被覆膜下面提供的基材影响。根据本发明，还假定根据前述的硬度测试控制压痕负载中的纳米压痕测量硬度。可以通过众所周知的纳米压痕设备控制压痕负载。

将硬质层的厚度设置为至少0.5μm和不超过15μm。如果厚度低于0.5μm，认为耐磨损性没有得到了改善，但是，如果厚度高于15μm，硬质层中的残留应力增加，从而不优选地降低与基材的粘合强度。更优选地，厚度为至少1.0μm和不超过7.0μm。在测量中，例如，通过切割切削工具和用SEM(扫描电子显微镜)观察其断面，可以得到厚度。此外，通过改变膜形成时间可以改变厚度。

具有前述特性的硬质层由选自至少一种主要元素以及B、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物构成，所述的主要元素选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属。换言之，可以使用或者包含前述一种主要元素的化合物或者包含至少两种前述元素的化合物。例如，该化合物可以包含选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属中的至少一种元素和选自B、Al和Si中的至少一种元素。

例如可以列举的优选硬质层是包含Ti、Al和Si中的至少一种元素作为主要元素的膜。换言之，可以列举由Ti、Al或Si的氮化物、Ti、Al或Si的碳氮化物、Ti、Al或Si的氧氮化物或Ti、Al或Si的碳氮氧化物构成的膜。此时，特别优选膜由选自(Ti_1-x-yAl_xSi_y)(0≤x≤0.7，0≤y≤0.2)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物组成。前述元素的所有下标1-x-y、x和y表示原子比，表示主要元素(在这种情况下，三种元素Ti、Al和Si)作为整体的原子重量。

在前述的化合物(Ti_1-x-yAl_xSi_y)中，假定Ti、Al和Si中的至少一种是作为硬质层的组成元素所必须的和包含至少Ti。为了改善耐氧化性，优选元素包含Al，而如果Al含量过大，膜的硬度降低，相反可能导致加速磨损。因此，设定Al含量(原子比)x为0≤x≤0.7。更优选设定Al含量为0.3≤x≤0.65。为了改善膜的硬度，优选元素包含Si，而如果Si含量过大，导致膜易脆，相反可能导致加速磨损。当在用热等静压压制制备作为膜原材料的合金靶的情况下，元素包含Si的比率y超过0.2时，在制备期间可能使合金靶破裂，从而导致不能得到可用于形成(涂布)膜的材料强度。因此，将Si含量(原子比)y设置为0≤y≤0.2。更优选Si含量为0.05≤y≤0.15。可以通过改变形成膜的原材料的原子比率如合金靶的原子比率，来改变Ti、Al和Si的含量(原子比)1-x-y、x和y。

当硬质层包含Ti时，这种膜具有优异的韧性。因此，同样，当向涂层施加负载应力例如冲击时，防止这种膜自裂以便可以抑制小分离或破裂的出现。结果，改善了耐磨损性。当硬质层包含Cr时，还可以改善膜的耐氧化性。

由包含Ti、Al和Si中至少一种的化合物特别是包含Ti的化合物组成的前述硬质层，优选包含选自B、Mg、Ca、V、Cr、Zn和Zr中的至少一种附加元素。更具体地，优选主要元素包含至少10原子％的附加元素。可以进一步改善包含这些元素的膜的硬度，虽然还不知道详细的机理。还考虑到在切削期间通过表面氧化形成的这些元素的氧化物具有使Al氧化物致密化的功能，优选硬质层包含这些元素。此外，具有这些优点，即具有低熔点的B和V氧化物在切削中起着润滑剂的作用，和Mg、Ca、Zn和Zr的氧化物具有抑制工件粘结的作用。

至于另一个优选硬质层，由选自(Al_1-a-b-cCr_aV_bSi_c)(0≤a≤0.4，0≤b≤0.4，0≤c≤0.2，a+b≠0，0<a+b+c<1)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物的化合物组成。这种硬质层不包含Ti而含有Al作为金属组分，以便不仅可以改善耐氧化性而且提高了导热率，由此可以从工具表面排除在切削中产生的热量。此外，可以想到的是，具有改善了工具表面的润滑性的功能，并且可以减少耐切削性和通过改善耐沉积性而改善碎片排放性。因此，优选Al含量最大化，而如果Al含量过分大时，膜硬度倾向于下降。因此，优选将Al含量设置为起着这种膜主组分的水平，更具体优选为至少50原子％，而为了防止膜硬度的下降，优选将上限设置为75原子％。换言之，优选1-a-b-c的范围为至少0.50和不超过0.75。特别优选该范围为至少0.6和不超过0.7(至少60原子％和不超过70原子％)。因此，优选a+b+c的范围为至少0.25和低于0.50(至少25原子％和低于50原子％)，特别优选为至少0.3和低于0.45(至少30原子％和低于45原子％)。前述元素的所有下标1-a-b-c、a、b和c表示原子比，表示相应元素相对于主要元素(在这种情况下，Al、Cr、V和Si四种元素)总量的比率。前述的“原子％”还表示每种元素相对于主要元素总量100％的比率。

此外，这种硬质层除Al外，还包含至少一种Cr或V。当硬质层包含至少一种Cr或V时，可以形成在常温和常压下显示亚稳定相的立方Al化合物。至于氮化物，例如AlN，其通常是六边形，当改变为立方亚稳定相时，显示出的晶格常数计算值为4.12

。另一方面，在常温和常压下显示立方稳定相的CrN或VN具有的晶格常数为4.14

，其与前述的立方AlN的晶格常数非常接近。因此，将AlN从六边形状改变为立方状，并且由于所谓的则亨(ziehen)效应改善了硬度。换言之，由于膜的立方晶体结构，可以改善包含Cr或V膜的硬度，以具有优异的耐磨损性。因此，优选将Cr或V的含量设置为0≤a≤0.4或0≤b≤0.4(其中a+b≠0)。如果含量a或b超过0.4，可能的是膜的硬度相反降低，从而导致耐磨损性下降。当硬质层包含V时，膜表面由于切削时的高温环境而被氧化，而可以期望这样的效果，即具有低熔点的V氧化物起着切削中润滑剂的作用，以抑制工件的沉积。当硬质层包含Cr时，可以期望这样的效果，即通过切削期间的表面氧化形成的Cr氧化物使Al氧化物致密化，从而改善了膜硬度。因此，为了进一步改善耐磨损性，优选加入Cr，但是不过分引入，更优选该范围为0≤a≤0.4、0≤b≤0.4和0<a+b≤0.4。

当硬质层包含Si时，将膜的精细结构从200至500nm的柱状结构细化为不超过100nm的针状结构，以有助于膜硬度的改善。另一方面，如果Si含量过大，膜容易变脆，以至于合金靶制备期间可能破裂，其中没有材料强度能够承受膜形成用的使用。因此，优选将Si含量设置为0≤c≤0.2。例如通过TEM(透射电子显微镜)观察，可以检查该精细结构。

为了改善前述硬质层和基材之间的粘附性，被覆膜还可以包含基材表面和硬质层之间的中间层。特别是当中间层由Ti的氮化物、Cr的氮化物、Ti和Cr中任何一种构成时，相对于硬质层和基材两者具有优异粘附性的前述元素或氮化物，优选可以通过进一步改善粘合力和有效防止硬质层与基材分离而延长工具寿命。优选中间层的厚度为至少0.005μm和不超过0.5μm。如果厚度低于0.005μm，很难得到粘合强度的改善，但是如果厚度超过0.5μm，没有得到粘合力的进一步改善。硬质层和中间层都可以具有相同的组成，以便例如两层可以是TiN膜。此时，由硬质层构成的膜可以满足前述的条件(a)至(c)。特别是当膜由PVD形成时，由于进入基材的离子的入射能，使Ti和Cr成为非常活泼的状态，导致原子在基材中和被覆膜中的扩散，因此包含Ti和Cr的中间层可以显示作为优异粘合力层的作用。因此，与没有中间层(不含Ti或Cr)的情况相比，可以抑制硬涂层与基材分离，由此切削工具的耐磨损性得到了改善，所以可以延长切削寿命。

包含Ti或Cr的中间层，比硬涂层的硬度低，还具有在初始切削中吸收在切削刃上的冲击的作用，并且还可以抑制在初始切削中造成的切削刃断裂。

此外，被覆膜还可以包含碳化物或碳氮化物的膜作为最外层。更具体地，可以列举TiC、TiCN、TiSiCN和TiAlCN。当本发明人通过在800℃样品温度的盘上针(pin-on-disc)试验，研究评估含铁材料例如钢的工件的卡住状态时，在包含碳化物或碳氮化物作为最外层的膜的切削工具中，很难承认卡住，并且降低了耐摩擦性，但是详细机理还不清楚。因此，可以想到的是，作为最外层提供的碳化物或碳氮化物的膜降低了耐切削性，从而有助于延长工具寿命。

通过能够形成具有高结晶度的化合物的膜形成方法，适当制备包含硬质层、中间层和最外层的前述被覆膜。作为研究各种膜形成方法的结果，本发明人认为优选采用物理气相淀积。至于物理气相淀积，可以列举例如平衡磁控管溅射、不平衡磁控管溅射、离子电镀等。具体地，具有原材料元素用的高离子化程度的电弧离子电镀(阴极电弧离子电镀)是最佳的。当采用阴极电弧离子电镀时，在被覆膜形成前可以相对于基材表面进行金属离子轰击处理，由此可以显著改善被覆膜的粘附性，并且同样，还考虑到粘附性，这是优选方法。

为了形成具有前述特定弹性回复的硬质层，可以列举硬质层中的晶粒细化。更优选将平均粒径设定为至少2nm和不超过100nm。至于细化晶粒的方法，可以列举例如在前述膜形成方法中的膜形成后进行淬火。在通过物理气相淀积的膜形成中，通常在膜形成后进行退火。另一方面，当不进行退火而进行淬火时，得到细晶粒，虽然没有被完全理解，并且在这种精细结构的情况下，想得到的是，获得了前述特定的弹性回复。至于淬火，例如可以列举的是，采用允许水冷却的基材支架和水冷却基材支架的操作。如上所述的控制膜组成的操作，更具体地引入适量的Si的操作，也有助于细化。

根据本发明，优选基材由选自WC基硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼(cBN)烧结体、金刚石烧结体、氮化硅烧结体和包含氧化铝和碳化钛的烧结体中的任何一种构成。

至于WC基硬质合金，可以使用的是，主要由碳化钨(WC)组成的硬质相和主要由铁族金属例如钴(Co)组成的粘结相构成的并且是通常经常使用的硬质合金。此外，还可以使用的是，包含由选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的过渡金属元素中的至少一种和选自碳、氮、氧和硼中的至少一种组成的固溶体的那些硬质合金。至于固溶体，例如，可以列举(Ta，Nb)C、VC、Cr₂C₂或NbC。

至于金属陶瓷，可以使用的是，由固溶体相、粘结层和不可避免的杂质组成的并且是通常经常使用的金属陶瓷，所述的固溶体相由选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的过渡金属元素中的至少一种和选自碳、氮、氧和硼中的至少一种组成，并且所述的粘结层由至少一种铁类金属组成。

至于高速钢，例如，可列举JIS下的W基高速钢例如SKH2、SKH5或SKH10，或Mo基高速钢例如SKH9、SKH52或SKH56。

至于陶瓷，例如，可以列举的是碳化硅、氮化硅、氮化铝或氧化铝。

至于cBN烧结体，可以列举的是包含至少30体积％的cBN的烧结体。更具体地，可以列举下面的烧结体：

(1)包含至少30体积％和不超过80体积％的cBN和余下的由粘合剂、铁族金属和不可避免杂质组成的烧结体。粘合剂包含选自下列中的至少一种：属于元素周期表中第4a、5a和6a族元素的氮化物、硼化物中碳化物及其固溶体，和铝化合物。

在前述cBN烧结体中，cBN粒子，主要通过上面所述的粘合剂在强粘合下粘合，所述的粘合剂与经常用作工件的铁具有低的亲合力，改善耐磨损性和基材的强度。将cBN含量设定为至少30体积％，如果cBN含量低于30体积％，因为cBN烧结体的硬度是如此容易降低，以至于硬度对切削工件如具有高硬度的硬化钢不足。将cBN含量设定为不超过80体积％，因为如果cBN含量超过80体积％，通过粘合剂难以将cBN粒子相互粘合，从而可以导致降低cBN烧结体的强度。

(2)包含至少80体积％和不超过90体积％的cBN(其中cBN粒子相互粘合)以及其余由粘合剂和不可避免杂质组成的烧结体。粘合剂主要由Al化合物或Co化合物构成。

在这种cBN烧结体中，通过用包含具有催化作用的Al或Co金属或金属间化合物的原料进行液相烧结，可以使cBN粒子相互粘合，并且可以提高cBN粒子的含量。虽然由于cBN粒子含量高容易导致耐磨损性下降，但是cBN粒子形成如此强的骨架结构，以致于切削工具具有优异的耐断裂性并且能够在严格条件下切削。将cBN含量设定为至少80体积％，因为如果cBN含量低于80体积％，则难以通过cBN粒子相互粘合来形成骨架结构。将cBN含量设定不超过90体积％，因为如果cBN含量超过90体积％，由于具有催化作用的前述粘合剂的不足而形成了未烧结部分，从而导致cBN烧结体的强度下降。

至于金刚石烧结体，可以列举包含至少40体积％的那些金刚石烧结体。更具体地，可以列举下面的烧结体：

(1)包含50至98体积％的金刚石和其余由铁族金属、WC和不可避免的杂质构成的烧结体。至于铁族金属。特别优选Co。

(2)包含85至99体积％的金刚石和其余由孔、WC和不可避免的杂质构成的烧结体。

(3)包含60至95体积％的金刚石和其余由粘合剂和不可避免的杂质构成的烧结体。粘合剂包含铁族金属、选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属中的至少一种和WC。更优选的粘合剂包含Co、TiC和WC。

(4)包含60至98体积％的金刚石和其余由硅或碳化硅、WC和不可避免的杂质构成的烧结体。

至于氮化硅烧结体，可以列举的是包含至少90体积％氮化硅的烧结体。具体地，优选包含通过HIP(热等静压压制烧结)粘结的至少90体积％氮化硅的烧结体。在这种烧结体中，优选其余由粘合剂组成，粘合剂由选自氧化铝、氮化铝、氧化钇、氧化镁、氧化锆、氧化铪、稀土金属、TiN、TiC中的至少一种和不可避免的杂质组成。

至于包含氧化铝和碳化钛的烧结体，烧结体包含至少20体积％至80体积％的氧化铝和至少15体积％和不超过75体积％的碳化钛和其余由选自Mg、Y、Ca、Zr、Ni、Ti的氧化物和TiN中的至少一种粘合剂和不可避免的杂质组成。具体地，优选氧化铝含量至少为65体积％和不超过70体积％，碳化钛含量至少为25体积％和不超过30体积％，粘合剂为至少选自Mg、Y和Ca的氧化物中的至少一种。

可列出的认为根据本发明的工具是选自钻头、端铣刀、切削刃可更换型铣用插入物、切削刃可更换型车削用插入物、金工用锯、齿轮切削工具、铰刀和丝锥中的任何一种。

虽然现在通过参考实施例详细描述本发明，但是不认为本发明受这些实施例的限制。

(实施例1)

制备下面用于研究耐磨损性的表面被覆切削工具。

(1)样品的制备

在众所周知的阴极电弧离子电镀设备的基材支架上，安置具有JIS下插入物形状SPGN120308的由JIS下等级P30的硬质合金制备的每种基材。至于基材支架，使用允许水冷却的基材支架。首先，降低腔室的内压力，并且在旋转基材支架的同时，用在设备中设置的加热器将插入物状的基材加热至650℃的温度，并且抽空腔室，直到内压力达到1.0×10^-4Pa。然后，将氩气引入腔室，以保持腔室的内压力在3.0Pa，逐渐将基材偏压电源的电压提高到1500V，用于清洁基材表面15分钟。然后，将氩气从该腔室外排出。

然后，安排用于起着被覆膜组分的金属蒸发源的合金靶，从氮、甲烷和氧中引入得到所需要的被覆膜用的气体，向阴极供给100A电弧电流，同时对于样品1至29、51和52，保持基材温度、反应气压和基材偏压分别为650℃、2.0Pa至-200V，并且对于样品30至32，保持基材偏压、反应气压和基材偏压分别为650℃、2.0Pa至-350V，用于由电弧蒸发源产生金属离子和形成被覆膜。当得到预定膜厚度时，停止向蒸发源供给电流。代替通常在这种状态下进行的退火，通过停止样品1至32中的前述电流而结束被覆，并且引入He气体充满该腔室，同时通过水冷却基材支架而淬火样品。常规地退火样品51和52。用膜形成次数改变膜厚度。根据该实施例，在相同的条件下形成相应的涂层，其中根据组成改变硬度水平。在膜形成中，通过引入氩气形成包含Ti的膜作为中间层的样品。被覆膜，在该实施例中是通过阴极电弧离子电镀形成的，可以备选地通过另一种技术例如平衡磁控管溅射或不平衡磁控管溅射来形成。

通过前述的步骤制备了包含基材上的被覆膜的样品1至34、51和52。表1表示相应样品的被覆膜的类型和厚度。表1所示的化合物的组成，是由该实施例中的XPS(X射线光电子分光光谱)证实的，还可以备选地通过在透射电子显微镜或SIMS(次级离子质谱法)上提供的微区EDX(能量分散X射线光谱)证实。通过纳米压痕测量硬质层的硬度水平。表2表示测量的硬度水平、最大压痕深度hmax和弹性回复值(hmax-hf)/hmax(其中，hf表示凹痕深度)。通过控制压痕负载进行根据纳米压痕的硬度测量，以便压头的压痕深度对于每种硬质层都不超过膜厚度的1/10。用纳米压头(MTS的Nano Indenter XP)进行这种测量。虽然当通过TEM观察研究其晶粒尺寸时，样品1至32都显示了平均粒径为2至100nm的精细结构，但是，样品51和52显示的平均粒径为200至500nm。具体地，在前述平均粒径中包含Si的硬质层显示较小值，并且具有精细的针状结构。

表1

表2

(2)耐磨损性的评估

至于得到的每种样品1至34、51和52，在表3所示的条件下，进行干式连续切削试验和断续切削试验，用于测量切削刃的侧面磨损宽度。表4所示为结果。

表3

 

	连续切削	断续切削
			工件	SCM435	SCM435
切削速度(m/分钟)	300	320
			进料比率(mm/rev.)	0.3	0.3
进料率(mm)	2.0	1.5
			切削时间(分钟)	40	50

表4

作为试验结果，包含具有特定组成和特定弹性回复值(hmax-hf)/hmax的被覆膜的所有样品1至34在没有断裂或碎裂下正常被磨损。具体地，理解为这些样品在高速干式加工或断续切削的严格条件下也具有优异的耐磨损性。此外，样品1至34还具有优异的粘附性，其中在切削期间被覆膜没有分离。因此，认为在样品1至34中，在初始切削中只有被覆膜磨损，并且可以逐渐地一起磨损被覆膜和基材。另一方面，弹性回复值(hmax-hf)/hmax低于0.2的样品51和52在初始切削中断裂。

在样品1至34中，包含Ti、Cr、TiN和CrN任何一种的中间层的那些样品具有特别优异的粘附性。此外，在样品1至34中，具有碳氮化物的硬质层的那些样品分别比具有氧氮化物和碳氮氧化物的硬质层的样品7、12和23对工件引起更少的卡住。因此，认为降低了耐切削性。在样品1至17、21和22中，包含B、Mg、Ca、V、Cr、Zn和Zr中至少一种的那些样品比其余样品的硬度更高。此外，理解为即使那些具有不含Ti的硬质层的样品也具有优异的切削性能，如样品18至29和31至34所示。

通过应用与前述样品1至34相同的中间层和硬质层，然后形成由TiC、TiCN、TiSiCN和TiAlCN中任一种组成的最外层，来制备另外的样品，并且在表3所示的条件下进行干式连续切削试验和断续切削试验。通过与上面相同的阴极电弧离子电镀形成最外层(厚度：0.5μm)。在这种情况下，在每种样品中难以引起卡住。因此，认为当提供由前述碳化物或碳氮化物任何一种组成的膜作为最外层时，还可以降低了工具的耐切削性和改善工具的长寿命。

(实施例2)

分别地，通过制备外径为8mm的多种钻头的基材(JIS下的硬质合金K10)并且在基材上形成被覆膜，得到包含被覆膜的钻头。提供与前述实施例1中的样品2、11、16、19、32、51和52的那些相同的被覆膜。将这些包含被覆膜的钻头用于钻孔SCM440(H_RC30)，评估工具寿命。

切削条件是：切削速度为90m/分钟、进料速率为0.2mm/rev.，不使用冷却剂(使用鼓风)和盲孔切削深度为24mm。当工件的尺寸精确度没有在限定范围时确定每种样品的工具寿命，并且用寿命结束之前形成的孔数量评估。表5所示为结果。

表5

如表5所示，证实与样品2-51和2-52相比，样品2-2、2-11、2-16、2-19和2-32的寿命得到显著改善。因为耐磨损性以及耐断裂性和耐碎裂性得到改善，想得到的是，可以改善寿命。

(实施例3)

分别地，通过与实施例1相同方法，制备外径为8mm的多种六沟端铣刀的基材(JIS下的硬质合金K10)，在基材上形成被覆膜，得到包含被覆膜的端铣刀。与前述实施例1中的2、11、16、19、32、51和52的那些相同方法制备被覆膜。使用这些包含被覆膜的端铣刀用于SKD 11(H_RC60)的端铣刀侧面切削，评估工具的寿命。

切削条件是：切削速度为200m/分钟、进料比为0.03mm/边，切削Ad深度为12mm，Rd为0.2mm，不使用冷却剂(使用鼓风)。当工件的尺寸精确度没有在限定范围时确定每种样品的工具寿命，并且用寿命结束之前的切削长度进行评估。表6所示为结果。

表6

如表6所示，证实与样品3-51和3-52相比，样品3-2、3-11、3-16、3-19和3-32的寿命得到显著改善。因为耐磨损性以及耐断裂性和耐碎裂性得到改善，想得到的是，可以改善寿命。

(实施例4)

通过使用基材用的cBN烧结体，制备切削插入物，用于由这些切削插入物进行切削和评估工具寿命。通过下面的方法得到每种cBN烧结体：在硬质合金锅和球中混合由40质量％的TiN和10质量％的Al组成的粘合剂粉末以及50质量％平均粒径为2.5μm的cBN粉末，向硬质合金容器中装料混合物，在5GPa压力和1400℃温度下烧结所述的混合物60分钟。将此cBN烧结体加工为具有ISO下的形状SNGA120408的切削插入物基材。制备多个这种插入物基材。为了得到包含被覆膜的切削插入物，通过与实施例1相同方法分别在这些插入物基材上形成被覆膜。提供与前述实施例1中的样品2、11、16、19、32、51和52的那些被覆膜相同的被覆膜。为了圆周铣削SUJ2，使用包含被覆膜的这些切削插入物，测量硬化的钢类型和侧面磨损厚度(Vb)。

切削条件是：切削速度为120m/分钟、切削深度为0.2mm、进料比为0.1mm/rev.和干式条件，并且切削进行30分钟。表7所示为结果。

表7

如表6所示，证实与样品4-51和4-52相比，样品4-2、4-11、4-16、4-19和4-32具有优良的耐磨损性以及耐断裂性和耐碎裂性改善。

Claims (19)

1.一种表面被覆切削工具，其包含基材上的被覆膜，其中

所述的被覆膜包含硬质层，所述的硬质层由选自至少一种主要元素以及B、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物构成，所述的主要元素选自属于元素周期表中第4a、5a和6a族的金属，并且

所述的硬质层满足下列条件：

(a)(hmax-hf)/hmax为至少0.2和不超过0.7，

假定在根据纳米压痕的硬度测试中，

hmax表示最大压痕深度并且hf表示卸载后的压痕深度，

(b)所述的硬质层的厚度为至少0.5μm和不超过15μm，和

(c)根据纳米压痕的硬度为至少20GPa和不超过80GPa。

2.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的硬质层由选自Ti、Al和Si的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物组成。

3.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的硬质层由选自(Ti_1-x-yAl_xSi_y)(0≤x≤0.7，0≤y≤0.2)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物组成。

4.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的主要元素包含选自B、Mg、Ca、V、Cr、Zn和Zr中的至少一种附加元素，和

所述的主要元素包含低于10原子％的所述附加元素。

5.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的硬质层由选自(Al_1-a-b-cCr_aV_bSi_c)(0≤a≤0.4，0≤b≤0.4，0≤c≤0.2，a+b≠0，0<a+b+c<1)的氮化物、碳氮化物、氧氮化物和碳氮氧化物中的化合物组成。

6.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的被覆膜还包含在基材表面和硬质层之间形成的中间层，并且

所述的中间层由Ti的氮化物、Cr的氮化物、Ti和Cr中的任何一种构成。

7.根据权利要求6的表面被覆切削工具，其中

所述的中间层的厚度为至少0.005μm和不超过0.5μm。

8.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的基材由WC基硬质合金、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、氮化硅烧结体和包含氧化铝和碳化钛的烧结体中的任何一种构成。

9.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的基材由金属陶瓷构成。

10.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是钻头。

11.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是端铣刀。

12.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是切削刃可更换型铣用插入物。

13.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是切削刃可更换型车削用插入物。

14.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是金工用锯。

15.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是齿轮切削工具。

16.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是铰刀。

17.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的表面被覆切削工具是丝锥。

18.根据权利要求1的表面被覆切削工具，其中

所述的被覆膜是通过物理气相淀积涂敷的。

19.根据权利要求18的表面被覆切削工具，其中

所述的物理气相淀积是电弧离子电镀或磁控管溅射。

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