CN100488677C - 切削工具用硬质保护膜 - Google Patents
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Abstract
本发明针对以SKD11等为代表的高硬度淬硬钢，其切削工具的耐磨损性差的缺点，提供一种提高切削工具耐磨损性的切削工具用硬质保护膜。用于切削工具的保护膜是被覆在切削工具上的保护膜，其特征在于，其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和设置在最外层的第二保护膜构成，所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N、C组成；所述第二保护膜是氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物，并且这些化合物的金属和半金属成分的化学组成如下，其中以原子百分比计，X：10≤Cr≤30，Y：10≤Si≤40。Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
Description
技术领域
本发明涉及应用于高硬度钢切削加工等方面的一种切削工具的保护膜。
背景技术
以往，作为金属切削用工具上被覆的硬质耐磨损保护膜(下文中简称为硬质保护膜)，一直使用TiN，TiCN类保护膜，作为具有更优异的耐氧化性的硬质保护膜，最近，以特开昭62-56565号、特开平2-194159号为代表开发研制出了TiAlN类保护膜，于是，对淬硬钢等高硬度被切削材料的切削成为了可能。
近年来，为了进一步实现对高硬度材料(例如高硬度淬硬钢等)的切削，一直寻求一种能适应此要求的工具。在这种情况下，提出了日本专利3248897号公报和日本专利3248898号公报所公开的层叠TiAlN类保护膜与TiSiN类保护膜的硬质保护膜，以及日本专利3343727号公报和日本专利3347687号公报所公开的在上述TiAlN类保护膜与TiSiN类保护膜上进一步组合TiN类保护膜的硬质保护膜。
但是，对于以SKD11等为代表的高硬度淬硬钢的切削来说，即便是上述硬质保护膜，其耐磨损性也是不充分的，于是，需要开发具有更高耐磨损性的切削工具用硬质保护膜。
发明内容
本发明人等就保护膜组成及保护膜的构成进行了研究，发现通过提高硬质保护膜的耐氧化性和润滑性，可以解决上述课题。基于这种认识，本发明人等提供比以往具有更好的耐磨损性的切削工具用硬质保护膜，在对以SKD11等为代表的高硬度淬硬钢的切削过程中，其以往不充分的耐磨损性得到了提高。
下面对本发明的要点进行说明。
本发明的第1方案涉及具有下述特征的用于切削工具的硬质保护膜，其是设置在切削工具上的保护膜，其特征为：其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和位于最外层的第二保护膜构成，所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N、C组成；所述第二保护膜是氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物，并且这些化合物的金属和半金属成分的化学组成如下：
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
其中以原子％计，X：10≦Cr≦30，Y：10≦Si≦40。
本发明的第2方案涉及如方案1所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第二保护膜设置在第一保护膜上。
本发明的第3方案涉及如方案1所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，在第一保护膜与第二保护膜之间，设置了2层或2层以上交替层叠的中间第二保护膜和中间第一保护膜，所述中间第一保护膜与第一保护膜具有相同组成，所述中间第二保护膜与第二保护膜具有相同组成。
本发明的第4方案涉及如方案3所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，设置了2层或2层以上交替层叠的膜厚均小于等于0.2μm的中间第一保护膜和中间第二保护膜。
本发明的第5方案涉及如方案1～4中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜中所含的非金属元素的比例呈连续性或者非连续性的变化。
本发明的第6方案涉及如方案1～4中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，将第一保护膜中Ti的一部分，在原子百分比小于等于10％的范围内，用B、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
本发明的第7方案涉及如方案5所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，将第一保护膜中Ti的一部分，在原子百分比小于等于10％的范围内，用B、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
本发明的第8方案涉及如方案1～4中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，将第二保护膜中Ti的一部分，在原子百分比小于等于10％的范围内，用B、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
本发明的第9方案涉及如方案5所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，将第二保护膜中Ti的一部分，在原子百分比小于等于10％的范围内，用B、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
本发明的第10方案涉及如方案6所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，将第二保护膜中Ti的一部分，在原子百分比小于等于10％的范围内，用B、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
本发明的第11方案涉及如方案7所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，将第二保护膜中Ti的一部分，在原子百分比小于等于10％的范围内，用B、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
本发明的第12方案涉及如方案1～4中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第13方案涉及如方案5所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第14方案涉及如方案6所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第15方案涉及如方案7所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第16方案涉及如方案8所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第17方案涉及如方案9所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第18方案涉及如方案10所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明的第19方案涉及如方案11所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
本发明中紧挨着基材表面设置与基材密合性良好的第一保护膜，而最外层则设置具有优异的耐氧化性和润滑性的高硬度的第二保护膜。具有这样构成的保护膜的切削工具毫无疑问可以进行优质的切削加工，即使对高硬度淬硬钢等高硬度被切削材料进行切削加工，也可以尽可能地阻止切削工具的磨耗，从而可延长其寿命。
因此，本发明提供一种具有极好的耐久性和良好实用性的切削工具用硬质保护膜。
具体实施方式
本实施例涉及设置在切削工具上的保护膜，其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和设置在最外层的第二保护膜组成，所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N、C组成；所述第二保护膜由氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物构成，并且这些化合物的金属以及半金属成分的化学组成如下：
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
其中以原子％计，X：10≤Cr≤30，Y：10≤Si≤40。
将第二保护膜的组成设定在上述范围的理由如下。
本发明人等尝试着向TiSiN类的硬质保护膜中添加各种第3元素，证实了含有特定量的Cr可以提高保护膜的耐氧化性和润滑性。
即发现，仅以金属和半金属的原子百分比计，当Cr量小于10％时，其提高保护膜的耐氧化性和润滑性的效果小，当Cr量大于等于10％时，其表现出提高保护膜的耐氧化性和润滑性的作用，并且提高了被覆有该保护膜的切削工具相对于高硬度被切削材料的耐磨损性。
还发现如果Cr的含量过多反而会导致保护膜的硬度下降，并且会降低被覆有该保护膜的切削工具相对于高硬度被切削材料的耐磨损性。
另一方面，对于Si的含量来说，增加Si的含量能提高保护膜的耐氧化性和硬度。
即发现，仅以金属和半金属的原子百分比计，当Si量小于10％时，其提高保护膜的耐氧化性和硬度的效果小，当大于等于10％时，其表现出提高保护膜的耐氧化性及硬度的作用，并且提高了被覆有该保护膜的切削工具相对于高硬度被切削材料的耐磨损性。
但是，如果Si的含有量过多就会导致保护膜的内部应力增大而发生龟裂，并且会降低被覆有该保护膜的切削工具相对于高硬度被切削材料的耐磨损性。
基于以上原因，在本实施例中，第二保护膜的组成范围如下：为了使切削工具用硬质保护膜同时具有耐氧化性、润滑性和硬度，仅以金属和半金属的原子百分比计，Cr的含量设定在10％～30％；与此同时，为了使切削工具用硬脂保护膜同时具有耐氧化性、硬度和内部应力，仅以金属和半金属的原子百分比计，Si的含量设定为10％～40％。
此外，如果添加少量的B、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W元素，具有进一步提高保护膜的硬度及耐氧化性的作用。因此，优选含有少量的一种或多种这些元素，例如以原子百分比计，其含量为2％～5％。
第一保护膜的组成为TiCN类保护膜的理由如下。
在使用水溶性或非水溶性切削油进行高硬度被切削材料的切削加工时，工具上会发生剧烈的热循环(急冷急热)。超硬合金基材制成的切削工具表面设置TiAlN类保护膜层时存在的问题是，所述超硬合金基材和TiAlN类保护膜层之间产生的热应力会导致所述TiAlN类保护膜层剥离，从而使切削工具的耐磨损性下降(即密合性差)。
如日本专利3343727号公报及日本专利3347687号公报中所述那样，把密合性良好的TiN类保护膜置于所述TiAlN类的保护膜与超硬合金基材之间，可以抑制上述那样使用切削油对高硬度材料进行加工时导致的耐磨损性的降低。但是，为了形成所述多层保护膜而利用电弧放电式离子电镀或阴极溅镀法等物理蒸镀法时，就必须分别使用Ti类靶，TiAl类靶，TiSi类靶三种靶，于是不可避免的增加了制作成本。
因此，本发明人等采用了TiCN类保护膜作为超硬合金基材表面的保护膜，与以往相比，使用切削油条件下这种保护膜在耐磨损性方面是有实际成绩的，其与基材密合性良好，并且使用2种靶可以形成第一保护膜和第二保护膜。
TiCN类保护膜虽然拥有维克斯(Vickers)硬度为3000～3500HV的充分坚硬度，却具有耐氧化性低的缺点。因此，本发明人等通过在TiCN类保护膜上层叠耐氧化性优良的保护膜，发现淡化了TiCN类保护膜耐氧化性差的缺点，保护膜整体的耐氧化性遵从于最上层保护膜的耐氧化性。
为了进一步提高保护膜与基材表面的密合性，最好由基材表面向保护膜内缓缓地(连续地)增加C的含量。另外，不是使保护膜内C的含量一点点增加，而是使保护膜中形成(非连续性地)含C量多及含C量少的部分，也能够提高保护膜与基材的密合性。
另外，第一保护膜不采用TiCN类保护膜，而是采用与基材表面密合性更好的TiN类保护膜，或者采用成本更低的TiC类保护膜也可以。
此外，如添加少量的B、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W元素，能进一步提高保护膜的硬度和耐氧化性。因此，最好含有少量的一种或多种这些元素，例如以原子百分比计，其含量为2％～5％。
如上所述，第二保护膜中如果Si的含量增多就会使内部应力变大。因此为了缓和内部应力，优选在第一保护膜与第二保护膜之间设置由这两层保护膜混杂而形成的中间保护膜。
例如，当应用电弧放电式离子电镀或阴极溅镀法等物理蒸镀法时，可通过如下方法形成中间保护膜。
即，将形成第一保护膜的保护膜组成的Ti类靶和形成第二保护膜的保护膜组成的TiCrSi类靶分别安置在成膜装置内的左右两侧，并将待被覆保护膜的切削工具放在中间。
然后，两种电极一齐运作，放射出离子，同时，以垂直于两种电极连线的轴为旋转中心，旋转切削工具。
这样，交换地层叠极薄的第一中间保护膜与极薄的第二中间保护膜，其结果正如前文所述，与第一保护膜具有相同构成的第一中间保护膜和与第二保护膜具相同构成的第二中间保护膜交替层叠，形成了中间保护膜。
第一中间保护膜及第二中间保护膜的膜厚优选控制在小于等于0.2μm的范围。这是因为如果厚度大于0.2μm，因中间保护膜内的内部应力在保护膜厚度方向上的不均，而易导致保护膜发生龟裂。
此外，为了使内部应力和硬度等保护膜特性的重现性好，并且所形成的保护膜的特性稳定，优选除了第一保护膜以外的保护膜(即第二保护膜、第一中间保护膜、第二中间保护膜)是在各保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
以下，对此实施例进行具体地说明。
使用电弧放电式离子电镀装置作为成膜装置，将各种组成的靶安装在成膜装置内作为金属和半金属成分的蒸发源，另外，将N2气、CH4气、N2/O2混合气中的一种或两种气体导入成膜装置内作为反应气，在作为成膜基材的超硬合金制双面刃圆头槽铣刀(外径3mm)上成膜。
成膜时的条件(即保护膜形成时的离子能不变)是：基材温度为450℃，气压为3.0Pa，偏压为—100V。在此条件下，在上述的立铣刀上成膜，形成整体膜厚为2.3～2.8μm的保护膜。
用被覆有所定保护膜的所述立铣刀，在下面的两种切削条件下进行切削试验，测定立铣刀切削面的磨损量。
第一项切削实验是以SKD11淬硬材(60HRC)作为被削材，在干式条件下进行切削。
使外径为3mm的立铣刀旋转，其旋转速度为19000分钟(min)-1，进料速度为1440mm/min，切入量为Ad＝0.15mm，Pf＝0.45mm，以鼓风作为切削冷却润滑剂进行试验。
切削试验的结果如表1所示。在表1中，与本实施例一齐记载了比较例，利用以与实施例相同的方法被覆以往的硬质保护膜和本发明范围以外的硬质保护膜的立铣刀，进行切削试验，以其结果作为比较例。
[表1]
从表1中可以看出，与比较例相比，本实施例的立铣刀的切削面磨损度减低，即切削工具的耐磨损性得到提高。而且，在表1中的切削试验条件下，即干式条件下，NO.18保护膜的切削试验结果与实施例的结果没有很大的差异。
第二项切削实验是以SKD61淬硬材(50HRC)作为被削材，在湿式条件下进行切削。
使外径为3mm的立铣刀旋转，其旋转速度为20000min-1，送料速度为1680mm/min，切入量为Ad＝0.24mm，Pf＝0.72mm，以水溶性切削油作为切削冷却润滑剂进行试验。切削试验结果如表2所示。
[表2]
从表2中可以看出，与比较例相比，本实施例的立铣刀的切削面磨损度大幅减低，即切削工具的耐磨损性即使在湿式条件下也得到大幅度提高。
由此可见，本实施例不仅在上述的干式条件下能够发挥其良好的耐磨损性，即使在以往很难取得满意耐磨损性的湿式条件下也能发挥其良好的耐磨损性。
Claims (20)
1.切削工具用硬质保护膜，其是设置在切削工具上的保护膜，其特征在于，其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和设置在最外层的第二保护膜构成；所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N或C组成；所述第二保护膜是氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物，并且这些化合物的金属和半金属成分的化学组成如下：
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
其中，以原子百分比计，X：10≦Cr≦30，Y：10≦Si≦40。
2.如权利要求1所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜上设置了第二保护膜。
3.如权利要求1所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，在第一保护膜与第二保护膜之间，设置了2层或2层以上交替层叠的中间第一保护膜和中间第二保护膜，所述中间第一保护膜与第一保护膜具有相同组成，所述中间第二保护膜与第二保护膜具有相同组成。
4.如权利要求3所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，设置了2层或2层以上交替层叠的膜厚都小于等于0.2μm的中间第一保护膜和中间第二保护膜。
5.如权利要求1至4中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
6.切削工具用硬质保护膜，其是设置在切削工具上的保护膜，其特征在于，其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和设置在最外层的第二保护膜构成；所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N或C组成；所述第二保护膜是氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物，并且这些化合物的金属和半金属成分的化学组成如下：
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
其中，以原子百分比计，X：10≦Cr≦30，Y：10≦Si≦40；并且
其中将所述第一保护膜中Ti的一部分，在原子百分比为2％-5％的范围内，用B、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
7.如权利要求6所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜上设置了第二保护膜。
8.如权利要求6所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，在第一保护膜与第二保护膜之间，设置了2层或2层以上交替层叠的中间第一保护膜和中间第二保护膜，所述中间第一保护膜与第一保护膜具有相同组成，所述中间第二保护膜与第二保护膜具有相同组成。
9.如权利要求8所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，设置了2层或2层以上交替层叠的膜厚都小于等于0.2μm的中间第一保护膜和中间第二保护膜。
10.如权利要求6至9中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
11.切削工具用硬质保护膜，其是设置在切削工具上的保护膜，其特征在于，其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和设置在最外层的第二保护膜构成；所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N或C组成；所述第二保护膜是氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物，并且这些化合物的金属和半金属成分的化学组成如下：
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
其中，以原子百分比计，X：10≦Cr≦30，Y：10≦Si≦40，并且所述第二保护膜中的Ti的一部分，在原子百分比为2％-5％的范围内，用B、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或多种元素替换。
12.如权利要求11所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜上设置了第二保护膜。
13.如权利要求11所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，在第一保护膜与第二保护膜之间，设置了2层或2层以上交替层叠的中间第一保护膜和中间第二保护膜，所述中间第一保护膜与第一保护膜具有相同组成，所述中间第二保护膜与第二保护膜具有相同组成。
14 如权利要求13所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，设置了2层或2层以上交替层叠的膜厚都小于等于0.2μm的中间第一保护膜和中间第二保护膜。
15.如权利要求11至14中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
16.切削工具用硬质保护膜，其是设置在切削工具上的保护膜，其特征在于，其由紧挨着基材表面设置的第一保护膜和设置在最外层的第二保护膜构成；所述第一保护膜由金属元素Ti和一种或两种作为非金属元素的N或C组成；所述第二保护膜是氮化合物，碳氮化合物，氧氮化合物或氧碳氮化合物，并且这些化合物的金属和半金属成分的化学组成如下：
Ti(100-X-Y)Cr(X)Si(Y)
其中，以原子百分比计，X：10≦Cr≦30，Y：10≦Si≦40；并且
其中将所述第一保护膜中Ti的一部分和第二保护膜中的Ti的一部分，在原子百分比为2％-5％的范围内，用B、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种或两种元素替换。
17.如权利要求16所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜上设置了第二保护膜。
18.如权利要求16所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，在第一保护膜与第二保护膜之间，设置了2层或2层以上交替层叠的中间第一保护膜和中间第二保护膜，所述中间第一保护膜与第一保护膜具有相同组成，所述中间第二保护膜与第二保护膜具有相同组成。
19.如权利要求18所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，设置了2层或2层以上交替层叠的膜厚都小于等于0.2μm的中间第一保护膜和中间第二保护膜。
20.如权利要求16至19中任一项所述的切削工具用硬质保护膜，其特征在于，第一保护膜与第二保护膜都是以物理蒸镀的方式形成的，并且，除第一保护膜之外的保护膜是在各层保护膜内形成保护膜时的离子能不变的条件下形成的。
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