CN101678466B - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

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涂膜，其特征在于所述涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，上述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，上述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和上述A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层由AlCrN或AlCrCN构成。

Description

表面被覆切削工具
技术领域
本发明涉及一种用于金属材料的切削加工等的表面被覆切削工具。
背景技术
近年来，越来越要求在金属材料的切削加工中具有更高的效率，并且要求具有更高的切削速度。因而，需要提高覆盖切削工具的基材表面的涂膜的耐热性(抗氧化性)或耐磨性。
因此，为了满足这些要求，人们已经采用各种方法来开发涂膜。例如，人们提出将具有含有Al和Cr的特定组成的化合物用于这种涂膜(其被称为AlCr基涂膜)(日本专利国家公布No.2006-524748(专利文献1))。根据该方案，可在一定程度上提高耐热性或耐磨性，但是，此类AlCr基涂膜表现出脆性(这是此类AlCr基涂膜特有的问题)，从而导致涂膜自身在切削过程中由于受到冲击等而发生破裂和剥离的问题。
另一方面，人们通常试图通过将具有含有Ti和Si的特定组成的化合物用于涂膜(其被称为TiSi基涂膜)来提高耐热性或耐磨性。如上述AlCr基涂膜一样，该TiSi基涂膜也表现出脆性，由此造成涂膜自身发生破裂或剥离的问题。为了解决这个问题，人们提出将由具有含有Ti和Al的特定组成的化合物构成的涂膜(TiAl基涂膜)和TiSi基涂膜进行交替堆叠(日本专利公开No.2000-334606(专利文献2))。但是，在某些情况中的苛刻切削条件下，该方案不能充分防止涂膜自身发生破裂或剥离。
与此形成对比的是，人们提出通过将具有含有Al和Si的特定组成的多个层交替堆叠来改善脆性(日本专利公开No.2006-137982(专利文献3))。所述含有Al和/或Si的层本质上倾向于表现出脆性，因此，仍没有充分解决涂膜发生破裂或剥离的问题。
专利文献1：日本专利国家公布No.2006-524748
专利文献2：日本专利公开No.2000-334606
专利文献3：日本专利公开No.2006-137982
发明内容
本发明要解决的技术问题
鉴于上述现状而完成本发明，本发明的目的是提供一种表面被覆切削工具，其具有脆性问题减少、同时保持耐热性和耐磨性的涂膜。
解决问题的技术手段
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涂膜，其特征在于所述涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，上述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，上述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层由AlCrN或AlCrCN构成。
此处，上述A1层和上述A2层优选具有相同的组成，并且优选的是，上述第一超多层膜和上述第二超多层膜的厚度均大于等于0.1μm且小于等于0.5μm，并且当上述第一超多层膜的厚度用X表示、上述第二超多层膜的厚度用Y表示时，厚度比Y/X为大于等于0.5且小于等于4。
另外，优选的是，上述A1层、上述A2层、上述B层和上述C层的厚度均小于等于40nm，并且当上述A1层的厚度用Xa表示、上述B层的厚度用Xb表示时，厚度比Xb/Xa为大于等于0.2且小于等于3，当上述A2层的厚度用Ya表示、上述C层的厚度用Yc表示时，厚度比Yc/Ya为大于等于0.2且小于等于3。此外，优选的是，上述复合超多层膜的厚度大于等于1.0μm且小于等于8.0μm。
另外，优选的是，上述涂膜还包括中间层，所述中间层直接形成在上述基材上，所述中间层的厚度大于等于0.1μm且小于等于1.0μm，并且其由TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrN和AlCrCN中的任意一种构成。
另外，优选的是，上述涂膜还包括表层，所述表层形成为上述涂膜的最上层，并且其厚度大于等于0.1μm且小于等于2.0μm。该表层优选是由上述第二超多层膜形成的。此外，该表层优选由TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrN和AlCrCN中的任意一种构成。
此外，优选的是，上述涂膜是用物理气相沉积法形成的，并且上述基材优选由硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、烧结立方氮化硼和烧结金刚石中的任意一种形成。
有益的效果
本发明的表面被覆切削工具由于具有上述结构而具有脆性问题减少、同时保持耐热性和耐磨性的涂膜。
附图简要说明
图1是电弧离子镀装置的示意图
附图标记说明
1、2、3、4-蒸发源；5-腔体；6-基材支持体；7-基材；10-电弧离子镀装置
实施本发明的最佳方式
以下将对本发明进行详细地说明。在本发明中，涂膜的厚度通过使用扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)来测定，涂膜的组成通过使用能量分散型X射线分析仪(EDS)来测定。
<表面被覆切削工具>
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涂膜。本发明的具有上述基本结构的表面被覆切削工具尤其可用作钻头、端铣刀、用于铣削或旋削的具有可更换的刀刃的刀片(tip)、金工锯、齿切(gear cutting)工具、铰刀、丝锥或用于曲轴销铣削的刀片。
<基材>
用于此类切削工具的基材的常规已知的材料均可用作本发明的表面被覆切削工具的基材，而没有特别的限制。此类基材的实例包括硬质合金(如，由WC单独构成的WC系硬质合金或由WC与Co和/或Ti、Ta、Nb等的碳氮化物的组合构成的WC系硬质合金)、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、氧化铝及其混合物等)、烧结立方氮化硼、烧结金刚石等。在采用硬质合金作为基材时，即使当硬质合金含在其组织中有游离态的碳或被称为η相的异常相时，也能达到本发明的效果。
应当注意，可以对基材的表面进行改造。例如，对硬质合金而言，可以在其表面上形成去除β相的层；或者对金属陶瓷而言，可以形成表面硬化层。即使所述表面进行上述方式的改造，仍然能够取得本发明的效果。
<涂膜>
本发明涂膜的特征在于包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是通过将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的。所述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，所述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和上述A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层由AlCrN或AlCrCN构成。
因此，上述A1层和上述A2层分别堆叠在具有优异的耐热性或耐磨性的上述B层和上述C层上，使得成功地消除了诸如脆性等缺点，同时保留了B层和C层原有的合适的特性(即优异的耐热性或耐磨性)。另外，包括B层的第一超多层膜和包括C层的第二超多层膜交替堆叠，使得与单独形成各超多层膜的例子相比，成功地使得涂膜的强度得到极大地改善。原因可能在于，如果单独形成上述的各超多层膜，随着厚度的增加出现脆性的可能性增大，而通过交替堆叠这些超多层膜就可以对各超多层膜进行控制以具有较小的厚度。
应当注意，本发明的涂膜还包括所述涂膜覆盖基材的整个表面的例子、局部不形成所述涂膜的例子、以及涂膜的堆叠方式部分不同的例子。
另外，本发明的涂膜除包括上述复合超多层膜外，还可包括下文所述的中间层或表层。该涂膜的厚度(总厚度)优选为大于等于1μm且小于等于11μm；其上限更优选为小于等于9μm，且进一步优选为小于等于7μm；并且其下限更优选为大于等于1.2μm，且进一步优选为大于等于1.5μm。如果所述厚度小于1μμm，则可能不能充分地表现出耐热性或耐磨性。如果所述厚度超过11μm，则强度降低，这可能也不是优选的。
在本发明中，形成涂膜的结构单元被称为“膜”或“层”，但是，这仅仅是为了表达的方便，并且无意于严格区分二者。
<复合超多层膜>
本发明的复合超多层膜具有将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的结构。该复合超多层膜的厚度优选为大于等于1.0μm且小于等于8.0μm；其上限更优选为小于等于7μm，进一步优选为6μm；其下限更优选为大于等于1.2μm，进一步优选为1.5μm。如果所述厚度小于1.0μm，则可能不能充分表现出耐热性或耐磨性。如果所述厚度大于8.0μm，则强度就会降低，这可能也不是优选的。
尽管对形成所述复合超多层膜的所述第一超多层膜和第二超多层膜的堆叠数目没有特别的限定，但就制造效率而言，堆叠膜的数目均优选为等于大于3且小于等于15。另外，所述第一超多层膜和第二超多层膜的堆叠顺序也没有特别的限定。也就是说，可以从所述第一超多层膜和第二超多层膜中的任意一种开始堆叠(即，可以将所述第一超多层膜和第二超多层膜中的任意一种布置在基材侧面上)，或者堆叠可以到所述第一超多层膜和第二超多层膜中的任意一种终止(即，还可以将所述第一超多层膜和第二超多层膜中的任意一种布置在涂膜表面一侧上)。
<第一超多层膜>
本发明的第一超多层膜具有通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而获得的结构。该第一超多层膜的厚度优选大于等于0.1μm且小于等于0.5μm；其上限更优选为小于等于0.45μm，进一步优选为小于等于0.4μm；其下限大于等于0.15μm，进一步优选为大于等于0.2μm。如果所述厚度小于0.1μm，则可能难以均匀堆叠A1层和B层，不能在性能上获得足够的改善并且质量是不均匀的。另一方面，如果所述厚度大于0.5μm，则强度会降低并且涂膜剥离，这可能不是优选的。
尽管对形成第一超多层膜的A1层和B层的堆叠数目没有特别的限定，但就制造效率而言，堆叠层的数目均优选为大于等于2且小于等于50。另外，所述A1层和B层的堆叠顺序也没有特别的限制。即，可以从所述A1层和B层中的任意一种开始堆叠(即，可以将所述A1层和B层中的任意一种布置在基材侧面上)，或者堆叠可以到所述A1层和B层中的任意一种终止(即，还可以将所述A1层和B层中的任意一种布置在涂膜表层一侧上)。
尽管形成复合超多层膜的各第一超多层膜在性能上是基本相同的，但是由于制造条件而造成的性能上的不同并没有偏离本发明的范围，其中所述性能例如为组成、厚度等(所述A1层和B层的组成、厚度等)。
<第二超多层膜>
本发明的第二超多层膜具有通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而获得的结构。该第二超多层膜的厚度优选大于等于0.1μm且小于等于0.5μm；其上限更优选为小于等于0.45μm，进一步优选为小于等于0.4μm；其下限更优选为大于等于0.15μm，进一步优选为大于等于0.2μm。如果所述厚度小于0.1μm，则可能难以均匀堆叠A2层和C层，不能在性能上获得足够的改善并且质量不均匀。另一方面，如果所述厚度大于0.5μm，则强度会降低并且涂膜剥离，这可能不是优选的。
尽管形成第二超多层膜的A2层和C层的堆叠数目没有特别的限定，但就制造效率而言，堆叠层的数目均优选为大于等于2且小于等于50。另外，所述A2层和C层的堆叠顺序也没有特别的限制。即，可以从所述A2层和C层中的任意一种开始堆叠(即，可以将所述A2层和C层中的任意一种布置在基材侧面上)，或者堆叠可以到所述A2层和C层中的任意一种终止(即，还可以将所述A2层和C层中的任意一种布置在涂膜表层一侧上)。
尽管形成复合超多层膜的各第二超多层膜在性能上是基本相同的，但是由于制造条件而造成的性能上的不同并没有偏离本发明的范围，其中所述性能例如为组成、厚度等(所述A2层和C层的组成、厚度等)。
<第一超多层膜与第二超多层膜的厚度比>
如前所述，上述第一超多层膜和上述第二超多层膜的厚度均优选为大于等于0.1μm且小于等于0.5μm，并且当所述第一超多层膜的厚度用X表示、所述第二超多层膜的厚度用Y表示时，厚度比Y/X为大于等于0.5且小于等于4。通过将厚度比Y/X控制在所述范围内，可充分获得上述的优异特性，即不表现出脆性问题、同时保持耐热性和耐磨性的特性。厚度比Y/X更优选为大于等于0.8且小于等于3.5，进一步优选为大于等于1且小于等于3。
如果上述厚度比Y/X为小于0.5，则涂膜的强度可能降低，这不是优选的。另一方面，如果上述厚度比Y/X为大于4，则耐磨性可能降低，这不优选的。
应当注意，厚度比Y/X表示形成所述复合超多层膜的任意第一超多层膜与任意第二超多层膜的厚度比，并且对测定该比值的部位也没有特别限定，但是优选测定相邻膜之间的厚度比。
<A1层和A2层>
在本发明中，形成所述第一超多层膜的A1层和形成所述第二超多层膜的A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成。所述A1层和A2层具有这样的化学组成，使得可以极为有效地减少所述B层和C层所表现出的脆性(下文所述)。即，通过在所述B层和C层上分别交替堆叠A1层和A2层，可以获得上述的不会表现出脆性、同时保持耐热性和耐磨性的优异效果。
在此，尽管所述A1层和A2层在组成上可以不同，但是优选这些层具有合适的相同组成。这是因为当所述A1层和A2层的组成相同时，可以尤其改善所述第一超多层膜和第二超多层膜的之间的附着性。
应当注意，本发明所用的化学式不特别限定元素的原子比，而且无意于要求元素具有相同的原子比。即，认为本发明所用的化学式包括通常已知的所有原子比(如果某种等原子比是已知的，则包括该等原子比)。例如，化学式TiN并不是指Ti和N的原子比是1∶1，而是其包括所有通常已知的原子比，如2∶1、1∶1、1∶0.95和1∶0.9等(除非另有说明，否则除TiN之外的其他化学式也是如此)。
另外，所述A1层和A2层的厚度均优选小于等于40nm，更优选为小于等于35nm，进一步优选为小于等于30nm。通过如此控制所述厚度，可以通过所述A1层和A2层获得满意的提高脆性的效果。尽管所述厚度的下限没有特别的限定，但是如果所述厚度小于0.5nm，则可能难以均匀堆叠所述层，并且难以充分表现出脆性提高效果。另一方面，如果所述厚度大于40nm，则可能降低通过B层或C层来提高耐热性火耐磨性的效果。
<B层>
在本发明中，所述形成第一超多层膜的B层由TiSiN或TiSiCN构成。当所述B层具有上述化学组成时，可以提高涂膜的耐热性和耐磨性。
在此，B层的厚度优选为小于等于40nm，更优选为小于等于30nm，进一步优选为小于等于25nm。通过如此控制所述厚度，可以满意地表现出上述的效果。尽管所述厚度的下限没有特别的限定，但是如果所述厚度小于0.5nm，则可能难以均匀堆叠所述B层，并且难以充分表现出上述的效果。另一方面，如果所述厚度大于40nm，则可能难以降低脆性。
<C层>
在本发明中，形成第二超多层膜的C层由AlCrN或AlCrCN构成。当所述C层具有上述化学组成时，可以提高涂膜的耐热性和耐磨性，并且可以改善润滑性。
在此，C层的厚度优选为小于等于40nm，更优选为小于等于35nm，进一步优选为小于等于30nm。通过如此控制上述厚度，可以满意地表现出上述的效果。尽管所述厚度的下限没有特别的限定，但是如果所述厚度小于0.5nm，则可能难以均匀堆叠所述C层，并且难以充分表现出上述的效果。另一方面，如果所述厚度大于40nm，则可能难以降低脆性。
<A1层、A2层、B层和C层的厚度比>
如前所述，所述A1层、A2层、B层和C层的厚度均优选为小于等于40nm；当所述A1层的厚度用Xa表示、所述B层的厚度用Xb表示时，厚度比Xb/Xa为大于等于0.2且小于等于3；当所述A2层的厚度用Ya表示、所述C层的厚度用Yc表示时，厚度比Yc/Ya为大于等于0.2且小于等于3。通过分别控制所述厚度比Xa/Xb和Yc/Ya在上述范围内，可以获得上述的优异特性，即不会表现出脆性、同时保持耐热性和耐磨性的特性。更优选的是，所述厚度比Xb/Xa和Yc/Ya为大于等于0.3且小于等于2.5；进一步优选的是，所述厚度比为大于等于0.4且小于等于2。
如果上述厚度比Xb/Xa和Yc/Ya小于0.2，则可能会降低耐热性和耐磨性，这不是优选的。另一方面，如果上述厚度比Xb/Xa和Yc/Ya大于3，则可能表现出脆性(脆裂)，这不是优选的。
应当注意，上述厚度比Xb/Xa表示形成各第一超多层膜的任意A1层与任意B层的厚度比，并且对测定该比值的部位也没有特别限定，但是优选测定相邻层之间的厚度比。另外，上述厚度比Yc/Ya表示形成各第二超多层膜的任意A2层与任意C层的厚度比，并且对测定该比值的部位也没有特别限定，但是优选测定相邻层之间的厚度比。
<中间层>
除上述复合超多层膜以外，本发明的涂膜还可以包括中间层。优选的是，所述中间层直接形成在上述基材上，其厚度大于等于0.1μm且小于等于1.0μm，并且由TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrN和AlCrCN中的任意一种构成。更优选的是，上述厚度大于等于0.2μm且小于等于0.5μm。
通过在所述基材上直接形成中间层(即在所述基材和复合超多层膜间形成中间层)，可以改善基材和复合超多层膜间的附着性。如果上述厚度小于0.1μm，则不可能充分表现出上述改善附着性的效果。另一方面，如果厚度大于1.0μm，可能降低附着性。
<表层>
除上述复合超多层膜以外，本发明的涂膜还可以包括表层。所述表层形成为上述涂膜的最上层，其厚度大于等于0.1μm且小于等于2.0μm。该表层可以由上述的第二超多层膜形成。此外，该表层可以由TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrN和AlCrCN中的任意一种构成。更优选的是上述厚度大于等于0.3μm且小于等于1.5μm。如果所述表层由所述第二超多层膜形成，则上述厚度优选为大于等于0.6μm且小于等于1.5μm。
通过使所述表层形成为最上层(优选的是，在所述复合超多层膜上形成所述表层)，可以提高所述涂膜的润滑性。另外，特别是在所述表层由所述第二超多层膜形成时，可以抑制低硬度加工材料(其切刃处容易粘连)所产生的碎裂，所述低硬度加工材料例如SS400(轧钢)或SCM415(合金钢)。如果上述厚度小于0.1μm，则不能充分地表现出提高润滑性的效果。另一方面，如果上述厚度大于2.0μm，则可能降低涂膜的强度。
应当注意，除所述复合超多层膜外，本发明的涂膜可以既包括表层又包括中间层，或者可以仅包括表层和中间层中的任意一者。
<制造方法>
为了在所述基材的表面上形成(沉积)本发明的涂膜，优选采用能够形成高结晶性化合物的膜沉积方法。在研究各种膜沉积方法后，最优选地采用物理气相沉积法形成本发明的涂膜。即，本发明的涂膜优选用物理气相沉积法形成。
已知溅射法、离子镀法等可作为上述的物理气相沉积法，并且可以采用任何传统已知的物理气相沉积法。特别优选采用原材料元素电离化速率较高的电弧离子镀法。通过采用电弧离子镀法，在形成涂膜之前，对所述基材的表面进行金属或气体离子轰击处理，使得可以显著提高所述基材与涂膜的附着性。就此而言，电弧离子镀法是本发明优选的膜沉积方法。
以下，结合图1对采用电弧离子镀法形成所述复合超多层膜的具体方法进行说明。应当注意，也可以采用传统已知的条件通过电弧离子镀法形成上述中间层或表层。
图1是实施电弧离子镀法的电弧离子镀设备10的示意图(平面示意图，从上面俯视)。首先，将靶材置于蒸发源1到4中。例如，将形成A 1层的靶材(即Ti或TiAl)置于蒸发源1中，形成B层的靶材(即TiSi)置于蒸发源2中，形成A2层的靶材(即Ti或TiAl)置于蒸发源3中，并且形成C层的靶材(即AlCr)置于蒸发源4中。然后，将基材7置于腔体5中的基材支持体6上，随着基材支持体6的旋转，由蒸发源1和2形成所述第一超多层膜，由蒸发源3和4形成所述第二超多层膜。
具体而言，在使蒸发源1和2上的靶材蒸发并电离化的同时，将基材支持体6旋转一次或多次，使得在基材上形成所述第一超多层膜。然后，在使蒸发源3和4上的靶材蒸发并电离化的同时，将基材支持体6旋转一次或多次，使得在所述第一超多层膜上形成所述第二超多层膜。这样就形成由通过将一个第一超多层膜和一个第二超多层膜堆叠而获得的复合超多层膜，其对应于本发明的具有最少堆叠层数的复合超多层膜。之后通过重复上述操作，形成通过将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的复合超多层膜。更具体的条件示例如下。
首先，使用腔体5中设置的加热器(图中未显示)将基材7加热到200℃至500℃。然后，在通入氩气以保持腔体5中的压力为1Pa到3Pa的同时，对基材上施加偏压(-300V至-600V)，从而用氩离子对基材表面进行清洁处理30分钟至60分钟。
随后，将腔体5中的氩气排出，然后通入氮气或氮气和碳源气体(如甲烷)的混合气体作为反应气体，以保持腔体5中的气压为2Pa至5Pa。在安装有基材7的基材支持体6旋转时，通过对基材施加偏压(-20V至-100V)，置于蒸发源1中的靶材和置于蒸发源2中的靶材通过电弧放电(电弧电流为100A至150A)蒸发并电离化，从而在基材上形成所述第一超多层膜。
然后，在使基材支持体6旋转、并且保持腔体5中的压力以及对基材施加的偏压的同时，置于蒸发源3中的靶材和置于蒸发源4中的靶材在上述同样的条件下蒸发并电离化，从而在第一超多层膜上形成第二超多层膜。
然后，通过交替多次重复上述的形成第一超多层膜和第二超多层膜的操作，可以形成所述复合超多层膜。应当注意，可通过控制反应气体的种类、膜沉积的时间、靶材的电离化速率和基材支持体的旋转速度等来任意设定各层的组成、厚度和堆叠层数。
<例子>
以下，将结合实施例对本发明进行详细地说明，但本发明并不限于此。
<涂膜的形成>
对以下实施方案进行示例说明，在该实施方案中，使用图1所示的电弧离子镀设备10、采用电弧离子镀法形成表1所示的实施例1的涂膜。当将不同的基材用于以下将要描述的三种不同类型的切削试验时，对三种类型基材在相同条件下形成所述涂膜。
首先，将Ti置于蒸发源1中以作为形成A1层的靶材，将TiSi合金(原子比Ti∶Si＝80∶20)置于蒸发源2中以作为形成B层的靶材，将Ti置于蒸发源3中以作为形成A2层的靶材，并且将AlCr合金(原子比Al∶Cr＝70∶30)置于蒸发源4中以作为形成C层的靶材。
然后，用腔体5中设置的加热器将固定在基材支持体6上的基材7加热至500℃。随后，在充入氩气以保持腔体5中的压力为3.0Pa的同时，对基材施加-300V的偏压，从而用氩离子对基材表面进行30分钟的清洁处理。
接着，在将腔体5中的氩气排空后，通入氮气以保持腔体5中的压力为5.0Pa。通过在旋转基材支持体6时对基材施加-50V的偏压，置于蒸发源1中的靶材和置于蒸发源2中的靶材通过电弧放电(电弧电流分别设为150A和100A)蒸发并电离化，从而在基材上形成厚度为0.3μm的第一超多层膜。此处，在分别控制A1层的厚度和B层的厚度为100nm和50nm的同时，将A1层和B层以这样的次序交替堆叠两次，从而形成第一超多层膜(厚度比Xb/Xa为0.5)。应当注意，形成所述A1层的TiN的原子比Ti∶N＝1∶1，形成所述B层的TiSiN的原子比Ti∶Si∶N＝4∶1∶5。
然后，在旋转基材支持体6、并且保持腔体5中的压力以及对基材施加的偏压(此时采用氮气和甲烷气体作为反应气体)的同时，置于蒸发源3中的靶材和蒸发源4中的靶材通过电弧放电(电弧电流均被设为100A)蒸发并电离化，从而在所述第一超多层膜上形成厚度为1.5μm的第二超多层膜。此处，在分别控制A2层的厚度和C层的厚度为50nm和25nm的同时，将A2层和C层以这样的顺序交替堆叠20次，从而形成第二超多层膜(厚度比Yc/Ya等于0.5)。应当注意，形成所述A2层的TiCN的原子比Ti∶C∶N＝2∶1∶1，并且形成所述C层的AlCrCN的原子比Al∶Cr∶C∶N＝7∶3∶5∶5。
然后，通过将形成第一超多层膜和第二超多层膜的操作交替重复四次，形成通过将第一超多层膜和第二超多层膜交替堆叠5次而获得的复合超多层膜，其厚度为9μm。
通过进行上述类似的操作，形成表1所示的实施例1-18的涂膜。如上所述，在这些涂膜中，通过控制反应气体的种类、膜沉积的时间、靶材的电离化速率和基材支持体的旋转速度等来控制各层的组成(原子比不做限定，而是可采用任意已知的原子比)、厚度和堆叠层数。
例如，可以按照与形成实施例1的涂膜相同的方式通过下述操作形成实施例5的涂膜，所述操作为：将Ti置于蒸发源1中以作为形成A1层的靶材，将TiSi合金置于蒸发源2中以作为形成B层的靶材，将TiAl合金置于蒸发源3中以作为形成A2层的靶材，将AlCr合金置于蒸发源4中以作为形成C层的靶材，采用氮气和甲烷气体的混合气体作为反应气体来形成第一超多层膜，并采用氮气作为反应气体来形成第二超多层膜。
另外，关于实施例8、11、17和18中含有中间层或表层的所述涂膜，可以通过使用用于形成具有相应组成的超多层膜的各种靶材来形成除复合超多层膜之外的层，而无需改动。
为了达到对比的目的，通过采用与上述相同的条件形成表2中所示的对比例1-7的涂膜。具体而言，对比例1-3分别对应于实施例1、13和16，并且其与实施例的不同之处在于A1层、A2层、B层和C层的组成或组合方式。对比例4对应于实施例14，其中B层单独形成第一超多层膜，并且C层单独形成第二超多层膜。对比例5对应于实施例15，其中涂膜只包括通过将B层和C层交替堆叠而获得的简单超多层膜。对比例6对应于实施例8，其中所述涂膜只包括第一超多层膜。对比例7对应于实施例17，其中所述涂膜只包括第二超多层膜。
Figure G200880018340XD00151
Figure G200880018340XD00161
在表1和表2中，堆叠层数是指第一超多层膜和第二超多层膜中各自具有的堆叠层数，并且总厚度是指整个涂膜的厚度。另外，空白区域表示不形成上述的涂膜。因此，在没有形成中间层和表层的例子中，说明仅仅形成通过将第一超多层膜和第二超多层膜交替堆叠而获得的复合超多层膜作为基材上的涂膜。在形成中间层的例子中，中间层形成于基材和复合超多层膜之间，并且表层形成在复合超多层膜上。
对实施例1-18和对比例1-7中的涂膜进行以下三种类型的切削试验。试验结果如表3所示。
<端铣刀切削试验>
用由硬质合金制成的方形端铣刀(直径(外径)8mm，4刃)作为基材。用SKD11(HRC53)作为加工材料，并且在切削速度为120m/分钟、进给速率为0.03mm/齿、切入深度Ad为8mm、Rd为0.4mm以及鼓风的条件下进行侧面切削。
用切刃外周的磨损宽度超过0.1mm时的切削距离(m)对切削性能(试验结果)进行评价。距离越长则说明切削性能越优良(工具的使用寿命越长，即优异的耐热性和耐磨性以及较低的脆性)，距离越短或在切削的初期阶段出现碎裂(表示为“初期碎裂”)说明切削性能较差。
<钻头切削试验>
用由硬质合金制成的钻头(直径(外径)10mm)作为基材。用S50C(HB220)作为加工材料，并在切削速度为80m/分钟、进给速率为0.2毫米/转并且有冷却剂的条件下进行湿式钻削(深度为30mm的通孔)。
用切刃尖端外周部位的磨损宽度超过0.2mm时的切削距离(单位：m，钻孔个数×30mm)对切削性能(试验结果)进行评价。距离越长则说明切削性能越优良(工具的使用寿命越长，即优异的耐热性和耐磨性以及较低的脆性)，距离越短或在切削的初期阶段出现碎裂(表示为“初期碎裂”)说明切削性能较差。
<铣削刀具切削试验>
用相当于JIS等级P30(形状：SPG432)的由硬质合金制成的铣削用可转位刀具作为基材。用SCM435作为加工材料，并且将切削速度设定为250m/分钟，进给速率为0.25毫米/齿，切入深度设定为2mm，并且不使用切削油(干式加工)。
用侧面磨损宽度超过0.2mm时的切削距离(m)对切削性能(试验结果)进行评价。距离越长则说明切削性能越优良(更长的工具寿命，即优异的耐热性和耐磨性以及较低的脆性)，距离越短或在切削的初期阶段出现碎裂(表示为“初期碎裂”)说明切削性能较差。
表3
Figure G200880018340XD00181
<针对实施例17-18和对比例7进行的附加的钻头切削试验>
用与上述相同的硬质合金制成的钻头(直径(外径)10mm)作为基材，并使用实施例17-18和对比例7中的涂膜。用SCM415(HB＝235)作为加工材料，并且在切削速度为80m/分钟、进给速率为0.25毫米/转并且有冷却剂的条件下进行湿式钻削(深度为40mm的通孔)。
结果，在对比例7中，在切削长度10m处出现破损。与此形成对比的是，在实施例17中，切削加工直到进行到切削长度为55m时仍未出现破损。另外，在实施例18中，切削加工直到进行到切削程度为100m时仍未出现破损。
在发生破损的对比例7中，加工材料粘附在切刃外周，这应该是发生破损的原因。与此形成对比的是，在实施例18中，当形成第二超多层膜作为表层时，即使在切削距离为100m时也几乎没有发生加工材料粘附在切刃的现象。由此可以确定，就涂膜的润滑性而言，实施例18更优。
从表3所示的结果和附加的钻头切削试验的结果清楚地得知，本发明实施例中的表面被覆切削工具(即涂膜)相对于对比例中的表面被覆切削工具(即涂膜)具有明显更长的工具寿命，即，其具有优异的耐热性和耐磨性，并且实现较低的脆性。
换句话说，可以确定的是，在所述表面被覆切削工具中，形成在基材上的涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是通过将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，上述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，上述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和上述A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层由AlCrN或AlCrCN构成，使得表现出优异的切削性能。另外，还确定，当所述涂膜的表层由所述第二超多层膜形成时，可以防止加工材料与切刃的粘附现象，这对涂膜的润滑性而言是优异的。
尽管上文已对本发明的实施方案和例子进行了说明，但是上述实施方案和例子的合适的组合也是初始预期到的。
应当理解，在任何情况下，本文公开的实施方案和例子都是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围由权利要求进行限定，而不是由上面的说明书限定，并且本发明的范围旨在包括对与权利要求等同的范围和意义的任何修改。

Claims (11)

1.一种表面被覆切削工具，其包括：
基材；和
在所述基材上形成的涂膜；
所述涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是通过将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，
所述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，
所述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，
所述A1层和所述A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，
所述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及
所述C层由AlCrN或AlCrCN构成。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中
所述A1层和所述A2层具有相同的组成。
3.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，
所述第一超多层膜和所述第二超多层膜的厚度均为大于等于0.1μm且小于等于0.5μm，并且当所述第一超多层膜的厚度用X表示、所述第二超多层膜的厚度用Y表示时，厚度比Y/X为大于等于0.5且小于等于4。
4.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，
所述A1层、所述A2层、所述B层和所述C层的厚度均小于等于40nm，并且当所述A1层的厚度用Xa表示、所述B层的厚度用Xb表示时，厚度比Xb/Xa为大于等于0.2且小于等于3，当所述A2层的厚度用Ya表示、所述C层的厚度用Yc表示时，厚度比Yc/Ya为大于等于0.2且小于等于3。
5.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中
所述复合超多层膜的厚度大于等于1.0μm且小于等于8.0μm。
6.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，
所述涂膜还包括中间层，并且
所述中间层直接形成在所述基材上，所述中间层的厚度大于等于0.1μm且小于等于1.0μm，并且所述中间层由TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrN和AlCrCN中的任意一种构成。
7.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，
所述涂膜还包括表层，并且
所述表层形成为所述涂膜的最上层，所述表层的厚度大于等于0.1μm且小于等于2.0μm。
8.根据权利要求7所述的表面被覆切削工具，其中
所述表层由所述第二超多层膜形成。
9.根据权利要求7所述的表面被覆切削工具，其中
所述表层由TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN、TiSiN、TiSiCN、AlCrN和AlCrCN中的任意一种构成。
10.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中
所述涂膜是用物理气相沉积法形成的。
11.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中
所述基材是由硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、烧结立方氮化硼和烧结金刚石中的任意一种形成的。
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