CN102099138A - 覆盖构件 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种切削工具用覆盖构件，其在高速加工、高进给加工、被切削材料的高硬度化、难切削材料的切削等严苛的切削加工条件下，可以实现长寿命。覆盖构件在基材的表面覆盖有被膜，其中，被膜的至少一层是由选自Al、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W之中的至少1种金属元素M和选自C、N、O之中的至少1种元素X构成的立方晶的金属化合物的硬质膜，硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，硬质膜的(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度。

Description

覆盖构件
技术领域
本发明涉及在烧结合金、陶瓷、cBN烧结体、金刚石烧结体等基材的表面覆盖被膜的覆盖构件。特别涉及适合于以刀片、钻头、端铣刀为代表的切削工具、各种耐摩耗工具、各种耐摩耗部件的覆盖构件。
背景技术
在烧结合金、陶瓷、cBN烧结体、金刚石烧结体等基材的表面覆盖有TiC、TiCN、TiN、(Ti，Al)N、CrN等被膜的覆盖构件由于兼备基材的高强度、高韧性和被膜的优良的耐摩耗性、耐氧化性、润滑性、耐熔敷性等，所以多用作切削工具、耐摩耗工具、耐摩耗部件。
作为被膜的现有技术，有由(Ti，Al，Cr)(C，N)构成的切削工具用硬质被膜(例如，参照专利文献1)。另外，作为耐氧化性优良的被膜，有Al-Cr-N系被膜(例如，参照非专利文献1)。但是，由于被切削材料、切削条件等的变化，在覆盖这些被膜的切削工具中，存在不能得到长寿命的问题。
专利文献1：日本特开2003-71610号公报
非专利文献1：井手幸夫、稻田和典、中村崇、高武胜彦，《耐高温氧化特性优良的Al-Cr-N系被膜的开发》、《MATERIA》，第40卷第9期，2001年，p.815～816
发明内容
近年来，在切削加工中，高速加工、高进给加工等苛刻的切削条件和被切削材料的高硬度化等严苛的加工条件增加，覆盖工具具有要求进一步长寿命化的倾向。为此，以前的覆盖工具变得不能适应这些严苛的加工要求。本发明就是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种覆盖构件，其在高速加工、高进给加工、难切削材料的加工等加工条件严苛的切削加工中，可实现长寿命。
在以前的切削加工中，使用包括在基材的表面覆盖有硬质膜的覆盖构件的切削工具，其中硬质膜由(TiAl)N、(TiCr)N、(CrAl)N、(TiAlCr)N等立方晶金属化合物构成。本发明人致力于在基材表面覆盖有(TiAl)N、(TiCr)N、(CrAl)N、(TiAlCr)N等的覆盖构件的性能的提高。其结果是，得到如下的见解：在就硬质膜的(111)面和(220)面进行X射线衍射的正极图测量时，如果硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，则耐摩耗性得以提高，当用作切削工具时，就能实现长寿命。具备了这样的取向性的硬质膜通过如下的工序形成：在明显高电压的基材直流偏压下进行电弧放电，从而从基材上除去妨碍硬质膜取向的杂质的预放电工序；随后一边使直流偏压慢慢降低到规定的电压一边进行电弧放电，从而产生硬质膜的核的第一次放电工序；最后在规定的直流偏压下进行电弧放电，从而使硬质膜成膜的第二次放电工序。特别地，进行预放电、然后在比以前的直流偏压更高的电压下形成硬质膜，对切削工具来说是可以形成优选的硬质膜的要件。
即，本发明涉及一种覆盖构件，其在基材的表面覆盖有被膜，其中，被膜的至少1层是由立方晶的金属化合物构成的硬质膜，硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，硬质膜的(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度。
本发明人通过正极图测量调查了构成硬质膜的立方晶的(111)面的倾角分布和(220)面的倾角分布，将它们控制在特定的范围，由此可以比以前的硬质膜进一步提高耐摩耗性。
在对本发明的硬质膜进行X射线衍射的正极图测量时，硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围表现出最高强度，(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，这表示在构成硬质膜的立方晶的结晶中，(111)面和(220)面均平行且朝向覆盖构件表面的结晶较多。与硬质膜的(111)面或(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角低于75度的范围表现出最高强度的覆盖构件相比较，可以提高耐摩耗性。关于其理由尚不明确，但可以认为在本发明的硬质膜中，由于均平行且朝向覆盖构件表面的(111)面和(220)面占据大多数硬质膜表面，在硬质膜中可以形成(111)面和(220)面的致密的混合相，因而可以提高硬质膜的耐摩耗性。
本发明的硬质膜的(111)面和(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布可以根据Schulz的反射法进行测量。Schulz的反射法是这样一种方法，如图1所示，使用以2θ为衍射角、且入射角和反射角分别是θ的等角度反射的光学系统，通过以试样面内的A轴为中心的α旋转以及以试样面法线(B轴)为中心的β旋转即试样面内旋转，改变试样相对于入射X射线的方向而测量衍射线的强度分布。当B轴位于由入射线和衍射线决定的平面上时，把α角定义为90度。α角为90度时，如图2所示，在正极图上成为中心的点。作为具体的测量方法，例如可以使用株式会社理学制X射线衍射装置RINT-TTRIII的正极点测量程序，根据下列的测量条件和测量方法，测量硬质膜的(111)面和(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布。
[测量条件]
(1)TTRIII水平测角器
(2)极点用多功能试样台
(3)扫描方法：同心圆
(4)β扫描范围：0～360度/5度间距(pitch)
(5)β扫描速度：180度/min
(6)γ振幅：0mm
[测量方法(Schulz的反射法)]
(1)固定角度：将硬质膜的(111)面的衍射角度设定为36.7度，将硬质膜的(220)面的衍射角度设定为62度。
(2)α扫描范围：20～90度(5度步长(step))
(3)靶：Cu，电压：50kV，电流：250mA
(4)发散狭缝：1/4度
(5)散射狭缝：6mm
(6)发散纵向限制狭缝：5mm
虽然也可以从(111)面和(220)面的正极图的等高线读取表示最高强度的α角，但是，从(111)面和(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布可以容易地求出表示最高强度的α角。
作为本发明覆盖构件的基材，具体地可以列举出烧结合金、陶瓷、cBN烧结体、金刚石烧结体等。其中，烷结合金由于耐缺损性和耐摩耗性优良，所以是优选的，其中金属陶瓷、超硬合金是更优选的，再其中超硬合金是特别优选的。
本发明的被膜是由选自周期表4a、5a、6a族的金属元素和Al、Y、Mn、Cu、Ni、Co、B、Si、S、Ge、Ga的金属、以及这些金属的合金、碳化物、氮化物、氧化物和它们的相互固溶体之中的至少1种构成的被膜，可以列举出TiC、TiCN、TiN、(TiAl)N、(CrAl)N、Al2O3等。被膜的至少1层是由这些金属的立方晶金属化合物构成的硬质膜。本发明的被膜的平均膜厚优选为0.1～15μm的范围，更优选为0.5～10μm的范围，特别优选为0.5～8μm的范围。如果被膜的平均膜厚为0.1μm以上，则耐摩耗性、耐氧化性提高，如果为15μm以下，则耐缺损性不会降低。此外，所谓本发明的被膜的平均膜厚，是指用光学显微镜或扫描电子显微镜对3个位置的在基材表面覆盖有被膜的覆盖构件的断面拍摄照片，然后在照片上测量得到的膜厚的平均值。
本发明的硬质膜由上述金属的立方晶金属化合物构成。其中，如果是由选自Al、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W之中的至少1种的金属元素M、和选自C、N、O之中的至少1种的元素X构成的金属化合物，则由于硬度高、耐摩耗性优良，所以是优选的。具体地说，可以列举出TiN、TiC、TiCN、TiCNO等。其中，如果金属元素M是选自Al、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W之中的2种以上，则由于耐摩耗性优良，所以是更优选的。具体地说，可以列举出(TiAl)N、(TiCr)N、(TiCrAl)N、(CrAl)N、(TiAlSi)N、(TiSi)N等。另外，关于本发明的硬质膜，(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度。
本发明的硬质膜可以是由1层构成的单层膜、或由2层以上构成的多层膜中的任一种。其中，本发明的硬质膜如果是2层以上的组成不同的厚度为1～100nm的薄膜交替层叠而成的交替层叠膜，则由于耐氧化性、耐摩耗性得以提高，所以是更优选的。
关于本发明的被膜的组成，可以使用二次离子质量分析装置(SIMS)、能量分散元素分析装置(EDS)、辉光放电型分析装置(GDS)等元素分析装置进行测量。
本发明的被膜如果是在垂直于基材表面的方向生长的柱状晶组织(长度方向朝向垂直于基材表面的方向的柱状晶组织)，则在发挥高硬度且优良的耐摩耗性的同时，与基材的附着力优良，所以是更优选的。
本发明的硬质膜依次经过(1)在覆盖装置内装入基材，通过加热器将基材温度加热到400～650℃的工序；(2)为了除去杂质的预放电工序；(3)用于硬质膜核生成的第一次放电工序；以及(4)用于硬质膜生长的第二次放电工序而形成。预放电工序是，在对基材表面进行Ar气轰击后，为了使等离子体的碰撞平均自由程变小，提高覆盖装置内的压力，以基材的直流偏压：-600～-1000V、电弧放电电流：100～150A的规定电压和电流进行1～5分钟的放电，从而从基材上去除阻碍硬质膜取向的杂质。预放电时，硬质膜几乎不会形成。第一次放电是，在预放电后，在维持放电电流、基材温度以及装置内的压力的同时，一边使基材的直流偏压在1～5分钟从-600～-1000V的规定电压慢慢降低到-80～-180V的规定电压，一边进行电弧放电。这时产生硬质膜的核。第二次放电是，在维持第一次放电时的放电电流、基材温度以及装置内的压力的同时，在基材的直流偏压：-80～-180V下进行放电，从而成膜所希望的膜厚的硬质膜。
再者，在本发明的硬质膜的制造中，例如可以使用电弧离子镀装置(以下称为AIP装置)，而其它的装置，例如也可以使用溅射装置。在使用AIP装置的情况下，在装置内装入基材，通过加热器将基材温度加热到400～650℃，对基材进行Ar气轰击。接着将Ar、N2、O2或它们的混合气体导入AIP装置，使装置内的压力为3～6Pa，在上述的基材的直流偏压、电弧电流等条件下，进行预放电、第一次放电以及第二次放电。
本发明的硬质膜与基材的附着力优良，耐摩耗性优良。本发明的覆盖构件的耐摩耗性、耐缺损性和耐氧化性优良。如果使用本发明的覆盖构件作为切削工具，则可以得到工具寿命延长的效果。特别是在高速加工、高进给加工、硬度高的被切削材料的加工、难切削材料的加工等加工条件严苛的切削加工方面，效果较高。
附图说明
图1是表示Schulz反射法的光学系统的示意图。
图2是表示α角和β角的位置的正极图。
图3是表示发明品1的硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布的图。
图4是表示发明品1的硬质膜的(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布的图。
图5是表示比较品1的硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布的图。
图6是表示比较品1的硬质膜的(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布的图。
具体实施方式
[实施例1]
作为基材，准备形状为SDKN1203AETN的相当于K20的超硬合金制刀片。关于发明品，作为AlP装置的靶，将具有表1、2所示的金属元素和添加元素的成分比的靶设置在AlP装置内。在AlP装置内装入基材，通过加热器将基材温度加热到600℃，在对基材进行Ar气轰击后，在AlP装置内导入Ar和N2的混合气体，将压力调整为4～5Pa，进行在基材的直流偏压：-600～-800V、电弧放电电流：100A下的预放电2～3分钟。预放电结束后，维持电弧放电电流、基材温度和压力不变，经过2分钟慢慢地将基材的直流偏压从-600～-800V调整为-80～-120V。接着，在基材的直流偏压：-80～-120V、电弧放电电流：100A的条件下，在单层膜的情况下进行100～140分钟的放电，覆盖总膜厚为3μm的硬质膜，在交替层叠膜的情况下，各层进行1～1.5分钟的放电，覆盖150或100层、膜厚为10nm或15nm的硬质膜。
关于比较品，将具有表3、4所示的金属元素和添加元素的成分比的靶设置在AlP装置内，与发明品同样地将基材装入AlP装置内，通过加热器将基材温度加热到600℃，与发明品同样地对基材进行Ar气轰击，然后在AlP装置内导入Ar和N2的混合气体，将压力调整为2Pa，不进行预放电，在基材的直流偏压：-40～-80V、电弧放电电流：100A的条件下覆盖硬质膜。电弧放电时间与发明品相同，但在比较品中，进行Ar气轰击后，不进行预放电而使基材的直流偏压为通常的-40～-60V，以覆盖硬质膜。
关于在基材的表面所覆盖的硬质膜的总膜厚，以3视场光学显微镜观察切断各试样、对断面进行镜面抛光而得到的镜面断面，并测量其平均值。关于交替层叠膜的薄膜的各膜厚，使用透射型电子显微镜和FE型扫描电子显微镜，拍摄3个视场的断面照片，以其膜厚的平均值为薄膜的膜厚。
表1
Figure BDA0000043856650000071
表2
Figure BDA0000043856650000072
表3
Figure BDA0000043856650000081
表4
Figure BDA0000043856650000082
关于各试样的硬质膜，采用株式会社理学制X射线衍射装置RINT-TTRIII，进行2θ/θ扫描法的X射线衍射测量，结果确认全体试样的硬质膜是立方晶的NaCl型结构。另外，对于发明品1～6，在硬质膜的(111)面、(200)面、(220)面的X射线衍射峰值强度之中，(111)面的X射线衍射峰值强度最高。对于比较品1～6，在硬质膜的(111)面、(200)面、(220)面的X射线衍射峰值强度中，(200)面的X射线衍射峰值强度最高。
此外，使用株式会社理学制X射线衍射装置RINT-TTRIII，根据下列所示的测量条件，测量了全体试样的硬质膜的(111)面和(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布。
[测量条件]
(1)TTRIII水平测角器
(2)极点用多功能试样台
(3)扫描方法：同心圆
(4)β扫描范围：0～360度/5度间距
(5)β扫描速度：180度/min
(6)γ振幅：0mm
[测量方法(Schulz的反射法)]
(1)θ固定角度：将硬质膜的(111)面的衍射角度设定为36.7度，将硬质膜的(220)面的衍射角度设定为62度。
(2)α扫描范围：20～90度(5度步长)
(3)靶：Cu，电压：50kV，电流：250mA
(4)发散狭缝：1/4度
(5)散射狭缝：6mm
(6)发散纵向限制狭缝：5mm
另外，硬质膜的硬度采用松泽精机株式会社制微型维氏硬度计，在施加负载为25gf、保持时间为15秒的测量条件下进行测量。这些结果如表5所示。
表5
Figure BDA0000043856650000091
使用发明品1～6、比较品1～6的覆盖超硬合金工具，在被切削材料：大同特种钢(株)制塑料模具用钢NAK80、切削速度：150m/min、进刀量：2.0mm、进给量：0.15mm/tooth的条件下，进行了干式铣切试验。工具寿命以后隙面摩耗量VB＝0.3mm为目标。在直到切削长为6m之前，没有达到后隙面摩耗量VB＝0.3mm时，测量了切削长为6m时的后隙面摩耗量VB。这些结果如表6所示。
表6
  试样编号   切削长度(m)   VB(mm)   寿命判断和损伤状态
  发明品1   6.0   0.14   可以切削
  发明品2   6.0   0.13   可以切削
  发明品3   6.0   0.13   可以切削
  发明品4   6.0   0.16   可以切削
  发明品5   6.0   0.15   可以切削
  发明品6   6.0   0.17   可以切削
  比较品1   6.0   0.32   不可以切削
  比较品2   6.0   0.26   可以切削
  比较品3   6.0   0.24   可以切削
  比较品4   6.0   0.34   不可以切削
  比较品5   6.0   0.32   不可以切削
  比较品6   6.0   -   缺损
如表6所示，对于发明品1～6，在直到切削长度为6m的切削加工中没有缺损，后隙面摩耗量VB为0.17mm以下，具有优良的耐摩耗性和耐缺损性。另一方面，对于比较品，在切削长度为6m时的后隙面摩耗量VB为0.24mm以上。另外，比较品6在切削长度为6m时发生了缺损。
符号说明：
1发散狭缝(DS)                    2试样中心
3发散纵向限制狭缝(Schulz狭缝)    4受光狭缝(RS)
5散射狭缝(SS)                    6计数器

Claims (7)

1.一种覆盖构件，其在基材的表面覆盖有被膜，其中，被膜的至少1层是由立方晶的金属化合物构成的硬质膜，硬质膜的(111)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度，硬质膜的(220)面沿正极图的α轴的X射线强度分布在α角为75～90度的范围内表现出最高强度。
2.根据权利要求1所述的覆盖构件，其中，硬质膜是由选自Al、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W之中的至少1种元素M和选自C、N、O之中的至少1种元素X构成的金属化合物。
3.根据权利要求2所述的覆盖构件，其中，元素M为选自Al、Si、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W之中的2种以上。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的覆盖构件，其中，被膜的平均膜厚为0.1～15μm。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的覆盖构件，其中，硬质膜由2层以上的组成不同的厚度为1～100nm的薄膜交替层叠而成的交替层叠膜构成。
6.一种覆盖切削工具，其包括权利要求1～5的任一项所述的覆盖构件。
7.一种覆盖构件的制造方法，该覆盖构件在基材的表面覆盖有至少1层由立方晶的金属化合物构成的硬质膜，其中，所述制造方法依次通过如下工序进行：
(1)在覆盖装置内装入基材，通过加热器将基材温度加热到400～650℃的工序；
(2)预放电工序，在基材表面进行Ar气轰击后，在基材的直流偏压为-600～-1000V、电弧放电电流为100～150A的规定电压和电流下进行1～5分钟的放电；
(3)第一次放电工序，在维持电弧放电电流和基材温度的同时，一边将基材的直流偏压经过1～5分钟由-600～-1000V的规定电压慢慢降低到-80～-180v的规定电压，一边进行电弧放电；以及
(4)第二次放电工序，在维持电弧放电电流和基材温度的同时，在基材偏压为-80～-180V下进行规定时间的电弧放电，以得到所希望的膜厚的硬质膜。
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