CN102625737B - 表面被覆切削工具 - Google Patents

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Abstract

表面被覆切削工具(1)兼具高的耐磨性和耐崩裂性。本发明的表面被覆切削工具(1)包括基材(7)和在基材(7)上形成的被覆膜。倒角部分(4)处的第一被覆层(8)的残留应力在与表面相距2μm以内的深度A处表现出极小值，并且该极小值大于或等于-7GPa且小于或等于-1GPa。倒角部分(4)以外的部分处的第一被覆层(8)的残留应力向着前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而连续或阶段式增加，并且该残留应力大于或等于0GPa且小于或等于2GPa。在第一被覆层(8)中，倒角部分处的在深度方向上比深度A更深的区域、以及倒角部分(4)以外的区域都为粗结晶组织区域(9)，它们包含比微细结晶组织区域(10)中的结晶大的结晶。

Description

表面被覆切削工具
技术领域
本发明涉及表面被覆切削工具，特别是覆盖有用于提高耐磨性和耐崩裂性的覆膜的表面被覆切削工具
背景技术
就切削工具而言，传统上已经使用硬质合金(WC-Co合金，或者添加有Ti(钛)、Ta(钽)或Nb(铌)等的碳氮化物的WC-Co合金)。然而，近年来伴随着切削高速化的趋势，普遍使用这样的切削工具，该切削工具通过采用硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼烧结体、或者氧化铝类或氮化硅类陶瓷作为基体、并在其表面上实施化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)而覆盖有至少一层被覆层。所述被覆层的厚度为3-20μm，并且由这样的化合物形成：该化合物包含选自元素周期表中的IVa族元素、Va族元素和VIa族元素、Al(铝)、Si或B中的至少一种的第一元素、以及选自B、C、N或O中的至少一种的第二元素(当第一元素仅为B时，第二元素不为B)。
在现代切削加工中，对节省能量和减少成本的要求较高。因此，在切削加工条件方面，对进一步提高速度和进给、以及提高加工效率的要求日益提高。此外，机械部件向着成本低、强度高和轻量化的趋势发展。在部件中所使用的工件材料已经变得难以切削，这使得难以对工件材料进行加工。从上述角度考虑，人们已经采用多种方法以提高切削工具的耐崩裂性和寿命。
作为旨在提高切削工具寿命的方法，例如日本专利特开No.2001-062603(日本专利No.3661503，专利文献1)公开了一种由长形结晶(oblong crystal)组织所形成的被膜，该被膜的上部和下部具有不同的残留应力。具体地说，在被膜的上层施加残留压缩应力，同时在该被膜的下层施加残留拉伸应力，由此提高切削工具的耐崩裂性。
日本专利特开No.2001-096404(专利文献2)公开了通过采用包含由Ti化合物层、碳氮化钛层、碳化钛层和氧化铝层组成的叠层体的硬质被覆层进行被覆来提高耐崩裂性的方法。
日本专利特开No.2009-078309(专利文献3)教导了，通过喷抛方式向硬质被覆层(其覆盖表面被覆切削工具的表面)的外层侧引入压缩应力来提高耐崩裂性。
此外，WO2006/064724(专利文献4)公开了一种在表面侧包含由α-Al2O3形成的第一涂层以及在内侧包含由TiCN形成的第二涂层的被膜，其中，向第一涂层施加压缩应力，并且向第二涂层施加拉伸应力。通过将第一涂层的拉伸应力和第二涂层的压缩应力设定为满足预定的关系，由此该被膜的韧性和耐磨性得到了提高。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利特开No.2001-062603
专利文献2：日本专利特开No.2001-096404
专利文献3：日本专利特开No.2009-078309
专利文献4：WO2006/064724
发明内容
技术问题
虽然上述专利文献1-4所公开的方法在耐崩裂性方面能够达到足够的性能，但耐磨性不足以满足目前对切削工具的要求。
从上述角度考虑，本发明的目的是提供一种兼具高的耐磨性和耐崩裂性的表面被覆切削工具。
解决问题的手段
为解决上述问题，本发明人进行了深入研究，结果发现，使被覆膜倒角部分的结晶组织与被覆膜的除倒角部分以外的其它部分的结晶组织不同，并且对这两种结晶组织分别施加不同的残留应力，能够最有效地达到兼具高的耐磨性和耐崩裂性的效果。通过在该发现的基础上进行进一步研究，发明人完成了本发明。
本发明的表面被覆切削工具包括基材以及在所述基材上形成的被覆膜。所述表面被覆切削工具在前刀面和后刀面相交处具有倒角部分。所述被覆膜包含至少一层第一被覆层。所述第一被覆层在所述倒角部分处为所述被覆膜的最外表面层。所述倒角部分处的所述第一被覆层的残留应力在与表面相距2μm以内的深度A处表现出极小值，并且在更深的深度方向上作为距离所述深度A的深度的函数而连续地或阶段式增加。所述残留应力的所述极小值大于或等于-7GPa且小于或等于-1GPa。所述倒角部分以外的部分处的所述第一被覆层的残留应力大于所述残留应力的极小值，并且该残留应力向着前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而连续地或阶段式增加。所述倒角部分以外的所述第一被覆层的残留应力在所述基材侧大于或等于0GPa且小于或等于2GPa。在所述倒角部分处的第一被覆层中，从所述表面直至所述深度A的区域为微细结晶组织区域，该区域包含平均粒度大于或等于10nm且小于或等于200nm的结晶。在所述第一被覆层中，所述倒角部分处的在深度方向上比所述深度A更深的区域、以及所述倒角部分以外的区域均为粗结晶组织区域，它们包含比所述微细结晶组织区域中的结晶大的结晶。
所述第一被覆层的厚度优选大于或等于2μm且小于或等于30μm。虽然除倒角部分以外，所述第一被覆层在其它区域也优选为最外表面层，但所述第一被覆层没有必要必须为最外表面层。
所述被覆膜优选由这样的化合物形成，该化合物包含：选自由IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、Si、Y、B和S组成的组中的至少一种元素、以及选自由硼、碳、氮和氧组成的组中的至少一种元素。所述被覆膜优选包含一层或多层除所述第一被覆层以外的层。所述被覆膜的整体厚度优选大于或等于3μm且小于或等于50μm。所述第一被覆层优选由氧化铝形成。
本发明的有益效果
本发明的表面被覆切削工具由于具有上述结构而兼具高的耐磨性和耐崩裂性。
附图简要说明
图1为在切削加工中表面被覆切削工具和工件材料处于接触状态的示意图。
图2为前刀面为方形的表面被覆切削工具的示意图。
图3为倒角部分的示意性截面图，该倒角部分被倒角成曲面。
图4为倒角部分的示意性截面图，该倒角部分被倒角成平面。
图5为在第一被覆层的深度A处具有极小值，并且在更深的深度方向上作为距离深度A的深度的函数而连续地增加的残留应力分布的图。
图6为在第一被覆层的深度A处具有极小值，并且在更深的深度方向上作为距离深度A的深度的函数而阶段式增加的残留应力分布的图。
图7为倒角部分处附近的第一被覆层的结晶结构的示意性截面图。
图8为倒角部分处附近的第一被覆层的结晶结构的示意性截面图。
具体实施方式
下文将对本发明进行详细地说明。在本发明中，利用扫描电子显微镜(SEM)测量层厚或膜厚。
<表面被覆切削工具>
本发明的表面被覆切削工具包括基材以及在所述基材上形成的被覆膜。具有此基本构造的本发明表面被覆切削工具用作钻头、立铣刀、钻头用可替换刀头(indexable insert)、立铣刀用可替换刀头、铣削用可替换刀头、车削用可替换刀头、金属用锯、齿轮用切削工具、铰刀、丝锥等是非常有利的。
图1为在切削加工中表面被覆切削工具和工件材料处于接触状态的示意图。如图1所述，本发明的表面被覆切削工具1包括在切削加工中与工件材料5的切屑6接触的前刀面2、以及与工件材料5本身接触的后刀面3。前刀面2与后刀面3相交处的脊为经过刃口处理的倒角部分4。倒角部分4是表面被覆切削工具1与工件材料5接触的区域，在切削工具中极其重要。
图2为具有方形前刀面2的表面被覆切削工具的示意图。在本发明的表面被覆切削工具1为可替换刀头型切削工具的情况中，可以在可替换刀头切削工具的中央，贯穿前刀面2的顶面和底面形成贯通孔20。该贯通孔20用作固定孔以连接工具。如果需要，除固定孔以外还可以提供其它的固定方式，或者可以提供其它的固定方式来代替固定孔。
<倒角部分>
图3为倒角部分的示意性截面图，该倒角部分被倒角加工成曲面。图4为倒角部分的示意性截面图，该倒角部分被倒角加工成平面。在本发明中，倒角部分4是指，如图3所示，在对应于前刀面2与后刀面3相交处的脊的区域处被倒角加工的部分(衍磨部分)，其经过刃口处理而具有曲面(R)；倒角部分4还指，如图4所示，通过将对应于前刀面2与后刀面3相交处的脊的区域进行线形切除而被倒角加工的部分(凹棱(negative land)部分)。此外，还包括基于组合进行上述倒角加工而形成的部分。
对前刀面2与后刀面3相交处的脊进行研磨加工、刷光加工、滚磨处理、喷抛加工、抛光加工、衍磨加工等，从而形成倒角部分4。当从前刀面方向或后刀面方向水平观察表面被覆切削工具时(图4)，倒角部分4的宽度优选为大于或等于0.01mm且小于或等于0.2mm，更优选为大于或等于0.02mm且小于或等于0.1mm。
<基材>
对用于本发明表面被覆切削工具的基材没有限制，可以使用任何公知的用于切削工具的基材。作为基材，可以列举(例如)硬质合金(例如，WC基硬质合金；除WC以外还含有Co的硬质合金；或者还添加有诸如Ti、Ta或Nb的碳氮化物的那些硬质合金)、金属陶瓷(以TiC、TiN、TiCN等作为主要成分的那些)、高速钢、陶瓷(碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、它们的复合物等)、立方氮化硼烧结体、金刚石烧结体、氮化硼烧结体、或者由氧化铝和碳化钛形成的复合物。
在上述基材中，优选硬质合金(WC基硬质合金)。这是因为硬质合金包含诸如钴之类的铁族金属，并且以高硬度的碳化钨作为主要成分，因此硬质合金是一种兼具硬度和强度并且平衡性极好的合金。在将这种硬质合金用作基材的情况中，即使是硬质合金在其组织中包含游离碳或者称为η相的异常相时，也能够表现出本发明的优点。
可以对基材进行表面改性。例如，在使用硬质合金的情况中，可以在表面上形成脱β层。在使用金属陶瓷的情况中，可以形成表面硬化层。即使是在表面改性的情况下，本发明的优点也得以展现。
<被覆膜>
在本发明的表面被覆切削工具中，在基材上形成的被覆膜的特征在于，至少包含第一被覆层。本发明的被覆膜可以仅由第一被覆层形成(在此情况中，形成第一被覆层使其与基材相接触)、或者可以包含一层或多层除第一被覆层以外的其它层。如下文中将要描述的那样，该第一被覆层以外的层可以形成在基材和第一被覆层之间、或者可以形成在第一被覆层之上。即使在第一被覆层以外的层形成在第一被覆层之上的情况中，在参与切削的倒角部分处第一被覆层仍是最外层(构成被覆膜表面的层)。由于第一被覆层根据位置不同而包含有平均粒度不同的结晶，因此，第一被覆层具有适合该位置的残留应力。因此，能够兼具高的耐磨性和耐崩裂性。在下文中将描述第一被覆层的粒度和残留应力。
本发明的被覆膜包括：覆盖基材的整个表面的情况、仅部分地设置被覆膜的情况、以及被覆膜的一部分的层叠状态存在部分差异的情况。优选的是，本发明的被覆膜的整体厚度大于或等于3μm且小于或等于50μm。如果厚度小于3μm，则耐磨性可能降低。如果厚度超过50μm，与基材的粘附性以及耐崩裂性可能降低。特别地，被覆膜的厚度优选大于或等于5μm且小于或等于25μm。
对本发明的被覆膜没有特别限定，可以使用上述的用于本应用的公知被覆膜。本发明的被覆膜优选由这样的化合物形成，该化合物包含：选自由元素周期表中的IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、铝(Al)、硅(Si)、钇(Y)、硼(B)和硫(S)组成的组中的至少一种元素、以及选自由硼、碳、氮和氧组成的组中的至少一种元素(不包括两种元素都是B的情况)。对于该化合物而言，可以列举选自由上述IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、铝(Al)、硅(Si)和钇(Y)组成的组中的元素的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物、碳氧化物、氧氮化物、碳氧氮化物等。可以包括它们的固溶体。
对于该化合物而言，可以列举Ti、Al、(Ti1-xAlx)、(Al1-xZrx)、(Ti1-xSix)、(Al1-xCrx)、(Ti1-x-ySixAly)或(Al1-x-yCrxVy)的氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物、碳氧氮化物等(也包括其中加入有B、Cr等的化合物)作为合适的组成(在式中，x和y表示小于或等于1的任意的数)。
更优选地，可以列举TiCN、TiN、TiSiN、TiSiCN、TiAlN、TiAlCrN、TiAlSiN、TiAlSiCrN、AlCrN、AlCrCN、AlCrVN、TiBN、TiAlBN、TiBCN、TiAlBCN、TiSiBCN、AlN、AlCN、AlO、Al2O3、ZrO2、(AlZr)2O3等。下文将更加详细地描述构成被覆膜的第一被覆层。
<第一被覆层的残留应力>
在本发明的第一被覆层中，根据倒角部分处的深度，残留应力有很大差别；并且在倒角部分与除倒角部分以外的部分之间，残留应力也有很大差别，并且残留应力满足下述(1)-(5)中的所有条件。
(1)倒角部分处的第一被覆层的残留应力在与表面相距2μm以内的深度A处表现出极小值。
(2)上述残留应力的极小值大于或等于-7GPa且小于或等于-1GPa。
(3)残留应力在更深的深度方向上作为距离所述深度A的深度的函数而连续地或阶段式增加。
(4)倒角部分以外的第一被覆层部分处的残留应力大于倒角部分处的第一被覆层的残留应力的极小值。
(5)倒角部分以外的第一被覆层部分处的残留应力向着前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而连续地或阶段式增加，并且在基材侧大于或等于0GPa且小于或等于2GPa。
在图5和图6中示出第一被覆层中的应力分布满足上述条件(1)-(5)中的(1)-(3)的例子。图5为示出在第一被覆膜的深度A处具有极小值的应力分布图，该残留应力在深度方向上作为距离所述深度A的深度的函数而连续地增加。图6为与图5相似的图，其提供了残留应力的增加为阶段式的情况。
由于本发明的第一被覆层具有这样的应力分布并且具有下文中将要描述的第一被覆层的结晶结构，因此，兼具高的耐磨性和耐崩裂性。此外，进一步提高了基材和被覆膜之间的粘附性。由于在被覆膜(第一被覆层)的表面附近处具有残留应力的极小值，因此，能够抑制切削过程中在被覆膜表面处产生的裂纹的发展。下文将描述条件(1)-(5)以及由此带来的优点。
通过满足条件(1)，能够保持耐磨性和耐崩裂性之间的平衡。深度A(此处的残留应力为极小值)优选位于距离第一被覆层的表面大于或等于0.1μm且小于或等于1μm的范围内。如果深度A距离第一被覆层的表面超过2μm，则会失去耐磨性和耐崩裂性之间的平衡，这可能会降低工具寿命。
通过满足条件(2)，表面被覆切削工具在切削过程中不易于发生被覆膜的自身破坏，并且能够获得优异的耐崩裂性。残留应力的极小值优选大于或等于-5GPa且小于或等于-1.5GPa。如果残留应力的极小值小于-7GPa，则第一被覆膜的压缩应力将过高，因而发生自身破坏从而易于崩裂。如果该极小值超过-1GPa，则不能够获得切削工具所需要的耐崩裂性。如本申请所用，本发明中的“极小值”是指数学含义上的最小值，以及残留应力在第一被覆层的厚度方向上连续地表现出恒定数值(如下文所述的图8所示)的情况。
提供条件(3)的目的是排除残留应力包括任何的在局部出现或高或低的值的情况。在残留应力局部或高或低的情况中，易于以此区域作为起点而发生崩裂。满足此条件(3)(残留应力以连续或阶段式的方式变化)可以抑制这样的崩裂发生。
通过满足条件(4)和(5)，残留应力向着第一被覆层的前刀面或后刀面的中心方向逐渐地增加(压缩应力也逐渐地降低)。由此能够防止被覆膜由于其自身的应力而发生内部破坏。第一被覆层的除倒角部分以外的部分处的残留应力优选最终大于或等于0GPa且小于或等于2GPa。第一被覆层的除倒角部分以外的部分处的残留应力超过2GPa是不优选的，这是因为根据切削工具的形状，被覆膜将在倒角部分处发生脱落。如果在上述基材侧的残留应力小于0GPa，则不能够获得足够的耐磨性。
如本申请所用，“前刀面的中心方向”是指从刃口棱(其为倒角部分)的任意一点朝向前刀面的中心的矢量方向。相似地，“后刀面的中心方向”是指从刃口棱(其为倒角部分)的任意一点朝向后刀面的中心的矢量方向。
如本申请所用，本发明中压缩应力是指由“-”(负)数值(单位：GPa)表示的、存在于被覆膜中的一种内部应力(固有应变)。因此，高的压缩应力(内部应力)意味着上述数值的绝对值变大，而低的压缩应力(内部应力)意味着上述数值的绝对值变小。应指出的是，由“+”(正)表示的数值是指拉伸应力。
利用下述法测量本发明第一被覆层的残留应力分布。利用X射线的法被广泛用作测量多晶材料的残留应力的方法。在“X射线应力测量法”(日本材料学会，株式会社养贤堂出版，1981年)第54-66页中详细描述了该测量方法。
在本发明中，首先，通过组合使用ISO倾斜法和侧倾法来固定X射线的穿透深度。测量相对于平面中各个方向(包括测量应力方向和测量位置处的样品表面的法线)的衍射角2θ，从而绘制线图。由斜率获得达到相关深度处(与被覆膜表面的距离)的压缩应力。
更具体而言，在X射线应力测量方法中，将从X射线源发出的X射线以预定的角度射向第一被覆层。利用X射线检测器来检测在第一被覆层发生衍射的X射线。根据所检测的值来测量内部应力。
关于用于测量被覆膜厚度方向上的残留应力的X射线源，从X射线源的性能(高亮度、高平行度、可变波长等)角度考虑，优选使用同步辐射(SR)。
为了由线图获得上述压缩应力，优选使用被覆膜的杨氏模量和泊松比。可以使用动态硬度计测量杨氏模量。对泊松比而言，应当采用0.2左右的值，因为其不会由于材料而发生很大变化。当由线图获得压缩应力时，没有必要必须使用杨氏模量。可以改用点阵常数和点阵间距来计算压缩应力。
<第一被覆层的组成>
优选地，第一被覆层由这样的化合物形成，该化合物包含：选自由元素周期表中的IVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、铝(Al)、硅(Si)、钇(Y)、硼(B)和硫(S)组成的组中的至少一种元素、以及选自由硼、碳、氮和氧组成的组中的至少一种元素(不包括两种元素都是B的情况)，更优选由氧化铝形成，进一步优选由具有α型结晶结构的氧化铝形成。
<第一被覆层的结晶结构>
图7和图8为倒角部分附近处的第一被覆层的结晶结构的示意性截面图。图7和图8表示被覆膜仅包含第一被覆层的情况。本发明的第一被覆层8包含微细结晶组织区域10(其中，构成化合物的平均粒度小)和粗结晶组织区域9(其中，构成化合物的平均粒度大)。第一被覆层由化合物晶粒的聚集体形成。平均粒度为10nm-200nm的晶粒聚集的区域称为微细结晶组织区域，而晶粒比微细结晶组织区域中的结晶大的区域称为粗结晶组织区域。
如图7和图8所示，微细结晶组织区域构成了距离倒角部分4处的第一被覆层8的表面直达深度A的区域。具体地说，倒角部分4处的第一被覆层8在厚度方向上由两个区域形成，即，位于基材7侧的粗结晶组织区域9和位于表面侧的微细结晶组织区域10。微细结晶组织区域10的厚度构成了距离第一被覆层8的表面直到深度A的区域。
由于第一被覆层8具有上述构成，本发明能够兼具高的耐磨性和耐崩裂性。具体地说，在第一被覆层8的表面上形成微细结晶组织区域10，减小了被覆膜的破坏单位，这使得耐磨性提高。此外，通过使晶粒微小化而增加了晶界。因此，在被覆膜的表面侧产生的裂纹不会向基材侧发展，这使得耐崩裂性提高。此外，通过在被覆膜中提供粒度不同的界面，抑制了裂纹在微细结晶组织区域与粗结晶组织区域之间的界面处的发展。此外，可以期待韧性得以提高。使大晶粒聚集在基材侧的原因在于，通过使第一被覆层8中的结晶随着构成基材7的结晶而生长，从而提高第一被覆层8与基材7之间的粘附性。因此，本发明的第一被覆层8的作用是兼具高的耐磨性和耐崩裂性，并且提高与基材7的粘附性。
为了获得上述效果，微细结晶组织区域中的晶粒的平均粒度必须大于或等于10nm且小于或等于200nm，更优选为大于或等于15nm且小于或等于80nm。如果粒度小于10nm，则由于构成第一被覆层8的结晶组织的粒子之间的结合力变弱，耐磨性将会降低。如果平均粒度超过200nm，则切削表面处的被覆膜的结晶组织将过于粗大以至于在工件材料上发生粘着磨损，这导致耐磨性降低。
虽然根据微细结晶组织区域中晶粒的平均粒度，粗结晶组织区域中的晶粒的平均粒度具有不同的最佳范围，但是粗结晶组织区域中的晶粒尺寸基本上大于微细结晶组织区域中晶粒的晶粒尺寸，并且优选为大于或等于200nm，更优选大于或等于300nm且小于或等于1500nm。
可以如下所述来获得本发明中晶粒的平均粒度。对基材和形成于该基材上的被覆膜(第一被覆层)进行处理，使得FIB加工材料的截面可视化。利用FE-SEM(场发射-扫描电子显微镜)观察截面。通过观察反射电子图像，在相同的对比度下观察具有相同结晶取向的部分。将对比度相同的部分视为一个晶粒。
之后，对于所获得的图像，在第一被覆层的任意位置处画出平行于基材表面的任意长度(优选为大约400μm)的直线。测量该直线上所包含的晶粒的数量。用直线的长度除以晶粒的数量。将该值视为第一被覆层在该位置处的平均粒度。
将微细结晶组织区域与粗结晶组织区域之间的界面作为结晶在与基材表面垂直的方向上的取向发生改变(基于利用透射电子显微镜对被覆膜(第一被覆层)的截面所进行的观察)的位置。或者，具有如此结晶取向的位置作为边界没有显示出明确的改变，而取向改变了一定宽度(与基材表面垂直的方向上的长度)，在这种情况中，将该宽度的中点视为微细结晶组织区域与粗结晶组织区域之间的界面。
<第一被覆层的位置>
在本发明的被覆膜由多个层形成的情况中，第一被覆层可以形成在被覆膜的基材侧，或者形成在被覆膜的表面侧。优选地，使第一被覆层位于最外表面层。相应地，使第一被覆层与工件材料接触，这抑制了在切削开始阶段的任何缺损。这能够提高切削性能并且提高寿命。在倒角部分处，第一被覆层必须为被覆膜的最外表面层。
<第一被覆层的厚度>
在本发明中，第一被覆层的厚度优选为大于或等于2μm且小于或等于30μm。此外，厚度的上限为20μm，更优选为10μm。厚度的下限为3μm，更优选为5μm。如果厚度小于2μm，则由于施加残留压缩应力时的效果不充分，提高耐崩裂性的效果没有那么明显。如果厚度超过30μm，则与基材或者与位于第一被覆层内侧的层的粘附性可能降低。
<第一被覆层以外的其它层>
本发明的被覆膜除上述第一被覆层以外，还可以包含一层或多层其它的层。这样的层包括在基材和第一被覆层之间形成的中间层、和/或在第一被覆层之上形成的最外表面层。根据第一被覆层的上述效果，提供这些层的目的是抗氧化、润滑等。
特别地，提供上述中间层的目的是提高耐磨性和/或与基材的粘附性。中间层可以包括一层或多层。中间层可以由(例如)TiC、TiN、TiCN、TiCNO、TiSiN、TiAlN、TiZrCN、TiAlCrN、TiAlSiN、TiAlCrSiN等形成。在这些组成中，不特别限定各原子的比例，并且遵循常规公知的比例。优选的是，所形成的中间层的厚度大于或等于0.2μm且小于或等于1μm，并且残留应力大于或等于-1GPa且小于或等于-0.1GPa。
形成最外表面层的目的是着色等，从而识别已使用过的切削刃，最外表面层可以包含一层或多层。最外表面层由(例如)Cr、CrN、TiN、TiCN等形成。在这些组成中，不特别限定各原子的比例，并且遵循常规公知的比例。优选的是，所形成的最外表面层的厚度大于或等于0.1μm且小于或等于0.3μm。
<制备方法>
对基材的前刀面与后刀面相交处的脊进行研磨处理、刷光处理、滚磨处理、碾磨处理等，从而形成倒角部分。被覆膜沉积在形成有倒角部分的基材上。
对制备本发明的被覆膜的方法没有特别限定，可以使用公知的常规方法。优选地，利用化学气相沉淀法形成被覆膜。利用CVD形成被覆膜的有利之处在于，被覆膜的各层都具有残留拉伸应力，这表现出与基材的高粘附性。
所形成的被覆膜的特征在于，对第一被覆层的倒角部分进行局部喷砂处理。因此，可以将压缩应力施加到第一被覆层的表面侧的倒角部分，并且位于距离倒角部分处的第一被覆层的表面直到深度A处的晶粒的平均粒度被降低至大于或等于10nm且小于或等于200nm。
制备其中直接分散有磨粒的分散溶剂、或者磨粒分散在例如水等溶剂中的分散溶剂，并且使该分散溶剂冲击第一被覆层的表面，由此来进行喷砂处理。在本发明中，使磨粒在分散溶剂中的体积比在大于或等于5体积％且小于或等于40体积％的范围内变化，同时通过连续或阶段式增加分散溶剂中的液体浓度来逐渐使磨粒浓度变稀，由此来进行喷砂处理。磨粒优选基于比重和硬度不同的至少两种粉末的混合物。例如，优选使用两种粉末(即，金刚石、氮化硼、碳化硅等硬度高且比重低的粉末，以及诸如氧化锆、碳化钽、碳化钨等硬度低且比重高的粉末)的混合物。此外，喷砂处理可以分为两个阶段，在每个阶段中使用不同的粉末。
可以根据被覆膜的构造和/或所施加的残留压缩应力的水平来适当地调节磨粒的冲击条件。优选地，投射压力为大于或等于0.01MPa且小于或等于0.5MPa；投射距离为大于或等于0.5mm且小于或等于50mm；并且投射角与倒角部分成直角。如果磨粒的冲击强度不足，则不能够施加所需的残留压缩应力。因此优选以合适的强度施加冲击。
虽然本发明的特征在于，倒角部分处的第一被覆层的残留应力和粒度通过上述喷砂处理而改变，但是其中倒角部分以外的第一被覆层部分的残留应力和粒度等于倒角部分处的第一被覆层的区域的情况，以及在第一被覆层的倒角部分处上述残留应力和粒度部分地得到满足的情况也包含在本发明的范围之内，只要不损害本发明的有益效果即可。
例子
以下基于例子对本发明进行更加详细的说明，但本发明不限于此。在实施例和对比例中，利用X射线光电子能谱仪(XPS)来确认被覆膜的化合物组成。
利用球磨机将由86质量％的WC、8.0质量％的Co、2.0质量％的TiC、2.0质量％的NbC和2.0质量％的ZrC共混而成的原料粉末混合72小时。之后，将该混合物干燥、加压成型，并且在真空气氛中，在1420℃的温度下进行烧结1小时，从而制备用于由WC基硬质合金制成的不磨刃刀片(形状：由Sumitomo Electric Hardmetal公司制的CNMG120408)的基材。
利用具有SiC磨粒的尼龙刷对此基材的切削刃进行倒角加工，从而形成作为倒角部分的圆形衍磨体。之后，对基材表面进行清洁。
利用公知的热CVD法，在基材上形成表1的“层结构”一栏中所示出的各层被覆膜(表1的“层结构”一栏中所示出的组成的层从右侧开始依次形成在基材上)。例如，实施例3从基材一侧依次具有厚度为0.3μm的TiN层、厚度为10μm的TiCN层、之后的厚度为0.5μm的TiCNO层、以及厚度为4μm的κ-Al2O3层。各例子中的第一被覆层均为最外表面层。
利用硬度小于被覆膜且比重大于被覆膜的氧化锆、以及硬度大且比重小的金刚石磨粒对第一被覆层的倒角部分进行喷砂处理。具体地说，使磨粒的浓度逐渐变稀，同时连续地或阶段式增加液体的浓度，并且将投射距离调整为0.5-50mm，以0.01-0.5MPa的投射压力对被覆膜的倒角部分进行喷砂处理。由此，利用两种类型的介质对第一被覆层进行处理，从而获得下表1中所示出的残留应力和微细组织。表1中的“增加方式”一栏示出残留应力的增加方式是“连续”还是“阶段式”。在对比例中，相应栏中的“恒定”表示第一被覆层的残留应力的增加方式为恒定的。
通过相似的方法制造各实施例中的表面被覆切削工具。按照与上文所描述的各实施例相似的方法制备各对比例中的表面被覆切削工具，但不进行上述喷砂处理。
利用法测量所制备的表面被覆切削工具的第一被覆层的残留应力分布。按照上文所描述的方法观察被覆膜的截面，从而确定第一被覆层的平均粒度。
在利用法进行测量的过程中，所采用的X射线的能量为10keV，并且衍射线的峰为α型Al2O3的(166)面。通过高斯函数拟合来确定所测量的衍射峰的位置。获得了线图的倾斜度。关于杨氏模量，采用了利用动态硬度测试仪(MST制的nanoindenter)所获得的值。关于泊松比，采用了Al2O3(0.2)的值。
表1中各层的“膜厚度”一栏中，在表1中各层一侧的括号中示出了构成被覆膜的各层的厚度。在包含表面被覆切削工具的表面的法线的平面处进行切割，并且采用基于利用SEM对切割面进行观察而得到的相关值来获得膜厚度和层厚度。
在表1中，“深度A”一栏示出从第一被覆层的表面开始，残留应力变为极小值处的距离。相关的残留应力的极小值在表1的“极小值”一栏中示出。“增加方式”一栏示出向着前刀面和后刀面的中心方向，残留应力的增加方式是“连续”还是“阶段式”。
“平均粒度”中的“微细”一栏表示，在倒角部分处，从第一被覆层的表面向下直至深度A处(微细结晶组织区域)的晶粒的平均粒度。“粗”栏表示，在第一被覆层的除微细结晶组织区域以外的部分处的晶粒的平均粒度。
<切削样品>
按照以下条件，利用各实施例和各对比例的表面被覆切削工具进行车床旋转切削测试。
工件材料：具有沟槽的FCD700圆棒
切削速度：230m/分钟
进给速度：0.15mm/转
切削量：1.0mm
切削油：使用
在表2的“崩裂发生时间”一栏中示出从切削测试开始到表面被覆切削工具发生崩裂之前的时间。发生崩裂的时间越长，表示切削工具越不易发生崩裂。
从切削测试一开始，每分钟都利用游标卡尺对表面被覆切削工具进行测量，由此计算后刀面处由磨损引起的宽度的减少量，并且在表2的“工具寿命”一栏中示出直至该宽度减少量平均值超过0.25mm时的时间。工具的寿命越长，表示表面被覆切削工具的寿命越长。
表2
由表2的结果明显可知，与对比例相比，本发明各实施例的表面被覆切削工具的后刀面的磨损量小，并且不易发生崩裂。由这些结果可以说明，与各对比例相比，本发明各实施例的表面被覆切削工具在耐磨性和耐崩裂性方面优异。上述各实施例的表面被覆切削工具的耐磨性和耐崩裂性得到提高的原因在于，第一被覆层的倒角部分处的结晶被微细化，并且局部降低了该部分的残留应力。
上述结果表明，与对比例的表面被覆切削工具相比，实施例的表面被覆切削工具在耐磨性和耐崩裂性方面优异。
虽然已经如上文所述对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是从开始就意图可以适当地组合上述实施方案和实施例的构造。
此外，应当理解的是，本文所公开的实施方案和实施例在各方面都是示例性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的权项、而不是上文的描述来限定，并且意图包括在与权利要求书的权项等同的范围和含义内的任何修改。
参考标号列表
1表面被覆切削工具；2前刀面；3后刀面；4倒角部分；5工件材料；6切屑；7基材；8第一被覆层；9粗结晶组织区域；10微细结晶组织区域；20贯通孔。

Claims (6)

1.一种表面被覆切削工具(1)，包括基材(7)和在所述基材(7)上形成的被覆膜，
所述表面被覆切削工具(1)在前刀面(2)和后刀面(3)相交处具有倒角部分(4)，
所述被覆膜包含至少一层第一被覆层(8)，
所述第一被覆层(8)在所述倒角部分(4)处为所述被覆膜的最外表面层，
所述倒角部分(4)处的所述第一被覆层(8)的残留应力在与所述倒角部分(4)的表面相距2μm以内的深度A处表现出极小值，并且在更深的深度方向上作为距离所述深度A的深度的函数，该残留应力连续地或阶段式增加，
所述残留应力的所述极小值大于或等于-7GPa且小于或等于-1GPa，
所述倒角部分(4)以外的部分处的所述第一被覆层(8)的残留应力大于所述残留应力的极小值，
所述倒角部分(4)以外的部分处的所述第一被覆层(8)的残留应力向着前刀面的中心方向和后刀面的中心方向而连续地或阶段式增加，并且该残留应力在所述基材(7)侧大于或等于0GPa且小于或等于2GPa，
在所述倒角部分(4)处的第一被覆层(8)中，从所述表面直至所述深度A的区域为微细结晶组织区域(10)，该区域包含平均粒度大于或等于10nm且小于或等于200nm的结晶，并且
在所述第一被覆层(8)中，所述倒角部分(4)处的在深度方向上比所述深度A更深的区域、以及所述倒角部分(4)以外的区域均为粗结晶组织区域(9)，它们包含比所述微细结晶组织区域(10)中的结晶大的结晶。
2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一被覆层(8)的厚度大于或等于2μm且小于或等于30μm。
3.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述被覆膜由这样的化合物形成，该化合物包含：选自由IVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、Si、Y、B和S组成的组中的至少一种元素、以及选自由硼、碳、氮和氧组成的组中的至少一种元素。
4.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述被覆膜包含一层或多层除所述第一被覆层(8)以外的层。
5.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述被覆膜的整体厚度大于或等于3μm且小于或等于50μm。
6.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具(1)，其中所述第一被覆层(8)由氧化铝形成。
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