CN102851642A - 靶、以及硬覆膜被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种靶，其具有由Cr_1-x-y-zAl_x[Ni_1-aZr_a]_yM_z所表示的组成，并且相对密度为95%以上，其中，M为选自由Ti、Nb、Si、B、W和V组成的组中的至少一种元素，并且，a、x、y和z满足0.5≤x≤0.8、0.01≤y≤0.35、0≤z≤0.2、0.51≤x+y+z＜1和0.2≤a≤0.5。所述靶用于形成切削工具用的硬覆膜。本发明还涉及一种硬覆膜被覆切削工具，包括：基材以及形成于该基材表面上的硬覆膜，其中所述硬覆膜是通过采用所述的靶而形成的并且包含氮化物、碳化物或碳氮化物。

Description

靶、以及硬覆膜被覆切削工具

技术领域

本发明涉及靶、以及硬覆膜被覆切削工具。更具体地说，本发明涉及一种其表面被覆有硬覆膜的硬覆膜被覆切削工具、以及用于形成这种硬覆膜的靶。

背景技术

在切削工具中，在切削工具的表面上被覆硬覆膜以增强耐磨性。尤其是，近年来用具有高硬度和优异抗氧化性的Cr-Al-N基覆膜进行的被覆在逐渐增多。但是，诸如Cr-Al-N基覆膜之类的高硬度覆膜存在这样的问题：该覆膜由于破裂等而易于剥离。

为了解决上述问题，传统上人们已经提出了多种方案。

例如，专利文献1公开了一种表面被覆切削工具，其中在基材表面上形成Cr-Al-Ni-N基覆膜。

该专利文献中记载了：当覆膜中含有Ni时，覆膜的耐磨性和抗氧化性得到显著提高。

被覆有硬覆膜的切削工具经常用于利用高速旋转的切削工具的精加工步骤中。因此，硬覆膜需要足够高的粘附性以至于不会因应用刀片时的冲击而发生剥离。Cr-Al-N基覆膜具有足够的硬度，但是容易发生膜破裂并且粘附性差。

另一方面，当向Cr-Al-N基覆膜中加入Ni时，在保持一定水平的硬度的同时，可以提高膜的粘附性增强。但是，即使是Cr-Al-Ni-N基覆膜也难以同时充分满足耐磨性和粘附性（耐久性）。

专利文献1：JP-A-2006-82210（此处所用的术语“JP-A”表示“未审查的日本专利申请公开”）

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种用于形成具有优异耐磨性和粘附性的硬覆膜的靶，以及其表面被覆有所述硬覆膜的硬覆膜被覆切削工具。

即，本发明提供一种靶，其具有由Cr_1-x-y-zAl_x[Ni_1-aZr_a]_yM_z所表示的组成、并且相对密度为95%以上，所述靶用于形成切削工具用的硬覆膜，其中M为选自由Ti、Nb、Si、B、W和V组成的组中的至少一种元素，且a、x、y和z满足0.5≤x≤0.8、0.01≤y≤0.35、0≤z≤0.2、0.51≤x+y+z＜1以及0.2≤a≤0.5。

此外，本发明还提供一种硬覆膜被覆切削工具，其包含基材以及形成于该基材表面上的硬覆膜，其中所述硬覆膜是通过采用权利要求1所述的靶而形成的并且包含氮化物、碳化物或碳氮化物。

当Cr-Al-Ni基靶中的一部分Ni被Zr取代、并且使用该靶在氮和/或碳共存条件下形成覆膜时，可得到Cr-Al-(Zr,Ni)-(C,N)基覆膜。当在切削工具的表面上形成这样的Cr-Al-(Zr,Ni)-(C,N)基覆膜时，与传统的覆膜相比，耐磨性和粘附性得到提高。

据认为这归因于以下原因：

（a）通过向覆膜中加入Ni，增强了覆膜的韧性，并且

（b）与传统的Cr-Al-Ni基覆膜相比，在所述覆膜中形成了具有高热导率的Zr(C,N)。

此外，当向Cr-Al-(Zr,Ni)-(C,N)基覆膜中加入元素M时，覆膜的耐磨性和粘附性得到进一步增强。

附图简要说明

图1是示出用于测量圆角端铣刀的R部分的最大磨损量的方法的图。

图2是示出Cr_0.3Al_0.6[Ni_1-aZr_a]_0.1的Zr量（a值）与在切削距离10米处圆角端铣刀的R部分的最大磨损量之间的关系的图。

图3是示出Cr_0.4-yAl_0.6[Ni_0.5Zr_0.5]_y的Zr+Ni量（y值）与在切削距离10米处圆角端铣刀的R部分的最大磨损量之间的关系的图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的一个实施方案。

1.靶

本发明的靶具有由Cr_1-x-y-zAl_x[Ni_1-aZr_a]_yM_z表示的组成，并且相对密度为95%以上，用于形成切削工具用的硬覆膜。

在所述组成中，M为选自由Ti、Nb、Si、B、W和V组成的组中的至少一种元素，并且a、x、y和z满足0.5≤x≤0.8、0.01≤y≤0.35、0≤z≤0.2、0.51≤x+y+z＜1和0.2≤a≤0.5。

1.1靶的组成

(1)Cr量(1-x-y-z)：

Cr具有增强覆膜的硬度和耐磨性的效果。Cr量优选为0.2以上。

另一方面，如果Cr量过多，则膜强度和耐磨性下降。因此，Cr量必须在0.49以下。Cr量更优选为0.3以下。

(2)Al量(x)：

Al具有增强覆膜的硬度和抗氧化性的效果。为了获得这一效果，Al量必须在0.5以上。Al量更优选为0.55以上。

另一方面，如果Al量过多，则覆膜的硬度和耐磨性下降。因此，Al量必须在0.8以下。Al量优选为0.7以下。

(3)Zr+Ni量(y)：

Ni使得覆膜的硬度降低，但是具有增强耐磨性的效果。这种效果被认为是由于在覆膜中生成了较低硬度的Ni氮化物，从而在切削加工时缓解了负荷应力，并且减少了破裂或者剥离。

另外，用Zr取代部分Ni时，具有增强覆膜硬度、同时还增强耐磨性的效果。本发明人已经获得了这样的知识：与Cr、Ti等的氮化物或者碳化物相比，Zr的氮化物或者碳化物具有与它们相似的硬度，并且热导率比它们的高。当用Zr取代部分Ni时覆膜的硬度和耐磨性增强的原因被认为是由于在覆膜中生成了Zr的氮化物或者碳化物。

Zr+Ni量影响覆膜的耐磨性。通常，随着Zr+Ni量的增大，覆膜的耐磨性增强。据认为这是由于Ni的缓解负荷应力效果和Zr的散热作用都增大。为了获得这一效果，Zr+Ni量必须在0.01以上。Zr+Ni量优选为0.10以上。

另一方面，如果Zr+Ni量过大，耐磨性反而降低。据认为这是由于覆膜整体发生软化。因此，Zr+Ni量必须在0.35以下。Zr+Ni量优选为0.15以下。

Fe、Ru、Os、Co、Rh和Ir均是Ni的同族元素，它们也增强覆膜的韧性。但是，已被证实，与Zr组合形成了多个化合物（Ni₅Zr、Ni₇Zr₂、Ni₃Zr、Ni₂₁Zr₈、Ni₁₀Zr₇、Ni₁₁Zr₉、NiZr、NiZr₂）的Ni从制备的角度看是最稳定的。即，在制造合金样品时，能够简单容易地进行Zr和Ni的共混。

(4)被Zr取代的Ni的量(a)：

被Zr取代的Ni的量(a值)影响覆膜的耐磨性。通常，随着a值的增大，覆膜的耐磨性增强。据认为这是由于因Zr的氮化物或者碳化物引起的散热作用增强。为了获得这一效果，a值必须在0.2以上。a值优选为0.35以上。

另一方面，如果a值过大，则Ni的缓解负荷应力效果降低，耐磨性反而降低。并且，Zr的添加量超过需要量会造成成本升高。因此，a值优选为0.5以下。

(5)M量(z)：

M是任选元素，由选自由Ti、Nb、Si、B、W和V组成的组中的至少一种元素组成。其中，Ti具有使得硬度高于CrN的TiAlN析出的效果。Nb具有抑制软质AlN析出，从而使覆膜中Al量增加并且赋予覆膜高硬度的效果。Si和B被认为能够使AlN微细化和分散，从而具有增加硬度的效果。V被认为在干切削过程中提供润滑效果。此外，W为高熔点元素，被认为具有当其被引入到靶时抑制液滴形成，以及提高覆膜的硬度或抗氧化性的效果。

通常，随着M元素含量的增大，覆膜的耐磨性得到增强。

另一方面，如果M元素含量过大，从制造的角度看，Al量必须相对降低以确保硬度，因而耐磨性反而降低。因此，M量必须在0.2以下。M量优选为0.1以下。

1.2相对密度

通常，当靶的相对密度低时，开孔中含有的诸如气体等杂质会释放到空气中，引起覆膜性能的劣化。并且随着靶的相对密度降低，靶消耗变得不均匀，且靶强度降低。因此，靶的相对密度必须在95%以上。靶的相对密度优选为98%以上。

1.3用途

本发明的靶用于形成切削工具用的硬覆膜。

对本发明所适用的切削工具没有特别的限制，本发明可适用于多种切削工具。切削工具的具体例子包括钻头、端铣刀、钻头用切削刃可替换型刀头、端铣刀用切削刃可替换型刀头、铣削加工用切削刃可替换型刀头、车削加工用切削刃可替换型刀头、金属锯、齿轮切削工具、铰刀和丝锥。

2.靶的制造方法

通过混合包含成分元素的粉末，并且对该混合粉末进行冷加压或者热加压来制造靶。

原料粉末可以是包含成分元素的纯金属、合金或者化合物。但是，从制造的角度看作为单质的Zr难以处理，因此优选使用ZrNi化合物。

形成方法的例子包括冷等静压（CIP）法、热等静压（HIP）法、热挤出法和超高压热压法。当使用ZrNi化合物时，通过采用这样的形成方法可以容易地制造靶材料。对形成条件没有特别的限制，只要是能够得到预定的相对密度的条件即可。

3.硬覆膜被覆切削工具

本发明的硬覆膜被覆切削工具包括基材和硬覆膜。

3.1基材

对基材没有特别的限制，可以采用通常用作切削工具的所有材料。

基材的具体例子包括：

(1)超硬合金，例如，WC-Co基合金、WC-TiC-Co基合金、WC-TaC-Co基合金及WC-TiC-TaC-Co基合金，

(2)金属陶瓷，例如，TiC-Mo₂C-Ni和TiC-TiN-WC-Mo₂C-Ni，

(3)高速钢，以及

(4)陶瓷，例如，TiC、SiC、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、立方BN、金刚石和Al₂O₃-TiC。

3.2硬覆膜

硬覆膜是由通过使用本发明的靶在氮和/或者碳共存下在基材表面上所形成的覆膜构成的。因此，该硬覆膜包含根据膜沉积过程中氛围中所含的氮和碳的浓度而形成的构成该靶的金属元素的氮化物、碳化物或者碳氮化物。

对于硬覆膜的膜沉积，通常使用PVD法。在形成氮化物膜的情况下，在膜沉积氛围中引入氮源（例如氮气）。在形成碳化物膜的情况下，在膜沉积氛围中引入碳源（例如CH₄气体）。此外，在形成碳氮化物膜的情况下，在膜沉积氛围中引入氮源和碳源（例如N₂+CH₄混合气体）。

对膜沉积条件没有特别的限制，可以根据靶组成或者膜沉积氛围来选择最佳条件以有效地形成目标硬覆膜。

4.靶和硬覆膜被覆切削工具的作用

通过实验发现，当使用Cr-Al-Ni靶材形成覆膜时，可看到覆膜硬度降低，但是切削试验中的磨损量小。据认为这是由于当加入Ni时，在Cr-Al-N基覆膜中生成较低硬度的Ni氮化物。据认为，Cr-Al-N基覆膜的覆膜硬度很高，当将其被覆于切削工具等上时，在与待加工材料接触时该膜由于负荷应力而破裂并剥离，因此不能发挥其原有的优异特性。但是，当将较低硬度的Ni氮化物引入到内部时，据推测，可以缓解负荷应力，抑制破裂或者剥离，并且可以在切削试验中降低工具的磨损。

上述的负荷应力缓解被认为是由于Ni和氮形成了Ni₄N化合物而起到的作用。更具体地说，当形成氮化物时，Fe和Co等元素以FeN和CoN的形式存在，但是本发明中，据推测，Ni的介入量（intervening amount）增大，这也有助于缓解负荷应力，即，韧性进一步增强。

实验还发现，当使用Cr-Al-Ni-Zr基靶材形成覆膜时，覆膜的硬度增强，同时，在切削试验中，与使用不含Zr的覆膜时的情况相比，磨损量小。据认为这是由于与Cr或者Ti的氮化物或碳化物相比，Zr的氮化物或者碳化物的硬度与其相似，而热导率比它们的高。在切削加工中，工具暴露于很高的热量中。因此，近年来，切削工具倾向于用具有高抗氧化性的覆膜（例如Ti-Al-N基覆膜或者Cr-Al-N基覆膜）被覆。但是，即使表面避免了因热量造成的劣化，工具本身仍不可避免地由于热量而劣化。因此，据认为，可通过用添加了Zr的覆膜（该覆膜具有高的热导率使得热量尽可能地不残留在表面上）进行被覆来减少切削试验中工具的磨损。

实施例

实施例1

1.样品的制备

通过形成包含成分元素的粉末来制备Cr-Al-(Zr,Ni)-M靶。关于Zr源，使用ZrNi化合物粉末。相对密度为98%。

随后，使用所制备的Cr-Al-(Zr,Ni)-M靶和PVD装置，将覆膜被覆于R为0.5的超硬圆角端铣刀（Φ6mm）上。PVD被覆条件如下：

被覆时间：20分钟

被覆温度：500℃

偏压：100V

气压：3.0Pa

电弧电流：100A

气体流速：

对于氮化物膜而言：N₂=300ccm

对于碳氮化物膜而言：N₂=200ccm，CH₄=100ccm

2.试验方法

使用加工中心进行端铣刀的切削试验。切削条件如下：

切削方法：高速精加工切削

工件：JIS SKD61(HRC45)

工具：超硬圆角端铣刀（2个刀片）

切削深度：轴向：0.3mm

          径向：0.3mm

主轴旋转速度：

5,000rpm(加工部位的圆周速度：大约100m/min)

工作台进给速度：400mm/min

切削油：无，干切削（鼓风）

切削加工10米后，将端铣刀从加工中心移去，然后测量圆角端铣刀的R部分的最大磨损量。使用放大倍数为3倍的CCD照相机通过实际测量来确定圆角端铣刀的R部分的最大磨损量。这里，“圆角端铣刀的R部分的最大磨损量”是指，如图1所示，从圆角端铣刀的R部分的顶端到能够确认覆膜发生剥离和磨损的部位之间的距离的最大值。即，使用最大磨损量作为指标来评估耐磨性和粘附性。通常，当磨损量超过约200μm时，由于担心可切削性劣化或者破损（例如折叠损伤），因而将该切削工具判断为达到寿命终点并将其废弃。

3.结果

结果示于表1。表1中，一同示出了靶组成。通常，覆膜的组成基本上与靶组成一致。图2示出了Cr_0.3Al_0.6[Ni_1-aZr_a]_0.1中的Zr量（a值）与在切削距离10米处圆角端铣刀的R部分的最大磨损量之间的关系。此外，图3示出了Cr_0.4-yAl_0.6[Ni_0.5Zr_0.5]_y中的Zr+Ni量（y值）与在切削距离10米处圆角端铣刀的R部分的最大磨损量之间的关系。

表1、图2和图3的结果揭示了以下内容：

(1)在y=0.1的情况下，随着Zr量（a值）变大，最大磨损量减小，当a≥0.2时，最大磨损量变为120μm以下。

(2)在a=0.5的情况下，当Zr+Ni量（y值）为0.01至0.35时，最大磨损量变为120μm以下；并且

(3)当添加M元素时，在所有情况下，最大磨损量均变为100μm以下。

表1

最大磨损量：在切削距离10米处圆角端铣刀的R部分的最大磨损量

关于比较例1，据认为当加入过量ZrNi时，覆膜被软化，因而磨损量变大。关于比较例2，据认为即使在加入Ni时，由于不加入具有高热导率的Zr，因此磨损量不会减少。在其它比较例中，未加入Ni和Zr，因此磨损量不会减少。

另一方面，在各实施例中，最大磨损量均为120μm以下，并且能够确认覆膜具有充分的耐磨性和粘附性。

顺便提及的是，使用除了ZrNi化合物之外的其它可以制造的Zr-X化合物（X=Fe、Ru、Os、Co、Rh或者Ir）进行了试验，但是从制造过程中可以适用的Zr/X比例的观点看，只能制备其中a=0.2时的组成。

以上详细描述了实施本发明的方式，但是本发明不局限于这些实施方案，可以在不背离本发明意图的情况下进行多种变型和修改。

工业上的实用性

本发明的靶可以用作在切削工具的表面上形成硬覆膜时所用的靶。

本发明的硬覆膜被覆切削工具可用于多种切削工具。

Claims (2)

1.一种靶，其具有由Cr_1-x-y-zAl_x[Ni_1-aZr_a]_yM_z所表示的组成，并且相对密度为95%以上，所述靶用于形成切削工具用的硬覆膜，

其中，M为选自由Ti、Nb、Si、B、W和V组成的组中的至少一种元素，并且，

其中，a、x、y和z满足0.5≤x≤0.8、0.01≤y≤0.35、0≤z≤0.2、0.51≤x+y+z＜1和0.2≤a≤0.5。

2.一种硬覆膜被覆切削工具，包括：

基材，以及

形成于该基材表面上的硬覆膜，其中所述硬覆膜是通过采用权利要求1所述的靶而形成的并且包含氮化物、碳化物或碳氮化物。

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