CN1470350B - 被覆工具 - Google Patents

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Abstract

通过在工具基部形成有多层涂膜的被覆工具实现了这样的带有涂膜的被覆工具，该工具具有润滑作用，同时保持了耐磨性。形成为涂层的是一层或多层如下的膜，分别为：第一种膜，由选自TiSi的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物的一种化合物组成；第二种膜，由选自金属M(选自Ti、Cr和TiCr)的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物的一种化合物组成。第一和第二种膜是交替层叠的。

Description

被覆工具
技术领域
本发明涉及被覆工具，这些工具是在基部布置有多层涂膜的工具，例如钻子、端铣刀、可以标刻度的磨铣衬垫、可以标刻度的车削衬垫、金属开槽锯、齿轮切削工具、铰刀或螺丝攻。特别是本发明涉及装备有多层涂膜的被覆工具，这些涂膜有润滑作用，同时还保持了耐磨性。
背景技术
在由WC-基烧结碳化物、金属陶瓷或高速钢组成的基部表面上形成由钛、铪、锆的碳化物、氮化物或碳氮化物或钛铝化物组成的单层或多层硬膜，以改善工具机和耐磨工具的耐磨性和表面保护能力，如今已经是众所周知的了。
然而，最近的趋势，如下面所列的，是趋向于机械加工中工具切割刃的温度越来越高，且对工具的特性有更严格的要求。
(1)从全球环境保护观点出发，正在寻求一种不使用切割液(润滑剂)的干燥加工方法；
(2)加工材料正在多样化；和
(3)机械加工速度正在加速，以更加提高工效。
尤其是，高温下的膜稳定性(抗氧化性及与基部的粘合性)已经理所当然地成为了工具材料所需的特性；但是相对于工具使用寿命，耐磨性的增加--即，高温下的膜硬度--和取代了润滑剂的膜的润滑特性变得更为重要。
针对这种结果，日本专利No.2,793,773中提议形成一种TiAlSi-基的膜--(AlxTi1-x-ySiy)(NzC1-z)，其中0.05≤x≤0.75，0.01≤y≤0.1和0.06≤z≤1。这种技术通过向膜中掺入痕量的Si使膜具有良好的抗氧化性和高硬度，用来增强其抗磨性。
同样，日本专利申请公布号No.H08-118106建议形成一种TiSi-基膜--(Ti1-xSix)(C1-yNy)z，其中0.01≤x≤0.45，0.01≤y≤0.1和0.5≤z≤1.34。通过将高硬度(Ti1-xSix)(C1-yNy)z涂在工具上，该技术使得工具的耐磨性即使在连续高速机械加工时仍很突出，足以延长工具的使用寿命。
但是上述的常规技术存在如下问题。
日本专利No.2,793,773的技术是在膜中掺入铝，在超过900℃的高温下，膜表面的铝优先和氧结合形成Al2O3。问题是钛仍然分散在膜中，形成非常多孔的二氧化钛，从而削弱了膜的耐磨性。
日本专利申请公布号No.H08-118106的技术中，(Ti1-xSix)(C1-yNy)z高硬度的不利方面是由其极高的脆度产生的问题，如果在机械工具中--尤其是在间断式切割中采用时一切割刃易于碎裂。
而且，无论日本专利No.2,793,773或是日本专利申请公布号No.H08-118106中都没有就膜的润滑性，这一干燥作业中可能出现的问题，进行任何研究。
发明内容
发明概述
因此，本发明的首要目的是实现一种被覆工具，该工具有高硬度和更好的耐磨性，并具有卓越的润滑作用。
本发明人，在实现上述目的过程中获得了如下知识：将高硬度，卓越耐磨性的膜和卓越润滑性的膜交替层压在基部，这种结构是有优势的，从而提出本发明。
特别地，本发明是一种被覆工具，其基部上布置有多层涂膜。所涂涂层是一层或多层如下的膜：第一种膜，由选自TiSi的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物的一种化合物(TiSi-基化合物)组成；第二种膜，是由选自金属M(选自Ti、Cr和TiCr)的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物的一种化合物(金属M化合物)组成的。然后将第一和第二种膜交替层叠起来。
本发明是将一种或多种具有非常高硬度、优良耐磨性的TiSi-基化合物膜(第一种膜)分别和有优良润滑作用的金属-M化合物膜(第二种膜)交替层叠起来，使整个涂层同时具有高硬度、优良的耐磨性和润滑性。
而且，尽管具有润滑作用的金属-M化合物与TiSi-基化合物相比硬度较低，由于它们留在涂层中的压缩应力小，如果和TiSi-基化合物膜结合在一起，可以减少整个涂层中的残余应力。因而使得本发明的工具可以控制在诸如间断式切割，这种切割刃经受冲击的工作中(偶然发生的)膜从切割刃上剥离和碎裂事件。而且，在金属-M化合物中Cr-基化合物涂膜由于其低摩擦系数和优良的抗焦化性质而特别适合应用于汽车零件等。
从如下的详细描述，并结合相应的附图，本领域的技术人员将很容易明白本发明上述的和其他的目的、特点、方面和优点。
附图说明
图1是说明本发明工具涂层构造的示意图，其中：1A是第一和第二种膜的双层结构；1B是第一和第二种膜的复层层叠结构；1C是这样一种构造，其中一部分是由第一种膜和第二种膜组成成分制成的单层，另一部分是由第一和第二种膜组成的复层层叠结构；1D构造如下：一部分是由中间层和众所周知的膜组成的单层，另一部分是由第一和第二种膜组成的复层层叠结构；而1E是这样一种构造：其中由第一和第二种膜组成的复层层叠结构的侧面和单层相接。
图2是说明膜微观组成的示意图，其中2A表示本发明的一种工具，而2B为常规的工具。
图3表示的是一种膜-沉积设备，其中3A是膜-沉积设备的示意图，3B是图3A中通过B-B的截面图。
发明详述
下面将更详细地说明本发明。
本发明的工具中，许多构造，如图1所述的，其构思是将TiSi-基化合物组成的第一种膜和由金属-M化合物组成的第二种膜有机结合在一起。图1A是第一种膜1和第二种膜2的双层结构，图1B是第一种膜1和第二种膜2的复层层叠结构3。可以给出的其他实例有：如图1C所示的构造，其中一部分是由第一种膜1和第二种膜2组成成分组成的单层4，另一部分是由第一种膜1和第二种膜2组成的复层层叠结构3；图1D所示的构造，其中一部分是由下述的中间层和众所周知的膜组成的单层4′，另一部分是由第一种膜1和第二种膜2组成的复层层叠结构3；以及如图1E所示的构造，其中由第一种膜1和第二种膜2组成的复层层叠结构3的侧面和单层4相接。图1C表示的是由第二种膜2组成成分组成的膜作为单层4；图1D中，以众所周知的膜，例如TiAlN膜，作为单层膜4′；而在图1E中，以第二种膜2组成成分组成的膜作为上单层4，以第一种膜1组成成分的膜作为下单层4。应当理解，层叠顺序可以是第一种膜或者第二种膜靠着基部。
由TiSi-基化合物组成的第一种膜和由金属-M化合物组成的第二种膜的厚度分别优选为大于等于0.5nm和小于等于50nm。层压了这样薄膜的结构能有效控制位错和破裂。膜厚度小于0.5nm时，不太可能获得增强的涂层硬度。同样，如果膜不足0.5nm，组成涂层的化学元素分散开，严重威胁膜结构的稳定性，存在薄膜层叠结构消失或相邻膜结合使膜界面不可区别的危险。另一方面，膜厚度超过50nm时，容易降低薄膜层叠结构控制位移和破裂的效力。更优选厚度分别大于等于0.5nm，小于等于10nm。
优选Si在由TiSi-基化合物组成的第一种膜中，以原子重量％计，大于1％且小于等于30％。涂层中存在Si是需要的，因为它增强了涂层硬度，但是结合超过30原子重量％的Si有使涂层变脆的危险，从对立观点来看，其磨损倾向将被加速。而且，在通过物理蒸汽沉积形成第一种膜的情况下，是通过高温等静压制作TiSi合金靶(蒸发源材料)的，结合超过30％的Si将使靶破裂，妨碍制造强度适合于涂层的材料。更优选第一种膜中结合的Si含量超过15％，并小于等于25原子重量％。
第一种膜中，优选Ti-基化合物(选自氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物的一种化合物)是立方的晶体结构，Si-基化合物(选自氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物的一种化合物)是无定形结构，而在第二种膜中，金属-M化合物是立方晶体结构。尽管在这种情况下整个涂层的结晶度可以用X-射线衍射分析进行估计，但Si-基化合物由于是无定形的而不能通过X-射线衍射来识别。因此事实上，通过对整个涂层进行X-射线衍射分析，只有由TiSi-基化合物组成的第一种膜中的Ti-基化合物-其具有立方晶体结构，和第二种膜中的金属-M化合物-其也具有立方晶体结构，才能被识别，其结果意味着整个涂层的结构是立方晶系。应当理解，当除了由第一种膜和第二种膜组成的涂层外还配有下面所述的中间层时，配有中间层的整个膜结构也将是立方晶系。还应当理解，可以通过例如透射电子衍射法来估计Si-基化合物的结晶度。
优选第一种膜中的Ti-基化合物是平均颗粒直径为大于等于0.1，小于等于10nm的结晶物，并优选Ti-基化合物被分散在Si-基化合物的无定形结构中。参照图2，说明涂膜微观组成的示意图，其中2A表示本发明的工具，而2B为常规工具。如图2A所示，在本发明的工具中，第一种膜1中Ti-基化合物的微小结晶颗粒5处于分散在无定形结构的Si-基化合物6中的状态下。纳米大小的Ti-基化合物晶体颗粒产生的所谓的纳米级效果通过提高涂层硬度和控制位移和破裂的功效防止了(对工具的)损伤。相反在常规工具中，由于组成涂层的微观结构整体上是所谓的柱形微结构7，如图2B所示，如果发生破裂，每个垂直的微结构7都容易脱落，从而损坏涂层，即，使涂层易于磨损。再回到本发明中，由于结晶的Ti-基化合物和无定形的Si-基化合物处于混合相中，第一种膜可以分散能量，以减少可进入涂层的裂缝的传播，这进一步增强了耐磨性。而且，尽管第一种膜--结晶Ti-基化合物和无定形Si-基化合物的混合相--和由金属-M化合物组成的第二种膜是交替层叠的，整个涂层没有像常规工具涂层那样变成柱形微结构，其细颗粒微观结构因而保持着。
同时，尽管与由TiSi-基化合物组成的第一种膜相比，由金属M化合物组成的第二种膜在经常用作工作材料的钢材上的轻微焦化方面要低约30％，但第二种膜有润滑作用。事实是本发明的工具因而即使在干燥工作操作中也具有较好的排屑能力，从而可以降低切割刃温度的升高，减缓工具损坏速度，延长工具使用寿命。此处，优选第二种膜具有图2A所示的柱形微结构7。
由这样的第一种膜和第二种膜组成的涂层的复合厚度优选为大于等于0.5μm和小于等于10μm。这是因为复合厚度不足0.5μm时不太可能得到增强的耐磨性，而复合厚度超过10μm时，有由于涂层内残余应力的影响而降低涂层和基部的结合强度的危险。
本发明的工具中，可以在基部和上述涂层之间提供中间层。中间层可以由选自Ti(钛)，TiN(氮化钛)，Cr(铬)，CrN(氮化铬)的一种化合物组成。特别是钛和氮化钛，因为和基部表面及涂层的粘合性都好，这些材料可以更加增强基部和涂层之间的粘合力。因此，提供刚刚所提的中间层可以控制涂层从基部的剥离，并进一步延长工具寿命。优选这种中间层的厚度大于等于0.05μm并小于等于1.0μm。这是因为厚度小于0.05μm时不可能提高粘附性，而厚度超过1μm时，不能进一步改善粘附性。
优选上述涂层和中间层形成于其上的基部选自烧结碳化钨，金属陶瓷，高速钢，陶瓷，立方体氮化硼(cBN)烧结物，金刚石烧结物，氮化硅烧结物，以及含氧化铝和碳化钛的烧结物中的一种。
因为它们由主要成分为碳化钨(WC)的固体相和主要成分是诸如钴(Co)的铁族元素的结合相组成，可以使用一般使用的烧结碳化钨。此外，它们可以包含固体溶液，这种固体溶液由至少一种选自元素周期表中4a、5a和6a族过渡金属的元素和至少一种选自碳、氮、氧和硼的元素组成。固体溶液可以是，名称实例，(Ta，Nb)C，VC，Cr2C2和NbC。
金属陶瓷可以由上述固体溶液(由至少一种选自元素周期表中4a、5a和6a族过渡金属的元素和至少一种选自碳、氮、氧和硼的元素组成)；由一种或多种铁基金属组成的结合相；和不可避免的杂质组成。因此可以使用常规使用的金属陶瓷。
高速钢可以是，例如：SKH2、SKH5、SKH10、SKH9、SKH52和SKH56(JIS符号)。
可以引用的陶瓷实例有：碳化硅，氮化硅，氮化铝和氧化铝。
cBN烧结物可以是，例如，含30体积％或更多cBN的烧结物。更具体而言，可以例举如下烧结物：
(1)含大于等于30体积％并小于等于80体积％cBN的烧结物，其余部分由粘合材料、铁族金属和不可避免的杂质组成。粘合材料包含：至少一种选自元素周期表中4a、5a和6a族元素的氮化物、硼化物和碳化物的化合物，以及其固体溶液；和铝化合物。
上述cBN烧结物中的cBN颗粒首先通过上述的粘合材料(其和铁的亲和力低，经常用作加工材料)结合，由于这些粘合较强，从而增强了基部的耐磨性和强度。
CBN含量为大于等于30体积％，是因为含量不足30体积％时，cBN烧结物的硬度开始降低，其硬度不足以用来加工诸如回火钢之类的高硬度加工材料。cBN含量为小于等于80体积％，是因为在cBN含量超过80体积％的cBN烧结物中，当cBN颗粒之间通过粘合材料相互结合时会出现问题，可能强度会变差。
(2)含大于等于80体积％和小于等于90体积％cBN的烧结物，其中cBN颗粒相互结合，其余部分由粘合材料和不可避免的杂质组成。铝化合物或钴化合物是粘合材料的主要成分。
通过和作为原材料的、充当催化剂的包括Al或Co的金属，或者金属间化合物一起进行液相烧结，这种cBN烧结物中的cBN颗粒相互结合在一起，可以提高cBN-颗粒的包含率。尽管cBN烧结物的耐磨性一般较差，由于cBN颗粒一起形成了一个强结构骨架，烧结物具有卓越的抗破碎性，从而可以在苛刻的条件下进行加工。
cBN含量大于等于80体积％是因为含量不足80体积％时，难以通过cBN颗粒的相互结合形成结构骨架。cBN含量小于等于90体积％是因为含量超过90体积％时，由于cBN烧结物强度降低了，作为催化剂的上述粘合材料的不足导致部分未烧结。
金刚石烧结物可以是，例如，含大于等于40体积％金刚石的烧结物。更具体而言，列举如下的烧结物：
(1)含50～90体积％金刚石的烧结物，其余部分由铁族金属，钨和不可避免的杂质组成。铁族金属特别优选钴。
(2)含85～99体积％金刚石的烧结物，其余部分由砂眼，钨和不可避免的杂质组成。
(3)含60～95体积％金刚石的烧结物，其余部分由粘合材料和不可避免的杂质组成。粘合材料包含：铁族金属；选自元素周期表中4a、5a和6a族元素的碳化物和碳氮化物中的一种或多种化合物；和钨。
(4)含60～98体积％金刚石的烧结物，其余部分由至少一种硅和碳化硅，和钨及不可避免的杂质组成。
氮化硅烧结物可以是，例如，含90体积％或更多氮化硅的烧结物。特别优选的是含90体积％或更多的采用HIP方法(高温等压烧结法)结合在一起的氮化硅的烧结物。优选这种烧结物的其余部分的组成如下：由至少一种选自氧化铝，氮化铝，氧化钇，氧化镁，氧化锆，二氧化铪，稀土元素，TiN和TiC的化合物组成的粘合材料；和不可避免的杂质。
含氧化铝和碳化钛的烧结物可以是，例如，含大于等于20体积％和小于等于80体积％氧化铝、大于等于15体积％和小于等于75体积％碳化钛的烧结物，其余部分组成如下：至少一种选自Mg、Y、Ca、Zr、Ni、Ti的氧化物和TiN的粘合材料；以及不可避免的杂质。特别优选氧化铝为大于等于65体积％和小于等于70体积％，碳化钛为大于等于25体积％和小于等于30体积％，粘合材料是至少一种选自Mg、Y和Ca氧化物的化合物。
本发明的被覆工具可以在包括钻子、端铣刀、可以标刻度的磨铣衬垫、可以标刻度的车削衬垫、金属开槽锯、齿轮切削工具、铰刀或螺丝攻的应用中采用。
为了将本发明的涂膜涂在基部上，适合采用沉积方法，这样可以产生高度结晶的化合物。在这种情况下，优选由上述第一和第二种膜组成的涂层是通过物理蒸汽沉积形成的，以TiSi合金和金属M分别作为蒸发源材料，在含氮、碳和氧中的一种或多种的气体中进行沉积。而且，本发明研究了多种沉积方法，结果发现电弧-离子电镀沉积(阴极电弧离子电镀)，这种方法中原材料元素离子的比例高，在物理蒸汽沉积技术中是突出，作为最合适的选择。采用阴极电弧离子电镀可以在形成涂膜之前用金属离子轰击基部来处理基部表面，因而可以显著增强涂膜的粘合度，因此从粘合度角度考虑，该方法是所需的方法。
上述物理蒸汽沉积技术中所用的TiSi-合金蒸发源材料是通过高温等静压产生的，相对密度为99～100％，并优选是这样一种材料，其中在包括其对面在内的源材料表面进行连续测距，没有诸如孔或裂缝的缺陷。这些条件可以预防在膜沉积过程中产生的诸如靶(蒸发材料)破裂的问题。
具体实施方式
下面将说明解释本发明的实施方案。
制作下面所阐述的被覆工具，并验证其耐磨性。
实施方案1
(1)测试样的制作
i.本发明产品：测试样1-1至1-8
首先说明本测试采用的膜沉积设备。参照图3A--本测试所用膜沉积设备的示意图，和图3B--图3A中通过B-B的截面图。膜沉积设备在室12中，该室装备有：主工作台13，上面装有基片19，主工作台是旋转安装在支持柱14上的；电弧蒸发源15a、15b和15c沿着室12的壁排列，将基片19环绕起来；直流电源16a、16b(未图示)和16c作为可变电源接到蒸发源15a、15b和15c上；直流电源17接在主工作台13上；用于供气的气体入口18；和排气用的排气孔18′。
室12和真空泵(未图示)相连，可以改变室12的内压。在支持柱14内部有一个旋转轴(未图示)，通过该轴旋转主工作台13。主工作台13上的样品夹20用于夹持基片19。主工作台13、支持柱14和样品夹20和直流电源17的负极电相连，而直流电源17的正极接地。电弧蒸发源15a、15b和15c和直流电源16a、16b和16c的负极电相连，而直流电源16a、16b和16c的正极都接地，并和室12电相连。
然后电弧-蒸发源15a、15b和15c和室12之间的电弧放电使电弧-蒸发源15a、15b和15c部分熔化，沿着图3B中箭头21a、21b和21c所指的方向蒸发阴极物质，从而在基片19表面形成涂膜。同时从进气口18经质量流控制器(未图示)引入各种气体。这些气体可以是，例如，诸如氩气或氮气的惰性气体，和诸如甲烷、乙炔或苯的烃类气体。为了在这种膜沉积设备中放电，在电弧-蒸发源15a、15b和15c和室12之间施加几十～几百V的电压。
下面将解释测试样1-1～1-8的膜沉积方法。用JIS P30级烧结碳化物制造形状与日本工业标准(JIS)SPGN 120308一致的衬垫，作为基片。然后，使用图3中所示的膜沉积设备11，同时旋转主工作台13，用加热器(未图示)将衬垫形式的基片19加热到550℃，用真空泵将室12的压力抽真空至1.3×10-3Pa。
接着，从进气孔18充氩气15分钟清洗基片19表面，保持室12内的压力为3.0Pa，逐渐升高直流电源17的电压直至-1000V。然后从排气孔18′排出氩气。
将直流电源17的电压仍维持在-1000V，从进气孔18向室12中输入100sccm的氩气和氮气混合气。然后从直流电源16a产生150-A电弧电流，使金属离子从电弧-蒸发源15a上流出。来自电弧-蒸发源15a的金属离子通过这种方法溅到基片19表面上，从而清除了基片19表面上存在的强污迹和氧化膜。此处，在本实例中，在下列表I中所述的用于分别形成中间层、第一种膜和第二种膜的金属和化合物在电弧-蒸发源15a、15b和15c中被用作蒸发源物质。而且在这个实例中，第一种膜--相对密度为99.8％，通过高温等静压法制造--被用作蒸发源物质，一种TiSi-合金，其中在包括其对面在内的源材料表面上连续测距，没有发现缺陷。
其后，从进气孔18导入氮气，使室12的内压升至2.7Pa，将直流电源17的电压设置在-80V。开始在基片19表面形成金属氮化物膜或金属膜。维持这种情况直至金属氮化物膜(例如TiN等)或金属膜(例如Ti等)达到预定的厚度(0.3μm)为止。通过该方法，形成金属氮化物膜(例如TiN等膜)或金属膜(例如Ti等膜)作为中间层。
在形成上述中间层之后，保持室内的状态——压力：2.7Pa，导入氮气，直流电源17的电压：-80V，从每个直流电源16b和16c分别向电弧-蒸发源15b和15c提供-40V，95A电流。因此，金属离子从电弧-蒸发源15b沿着箭头21b所示方向蒸发，而化合物离子则从电弧-蒸发源15c上沿着箭头21c所示方向蒸发，在基片19表面上形成预定厚度的涂膜，这样制造出测试样1-1～1-8。应当理解，测试样1-1～1-8涂层可以想象的由第一和第二种膜组成的构造是如图1所述的那些构造。
ii.常规产品：测试样1-9
如下制造测试样1-9。首先，准备好和测试样1-1～1-8相同的工具作为基片。将基片安装在图3所示的膜沉积设备11中的样品夹20上，该设备在室12的上部有进气孔18。电弧-蒸发源15a的蒸发源材料由钛制成，而电弧-蒸发源15c的蒸发源材料，位于蒸发源15a对面的壁上，由钛-铝化合物(Ti 0.5，Al 0.5)制成，其中“(Ti 0.5，Al 0.5)”表示Ti和Al原子的数量比为0.5∶0.5的化合物。膜沉积设备11的其他构造和制造测试样1-1～1-8时相同。
采用膜沉积设备11，按照和上述测试样1-1～1-8相同的技术，用氩气喷溅基片19表面，再用钛离子溅蚀。然后像上述测试样1-1～1-8那样，在基片19表面上形成厚0.3μm的TiN膜作为中间层。
在形成了TiN膜之后，用直流电源16c向电弧-蒸发源15c施加-40V，95A电流，使钛和铝离子从蒸发源15c流出，从进气孔18吹入氮气。钛离子、铝离子和氮气在基片19上反应，在基片19表面的中间层(TiN膜)上形成薄层厚度为3μm的(Ti 0.5，Al 0.5)N膜(其中“(Ti0.5，Al 0.5)N”表示Ti、Al和N原子的数量比为0.5∶0.5∶1的化合物。)，得到测试样1-9。
iii.常规产品：测试样1-10
采用和上述1-9相同的方法制造测试样1-10。具体而言，准备好和上述测试样1-1～1-8相同的工具基片，将基片安装在图3所示的膜沉积设备11中的样品夹20上，该设备在室12的上部有进气孔18。电弧-蒸发源15a的蒸发源材料由钛制成，而电弧-蒸发源15c的蒸发源材料，位于蒸发源15a对面的壁上，由钛-硅化合物(Ti 0.8，Si 0.2)制成，其中“(Ti 0.8，Si 0.2)”表示Ti和Si原子的数量比为0.8∶0.2的化合物。然后采用与测试样1-9相同的方法，用与制造测试样1-1～1-8时相同构造的膜沉积设备11，用氩气喷溅基片19表面，再用钛离子溅蚀，然后在其上形成厚0.3μm的TiN膜作为中间层。
在形成了TiN膜之后，用直流电源16c向电弧-蒸发源15c施加-40V，95A电流，使钛和硅离子从蒸发源15c流出，从进气孔18吹入氮气。钛离子、硅离子和氮气在基片19上反应，在基片19表面的中间层(TiN膜)上形成薄层厚度为3μm的(Ti 0.8，Si 0.2)N膜(其中“(Ti0.8，Si 0.2)N”表示Ti、Si和N原子的数量比为0.8∶0.2∶1的化合物。)，得到测试样1-10。
iv.常规产品：测试样1-11
采用和上述1-9相同的方法制造测试样1-11。具体而言，准备好和前述测试样1-1～1-8相同的工具基片，将基片安装在图3所示的膜沉积设备11中的样品夹20上，该设备在室12的上部有进气孔18。电弧-蒸发源15a的蒸发源材料由钛制成；然后采用与制造测试样1-1～1-8时相同构造的膜沉积设备11，按照和测试样1-9相同的方法，用氩气喷溅基片19表面，再用钛离子溅蚀，然后在其上形成厚0.3μm的TiN膜作为中间层。
在形成了TiN膜之后，用直流电源16c向电弧-蒸发源15c施加-40V，95A电流，使钛离子从蒸发源15a流出，从进气孔18吹入甲烷(CH4)气和氮气。钛离子、甲烷气和氮气在基片19上反应，在基片19表面的中间层(TiN膜)上形成薄层厚度为3μm的Ti(C 0.5，N 0.5)膜(其中“Ti(C 0.5，N 0.5)”表示Ti、C和N原子的数量比为1∶0.5∶0.5的化合物)，得到测试样1-11。
(2)工具使用寿命评估
在表Ⅱ所述的条件下，对按照上述方法获得的测试样1-1～1-11进行持续干燥加工测试和间断切割测试，测量切割刃上后角(侧翼)宽度的磨损。应当理解，表I中所述的测试样1-1～1-8化合物颗粒直径是在透射电子显微镜下观察而得到的，并计算平均颗粒直径。还应当理解，测试样1-1～1-11的组成是用微量-分析型EDX(能量分散X-射线)分光计结合透射电子显微镜而分析得到的。该组成还可以用XPS(X-射线光电子能谱)或SIMS(次级离子质谱法)来确定。由第二种膜和第一种膜，第二种膜和中间层组成的涂层整体的组成(结晶度)是用X-射线衍射法分析的。第一种膜的组成(结晶度)用透射电子衍射法进行分析。
表II.
  持续加工   间断式切割
  加工材料   SCM 435   SCM 435
  切割速度(m/min)   250   250
  送料速度(mm/转)   0.35   0.30
切割深度(mm) 2.0 1.5
  加工时间(min)   20   30
如表I所示的，与测试样1-9～1-11相比，测试样1-1～1-8中后角磨损要轻微些，证实了对工具寿命有较大的改善。特别是，即使在干法加工下，后角也磨损轻微，显然测试样1-1～1-8同时具有耐磨性和润滑作用。同样明显的是测试样l-1～1-8即使在间断式切割中也具有耐磨性和润滑作用。此外，检查测试样1-1～1-8的组成显示：第一种膜中Ti-基化合物颗粒是分散在Si-基化合物的无定形结构中的。
实施方案2
按照与实施方案1相同的制造方法在各个基片铰刀上(JIS K10烧结碳化物)制备涂层，制造出测试样2-1～2-6。测试样2-1像上述测试样1-1那样形成有相同的中间层和涂膜。至于测试样2-2，其基片表面涂有一层1μm的TiSiN膜，在该膜上形成有和上述测试样l-1相同的涂膜。至于测试样2-3，在基片表面上涂有一层1μm的TiAlN膜，在该膜上形成有和上述测试样1-1相同的涂膜。至于测试样2-4～2-6，其基片上分别形成有和上述测试样1-9～1-11相同的中间层和涂膜。
用测试样2-1～2-6对灰铁(FC 250)进行钻孔操作，评定每个样品的使用期。加工条件的参数设置为：钻孔器直径20mm，切割速度5m/min，进料速度0.4mm/转，切割深度0.15mm，湿法。为了评定使用寿命，当加工材料(灰铁)中所钻的孔尺寸精度超出规定的范围时，该点被认为是使用期限，评定样品使用寿命结束前的孔的数量。结果列于表III中。
表III.
  操作   确定使用寿命的标准   No.2-1   No.2-2   No.2-3   No.2-4   No.2-5   No.2-6
  铰孔   计数至失去尺寸精度   35,000   38,000   37,000   4,500   6,000   3,600
如表III所示，测试样2-1～2-3与测试样2-4～2-6相比，证实了在使用寿命方面得到了较大的改善。推测使用寿命的延长可能是由于具有特别突出的耐磨性。
实施方案3
按照与实施方案1相同的制造方法在各个基片端铣刀上(JIS K10烧结碳化物)制备涂层，制造出测试样3-1～3-6。测试样3-1形成有和上述测试样1-1相同的中间层和涂膜。至于测试样3-2，其基片表面涂有一层1μm的TiSiN膜，在该膜上形成有和上述测试样1-1相同的涂膜。至于测试样3-3，基片表面上涂有一层1μm的TiAlN膜，在该膜上形成有和上述测试样1-1相同的涂膜。至于测试样3-4～3-6，其基片上分别形成有和上述测试样1-9～1-11相同的中间层和涂膜。
用测试样3-1～3-6对球墨铸铁(FCD 450)进行端铣刀水平切割操作(切割宽度15mm)，评定每个样品的使用寿命。加工条件的参数设置为：切割速度75m/min，进料速度0.03mm/转，切割深度2mm，湿法。为了评定使用寿命，当加工材料(铸铁)上的水平切割的尺寸精度超出规定的范围时，该点被认为是使用期限，评定样品使用寿命结束前的切口长度。结果列于表IV中。
表IV.
  操作   确定使用寿命的标准 No.3-1 No.3-2 No.3-3 No.3-4 No.3-5 No.3-6
  端铣刀水平切割   失去尺寸精度前的长度 20m 22m 25m 2.1m 2.8m 1.9m
如表IV所示，测试样3-1～3-3与测试样3-4～3-6相比，证实了在使用寿命方面得到了较大的改善。推测使用寿命的延长可能是由于具有特别突出的耐磨性。
实施方案4
按照与实施方案1相同的制造方法在各个基片可以取代的磨铣衬垫上(JIS P10烧结碳化物；切割刃形状：前角8°，后角6°)制备涂层，制造出测试样4-1～4-6。测试样4-1形成有和上述测试样1-1相同的中间层和涂膜。至于测试样4-2，其基片表面涂有一层1μm的TiSiN膜，在该膜上形成有和上述测试样1-1相同的涂膜。至于测试样4-3，基片表面上涂有一层1μm的TiAlN膜，在该膜上形成有和上述测试样1-1相同的涂膜。至于测试样4-4～4-6，其基片上分别形成有和上述测试样1-9～1-11相同的中间层和涂膜。
用测试样4-1～4-6对铬-钼钢(SCM 435)进行半成品铣磨操作，以评定每个样品的使用寿命。加工条件的参数设置为：切割速度100m/min，进料速度0.08mm/转，干法。为了评定使用寿命，当加工材料(钢)的半成品铣磨的尺寸精度超出规定的范围时，该点被认为是使用期限，评定样品使用寿命结束前的时间。结果列于表V中。
表V.
  操作   确定使用寿命的标准 No.4-1 No.4-2 No.4-3 No.4-4 No.4-5 No.4-6
  半成品铣磨操作   失去尺寸精度前的时间 120min 140min 130min 35min 49min 27min
如表V所示，测试样4-1～4-3与测试样4-4～4-6相比，证实了在使用寿命方面得到了较大的改善。而且，即使在干燥条件下也可以增强使用寿命的事实也证实其具有突出的耐磨性和卓越的润滑性。
实施方案5
制造以cBN烧结物为基片的加工衬垫，进行磨损分析。CBN烧结物是这样制造的：用烧结碳化物制成的罐和柱塞混合由40重量％TiN和10重量％Al组成的粘合材料粉和50重量％的平均颗粒直径为2.5μm的cBN粉，装入烧结碳化物容器中，在5GPa压力和1400℃下烧结60分钟。将cBN烧结物制成ISO-标准SNGA 120408形式，制造出加工衬垫。按照与实施方案1相同的方法在这种基片衬垫上形成和上述测试样1-1相同的中间层和涂膜(测试样5-1)。此外，以与实施方案1相同的方法在这种基片衬垫上形成和上述测试样1-9相同的中间层和涂膜，制备测试样5-2，作为比较例。
以SUJ2杆(HRC 62)作为一种回火钢，用测试样5-1和5-2对其外围进行加工，评定每个样品上后角磨损程度。加工条件的参数设置为：切割速度100m/min，切割深度2mm，进料速度0.1mm/转，干法；加工进行30分钟。结果测试样5-1后角磨损为0.085mm，而测试样5-2的后角磨损为0.255mm。因此，即使在干燥条件下，测试样5-1的后角磨损也要轻微的事实证实测试样5-1具有突出的耐磨性和卓越的润滑性。
如上所释，本发明的被覆工具被证明具有高硬度和卓越的耐磨性，以及极好的润滑性。因而，使用本发明的工具，由于工具本身具有润滑性，即使在不使用切割液的干法操作中也可以改善工具的使用寿命。因此，本发明起到了增强了诸如钻子、端铣刀、可换磨铣衬垫、可换车削衬垫、金属开槽锯、齿轮切削工具、铰刀或螺丝攻的工具的耐磨性作用，且使工具的使用寿命得到改善。
这里仅仅选择了一些实施方案来说明本发明。对于本领域的技术人员而言，很显然，可以根据上述的公开内容，在此进行各种改变和修改而不偏离本发明所附权利要求限定范围。而且，上述的本发明实施方案仅用于说明目的，对附加权利要求及其等价物所限定的本发明内容没有限制作用。

Claims (15)

1.一种被覆工具，该工具包括：
基部；
该基部上形成有涂层，该涂层包括，交替层叠的一层或多层的每种如下的膜：
第一种膜，由选自Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基
氮化物的第一种化合物和选自Si的氮化物、碳化物、碳氮化物、
氧氮化物和羧基氮化物的第二种化合物的混合相组成；和
第二种膜，由选自Ti、Cr和TiCr的一种金属M的氮化物、碳化物、碳氮化物、氧氮化物和羧基氮化物中的一种化合物组成，
其中：
在所述第一种膜中，Ti-基化合物是立方晶体结构，而Si-基化合物是无定形结构；
在所述第二种膜中，金属-M化合物是立方晶体结构；以及
X-射线衍射分析所述涂层整体是立方晶系。
2.权利要求1所述的被覆工具，其中所述第一种膜和所述第二种膜的厚度各自为大于等于0.5nm和小于等于50nm。
3.权利要求1所述的被覆工具，其中所述第一种膜和所述第二种膜的厚度各自为大于等于0.5nm和小于等于10nm。
4.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中Si在第一种膜中的含量，以原子重量％计，为大于1％和小于等于30％。
5.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中Si在第一种膜中的含量，以原子重量％计，为大于15％和小于等于25％。
6.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中第一种膜中的Ti-基化合物是结晶物，其平均粒径为大于等于0.1nm和小于等于10nm，并被分散到Si-基化合物的无定形结构中。
7.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中所述涂层的复合厚度为大于等于0.5μm和小于等于10μm。
8.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中在所述基部表面和所述涂层之间形成有中间层，所述中间层由选自Ti、TiN、Cr和CrN的一种物质组成。
9.权利要求8所述的被覆工具，其中优选所述中间层的厚度为大于等于0.05μm和小于等于1.0μm。
10.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中所述基部是选自烧结碳化钨，金属陶瓷，高速钢，陶瓷，立方体氮化硼烧结物，金刚石烧结物，氮化硅烧结物，以及含氧化铝和碳化钛的烧结物中的一种。
11.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中被覆工具是选自钻子、端铣刀、可以标刻度的磨铣衬垫、可以标刻度的车削衬垫、金属开槽锯、齿轮切削工具、铰刀或螺丝攻的一种工具。
12.权利要求1～3任一条所述的被覆工具，其中所述涂层是通过物理蒸汽沉积技术形成的，以TiSi合金和金属M分别作为蒸发源材料，在含氮、碳和氧中的一种或多种元素的气体中进行。
13.权利要求12所述的被覆工具，其中：
物理蒸汽沉积技术所用的TiSi-合金蒸发源材料是通过高温等静压法产生的，其相对密度为99～100％；和
在源材料的表面上，包括其对面在内进行连续测距，没有发现缺陷。
14.权利要求12所述的被覆工具，其中物理蒸汽沉积技术是电弧-离子电镀技术。
15.权利要求13所述的被覆工具，其中物理蒸汽沉积技术是电弧-离子电镀技术。
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