表面被覆切削工具及其制造方法

摘要

本发明提供了一种表面被覆切削工具，其同时具有优异的耐磨性和抗断裂性，并且其具备能够十分容易地确定切削刃是否已被使用的指示功能。根据本发明的一个实施方案的表面被覆切削工具包括基材和形成在基材上的覆膜，其中：覆膜包括多个层；并且所述多个层中的最外层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

权利要求

1.一种表面被覆切削工具，包括基材和形成于所述基材上的覆膜，其中所述覆膜包括多个层，并且

所述多个层中的表面层为包含TixBy的硼化钛层，其中x和y表示原子百分比并且满足

1.5

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述中间层包括TiCN层和TiN层中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中所述中间层包括TiC层。

4.一种制造表面被覆切削工具的方法，所述表面被覆切削工具包括基材和形成于所述基材上的覆膜，所述方法包括以下步骤：通过化学气相沉积在所述基材上形成多个层；以及

通过喷丸法、刷光法、滚磨法或离子注入法的方法，向所述多个层中的表面层施加绝对值为0.1GPa以上的压缩残余应力，其中所述表面层为包含TixBy的硼化钛层，其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

说明书

表面被覆切削工具及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种表面被覆切削工具、以及该表面被覆切削工具的制造方法，其中该表面被覆切削工具包括基材和形成在该基材上的覆膜。

背景技术

[0002] 通常使用由诸如烧结硬质合金等材料制成的切削工具对钢和铸件进行切削。在切削过程中，这些切削工具的刀头暴露于高温(也就是800℃以上)之下。切削过程中所产生的热量会引发许多问题，例如切削工具的塑性变形和后刀面磨损增加。

[0003] 为了改善高温下的切削性能，已经提出了包括各种覆膜的表面被覆切削工具，所述覆膜形成在由诸如烧结硬质合金等材料制成的基材上。作为一个例子，专利文献1公开了一种被覆工具，其包括形成在氧化铝覆膜之上的含硼覆膜。作为另一个例子，专利文献2公开了一种包括在基材上形成的二硼化钛层的切削工具。

[0004] 引用列表

[0005] 专利文献

[0006] 专利文献1：日本未审查的专利申请公开No.2003-266213

[0007] 专利文献2:日本未审查的专利申请公开(PCT申请的译文)No.2011-505261

发明内容

[0008] 技术问题

[0009] 这些覆膜通过化学气相沉积法(例如，化学气相沉积(CVD))和物理气相沉积法(例如离子镀和离子溅射)而形成。

[0010] 在由这些方法形成的覆膜中，由化学气相沉积形成的覆膜对烧结硬质合金基材具有高粘着强度，并且其还具有高耐磨性。随着对于更高的切削速度和效率的需求日益增长，趋向于形成更厚的覆膜；由此，基材和覆膜之间的粘着强度十分重要。鉴于此，优选的是通过化学气相沉积形成覆膜。

[0011] 然而，如果通过化学气相沉积形成覆膜，则在沉积过程中，覆膜将暴露于高温下，即约1,000℃。当沉积后覆膜冷却到室温时，由于烧结硬质合金基材和覆膜之间的热膨胀系数存在差异，因此导致覆膜内残留有拉伸应力。

[0012] 如果在切削过程中由覆膜的表面处出现裂缝，则残留在覆膜中的拉伸应力会促进裂缝扩大。这样的切削工具不足以抵抗覆膜剥落和碎裂。

[0013] 尽管更厚的覆膜具有更高的耐磨性，但是覆膜中趋向于残留更高的拉伸应力。这增加了异常工具损伤的频率，由此降低了抗断裂性。因此，通过化学气相沉积难以形成同时具有高耐磨性和高抗断裂性的覆膜。

[0014] 诸如车削工具和铣削工具之类的切削工具配有一个或多个表面被覆切削工具。这些表面被覆切削工具的刀头在其使用寿命结束时需要被替换。仅具有一个切削刃的表面被覆切削工具自身需要被替换，而具有多个切削刃的切削工具能够在相同的座面处以不同的位置重复利用。即，通过将这些切削工具中未使用的切削刃安装在切削位置处，则可在不同切削位置处利用这些切削工具。也可以通过将切削刃重新安装在不同的座面上从而使用未经使用的切削刃。

[0015] 然而，在实际的切削情况中，即使表面被覆切削工具的切削刃未经使用，也常常会替换表面被覆切削工具或者改变方向。这是因为在替换刀头或将刀头转向不同的切削刃时，操作者无法容易地确定切削刃是否已被使用。因此，在替换操作之前，操作者需要细心且充分地检查切削刃以确保切削刃已被使用。

[0016] 专利文献1公开的被覆工具包括作为工具最外层的有色的含硼覆膜，从而可以容易地确定该工具是否已经使用过。该被覆工具的含硼覆膜中具有拉伸残余应力，其提高了含硼覆膜和下层覆膜间的粘合性，由此改善了耐磨性。遗憾的是，如上所述，这样的工具在最外层中具有拉伸残余应力，因此其存在抗断裂性不足的问题。

[0017] 如果对这样的被覆工具的表面进行加工处理以消除拉伸残余应力，则最外层的颜色可能消失，使得难以确定工具的使用情况。

[0018] 对于上述问题，即确定工具使用情况的难点，专利文献2公开的切削工具也不是令人满意的技术方案。

[0019] 如果对专利文献1和2公开的工具表面进行加工处理，则由于最外层的损耗，也可能降低工具的耐磨性。

[0020] 鉴于上述内容，本发明的目的在于提供一种同时具有高耐磨性和高抗断裂性的表面被覆切削工具，并且该工具具有十分易于确定切削刃使用情况的指示功能。

[0021] 问题的解决方案。

[0022] 本发明的发明人为了解决上述问题进行了广泛研究，结果发现，可在比常规已知条件更苛刻的条件下对由多个层构成的覆膜进行后加工，从而保留易于确定工具使用情况的层，同时改善诸如耐磨性之类的性能，其中所述多个层包括由特定化合物制成的最外层。基于该发现的进一步研究使得本发明人完成了本发明。

[0023] 具体来说，根据本发明的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜。覆膜包括多个层。所述多个层中的表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

[0024] 覆膜优选包括位于表面层下的由氧化铝制成的氧化铝层。

[0025] 覆膜优选包括在表面层和氧化铝层之间的中间层。所述中间层优选包括至少一层由如下化合物制成的层，该化合物由选自在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素、铝和硅组成的组中的至少一种元素与选自由碳、氮和氧组成的组中的至少一种元素构成。

[0026] 中间层优选包括TiCN层和TiN层中的至少一者。中间层可包括TiC层。

[0027] 本发明还涉及表面被覆切削工具的制造方法。该方法为用于制造包括基材和形成在所述基材上的覆膜的表面被覆切削工具的方法。所述方法包括以下步骤：通过化学气相沉积在基材上形成多个层，并通过选自喷丸法、刷光法、滚磨法和离子注入法的方法，向所述多个层中的表面层施加绝对值为0.1GPa以上的压缩残余应力。所述表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

[0028] 发明的有益效果

[0029] 如此构成的根据本发明的表面被覆切削工具的优点在于，其同时具有高耐磨性和高抗断裂性，并具有十分有助于确定切削刃使用情况的指示功能。

具体实施方式

[0030] 现在将更详细地描述本发明的实施方案，然而它们不构成对本发明的限制。

[0031] <表面被覆切削工具>

[0032] 根据本发明的一个实施方案的表面被覆切削工具包括基材和形成在基材上的覆膜。覆膜包括多个层。所述多个层中的表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

[0033] 根据本发明的表面被覆切削工具的覆膜形成在前刀面和后刀面的至少一部分上。覆膜的表面层为具有优越的高耐磨性等性能的硼化钛层。硼化钛层具有高硬度和杨氏模量，其在类似于常规已知条件下、或比常规已知条件更苛刻的条件下进行机械后处理之后，可保持其自身的性质，例如色彩，由此可以容易地确定切削刃的使用情况。

[0034] 在比常规已知条件更苛刻的条件下进行的机械后处理消除了覆膜中的拉伸残余应力，并向其施加了压缩残余应力。这同时改善了覆膜的表面层和下部的耐磨性和抗断裂性，这些与表面层的高硬度和杨氏模量结合在一起大幅提高了切削工具的耐磨性和抗断裂性。

[0035] 如此构成的根据本发明的表面被覆切削工具具有特别有助于确定切削刃的使用情况的指示功能。

[0036] 根据本发明的表面被覆切削工具在使用之前呈银色或白色。在切削刃处开始进行切削时，在切削工具中邻近切削刃的区域发生变色。切削工具最初在邻近切削刃的前刀面区域内发生相对大的变化。已经变色的区域看起来与银色或白色完全不同。根据工具的使用情况，在该区域中可看到下层，该下层看起来比原始颜色要深得多。这使得操作者易于确定工具是否已被使用。

[0037] 工具变色的机理可能是：如上所述，由于颜色的改变或者是亮度对比度的改变，使得下层显露出来；或者由于(例如)氧化作用导致的热改变。

[0038] 由氧化作用导致颜色改变的例子为：当工具和工件之间产生的摩擦热使切削刃受热时，由于邻近切削刃的区域内的氧化作用会使得出现回火色(temper color)。

[0039] 本发明中所使用的术语“颜色改变”也包括任何伴随着切屑和切削油等物质的附着而看起来似乎发生颜色改变的外观。

[0040] 短期使用后，根据本发明的表面被覆切削工具在前刀面和后刀面处显示出了如上所述的外观，从而留下了清楚的痕迹。这使得操作者能够立即确定是否切削刃已经被使用过。如本文所使用的，具有能够从颜色改变而确定工具使用情况的功能或其他性质(即，指示功能)的层也称为“使用情况指示层”。

[0041] 根据本发明的表面被覆切削工具优选具有多个切削刃。如上所述，根据本发明的表面被覆切削工具具有优异的指示功能，其非常有助于确定切削刃的使用情况；因此，即使其具有可使用的多个切削刃，也不必在使用前就替换每个切削刃。这显著简化了工具维修，由此提供了极高的有用性。

[0042] 切削工具的例子包括钻头、端铣刀、铣削用切削刃替换型切削刀片、车削用切削刃替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀和丝锥。

[0043] 现在将对根据本发明的表面被覆切削工具的各个部分进行描述。

[0044] <基材>

[0045] 根据本发明的表面被覆切削工具的基材可以是作为切削工具基材常规已知的任何基材。所述基材的例子包括碳化钨(WC)系烧结硬质合金、金属陶瓷、高速钢、陶瓷、立方氮化硼烧结体和金刚石烧结体。

[0046] 如果基材由WC系烧结硬质合金制成，那么所述烧结硬质合金优选包含硬质相和粘合相。具体来说，该烧结硬质合金优选包含由WC制成的硬质相和由至少一种铁族元素(即，铁、钴、镍，也称为“铁族金属”)制成的粘合相。

[0047] 烧结硬质合金还可包含(例如)化合物相或固溶体相以及不可避免的杂质。该化合物相或固溶体相由至少一种下述化合物制成，该化合物由选自在日本使用的元素周期表中的第4族元素(例如，钛、锆和铪)、第5族元素(例如，钒、铌和钽)和第6族元素(例如，铬、钼和钨)组成的组中的至少一种元素与选自由碳(C)、氮(N)、氧(O)和硼(B)组成的组中的至少一种元素构成。本文所使用的“化合物相或固溶体相”指的是形成该相的化合物可形成固溶体、或者可不形成固溶体而是以独立的化合物的形式存在。

[0048] 局部存在于烧结硬质合金的结构中的称为游离碳的异常相并不影响本发明的优点。烧结硬质合金还可具有形成于其表面上的β-游离层、富钴层或表面硬化层，这些并不影响本发明的优点。

[0049] <覆膜>

[0050] 本发明所使用的覆膜由多个通过化学气相沉积形成的层构成。该覆膜的多个层中的表面层为硼化钛层。沉积后，向硼化钛层施加绝对值为0.1GPa以上的压缩残余应力。

[0051] 本发明所使用的覆膜形成于表面被覆切削工具的前刀面和后刀面的至少一部分上。该覆膜优选由至少三层构成，层数没有上限。

[0052] 覆膜优选的厚度(如果覆膜由两层以上的层构成时，该厚度为层的总厚度)为3μm至40μm。厚度小于3μm的覆膜不能充分有效地改善耐磨性。厚度超过40μm的覆膜并没有进一步改进覆膜的性质，并且没有经济上的优势。然而，如果不考虑经济效益，覆膜的厚度也可以超过40μm，这并不影响本发明的优点。

[0053] 例如，通过扫描电子显微镜(SEM)检查从被覆基材(即，表面被覆切削工具)上切下来的部分从而测量覆膜的厚度。通过能量色散X射线光谱仪(EDS)测量覆膜的组成。这些方法也用来测量形成覆膜的各个层的厚度和组成。

[0054] <硼化钛层>

[0055] 本发明中所使用的硼化钛层(其形成为覆膜的表面层)具有相当高的硬度，从而可以提高表面被覆切削工具的耐磨性。硼化钛层也有明亮的颜色，如白色或银色，因此如果覆膜在硼化钛层下方包括不同颜色的层，那么硼化钛层可以起到使用情况指示层的功能。该外观也有助于实现具有更高商业价值的优越设计。

[0056] 硼化钛层优选形成在工具的前刀面和后刀面中与切削有关的区域的至少一部分中。此处使用的术语“与切削有关的部分”是指切削刃和切削刃周围的区域。此处使用的术语“切削刃周围的区域”是指从切削刃向前刀面的中心延伸大约0mm至3mm的区域。如果在这个区域中形成硼化钛层，则在切削过程中，其高耐磨性是十分有效的，并且也可以清楚表明切削刃的使用情况，这样就可以可靠地确定该工具是否已使用。

[0057] 形成硼化钛层的硼化钛可以由化学式TixBy表示，其中x和y表示原子百分比，并且满足关系式1.5

[0058] 硼化钛层的厚度优选为0.05μm至3μm，更优选0.1μm至2μm。硼化钛层的厚度小于0.05μm是不期望的，这是因为该厚度使得可能具有不充分的耐磨性，并且在施加压缩残余应力的过程中，当硼化钛层部分磨损时，也可能损坏工具外观。硼化钛层的厚度超过3μm也是不期望的，这是因为施加到覆膜下部的压缩残余应力可能会不足。

[0059] <压缩残余应力>

[0060] 本发明使用的硼化钛层的特征在于在沉积之后，通过后处理对硼化钛层施加压缩残余应力。压缩残余应力的绝对值为0.1GPa以上。

[0061] 术语"压缩残余应力"是指存在于覆膜内的内部应力(固有应变)并表示为负(-)值(此处使用的单位为"GPa")。更大的压缩残余应力表示为更大的绝对值，而较小的压缩残余应力表示为较小的绝对值。与之相对的是，术语"拉伸残余应力"是指存在于覆膜内的内部应力(固有应变)并表示为正(﹢)值。术语“残余应力”同时包括压缩残余应力和拉伸残余应力。

[0062] 可以通过sin2ψ法并使用X射线应力分析仪来测定压缩残余应力(残余应力)。具体来说，通过sin2ψ法，测定覆膜中被施加压缩残余应力的层中任意点处的应力(测定一个点、优选两个点、更优选三至五个点、还更优选十个点处的应力(如果在多个点处测量应力时，优选选择彼此之间的距离为0.1mm以上的点来测定该层中的代表性应力))，然后计算平均应力，从而测定压缩残余应力。

[0063] X射线sin2ψ法广泛用于测量多晶体材料内的残余应力。例如，可以使用在"X射线应力测量"(X-Sen Oryoku Sokuteiho)(the Society of Materials Science,Japan,Yokendo,1981)，第54至67页中详细公开的方法。

[0064] 也可以通过拉曼光谱法来测定压缩残余应力。拉曼光谱法的优点在于能够在(例如)点直径为1μm的狭窄区域内局部地测定应力。使用拉曼光谱法测定残余应力的方法是常见的。例如，可以使用"Technology for Evaluation of Kinetic Characteristics of Thin Films"(Hakumaku No Rikigakuteki Tokusei Hyoka Gijutu)(Sipec(现更名为Realize Science & Engineering),1992)中第264页至第271页公开的方法。

[0065] 也可以使用同步加速器辐射法来测定压缩残余应力。该方法的优点在于可以沿覆膜厚度测定残余应力的分布。

[0066] 如上所述，沉积后施加至本发明所使用的硼化钛层的压缩残余应力的绝对值为0.1GPa以上。这显著改善了根据本发明的表面被覆切削工具的韧性。优选地，压缩残余应力的绝对值为0.2GPa以上，更优选绝对值为0.5GPa以上。绝对值低于0.1GPa的压缩残余应力可导致韧性不足。尽管对于改进表面被覆切削工具的韧性来说，绝对值更大的压缩残余应力是优选的，但是绝对值超过10GPa的压缩残余应力是不期望的，这是因为硼化钛层可能会剥落。

[0067] <下层>

[0068] 此处使用的术语"下层"是指在形成于基材上的多个层中的表面层之下形成的一层或多层。优选的是，下层具有与硼化钛层不同的颜色，并且在基材的整个表面上形成。

[0069] 下层的厚度优选为2μm至30μm，更优选2μm至25μm。下层的厚度少于2μm是不期望的，这是因为提供的耐磨性可能不足。厚度超过30μm的下层并不会进一步改善耐磨性，并且没有经济上的优势。然而，如果不考虑经济效益，下层的厚度也可以超过30μm，这并不影响本发明的优点。

[0070] 如上所述，根据本发明的表面被覆切削工具包括作为覆膜表面层的硼化钛层。这使得可在比常规已知条件更苛刻的条件下对覆膜进行机械后加工处理，以向表面层和下层施加压缩残余应力。压缩残余应力优选施加至下层中与切削有关的区域的至少一部分中。这显著改善了切削刃的韧性，从而防止其断裂。

[0071] 此处所使用的术语“与切削有关的区域”通常是指根据工具的形状、工件的类型和尺寸、以及切削方式，从与工件接触(或邻近)的切削刃向前刀面和后刀面延伸3mm的区域。

[0072] 尽管优选将压缩残余应力施加到与切削有关的整个区域，但是取决于各种因素，不是必须将应力施加到整个区域。然而，这并不影响上述优点，但前提是如上所述，将压缩残余应力施加到与切削有关的区域中的至少一部分上，并且应力显著有效防止切削刃发生断裂即可。

[0073] 下层中的压缩残余应力的绝对值优选为0.1GPa以上，更优选为0.2GPa以上，甚至更优选为0.5GPa以上。压缩残余应力的绝对值低于0.1GPa可能导致韧性不足。尽管绝对值更大的压缩残余应力对于改善表面被覆切削工具的韧性是优选的，但是压缩残余应力的绝对值超过10GPa是不期望的，这是因为形成为下层的层之间可能会出现剥离。

[0074] 尽管下层可以具有任何层结构，但是优选包括由氧化铝制成的氧化铝层。如果下层由多层组成，那么氧化铝层优选形成为多层中的最外层。

[0075] <氧化铝层>

[0076] 如上所述的氧化铝层由氧化铝制成。氧化铝层具有高耐磨性并能作为覆膜中的耐磨层。氧化铝层的耐磨性与形成表面层的硼化钛层的硬度相配合，从而提供了大幅度延长工具使用寿命的优点，并使得切削工具能用于高速切削等严苛的使用环境中。

[0077] 氧化铝层可以是暗色的。如上所述，根据本发明的表面被覆切削工具包括作为表面层的硼化钛层，其呈白色或银色等亮色。如果下层包括暗色的氧化铝层，则提供了与表面层间的强烈对比，由此进一步增强了表面被覆切削工具的指示功能。为了提供更强的对比，氧化铝层优选形成为下层的最外层。

[0078] 更准确地说，氧化铝层本身并不是暗色的，而是由于形成在氧化铝层之下的层的颜色从而使得氧化铝层显示出接近黑色的颜色。如本文所使用的，这样的外观也称为“暗色”或“黑色”。

[0079] 形成氧化铝层的氧化铝可以具有任意晶体结构。例如，氧化铝可以是α-氧化铝(α-Al2O3)、κ-氧化铝(κ-Al2O3)、γ-氧化铝(γ-Al2O3)、不定型氧化铝(Al2O3)或其混合物。

[0080] 本文所使用的术语"由氧化铝制成的氧化铝层"是指至少包含50质量％以上的氧化铝的层，其中余量可包括其他化合物，例如ZrO2和Y2O3及其他元素，例如氯(Cl)、碳(C)、硼(B)和氮(N)。例如，包含其他化合物如ZrO2和Y2O3的氧化铝层可被视为其中添加了锆和钇等元素的氧化铝层。

[0081] <其它层>

[0082] 除了氧化铝层之外，本发明使用的下层可包括(例如)由TiCN、TiN、TiCNO、TiBN、ZrO2和AlN等化合物制成的层。这种下层的一个优选例子是通过在基材的全部表面上沉积厚度为数微米的TiN层、在TiN层上沉积厚度为数微米的TiCN层、并在TiCN层上沉积厚度为数微米的氧化铝层而形成的。这样的下层整体上具有高耐磨性，并可作为耐磨层。

[0083] 更优选地，本发明中使用的下层包括位于氧化铝层之下的、由这样的化合物制成的层，该化合物由钛与选自由氮(N)、硼氧(O)和(B)组成的组中的至少一种元素组成。该层在氧化铝层与该层的下层之间提供了特别高的粘合性，从而进一步改善了表面被覆切削工具的耐磨性。这种化合物的例子包括TiN、TiBN、TiBNO、TiCBN和TiCNO。具有类似作用的化合物的其他例子包括AlON和AlCNO。

[0084] <中间层>

[0085] 本发明使用的覆膜可包括位于表面层和下层之间的中间层。这种中间层的例子为至少一层由如下化合物制成的层，该化合物由选自在日本使用的元素周期表中的第4族元素、第5族元素和第6族元素、铝和硅组成的组中的至少一种元素与选自由碳(C)、氮(N)和氧(O)组成的组中的至少一种元素构成。

[0086] 这样化合物的例子包括TiCN、TiN、TiCNO、TiO2、TiNO、TiC、TiBN、TiSiN、TiSiCN、TiAlN、TiAlCrN、TiAlSiN、TiAlSiCrN、AlCrN、AlCrCN、AlCrVN、TiAlBN、TiBCN、TiAlBCN、TiSiBCN、AlN、AlCN、Al2O3、ZrN、ZrCN、ZrN、ZrO2、HfC、HfN、HfCN、NbC、NbCN、NbN、Mo2C、WC和W2C。这些化合物中可以掺杂微量的其他元素。这些化合物的原子比遵循以上的通式。

[0087] 用于表示本发明化合物的如上所示的化学式并不局限于其化学计量比，而是涵盖所有常规已知的原子比，除非规定了任何具体的原子比。例如，化学式“TiCN”不限于钛、碳和氮的原子比为50:25:25，并且化学式“TiN”不限于钛与氮的原子比为50:50；它们涵盖了所有常规已知的原子比。

[0088] 尽管尚未完全了解其机理，但是中间层能够改善氧化铝层和硼化钛层之间的粘合性。所述中间层优选是TiCN层和TiN层中的至少一者。其使得氧化铝层和硼化钛层之间具有特别高的粘合性，从而赋予表面被覆切削工具以高耐磨性。

[0089] 如上所述，只要使中间层形成于表面层和下层之间，则中间层可有效改善氧化铝层和硼化钛层之间的粘合性。也就是说，中间层不必非得形成为直接与氧化铝层或硼化钛层接触；例如，可以在中间层和氧化铝层之间、或者在中间层和硼化钛层之间形成其他层。

[0090] 与表面层和下层一样，中间层优选具有压缩残余应力。中间层中的压缩残余应力的绝对值优选为0.1GPa以上，更优选为0.2GPa以上，甚至更优选为0.5GPa以上。绝对值低于0.1GPa的压缩残余应力可导致韧性不足。尽管对于改善表面被覆切削工具的韧性而言，绝对值更大的压缩残余应力是优选的，但是绝对值超过10GPa的压缩残余应力是不期望的，这是因为中间层和其他层之间可能发生剥落。

[0091] <耐熔焊性>

[0092] 可选地，中间层可以为降低氧化铝层与硼化钛层之间的粘合性的层。在这种情况中，中间层可赋予表面被覆切削工具以耐熔焊性。具体来说，中间层可降低氧化铝层和硼化钛层之间的粘合性，从而使得硼化钛层在切削的最初阶段易于剥落，由此使氧化铝层裸露出来。氧化铝层与铁系工件间的反应性低，因此具有高耐熔焊性。由此，氧化铝层易于裸露出来从而改善表面被覆切削工具的耐熔焊性。可降低氧化铝层和硼化钛层之间的粘合性的中间层的一个例子为TiC层。

[0093] <制造方法>

[0094] 如上所述的根据本发明的表面被覆切削工具可以通过以下方法制造。通过以下方法制造的表面被覆切削工具同时具有高耐磨性和高抗断裂性的优点，并且具有能够显著有助于确定切削刃使用情况的指示功能。

[0095] 用于制造根据本发明的表面被覆切削工具的方法是一种制造包括基材和在该基材上形成的覆膜的表面被覆切削工具的方法。该方法包括以下步骤：通过化学气相沉积在基材上形成多个层；以及通过选自喷丸法、刷光法、滚磨法和离子注入法的方法，向所述多个层中的表面层施加绝对值为0.1GPa以上的压缩残余应力。表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

[0096] <通过化学气相沉积形成层的步骤>

[0097] 可以通过常规已知的CVD法形成多个层。优选地，所述多个层中的至少一层通过中温CVD(MT-CVD)沉积。通过MT-CVD沉积的层的一个优选例子为具有高耐磨性的碳氮化钛(TiCN)层。

[0098] 相比于在大约1,020℃至1,030℃下进行的常规CVD，MT-CVD可以在相对较低的温度下进行，例如约850℃至950℃。这使得在沉积过程中对基材的热损伤降低。因此，通过MT-CVD沉积的层优选形成为与基材相邻。

[0099] 用于沉积的优选气体是腈类气体，特别是乙腈(CH3CN)，其适合于大规模生产。在一些情况中，包括通过MT-CVD沉积的层和通过高温CVD(HT-CVD)沉积的层的多层结构是优选的，这是因为其可以改善形成覆膜的层之间的粘合性。

[0100] 本文所使用的术语“HT-CVD”是指如上所述的常规CVD。

[0101] <施加压缩残余应力的步骤>

[0102] 根据本发明的表面被覆切削工具制造方法的特征在于：该方法包括在通过化学气相沉积形成多个层后，向多个层中的表面层施加压缩残余应力的步骤，并且特征在于所述表面层为硼化钛层。压缩残余应力可以通过选自喷丸法、刷光法、滚磨法和离子注入法中的方法施加。在这些方法中，机械处理是优选的，包括刷光法、喷丸法和滚磨法。

[0103] 如果通过喷丸法施加压缩残余应力，那么所使用的磨料可由常用于这类应用的颗粒构成。这种颗粒的例子包括钢砂、钢丸、切丝(cut wire)、氧化铝、氧化锆、玻璃珠和石英砂。如果中间层包括了降低表面层与下层之间粘合性的层(例如，TiC层)，那么优选通过已知的刷光法施加压缩残余应力。

[0104] 还可将压缩残余应力施加到除表面层之外的其他层上。在这种情况下，合适的方法包括作为用于向表面层施加压缩残余应力的方法列举的那些。通过调节条件，压缩残余应力可以同时施加到表面层和表面层以下的层。

[0105] 以下示出了根据本发明的表面被覆切削工具制造方法的一个优选的例子。首先，通过CVD将TiN层沉积到基材上，通过MT-CVD将TiCN层沉积到TiN层上，并通过CVD将氧化铝层沉积到TiCN层，从而形成下层。然后通过CVD在下层上沉积TiCN层而形成中间层。然后通过CVD在中间层上沉积硼化钛层来形成表面层。沉积后，通过喷丸法向表面层(即，硼化钛层)施加0.1GPa以上的压缩残余应力。由此获得了表面被覆切削工具。压缩残余应力可同时施加到表面层、中间层和下层。

[0106] 实施例

[0107] 将通过以下实施例进一步说明本发明，然而这些实施例并不旨在限制本发明。在以下描述中，如上所述，通过SEM检测表面被覆切削工具的横断面来测量表面被覆切削工具的层的厚度。

[0108] <实施例1>

[0109] 制备了具有指定为日本工业标准(JIS)中JIS B 4120(1998)规定的CNMG120408的切削工具形状的烧结硬质合金基材作为用于表面被覆切削工具的基材。所述烧结硬质合金基材包含89.0重量％的WC、8.0重量％的钴和3.0重量％的TiC。

[0110] 珩磨后，通过CVD在基材的整个表面上形成覆膜。具体来说，首先通过在基材的表面上依次沉积0.5μm厚的TiN层、7.0μm厚的TiCN层(MT-CVD)和2.0μm厚的由α-氧化铝(Al2O3)制成的氧化铝层，从而形成下层。

[0111] 然后通过在下层上沉积0.3μm厚的TiCN层来形成中间层。然后，通过在中间层上沉积0.7μm厚的由TiB2制成的硼化钛层来形成表面层。这样，在基材上形成了包括多个层的覆膜。所获得的覆膜称为覆膜No.1。

[0112] 在覆膜No.1中，作为中间层的TiCN层和作为表面层的由TiB2制成的硼化钛层形成为使用情况指示层。术语"TiCN层(MT-CVD)"是指通过MT-CVD沉积的TiCN层。

[0113] 以相同的方式制备在基材的全部表面上形成有表1中的覆膜No.2至No.7的烧结硬质合金基材。

[0114] [表1]

[0115]

[0116] 在表1中，无论覆膜是何种类型，作为下层中最外层的所有氧化铝层(α-Al2O3(2.0μm)和κ-Al2O3(2.0μm))均呈黑色。作为表面层的硼化钛层呈银色或白色。

[0117] 然后，在如表2中所示的条件下对被覆基材进行后处理，以向表面层施加压缩残余应力。关于后处理条件B至D，通过已知的喷丸法在如表2中所示的喷丸压力下进行后处理。后处理条件B至D中的喷丸时间为5秒。关于后处理条件E，通过已知的刷光法进行后处理。

[0118] [表2]

[0119]后处理条件 处理类型 喷丸压力(MPa) 喷丸时间(秒)
A 未进行后处理 - -
B 喷丸法 0.10 5
C 喷丸法 0.15 5
D 喷丸法 0.20 5
E 刷光法 - -

[0120] 通过这种方式，制造了表面被覆切削工具No.1至No.26。表3示出了表面被覆切削工具的覆膜与后处理条件的组合。在表3中，标记有*号的表面被覆切削工具(即，No.3、No.4、No.7、No.8和No.26)是实施例的表面被覆切削工具。

[0121] <残余应力的测定>

[0122] 通过sin2ψ法并利用X射线应力分析仪来测量如此制造的表面被覆切削工具No.1至No.26的表面层中的残余应力。结果如表3所示。在表3所示的“残余应力”栏中，负(-)值表示压缩残余应力，而正(+)值表示拉伸残余应力。

[0123] <切削性能评估>

[0124] 通过耐磨性试验和抗断裂性试验进一步评估表面被覆切削工具No.1至No.26的切削性能。试验条件如下所示。在表3中示出了评估结果。

[0125] <耐磨性试验条件>

[0126] 工件：SCM435(JIS)

[0127] 切削速度：250m/min.

[0128] 进给量：0.30mm/rev.

[0129] 切削深度：1.5mm

[0130] 切削油：湿式

[0131] 切削时间：25分钟

[0132] 评估对象：后刀面磨损量

[0133] <抗断裂性试验条件>

[0134] 工件：SCM435(JIS)，具有沟槽

[0135] 切削速度：150m/min.

[0136] 进给量：0.25mm/rev.

[0137] 切削深度：1.5mm

[0138] 切削油：湿式

[0139] 评估对象：碎裂或断裂时间(工具寿命)

[0140] [表3]

[0141]

[0142] 在表3中，后刀面磨损量越小表示耐磨性越高。表3中“切削刃使用情况的确定”一栏示出了对切削刃是否已使用做出判定的容易程度的评估结果。具体来说，通过目测观察将已进行切削试验的切削工具与未使用的切削工具加以比较。将明显变色且能立即确定切削工具已经使用的情况评估为“容易”。将切削工具稍微变色的情况评估为“略有困难“。将使用后切削工具基本没变色且不能立即确认经过使用的情况评估为“困难”。

[0143] 通过目测观察切削工具的刀头和工件的加工面来进一步评估经过切削试验的切削工具的耐熔焊性。在表3的“工件与刀头间的熔焊”一栏中评估为“无”且在“工件加工面的状态”一栏中评估为“光滑”的切削工具具有高耐熔焊性。

[0144] 在确定为具有高耐熔焊性的切削工具中，包括TiC层作为中间层的表面被覆切削工具No.26在工件上形成了几乎镜面抛光的表面，由此确定其具有特别高的耐熔焊性。

[0145] 这些结果证明，出于耐熔焊性考虑，包括TiC层作为中间层的表面被覆切削工具是优选的。

[0146] 与之相比，对于切削刀头上熔焊有部分工件的表面被覆切削工具，其在工件上形成了钝的表面，并且加工表面打磨粗糙。

[0147] 表3中的结果表明，与比较例的表面被覆切削工具相比，实施例的表面被覆切削工具具有高耐磨性和抗断裂性，同时具有十分有助于确定切削刃使用情况的优异指示功能，其中实施例的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜，所述覆膜包括多个层，并且所述多个层中的表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

[0148] <实施例2>

[0149] 制备了具有指定为日本工业标准(JIS)中JIS B 4120(1998)规定的CNMG120408的切削工具形状的烧结硬质合金基材作为用于表面被覆切削工具的基材。所述烧结硬质合金基材包含90.0重量％的WC、7.0重量％的钴、和3.0重量％的TiC。

[0150] 珩磨后，通过CVD在基材的整个表面上形成覆膜。具体来说，首先通过在基材的表面上依次沉积0.3μm厚的TiN层、3.0μm厚的TiCN层(MT-CVD)、和2.0μm厚的由α-氧化铝(Al2O3)制成的氧化铝层从而形成下层。

[0151] 然后通过在下层上沉积0.2μm厚的TiCN层从而形成中间层。然后通过在中间层上沉积0.6μm厚的由TiB2制成的硼化钛层从而形成表面层。这样，在基材上形成了包括多个层的覆膜。将所获得的覆膜称为覆膜No.8。

[0152] 在覆膜No.8中，作为中间层的TiCN层和作为表面层的由TiB2制成的硼化钛层形成为使用情况指示层。

[0153] 以相同的方式制备在基材的全部表面上形成有表4中的覆膜No.9的烧结硬质合金基材。

[0154] [表4]

[0155]覆膜No. 下层 中间层 表面层
8 TiN(0.3μm)/TiCN(3.0μm)/α-Al2O3(2.0μm) TiCN(0.2μm) TiB2(0.6μm)
9 TiN(0.3μm)/TiCN(3.0μm)/α-Al2O3(2.0μm) TiCN(0.2μm) TiN(0.6μm)

[0156] 在表4中，无论覆膜是何种类型，作为下层中最外层的所有氧化铝层(α-Al2O3(2.0μm))均呈黑色。作为表面层的硼化钛层呈银色或白色。

[0157] 然后，通过已知的喷丸方法并以表5中所示的喷丸时间对被覆基材进行后处理，以向表面层施加压缩残余应力。所有的处理均在0.15MPa的喷丸压力下进行。

[0158] [表5]

[0159]后处理条件 处理类型 喷丸压力(MPa) 喷丸时间(秒)
F 未进行后处理 - -
G 喷丸法 0.15 5
H 喷丸法 0.15 10
I 喷丸法 0.15 15

[0160] 这样，制造了表面被覆切削工具No.27至No.34。表6示出了表面被覆切削工具的覆膜与后处理条件的组合。在表6中，标记有*号的表面被覆切削工具(即No.29和No.30)是实施例的表面被覆切削工具。

[0161] <残余应力的测定>

[0162] 通过sin2ψ法并利用X射线应力分析仪来测量表面被覆切削工具No.27至No.34的表面层的残余应力。结果如表6所示。在表6所示的“残余应力”栏中，负(-)值表示压缩残余应力，而正(+)值表示拉伸残余应力。

[0163] <切削性能评估>

[0164] 通过耐磨性试验和抗断裂性试验进一步评估表面被覆切削工具No.27至No.34的切削性能。试验条件如下所示。在表6中示出了评估结果。

[0165] <耐磨性试验条件>

[0166] 工件：SUS304(JIS)

[0167] 切削速度：150m/min.

[0168] 进给量：0.20mm/rev.

[0169] 切削深度：1.5mm

[0170] 切削油：湿式

[0171] 切削时间：25分钟

[0172] 评估对象：后刀面磨损量

[0173] <抗断裂性试验条件>

[0174] 工件：SUS304(JIS)，具有沟槽

[0175] 切削速度：100m/min.

[0176] 进给量：0.25mm/rev.

[0177] 切削深度：1.5mm

[0178] 切削油：湿式

[0179] 评估对象：碎裂或断裂时间(工具寿命)

[0180] [表6]

[0181]

[0182] 在表6中，后刀面磨损量越小表示耐磨性越高。表6中的“切削刃使用情况的确定”一栏示出了对切削刃是否已使用做出判定的容易程度的评估结果。具体来说，通过目测观察将已进行切削试验的切削工具与未使用的切削工具加以比较。将明显变色且能立即确定切削工具已经使用的情况评估为“容易”。将切削工具稍微变色的情况评估为“略有困难“。将使用后切削工具基本没变色且不能立即确认经过使用的情况评估为“困难”。

[0183] 表6中的结果表明，与比较例的表面被覆切削工具相比，实施例的表面被覆切削工具具有高耐磨性和抗断裂性，同时具有十分有助于确定切削刃使用情况的优异指示功能，其中实施例的表面被覆切削工具包括基材和形成在所述基材上的覆膜，所述覆膜包括多个层，并且所述多个层中的表面层为由TixBy(其中x和y表示原子百分比并且满足1.5

[0184] 尽管在上文中对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是也构想了这些实施方案和实施例的组合。

[0185] 应当理解的是，本文所公开的实施方案和实施例在每个方面都是示例性而非限制性的。本发明的范围由权利要求书的权项、而不是上文的说明来限定，并且旨在包括与权利要求书的权项等同的范围和含义内的任何修改。