CN102099137A - 硬质被膜及硬质被膜被覆工具 - Google Patents

硬质被膜及硬质被膜被覆工具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硬质被膜，如图所示，由于设于球头立铣刀(10)的刃部(14)的硬质被膜(20)通过由(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)构成的第I层(22)、和由AlCrN或AlCrDN构成的第II层(24)、和由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素组成的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成的第III层(26)形成，所以可长时间稳定地得到优良的耐磨损性、耐熔敷性，即使是对于不锈钢的切削加工或对于易于熔敷的被切削材料的切削加工等，也能够抑制剥离或卷刃磨损，可得到良好的加工面，同时可稳定地得到规定的加工性能。

Description

硬质被膜及硬质被膜被覆工具
技术领域
本发明涉及硬质被膜，尤其涉及耐磨损性以及耐熔敷性优良的硬质被膜的改良。
背景技术
广泛进行在高速工具钢或超硬合金等工具母材等规定的部件的表面设置硬质被膜。例如，在专利文献1中，提出了在耐磨损性优良的A层上设置耐熔敷性优良的B层，A层为Ti、Cr、Al、Si等的氮化物、碳氮化物等，B层为Ti、Cr、Al、Si等的氧化物、硼化物等。
专利文献1：特开2007-15106号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，这样现有的硬质被膜对于工具母材不一定能够得到充分的附着强度，例如，对于不锈钢的切削加工或对于在50HRC以下易于熔敷的被切削材料的切削加工等中，存在发生早期剥离或卷刃磨损而使加工面恶化或切削性能不均衡的问题。
本发明是将以上的情况作为背景而开发的，其目的在于，将耐磨损性及耐熔敷性优良的硬质被膜以高的附着强度设于工具母材等上，从而长时间稳定地得到优良的耐磨损性、耐熔敷性。
解决课题的手段
为了实现所述目的，第1发明的硬质被膜设于规定部件的表面上，耐磨损性及耐熔敷性优良，其特征为，(a)为由与所述部件的表面相接设置的第III层、设于该第III层上的第II层、和设于该第II层上构成表面的第I层组成的三层结构，(b)所述第I层由(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)〔其中，a、b、c、d分别按原子比计在0≤a≤0.2、0.01≤b≤0.2、0≤c≤0.5、0≤d≤0.3的范围内〕构成，(c)所述第II层由AlCrN或AlCrDN〔其中，D为元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、Si、以及Y中的任一种元素、或SiC〕构成，(d)所述第III层由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成。
第2发明的特征为，在第一发明的硬质被膜中，(a)在所述第I层和所述第II层的边界部分设置两者的混合层，(b)在该第II层和所述第III层的边界部分设置两者的混合层。
第3发明的特征为，在第1或第2发明的硬质被膜中，(a)所述第I层、所述第II层、以及所述第III层的总膜厚T总在0.05～15μm的范围内，(b)所述第I层的膜厚T1在总膜厚T总的1～50％的范围内，(c)所述第III层的膜厚T3在总膜厚T总的1～25％的范围内，(d)所述第II层的膜厚T2为(T总-T1-T3)。
第4发明涉及硬质被膜被覆工具，其特征为，用第1～第3发明中任一种的硬质被膜被覆工具母材的表面。
发明效果
第1发明的硬质被膜通过由AlCrN或AlCrDN〔其中，D为元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、Si、以及Y中的任一种元素、或SiC〕构成的第II层得到优良的耐磨损性，同时通过由(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)〔其中，a、b、c、d分别以原子比计在0≤a≤0.2、0.01≤b≤0.2、0≤c≤0.5、0≤d≤0.3的范围内〕构成的最上层的第I层得到优良的耐熔敷性，另一方面，在工具母材等应形成硬质被膜的规定部件和所述第II层之间夹装有由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成的第III层，因此可得到高的附着强度。由此，可长时间稳定地得到优良的耐磨损性、耐熔敷性，例如在第4发明的硬质被膜被覆工具的场合，即使是对于不锈钢的切削加工或对于在50HRC以下易于熔敷的被切削材料的切削加工等，也能够抑制剥离或卷刃磨损，可得到良好的加工面，同时能够稳定地得到规定的加工性能，使工具寿命提高。尤其是，最上层的第I层含有SiC，因此表面硬度增高(例如，3000HV以上)，随着耐熔敷性及附着强度的提高，耐磨损性大幅度提高，在对于高硬度的被切削材料进行的切削加工中，可得到优良的耐磨损性提高效果。
在第2发明中，由于在第I层和第II层的边界部分设置两者的混合层，同时在第II层和第III层的边界部分也设有两者的混合层，所以这些第I层、第II层、以及第III层的相互附着强度也增高，能够进一步有效抑制剥离或卷刃磨损。另外，在通过电弧离子镀法和溅射法等PVD法形成这些第I层～第III层时，适当设定对靶和反应气体的切换时间，以形成所述混合层，由此能够包含该混合层连续且高效地形成第III层～第I层。
在第3发明中，第I层～第III层的总膜厚T总为0.05～15μm的范围内，第I层的膜厚T1为总膜厚T总的1～50％的范围内，第III层的膜厚T3为总膜厚T总的1～25％的范围内，第II层的膜厚T2为(T总-T1-T 3)，因此可适宜得到取决于第I层的耐熔敷性提高、取决于第II层的耐磨损性提高，以及取决于第III层的附着强度提高的各种效果。
附图说明
图1是表示应用本发明的立铣刀的图，(a)是从与轴心直角方向看的正面图，(b)是从前端侧看的扩大底面图，(c)是设有硬质被膜的刃部表面附近的扩大剖面图；
图2是表示设于图1的立铣刀上的本发明的硬质被膜的具体例、和使用这些立铣刀在规定的加工条件下进行切削加工后检查后面磨损宽度(耐磨损性)的结果的图；
图3是表示第I层的原子比和膜厚等与本发明不同的比较例在与图2的场合相同的加工条件下进行切削加工后检查后面磨损宽度(耐磨损性)的结果的图；
图4是说明使用设有规定的硬质被膜的试件进行摩擦磨损试验时的销盘(ピンオンデイスク)式摩擦试验装置的概念图；
图5是表示使用图4的装置对S45C进行摩擦磨损试验后的本发明的硬质被膜以及现有的硬质被膜的磨损痕迹的照片的图；
图6是表示使用图4的装置对SUS304进行摩擦磨损试验后的本发明的硬质被膜以及现有的硬质被膜的磨损痕迹的照片的图。
附图标记说明
10 立铣刀(硬质被膜被覆工具)
12 工具母材(规定的部件)
20 硬质被膜
22 第I层
24 第II层
26 第III层
具体实施方式
本发明除适用于设置在立铣刀或丝锥、钻头等旋转切削工具表面的硬质被膜外，还适用于设置在车刀等非旋转式的切削工具、或者轧制工具等各种加工工具表面的硬质被膜，也可适用于半导体装置等的表面保护膜等设置在加工工具以外的部件表面的硬质被膜。作为硬质被膜的形成方法，优选使用电弧离子镀法和溅射法等PVD法等(物理蒸镀法)。
在第2发明中，在第I层和第II层的边界部分设置两者的混合层，在第II层和第III层的边界部分设有两者的混合层，但这些混合层不一定是必需的，也可以在第I层上直接形成第II层，同时在该第II层上直接形成第III层。也可以只在第I层和第II层的边界部分、以及第II层和第III层的边界部分的任一方设有混合层。
在第3发明中，总膜厚T总为0.05～15μm的范围内，不足0.05μm时，不能充分得到作为硬质被膜的性能，超过15μm时，切削工具的刃尖变圆等，有可能损害工具性能。第I层的膜厚T1在总膜厚T总的1～50％的范围内，不足1％时，不能充分得到取决于第I层的耐熔敷提高效果，超过50％时，有可能损害取决于第II层的耐磨损性提高效果。另外，第III层的膜厚T3在总膜厚T总的1～25％的范围内，不足1％时，不能充得到取决于第III层的附着强度提高效果，超过25％时，有可能损害取决于第II层的耐磨损性提高效果。
作为硬质被膜被覆工具的工具母材，优选使用超硬合金或高速工具钢、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石(PCD)、单晶金刚石、多晶CBN、单晶CBN，但也可以采用其它的工具材料。
实施例
以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。
图1是说明作为应用本发明的硬质被膜被覆工具的一例的球头立铣刀10的图，(a)是从与轴心直角方向看的正面图，(b)是从前端侧((a)图的右方向)看的扩大底面图，在由超硬合金构成的工具母材12上一体地设有刀柄及刃部14。在刃部14上相对于轴心对称设有一对外周刃16及球头刃18作为刀刃，且绕轴心被旋转驱动，由此通过这些外周刃16及球头刃18进行切削加工，同时在该刃部14的表面上涂敷有硬质被膜20。图1(a)的斜线部分表示硬质被膜20，图1的(c)是涂敷有硬质被膜20的刃部14的表面附近的剖面图。球头立铣刀10为旋转切削工具，工具母材12相当于设置硬质被膜20的规定部件。
由图1(c)可知，硬质被膜20为由第I层22、第II层24、第III层26组成的三层结构，在本实施例中，使用电弧离子镀装置，通过切换靶和反应气体而连续地形成。与工具母材12的表面相接设置的第III层26由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成。具体地说，如图2的“被膜结构”的“第III层”一栏所示，为TiN、CrN、TiAlN、TiCrN、TiAlNbN、TiAlZrN、TiAl(SiC)N、TiAlCrN、TiVCrN等。另外，在图2的被膜结构栏的各元素之后记载的小数为原子比。图3也同样。
设于上述第III层26上的第II层24由AlCrN或AlCrDN〔其中，D为元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、Si、以及Y中的任一种元素、或SiC〕构成。具体地说，如图2的“被膜结构”的“第II层”一栏所示，为AlCrN、AlCrHfN、AlCr(SiC)N、AlCrNbN、AlCrMoN、AlCrSiN、AlCrTiN等。在该第II层24和第III层26的边界部分以极小的厚度(例如，第II层24膜厚T2的10％以下)设有两者的组成混合的混合层，但图中省略了。通过使从用于形成第III层26的靶及反应气体向用于形成第II层24的靶及反应气体切换的时间错开，只以规定时间重复使用用于形成第III层26的靶及反应气体、和用于形成第II层24的靶及反应气体，由此能够在第III层26上连续形成该混合层。另外，在该状态下，如果停止向用于形成第III层26的靶的通电(电弧放电)以及反应气体的供给，则能够连续地从混合层向第II层24切换。另外，如果反应气体相同，则只要切换向靶的通电即可。
设于上述第II层24上构成硬质被膜20表面的最上层的第I层22由(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)〔其中，a、b、c、d分别以原子比计在0≤a≤0.2、0.01≤b≤0.2、0≤c≤0.5、0≤d≤0.3的范围内〕构成。具体地说，如图2的“被膜结构”的“第I层”一栏所示，为CrB(SiC)N、CrB(SiC)ON、CrB(SiC)CN等。在该第I层22和第II层24的边界部分也以极小的厚度(例如，第I层22膜厚T1的10％以下)设有两者的组成混合的混合层，但图中省略了。该混合层也与上述第II层24和上述第III层26的边界部分的混合层一样能够连续形成。
另外，将上述第I层22、第II层24、以及第III26层合在一起而成的硬质被膜20整体的总膜厚T总在0.05～15μm的范围内，第I层22的膜厚T1在总膜厚T总的1～50％的范围内，第III层26的膜厚T3在总膜厚T总的1～25％的范围内，第II层24的膜厚T2为(T总-T1-T3)。图2及图3的膜厚一栏中括号内所示的％分别为相对于总膜厚T总的比率。
这样，本实施例的球头立铣刀10的硬质被膜20通过由AlCrN或AlCrDN构成的第II层24得到优良的耐磨损性，同时通过由(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)构成的最上层的第I层22得到优良的耐熔敷性，另一方面，在工具母材12和上述第II层24之间夹装有由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成的第III层26，因此得到高的附着强度。由此，能够长时间稳定地得到优良的耐磨损性、耐熔敷性，即使为对于不锈钢的切削加工或对于在50HRC以下易于熔敷的被切削材料的切削加工等，也能够抑制剥离或卷刃磨损，得到良好的加工面，并且稳定地得到规定的加工性能，使工具寿命提高。
尤其是，由于最上层的第I层22含有SiC，所以表面硬度高(例如，3000HV以上)，随着耐熔敷性及附着强度的提高，耐磨损性大幅度提高，在对高硬度的被切削材料的切削加工中，得到优良的耐磨损性提高效果。
另外，本实施例中，在第I层22和第II层24的边界部分设置两者的混合层，同时在第II层24和第III层26的边界部分也设有两者的混合层，因此这些第I层22、第II层24、以及第III层26的相互的附着强度也增高，进一步有效地抑制剥离或卷刃磨损。在本实施例中，由于这些第I层22～第III层26通过电弧离子镀法形成，所以适当设定靶和反应气体的切换时间，以形成上述混合层，由此能够包含该混合层连续且高效地形成第III层26～第I层22。
另外，在本实施例中，第I层22～第III层26的总膜厚T总在0.05～15μm的范围内，第I层22的膜厚T1在总膜厚T总的1～50％的范围内，第III层26膜厚T3在总膜厚T总的1～25％的范围内，第II层24的膜厚T2为(T总-T1-T3)，因此可适宜地得到取决于第I层22的耐熔敷性提高、取决于第II层24的耐磨损性提高、以及取决于第III层26的附着强度提高的各种效果。
接着，准备工具母材12为超硬合金制、直径6mm(前端R＝3)、2个刃的本实施例的球头立铣刀10(满足权利要求1～3的条件的本发明制品)、和有无构成硬质被膜20的第I层22、第II层24、第III层26和被膜组成、原子比、膜厚不满足权利要求1～3的条件的比较制品，对在以下的加工条件下进行切削加工，检查切削加工210m后的球头刃18的后面磨损宽度(mm)的结果进行说明。图2全部为本发明制品，图3全部为比较制品，图3的标有阴影的栏为偏离权利要求1或3的条件的项目。另外，后面磨损宽度(mm)为2个球头刃18的平均值，以允许范围为0.1mm以下进行是否合格的判定。另外，由于被膜硬度(HV0.025)不一定容易测定，所以只对一部分的试验品进行了检查，无记载的试验品省略了测定。
(加工条件)
·被切削材料种类：SUS304(依JIS规定的不锈钢)
·切削方法：截齿加工(ピツク加工)
·切削速度：217m/min
·进给速度：0.12mm/t
·进刀量：aa＝0.3mm、Pf＝0.6mm
·切削液：吹气(エアブロ一)
图2的本发明制品中，所有的后面磨损宽度均在允许范围内(0.1mm以下)。与此相对，图3的比较制品中，所有的后面磨损宽度均超过允许范围(0.1mm)，或者在加工途中发生崩刃而不能进行加工，没能得到充分的耐久性(工具寿命)。被膜硬度HV，图2的本发明制品为3020～3210，与此相对，图3的比较制品为2640～2900，最上层的第I层22含有SiC的本发明制品，其被膜硬度HV增高，随着耐熔敷性以及附着强度的提高，使耐久性大幅度提高。
另外，在直径为6mm的圆柱形状且前端研磨面为R5的球面的试件中，分别准备两个在其研磨面涂敷有本发明的硬质被膜20的试件、和涂敷有只由现有的AlCrN构成的一层的硬质被膜的试件，使用图4所示的销盘式试验装置，在以下的试验条件下进行了摩擦磨损试验，得到了图5及图6所示的结果(磨损痕迹的照片)。该情况下的本发明的硬质被膜20与图2的试料No6所示的相同，第I层22为Cr0.80B0.15(SiC)0.05N、第II层24为Al0.65Cr0.35N、第III层26为Ti0.6Al0.4N，总膜厚T总为3.1μm，第I层22的膜厚T1＝1.4μm(45％)，第II层24的膜厚T2＝1.4μm(45％)，第III层26的膜厚T3＝0.3μm(10％)。
(试验条件)
·对象材料：S45C(JIS规定的碳素钢)及SUS304(JIS规定的不锈钢)
·负荷：0.5N
·线速度：25mm/s
·时间：300秒
·室温：22℃
·湿度：39％
图5是对象材料为S45C的情况，图6是对象材料为SUS304的情况，所有用白色的虚线围住的区域为磨损痕迹，可知本发明制品的磨损痕迹小于现有制品，能够得到优良的耐磨损性。尤其是，在对象材料为S45C的图5中，在(b)的现有制品中观察到对象材料的熔敷及被膜的剥离，而在(a)的本发明制品中，几乎看不见这样的熔敷及剥离，得到优良的耐熔敷性、附着强度。
以上，基于附图，详细说明了本发明的实施例，但这些只是一个实施方式，本发明能够基于本领域技术人员的知识在施加各种变更、改良的方式下实施。
产业上的利用可能性
本发明的硬质被膜通过由AlCrN或AlCrDN构成的第II层得到优良的耐磨损性，同时通过(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)构成的最上层的第I层得到优良的耐熔敷性，另一方面，在工具母材和上述第II层之间夹装有由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成的第III层，因此得到高的附着强度。由此，作为能够长时间稳定地得到优良的耐磨损性、耐熔敷性，即使是对于不锈钢的切削加工或对于易于熔敷的被切削材料的切削加工等，也能够抑制剥离或卷刃磨损，得到良好的加工面，并且稳定地得到规定的加工性能等切削加工用的加工工具等的硬质被膜而优选采用。

Claims (4)

1.一种硬质被膜，其设于规定部件的表面上，耐磨损性及耐熔敷性优良，其特征在于，
为由与所述部件的表面相接设置的第III层、设于该第III层上的第II层、和设于该第II层上构成表面的第I层组成的三层结构，
所述第I层由(Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d)〔其中，a、b、c、d分别按原子比计在0≤a≤0.2、0.01≤b≤0.2、0≤c≤0.5、0≤d≤0.3的范围内〕构成，
所述第II层由AlCrN或AlCrDN〔其中，D为元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、Si、以及Y中的任一种元素、或SiC〕构成，
所述第III层由包含Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物、或碳化物构成。
2.权利要求1所述的硬质被膜，其特征在于，
在所述第I层和所述第II层的边界部分设置两者的混合层，
在所述第II层和所述第III层的边界部分设置两者的混合层。
3.权利要求1或2所述的硬质被膜，其特征在于，
所述第I层、所述第II层、以及所述第III层的总膜厚T总在0.05～15μm的范围内，
所述第I层的膜厚T1在总膜厚T总的1～50％的范围内，
所述第III层的膜厚T3在总膜厚T总的1～25％的范围内，
所述第II层的膜厚T2为(T总-T1-T3)。
4.硬质被膜被覆工具，其特征在于，用权利要求1～3中任一项所述的硬质被膜被覆工具母材的表面。
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