耐异常损伤性和耐磨损性优异的表面包覆切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种表面包覆切削工具（以下，称为包覆工具），该表面包覆切削工具 由于硬质包覆层具备优异的耐异常损伤性和耐磨损性，从而即使在用于淬火钢等高硬度钢 的高速切削加工时也难以产生崩刀、缺损，长期示出优异的切削性能。
【背景技术】
[0002] -般而言，包覆工具有：在各种钢或铸铁等工件的旋削加工或平削加工中装卸自 如地安装于车刀的前端部而使用的刀片；用于工件的开孔切削加工等中的钻头或微型钻； 以及用于工件的面削加工、沟槽加工或台阶加工等中的整体式立铣刀等，并且，已知有装卸 自如地安装刀片并与整体式立铣刀同样地进行切削加工的刀片式立铣刀等。
[0003] 本发明涉及一种以立方晶氮化硼（以下，用cBN表示）为主成分且将其在超高压、 高温下烧结成型而形成的cBN烧结体切削工具，特别涉及一种即使在由合金钢、轴承钢等 的淬火钢构成的高硬度钢的高速连续切削加工、高速断续切削加工中也能够抑制崩刀和缺 损的产生，并且在长期使用中可维持优异的切削性能的cBN烧结体切削工具。
[0004] 以往，作为高硬度钢的切削工具，已知有以CBN烧结体为工具基体的cBN烧结体切 削工具等，以提高工具寿命为目的而提出了各种方案。
[0005] 例如，在专利文献1中提出了一种包覆工具，该包覆工具在硬质合金、金属陶瓷、 cBN烧结体等的工具基体上形成有被膜的包覆工具中，在被膜的厚度方向形成压缩应力的 强度分布，该强度分布在上述被膜的表面形成最小的压缩应力的同时使压缩应力从上述被 膜的表面至位于上述被膜的表面与上述被膜的底面之间的中间点连续地增加，在中间点形 成极大点，使压缩应力从中间点至上述被膜的底面为规定的值，从而兼顾切削工具的韧性 与耐磨损性，尤其提高耐崩刀性。
[0006] 另外，在专利文献2中提出了一种包覆工具，该包覆工具在由cBN烧结体构成的工 具基体表面蒸镀形成有硬质包覆层，工具基体与硬质包覆层的界面的工具基体和硬质包覆 层的残余应力值分别为-2GPa以下的残余应力，且两者的残余应力之差为0· 5GPa以下，优 选地，控制硬质包覆层的残余应力差以使硬质包覆层中的残余应力的值形成趋向硬质包覆 层的表面绝对值逐渐减小的残余应力分布，从而即使长时间进行断续切削时也发挥优异的 耐崩刀性。
[0007] 专利文献1 :日本专利公开2006-35345号公报
[0008] 专利文献2 :日本专利公开2011-83865号公报
[0009] 上述专利文献1中记载的现有包覆工具虽然在碳钢的连续切削、断续切削中发挥 优异的耐缺损性和耐磨损性，但还说不上在用于高硬度钢的高速切削加工时耐缺损性和耐 磨损性均为充分。
[0010] 另外，在上述专利文献2中记载的现有包覆工具中，虽然在轴承钢、铬钢的高速断 续切削加工中示出优异的耐缺损性，但关于耐磨损性仍说不上充分。
[0011] 总之，现有的包覆工具无法在高硬度钢的高速连续切削加工、高速断续切削加工 中降低崩刀、缺损等异常损伤的产生的同时确保优异的耐磨损性，因此存在工具寿命短的 问题。
【发明内容】
[0012] 本发明人们为了解决前述课题，着眼于在由CBN烧结体构成的工具基体上包覆的 硬质包覆层的残余应力，进行深入研宄，结果得到了如下见解。
[0013] 首先，本发明人们由cBN粒子和结合相构成cBN烧结体，该结合相含有选自Ti的 氮化物、碳化物、碳氮化物和硼化物及Al的氮化物和氧化物中的至少一种以上的粒子和不 可避免杂质，将其作为由cBN烧结体构成的工具基体（以下，称为"cBN基体")，在之上蒸镀 形成由下部层和上部层的两层结构构成的硬质包覆层而制作了表面包覆切削工具。
[0014] 而且，硬质包覆层的下部层为TiAlN层，并且，上部层为TiAlSiN层。
[0015] TiAlN层能够通过作为其构成成分的Ti成分来确保优异的强度和韧性，Al具有 提尚尚温硬度和耐热性、在共存含有Al和Ti的状态下进一步提尚尚温抗氧化性的作用，并 且，TiAlSiN层通过在TiAlN层进一步含有Si成分，从而更加提高耐热性。
[0016] 本发明人们发现在通过作为一种物理蒸镀装置的电弧离子镀装置（称为"AIP装 置"）来蒸镀形成由上述TiAlN层构成的下部层、由TiAlSiN层构成的上部层时，通过控制 作为其蒸镀条件的气氛气体的压力和对工具基体施加的直流偏置电压，从而能够对硬质包 覆层赋予所期望的残余应力。
[0017] 而且，发现通过对硬质包覆层的下部层和上部层赋予规定的残余应力，从而能够 抑制在下部层与CBN基体的界面产生的界面裂纹的扩展的同时，在切削加工时，能够抑制 在上部层的表面产生的裂纹扩展到上部层的内部，因此即使在用于高硬度钢的高速切削加 工时也能够防止崩刀、缺损等异常损伤的产生。
[0018] 此外，本发明人们发现通过控制硬质包覆层整体的残余应力与硬质包覆层的下部 层的残余应力之差，从而能够防止下部层与上部层之间产生破坏，因此能够更加提高耐异 常损伤性。
[0019] 本发明基于上述见解而完成的，并具有以下特征。
[0020] (1) 一种表面包覆切削工具，其特征在于，在切削中所使用的刀尖至少在由立方晶 氮化硼烧结体构成的工具基体上蒸镀形成有硬质包覆层，
[0021] 所述立方晶氮化硼烧结体由立方晶氮化硼粒子和结合相构成，该结合相含有选自 Ti的氮化物、碳化物、碳氮化物和硼化物及Al的氮化物和氧化物中的至少一种以上的粒子 和不可避免杂质，
[0022] 所述硬质包覆层至少由工具基体正上方的下部层A和在其上形成的上部层B构 成，并且平均总层厚为1. 5~4. 0 μ m，
[0023] 所述下部层A由满足组成式！TihAlaN(其中，a以原子比计为0. 3彡a彡0. 7)的 成分体系构成，
[0024] 所述上部层B由满足组成式：Tih_yAlxSi yN(其中，X、y以原子比计为 0· 3彡X彡0· 7、0· 01彡y彡0· 1)的成分体系构成，
[0025] 将所述表面包覆切削工具的后刀面的下部层A的残余应力设为。A(GPa)且将所 述硬质包覆层整体的总残余应力设为〇 T(GPa)时，满足以下所有条件：
[0026] σ Α< σ τ、
[0027] -7· 0 彡 σ -L 〇、
[0028] -4· 0 彡 σ -〇· 5、
[0029] σΑ-στ| <4. 0〇
[0030] (2)所述（1)的表面包覆切削工具，其特征在于，将下部层A的平均层厚设为扒且 将上部层B的平均层厚设为tB时，
[0031] 4 ^ tB/tA^ 9,
[0032] 下部层A的晶粒的平均粒径为0. 1 μπι以下。
[0033] 下面，对本发明进行详细说明。
[0034] 烧结体中的cBN粒子的平均粒径：
[0035] 在cBN烧结体中，通过分散有微细且硬质的cBN粒子，从而能够在工具使用中抑制 以工具基体表面的cBN粒子脱落而产生的刀尖的凹凸形状为起点的崩刀的产生。其理由在 于，即使工具基体表面的cBN粒子脱落，由于其粒子为规定的粒径以下的微细粒子，因此也 不会成为引发崩刀这样的大的凹凸形状。
[0036] 另外，烧结体中的微细cBN粒子由于承担着分散、缓解和消除在工具使用中因对 刀尖施加的应力而产生的从cBN粒子与结合相的界面扩展的裂纹或cBN粒子破裂而扩展的 裂纹的传播的作用，因此有助于提高包覆工具的耐缺损性。
[0037] 但是，若cBN粒子的平均粒径低于0. 5 μ m，则过于微细而无法充分发挥作为硬质 粒子的cBN粒子的功能。另一方面，若超过4.0 μπι，则由于与本发明中的硬质包覆层的层 厚相比成为颇大的粒子，因此通过露出于工具基体表面的cBN粒子来形成凹凸形状过于变 大，成为崩刀、缺损产生的原因。
[0038] 因此，cBN粒子的平均粒径优选为0. 5~4. 0 μ m。
[0039] 在此，关于cBN粒子的平均粒径，针对利用扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscopy)观察所制作的cBN烧结体的剖面组织而得到的二次电子图像内的 cBN粒子的部分，利用图像处理来提取，通过图像分析来求出各cBN粒子的最大长度，将其 作为各cBN粒子的直径，求出一个图像中的cBN粒子的直径的平均值，将针对至少三个图像 求出的平均值加以平均作为上述所说的cBN的平均粒径[μm]。图像处理中所使用的观察 区域能够通过进行预观察而确定，但鉴于cBN粒子的平均粒径为0. 5~4. 0 μ m，优选设为 15 μ mX 15 μ m左右的视场区域。
[0040] cBN烧结体中的cBN粒子的体积比例：
[0041] 如果cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例低于40体积％，则由于在烧结体中 硬质物质少，cBN烧结体的硬度降低，因此耐磨损性降低。另一方面，若超过70体积％时， 则结合相不足，因此在烧结体中生成作为裂纹的起点的空隙，耐缺损性降低。因此，为了更 加发挥本发明达到的效果，cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例优选设为40~70体 积％的范围。
[0042] 在此，关于cBN烧结体中所占的cBN粒子的含有比例（体积％ )的测定方法，针 对利用SEM观察cBN烧结体的剖面组织而得到的二次电子图像内的cBN粒子的部分，利用 图像处理来提取，通过图像分析来计算cBN粒子相对于观察区域中的cBN烧结体的整体的 面积所占的面积，将处理至少三个图像而求出的值的平均值设为cBN粒子的含有比例（体 积％ )。图像处理中所使用的观察区域鉴于cBN粒子的平均粒径为0. 5~4. O μ m，优选设 为15 μ mX 15 μ m左右的视场区域。
[0043] 构成结合相的成分粒子：
[0044] 本发明中的cBN烧结体中的主要的硬质成分为所述平均粒径、体积比例的cBN粒 子，但作为结合相形成成分粒子，能够使用已众所周知的选自Ti的氮化物、碳化物、碳氮化 物、硼化物及Al的氮化物、氧化物中的至少一种以上的粒子。
[0045] 硬质包覆层的平均总层厚：
[0046] 如图1所示，本发明的硬质包覆层具有至少由工具基体正上方的下部层A和在其 上形成的上部层B构成的叠层结构，该下部层A由Tip aAlaN的成分体系构成，该上部层B由 TinyAlxSiyN的成分体系构成。
[0047] 该硬质包覆层由于通过在下部层A、即TiAlN层中包含的Ti成分来确保优异的强 度和韧性，Al具有提高高温硬度和耐热性的同时在共存含有Al和Ti的状态下进一步提高 高温抗氧化性的作用，并且具有盐岩型晶体结构，因此通过高硬度且在工具基体上形成，由 此能够提高耐磨损性。
[0048] 另外，上部层B、即TiAlSiN层通过在所述TiAlN层含有Si成分，从而更加提高耐 热性，氧化开始温度高且高温抗氧化性高，因此特别在切削时成为高温这样的高速切削时 的耐磨损性得到提高。
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