表面包覆切削工具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种硬质包覆层在高速断续重切削加工中发挥优异的耐剥离性及耐 崩刀性的表面包覆切削工具。具体而言，本发明设及一种即使在高速且断续性、冲击性高负 载作用于刀刃的高速断续重切削条件下进行各种钢及铸铁等的切削加工，硬质包覆层发挥 优异的耐剥离性及耐崩刀性，而且长期表现优异的耐磨性的表面包覆切削工具（W下，称 为包覆工具）。
[0002] 本申请基于2013年2月26日于日本申请的专利申请2013-35566号及2014年2 月24日于日本申请的专利申请2014-32483号主张优先权，并将其内容援用于本说明书中。
【背景技术】
[000引 W主，已知有如下包覆工具：一般在由碳化鹤（W下，WWC表示）基硬质合金或碳 氮化铁（W下，WTiCN表示）基金属陶瓷构成的基体（W下，将运些统称为工具基体）表 面，蒸锻形成由W下（a)及化）构成的硬质包覆层而成，
[0004] (a)下部层，是由Ti的碳化物（W下，WTiC表示）层、氮化物（W下，同样WTiN 表示）层、碳氮化物（W下，WTiCN表示）层、碳氧化物（W下，WTiCO表示）层化及碳氮 氧化物（W下，WTiCNO表示）层中的一层或两层W上构成的Ti化合物层；
[0005] 化）上部层，是在化学蒸锻的状态下具有a型晶体结构的氧化侣层（W下，W AI2O3层表不）。
[0006] 但是，上述W往的包覆工具，例如虽然在各种钢及铸铁等的连续切削或断续切削 中发挥优异的耐磨性，但将其用在高速断续切削时，存在包覆层容易发生剥离或崩刀，工具 寿命变短的问题。
[0007] 在此，为了抑制包覆层的剥离及崩刀，提出有一种改善上部层的各种包覆工具。
[0008] 例如，专利文献1中提出有如下包覆工具，并且可知根据该包覆工具，能够改善高 速断续切削加工中的耐崩刀性：一种包覆工具，其在工具基体表面，蒸锻形成由W下（a)及 化）构成的硬质包覆层而成，
[0009] (a)下部层，是由TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层及TiCNO层中的一层或两层W 上构成，且具有3至20ym的整体平均层厚的Ti化合物层；
[0010] 化）上部层，是具有1至15ym的平均层厚，及在化学蒸锻的状态下具有a型晶 体结构，并且，满足组成式：(Ali_xZr、)2〇3(其中，W原子比计，X:0. 003至0. 05)的同时，使 用场发射扫描电子显微镜，对存在于表面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的每个晶粒 照射电子束，测定相对于所述表面研磨面的法线，所述晶粒晶面（0001)面及（10-10)面的 法线所成的倾角，在此情况下，所述晶粒具有由A1、Zr及氧构成的构成原子分别存在于晶 格点上的刚玉型六方最密堆积的晶体结构，其结果根据得到的测定倾角，在相邻晶粒界面 中，算出每个所述构成原子在所述晶粒相互之间共有一个构成原子的晶格点（构成原子共 有晶格点）的分布，将在所述构成原子共有晶格点之间不共有构成原子的晶格点存在N个 (其中，N在刚玉型六方最密堆积的晶体结构上为2W上的偶数，但从分布频率运一点将N 的上限设为28时，不存在4、8、14、24及26)的构成原子共有晶格点形态WXN+l来表现时， 在表示各个SN+1在整个SN+l中所占分布比例的构成原子共有晶格点分布图表中，S3中 存在最高峰值，且表示所述S3在整个XN+1中所占分布比例为60至80%的构成原子共有 晶格点分布图表的改质M-Zr复合氧化物层。
[0011] 另外，例如，专利文献2中提出有如下包覆工具，并且可知根据该包覆工具，能够 改善高速断续切削加工中的耐崩刀性：一种包覆工具，其在工具基体的表面蒸锻形成由下 述（a)至（C)构成的硬质包覆层，
[001引 （a)下部层，是由TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层及TiCNO层中的一层或两层W 上构成，且具有3至20ym的整体平均层厚的Ti化合物层；
[001引 化）中间层，是具有1至5ym的平均层厚，且在化学蒸锻的状态下具有a型晶体 结构的Al203层；
[0014] (C)上部层，是具有2至15ym的平均层厚，且在化学蒸锻的状态下具有a型晶体 结构的含Zr的Al2〇3层，其中，
[0015] 上述化）的中间层，使用场发射扫描电子显微镜，对存在于上述工具基体表面研 磨面的测定范围内的具有六方晶格的每个晶粒照射电子束，测定相对于所述表面研磨面的 法线，所述晶粒晶面（0001)面的法线所成的倾角，对在所述测定倾角中的0至45度范围内 的测定倾角按0. 25度的间距进行分区，并且由合计存在于各分区内的度数而成的倾角度 数分布图表来表现时，该倾角度数分布图表表示，在0至10度范围内的倾角分区中存在最 高峰值，并且存在于所述0至10度范围内的度数合计在倾角度数分布图表中占全部度数的 45%W上的比例，
[0016] 另外，对于上述（C)的上部层，使用场发射扫描电子显微镜，对存在于上述工具基 体的表面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的每个晶粒照射电子束，测定相对于所述表 面研磨面的法线，所述晶粒晶面（0001)面的法线所成的倾角，对在所述测定倾角中的0至 45度范围内的测定倾角按0. 25度的间距进行分区，并且由合计存在于各分区内的度数而 成的倾角度数分布图表来表现时，该倾角度数分布图表表示，在0至10度范围内的倾角分 区中存在最高峰值，并且存在于所述0至10度范围内的度数合计在倾角度数分布图表中占 全部度数的60%W上的比例，
[0017] 另外，对于上述（C)的上部层，该层为如下所述的含Zr的Al2〇3层，即，使用场发射 扫描电子显微镜和电子背散射衍射图像装置，对存在于表面研磨面的测定范围内的每个晶 粒照射电子束，测定由六方晶格构成的晶格面各自的法线与基体表面的法线相交的角度， 并从该测定结果，算出相邻晶格相互的晶体方位关系，并且算出构成晶格界面的每个构成 原子在所述晶格相互之间共有一个构成原子的晶格点（构成原子共有晶格点）的分布，将 在所述构成原子共有晶格点之间不共有构成原子的晶格点存在N个（其中，N在刚玉型六方 最密堆积的晶体结构上为2W上的偶数，但从分布频率运一点将N的上限设为28时，不存 在4、8、14、24及26)的构成原子共有晶格点的形态WXN+1来表示时，在构成上述（C)的 上部层的晶粒内，W面积比率计60%W上的晶粒的内部，被至少一个W上的由WS3表示 的构成原子共有晶格点形态构成的晶格界面所截断，另外，使用场发射扫描电子显微镜对 上述（C)的上部层进行组织观察时，上部层为在垂直于层厚方向的面内具有由呈平板多边 形的晶粒构成的组织结构的含Zr的AI2O3层。
[0018] 专利文献1 :日本专利公开2006-289557号公报
[0019] 专利文献2 :日本专利公开2010-110833号公报
[0020] 近年来切削装置的高性能化非常显著，但在切削加工中强烈要求省力化及节能 化，进一步要求低成本化，随之具有如下倾向，即切削加工进一步高速化，而且在高切深、高 进给等的断续重切削等中刀刃需要承受冲击性、断续性高负载的作用。在通常条件下的钢 及铸铁等的连续切削或断续切削中使用上述W往的包覆工具时不会出现问题，但是，尤其 在高速断续重切削条件下使用时，由构成硬质包覆层的Ti化合物层来构成的下部层与由 Al2〇3层构成的上部层之间的紧贴强度不充分，发生上部层与下部层之间的剥离、崩刀等异 常损伤，由此在较短时间内达到使用寿命，运便是切削装置的现状。
【发明内容】
[0021] 为此，本发明人们，从上述观点出发，对改善由Ti化合物层构成的下部层与由 Al2〇3层构成的上部层的紧贴性，进而，防止剥离、崩刀等异常损伤的发生，并延长工具寿命 进行了深入研究。其结果，得到了W下见解。
[0022] 在包覆形成有由Ti化合物层构成的下部层、由AI2O3层构成的中间层及由含Zr的 Al2〇3层构成的上部层的包覆工具中，通过控制下部层的最表面层正上方的中间层的Al2〇3 晶粒的取向性，能够提高下部层与中间层的紧贴性。另外，通过控制中间层的AI2O3晶粒的 取向性，能够控制成膜于该上方的由含Zr的Al2〇3层构成的上部层的取向性。而且，通过控 审忡间层的AI2O3晶粒的取向性，能够提高上部层的A12〇3晶粒的WX3表示的共有晶格点 较多的晶格界面的比率，从而能够增加构成相邻晶粒的原子在隔开该晶粒的晶粒界面中被 共有的量。由此，能够保持硬质包覆层的高溫硬度和高溫强度。随之，即使在断续性、冲击 性高负载作用于刀刃的高速断续重切削中使用时，也能够抑制下部层-中间层-上部层之 间的剥离、崩刀等的异常损伤的发生。其结果，发现能够获得在长期使用中发挥优异的切削 性能的包覆工具。
[0023] 另外，发现通过将上部层表面的Al2〇3晶粒的表面特性设为平坦六边形组织，由此 发挥更加优异的耐崩刀性。
[0024] 并且，上部层表面中，对包含刀刃棱线部的后刀面及前刀面进行湿法喷砂处理，由 此能够在后刀面及前刀面的研磨面赋予所需的残余应力。由此发现能够进一步改善耐崩刀 性。
[00巧]本发明鉴于上述见解而完成，是一种如下描述的表面包覆切削工具。
[0026] " (1) 一种表面包覆切削工具，其在由碳化鹤基硬质合金或碳氮化铁基金属陶瓷构 成的工具基体的表面，蒸锻形成由W下（a)至（C)构成的硬质包覆层，
[0027] (a)下部层，是由Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化 物层中的一个W上的层构成，且具有3至20ym的合计平均层厚的Ti化合物层；
[002引 化）中间层，是具有0. 5至5ym的平均层厚，且在化学蒸锻的状态下具有a型晶 体结构的AI2O3层；
[0029](C)上部层，是具有2至15ym的平均层厚，且在化学蒸锻的状态下具有a型晶体 结构的含Zr的Al2〇3层，
[0030] 其中，（d)所述下部层的最表面层由具有500nmW上层厚的Ti碳氮化物层构成， 且只在从该Ti碳氮化物层与中间层之间的界面至在该Ti碳氮化物层的层厚方向500nm的 深度区域中含氧，并且，该深度区域中所含有的平均氧含量为该深度区域所含有的Ti、C、N 及0的合计含量的0. 5至3原子％ ;
[0031] (e)对于所述中间层的Al2〇3晶粒，使用场发射扫描电子显微镜，对存在于所述中 间层的截面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的每个晶粒照射电子束，并在0至45度范 围内测定所述工具基体的表面的法线与所述晶粒的晶面（0001)面的法线所成的倾角，并 对所述测定倾角中的0至45度范围内的测定倾角按0. 25度的间距进行分区，并且在合计 存在于各分区内的度数而成的倾角度数分布图表中，0至10度范围内的倾角分区中存在最 高峰值，并且存在于所述0至10度范围内的度数合计在倾角度数分布图表中占全部度数的 50至70 %的比例；
[0032] (f)对于所述中间层和所述上部层的A12化晶粒，使用场发射扫描电子显微镜， 对存在于所述中间层和所述上部层的截面研磨面的测定范围内的具有六方晶格的每个晶 粒照射电子束，并在0至45度范围内测定所述工具基体的表面的法线与所述晶粒的晶面 (0001)的法线所成的倾角，并对所述测定倾角中的0至45度范围内的测定倾角按0. 25度 的间距进行分区，并且在合计存在于各分区内的度数而成的倾角度数分布图表中，0至10 度范围内的倾角分区中存在最高峰值，并且存在于所述0至10度范围内的度数合计在倾角 度数分布图表中占全部度数的75%W上；
[003引 （g)对于所述中间层和所述上部层的Al203晶粒，使用场发射扫描电子显微镜和电 子背散射衍射图像装置，对存在于所述截面研磨面的测定范围内的每个晶粒照射电子束， 测定由六方晶格构成的晶格的各面的法线与所述工具基体的表面的法线相交的角度，从该 测定结果，算出相邻晶格相互的晶体方位关系，并且算出构成晶格界面的每个构成原子在 所述晶格相互之间共有一个构成原子的晶格点（构成原子共有晶格点）的分布，将在所述 构成原子共有晶格点之间不共有构成原子的晶格点存在N个（其中，N在刚玉型六方最密 堆积的晶体结构上为2W上的偶数，但从分布频率运一点将N的上限设为28时，不存在4、 8、14、24及26)的构成原子共有晶格点形态WXN+1来表示时，构成所述中间层和上部层整 体的晶粒内，W面积比率计70 %W上的晶粒内部，被一个W上的由WX