表面包覆切削工具的制作方法

表面包覆切削工具的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种在硬质难切削材料的高速断续切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐磨性的表面包覆切削工具。本发明的表面包覆切削工具中，在工具基体的表面，作为硬质包覆层的表面层形成有氧化铝主体层，其中氧化铝主体层中分散含有5～50面积%的由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒及粗粒的组合构成的氧化物晶体，氧化物晶体截面进行圆形换算的平均粒径在0.03～0.5μm的范围内，且氧化物晶体由平均粒径为0.03～0.1μm的微粒群和0.2～0.5μm的粗粒群构成，纵剖面观察上述氧化铝主体层时，层中所含有的规定观察范围内的所有氧化物晶体所占的面积为1时，微粒群所占的面积为0.25～0.75。
【专利说明】表面包覆切削工具【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”)，由于该表面包覆切削工具的硬质包覆层具备优异的耐磨性，因此即使在不锈钢、铸铁等难切削材料的高速断续切削加工中使用时，也能在长期使用中发挥优异的切削性能。
【背景技术】
[0002]以往，已知通过在工具基体表面包覆形成由选自元素周期表的4a、5a、6a族中的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等构成的硬质皮膜来谋求切削工具的耐磨性提闻。
[0003]在硬质皮膜中，α型氧化铝层的热稳定性优异、反应性低，且具有高硬度。因此，已知有作为由选自元素周期表的4a、5a、6a族中的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等构成的硬质皮膜的最表面层，包覆形成有α型氧化铝层的包覆工具。但是，随着切削条件变得苛刻，需求一种具备能够承受更为苛刻的切削条件的切削性能的包覆工具。因此，对于构成硬质皮膜的最表面层的α型氧化铝层也进行了各种各样的改良、建议。
[0004]例如，如专利文献I所示，提出当通过等离子体CVD法在切削工具的基体表面形成硬质包覆层时，通过将硬质包覆层构成为由氧化铝与TiC、TiN、AlN、ZrN、Si3N4、Ti0、Zr02等的混合相构成的氧化铝主体层而改善包覆工具的韧性及耐磨性。
[0005]如专利文献I所示，作为氧化铝层的包覆形成方法通常采用化学蒸镀(CVD)法，但此外，众所周知还可以通过物理蒸镀(PVD)法、溶胶-凝胶法形成氧化铝层。
[0006]例如，如专利文献2所示，提出有在制造具有力学特性、耐久性的氧化铝包覆结构体时，在母材上以溶胶-凝胶法包覆由结晶结构为非晶结构、或Y型氧化铝、或它们的混合物构成的第I氧化铝层后，通过溅射法包覆形成以Y型为主体的第2氧化铝层。
[0007]专利文献1:日本特开昭59-25972号公报(A)
[0008]专利文献2:日本特开2006-205558号公报(A)
[0009]在通过CVD法包覆形成氧化铝层作为硬质包覆层的包覆工具中，在不锈钢、铸铁等的切削加工时，能够得到在包覆工具的前刀面的耐磨性提高，这是由于特别是所形成的α型氧化铝的热稳定性、非反应性较高而引起的。
[0010]上述专利文献I中提出的包覆工具在通常条件下的切削加工中发挥一定程度的韧性、耐磨性。但是，使用于例如不锈钢、铸铁等难切削材料的高速断续切削加工，即伴有高热发生、易熔敷、断续性/冲击性负荷作用于切削刃的切削加工时，容易产生崩刀、缺损。于是，存在在长期使用中无法发挥充分的耐磨性的问题。
[0011]另外，将 上述专利文献2中提出的氧化铝包覆结构体作为包覆工具时，由于形成的氧化铝为Y氧化铝，因此缺乏高温中的稳定性。另外，尤其在易熔敷的不锈钢、铸铁等难切削材料的高速切削加工中，存在缺乏该氧化铝包覆结构体的润滑性，无法发挥能够满足刀尖显著地成为高温的切削性能的问题。
【发明内容】

[0012]为此，本发明人对通过溶胶-凝胶法在工具基体表面形成耐磨性优异的氧化铝层进行了深入研究的结果，发现通过形成如下氧化铝主体层，能够得到即使提供于伴有高热发生且断续性/冲击性负荷作用于切削刃的不锈钢、铸铁等的高速断续切削加工时，也不发生崩刀、缺损等而发挥优异的耐磨性的包覆工具。上述氧化铝主体层在以溶胶-凝胶法形成的氧化铝层中，分散含有由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒及粗粒的组合构成的氧化物晶体，并且规定了这些晶体的平均面积比例、平均粒径、氧化物微粒晶体在上述分散含有的氧化物晶体整体中所占的比例。
[0013]本发明的包覆工具中，硬质包覆层的表面层由氧化铝主体层构成，并且该氧化铝主体层分散含有由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒及粗粒的组合构成的氧化物晶体，另外，纵剖面观察时，通过规定这些晶体在该氧化铝主体层中所占的平均面积比例、平均粒径、氧化物微粒晶体在上述分散含有的氧化物晶体整体中所占的比例，由此发现了具备这种硬质包覆层的包覆工具，即使使用于不锈钢、铸铁等的伴有高热发生且断续性/冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工时，也不发生崩刀、缺损等，在长期使用中发挥优异的耐磨性。
[0014]本发明是根据上述见解而完成的，其具有如下方式。
[0015](I) 一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面包覆形成硬质包覆层而成，其中，
[0016](a)作为上述硬质包覆层的表面层，具备具有0.2?5.Ομπι的平均层厚的氧化铝主体层，
[0017](b)上述氧化铝主体层中，分散含有以层中所占的面积比例计为5?50面积％的选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体，
[0018](C)将上述氧化物晶体的各个截面的面积换算为圆形面积时的直径作为粒径、并将该粒径的平均值作为平均粒径时,上述氧化物晶体的平均粒径在0.03?0.5 μ m的范围内，
[0019](d)上述氧化铝主体层中所含有的氧化物晶体由平均粒径为0.03 μ m?0.1 μ m的微粒群及0.2?0.5μπι的粗粒群构成，纵剖面观察上述氧化铝主体层时，层中所含有的规定观察范围内的所有氧化物晶体所占的面积为I时，微粒群所占的面积为0.25?0.75。
[0020](2)根据(I)所述的表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面包覆形成硬质包覆层而成，其中，
[0021]所述表面包覆切削工具形成有从上述工具基体的表面在深度方向具有0.5?3.0ym的平均层厚的基体表面硬化层，作为该基体表面硬化层所含的结合相金属的Co的平均含量小于2.0质量％。
[0022](3)根据(I)所述的表面包覆切削工具，其在由碳氮化钨基金属陶瓷构成的工具基体的表面包覆形成硬质包覆层而成，其中，
[0023]所述表面包覆切削工具形成有从上述工具基体的表面在深度方向具有0.5?3.0ym的平均层厚的基体表面硬化层，作为该基体表面硬化层所含的结合相金属的Co及Ni的共计平均含量小于2.0质量％。
[0024](4)根据(I)所述的表面包覆切削工具，其中，所述表面包覆切削工具包含形成于上述工具基体表面与上述氧化铝主体层之间的基底层，上述基底层含有选自元素周期表的4a、5a、6a族、Al及Si中的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氧化物。
[0025](5 )根据(4 )所述的表面包覆切削工具，其中，上述基底层为Ti化合物层。
[0026](6)根据(5)所述的表面包覆切削工具，其中，上述Ti化合物层包含选自通过化学蒸镀形成的TiN层、TiCN层、TiCO层、TiCNO层中的任意一层。
[0027](7 )根据(4 )或(5 )所述的表面包覆切削工具，其中，上述基底层包含通过物理蒸镀形成的Ti与Al的复合氮化物层、或Cr与Al的复合氮化物。
[0028](8)根据(7)所述的表面包覆切削工具，其中，上述基底层包含Al，并形成有在上述基底层的金属成分中Al所占的含有比例为40原子％以上且70原子％以下的氮化物层。
[0029]以下，对本发明进行详细的说明。
[0030]本发明的包覆工具，作为硬质包覆层的表面层，例如具备通过溶胶-凝胶法成膜的厚度为0.2?5.0 μ m的氧化铝主体层，但如果氧化铝主体层的层厚小于0.2 μ m，则在长期使用中无法发挥充分的耐磨性，另一方面，如果层厚大于5.0 μ m，因容易发生崩刀，所以氧化铝主体层的层厚设定为0.2?5.0 μ m。
[0031]另外，本发明的包覆工具，能够在碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面直接形成分散含有上述晶体的氧化铝主体层是不言而喻的，但也能够在工具基体表面与该氧化铝主体层之间通过物理蒸镀法(PVD法)、化学蒸镀法(CVD法)、或溶胶-凝胶法形成含有选自元素周期表的4a、5a、6a族、Al、Si中的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物的基底层后，在该基底层硬质皮膜的表面包覆形成上述氧化铝主体层。
[0032]作为基底层的具体例，例如可以举出通过化学蒸镀形成的TiN层、TiCN层、TiCO层、TiCNO层等Ti化合物层，另外，还可以举出通过物理蒸镀形成的Ti与Al的复合氮化物层、Cr与Al的复合氮化物层等。
[0033]另外，例如通过物理蒸镀(PVD)法形成上述基底层时，从提高与氧化铝主体层的密合性的观点来看，优选该基底层中含有Al，且形成该基底层的金属成分中Al所占的含有比例为40原子％以上的氮化物层(例如，TiAlN层、AlCrN层等)。
[0034]这是因为，如果为基底层中的金属成分中Al所占的含有比例为40原子％以上的氮化物层，则在氮化物层与氧化铝主体层的界面形成铝浓度较高的氧化物，以使该氧化物具有坚固地粘附氮化物皮膜和氧化铝主体层的作用。
[0035]该基底层的金属成分中Al所占的含有比例的优选上限值为70原子％。
[0036]构成本发明的包覆工具的表面层的氧化铝主体层例如通过以后述的溶胶-凝胶法成膜，由此其主体由氧化铝构成，该层中分散含有以层中所占的面积比例计为5?50面积％的由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒以及粗粒的组合构成的氧化物晶体。
[0037]以视场区域IXlym的范围，用透射电子显微镜(TEM)观察氧化铝主体层时，上述氧化物晶体被观察为该氧化物晶体的平均粒径0.03?0.5 μ m的分散组织。对氧化铝主体层中该氧化物晶体所占的平均面积比例进行例如五个视场的视场区域5X7 μ m的纵截面TEM观察，并进一步求出各视场中的值的平均值，则可知其占了 5?50面积％。
[0038]另外，本发明中所说的上述晶体的平均粒径如以下说明被定义。在视场区域IXlym的范围对该氧化铝主体层进行五个视场的剖面TEM观察。并且，测定存在于观察视场内的各氧化物晶体的截面的面积。接着，求出将如此得到的氧化物晶体的截面的面积换算为圆形面积时的该圆形的直径。接着，将得到的直径作为各自的晶体的粒径。最后，对于存在于观察视场内的所有氧化物晶体，得到对该粒径进行平均的值。在本发明中将如此得到的粒径的平均值称为平均粒径。
[0039]上述氧化物晶体由于Si或Cr与氧的结合强度较强，因此作为氧化物为非常稳定的物质，并且由于与铁的亲和性较低，因此摩擦阻力较小，通过包含于氧化铝主体层中并设为晶体分散组织来提高氧化铝主体层的抗氧化性和润滑性，并能够进一步增加原本就具有较高耐磨性的氧化铝主体层的耐磨性。
[0040]另外，为了提高润滑性，切削时在工具与工件的接触面、即硬质包覆层的磨损面出现的各个氧化物晶体的露出面积较大的切削工具，氧化物晶体和工件滑动时的每一次的滑动距离变长。其结果，刀尖的温度更加不易上升，能够得到较高的发热抑制效果。综合上述，优选在本申请发明的表面包覆切削工具中含有平均粒径较大的氧化物晶体。另外，可以认为高速切削时刀尖的温度变得更高，从而大气中的氧及上述氧化铝主体层中的氧扩散到基底层和基体中，由此硬质包覆层和基体被氧化，工具变得易磨损。但是如果使上述氧化铝主体层中含有氧化物晶体，则由于高温中的化学稳定性优异且具有与氧化铝不同的结晶结构及晶格常数的部分分散在各处，因此膜中氧变得难以扩散，其结果，抑制了硬质包覆层和基体的氧化。另外，为了充分地发挥该效果，优选使平均粒径较小的氧化物晶体分散于上述氧化铝主体层中，均匀分散在层中。因此，通过分散平均粒径较大的晶体和较小的晶体两者能够兼容润滑性及抗氧化性。
[0041]另外，若氧化铝主体层中上述晶体所占的平均面积比例超过50面积％，则固定晶体的分散组织的氧化铝的比例变小，因此在氧化铝主体层会出现脆化倾向。
[0042]另一方面，平均面积比例小于5面积％时，有助于提高润滑性、抗氧化性的晶体变少，因此氧化铝主体层的耐磨性下降。
[0043]因此，本发明中氧化铝主体层中上述晶体所占的平均面积比例设定为5?50面积％。
[0044]对于由上述氧化物晶体构成的各晶体，将具有与该晶体的面积相同面积的圆形的直径作为该晶体的粒径求出，另外，将求得的粒径的平均值作为平均粒径时，若上述晶体的平均粒径小于0.03 μ m则氧化铝主体层中的抗氧化性提高效果变小，另一方面，若平均粒径大于0.5 μ m则变为粗大晶体的分散组织，因此造成易成为龟裂的起点且降低耐崩刀性。
[0045]因此，上述晶体的平均粒径设为0.03?0.5 μ m。
[0046]另外，氧化物晶体由微粒群及粗粒群构成，但为了使氧难以在膜中扩散，优选使其在能够包含于层中的限度内的范围均匀地分散。若微粒群的平均粒径大于0.1 μ m则无法在层中均匀分散，若粗粒群的平均粒径小于0.2 μ m则切削时氧化物晶体与工件滑动时的每一次的滑动距离变短。因此，发热抑制效果下降，由基底层及基体的氧化引起的磨损的进行、熔敷等的发生，工具寿命缩短。由上述原因，设定为上述氧化铝主体层中所含有的氧化物晶体由平均粒径为0.03 μ m?0.1 μ m的微粒群及0.2?0.5 μ m的粗粒群构成。
[0047]另外，所有氧化物晶体的占有面积为I时，若微粒群的占有面积小于0.25,则由于微粒相对减少，因此基于微粒的抗氧化性的提高效果不足，若超过0.75则由于粗粒相对减少，因此无法发挥基于粗粒的润滑性的提高效果。
[0048]因此，所有的氧化物晶体的占有面积为I时，微粒群的占有面积设定为0.25?0.75。
[0049]另外，上述氧化铝主体层通过在工具基体上直接成膜而能够发挥其性能，但以包含碳氮化钛的硬质合金为基体时，通过氮气气氛中的烧成，使工具基体表面附近含有较多的T1、Ta、Nb、Zr中的至少一种耐磨性较高的碳氮化物，形成基体表面硬化层，并且提高氧化铝主体层与工具基体的密合强度，能够延长工具寿命。另外，该基体表面硬化层形成后的硬质合金基体的硬度以维氏硬度(Hv)计优选为2200以上且2800以下。此时，通过含有较多的碳氮化物而基体表面附近的Co相对减少，例如，进行使用了扫描式电子显微镜(SEM)从表面向深度方向的0.5?3.0 μ m的剖面观察，在分析视场区域I X I μ m的范围通过以波长分散型X射线光谱法进行的定量分析检测作为结合相金属的Co的含量时，若Co的含量小于2.0质量％，则充分地形成成为基体的表面硬化的主要原因的碳氮化物，进一步提高耐磨性。
[0050]作为结合相金属的Co的含量的优选下限值为0.3质量％。
[0051]若基体表面硬化层的平均层厚为0.5 μ m以下则无法充分发挥耐磨性而比较快速地磨耗，若为3.Ομπι以上则容易产生崩刀。
[0052]另外，将碳氮化钛基金属陶瓷作为基体时，将烧结工序中升温及保持最高温度时的气氛作为规定的氮气氛，通过在保持的中途或降温时减压，与在一定压力的氮气气氛中实施整个烧结工序时相比更能够硬化表面。这是由于在一定氮气压力下实施以最高温度保持为止的工序则在基体内部均匀地分散形成硬度较高的碳氮化物，但若直至升温或保持的中途为止在比较高的氮气压力下进行处理，从保持的中途或降温时以进一步减压的氮气气氛进行处理则仅基体的最表面被脱氮，由此向Ni及Co金属结合相的Ti及Nb等的溶解及从内部向基体表面的扩散变得活跃，在表面促进Ti及Nb等的碳氮化物的形成，形成基体表面硬化层。另外，该基体表面硬化层形成后的金属陶瓷基体的硬度以维氏硬度(Hv)计优选为2000以上且2600以下。另外，此时与上述硬质合金基体相同，基体表面附近的Ni及Co相对减少，例如进行使用了扫描式电子显微镜(SEM)从表面向深度方向的0.5?3.0ym的剖面观察，在分析视场区域IXlym的范围以波长分散型X线光谱法进行定量分析时，若作为结合相金属的Ni及Co的合计含量小于2.0质量％，则充分地形成成为基体的表面硬化的主要原因的碳氮化物，耐磨性进一步提高。
[0053]作为结合相金属的Ni及Co的合计含量优选的下限值为0.5质量％。
[0054]构成本发明的包覆工具的表面层的氧化铝主体层例如能够通过由以下所示的溶胶-凝胶法形成。
[0055]氧化物晶体的准备:
[0056]本发明中，通过溶胶-凝胶法形成氧化铝主体层时，作为添加到氧化铝溶胶的氧化物晶体，使用选自Cr及Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体，但在最终形成的氧化铝主体层中，为了将存在于层中的该晶体的平均面积比例设为规定值，进一步为了将该晶体的平均粒径设为规定值，对添加的晶体进行如下调整。
[0057]将该氧化物晶体搬入到具有滚动流动层的风力装置，将层内压力保持在-400mmAq，加热的同时使其以转子转速100?500rpm滚动流动，以一次空气量55?70L/分钟吹入空气的同时通过由设置于该风力装置上部的交叉网格进行5分钟风力分级能够得到规定尺寸的氧化物晶体。
[0058]氧化铝溶胶的制备:
[0059]首先，将醇(例如，乙醇、1-丁醇)添加到铝的醇盐(例如，仲丁醇铝、异丙醇铝)，接着添加酸(例如，盐酸、硝酸)，添加规定量、规定尺寸的Cr、Si的氧化物晶体后，进一步添加规定浓度的酸(例如，盐酸)后，在10?40°C的温度范围搅拌I?3小时，由此制备氧化铝溶胶。另外，作为含有该晶体的方法，由于优选该晶体均匀地分散且被吸收于在由前驱体溶胶制备时的水解及缩聚反应形成的Al和O的网络中，因此优选在添加盐酸、并在水解及缩聚开始前添加该晶体。另外，由于铝的醇盐粘性较高，不易搅拌，因此优选例如将晶体添加到醇中进行搅拌并使其分散。
[0060]另外，添加的酸的浓度优选为0.01?1.0N，相对于醇的酸的添加量优选为0.1?
2倍(容量)。
[0061]另外，作为酸添加盐酸时，最终形成的氧化铝基体中混入残留有氯，氯与铁等金属反应，形成润滑性较高的氯化物，从其结果，有助于提高氧化铝主体层的润滑性、耐熔敷性，因此作为氧化铝主体层中的浓度允许含有1.0?10原子％范围。
[0062]氧化铝溶胶的保持:
[0063]接着，对于上述氧化铝溶胶，以等到溶胶中发生的水解和缩合反应达到平衡状态为目的在20?40°C温度范围保持12小时以上。
[0064]干燥、烧成:
[0065]在上述制备的氧化铝溶胶中浸溃处理工具基体或包覆基底层的工具基体，之后，以0.5mm/sec的速度从氧化铝溶胶中提起该基体，接着以150?300°C干燥处理10分钟，反复进行该浸溃处理及干燥处理直至成为所需的层厚，接着在600?1100°C的温度范围进行烧成处理。
[0066]通过上述干燥处理形成分散含有氧化物晶体的氧化铝的干燥凝胶，通过接着进行的烧成处理而形成在氧化铝相中分散含有规定面积比例及规定平均粒径的氧化物晶体的
氧化铝主体层。
[0067]上述氧化铝主体层的膜厚取决于在氧化铝溶胶中的浸溃次数，若包覆形成的上述氧化铝主体层的膜厚小于0.2 μ m，则在长期使用中作为包覆工具无法发挥优异的耐磨性，另一方面，若膜厚超过5.0 μ m则氧化铝主体层易发生剥离，因此上述氧化铝主体层的膜厚设为0.2?5.0 μ m。
[0068]另外，在氧化铝主体层分散含有的氧化物晶体的平均面积比例受到氧化铝溶胶形成时添加的氧化物晶体的尺寸及添加量的影响。
[0069]另外，将干燥处理的温度范围设为150?300°C是因为，若干燥温度小于150°C则无法进行充分的干燥，若超过300°C则凝胶的体积收缩迅速进行而发生龟裂等，并且易发生皮膜剥离等，若烧成温度小于60(TC则不会形成对断续切削有效且具有充分高温硬度的氧化铝主体层，因此耐崩刀性不充分，另一方面，在超过1100°C的温度中进行烧成时，容易发生由该晶体与氧化铝主体层的热膨胀差导致的龟裂。
[0070]本发明的包覆工具在工具基体表面分散含有5?50面积％的由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒及粗粒的组合构成的氧化物晶体。该晶体的平均粒径为0.03?0.5 μ m,另外，所含有的氧化物晶体包括平均粒径为0.03 μ m?0.1 μ m的微粒群及0.2?0.5 μ m的粗粒群。另外，纵剖面观察上述氧化铝主体层时，层中含有的规定观察范围内的所有氧化物晶体所占的面积为I时，包覆形成有微粒群所占的面积为0.25?0.75的氧化铝主体层。通过具有上述结构，本发明的表面包覆切削工具即使用于伴着高热发生而易熔敷、断续性/冲击性负荷作用于切削刃的不锈钢、铸铁等的高速断续切削加工时，也不会发生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，在长期使用中发挥优异的耐磨性。
【专利附图】

【附图说明】
[0071]图1表示本发明工具的氧化铝主体层的纵剖面示意图。
【具体实施方式】
[0072]接着，通过实施例对本发明进行具体的说明。
[0073][实施例1]
[0074]Ca)作为原料粉末，准备平均粒径0.8 μ m的微粒WC粉末、平均粒径2?3 μ m的中粒WC粉末及均具有I?3 μ m的平均粒径的TiCN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末及Co粉末，将这些原料粉末以表I所示的规定的配合组成进行配合，再加入蜡在丙酮中进行24小时球磨混合，进行减压干燥后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，将此压坯在5Pa的真空中、1400°C的温度下保持I小时的条件下进行真空烧结，烧结后对切削刃部实施R:0.05mm的刃口修磨加工，由此制作具有ISO -CNMG120408规定的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体A、B、C、D、E、F、G、H、I (也称为硬质合金基体A、B、C、D、E、F、G、H、I)。
[0075]其中，对于在1400°C保持I小时后达到1320°C的冷却，对硬质合金基体F是在
3.3kPa的氮气气氛中进行40分钟，对硬质合金基体G是在IkPa的氮气气氛中进行40分钟，对硬质合金基体H是在2kPa的氮气气氛中进行10分钟，对硬质合金基体I是在3.3kPa的氮气气氛中进行120分钟,从而硬化处理基体表面。
[0076](b)接下来对上述工具基体A?I形成基底层。
[0077]另外，形成基底层时，上述工具基体A以及B装入到化学蒸镀装置，并利用表2所示的成膜条件将由具有粒状结晶组织的TiN层、TiCN层、TiCO层、TiCNO层、纵向生长结晶组织的TiCN层(以下以1-TiCN层表示)构成的Ti化合物层以表5、7所示的皮膜构成预先形成基底层。另一方面，上述工具基体C，装入到为物理蒸镀装置的一种的电弧离子镀装置，预先形成由表5、7所示的膜厚的Tia5Ala5N层构成的基底层。
[0078]另外，上述工具基体D同样装入到电弧离子镀装置中，预先形成表5、7所示的膜厚的由Ala7Cra3N层构成的基底层。
[0079]另一方面，对于上述工具基体E、F、G、H、I并未特别进行基底层的形成。
[0080](C)另一方面，如下进行用于以溶胶-凝胶法包覆形成作为硬质包覆层的最表面层的氧化铝主体层的氧化铝溶胶的制备。向表I所示的作为规定量的铝的醇盐的仲丁醇铝添加如同表4所示的规定量的乙醇以及表3所示的规定量的由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒及粗粒的组合构成的氧化物晶体后，在恒温槽中以15?30°C进行搅拌，并且，将添加有规定量水的盐酸以滴下的方式花费I小时添加。[0081](d)如表4所示，将该物质在恒温槽中保持为15?30°C状态继续搅拌I个小时以上，并且，通过保持规定时间直到在20°C下溶胶中的水解、缩聚反应变得稳定为止来制备氧化铝溶胶。
[0082]最终溶液组成以摩尔比计，以(仲丁醇铝):(水):(乙醇):(盐酸)=1: (80?120):20: (0.1?I)的方式进行调整。
[0083](e)接下来，将上述工具基体A?I浸溃到上述氧化铝溶胶中。
[0084]Cf)接着,从氧化招溶胶中以提升速度0.5mm/sec提起上述硬质合金基体A?I,进行表4所示的规定条件的干燥处理，并且，重复进行浸溃、提起、干燥后，在大气中800°C下进行I小时的烧成处理，将本发明氧化铝主体层包覆形成于最表面，由此制造表5、6所示的本发明的包覆工具I?18 (称为本发明工具I?18)。
[0085]关于本发明工具I?18，对氧化铝主体层的纵剖面，在I X I μ m的视场范围以透射电子显微镜(TEM)进行观察时，证实氧化铝相中含有由选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体的微粒及粗粒的组合构成的氧化物晶体。
[0086]图1中作为一例示出本发明工具I的氧化铝主体层的纵剖面示意图。
[0087]关于上述发明工具I?18，在5Χ7μπι的视场范围以透射电子显微镜(TEM)进行五个视场的观察，将其结果假设为平面，按各观察视场求出在该氧化铝主体层中氧化物晶体所占的面积比例，将其平均值作为平均面积比例，并且在IXlym中也对此进行五个视场的观察，将其观察视场范围中的所有该氧化物晶体作为对象，将其面积作为圆形面积而算出时的圆形的直径作为各氧化物晶体的粒径进行计算。将对该值进行平均的平均值作为平均粒径，并且，关于上述氧化物晶体颗粒，分类为平均粒径0.03 μ m?0.1 μ m的微粒群及
0.2?0.5 μ m的粗粒群之后，求出观察视场范围内的氧化物晶体的占有面积为I时的微粒群所占的面积。
[0088]另外，同时用透射电子显微镜，对氧化铝主体层的平均层厚进行截面测定，结果均显示与目标层厚实际上相同的平均值(五处的平均值)。
[0089]表5和表6示出了测定计算出的观察视场范围内的氧化物晶体的平均面积比例(面积％)和平均粒径(μ m)、观察视场范围内的所有氧化物晶体的占有面积为I时的微粒群所占的面积、以及表面硬化层中的结合相金属量(质量％)的值。
[0090][比较例I]
[0091 ] 为进行比较，通过以下的制造方法制造包覆工具。
[0092](g)首先，反应原料中的各成分的溶液成分以摩尔比计，以(仲丁醇铝):(水):(乙醇):(盐酸)=1: (80?120):20: (0.1?I)的方式进行调整，以表4所示的条件制备氧化铝溶胶。并且，此时将与实施例1中使用的物质不同的尺寸、量的上述氧化物晶体预先添加到乙醇中，与实施例1相同地进行搅拌。
[0093](h)接着，将上述氧化铝溶胶涂布到分别形成有由上述化学蒸镀法产生的Ti化合物层以及由物理蒸镀法产生的TiAlN层、AlCrN层的上述硬质合金基体A?D以及未实施特别的表面处理的硬质合金基体E?I的表面。
[0094](i)接着，以表4所示的条件在大气中对上述涂布的氧化铝溶胶进行干燥处理，另夕卜，反复进行涂布和干燥直至成为规定厚度之后，通过在大气中800°C下进行I个小时的烧成处理来制造表7、8所示的比较例的包覆工具I?9 (称为比较例工具I?9)。[0095]对于比较例工具I~9也进行剖面TEM观察，求出氧化物晶体的平均面积比例湎积％)和平均粒径(μ m)、观察视场范围内的所有氧化物晶体的占有面积设为I时的微粒群所占的面积、表面硬化层中的结合相金属量(质量％)的值。
[0096]在表7和表8中不出其结果。
[0097][参考例I]
[0098]为了参考，使用未含有任何上述氧化物晶体的氧化铝溶胶，按照前述工序(g)~(i )，通过对所述工具基体A~I包覆形成规定层厚的氧化铝主体层来制造表7、8所示的参考例的包覆工具I~9 (称为参考例工具I~9)。
[0099]接着，对上述本发明工具I~18、比较例工具I~9以及参考例工具I~9，以如下条件进行SUS304的干式高速断续切削加工试验。
[0100]工件:SUS304的在长度方向上等间隔地有四条纵槽的圆棒，
[0101]切削速度:160m/min,
[0102]切深量:1.2mm，
[0103]进给量:0.22mm/rev.,
[0104]切削时间:5分钟，
[0105]的条件下的干式断续高速切削加工试验(通常的切削速度为120m/min)，对之后的各个工具的磨损状态进行观察，并进行后刀面磨损量的测定。
[0106]表9中示出这些结果。
[0107][表1]
[0108]
【权利要求】
1.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面包覆形成硬质包覆层而成，所述表面包覆切削工具的特征在于， Ca)作为上述硬质包覆层的表面层，具备具有0.2?5.0 μ m的平均层厚的氧化铝主体层， (b)上述氧化铝主体层中，分散含有以层中所占的面积比例计为5?50面积％的选自Cr、Si中的至少一种以上的元素的氧化物晶体，(C)将上述氧化物晶体的各个截面的面积换算为圆形面积时的直径作为粒径、并将该粒径的平均值作为平均粒径时,上述氧化物晶体的平均粒径在0.03?0.5 μ m的范围内，(d)上述氧化铝主体层中所含有的氧化物晶体由平均粒径为0.03 μ m?0.1 μ m的微粒群及0.2?0.5 μ m的粗粒群构成，纵剖面观察上述氧化铝主体层时，层中所含有的规定观察范围内的所有氧化物晶体所占的面积为I时，微粒群所占的面积为0.25?0.75。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面包覆形成硬质包覆层而成，所述表面包覆切削工具的特征在于， 形成有从上述工具基体的表面在深度方向具有0.5?3.0 μ m的平均层厚的基体表面硬化层，作为该基体表面硬化层所含的结合相金属的Co的平均含量小于2.0质量％。
3.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其在由碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面包覆形成硬质包覆层而成，所述表面包覆切削工具的特征在于， 形成有从上述工具基体的表面在深度方向具有0.5?3.0 μ m的平均层厚的基体表面硬化层，作为该基体表面硬化层所含的结合相金属的Co及Ni的合计平均含量小于2.0质量％。
4.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 包含形成于上述工具基体表面与上述氧化铝主体层之间的基底层，上述基底层含有选自元素周期表的4a、5a、6a族、Al及Si中的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物及碳氧化物。
5.根据权利要求4所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 上述基底层为Ti化合物层。
6.根据权利要求5所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 上述Ti化合物层包含选自通过化学蒸镀形成的TiN层、TiCN层、TiCO层、TiCNO层中的任意一层。
7.根据权利要求4或5所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 上述基底层包含通过物理蒸镀形成的Ti与Al的复合氮化物层、或Cr与Al的复合氮化物。
8.根据权利要求7所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 上述基底层包含Al，并形成有上述基底层的金属成分中Al所占的含有比例为40原子％以上且70原子％以下的氮化物层。
【文档编号】C23C18/12GK103962588SQ201410022986
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】柿沼宏彰, 高冈秀充, 长田晃, 胁谷尚树, 铃木久男, 筱崎和夫 申请人:三菱综合材料株式会社, 国立大学法人静冈大学, 国立大学法人东京工业大学