专利名称：硬质包覆层具备优异韧性、耐崩刀性的表面包覆切削工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下称为包覆工具)，在伴随高热产生且高负载作用于刀刃的各种钢或铸铁的高速重切削加工中，硬质包覆层具备优异的韧性和耐崩刀性，从而在长期使用中发挥优异的切削性能。
背景技术：
以往，通常已知有在由碳化钨(以下用WC表示)基硬质合金或碳氮化钛(以下用 TiCN表示)基金属陶瓷构成的基体(以下将这些总称为工具基体)的表面上形成由下述 (a)和(b)构成的硬质包覆层的包覆工具，(a)下部层为均由化学蒸镀形成的Ti的碳化物(以下用TiC表示)层、氮化物(以下同样用TiN表示)层、碳氮化物(以下用TiCN表示)层、碳氧化物(以下用TiCO表示) 层及碳氮氧化物(以下用TiCNO表示)层中的两层以上构成的Ti化合物层，(b)上部层为化学蒸镀形成的氧化铝(以下用Al2O3表示)层，已知该包覆工具用于各种钢或铸铁等的切削加工中。但是，由于上述包覆工具的切削性能尤其会因构成上部层的Al2O3晶粒的组织结构而受到较大影响，因此以往对于上部层的晶粒组织结构提出了几种提案。例如，专利文献1中提出了在构成上部层的Al2O3层的成膜时，在其成膜过程中对炉内导入HCl气体并进行蚀刻，进行新的Al2O3粒子的核生成，通过反复进行此操作，形成 Al2O3晶粒的非柱状晶组织以提高上部层的韧性。另外，专利文献2中提出了在构成上部层的Al2O3层的成膜时，在其成膜过程中暂时停止Al2O3的成膜，对炉内导入TiCl4气体并进行新的Al2O3粒子的核生成，形成由粗粒的 Al2O3与微粒的Al2O3的混合组织构成的上部层。进而，专利文献3中提出了在构成上部层的Al2O3层的成膜时，在其成膜过程中对炉内周期性地导入SiCl4气体并使超微粒层生长，从而以等轴形成由微粒的K -Al2O3组织构成的上部层以改善耐磨损性。专利文献1 日本专利公开平1-83667号公报专利文献2 日本专利公开2002-205205号公报专利文献3 日本专利公开2003-39212号公报现状如下近年来，切削加工中的节省劳力化以及节能化的要求加强，伴随这一点，包覆工具在更为严酷的条件下使用，但例如在所述专利文献1 3所示的包覆工具中， 在伴随高热产生且高负载作用于刀刃的高速重切削加工中使用时，由于上部层的韧性并不充分，导致因切削加工时的高负载造成刀刃容易发生崩刀，其结果是在较短的时间内达到使用寿命。
发明内容
因此，本发明者们从上述观点出发，对即使在伴随高热产生且高负载作用于刀刃的高速重切削加工中使用时，硬质包覆层也具备优异的韧性、耐崩刀性，且在长期使用中也发挥优异的耐磨损性的包覆工具进行了深入研究，结果得到以下见解。S卩，本发明者们发现将包覆工具的硬质包覆层、特别是通过将由Al2O3层构成的上部层的晶粒组织结构构成为柱状组织与微粒组织的混合组织，且构成为该柱状组织与微粒组织在层厚方向上周期性地交替出现的晶粒组织结构，从而使由Al2O3层构成的上部层的高温硬度与耐热性不受任何损失，而能够提高上部层的韧性和耐崩刀性。而且，具有上述晶粒组织结构的Al2O3层例如可通过以下的化学蒸镀法成膜。(a)在工具基体表面蒸镀形成由通常的Ti化合物层构成的目标厚度的下部层，(b)在下部层之上使用AICI3-HCi-H2S-(X)2系反应气体蒸镀形成Al2O3层，(c)在上述(b)的成膜过程中，停止上述反应气体的导入，同时导入SF6系气体进行SF6蚀刻，(d)接着，反复进行上述(b)工序与上述(C)工序，形成目标厚度的Al2O3层。通过上述(a) (d)，在工具基体表面形成目标层厚的下部层与上部层，用透射电子显微镜对上述上部层进行组织观察时，确认形成有由柱状组织与微粒组织的混合组织构成，且该柱状组织与微粒组织在层厚方向上周期性地交替出现的晶粒组织结构。而且发现，作为硬质包覆层的上部层，蒸镀形成具有上述晶粒组织结构的Al2O3层的本发明的包覆工具即使在伴随高热产生且高负载作用于刀刃的钢或铸铁的高速重切削加工中使用时，硬质包覆层也具备优异的韧性、耐崩刀性，且在长期使用中也发挥优异的耐磨损性。本发明是基于上述见解而完成的，具有如下特征(1) 一种表面包覆切削工具，其特征在于，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面化学蒸镀包括下述(a)、(b)的硬质包覆层，(a)下部层为由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层或两层以上构成，且具有1 20 μ m的合计平均层厚的Ti化合物层，(b)上部层为具有平均层厚为1 25 μ m的氧化铝层，构成上述(b)的上部层的氧化铝具有平均粒径沿着层厚方向以0.5 5μπι的周期进行周期变化的晶粒组织结构。(2)根据(1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，将上述(b)的上部层与工具基体表面平行地划分为0. 02 μ m的厚度幅度区域(厚 幅領域)，测定存在于该厚度幅度区域的晶界数量，将每1 μ m的晶界数量的倒数作为平均粒径D，求出沿着层厚方向的各厚度幅度区域的平均粒径D的变化时，平均粒径D为0. 5 1.5μπι的厚度幅度区域与平均粒径D为0. 05 0. 3 μ m的厚度幅度区域沿着上部层的层厚方向至少交替形成有多个区域，从而构成上部层的氧化铝具有平均粒径D沿着层厚方向以0. 5 5 μ m的周期进行周期变化的晶粒组织结构。以下对本发明进行详细说明。下部层的Ti化合物层由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层或两层以上的Ti化合物层构成的下部层可以在通常的化学蒸镀条件下形成，其本身具有高温强度，硬质包覆层因此而具备高温强度，除此之外，还具有均牢固地附着于工具基体和
4由Al2O3构成的上部层，由此具有有助于提高对硬质包覆层的工具基体的附着性的作用，但是如果其合计平均层厚不到Imm就不能充分发挥所述作用，另一方面若其合计平均层厚超过20 μ m，则容易发生崩刀，所以将其合计平均层厚定为1 20 μ m。上部层的Al2O3层早已熟知构成上部层的Al2O3层具备高温硬度与耐热性，但本发明的由Al2O3层构成的上部层、即由具有Al2O3层的平均粒径沿着层厚方向周期变化的晶粒组织结构的Al2O3 层构成的上部层即使在高负载作用于刀刃的高速重切削加工中，也发挥优异的韧性与优异的耐崩刀性。此外，本发明的由Al2O3层构成的上部层在其平均层厚不到1 μ m时，不能确保经长期使用的耐磨损性，另一方面，若其平均层厚超过25 μ m,则Al2O3晶粒易于粗大化，其结果除了高温硬度、高温强度下降，高速重切削加工时的耐崩刀性也下降，因此将其平均层厚定为1 25 μ m。上部层(Al2O3层)的成膜本发明的上部层可以在以通常的化学蒸镀条件下成膜的下部层的表面例如通过以下的化学蒸镀条件成膜。首先，使用通常的化学蒸镀装置，在(a)条件下蒸镀30 60分钟，蒸镀形成预定层厚的Al2O3层，(a)反应气体组成(容量％ ):AlCl3 :2 3%，C02:5 6%，HC1:2 3%，H2S :0. 1 0. 5%，H2 剩余反应气氛温度960 1000°C、反应气氛压力40 60Torr。(b)接着，停止上述反应气体的导入，取而代之导入以0. 1 2容量％的气体组成添加SF6气体的吐气体，通过该SF6气体在以下的条件下进行5 60分钟的SF6蚀刻，即反应气体组成(容量％):SF6 :0.1 2%H2 剩余反应气氛温度800 1200°C、反应气氛压力50 200Torr。(c)接着，停止上述SF6系气体的导入，在装置内导入上述(a)的反应气体，在与上述(a)相同的条件下蒸镀30 60分钟，再次蒸镀形成Al2O3层。以下，反复进行上述(b)与(C)，最终蒸镀形成目标层厚的Al2O3层。上部层(Al2O3层)的晶粒组织结构图1表示在上述的化学蒸镀条件下形成的本发明的上部层(Al2O3层)的晶粒组织结构的简要示意图。如图1所示，在本发明的上部层(Al2O3层)中，柱状组织的Al2O3晶粒在层厚方向上形成多段，且在各段的上下柱状组织Al2O3晶粒的边界具备微粒组织的Al2O3晶粒聚集形成的组织结构。图2表示在上述的化学蒸镀条件下形成的本发明具有晶粒组织结构的上部层 (Al2O3层)中的平均粒径的分布图。该平均粒径的分布图可由以下的方法求出。首先，将上部层分别与工具基体表面平行地划分为0. 02 μ m的厚度幅度区域(图 3中，由与工具基体表面平行引出的多条平行线分割的区间相当于0. 02 μ m的厚度幅度区域。)，用透射电子显微镜(倍率50000倍)以合计10 μ m测定存在于划分的各厚度幅度区域的晶界数量n，将该η换算为每1 μ m的晶界数量Ν( = η/10)，求出其换算值的倒数作为平均粒径D ( = 1/Ν)，通过沿着层厚方向绘制在各厚度幅度区域求出的平均粒径D，从而作成图2所示的层厚方向平均粒径分布图。而且，根据本发明的上部层(Al2O3层)的晶粒组织结构，在该层厚方向平均粒径分布图中，平均粒径D的值为极大值(0. 5 1. 5μπι的范围内)的厚度幅度区域与平均粒径D 的值为极小值(0.05 0.3μπι的范围内)的厚度幅度区域沿着上部层的层厚方向周期地至少交替形成多个区域。例如，在图2中，平均粒径D的值示出极大值Dmax(0.5 1.5μπι的范围内)的厚度幅度区域在层厚方向上形成3处，另外，平均粒径D的值示出极小值Dmin (0. 05 0. 3 μ m 的范围内)的厚度幅度区域在层厚方向上形成3处。而且，从该层厚方向平均粒径分布图可知，在本发明的上部层(Al2O3层)中，沿着层厚方向形成Al2O3晶粒的平均粒径周期变化的晶粒组织结构。本发明将Al2O3的平均粒径的变化周期设为0. 5 5 μ m的理由在于上述周期不到0. 5μπι时，则由于周期过短造成无法充分发挥周期结构具有的优异的韧性与优异的耐崩刀性的特征，另一方面，上述周期为5 μ m以上时，则由于周期过长造成无法充分发挥周期结构具有的上述特征。另外，本发明将平均粒径D的值的极大值Dmax定为0.5 1.5μπι的范围内是由于不到0. 5 μ m时，与极小区域的差过小导致无法充分发挥周期结构具有的特征，另一方面， 1. 5 μ m以上时，变为粗粒导致无法维持高韧性。另外，将平均粒径D的值的极小值Dmin定为0.05 0.3 μ m的范围内的理由在于 不到0. 05 μ m时，在极小区域内的Al2O3的粒子间应变增大，Al2O3层中的粒子的附着性下降导致无法维持Al2O3的高韧性，另一方面，0. 3μπι以上时，变为粗粒导致无法维持高韧性。本发明中作为硬质包覆层的上部层(Al2O3层)，由于具备平均粒径D示出上述的极大值与极小值的厚度幅度区域周期交替出现的晶粒组织结构，因此即使在伴随高热产生且高负载作用于刀刃的高速重切削加工中，也不会损害Al2O3层本来具有的高温硬度与耐热性，从而发挥优异的韧性、耐崩刀性。在本发明的包覆工具，包覆形成由Ti化合物层构成的下部层与由Al2O3层构成的上部层作为硬质包覆层，且上部层的Al2O3层具有平均粒径沿着层厚方向周期变化的晶粒组织结构，从而即使在钢或铸铁等的伴随高热产生且高负载作用于刀刃的高速重切削加工中使用时，韧性、耐崩刀性也优异，其结果是在长期使用中发挥优异的耐磨损性，实现包覆工具的长寿命化。
图1表示本发明的上部层(Al2O3层)的晶粒组织结构的简要示意图。图2表示本发明具有晶粒组织结构的上部层(Al2O3层)的层厚方向的平均粒径分布图。图3表示用与工具基体表面平行引出的多条(假想)平行线将本发明的上部层 (Al2O3层)分割为0. 02 μ m的厚度幅度区域的划分状态的示意图。
具体实施例方式接着，通过实施例具体说明本发明的包覆工具。[实施例]作为原料粉末，准备均具有1 3 μ m的平均粒径的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC 粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末、TaN粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，进而加入石蜡在丙酮中球磨混合M小时，减压干燥之后，以98MPa 的压力挤压成型为预定形状的压坯，在5Pa的真空中，在1370 1470°C的范围内的预定温度中保持1小时的条件下真空烧结该压坯，烧结之后，通过对刀刃部施加R :0. 07mm的珩磨加工来分别制造具有ISO · CNMG120408规定的刀片(4 >寸一卜)形状的WC基硬质合金制工具基体A E。另外，作为原料粉末，准备均具有0. 5 2 μ m的平均粒径的TiCN(以质量比计，为 TiC/TiN = 50/50)粉末、Mo2C粉末，ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni 粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机进行M小时湿式混合，干燥之后，以98MPa的压力挤压成型为压坯，在1. 3kPa的氮气气氛中，在以温度1540°C中保持1 小时的条件下烧结该压坯，烧结之后，通过对刀刃部施加R 0. 07mm的珩磨加工来形成具有 ISO规格· CNMG120408的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a e。接着，在这些工具基体A E及工具基体a e的表面上使用通常的化学蒸镀装置，(a)作为硬质包覆层的下部层，以表3所示的条件且表5所示的目标层厚蒸镀形成 Ti化合物层。(b)接着，作为硬质包覆层的中间层，以表3所示的条件蒸镀形成预定层厚的Al2O3层。(c)接着，以表4所示的条件，对Al2O3层进行预定时间SF6蚀刻。(d)反复进行上述(b)、(C)直到得到预定的上部层层厚。根据上述(a) (d)，通过蒸镀形成包括表6所示的下部层、以及Al2O3层具有平均粒径沿着层厚方向周期变化的晶粒组织结构的同表5所示的上部层的硬质包覆层，从而制造本发明包覆工具1 15。对由上述本发明包覆工具1 15的Al2O3层构成的上部层，使用透射电子显微镜 (倍率50000倍)在多个视场观察，观察到图1的简要示意图所示的晶粒组织结构。另外，同样使用透射电子显微镜(倍率50000倍)，对由上述本发明包覆工具1 15的Al2O3层构成的上部层，如图3所示在层厚方向上划分为0. 02 μ m的厚度幅度区域，测定存在于该厚度幅度区域的晶界数量，将每1 μ m的晶界数量的倒数作为平均粒径D，求出沿着层厚方向的各厚度幅度区域的平均粒径D的变化，将横轴作为平均粒径D，将纵轴作为层厚方向深度，作成图2所示的平均粒径分布图。在上述图2中，将平均粒径D存在于0. 5 1. 5 μ m之间时的平均粒径D的最大值设为平均粒径的极大值Dmax，另一方面，将平均粒径D存在于0. 05 0. 3 μ m之间时的平均粒径D的最小值设为平均粒径的极小值Dmin，根据图2作成的平均粒径分布图，求出Dmax 与Dmin，进而根据示出Dmax的层厚方向的深度位置与示出Dmin的层厚方向的深度位置，在层厚方向上求出Al2O3的平均粒径变化的周期C。表6示出上述极大值Dmax、极小值Dmin及周期C的值。另外，为了比较，在工具基体A E及工具基体a e的表面上，以表3所示的条件且表5所示的目标层厚与本发明包覆工具1 15同样蒸镀形成作为硬质包覆层的下部层的Ti化合物层。接着，作为硬质包覆层的上部层，对其中几个以表3所示的条件且表7所示的目标层厚蒸镀形成由Al2O3层构成的上部层，从而制作表7的比较包覆工具1 10。另外，通过对剩余的几个反复进行以表3所示的条件蒸镀形成Al2O3层、以及以表 4所示的条件蚀刻SF6，从而蒸镀形成由Al2O3的平均粒径变化的Al2O3层构成的上部层，制作表7的比较包覆工具11 15。对由比较包覆工具1 10及11 15的Al2O3层构成的上部层，使用透射电子显微镜(倍率50000倍)，测定了 Al2O3的平均粒径。对于比较包覆工具1 10，Al2O3的平均粒径未确认出在层厚方向上的有意差，为几乎均勻的平均粒径。表7中示出比较包覆工具1 10在层厚方向整体均勻的平均粒径值。对比较包覆工具11 15，与本发明包覆工具1 15的情形同样测定了层厚方向上的平均粒径变化。表7示出对比较包覆工具11 15求出的极大值Dmax、极小值Dmin及周期C的值。另外，使用扫描电子显微镜测定本发明包覆工具1 15及比较包覆工具1 15 的各结构层层厚的结果，均显示出与表5 表7所示的目标层厚实质上相同的平均层厚。[表 1]
权利要求
1.一种表面包覆切削工具，其特征在于，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面化学蒸镀包括下述(a)、(b)的硬质包覆层，(a)下部层为由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层或两层以上构成，且具有1 20μπι的合计平均层厚的Ti化合物层，(b)上部层为具有平均层厚为1 25μ m的氧化铝层，构成上述(b)的上部层的氧化铝具有平均粒径沿着层厚方向以0.5 5μπι的周期进行周期变化的晶粒组织结构。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，将上述(b)的上部层与工具基体表面平行地划分为0. 02 μ m的厚度幅度区域，测定存在于该厚度幅度区域的晶界数量，将每1 μ m的晶界数量的倒数作为平均粒径D，求出沿着层厚方向的各厚度幅度区域的平均粒径D的变化时，平均粒径D为0. 5 1.5μπι的厚度幅度区域与平均粒径D为0. 05 0. 3 μ m的厚度幅度区域沿着上部层的层厚方向至少交替形成有多个区域，从而构成上部层的氧化铝具有平均粒径D沿着层厚方向以0. 5 5 μ m的周期进行周期变化的晶粒组织结构。
全文摘要
本发明提供一种在高速重切削加工中的硬质包覆层具备优异的韧性、耐崩刀性，在长期使用中发挥优异的耐磨损性的表面包覆切削工具。在由WC硬质合金、TiCN基金属陶瓷构成的工具基体的表面上蒸镀形成包括(a)由Ti化合物层构成的下部层、(b)由氧化铝层构成的上部层的硬质包覆层的表面包覆切削工具中，在上述上部层的层厚方向上以0.02μm的厚度幅度间隔，求出各厚度幅度区域中的平均粒径D并研究平均粒径D在层厚方向变化时，平均粒径D为0.5～1.5μm的厚度幅度区域与平均粒径D为0.05～0.3μm的厚度幅度区域沿着上部层的层厚方向至少交替形成有多个区域，从而构成上部层的氧化铝具备平均粒径D沿着层厚方向以0.5～5μm的周期进行周期变化的晶粒组织结构。
文档编号B23P15/28GK102407352SQ20111027340
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者中村惠滋, 富田兴平, 长田晃, 龙冈翔 申请人:三菱综合材料株式会社