专利名称：硬质包覆层具备耐崩刀性、耐缺损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)，其在伴有高热发生并且断续性或冲击性负荷作用于切削刃的各种钢或铸铁的高速断续切削加工中，由于硬质包覆层具备优异的耐崩刀性、耐缺损性，因此经长期使用发挥优异的切削性能。
背景技术：
以往通常已知在由碳化钨(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(以下将这些统称为工具基体)的表面形成由下述(a)及(b)构成的硬质包覆层而成的包覆工具(a)下部层，其为包括均被化学蒸镀形成的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I层或2层以上的Ti化合物层，(b)上部层，其为化学蒸镀形成的氧化铝(以下用Al2O3表示)层，并且已知该包覆工具使用于各种钢或铸铁等的切削加工中。但是，所述包覆工具存在在较大的负荷施加于切削刃的切削条件下易产生崩刀、缺损等且工具寿命较短之类的问题，因此为了消除该问题，一直以来进行了各种提案。例如，专利文献I中进行了如下提案作为硬质包覆层，设置用TiCN膜进行表面加强且空穴率为5 30%的多孔质Al2O3膜作为上部层，由此吸收缓和热冲击及机械性冲击，从而改善包覆工具的耐崩刀性。另外，专利文献2中进行了如下提案作为硬质包覆层，设置空穴率为5 30%的多孔质Al2O3膜作为上部层，在其上设置TiN膜作为表面层，由此吸收缓和热冲击及机械性冲击，从而改善包覆工具的耐崩刀性。专利文献I :日本专利公开2003-48105号公报专利文献2 :日本专利公开2003-19603号公报近年来现状为如下对切削加工中的节省劳力化及节能化的要求强烈，随此，包覆工具逐渐在更加苛刻的条件下使用，例如，即使在所述专利文献1、2所示的包覆工具中，使用于伴有高热发生并且断续性或冲击性负荷进一步作用于切削刃的高速断续切削加工时，由于上部层的耐机械冲击性、耐热冲击性不充分，所以也会因切削加工时的高负荷而容易在切削刃上产生崩刀、缺损，其结果在较短时间内达到使用寿命。
发明内容
因此，本发明人等从如前述观点出发，对即使在使用于伴有高热发生并且断续性或冲击性负荷作用于切削刃的高速断续切削加工时也由于硬质包覆层具备优异的冲击吸 收性而经长期使用发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性的包覆工具进行了深入研究，结果获得了以下见解。S卩，作为硬质包覆层，在所述以往的形成多孔质Al2O3层的上部层中，在整个Al2O3层内形成有大致均匀孔径的微小空穴，因此，空穴率越高则耐机械冲击性、耐热冲击性越提高，但是相反空穴率越高则多孔质Al2O3层的高温强度、高温硬度越下降，因此无法经长期使用发挥充分的耐磨性，另外工具寿命也不能说是令人满意的。因此，本发明人等发现了如下内容由包括Ti化合物层的下部层和包括Al2O3层的上部层构成硬质包覆层，上部层具有孔径为2 50nm的微小空穴，该微小空穴的孔径分布呈双峰分布，从而不会引起Al2O3层的高温强度和高温硬度的下降，能够提高耐机械冲击性、耐热冲击性。另外，发现了作为双峰分布在如下情况时更有效，即微小空穴的孔径分布的第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为200 500个/ y m2，第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为10 50个/ y m2。 作为通过将微小空穴的孔径分布设为双峰分布来得到优异的效果的理由，可以考虑如下原因，即较大孔径的微小空穴吸收缓和热冲击及机械性冲击，并提高耐缺损性、耐崩刀性，较小孔径的微小空穴抑制Al2O3膜的导热率，并提高热屏蔽效果。并且，具备所述孔径分布的微小空穴例如能够通过以下化学蒸镀法成膜。(a)在工具基体表面蒸镀形成通常的包括Ti化合物层的目标厚度的下部层，(b)接着，利用AICI3-Co2-HCI-H2S-H2作为反应气体，通过化学蒸镀法形成Al2O3层作为上部层，(c)在所述(b)的成膜过程之后，停止导入上述反应气体，同时在主要生成孔径为2 IOnm的微小空穴的A条件(后述)下导入SF6系气体来进行SF6蚀刻，(d)接着，再次进行所述(b)工序，(e)在所述(d)的成膜过程之后，停止导入上述反应气体，同时在主要生成孔径为20 50nm的微小空穴的B条件(后述)下导入SF6系气体来进行SF6蚀刻，(f)接着，再次进行所述(b)工序，(g)通过反复进行所述(C) (f)工序，在上部层的Al2O3层中形成具有双峰孔径分布的微小空穴。通过上述(a) (g)，在工具基体表面形成包括目标层厚的下部层和上部层的硬质包覆层，但是若用扫描型电子显微镜对所述硬质包覆层进行截面组织观察，则可确认到Al2O3层中形成孔径为2 50nm的微小空穴，并且，微小空穴的孔径分布呈如下双峰分布，即第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为200 500个/ y m2，第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为10 50个/ y m2。并且发现，在硬质包覆层的上部层中形成有前述的孔径分布呈双峰分布的微小空穴的本发明的包覆工具即使在使用于伴有高热发生并且断续性或冲击性负荷作用于切削刃的钢或铸铁的高速断续切削加工时，硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性也优异，经长期使用能够发挥优异的耐磨性。本发明是基于上述见解而完成的，其具有如下特征。(I) 一种表面包覆切削工具，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设置硬质包覆层，其中，所述硬质包覆层包括下部层和上部层，(a)所述下部层，为包括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I层或2层以上且具有3 20 y m的合计平均层厚的Ti化合物层，(b)所述上部层，为具有I 25 y m的平均层厚的氧化铝层，所述上部层具有孔径为2 50nm的微小空穴，该微小空穴的孔径分布呈双峰分布。(2)如(1)所述的表面包覆切削工具，其中，所述微小空穴的孔径分布的第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为200 500个/iim2，所述微小空穴的孔径分布的第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为10 50个/iim2。以下对本发明进行详细说明。下部层的Ti化合物层包括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I层或2层以上的Ti化合物层的下部层能够在通常的化学蒸镀条件下形成，其本身具有高温强度，该下部层的存在不仅使硬质包覆层具备高温强度，并且由于均牢固地粘附于工具基体和包括Al2O3层的上部层而具有有助于提高硬质包覆层相对工具基体的粘附性的作用，但是，其合计平均层厚不到3 u m时，无法充分发挥所述作用，另一方面，若其合计平均层厚超过20 ii m，则容易产生崩刀，因此将其合计平均层厚定为3 20 ii m。上部层的Al2O3层已周知构成上部层的Al2O3层具备高温硬度和耐热性，但其平均层厚不到I ii m时，无法确保长期使用中的耐磨性，另一方面，若其平均层厚超过25 u m,则Al2O3晶粒容易粗大化，其结果除了降低高温硬度、高温强度以外，还降低高速断续切削加工时的耐崩刀性、耐缺损性，因此将其平均层厚定为I 25 ii m。形成于上部层的微小空穴本发明的由Al2O3层构成且孔径为2 50nm的微小空穴以预定孔径分布分散分布的上部层即使在切削刃暴露于高温并且受机械性冲击或热冲击的高速断续切削加工中也具备优异的高温强度、高温硬度，同时发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性。孔径分布呈双峰分布的微小空穴的形成本发明的微小空穴能够通过在形成以通常的化学蒸镀条件成膜的上部层的过程中实施基于以下2个条件的蚀刻来形成。通过交替进行上部层成膜用的反应气体的导入和基于以下2个条件的蚀刻，在上部层中形成具有呈双峰分布的孔径分布的微小空穴。(A 条件)在反应气体组成(容量％ ):SF6 :5 10%、H2 :剩余；反应气氛温度800 950°C ；反应气氛压力4 9kPa 的条件下，进行7 40分钟的SF6蚀刻。 (B 条件)
在反应气体组成(容量％ ):SF6 :5 10%、H2 :剩余；反应气氛温度1000 1050°C ；反应气氛压力13 27kPa的条件下，进行5 40分钟的SF6蚀刻。微小空穴的孔径分布形态图I中表示形成于在所述蚀刻条件下形成的本发明的上部层中的微小空穴的孔 径分布图。如图I所示，本发明的上部层中存在孔径为2 50nm的微小空穴，但其孔径分布呈如下形态的双峰分布，即第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为200 500个/ ii m2，另外，第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔径计算孔时孔数密度为10 50 个 / y m2。本发明中，在微小空穴的孔径分布中，将直径为2 IOnm的较小的微小空穴的第I峰定在200 500个/ii m2的范围内是因为，若直径为2 IOnm的较小的微小空穴的孔径分布中的第I峰不到200个/ y m2,则无法充分发挥抑制Al2O3膜的导热率、提高热屏蔽效果之类的效果，另一方面，若超过500个/ y m2,则孔隙度变得过高，发生上部层脆化以及耐磨性降低。另外，在微小空穴的孔径分布中，将直径为20 50nm的较大的微小空穴的第2峰定在10 50个/ii m2的范围内是因为，在10个/ii m2以下或超过50个/ y m2的范围，无法充分发挥吸收缓和热冲击或机械性冲击之类的效果，并且无法充分发挥提高耐崩刀性、耐缺损性之类的效果。另外，本发明中，将微小空穴的孔径定为2 50nm是因为，形成于上部层中的空穴的孔径不到2nm时，无法期待缓冲效果，另一方面，若孔径超过50nm，则上部层的韧性大大降低，为了维持上部层的高温强度、高温硬度的同时，保持对于断续性或冲击性负荷的缓冲效果，形成于上部层的微小空穴的孔径必须为2 50nm。本发明的包覆工具中，作为硬质包覆层，包覆形成包括Ti化合物层的下部层和包括Al2O3层的上部层，并且，上部层中具有孔径分布呈双峰分布的微小空穴，由此即使在使用于钢或铸铁等的伴有高热发生并且断续性或冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工时，耐崩刀性、耐缺损性也优异，其结果，经长期使用发挥优异的耐磨性，实现包覆工具的长寿命化。
图I表示形成于本发明包覆工具的上部层中的微小空穴的孔径分布图。
具体实施例方式接着，根据实施例具体说明本发明的包覆工具。[实施例]准备均具有I 3 ii m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粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表I所示的配合组成，并且，加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中并在以1370 1470°C范围内的规定温度保持I小时的条件下真空烧结，烧结后，对切削刃部实施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此分别制造出具有ISO标准 CNMG120408中规定的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体A E。
另外，准备均具有0. 5 2iim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粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机湿式混合24小时并干燥后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在I. 3kPa的氮气氛中并在以温度1540°C保持I小时的条件下烧结，烧结后，对切削刃部分实施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此形成了具有ISO标准 CNMG120408的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a e。 其次，利用通常的化学蒸镀装置，在这些工具基体A E及工具基体a e的表面，进行如下工序。(a)以表3所示的条件且表5所示的目标层厚蒸镀形成Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层。(b)接着，以表3所示的条件蒸镀形成Al2O3层作为硬质包覆层的上部层。(c)接着，停止成膜(b)的Al2O3层，进行规定时间的基于表4所示的A条件的SF6蚀刻，另外再次进行(b)的成膜工序，再次停止之后进行规定时间的基于表4所示的B条件的SF6蚀刻，另外再次进行(b)的成膜工序。(d)反复进行所述(C)工序，并蒸镀形成表5所示的目标层厚的Al2O3层。根据上述(a) (d)，蒸镀形成包括表5所示的下部层及分布有表6所示的孔径分布呈双峰分布的微小空穴的表5所示的目标层厚的上部层(Al2O3层)的硬质包覆层，由此制造出本发明包覆工具I 15。利用扫描型电子显微镜(倍率为50000倍)对所述本发明包覆工具I 15的上部层多视野观察，结果确认了图I所示的孔径分布图中所示的孔径分布形态。另外，作为比较的目的，与本发明包覆工具I 15相同地以表3所示的条件且以表5所示的目标层厚在工具基体A E及工具基体a e的表面蒸镀形成作为硬质包覆层的下部层的Ti化合物层。接着，以表3所示的条件且以表5所示的目标层厚蒸镀形成包括Al2O3层的上部层作为硬质包覆层的上部层，由此制作了表5的比较包覆工具I 15。另外，利用扫描型电子显微镜测定了本发明包覆工具I 15及比较包覆工具I 15的各结构层的层厚，结果均显示出了实际上与表5所示的目标层厚相同的平均层厚。[表 I]
权利要求
1.一种表面包覆切削工具，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设置硬质包覆层，其特征在于， 所述硬质包覆层包括下部层和上部层， (a)所述下部层，为包括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I层或2层以上且具有3 20 μ m的合计平均层厚的Ti化合物层， (b)所述上部层，为具有I 25μ m的平均层厚的氧化铝层， 所述上部层具有孔径2 50nm的微小空穴，该微小空穴的孔径分布呈双峰分布。
2.如权利要求I所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 所述微小空穴的孔径分布的第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔径计算孔时第I峰中的孔数密度为200 500个/ μ m2， 所述微小空穴的孔径分布的第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔径计算孔时第2峰中的孔数密度为10 50个/μ m2。
全文摘要
本发明提供一种在高速断续切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐崩刀、耐缺损性的表面包覆切削工具。一种表面包覆切削工具，在包括WC硬质合金、TiCN基金属陶瓷的工具基体的表面蒸镀形成有硬质包覆层，所述硬质包覆层包括(a)具备Ti化合物层的下部层及(b)具备氧化铝层的上部层，其中，在所述上部层中分布有孔径分布呈双峰分布且孔径为2～50nm的微小空穴。
文档编号B23B27/14GK102626795SQ20121000691
公开日2012年8月8日 申请日期2012年1月11日 优先权日2011年2月3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