专利名称：硬质包覆层发挥优异的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)，在伴有高热产生且断续的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，从而经长期使用而发挥优异的切削性能。
背景技术：
以往，已知通常在由碳化钨(以下用WC表示)基硬质合金或碳氮化钛(以下用TiCN表示)基金属陶瓷构成的工具基体(以下将这些总称为工具基体)的表面形成由以下(a)下部层及(b)上部层构成的硬质包覆层而成的包覆工具。(a)下部层:为Ti化合物层，所述Ti化合物层包括均化学蒸镀而形成的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；(b)上部层:为化学蒸镀而形成的氧化铝层，已知该包覆工具用于各种钢或铸铁等的切削加工中。但是，所述包覆工具有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而工具寿命较短之类的问题，因此为了消除这个问题，从以往提出有若干方案。例如，专利文献I中公开有一种表面包覆硬质合金制切削工具，以2 20 μ m的平均层厚化学蒸镀和/或物理蒸镀硬质包覆层而成，所述硬质包覆层由包括Ti等的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、氧化物层、碳氧化物层、氮氧化物层及碳氮氧化物层的Ti化合物层中的I种或2种以上和氧化铝层构成，使构成硬质包覆层的氧化铝层为氧化铝的主体具有α型结晶结构，且上侧层和下侧层(基体侧)中具有不同的结晶组织，上侧部为柱状晶粒纵向并列配置的结晶组织，下侧层为粒状结晶组织的氧化铝层，从而获得优异的耐崩刀性。此外，专利文献2中公开有具有由内层及外层构成的包覆层的包覆硬质合金工具，所述内层由T1、V、Cr、Mo、W、Si的I种以上的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硼氮化物的I种以上构成，所述外层由0.01 0.5μπι的粒度的非晶氧化铝与结晶化氧化铝构成的氧化铝组成。并且，专利文献3中公开有如下硬质膜包覆部件，即在母材表面包覆硬质膜的硬质膜包覆部件中，硬质膜由非柱状晶组织的铝氧化物或氧氮化物构成，硬质膜的膜厚为
4 15 μ m0专利文献1:日本专利公开平10-76406号公报专利文献2:日本专利公开昭59-28565号公报专利文献3:日本专利公开昭64-83667号公报现状为如下:近年来对切削加工中的节省劳力化及节能化要求强烈，随此，变得在越来越苛刻的条件下使用包覆工具，例如对于所述专利文献I至3所示的包覆工具，在使用于伴有高热产生且断续的冲击性负荷更强烈地作用于切削刃的高速断续切削加工时，也由于上部层的导热率较高，且热屏蔽效果不充分，所以因切削加工时的高负荷而在切削刃上易产生崩刀、缺损，其结果在比较短时间内达到使用寿命。因此，本发明人等从如前述的观点出发，对即使在用于伴有高热产生且断续的冲击性负荷作用于切削刃的高速断续切削加工时，硬质包覆层仍具备优异的韧性，其结果经长期使用而发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性的包覆工具进行深入研究的结果，得到了如下见解。即，作为硬质包覆层形成有所述以往的由氧化铝构成的上部层的包覆工具，其中，氧化铝在与基体垂直的方向上呈柱状而形成。因此，耐磨性提高，但与其反面，氧化铝的各向异性越高氧化铝层的韧性越下降，其结果无法发挥耐崩刀性、耐缺损性，并且，无法称之为还能够满足工具寿命的硬质包覆层。
发明内容
因此，本发明人等对构成硬质包覆层的上部层的氧化铝层进行了深入研究的结果，通过使微粒氧化铝以双峰粒径分布存在于氧化铝层中，主要由粒径较大的微粒氧化铝缓和氧化铝层的各向异性，并且粒径较小的微粒氧化铝抑制氧化铝层的导热率，能够提高热屏蔽效果。其结果，得到了能够通过粒径较大的微粒氧化物所获得效果与粒径较小的微粒氧化铝所获得的效果的协同效果，飞跃提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性之类的新颖的见解。具体而言，能够通过由柱状纵向生长氧化铝结晶组织构成组成上部层的氧化铝层，并且使微粒氧化铝以双峰粒径分布存在于其组织内，由此提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性。因此，如前述的结构的氧化铝层例如能够通过以下的化学蒸镀法来成膜。在工具基体表面，通过将反应气体组成(容量％)设为AlCl3:2.0 2.2%、CO2:4.6 5.0%、HC1:1.9 2.1%、H2S:0.1 0.3%、H2:剩余，且将反应气氛压力设为5 lOkPa，将反应气氛温度设为870 1040°C来进行化学蒸镀法来成膜柱状纵向生长氧化铝结晶组织的工序中，通过以高浓度(0.8 1.45%)及低浓度(0.25 0.75%)交替改变浓度的方式将TMA (三甲基铝)添加到所述反应气体中，由此能够得到具有双峰粒径分布的微粒氧化铝存在于组织内的柱状纵向生长氧化铝结晶组织。此时，发现柱状纵向生长氧化铝结晶组织不会因微粒氧化铝的存在而分断，以柱状组织的方式生长。其结果，不会降低柱状纵向生长氧化铝结晶组织所具有的韧性，反而通过具有双峰粒径分布的微粒氧化物的存在而使柱状纵向生长氧化铝的各向异性增加，由此韧性提高，并且导热率得到抑制，热屏蔽效果提高。因此，能够提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性。并且，本发明人等对存在于氧化铝层中的微粒氧化铝的粒径分布与硬质包覆层的诸特性的关系反复深入研究的结果，确认到在微粒氧化铝的粒径分布为如下双峰分布时获得最优异的效果。S卩，本发明人等详细调查微粒氧化铝的粒径分布与膜特性的关系的结果，发现如图2所示,其粒径分布的第I峰值存在于10 20nm,按每2nm微粒氧化招直径计算微粒氧化铝时的第I峰值的微粒氧化铝数密度为200 500个/ μ m2，第2峰值存在于50 lOOnm，按每2nm微粒氧化铝直径计算微粒氧化铝时的第2峰值的微粒氧化铝数密度为10 30个/y m2时，显示最优异的膜特性。图2所示的微粒氧化铝的粒径分布曲线图能够通过如下方法制成。首先，利用扫描电子显微镜(倍率50000倍)及透射电子显微镜(倍率200000倍)，在与工具基体垂直的方向遍及上部层膜厚量的厚度，且在与工具基体水平的方向遍及长度合计10 μ m测定存在于上部层的微粒氧化铝的数量，按每2nm粒径求出微粒氧化铝的数密度(个/μ m2)，制作图2所示的微粒氧化铝根据粒径的数密度分布曲线图。本发明是基于上述见解而完成的，其具有如下特征:(I) 一种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的表面包覆切削工具，该表面包覆切削工具的特征在于，所述硬质包覆层由化学蒸镀的下部层和上部层构成，并且(a)所述下部层由以I层或2层以上组成的Ti化合物层构成，所述Ti化合物层包含至少I层Ti碳氮化物层且具有3 20 μ m的合计平均层厚；(b)所述上部层由具有2 25 μ m的平均层厚的氧化铝层构成，构成所述(b)的上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，且该组织内存在微粒氧化铝，该微粒氧化铝为粒状氧化铝晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝晶相与非晶氧化铝相的混合相，柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度为50 2000nm，该最大粒子宽度与膜厚方向的最大粒子长度的纵横尺寸比为5 50，所述微粒氧化铝的最大粒径为IOnm 150nm，该微粒氧化铝的上部层中的分布形态呈双峰分布。(2)如(I)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述微粒氧化铝的分布的第I峰值存在于10 20nm,按每2nm微粒氧化招直径计算微粒氧化招时的第I峰值的微粒氧化铝数密度为200 500个/ μ m2，该微粒氧化铝的第2峰值存在于50 lOOnm，按每2nm微粒氧化铝直径计算微粒氧化铝时的第2峰值的微粒氧化铝数密度为10 30个/ μ m2。以下对本发明进行详细说明。下部层的Ti化合物层:包含至少I层Ti碳氮化物层，且具有3 20 μ m的合计平均层厚的由I层或2层以上的Ti化合物层构成的下部层能够在通常的化学蒸镀条件下形成。构成下部层的Ti化合物层其自身具有高温强度，且根据存在使硬质包覆层具备高温强度，另外均坚固地粘附于工具基体和由氧化铝构成的上部层，从而具有有助于提高硬质包覆层相对于工具基体的粘附性的作用，但是若其合计平均层厚小于3 μ m，则无法充分地发挥所述作用，另一方面，若其合计平均层厚超过20 μ m,则易产生崩刀，因此将其合计平均层厚定为3 20 μ m。上部层的氧化铝层:众所周知，构成上部层的氧化铝层具备高温硬度和耐热性，但若其平均层厚小于
2μ m,则无法确保经长期使用的耐磨性，另一方面，若其平均层厚超过25 μ m,则氧化铝晶粒易粗大化，其结果，高温硬度、高温强度下降，并且高速断续切削加工时的耐崩刀性、耐缺损性下降，因此将其平均层厚定为2 25 μ m。并且，本发明在所述结构的基础上，兼备以下条件时，发挥更优异的效果。S卩，上部层的氧化铝层构成为具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，且其组织内存在微粒氧化铝。并且，上部层中的微粒氧化铝呈双峰粒径分布形态时上部层的氧化铝层进一步发挥上述效果。并且，若柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度小于50nm，则有长时间使用时耐磨性下降的倾向，另一方面，若超过2000nm，则有因粒子的粗大化耐崩刀性、耐缺损性下降的倾向。因此，更优选将柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度设为50 2000nm。并且，若所述最大粒子宽度与膜厚方向的最大粒子长度的纵横尺寸比小于5，则有柱状纵向生长氧化铝的特征即较高的耐磨性下降的倾向，另一方面，若超过50，则有韧性反而下降，且耐崩刀性、耐缺损性下降的倾向。因此，更优选柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度与膜厚方向的最大粒子长度的纵横尺寸比定为5 50。在此，关于最大粒子宽度与最大粒子长度，测量柱状纵向生长氧化铝结晶的一个粒子时，将在粒子的宽度(短边)中最大的值称为最大粒子宽度，另一方面，将在粒子高度(长边)中最大的值称为最大粒子长度。另外，本发明中的微粒氧化铝是指粒状氧化铝晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝晶相与非晶氧化铝相的混合相，并且是最大粒径为150nm以下的氧化铝的总称。微粒氧化铝的形成:本发明的微粒氧化铝能够通过以通常的化学蒸镀条件成膜的上部层的形成过程中进行基于如下条件的化学蒸镀法来形成。S卩，通过将成为微粒氧化铝的核的TMA以低浓度(A条件)和高浓度(B条件)这两个条件交替变化而添加到反应气体中来形成具有双峰粒径分布的微粒氧化铝。反应气体组成(容量％):AlCl3:2.0 2.2%TMA:A 条件:0.25 0.75%、B 条件:0.8 1.45%CO2:4.6 5.0%HCl:1.9 2.1%H2S:0.I 0.3%H2:剩余；反应气氛温度:870 1040°C ；反应气氛压力:5 lOkPa。本发明中，微粒氧化铝双峰粒径分布于柱状纵向生长氧化铝结晶组织内的结构，通过粒径较大的微粒氧化铝的存在，对柱状纵向生长氧化铝结晶组织施加力时，每一个柱状纵向生长氧化铝结晶产生偏离，因此韧性提高，显示优异的耐崩刀性。并且，通过粒径较小的微粒氧化铝的存在，膜的导热率得到抑制，因此热屏蔽效果提高。另外，若微粒氧化铝的最大粒径小于10nm，则无法得到充分的热屏蔽效果，另一方面，若超过150nm，则基于晶粒边界部的增加无法得到充分的导热率抑制效果，因此不优选。因此，本发明中，将微粒氧化招的最大粒径定为IOnm 150nm。作为所述双峰粒径分布，尤其优选第I峰值存在于10 20nm,按每2nm微粒氧化铝直径计算微粒氧化铝时的第I峰值的微粒氧化铝数密度为200 500个/ μ m2，该微粒氧化铝的第2峰值存在于50 lOOnm，按每2nm微粒氧化铝直径计算微粒氧化铝时的第2峰值的微粒氧化铝数密度为10 30个/ μ m2。其理由为，将第I峰值设为小于IOnm时，无法得到充分的热屏蔽效果，另一方面，超过20nm时，基于晶粒边界部的增加抑制导热率的效果不充分。并且，将第I峰值的微粒氧化铝数密度设为小于200个/ μ m2时，抑制膜的导热率的效果不充分，另一方面，超过500个/ μ m2时，阻碍柱状纵向生长氧化铝结晶的生长，耐磨性下降，因此不优选。并且，将第2峰值设为小于50nm时，在柱状纵向生长氧化铝结晶中产生的偏离不足以提高韧性，因此不优选，另一方面，超过IOOnm时，韧性反而下降，因此不优选。并且，将第2峰值的微粒氧化铝数密度设为小于10个/μ m2时，提高膜的韧性的效果不充分，另一方面，超过30个/ μ m2时，阻碍柱状纵向生长氧化铝结晶的生长，耐磨性降低，因此不优选。因此，如上述规定所述双峰粒径分布。本发明的包覆工具，作为硬质包覆层，由化学蒸镀的下部层和上部层构成，(a)下部层由以I层或2层以上组成的Ti化合物层构成，所述Ti化合物层包含至少I层Ti碳氮化物层且具有3 20 μ m的合计平均层厚，(b)上部层由具有2 25 μ m的平均层厚的氧化铝层构成，构成(b)的上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，并且其组织内存在微粒氧化铝，该微粒氧化铝为粒状氧化铝晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝晶相与非晶氧化铝相的混合相，柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度为50 2000nm,最大粒子宽度与膜厚方向的最大粒子长度的纵横尺寸比为5 50,微粒氧化铝的最大粒径为IOnm 150nm，微粒氧化铝的上部层中的粒径分布呈双峰分布，由此硬质包覆层的韧性提高，并且导热率得到抑制，并提高热屏蔽效果，因此在用于钢或铸铁等的伴有高热产生甚至断续的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、耐缺损性优异，其结果经长期使用而发挥优异的耐磨性，实现包覆工具的长寿命化的目的。
图1是示意地表示构成本发明的上部层的氧化铝层的柱状纵向生长氧化铝结晶组织的生长状态与氧化铝层中存在的微粒氧化铝分布的膜结构示意图。图2是表示构成本发明的上部层的氧化铝层中存在的微粒氧化铝的粒径分布图。图3是表示构成比较例的上部层的氧化铝层中存在的微粒氧化铝的存在形态的膜结构示意图。
具体实施例方式接着，根据实施例对本发明的包覆工具进行更具体的说明。[实施例]准备均具有I 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粉末及Co粉末作为原料粉末，并将这些原料粉末配合成表I所示的配合组成，并且，加入石蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为预定形状的压坯，并将该压坯在5Pa的真空中，且1370 1470°C范围内的预定温度中保持I小时的条件下进行真空烧结，烧结后，对切削刃部实施R:0.07mm的刃口修磨加工，由此分别制造出具有ISO标准.0ΝΜ6120408中规定的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体A Ε。并且，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粉末作为原料粉末，并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，干燥之后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，并将该压坯在1.3kPa的氮气气氛中在温度:1540°C中保持I小时的条件下进行烧结，烧结后，对切削刃部分实施R:0.07mm的刃口修磨加工，由此形成具有ISO规格.CNMG120408的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体a e。接着，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)作为硬质包覆层的下部层，以表3及表4所示的条件且表6所示的目标层厚蒸镀形成Ti化合物层。(b)接着，蒸镀形成由表6所示的目标层厚的上部层(氧化铝层)构成的硬质包覆层。(C)这时，在表4所示的k ο条件下成膜氧化铝层时，通过以2个不同的浓度(A条件、B条件)交替的方式添加表4所示的TMA (容量％)，在氧化铝层的组织内形成呈双峰粒径分布的微粒氧化铝，由此制造出本发明包覆工具I 15。对构成所述本发明的包覆工具I 15的上部层的氧化铝层，利用扫描电子显微镜(倍率50000倍)多视场观察的结果，均确认到在图1所示的膜结构示意图所示的柱状结晶的粒界及粒内存在的呈双峰粒径分布的微粒氧化铝的膜结构。并且，对构成所述本发明的包覆工具I 15的上部层的氧化铝层，利用透射电子显微镜(倍率200000倍)多视场观察的结果，确认到所述微粒氧化铝为粒状氧化铝晶相或非晶氧化铝或者粒状氧化铝晶相与非晶氧化铝相的混合相。 并且，以比较为目的，在工具基体A E及工具基体a e的表面上，以表3及表5所示的条件且以表7所示的目标层厚与本发明包覆工具I 15相同地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，以表3及表5所示的条件且以表7所示的目标层厚蒸镀形成由氧化铝层构成的上部层。这时，不添加TMA而形成柱状纵向生长氧化铝结晶组织，由此制作出表7的比较包覆工具I 15。对构成所述比较包覆工具I 15的上部层的氧化铝层，利用扫描电子显微镜(倍率50000倍)多视场观察的结果，均确认到在图3所示的膜结构示意图所示的纵向生长柱状氧化铝构成的氧化铝层。并且，利用扫描电子显微镜(倍率5000倍)测定本发明包覆工具I 15及比较包覆工具I 15的各结构层的截面并求出平均层厚的结果，均显示出与表6及表7所示的目标层厚实际上相同的平均层厚。并且，关于本发明包覆工具I 15及比较包覆工具I 15，同样利用扫描电子显微镜(倍率5000倍)，对在与工具基体水平的方向上长度合计10 μ m范围内存在的各柱状纵向生长氧化铝结晶，测定构成上部层的氧化铝层的柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度及膜厚方向的最大粒子长度，通过取它们的平均来求出最大粒子宽度及膜厚方向的最大粒子长度的平均值，并由它们的比求出纵横尺寸比。[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有硬质包覆层，该表面包覆切削工具特征在于， 所述硬质包覆层由化学蒸镀的下部层和上部层构成，并且 (a)所述下部层由以I层或2层以上组成的Ti化合物层构成，所述Ti化合物层包含至少I层Ti碳氮化物层且具有3 20 μ m的合计平均层厚； (b)所述上部层由具有2 25μ m的平均层厚的氧化铝层构成， 构成所述(b)的上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，且其组织内存在微粒氧化铝，该微粒氧化铝为粒状氧化铝晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝晶相与非晶氧化铝相的混合相，柱状纵向生长氧化铝结晶的最大粒子宽度为50 2000nm，该最大粒子宽度与膜厚方向的最大粒子长度的纵横尺寸比为5 50，所述微粒氧化铝的最大粒径为IOnm 150nm，该微粒氧化铝的上部层中的粒径分布形态呈双峰分布。
2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 所述微粒氧化招的分布的第I峰值存在于10 20nm,按每2nm微粒氧化招直径计算微粒氧化铝时的第I峰值的微粒氧化铝数密度为200 500个/ μ m2，该微粒氧化铝的第2峰值存在于50 IOOnm,按每2nm微粒氧化招直径计算微粒氧化招时的第2峰值的微粒氧化铝数密度为10 30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性、耐缺损性的表面包覆切削工具。本发明的表面包覆切削工具中，硬质包覆层由化学蒸镀的下部层和上部层构成，(a)所述下部层为1层或2层以上构成的Ti化合物层，所述Ti化合物层包含至少1层Ti碳氮化物层且由具有3～20μm的合计平均层厚；(b)所述上部层为具有2～25μm的平均层厚的氧化铝层，构成所述上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，该组织内存在呈双峰粒径分布形态的微粒氧化铝。
文档编号B23B27/14GK103182538SQ201210549778
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月17日 优先权日2011年12月28日
发明者龙冈翔, 岩崎直之, 长田晃 申请人:三菱综合材料株式会社