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】本发明提供一种表面包覆切削工具。在工具基体表面蒸镀形成由（Al，Cr）N层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具，在前刀面与后刀面的交叉棱线部附近的后刀面上以及前刀面上利用2D法测定残余应力时，与上述交叉棱线部平行的方向的压缩残余应力σ11满足0.5GPa≤σ11≤4.5GPa的关系，与σ11正交的方向的压缩残余应力σ22满足0GPa≤σ22≤4.0GPa的关系，而且满足σ11-σ22≥0.5GPa的关系，并且在自交叉棱线部到至少100μm为止的范围的位置，硬质包覆层由结晶宽度小于0.3μm的微细晶粒占0～50长度%的薄层A和结晶宽度小于0.3μm的微细晶粒占50～100长度%的薄层B交替层叠构成，另一方面，在自交叉棱线部超过150μm的位置，结晶宽度小于0.3μm的微细晶粒占0～50长度%。
【专利说明】表面包覆切削工具【技术领域】
[0001]该发明涉及一种即使以伴有高热产生的高速切削条件进行碳钢、合金钢等的切削加工时，硬质包覆层也发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性的表面包覆切削工具(以下称为包覆工具)。
【背景技术】
[0002]通常，表面包覆切削工具中有在各种钢和铸铁等工件的车削加工和平面铣削加工中所使用的以装卸自如地方式安装在车刀的前端部的可转位刀片、用于所述工件的钻孔切削加工等的钻头和小型钻头、还有用于所述工件的端面切削加工、槽加工及台肩加工等的实心式立铣刀等，并且已知有以装卸自如地方式安装所述可转位刀片而与所述实心式立铣刀相同地进行切削加工的可转位立铣刀工具等。
[0003]例如，如专利文献I所示，已知作为包覆工具，在由WC基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成由层厚为0.8~5.0 μ m的Cr和Al的复合氮化物构成的硬质包覆层，并且将该硬质包覆层构成为由Cr和Al的复合氮化物的粒状结晶组织构成的薄层A和由柱状结晶组织构成的薄层B交替层叠的结构，而且，将构成薄层A的粒状结晶的平均结晶粒径设为30nm以下,且将构成薄层B的柱状结晶的平均结晶粒径设为50~500nm,由此改善耐磨损性。
[0004]但是，近年来，随着切削加工的高速化、高效率化，除对包覆工具要求提高耐磨损性之外，还要求提高耐崩刀性，为了应对这些切削性能进行了各种改善，而作为其中之一，还提出有通过控制切削工具的残余应力来改善耐崩刀性、耐磨损性的方案。 [0005]例如，如专利文献2所示提出有如下方案:在包覆形成由选自周期表的4a、5a、6a族元素、S1、Al的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及这些彼此的固溶体中的至少一种的单层或多层构成的硬质包覆层的包覆工具中，形成如下残余应力，即将切削刃附近部分的该硬质膜的残余压缩应力表示为σΑ时，OGPaS σ A < 1.0GPa，且将中央部分的该硬质膜的残余压缩应力表示为σ B时，1.5GPa ( σ B ^ 2.5GPa，由此提高包覆工具的耐崩刀性、耐磨损性。
[0006]并且示出可利用等离子体电流为150A、Ar气体流量为50cc/min、N2气体流量为100cc/min、C2H2气体流量为10cc/min、成膜压力为0.53~0.8Pa以及偏置电压为-150~-200V的物理蒸镀法制作上述包覆工具。
[0007]并且，例如专利文献3中并非针对包覆工具，而是针对由氮化硅烧结体构成的切削工具其本身提出有如下方案:利用2D法(二维X射线衍射/全德拜环拟合法(Full Debyerings Fitting method))在前刀面的刀尖测定残余应力时,将与前刀面平行且朝向自前刀面的中心最靠近测定点的刀尖的方向的压缩残余应力σ 11设为10~30MPa，并且，将与前刀面平行且与σ 11方向垂直的方向的压缩残余应力σ 22设为IOMPa以下，由此提高由氮化硅烧结体构成的切削工具的耐崩刀性、耐磨损性。
[0008]专利文献1:日本专利公开2010-94744号公报[0009]专利文献2:日本专利公开2005-28520号公报
[0010]专利文献3:日本专利公开2010-264574号公报
[0011]近年来，切削加工装置的高性能化显著，而另一方面，对切削加工的节省劳力化、节能化、及低成本化的要求强烈，随此，切削加工要在更加苛刻的切削条件下进行。
[0012]在上述以往的包覆工具中能够期望提高某种程度的耐崩刀性、耐磨损性，但现状为，将其使用于碳钢、合金钢等伴有高热产生的高速切削加工中时，仍易产生崩刀或者磨耗变大，并由于这些原因而在较短时间内达到使用寿命。

【发明内容】

[0013]因此，本发明人等为了在碳钢、合金钢等的高速切削加工中提供耐崩刀性和耐磨损性优异，并且在长期使用中发挥优异的切削性能的包覆工具，而对硬质包覆层的残余应力的控制及硬质包覆层的层结构进行深入研究的结果，得到以下见解。
[0014]以往，制作包覆工具时，作为形成硬质包覆层的方法，通常采用化学蒸镀法、物理蒸镀法等，而且， 例如利用物理蒸镀法的一种的电弧离子镀(AIP)法对硬质包覆层进行成膜时，如专利文献I所示，将工具基体装入装置内并施加规定的偏置电压，并且在将装置内加热至规定温度的状态下，在阳极电极与规定组成的Al-Cr合金靶之间产生电弧放电，同时向装置内导入氮气作为反应气体并在规定压力的反应气氛中进行蒸镀，由此对硬质包覆层进行成膜。
[0015]本发明人等利用上述以往的AIP法对由(Al，Cr) N层构成的硬质包覆层进行成膜时，在工具基体与靶之间施加磁场，针对磁场对硬质包覆层的压缩残余应力的影响进行调查研究的结果发现如下情况:在显示规定强度及规定分布的磁场中进行利用AIP法进行的硬质包覆层的成膜，由此能够控制形成于硬质包覆层的压缩残余应力的值且控制结晶宽度的分布，而且，如上述调整硬质包覆层的压缩残余应力的值，并且具备由已调整结晶宽度的分布状态的(Al，Cr) N层构成的硬质包覆层的包覆工具在碳钢、合金钢等伴有高热产生的高速切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性，并在长期使用中发挥优异的切削性能。
[0016]该发明是根据上述见解而提出的，具有如下特征:
[0017](I) 一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成由Al和Cr的复合氮化物层构成的硬质包覆层，其中，
[0018]Ca)上述硬质包覆层中，平均膜厚为I~10 μ m，Cr在Al和Cr的总量中所占的含量比为0.2~0.5 (其中，为原子比)，
[0019](b)在上述硬质包覆层的后刀面上或前刀面上的表面，在将自后刀面与前刀面的交叉棱线部距离50 μ m的位置作为中心位置的半径50 μ m的范围内利用2D法测定残余应力时，与上述交叉棱线部平行的方向的压缩残余应力σ 11满足0.5GPa ≤σ 11≤4.5GPa的关系，与上述σ 11正交的方向的压缩残余应力σ 22满足OGPa ≤σ 22 ≤4.0GPa的关系，而且，上述σ 11和σ 22满足σ 11-σ 22≥0.5GPa的关系，
[0020](C)在自上述交叉棱线部到至少100 μ m为止的范围的位置，上述硬质包覆层由结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％的薄层A和结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占50~100长度％的薄层B交替层叠构成，薄层A与薄层B的微细晶粒的比例之差为10长度％以上，且交替层叠的最表面由薄层A构成，另一方面，在自上述交叉棱线部距离150 μ m以上的位置，上述硬质包覆层中结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％。
[0021](2)根据所述(1)中记载的表面包覆切削工具，其中，
[0022]在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置，上述薄层A和薄层B的平均膜厚分别为0.5~5.0 μ m。
[0023](3)根据所述(2)中记载的表面包覆切削工具，其中，
[0024]在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置，上述薄层A和薄层B的总层数为2~20层。
[0025](4)根据所述(3)中记载的表面包覆切削工具，其中，
[0026]在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置，薄层A的平均膜厚相对于硬质包覆层的平均膜厚所占的比例为50~70%。
[0027]接着，对该发明的包覆工具进行详细说明。
[0028](a)硬质包覆层的类别、平均膜厚:
[0029]该发明的硬质包覆层由Al和Cr的复合氮化物层((Al，Cr) N层)构成。
[0030]众所周知，作为硬质包覆层，上述(Al，Cr)N层中，Al成分提高高温硬度和耐热性，Cr成分提高高温强度，而且通过同时含有Cr和Al而高温耐氧化性得以提高，由此其高温硬度、耐热性、高温强度及高温耐氧化性优异。
[0031]本发明中，若Cr占其与Al的总量的含量比(原子比，下同)小于0.2，则难以确保高速切削加工时的高温强度，另一方面，若Cr占其与Al的总量的含量比(原子比)超过0.5，则Al的含量比相对减少，从而导致高温硬度降低、耐热性降低，其结果，因产生偏磨、产生热塑性变形等耐磨损性劣化，由此将Cr占其与Al的总量的含量比(原子比)设定为0.2~0.5。
[0032]并且，由(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层的平均膜厚小于I μ m时，无法长期发挥优异的耐磨损性，从而成为工具寿命变短的原因，另一方面，若其平均膜厚超过10 μ m，则易在刀尖部产生崩刀，因此将其平均膜厚设定为I~10 μ m。
[0033](b)形成于硬质包覆层的压缩残余应力:
[0034]本发明中，在上述由(Al，Cr) N层构成的硬质包覆层的后刀面上或前刀面上，在将自后刀面与前刀面的交叉棱线部(以下称为“切削刃棱线部”)距离50 μ m的位置作为中心位置的半径50 μ m的范围内所测定的压缩残余应力的值O 11、O 22设定在规定的数值范围内，并且规定σ 11和σ 22的彼此的关系，由此改善耐崩刀性、耐磨损性。
[0035]利用图1、图2进行说明，图1的(a)是球头立铣刀整体的示意图，图1的(b)是球头立铣刀前端的示意图，图2的(a)是直角型立铣刀整体的示意图，图2的(b)是直角型立统刀前端的示意图。
[0036]图1的(b)、图2的(b)中，在与切削刃棱线部相切于一个点的半径50μπι范围内的后刀面的Al和Cr的复合氮化物层中，利用2D法(二维X射线衍射/全德拜环拟合法)测定了两个方向的压缩残余应力σ 11、σ 22。σ 11为与后刀面和前刀面的交叉棱线部平行的方向的压缩残余应力，σ 22为与上述σ 11正交的方向的压缩残余应力。另外设为测定范围均包含后刀面的区域，且不超出后刀面的区域。
[0037]根据本发明，需要σ 11满足0.5GPa ≤ σ 11≤4.5GPa的关系，σ 22满足OGPa ≤ σ 22 ≤ 4.0GPa的关系，而且，上述σ 11、σ 22满足σ 11-σ 22≥0.5GPa的关系。
[0038]在此，若σ 11小于0.5GPa并且σ 22小于OGPa (这即意味着σ 22成为拉伸残余应力)，则硬质包覆层的硬度降低，因此耐磨损性降低，另一方面，若σ 11超过4.5Gpa并且σ 22超过4.0GPa,则硬质包覆层易引起剥离，由此，本发明中，将σ 11设定为
0.5GPa ( σ 11 ≤ 4.5GPa,并且将 σ 22 设定为 OGPa ( σ 22 ≤ 4.0GPa0
[0039]而且，本发明中，将σ 11、σ 22彼此的关系设定为σ 11-σ 22≤0.5GPa，这是由于
如下理由。
[0040]即，切削加工时，在与引起崩刀、磨损的力的方向(σ 22的方向)正交的方向(σ 11的方向)存在较大的压缩残余应力，由此，通过该σ 11发挥抵抗产生崩刀、磨损的力的作用，来抑制崩刀、磨损的产生及加剧。
[0041]但是，当σ 22变大，而σ 11和σ 22的关系成为σ 11-σ 22 < 0.5GPa时，残余应力集中于切削刃棱线部，因此易产生崩刀。
[0042]因此，本发明中，将σ--、σ22彼此的关系设定为σ 11-σ 22≤0.5GPa。
[0043](C)硬质包覆层的层结构:
[0044]该发明中，根据自后刀面与前刀面的交叉棱线部的距离，通过改变硬质包覆层的层结构，来提高耐崩刀性、耐磨损性。
[0045]即，构成如下硬质包覆层:在自交叉棱线部到至少100 μ m为止的范围的位置，由结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％的薄层A和结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占50~100长度％的 薄层B交替层叠构成，薄层A与薄层B的微细晶粒的比例之差为10长度％以上。
[0046]另一方面，在自上述交叉棱线部超过150 μ m的位置，上述硬质包覆层中结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％，即，由具有与所述薄层A相同的结晶宽度分布的结晶构成硬质包覆层。
[0047]另外，在自上述交叉棱线部超过100 μ m且小于150 μ m的范围的位置，层结构从薄层A和薄层B交替层叠的结构逐渐变化成显示与薄层A相同的结晶宽度分布的结晶的过渡区域。
[0048]另外，本发明中的“长度％”是指，将从工具基体刀尖切出的后刀面侧的截面或前刀面侧的截面中，在与工具基体表面平行的方向遍及各层的中间区域的宽度20 μ m的范围测定的晶界之间的距离作为结晶宽度时，将所关注的大小的晶粒(例如，结晶宽度小于0.3μπι的微细晶粒)的结晶宽度的合计相对于所测定的总结晶宽度20 μ m的比例定义为“长度％”。
[0049]该发明中，首先，将硬质包覆层构成为在自交叉棱线部到至少100 μ m为止的范围的位置，由结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％的薄层A和结晶宽度小于
0.3 μ m的微细晶粒占50~100长度％的薄层B交替层叠的结构(另外，交替层叠的最表面设为薄层A)。
[0050]这是因为，当刀尖附近的硬质包覆层仅由微细晶粒较少的薄层A构成时，在伴有高热产生的高速切削条件下发挥优异的耐磨损性，但在刀尖附近易产生裂纹，其结果，耐崩刀性降低，由此，将硬质包覆层构成为在自交叉棱线部到至少100 μ m为止的范围的位置的刀尖附近，由结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％的薄层A和结晶宽度小于
0.3 μ m的微细晶粒占50~100长度％的薄层B交替层叠的结构，从而确保规定的耐磨损性并提闻耐崩刀性。
[0051]在此，在薄层A中，将结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒所占比例设为50长度％以下是因为，若其超过50长度％，则因压缩残余应力的增大而易产生膜的剥离，且耐磨损性降低。
[0052]并且，在薄层B中，将结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒所占比例设为50长度％以上是因为，若其小于50长度％，则由于晶粒增大且晶界减小，因此耐崩刀性降低。
[0053]将薄层A与薄层B的微细晶粒的比例之差设为10长度％以上是因为，薄层A中微细晶粒较少，因此裂纹较多，且在刀尖附近易产生由裂纹引起的龟裂。另一方面，薄层B中微细晶粒的比例较多，因此能够防止裂纹变大。此时，微细晶粒的比例中若薄层A与薄层B的微细晶粒的比例之差不为10长度％以上，则防止薄层B的裂纹变大效果降低，且高速切削时的耐崩刀性降低。
[0054]关于由上述薄层A和薄层B交替层叠的结构(交替层叠的最表面为薄层A)构成的刀尖附近(自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置)的硬质包覆层，优选薄层A与薄层B的平均膜厚分别为0.5?5.0 μ m，通过具有这种各自的平均膜厚，能够均衡地提高刀尖附近的耐崩刀性和耐磨损性。
[0055]薄层A与薄层B的平均膜厚分别超过5 μ m时，易产生崩刀，而各自的平均膜厚小于0.5 μ m时，在长期使用中无法发挥优异的切削性能，因此优选自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置上的薄层A与薄层B的平均膜厚分别为0.5?5.0 μ m。
[0056]并且，同样关于刀尖附近的硬质包覆层，在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置进行测定时，在薄层A与薄层B的总层数为2?20层的情况下，能够均衡地提高刀尖附近的耐崩刀性和耐磨损性。
[0057]另外，同样关于刀尖附近的硬质包覆层，在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置进行测定时，在相对于由薄层A和薄层B交替层叠构成的硬质包覆层的平均膜厚，薄层A的平均膜厚占硬质包覆层的平均膜厚的50?70%的情况下，能够均衡地提高刀尖附近的耐崩刀性和耐磨损性。
[0058]在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置上的硬质包覆层中，当薄层A与薄层B的平均膜厚小于0.5 μ m时、薄层A与薄层B的总层数超过20层时、以及薄层A相对于硬质包覆层的平均膜厚所占的平均膜厚的比例小于50%时，无法在长期使用中发挥优异的耐磨损性，而当薄层A与薄层B的平均膜厚超过5.0 μ m时、薄层A与薄层B的总层数小于2层时、以及薄层A相对于硬质包覆层的平均膜厚所占的平均膜厚的比例超过70%时易产生崩刀，因此，优选自交叉棱线部到至少100 μ m为止的范围的位置上的薄层A与薄层B的平均膜厚分别为0.5?5.0 μ m，且优选薄层A与薄层B的总层数为2?20层，并且优选薄层A的平均膜厚相对于硬质包覆层的平均膜厚占其50?70%。
[0059]并且，该发明中，在自交叉棱线部距离150 μ m以上的位置，即远离刀尖的位置，无需过于考虑抑制崩刀的产生，因此关于硬质包覆层，能够以结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O?50长度％的晶粒即与所述薄层A显示相同结晶粒径长度分布的晶粒构成硬质包覆层，并提高耐磨损性。
[0060]另外，若结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占50长度％以上，则层中的压缩残余应力增加，易产生膜的剥离，并且，因膜的自然毁坏的影响而耐磨损性降低，因此优选结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒所占的比例为50长度％以下。
[0061](d)硬质包覆层的蒸镀形成[0062]该发明的硬质包覆层例如利用如图3的(a)、(b)所示的电弧离子镀装置(AIP装置)将工具基体的温度维持为370~450°C，并且通过使工具基体在AIP装置内自转公转，并在靶与工具基体之间施加规定的磁场的同时进行蒸镀而形成。
[0063]例如，在AIP装置的一侧设置由基体清洗用Ti电极构成的阴极电极，另一侧设置由80~50at%Al-20~50at%Cr合金构成的靶(阴极电极)，
[0064]首先，对由碳化钨(WC)基硬质合金构成的工具基体进行清洗、干燥，并安装在AIP装置内的旋转台上，在真空下，于基体清洗用Ti电极与阳极电极之间产生100A的电弧放电，从而对工具基体施加-1000V的偏置电压且对工具基体表面进行轰击清洗，
[0065]接着，施加磁场，以使在Al-Cr合金祀的表面最大磁场为IOOmT时,也能够防止由电弧斑点向靶的外侧移动而产生的异常放电的发生，
[0066]接着，向装置内导入氮气作为反应气体并设为9.3Pa的气氛压力，将工具基体的温度维持为370~450°C，并对工具 基体施加-50V的偏置电压，并且于Al-Cr合金靶(阴极电极)与阳极电极之间产生100A的电弧放电，并支撑工具基体并使其自转公转，并且将Al-Cr合金祀的表面最大磁场控制成45~IOOmT并蒸镀薄层A,另外,将Al-Cr合金祀的表面最大磁场控制成O~22mT并蒸镀薄层B,通过交替蒸镀薄层A与薄层B,能够蒸镀形成由具有本发明的压缩残余应力及结晶形态的(Al，Cr) N层构成的硬质包覆层。
[0067]另外，当上述Al-Cr合金祀的表面最大磁场为IOOmT以上时，为了防止由电弧斑点向靶的外侧移动而产生的异常放电的发生，例如，如图4的(a)所示，可在靶的背面侧(不面向工具基体的一侧)配置磁场发生源即电磁线圈，并且采用在靶的周围配置永久磁铁(例如，铁氧体磁铁)的磁场施加方法，由此，如图4的(b)所示，在靶的磁场分布中制作凹部(图4的(b)中以“箭头”表示)，通过在该部分集中电弧斑点，从而在靶的表面最大磁场即使为IOOmT以上时，也能够防止异常放电的发生。
[0068]该发明的包覆工具中，硬质包覆层由(Al，Cr) N层构成，且切削刃棱线部附近的后刀面或前刀面的硬质包覆层的压缩残余应力的值σ--和σ22维持在特定范围内(0.5GPa ( σ 11 ≤ 4.5GPa，0GPa ( σ 22 ≤ 4.0GPa),并且 oil 与 σ 22 具有特定关系(σ 11-σ 22 ^ 0.5GPa)，另外，切削刃棱线部附近的硬质包覆层由结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％的薄层A和结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占50~100长度％的薄层B交替层叠构成，由此在碳钢、合金钢等伴有高热产生的高速切削加工中发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。
【专利附图】

【附图说明】
[0069]图1的(a)为球头立铣刀的整体示意图，(b)表示球头立铣刀前端的σ 11与σ 22的关系。
[0070]图2的(a)为直角型立铣刀的整体示意图，(b)表示直角型立铣刀前端的σ 11与σ 22的关系。
[0071]图3表示用于制作本发明的表面包覆切削工具的AIP装置的示意图。
[0072]图4表示本发明中的用于防止异常放电的发生的对靶施加磁场的方法的一例，Ca)示出靶、电磁线圈及永久磁铁的位置关系的概略，(b)示出形成于工具基体侧的靶表面的磁场分布的概略。(a)表不俯视图，(b)表不侧视图。[0073]图5表示从工具基体的刀尖切出的后刀面侧及前刀面侧的示意性剖视图。该示意性剖视图中表示利用SEM观察的测定结晶宽度时的测定位置，即各层的中间区域且自后刀面与前刀面的交叉棱线部至50 μ m及200 μ m的位置。
【具体实施方式】
[0074]接着，根据实施例对该发明的包覆工具进行具体说明。
[0075]在此，对适用于立铣刀的情况进行说明，但并不限定于此，毫无疑问，当然也能够适用于刀片、钻头等。
[0076][实施例]
[0077]作为原料粉末，准备具有平均粒径为5.5 μ m的中粗粒WC粉末，平均粒径为0.8 μ m的微粒WC粉末、平均粒径为1.3 μ m的TaC粉末、平均粒径为1.2 μ m的NbC粉末、平均粒径为1.2 μ m的ZrC粉末、平均粒径为2.3 μ m的Cr3C2粉末、平均粒径为1.5 μ m的VC粉末、平均粒径为1.0yn^^(Ti，W)C[以质量比计，TiC/WC=50/50]粉末以及平均粒径为1.8ym的Co粉末，并将这些原料粉末分别配合成表1所示的配合组成，进一步加入石蜡并在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后以IOOMPa的压力冲压成型为规定形状的各种压坯，将这些压坯在6Pa的真空气氛中以7°C /分钟的升温速度升温至1370~1470°C范围内的规定温度，在该温度下保持I小时后以炉冷条件烧结，从而形成直径为8_的工具基体形成用圆棒烧结体，并通过磨削加工，由所述的圆棒烧结体分别制造出具有切削刃部的直径X长度为6mmX 13mm的尺寸及螺旋角为30度的双刃球形形状的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)A~C、以及具有双刃直角形形状的WC基硬质合金制工具基体(立铣刀)D、E0 [0078]通过如下方法分别制造出作为本发明的包覆工具的表面包覆立铣刀I~15(以下称为本发明I~15):
[0079](a)在丙酮中超声波清洗上述各工具基体A~E，并以干燥的状态沿外周部安装在自图3所示的AIP装置的旋转台上的中心轴向半径方向距离规定距离的位置上，在AIP装置的一侧配置轰击清洗用Ti阴极电极，在另一侧配置由规定组成的Al-Cr合金构成的靶(阴极电极)，
[0080](b)首先，对装置内进行排气而保持为真空的同时用加热器将工具基体加热至500°C之后，对在所述旋转台上自转的同时进行旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，并且在Ti阴极电极与阳极电极之间使100A的电流流过而产生电弧放电，并且对工具基体表面进行轰击清洗，
[0081](C)接着，如图4所示，在靶的背面配置电磁线圈，并且对在靶的周围配置有铁氧体磁铁的上述Al-Cr合金祀施加表2所不的各种磁场，以使表面最大磁场在O~22mT及45~IOOmT的范围内，
[0082](d)接着，向装置内导入氮气作为反应气体并设为9.3Pa的反应气氛，并且将在所述旋转台上自转的同时进行旋转的工具基体的温度维持在370~450°C范围内并施加-50V的直流偏置电压，并且使100A的电流流过所述Al-Cr合金靶与阳极电极之间而产生电弧放电，施加磁场以使表面最大磁场在45~IOOmT范围内，从而蒸镀薄层A,并且施加磁场以使表面最大磁场在O~22mT范围内，从而蒸镀薄层B，通过交替蒸镀薄层A与薄层B，在工具基体的表面蒸镀形成由具有表1所示的组成、交替层叠结构及目标膜厚的(Al，Cr)N层构成的硬质包覆层。
[0083]利用EPMA在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置进行五个点测定，由它们的平均值计算出硬质包覆层的组成。
[0084]比较例:
[0085]以比较为目的，对于上述工具基体(立铣刀)A?E，改变上述实施例中(C)、Cd)的条件(例如，不形成磁场、不在靶的周围配置铁氧体磁铁而形成磁场、磁场的大小在O?22mT或45?IOOmT的范围之外等)，而其他条件与实施例相同的条件下，分别制造出作为比较例包覆工具的表面包覆立铣刀(以下称为比较例I?15)。
[0086]关于通过上述制作的本发明I?15及比较例I?15，在与自立铣刀前端距离
2.0mm的切削刃棱线部相切于一个点的半径50 μ m范围内的后刀面的Al与Cr的复合氮化物层中，利用2D法(二维X射线衍射/全德拜环拟合法)测定了两个方向的压缩残余应力σ 11、σ 22。σ 11为与后刀面与前刀面的交叉棱线部平行的方向的压缩残余应力，σ 22为与上述σ 11正交的方向的压缩残余应力。
[0087]2D法(二维X射线衍射/全德拜环拟合法)是指，通过同时检测二维扩大的所有衍射线，从而根据全德拜环的形变计算总应力分量的方法。
[0088]关于σ 11、σ 22，分别进行五个点测定，并将该测定值的平均值作为σ 11、σ 22。
[0089]在表2、表3中示出通过上述进行测定、计算的oil、σ 22及σ 11-σ 22的值。
[0090]另外，具体的残余应力测定条件大致如下。
[0091 ] 解析法:2D法(二维X射线衍射/全德拜环拟合法)
[0092]X 射线源:Cu_Ka 射线，输出=50kV，22mA
[0093]X射线衍射峰值:使用2 Θ =80° (220)面的峰值
[0094]另外，利用(Al，Cr) N的泊松比=0.200，杨氏模量=300000MPa计算残余应力。
[0095]另外，关于通过上述制作的本发明I?15及比较例I?15，首先，分别针对自交叉棱线部到至少100 μ m为止的范围的位置上的薄层A、薄层B求出结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒比例的平均值，并且，求出自交叉棱线部距离150 μ m以上的位置上的硬质包覆层中结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒比例的平均值。
[0096]在表2、表3中示出通过上述测定的各位置上的结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒的比例。
[0097]更具体的测定方法如下。
[0098]自工具基体刀尖切出后刀面侧的截面，利用SEM观察该截面。图5中示出大致的截面。在薄层A与薄层B的边界部之间的中间区域(当各薄层存在于表面及界面时，为表面及界面与薄层A、B间的边界部之间的中间区域)，画一与工具基体表面平行的直线，并将晶界之间的距离定义为结晶宽度。测定以自后刀面与前刀面的交叉棱线部距离50 μ m的位置为中心的、存在于宽度100 μ m范围内的结晶的结晶宽度，并将结晶宽度小于0.3 μ m的结晶的宽度之和相对于所测定的所有的结晶宽度之和的比例作为“自交叉棱线部到ΙΟΟμπι为止的范围的位置中的小于0.3μπι的微细晶粒的比例(长度％)”。并且，测定以自交叉棱线部距离200 μ m的位置为中心的、存在于宽度100 μ m范围内的结晶的结晶宽度，并将结晶宽度小于0.3μπι的结晶宽度之和相对于所测定的所有的结晶宽度之和的比例作为“自交叉棱线部距离150 μ m以上的位置中的小于0.3 μ m的微细晶粒的比例(长度％)”。[0099]另外，关于通过上述制作的本发明I~15及比较例I~15，测定、计算薄层A和薄层B的平均膜厚、自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置上的薄层A与薄层B的总层数、以及薄层A的平均膜厚相对于硬质包覆层的平均膜厚的比例。
[0100]在表2、表3中示出这些测定值、计算值。
[0101]具体测定方法为，如图5所示，从工具基体刀尖切出后刀面侧的截面，利用SEM观察该截面，测定自后刀面与前刀面的交叉棱线部距离25 μ m、50 μ m及75 μ m的位置上的膜厚，并将该3点的平均值作为平均膜厚。
[0102][表1]
[0103]
【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构成的工具基体的表面蒸镀形成由Al和Cr的复合氮化物层构成的硬质包覆层，该表面包覆切削工具的特征在于， (a)上述硬质包覆层中，平均膜厚为I~IOynuCr在Al和Cr的总量中所占的含量比以原子比计为0.2~0.5， (b)在上述硬质包覆层的后刀面上或前刀面上的表面，在将自后刀面与前刀面的交叉棱线部距离50 μ m的位置作为中心位置的半径50 μ m的范围内利用2D法测定残余应力时，与上述交叉棱线部平行的方向的压缩残余应力σ 11满足0.5GPa≤σ 11≤4.5GPa的关系，与上述σ 11正交的方向的压缩残余应力σ 22满足OGPa≤σ 22≤4.0GPa的关系，而且，上述σ 11和σ 22满足σ 11-σ 22≤0.5GPa的关系， (c)在自上述交叉棱线部到至少100μ m为止的范围的位置，上述硬质包覆层由结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％的薄层A和结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占50~100长度％的薄层B交替层叠构成，薄层A与薄层B的微细晶粒的比例之差为10长度％以上，且交替层叠的最表面由薄层A构成，另一方面，在自上述交叉棱线部距离150 μ m以上的位置，上述硬质包覆层中结晶宽度小于0.3 μ m的微细晶粒占O~50长度％。
2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置，上述薄层A和薄层B的平均膜厚分别为0.5 ~5.0 μ m0
3.根据权利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置，上述薄层A和薄层B的总层数为2~20层。
4.根据权利要求3所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 在自交叉棱线部到100 μ m为止的范围的位置，薄层A的平均膜厚相对于硬质包覆层的平均膜厚所占的比例为50~70%。
【文档编号】B23B51/00GK103962589SQ201410034933
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】木村隆之, 田中裕介 申请人:三菱综合材料株式会社