专利名称：在高速切削加工中硬质被覆层发挥优异的耐磨性的表面被覆切削工具部件和在切削工具 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及硬质被覆层具有优异的高温特性、因此特别是在各种钢和铸铁等的伴有高热发生的高速切削加工中发挥优异的耐磨性的表面被覆切削工具部件(以下称为被覆切削工具)。
另外，本发明涉及在切削工具表面形成上述硬质被覆层的方法。
背景技术：
一般地，切削工具有在各种钢和铸铁等被切削材料的车削加工和平削加工中在刀具尖端部装卸自如地进行安装而使用的多刃刀片、在上述被削材料的开孔切削加工等中使用的钻头和小型钻头、以及在上述被削材料的面削加工和沟槽加工、肩加工等中使用的立体型立铣刀等，另外已知装卸自如地安装上述多刃刀片与上述立体型立铣刀同样进行切削加工的多刃立铣刀工具等。
而且，以提高耐磨性为目的，已知下述方法在例如图2说明示意图表示的1种物理蒸镀装置电弧离子镀装置内装入碳化钨(以下用WC表示)基超硬合金或碳氮化钛(以下用TiCN表示)基金属陶瓷、或者立方晶氮化硼(以下用c-BN表示)基烧结材料构成的切削工具，在用加热器将装置内加热到例如500℃的温度的状态下，使阳极电极和设置具有给定组成的Al-Ti合金的阳极电极(蒸发源)之间在例如电流90A的条件下发生电弧放电，同时向装置内导入作为反应气体的氮气，形成例如2Pa的反应环境，另一方面，在对上述切削工具外加例如-100V的偏电压的条件下，在上述切削工具表面，以1-15μm的平均层厚形成满足组成式(AlZTi1-Z)N(其中，用原子比表示，Z表示0.4-0.65)的Al与Ti的复合氮化物[以下用(Al，Ti)N表示]层构成的硬质被覆层。
近年的切削加工装置的高性能化令人瞩目，另一方面，对切削加工的省力和节能化、进而低成本化的要求强烈，与之相伴，切削加工有高速化的倾向，但对于上述现有切削工具，在通常的切削加工条件下使用的场合虽没有问题，但在伴有高的发热的高速切削条件下使用的场合，构成它的硬质被覆层的磨损显著增强，因此现状是在比较短的时间达到使用寿命。
于是，本发明人从上述观点出发，特别着眼于上述现有切削工具的硬质被覆层(Al，Ti)N层，为了开发在高速切削加工中发挥优异的耐磨性的(Al，Ti)N层而进行了研究，结果得到以下(a)和(b)所示的研究结果(a)使用上述图2所示的电弧离子镀装置形成的现有的硬质被覆层(Al，Ti)N层，在整个层厚范围内具有均质的高温硬度和耐热性、以及韧性，但是使用例如图1A的示意性俯视图、图1B的示意性主视图表示的结构的电弧离子镀装置，即使用在装置中央部设置切削工具安装用转台、将夹着上述转台、一侧Al含量相对高(Ti含量低)的Al-Ti合金、另一侧Ti含量相对高(Al含量低)的Ti-Al合金作为阴极电极(蒸发源)而对向设置的电弧离子镀装置，在该装置的上述转台上，在从上述转台的中心轴沿径向离开的位置装入上述切削工具，在该状态下使装置内的反应环境为氮气环境，在旋转上述转台的同时，出于谋求蒸镀形成的硬质被覆层的层厚均匀的目的，也使切削工具自身自转，同时在使上述两侧的阴极电极(蒸发源)和阳极电极之间发生电弧放电的条件下形成(Al，Ti)N层时，在上述切削工具的表面，在从转台上的中心轴沿径向离开的位置配置的上述切削工具，在与上述一侧的Al含量相对高(Ti含量低)的Al-Ti合金阴极电极(蒸发源)最接近的时刻，在层中形成Al最高含有点，另外，上述切削工具在与上述另一侧的Ti含量相对高(Al含量低)的Ti-Al合金阴极电极最接近的时刻，在层中形成Al最低含有点，因此，通过上述转台的旋转，在层中沿厚度方向，上述Al最高含有点和Al最低含有点具有给定间隔，交替地反复出现，同时，形成具有从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点Al(Ti)含量连续地变化的成分浓度分布结构的(Al，Ti)N层。
(b)对于上述(a)的反复连续变化成分浓度分布结构的(Al，Ti)N层，例如调制对置的阴极电极(蒸发源)各自的合金组成的同时，控制安装着切削工具的转台的旋转速度，使得上述Al最高含有点满足组成式(AlXTi1-X)N(其中，用原子比表示，X表示0.70-0.95)、上述Al最低含有点满足组成式(AlYTi1-Y)N(其中，用原子比表示，Y表示0.40-0.65)，并且相邻的上述Al最高含有点和Al最低含有点的厚度方向的间隔为0.01-0.1μm时，上述Al最高含有点部分，与上述现有(Al，Ti)N层相比，Al含量相对地变高，因此显示更优异的高温硬度和耐热性(高温特性)，另一方面，上述Al最低含有点部分，与上述Al最高含有点部分相比，Al含量低，Ti含量高，因此可确保高韧性，并且使这些Al最高含有点与Al最低含有点的间隔极小，从而作为层整体的特性，在保持高韧性的状态下，具备优异的高温特性，因此，形成这样构成的(Al，Ti)N层作为硬质被覆层的切削工具，在伴有高的发热的钢和铸铁等的高速切削加工中发挥优异的耐磨性。
发明内容
本发明是基于上述研究结果而完成的，提供一种在高速切削加工中硬质被覆层发挥优异的耐磨性的被覆切削工具，其特征在于，在切削工具基体表面以1-15μm的整体平均层厚物理蒸镀(Al，Ti)N构成的硬质被覆层而构成的被覆切削工具中，上述硬质被覆层沿层厚方向隔给定的间隔交替重复存在Al最高含有点(Ti最低含有点)和Al最低含有点(Ti最高含有点)，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，而且，上述Al最高含有点满足组成式(AlXTi1-X)N(其中，用原子比表示，X表示0.70-0.95)、上述Al最低含有点满足组成式(AlYTi1-Y)N(其中，用原子比表示，Y表示0.40-0.65)，并且相邻的上述Al最高含有点和Al最低含有点的间隔为0.01-0.1μm。
另外，本发明还提供一种在切削工具表面形成在高速切削加工中发挥优异的耐磨性的硬质被覆层的方法，其特征在于，在电弧离子镀装置内的转台上，在从上述转台的中心轴沿径向离开的位置自转自如地安装WC基超硬合金和/或TiCN基金属陶瓷和/或c-BN基烧结材料构成的切削工具，使上述电弧离子镀装置内的反应环境为氮气环境，使夹持上述转台而对置的Al最高含有点(Ti最低含有点)形成用Al-Ti合金阴极电极和Al最低含有点(Ti最高含有点)形成用Ti-Al合金阴极电极、和与这些阴极电极分别并列设置的阳极电极之间发生电弧放电，从而在于上述转台上一边自转一边旋转的上述切削工具的表面以1-15μm的整体平均层厚物理蒸镀(Al，Ti)N层构成的硬质被覆层，该(Al，Ti)N层沿厚度方向隔给定间隔交替重复存在Al最高含有点(Ti最低含有点)和Al最低含有点(Ti最高含有点)，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，而且，上述Al最高含有点满足组成式(AlXTi1-X)N(其中，用原子比表示，X表示0.70-0.95)、上述Al最低含有点满足组成式(AlYTi1-Y)N(其中，用原子比表示，Y表示0.40-0.65)，并且相邻的上述Al最高含有点和Al最低含有点的间隔为0.01-0.1μm。
下面说明如上所述限定本发明的硬质被覆层的构成的理由。
(a)Al最高含有点的组成构成硬质被覆层的(Al，Ti)N层中的Al是为了提高具有高韧性的TiN层的高温硬度和耐热性(高温特性)而含有的，因此，Al最高含有点的Al的比例(X)占与Ti的合计量的比例(原子比)不到0.70时，不能确保所要求的优异的高温特性，另一方面，该比例同样超过0.95时，Ti的比例过低，韧性急剧降低，切削刃容易发生碎屑(微小缺损)等，因此将其比例定为0.70-0.95。
(b)Al最低含有点的组成如上所述，Al最高含有点高温特性优异，但另一面是韧性差，因此为了弥补该Al最高含有点的韧性不足，在厚度方向交替存在Ti含有比例高、由此具有高韧性的Al最低含有点，因此，Al的比例(Y)占与Ti的合计量的比例(原子比)超过0.65时，不能确保所要求的优异的韧性，另一方面，其比例同样不到0.40时，Ti的比例相对过多，不能使Al最低含有点具备所要求的高温特性，因此将其比例定为0.40-0.65。
(c)Al最高含有点和Al最低含有点之间的间隔其间隔不到0.01μm时，难以以上述组成明确地形成各点，结果，对于层不能确保所要求的高温特性和韧性，另外，其间隔超过0.1μm时，各点具有的缺点，即，如果是Al最高含有点，则韧性不足，如果是Al最低含有点，则高温特性不足，在层内局部地显现，以此为因，切削刃容易发生碎屑，或者促进磨损发生，因此将其间隔定为0.01-0.1μm。
(d)硬质被覆层的整体平均层厚其层厚不到1μm时，不能确保所要求的耐磨性，另一方面，其平均层厚超过15μm时，切削刃容易发生碎屑，因此将其平均层厚定为1-15μm。
图1A、1B表示为形成构成本发明的被覆切削工具的硬质被覆层而使用的电弧离子镀装置，图1A是示意性俯视图，图1B是示意性主视图。
图2是为形成构成现有被覆切削工具的硬质被覆层而使用的通常的电弧离子镀装置的说明示意图。
图3A是被覆超硬刀片的示意性斜视图，图3B是被覆超硬刀片的示意性纵截面图。
图4A是被覆超硬立铣刀的示意性主视图，图4B是被覆超硬立铣刀切削刃部的示意性横截面图。
图5A是被覆超硬钻头的示意性主视图，图5B是被覆超硬钻头沟槽形成部的示意性横截面图。
具体实施例方式
下面通过实施方式具体说明本发明的被覆切削工具。
(实施方式1)首先，作为原料粉末，准备均具有1-3μm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粉末以及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，用球磨机湿式混合72小时，干燥后，以100MPa的压力加压成型为压粉体，将该压粉体在6Pa的真空中、在1400℃保持1小时的条件下烧结，烧结后，对切削刃部分实施R0.03的珩磨加工，制造具有ISO标准·CNMG120408的片形状的WC基超硬合金制的超硬基体A-1至A-10。
而且，作为原料粉末，准备均具有0.5-2μm的平均粒径的TiCN(按重量比计TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末以及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机湿式混合24小时，干燥后，以100MPa的压力加压成型为压粉体，这些压粉体之中，对于超硬基体B-1至B-6用的压粉体，在2kPa的氮气环境中、在温度1500℃保持1小时后炉冷的条件下烧结，另外，对于超硬基体B-7至B-9用的压粉体，室温-1300℃为1Pa的真空环境、1300℃-1350℃为1kPa的氮气环境、1350℃-1400℃为1Pa的真空环境、1400℃-1450℃为2kPa的氮气环境、然后1450℃-1500℃为1Pa的真空环境，升温到烧结温度1500℃，在上述烧结温度，作为3kPa的氮气环境保持1小时后，在炉冷的条件下烧结，烧结后，对切削刃部分实施R0.03的珩磨加工，制造具有ISO标准·CNMG120408的片形状的TiCN系金属陶瓷制的超硬基体B-1至B-9。
结果，对于得到的超硬基体B-1至B-9，用扫描电子显微镜观察其纵截面，超硬基体B-1至B-6都从表面到内部显示均质的(Ti)与(Zr、Ta、Nb、Mo和W之中的1种以上)的复合碳氮化物构成的硬质相、和以Co和Ni为主成分的结合相这2相组织，另一方面，超硬基体B-7至B-9，内部显示与上述2相组织相同的组织，但在表面部在距表面1-3μm的深度位置观察到不存在上述结合相的层，即观察到存在只由上述复合碳氮化物构成的表面层。
接着，在丙酮中分别超声波洗涤上述超硬基体A-1至A-10和B-1至B-9，在干燥的状态下，在图1A、1B所示的电弧离子镀装置内的转台上，于从上述转台的中心轴沿径向离开的位置自转自如地安装，夹持上述转台对向设置作为一侧阴极电极(蒸发源)的具有各种成分组成的Al最低含有点形成用Ti-Al合金、作为另一侧的阴极电极(蒸发源)的具有各种成分组成的Al最高含有点形成用Al-Ti合金，另外，也安装轰击洗涤用金属Ti，首先将装置内排气，保持成0.5Pa以下的真空，同时用加热器将装置内加热成500℃后，对在上述转台上一边自转一边旋转的超硬基体外加-1000V的直流偏电压，在阴极电极的上述金属Ti与阳极电极之间流过100A的电流，使之发生电弧放电，于是对上述超硬基体表面进行Ti轰击洗涤，接着，向装置内导入作为反应气体的氮气，形成2Pa的反应环境，同时，对在上述转台上一边自转一边旋转的上述超硬基体外加-100V的直流偏电压，在各个阴极电极(上述Al最低含有点形成用Ti-Al合金和Al最高含有点形成用Al-Ti合金)与阳极电极之间流过100A的电流，在使之发生电弧放电的条件下实施本发明方法，于是，在上述超硬基体的表面蒸镀硬质被覆层，该硬质被覆层沿厚度方向，交替地以该表3、4所示的目标间隔重复存在表3、4所示的目标组成的Al最低含有点和Al最高含有点，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，并且是该表3、4所示的目标整体层厚，从而分别制造了具有图3A的示意性斜视图、图3B的示意性纵截面图所示的形状的作为本发明被覆切削工具的本发明表面被覆超硬合金制多刃刀片(以下称为本发明被覆超硬刀片)1-19。
另外，为了比较，将这些超硬基体A-1至A-10和B-1至B-9在丙酮中超声波洗涤，在干燥的状态下，分别装入到图2所示的通常的电弧离子镀装置中，作为阴极电极(蒸发源)，安装具有各种成分组成的Al-Ti合金，将装置内排气，保持成0.5Pa以下的真空，同时用加热器将装置内加热成500℃后，向装置内导入Ar气，成为10Pa的Ar环境，在该状态下对上述超硬基体外加-800V的偏电压，对上述超硬基体表面进行Ar气轰击洗涤，接着，向装置内导入作为反应气体的氮气，形成2Pa的反应环境，同时，将外加在上述超硬基体的偏电压降低至-100V，在使上述阴极电极和阳极电极之间发生电弧放电的条件下，实施现有方法，于是，在上述超硬基体A-1至A-10和B-1至B-6的各表面上蒸镀具有表5、6所示的目标组成和目标层厚、并且沿层厚方向实质上没有组成变化的(Al，Ti)N层构成的硬质被覆层，从而分别制造了该图3A、3B所示的形状的作为现有被覆切削工具的现有表面被覆超硬合金制多刃刀片(以下称为现有被覆超硬刀片)1-19。
其次，对于上述本发明被覆超硬刀片1-19和现有被覆超硬刀片1-19，在将它用固定夹具紧固在工具钢制刀具的尖端部的状态下，进行被削材料JIS·SNCM439圆棒、切削速度300m/min.、进刀量1.5mm、送入量0.2mm/rev.、切削时间10分钟的条件下的合金钢的干式高速连续车削加工试验、和被削材料JIS·S50C的长度方向等间隔开有4条纵沟槽的圆棒、切削速度300m/min.、进刀量1.5mm、送入量0.25mm/rev.、切削时间10分钟的条件下的碳钢的干式高速断续车削加工试验、以及被削材料JIS·FC300的长度方向等间隔开有4条纵沟槽的圆棒、切削速度300m/min.、进刀量1.0mm、送入量0.25mm/rev.、切削时间10分钟的条件下的铸铁的干式高速断续车削加工试验，在所有的车削加工试验中都测定切削刃的后隙面磨损宽度。该测定结果如表3-6所示。
这些结果清楚地表明，对于烯键式不饱和单体如苯乙烯，亚硝基苯酚化合物及这种化合物与亚硝基苯胺化合物的混合物通常是非常有效的阻聚剂，并且它们作为阻聚剂的有效性可以通过伴随存在氧而极大地增强，这可以通过在空气存在时，进料终止后于稳态下产生的较低数量的聚合物和延长的阻聚时间而看出。
表12对于担载在未改性Al2O3上和在用SnOx改性的Al2O3上(～5.5Sn/nm2)的接近单分子层表面密度VOx区域的表面积对初级DME转化率和产品选择性的影响(513K；80.0kPa DME，18kPa O2和2kPa N2)
a在括号中的数据是通过排除CH3OH作为反应产物基于无CH3OH的报道，鉴于CH3OH在甲醛合成中的反应性和其有脱水重新形成CH3OCH3的倾向；bMF甲酸甲酯；cDMM二甲氧基甲烷；dCOxCO+CO2。
在说明书中提到的所有出版物和专利申请在此引入作为参考，如同各单独出版物或专利申请被具体和逐一指明引入作为参考。
虽然已经通过具体说明和用以清楚理解的实施例相当详细地描述了上述发明，对于那些本领域的普通技术人员而言，在本发明的教导下，不背离所附权利要求的精神和范围的一定变化和改进是显而易见的。
(实施方式2)作为原料粉末，准备具有平均粒径5.5μm的中粗粒WC粉末、0.8μm的微粒WC粉末、1.3μm的TaC粉末、1.2μm的NbC粉末、1.2μm的ZrC粉末、2.3μm的Cr3C2粉末、1.5μm的VC粉末、1.0μm的(Ti，W)C粉末以及1.8μm的Co粉末，将这些原料粉末分别配合成表7所示的配合组成，再加入蜡，在丙酮中用球磨机混合24小时，减压干燥后，以100MPa的压力加压成型为给定形状的各种压粉体，将这些压粉体在6Pa的真空环境中、以7℃/分的升温速度升温至1370-1470℃的范围内的给定温度，在该温度保持1小时后，在炉冷的条件下烧结，形成直径8mm、13mm以及26mm的3种超硬基体形成用圆棒烧结体，再由上述3种圆棒烧结体经磨削加工分别制造表7所示的组合、切削刃部的直径×长度分别具有6mm×13mm、10mm×22mm以及20mm×45mm尺寸的超硬基体(立铣刀)C-1至C-8。
接着，在丙酮中超声波洗涤这些超硬基体(立铣刀)C-1至C-8的表面，在干燥的状态下，装入到图1A、1B所示的电弧离子镀装置中，在与上述实施方式1相同的条件下实施本发明方法，蒸镀硬质被覆层，该硬质被覆层沿层厚方向交替地以表8所示的目标间隔重复存在表8所示的目标组成的Al最低含有点和Al最高含有点，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，并且是该表8所示的目标整体层厚，从而分别制造了具有图4A的示意性主视图、图4B的切削刃部示意性横截面图表示的形状的作为本发明被覆切削工具的本发明表面被覆超硬合金制立铣刀(以下称为本发明被覆超硬立铣刀)1-8。
另外，为了比较，在丙酮中超声波洗涤上述超硬基体(立铣刀)C-1至C-8的表面，在干燥的状态下，同样装入到图2所示的通常的电弧离子镀装置中，在与上述实施方式1相同的条件下实施现有方法，蒸镀具有表9所示的目标组成和目标层厚、并且沿层厚方向实质上没有组成变化的(Ti，Al)N层构成的硬质被覆层，从而分别制造了作为现有被覆切削工具的现有表面被覆超硬合金制立铣刀(以下称为现有被覆超硬立铣刀)1-8。
其次，上述本发明被覆超硬立铣刀1-8和现有被覆超硬立铣刀1-8之中，对于本发明被覆超硬立铣刀1-3和现有被覆超硬立铣刀1-3，进行被削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61的板材、切削速度180m/min.、沟槽深度(进刀量)2mm、台送入量850mm/分的条件下的工具钢的干式高速沟槽切削加工试验，对于本发明被覆超硬立铣刀4-6和现有被覆超硬立铣刀4-6，进行被削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SUS316的板材、切削速度160m/min.、沟槽深度(进刀量)3mm、台送入量800mm/分的条件下的不锈钢的干式高速沟槽切削加工试验，对于本发明被覆超硬立铣刀7、8和现有被覆超硬立铣刀7、8，进行被削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SCM440的板材、切削速度300m/min.、沟槽深度(进刀量)6mm、台送入量850mm/分的条件下的合金钢的干式高速沟槽切削加工试验，在所有的沟槽切削加工试验中，也测定了切削刃部的外周刃的后隙面磨损宽度直至达到被认为是使用寿命标准的0.1mm时的切削沟槽长。该测定结果分别如表8、9所示。
(实施方式3)使用上述实施方式2中制造的直径8mm(超硬基体C-1至C-3形成用)、13mm(超硬基体C-4至C-6形成用)、以及26mm(超硬基体C-7至C-8形成用)的3种圆棒烧结体，由这3种圆棒烧结体经磨削加工分别制造沟槽形成部的直径×长度分别具有4mm×13mm(超硬基体D-1至D-3)、8mm×22mm(超硬基体D-4至D-6)以及16mm×45mm(超硬基体D-7、D-8)的尺寸的超硬基体(钻头)D-1至D-8。
接着，对这些超硬基体(钻头)D-1至D-8的切削刃实施珩磨，在丙酮中超声波洗涤，在干燥的状态下同样装入到图1A、1B所示的电弧离子镀装置中，在与上述实施方式1相同的条件下实施本发明方法，蒸镀硬质被覆层，该硬质被覆层沿层厚方向交替地以表10所示的目标间隔重复存在表10所示的目标组成的Al最低含有点和Al最高含有点，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，并且是该表10所示的目标整体层厚，从而分别制造具有图5A的示意性主视图、图5B的沟槽形成部的示意性横截面图表示的形状的作为本发明被覆切削工具的本发明表面被覆超硬合金制钻头(以下称为本发明被覆超硬钻头)1-8。
另外，为了比较，对上述超硬基体(钻头)D-1至D-8的表面实施珩磨，在丙酮中超声波洗涤，在干燥的状态下同样装入到图2所示的通常的电弧离子镀装置中，在与上述实施方式1相同的条件下实施现有方法，蒸镀具有表11所示的目标组成和目标层厚、并且沿层厚方向实质上没有组成变化的(Ti，Al)N层构成的硬质被覆层，从而分别制造作为现有被覆切削工具的现有表面被覆超硬合金制钻头(以下称为现有被覆超硬钻头)1-8。
其次，上述本发明被覆超硬钻头1-8和现有被覆超硬钻头1-8之中，对于本发明被覆超硬钻头1-3和现有被覆超硬钻头1-3，进行被削材料平面尺寸100mm×250、厚度50mm的JIS·SKD61的板材、切削速度70m/min.、送入量0.15mm/rev.、孔深8mm的条件下的工具钢的湿式高速开孔切削加工试验，对于本发明被覆超硬钻头4-6和现有被覆超硬钻头4-6，进行被削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FCD450的板材、切削速度120m/min.、送入量0.25mm/rev.、孔深16mm的条件下的延性铸铁的湿式高速开孔切削加工试验，对于本发明被覆超硬钻头7、8和现有被覆超硬钻头7、8，进行被削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250的板材、切削速度180m/min.、送入量0.35mm/rev.、孔深24mm的条件下的铸铁的湿式高速开孔切削加工试验，在所有的湿式高速开孔切削加工试验(使用水溶性切削油)中，也测定了尖端切削刃面的后隙面磨损宽度直至达到0.3mm时的开孔加工数。该测定结果分别如表10、11所示。
(实施方式4)作为原料粉末，准备均具有0.5-4μm范围内的平均粒径的c-BN粉末、TiC粉末、TiN粉末、TiCN粉末、WC粉末、Al粉末、作为Ti与Al的金属间化合物粉末的Ti3Al粉末、TiAl粉末、以及TiAl3粉末、以及具有组成式Ti2AlN的复合金属氮化物粉末、TiB2粉末、AlN粉末、AlB2粉末、Al2O3粉末，将这些原料粉末配合成表12所示的配合组成，用球磨机湿式混合72小时，干燥后，以100MPa的压力加压成型为具有直径50mm×厚度1.5mm的尺寸的压粉体，接着，将该压粉体在压力1Pa的真空环境中、于900-1300℃的范围内的给定温度保持30分钟的条件下烧结，制作切削刀片用预烧结体。将该预烧结体在与另行准备的具有Co8质量％、WC余量的组成、以及直径50mm×厚度2mm的尺寸的WC基超硬合金制支撑片重合的状态下，装入到通常的超高压烧结装置中，在通常的条件压力5GPa、温度1200-1400℃的范围内的给定温度保持时间0.5小时的条件下，进行超高压烧结，烧结后将上下面用金刚石磨料研磨，用金属丝放电加工装置分割成单边3mm的正三角形状，而且，使用按质量％计具有Cu30％、Zn28％、Ni2％、Ag余量构成的组成的Ag合金钎焊材料，与具有Co5质量％、TaC5质量％、WC余量的组成以及CIS标准TNGA160408的形状(厚度4.76mm×单边长度16mm的正三角形)的WC基超硬合金制刀片本体的钎焊部(隅角部)钎焊，对它实施精加工研磨，从而分别制造c-BN基刀片基体A-R。
接着，在丙酮中超声波洗涤上述各个c-BN基刀片基体A-R，在干燥的状态下同样装入到图1A、1B所示的电弧离子镀装置中，在与上述实施方式1相同的条件下实施本发明方法，蒸镀形成硬质被覆层，该硬质被覆层沿层厚方向交替地以表13所示的目标间隔重复存在表13所示的目标组成的Al最低含有点和Al最高含有点，并且从上述Al最高含有点到Al最低含有点、从Al最低含有点到Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，并且是该表13所示的目标整体层厚，从而分别制造本发明被覆c-BN基工具1-18。
另外，为了比较，装入到图2所示的通常的电弧离子镀装置中，在与上述实施方式1相同的条件下实施现有方法，蒸镀具有表14所示的目标组成和目标层厚、并且沿层厚方向实质上没有组成变化的，(Ti，Al)N层构成的硬质被覆层，在上述c-BN基刀片基体A-R表面形成硬质被覆层，除此以外，在与上述本发明被覆c-BN基工具1-18的制造条件相同的条件下制造现有被覆c-BN基工具1-18。
其次，对于上述本发明被覆c-BN基工具1-18和现有被覆c-BN基工具1-18，在将它用固定夹具紧固在工具钢制刀具的尖端部的状态下，进行被削材料JIS·SMC440的长度方向等间隔开4条纵沟槽圆棒的渗碳淬火材料(表面硬度HRC60)、切削速度250m/min.、进刀量0.3mm、送入量0.07mm/rev.、切削时间10分钟的条件下的合金钢的干式高速断续切削加工试验、和被削材料JIS·S45C的长度方向等间隔开有4条纵沟槽圆棒的高频淬火材料(表面硬度HRC55)、切削速度300m/min.、进刀量0.1mm、送入量0.3mm/rev.、切削时间10分钟的条件下的碳钢的干式高速断续切削加工试验，以及被削材料JIS·FC300的长度方向等间隔开有4条纵沟槽的圆棒、切削速度500m/min.、进刀量0.5mm、送入量0.15mm/rev.、切削时间60分钟的条件下的铸铁的干式高速断续切削加工试验，在所有的车削加工试验中都测定切削刃的后隙面磨损宽度。该测定结果如表13、14所示。
此外，使用俄歇分光分析装置测定构成作为该结果得到的本发明被覆切削工具的本发明被覆超硬刀片1-19、本发明被覆超硬立铣刀1-8、本发明被覆超硬钻头1-8、和本发明被覆c-BN基工具1-18的硬质被覆层中的Al最低含有点和Al最高含有点的组成、以及作为现有被覆切削工具的现有被覆超硬刀片1-19、现有被覆超硬立铣刀1-8、现有被覆超硬钻头1-8、和现有被覆c-BN基工具1-18的硬质被覆层的组成，分别显示出与目标组成实质上相同的组成。
另外，使用扫描电子显微镜，对这些本发明被覆切削工具的硬质被覆层中的Al最低含有点和Al最高含有点之间的间隔、和它的整体层厚、以及现有被覆切削工具的硬质被覆层的厚度进行截面测定，都显示出与目标值实质上相同的值。
从表3-14所示的结果可知，硬质被覆层在层厚方向交替地隔给定间隔重复存在Al最低含有点和Al最高含有点，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构的本发明被覆切削工具，即使在伴有高的发热的高速下进行钢或铸铁的切削加工，都发挥优异的耐磨性，与此相对，对于硬质被覆层由沿层厚方向实质上没有组成变化的(Ti，Al)N层构成的现有被覆切削工具，在伴有高温的高速切削加工中，由于高温特性不足的原因，切削刃的磨损进行得快，在比较短的时间达到使用寿命。
如上所述，本发明的被覆切削工具，特别是在各种钢或铸铁等的高速切削加工中发挥优异的耐磨性，长期显示优异的切削性能，因此，能够充分满足地适应切削加工装置的高性能化以及切削加工的省力化和节能化、以及低成本化。
权利要求
1.一种在高速切削加工中硬质被覆层发挥优异的耐磨性的表面被覆切削工具部件，其特征在于，在碳化钨基超硬合金基体或碳氮化钛系金属陶瓷基体或立方晶氮化硼基烧结材料的表面以1-15μm的整体平均层厚物理蒸镀Al与Ti的复合氮化物构成的硬质被覆层而成的表面被覆切削工具部件中，上述硬质被覆层沿层厚方向隔给定间隔交替地重复存在Al最高含有点(Ti最低含有点)和Al最低含有点(Ti最高含有点)，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，而且，上述Al最高含有点满足组成式(AlXTi1-X)N(其中，用原子比表示，X表示0.70-0.95)，上述Al最低含有点满足组成式(AlYTi1-Y)N(其中，用原子比表示，Y表示0.40-0.65)，并且相邻的上述Al最高含有点和Al最低含有点的间隔为0.01-0.1μm。
2.一种在切削工具表面形成在高速切削加工中发挥优异的耐磨性的硬质被覆层的方法，其特征在于，在电弧离子镀装置内的转台上，于从上述转台的中心轴沿径向离开的位置，自转自如地安装碳化钨基超硬合金和/或碳氮化钛系金属陶瓷和/或立方晶氮化硼基烧结材料构成的切削工具，使上述电弧离子镀装置内的反应环境为氮气环境，使夹持上述转台而对向设置的Al最高含有点(Ti最低含有点)形成用Al-Ti合金的阴极电极和Al最低含有点(Ti最高含有点)形成用Ti-Al合金的阴极电极、和与这些阴极电极分别并列设置的阳极电极之间发生电弧放电，在上述转台上一边自转一边旋转的上述切削工具的表面以1-15μm的整体平均层厚物理蒸镀Al与Ti的复合氮化物构成的硬质被覆层，该硬质被覆层沿厚度方向隔给定间隔交替地重复存在Al最高含有点(Ti最低含有点)和Al最低含有点(Ti最高含有点)，并且从上述Al最高含有点到上述Al最低含有点、从上述Al最低含有点到上述Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，而且，上述Al最高含有点满足组成式(AlXTi1-X)N(其中，用原子比表示，X表示0.70-0.95)，上述Al最低含有点满足组成式(AlYTi1-Y)N(其中，用原子比表示，Y表示0.40-0.65)，并且相邻的上述Al最高含有点和Al最低含有点的间隔为0.01-0.1μm。
全文摘要
本发明提供在高速切削加工中硬质被覆层发挥优异的耐磨性的表面被覆切削工具部件。是在碳化钨基超硬合金基体或碳氮化钛系金属陶瓷基体或立方晶氮化硼基烧结材料的表面，以1－15μm的整体平均层厚物理蒸镀Al与Ti的复合氮化物构成的硬质被覆层而成的表面被覆切削工具部件，其中，用下述硬质被覆层构成该表面被覆切削工具部件的硬质被覆层，所述硬质被覆层沿层厚方向隔给定间隔交替地重复存在Al最高含有点(Ti最低含有点)和Al最低含有点(Ti最高含有点)，并且从Al最高含有点到Al最低含有点、从Al最低含有点到Al最高含有点，Al(Ti)含量具有连续变化的成分浓度分布结构，而且，Al最高含有点满足组成式(Al
文档编号C23C14/06GK1642682SQ0380661
公开日2005年7月20日 申请日期2003年1月14日 优先权日2002年1月21日
发明者佐藤和则, 近藤晓裕, 田中裕介 申请人:三菱综合材料神户工具株式会社, 三菱麻铁里亚尔株式会社