專利名稱：硬質(zhì)包覆層具備耐崩刀性、耐缺損性的表面包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)，其在伴有高熱發(fā)生并且斷續(xù)性或沖擊性負荷作用于切削刃的各種鋼或鑄鐵的高速斷續(xù)切削加工中，由于硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性，因此經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
背景技術(shù)：
以往通常已知在由碳化鎢(以下用WC表示)基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦(以下用TiCN表示)基金屬陶瓷構(gòu)成的基體(以下將這些統(tǒng)稱為工具基體)的表面形成由下述(a)及(b)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層而成的包覆工具(a)下部層，其為包括均被化學蒸鍍形成的Ti的碳化物(以下用TiC表示)層、氮化物(以下同樣用TiN表示)層、碳氮化物(以下用TiCN表示)層、碳氧化物(以下用TiCO表示)層及碳氮氧化物(以下用TiCNO表示)層中的I層或2層以上的Ti化合物層，(b)上部層，其為化學蒸鍍形成的氧化鋁(以下用Al2O3表示)層，并且已知該包覆工具使用于各種鋼或鑄鐵等的切削加工中。但是，所述包覆工具存在在較大的負荷施加于切削刃的切削條件下易產(chǎn)生崩刀、缺損等且工具壽命較短之類的問題，因此為了消除該問題，一直以來進行了各種提案。例如，專利文獻I中進行了如下提案作為硬質(zhì)包覆層，設(shè)置用TiCN膜進行表面加強且空穴率為5 30%的多孔質(zhì)Al2O3膜作為上部層，由此吸收緩和熱沖擊及機械性沖擊，從而改善包覆工具的耐崩刀性。另外，專利文獻2中進行了如下提案作為硬質(zhì)包覆層，設(shè)置空穴率為5 30%的多孔質(zhì)Al2O3膜作為上部層，在其上設(shè)置TiN膜作為表面層，由此吸收緩和熱沖擊及機械性沖擊，從而改善包覆工具的耐崩刀性。專利文獻I :日本專利公開2003-48105號公報專利文獻2 :日本專利公開2003-19603號公報近年來現(xiàn)狀為如下對切削加工中的節(jié)省勞力化及節(jié)能化的要求強烈，隨此，包覆工具逐漸在更加苛刻的條件下使用，例如，即使在所述專利文獻1、2所示的包覆工具中，使用于伴有高熱發(fā)生并且斷續(xù)性或沖擊性負荷進一步作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工時，由于上部層的耐機械沖擊性、耐熱沖擊性不充分，所以也會因切削加工時的高負荷而容易在切削刃上產(chǎn)生崩刀、缺損，其結(jié)果在較短時間內(nèi)達到使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明人等從如前述觀點出發(fā)，對即使在使用于伴有高熱發(fā)生并且斷續(xù)性或沖擊性負荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工時也由于硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的沖擊吸 收性而經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性的包覆工具進行了深入研究，結(jié)果獲得了以下見解。S卩，作為硬質(zhì)包覆層，在所述以往的形成多孔質(zhì)Al2O3層的上部層中，在整個Al2O3層內(nèi)形成有大致均勻孔徑的微小空穴，因此，空穴率越高則耐機械沖擊性、耐熱沖擊性越提高，但是相反空穴率越高則多孔質(zhì)Al2O3層的高溫強度、高溫硬度越下降，因此無法經(jīng)長期使用發(fā)揮充分的耐磨性，另外工具壽命也不能說是令人滿意的。因此，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)了如下內(nèi)容由包括Ti化合物層的下部層和包括Al2O3層的上部層構(gòu)成硬質(zhì)包覆層，上部層具有孔徑為2 50nm的微小空穴，該微小空穴的孔徑分布呈雙峰分布，從而不會引起Al2O3層的高溫強度和高溫硬度的下降，能夠提高耐機械沖擊性、耐熱沖擊性。另外，發(fā)現(xiàn)了作為雙峰分布在如下情況時更有效，即微小空穴的孔徑分布的第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為200 500個/ y m2，第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為10 50個/ y m2。 作為通過將微小空穴的孔徑分布設(shè)為雙峰分布來得到優(yōu)異的效果的理由，可以考慮如下原因，即較大孔徑的微小空穴吸收緩和熱沖擊及機械性沖擊，并提高耐缺損性、耐崩刀性，較小孔徑的微小空穴抑制Al2O3膜的導熱率，并提高熱屏蔽效果。并且，具備所述孔徑分布的微小空穴例如能夠通過以下化學蒸鍍法成膜。(a)在工具基體表面蒸鍍形成通常的包括Ti化合物層的目標厚度的下部層，(b)接著，利用AICI3-Co2-HCI-H2S-H2作為反應氣體，通過化學蒸鍍法形成Al2O3層作為上部層，(c)在所述(b)的成膜過程之后，停止導入上述反應氣體，同時在主要生成孔徑為2 IOnm的微小空穴的A條件(后述)下導入SF6系氣體來進行SF6蝕刻，(d)接著，再次進行所述(b)工序，(e)在所述(d)的成膜過程之后，停止導入上述反應氣體，同時在主要生成孔徑為20 50nm的微小空穴的B條件(后述)下導入SF6系氣體來進行SF6蝕刻，(f)接著，再次進行所述(b)工序，(g)通過反復進行所述(C) (f)工序，在上部層的Al2O3層中形成具有雙峰孔徑分布的微小空穴。通過上述(a) (g)，在工具基體表面形成包括目標層厚的下部層和上部層的硬質(zhì)包覆層，但是若用掃描型電子顯微鏡對所述硬質(zhì)包覆層進行截面組織觀察，則可確認到Al2O3層中形成孔徑為2 50nm的微小空穴，并且，微小空穴的孔徑分布呈如下雙峰分布，即第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為200 500個/ y m2，第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為10 50個/ y m2。并且發(fā)現(xiàn)，在硬質(zhì)包覆層的上部層中形成有前述的孔徑分布呈雙峰分布的微小空穴的本發(fā)明的包覆工具即使在使用于伴有高熱發(fā)生并且斷續(xù)性或沖擊性負荷作用于切削刃的鋼或鑄鐵的高速斷續(xù)切削加工時，硬質(zhì)包覆層的耐崩刀性、耐缺損性也優(yōu)異，經(jīng)長期使用能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。本發(fā)明是基于上述見解而完成的，其具有如下特征。(I) 一種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面設(shè)置硬質(zhì)包覆層，其中，所述硬質(zhì)包覆層包括下部層和上部層，(a)所述下部層，為包括Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的I層或2層以上且具有3 20 y m的合計平均層厚的Ti化合物層，(b)所述上部層，為具有I 25 y m的平均層厚的氧化鋁層，所述上部層具有孔徑為2 50nm的微小空穴，該微小空穴的孔徑分布呈雙峰分布。(2)如(1)所述的表面包覆切削工具，其中，所述微小空穴的孔徑分布的第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為200 500個/iim2，所述微小空穴的孔徑分布的第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為10 50個/iim2。以下對本發(fā)明進行詳細說明。下部層的Ti化合物層包括Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的I層或2層以上的Ti化合物層的下部層能夠在通常的化學蒸鍍條件下形成，其本身具有高溫強度，該下部層的存在不僅使硬質(zhì)包覆層具備高溫強度，并且由于均牢固地粘附于工具基體和包括Al2O3層的上部層而具有有助于提高硬質(zhì)包覆層相對工具基體的粘附性的作用，但是，其合計平均層厚不到3 u m時，無法充分發(fā)揮所述作用，另一方面，若其合計平均層厚超過20 ii m，則容易產(chǎn)生崩刀，因此將其合計平均層厚定為3 20 ii m。上部層的Al2O3層已周知構(gòu)成上部層的Al2O3層具備高溫硬度和耐熱性，但其平均層厚不到I ii m時，無法確保長期使用中的耐磨性，另一方面，若其平均層厚超過25 u m,則Al2O3晶粒容易粗大化，其結(jié)果除了降低高溫硬度、高溫強度以外，還降低高速斷續(xù)切削加工時的耐崩刀性、耐缺損性，因此將其平均層厚定為I 25 ii m。形成于上部層的微小空穴本發(fā)明的由Al2O3層構(gòu)成且孔徑為2 50nm的微小空穴以預定孔徑分布分散分布的上部層即使在切削刃暴露于高溫并且受機械性沖擊或熱沖擊的高速斷續(xù)切削加工中也具備優(yōu)異的高溫強度、高溫硬度，同時發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性?？讖椒植汲孰p峰分布的微小空穴的形成本發(fā)明的微小空穴能夠通過在形成以通常的化學蒸鍍條件成膜的上部層的過程中實施基于以下2個條件的蝕刻來形成。通過交替進行上部層成膜用的反應氣體的導入和基于以下2個條件的蝕刻，在上部層中形成具有呈雙峰分布的孔徑分布的微小空穴。(A 條件)在反應氣體組成(容量％ ):SF6 :5 10%、H2 :剩余；反應氣氛溫度800 950°C ；反應氣氛壓力4 9kPa 的條件下，進行7 40分鐘的SF6蝕刻。 (B 條件)
在反應氣體組成(容量％ ):SF6 :5 10%、H2 :剩余；反應氣氛溫度1000 1050°C ；反應氣氛壓力13 27kPa的條件下，進行5 40分鐘的SF6蝕刻。微小空穴的孔徑分布形態(tài)圖I中表示形成于在所述蝕刻條件下形成的本發(fā)明的上部層中的微小空穴的孔 徑分布圖。如圖I所示，本發(fā)明的上部層中存在孔徑為2 50nm的微小空穴，但其孔徑分布呈如下形態(tài)的雙峰分布，即第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為200 500個/ ii m2，另外，第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔徑計算孔時孔數(shù)密度為10 50 個 / y m2。本發(fā)明中，在微小空穴的孔徑分布中，將直徑為2 IOnm的較小的微小空穴的第I峰定在200 500個/ii m2的范圍內(nèi)是因為，若直徑為2 IOnm的較小的微小空穴的孔徑分布中的第I峰不到200個/ y m2,則無法充分發(fā)揮抑制Al2O3膜的導熱率、提高熱屏蔽效果之類的效果，另一方面，若超過500個/ y m2,則孔隙度變得過高，發(fā)生上部層脆化以及耐磨性降低。另外，在微小空穴的孔徑分布中，將直徑為20 50nm的較大的微小空穴的第2峰定在10 50個/ii m2的范圍內(nèi)是因為，在10個/ii m2以下或超過50個/ y m2的范圍，無法充分發(fā)揮吸收緩和熱沖擊或機械性沖擊之類的效果，并且無法充分發(fā)揮提高耐崩刀性、耐缺損性之類的效果。另外，本發(fā)明中，將微小空穴的孔徑定為2 50nm是因為，形成于上部層中的空穴的孔徑不到2nm時，無法期待緩沖效果，另一方面，若孔徑超過50nm，則上部層的韌性大大降低，為了維持上部層的高溫強度、高溫硬度的同時，保持對于斷續(xù)性或沖擊性負荷的緩沖效果，形成于上部層的微小空穴的孔徑必須為2 50nm。本發(fā)明的包覆工具中，作為硬質(zhì)包覆層，包覆形成包括Ti化合物層的下部層和包括Al2O3層的上部層，并且，上部層中具有孔徑分布呈雙峰分布的微小空穴，由此即使在使用于鋼或鑄鐵等的伴有高熱發(fā)生并且斷續(xù)性或沖擊性高負荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工時，耐崩刀性、耐缺損性也優(yōu)異，其結(jié)果，經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，實現(xiàn)包覆工具的長壽命化。
圖I表示形成于本發(fā)明包覆工具的上部層中的微小空穴的孔徑分布圖。
具體實施例方式接著，根據(jù)實施例具體說明本發(fā)明的包覆工具。[實施例]準備均具有I 3 ii m平均粒徑的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粉末作為原料粉末，將這些原料粉末配合成表I所示的配合組成，并且，加入蠟在丙酮中球磨混合24小時，減壓干燥后，以98MPa的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的壓坯，將該壓坯在5Pa的真空中并在以1370 1470°C范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持I小時的條件下真空燒結(jié)，燒結(jié)后，對切削刃部實施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此分別制造出具有ISO標準 CNMG120408中規(guī)定的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體A E。
另外，準備均具有0. 5 2iim平均粒徑的TiCN(以質(zhì)量比計為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粉末作為原料粉末，將這些原料粉末配合成表2所示的配合組成，用球磨機濕式混合24小時并干燥后，以98MPa的壓力沖壓成型為壓坯，將該壓坯在I. 3kPa的氮氣氛中并在以溫度1540°C保持I小時的條件下燒結(jié)，燒結(jié)后，對切削刃部分實施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此形成了具有ISO標準 CNMG120408的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制工具基體a e。 其次，利用通常的化學蒸鍍裝置，在這些工具基體A E及工具基體a e的表面，進行如下工序。(a)以表3所示的條件且表5所示的目標層厚蒸鍍形成Ti化合物層作為硬質(zhì)包覆層的下部層。(b)接著，以表3所示的條件蒸鍍形成Al2O3層作為硬質(zhì)包覆層的上部層。(c)接著，停止成膜(b)的Al2O3層，進行規(guī)定時間的基于表4所示的A條件的SF6蝕刻，另外再次進行(b)的成膜工序，再次停止之后進行規(guī)定時間的基于表4所示的B條件的SF6蝕刻，另外再次進行(b)的成膜工序。(d)反復進行所述(C)工序，并蒸鍍形成表5所示的目標層厚的Al2O3層。根據(jù)上述(a) (d)，蒸鍍形成包括表5所示的下部層及分布有表6所示的孔徑分布呈雙峰分布的微小空穴的表5所示的目標層厚的上部層(Al2O3層)的硬質(zhì)包覆層，由此制造出本發(fā)明包覆工具I 15。利用掃描型電子顯微鏡(倍率為50000倍)對所述本發(fā)明包覆工具I 15的上部層多視野觀察，結(jié)果確認了圖I所示的孔徑分布圖中所示的孔徑分布形態(tài)。另外，作為比較的目的，與本發(fā)明包覆工具I 15相同地以表3所示的條件且以表5所示的目標層厚在工具基體A E及工具基體a e的表面蒸鍍形成作為硬質(zhì)包覆層的下部層的Ti化合物層。接著，以表3所示的條件且以表5所示的目標層厚蒸鍍形成包括Al2O3層的上部層作為硬質(zhì)包覆層的上部層，由此制作了表5的比較包覆工具I 15。另外，利用掃描型電子顯微鏡測定了本發(fā)明包覆工具I 15及比較包覆工具I 15的各結(jié)構(gòu)層的層厚，結(jié)果均顯示出了實際上與表5所示的目標層厚相同的平均層厚。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面設(shè)置硬質(zhì)包覆層，其特征在于， 所述硬質(zhì)包覆層包括下部層和上部層， (a)所述下部層，為包括Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的I層或2層以上且具有3 20 μ m的合計平均層厚的Ti化合物層， (b)所述上部層，為具有I 25μ m的平均層厚的氧化鋁層， 所述上部層具有孔徑2 50nm的微小空穴，該微小空穴的孔徑分布呈雙峰分布。
2.如權(quán)利要求I所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 所述微小空穴的孔徑分布的第I峰存在于2 IOnm中，按2nm孔徑計算孔時第I峰中的孔數(shù)密度為200 500個/ μ m2， 所述微小空穴的孔徑分布的第2峰存在于20 50nm中，按2nm孔徑計算孔時第2峰中的孔數(shù)密度為10 50個/μ m2。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在高速斷續(xù)切削加工中硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀、耐缺損性的表面包覆切削工具。一種表面包覆切削工具，在包括WC硬質(zhì)合金、TiCN基金屬陶瓷的工具基體的表面蒸鍍形成有硬質(zhì)包覆層，所述硬質(zhì)包覆層包括(a)具備Ti化合物層的下部層及(b)具備氧化鋁層的上部層，其中，在所述上部層中分布有孔徑分布呈雙峰分布且孔徑為2～50nm的微小空穴。
文檔編號B23B27/14GK102626795SQ20121000691
公開日2012年8月8日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月3日
發(fā)明者中村惠滋, 富田興平, 長田晃, 龍岡翔 申請人:三菱綜合材料株式會社