專利名稱：：硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異耐磨性的表面包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：0001本發(fā)明涉及表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)，該表面包覆切削工具即便在伴有高發(fā)熱且對(duì)切削刃作用高負(fù)荷的高速重切削條件下，硬質(zhì)包覆層也不發(fā)生崩刃，經(jīng)長(zhǎng)期使用也可發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
背景技術(shù)：
：I0002J以往已知以下包覆工具。由碳化鴒(以下用wc表示)基硬質(zhì)合金(camentedcarbide)或碳氮化鈦(以下用TiCN表示)基金屬陶資構(gòu)成的基體(以下將其統(tǒng)稱為工具基體)的表面上蒸鍍形成有包括Ti化合物層的下部層和包括a型八1203層的上部層作為硬質(zhì)包覆層。該包覆工具中，對(duì)于上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面拋光面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線，測(cè)定包括六方晶晶體點(diǎn)陣的晶粒的構(gòu)成晶面的各個(gè)法線與上述表面拋光面的法線相交的角度。由該測(cè)定結(jié)果算出相鄰晶粒的相互的晶體取向關(guān)系，算出各個(gè)構(gòu)成界面的構(gòu)成原子在上述晶粒相互間共有一個(gè)構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(構(gòu)成原子共有陣點(diǎn))的分布。用2N+1表示存在N個(gè)上述構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)間不共有構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(其中，N為剛玉型密排六方晶體的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，在分布頻率上N的上限為28時(shí)，不存在4、8、14、24和26的偶數(shù))時(shí)，在表示各2:N+1占SN+1全體的分布比例的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)分布圖中，S3存在最高峰，且由表示上述13占SN+1全體的分布比例為60~80%的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)分布圖的a型八1203層構(gòu)成上部層。已知該包覆工具在高速間歇切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刃性。另外，對(duì)于上述包覆工具，還已知由含有少量Zr的a型(Al,Zr)203層(以下稱為現(xiàn)有AlZrO層)構(gòu)成的包覆工具。而且，已知該現(xiàn)有包覆工具也與上述一樣，可在高速間隔切削加工中發(fā)揮耐崩刃性。專利文獻(xiàn)1:特開2006-198735號(hào)公4艮專利文獻(xiàn)2:特開2006-289557號(hào)7>凈艮
發(fā)明內(nèi)容0003近年來切削裝置的高性能化顯著，另一方面對(duì)切削加工的省力化和節(jié)能化、以及低成本化的要求高。隨之而來，切削加工有更加高速化的趨勢(shì)，但對(duì)于上述現(xiàn)有包覆工具，在高速連續(xù)切削或高速間歇切削中使用時(shí)，上部層具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，耐沖擊性優(yōu)異，因此在可防止崩刃等發(fā)生上優(yōu)異。但是，構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的上部層的上述a型八1203層、上述現(xiàn)有AlZrO層的高溫強(qiáng)度和表面性狀無法令人滿意，因此在更高速條件下進(jìn)行重切削加工時(shí)，不僅容易發(fā)生崩刃，而且還容易發(fā)生熱塑性變形、不均勻磨損?，F(xiàn)狀是由于其引起的耐磨性的降低在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到使用壽命。100041于是，本發(fā)明人出于上述觀點(diǎn)，特別是對(duì)于在更高速條件下的切削加工中，不發(fā)生硬質(zhì)包覆層崩刃、缺損、剝離等，而且經(jīng)長(zhǎng)期使用可發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性的上部層的構(gòu)造進(jìn)行了研究，結(jié)果得出下述見解。(a)包括上述現(xiàn)有包覆工具的現(xiàn)有AlZrO層的上部層，例如用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，作為第l階段，在下述條件下，在作為下部層的Ti化合物層的表面形成具有滿足組成式(Ah《ZrJ203(其中，以原子比計(jì)，X為0.003-0.05)、優(yōu)選20~200nm(0.02~0.2nm)的平均層厚的Al-Zr復(fù)合氧化物核(以下稱為AlZrO核)薄膜，反應(yīng)氣體組成(容量％):A1C13:2.3~4%、ZrCU:0.02~0.13%、C02:1~5%、HC1:1.5~3%、H2S:0.05-0.2%、H2:余量、反應(yīng)氣氛溫度750~900°C、反應(yīng)氣氛壓力6~10kPa。接著，將加熱氣氛變?yōu)閴毫?~13kPa的氫氣氛，且將加熱氣氛溫度升溫為1100-1200。C,在上述條件下對(duì)上述AlZrO核薄膜實(shí)施加熱處理的狀態(tài)下，作為第2階段，在下述條件下進(jìn)行蒸鍍，反應(yīng)氣體組成(容量％):A1C13:2.3~4%、ZrCl4:0.02~0.13%、C02:3~8%、HC1:1.5~3%、H2S:0.05~0.2%、H2:余量、反應(yīng)氣氛溫度1020~1050°C、反應(yīng)氣氛壓力610kPa。結(jié)果，形成了具有Zr成分占其與Al成分的總量的含量比例為0.003~0.05(原子比)組成的現(xiàn)有AlZrO層。而且，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)該現(xiàn)有AlZrO層進(jìn)行組織觀察時(shí)，組織結(jié)構(gòu)如下如圖2(a)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，晶粒為微細(xì)的多邊形，另外，如圖2(b)所示，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，在層表面存在角錐狀的凹凸，晶粒在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀(以下稱為"凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀")。0005(b)另一方面，在作為硬質(zhì)包覆層的下部層的Ti化合物層上用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，首先，作為第l階段，在下述條件下進(jìn)行蒸鍍，(1)反應(yīng)氣體組成(容量％):A1C13:1~5%、C02:2~6%、HC1:1~5%、H2S:0.25~0.75%、H2:余量、(2)反應(yīng)氣氛溫度960~1010°C、(3)反應(yīng)氣氛壓力6~10kPa。之后，作為第2階段，在下述條件下進(jìn)行蒸鍍，(1)反應(yīng)氣體組成(容量％):A1C13:6~10%、5ZrCl4:0.6~1.2%、C02:4~8%、HC1:3~5%、H2S:0.25~0.6%、H2:余量、(2)反應(yīng)氣氛溫度920~1000°C、(3)反應(yīng)氣氛壓力6-10kPa。結(jié)果，形成了包括平均層厚為2~15|iim的含Zr的a型氧化鋁層(以下稱為"改性AlZrO層")的上部層。在該條件下形成的改性AlZrO層，具有滿足該層中Zr成分占其與Al成分的總量的含有比例為0.002~0.01(原子比)的組成。I0006J(c)然后，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)該上述改性AlZrO層進(jìn)行組織觀察。組織結(jié)構(gòu)如下如圖1(a)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，晶粒為大粒徑的的平板多邊形，另外，如圖l(b)所示，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，層表面幾乎平坦，晶粒在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀(以下稱為"凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀")。特別是在上述改性AlZrO層的蒸鍍形成之際，以進(jìn)一步限定的蒸鍍條件(例如，第1階段的反應(yīng)氣體中的H2S為0.50~0.75容量％,反應(yīng)氣氛溫度為980~IOO(TC,第2階段的反應(yīng)氣體中的的ZrCU為0.6~0.9容量％,H2S為0.25~0.4容量％,反應(yīng)氣氛溫度為96098(TC的條件)進(jìn)行蒸鍍。結(jié)果，如圖1(c)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，晶粒為大粒徑的的平坦六邊形。另外，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，與圖1(b)所示的相同，層表面幾乎平坦，晶粒在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀。該晶粒在垂直于層厚方向的面內(nèi)形成占全體35%以上的面積比例的組織結(jié)構(gòu)。對(duì)于該改性AlZrO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面拋光面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線，測(cè)定包括六方晶晶體點(diǎn)陣的晶體點(diǎn)陣面的各個(gè)法線與上述表面拋光面的法線相交的角度。由該測(cè)定結(jié)果算出相鄰晶體點(diǎn)陣相互的晶體取向關(guān)系，算出各個(gè)構(gòu)成晶體點(diǎn)陣界面的構(gòu)成原子在上述晶體點(diǎn)陣相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(構(gòu)成原子共有陣點(diǎn))的分布。用2N+1表示存在N個(gè)上述構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)間不共有構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(其中，N為剛玉型密排六方晶體的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，在分布頻率上N的上限為28時(shí)，不存在4、8、14、24和26的偶數(shù))的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)時(shí)，如圖3所示，構(gòu)成改性AlZrO層的平板多邊形豎長(zhǎng)狀晶粒中，以面積比率計(jì)為60%以上的上述晶粒的內(nèi)部#皮至少一個(gè)以上的、包括用23表示的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)的晶體點(diǎn)陣界面(以下稱為23對(duì)應(yīng)界面)隔斷。I0007J(d)包括以上述(b)的第1階段和第2階段的化學(xué)蒸鍍條件(以下稱為本發(fā)明條件)蒸鍍形成的改性AlZrO層的上部層，其表面的晶面與垂直于該層的層厚方向的面內(nèi)的晶面(例如(0001))具有相同取向。為此，(在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，層表面形成幾乎平坦的平板狀，由于該表面性狀而顯示優(yōu)異的耐崩刃性。進(jìn)而，由于平板多邊形豎長(zhǎng)狀的晶粒內(nèi)部的23對(duì)應(yīng)界面的存在而提高晶粒內(nèi)強(qiáng)度，因此與現(xiàn)有包覆工具的現(xiàn)有AlZrO層相比，具有格外優(yōu)異的高溫硬度、高溫強(qiáng)度、削刃部作用高負(fù)荷的高速重切削加工中,一也不會(huì)發(fā)生崩刃、'、缺i、、剝離等，可長(zhǎng)期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。0008本發(fā)明基于上述發(fā)現(xiàn)而成，具有以下特征。(1)一種表面包覆切削工具(包覆工具)，其在由碳化鴒基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面上，蒸鍍形成包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層，(a)下部層為包括全體平均層厚為3~20nm的Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層、和碳氮氧化物層中的1層或2層以上的Ti化合物層，(b)上部層為具有2~15pm的平均層厚，且具有a型的晶體結(jié)構(gòu)，含有Zr的氧化鋁層；用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述上部層進(jìn)行組織觀察時(shí)，具有包括在垂直于層厚方向的面內(nèi)具有平板多邊形、或在平行于層厚方向的面內(nèi)呈豎長(zhǎng)狀的晶粒的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)于該上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射7圖像裝置，對(duì)存在于表面拋光面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線，測(cè)定包括六方晶晶體點(diǎn)陣的晶體點(diǎn)陣面的各個(gè)法線與上述表面拋光面的法線相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果算出相鄰晶體點(diǎn)陣相互的晶體取向關(guān)系，算出各個(gè)構(gòu)成晶體點(diǎn)陣界面的構(gòu)成原子在上述晶體點(diǎn)陣相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(構(gòu)成原子共有陣點(diǎn))的分布，用SN+1表示存在N個(gè)上述構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)間不共有構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(其中，N為剛玉型密排六方晶體的晶體結(jié)構(gòu)上2.以上的偶數(shù)，在分布頻率上N的上限為28時(shí)，不存在4、8、14、24和26的偶數(shù))的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)時(shí)，構(gòu)成上述上部層的晶粒中，以面積比率計(jì)為60%以上的晶粒的內(nèi)部被至少一個(gè)以上的、包括用S3表示的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)的晶體點(diǎn)陣界面隔斷。(2)如上述(1)所述的表面包覆切削工具(包覆工具)，其中，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述上部層(b)進(jìn)行組織觀察時(shí)，在垂直于層厚方向的面內(nèi)具有平坦六邊形、或在平行于層厚方向的面內(nèi)在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀的晶粒，在垂直于層厚方向的面內(nèi)占全體35%以上的面積、比例。0009下面對(duì)于本發(fā)明的包覆工具的硬質(zhì)包覆層的構(gòu)成層進(jìn)行更詳細(xì)地說明。(a)下部層(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、和碳氮氧化物層中的1層或2層以上的Ti化合物層，作為硬質(zhì)包覆層的下部層存在。由于自身具有的優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，除了有助于提高硬質(zhì)包覆層的高溫強(qiáng)度，此外還牢固地密合于工具基體和改性AlZrO層中任一個(gè)上。因此，具有提高對(duì)硬質(zhì)包覆層的工具基體的接合強(qiáng)度的作用。但是，如果其平均層厚不到3pm,則無法充分發(fā)揮上述作用。另一方面，如果其平均層厚超過20|im，則在伴有熱別高熱發(fā)生的高速切削中易于引起熱塑性變形，這會(huì)引起不均勻磨損，因此將其平均層厚規(guī)定為3-2(Him。I0010J(b)上部層(改性AlZrO層)對(duì)于包括在下部層上化學(xué)蒸鍍有改性AlZrO層的上部層，由于其構(gòu)成成分的A1成分，使層的高溫硬度和耐熱性提高。另外，層中微量(以8其占與Al的總量的比例計(jì)，Zr/(A1+Zr)為0.002~0.01(原子比))含有的Zr成分提高改性AlZrO層的晶體晶界強(qiáng)度，有助于提高高溫強(qiáng)度。但是，如果Zr成分的含有比例不到0.002,則無法實(shí)現(xiàn)上述作用。另一方面，如果Zr成分的含有比例超過O.Ol,則由于層中析出Zr02粒子，晶界強(qiáng)度降低。因此，Zr成分占其與Al的總量的含有比例(Zr/(A1+Zr)的比^直)伊C選為0.002~0.01(原子比)。0011上述改性AlZrO層，例如可通過如下調(diào)整蒸鍍時(shí)的反應(yīng)氣體組成、反應(yīng)氣氛溫度和反應(yīng)氣氛壓力的各化學(xué)蒸鍍條件而蒸鍍形成。即，首先，在下述條件下，進(jìn)行第1階段的蒸鍍約1小時(shí)。(1)反應(yīng)氣體組成(容量％):A1C13:1~5%、C02:2~6%、HC1:1~5%、H2S:0.25~0.75%、H2:余量、(2)反應(yīng)氣氛溫度960~1010°C、(3)反應(yīng)氣氛壓力6~10kPa。之后，在下述條件下進(jìn)行第2階段的蒸鍍。(1)反應(yīng)氣體組成(容量％):A1C13:6~10%、ZrCU:0.6~1.2%、C02:4~8%、HC1:3~5%、H2S:0.25~0.6%、H2:余量、(2)反應(yīng)氣氛溫度920~1000°C、(3)反應(yīng)氣氛壓力6~10kPa。由此，如果成膜2~15|im的平均層厚的蒸鍍層，則可形成Zr/(Al+Zr)的比值以原子比計(jì)為0.002~0.01的改性AlZrO層。0012J對(duì)于上述改性AlZrO層，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀9察。如圖1(a)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，為晶體粒徑大的平板多邊形，另外，如圖1(b)所示，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，形成層表面幾乎平坦，且包括在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀的晶粒(平板多邊形豎長(zhǎng)狀晶粒)的組織結(jié)構(gòu)。由于改性AlZrO層的該層表面的平坦性，與表面存在凹凸的現(xiàn)有AlZrO層相比，耐崩刃性格外提高。特別是，在上述改性AlZrO層的蒸鍍中，以進(jìn)一步限定的條件(例如，第1階段的反應(yīng)氣體中的H2S為0.50-0.75容量％,反應(yīng)氣氛溫度為980~1000°C，第2階段的反應(yīng)氣體中的的ZrCU為0.6~0.9容量％，H2S為0.25~0.4容量％,反應(yīng)氣氛溫度為96098(TC的條件)進(jìn)行蒸鍍。結(jié)果，如圖1(c)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，為大粒徑的的平坦六邊形。另外，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí)，與圖1(b)所示的相同，層表面幾乎平坦。在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀的晶粒在垂直于層厚方向的面內(nèi)形成占全體35%以上的面積比例的組織結(jié)構(gòu)。應(yīng)說明的是，在現(xiàn)有AlZrO層中，其表面的晶面具有與垂至于該層的層厚方向的面內(nèi)的晶面(例如(0001))不同的取向(例如，具有(1-102)。因此，(在平行于層厚方向的面內(nèi)觀察時(shí))如圖2(b)所示，層表面存在角錐狀的凹凸，為此，耐崩刃性變差。對(duì)于該改性AlZrO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面拋光面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線，測(cè)定包括六方晶晶體點(diǎn)陣的晶體點(diǎn)陣面的各個(gè)法線與上述表面拋光面的法線相交的角度。由該測(cè)定結(jié)果算出相鄰晶體點(diǎn)陣相互的晶體取向關(guān)系，算出各個(gè)構(gòu)成晶體點(diǎn)陣界面的構(gòu)成原子在上述晶體點(diǎn)陣相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(構(gòu)成原子共有陣點(diǎn))的分布。用SN+1表示存在N個(gè)上述構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)間不共有構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(其中，N為剛玉型密排六方晶體的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，在分布頻率上N的上限為28時(shí)，不存在4、8、14、24和26的偶數(shù))的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)時(shí)，如圖3所示，可知構(gòu)成改性AlZrO層的上述平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀晶粒中，以面積比率計(jì)為60%以上的晶粒的內(nèi)部，-故至少一個(gè)以上的、23對(duì)應(yīng)界面隔斷。在改性AlZrO層的平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀晶粒的內(nèi)部，存在上述23對(duì)應(yīng)界面。由此，可實(shí)現(xiàn)晶粒內(nèi)強(qiáng)度的提高。結(jié)果，在高速重切削加工時(shí)，可抑制改性AlZrO層中發(fā)生崩刃。另外，即便發(fā)生崩刃，也可以阻礙崩刃的擴(kuò)大、傳播，可實(shí)現(xiàn)耐崩刃性、耐缺損性、耐剝離性的提高。0013J因此，在平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀晶粒的內(nèi)部存在s:3層,；即便在伴有各種鋼、鑄鐵等高發(fā)熱且對(duì)切削刃部作用高負(fù)荷的高i重切削加工中，也不會(huì)發(fā)生崩刃、缺損、剝離等，可長(zhǎng)期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。但是，如果包括改性AlZrO層的上部層的層厚小于2pm,則無法充分發(fā)揮上述上部層的優(yōu)異的特性。另一方面，如果上部層的層厚超過15pm，則容易發(fā)生由不均勻磨損引起的熱塑性變形，還容易發(fā)生崩刃。因此，將上部層的平均層厚規(guī)定為2~15pm。0014應(yīng)說明的是，對(duì)于硬質(zhì)包覆層的上部層包括現(xiàn)有AlZrO層的現(xiàn)有包覆工具，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射圖像裝置，考察上部層的晶粒的組織結(jié)構(gòu)和構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)。對(duì)于晶粒的組織結(jié)構(gòu)，具有圖2(a)、(b)所示的角錐狀的凹凸，具有包括多邊形豎長(zhǎng)狀的晶粒的組織結(jié)構(gòu)，因此與改性AlZrO層相比，耐磨性不充分。另外，對(duì)于晶粒的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)，構(gòu)成現(xiàn)有AlZrO層的凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀晶粒的內(nèi)部存在的23對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例小至40%以下，無法實(shí)現(xiàn)晶粒內(nèi)強(qiáng)度的提高。因此，硬質(zhì)包覆層的上部層由現(xiàn)有AlZrO層構(gòu)成的現(xiàn)有包覆工具，在伴有高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)切削刃部作用高負(fù)荷的高速重切削加工中，無法防止崩刃、缺損、剝離等的發(fā)生，進(jìn)而無法滿足耐磨性。0015如上所述，本發(fā)明的包覆工具，對(duì)于構(gòu)成上部層的改性AlZrO層，制成包括具備表面平坦性的平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀的晶粒的組織結(jié)構(gòu)。進(jìn)而，在上述晶粒內(nèi)部形成S3對(duì)應(yīng)界面,強(qiáng)化了晶粒內(nèi)強(qiáng)度。因此，與包括凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀的晶粒、將晶粒內(nèi)S3對(duì)應(yīng)界面少的現(xiàn)有AlZrO層作為上部層的現(xiàn)有包覆工具相比，除了現(xiàn)有AlZrO層具有的高溫硬度、耐熱性，還兼具格外優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和格外優(yōu)異的耐磨性。結(jié)果，在伴有高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)切削刃部作用高負(fù)荷的高速重切ii削條件下切削加工各種鋼或鑄鐵等時(shí)，也可以發(fā)揮硬質(zhì)包覆層優(yōu)異的耐崩刃性、耐缺損性、耐剝離性和優(yōu)異的耐磨性，可進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命。圖1(a)是對(duì)于包括本發(fā)明包覆工具1的改性AlZrO層的上部層，在垂直于層厚方向的面內(nèi)利用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察而得到的顯示平板多邊形的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖。(b)是同樣地在平行于層厚方向的面內(nèi)利用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察而得到的表示層表面幾乎平坦、層厚方向呈豎長(zhǎng)狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖。(c)是對(duì)于本發(fā)明包覆工具11的包括改性AlZrO層的上部層，在垂直于層厚方向的面內(nèi)利用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察而得到的顯示平坦六邊形的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2(a)對(duì)于包括現(xiàn)有包覆工具1的現(xiàn)有AlZrO層的上部層，在垂直于層厚方向的面內(nèi)利用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察而得到的顯示多邊形的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖。(b)是同樣地在平行于層厚方向的面內(nèi)利用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察而得到的表示層表面具有角錐狀的凹凸、層厚方向呈豎長(zhǎng)狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是對(duì)于包括本發(fā)明包覆工具1的改性AlZrO層的上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置測(cè)定的在垂直于厚度方向的面內(nèi)的晶界解析圖。實(shí)線表示用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察的平板多邊形的晶體晶界，虛線表示通過電子背散射衍射圖像裝置測(cè)定的S3對(duì)應(yīng)界面。具體實(shí)施例方式0016下面，通過實(shí)施例更具體地說明本發(fā)明的包覆工具。實(shí)施例0017J作為原料粉末，準(zhǔn)備平均粒徑均為24^im的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC4分末、CrgC2粉末、TiN粉末、TaN粉末、和Co粉末。將這些原料粉末按表1所示的配合組成配合。再加入蠟，在丙酮中球磨混合24小時(shí)，減壓干燥。之后，在98MPa的壓力下沖壓成形為規(guī)定形狀的壓粉體。將該壓粉體在5Pa的真空中、于1370-1470。C的范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持1小時(shí)的條件下真空燒結(jié)。燒結(jié)后，通過對(duì)切削刃部實(shí)施R:0.07mm的珩磨加工，分別制造具有ISOCNMG120408MA規(guī)定的可轉(zhuǎn)位刀片形狀(throwawaytip)形的WC基硬質(zhì)合金制的工具基體A~E。0018另夕卜，作為原料粉末，準(zhǔn)備平均粒徑均為0.5-2iim的TiC粉末(以質(zhì)量比計(jì)TiC/TiN=50/50)粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末、和Ni粉末。將這些原料粉末按表2所示的配合組成配合。用球磨濕式混合24小時(shí)，干燥。之后，在98MPa的壓力下沖壓成形為壓粉體。將該壓粉體在1.3kPa的氮?dú)夥罩?、溫?54(TC下保持1小時(shí)的條件下燒結(jié)。燒結(jié)后，通過對(duì)切削刃部實(shí)施R:0.07mm的對(duì)磨加工，形成具有ISOCNMG120408MA規(guī)定的刀片(tip)形狀的TiCN基金屬陶瓷制的工具基體a~e。0019然后，將這些工具基體A~E和工具基體a~e分別裝入通常的化學(xué)蒸鍍裝置，首先利用表3(表3中的l-TiCN表示特開平6-8010號(hào)公報(bào)記載的豎長(zhǎng)生長(zhǎng)晶體組織的TiCN層的形成條件，除此之外表示通常的粒狀晶體組織的形成條件)所示的條件，以表6所示的組合和目標(biāo)層厚，將Ti化合物層蒸鍍形成為硬質(zhì)包覆層的下部層。接著，利用表4所示的蒸鍍條件，通過同樣地將表6所示的目標(biāo)層厚的改性AlZrO層蒸鍍形成為硬質(zhì)包覆層的上部層，分別制造本發(fā)明包覆工具1~15。0020另外，為了比較，在與本發(fā)明包覆工具115相同條件下蒸鍍形成下部層后，作為硬質(zhì)包覆層的上部層，在表5所示的條件下，以表7所示的組合和目標(biāo)層厚形成AlZrO層，由此分別制造現(xiàn)有包覆工具1~15.0021接著，對(duì)于構(gòu)成上述本發(fā)明包覆工具1~15和現(xiàn)有包覆工具1~15的硬質(zhì)包覆層的上部層的改性AlZrO層和現(xiàn)有AlZrO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型電子顯微鏡、電子背散射衍射圖像裝置，考察晶粒組織結(jié)構(gòu)和構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)。即，首先，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1~15的改性AlZrO層和現(xiàn)有包覆工具1~5的現(xiàn)有AlZrO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察。對(duì)于本發(fā)明包覆工具，觀察到圖1(a)、(b)代表性地表示的平板多邊形(包括平坦六邊形)且豎長(zhǎng)狀的大粒徑的晶粒組織結(jié)構(gòu)(應(yīng)說明的是，圖1(a)是垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察到的本發(fā)明包覆工具1的組織結(jié)構(gòu)示意圖，而圖1(c)是垂直于層厚方向的面內(nèi)觀察到的本發(fā)明包覆工具11的平坦六邊形且豎長(zhǎng)狀的大粒徑晶粒組織結(jié)構(gòu)示意圖。另一方面，對(duì)于現(xiàn)有包覆工具，如圖2(a)、(b)代表性地所示，觀察到多邊形且豎長(zhǎng)狀的晶粒組織。但是，各晶粒的粒徑比本發(fā)明的小，且從圖2(b)可以明顯看出層表面形成了角錐狀的凹凸(應(yīng)說明的是，圖2(a)、(b)是現(xiàn)有包覆工具1的組織結(jié)構(gòu)示意圖)。0022J接著，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1~15的改性AlZrO層和現(xiàn)有包覆工具1-5的現(xiàn)有AlZrO層，測(cè)定構(gòu)成各層的晶粒的內(nèi)部存在23對(duì)應(yīng)界面的晶纟立的面積比例。首先，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1~15的改性AlZrO層，以使其表面為拋光面的狀態(tài)，固定在場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡的鏡筒內(nèi)。對(duì)上述表面拋光面，以lnA的照射電流，向各個(gè)上述表面拋光面的測(cè)定范圍內(nèi)存在的具有六方晶晶體點(diǎn)陣的晶粒分別以70度的入射角度照射15kV的加速電壓的電子射線。使用電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)30x50pm的區(qū)域以O(shè).lpm/步的間隔，測(cè)定上述晶粒的各晶體點(diǎn)陣面的各法線與上述表面拋光面的法線相交的角度。由該測(cè)定結(jié)果，算出相鄰晶體點(diǎn)陣相互的晶體取向關(guān)系，算出構(gòu)成晶體點(diǎn)陣界面的各構(gòu)成原子在上述晶體點(diǎn)陣相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的陣點(diǎn)(構(gòu)成原子共有陣點(diǎn))的分布。用SN+1表示存在N個(gè)(其中，N為剛玉型密排六方晶體的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，在分布頻率上N的上限為28時(shí)，不存在4、8、14、24和26的偶數(shù)。)上述構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)間不共有構(gòu)成原子的陣點(diǎn)的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)時(shí)，求出改性AlZrO層的測(cè)定范圍內(nèi)存在的所有晶粒中，在晶粒內(nèi)部存在至少一個(gè)以上的23對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例，將其值示于表6。接著，對(duì)于現(xiàn)有包覆工具115的現(xiàn)有AlZrO層，也通過與本發(fā)明包覆工具時(shí)的相同的方法，求出現(xiàn)有AlZrO層的測(cè)定范圍內(nèi)存在的所有14晶粒中，在晶粒內(nèi)部存在至少一個(gè)以上的23對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例，將其值示于表7。0023J如表6、表7所示，在本發(fā)明包覆工具的改性AlZrO層中，存在S3對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例為60%以上。與此相對(duì)，在現(xiàn)有包覆工具的現(xiàn)有AlZrO層中，存在23對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例為40%以下?？芍Я?nèi)部存在的S3對(duì)應(yīng)界面率非常小。0024進(jìn)而使用掃描型電子顯微鏡測(cè)定(縱切面測(cè)定)本發(fā)明包覆工具1~15和現(xiàn)有包覆工具1~15的硬質(zhì)包覆層的構(gòu)成層的厚度。均顯示了與目標(biāo)層厚基本相同的平均層厚(測(cè)定5點(diǎn)的平均值)。另外，對(duì)于本發(fā)明包覆工具11~15改性AlZrO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡，求出垂直于層厚方向的面內(nèi)存在的大粒徑平坦六邊形晶粒的面積比例，將其值示于表6。應(yīng)說明的是，本發(fā)明所說的"大粒徑的平坦六邊形"的晶粒是指"計(jì)測(cè)通過場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察的垂直于厚度方向的面內(nèi)存在的粒子的直徑，10個(gè)粒子的平均值為3~8pm,具有頂點(diǎn)的角度為100~140°的6個(gè)頂角的多邊形。"。0025接著，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1~15和現(xiàn)有包覆工具1~15的各種包覆工具，均在工具鋼制車刀的前端部用固定夾具螺栓固定，在該狀態(tài)下進(jìn)行以下試^^。被切削材料JISS45C的圓棒切削速度450m/min切深2.5mm進(jìn)給0.7mm/rev切削時(shí)間8分鐘在上述條件下進(jìn)行碳素鋼的干式高速高進(jìn)給切削試驗(yàn)(通常的切削速度和進(jìn)給量分別是250m/min、0.3mm/rev)。[切削條件B]被切削材料JISSCM440的圓棒15切削速度320m/min切深2.2mm進(jìn)給0.3mm/rev切削時(shí)間5分鐘在上述條件下進(jìn)行鉻鉬合金鋼的干式高速高切深切削試驗(yàn)(通常的切削速度和切深量分別是250m/min、1.5mm)。[切削條件C]被切削材料JISFC300的圓棒切削速度545m/min切深5.6mm進(jìn)纟會(huì)0.6mm/rev切削時(shí)間5分鐘在上述條件下進(jìn)行鑄鐵的濕式高速高切深切削試驗(yàn)(通常的切削速度和切深量分別是350m/min、2.5mm)。所有的切削試驗(yàn)均測(cè)定切削刃的后刀面磨耗寬度。該測(cè)定結(jié)果見表10026J表1類別配合組成(質(zhì)量％)CoTiCZrCvcTaCNbCCr3C2TiNTaNWC工具A7--一一一-一余量基體B5.7一--1.50.5-1.2-余量C5.72.3-一--1—-余量D8.5—0.5--一0.5--余量E12.52-—-一-12余量0027表2類別配合組成(質(zhì)量％)CoNiZrCTaCNbCMo2CWCTiCN工具基體126-10-1016余量b77--7.5—余量c5--1610余量d96-ii2——余量8518-1010余量0028表3硬質(zhì)包覆層的下部層形成條件(反應(yīng)氣氛的壓力用kPa表示，溫度用'C表示)反應(yīng)氣體組成(容量％)反應(yīng)氣氛壓力溫度TiC層TiCl4:4.2%,CH4:8.5%，H2:余量71020TiN層(第1層)TiCl4:4.2%,N2:30%,H2:余量30900TiN層(其他層)TiCl4:4.2%,N2:35%,H2:余量501040l-TiCo.美5層TiCl4:4.2%,N2:20%,CH3CN:0.6%,H2:余量7900TiCN層TiCl4:4.2%,N2:20%,CH4:4%,仏:余量121020TiCO層TiCl4:4.2%，CO:4%,H2:余量71020TiCNO層TiCl4:4.2%,CO:3%,CH4:3%,N2:20%,H2:余量20102017<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>現(xiàn)有<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>0031表6類別工具基體符號(hào)硬質(zhì)包覆層下部層(Ti化合物層)上部層(改性AlZrO層)(jum)第2層(Am)第3雖第4層上部層形成符號(hào)Zr的舍有比例(Al+Zr)](原子比)g標(biāo)層厚內(nèi)部具有E3對(duì)應(yīng)界面的晶粒比例(面積。/)平坦六邊形晶粒的面積比例(面積％)本發(fā)明包覆J-具3TiN0)卜TiCN(".5〉TiN")TiCNO(0.5〉A(chǔ)0,0126002ATiCN(1)卜TICN《8.5)TOO(0.5)—C0加41584203bTiN(1)卜TiCNTIC(4)TiCNO(1)B0.00687715BTiC("1-TiCN(9)一一D0.00273185cTiN("卜丁iCN(4.5)TiCNO(0.5)-A0.008980166CTiN(0.5)卜TiCN(,.5〉TiC(0.5)TiCNO(0.5〉D0.003It86dTiN(0.5)卜TiCN00)TiC(2〉TiCNO(a3)B0.0051390258DTiN")TiCN(19)—一C0.004641090TiC(0.5)卜TICN(9)nco<0.5)一A0.007562010￡TiNn)TiCn)TiCN(7)TiCO(1)B0.00612885"ATIN(0.3)卜TiCN(5〉TiCNO(0.7).TiCO(O.，)0.0055723512TiN(1)卜TiCNU0)TiCO(0.5)—F0.004835713BTiN(0.5)卜TiCN(12)TiN(0.5)TiCNO(0.2)F0.00368973"bTiN(0.6)(7)TiCNO<0.3)一E0.0058788015CTIN(0.4)卜TiCN(3)TiCN(0.5)TiCO(a"F0.004107462(下部層的欄目的括號(hào)內(nèi)數(shù)字是目標(biāo)層厚)003220表7硬質(zhì)包覆層下部層(Ti化合物層)上部層(現(xiàn)有"ZrO層)類別工具基體符號(hào)第l層(^m)第2層第3層(A(m)第4層c)上部層形成符號(hào)Zr的含有比例[Zr/(AI+Zr)](原子比)目標(biāo)層厚內(nèi)部具有i:3對(duì)應(yīng)界面的晶粒比例(面積％)1與本發(fā)明包覆工具i相同30.04362與本發(fā)明包覆工具2相同b0.0214383與本發(fā)明包覆工具3相同c0.00910354與本發(fā)明包覆工具4相同d0.0039215與本發(fā)明包覆工具5相同c0,008817現(xiàn)6與本發(fā)明包覆工具6相同d0.004128有包覆與本發(fā)明包覆工具7相同30.0515128與本發(fā)明包覆工具8相同b0.0169與本發(fā)明包覆工具9相同0.0522具10與本發(fā)明包覆工具IO相同b0.015511與本發(fā)明包覆工具ll相同c0.00852012與本發(fā)明包覆工具12相同d0.00481813與本發(fā)明包覆工具13相同30.06"1514與本發(fā)明包覆工具14相同C0.00741015與本發(fā)明包覆工具15相同d0.003791003321表8<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>現(xiàn)有包覆工具的切削試驗(yàn)結(jié)果表示直至崩刃或由于后刀面磨耗(壽命判定基準(zhǔn)后刀面磨耗寬度為0.5mm)而達(dá)到壽命為止的切削時(shí)間(分鐘)。應(yīng)說明的是，欄中的*符號(hào)表示由于崩刃而達(dá)到壽命的情況。0034J由表6~8所示的結(jié)果得到如下結(jié)論。本發(fā)明的包覆工具，其構(gòu)成上部層的含Zr的氧化鋁層(改性AlZrO層)作為平板多邊形(平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀的晶粒的組織結(jié)構(gòu)而構(gòu)成，而且晶粒內(nèi)部存在至少一個(gè)以上的S3對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例高。由此，除了現(xiàn)有包覆工具的現(xiàn)有AlZrO層具有的高溫硬度、高溫強(qiáng)度、耐熱性，還兼具格外優(yōu)異的表面平坦性和格外優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。結(jié)果，在伴有高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)切削刃部作用高負(fù)荷的高速重切削條件下的切削加工中使用各種鋼或鑄鐵等時(shí)，硬質(zhì)包覆層也可以發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刃性、耐缺損性、耐剝離性和格外優(yōu)異的耐磨性，可進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命。與此相對(duì)，對(duì)于蒸鍍形成現(xiàn)有AlZrO層作為硬質(zhì)包覆層的上部層的現(xiàn)有包覆工具1~15，在高速重切削條件下，高溫強(qiáng)度不充分，同時(shí)易于促進(jìn)磨耗，結(jié)果在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命。0035J如上所述，本發(fā)明的包覆工具，不要說在各種鋼或鑄鐵等的通常條件下的切削加工，即便是伴有特別高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)切削刃部作用高負(fù)荷的高速重切削條件下的切削加工中，硬質(zhì)包覆層也顯示出格外優(yōu)異的耐磨性，經(jīng)長(zhǎng)期使用可發(fā)揮優(yōu)異的切削性。因此，可令人十分滿意地應(yīng)對(duì)切削裝置的高性能化以及切削加工的省力化和節(jié)能化、以及低成本化。2權(quán)利要求1.一種表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面上，蒸鍍形成包括下述(a)下部層、(b)上部層的硬質(zhì)包覆層，(a)下部層為包括全體平均層厚為3～20μm的Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層、和碳氮氧化物中的1層或2層以上的Ti化合物層，(b)上部層為具有2～15μm的平均層厚，且具有α型的晶體結(jié)構(gòu)，含有Zr的氧化鋁層；用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述上部層進(jìn)行組織觀察時(shí)，具有包括在垂直于層厚方向的面內(nèi)具有平板多邊形、或在平行于層厚方向的面內(nèi)呈豎長(zhǎng)狀的晶粒的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)于該上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面拋光面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線，測(cè)定包括六方晶晶體點(diǎn)陣的晶體點(diǎn)陣面的各個(gè)法線與上述表面拋光面的法線相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果算出相鄰晶體點(diǎn)陣相互的晶體取向關(guān)系，算出各個(gè)構(gòu)成晶體點(diǎn)陣界面的構(gòu)成原子在上述晶體點(diǎn)陣相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的陣點(diǎn)、即構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)的分布，用∑N+1表示存在N個(gè)上述構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)間不共有構(gòu)成原子的陣點(diǎn)的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)時(shí)，構(gòu)成上述上部層的晶粒中，以面積比率計(jì)為60％以上的晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、包括用∑3表示的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)的晶體點(diǎn)陣界面隔斷，其中，N為剛玉型密排六方晶體的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，在分布頻率上N的上限為28時(shí)，不存在4、8、14、24和26的偶數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述上部層(b)進(jìn)行組織觀察時(shí)，在垂直于層厚方向的面內(nèi)具有平坦六邊形、或在平行于層厚方向的面內(nèi)在層厚方向呈豎長(zhǎng)狀的晶粒，在垂直于層厚方向的面內(nèi)占全體35%以上的面積比例。全文摘要本發(fā)明涉及表面包覆切削工具。該表面包覆切削工具在工具基體的表面蒸鍍形成有作為(a)下部層的Ti化合物層，和作為(b)上部層的具有平板多邊形(包括平坦六邊形)且豎長(zhǎng)狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)、含有Zr的α型Al₂O₃。對(duì)于該表面包覆切削工具，上部層的晶粒中，以面積比率計(jì)為60％以上的晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、包括用∑3表示的構(gòu)成原子共有陣點(diǎn)形態(tài)的晶體點(diǎn)陣界面隔斷。文檔編號(hào)B23B27/14GK101468401SQ20081018527公開日2009年7月1日申請(qǐng)日期2008年12月24日優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日發(fā)明者中村惠滋,富田興平,西山滿康,長(zhǎng)田晃申請(qǐng)人:三菱麻鐵里亞爾株式會(huì)社