專利名稱：硬質(zhì)包覆層具有優(yōu)異的耐碎裂性、耐缺損性的表面包覆切削工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)，其通過在伴有高發(fā)熱的同時、斷續(xù)性/沖擊性負載作用于切削刃的各種鋼、鑄鐵的高速斷續(xù)切削加工中，使硬質(zhì)包覆層具有優(yōu)異的耐碎裂性、耐缺損性，而發(fā)揮在長期的使用時優(yōu)異的切削性能。
背景技術：
目前，一般已知在用碳化鎢(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(以下將它們統(tǒng)稱為工具基體)的表面，形成用以下(a)和(b)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層而成的包覆工具，
(a)下部層是包含均通過化學蒸鍍形成的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)層和碳氮氧化物(以下用TiCNO表示)層中的I層或2層以上的Ti化合物層，
(b)上部層是化學蒸鍍形成的氧化鋁(以下用Al2O3表示)層，
已知該包覆工具在各種鋼、鑄鐵等的切削加工中使用。但是，上述包覆工具在對切削刃施加大的負載的切削條件下易于產(chǎn)生碎裂、缺損等，存在工具壽命短的問題，為了消除該問題，目前提出了幾個方案。例如，專利文獻I中提出了作為硬質(zhì)包覆層，通過使其形成下述結(jié)構(gòu)，而提高硬質(zhì)包覆層的下部層與上部層的粘接性，從而改善了包覆工具的耐碎裂性，所述結(jié)構(gòu)是在下部層和上部層之間設置包含硼氮氧化鈦的中間層，該中間層的氧含量從下部層側(cè)向上部層側(cè)變多的結(jié)構(gòu)。另外，專利文獻2中提出了對于具有由鈦系的下部層和由a氧化鋁層構(gòu)成的上部層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的切削工具，在其下部層與上部層的界面，在IOym的長度范圍附近使氧化鈦部分以I 50個的比例分散分布，由此提供了切削工具，其對于沖擊的耐久性提高，不產(chǎn)生碎裂、缺損，在具有優(yōu)異的耐碎裂性和耐缺損性的同時，耐磨性也優(yōu)異。另外，專利文獻3中提出了作為硬質(zhì)包覆層，設置孔隙率為5 30%的多孔Al2O3層作為上部層，在其上設置TiN層作為表面層，由此將熱和機械性的沖擊吸收緩和，從而改善了包覆工具的耐碎裂性。專利文獻I專利第4251990號公報 專利文獻2日本特開2006 - 205300號公報 專利文獻3日本特開2003 - 19603號公報。

發(fā)明內(nèi)容
近年來對切削加工的節(jié)省勞力化及節(jié)能化的要求強烈，與之相伴，包覆工具變得可在更為苛刻的條件下使用，但是，例如對于上述專利文獻1、2、3中所示的包覆工具，當用于伴有高發(fā)熱的同時、斷續(xù)性/沖擊性負載進一步作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中時，上部層的耐機械沖擊性、耐熱沖擊性不充分，從而由切削加工時的高負載導致切削刃易于產(chǎn)生碎裂、缺損，作為其結(jié)果，目前的現(xiàn)狀是在比較短的時間內(nèi)達到使用壽命。因此，本發(fā)明人從上述觀點出發(fā)對于包覆工具進行了努力研究，結(jié)果得到以下見解，所述包覆工具即使在用于伴有高發(fā)熱、且斷續(xù)性/沖擊性負載作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中時，硬質(zhì)包覆層也具有優(yōu)異的沖擊吸收性，其結(jié)果是在長期的使用時可發(fā)揮優(yōu)異的耐碎裂性、耐缺損性。S卩，作為硬質(zhì)包覆層，對于上述現(xiàn)有的形成了多孔Al2O3層的硬質(zhì)包覆層，在整個Al2O3層內(nèi)，形成具有大致均一孔徑的微孔，因此孔隙率越高，機械、熱的耐沖擊性越高，相反，孔隙率越高，多孔Al2O3層的高溫強度、高溫硬度越低，從而在長期的使用時不能發(fā)揮充分的耐磨性，另外，工具壽命也不能令人滿意。
因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)用由Ti化合物層構(gòu)成的下部層和由Al2O3層構(gòu)成的上部層構(gòu)成硬質(zhì)包覆層，在上部層與下部層的界面附近的下部層中存在具有孔徑為2 70nm的微孔的富有微孔的層，使該富有微孔的層為規(guī)定的層厚，由此不會招致Al2O3層的高溫強度和高溫硬度的降低，可以提高機械、熱的耐沖擊性。另外，對于構(gòu)成富有微孔的層的2 70nm的微孔的孔徑分布與硬質(zhì)包覆層的耐碎裂性、耐缺損性的關系進行了仔細研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使微孔的孔徑在2nm 70nm的范圍不是均勻分布，而是采用雙峰分布(雙模態(tài)分布)，可以更加提高耐碎裂性、耐缺損性。進一步地，發(fā)現(xiàn)作為雙峰分布，下述分布方式是更為有效的，S卩，微孔的孔徑分布的第I峰存在于2 10nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第I峰中的微孔數(shù)密度為200 500個/ ii m2，第2峰存在于20 50nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第2峰中的微孔數(shù)密度為10 50個/ y m2。通過使微孔的孔徑分布采用雙峰分布，可以起到優(yōu)異的效果，認為其原因在于，大孔徑的微孔使熱和機械性的沖擊吸收緩和，耐缺損性、耐碎裂性提高，小孔徑的微孔使Al2O3的核生成數(shù)增加，提高了下部層與上部層的附著強度，結(jié)果使耐缺損性、耐碎裂性提高。具有上述孔徑分布的微孔例如可以通過以下的化學蒸鍍法來成膜。(a)在工具基體表面上蒸鍍形成由通常的Ti化合物層構(gòu)成的、除去富有微孔的層部分的目標厚度的下部層，
(b)在上述(a)的成膜過程后，在終止上述反應的同時，以主要生成孔徑為2 IOnm的微孔的A條件(下述)導入SF6系氣體，進行SF6蝕刻，
(c)接著，再次進行Ti化合物層的蒸鍍形成，
Cd)上述(c)的成膜過程之后，在終止上述反應的同時，以主要生成孔徑為20 50nm的微孔的B條件(下述)導入SF6系氣體，進行SF6蝕刻，
Ce)接著，再次進行Ti化合物層的蒸鍍形成，
(f )反復進行規(guī)定時間的上述(b) (e)，由此形成規(guī)定層厚的富有微孔的層。(g)接著，使用AlCl3 - CO2 - HCl - H2S 一 H2作為反應氣體，通過化學蒸鍍法形成作為上部層的Al2O3層。根據(jù)上述(a) (g)，可以在工具基體表面上形成由目標層厚的下部層和上部層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，對于上述硬質(zhì)包覆層，當用掃描型電子顯微鏡和透射型電子顯微鏡進行截面組織觀察時，在Al2O3層與Ti化合物層的界面附近的Ti化合物層中的富有微孔的層中形成孔徑為2 70nm的微孔，而且，微孔的孔徑分布采用雙峰分布，即，第I峰存在于2 IOnm,按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第I峰中的微孔數(shù)密度為200 500個/ y m2，第2峰存在于20 50nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第2峰中的微孔數(shù)密度為10 50個/
U m2。在硬質(zhì)包覆層的上部層與下部層的界面附近的下部層中的富有微孔的層中，上述孔徑分布采用雙峰分布而形成本發(fā)明的包覆工具 ，所述本發(fā)明的包覆工具即使用于伴隨高發(fā)熱、且在斷續(xù)性/沖擊性負載作用于切削刃的鋼、鑄鐵的高速斷續(xù)切削加工中時，硬質(zhì)包覆層的耐碎裂性、耐缺損性也優(yōu)異，可以發(fā)揮在長期的使用中優(yōu)異的耐磨性。本發(fā)明是基于上述見解而作出的發(fā)明，其特征有
“(I)表面包覆切削工具，其在用碳化鎢基硬質(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置了硬質(zhì)包覆層，其特征在于，
上述硬質(zhì)包覆層由下部層和上部層構(gòu)成，
Ca)上述下部層是包含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I層或2層以上，且具有3 20 iim的總計平均層厚的Ti化合物層，
(b)上述上部層是具有I 25 y m的平均層厚的氧化鋁層，
在上述下部層與上部層的界面附近的下部層中存在具有孔徑為2 70nm的微孔的富有微孔的層，該富有微孔的層具有0. I y m I y m的層厚。(2)如(I)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔徑分布采用雙峰分布。(3)如(2)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔徑分布的第I峰存在于2 10nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第I峰中的微孔數(shù)密度為200 500個/urn2, M 2峰存在于20 50nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第2峰中的微孔數(shù)密度為10 50 個 / u m2。對于本發(fā)明，以下詳細地說明。下部層的Ti化合物層
由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I層或2層以上的Ti化合物層構(gòu)成的下部層可以在通常的化學蒸鍍條件下形成，該下部層自身具有高溫強度，由于它的存在而導致硬質(zhì)包覆層具有高溫強度，除此以外，與工具基體和由Al2O3層構(gòu)成的上部層的任一者都牢固地附著，從而具有有助于硬質(zhì)包覆層對于工具基體的附著力提高的作用，但其總計平均層厚小于3 y m時，不能充分發(fā)揮上述作用，另一方面，如果其總計平均層厚大于20 u m,則易于產(chǎn)生碎裂，因此將其總計平均層厚定為3 20 y m。上部層的Al2O3層
已經(jīng)熟知構(gòu)成上部層的Al2O3層具有高溫硬度和耐熱性，但其平均層厚小于I y m時，不能確保長期使用時的耐磨性，另一方面，如果其平均層厚大于25 u m，則Al2O3晶粒易于變得粗大，其結(jié)果是高溫硬度、高溫強度降低，而且高速斷續(xù)切削加工時的耐碎裂性、耐缺損性也降低，從而將其平均層厚定為I 25 ii m。在下部層與上部層的界面附近的下部層中設置的富有微孔的層
對于本發(fā)明的在用Ti化合物層構(gòu)成的下部層與用Al2O3層構(gòu)成的上部層的界面附近的下部層中存在具有孔徑為2 70nm的微孔的富有微孔的層的下部層，其即使在切削刃暴露于高溫、且受到機械/熱沖擊性的高速斷續(xù)切削加工中，也具有優(yōu)異的高溫強度、高溫硬度，同時發(fā)揮優(yōu)異的耐碎裂性、耐缺損性。進一步地，通過使微孔的孔徑在2nm 70nm的范圍不是均勻地分布，而是采用雙峰分布(雙模態(tài)分布)，可以發(fā)揮更高的耐碎裂性、耐缺損性。富有微孔的層的形成
本發(fā)明的富有微孔的層可以通過對在通常的化 學蒸鍍條件下成膜的下部層的表面實施利用了以下2個條件的蝕刻來形成。通過交替進行下部層成膜用的反應氣體的導入、和利用以下2個條件進行的蝕亥IJ，形成在下部層與上部層的界面附近的下部層中具有規(guī)定的孔徑分布的富有微孔的層。(A 條件)
在反應氣體組成(體積％)
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5 30分鐘的SF6蝕刻。(B 條件)
反應氣體組成(體積％ )
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4 30分鐘的SF6蝕刻。富有微孔的層的孔徑分布方式
圖3表示使用上述蝕刻條件形成的、在本發(fā)明的下部層與上部層的界面附近的下部層中的富有微孔的層中形成的微孔的孔徑分布圖。如圖3所示，在本發(fā)明的下部層與上部層的界面附近的下部層中的富有微孔的層中存在孔徑為2 70nm的微孔，其孔徑分布采用下述方式的雙峰分布，即，第I峰存在于2 10nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第I峰中的微孔數(shù)密度為200 500個/ y m2，第2峰存在于20 50nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第2峰中的微孔數(shù)密度為10 50個/ ii m2。在本發(fā)明中，在微孔的孔徑分布中，將孔徑為2 IOnm的小的微孔的第I峰定為200 500個/ii m2的范圍內(nèi)，這是因為當孔徑為2 IOnm的小的微孔的孔徑分布中的第I峰小于200個/ y m2時，不能充分發(fā)揮Al2O3的核生成數(shù)提高這樣的效果，另一方面，如果超過500個/ y m2，則空隙率過于變高，在下部層與上部層的界面附近發(fā)生脆化的同時，產(chǎn)生耐磨性的下降。另外，在微孔的孔徑分布中，將孔徑為20 50nm的大的微孔的第2峰定為10 50個/ii m2的范圍內(nèi)，這是因為在10個/ii m2以下或超過50個/ y m2的范圍時,不能充分揮發(fā)吸收緩和熱性和機械性的沖擊這樣的效果，不能充分發(fā)揮耐碎裂性、耐缺損性提高這樣的效果。另外，在本發(fā)明中，將微孔的孔徑定為2 70nm，這是因為在下部層與上部層的界面附近的下部層中的富有微孔的層中形成的孔隙的孔徑小于2nm時，不能期待緩沖效果，另一方面，如果孔徑超過70nm，則下部層的韌性下降變大，為了維持下部層的高溫強度、高溫硬度，同時保持對于斷續(xù)性/沖擊性負載的緩沖效果，在下部層與上部層的界面附近的下部層內(nèi)部形成的微孔的孔徑必須為2 70nm。另外，在本發(fā)明中，將下部層與上部層的界面附近的下部層中的富有微孔的層的層厚定為0. Iiim Iiim的范圍內(nèi)，其原因在于，當小于0. Iiim時，不能充分地期待由微孔導致的緩沖效果，另一方面，如果超過I U m，則界面附近的韌性降低，不能充分發(fā)揮提高耐碎裂性、耐缺損性這樣的效果。對于本發(fā)明的包覆工具，作為硬質(zhì)包覆層，包覆形成由Ti化合物層構(gòu)成的下部層和由Al2O3層構(gòu)成的上部層，且在下部層與上部層的界面附近的下部層中具有孔徑分布采用雙峰分布的富有微孔的層，由此即使在用于鋼、鑄鐵等的伴有高發(fā)熱、且斷續(xù)性/沖擊性高負載作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中時，耐碎裂性、耐缺損性也優(yōu)異，其結(jié)果是在長期的使用時可發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，實現(xiàn)包覆工具的長壽命化。附圖
的說明
圖I表示在本發(fā)明包覆工具的下部層與上部層的界面附近的下部層中形成的富有微孔的層的簡圖。圖2表示將在本發(fā)明包覆工具的下部層與上部層的界面附近的下部層中形成的富有微孔的層放大的簡圖。圖3表示在本發(fā)明包覆工具的下部層與上部層的界面附近的下部層中形成的富有微孔的層的孔徑分布圖。
具體實施例方式以下，通過實施例具體地說明本發(fā)明的包覆工具。
實施例作為原料粉末，準備均具有I 3 ii m的平均粒徑的WC粉末、TiC粉末、ZrC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末和Co粉末，將這些原料粉末配合成表I中所示的配合組成，進而添加蠟，在丙酮中用球磨機進行24小時的混合，減壓干燥后，以98MPa的壓力加壓成形為規(guī)定形狀的壓粉體，將該壓粉體以在5Pa的真空中、在1370 1470°C范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持I小時的條件進行真空燒結(jié)，燒結(jié)后，在切削刃部實施R :0. 07mm的珩磨加工，由此分別制造具有ISO CNMG120408中規(guī)定的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制的工具基體A E。另外，作為原料粉末，準備均具有0. 5 2 ii m的平均粒徑的TiCN(以質(zhì)量比計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，將這些原料粉末配合成表2中所示的配合組成，用球磨機進行24小時的濕式混合，干燥后，在98MPa的壓力下加壓成形為壓粉體，將該壓粉體在I. 3kPa的氮氛圍中、于1540°C的溫度保持I小時的條件下進行燒結(jié)，燒結(jié)后，在切削刃部分實施R :0. 07mm的珩磨加工，由此形成具有ISO規(guī)格CNMG120408的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制的工具基體a e。接著，在這些工具基體A E和工具基體a e的表面上，使用通常的化學蒸鍍裝置，
Ca)以表3所示的條件蒸鍍形成Ti化合物層來作為硬質(zhì)包覆層的下部層。
(b)接著，終止(a)的Ti化合物層成膜，進行規(guī)定時間的利用了表4所示的A條件的SF6蝕刻，進一步地再次進行(a)的成膜工序，再次終止后進行規(guī)定時間的利用了表4所示的B條件的SF6蝕刻，進一步再次進行(a)的成膜工序。(c)以表4所示的規(guī)定次數(shù)反復進行上述(b)的工序，形成富有微孔的層，以表5所示的目標層厚蒸鍍形成Ti化合物層。(d)接著，以表3所示的條件蒸鍍形成規(guī)定層厚的Al2O3層來作為硬質(zhì)包覆層的上部層。利用上述(a) (d)，蒸鍍形成由表5中所示的下部層、表6中所示的下部層與上部層的界面附近的下部層中孔徑分布采用雙峰分布的富有微孔的層、和表5中所示的目標層厚的上部層(Al2O3層)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，由此制造本發(fā)明包覆工具I 15。另外，通過在上述(a) (d)的(b)工序時，在表4所示的僅I種條件下進行SF6蝕刻，蒸鍍形成由表5中所示的下部層、表6中所示的下部層與上部層的界面附近的下部層中存在微孔的富有微孔的層、和表5中所示的目標層厚的上部層(Al2O3層)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，由此制造本發(fā)明包覆工具16 17。對于上述本發(fā)明包覆工具I 17的下部層的Ti化合物層，使用掃描型電子顯微鏡(倍數(shù)為50000倍)在多個視野的范圍進行觀察，結(jié)果均可以確認在圖I表示的簡圖中所示的下部層與上部層的界面附近的下部層中存在富有微孔的層的膜結(jié)構(gòu)。
進一步地，對于上述本發(fā)明包覆工具I 15的下部層與上部層的界面附近的下部層中的富有微孔的層，使用掃描型電子顯微鏡(倍數(shù)為50000倍)和透射電子顯微鏡(倍數(shù)為200000倍)沿著界面、在長度為10 的范圍以多個視野進行觀察，對于各個視野觀察微孔后，結(jié)果可以確認如圖3所示的孔徑分布圖中所表現(xiàn)的孔徑分布方式。另外，為了比較，在工具基體A E和工具基體a e的表面，以表3中所示的條件且表5中所示的目標層厚、與本發(fā)明包覆工具I 17同樣來蒸鍍形成作為硬質(zhì)包覆層的下部層的Ti化合物層。接著，作為硬質(zhì)包覆層的上部層，以表3中所示的條件且表5中所示的目標層厚來蒸鍍形成由Al2O3層構(gòu)成的上部層，由此制作表5的比較包覆工具I 17。另外，使用掃描型電子顯微鏡測定本發(fā)明包覆工具I 17和比較包覆工具I 17的各構(gòu)成層的層厚，結(jié)果均顯示與表5中所示的目標層厚實質(zhì)上相同的平均層厚。表I
權(quán)利要求
1.表面包覆切削工具，其在用碳化鎢基硬質(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置硬質(zhì)包覆層，其特征在干， 上述硬質(zhì)包覆層由下部層和上部層構(gòu)成， Ca)上述下部層是包含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I層或2層以上，且具有3 20 iim的總計平均層厚的Ti化合物層， (b)上述上部層是具有I 25 y m的平均層厚的氧化鋁層， 在上述下部層與上部層的界面附近的下部層中存在具有孔徑為2 70nm的微孔的富有微孔的層，該富有微孔的層具有0. I y m I y m的層厚。
2.如權(quán)利要求I所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔徑分布采用雙峰分布。
3.如權(quán)利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔徑分布的第I峰存在于2 10nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第I峰中的微孔數(shù)密度為200 500個/U m2，上述微孔的孔徑分布的第2峰存在于20 50nm，按孔徑每2nm數(shù)一次微孔時的第2峰中的微孔數(shù)密度為10 50個/ ii m2。
全文摘要
提供在高速斷續(xù)切削加工中硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的耐碎裂、耐缺損性的表面包覆切削工具。表面包覆切削工具，其在由WC超硬合金、TiCN基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面蒸鍍形成由(a)由Ti化合物層構(gòu)成的下部層、(b)由氧化鋁層構(gòu)成的上部層、構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，其中，在上述下部層與上部層的界面附近的下部層中具有孔徑分布采用雙峰分布的孔徑為2～70nm的富有微孔的層。
文檔編號B23B27/14GK102626796SQ201210021559
公開日2012年8月8日 申請日期2012年1月31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