專利名稱：工具用表面覆蓋高硬度材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以立方晶系氮化硼(CBN)為主要成分的CBN燒結(jié)體為基材，在其上覆蓋薄膜的工具用材料的改良。
背景技術(shù)：
CBN是具有僅次于寶石的高硬度的材料，合金屬的反應(yīng)性很低，因此其燒結(jié)體被用于耐熱合金或淬火鋼的切削。在如此高硬度的CBN燒結(jié)體中，通過覆蓋具有能夠防止刀刃的磨損的效果。覆蓋膜在刀刃的刃的部分具有圓度部膜厚變厚則圓度部變大。在專利文獻(xiàn)1中公開了在CBN燒結(jié)體上具有耐磨損層和中間層和最表面層的覆蓋CBN燒結(jié)體。提出了作為耐磨損層覆蓋有TiAl(CNO)等，作為中間層或最表面層覆蓋有TiN等的工具用表面覆蓋高硬度材料。
專利文獻(xiàn)2是在CBN燒結(jié)體上具有含有鈦和鋁的復(fù)合氮化物、復(fù)合碳化物等的覆蓋膜的材料。特別是覆蓋膜的結(jié)晶面(200)的X射線的衍射強(qiáng)度和結(jié)晶面(100)的X射線衍射強(qiáng)度的比在特定范圍內(nèi)，覆蓋膜的厚度為1～15μm的復(fù)合硬質(zhì)膜覆蓋構(gòu)件。
專利文獻(xiàn)1特開平8-119774號公報第2頁、第6～10頁、表1、3、5專利文獻(xiàn)2特開2001-234328號公報第2頁現(xiàn)有的覆蓋工具，覆蓋膜的厚度有1μm以上的厚度。最近，因為希望淬火鋼等的間斷切削加工的長壽命化和精加工的高精度化，所以在現(xiàn)有的覆蓋工具中覆蓋膜的穩(wěn)定性不足，不能得到充分的工具壽命。在間斷切削加工中，與CBN燒結(jié)體相比強(qiáng)度低的陶瓷覆蓋膜膜厚越大則由剪斷的沖擊在刀刃的刃部膜剝離1膜脫落發(fā)生，成為覆蓋工具的缺損或被切削材的面粗糙度惡化的原因。還有，隨著進(jìn)給量接近覆蓋膜，覆蓋膜下在沒有基材的部分切削的比率高，容易發(fā)生覆蓋膜的剝離。
一般，因為在覆蓋超硬合金工具中不是高精度加工而是以切斷、進(jìn)給量大的高效加工為對象，所以存在由于高切斷載荷的膜剝離發(fā)生的問題。另一方面，因為在由CBN工具的切削中，為了得到高精度的加工面，所以以進(jìn)給量小的精加工為對象的情況較多。在本發(fā)明者們得到的認(rèn)識中，即使在低進(jìn)給加工中，由于比切削阻力(切削阻力除以切削斷面積的值)變高，膜剝離也容易發(fā)生。比切削阻力變高的理由被認(rèn)為是進(jìn)給量小時，由于切削斷面積變小被削材內(nèi)部的缺陷存在概率變小，所以材質(zhì)強(qiáng)度相對變高(比切削阻力的尺寸效果)。特別是在切入磨削的切槽加工中，因為切刃的接觸面積大與其高切削載荷的縱削相比進(jìn)給量小，并且其加工結(jié)束時進(jìn)給為0的狀態(tài)，對覆蓋膜施與大的切削應(yīng)力，導(dǎo)致膜的剝離。以上的覆蓋膜的剝離的防止是第一課題。
還有，在高精度加工中現(xiàn)有的覆蓋沒的切刃的刃部發(fā)生的“圓度部”使加工精度下降，并且因為比切削阻力變高，所以減小此“圓度部”是第二課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種工具用表面覆蓋高硬度材料，其以CBN燒結(jié)體為基材，在基材的表面具有由以從C、N以及O中任選至少1種的元素和Ti和Al中任選至少一種的元素為著稱分的化合物構(gòu)成的至少1層的厚度為0.1μm以上且低于1μm的覆蓋膜。本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料，具有作為覆蓋膜的由TiAl(CNO)構(gòu)成的耐磨損層。另外還可以設(shè)有由TiN等構(gòu)成的中間層或最表面層。
本發(fā)明的覆蓋膜，由Ti和Al的氮化物或碳氮化物構(gòu)成，以從覆蓋膜的X射線衍射的(111)面的衍射強(qiáng)度為從I(111)，從(200)面的衍射強(qiáng)度為I(200)時，優(yōu)選為I(111)/I(200)≤3。衍射強(qiáng)度依存于成膜條件，但是若I(111)/I(200)超過3，則由于壓縮應(yīng)力的下降以及結(jié)晶粒的粗大化導(dǎo)致耐磨損性和耐缺陷性的降低，所以設(shè)為3以下。
從各種實驗可知，與現(xiàn)有膜相比膜厚薄的本發(fā)明的覆蓋膜優(yōu)選具有由(Ti1-XAlX)N、0.3≤X≤0.6表示的組成。TiAlN系的覆蓋膜因為與CBN基材相比熱膨脹系數(shù)大，所以成膜結(jié)束后的冷卻時因為各自的收縮率的差在覆蓋膜內(nèi)部發(fā)哼僧拉應(yīng)力，使成膜時發(fā)生的殘余壓縮應(yīng)力得到緩和。在此推定為隨著覆蓋膜中的Al的比率變高，覆蓋沒的熱膨脹系數(shù)變低，X超過0.6，則由于和CBN基材的熱膨脹系數(shù)的差壓縮應(yīng)力的緩和效果變低，膜內(nèi)部的高壓縮應(yīng)力殘留，在切削時容易發(fā)生膜剝離。還有，X低于0.3，則硬度變低不能得到抑制磨損的效果，所以設(shè)為0.3≤X≤0.6。此范圍是耐磨損性和耐剝離性優(yōu)異、適于間斷切削或切槽加工的組成。此外優(yōu)選為0.3≤X≤0.45。
構(gòu)成本發(fā)明的覆蓋膜的結(jié)晶的平均粒徑優(yōu)選為50nm以上且在150nm以下。一般認(rèn)為隨著結(jié)晶粒徑變得微細(xì)，膜的硬度變高，另一方面韌性下降，上述的范圍是耐磨損性和耐缺陷性的平衡優(yōu)異，適于間斷切削或切槽加工的結(jié)晶粒徑。
將所述覆蓋膜所含的Ti的一部分，置換成除Si、B和Ti的從周期表4a、5a以及6a族過渡金屬元素中任選的至少一種元素，所置換的元素的在覆蓋膜中的含量為以原子％計低于10％。這是因為通過除Ti、Al之外添加上述的第三元素，可以使構(gòu)成覆蓋膜的結(jié)晶粒子的粒徑進(jìn)一步細(xì)化，并且形成僅以的結(jié)晶構(gòu)造，提高膜的強(qiáng)度。
本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料作為切槽工具而利用能夠得到顯著的效果。在切槽加工中，尤其是在低進(jìn)給的條件中，在槽底部進(jìn)給成為0的狀態(tài)，對覆蓋膜施與大的應(yīng)力，覆蓋膜厚時導(dǎo)致膜的剝離。本發(fā)明的覆蓋膜因為膜厚很薄，所以能夠承受上述的切槽加工特有的高應(yīng)力。
本發(fā)明中所用基材是由CBN的粉末30～90體積％和殘余部結(jié)合材構(gòu)成的燒結(jié)體，殘余部結(jié)合材是由周期表第4a、5a以及6a族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及它們的固溶體構(gòu)成的組中任選的至少一種、和鋁化合物和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。在此，Al作為化合物，為鋁的氧化物、硼化物、氮化物等。眾所周知作為CBN燒結(jié)體有各種各樣，但是上述的基材適于淬火鋼的切削。
此外優(yōu)選為覆蓋膜的膜厚為0.1μm以上且低于0.5μm。通過降低膜厚，能夠減小切削時的進(jìn)給量，能夠進(jìn)行高精度加工。在本發(fā)明中所謂覆蓋沒膜的膜厚，是指中間層、耐磨損層以及最表面層等的各層的合計膜厚。
由本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料構(gòu)成的切削工具，當(dāng)然作為干式工具、濕式工具均可使用。在剪斷切削加工中熱循環(huán)顯著，從工具壽命的觀點出發(fā)，優(yōu)選為干式加工，但是從尺寸精度的觀點出發(fā)也有時優(yōu)選為濕式加工。此時，因為CBN基材和硬質(zhì)覆蓋沒的熱膨脹系數(shù)不同，所以在現(xiàn)有的膜中，施與間斷的沖擊由熱循環(huán)產(chǎn)生的膜剝離、膜破壞發(fā)生不能得到充分的抑制磨損的效果。但是，在本發(fā)明中除了通過負(fù)載壓縮應(yīng)力提高膜自身的耐缺損性，還通過降低膜厚抑制由熱循環(huán)產(chǎn)生的依存于熱應(yīng)力的全應(yīng)力，能夠使耐剝離性大幅提高。因此，即使在濕式條件下的間斷切削中，膜破壞、膜剝離也很難發(fā)生，能夠得到充分的抑制磨損的效果。
本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料，在具有優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度以及韌性的CBN燒結(jié)體中，具有優(yōu)異的硬度和耐熱性的硬質(zhì)覆蓋膜與現(xiàn)有膜相比覆蓋得更薄，膜的耐剝離性、耐缺損性被大幅地改善。


圖1是說明縱切的切削斷面積的概念圖。
圖2是說明切入磨削的切削斷面積的概念圖。
圖3是圖2的A-A剖面圖，表示的是使用本發(fā)明的切削工具，被削材在切入磨削狀態(tài)的示意圖。
圖4是表示偏壓和殘余應(yīng)力的關(guān)系的曲線圖。
圖中1-基材、2-覆蓋膜、3-被削材、4-圓度部、5-切粉、6-槽壁、7-1旋轉(zhuǎn)前的基材位置、F-進(jìn)給。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，提供一種通過使覆蓋膜變薄而在間斷切削加工或高精度加工中也能實現(xiàn)長壽命化的工具用表面覆蓋高硬度材料以及使用此材料的切槽工具。在間斷切削中，當(dāng)然要求具有能夠承受間斷的沖擊的高耐剝離性，但是在連續(xù)切削中在進(jìn)給量小的條件下覆蓋膜受到高應(yīng)力，發(fā)生膜剝離。其理由使用所示圖1～圖3進(jìn)行說明。
在外徑切削中，具有將圖1所示的基材1構(gòu)成的工具送向被削材3的軸向的縱削和送向圖2所示徑向的切入磨削。在任一加工中，被削材3沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，基材1構(gòu)成的工具在箭頭的方向移動，通過除去具有與進(jìn)給量F成比例的厚度的切屑而進(jìn)行加工。還有，由實線所示的基材1的位置和其一次旋轉(zhuǎn)前的基材的位置7等所包圍的斜線部表示切削斷面積。從圖1、2可知，特別是切入磨削與縱削相比切刃的接觸面積大切削阻力高。因此在切入磨削的切槽加工中具有與縱削相比原本進(jìn)給量小，并且切槽最后時工具的前進(jìn)停止工具前端和槽底相擦的階段。
圖3是圖2的被削材加工部位的A-A剖面圖，表示的是使用由本發(fā)明的材料構(gòu)成的切槽工具，對被削材的槽進(jìn)行切削的狀態(tài)。在基材1的表面由覆蓋膜2，在箭頭的方向上使被削材3旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行切削。在高精度加工和切槽加工中，有必要減小切削加工時的進(jìn)給。在切削加工中相當(dāng)于進(jìn)給F的寬度的部分作為切粉5而去除，形成槽壁6。減小進(jìn)給F，則立即作為切粉被取出的部分的厚度，與覆蓋膜2厚度接近。如此，在切削時施與工具的載荷中，在覆蓋膜2受到的比率變高，成為覆蓋膜2的剝離的原因。使覆蓋膜2變薄，則相同的進(jìn)給F能夠增加對基材1的載荷比率，能夠抑制覆蓋沒的剝離。
即在切槽加工中，與通常的縱削相比減小進(jìn)給量，切削應(yīng)力集中于刃尖的前端部。如果是現(xiàn)有的厚的覆蓋膜，因為在覆蓋膜內(nèi)受到的切削應(yīng)力的比率變高，所以容易發(fā)生來自基材的膜剝離或膜缺損。對此，本發(fā)明的切槽工具，因為覆蓋膜的厚度薄所以沒有膜剝離或膜缺損的問題。
基材上覆蓋膜，則如圖3所示在基材的切刃的刃部發(fā)生圓度部4。本發(fā)明的覆蓋膜例如由PVD法覆蓋，但是此時在切刃的刃部即使電荷容易集中也不能防止切刃的刃部的圓度部。構(gòu)成為圓度部4的部分所受載荷大，容易發(fā)生膜的損傷。在本發(fā)明中，因為使覆蓋膜的厚度變薄，所以能夠抑制圓度部使其變小。
本發(fā)明的覆蓋膜，可以由離子鍍等的PVD法形成。形成本發(fā)明的覆蓋膜的方法，通過原料元素的離子化率高，反應(yīng)性豐富，對基材施加偏壓而能夠得到結(jié)合性優(yōu)異的覆蓋膜的電弧式離子鍍法最為適宜。在此，所謂偏壓是指基材和金屬靶之間的電位差。
一般在電弧式離子鍍法中，由偏壓對覆蓋膜的構(gòu)成物質(zhì)進(jìn)行加速。即通過對基材施加負(fù)的偏壓，使離子化的金屬陽離子加速，到達(dá)基材表面成長為膜。偏壓和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系公開在文獻(xiàn)Surface and CoatingTechnology vol.163-164p135-143(2003)的Fig.7中，但是在此文獻(xiàn)中表示出隨著偏壓變高殘余應(yīng)力變高，在100V成為極大值，在此以上相反殘余應(yīng)力會下降。
在此，所謂偏壓“高”，是施與基材的負(fù)偏壓的絕對值大的含義，在后面的表8以及圖4等中，由絕對值表示。偏壓變高，則被加速的陽離子的向基材的打入(撞擊)提高壓縮應(yīng)力增加，但是同時基材和覆蓋膜的溫度也上升所以應(yīng)力緩和，從某偏壓顯示出壓縮應(yīng)力下降。對于上述的文獻(xiàn)本發(fā)明的覆蓋膜(覆蓋膜的組成(Ti0.6Al0.4)N，膜厚0.45μm)，如圖4所示偏壓為200V殘余壓縮應(yīng)力成為極大，并且殘余壓縮應(yīng)力的絕對值也比上述文獻(xiàn)變大。
其理由推斷為，CBN基材的熱傳導(dǎo)率比覆蓋膜的熱傳導(dǎo)率明顯的大，成膜時在覆蓋膜發(fā)生的熱逃走，但是其放熱效果依存于膜厚。即，推定為因為膜厚薄則放熱效果優(yōu)異所以由覆蓋膜的溫度上升產(chǎn)生的應(yīng)力緩和效果變小，壓縮應(yīng)力變高。這意味著通過使覆蓋膜變薄能夠施與更高的壓縮應(yīng)力。
覆蓋膜內(nèi)部的壓縮應(yīng)力高的膜的硬度、強(qiáng)度變高，但是膜厚厚的全應(yīng)力(內(nèi)部應(yīng)力×膜厚)變大，容易發(fā)生由切削載荷從基材的剝離，所以有必要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行控制。特別是基材是CBN燒結(jié)體時，CBN離子與陶瓷結(jié)合相相比在化學(xué)上比較穩(wěn)定，所以在和覆蓋膜的界面的擴(kuò)散反映不易發(fā)生。此外因為CBN離子機(jī)械強(qiáng)度也很優(yōu)異，所以不能得到由陽離子的打入的基材的表面粗糙度所以固定效果小。因此，以現(xiàn)有的1μm以上的膜厚，基材為CBN燒結(jié)體時，與超硬合金或金屬陶瓷相比結(jié)合力難出，升高偏壓則膜內(nèi)部的全應(yīng)力變高切削時覆蓋膜發(fā)生剝離，所以通常在100V以下成膜。
但是，本發(fā)明的薄的覆蓋膜的情況下，因為能夠一邊維持高的內(nèi)部壓縮應(yīng)力一邊控制覆蓋沒的全應(yīng)力，所以希望能夠比上述進(jìn)一步提高偏壓。因此，本發(fā)明所用的偏壓優(yōu)選為100V～300V的范圍。
本發(fā)明的覆蓋膜，單層、多層均可。但是設(shè)置最表面層時，優(yōu)選為TiN、TiCN、TiC、HfC等。這是因為對于CBN燒結(jié)體為黑色，上述的膜呈現(xiàn)出鮮艷明亮的顏色。設(shè)有最表面層的本發(fā)明的覆蓋CBN燒結(jié)體工具在批量生產(chǎn)中使用時，容易區(qū)別達(dá)到壽命的工具或刃(corner)和未使用的工具或刃，能夠進(jìn)行徹底的工具管理。
以下，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。
(實施例1)使用超硬質(zhì)合金制的刀座(pot)以及臺基，得到TiN和鋁以80∶20的重量比進(jìn)行混合的結(jié)合材粉末。接著，將此結(jié)合材和CBN粉末以體積比40∶60進(jìn)行調(diào)配，填充到Mo制容器中，以壓力50kb(5GPa)、溫度1450℃燒結(jié)20分鐘。在燒結(jié)體中，含有認(rèn)為是氮化鋁、氧化鋁和硼化鋁的鋁化合物。將此燒結(jié)體加工成切削工具用的刀片(chip)的形狀(型號SNGN120408)以及切槽工具用的刀片的形狀(型號BNGNT0250R)后，通過真空電弧放電的離子鍍法在刀片上覆蓋表1所示的覆蓋膜。
在成膜裝置內(nèi)，配置多個靶，將上述刀片安裝在以這些靶為中心所設(shè)的旋轉(zhuǎn)式基材保持工具上，進(jìn)行成膜。作為靶，使用的是和覆蓋膜的金屬成分相同組成的Ti0.5Al0.5、Ti0.3Al0.7、Ti0.7Al0.3、Ti0.6Al0.4以及Ti等。首先將成膜裝置減壓至1.33×10-3Pa(10-5torr)的真空度，導(dǎo)入Ar氣體在1.33Pa(10-2torr)的氣氛下對刀片施加-1000V的電壓洗凈。接著，加熱到500℃，將Ar氣體進(jìn)行排氣后導(dǎo)入作為反應(yīng)氣體的N2，對刀片施加-120V的電壓，由真空電弧放電以電弧電流100A使上述的靶蒸發(fā)離子化而覆蓋。壓力為1.33Pa(10-2torr)，還有膜厚由覆蓋時間進(jìn)行控制。
覆蓋膜是除N還含有C、O時，作為反應(yīng)氣體除N2還使用CH4、O2，調(diào)整各個的流量的比率，而調(diào)整C、N、O的比率。還有，作為中間層、最表面層覆蓋TiN，此時以Ti為靶進(jìn)行配置，由與上述同樣的要領(lǐng)進(jìn)行成膜。如此得到的試料在表1中表示。覆蓋膜的結(jié)晶系，是立方晶系的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。
表1


在表1中試料No.9、10、21以及22，因為在基材和耐磨損面檢設(shè)有膜厚0.05μm的TiN構(gòu)成的中間層，所以中間層具有提高覆蓋膜的結(jié)合強(qiáng)度的作用。還有試料No.1、10、21、27以及28，構(gòu)成為沒有最表面層的覆蓋膜。由TiN構(gòu)成的最表面層是金色的因為很容易識別使用過的工具的刃，所以覆蓋。在試料No.15～18中，覆蓋膜使用的是碳氮化物或氮氧化物。還有試料No.19、20以及25，是僅使用Ti金屬元素的覆蓋膜。還有試料No.27、28是除Ti、Al之外還添加有Si和B。還有試料No.26，是市場上的沒有覆蓋膜的工具。
(切削試驗1)使用表1所述的刀片(chip)，對加工有油孔的被削材進(jìn)行10分鐘的切削進(jìn)行間斷切削實驗(間斷度50％)。被削材使用的是將淬火鋼SCr420H(JIS規(guī)格)調(diào)整為硬度HRc60的材料。還有，所謂間斷度是在被削材的進(jìn)給方向上，相對于切削部分的長度的空轉(zhuǎn)部分的長度的比率。本切削實驗的間斷度為50％，是對于被削材的切削長度一半的長度間斷切削的含義。本發(fā)明的材料，適用于間斷切削和連續(xù)切削混在的被削材的切削。在被切削材全體有花鍵槽時，間斷度為100％。
切削實驗的條件如下。
切削速度200m/min進(jìn)給0.15mm/rev切入0.2mm切削方式干式如此得到的結(jié)果在表2中表示?？紤]到逃離面磨損和被切削面的面粗糙度進(jìn)行了評價的結(jié)果記載在評價欄中。其中◎為最好，以下以○、△、×的順序評價變差。此表示在以下的切削實驗中也相同。從這些結(jié)果，中間層和耐磨損層和最表面層合計的覆蓋膜的厚度超過1μm的以及沒有覆蓋膜的，得到×或△的評價。在此表中所示的表面粗糙度Rz，從由表面粗糙度計所測量的被削材的表面粗糙度曲線切取基準(zhǔn)長度，在粗糙度曲線的縱方向測定此部分的山頂線和谷底線的間隔，這些都以微米單位(1μm＝0.001mm)而表示，依照J(rèn)IS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))B0601所規(guī)定。(以下實施例也同樣)。
表2


(切削試驗2)使用表1所述的刀片，對加工有油孔的被削材進(jìn)行10分鐘的切削進(jìn)行間斷切削實驗(間斷度50％)。被削材使用的是將淬火鋼SCr420H(JIS規(guī)格)調(diào)整為硬度HRc60的材料，使用的是與切削實驗1相同的形狀。切削實驗的條件如下。
切削速度200m/min進(jìn)給0.04mm/rev切入0.1mm切削方式干式切削實驗條件，與切削試驗1相比較，進(jìn)給變小切切入也變小是屬于高精度加工的條件。如此得到的結(jié)果在表3中表示。根據(jù)表3，膜厚為1.3μm的試料No.5發(fā)生剝離不能使用。還有膜厚為0.8μm的試料No.4是勉強(qiáng)可以使用的程度。其理由被認(rèn)為有可能是因為與切削實驗1比較進(jìn)給量變小，所以比切削阻力增加，并且覆蓋膜內(nèi)所受切削應(yīng)力比率變高。
表3

(切削試驗3)使用表1所述的刀片，對被削材進(jìn)行20分鐘的切削，進(jìn)行連續(xù)切削試驗。被削材使用的是將淬火鋼SCr420H(JIS規(guī)格)調(diào)整為硬度HRc60的材料。切削實驗的條件如下。
切削速度200m/min進(jìn)給0.04mm/rev切入0.05mm切削方式干式與切削實驗2相比，進(jìn)一步以切入的一半的條件進(jìn)行切削試驗。此切削試驗為了把握連續(xù)切削的工具的性能差，延長了20分鐘。如此得到的結(jié)果在表4中表示。從此結(jié)果可知，中間層和耐磨損層和最表面層合計的覆蓋膜的厚度超過1μm以及覆蓋膜沒有的，得到×或△的評價。通過使用本發(fā)明的工具，由切削能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有只有研削能夠達(dá)到的1.6S加工(Rz＝1.6μm)。
表4


(切削試驗4)使用表1所述的刀片，進(jìn)行了與切削試驗1相同的切削試驗。在此，相同試料No.采用兩種即0.02mm/rev和0.15mm/rev的進(jìn)給量，被削材與20分鐘連續(xù)切削相比較。被削材被削材使用的是將淬火鋼SCr420H(JIS規(guī)格)調(diào)整為硬度HRc60的材料。切削實驗的條件如下。
切削速度200m/min進(jìn)給如表5所述切入0.02mm切削方式干式如此得到的結(jié)果在表5中表示。以從表的上方開始的順序，試料No.3、4、5、6、以及8的覆蓋膜，覆蓋膜的厚度的薄的順序依次為0.4μm、0.8μm、1.3μm、2.1μm、10.1μm。覆蓋膜薄的試料No.3表示為以小到0.02mm/rev的進(jìn)給以及0.15mm/rev的進(jìn)給均得到了高評價、隨著變厚評價也變差。
表5

(切削試驗5)在此切削試驗中，進(jìn)行了由切槽加工的切削試驗。使用表1所述的刀片，對被削材中加工120個的槽的性能進(jìn)行了評價。被削材使用的是將淬火鋼SCr420H(JIS規(guī)格)調(diào)整為硬度HRc63的材料。切削實驗的條件如下。
切削速度200m/min進(jìn)給0.02mm/rev切入0.8mm切削方式干式如此得到的結(jié)果在表6中表示。通過CBN工具進(jìn)行的淬火鋼的切槽加工，與通常的切削加工相比進(jìn)給小，特別是切削槽的底部的時候，成為所謂“0切削”的狀態(tài)，施與膜的載荷比通常的旋削大。在切槽加工中，覆蓋膜薄的逃離面磨損、膜損傷均優(yōu)異。低于1μm的膜厚的刀片的性能特別優(yōu)異。
表6

(切削試驗6)在此切削試驗中，通過與切削試驗5相同進(jìn)行切槽加工而進(jìn)行了評價。使用表1所述的刀片，對被削材中加工120個的槽的性能進(jìn)行了評價。被削材具有在進(jìn)給方向具有花鍵槽的間斷度100％的形狀，使用的是將淬火鋼SCr420H(JIS規(guī)格)調(diào)整為硬度HRc63的材料。
切削速度150m/min進(jìn)給0.02mm/rev切入0.8mm切削方式干式如此得到的結(jié)果在表7中表示。進(jìn)行切槽加工的間斷切削同樣也是覆蓋膜薄的逃離面磨損、薄損傷優(yōu)異表7


(實施例2)使結(jié)晶的取向性和平均粒徑變化對其效果進(jìn)行了調(diào)查。與實施例1同樣，從工具用表面覆蓋高硬度材料加工成刀片形狀(型號SNGN120408)。但是使膜厚、X射線衍射強(qiáng)度I(200)/I(111)、平均結(jié)晶粒徑進(jìn)行各種變化。在此實施例中，制造了耐磨損層以(Ti0.6Al0.4)N為主，沒有設(shè)置最表面層和中間層的工具用表面覆蓋高硬度材料。升高偏壓，則I(200)/I(111)的值有變小的傾向，還有平均結(jié)晶粒徑，有隨偏壓變高而變小，并且隨膜厚變薄而變小的傾向。如此得到的刀片的性質(zhì)在表8中表示。
表8

(切削試驗7)在此，使用表8所述的刀片進(jìn)行了10分鐘的切削試驗。被削材是與切削試驗1使用的相同的間斷切削測試用材料。切削實驗的條件如下。
切削速度200m/min進(jìn)給0.1mm/rev切入0.2mm切削方式干式如此得到的結(jié)果在表9中表示。膜厚低于0.5μm，衍射強(qiáng)度I(200)/I(111)為3以下，平均粒徑為150nm以下的試料No.41、42表現(xiàn)特別優(yōu)異。
表9

工業(yè)上的可利用性在現(xiàn)有的表面覆蓋高硬度材料中，對不能得到充分壽命的覆蓋膜的載荷有很大用途，例如干式能夠廣泛利用于本來在濕式條件下的高硬度淬火鋼的間斷切削和高精度加工領(lǐng)域。此外，當(dāng)將本發(fā)明的材料應(yīng)用于切槽工具時，壽命延長效果尤其非常明顯。
權(quán)利要求
1.一種工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，以立方晶氮化硼燒結(jié)體即CBN燒結(jié)體作為基材，在所述基材的表面具有由以從C、N以及O中任選至少1種的元素、和Ti、和Al中任選至少一種的元素作為主成分的化合物構(gòu)成的至少1層的厚度為0.1μm以上且低于1μm的覆蓋膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，所述覆蓋膜，由Ti和Al的氮化物或碳氮化物構(gòu)成，將覆蓋膜的X射線衍射的(111)面的衍射強(qiáng)度設(shè)為I(111)、將(200)面的衍射強(qiáng)度設(shè)為I(200)時，0≤I(200)/I(111)≤3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，所述覆蓋膜具有由(Ti1-XAlX)N、0.3≤X≤0.6表示的組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，所述覆蓋膜具有由(Ti1-XAlX)N、0.3≤X≤0.45表示的組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，構(gòu)成所述的覆蓋膜的結(jié)晶的平均粒徑為50nm以上且低于150nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，將所述覆蓋膜所含的Ti的一部分，置換成除Si、B和Ti的從周期表4a、5a以及6a族過渡金屬元素中任選的至少一種元素，所置換的元素的在覆蓋膜中的含量為以原子％計低于10％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，所述工具用表面覆蓋高硬度材料的用途為切槽工具。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，基材是由立方晶氮化硼即CBN的粉末30～90體積％和殘余部結(jié)合材構(gòu)成的燒結(jié)體，殘余部結(jié)合材是由周期表第4a、5a以及6a族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及它們的固溶體構(gòu)成的組中任選的至少一種、和鋁化合物和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，所述覆蓋膜的合計的膜厚為0.1μm以上且低于0.5μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項所述的工具用表面覆蓋高硬度材料，其特征在于，所述工具用表面覆蓋高硬度材料的用途為淬火鋼的高精度加工用工具，其中，所謂高精度加工是進(jìn)給量0.08mm/rev以下的加工。
全文摘要
本發(fā)明通過使CBN燒結(jié)體工具的覆蓋膜變薄，而提供淬火鋼的精加工和切槽加工的工具。本發(fā)明是以CBN燒結(jié)體為基材，在基材的表面具有由以從C、N以及O中任選至少1種的元素和Ti和Al中任選至少一種的元素為主成分的化合物構(gòu)成的至少1層的厚度為0.1μm以上且低于1μm的覆蓋膜的工具用表面覆蓋高硬度材料。作為切槽工具使用此材料，顯示出優(yōu)異的性能。作為覆蓋膜，有中間層、耐磨損層以及表面層等。
文檔編號C23C14/06GK1809436SQ200480017419
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者岡村克己, 久木野曉, 松川倫子, 后藤光宏 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社