CN100528431C

CN100528431C - 表面包覆金属陶瓷制切削工具

Info

Publication number: CN100528431C
Application number: CNB2005100913097A
Authority: CN
Inventors: 长田晃; 中村惠滋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: EP2267182A3; EP2267182B2; JP4466841B2; ES2398658T3; US7348051B2; ES2424115T3; JP2006015426A; CN1748917A; US20060003187A1; EP1614769B1; EP1614769A1; EP2267182B1; EP2267182A2

Abstract

本发明提供了一种在高速间歇切削加工中，硬质包覆层发挥出优异耐崩裂性的表面包覆金属陶瓷制切削工具。所述的切削工具是通过在工具基体的表面上形成如下(a)和(b)所构成的硬质包覆层而得到，(a)下部层为，均通过化学气相沉积形成的TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层、以及TiCNO层中2层以上构成，且总平均层厚为3～20μm的Ti化合物层，(b)上部层为通过化学气相沉积形成、平均层厚为1～15μm的Al₂O₃层。

Description

表面包覆金属陶瓷制切削工具

技术领域

本发明涉及一种特别是在钢或铸铁等的高速间歇切削加工中，硬质包覆层发挥出优异的耐崩裂性的表面包覆金属陶瓷制切削工具(以下称为包覆金属陶瓷工具)。

背景技术

迄今为止，通常已知在碳化钨(以下表示为WC)基超硬金属合金或者碳氮化钛(以下表示为TiCN)基金属陶瓷构成的基体(以下，将它们统称为工具基体)的表面上，形成由下述(a)和(b)构成的硬质包覆层而得到的包覆金属陶瓷工具：

(a)下部层为，均通过化学气相沉积形成的Ti的碳化物(以下表示为TiC)层、氮化物(以下表示为TiN)层、碳氮化物(以下表示为TiCN)层、碳氧化物(以下表示为TiCO)层、以及碳氮氧化物(以下表示为TiCNO)层中的2层以上构成的、且总平均层厚为3～20μm的Ti化合物层，

(b)上部层为，通过化学气相沉积形成、平均层厚为1～15μm的氧化铝(以下表示为Al₂O₃)层，

还已知该包覆金属陶瓷工具在例如各种钢或铸铁等的连续切削和间歇切削加工中使用。

[专利文献1]特开平6-31503号公报

发明内容

近年来，切削装置的高性能化显著提高，另一方面，强烈要求针对切削加工的省力化和节能化，以及低成本化，与之相伴，切削加工有更高速化的倾向，但是现状是，在上述现有的包覆金属陶瓷工具中，虽然在将其用于钢或铸铁等常规条件下的连续切削或间歇切削时没有问题，但特别是在将其用于切削条件最严格的高速间歇切削，也就是以极短节距，对切削刀刃部分反复地施加机械冲击的高速间歇切削时，虽然在构成该工具的硬质包覆层中，由于下部层的Ti化合物层而具有高温强度，且由于上部层的Al₂O₃层而具有高温硬度和耐热性，然而通过上述Ti化合物层获得的高温强度并不充分，因此并不能相应地满足机械冲击，其结果是在硬质包覆层中容易出现崩裂(微小缺损)，因而在较短时间内，就达到使用寿命。

因此，从上述观点出发，本发明人为提高上述包覆金属陶瓷工具的硬质包覆层的耐崩裂性，对作为该工具的下部层的Ti化合物层进行了着重研究，结果得到如下(a)～(c)所述的研究结果：

(a)在工具基体的表面上，使用通常的化学气相沉积装置形成作为上述包覆金属陶瓷工具的硬质包覆层下部层的Ti化合物层时，将其条件设定为：

反应气体组成以体积％表示为TiCl₄：2～10％、CH₃CN：0.5～3％、N₂：10～30％、H₂：剩余量、

反应气氛温度：820～920℃、

反应气氛压力：6～20kPa，

同时，根据层厚设定构成上述反应气体的CH₃CN的成膜起始时间点与成膜终止时间点的含有比例在上述含量范围内，进而，如果在从含有比例相对较低的上述成膜起始时间点到含有比例相对较高的上述成膜终止时间点期间，在连续或间歇性地逐步增加CH₃CN的含有比例的条件下形成TiCN层，最终形成的TiCN层(以下称为“改性TiCN层”)具有优异的高温强度，并具有优异的耐机械冲击性，因此，硬质包覆层的上部层由上述Al₂O₃层构成、下部层为上述Ti化合物层构成、且在上述Ti化合物层中的1层为由上述改性TiCN层组成的包覆金属陶瓷工具，即使在伴有特别强烈的机械冲击的高速间歇切削加工中，上述硬质包覆层也发挥出优异的耐崩裂性，并且在较长时间内显示出优异的耐磨耗性。

(b)使用常规的化学气相沉积装置，在如下条件下，

反应气体组成以体积％表示为TiCl₄：1～5％、CH₄：1～5％、N₂：10～30％、H₂：剩余量、

反应气氛温度：950～1050℃、

反应气氛压力：6～20kPa，

气相沉积形成构成上述现有的包覆金属陶瓷工具硬质包覆层的下部层的TiCN层(以下称为“现有的TiCN层”)，针对该现有的TiCN层与上述(a)的改性TiCN层，

使用场致发射型扫描电子显微镜，按照图1(a)、(b)中的简要说明图所示，对具有在表面研磨面的测定范围内存在的立方晶体晶格的晶体颗粒逐个照射电子射线，相对于上述表面研磨面的法线，测定作为上述晶体颗粒晶体面的{112}面的法线所形成的倾斜角，在上述测定的倾斜角中，将位于0～45度的范围内的测定倾斜角以平均0.25度的间距划分，同时当制作通过统计各区间内存在的度数得到的倾斜角度数分布图时，上述现有的TiCN层如图3所示，{112}面的测定倾斜角的分布在0～45度的范围内显示出具有不偏的倾斜角度数分布的图，与此相对的是，上述改性TiCN层如图2所示，在倾斜角区间的特定位置出现尖锐的最高峰，根据构成反应气体的CH₃CN的含量，该尖锐的最高峰在图横轴的倾斜角区间中所出现的位置及高度产生变化。

(c)如上所述，在形成TiCN层时，使上述反应气体的CH₃CN的含量为0.5～3％，且将与层厚对应的成膜起始时间点与成膜终止时间点的CH₃CN的含量限定在上述范围内，同时通过在上述成膜起始时间到成膜终止时间逐步增加CH₃CN的含量，由此，如倾斜角度数分布图所示：上述尖锐最高峰出现在倾斜角区间的0～10度的范围内，同时在上述0～10度范围内存在的度数的总和，占倾斜角度数分布图总度数的45％或以上，其中，该0～10度的范围内的倾斜角度数的比例占45％或以上，且在上述0～10度的范围内，倾斜角区间内出现最高峰。这时，根据试验结果，层厚越薄，成膜起始时间与成膜终止时间的CH₃CN的含量越设定在0.5～3％的范围内的较低的一侧，层厚中等时，成膜起始时间与成膜终止时间的CH₃CN的含量设定在上述范围内的中间含量，此外，层厚较厚，上述CH₃CN的含量越设定在较高的一侧，同时，其含量幅度，即优选(成膜终止时间点CH₃CN的含量)-(成膜起始时间点CH₃CN的含量)＝1±0.15％，当该含量幅度不足0.85时，在0～10度范围内所存在的度数的总比例不足倾斜角度数分布图总度数的45％，不能确保TiCN层具有所希望的优异的高温强度；另一方面，如果上述含量幅度超过1.15％，出现最高峰的倾斜角区间落在0～10度的范围之外，同样也不能确保TiCN层具有所希望的优异的高温强度。

本发明是基于上述研究结果完成的，涉及在高速切削加工中硬质包覆层具有优良的耐崩裂性的包覆金属陶瓷工具，所述的表面金属陶瓷制切削工具是通过在WC基超硬合金或者TiCN基金属陶瓷所构成的工具基体的表面上形成如下(a)和(b)所构成的形成硬质包覆层而得到的，

(a)下部层为Ti化合物层，该Ti化合物层由均通过化学气相沉积形成的TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层、以及TiCNO层中2层以上构成，且总平均层厚为3～20μm，

(b)上部层为通过化学气相沉积形成、平均层厚为1～15μm的Al₂O₃层，其特征在于：

上述(a)的Ti化合物层中的1层，由平均层厚度为2.5～15μm、且显示如下倾斜角度数分布图的改性碳氮化钛层构成，

该倾斜角度数分布图由如下方法制得：使用场致放射型扫描电子显微镜，通过对具有表面研磨面的测定范围内存在的具有立方晶体晶格的晶体颗粒逐个照射电子射线，测定相对于上述表面研磨面的法线、作为上述晶体颗粒晶体面的{112}面的法线所形成的倾斜角，上述测定的倾斜角中，将位于0～45度的范围内的测定倾斜角以平均0.25度的间隔划分，同时，统计存在于各区间内的度数而制得；其中，在0～10度范围内的倾斜角区间内存在最高峰，同时，在上述0～10度的范围内存在的度数的总和，占倾斜角度数分布图中总度数的45％或以上。

下面，关于本发明的包覆金属陶瓷工具的硬质包覆层的构成层，说明按照上述进行数值限定的理由。

(a)Ti化合物层(下部层)

Ti化合物层本身具有高温强度，由于它的存在，硬质包覆层也具有高温强度，除此之外，Ti化合物层与工具基体和作为上部层的Al₂O₃层的任一个都紧密地粘合在一起，因此具有有助于提高硬质包覆层对工具基体的粘合性的作用，而当其总平均层厚不足3μm时，则不能充分发挥上述作用，另一方面，如果其总平均层厚超过20μm时，则特别是在伴有高热发生的高速间歇切削中容易引起热塑性变形，这种变形也是形成偏磨耗的原因，因而将其总平均层厚度设定为3～20μm。

(b)改性TiCN层

如上所述，通过将作为反应气体的组成成分的CH₃CN的含有比例设定为0.5～3％，同时，逐步增加从反应成膜起始时间点到成膜终止时间点的CH₃CN的含量，使得形成具有如下特点的倾斜角度数分布图的TiCN层：在0～10度的倾斜角区间范围内出现测定倾斜角的最高峰，且上述0～10度的倾斜角区间内存在的度数的总和的比例，占倾斜角度数分布图的度数的全部的45％或以上，其结果是改性TiCN层具有优异的高温强度；如果其平均层厚不足2.5μm，硬质包覆层不能具有所希望的优异的高温强度，另一方面，如果平均层厚超过15μm，容易发生导致偏磨耗的热塑性变形，使得磨耗加速，因而将其平均层厚设定为2.5～15μm。

(c)Al₂O₃层(上部层)

Al₂O₃层具有优异的高温硬度与耐热性，并有助于提高硬质包覆层的耐磨性，当其平均层厚不足1μm时，硬质包覆层无法发挥出充分的耐磨性，另一方面，如果平均层厚超过15μm，则容易产生崩裂，因而将其平均层厚设定为1～15μm。

并且，为了进行切削工具使用前后的辨别，根据需要，还可以气相沉积具有黄金色色调的TiN层，但这时的平均层厚可以是0.1～1μm，这是因为：当不足0.1μm时，得不到充分的辨别效果，另一方面，上述TiN层的上述辨别效果在直到1μm为止的平均层厚下即足够。

发明效果

本发明的包覆金属陶瓷工具，即使在机械热冲击极高的钢或铸铁等的高温间歇切削中，由于硬质包覆层中的1层的改性TiCN层具有优异的高温强度、并且发挥出优异的耐崩裂性，因而在硬质包覆层中不会产生崩裂，并显示出优异的耐磨性。

附图的简单说明

图1为表示构成硬质包覆层的各种TiCN层晶体颗粒的{112}面的倾斜角测定范围的简要说明图。

图2为构成本发明的包覆金属陶瓷工具10的硬质包覆层下部层的改性TiCN层的{112}面倾斜角度数分布图。

图3为构成现有的包覆金属陶瓷工具10的硬质包覆层的下部层的现有TiCN层的{112}面的倾斜角度数分布图。

具体实施方式

下面，通过实施例，对本发明的包覆金属陶瓷工具进行具体的说明。

实施例

作为原料粉末，准备平均粒径均为1～3μm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粉末作为原料粉末，将这些原料粉末按照如表1所示的混和组成进行混和，再加入石蜡，在丙酮中使用球磨机混和24小时，减压干燥后，在98MPa的压力下加压成形为规定形状的压粉体，将该压粉体在5Pa的真空中，在1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下进行真空烧结，烧结后，通过在切削刃部分进行R：0.07mm的珩磨加工，从而分别制造具有ISO·CNMG 120408中规定的可旋转刀片形状的WC基超硬质合金制工具基体A～F。

此外，作为原料粉末，准备平均粒径均为0.5～2μm的TiCN粉末(以质量比计TiC/TiN＝50/50)、Mo₂C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末以及Ni粉末，将这些原料粉末按照如表2所示的混和组成进行混和，使用球磨机湿式混和24小时，干燥后，在98MPa的压力下加压成形为压粉体，将该压粉体在1.3kPa的氮气气氛下，在1540℃的温度下保持1小时的条件下进行烧结，烧结后，通过在切削刃部分进行R：0.07mm的珩磨加工，从而制造具有ISO标准·CNMG 120412的片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a～f。

接着，使用常规的化学气相沉积装置、按照表3和表4所示的条件，在这些工具基体A～F以及工具基体a～f的表面，通过采用表5所示的组合，并且按目标层厚气相沉积形成Ti化合物层与TiCN化合物层作为硬质包覆层的下部层，接着，使用如表3所示的相同的条件，采用表5所示的组合，并且按目标层厚化学气相沉积形成作为上部层的Al₂O₃层，从而分别制造本发明的包覆金属陶瓷工具1～13。

此外，为了进行比较，按表6所示，同样地在表3所述的条件下，同样通过化学蒸气沉积形成如表6所示的目标层厚的Ti化合物层及Al₂O₃层作为硬质包覆层的下部层和上部层，从而分别制造现有的包覆金属陶瓷工具1～13。

接着，针对构成上述本发明的包覆金属陶瓷工具和现有的包覆金属陶瓷工具的硬质包覆层的改性TiCN层和现有的TiCN层，使用场致放射型扫描电子显微镜，分别制作倾斜角度数分布图。

即，上述倾斜角度数分布图是按照如下方法制得的：在以上述改性TiCN层和现有的TiCN层的表面作为研磨面的状态下，将其放入场致放射型扫描电子显微镜的镜筒内，在上述研磨面上，以70度的入射角、使用1nA的照射电流，用加速电压为15kV的电子射线分别照射在上述表面研磨面的测定范围内存在的具有立方晶体晶格的晶体颗粒，使用电子反向散射衍射图像装置，在30×50μm的范围内使用0.1μm/Step的间隔，相对于上述表面研磨面的法线，测定作为上述晶体颗粒的晶体表面的{112}面的法线所形成的倾斜角，基于该测定结果，在上述测定倾斜角中，将位于0～45度的范围内的测定倾斜角以每0.25度的间隔进行划分，同时统计存在于各个区间内的度数。

由该结果得到的各种改性TiCN层和现有的TiCN层的倾斜角度数分布图中，{112}面显示最高峰的倾斜角区间、以及存在于0～10度的范围内的倾斜角区间内的倾斜角度数的占倾斜角度数分布图全部度数的比例分别如表5、6所示。

在上述各个倾斜角度数分布图中，分别如表5、6所示，在本发明的包覆金属陶瓷工具的改性TiCN层均显示出，{112}面的测定倾斜角的分布在0～10度的范围内的倾斜角区间出现最高峰、且存在于0～10度的范围内的倾斜角区间内的倾斜角度数的比例为45％或以上的倾斜角度数分布图，与此相反，现有的包覆金属陶瓷工具的现有TiCN层均显示出，{112}面的测定倾斜角的分布在0～45度的范围内不偏、不存在最高峰、且存在于0～10度的范围内的倾斜角区间内的倾斜角度数也为30％或以下的倾斜角度数分布图。

另外，图2为本发明的包覆金属陶瓷工具10的改性TiCN层的倾斜角度数分布图，图3为现有的包覆金属陶瓷工具10的现有的TiCN层的倾斜角度数分布图。

此外，针对上述本发明的包覆金属陶瓷工具1～13以及现有的包覆金属陶瓷工具1～13，使用电子射线微量分析仪(EPMA)以及俄歇能谱分析装置观察该硬质包覆层的构成层(观察层的纵截面)，确认前者和后者都是由具有与目标组成基本上相同的Ti化合物层与Al₂O₃层所组成的。并且，使用扫描型电子显微镜测定这些包覆金属陶瓷工具的硬质包覆层的构成层的厚度(相同纵截面测定)，全部显示出与目标层厚度基本上相同的平均层厚(5点测定的平均值)。

下面，将上述各种包覆金属陶瓷工具均用固定夹具紧固在工具钢制的钢制切削刀的尖端部分，在此状态下，对本发明的包覆金属陶瓷工具1～13以及现有的包覆金属陶瓷工具1～13，在如下条件切削(条件A)下进行合金钢的干式高速间歇切削试验(通常的切削速度为250米/分钟)

被切削材料：JIS·SCM 440的长度方向等间隔开有4条纵沟槽的圆棒

切削速度：370米/分钟

切割深度：1.0毫米

走刀量：0.24mm/rev

切削时间：5分钟；

在如下条件(条件B)下进行碳素钢的干式高速间歇切削试验(通常的切削速度为300米/分钟)

被切削材料：JIS·S30C的长度方向等间隔开有4条纵沟槽的圆棒

切削速度：400米/分钟

切割深度：1.0毫米

走刀量：0.20mm/rev

切削时间：5分钟；

在如下条件(条件C)下进行球墨铸铁的干式高速间歇切削试验(通常的切削速度为250米/分钟)

被切削材料：JIS·FCD 450的长度方向等间隔开有4条纵沟槽的圆棒

切削速度：400米/分钟

切割深度：1.2毫米

走刀量：0.20mm/rev

切削时间：5分钟；

并测定全部切削试验中的切削刃后隙面的磨损幅度。其测定结果如表7所示。

[表1]

[表2]

由表5～7所示的结果可知，本发明的包覆金属陶瓷工具1～13，任一硬质包覆层的下部层中的1层都是由如下的改性TiCN层构成，所述改性TiCN层显示出，{112}面的倾斜角的分布在0～10度的范围内的倾斜角区间出现最高峰，同时存在于0～10度的范围内的倾斜角区间内的倾斜角度数的合计比例占全部度数的比例在45％或以上的倾斜角度数分布图，即使在机械冲击极高的钢或铸铁的高速间歇切削中，上述改性TiCN层也具有优异的高温强度，发挥出优异的耐崩裂性，因而能够显著抑制切削刃部分的崩裂，并显示出优异的耐磨性；与此相反，在现有的包覆金属陶瓷工具1～13中，其中，其硬质包覆层的下部层中的1层都是由如下的现有TiCN层构成的，所述的现有TiCN层显示出，{112}面的测定倾斜角的分布在0～45度的范围内不偏，不存在最高峰的倾斜角度数分布图，由于任一种在高速间歇切削中硬质包覆层的耐机械冲击性都不充分，因而在切削刃部分发生崩裂，在比较短的时间内就达到使用寿命。

如上所述，本发明的包覆金属陶瓷工具，在各种钢和铸铁等通常的条件下的连续切削或间歇切削中，特别是在要求高温强度的高速间歇切削中也显示出优异的耐崩裂性，并能在较长的时间内发挥出优异的切削性能，因而能给相应地满足切削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。

Claims

1、一种在高速间歇切削加工中，硬质包覆层发挥出优异耐崩裂性的表面包覆金属陶瓷制切削工具，

所述的切削工具是通过在碳化钨基超硬金属合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面上形成如下(a)和(b)所构成的硬质包覆层而得到的，

(a)下部层为Ti化合物层，该Ti化合物层由均通过化学气相沉积形成的Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层、以及碳氮氧化物层中的2层以上构成，且总平均层厚为3～20μm，

(b)上部层为通过化学气相沉积形成、平均层厚为1～15μm的氧化铝层，

其特征在于：