CN102021516A

CN102021516A - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: CN102021516A
Application number: CN2010102737372A
Authority: CN
Inventors: 高岛英彰; 高冈秀充
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: JP2011051060A; CN102021516B

Abstract

本发明提供一种在淬火钢等高硬度钢的高速断续切削加工中，硬质被覆层具有优异的附着强度，而且经长期使用仍发挥优异的耐缺损性和耐磨损性的表面被覆切削工具。在cBN含量高的cBN基超高压烧结材料制工具基体的表面依次蒸镀形成平均层厚0.1～0.3μm的由非晶质BN层形成的下部层、平均层厚0.1～0.3μm的由TiBN形成的中间层以及平均层厚1.0～2.0μm的由TiAlN形成的上部层，由此构成具有优异附着强度的硬质被覆层。

Description

表面被覆切削工具

技术领域

本发明涉及在淬火钢等高硬度钢的高速断续切削加工中，通过硬质被覆层具有优异的附着强度，经长期使用仍发挥优异的耐缺损性和耐磨损性的立方晶氮化硼(以下用cBN表示)基超高压烧结材料制表面被覆切削工具(以下称为cBN被覆工具)。

背景技术

以往熟知在钢、铸铁等铁系被切削材料的切削加工中，与被切削材料的亲和性低的工具材料使用cBN基超高压烧结材料。

此外，如专利文献1所述，已知将cBN基超高压烧结材料作为工具基体(以下称为cBN工具基体)，在其表面形成由选自4a、5a、6a族元素和Al中的元素的氮化物(例如TiAlN)形成的耐磨损性覆膜，且在该耐磨损性覆膜中含有包含非晶质结构的BN、TiB、SiN_X(X＝0.5～1.33)等的超微粒化合物的cBN被覆工具(以下称为现有被覆工具)，根据该现有被覆工具，已知切削加工中的耐磨损性、润滑性、耐烧结性、加工精度提高，工具寿命也得到改善。

然而，在cBN被覆工具中，通常为了实现耐磨损性的提高，尝试提高cBN烧结体中的cBN含有比例，但现状是，将cBN含有比例提高至70vol％程度以上时，由于硬质被覆层(例如上述现有被覆工具中由TiAlN形成的耐磨损性覆膜)与工具基体的附着强度表现出降低趋势，因此切削条件越苛刻，则崩刃、缺损、剥离等越易发生，工具寿命的改善不够充分。

专利文献1：日本专利第3914687号说明书

近些年，切削加工装置的FA化显著，一方面对切削加工的省力化和节能化、且低成本化的要求增强，与此同时，切削加工在普通切削加工的基础上，倾向于要求更加高速条件下的切削加工，上述现有被覆工具在用于普通条件下的切削加工时，不会产生特别问题。但是，将其用于淬火钢等高硬度钢的高速断续切削时，由于cBN工具基体与硬质膜(耐磨损性覆膜)的附着强度不充分，因此容易发生缺损，结果使用寿命较短，不能在长期使用中发挥充分的耐磨损性。

发明内容

因此，为了经长期使用仍发挥优异的切削性能，使cBN工具基体与硬质膜的附着强度提高成为大的课题。

本发明人对将cBN基超高压烧结材料作为工具基体材料、形成Ti和Al的复合氮化物作为硬质被覆层的被覆工具中，用于确保、提高基体与硬质膜间的附着强度的中间层进行了仔细研究后，得出如下见解。

发现在由cBN的含有比例高(70vol％以上)的cBN基超高压烧结材料形成的cBN工具基体的表面，形成非晶质结构的BN(以下用aBN表示)层作为下部层，接着，在该下部层上形成Ti、B和N的复合化合物(以下用TiBN表示)层作为中间层，进而在该中间层上形成Ti和Al的复合氮化物(以下用TiAlN表示)层作为上部层，下部层对cBN工具基体和中间层两者具有牢固的附着强度，并且中间层对上部层具有优异的附着强度。

因此，在cBN工具基体表面形成有包含上述下部层、中间层和上部层三层结构的硬质被覆层的cBN被覆工具具有优异的附着强度，从而在淬火钢等高硬度被切削材料的高速断续切削加工中，不会发生崩刃、缺损、剥离等异常损伤，经长期使用仍发挥优异的耐磨损性，同时实现工具寿命的延长。

本发明为基于上述见解而提出的，具有如下特征，

(1)一种表面被覆切削工具，其特征在于，在含有70vol％以上的立方晶氮化硼、剩余部分包含硬质分散相和结合相的立方晶氮化硼基超高压烧结材料制工具基体的表面，依次蒸镀形成平均层厚0.1～0.3μm的由非晶质BN层形成的下部层、平均层厚0.1～0.3μm的由Ti、B和N的复合化合物层形成的中间层以及平均层厚1.0～2.0μm的由Ti和Al的复合氮化物层形成的上部层。

(2)根据上述(1)所述的表面被覆切削工具，其中，

上述中间层以组成式Ti_0.33(1-X)B_0.67(1-X)N_X表示时，为X值(原子比)满足0.05～0.5的组成比例的Ti、B和N的复合化合物层，并且，

上述上部层以组成式(Ti_1-YAl_Y)N层表示时，为Y值(原子比)满足0.4～0.65的组成比例的Ti和Al的复合氮化物层。

以下对本发明进行说明。

立方晶氮化硼基超高压烧结材料制工具基体(cBN工具基体)：

超高压烧结材料制工具基体中的氮化硼(cBN)质地非常硬，在烧结材料中形成分散相，从而通过该分散相可实现耐磨损性的提高。

通常，如果cBN含有比例为70vol％以上，则虽然硬度提高，但与硬质被覆层的附着性降低，成为缺损发生的原因，而本发明中，通过形成夹在cBN工具基体与上部层(TiAlN层)之间的下部层(非晶质的BN层(aBN层))和中间层(TiBN层)，可充分确保cBN工具基体-上部层(TiAlN层)之间的附着强度，从而也可将cBN含有比例为70vol％以上的高含量的cBN工具基体用作切削工具。

从提供经长期使用仍具备优异的耐磨损性的表面被覆切削工具的观点来看，本发明的cBN含有比例为70vol％以上。

而且，cBN烧结体的其他构成成分例如结合相等，可使用选自由周期表VIa、Va、VIa族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物以及它们的固溶体构成的组中的至少一种与铝化合物的陶瓷类结合材料。

下部层(非晶质的BN层(aBN层))：

下部层对cBN工具基体和中间层(TiBN层)两者具有牢固的附着强度，但下部层的平均层厚小于0.1μm时，附着强度提高效果不充分，另一方面，下部层的平均层厚超过0.3μm时，耐磨损性差，所以平均层厚规定为0.1～0.3μm。

此外，下部层的aBN层例如可在将六方晶氮化硼(h-BN)烧结体作为靶的氩-氮混合气氛中，通过RF溅射来成膜。

中间层(TiBN层)：

中间层由Ti、B和N的复合化合物层构成，中间层的平均层厚小于0.1μm时，附着强度提高效果不充分，另一方面，中间层的平均层厚超过0.3μm时，耐磨损性表现出降低趋势，不能在长期使用时发挥可以令人满意的工具特性，所以平均层厚规定为0.1～0.3μm。

该中间层在N浓度高时，主要由TiN+aBN+TiB₂(微量)的混合层形成，由于aBN和TiN的含有比例高，对下部层(aBN层)和上部层(TiAlN层)都具有牢固的附着强度。

以组成式Ti_0.33(1-X)B_0.67(1-X)N_X表示中间层(TiBN层)时，为X值(原子比)满足0.05～0.5的组成比例时，对下部层和上部层表现出更优异的附着强度。

此外，中间层的TiBN层例如可在将TiB₂烧结体作为靶的氩-氮混合气氛中，通过DC溅射来成膜。

上部层(TiAlN层)：

由TiAlN层构成的上部层为具备优异的高温强度、高温硬度、耐热性和耐高温氧化性的层，以组成式(Ti_1-YAl_Y)N层表示该上部层时，为Y值(原子比)满足0.4～0.65的组成比例时，发挥最优选的特性。

即，上部层的构成成分Ti有助于维持规定的高温强度，Al成分有助于提高高温硬度、耐热性、耐高温氧化性，但Al的含有比例Y超过0.65时，虽然耐高温氧化性提高，但由于Ti含有比例相对减少，耐磨损性降低，另一方面，Al的含有比例Y小于0.4时，高温硬度、耐热性降低，结果耐磨损性降低，所以Al的含有比例Y的值优选为0.4～0.65。

此外，上部层的平均层厚小于1.0μm时，不能将自身具有的高温硬度、耐热性和耐高温氧化性长期赋予硬质被覆层，导致工具寿命变短，另一方面，上部层的平均层厚超过2.0μm时，容易产生缺损，所以上部层的平均层厚规定为1.0～2.0μm。

由TiAlN层形成的上部层可通过通常使用的电弧离子镀(AIP)法来成膜。

如上所述，本发明中，在含有70vol％以上的cBN的cBN工具基体表面形成由TiAlN层形成的硬质被覆层时，通过形成夹在cBN工具基体和TiAlN层之间的作为下部层的aBN层、作为中间层的TiBN层，可实现cBN工具基体和硬质被覆层之间的附着强度的提高，从而本发明的表面被覆切削工具即使在淬火钢等高硬度钢的高速断续切削等苛刻的切削条件下使用时，也不会发生缺损，经长期使用仍可维持优异的耐磨损性，可实现工具寿命的大幅延长。

附图说明

图1表示同时设置有用于形成硬质被覆层的电弧离子镀(AIP)装置、RF磁控溅射(RF-SP)装置和DC溅射(DC-SP)装置的蒸镀装置，其中，硬质被覆层用于构成本发明的被覆工具，(a)为平面简图，(b)为主视简图。

具体实施方式

以下，基于实施例对本发明的表面被覆切削工具进行说明。

作为原料粉末，准备都具有0.5～4μm范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末、AlN粉末、TiC粉末、TiCN粉末、Ti₃Al粉末、Ti₂Al粉末、TiAl₃粉末、Al粉末、Al₂O₃粉末、Co粉末、WC粉末，以表1所示的配合组成配合这些原料粉末，用球磨机湿式混合80小时，干燥后，在120MPa的压力下冲压成型为具有直径50mm×厚度1.5mm尺寸的压粉体，接着，对该压粉体，在压力为1Pa的真空气氛中、900～1300℃范围内的规定温度下保持60分钟的条件下进行烧结，形成切削刃片用预备烧结体，在将该预备烧结体与另外准备的Co为8质量％、WC为剩余组成，以及具有直径50mm×厚度2mm尺寸的WC基超硬合金制支撑片重合的状态下，装入普通的超高压烧结装置中，在通常条件的压力为4GPa、温度为1200～1400℃范围内的规定温度下、保持时间为0.8小时的条件下进行超高压烧结，烧结后用金刚石磨石对上下表面进行研磨，用线放电加工装置或金刚石切断机分割成一边为3mm的正三角形，进而用具有由按照质量％计为26％的Cu、5％的Ti、2.5％的Ni、剩余为Ag构成的组成的Ag合金的焊材对5质量％的Co、5质量％的TaC、剩余组成为WC，以及具有CIS标准SNGA120412的形状(厚度4.76mm×一边边长12.7mm的正方形)的WC基超硬合金制刀片主体的钎焊部(角部)进行钎焊，在外周加工成规定尺寸后，对切削刃部实施宽0.13mm、角度25°的珩磨加工，进而实施精研磨，由此制造具有ISO标准SNGA120412的刀片形状、cBN含有比例为70vol％以上的表1所示的cBN工具基体1～10。

[表1]

接着，将cBN工具基体装配在图1所示的成膜装置的内部，即具备TiB₂烧结体靶和h-BN烧结体靶的溅射装置、和具备Ti-Al合金靶的电弧离子镀装置并设而成的成膜装置的内部。

对上述cBN工具基体在丙酮中进行超声波洗涤，在干燥的状态下，自转公转自如地支撑安装在上述装置内。

(a)首先，对装置内进行真空排气保持在0.5Pa的真空，同时用加热器将装置内加热至500℃后，导入Ar气体形成1.5Pa的Ar气体气氛，对cBN工具基体1施加-100V的直流偏压，通过Ar气体轰击洗涤上述cBN工具基体；

(b)接着，将Ar和N₂的混合气体(Ar/N₂＝50％)导入到上述装置内，进行控制以使运转压力为3.3Pa，对在上述转台上自转的同时旋转的cBN工具基体侧施加-20V的直流偏压，对h-BN烧结体靶侧施加500W的13.56MHz频率的高频，由此在cBN工具基体上形成表2所示的目标膜厚的aBN层(下部层)；

(c)接着，在将上述装置内维持Ar和N₂的混合气体(Ar/N₂＝50％)气氛，且维持运转压力为3.3Pa、500℃的状态下，对在上述转台上自转的同时旋转的cBN工具基体侧施加-100V的直流偏压，用直流电源对TiB₂烧结体靶进行溅射，由此在上述aBN层(下部层)的表面形成表2所示的目标膜厚、由规定组成的TiBN层形成的中间层(TiBN层)；

(d)接着，在装置内为500℃的状态下，对cBN工具基体施加-15V～-25V的直流偏压，在Ti-Al合金阴极电极和阳极电极之间流通120A的电流而产生电弧放电，在上述中间层(TiBN层)的表面形成表3所示的目标膜厚、由规定组成的TiAlN层形成的上部层，

从而制作ISO标准SNGA120412规定的多刃刀片形状的本发明cBN被覆工具1～10。

为了进行比较，在实施例使用的cBN工具基体1～10上通过电弧离子镀以规定的平均层厚蒸镀形成由表3所示的规定组成的TiAlN层形成的硬质被覆层，由此制作比较例cBN被覆工具1～10。

通过俄歇电子能谱对上述本发明cBN被覆工具1～10的下部层(aBN层)、中间层(TiBN层)和上部层(TiAlN层)的膜组成以及比较例cBN被覆工具1～10的TiAlN层的膜组成进行测定后可知，分别表现为与目标组成实质上相同的组成。

表2中的中间层的X值、上部层的值表示各层组成的平均值(5个部位的平均值)。

此外，使用透射型电子显微镜对本发明cBN被覆工具1～10和比较例cBN被覆工具1～10的各层层厚进行截面测定后可知，都表现为与目标层厚实质上相同的组成(5个部位的平均值)。

表2、3中示出了这些测定值。

[表2]

[表3]

用上述本发明cBN被覆工具1～10和比较例cBN被覆工具1～10在以下的切削条件下实施切削加工试验。

<切削条件1>

被切削材料：JIS·SUJ2的沿长度方向等间隔配置的4根有纵槽圆棒(硬度：H_RA60)

切削速度：190m/min

给料速度：0.10mm/rev

吃刀深度：0.15mm

切削时间：10分钟

在切削条件1下，进行淬火轴承钢的湿式高速断续切削加工试验(通常的切削速度为120m/min)，测定切削刃的后刀面磨损宽度。

<切削条件2>

被切削材料：JIS·SCr420的沿长度方向等间隔配置的4根有纵槽圆棒(硬度：H_RA62)

切削速度：180m/min

给料速度：0.10mm/rev

吃刀深度：0.15mm

切削时间：10分钟

在切削条件2下，进行高硬度铬钢的湿式高速断续切削加工试验(通常的切削速度为150m/min)，测定切削刃的后刀面磨损宽度。

表4中示出了由上述切削条件1、2得到的切削加工试验的测定结果。

[表4]

*号表示由于硬质膜的剥离、缺损等而直至达到寿命的切削时间(分钟)。

由表2～4所示的结果可知，本发明cBN被覆工具1～10由于在含有70vol％以上的cBN的cBN工具基体表面通过由aBN层形成的下部层和由TiBN层形成的中间层形成由TiAlN层形成的上部层，cBN工具基体与硬质被覆层的附着强度提高，从而在用于淬火钢等高硬度钢的高速断续切削加工时，表现出优异的耐缺损性，同时经长期使用仍发挥优异的耐磨损性，实现了工具寿命的大幅延长。

与此相对地，在比较例cBN被覆工具1～10中，由于cBN工具基体与硬质被覆层(TiAlN层)的附着强度变差而发生膜的剥离、缺损等，膜剥离时，易进行后刀面磨损而耐磨损性差，在较短时间内达到使用寿命。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的cBN被覆工具适于用作高硬度钢的高速断续切削加工用的切削工具，可充分令人满意地对应于切削加工装置的高性能化、切削加工的省力化和节能化以及低成本化，当然也可用于各种钢、铸铁等在普通切削条件下的切削加工。

Claims

1.一种表面被覆切削工具，其特征在于，在含有70vol％以上的立方晶氮化硼、剩余部分包含硬质分散相和结合相的立方晶氮化硼基超高压烧结材料制工具基体的表面，依次蒸镀形成：

平均层厚0.1～0.3μm的由非晶质BN层形成的下部层；

平均层厚0.1～0.3μm的由Ti、B和N的复合化合物层形成的中间层；和

平均层厚1.0～2.0μm的由Ti和Al的复合氮化物层形成的上部层。

2.根据权利要求1所述的表面被覆切削工具，其中，

上述中间层以组成式Ti_0.33(1-X)B_0.67(1-X)N_X表示时，为X值即原子比满足0.05～0.5的组成比例的Ti、B和N的复合化合物层，并且，

上述上部层以组成式(Ti_1-YAl_Y)N层表示时，为Y值即原子比满足0.4～0.65的组成比例的Ti和Al的复合氮化物层。