CN102051577B

CN102051577B - 硬质包覆层发挥优异的耐缺损性的表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN102051577B
Application number: CN201010526847.5A
Authority: CN
Inventors: 田中耕一; 高冈秀充
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN102051577A; JP2011088250A

Abstract

本发明提供一种硬质包覆层发挥优异耐缺损性的表面包覆切削工具，其在断续重切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐缺损性。在WC基硬质合金制工具基体表面物理蒸镀形成由TiN层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具中，TiN层具有与平均层厚相等的高度，且由相对于工具基体表面向直立方向生长的纵长平板状的TiN晶粒构成，另外，从上述TiN层的表面观察高度为0.1μm的水平截面中的TiN晶粒组织时，短边为5～100nm，纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒所占的面积比例为整个水平截面积的30％以上。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐缺损性的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种碳化钨(以下用WC表示)基硬质合金制表面包覆切削工具(以下称作包覆工具)，其根据硬质包覆层由相对于工具基体表面向直立方向生长的纵长平板状的TiN晶粒构成，即使在断续重切削加工那样的严峻的切削条件下使用时也发挥优异的耐缺损性，实现切削工具的长寿命化。

背景技术

通常，包覆工具中公知有，在各种钢或铸铁等的被切削材料的车削加工中装卸自如地安装在车刀的前端部而使用的刀片、或装卸自如地安装所述刀片而用在端面切削加工或切槽加工以及台肩加工等的与整体式立铣刀相同地进行切削加工的刀片式立铣刀等。

并且，作为包覆工具广泛公知有在WC基硬质合金制工具基体的表面物理蒸镀由Ti的氮化物(以下用TiN表示)层构成的硬质包覆层而形成的包覆工具，并用于各种钢或铸铁等的连续切削或断续切削加工中。

例如，在专利文献1中公开有设置由层厚度1～8μm的柱状组织构成的碳氮化钛层而作为在WC基硬质合金制工具基体的表面形成的硬质包覆层的一个层的包覆工具，且公知有该包覆工具在断续切削加工中发挥优异的耐缺损性。

并且，在专利文献2中公开有在WC基硬质合金制工具基体的表面形成纵横尺寸比由8～100的针状结晶组织构成，且包含含氧的钛化合物(例如Ti₂O₃、TiO₂、TiCO、TiNO等)相的硬质包覆层的包覆工具，且公知有该包覆工具在断续切削加工中发挥优异的耐缺损性和耐崩刀性。

专利文献1：日本专利第3161087号说明书

专利文献2：日本专利公开2007-229821号公报

现状为如下：近年的切削加工装置的FA化非常显著，而且对切削加工的节省劳力化、节能化、低成本化、甚至效率化的要求强烈，伴随此存在要求比高进给速度和高切深量等更高效率的重切削加工的趋势，但在上述的以往包覆工具中在一般条件下切削加工各种钢或铸铁时没有发生特别的问题，但是用于对刀刃施加大的断续性、冲击性负载的断续重切削加工时，刀刃部容易发生缺损，由于该原因在比较短的时间内达到使用寿命。

因此，本发明人们从如上所述的观点出发，为了谋求即使用于断续重切削加工时也显出优异的耐缺损性的包覆工具的长寿命化，由TiN层构成硬质包覆层的同时，着眼该TiN层的晶粒组织并进行深入研究的结果，得到了如下见解。

(a)以往，在由WC硬质合金构成的工具基体表面成膜作为硬质包覆层的TiN层时，在作为物理蒸镀装置的一种的电弧离子镀(AIP)装置安装上述工具基体，例如在

装置内加热温度：300～500℃、

外加于工具基体的直流偏压：-50～-100V、

阴极电极：金属Ti、

电弧放电电流：60～100A、

装置内气体流量：氮(N₂)气+氩(Ar)气、

装置内氮气压力：1～5Pa

条件的条件下，成膜TiN层(以下称为以往TiN层)。

(b)然而，如下形成TiN层，即例如在利用图1的简要说明图中所示的作为物理蒸镀装置的一种的压力梯度型Ar等离子气体的离子镀装置安装上述工具基体，在

工具基体温度：350～450℃、

蒸发源：金属Ti、

等离子枪放电电力：10～15kW、

反应气体流量：氮(N₂)气80～120sccm、

放电气体：氩(Ar)气30～60sccm、

外加于工具基体的直流偏压：0～+5V、

炉缸与工具基体间的距离：950～1050mm

这种特定条件下蒸镀形成TiN层时，将该结果形成的TiN层(以下称为改质TiN层)当作硬质包覆层的包覆工具，与形成所述以往TiN层的包覆工具相比，发现在高切深量、高进给速度的断续重切削加工条件中显出优异的耐缺损性。

(c)用透射型电子显微镜观察上述改质TiN层的截面组织结果，如图2的截面立体图所示确认了如下内容：在层厚方向的纵截面中，形成有相对于工具基体表面向直立方向生长的纵长平板状的TiN晶粒，并且在从改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中，以预定的面积比例形成有短边为5～100nm且纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒。

(d)并且，若由上述晶粒组织的改质TiN层构成表面包覆切削工具的硬质包覆层，则层的抗挠强度变大且耐塑性变形性提高的同时，晶粒界面错综复杂地形成，因此即使在硬质包覆层产生裂纹时，对于裂纹进展的抵抗性也增大，其结果即使用于对刀刃施加巨大断续性、冲击性负载的高进给速度、高切深量的断续重切削加工时，也抑制崩刀和缺损的产生，在长期使用中发挥优异的切削性能。

发明内容

该发明是基于上述见解而完成的，其具有如下特征：

“一种表面包覆切削工具，是在碳化钨基硬质合金制工具基体的表面物理蒸镀形成由平均层厚为0.2～2μm的TiN层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具，其特征在于，

上述TiN层具有与上述平均层厚相等的高度，且由相对于上述工具基体表面向直立方向生长的纵长平板状的TiN晶粒构成；

另外，从上述TiN层的表面用透射型电子显微镜观察高度为0.1μm的水平截面中的晶粒组织时，存在短边为5～100nm、纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒，且在该水平截面中纵长平板状的TiN晶粒所占的面积合计为整个截面积的30％以上。”

对于本发明进行以下说明。

进行多次用于蒸镀形成TiN层的试验的结果，将根据利用图1所示的压力梯度型Ar等离子枪的离子镀在工具基体上形成TiN层的条件，例如调整为

工具基体温度：350～450℃、

蒸发源：金属Ti、

等离子枪放电电力：10～15kW、

反应气体流量：氮(N₂)气80～120sccm、

放电气体：氩(Ar)气30～60sccm、

外加于工具基体的直流偏压：0～+5V、

炉缸和工具基体间的距离：950～1050mm、

蒸镀时间：30～150min

这种特定条件而进行蒸镀，则形成由在相对于工具基体表面向直立方向生长的纵长平板状的TiN晶粒构成的改质TiN层。

如图2的截面立体图所示，若用透射型电子显微镜更详细地观察改质TiN层的组织，则在改质TiN层的层厚方向的纵截面中，上述纵长平板状的TiN晶粒的高度构成了改质TiN层的层厚。

并且，在与工具基体表面平行且处于从改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面(即，处于从改质TiN层表面距离0.1μm高度且与层厚方向正交的平面)中，存在短边为5～100nm、纵横尺寸比为3以上的矩形状的TiN晶粒。

并且，在上述水平截面中，上述矩形状的TiN晶粒的面积合计所占的面积比例为水平截面的整个面积的30％以上。

该改质TiN层的平均层厚(与上述纵长平板状的TiN晶粒的高度相同)根据成膜时间受到很大影响，在因成膜时间短(例如不到30分钟)而上述TiN晶粒的高度不到0.2μm的情况下，耐磨性差且在长期使用中无法发挥优异的切削性能，另一方面在成膜时间变长(例如超过150分钟)且上述TiN晶粒的高度超过2μm时，TiN晶粒变粗化而失去表面平滑性，且易产生崩刀。

因此，改质TiN层的平均层厚(＝上述纵长平板状的TiN晶粒的高度)定为0.2～2μm。

并且，如果在处于从该改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中存在的矩形状的TiN晶粒的短边不到5nm，则无法以晶粒单体维持充分的强度，另一方面，若短边超过100nm，则晶粒变粗大且变得容易产生崩刀，因此上述矩形状的TiN晶粒的短边定为5～100nm。

另外，该发明中所说的“短边”是指，根据透射型电子显微镜在处于从改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中存在的TiN晶粒测定其尺寸，且将表示各个晶粒的被测定的最大直径的线段设为长边时，相对于长边方向垂直的方向上的最大宽度。

并且，如果在处于从该改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中存在的矩形状的TiN晶粒的纵横尺寸比不到3，则层的抗挠强度变小且得不到所希望的耐塑性变形性，因此上述矩形状的TiN晶粒的纵横尺寸比定为3以上。

另外，在这里所说的“纵横尺寸比”是指表示所述各个晶粒的被测定的最大直径的线段的长边值除以所述短边值的值。

并且，当在处于从该改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中存在的矩形状的TiN晶粒的面积比例不到所测定的水平截面的整个面积的30％这种情况时，裂纹的扩展途径变得不复杂且无法充分获得对裂纹扩展的抵抗力，变得容易产生崩刀，因此上述矩形状的TiN晶粒面积比例成为30％以上。

在处于从改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中存在的矩形状的TiN晶粒的短边值，纵横尺寸比值以及面积比例根据改质TiN层的蒸镀条件内的各个成膜时间、成膜温度以及所外加的直流偏压受影响，所以为了将矩形状的TiN晶粒的短边值、纵横尺寸比值以及面积比例维持在预定数值范围内必须对所述蒸镀条件中，尤其是成膜时间、成膜温度、所外加的直流偏压进行周密的调整。

发明效果

该发明的包覆工具由构成硬质包覆层的改质TiN层相对于工具基体表面向直立方向生长的纵长平板状的TiN晶粒构成，另外，在从上述改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面上，存在短边为5～100nm、纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒，且具备该纵长平板状的TiN晶粒所占的面积合计为整个截面积的30％以上的晶粒组织，因此改质TiN层的抗挠强度变大且耐塑性变形性提高的同时，在对刀刃施加断续性、冲击性负载的高进给速度、高切深量的断续重切削加工中即使在硬质包覆层产生裂纹时，也因晶粒界面错综复杂地形成，所以对裂纹扩展的抵抗性增大，其结果耐缺损性被改善，在长期使用中发挥优异的切削性能，从而谋求工具寿命的延长寿命化。

附图说明

图1表示为了蒸镀形成该发明的表面包覆切削工具的硬质包覆层(改质TiN层)而利用压力梯度型Ar等离子枪的离子镀装置的简要图。

图2表示该发明的表面切削包覆工具的由改质TiN层构成的硬质包覆层的截面立体图。

图3表示从本发明刀片1的改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中的TiN晶粒的组织照片。

具体实施方式

下面通过实施例具体说明该发明的包覆工具。

另外，在此以包覆刀片为中心进行说明，但是不限于包覆刀片，可以应用于包覆立铣刀、包覆钻头等各种包覆工具。

[实施例1]

作为原料粉末准备均具有1～3μm的平均粒直径的WC粉末、TiC粉末、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末、及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，并用球磨机湿式混合72小时且干燥之后，以100MPa的压力挤压成型为压坯，在6Pa的真空中，在温度：1400℃中保持1小时的条件下烧结该压坯，烧结后，对刀刃部分施以R：0.03的珩磨加工而形成了具有ISO规格·CNMG120412的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体1～10。

[表1]

接着，在将上述工具基体1～10在丙酮中超声波清洗并干燥的状态下，安装于图1所示的利用压力梯度形Ar等离子枪的离子镀装置中，安装金属Ti作为蒸发源，首先一边将装置内进行排气保持在1.0×10^-3Pa以下的真空中，一边用加热器将装置内加热至240～400℃之后，导入Ar气体设为2.3×10^-2Pa之后，对工具基体外加-200V的偏压，由此对所述工具基体进行10分钟的Ar轰击处理，接着，将装置内一旦设成1×10^-3Pa左右的真空之后，将压力梯度性Ar等离子枪的放电电力设为12kW，流过45sccm的Ar气体、100sccm的氮气，同时将炉内的压力保持在3×10^-2～6×10^-2Pa，对蒸发源入射等离子射束并产生金属Ti的蒸汽，同时用等离子射束离子化，在固定于蒸发源的上部1000mm处的工具基体表面蒸镀形成表3所示的目标层厚的改质TiN层作为硬质包覆层，由此制造了作为本发明包覆工具的本发明表面包覆刀片(以下称为本发明刀片)1～10。

另外，在表2一览表示利用作为本发明刀片1～10的改质TiN层的形成条件的压力梯度型Ar等离子枪的离子镀的各种条件。

为了进行比较，对于上述工具基体A1～A10，通过一般的电弧离子镀(AIP)法用以下条件蒸镀形成表5所示的目标层厚的以往TiN层，由此制造了比较例表面包覆刀片(以下称为比较例刀片)1～10。

装置内加热温度：300～500℃、

外加于工具基体的直流偏压电压：-50～-100V、

阴极电极：金属Ti、

电弧放电电流：60～100A、

装置内气体：氮(N₂)气、

装置内氮气压力：1～5Pa。

另外，在表4一览表示作为比较例刀片1～10的以往TiN层的形成条件的电弧离子镀(AIP)的各种条件。

为了进一步进行比较，对上述工具基体A1～A10内的工具基体A1～A5，通过专利文献2中公开的CVD法调整CVD条件，并蒸镀形成包含含氧Ti化合物(例如Ti₂O₃，TiO₂，TiCO，TiNO等)相的硬质包覆层，由此制造了形成含有表6所示的Ti化合物相的目标层厚的硬质包覆层的参考例表面包覆刀片(以下称为参考例刀片)1～5。

接着，利用透射型电子显微镜对本发明刀片1～10、比较例刀片1～10、及参考例刀片1～5的各硬质包覆层观察了晶粒组织状态。

在表3、5、6表示其观察结果。

根据表3，在本发明刀片1～10中，与改质TiN层的平均层厚相同高度的纵长平板状的TiN晶粒相对于工具基体表面向直立方向生长，利用透射型电子显微镜观察测定从TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面的结果，确认了存在短边为5～100nm，纵横尺寸比为3以上，且该水平截面中的合计面积为整个截面积的30％以上的纵长平板状的TiN晶粒。

作为一个例子在图3表示从本发明刀片1的改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中的TiN晶粒的组织照片。

与此相反，在从表5可知如下内容：根据一般的电弧离子镀法成膜TiN层的比较例刀片1～10中，与以往TiN层的平均层厚相同高度的柱状TiN晶粒相对于工具基体表面向直立方向生长，利用透射型电子显微镜观察测定从TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面的结果，由纵横尺寸比不到2的粒子构成大部分观测面，并没有确认出纵横尺寸比为3以上粒子的存在。

并且，如表6所示，对于具备根据专利文献2中公开的CVD法成膜的硬质包覆层的参考例刀片1～5，也确认了长边为1～4μm、短边为0.03～0.5μm、纵横尺寸比为8～100的由含氧Ti化合物构成的针状结晶相的存在，但在水平截面内的所述针状晶粒的面积比例为30％以下。

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

[表6]

接着，对上述本发明刀片1～10、比较例刀片1～10及参考例刀片1～5，在将此用固定夹具拧紧在工具钢制车刀的前端部的状态下，进行

被切削材料：JIS·SCMnH2的以长度方向等间隔带有4条纵槽的圆棒、

切削速度：120m/min.、

切深量：4.0mm、

进给速度：0.35mm/rev.、

切削时间：2分钟

的条件(称为切削条件1)下的高锰钢的干式断续重切削加工试验(一般的切深量和进给速度各为3mm、0.3mm/rev.)，并进行

被切削材料：JIS·S45C的以长度方向等间隔带有4条纵槽的圆棒、

切削速度：180m/min.、

切深量：5mm、

进给速度：0.35mm/rev.、

切削时间：2分钟

的条件(称为切削条件2)下的碳钢的干式断续重切削加工试验(一般的切深量和进给速度各为3mm、0.20mm/rev.)，

在任何一种切削加工试验中都测定了刀刃的后刀面磨损宽度。

在表7表示该测定结果。

[表7]

(注)以往刀片，参考例刀片的切削试验结果表示因缺损，崩刀等达到寿命为止的切削时间(分钟)。

从表3、5～7所示的结果可知，本发明刀片1～10的构成硬质包覆层的改质TiN层均具有0.2～2μm的平均层厚的同时，形成有相对于工具基体表面在直立方向上与平均层厚相同高度的纵长平板状的TiN晶粒组织，另外，在从上述改质TiN层的表面距离0.1μm高度的水平截面中存在短边为5～100nm、纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒，并且，具备该纵长平板状的TiN晶粒所占的面积合计为整个面积的30％以上的晶粒组织，因此改质TiN层的抗挠强度增大并耐塑性变形性提高的同时，即使在对刀刃施加断续性、冲击性负载的高进给速度、高切深量的断续重切削加工中，在硬质包覆层产生裂纹时，也因晶粒界面错综复杂的形成，因此对裂纹扩展的抵抗性增大，其结果耐缺损性被改善，在长期使用中发挥优异的切削性能，从而谋求工具寿命的延长寿命化。

与此相反，在比较例刀片1～10中明确了如下内容：以往TiN层中的晶粒的纵横尺寸比低，晶粒界面没有错综复杂地形成，且对裂纹扩展的抵抗力弱，因此在断续切削加工中根据缺损等比较短时间内达到使用寿命，并且在硬质包覆层中含有由含氧Ti化合物构成的针状结晶相的参考例刀片1～5中，在作为严格的切削条件的断续重切削加工中也根据缺损等在比较短时间内达到使用寿命。

工业实用性

如上所述，该发明的包覆工具的硬质包覆层(改质TiN层)作为具有特定的短边、纵横尺寸比、面积比例的纵长平板状的TiN晶粒组织形成，由此具备优异的耐缺损性，并且该优异的切削性能不仅在实施例中所示的包覆刀片，而且在包覆立铣刀、包覆钻头等各种包覆工具中，在长期使用中也得到发挥。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，是在碳化钨基硬质合金制工具基体的表面物理蒸镀形成由平均层厚为0.2～2μm的TiN层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具，其特征在于，

另外，从上述TiN层的表面用透射型电子显微镜观察高度为0.1μm的水平截面中的晶粒组织时，存在短边为5～100nm、纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒，且在该水平截面中短边为5～100nm、纵横尺寸比为3以上的上述纵长平板状的TiN晶粒所占的面积合计为整个截面积的30％以上。