CN102061444B - 表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面包覆切削工具，其根据控制由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体及包覆于该表面的硬质包覆层的残留应力差，在进行长时间断续切削时也发挥优异的耐崩刀性。作为由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体表面蒸镀形成硬质包覆层的表面包覆切削工具，工具基体与硬质包覆层的界面处的工具基体及硬质包覆层的残留应力值分别为-2GPa以下，并且两者的残留应力之差为0.5GPa以下，优选表示硬质包覆层中的残留应力值朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐变小的残留应力分布。

Description

表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种立方晶氮化硼(以下以cBN表示)基超高压烧结材料制表面包覆切削工具(以下称为cBN包覆工具)，其在冲击性负载断续作用于刀刃的断续切削加工中根据硬质包覆层具备优异的耐崩刀性，在长期使用中发挥优异的切削性能。

背景技术

以往，公知有在钢、铸铁等的铁系被切削材料的切削加工中将cBN基超高压烧结材料作为与被切削材料的亲和性低的工具材料利用，并且有从耐磨性的提高、工具寿命的改善等观点广泛公知有在cBN基超高压烧结材料的表面包覆形成硬质包覆层的cBN包覆工具。

例如，如专利文献1所示，公知有如下cBN包覆工具：将cBN基超高压烧结材料设为工具基体(以下称为cBN工具基体)，由4a族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物、氮氧化物、氧化物、Al₂O₃等1种单层或2种以上的多层构成其表面，层中的残留应力为-0.2～0.2GPa，cBN工具基体的硬质相的残留应力为-0.5～0GPa，并且高温耐塑性变形性、耐磨性、耐缺损性优异。

并且，如专利文献2所示，公知有如下cBN包覆工具：使0.1～3GPa的压缩残留应力存在于cBN工具基体的由选自4a、5a、6a族金属、Al及Si的至少1种金属元素的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等构成的硬质包覆层中，并且耐磨性、耐缺损性优异。

并且，如专利文献3所示，关于硬质包覆层中的应力分布，还公知有如下cBN包覆工具：在形成于cBN工具基体表面的硬质包覆层的厚度方向上产生压缩应力的变化，在硬质包覆层的最表层具有最小压缩应力，以包覆层中间点表示最大压缩应力，从包覆层中间点到cBN工具基体表面具有作为一定的压缩应力的应力分布，并且根据该cBN包覆工具，可以改善韧性、耐磨性及耐崩刀性。

专利文献1：日本专利公开平6-330321号公报

专利文献2：日本专利公开2006-263857号公报

专利文献3：日本专利公开2006-35345号公报

近几年的切削加工装置的FA化非常显著，另一方面对切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求强烈，伴随此，切削加工有如下倾向，即除了在通常的切削条件以外，在更严峻的条件下进行切削加工，但在上述的以往包覆工具中，当用在通常条件下的切削加工中时没有产生特别的问题。但是，将此用于淬火钢等高硬度钢的高速断续切削中时，断续反复冲击性负载作用于刀刃，但由于cBN工具基体与硬质包覆层的附着强度不充分，因此由于该原因易产生崩刀、缺损，所以在比较短的时间内达到使用寿命，在长期使用中无法充分发挥耐磨性。

发明内容

因此，为了在长期使用中发挥优异的切削性能，提高cBN工具基体和硬质包覆层的附着强度就成为了重大课题。

本发明人们为了谋求在cBN包覆工具中cBN工具基体与硬质包覆层之间的附着强度的提高，进行深入研究的结果得到了如下见解。其中所述cBN包覆工具为如下：将cBN基超高压烧结材料作为工具基体材料，作为硬质包覆层形成由选自Ti、Cr、Al、及Si的至少1种金属元素的氮化物、碳氮化物中的1种单层或2种以上的多层。

首先，本发明人们查明了如下为引起附着强度的下降，产生崩刀、缺损等的原因之一，即在cBN工具基体例如以PVD蒸镀形成硬质包覆层而制作cBN包覆工具，将此cBN包覆工具提供于高速断续切削加工中的结果，通过存在于硬质包覆层内的残留应力，拉伸应力对cBN工具基体起作用。

因此，对cBN工具基体和硬质包覆层各自的残留应力值及cBN工具基体的残留应力和硬质包覆层的残留应力的相互关系进一步进行调查的结果，发现如下内容：当cBN工具基体和硬质包覆层的界面处的两者的残留应力分别为-2GPa以下，并且两者的差值在0.5GPa以内时，cBN工具基体和硬质包覆层之间的附着强度大大提高。

另外，如果将cBN工具基体和硬质包覆层的界面处的两者残留应力分别设为-2GPa以下，并且在将两者之差值设为0.5GPa以内之后，构成如硬质包覆层中的残留应力随着朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐减少的残留应力分布，则能够抑制根据高速断续切削加工时的冲击性负载产生的龟裂向硬质包覆层内的进展，因此能够进一步防止崩刀、缺损的产生。

从而发现了如下内容，将cBN工具基体的残留应力及硬质包覆层的残留应力设为预定值以上，另外，将cBN工具基体的残留应力和硬质包覆层的残留应力之差控制在预定值以内的cBN包覆工具，或者除此之外还形成残留应力朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐减少的残留应力分布的cBN包覆工具，成为具有优异的附着强度，其结果在淬火钢等高硬度被切削材料的高速断续切削加工中，不会产生崩刀、缺损、剥离等的异常损伤，发挥优异的耐磨性的同时，谋求工具寿命的延长化。

本发明是基于上述见解而完成的，其特征为，

“(1)一种表面包覆切削工具，是在由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体表面蒸镀形成硬质包覆层的表面包覆切削工具，其特征在于，

在所述工具基体表面与硬质包覆层的界面处的，工具基体中的残留应力值及硬质包覆层中的残留应力值均为-2GPa以下，并且工具基体中的残留应力与硬质包覆层中的残留应力之差值为0.5GPa以下。

(2)如所述(1)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述硬质包覆层由选自Ti、Cr、Al、及Si的至少1种金属元素的氮化物、碳氮化物中的1种单层或2种以上的多层构成。

(3)如所述(1)或(2)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，

表示所述硬质包覆层中的残留应力值朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐变小的残留应力分布。”

以下对于本发明进行说明。

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)极其硬质，在烧结材料中形成分散相，并且通过该分散相有助于耐磨性的提高。

cBN工具基体中的其他构成成分，例如作为结合相等能够使用选自周期表VIa、Va族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物、及由它们的固溶体构成的组中的至少1种和铝化合物的陶瓷类结合材料，但不会对含有其他成分产生阻碍。

为了使预定的残留应力形成于cBN工具基体的表面(即与硬质包覆层的界面)，例如可以使用以下方法。

通过通常的烧结法制造cBN工具基体之后，例如作为根据PVD成膜硬质包覆层时的预处理，对cBN工具基体施以根据氧化铝粒子湿式喷射处理，根据调整其喷射压力和时间，能够控制从cBN工具基体表面到最大5μm深度处的残留应力值。

表1中表示在cBN粒径为2μm以下的cBN工具基体表面进行湿式喷射处理时，形成于cBN工具基体表面的残留应力的值的一例。

根据表1可知，通过将湿式喷射的喷射压力调整为0～0.24GPa，将喷射时间调整为0～60sec之间，可以将形成于cBN工具基体表面的残留应力的值控制在-0.27～-3.38GPa的范围内。

关于形成于cBN工具基体表面的残留应力的值，通过根据利用XRD的“2θ-sin²Ψ法”对cBN工具基体中所包含的TiN相进行测定并计算而获得。

[表1]

硬质包覆层：

作为硬质包覆层能够由选自Ti、Cr、Al及Si的至少1种金属元素的氮化物、碳氮化物中的1种单层或2种以上的多层构成，例如可以使用TiN层、TiAlN层。

硬质包覆层的成膜例如可以通过作为电弧离子镀(AIP)而公知的PVD法进行，尤其可以通过调整成膜条件内的偏置条件来控制被成膜的硬质包覆层中的残留应力的值。

表2中表示通过AIP成膜的TiAlN层中的残留应力的值与偏置条件的关系。

另外，AIP的成膜条件为如下：

反应气体类别：N₂、

反应气体压力：3Pa、

电弧电流值：110A、

加热器温度：750℃、

目标膜厚：2μm。

根据表2可知，形成于硬质包覆层(TiAlN层)中的残留应力的值通过将偏压调整为-25～-200V之间，能够控制在-0.9～-4.9GPa的范围内。

并且，硬质包覆层中的残留应力的值与测定cBN工具基体表面的残留应力时相同，可以通过利用XRD的“2θ-sin²Ψ法”对层中的TiN相进行测定而获得。

[表2]

由表2可知，为了将硬质包覆层中的残留应力设为朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐变小的残留应力分布形态，进行成膜的同时逐渐减小偏压即可。

另外，残留应力的值相对于层厚方向变化时，残留应力分布的值可根据使X线的穿透深度变化来进行按层中深度的残留应力的测定，通称根据“薄膜应力测定法”测定。

在本发明中，将在cBN工具基体表面与硬质包覆层的界面处的、cBN工具基体中的残留应力值以及硬质包覆层中的残留应力值均设为-2GPa以下的残留应力，但任意一个或两者的残留应力值超过-2GPa的情况下，切削加工时在硬质包覆层表面产生龟裂时，龟裂容易向膜中扩展且易产生崩刀。

并且，若cBN工具基体中的残留应力与硬质包覆层中的残留应力之差值超过0.5GPa，则在切削加工时cBN工具基体与硬质包覆层的界面变脆弱，容易产生包覆层的剥离而导致耐崩刀性恶化。

从而，在本发明中，将cBN工具基体表面与硬质包覆层的界面处的、cBN工具基体中的残留应力值以及硬质包覆层中的残留应力值均定为-2GPa以下的残留应力，并且，cBN工具基体中的残留应力与硬质包覆层中的残留应力之差值定为0.5GPa以下。

发明效果

如上所述，本发明的表面包覆切削工具为如下工具：在cBN工具基体与硬质包覆层的界面处的、工具基体中的残留应力值及硬质包覆层中的残留应力值均为-2GPa以下的残留应力，并且工具基体中的残留应力与硬质包覆层中的残留应力之差值为0.5GPa以下，由此即使将此使用于对刀刃施加断续、反复的冲击性负载的高硬度钢的高速断续切削中时，也不产生崩刀、缺损、剥离等的异常损伤，另外，将硬质包覆层中的残留应力分布设为朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐减小时，更加显示优异的耐崩刀性、耐缺损性，并且在长期使用中发挥优异的耐磨性。

具体实施方式

以下根据实施例说明本发明的表面包覆切削工具。

[实施例]

作为原料粉末准备均具有0.5～4μm范围内的平均粒径的cBN粉末、TiN粉末、AlN粉末、Ni粉末、Al粉末、Co粉末、及W粉末，将这些原料粉末配合成表3所示的配合组成，并用球磨机湿式混合80小时且干燥之后，以120MPa的压力挤压成型为具有直径：50mm×厚度：1.5mm尺寸的压坯，接着在压力：1Pa的真空气氛中，在900～1300℃范围内的预定温度中保持60分钟的条件下烧结该压坯后作为刀刃片用备用烧结体，在将该备用烧结体与另外准备的Co：8质量％、WC：残余组成、及具有直径：50mm×厚度：2mm尺寸的WC基硬质合金制支承片重叠的状态下，装入通常的超高压烧结装置中，并在作为通常条件的压力：4GPa、温度：1200～1400℃范围内的预定温度中，在保持时间：0.8小时的条件下超高压烧结，烧结后利用金刚石磨刀石研磨上下面，用电火花线切割加工装置或金刚石切割机分割成一个边为3mm的正三角形状，另外在Co：5质量％、TaC：5质量％、WC：残余组成及具有CIS规格SNGA120412形状(厚度：4.76mm×一边长度：12.7mm的正方形)的WC基硬质合金制刀片主体的钎焊部(隅角部)，用以质量％计、具有由Cu：26％、Ti：5％、Ni：2.5％、Ag：残余构成的组成的Ag合金的钎料进行钎焊，并在外周加工成预定尺寸之后，对刀刃部施以宽度：0.13mm、角度：25°的珩磨加工，另外根据施以精研磨，从而制造了具有ISO规格SNGA120412的刀片形状，cBN含有比例为30～60wt％的表3所示的本发明cBN工具基体1～10。

[表3]

接着，对上述本发明cBN工具基体1～10以表4中表示的喷射压力、喷射时间施以使用氧化铝粒子的湿式喷射处理之后，在丙酮中超声波洗净并干燥。

通过根据利用XRD的“2θ-sin²Ψ法”对cBN工具基体中的结合相所包含的TiN相进行测定来计算干燥后的上述本发明cBN工具基体1～10表面的残留应力σm。

在表6中表示残留应力值。

接着，在作为物理蒸镀装置的1种的电弧离子镀(AIP)装置内自转公转自如地支承安装上述本发明cBN工具基体1～10，

首先，一边对装置内进行真空排气而保持在0.5Pa真空中，一边用加热器对装置内加热至500℃之后，导入Ar气体并设成1.5Pa的Ar气体气氛，对cBN工具基体1外加-100V的直流偏压，对所述cBN工具基体进行Ar气体轰击清洗，

接着，在所述装置内以表5所示的条件(偏压、反应气体种类、反应气体压力、目标种类等)进行电弧离子镀，形成按预定的目标层厚、层类别的硬质包覆层，

由此制作了ISO规格SNGA120412中规定的可转位刀片形状的本发明cBN包覆工具1～10(称为本发明1～10)。

关于上述本发明1～10，通过根据使X线的穿透深度变化来测定按层中深度的残留应力，即通称根据“薄膜应力测定法”测定cBN工具基体表面与硬质包覆层的界面处的硬质包覆层中的残留应力σc。

并且，在成膜中对于使偏压变化的，与上述相同地根据“薄膜应力测定法”测定了层厚方向的应力分布(硬质包覆层表层中的残留应力σs)。

表6中表示这些值(其中，关于层厚方向的应力分布，用硬质包覆层表层中的残留应力值σs来代替此)。

[表4]

[表5]

[表6]

为了进行比较，对实施例中使用的cBN工具基体1～10以表7中所示的条件施以湿式喷射处理或不施以湿式喷射处理，之后在丙酮中超声波清洗并干燥，制作了比较例cBN工具基体1～10。

通过根据利用XRD的“2θ-sin²Ψ法”对cBN工具基体中的结合相所包含的TiN相进行测定来计算干燥后的上述比较例cBN工具基体1～10表面的残留应力σm。

在表9中表示残留应力的值。

接着，在电弧离子镀(AIP)装置内自转公转自如地支承安装上述比较例cBN工具基体1～10，

首先，一边对装置内进行真空排气而保持在0.5Pa的真空中，一边用加热器对装置内加热至500℃之后，导入Ar气体并设成1.5Pa的Ar气体气氛，对cBN工具基体1外加-100V的直流偏压，对所述cBN工具基体进行Ar气体轰击清洗，

接着，在所述装置内，以表8所示的条件(偏压、反应气体种类、反应气体压力、目标种类等)进行电弧离子镀，形成按预定的目标层厚、层类别的硬质包覆层，

由此制作了ISO规格SNGA120412中规定的可转位刀片形状的比较例cBN包覆工具1～10(称为比较例1～10)。

关于上述比较例1～10，通过根据使X线的穿透深度变化来测定按层中深度的残留应力，即通称根据“薄膜应力测定法”测定cBN工具基体表面与硬质包覆层的界面处的硬质包覆层中的残留应力σc。

并且，在成膜中对于使偏压变化的，与上述相同地根据“薄膜应力测定法”测定了层厚方向的应力分布(硬质包覆层表层中的残留应力σs)。

表9中表示这些值(其中，关于层厚方向的应力分布，用硬质包覆层表层中的残留应力的值σs来代替此)。

[表7]

[表8]

[表9]

从表6及表9的比较可知，本发明1～10均为如下：在cBN工具基体与硬质包覆层的界面处的、工具基体中的残留应力的值(σm)及硬质包覆层中的残留应力的值(σc)均为-2GPa以下的残留应力，并且工具基体中的残留应力与硬质包覆层中的残留应力之差值(σm-σc)为0.5GPa以下，另外，本发明1～10的硬质包覆层的表层的残留应力的值(σs)以绝对值变得小于σc，残留应力的值随着朝向硬质包覆层的表层以绝对值减少。

与此相反，可知在比较例1～10中，σm、σc的任意一个超过-2GPa，或σm-σc的值超过0.5GPa，均不满足本发明的规定。

用上述本发明1～10及比较例1～10在以下切削条件下实施了切削加工试验。

进行切削条件1，即

被切削材料：JIS·SUJ2的以长度方向等间隔带有4条纵槽的圆棒(硬度：H_RA60)、

切削速度：180m/min、

进给速度：0.10mm/rev、

切深量：0.12mm、

切削时间：10分钟

的条件下的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)，

切削条件2，即

被切削材料：JIS·SCr420的以长度方向等间隔带有4条纵槽的圆棒(硬度：H_RA62)、

切削速度：200m/min、

进给速度：0.10mm/rev、

切深量：0.12mm、

切削时间：10分钟

的条件下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)，测定了刀刃的后刀面磨损宽度。

表10中表示根据上述切削条件1、2的切削加工试验的测定结果。

[表10]

比较例栏的切削试验结果表示因崩刀、缺损、剥离等原因达到寿命为止的切削时间(分钟)。

从表10所示的结果可知，本发明cBN包覆工具1～10在用于对刀刃施加断续、反复的冲击性负载的高硬度钢的高速断续切削中时，也不产生崩刀、缺损、剥离等的异常损伤，在长期使用中显示优异的耐磨性。

与此相反，在比较例cBN包覆工具1～10中，明确了如下内容：由于cBN工具基体与硬质包覆层的附着强度低劣，因此产生崩刀、缺损、剥离等，并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cBN包覆工具适合用作高硬度钢的高速断续切削加工用的切削工具，并且能够充分满足地对应切削加工装置的高性能化、及切削加工的节省劳力化、节能化、甚至低成本化，当然也可使用于各种钢或铸铁等的通常的切削条件下的切削加工中。

Claims (2)

1.一种表面包覆切削工具，是在由立方晶氮化硼基超高压烧结材料构成的工具基体表面蒸镀形成硬质包覆层的表面包覆切削工具，其特征在于，

在所述工具基体表面与硬质包覆层的界面处的，工具基体中的残留应力值及硬质包覆层中的残留应力值均为-2GPa以下，并且工具基体中的残留应力与硬质包覆层中的残留应力之差值为0.5GPa以下，

表示所述硬质包覆层中的残留应力值朝向硬质包覆层的表面以绝对值逐渐变小的残留应力分布，

在制造所述立方晶氮化硼基超高压烧结材料时，作为原料粉末含有30～60wt％的立方晶氮化硼粉末，所述立方晶氮化硼粉末的平均粒径为0.5～4μm。

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

所述硬质包覆层由选自Ti、Cr、Al、及Si的至少1种金属元素的氮化物、碳氮化物中的1种单层或2种以上的多层构成。