CN102061466B

CN102061466B - 表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN102061466B
Application number: CN201010529471.3A
Authority: CN
Inventors: 高岛英彰; 高冈秀充; 长田晃
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: CN102061466A

Abstract

本发明提供表面包覆切削工具，其为包覆形成钢、铸铁等铁类材料的切削加工中发挥优异的韧性、耐热冲击性、耐磨性的复合硬质膜的切削工具。在工具基体的表面包覆形成立方晶氮化硼与氮化钛的复合硬质膜的表面包覆切削工具中，作为该复合硬质膜的构成成分的立方晶氮化硼和氮化钛具备有组成倾斜结构，该组成倾斜结构在工具基体侧氮化钛含有比率变高，并且，在表层侧立方晶氮化硼的含有比率变高，优选以切削刃棱线为分界，在前刀面的复合硬质膜中的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率高于后刀面，并且，前刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率为1.5～4.0，后刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率为0.67～1.5。

Description

表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种表面包覆切削工具，其为包覆形成钢、铸铁等铁类材料的切削加工中发挥优异的韧性、耐热冲击性、耐磨性的立方晶氮化硼(以下，以cBN表示)和氮化钛(以下，以TiN表示)的复合硬质膜。

背景技术

一直以来，作为硬质薄膜的成膜法，周知有物理气相沉积(PVD)法、化学气相沉积(CVD)法等，其通过在工具基体的表面用这些成膜法包覆形成硬质膜而提高耐磨性，同时谋求表面包覆切削工具的长寿命化。

近年来，作为硬质薄膜的其他成膜法开发出了气溶胶沉积(AerosolDeposition。以下，以AD表示)法，并且关注着利用该AD法在工具基体表面成膜硬质膜的表面包覆切削工具。

关于AD法，在非专利文献1中进行了介绍，其为如下涂覆手法，即在图1所示的AD装置中，将亚微米级的原料超微粒子装到气溶胶产生器，与高压气体混合，进行气溶胶化，通过向排放至中～低真空中的成膜腔内的基板高速喷吹，由此成膜金属、陶瓷膜。

AD法的成膜原理被命名为“常温冲击固化现象”，尤其在陶瓷的成膜中为如下：一定范围的动能冲撞于基板时，破碎成微细结晶，且该粒子彼此紧密结合的同时形成膜，所述一定范围的动能在具有特定范围的尺寸的微细粒子与气体一同从喷嘴送出时得到。

作为基于该AD法的成膜的特征，可以举出如下等：

(甲)可以进行金属或陶瓷(氧化物、非氧化物)的成膜。

(乙)由于不需要高温热处理，所以可以得到维持无法以一般烧结工艺得到的原料粉组成的热非平衡陶瓷组织。

(丙)能够以高速(根据条件为PVD、CVD的30倍以上)且大面积进行具有紧密的微结晶组织的涂覆。

(丁)若考虑硬度或弹性率等机械特性，则基板可以广泛选择Si、SUS304、树脂、玻璃等。

作为上述AD法的具体应用例，例如在专利文献1叙述了如下内容：通过AD法形成Al₂O₃与其他陶瓷(例如，SiC、Si₃N₄、TiN、TiCN、TiC、AlN、C、BN)材料的复合膜，由此得到不锈钢、合金钢的切削中显示优异的切削性能的表面包覆切削工具。

并且，在专利文献2叙述了如下内容：通过AD法形成金刚石微粒子与陶瓷(例如，Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、AlSiNO、SiC、TaC、B₄C、BN、SiN、Y₂O₃、ZrO₂、MgO)粒子的复合膜，由此得到粘着性优异，且在Al合金的切削中显示优异的耐磨性的表面包覆切削工具。

并且，在专利文献3中示有通过AD法形成金刚石膜的金刚石包覆工具，且叙述了如下内容：该金刚石包覆工具的摩擦系数小且耐磨性优异。

然而，专利文献1所示的表面包覆切削工具不能说与基板的粘着性及耐磨性充分，并且专利文献2、3中所示的表面包覆切削工具其硬质膜成分为金刚石，由于该金刚石和铁类材料产生反应，所以无法作为钢、铸铁等铁类材料的切削工具使用。

并且，作为不依存上述AD法的硬质复合膜的成膜法，例如在专利文献4、5中公开有如下方法：通过ESC(Electrostatic Spray Coating)法使cBN粒子附着于基体之后，通过CVI(Chemical Vapor Infiltration)法将TiN填充于cBN粒子间隙中，由此成膜由cBN和TiN构成的复合膜，但在该成膜法中，需要高压高温真空装置，存在硬质膜的制造成本增多的问题。并且，由于使cBN粒子附着之后成膜TiN，所以无法将膜的组成设为倾斜结构。因此，与基板的粘着性就成为问题。

专利文献1：日本专利公开2006-131992号公报

专利文献2：日本专利公开2009-62607号公报

专利文献3：日本专利公开2008-19464号公报

专利文献4：美国专利第6607782号说明书

专利文献5：美国专利申请公开第2006/0199013号说明书

非专利文献1：“Synthesiology”Vol.1，No.2(2008)p.130～138

发明内容

本发明的目的在于，提供一种如下表面包覆切削工具：不需要高压高温真空装置而谋求制作成本的降低，同时在钢、铸铁等铁类材料的切削加工中，通过根据AD法调制膜的组成而成膜来包覆形成韧性、耐热冲击性、耐磨性优异，且在长期使用中发挥优异的切削性能的复合硬质膜。

本发明者们发现了如下内容：着眼于由cBN和TiN构成的复合硬质膜，通过根据AD法成膜该复合硬质膜而形成与工具基体的粘着性优异的复合硬质膜；进一步将硬质合金烧结体、cBN烧结体、金属陶瓷或高速钢等作为工具基体，通过AD法在其表面成膜复合硬质膜时，沿其膜厚方向调整cBN和TiN的含有比率，进一步设为根据前刀面、后刀面的所希望的特性的组成倾斜结构的复合硬质膜，由此得到韧性、耐热冲击性及耐磨性优异的适于钢、铸铁等铁类材料的切削加工的表面包覆切削工具。

本发明是根据上述见解而完成的，以如下作为特征：

“(1)一种表面包覆切削工具，是在工具基体的表面以1～15μm的膜厚包覆形成立方晶碳化硼与氮化钛的复合硬质膜的表面包覆切削工具，其特征在于，作为上述复合硬质膜的构成成分的立方晶氮化硼和氮化钛具备有组成倾斜结构，该组成倾斜结构在工具基体侧氮化钛含有比率变高，并且，在表层侧立方晶氮化硼的含有比率变高。

(2)上述(1)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，

以切削刃棱线为分界，前刀面的复合硬质膜的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率高于后刀面的复合硬质膜的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率。

(3)上述(1)或(2)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，

至少在前刀面的复合硬质膜中的上述组成倾斜结构中，前刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率为1.5～4.0。

(4)上述(1)或(2)记载的表面包覆切削工具，其特征在于，

至少在后刀面的复合硬质膜中的上述组成倾斜结构中，后刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率为0.67～1.5。”

以下对本发明进行说明。

在本发明中，作为形成复合硬质膜的工具基体可以使用碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷、立方晶氮化硼基超高压烧结材料、高速工具钢等已周知的各种切削工具基体材料。

在本发明中，通过所述AD(Aerosol Deposition)法在上述工具基体表面成膜复合硬质膜。

首先，根据图1说明本发明的复合硬质膜的基于AD法的成膜的简要。

在图1中，例如将粒径为0.1～1.0μm的cBN粉末、粒径为0.1～1.0μm的TiN粉末分别填充至气溶胶产生器内，将此与高压气体(He、Ar、N₂或空气)混合，进行气溶胶化，向中、低真空压力的成膜腔内的基板高速喷吹，由此可以在基板上成膜由cBN和TiN的所希望的含有比率构成的复合膜。

此外，本发明中所说的含有比率表示在立方晶氮化硼和氮化钛的混合量中所占的体积比率，是指从截面方向对膜厚方向上为0.2μm、与基板平行的方向上为3μm的区域进行基于俄歇电子能谱法的面分析，根据其测量结果计算各成分在复合硬质层中所占的体积比例而求出的值。

在本发明中，利用上述AD法进行成膜时，调节各个气溶胶产生器内的气压，以使在形成复合硬质膜的下部层的成膜初始阶段，原料微粒子粉末中的TiN含有比率变高，并且在形成复合硬质膜的上部层的成膜后期阶段，原料微粒子粉末中的cBN含有比率变高，由此成膜具备在工具基体侧TiN含有比率变高且在表层侧cBN含有比率变高的组成倾斜结构的复合硬质膜。

此外，本发明的复合硬质膜为了提高其烧结性，可以在成膜之后进行退火、激光退火。

本发明的复合硬质膜由于在工具基体侧TiN含有比率高，cBN含有比率变低，所以与工具基体的粘着性优异。

另一方面，由于在复合硬质膜的表层侧cBN含有比率高，TiN含有比率变低，所以为硬质且耐磨性优异，而且由于与铁类材料的反应性小，因此产生溶敷等的忧虑少。

本发明的复合硬质膜若其膜厚不到1μm，则无法在长期使用中发挥优异的耐磨性，另一方面，若其膜厚超过15μm，则因膜内产生的残留应力变得容易产生剥离或崩刀，所以复合硬质膜的膜厚定为1～15μm。

具有上述组成倾斜结构的本发明的复合硬质膜由于在工具基体侧的下部层，cBN和TiN的含有比率中TiN含有比例相对高，所以与工具基体的粘着性优异，工具基体与硬质膜之间的附着强度提高。

并且，在复合硬质膜的表层侧的上部层中，有关cBN和TiN的含有比率，cBN含有比例相对高，因此为硬质且耐磨性及耐氧化性优异，而且在钢或铸铁等的切削加工中显示优异的耐溶敷性。

另外，复合硬质膜的中间层以几乎同量形成cBN含有比率和TiN含有比率，所以不仅具备优异的韧性，而且提高与下部层或上部层的粘着强度。

并且，本发明的表面包覆切削工具优选以切削刃棱线为分界，分别对前刀面或后刀面调整复合硬质膜的组成倾斜结构。

即，在一般的表面包覆切削工具中，对其前刀面要求对被切削材料的非反应性和膜的硬度，另一方面，对后刀面要求界面强度和耐磨性，因此cBN与铁类被切削材料的反应性低，同时为硬质，但若cBN含有比率变高，则cBN粒子的界面强度下降，因切削时脱落的cBN粒子变得容易产生正常磨损。

因此，在本发明的表面包覆切削工具中优选对前刀面采用如下组成倾斜结构，即前刀面的复合硬质膜的表层的cBN相对于TiN的含有比率成为1.5～4.0。

在此，在前刀面中优选cBN相对于TiN的含有比率较高，但若cBN相对于TiN的含有比率超过4.0(80vol％)，则无法避免附着强度及界面强度的显著下降，另一方面，如果cBN相对于TiN的含有比率不到1.5(60vol％)时，耐月牙洼磨损性的提高效果少，所以优选前刀面的表层的cBN相对于TiN的含有比率为1.5～4.0。

并且，在本发明的表面包覆切削工具中优选采用后刀面的复合硬质膜的表层的cBN相对于TiN的含有比率成为0.67～1.5的组成倾斜结构。

即，为了抑制因脱落的cBN粒子产生的正常磨损，需要确保界面强度使cBN粒子不会脱落，因此优选后刀面的复合硬质膜的表层的cBN相对于TiN的含有比率设为1.5(60vol％)以下，但若后刀面的复合硬质膜的表层的cBN相对于TiN的含有比率成为不到0.67(40vol％)，则因cBN的含有率下降而无法确保耐磨性，因此优选后刀面的复合硬质膜的表层的cBN相对于TiN的含有比率为0.67～1.5。

此外，根据AD法，前刀面的表层或后刀面的复合硬质膜的表层的cBN含有比率，可以通过调整(例如，调整气溶胶容器内的气压)成膜末期的向基板各面的TiN和cBN的喷吹来容易获得所希望的含有比率。

如上所述，本发明的表面包覆切削工具在工具基体的表面形成cBN和TiN的复合硬质膜，并且，复合硬质膜中的cBN和TiN具备组成倾斜结构，该组成倾斜结构在工具基体侧TiN含有比率变高，另一方面，在表层侧cBN含有比率变高，所以作为复合硬质膜整体，硬度、韧性、附着强度优异。并且，优选以切削刃棱线为分界，将前刀面的复合硬质膜中的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率设为高于后刀面的复合硬质膜的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率，将前刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率设为1.5～4.0，将后刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率设为0.67～1.5，由此可以具备前刀面、后刀面各自所要求的特性，所以尤其在钢或铸铁等铁类材料的切削加工中发挥优异的耐溶敷性、耐磨性，在长期使用中发挥优异的耐磨性，同时可以谋求工具寿命的延长寿命化。

附图说明

图1表示用于成膜本发明的表面包覆切削工具的复合硬质膜的AD(气溶胶沉积)装置，(a)是简要正视图，(b)是成膜腔内上部的简要俯视图。

图2表示本发明1-10的表面包覆切削工具的复合硬质膜的层结构的一例。

图3表示本发明11-20的表面包覆切削工具的复合硬质膜的前刀面的层结构的一例。

图4表示本发明11-20的表面包覆切削工具的复合硬质膜的后刀面的层结构的一例。

图5表示本发明21-30的表面包覆切削工具的复合硬质膜的前刀面的层结构的一例。

图6表示本发明21-30的表面包覆切削工具的复合硬质膜的后刀面的层结构的一例。

具体实施方式

以下，基于实施例说明本说明的表面包覆切削工具。

此外，在此作为工具基体材料使用了硬质合金基体，但作为工具基体当然可以使用cBN烧结体、金属陶瓷或高速钢等通常使用的工具基体。

[实施例]

作为原料粉末，准备均具有平均粒径1～3μm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，用球磨机湿式混合96小时，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，外周加工成预定尺寸之后，对切削刃部施以宽度：0.13mm、角度25°的珩磨加工，并施以最终研磨，由此制造了均由WC基硬质合金构成且具有ISO规格SNGA120412的刀片形状的硬质合金基体1～10。

[表1]

接着，在丙酮中超声波清洗上述硬质合金基体，在干燥的状态下，安装于图1所示的AD装置的成膜腔内的公转轴，

首先，将粒径为0.1～1.0μm的cBN粉末和粒径为0.1～1.0μm的TiN粉末的原料微粒子分别装入气溶胶产生器，为了防止粉末的凝集，边振动气溶胶产生器下方的振动器边向气溶胶产生器流通气体，用Ar气体以气压300Pa、气体送进速度5L/min使原料微粒子气溶胶化，与用相同的方法气溶胶化的TiN粉末混合，从喷嘴向成膜腔内的硬质合金基体喷吹预定时间，并且，以1～5mm/sec移动喷嘴，由此通过调整加入了cBN及TiN粉末的气溶胶容器内的气压来在工具基体表面形成图2所示的预定膜厚、预定cBN/TiN比率的复合膜(在图2中，以第1下部层、第2下部层、中间层、上部层来表示)，由此制作了ISO规格SNGA120412规定的多刃刀片形状的本发明的复合硬质膜包覆工具1～10(以下称为本发明工具1～10)。

并且，通过与上述本发明工具1～10相同的方法成膜第1下部层、第2下部层、中间层之后，在上部层的成膜时分别对前刀面及后刀面调整加入了cBN及TiN粉末的气溶胶容器内的气压，由此对上述硬质合金基体1～10制作了在前刀面的表层及后刀面的表层分别具有表4所示的cBN含有比率的ISO规格SNGA120412规定的多刃刀片形状的本发明的复合硬质膜包覆工具11～20(以下称为本发明工具11～20)。

另外，分别对前刀面及后刀面调整从成膜初期加入了cBN及TiN粉末的气溶胶容器内的气压，由此对上述硬质合金基体1～10制作了在前刀面的表层及后刀面的表层分别具有表5所示的cBN含有比率的ISO规格SNGA120412规定的多刃刀片形状的本发明的复合硬质膜包覆工具21～30(以下称为本发明工具21～30)。

为了进行比较如下进行：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、TiC粉末、TiCN粉末、Ti₃Al粉末、Ti₂Al粉末、TiAl₃粉末、Al粉末、Al₂O₃粉末、WC粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机湿式混合80小时，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而作为切削刃片用预烧结体，以将该预烧结体与另外准备的Co：16质量％、WC：剩余的组成、及与具有直径：50mm×厚度：2mm尺寸的WC基硬质合金制支承片重叠的状态，装入一般超高压烧结装置中，在作为一般条件的压力：4GPa、温度：1200～1400℃范围内的预定温度中保持时间：0.8小时的条件下进行超高压烧结，烧结之后，用金刚石磨刀石研磨上下面，用线放电加工装置或金刚石切割机分割成一边为3mm的正三角形状，另外在Co：6质量％、TaC：5质量％、WC：剩余的组成及具有ISO规格SNGA120412的形状(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)，使用具有由以质量％计，Cu：26％、Ti：5％、Ni：2.5％、Ag：剩余构成的组成的Ag合金的钎焊材料进行钎焊，外周加工成预定尺寸之后，对切削刃部施以宽度：0.13mm、角度：25°的珩磨加工，进一步施以最终研磨，由此制作了具有ISO规格SNGA120412的刀片形状，且由表2所示的cBN烧结体构成的cBN工具1～10(以下称为比较例工具1～10)。

为了参考，尝试了通过AD法在实施例中使用的硬质合金基体1～10上成膜粒径为0.1～1.0μm的cBN粉末，但无法成膜。

关于第1下部层、第2下部层、中间层及上部层，通过俄歇电子能谱法从截面加工的试料的截面方向对在其厚度方向上为0.2μm、在与基板平行的方向上为3μm的区域测量上述本发明工具1～30的各层的膜组成，结果分别显示了与图2～图6所示的目标cBN/TiN比率实际上相同的cBN/TiN比率。此外，在AD法中，当成膜时陶瓷粒子冲撞到基板时，产生数GPa左右的压缩应力，冲撞时陶瓷粒子脆性破坏或塑性变形，所以原料粒子被微细破碎，即使在沿所述膜厚方向上为0.2μm的区域内也可以调整含有比率。

在表3、表4、表5示出cBN/TiN比率。

并且，使用扫描电子显微镜截面测量本发明工具1～30的膜厚，结果均显示与目标层厚实际上相同的平均值(5个部位的平均值)。

将这些值示于表3、表4、表5。

[表2]

[表3]

使用上述本发明工具1～30及比较例工具1～10，用以下的切削条件施以切削加工试验。

进行在切削条件1，即

被切削材料：JIS·SCr420(硬度HRA：62)的圆棒、

切削速度：230m/min、

给料速度：0.20mm/rev、

吃刀深度：0.20mm、

切削时间：5分钟

的条件下的高硬度铬钢的干式连续切削加工试验，和

在切削条件2，即

被切削材料：JIS·SUJ2(硬度HRA：60)的长度方向等间隔有4条纵槽的圆棒、

切削速度：180m/min、

给料速度：0.15mm/rev、

吃刀深度：0.20mm、

切削时间：5分钟

的条件下的硬化轴承钢的干式断续切削加工试验，测量了切削刃的后刀面磨损宽度。

将基于上述切削条件1、2的切削加工试验的测量结果示于表6。

从表6中所示的结果来看，本发明工具1～10其复合硬质膜作为cBN和TiN的复合膜而构成，而且，具备在工具基体侧TiN含有比率变高且在表层侧cBN含有比率变高的组成倾斜结构，因此在铁类材料的切削加工中，硬质包覆层具备优异的粘着强度、高温硬度、韧性，不存在产生溶敷、缺损等的忧虑，在长期使用中发挥优异的耐磨性。

并且，本发明工具11～30在前刀面表层或后刀面表层还具备有预定cBN含有比率，所以也完全观察不到月牙洼磨损、正常磨损的产生，在长期使用中发挥优异的耐磨性。

与此相反，在比较例工具1～10中可知，因产生缺损、耐磨性不足等，在比较短时间内达到使用寿命。

工业实用性

如上所述，该发明的包覆形成复合硬质膜的表面包覆切削工具适合使用于钢、铸铁等的切削加工中，当然也可以使用于其他被切削材料的切削加工，另外，能够充分满足对应切削加工装置的高性能化及切削加工的节省劳力化、以及节能化、低成本化。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，是在工具基体的表面以1～15μm的膜厚包覆形成立方晶氮化硼与氮化钛的复合硬质膜的表面包覆切削工具，其特征在于，

作为上述复合硬质膜的构成成分的立方晶氮化硼和氮化钛具备有组成倾斜结构，所述组成倾斜结构在工具基体侧氮化钛含有比率变高，并且，在表层侧立方晶氮化硼的含有比率变高。

2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

3.如权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

4.如权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，

至少在后刀面的复合硬质膜中的上述组成倾斜结构中，后刀面的复合硬质膜的表层的立方晶氮化硼相对于氮化钛的含有比率为0.67～1.5。