CN102380629B - 硬质包覆层发挥优异的耐削性、耐磨性的表面包覆切削工具 - Google Patents
硬质包覆层发挥优异的耐削性、耐磨性的表面包覆切削工具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种在高速断续切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐削性和耐磨性的表面包覆切削工具。在工具基体的表面蒸镀形成由TiN、TiC、TiCN、TiCO、TiCNO中至少1层以上构成的Ti化合物层作为下部层，蒸镀形成Al2O3层作为上部层的表面包覆切削工具中，在下部层与上部层的界面上微粒的TiO2粒子占每10μm的界面长度的线段比例为10～50％，上部层的氧化铝晶粒在该TiO2粒子上相对于下部层非外延生长，另一方面，在不存在TiO2粒子的界面上相对于下部层外延生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下称为包覆工具)，例如即使在钢或铸铁等的伴随高热产生，且冲击性负载断续地作用于刀刃的高速断续切削加工中使用时，由于硬质包覆层具有优异的附着强度，所以也不会在刀刃产生削片(微小碎片)，而在长期使用中发挥优异的切削性能。
背景技术
以往，公知有如下包覆工具，即在碳化钨基超硬合金基体(以下称为超硬基体)或TiCN基金属陶瓷基体(以下称为金属陶瓷基体。并且，将超硬基体和金属陶瓷基体总称为工具基体)的表面上蒸镀形成由下述(a)、(b)构成的硬质包覆层，
(a)下部层为由具有3～20μm的整体平均层厚的TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层及TiCNO层中的1层或2层以上构成的Ti化合物，
(b)上部层为具有1～15μm的平均层厚，且在化学蒸镀形成的状态下具有α型结晶结构的氧化铝(以下用Al2O3表示)层，
该包覆工具在钢或铸铁等的切削加工中发挥优异的耐磨性。
并且也公知有在下部层与上部层之间设置由TiC/TiCO、TiN/TiNO、TiCN/TiCNO等构成的结合层，使上部层相对于下部层外延生长而提高硬质包覆层的接合强度的包覆工具(专利文献1)或在下部层与上部层之间设置由Ti2O3构成的中间层，使上层部向特定的方位取向而提高硬质包覆层的耐磨性(专利文献2)。
专利文献1：日本专利公开平10-156606号公报
专利文献2：日本专利公开平11-77405号公报
现状如下：近年来，对切削加工的节省劳力化及节能化的要求加强，伴随这一点，切削加工具有逐渐高速化、高效率化的倾向，但使用形成由作为下部层的Ti化合物层、作为上部层的Al2O3层构成的硬质包覆层的以往的包覆工具，例如若在高速条件下进行钢的断续切削，则由于切削时产生的高热而耐磨性容易下降，并且所述下部层与上部层之间的附着强度不充分，所以由于施加于刀刃部的断续性或冲击性的负载导致硬质包覆层容易产生削片、缺损等，以这些为原因，在比较短的时间内达到使用寿命。
发明内容
因此，本发明者们为了改善包覆工具的耐削性、耐磨性，对硬质包覆的层结构进行了深入研究。
在包覆工具的硬质包覆层中，由TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层及TiCNO层中的1层或2层以上形成的Ti化合物所构成的下部层，根据其本身所具备的优异的高温强度而有助于硬质包覆层的高温强度提高，并且，由Al2O3构成的上部层的耐氧化性与热稳定性优异且具有高硬度，但伴随高热产生，在冲击性负载作用于刀刃的高速断续切削中，下部层-上部层之间的附着强度不充分。
因此，为了提高下部层-上部层之间的附着强度，对双层的界面结构反复进行多次试验，结果得出如下意见。
在下部层与上部层的界面分散微量且微粒的TiO2粒子而使其存在时，该TiO2粒子对下部层的Ti化合物及上部层的Al2O3中任意一方都显示优异的附着强度，其结果，在高速断续切削加工中也显示优异的耐削性、耐缺损性。
并且，在微量且微粒的TiO2粒子上蒸镀形成的Al2O3粒子相对于下部层(例如TiCN层)非外延生长，另一方面，在不存在该TiO2粒子的界面上形成的Al2O3粒子相对于下部层外延生长，因此在下部层与上部层的界面上，根据上部层的外延生长而产生结晶生长应变，但由于下部层与上部层的界面上存在微量且微粒的TiO2粒子而缓和在界面上产生的结晶生长应变，其结果在高速断续切削加工中显示优异的耐削性、耐缺损性。
此发明是基于上述意见而完成的，具有如下特征，
“一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基超硬合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面上蒸镀形成有包括下部层与上部层的硬质包覆层，所述下部层由钛的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的1层或2层以上，以及具有3～20μm的合计平均层厚的Ti化合物层构成，所述上部层由具有1～15μm的平均层厚的氧化铝层构成，其特征在于，
在由上述Ti化合物层构成的下部层与由上述氧化铝层构成的上部层之间的界面上，粒径10～100nm的粒状TiO2粒子占每10μm的界面长度的线段比例为10～50％，并且存在于界面的该TiO2粒子上的氧化铝晶粒相对于下部层非外延生长，另一方面，不存在TiO2粒子的界面上，氧化铝晶粒相对于下部层外延生长。”
在以下对该发明的包覆工具的硬质包覆层进行更详细的说明。
(a)下部层(Ti化合物层)
由Ti的碳化物(TiC)层、氮化物(TiN)层、碳氮化物(TiCN)层，碳氧化物(TiCO)层及碳氮氧化物(TiCNO)层中的1层或2层以上构成的Ti化合物层作为硬质包覆的下部层而存在，除了通过本身所具备的优异的高温强度有助于硬质包覆层的高温强度提高以外，还均牢固地附着于工具基体和中间层，因此具有提高对硬质包覆层的工具基体的接合强度的作用，但如果其平均层厚不到3μm，就无法使其充分发挥所述作用，另一方面若其平均层厚超过20μm，则尤其在伴随高热产生的高速断续切削中容易引起热塑性变形，这成为偏磨的原因，所以将其平均层厚定为3～20μm。
(b)存在于下部层与上部层的界面的粒状TiO2粒子
在由Ti化合物层构成的下部层与由氧化铝层构成的上部层的界面上，需要粒径10～100nm的粒状TiO2粒子占每10μm的界面长度的线段比例为10～50％。
用于在下部层与上部层的界面形成粒状TiO2粒子的处理，例如可以按以下进行。
即，由Ti化合物层构成的下部层蒸镀形成于工具基体之后，
首先，作为第1阶段，在0.01～0.1容量％的TiCl4，1～5容量％的CO2，剩余部分由H2构成的气氛气体中处理1～5min(工具基体温度为800～1100℃)，
接着，作为第2阶段，在H2气氛气体中(100％H2)处理1～5min(工具基体温度为950～1100℃)，
接着，作为第3阶段，在1～5容量％的CO2，剩余部分由H2构成的气氛气体中处理1～5min(工具基体温度为950～1100℃)，
由此，可以将粒径10～100nm的粒状TiO2粒子占每10μm的界面长度的线段比例设为10～50％。
将粒状TiO2粒子的粒径设为10～100nm是因为如果粒径不到10nm，TiO2粒子就会不稳定，是由于在蒸镀上部层之前引起热变态，另一方面，若粒径超过100nm，则下部层与上部层的界面的粗糙度变高，在界面产生空隙而使附着强度下降，因此将粒状TiO2粒子的粒径定为10～100nm。
并且，将粒状TiO2粒子占每10μm的界面长度的线段比例设为10～50％的理由在于，如果不到10％，就无法充分缓和上部层与下部层的界面上产生的结晶生长应变，另一方面，若超过50％，则外延生长不充分，而无法充分发挥界面附着强度。
(c)上部层(Al2O3层)
构成上部层的Al2O3层的高温强度及耐热性优异，在伴随高热产生的高速断续切削加工中，作为基本作用维持耐磨性。
在该发明中，由于在下部层与上部层之间的界面上以预定比例形成预定粒径的粒状TiO2粒子而使其存在，所以在蒸镀形成上部层时，根据是形成于粒状TiO2粒子上的Al2O3层，或是形成于不存在粒状TiO2粒子的下部层(Ti化合物层)上Al2O3层，Al2O3晶粒的生长形态就会变得不同。
在图1示出根据本发明的包覆工具1的下部层-上部层界面的显微镜照片制作的示意图，并且在图2示出表示该外延状态的示意图，从不存在粒状TiO2粒子的下部层-上部层界面生长的Al2O3晶粒相对于下部层外延生长，若用高分辨率透射电子显微镜观察，则在下部层与上部层的界面上可以观察到晶格条纹连续形成。
另一方面，在下部层与上部层的界面上形成粒状TiO2粒子，在其上的Al2O3晶粒生长处，Al2O3结晶粒对下部层不进行外延生长，但粒状TiO2粒子发挥缓和伴随结晶生长在下部层与上部层的界面产生的结晶生长应变的作用。
例如，在图2中虽然观察不到在下部层与上部层之间的界面上连续的晶格条纹的形成，但代替此可以观察到Al2O3粒子的晶格面间隔的缓和。
这种粒状TiO2粒子在下部层与上部层之间的界面上微量存在时，粒状TiO2粒子对下部层和上部层的双方具有优异的附着强度，同时可以通过TiO2粒子缓和在下部层与上部层之间的界面上产生的结晶生长应变。
其结果，即使在伴随高热产生的同时，冲击性负载断续地作用于刀刃的高速断续切削加工中，也可以提高耐削性、耐缺损性，在长期使用中可以发挥优异的耐磨性。
但，如果在上部层的平均层厚不到1μm，就无法期待在长期使用中工具寿命的长寿命化，并且若上部层的平均层厚超过15μm，则刀刃部容易产生削片、缺损、剥离等，因此上部层的平均层厚定为1～15μm。
该发明的包覆工具通过使微量的粒状TiO2粒子存在于由Ti化合物层构成的下部层与由Al2O3层构成的上部层之间的界面上，由此提高下部层-上部层之间的附着强度，同时也缓和伴随下部层-上部层之间的结晶生长的应变，其结果，例如即使在伴随钢或铸铁等的高热产生，且冲击性负载作用于刀刃的高速断续切削加工中使用时，由于硬质包覆层具有优异的附着强度，所以也不会在刀刃上产生削片(微小碎片)，并且由于耐磨性也优异，所以在长期使用中发挥优异的切削性能。
附图说明
图1表示根据下部层-上部层界面的高分辨率透射电子显微镜照片(倍率：20000倍)对本发明的包覆工具1制作的示意图。
图2是表示在本发明的包覆工具的下部层与上部层之间的界面上粒状TiO2粒子的形成和Al2O3晶粒的生长形态的示意图。
具体实施方式
接着，通过实施例具体说明该发明的包覆工具。
[实施例]
作为原料粉末，准备均具有2～4μm的平均粒径的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粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，并且加入石蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥之后，以98MPa的压力挤压成型为预定形状的压坯，在5Pa的真空中，在1370～1470℃的范围内的预定温度中保持1小时的条件下真空烧结该压坯，烧结之后，通过对刀刃部施加R：0.07mm的珩磨加工来分别制造具有ISO·CNMG160412规定的多刃刀片形状的WC基超硬合金制工具基体A～F。
另外，作为原料粉末，准备均具有0.5～2μm的平均粒径的TiCN(以质量比计，为TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo2C粉末，ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机进行24小时湿式混合，干燥之后，以98MPa的压力挤压成型为压坯，在1.3kPa的氮气气氛中，在以温度：1540℃中保持1小时的条件下烧结该压坯，烧结之后，通过对刀刃部施加R：0.07mm的珩磨加工来形成具有ISO规格·CNMG160412的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a～f。
接着，将这些工具基体A～F及工具基体a～f分别装入一般化学蒸镀装置中，首先按表3(表3中的l-TiCN表示日本专利公开平6-8010号公报中记载的具有纵向生长结晶组织的TiCN层的形成条件，除此以外表示一般的粒状结晶组织的形成条件)所示的条件，以表6所示的组合及目标层厚蒸镀形成Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层，
接着，用表4所示的条件，在下部层表面形成微量的粒状TiO2粒子，
接着，用表3所示的条件，以表5所示的组合及目标层厚蒸镀形成Al2O3层作为上部层，
由此分别制造本发明的包覆工具1～13。
另外，以比较的目的，用表4所示条件在下部层的最表面分别制造形成本发明中规定的范围外的粒状TiO2粒子作为比较包覆工具1～13。
在表6示出比较包覆工具1～13的下部层(Ti化合物层)、上部层(Al2O3层)及粒状TiO2粒子。
接着，对于上述本发明的包覆工具1～13的硬质包覆层的下部层与上部层之间的界面，用透射电子显微镜和能量分散型X射线分析装置(Noran公司制VoyagerIV)以探针直径5nm的进行分析的结果，可以检测出在下部层与上部层的界面的一部分上存在TiO2。
关于TiO2的粒径及其存在比例，在高分辨率透射电子显微镜中，用加速电压200kV、倍率20000倍、探针直径5nm的条件对界面长度10μm进行能量分散型X射线分析装置测定，在测定TiO2的粒径，同时通过计算存在于测定界面长度的TiO2粒子所占的线段长度，求出TiO2的粒径及其线段比例。
另外，TiO2的粒径及其线段比例均为进行了10点测定的平均值。
在表5示出上述测定中求出的TiO2的粒径及其线段比例。
并且，用扫描电子显微镜测定(测定纵截面)本发明的包覆工具1～13及比较包覆工具1～13的硬质包覆层的各结构层的厚度的结果，都显示出与目标层厚实际上相同的平均层厚(5点测定的平均值)。
接着，对于上述本发明的包覆工具1～13及比较包覆工具1～13的各种包覆工具均以固定夹具在工具的钢制切刀的前端部拧紧的状态，以[切削条件A]
被切削材料：JIS·SNCM420沿长度方向等间隔配置的4条有纵槽圆棒、
切削速度：380m/min、
吃刀深度：2.3mm、
给料速度：0.24mm/rev、
切削时间：5分钟，
的条件进行镍铬钼钢的干式高速断续切削试验(通常的切削速度为200m/min)；
以
[切削条件B]
被切削材料：JIS·FCD500的沿长度方向等间隔配置的4条有纵槽圆棒、
切削速度：360m/min、
吃刀深度：2.6mm、
给料速度：0.37mm/rev、
切削时间：5分钟，
的条件进行铸铁的干式高速断续切削试验(通常的切削速度为180m/min)；
以
[切削条件C]
被切削材料：JIS·S30C的沿长度方向具有等间隔的4条纵槽圆棒、
切削速度：375m/min、
吃刀深度：1.45mm、
给料速度：0.45mm/rev、
切削时间：5分钟，
的条件进行碳素钢的干式高速断续切削试验(通常的切削速度为250m/min)，在所有的切削试验中测定刀刃后刀面的磨损宽度。
将该测定结果表示在表7。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
(注)下部层的栏中括号内的数字表示目标层厚。
[表6]
(注)粒状TiO2粒子栏中的*号表示在本发明范围外。
[表7]
(比较包覆工具的切削试验结果(分钟)是表示在硬质包覆层产生的削片、缺损等原因到达使用寿命的切削时间(分钟))
从表5～7所示的结果可知，在本发明的包覆工具1～13中在硬质包覆层的下部层与上部层之间的界面上以预定比例存在微量的预定粒径的粒状TiO2粒子，在提高下部层与上部层之间的附着强度，同时缓和下部层与上部层的界面应变，所以即使在伴随高发热且冲击性负载作用于刀刃的各种钢或铸铁的高速断续切削中，也显著改善硬质包覆层的耐削性，同时经长期显示优异的耐磨性。
然而，在硬质包覆层的下部层与上部层之间的界面上不存在粒状TiO2粒子的比较包覆工具中，或如即使存在TiO2粒子也是本发明规定的范围外的TiO2粒子的比较包覆工具中，在高速断续切削这种严酷的切削条件下，硬质包覆层的层间附着强度不充分，所以在硬质包覆层产生削片、或者从耐磨性较差等理由在比较短的时间内达到使用寿命是显而易知的。
工业实用性
如上所述，该发明的包覆工具尤其在伴随高发热进行断续性且冲击性的负载的高速断续切削加工中显示优异的耐削性、耐磨性，也可以用于各种钢或铸铁等的通常条件下的切削加工自不必说，这种情况下经长期使用也发挥优异的切削性能，所以可以充分期待切削装置的高性能化及切削加工的省劳力化、节能化，以及低成本化。
Claims (1)
1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基超硬合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面上蒸镀形成有包括下部层与上部层的硬质包覆层，所述下部层由钛的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的1层或2层以上，以及具有3～20μm的合计平均层厚的Ti化合物层构成，所述上部层由具有1～15μm的平均层厚的氧化铝层构成，其特征在于，
在由上述Ti化合物层构成的下部层与由上述氧化铝层构成的上部层之间的界面上，粒径10～100nm的粒状TiO2粒子占每10μm的界面长度的线段比例为10～50％，并且存在于界面的该TiO2粒子上的氧化铝晶粒相对于下部层非外延生长，另一方面，在不存在TiO2粒子的界面上，氧化铝晶粒相对于下部层外延生长。
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