CN103084599A

CN103084599A - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN103084599A
Application number: CN2012104291399A
Authority: CN
Inventors: 龙冈翔; 岩崎直之; 长田晃
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提供在高速重切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性的表面包覆切削工具。硬质包覆层包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层，（a）所述下部层，为包括Ti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一层或二层以上、且具有3～20μｍ的总计平均层厚的Ti化合物层，（b）所述上部层，为具有2～25μm的平均层厚的氧化铝层，构成所述上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，在该组织内分散分布有微粒氧化铝。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及表面包覆切削工具（以下称为包覆工具），在伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的各种钢或铸铁的高速重切削加工时，由于硬质包覆层具备优异的耐崩刀性，因此经长期使用发挥优异的切削性能。

背景技术

以往通常已知在碳化钨（以下用WC表示）基硬质合金或碳氮化钛（以下用TiCN表示）基金属陶瓷构成的工具基体（以下将这些统称为工具基体）的表面形成由下述下部层（a）和上部层（b）构成的硬质包覆层而成的包覆工具，并且已知该包覆工具使用于各种钢或铸铁等的切削加工中。

（a）下部层：为包括均被化学蒸镀形成的Ti的碳化物（以下用TiC表示）层、氮化物（以下同样用TiN表示）层、碳氮化物（以下用TiCN表示）层、碳氧化物（以下用TiCO表示）层及碳氮氧化物（以下用TiCNO表示）层中的一层或二层以上的Ti化合物层，

（b）上部层：为被化学蒸镀形成的氧化铝层。

但是，上述包覆工具存在在较大的负荷施加于切削刃的切削条件下易产生崩刀、缺损等且工具寿命较短之类的问题，因此为了消除该问题，目前提出了几个提案。

例如，专利文献1中公开了如下内容：硬质包覆层通过具有包括Ti等的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、硼氮化物的一种以上形成的内层、及由0.01～0.5μｍ粒度的无定形氧化铝与结晶化氧化铝构成的氧化铝形成的外层的包覆层，从而该包覆层微粒且致密，而且生产率很大。

另外，专利文献2中公开了如下内容：在WC基硬质合金基体的表面上，以2～20μｍ的平均层厚化学蒸镀和/或物理蒸镀包含Al₂O₃层的硬质包覆层，例如由包括TiC层、TiN层、TiCN层、TiO₂层、TiCO层、TiNO层及TiCNO层的Ti化合物层中的一种或两种以上以及Al₂O₃层构成的硬质包覆层所形成的表面包覆硬质合金制切削工具中，通过将构成硬质包覆层的Al₂O₃层由Al₂O₃的主体具有α型结晶构造，且在上侧部与下侧部（基体侧）具有不同的结晶组织，上侧部为柱状Al₂O₃层、即柱状晶粒为纵向排列配置的结晶组织，下侧部为粒状Al₂O₃层、即粒状结晶组织的Al₂O₃层构成，从而提供耐崩刀性优异的包覆工具。

进而，专利文献3中公开了如下内容：在母材表面包覆硬质膜的硬质膜包覆部件中，硬质膜包括非柱状晶组织的Al氧化物或氧氮化物，该硬质膜的膜厚为4至15μｍ，从而提供耐磨损性、耐缺损性优异的长寿命的包覆工具。

专利文献1：日本特开昭59-28565号公报

专利文献2：日本特开平10-76406号公报

专利文献3：日本特开平1-83667号公报

近年来的现状如下：对切削加工中的节省劳力化及节能化的要求强烈，随此，包覆工具逐渐在更加苛刻的条件下使用，例如，即使是上述专利文献1至3所示的包覆工具中，在使用于伴有高热产生并且高负荷进一步作用于切削刃的高速重切削加工时，由于上部层的热传导性高、热屏蔽效应不充分，所以也会因切削加工时的高负荷而容易在切削刃上产生崩刀、缺损，其结果在较短时间内达到使用寿命。

发明内容

因此，本发明人等从上述观点出发，对即使在使用于伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工时，硬质包覆层也具备优异的韧性、耐崩刀性，而且经长期使用发挥优异的耐磨损性的包覆工具进行了深入研究，结果获得了以下见解。

即，作为硬质包覆层，在所述以往的形成有包括氧化铝的上部层的硬质包覆层中，氧化铝在与基体垂直方向上以柱状来形成。因此，高温硬度和耐磨损性提高，但是相反沿着氧化铝层的基体的水平方向的粒界较少，氧化铝层的热传导性上升，耐热冲击性、热屏蔽性降低，结果无法发挥充分的耐崩刀性、耐缺损性，另外，工具寿命也不能说是令人满意的。

因此，本发明人对构成硬质包覆层的上部层的氧化铝层进行了深入研究，结果发现了如下新的见解：通过毫不损害氧化铝层的高温硬度和耐磨损性，而增加构成上部层的氧化铝层的粒界，从而提高韧性、热屏蔽性，由此能够提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐破损性。

具体地说，构成上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，在该组织内分散分布有微粒氧化铝，因此抑制了氧化铝层的热传导性，提高了耐热冲击性、热屏蔽性。

而且，上述构成的氧化铝层例如可以通过以下的化学蒸镀法成膜。

在工具基体表面上以反应气体组成（容量%）为AlCl₃：2～3%、三甲基铝（Al（CH₃）₃）（以下用TMA表示）：0.25～0.75%、CO₂:4～6%、HCl：1～3%、H₂S：0.1～0.5%、H₂：剩余，反应气氛压力为5～8kPa，反应气氛温度为870～1040℃进行化学蒸镀法，从而可以得到微粒氧化铝在膜中分散的柱状纵向生长氧化铝结晶组织。

而且，特别是在氧化铝层中的微粒氧化铝的截面的数密度具有以0.5μm~5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态时，由于存在微粒氧化铝的数密度低的区域，能够很好地发挥柱状纵向生长氧化铝结晶的优异的高温硬度和耐磨损性的特性，且由于存在微粒氧化铝的数密度高的区域，能够很好地发挥微粒氧化铝带来的优异的韧性和热屏蔽性的特性，可在较高的水准上并列持有该上述特性。因此，发现特别是即使用于在伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工时，硬质包覆层也具备优异的耐崩刀性、耐缺损性，经长期使用能发挥优异的切削性能。

本发明是基于上述见解而完成的，具有如下特征。

（1）一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面设置硬质包覆层，其中，

所述硬质包覆层包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层，

（a）所述下部层，为包括Ti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一层或二层以上、且具有3～20μｍ的总计平均层厚的Ti化合物层，

（b）所述上部层，为具有2～25μｍ的平均层厚的氧化铝层，

构成所述（b）的上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，在该组织内分散分布有微粒氧化铝，该微粒氧化铝为粒状氧化铝结晶相、无定形氧化铝相、或者粒状氧化铝结晶相与无定形氧化铝相的混合相，柱状纵向生长氧化铝结晶的平均粒子宽度W为50～2000nm，平均纵横比A为5～50，所述微粒氧化铝的平均粒径R为10～50nm，存在于构成上部层的氧化铝层中的微粒氧化铝的截面的数密度为20～150个/μｍ²。

（2）根据（1）所述的表面包覆切削工具，其中，所述微粒氧化铝的截面的数密度具有以0.5μm～5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态。

以下对本发明进行详细说明。

下部层的Ti化合物层：

包括Ti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一层或二层以上的Ti化合物层的下部层可以在通常的化学蒸镀条件下形成，其本身具有高温强度，该Ti化合物层的存在不仅使硬质包覆层具备高温强度，而且与工具基体和包括氧化铝层的上部层都能牢固地密合，因此具有有助于提高硬质包覆层对工具基体的密合性的作用，但是，其总计平均层厚小于3μm时，由于层厚较薄而无法充分发挥所述作用，另一方面，若其总计平均层厚超过20μm，则晶粒容易粗大化，容易产生崩刀，因此将其总计平均层厚定为3～20μm。

上部层的氧化铝层：

已知构成上部层的氧化铝层具备高温硬度和耐热性，但其平均层厚小于2μm时，无法确保经长期使用的耐磨损性，另一方面，若其平均层厚超过25μm，则氧化铝晶粒容易粗大化，其结果除了降低高温硬度、高温强度以外，还降低高速重切削加工时的耐崩刀性、耐缺损性，因此将其平均层厚定为2～25μm。

进一步地，本发明在所述构成的基础上，同时具有以下的条件时，发挥更加优异的效果。

上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，在该组织内分散分布有微粒氧化铝。通过这种构成，韧性、热屏蔽性提高，表现出优异的耐崩刀性。然而，对于柱状纵向生长氧化铝结晶的各晶粒，将与基体表面平行的方向的粒子宽度设为w，将其平均值设为平均粒子宽度W时，平均粒子宽度W若小于50nm，则不能确保经长期使用的耐磨损性，另一方面，若超过2000nm，则由于粒子的粗大化而耐崩刀性、耐缺损性降低。因此，柱状纵向生长氧化铝结晶的平均粒子宽度W优选为50～2000nm。另外，对于柱状纵向生长氧化铝的各晶粒，将与基体表面垂直方向的粒子长度设为1，将所述粒子宽度w与l之比设为各晶粒的纵横比a，进而，将对各个晶粒求出的纵横比a的平均值设为平均纵横比A时，若平均纵横比A小于5，则不能确保作为柱状纵向生长氧化铝的特征的高耐磨损性，另一方面，若超过50，则韧性反而降低，耐崩刀性、耐缺损性降低。因此，柱状纵向生长氧化铝结晶的平均纵横比A优选为5～50。在此，本发明中，对柱状纵向生长氧化铝的一个粒子进行计测时，将与基体表面平行的方向的规定方向最大径称为粒子宽度w，另一方面，将与基体表面垂直的方向的规定方向切线直径称为粒子长度l。

进一步地，对于微粒氧化铝，将各微粒氧化铝的粒径设为r，将其平均值设为平均粒径R时，平均粒径R若小于10nm，则不能发挥使微粒氧化铝分散分布的效果，另一方面，若超过50nm，则上部层的氧化铝层的粒界带来的热传导性抑制效果降低。因此，微粒氧化铝的平均粒径R优选为10～50nm。在此，本发明中，将作为各个微粒氧化铝的析出相的最长直径的长轴直径称为微粒氧化铝的粒径r。此外，本发明中的微粒氧化铝是指粒状氧化铝结晶相、无定形氧化铝相、或者粒状氧化铝结晶相与无定形氧化铝相的混合相，将这些统称为微粒氧化铝。

另外，对于微粒氧化铝，若截面的数密度小于20个/μm²，则不能发挥使微粒氧化铝分散分布的效果，另一方面，若超过150个/μm²，则阻碍柱状纵向生长氧化铝结晶的生长，耐磨损性反而降低。因此，微粒氧化铝的截面的数密度优选为20～150个/μm²。进而，如上所述，微粒氧化铝不会一样地分布，而是数密度形成以0.5μm～5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态，由此发挥更优异的耐崩刀性、耐缺损性。其理由在于微粒氧化铝的数密度低的区域且耐崩刀性高的区域有助于高温硬度、韧性等，通过该数密度变化，发挥并列持有这些性质的优异的效果，但若小于周期0.5μm，则周期性变化带来的数密度低的区域和高的区域无法充分发挥各自的效果，另一方面，若超过5μm，则无法充分发挥并列持有因周期性变化带来的数密度低的区域和高的区域的存在而带来的优异的高温硬度、耐磨损性、韧性、热屏蔽性这样的协同效应。因此，微粒氧化铝的截面的数密度定为具有以0.5μm～5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态。

分散分布的微粒氧化铝的形成：

本发明的微粒氧化铝可以在通常的化学蒸镀条件下成膜的上部层的形成过程中进行利用下述条件的化学蒸镀法来形成。

通过向反应气体中添加成为微粒氧化铝的核的TMA，能形成分散分布的微粒氧化铝。

反应气体组成（容量%）：

AlCl₃:2～3%、

TMA：0.25～0.75%、

CO₂:4～6%、

HCl：1～3%、

H₂S：0.1～0.5%、

H₂：剩余、

反应气氛温度：870～1040℃、

反应气氛压力：5～8kPa、

图1表示存在于在上述化学蒸镀条件下形成的构成本发明的上部层的氧化铝层中的微粒氧化铝的分布形态的示意简图。

另外，微粒氧化铝通过周期性地变化TMA的添加量，从而数密度具有以0.5μm～5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态而形成。图2表示其示意简图。

根据图3进行更具体的说明。

图3表示采取在上述化学蒸镀条件下形成的本发明的微粒氧化铝周期性地变化的数密度分布的上部层中的、层厚方向位置-数密度的相关性的一例的数密度分布形态图。

该数密度分布形态图可以用以下的方法求得。

首先，将上部层分别划分为与工具基体表面平行的0.1μm厚度宽度区域（图4中，与工具基体表面平行地画出的多条平行线隔开的区域相当于0.1μm厚度宽度区域），使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍）对长度总计10μm内存在于被划分的各厚度宽度区域的微粒氧化铝的数进行测定，求得存在于该0.1μm厚度宽度区域的数密度（个/μm²），将在各厚度宽度区域求得的数密度沿层厚方向图表化，制作如图3所示那样的层厚方向的数密度分布形态图。

图5为表示柱状纵向生长氧化铝结晶组织层内的柱状纵向生长氧化铝结晶粒子的生长状态的示意图。

在本发明中，在柱状纵向生长氧化铝结晶组织内分散分布有微粒氧化铝的结构，由于微粒氧化铝的存在，因此在氧化铝层形成有粒界从而抑制热传导，提高了耐热冲击性、热屏蔽性。其结果是发挥了耐崩刀性、耐缺损性提高的效果。

本发明的包覆工具包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层作为硬质包覆层，其中，（a）所述下部层，为包括Ti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一层或二层以上、且具有3～20μｍ的总计平均层厚的Ti化合物层，（b）所述上部层，为具有2～25μm的平均层厚的氧化铝层，构成所述上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，在该组织内分散分布有微粒氧化铝，由此硬质被膜层的热传导性得到抑制，热屏蔽效应提高，因此即使在伴有钢或铸铁等的高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中使用时，耐崩刀性、耐缺损性也优异，结果经长期使用发挥优异的耐磨损性，能实现包覆工具的长寿命化。

附图说明

图1为表示存在于构成本发明的上部层的改性氧化铝层中的微粒氧化铝的分布形态的示意简图。

图2为表示采取周期性地变化的数密度分布形态的上部层中的微粒氧化铝的示意简图。

图3为表示上部层中的层厚方向位置-数密度的相关性的一例的数密度分布形态图。

图4为表示对求得图3的数密度分布形态图的方法进行说明的示意简图。

具体实施方式

接着，根据实施例具体说明本发明的包覆工具。

[实施例]

准备均具有1～3μm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粉末及Co粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，进而加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中并在1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下真空烧结，烧结后，对切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工，由此分别制造出具有ISO·CNMG160612中规定的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体A～E。

另外，准备均具有0.5～2μm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粉末作为原料粉末，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24小时并干燥后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中并在温度1540℃保持1小时的条件下烧结，烧结后，对切削刃部分实施R：0.09mm的刃口修磨加工，由此形成了具有ISO标准·CNMG160612的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a～e。

接着，利用通常的化学蒸镀装置，在这些工具基体A～E及工具基体a～e的表面，进行如下工序。

（a）以表3所示的条件且表6所示的目标层厚蒸镀形成Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层。

（b）接着，蒸镀形成包括表4所示的a～j的条件且表6所示的目标层厚的上部层（氧化铝层）的硬质包覆层，制造本发明包覆工具1～10。

（c）另外，在（a）之后，成膜表4所示的k～o的条件且表6所示的目标层厚的上部层（氧化铝层）时，边在表4所示的TMA容量%的最大值与最小值之间周期性地变化添加量边蒸镀形成氧化铝层，由此制造本发明包覆工具11～15。

利用扫描型电子显微镜（倍率50000倍）对构成所述本发明包覆工具1～10的上部层的氧化铝层进行多视场观察，结果确认了图1所示的膜构成示意图表示的柱状结晶的粒界及粒内存在微粒氧化铝的膜结构。

另外，利用扫描型电子显微镜（倍率50000倍）对构成所述本发明包覆工具11～15的上部层的氧化铝层进行多视场观察，结果确认了图2所示的膜构成示意图表示的柱状结晶的粒界及粒内存在微粒分散相的膜结构。

进一步地，利用透射型电子显微镜（倍率200000倍）对构成所述本发明包覆工具1～15的上部层的氧化铝层进行多视场观察，并对微粒氧化铝进行电子束衍射的结果确认了所述微粒氧化铝为粒状氧化铝结晶相、无定形氧化铝相、或者粒状氧化铝结晶相与无定形氧化铝相的混合相。

另外，作为比较的目的，与本发明包覆工具1～15相同地以表3所示的条件且以表7所示的目标层厚在工具基体A～E及工具基体a～e的表面蒸镀形成作为硬质包覆层的下部层的Ti化合物层。接着，以表3及表5所示的条件且表7所示的目标层厚蒸镀形成包括氧化铝层的上部层作为硬质包覆层的上部层。此时，不添加TMA来形成柱状纵向生长氧化铝结晶组织，由此制作了表7的比较包覆工具1～15。

另外，利用扫描型电子显微镜（倍率5000倍）测定了本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15的各构成层的层厚，测定观察视场内的五个点的层厚并取平均而求出平均层厚的结果均显示出了实际上与表6及表7所示的目标层厚相同的平均层厚。

另外，对于本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15，同样使用扫描型电子显微镜（倍率5000倍），对在工具基体的水平方向上存在于长度总计10μm范围内的柱状纵向生长氧化铝结晶，测定构成上部层的氧化铝层的柱状纵向生长氧化铝结晶的粒子宽度w及粒子长度l，求出作为对各个晶粒求出的粒子宽度w的平均值的平均粒子宽度W和作为纵横比a的平均值的平均纵横比A，该纵横比a被定义为作为对各个晶粒求出的粒子宽度w与粒子长度l之比。

另外，对于本发明包覆工具1～10，同样使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍），与工具基体的垂直方向上是在氧化铝层膜厚部分的厚度内且与工具基体的水平方向上是在长度总计10μm内对上部层的氧化铝层中存在的微粒氧化铝的数进行测定，求得截面的数密度（个/μm²）。

另外，对于本发明包覆工具11～15，同样使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍），将构成上部层的氧化铝层分别划分为与工具基体表面平行的0.1μm厚度宽度区域，对长度总计10μm内存在于被划分的各厚度宽度区域的微粒氧化铝的数进行测定，求得存在于该0.1μm厚度宽度区域的微粒氧化铝的截面的数密度（个/μm²）。由于微粒氧化铝的截面的数密度在层厚方向上交替地采取极大值、极小值的同时周期性地变化，因此分别求得层厚方向的极大值和极小值，对层厚方向的极大值和极小值取平均从而求得极大值和极小值的平均值。

另外，对于本发明包覆工具11～15，同样使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍），在与工具基体的水平方向上长度总计10μm内对在上部层的氧化铝层中存在的微粒氧化铝的粒径r进行测定，求得对各个微粒氧化铝求出的粒径r的平均值即平均粒径R。

表1

表2

表5

表7

接着，关于所述本发明包覆工具1～15及比较包覆工具1～15，在表8所示的条件下实施切削加工试验，在所有的切削试验中都测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

表8

(注)被切削材料都为圆杆

表9

(比较包覆工具栏的切削试验结果表示由于崩刀、缺损等原因达到寿命为止的切削时间(分钟))

表9表示其测定结果。

由表6和表9所示的结果可知，本发明的包覆工具，构成硬质包覆层的上部层的氧化铝层具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，在该组织内分别分散有微粒氧化铝，由此硬质被膜层的热传导性得到抑制，热屏蔽效应提高，因此即使在伴有钢或铸铁等的高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中使用时，耐崩刀性、耐缺损性也优异，结果经长期使用发挥优异的耐磨损性。

与此相对，对于在构成硬质包覆层的上部层的氧化铝层未分散分布有微粒氧化铝的比较包覆工具1～15，可知在伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中使用时，由于崩刀、缺损等的发生而在较短时间内达到了寿命。

[产业上的可利用性]

如上所述，本发明的包覆工具例如在伴有钢或铸铁等的高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性，能够延长使用寿命。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面设置硬质包覆层，其特征在于，

所述硬质包覆层包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层，

（b）所述上部层，为具有2～25μｍ的平均层厚的氧化铝层，

2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述微粒氧化铝的截面的数密度具有以0.5μm～5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态。