CN103124608A - 耐缺损性及耐磨性优异的表面包覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐缺损性及耐磨性优异的表面包覆切削工具。本发明的表面包覆切削工具，通过物理蒸镀法在工具基体表面包覆形成硬质包覆层，其中，硬质包覆层由以组成式：（Al1-x-yTixSiy）（N1-zCz）表示的平均层厚为0.5～8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，硬质包覆层中含有构成元素中90原子%以上为金属元素的平均截面长径为0.05～0.5μm的金属颗粒，该金属颗粒以3～18%的纵截面面积比例分散分布于硬质包覆层中，在金属颗粒中，将构成元素包含50原子%以上的Al，且满足纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下等条件的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，0.3≤A/（A+B）。
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），其例如在碳钢、合金工具钢等被切削材料的正面铣削加工中通过提高硬质包覆层的耐缺损性从而经长期使用仍发挥优异的耐磨性。
背景技术
以往，已知有例如如专利文献1所公开的表面包覆切削工具，其中，以具有硬质包覆层的熔滴为起点而晶体成长的化合物的晶粒突出于皮膜表面，将化合物的晶粒的长边方向长度设为h（μm），将硬质包覆层的层厚设为T（μm）时，通过设为6≤T≤30、0.1≤h/T≤1.2来使以熔滴作为起点的巨大的柱状晶体成长并降低压缩应力，从而不损害粘附性而实现厚膜化。
另外，已知有如专利文献2所公开的立铣刀等表面包覆切削工具，该立铣刀中，包覆层的表面突出有多个大颗粒，在与底刃及外周刃的刀片相连的前刀面，大颗粒相对于与基体及包覆层的界面的垂直线方向以平均5～20%的角度向远离刀片的方向突出，通过大颗粒倾斜突出能够分散切屑冲击，并抑制大颗粒脱落，提高耐崩刀性。
此外，已知有如专利文献3所公开的表面包覆切削工具，其中，在由含有WC基硬质合金的金属陶瓷、陶瓷及高速钢中任一种构成的硬质材料基体表面，以0.5～20μm的平均层厚形成由单层或多层构成的硬质包覆层，并通过由具有如下组织的金属微粒分散层构成来提高耐崩刀性，所述组织中，具有0.2～2μm的粒径的Ti、Zr、Hf及Al，以及由这些中的2种以上的合金中的至少1种构成的金属微粒在硬质包覆层的至少1层以5～30%的纵截面面积比例分散分布。
专利文献1：日本专利公开2008-75178号公报
专利文献2：日本专利公开2008-238336号公报
专利文献3：日本专利公开平6-170610号公报
近几年在切削加工中对省力化及节能化的要求强烈，随之逐渐在更加苛刻的条件下使用包覆工具，并且为了提高耐缺损性以如所述专利文献1～3中所示的方法逐渐提高包覆工具的性能，但就耐缺损性的改善而言还不够充分。
如所述专利文献3，通过在硬质包覆层内分散金属颗粒能够缓解膜内部的应力并提高耐缺损性。但是，从靶中产生的金属颗粒通常在附着到基体之前就凝固，因此金属颗粒以形状或相对于基体表面的角度随机的状态混入皮膜。形成为球状的颗粒或虽为细长颗粒但沿膜厚方向纵长的颗粒在切削时容易受阻并容易脱落，加上脱落时严重损伤膜表面，因此存在因表面粗糙度的增加而使耐缺损性下降的课题。因此出现如下现状：若单纯在硬质包覆层内分散金属颗粒，则例如当以同时要求耐磨性和耐缺损性的正面铣削等加工形态加工碳钢、合金工具钢等被切削材料时，硬质包覆层易产生缺损，其结果使用寿命在较短时间耗尽。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术性课题，即本发明的目的在于提供一种即使在以正面铣削等加工形态加工碳钢、合金工具钢等被切削材料时，仍发挥优异的耐磨性及耐缺损性的表面包覆切削工具。
因此，本发明人等从所述观点考虑，对用于同时要求耐磨性及耐缺损性的正面铣削加工等加工形态时，经长期使用仍发挥优异的耐磨性的包覆工具进行了深入研究，最终得出以下见解。
即，本发明人等发现，在以平均层厚0.5～8.0μm包覆形成Al、Ti及Si的复合碳氮化物层或复合氮化物层（以下以（Al、Ti、Si）（N、C）表示）来作为硬质包覆层的包覆工具中，所述（Al、Ti、Si）（N、C）层内含有构成元素的90原子%以上为金属元素的颗粒（以下简称为“金属颗粒”），该颗粒的平均截面长径为0.05～0.5μm且以3～18%的纵截面面积比例分散分布于硬质包覆层中，在该颗粒中，将构成元素含有50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，0.3≤A/（A+B），以此使得（Al、Ti、Si）（N、C）层显示出优异的耐缺损性，其结果经长期使用仍发挥优异的耐磨性。
硬质包覆层利用PVD法在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体表面进行成膜。例如，本发明能够利用图1中表示其概要的电弧离子镀装置进行成膜。此时，在控制整个炉的气氛温度的加热器的基础上，通过在靶前面设置筒状加热器来使靶前面的空间达到高温。由此能够防止从靶中产生的金属颗粒在气氛中凝固，使其以高温状态附着到基体，金属颗粒因附着时引起的冲击而沿着基体表面的形状变形。由于金属颗粒沿着基体表面的形状变形，因此若基体表面平滑，则从皮膜的纵截面（相对于基体表面垂直的截面）观察呈沿着基体表面的扁平形状，并且金属颗粒的截面形状的截面长径与基体表面所成的锐角被控制在45°以下。通过将金属颗粒分散分布于硬质包覆层内来缓解包覆层内的应力，并进一步通过将金属颗粒设为沿着基体表面的纵横尺寸比较大的扁平形状来减小切削时的阻力，从而使金属颗粒不易脱落，并且即使在脱落时对膜厚方向的损伤减小。另外，由于硬质包覆层反映底层的凹凸而成长，因此即使分散扁平形状的金属颗粒，包覆层的平滑性也不会受损。其结果，能够提供耐缺损性优异的硬质包覆层。另外，能够通过在基体夹具设置冷却机构来防止由筒状加热器的辐射热引起的对皮膜的损伤。通过以具有这种机构的成膜装置进行成膜，从而形成具有本发明的特征的皮膜。
此外还发现，相对于（Al、Ti、Si）（N、C）层中的所述颗粒的平均截面长径及纵截面面积比例、组成、纵截面形状的纵横尺寸比、纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的所有颗粒的纵截面面积比例，能够通过对靶前面的空间的温度、靶的电弧电流及靶表面的磁力等进行调制来控制。
另外发现，所述硬质包覆层的表面具备表面层，该表面层为至少包含Ti、Cr、Al中的任一种元素，且选自所述元素和Si的组中的一种以上元素的氮化物、碳化物或碳氮化物的任一种，且维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚0.5～3.0μm，由此与硬质包覆层的效果相互作用进一步发挥耐磨性。其中，在上述说明中，“至少Ti、Cr、Al中的任一种元素”和“选自所述元素和Si的组中的一种以上元素”为相同元素也无妨。
另外发现，在所述硬质合金与硬质包覆层之间具备中间层，该中间层为至少包含Ti，且选自Ti、Cr、Al、Si的组中的一种以上元素的氮化物或碳氮化物的平均层厚为0.1～2.0μm，由此与硬质包覆层的效果相互作用发挥更加优异的耐缺损性。
根据以上见解而完成了本发明。
本发明是根据上述见解而完成的，其具有如下特征：
（1）一种通过物理蒸镀法在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体表面包覆形成硬质包覆层的表面包覆切削工具，其特征在于，
所述硬质包覆层由以组成式：（Al1-x-yTixSiy）（N1-zCz）（其中，0.3≤x≤0.7、0≤y≤0.1、0≤z≤0.3）表示的平均层厚为0.5～8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，
所述硬质包覆层含有构成元素的90原子%以上为金属元素的颗粒，所述颗粒的平均截面长径为0.05～0.5μm且以3～18%的纵截面面积比例分散分布于所述硬质包覆层中，
在所述颗粒中，将构成元素中包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，
0.3≤A/A+B。
（2）如（1）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述硬质包覆层的表面具备表面层，该表面层为至少包含Ti、Cr、Al中的任意一种元素，且选自所述元素与Si的组中的一种以上元素的氮化物、碳化物或碳氮化物的任一种，且维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚为0.5～3.0μm。
（3）如（1）或（2）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
所述工具基体与硬质包覆层之间具备中间层，该中间层为至少包含Ti，且选自Ti、Cr、Al、Si的组中的一种以上元素的氮化物或碳氮化物的平均层厚为0.1～2.0μm。
以下，对本发明的详细内容进行说明。
由（Al、Ti、Si）（N、C）层构成的硬质包覆层：
在由（Al、Ti、Si）（N、C）层（Al、Ti及Si的复合碳氮化物层或复合氮化物层）构成的硬质包覆层中，作为其构成成分的Al成分提高高温硬度及耐热性，Ti成分提高高温强度，另外，Si成分提高抗氧化性。此外，通过使Al和Ti共存而具有提高高温抗氧化性的作用。但是，在（Al、Ti、Si）（N、C）层中，若Ti在Al、Si的总含量中所占的含有比例小于30原子%，则在熔敷性较高的被切削材料的正面铣削切削加工中，无法确保相对于被切削材料及切削粉的耐熔敷性，另外高温强度也会降低，因此容易产生熔敷、缺损。另一方面，若Ti在Al、Si的总含量中所占的含有比例超过70原子%，则Al含有比例将相对减少，因此产生高温硬度下降及耐热性下降，由偏磨的产生、热塑性变形的产生等而引起耐磨性的下降。因此，优选将Ti在Al、Si的总含量中所占的含有比例设为30～70原子%。
另外，即使不含有Si也发挥一定效果，但是由于通过使之含有在Al和Ti的总含量中所占的Si的含有比例在10原子%以下范围内的Si，而提高抗氧化性，并提高高温硬度，因此更优选。另一方面，若Si在Al和Ti的总含量中所占的含有比例超过10原子%，则（Al、Ti、Si）（N、C）层的高温韧性、高温强度将下降，因此优选将Si在Al和Ti的总含量中所占的含有比例设为0～10原子%。
硬质包覆层中，能够通过将一部分N置换成C来进一步提高耐磨性。另一方面，C的含量越大则耐缺损性越下降，因此优选将相对于N的C的含有比例设为0～30原子%。
若硬质包覆层的层厚小于0.5μm则即使在内部分散金属颗粒也无法得到预期的效果，另一方面，若超过8.0μm则切削刃部易产生缺损，因此将平均层厚设为0.5～8.0μm。
（Al、Ti、Si）（N、C）层中的金属颗粒的平均截面长径：
本发明中，截面长径意指在垂直于基体表面的皮膜截面中的金属颗粒的截面形状中最长的直径。通过在内部含有金属颗粒来缓解皮膜内的残留应力并使膜内的应力均匀分布，从而提高耐缺损性。此时，若金属颗粒的平均截面长径小于0.05μm则无法获得预期的应力缓解效果。另一方面，若金属颗粒的平均截面长径大于0.5μm，则在与皮膜平行的方向上大大扩大的金属颗粒将增多，因此，碳氮化物膜的柱状晶体成长受阻，其结果膜的附着强度下降，且耐缺损性下降。因此，优选将（Al、Ti、Si）（N、C）层中金属颗粒的平均截面长径设为0.05～0.5μm，更优选为0.05～0.3μm。但即使颗粒的平均截面长径在上述范围内，在金属颗粒的纵横尺寸比为2.0以下或金属颗粒的纵截面形状中的截面长径与基体表面所成的锐角为45°以上时，金属颗粒因切削时引起的摩搓而容易脱落，并且在脱落时膜向深度方向大大被凿开，因此导致耐缺损性的下降。在此，本发明中的金属颗粒意指构成元素的90原子%以上为金属元素的颗粒。另外，若构成元素中的氮、碳的总含量增加则硬度增加，而应力缓解效果下降，因此优选金属颗粒中所含的氮、碳的总含量在5原子%以内。
（Al、Ti、Si）（N、C）层中金属颗粒的纵截面面积比例：
若金属颗粒的纵截面面积比例小于3%则膜内的金属颗粒的比例变少，无法获得预期应力缓解效果。另一方面，若大于18%则如同以上所述晶体成长将受阻，加上若膜内的金属颗粒的比例变高则膜的硬度就下降，因此导致耐缺损性及耐磨性的下降。因此，优选以3～18%的纵截面面积比例将金属颗粒分散分布于（Al、Ti、Si）（N、C）层，更优选为3～12%。
在构成元素中包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的比例：
若要对纵横尺寸比较大的扁平形状的金属颗粒进行有效分散，则优选作为低熔点金属的Al的在颗粒的构成成分中所占的比例较高。通过包含50原子%以上的Al，来使得金属颗粒的熔点变低，从而容易获得纵横尺寸比较高的颗粒。由于金属颗粒产生于靶上的微小熔融区域，因此因微小区域的组成的不均匀或熔融区域中的组成波动，在各金属颗粒中能够产生组成中的Al量大于靶中的Al量的情况。另一方面，所有金属颗粒中的平均Al量取决于靶的Al量。在此，所有金属颗粒中的平均Al量能够利用靶表面的磁力来控制。例如为AlTi靶时，因蒸汽压Al容易优先被气化，因此从靶中产生的金属颗粒的平均组成与靶组成相比通常更偏向于Ti。若提高靶表面的磁力则电弧斑点的速度增加，则由于电弧斑点局部停留的时间将变短，因此局部加热被抑制，且能够抑制Al的气化，并能够使从靶中产生的金属颗粒的平均组成偏向于Al。另外，因Al的气化被抑制而在熔融区域中的Al量增加，因此，在观察到各金属颗粒时，含有了更多Al的颗粒增加。由此，即使在利用相同组成的靶的情况下也能够使金属颗粒含有更多的Al。
当包含50原子%以上的Al的金属颗粒中，在硬质包覆层的特定纵截面中观察到的纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒较少时，因切削时引起的摩损使得金属颗粒易脱落，并且在脱落时膜向深度方向大大被凿开，因此皮膜的表面粗糙度增加，而导致耐缺损性的下降。即，将在构成元素中包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，若A/（A+B）的值小于0.3，则无法获得预期的耐缺损性，因此设为0.3≤A/（A+B）。
至少含有Ti、Cr、Al中的任一种元素，且由选自所述元素和Si的组中的一种以上元素的氮化物、碳化物或碳氮化物构成的表面层：
本发明中通过由硬质包覆层内部的金属颗粒缓解内部应力来提高耐缺损性，另一方面，若增加内部的金属颗粒量，则会降低硬质包覆层整体的硬度，并使耐磨性稍微下降。因此，通过在所述硬质包覆层表面设置硬度较高的皮膜，能够进一步提高综合切削性能。然而，若其平均层厚小于0.5μm，则无法充分发挥表面层所具有的效果，另一方面，若超过3.0μm则使得硬质包覆层内部的应力变高，并导致崩刀的产生，因此不优选。因此，将其平均层厚定为0.5～3.0μm。此外，若表面层的维氏硬度小于2500Hv，则提高耐磨性的作用不够充分，因此定为2500Hv以上。
至少包含Ti，并且由选自Ti、Cr、Al、Si的组中的一种以上元素的氮化物或碳氮化物构成的中间层：
本发明中通过由硬质包覆层内部的金属颗粒缓解内部应力来提高耐缺损性，另一方面，若硬质包覆层内部的金属颗粒量增加，则皮膜的柱状晶体成长将受阻，并使得粘附力稍微下降。因此，通过在所述硬质包覆层与基材之间设置包含硬质包覆层的构成成分且亲和性较高的皮膜，能够进一步提高切削性能。然而，若其平均层厚小于0.1μm，则无法充分发挥中间层所具有的效果，另一方面，若超过2.0μm则使得皮膜内部的应力变高，导致产生剥离，因此不优选。因此将其平均层厚定为0.1～2.0μm。
本发明的包覆工具为一种通过物理蒸镀法在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体表面形成硬质包覆层的表面包覆切削工具，硬质包覆层由以组成式：（Al1-x-yTixSiy）（N1-zCz）（其中，0.3≤x≤0.7、0≤y≤0.1、0≤z≤0.3）表示的平均层厚为0.5μm～8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，硬质包覆层含有构成元素的90原子%以上为金属元素的金属颗粒，金属颗粒的平均截面长径为0.05～0.5μm且以3～18%的纵截面面积比例分散分布于所述硬质包覆层中，在金属颗粒中，将构成元素中包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的金属颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，0.3≤A/（A+B），由此皮膜显示出优异的耐缺损性，其结果，例如在碳钢、合金工具钢等被切削材料的正面铣削加工中，硬质包覆层经长期使用仍发挥优异的耐磨性。
即，通过将金属颗粒分散分布于硬质包覆层内，来缓解硬质包覆层内部的应力，使得硬质包覆层内的应力均匀分布，因此耐缺损性提高。若以通常的PVD法成膜，则从靶中产生的金属颗粒将在到达基体表面之前就凝固。此时金属颗粒以不规则方向混入皮膜内。近似于球状的金属颗粒或细长颗粒中沿皮膜的膜厚方向纵长的金属颗粒在切削时容易受较大的阻力，且容易脱落，加之脱落时大大损伤皮膜。本发明中通过使金属颗粒以高温的状态附着到基体，通过附着时的冲击而沿着基体表面的形状使其变形。由此，从垂直于基体表面的截面观察金属颗粒呈扁平形状。通过将金属颗粒设为纵横尺寸比较大的扁平形状来减小切削时的阻力，并使金属颗粒不易脱落，并使得脱落时的对膜厚方向上的损伤减小。若基体表面平滑则金属颗粒就变为纵横尺寸比较大的扁平形状，因此在皮膜的纵截面中金属颗粒截面形状的截面长径与基体表面所成的锐角被控制在45°以下。由于皮膜反映底层的凹凸而成长，因此即使分散扁平形状的金属颗粒也不会使皮膜的平滑性受损。其结果，能够提供耐缺损性优异的硬质包覆层。
此外，在硬质包覆层的表面形成平均层厚为0.5～3.0μm，且维氏硬度为2500Hv以上，且至少包含Ti、Cr、Al中的任一种元素，并且由选自所述元素和Si的组中的元素的氮化物、碳化物或碳氮化物构成的表面层时，在所述效果基础上发挥更优异的耐磨性。
另外，在工具基体与硬质包覆层之间形成平均层厚为0.1～2.0μm且至少包含Ti，且由选自Ti、Cr、Al及Si的组中的元素的氮化物、碳化物或碳氮化物构成的中间层时，在所述效果基础上发挥更优异的耐缺损性。
附图说明
图1表示对本发明的包覆工具的硬质包覆层进行成膜的电弧离子镀装置的概要说明图。
图2表示与本发明的特性值一同说明本发明的包覆工具的硬质包覆层的概念的纵截面示意图。
具体实施方式
接着，根据实施例对本发明的包覆工具进行更具体的说明。
实施例
作为原料粉末，准备均具有1～3μm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如表1所示的配合组成，进一步加入石蜡并在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后以98MPa的压力将ISO·SEEN1203AFTN1（硬质基体A～E）冲压成型为预定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中，在以1370～1470℃范围内的预定温度保持1小时的条件下真空烧结，烧结后，通过对切削刃部进行宽度0.15mm、角度为20度的倒棱加工，由此分别制造WC基硬质合金制工具基体A～E。
接着，将这些工具基体A～E装入如图1所示的电弧离子镀装置，在表2所示的条件下实施Ti轰击，接着，同样利用表2所示的组成的靶，以该表中的成膜条件蒸镀形成预定层厚的（Al、Ti、Si）（N、C）层。如前述，此时，通过设置控制整个炉的气氛温度的加热器，再加上在靶前面设置筒状加热器来使靶前面的空间达到高温。由此能够防止从靶中产生的金属颗粒在气氛中凝固，金属颗粒附着于基体表面时沿着基体表面的形状而变形。能够通过在基体夹具设置冷却机构来防止由来自筒状加热器的辐射热引起的对皮膜的损伤。从靶观察对靶前面的空间进行加热的筒状加热器沿基体方向延伸，长度优选为加热器的前端位于靶-基体之间距离的2/3～3/4左右的位置。若过长则因辐射热引起的损伤进入到皮膜，另一方面，若过短则因存在于靶前面的高温空间变窄，金属颗粒在到达基体表面之前凝固。为了对靶前面的空间进行适当加热，设置位置优选为自靶表面50mm以内的位置，例如，可设置在阳极电极的前面等。基体的冷却机构例如有使冷却水流经基体夹具来进行冷却的方法。如此制造出表3所示的本发明的包覆工具1～10。另外，表中所述的“本申请所规定的金属颗粒”是指，在包含于皮膜中的金属颗粒内，“在构成元素中包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的金属颗粒”。
关于所述本发明包覆工具1～10的（Al、Ti、Si）（N、C）层，利用透射型电子显微镜-能量分散型X射线分光分析（TEM-EDS）进行了对垂直于基体表面的膜截面的组织观察及组成分析。对膜截面进行了0.01μm以下的空间分辨率元素映射，确认了所包覆的（Al、Ti、Si）（N、C）层的组成在规定范围内，同时将膜截面中氮与碳的总含量为10原子%以内的区域看做金属颗粒的截面，通过点分析对金属颗粒的组成进行了分析。接着，将在看做金属颗粒的截面的区域中的最大径设为长径，将与其正交的线段的最大径设为短径，金属颗粒的纵截面形状近似于椭圆。（参考图2）由此所获得的长径为本发明的截面长径x，其平均值为本申请所规定的平均截面长径X。确认到金属颗粒的平均截面长径X在0.05～0.5μm范围内，并根据长径、短径的长度计算出各金属颗粒的纵横尺寸比和纵截面面积。此外将金属颗粒划分为如本申请所规定的，即在组成分析结果中构成元素中含有50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒及非本申请规定的颗粒，并对各颗粒的纵截面面积进行合计。并且，通过颗粒的纵截面面积除以皮膜的纵截面面积，来计算出本申请所规定颗粒的纵截面面积比例A（%）以及其余颗粒的纵截面面积比例B（%），另外，通过计算求出A/（A+B）的值。如图2所示，纵横尺寸比将长径x作为分子，将短径y作为分母来表示近似于椭圆的金属颗粒截面的长径x与短径y的长度之比。在本发明中，从皮膜的截面图像中随机选出10处纵3μm×横4μm范围来进行上述测定。另外，对于层厚小于3μm的皮膜以使面积达到12平方μm的方式决定适当测定范围并进行相同的测定。
在表3中分别示出值。值为所述5处测定范围中的平均值。在此，若将“所有金属颗粒的平均Al量”与表2的条件进行比较，则可知靶表面磁力越大的条件下所有金属颗粒的平均Al量越接近于靶组成，并可知利用靶磁力能够可靠地控制金属颗粒的组成。
另外，在图2中与本发明的特性值一同示出说明本发明的包覆工具的硬质包覆层的概念的纵截面示意图。在硬质包覆层中的金属颗粒中观察面中的纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的金属颗粒设为金属颗粒A，附上右斜线，将其余金属颗粒设为金属颗粒B，附上左斜线。
另外，对于本发明包覆工具7～10，在所述硬质包覆层的表面形成表3所示的组成、维氏硬度、目标层厚的表面层。另外，对于本发明包覆工具5～8，在所述工具基体和硬质包覆层之间形成表3所示的组成、目标层厚的中间层。对于图1中的电弧离子镀装置，若靶的总设置数为3面以上，则表面层与中间层能够分别使用不同组成的皮膜。另外，当成膜表面层与中间层时，为了防止因金属颗粒的分散引起的效果减少而不使用筒状加热器。
另外，以比较的目的，利用所述电弧离子镀装置在工具基体A～E的表面与实施例同样在表4所示的条件下实施Ti轰击，接着同样以表4所示的条件，蒸镀形成分散分布有金属颗粒的预定层厚的（Al、Ti）（N、C）层、（Al、Ti、Si）（N、C）层。此时，通过控制筒状加热器的设定温度或靶表面磁力等成膜条件来控制金属颗粒的平均截面长径及纵横尺寸比，并制作出表5所示的比较包覆工具1～10。
另外，对于比较包覆工具7～10，在所述硬质包覆层的表面形成表5所示的组成、维氏硬度、目标层厚的表面层。另外，对于比较包覆工具5～8在所述工具基体与硬质包覆层之间形成表5所示的组成、目标层厚的中间层。
对于比较包覆工具1～10的（Al、Ti）（N、C）层、（Al、Ti、Si）（N、C）层，也通过TEM-EDS对其截面进行观察，并进行元素映射，测定包含在皮膜中的金属颗粒中，纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例A（%），及其余颗粒的纵截面面积比例B（%），并通过计算求出A/（A+B）的值。此外，测定纵截面形状的平均截面长径为0.05～0.5μm的金属颗粒的纵截面面积比例（%）。
同样将这些值分别示于表5。
另外，利用扫描式电子显微镜（SEM）对本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～10的各结构层的层厚进行了测定，均显示出实际与表3、表5所示的目标层厚相同的平均层厚。
[表1]
接着，对所述本发明包覆工具1～10及比较包覆工具1～10，在以下所示的条件下，实施正面铣削切削加工试验，并测定切削刃的后刀面磨损宽度。
被切削材料：JIS·SKD61（HRC52）块体材料
转速：764/min、
切削速度：300m/min、
切深量：ap2.0mm、
单刃进给量：0.1mm/刃、
切削油剂：空气、
切削时间：5分钟，
在表6中示出所述切削试验的结果。
[表6]
比较包覆工具栏中的切削试验结果表示因崩刀、缺损等原因耗尽寿命为止时的切削时间(分钟)。
从表3、5、6所示的结果来看，本发明的包覆工具在硬质包覆层的（Al、Ti、Si）（N、C）层中以3～18%的纵截面面积比例分散分布有平均截面长径为0.05～0.5μm的金属颗粒，金属颗粒中，将构成元素包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，0.3≤A/（A+B），由此在正面铣削加工中显示出优异的耐缺损性，其结果，经长期使用仍发挥优异的耐磨性。
此外，通过在硬质包覆层的表面至少具备表面层，该表面层为包含Ti、Cr、Al中的任一种元素，是选自所述元素和Si的组中的一种以上元素的氮化物、碳化物或碳氮化物的任一种，且维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚0.5～3.0μm，从而发挥更优异的耐磨性。
另外，在工具基体与硬质包覆层之间至少具备中间层，该中间层为包含Ti，并且通过选自Ti、Cr、Al、Si的组中的一种以上元素的氮化物或碳氮化物的平均层厚为0.1～2.0μm，由此发挥更优异的耐缺损性。
相对于此，明确可知硬质包覆层的（Al、Ti、Si）（N、C）层中的平均截面长径0.05～0.5μm的金属颗粒的纵截面面积比例及金属颗粒中将包含构成元素为50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时的A/（A+B）中的任意一个偏离本发明所规定的范围的比较包覆工具1～10，在正面铣削加工中，因崩刀、缺损等的产生而在短时间内耗尽寿命。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的包覆工具例如在碳钢、合金工具钢等被切削材料的高速切削加工中，发挥优异的耐缺损性及耐磨性并能够延长使用寿命，但在其他被切削材料的切削加工、其他条件下的切削加工中依然也可以使用。
Claims (3)
1.一种表面包覆切削工具，通过物理蒸镀法在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体表面形成硬质包覆层，其特征在于，
所述硬质包覆层由以组成式：（Al1-x-yTixSiy）（N1-zCz）表示的平均层厚为0.5～8.0μm的复合碳氮化物层或复合氮化物层构成，其中，0.3≤x≤0.7、0≤y≤0.1、0≤z≤0.3，
所述硬质包覆层含有构成元素的90原子%以上为金属元素的颗粒，所述颗粒的平均截面长径为0.05～0.5μm且以3～18%的纵截面面积比例分散分布于所述硬质包覆层中，
在所述颗粒中，将构成元素中包含50原子%以上的Al，且纵截面形状的纵横尺寸比为2.0以上且截面长径与基体表面所成的锐角为45°以下的颗粒的纵截面面积比例设为A%，将其余颗粒的纵截面面积比例设为B%时，
0.3≤A/（A+B）。
2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，
在所述硬质包覆层的表面具备表面层，该表面层为至少包含Ti、Cr、Al中的任一种元素，且选自所述元素与Si的组中的一种以上元素的氮化物、碳化物或碳氮化物的任一种，且维氏硬度为2500Hv以上且平均层厚为0.5～3.0μm。
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，
所述工具基体与硬质包覆层之间具备中间层，该中间层为至少包括Ti，且选自Ti、Cr、Al、Si的组中的一种以上元素的氮化物或碳氮化物且平均层厚为0.1～2.0μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151125 |