CN103128325A - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供在高速断续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。本发明的硬质包覆层由被化学蒸镀形成的下部层和上部层构成，（a）所述下部层为Ti化合物层，该Ti化合物层由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构成、且具有3～20μm总计平均层厚，（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，在该组织内存在至少两层以上由微粒氧化铝形成的副层。

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断续性、冲击性负荷作用于切削刃的各种钢或铸铁的高速断续切削加工时，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：为由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构成的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作用于切削刃的切削条件下易产生崩刀、缺损等，从而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：通过使硬质包覆层具有由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下部层、及由0.01～0.5μm粒度的非晶氧化铝与结晶化氧化铝构成的氧化铝形成的上部层的包覆层，从而该包覆层为微粒且致密，而且生产率很高。

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、例如由由TiC层、TiN层、TiCN层、TiO₂层、TiCO层、TiNO层及TiCNO层构成的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型结晶结构、且具有柱状晶粒纵向并列配置的结晶组织的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中公开了一种通过在硬质合金的母材的表面使用如下的包覆硬质合金来显著提高刀尖强度的包覆层工具，该包覆硬质合金的上部层为Al₂O₃层，下部层由Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物、SiC、Si₃N₄中的一种或两种以上构成，上部层的最邻接下部层的2μm以下的Al₂O₃层为由化学蒸镀法生成的结晶化Al₂O₃，上部层的2μm以上的层为反复进行化学蒸镀法和等离子体化学蒸镀法而生成的层压Al₂O₃。

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10-76405号公报

专利文献3：日本特开昭59-25970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断续性、冲击性负荷进一步作用于切削刃的高速断续切削加工时，由于上部层的韧性不充分，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，本发明人从上述观点出发，对即使在使用于伴有高热产生并且断续性、冲击性负荷作用于切削刃的高速断续切削加工时，硬质包覆层也具备优异的冲击吸收性，其结果经长期使用发挥优异的耐崩刀性、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，在形成以往的氧化铝构成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，另一方面，氧化铝的各向异性越高则氧化铝层的韧性越降低，结果耐崩刀性、耐缺损性下降，经长期使用无法发挥充分的耐磨损性，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地缓和氧化铝层的各向异性来提高韧性，从而能够提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性。

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，在该组织内至少存在两层以上由微粒氧化铝形成的副层，由此缓和了氧化铝层的各向异性，提高了韧性。

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。

（a）在工具基体表面上在如下条件下进行化学蒸镀法，从而使柱状纵向生长氧化铝结晶组织成膜：反应气体组成（容量%）为AlCl₃：2～3%、CO₂:4～6%、HCl：2～3%、H₂S：0.1～0.5%、H₂：剩余，反应气氛压力为5～10kPa，反应气氛温度为870～1040℃，

（b）接着，停止所述（a）的成膜工序，之后，在如下副层形成条件下进行1~10分钟化学蒸镀法，从而形成微粒氧化铝的副层：三甲基铝（Al（CH₃）₃）（以下用TMA表示）：0.08～0.2%、O₂:0.8～1.5%、Ar：剩余，

（c）接着，在所述（b）的工序后，在与所述（a）同样的条件下进行化学蒸镀法，从而使柱状纵向生长氧化铝结晶组织成膜，

（d）重复进行所述（b）、（c）的工序，从而能够获得至少存在两层以上微粒氧化铝的副层的柱状纵向生长氧化铝结晶组织。

此时，发现柱状纵向生长氧化铝结晶组织由于副层而未被完全分断，按照柱状组织那样生长。结果不会降低柱状纵向生长氧化铝结晶组织所具有的高耐磨损性地提高耐机械冲击性、耐热冲击性，所以能够提高耐崩刀性、耐缺损性。

而且，氧化铝层中的微粒氧化铝的副层在每1μm存在1~5层时，特别是用于在伴有高热产生并且断续性、冲击性负荷作用于切削刃的钢或铸铁的高速断续切削加工时，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耐磨损性。

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有硬质包覆层，其中，

所述硬质包覆层由被化学蒸镀形成的下部层和上部层构成，

（a）所述下部层为Ti化合物层，该Ti化合物层由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构成、且具有3～20μm的总计平均层厚，

（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，在该组织内存在至少两层以上由微粒氧化铝形成的副层，使柱状纵向生长氧化铝结晶不完全分断，该微粒氧化铝为粒状氧化铝结晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝结晶相与非晶氧化铝相的混合相，柱状纵向生长氧化铝结晶的平均粒子宽度W为50～2000nm以下，平均纵横比A为5～50，所述由微粒氧化铝形成的副层的平均层厚为5nm～30nm。

（2）根据（1）所述的表面包覆切削工具，其中，构成所述上部层的氧化铝层中存在的由微粒氧化铝形成的副层在每1μm中存在1~5层。

以下对本发明进行详细说明。

下部层的Ti化合物层：

由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构成的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，而且与工具基体和由氧化铝层构成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，还降低高速断续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。

关于上部层的氧化铝层，其具有柱状纵向生长氧化铝结晶组织，由微粒氧化铝形成的副层在该组织内存在至少两层以上，使柱状纵向生长氧化铝结晶不完全分断。通过这种构成，韧性提高，表现出优异的耐崩刀性。在此，若副层的平均层厚不到5nm，则无法充分发挥副层所具有作用，即副层缓和氧化铝层的各向异性以提高韧性的作用。另一方面，若副层的平均层厚超过30nm，则使柱状纵向生长氧化铝结晶组织完全分断，结果无法维持柱状纵向生长氧化铝结晶组织所具有的高耐磨损性。因此，副层的平均层厚定为5nm~30nm。此外，本发明中的微粒氧化铝是指粒状氧化铝结晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝结晶相与非晶氧化铝相的混合相，将这些统称为微粒氧化铝。

进一步，该副层若在每1μm中不到一层，则无法充分发挥上述缓和氧化铝层的各向异性以提高韧性的效果，另一方面，若在每1μm超过五层，则无法维持柱状纵向生长氧化铝结晶组织所具有的高耐磨损性。因此，副层优选构成为在每1μm存在1~5层。此外，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，则具有在长期使用时耐磨损性下降的倾向，另一方面，若超过2000nm，则由于粒子的粗大化而具有耐崩刀性、耐缺损性下降的倾向。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l，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，则具有作为柱状纵向生长氧化铝的特征的高耐磨损性下降的倾向，另一方面，若超过50，则韧性反而降低，具有耐崩刀性、耐缺损性下降的倾向。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定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定向切线直径称为粒子长度l。

构成副层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之间在使用TMA作为原料的副层形成条件下进行化学蒸镀法来形成。

即，如下所述，通过交替进行通常的氧化铝的化学蒸镀条件和副层形成条件，形成由微粒氧化铝形成的至少两层以上的副层。

化学蒸镀条件：

反应气体组成（容量%）：

AlCl₃:2～3%、

CO₂:4～6%、

HCl：2～3%、

H₂S：0.1～0.5%、

H₂：剩余、

反应气氛温度：870～1040℃、

反应气氛压力：5～10kPa、

副层形成条件：

反应气体组成（容量%）：

TMA：0.08～0.2%、

O₂:0.8～1.5%、

Ar：剩余、

反应气氛温度：870～1040℃、

反应气氛压力：1～1.5kPa、

在此，由于由微粒氧化铝形成的副层通过使用TMA的副层形成条件形成，所以在成膜过程中基于副层形成条件进行的工序的次数与副层的层数相对应。因此，将副层的层数、即基于副层形成条件进行工序的次数除以上部层整体的平均厚度（μm）的值为在每1μm中存在的副层。

图1是表示构成本发明的上部层的氧化铝层的柱状纵向生长氧化铝结晶组织的生长状态的示意图。

图2是在所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存在的在所述副层条件下形成的由微粒氧化铝形成的副层的存在状态的概略示意图。

在本发明中，在柱状纵向生长氧化铝结晶组织内存在由微粒氧化铝形成的副层的结构，由于微粒氧化铝的副层的存在，对柱状纵向生长氧化铝结晶组织施加力时，在一个一个柱状纵向生长氧化铝结晶中产生偏离，因此产生大的韧性。其结果是发挥了耐崩刀性、耐缺损性提高的效果。

本发明的包覆工具由被化学蒸镀形成的下部层和上部层构成硬质包覆层，其中，（a）下部层为由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构成、且具有3～20μm的总计平均层厚的Ti化合物层，（b）上部层由具有2～25μm的平均层厚的氧化铝层构成，构成（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，由微粒氧化铝形成的副层在该组织内存在至少两层以上，使柱状纵向生长氧化铝结晶不完全分断，该微粒氧化铝为粒状氧化铝结晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝结晶相与非晶氧化铝相的混合相，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，由微粒氧化铝形成的副层的平均层厚为5nm~30nm，由此硬质包覆层的韧性提高，并且导热系数被抑制，热屏蔽效果提高，因此即使在钢或铸铁等的伴有高热产生并且断续性、冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，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是表示构成本发明的上部层的氧化铝层的柱状纵向生长氧化铝结晶组织的生长状态的膜结构示意图。

图2是在构成本发明的上部层的氧化铝层中存在的由微粒氧化铝形成的副层的存在形态的膜结构示意图。

图3是在构成本发明的上部层的氧化铝层中存在的由微粒氧化铝形成的副层的存在形态的详细示意图。

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 ·CNMG120412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·CNMG120412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6所示的目标层厚的上部层（氧化铝层）的硬质包覆层。

（c）此时，在表4所示的条件下使氧化铝层成膜时，边交替进行表4所示的反应气体类别栏上段侧的柱状纵向生长氧化铝结晶组织形成条件和下段侧的副层形成条件边蒸镀形成氧化铝层，由此制造本发明包覆工具1～15。而且，将在成膜过程中基于使用TMA的副层形成条件进行的工序的次数除以上部层的平均层厚（μｍ），从而求出上部层中每1μｍ的副层的层数。

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1～15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由微粒氧化铝形成的副层的膜结构。

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1～15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由微粒氧化铝形成的副层的膜结构。

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上述微粒氧化铝为粒状氧化铝结晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝结晶相与非晶氧化铝相的混合相。

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Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层。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由氧化铝层构成的上部层作为硬质包覆层的上部层。此时，不进行副层形成条件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的各构成层的平均层厚，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1～15，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由微粒氧化铝形成的副层进行测定，对上部层中存在的全部的副层求出层厚，并将其平均值作为副层的平均层厚而求出。

表1

表2

表3

表4

*反应气体类别栏的下段侧表示副层的形成条件。

表5

表6

(注)栏中的*标记表示在权利要求2的范围之外。

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，对所有的切削试验都测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

表9表示其测定结果。

表8

(注)工件均为沿长度方向以等间隔配置有8条纵槽的圆棒

表9

比较包覆工具栏的切削试验结果表示因产生崩刀、缺损等而达到使用寿命为止的切削时间(分钟)

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，在该组织内至少存在两层以上由微粒氧化铝形成的副层，由此韧性提高，抑制导热系数并提高热屏蔽效果，因此即使在钢或铸铁等的伴有高热产生并且断续性、冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，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中不存在由微粒氧化铝形成的副层的比较包覆工具1～15，可知在伴有高热产生并且断续性、冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中使用时，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钢或铸铁等的伴有高热产生并且断续性、冲击性高负荷作用于切削刃的高速断续切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性，能够延长使用寿命，不仅是高速断续切削加工条件，当然也可以使用于高速切削加工条件、高切深量、高进给速度的高速重切削加工条件等。

Claims (2)

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有硬质包覆层，其特征在于，

所述硬质包覆层由被化学蒸镀形成的下部层和上部层构成，

（a）所述下部层为Ti化合物层，该Ti化合物层由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构成、且具有3～20μm的总计平均层厚，

（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，在该组织内存在至少两层以上由微粒氧化铝形成的副层，使柱状纵向生长氧化铝结晶不完全分断，该微粒氧化铝为粒状氧化铝结晶相或非晶氧化铝相或者粒状氧化铝结晶相与非晶氧化铝相的混合相，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，所述由微粒氧化铝形成的副层的平均层厚为5nm~30nm。

2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，构成所述上部层的氧化铝层中存在的由微粒氧化铝形成的副层在每1μm中存在1~5层。

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