CN104023882A - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性及耐磨损性的表面包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面包覆切削工具，其硬质包覆层在高速切削加工中发挥优异的耐崩刀性及耐磨损性。本发明的表面包覆切削工具在由WC基硬质合金构成的工具基体的表面蒸镀形成由Ti化合物层构成的下部层和Al₂O₃层构成的上部层来作为硬质包覆层，其中，由上述Al₂O₃层构成的上部层中,(006)面取向系数TC(006)为1.8以上，并且，(104)面与(110)面各自的峰值强度I(104)、I(110)之比I(104)/I(110)为0.5～2.0，另外，Al₂O₃层内的残余应力值的绝对值为100MPa以下。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性及耐磨损性的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下称为包覆工具)，其硬质包覆层例如在高韧性的球墨铸铁等难切削材料的高速切削加工中具备优异的耐崩刀性及耐磨损性，在长期使用中发挥优异的切削性能。

背景技术

以往，已知有通常在由碳化钨(以下以WC表示)基硬质合金构成的基体(以下称为工具基体)的表面上形成由以下(a)及(b)构成的硬质包覆层而成的包覆工具，还已知包覆形成这种硬质包覆层的包覆工具显示出优异的耐磨损性。

(a)下部层为Ti化合物层，其由均进行化学蒸镀而形成的Ti的碳化物(以下以TiC表示)层、氮化物(以下以TiN表示)层、碳氮化物(以下以TiCN表示)层、碳氧化物(以下以TiCO表示)层及碳氮氧化物(以下以TiCNO表示)层中的2层以上构成，且具有3～20μm的总计平均层厚，

(b)上部层为化学蒸镀而形成的氧化铝(以下以Al₂O₃表示)层，其具有1～15μm的平均层厚。

并且，为了进一步提高在切削工具中要求的各种切削性能而进行了各种研究，提出有如下包覆工具，即例如为了提高包覆工具的抗变形阻力、强韧性及耐磨损性，如专利文献1所示，在工具基体表面包覆形成Ti化合物层和Al₂O₃层的包覆工具中，对于Al₂O₃层的取向系数TC，将TC(006)设为大于2，另外，将第2大的取向系数TC(104)设为2＞TC(104)＞0.5。

然而，该包覆工具中，被膜的耐磨损性虽较高，但存在耐崩刀性、耐缺损性较差的问题点。

并且，如专利文献2所示，在工具基体表面包覆形成Ti化合物层和Al₂O₃层的包覆工具中，还提出有对于Al₂O₃层的取向系数TC，将TC(104)及TC(110)设为大于1.2的包覆工具。

另外，如专利文献3所示，还已知有如下包覆工具。即在工具基体表面包覆形成TiCN层和Al₂O₃层的包覆工具中，TiCN层具有拉伸应力S1，并且，Al₂O₃层具有压缩应力S2，并且该拉伸应力S1与该压缩应力S2满足400MPa≤|S2-S1|≤3500MPa的关系，从而实现了兼顾韧性和耐磨损性。

专利文献1：日本专利公开2009-28894号公报

专利文献2：日本专利公开平11-140647号公报

专利文献3：日本专利公表2006-64724号公报

近年来，切削装置的高性能化显著，一方面对切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求强烈，随此切削加工具有更加高速化的趋势。

上述以往的包覆工具的现状为通过调整上部层的Al₂O₃层的取向系数TC，或者规定上部层的Al₂O₃层与下部层的TiCN层之间的残余应力的关系，从而能够实现高速切削条件下的包覆工具的耐崩刀性、耐磨损性的提高，但难以同时改善耐崩刀性和耐磨损性这二者的特性，根据工件的种类、切削条件等，因产生崩刀、耐磨损性下降等而在较短的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，为了同时改善包覆工具的硬质包覆层在高韧性的球磨铸铁等难切削材料的高速切削加工中的耐崩刀性以及耐磨损性，着眼于作为硬质包覆层的上部层的Al₂O₃层的取向性，并进行深入研究的结果，得到了如下见解。

首先，关于Al₂O₃层的取向性，通过例如将其控制成如(006)取向这种特定的取向，虽然能够确保耐磨损性，但因形成于层中的残余应力而耐崩刀性不够充分。

因此，为了去除残余应力并提高耐崩刀性，如专利文献3所记载，通过进行涂刷处理、喷射处理(喷砂处理、湿式喷砂处理)、喷丸加工处理等各种表面处理，试图去除由Al₂O₃层构成的上部层的残余应力的结果，若Al₂O₃层的(006)取向性较高，则无法获得充分的残余应力松弛效果，因此也不能说充分改善了耐崩刀性。

即，如专利文献1中记载的(006)取向性较高的以往的包覆工具中，耐磨损性优异但耐崩刀性不足，并且，即使以改善耐崩刀性为目的，形成硬质包覆层之后进行表面处理来实现松弛残余应力，残余应力松弛效果较少，因此耐崩刀性依然不够理想。

然而，本发明人等发现，对于由Al₂O₃层构成的上部层，即使通过以预定的比例使其具有(006)取向性，使其保持预定的耐磨损性的情况下，也能够通过同时调整(104)取向和(110)取向成为预定的比率，实现基于硬质包覆层形成后的表面处理的残余应力松弛效果的提高，并且，由于能够改善耐崩刀性，因此这种包覆工具具备耐磨损性和耐崩刀性二者皆优异的工具特性。

本发明是根据上述的研究结果而完成的，具有如下特征：

一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面上，蒸镀形成由钛化合物层构成的下部层和由氧化铝层构成的上部层来作为硬质包覆层，其中，

上述由氧化铝层构成的上部层中，(006)面取向系数TC(006)为1.8以上，并且，(104)面的峰值强度I(104)与(110)面的峰值强度I(110)之比I(104)/I(110)为0.5～2.0，另外，氧化铝层内的残余应力值的绝对值为100MPa以下。

接着，对本发明的包覆工具的硬质包覆层的结构层进行更具体的说明。

下部层(Ti化合物层)：

作为下部层的Ti化合物层，能够使用由钛的碳化物(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，下部层本身具有高温强度，由于它的存在，硬质包覆层除具备高温强度之外，与工具基体和作为上部层的Al₂O₃层均牢固地粘附，由此具有有助于提高硬质包覆层对工具基体的粘附性的作用。

关于下部层，若其总计平均层厚小于3μm，则无法充分发挥上述作用，另一方面，若其总计平均层厚超过20μm，则容易产生崩刀，因此下部层的总计平均层厚优选设为3～20μm。

上部层(Al₂O₃层)：

Al₂O₃层具有优异的高温硬度和耐热性，有助于提高硬质包覆层的耐磨损性，但例如在韧性较高的球磨铸铁等难切削材料的高速切削加工中，由于发生工件与切屑的摩擦而较大的剪切应力作用于切削刃棱线附近，其结果切削刃棱线附近容易产生龟裂，通过该龟裂的扩展而容易产生崩刀或剥离。

因此，在本发明中，从改善在球墨铸铁等难切削材料的高速切削加工中的耐崩刀性和耐磨损性这两个特性的观点考虑，包覆包覆工具的切削刃棱线部的上部层，通过由TC(006)较高的高硬度的Al₂O₃层构成，并且实现该Al₂O₃层内的残余应力的降低来提高了硬质包覆层的耐崩刀性、耐剥离性。

具体而言，首先，对于构成上部层的Al₂O₃层，提高TC(006)的同时，蒸镀形成(104)面的峰值强度I(104)及(110)面的峰值强度I(110)具备I(104)/I(110)成为0.5～2.0的范围的结晶组织结构的Al₂O₃层。

接着，对于该Al₂O₃层，若例如通过实施湿式喷砂处理来去除层内残余应力，则即使Al₂O₃层的TC(006)较高为1.8以上时，由于I(104)/I(110)在0.5～2.0的范围内，因此Al₂O₃层的残余应力值降低至绝对值100MPa以下。

其结果，由本发明的Al₂O₃层构成的上部层具有高硬度且耐磨损性优异的同时，层内的残余应力值较小，因此耐崩刀性、耐剥离性也优异。

另外，关于本发明中所说的(006)面取向系数TC(006)，将从对构成上部层的Al₂O₃层进行X射线衍射时的(hkl)面获得的X射线衍射的峰值强度值设为I(hkl)，JCPDS卡No.46-1212记载的(hkl)面的标准衍射强度设为I0(hkl)时，定义为如下。

$\mathrm{TC}\left(006\right)=\frac{I\left(006\right)}{I_o\left(006\right)}{\left\{\frac{1}{8}\mathrm{\Σ}\frac{I\left(\mathrm{hkl}\right)}{I_o\left(\mathrm{hkl}\right)}\right\}}^{-1}$

其中，(hkl)为(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)这8面。

图1中作为一例示出对本发明包覆工具的上部层进行测定的X射线衍射图，并且示出在该图中示出的(hkl)面的峰值强度值I(hkl)。

对具备上述结晶组织结构的Al₂O₃层的更具体的成膜方法进行叙述，例如如下所述。

即，在由WC硬质合金构成且对切削刃部实施了刃口修磨加工的工具基体，以通常的成膜条件蒸镀形成由预定层厚的Ti化合物层构成的下部层之后，

“第1阶段”

首先，通过通常的化学蒸镀装置，以如下条件在下部层的表面进行Al₂O₃的核的形成，

反应气体组成(容量％)：AlCl₃：0.5～2％、CO₂：0.1～1.5％

HCl：0.3～3％、CO：0.1～1.5％、

CH₄：0.5～2.0％、Ar：20～35％、

H₂：剩余部分

反应气氛温度：950～1100℃

反应气氛压力：6～13kPa。

“第2阶段”

接着，同样地使用通常的化学蒸镀装置，以如下条件进行Al₂O₃的膜生长，

反应气体组成(容量％)：AlCl₃：1～5％、CO₂：0.1～2％

HCl：0.3～3％、H₂S：0.5～1％

Ar：20～35％、H₂：剩余部分

反应气氛温度：950～1100℃

反应气氛压力：6～13kPa。

“第3阶段”

接着，同样地使用通常的化学蒸镀装置，以如下条件进行Al₂O₃的膜生长，获得目标层厚的Al₂O₃层，

反应气体组成(容量％)：AlCl₃：0.5～2％、CO₂：0.1～1.5％

HCl：4～7％、H₂S：0.02～0.4％H₂：剩余部分

反应气氛温度：950～1100℃

反应气氛压力：6～13kPa。

通过由上述3个阶段构成的成膜，能够蒸镀形成由具备本发明的结晶组织结构的Al₂O₃层，即能够蒸镀形成由TC(006)为1.8以上、并且(104)面的峰值强度I(104)与(110)面的峰值强度I(110)的比I(104)/I(110)为0.5～2.0的Al₂O₃层构成的上部层。

接着，在通过上述获得的由具备本发明的结晶组织结构的Al₂O₃层构成的上部层的表面，例如通过实施湿式喷砂处理来使上部层内的残余应力降低。

作为具体的湿式喷砂处理条件，例如作为喷射研磨材料，将配合了与水的总量中所占的比例为15～60质量％的Al₂O₃微粒的研磨液，以0.05～0.30MPa的喷射压力向工具表面的整个区域喷射。

关于本发明的Al₂O₃层，尽管TC(006)较高为1.8以上，但由于I(104)/I(110)为0.5～2.0，因此有效地进行了残余应力的松弛，残余应力值的绝对值降低至100MPa以下，其结果，形成耐崩刀性、耐剥离性优异的硬质包覆层。

关于本发明的Al₂O₃层，若TC(006)低于1.8，则硬度下降，因此无法在长期使用中发挥优异的耐磨损性，因此TC(006)定为1.8以上。对于TC(006)的上限并未特别限定，但为了得到预定的高硬度，TC(006)定为1.8以上且3.0以下的范围就足够。

并且，对于I(104)/I(110)的值，若该值低于0.5或者超过2.0，则变得无法获得基于表面处理的残余应力松弛效果，因此(104)/I(110)的值定为0.5～2.0。

并且，对于残余应力值的绝对值，若大于100MPa则看不到耐崩刀性的提高，因此定为100MPa以下。

由上述本发明的Al₂O₃层构成的上部层能够通过由上述3个阶段构成的成膜蒸镀形成于工具的整个表面(前刀面、后刀面、切削刃)，但未必一定形成于工具的整个表面，当然也可仅在包括切削刃棱线部的前刀面，或者仅在包括切削刃棱线部的后刀面蒸镀形成具备本发明的结晶组织结构的Al₂O₃层。

另外，具备本发明的结晶组织结构的Al₂O₃层，若其层厚低于2μm，则无法长期发挥所期望的耐磨损性，另一方面，若其层厚超过15μm，则容易产生崩刀，因此其层厚优选设为2～15μm。

本发明的包覆工具作为硬质包覆层具备由Ti化合物层构成的下部层和由Al₂O₃层构成的上部层，上部层的Al₂O₃层具有优异的高温硬度，并且，由于实现了Al₂O₃层内的残余应力的降低，因此即使在伴有高热产生的高速切削条件下使用时，也能够在长期使用中发挥优异的耐磨损性、耐崩刀性及耐剥离性。

附图说明

图1表示对本发明包覆工具的上部层进行测定的X射线衍射图，以及(hkl)面的位置及峰值强度值I(hkl)。

具体实施方式

接着，通过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、TaC粉末、NbC粉末、Cr₃C₂粉末、TiN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，进一步加入石蜡，在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，以98MPa的压力冲压成型为预定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中以1370～1470℃范围内的预定温度保持1小时的条件下进行真空烧结，烧结后，通过对切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工来分别制造出具有ISO标准·CNMG120408中规定的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体A、B。

接着，使用通常的化学蒸镀装置，在这些工具基体A、B的表面以表2所示的条件蒸镀形成表3所示的Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层，

接着，以表4所示的3个阶段的条件在上述Ti化合物层的表面蒸镀形成Al₂O₃层，

接着，以表5所示的条件，在包括切削刃棱线部的前刀面、后刀面，或者在前刀面及后刀面实施湿式喷砂处理，从而制造出表6中示出的本发明的包覆工具1～10。

并且，为了比较，以表2所示的条件蒸镀形成表3所示的Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层，

接着，以表7所示的条件，蒸镀形成Al₂O₃层，接着，通过以表5所示的条件实施湿式喷砂处理来制造表8中示出的比较包覆工具1～10。

使用扫描型电子显微镜对上述本发明包覆工具及比较包覆工具的前刀面、后刀面及切削刃棱线部中的Ti化合物层、Al₂O₃层的层厚进行测定，并且对Al₂O₃层进行X射线衍射，并测定来自(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)、(116)的各面的X射线衍射峰值强度，从而求出TC(006)，并且，从(104)及(110)各自的峰值强度I(104)、I(110)的值求出峰值强度比I(104)/I(110)。

在表6、表8中示出这些值。

并且，对于上述本发明包覆工具及比较包覆工具的Al₂O₃层，使用sin²Ψ法，通过X射线衍射装置测定残余应力的值。测定中使用αAl₂O₃的(13_10)面的衍射峰值，作为拉伸弹性模量使用384GPa，作为泊松比使用0.232实施计算。

在表6、表8中示出这些值。

[表1]

[表2]

[表3]

(注)各层的括号内数字表示目标层厚(μm)。

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

[表8]

接着，在将上述本发明包覆工具及比较包覆工具均用固定夹具紧固于工具钢制车刀的前端部的状态下，以如下条件进行干式高速切削试验(通常的切削速度为200m/min)，并测定切削刃的后刀面磨损宽度。

工件：球墨铸铁的圆棒、

切削速度：350m/min、

切削深度：1.5mm、

进给速度：0.3mm/rev、

切削时间：10分钟，

将该结果示于表9。

[表9]

(注)比较包覆工具一栏的切削试验结果表示因切削刃棱线部附近产生龟裂而引起的崩刀、缺损等为原因达到寿命为止的切削时间(分钟)。

从表6、8、9所示的结果可知，本发明包覆工具1～10中，由于硬质包覆层的上部层由TC(006)为1.8以上，并且峰值强度比I(104)/I(110)为0.5～2.0，并且上部层内的残余应力值的绝对值为100MPa以下的Al₂O₃层构成，因此在高韧性的球墨铸铁的高速切削加工中，不会导致在切削刃棱线部产生崩刀、缺损等异常损伤，能够在长期使用中显示出优异的耐磨损性。

与此相对，可知比较包覆工具1～10中，由于Al₂O₃层中的拉伸应力未得到充分的松弛，因此切削刃部产生崩刀、缺损等，在比较短的时间内达到使用寿命。

产业上的可利用性

如上述，本发明的包覆工具在高韧性的球磨铸铁等难切削材料的高速切削加工中显示出优异的耐崩刀性及优异的耐磨损性，且在长期使用中发挥优异的切削性能，因此能够足以应对切削装置的高性能化及切削加工的节省劳力化、节能化及低成本化。

Claims (1)

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体的表面上，蒸镀形成由钛化合物层构成的下部层和由氧化铝层构成的上部层来作为硬质包覆层，其特征在于，

上述由氧化铝层构成的上部层中，(006)面取向系数TC(006)为1.8以上，并且，(104)面的峰值强度I(104)与(110)面的峰值强度I(110)之比I(104)/I(110)为0.5～2.0，另外，氧化铝层内的残余应力值的绝对值为100MPa以下。