CN107107203A

CN107107203A - 表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN107107203A
Application number: CN201580058167.6A
Authority: CN
Inventors: 浅沼英利
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-11-12
Also published as: JP2016093857A; EP3219420A4; WO2016076386A1; EP3219420B1; JP6376466B2; US20170312830A1; CN107107203B; US10384269B2; EP3219420A1

Abstract

本发明提供一种在伴有高热发生的高速切削条件下切削碳钢、合金钢、高硬度钢等的情况下也发挥优异的耐磨性的包覆工具。一种表面包覆切削工具，在由WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀形成总层厚0.5～10μm的硬质包覆层而成，其中，硬质包覆层由A层与B层的交替层叠结构构成，A层以组成式：(Al_aTi_1‑a)N表示的情况下，满足0.50≤a＜0.75，其中，a为原子比，B层以组成式：(Al_bTi_1‑b)N表示的情况下，满足0.75≤b≤0.95，其中，b为原子比，将A层的每一层的层厚设为x(nm)，将B层的每一层的层厚设为y(nm)时，满足5y≥x≥3y且250(nm)≥x+y≥100(nm)。

Description

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)，更详细而言，涉及一种例如在碳钢、合金钢、高硬度钢等的伴有高热发生的高速切削加工中，硬质包覆层发挥优异耐磨性的包覆工具。

背景技术

通常，包覆工具中，有各种钢或高硬度钢等工件材料的车削加工或平面铣削加工中装卸自如地安装于车刀的前端部而使用的刀片、用于工件材料的钻孔切削加工等的钻头或小型钻头、还有用于工件材料的端面切削或槽加工、台阶加工等的实心型立铣刀等，并且已知有装卸自如地安装刀片而进行与实心型立铣刀相同的切削加工的刀片式立铣刀工具等。

而且，从耐磨性优异的观点考虑，一直以来已知有，通过作为物理蒸镀的一种的电弧离子镀法，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷等构成的工具基体的表面，作为硬质包覆层而包覆形成有Al与Ti的复合氮化物(以下，以(Al，Ti)N表示)的包覆工具。

例如，专利文献1中提出有一种切削工具，其在基体的表面形成交替重复层叠由Ti_xAl_1-xN以及Ti_yAl_1-yN(0≤x＜0.5、0.5＜y≤1)构成的两种化合物(A、B)，将其重复层叠周期λ设为0.5nm～20nm，通过形成将整体膜厚设为0.5μm～10μm的富含铝的超薄膜层叠包覆，实现高硬度与耐氧化性的兼顾，实现工具的磨损寿命的寿命延长化。

并且，专利文献2中提出有，通过在切削工具基体的表面经由晶体成长层物理蒸镀耐氧化性包覆层来提高耐磨性，所述晶体成长层具有0.05～1μm的平均层厚，且满足组成式：(Al_1-xTi_x)N(其中，以原子比计，x表示0.40～0.65)，并且由具有立方晶的晶体结构的Al与Ti的复合氮化物层构成，所述耐氧化性包覆层具有2～15μm的平均层厚，且满足组成式：(Al_1-yTi_y)N(其中，以原子比计，y表示0.05～0.25)，并且由具有相同立方晶的晶体结构的Al基复合氮化物层构成。

而且，专利文献3中提出有，一种在工具基体表面包覆形成由(Al，Ti)N层构成的硬质包覆层的包覆工具中，Al最高含有点(Ti最低含有点)与Al最低含有点(Ti最高含有点)沿厚度方向以规定间隔交替重复存在，并且具有从所述Al最高含有点到所述Al最低含有点、从所述Al最低含有点到所述Al最高含有点的Al(Ti)含有量连续变化的成分浓度分布结构，而且上述Al最高含有点满足组成式：(Al_xTi_1-x)N(其中，以原子比计，x表示0.70～0.95)，上述Al最低含有点满足组成式：(Al_yTi_1-y)N(其中，以原子比计，y表示0.40～0.65)，且相邻的上述Al最高含有点与Al最低含有点的间隔为0.01～0.1μm，以1～15μm的整体平均层厚形成(Al，Ti)N层，由此提高硬质包覆层的耐磨性。

而且，还已知如下：上述现有包覆工具将工具基体装入例如图2中以概略说明图示出的作为物理蒸镀装置的1种的电弧离子镀装置中，通过加热器将工具基体加热到450～500℃的温度的状态下，在阳极电极与设置有具有规定组成的Al-Ti合金的阴极电极(蒸发源)之间，在电流：90～100A的条件下产生电弧放电，同时向装置内导入作为反应气体的氮气体形成氮气氛，另一方面，在向所述工具基体施加例如-100～-200V的偏置电压的条件下，使蒸发的粒子蒸镀到工具基体的表面，由此形成由(Al，Ti)N层构成的硬质包覆层。

专利文献1：日本专利公开平7-97679号公报

专利文献2：日本专利公开2003-205405号公报

专利文献3：日本专利公开2003-326402号公报

当前现状是：近年来切削加工装置的自动化非常惊人，另一方面对切削加工中的节省劳力化及节能化、以及低成本化要求较高，随之，切削加工具有高速化趋势，但上述现有包覆工具中，将其用于在碳钢、合金钢等通常的切削加工条件下进行的切削加工时，并没有特别的问题，但尤其将其用于在伴有高热发生的高速切削加工条件下进行的切削加工的情况下，由于硬质包覆层的耐热性不足及硬度不足，导致磨损进行极快，因此较短时间内就会达到使用寿命。

发明内容

因此，本发明人从所述观点出发，为了开发对在碳钢、合金钢、高硬度钢等伴有高热发生的高速切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐磨性的包覆工具，进行了深入的研究，结果得出如下见解。

在(Al，Ti)N层中，作为其构成成分的Al提高高温硬度和耐热性，Ti提高高温强度，其结果，(Al，Ti)N层显示出优异的高温硬度和高温强度。但是，以组成式：(Al_bTi_1-b)N表示(Al，Ti)N层时，若表示Al含有比例的b的值(其为原子比)成为0.75以上，则形成六方晶结构的(Al，Ti)N晶粒，因此(Al，Ti)N层整体的硬度降低，其结果耐磨性降低。

因此，本发明人发现：并非以表示Al含有比例的b的值(其为原子比)为0.75以上的(Al，Ti)N层(以下有时也称为“B层”)设为单层来形成，而是作为与具有Al含有比例比B层少的立方晶结构的(Al，Ti)N层(以下有时也称为“A层”)的交替层叠结构来形成，而且，通过将上述A层以及B层的层厚分别控制在适当范围内，由此可以将B层的晶体结构维持为立方晶结构而并非为六方晶结构。

即，发现即使在提高Al含有比例的情况下，也能够将(Al，Ti)N层整体作为立方晶结构，因此得到的硬质包覆层具有高硬度且耐热性优异，将其包覆形成于工具基体表面的包覆工具在碳钢、合金钢、高硬度钢等的伴有高热发生的高速切削加工中发挥优异的耐磨性。

本发明是根据上述研究结果来完成的，

(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蒸镀形成总层厚0.5～10μm的硬质包覆层而成，其特征在于，

(a)所述硬质包覆层由A层与B层的交替层叠结构构成，

(b)所述A层以组成式：(Al_aTi_1-a)N(其中，a为原子比)表示的情况下，满足0.5≤a＜0.75，

(c)所述B层以组成式：(Al_bTi_1-b)N(其中，b为原子比)表示的情况下，满足0.75≤b≤0.95，

(d)将所述A层的每一层的层厚设为x(nm)，将所述B层的每一层的层厚设为y(nm)时，满足5y≥x≥3y，且250nm≥x+y≥100nm。

接着，对本发明的包覆工具的硬质包覆层进行更详细的说明。

硬质包覆层的组成：

构成硬质包覆层的A层的(Al，Ti)N层以组成式：(Al_aTi_1-a)N(其中，a为原子比)表示的情况下，表示Al的含有比例的a的值小于0.50时，Ti的比例相对变大，虽然可以得到优异的高温强度，但不能确保充分的硬度，另一方面，若a的值为0.75以上，则高温强度显示出降低倾向，而且形成六方晶结构的(Al，Ti)N晶粒，因此高温硬度降低，不能发挥优异的耐磨性。

因此，本发明中，将构成A层的(Al_aTi_1-a)N中的a的值确定为0.50≤a＜0.75。

并且，与所述A层一同形成硬质包覆层的交替层叠结构的B层将以组成式：(Al_bTi_1-b)N(其中，b为原子比)表示其组成的情况下，需要满足0.75≤b≤0.95。

通过将上述B层中的b的值设为0.75以上，硬质包覆层具有高Al含有量，因此耐热性得到提高。但是，若b的值超过0.95，则Ti含有量相对减少导致高温强度降低，并且层中的六方晶结构的(Al，Ti)N晶粒增加，因此硬度也降低，从而显示耐磨性降低的趋势。

因此，本发明中，将构成B层的(Al_bTi_1-b)N中的b的值确定为0.75≤b≤0.95。

在这里需要关注的是，对具有与上述B层相同的组成的层(即，Al的含有比例为0.75以上且0.95以下)，将其自身单独作为硬质包覆层，而并非作为与A层的交替层叠结构来形成的情况下，较多的(Al，Ti)N晶粒成为六方晶结构的晶粒，因此硬质包覆层的硬度大幅降低，从而不能发挥耐磨性。

但是，本发明中，通过将上述A层与B层的层厚以分别成为合理范围的方式确定而作为交替层叠结构，即使在将B层的Al含有比例提高为0.75以上且0.95以下的情况下，也能够将B层作为立方晶结构来形成，而并非作为六方晶结构来形成。

由A层与B层的交替层叠结构构成的硬质包覆层：

将构成交替层叠结构的A层的一层的平均层厚设为x(nm)，并且同样地将构成交替层叠结构的B层的一层的平均层厚设为y(nm)的情况下，设为5y≥x≥3y。

若x小于3y，则硬质包覆层中所占的Al的含有比例较高的B层所占比例变大，易于生成硬度低的六方晶晶体结构的晶粒导致硬质包覆层的硬度降低，另一方面，若x超过5y，则Al的含有比例较高的B层所占比例降低，不能充分发挥耐热性。

因此，本发明中，A层的一层平均层厚x与B层的一层平均层厚y的关系确定为满足5y≥x≥3y。

而且，为了使由交替层叠结构构成的硬质包覆层显示更高的硬度，将上述A层与B层的单元厚度x+y(即，将一层的A层与一层的B层设为单元时的合计层厚)设为100nm以上且250nm以下。

上述单元厚度小于100nm的情况下，B层的一层平均层厚y相对变小，硬质包覆层的耐热性提高效果减少，另一方面，若单元厚度超过250nm，则B层中易生成六方晶结构的晶粒，其结果，导致硬质包覆层的硬度降低。

因此，本发明中，将A层与B层的单元厚度x+y确定为满足250nm≥x+y≥100nm。

硬质包覆层的总层厚：

若由所述交替层叠结构构成的硬质包覆层的总层厚小于0.5μm，则经过长期使用不能发挥充分的耐磨性，另一方面，若总层厚超过10μm，则切削加工时容易发生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，因此将硬质包覆层的总层厚确定为0.5～10μm。

根据本发明的包覆工具，形成于工具基体表面的硬质包覆层作为以组成式：(Al_aTi_1-a)N(其中，a为原子比，满足0.50≤a＜0.75)表示的A层与以组成式：(Al_bTi_1-b)N(其中，b为原子比，满足0.75≤b≤0.95)表示的B层的交替层叠结构来构成，而且A层的每一层的层厚x(nm)与B层的每一层的层厚y(nm)满足5y≥x≥3y，且250nm≥x+y≥100nm的关系，因此硬质包覆层具有优异的耐热性和高硬度，其结果，即使在碳钢、合金钢、高硬度钢等的伴有高热发生的高速切削加工中，也不会发生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，经过长期使用发挥优异的耐磨性。

附图说明

图1表示用于形成构成本发明包覆工具以及比较包覆工具的硬质包覆层的电弧离子镀装置，图1的(a)是概略俯视图，图1的(b)是概略主视图。

图2是说明现有技术的现有电弧离子镀装置的概略说明图。

具体实施方式

接着，通过实施例对本发明的包覆工具进行具体的说明。

另外，在此，对将碳化钨(WC)基硬质合金作为工具基体的包覆工具进行叙述，但在将碳氮化钛(TiCN)基金属陶瓷作为工具基体的情况下也是相同的。

实施例1

作为原料粉末，准备均具有1～3μm的平均粒径的WC粉末、VC粉末、Cr₃C₂粉末以及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，用球磨机进行72小时的湿式混合，并进行干燥之后，以100MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在6Pa的真空中，以温度：1400℃保持1小时的条件进行烧结，在烧结之后，形成具有ISO标准CNMG120408的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体A-1～A-3。

并且，作为原料粉末，准备均具有0.5～2μm的平均粒径的TiCN(以重量比计TiC/TiN＝50/50)粉末、Mo₂C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末以及Ni粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，并用球磨机进行24小时的湿式混合，进行了干燥之后，以100MPa的压力冲压成型为压坯，对该压坯在2kPa的氮气氛中以温度：1500℃保持1小时的条件下进行了烧结，在烧结之后，对切削刃部分施加R：0.03的刃口修模加工来形成具有ISO标准CNMG120408的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体B-1～B-3。

接着，经过如下(a)～(c)，制造作为本发明包覆工具的表面包覆刀片(以下，称为本发明包覆刀片)1～10。

(a)对所述工具基体A-1～A-3、B-1～B-3分别在丙酮中进行超声波清洗，并在经过干燥的状态下，在从图1所示的电弧离子镀装置内的旋转台上的中心轴向半径方向远离规定距离的位置，沿外周部进行安装，并且在夹持所述旋转台而对向的位置配置由A层形成用Al-Ti合金以及B层形成用Al-Ti合金构成的阴极电极(蒸发源)，

(b)首先，对装置内部进行排气以保持0.1Pa以下的真空，并且用加热器将装置内部加热到600℃之后，在旋转台上边自转边旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，且使100A的电流在Al-Ti合金(阴极电极)与阳极电极之间流过，产生电弧放电，由此，对工具基体表面进行轰击清洗，

(c)接着，将装置内气氛保持为0.5～9.0Pa的氮气氛，在旋转台上边自转边旋转的工具基体施加-20～-150V的直流偏置电压，使50～250A的电流在作为阴极电极(蒸发源)的A层形成用Al-Ti合金电极与阳极电极之间流过，产生电弧放电，形成规定层厚的A层，接着，使50～250A的电流在B层形成用Al-Ti合金电极与阳极电极之间流过，产生电弧放电，形成规定层厚的B层，通过对其进行交替重复蒸镀，形成由表3所示的目标组成、目标层厚的A层与B层的交替层叠结构构成的硬质包覆层。

并且，以比较为目的，经过如下(a)～(c)，制造作为比较包覆工具的表面包覆刀片(以下，称为比较包覆刀片)1～5。

(a)对所述工具基体A-1～A-3、B-1～B-3分别在丙酮中进行超声波清洗，并在经过干燥的状态下，在从图1所示的电弧离子镀装置内的旋转台上的中心轴向半径方向远离规定距离的位置，沿外周部进行安装，并且在夹持所述旋转台而对置的位置配置作为阴极电极具有不同组成的Al-Ti合金(以下，分别设为C层形成用Al-Ti合金、D层形成用Al-Ti合金)，

(b)首先，对装置内部进行排气以保持0.1Pa以下的真空，并且用加热器将装置内部加热到600℃之后，对在旋转台上边自转边旋转的工具基体施加-1000V的直流偏置电压，且使100A的电流在Al-Ti合金(阴极电极)与阳极电极之间流过，从而产生电弧放电，由此对工具基体表面进行轰击清洗，

(c)接着，将装置内气氛保持为0.5～9.0Pa的氮气氛，对在旋转台上边自转边旋转的工具基体施加-20～-150V的直流偏置电压，使50～250A的电流在作为阴极电极(蒸发源)的C层形成用Al-Ti合金电极与阳极电极之间流过，从而产生电弧放电，蒸镀形成规定组成的C层，接着，使50～250A的电流在D层形成用Al-Ti合金电极与阳极电极之间流过，从而产生电弧放电，蒸镀形成规定组成的D层，由此蒸镀形成由表4所示的目标组成、目标层厚的交替层叠构成的硬质包覆层。

接着，关于本发明包覆刀片1～10、比较包覆刀片1～5，对于表示其硬质包覆层的交替层叠结构的各层的组成，通过利用透射电子显微镜的能量分散型X射线分析法测定硬质包覆层纵截面的结果，分别显示出实质上与目标组成相同的组成。

并且，对于表示上述硬质包覆层的交替层叠结构的各层的平均层厚，利用透射电子显微镜测定截面的结果，均显示出实质上与目标层厚相同的平均值(5处的平均值)。

将这些测定值示于表3、表4。

接着，关于本发明包覆刀片1～10以及比较包覆刀片1～5，在以下的切削条件下进行了切削试验，在所有高速切削加工试验中均测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

切削条件A：

工件材料：JIS·SCM440(HB330)的圆棒，

切削速度：220m/min.，

切深量：0.2mm，

进给速度：0.28mm/rev.，

切削时间：5分钟，

的条件下的合金钢的连续高速切削加工试验(通常的切削速度以及进给速度分别为165m/min.、0.25mm/rev.)。

切削条件B：

工件材料：JIS·S45C(HB250)的圆棒，

切削速度：200m/min.，

切深量：0.2mm，

进给速度：0.33mm/rev.，

切削时间：5分钟，

的条件下的碳钢的连续高速切削加工试验(通常的切削速度以及进给速度分别为150m/min.、0.25mm/rev.)。

切削条件C：

工件材料：JIS·SKD61(HRC60)的圆棒，

切削速度：110m/min.，

切深量：0.2mm，

进给速度：0.28mm/rev.，

切削时间：3分钟，

的条件下的高硬度钢的连续高速切削加工试验(通常的切削速度以及进给速度分别为70m/min.、0.1mm/rev.)。

将该测定结果示于表5。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

比较包覆刀片的栏的*标记表示由于产生于切削刃的异常磨损而达到寿命为止的切削时间(分钟)。

实施例2

与实施例1同样地，将由均具有1～3μm的平均粒径的WC粉末、VC粉末、Cr₃C₂粉末以及Co粉末构成的原料粉末配合成表1所示的配合组成，用球磨机进行72小时的湿式混合，进行干燥之后，以100MPa的压力冲压成型为压坯，对该压坯在6Pa的真空中，以温度：1400℃保持1小时的条件进行烧结，形成直径为13mm的工具基体形成用圆棒烧结体，进一步通过磨削加工由所述圆棒烧结体分别制造切削刃部的直径×长度为10mm×22mm的尺寸并且具有螺旋角30度的4片刃角尺形状的WC基硬质合金制的工具基体(立铣刀)A-1～A-3。

接着，对这些工具基体(立铣刀)A-1～A-3的表面在丙酮中进行超音波清洗，并在经过干燥的状态下，同样装入图1所示的电弧离子镀装置，在与实施例1相同的条件下，蒸镀形成由表6所示的目标组成、目标层厚的A层与B层的交替层叠结构构成的硬质包覆层，由此分别制造作为本发明包覆工具的本发明表面包覆硬质合金制立铣刀(以下，称为本发明包覆立铣刀)1～6。

并且，以比较为目的，对所述工具基体(立铣刀)A-1～A-3的表面在丙酮中进行超音波清洗，并在经过干燥的状态下，同样装入图1所示的电弧离子镀装置，在与实施例1相同的工序中，蒸镀形成由表7所示的目标组成、目标层厚的交替层叠构成的硬质包覆层，由此分别制造作为比较包覆工具的表面包覆硬质合金制立铣刀(以下，称为比较包覆立铣刀)1～5。

接着，关于本发明包覆立铣刀1～6、比较包覆立铣刀1～5，对于表示其硬质包覆层的交替层叠结构的各层的组成，通过利用透射电子显微镜的能量分散型X射线分析法测定硬质包覆层纵截面结果，分别显示出实质上与目标组成相同的组成。

将这些测定值示于表6、表7。

接着，关于本发明包覆立铣刀1～6以及比较包覆立铣刀1～5，

在工件材料-平面尺寸：100mm×250mm、厚度：50mm的JIS·SCM440(HB330)的板材，

切削速度：240m/min.，

沟槽深度(切深量)：15mm，

工作台进给速度：820mm/min.，

的条件(切削条件D)下进行铬钼钢的湿式高速沟槽切削加工试验(通常的切削速度以及工作台进给速度分别为190m/min.、650mm/min.)，测定切削刃部的外周刃的后刀面磨损宽度达到设为使用寿命的目标的0.1mm为止的切削沟槽长度。

将该测定结果分别示于表6、表7。

[表6]

[表7]

根据表5～7所示的结果，本发明包覆工具在工具基体的表面形成分别由规定的组成、层厚的A层与B层的交替层叠结构构成的硬质包覆层，由此硬质包覆层具有优异的耐热性和高硬度，因此在碳钢、合金钢、高硬度钢等的高速切削加工中，不会导致产生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，经过长期使用发挥优异的耐磨性。

相对于此，可明确得知，在构成硬质包覆层的层均偏离本发明中所规定的组成、层厚等的比较包覆工具，耐磨性不充分，在较短时间内达到使用寿命。

产业上的可利用性

如前述，本发明的包覆工具不仅在碳钢、合金钢、高硬度钢等的高速切削加工中发挥优异的耐磨性，而且在普通的工件材料的切削加工中也发挥优异的耐磨性，长期显示出优异的切削性能，因此能够对应切削加工装置的自动化以及切削加工的节省劳力化及节能化，进一步能够充分满足低成本化。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或者碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀形成总层厚0.5～10μm的硬质包覆层而成，所述表面包覆切削工具的特征在于，

(a)所述硬质包覆层由A层与B层的交替层叠结构构成，

(b)所述A层以组成式：(Al_aTi_1-a)N表示的情况下，满足0.50≤a＜0.75，其中，a为原子比，

(c)所述B层以组成式：(Al_bTi_1-b)N表示的情况下，满足0.75≤b≤0.95，其中，b为原子比，

(d)将所述A层的每一层的层厚设为x，将所述B层的每一层的层厚设为y，其中x、y的单位均为nm时，满足5y≥x≥3y，且250nm≥x+y≥100nm。