表面被覆硬質合金刀具的製作方法

2023-10-10 21:42:34 1

專利名稱：表面被覆硬質合金刀具的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種表面被覆硬質合金刀具(以下簡稱被覆硬質合金刀具)，其耐磨損被覆層對於碳化鎢基硬質合金基體(以下簡稱硬質合金基體)表面具有良好的附著力，並且耐碎裂性也很好，因此在施加高的熱衝擊和機械衝擊的高切深和高進給等強力切削條件下對各種鋼或鑄鐵進行斷續切削時，上述耐磨損被覆層不會產生剝離或碎片(微小缺陷)，可以長斯保持良好的耐磨損性。
背景技術：
一般地說，切削刀具可以分為可以隨意裝卸在刀頭端部、用於各種鋼或鑄鐵等被切削材料的車削加工和刨削加工的不磨刃刀片；用於上述被切削材料的鑽孔切削加工等的鑽頭和微型鑽頭；以及用於上述被切削材料的車端面加工、槽加工、臺肩加工的整體式立銑刀；此外，還有可以隨意裝卸上述不磨刃刀片、與上述整體式立銑刀同樣進行切削加工地不磨刃立銑刀。
現已知道一種被覆硬質合金刀具，它是使用通常的化學蒸鍍裝置，在上述硬質合金基體的表面上蒸鍍耐磨損被覆層而製成的，所述的耐磨損被覆層是由Ti的碳化物(以下簡稱TiC)層、氮化物(以下簡稱TiN)層、碳氮化物(以下簡稱TiCN)層、碳氧化物(以下簡稱TiCO)層和碳氮氧化物(以下簡稱TiCNO)層中的1層或2層以上的複合層構成，其平均層厚為1-15μm。該刀具被用於各種鋼和鑄鐵等的連續切削和斷續切削。
另外，已知還有一種被覆硬質合金刀具，它是在上述硬質合金基體的表面上蒸鍍耐磨損被覆層而製成的，所述的耐磨損被覆層由下列部分構成(a)使用通常的化學蒸鍍裝置，蒸鍍由Ti的碳化物(以下簡稱TiC)層、氮化物(以下簡稱TiN)層、碳氮化物(以下簡稱TiCN)層、碳氧化物(以下簡稱TiCO)層和碳氮氧化物(以下簡稱TiCNO)層中的1層或2層以上的複合層構成，並且平均層厚為0.5-15μm的下側被覆層；(b)使用通常的化學蒸鍍裝置，蒸鍍由氧化鋁(以下簡稱Al2O3)層以及例如在特開昭57-39168或特開昭61-201778中所述的在Al2O3基體上分散分布氧化鋯(以下簡稱ZrO2)相而形成的Al2O3-ZrO2混合層(以下簡稱Al2O3-ZrO2混合層)中的任1層或2層構成並且平均層厚為0.5-15μm的下側被覆層。該刀具被用於各種鋼和鑄鐵等的連續切削和斷續切削。
現已知道，一般地說，例如使用圖1所示的一種物理蒸鍍裝置即電弧離子鍍裝置，將裝置內的氣氛形成5Pa的真空，用加熱器將裝置內加熱至500℃的溫度，然後例如在電壓35V、電流90A的條件下，在陽極電極與安置了具有規定組成的Ti-Al合金的陰極電極(蒸發源)之間進行電弧放電，同時向裝置內導入氮氣或者氮氣與甲烷氣的混合氣體作為反應氣體，在硬質合金基體上例如施加-200V的偏壓，在這樣的條件下，在上述硬質合金基體的表面上，作為耐磨損被覆層，例如按照特開昭62-56565中所述，以0.5-15μm的平均層厚蒸鍍由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物〔以下用(Ti，Al)N表示〕層和複合碳氮化物〔以下用(Ti，Al)CN表示〕層中的任一方的單層或兩方的複合層構成的表面硬質層，製成被覆硬質合金刀具。
另外，還知道一種被覆硬質合金刀具，它是在上述硬質合金基體的表面上蒸鍍耐磨損被覆層的下側硬質層和上側硬質層而形成的，作為上述下側被覆層，例如使用圖1所示的一種物理蒸鍍裝置即電弧離子鍍裝置，將裝置內的氣氛形成0.5Pa的真空，用加熱器將裝置內加熱至500℃的溫度，然後例如在電壓35V、電流90A的條件下，使陽極電極與安置了具有規定組成的Ti-Al合金的陰極電極(蒸發源)之間產生電弧放電，同時向裝置內導入氮氣或者氮氣與甲烷氣的混合氣體作為反應氣體，在硬質合金基體上例如施加-200V的偏壓，在這樣的條件下，例如按照特開昭62-56565中所述，以0.5-15μm的平均層厚物理蒸鍍滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物〔以下用(Ti，Al)N表示〕層和複合碳氮化物〔以下用(Ti，Al)CN表示〕層中的任一方的單層或兩方的複合層，作為上側硬質層，使用通常的化學蒸鍍裝置，以0.5-10μm的平均層厚，化學蒸鍍氧化鋁(以下用Al2O3表示)層和例如特開昭57-39168或特開昭61-201778中所述的在Al2O3基體上分散分布氧化鋯(以下用ZrO2表示)相形成的Al2O3-ZrO2混合層(以下簡稱Al2O3-ZrO2混合層)中的任1層或2層。該刀具被用於各種鋼和鑄鐵的連續切削和斷續切削。
近年來，切削加工裝置的性能越來越高，另外對於切削加工強烈要求省工、節能和降低成本，伴隨這種趨勢，要求切削刀具儘可能不受切削條件的影響，具有通用性。但是，上述的現有技術被覆硬質合金刀具，雖然在用於鋼和鑄鐵等的通常條件下的連續切削和斷續切削時沒有問題，但是，在高切深和高進給等強力切削條件下，用切削刃為斷續切削形態的立銑刀或鑽頭進行切削加工，以及用不磨刃刀片進行斷續車削加工(以下總稱為「斷續切削」)時，由於切削時產生的高的熱衝擊和機械衝擊，上述表面硬質層容易從硬質合金基體表面上剝離，另外，由於基底層和表面硬質層都非常硬，在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下斷續切削時，切削刃部容易產生碎片，結果在較短的時間內刀具就達到了使用壽命。
發明的說明
為了解決上述問題，本發明研製出下面所述的具有耐磨損被覆層的表面被覆硬質合金刀具。
本發明的第1方面的表面被覆硬質合金制切削刀具，是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體的表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層和碳氮氧化物層中的1層或2層以上的複合層構成並且平均層厚為1-15μm的耐磨損被覆層而製成，所述的耐磨損被覆層具有良好的附著力。
這一實施方式的表面被覆硬質合金刀具，即使是在伴隨有極高的熱衝擊和機械衝擊的、鋼和鑄鐵的強力切削條件下進行斷續切削加工時，由於在硬質合金基體表面部形成的非晶質化層，確保了上述硬質合金基體表面與耐磨損被覆層之間具有很強的粘附性，因而耐磨損被覆層不會由於附著力不足而產生剝離，耐磨損被覆層可以發揮良好的耐磨性。相比之下，上述沒有形成非晶質化層的現有技術被覆硬質合金刀具，在上述強力切削條件下斷續切削時，由於耐磨損被覆層的附著力不足而發生剝離，在較短的時間內就達到了使用壽命。
如上所述，本發明的被覆硬質合金刀具，對於各種鋼或鑄鐵等在通常條件下的連續切削和斷續切削加工當然不存在任何問題，即使用於在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下的斷續切削加工時，耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面仍顯示出良好的附著力，可以長時期發揮良好的切削性能，因而可以充分滿足切削加工的通用性，進一步實現切削加工的省工、節能和降低成本。
本發明的第2方面的硬質合金制切削刀具，是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，以0.5-15μm的平均層厚物理蒸鍍由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物層以及Ti與Al的複合碳氮化物層中的一方或兩方構成的單層或復層的硬質被覆層，這樣形成的硬質被覆層具有良好的附著力。
第2實施方式的表面被覆硬質合金制切削刀具，與上述第1實施方式同樣，在用於伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下斷續切削時，耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面具有良好的附著力，可以長時期發揮良好的切削性能。
本發明的第3方面的表面被覆硬質合金制切削刀具，是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍由(a)下側被覆層和(b)上側被覆層構成的耐磨損被覆層而形成的，所述的下側被覆層是由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層和碳氮氧化物層中的1層或2層以上的複合層構成，平均厚度為0.5-15μm，所述的上側被覆層是由氧化鋁層以及在氧化鋁基體中分散分布有氧化鋯相的氧化鋁-氧化鋯混合層中的任一方或兩方構成，並且平均層厚為0.5-15μm。這樣形成的耐磨損被覆層具有良好的附著力。
這一實施方式的被覆硬質合金刀具，對於各種鋼或鑄鐵等在通常條件下的連續切削和斷續切削加工當然不存在任何問題，即使用於在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下的斷續切削加工時，耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面仍顯示出良好的附著力，可以長時期發揮良好的切削性能，因此可以充分滿足切削加工的通用性，進一步實現切削加工的省工、節能和降低成本。
本發明的第4方面的表面被覆硬質合金制切削刀具，是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，採用物理蒸鍍被覆下面所述的(a)層和(b)層而製成的。這些被覆層是由(a)基底韌性層和(b)表面硬質層構成的，所述的基底韌性層是由氮化鈦層構成，平均層厚為0.1-5μm，所述的表面硬質層是由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物層以及Ti與Al的複合碳氮化物層中的任一方的單層或兩方的復層構成，並且平均厚度為0.5-15μm。這樣得到的硬質合金制切削刀具，其表面硬質層與耐磨損被覆層具有良好的附著力，並且表面硬質層與基體材料的附著力也很好，具有良好的抗碎裂性，因此這種表面被覆硬質合金制切削刀具顯示出良好的性能。
這一實施方式的被覆硬質合金刀具，對於各種鋼或鑄鐵等在通常條件下的連續切削和斷續切削加工當然不存在任何問題，即使用於在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下的斷續切削加工時，耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面仍顯示出良好的附著力，可以長時期發揮良好的切削性能，因此可以充分滿足切削加工的通用性，進一步實現切削加工的省工、節能和降低成本。
本發明的第5方面的表面被覆硬質合金制切削刀具，是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，利用物理蒸鍍和/或化學蒸鍍形成耐磨損被覆層，所述的耐磨損被覆層是由(a)基底韌性層、(b)下側硬質層和(c)上側硬質層構成，所述的基底韌性層是由氮化鈦層構成，平均層厚為0.1-5μm，所述的下側硬質層是由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物層和Ti與Al的複合碳氮化物層中的任一方的單層或兩方的復層構成，並且平均層厚為0.5-15μm，所述的上側硬質層是由氧化鋁層以及在氧化鋁基體中分散分布氧化鋯相的氧化鋁-氧化鋯混合層中的任一單層或兩者的復層構成，平均層厚為0.5-10μm。這樣形成的耐磨損被覆層具有良好的附著力和耐碎裂剝離性。
這一實施方式的被覆硬質合金刀具，即使是在伴隨有極高的熱衝擊和機械衝擊的鋼和鑄鐵的強力切削條件下進行斷續切削加工時，由於在硬質合金基體表面部形成的非晶質化層，確保了上述硬質合金基體表面與耐磨損被覆層之間具有很強的粘附性，因而耐磨損被覆層不會由於附著力不足而產生剝離，耐磨損被覆層可以發揮良好的耐磨性，相比之下，上述沒有形成非晶質化層的現有技術被覆硬質合金刀具，在上述強力切削條件下斷續切削時，由於耐磨損被覆層的附著力不足而發生剝離，在較短的時間內就達到了使用壽命。
如上所述，本發明的被覆硬質合金刀具，對於各種鋼或鑄鐵等在通常條件下的連續切削和斷續切削加工當然不存在任何問題，即使用於在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下的斷續切削加工時，耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面仍顯示出良好的附著力，可以長時期發揮良好的切削性能，因而可以充分滿足切削加工的通用性，進一步實現切削加工的省工、節能和降低成本。
附圖的簡要說明
圖1是電弧離子鍍裝置的示意說明圖。
圖2A和2B表示被覆硬質合金刀片，其中，2A是被覆硬質合金刀片的立體示意圖，2B是被覆硬質合金刀片的縱剖面示意圖。
圖3A和3B表示被覆硬質合金立銑刀，其中，3A是被覆硬質合金立銑刀的正面示意圖，3B是其切削刃部的橫斷面示意圖。
圖4A和4B表示被覆硬質合金鑽頭，其中，4A是被覆硬質合金鑽頭的正面示意圖，4B是其槽形成部的橫斷面示意圖。
發明的詳細說明
下面，參照


本發明的表面被覆硬質合金制切削刀具的優選實施方式，但本發明不受這些實施例的限制，例如也可以將這些實施方式的構成要素彼此適當地組合。
第1實施方式
基於上述原因，為了進一步提高構成上述現有技術被覆硬質合金刀具的耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面的附著力，本發明人進行了深入的研究，結果得到下面所述的見解。
(a)將上述硬質合金基體安裝在例如圖1所示的一種物理蒸鍍裝置的電弧離子鍍裝置上，首先，不使用陰極電極，按下列條件對上述硬質合金基體表面進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)300-500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力1-10Pa
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-800～-1000V
處理時間2-10分鐘然後，例如使用金屬Ti作為陰極電極，按下列條件對硬質合金基體表面進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度450-550℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力1-10Pa
電弧放電電流100-200A
加在硬質合金基體上的偏壓-900～1200V此時，上述硬質合金基體表面上沒有形成作為蒸鍍層的金屬Ti層，根據使用透射電子顯微鏡進行組織觀察的結果判斷，在上述硬質合金基體本體的表面部位形成了非晶質化層。
(b)按照下列條件，使用電弧離子鍍裝置蒸鍍形成金屬Ti層
裝置內氣氛溫度300-500℃
氣氛氣體(不使用)
氣氛壓力0.1Pa以下的真空
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流50-100A
加在硬質合金基體上的偏壓-30～-100V
(c)在距表面1-50nm範圍內的平均深度形成上述非晶質化層的狀態下，採用上述物理蒸鍍裝置或常規的化學蒸鍍裝置，在上述硬質合金基體表面上形成上述現有技術被覆硬質合金刀具的耐磨損被覆層時，由於上述非晶質化層具有高的活性，反應性很高，因而在蒸鍍形成耐磨損被覆層時與之反應，確保了上述硬質合金基體表面與耐磨損被覆層之間具有極強的粘附性。結果形成的被覆硬質合金刀具，即使用於在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下的斷續切削加工時，耐磨損被覆層也不會發生剝離，從而可以充分發揮耐磨損被覆層所具有的良好的耐磨損性。
這一實施方式是基於上述見解而完成的，該被覆硬質合金刀具的特徵在於，在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的硬質合金基體表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍由TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層和TiCNO層中的1層或2層以上的復層(以下統稱為Ti化合物層)構成、且平均層厚為1-15μm的耐磨損被覆層，所形成的耐磨損被覆層具有良好的附著力。
下面說明上述限定本發明被覆硬質合金刀具的在硬質合金基體表面部形成的非晶質化層的平均層厚和耐磨損被覆層的平均層厚的依據。
(1)硬質合金基體表面部的非晶質化層的平均厚度
如上所述，非晶質化層的作用是與耐磨損被覆層之間形成良好的粘附性，其深度小於1nm時，不能確保所希望的良好粘附性，另一方面，提高耐磨損被覆層對於硬質合金基體表面的附著力效果，在非晶質化層距表面的平均深度為50nm時才是最充分的，因此將其平均深度限定為1-50nm。
(2)耐磨損被覆層的平均層厚
構成耐磨損被覆層的Ti化合物層的作用是提高切削刀具的耐磨損性，其平均層厚小於1μm時，不能確保所希望的耐磨損性，另一方面，其平均層厚大於15μm時，在強力切削條件下斷續切削時，上述耐磨損被覆層容易發生塑性變形，引起不均勻磨損，因此將其平均層厚限定為1-15μm。
下面通過實施例具體地說明本實施方式的被覆硬質合金刀具。
實施例1-1
作為原料粉末，製備平均粒徑均為0.5-4μm的WC粉末、(Ti，W)C(質量比，以下相同、TiC/WC＝30/70)粉末、(Ti，W)CN(TiC/TiN/WC＝24/20/56)粉末、(Ta，Nb)C(TaC/NbC＝90/10)粉末、Cr3C2粉末以及Co粉末，將這些原料粉末按表1-1所示的配比配合，用球磨機溼式混合72小時，乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的壓坯，將該壓坯在6Pa的真空和1410℃溫度下保持1小時進行真空燒結，分別製成ISO·CNMG120408規定的不磨刃刀片形狀的硬質合金基體A1-1～A1-6。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體A1-1～A1-6，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的常規電弧離子鍍裝置中，對上述各硬質合金基體A1-1～A1-6的表面，首先，按下列條件進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)400℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極(不使用)
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-900V
處理時間3分鐘然後，按下列條件進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流150A
加在硬質合金基體上的偏壓-1000V
經過上述處理，在上述硬質合金基體A1-1～A1-6的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節上述條件的電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體A1-1～A1-6的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表3所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在這些硬質合金基體A1-1～A1-6的表面上，在經過珩磨的狀態下，使用常規的化學蒸鍍裝置，按照表1-2(表中的1-TiCN表示特開平6-8010中記載的具有縱長生長結晶組織的TiCN層的形成條件)所示的條件，形成由表1-3所示組成和目標層厚的Ti化合物層構成的耐磨損被覆層，分別製成具有圖2A的立體圖和圖2B的縱剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本實施方式的表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱本發明被覆硬質合金刀片)1-1～1-6，然後，將上述硬質合金基體A1-2、A1-4、A1-5和A1-6裝入圖1例示的常規電弧離子鍍裝置中，按下列條件在上述硬質合金基體表面上形成由表1-3所示組成和目標層厚的Ti化合物層構成的耐磨損被覆層
爐內氣氛溫度650℃
氣氛氣體氮氣、甲烷氣或者氮氣與甲烷氣按一定比例的混合氣體
氣氛壓力5Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流80A
加在硬質合金基體上的偏壓-200V分別製成圖2A、圖2B所示形狀的本發明被覆硬質合金刀片1-7～1-10。
此外，為了進行比較，如表1-4所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體A1-1～A1-6表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體A1-1～A1-6的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱以往的被覆硬質合金刀片)1-1～1-10。
隨後，對於上述本發明被覆硬質合金刀片1-1～1-10和以往的被覆硬質合金刀片1-1～1-10，用固定夾具將其固定在工具鋼製成的車刀端部，按下列條件進行合金鋼的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·SCM440的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度120m/min
切深5.4mm
進給量0.19mm/rev
切削時間5分鐘按下列條件進行碳鋼的乾式高進給量斷續切削試驗
被切削材料JIS·S20C的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度115m/min
切深1.5mm
進給量0.48mm/rev
切削時間5分鐘最後，按下列是條件進行鑄鐵的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·FC200的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度155m/min
切深6.5mm
進給量0.17mm/rev
切削時間5分鐘
在所有的切削試驗中，測定切削刃的後面磨損寬度，測定結果示於表1-5中。
表1-1
表1-2
表1-3
表1-4
表1-5
(表中，使用壽命都表示耐磨損被覆層的剝離而引起的)
實施例1-2
作為原料粉末，製備平均粒徑5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒徑0.8μm的微粒WC粉末、平均粒徑1.3μm的TaC粉末、平均粒徑1.2μm的NbC粉末、平均粒徑1.2μm的ZrC粉末、平均粒徑2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒徑1.5μm的VC粉末、平均粒徑1.0μm的(Ti，W)C粉末和平均粒徑1.8μm的Co粉末。將這些原料粉末按表1-6所示的配比配合，添加蠟，在丙酮中球磨混合24小時，減壓乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中，以7℃/分的升溫速度升溫至1370-1470℃範圍內的規定溫度，在該溫度下保持1小時後，在爐冷條件下燒結，形成直徑8mm、13mm和26mm的3種用於形成硬質合金基體的圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，按表1-6所示的組合，分別製成刀刃部的直徑×長度分別為6mm×13mm、10mm×22mm和20mm×45mm的立銑刀用硬質合金基體B1-1～B1-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體B1-1～B1-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在上述各硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體B1-1～B1-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體B1-1～B1-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表1-7所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在這些硬質合金基體B1-1～B1-8的表面上，在經過珩磨的狀態下，使用常規的化學蒸鍍裝置，按照表1-2所示的條件，形成由表1-7所示組成和目標層厚的Ti化合物層構成的耐磨損被覆層，分別製成具有圖3A的正面圖和圖3B的刀刃部橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱本發明被覆硬質合金立銑刀)1-1～1-8。
另外，為了進行比較，如表1-8所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體B1-1～B1-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體B1-1～B1-8的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱以往的被覆硬質合金立銑刀)1-1～1-8。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金立銑刀1-1～1-8和以往的被覆硬質合金立銑刀1-1～1-8中，對於本發明被覆硬質合金立銑刀1-1』～1-3』和以往的被覆硬質合金立銑刀1-1』～1-3』，按下列條件進行鑄鐵的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250板材
轉速5350min-1
軸向切深12mm
徑向切深1.6mm
進給量590mm/min
對本發明被覆硬質合金立銑刀1-4』～1-6』和以往的被覆硬質合金立銑刀1-4』～1-6』，按下列條件進行碳鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·S10C板材
轉速2000min-1
軸向切深20mm
徑向切深2.6mm
進給量260mm/min
對本發明被覆硬質合金立銑刀1-7』～1-8』和以往的被覆硬質合金立銑刀1-7』～1-8』，按下列條件進行淬火鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC52)板材
轉速650min-1
軸向切深26mm
徑向切深1.4mm
進給量72mm/min
在所有側面切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定外周刃的後面磨損寬度達到使用壽命目標0.1mm的切削長度，測定結果示於表1-7和1-8中。
表1-6
表1-7
表1-8
(表中，使用壽命都表示耐磨損被覆層的剝離引起的)
實施例1-3
使用上述實施例1-2製造的直徑8mm(用於形成硬質合金基體B1-1～B1-3)、13mm(用於形成硬質合金基體B1-4～B1-6)和26mm(用於形成硬質合金基體B1-7和B1-8)3種圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，分別製成槽形成部的直徑×長度分別為4mm×13mm(硬質合金基體C1-1～C1-3)、8mm×22mm(硬質合金基體C1-4～C1-6)和16mm×45mm(硬質合金基體C1-7和C1-8)的鑽頭用硬質合金基體C1-1～C1-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體C1-1～C1-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在這些硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體C1-1～C1-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體C1-1～C1-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表1-9中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在這些硬質合金基體B1-1～B1-8的表面上，在經過珩磨的狀態下，使用常規的化學蒸鍍裝置，按照表1-2所示的條件，形成由表1-9所示組成和目標層厚的Ti化合物層構成的耐磨損被覆層，分別製成具有圖4A的正面圖和圖4B的槽形成部的橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱本發明被覆硬質合金鑽頭)1-1」～1-8」。
另外，為了進行比較，如表1-10所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體C1-1～C1-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體C1-1～C1-8的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱以往的被覆硬質合金鑽頭)1-1」～1-8」。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金鑽頭1-1」～1-8」和以往的被覆硬質合金鑽頭1」～8」中，對於本發明被覆硬質合金鑽頭1-1」～1-3」和以往的被覆硬質合金鑽頭1-1」～1-3」，按下列條件進行鑄鐵的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250C板材
切削速度45m/min
進給量0.42mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭1-4」～1-6」和以往的被覆硬質合金鑽頭1-4」～1-6」，按下列條件進行碳鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·S10C板材
切削速度48m/min
進給量0.36mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭1-7」～1-8」和以往的被覆硬質合金鑽頭1-7」～1-8」，按下列條件進行合金鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SCM440板材
切削速度63m/min
進給量0.43mm/rev
在所有的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定頂端切削刃面的後面磨損寬度達到0.3mm時的鑽孔加工數，測定結果分別示於表1-9和1-10中。
表1-9
表1-10
(表中，使用壽命都表示耐磨損被覆層的剝離引起的)
另外，使用能量分散型X射線測定裝置和俄歇能譜分析裝置以及掃描電子顯微鏡，測定所得到的作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金刀片1-1～1-10、本發明被覆硬質合金立銑刀1-1』～1-8』和本發明被覆硬質合金鑽頭1-1」～1-8」、以及作為以往的被覆硬質合金刀具的以往的被覆硬質合金刀片1-1～1-10、以往的被覆硬質合金立銑刀1-1』～1-8』和以往的被覆硬質合金鑽頭1-1」～1-8」的硬質被覆層的組成和層厚，結果顯示與表1-3、1-4、1-7～1-10的目標組成和目標層厚基本上相同的組成和平均層厚(與任意5個位置測定的平均值的比較)。
第2實施方式
本發明的第2實施方式，是基於上述第1實施方式中得到的(a)～(c)的見解而進行的。即，該實施方式是被覆硬質合金刀具，其特徵在於，在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質層的硬質合金基體的表面上，以0.5-15μm的層厚，物理蒸鍍由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一方或兩方構成的單層或復層的硬質被覆層，所形成的硬質被覆層具有良好的附著力。
在這一實施方式的被覆硬質合金刀具中，將硬質合金基體表面部上形成的非晶質化層的距表面的平均深度限定為1-50nm是因為，該深度小於1nm時，不能確保所希望的良好的附著力，另一方面，提高硬質被覆層對於硬質合金基體表面的附著力的效果，在非晶質化層距表面的深度為50nm時才是最充分的。
此外，在本發明的被覆硬質合金刀具中，構成硬質被覆層的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的Al，是為了提高TiCN的硬度、從而提高耐磨損性而固溶的，因此，組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY的X值低於0.15時，不能確保所希望的良好耐磨損性，反之，該值高於0.65時，刀刃容易產生碎片，因而將X值限定為0.15-0.65(原子比)。另外，(Ti，Al)CN層中的C成分具有提高硬度的作用，因而(Ti，Al)CN層具有比(Ti，Al)N層更高的硬度，C成分的比例小於0.01、即Y值高於0.99時，不能得到預期的硬度提高效果，反之，C成分的比例高於0.5、即Y值小於0.5時，韌性急劇降低，因而將Y值限定為0.5-0.99，優選的是0.55-0.9。
此外，硬質被覆層的平均層厚限定為0.5-15μm是因為，該層厚小於0.5μm時，不能確保所希望的良好耐磨損性，反之，該層厚高於15μm時，刀刃容易產生碎片。
下面，通過實施例具體地說明本發明的被覆硬質合金刀具。
實施例2-1
作為原料粉末製備平均粒徑均為1-3μm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粉末和Co粉末。將這些原料粉末按表2-1所示的配比配合，用球磨機溼式混合72小時，乾燥後以100MPa的壓力壓製成壓坯，將該壓坯在6Pa的真空和1400℃溫度下保持1小時進行燒結，燒結後對刀刃部分進行R0.05的珩磨加工，分別製成具有刀片形狀的ISO·SNGA120412的硬質合金基體A2-1～A2-6和ISO·SNMA120412的硬質合金基體A2-7～A2-10。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體A2-1～A2-10，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的常規電弧離子鍍裝置中，對上述各硬質合金基體A2-1～A2-10的表面，首先，按下列條件進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)400℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極(不使用)
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-900V
處理時間3分鐘然後，按下列條件進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流150A
加在硬質合金基體上的偏壓-1000V
經過上述處理，在上述硬質合金基體A2-1～A2-10的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節上述條件的電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體A2-1～A2-10的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表2-2、2-3中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，按下列條件，在上述表面部形成非晶質化層的硬質合金基體A2-1～A2-10的表面上，蒸鍍表2-2和2-3所示目標組成和目標層厚的硬質被覆層
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體氮氣或氮氣與甲烷氣的一定比例的混合氣體
氣氛壓力6Pa
陰極電極具有各種成分組成的Ti-Al合金
電弧放電電流70A
加在硬質合金基體上的偏壓-100V
分別製成具有圖2A的立體圖和圖2B的縱剖面圖所示形狀的本發明被覆硬質合金刀片2-1～2-20。
為了進行比較，如表2-4和2-5所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體A2-1～A2-10表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體A2-1～A-10的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造現有技術被覆硬質合金刀片2-1～2-20。
隨後，對於上述本發明被覆硬質合金刀片2-1～2-20和以往的被覆硬質合金刀片2-1～2-20，用固定夾具將其固定在工具鋼製成的車刀端部，按下列條件進行合金鋼的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·SCM440的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度125m/min
切深5mm
進給量0.2mm/rev
切削時間5分鐘按下列條件進行碳鋼的乾式高進給量斷續切削試驗
被切削材料JIS·S20C的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度120m/min
切深1.5mm
進給量0.45mm/rev
切削時間5分鐘最後，按下列條件進行碳鋼的乾式高速斷續切削試驗
被切削材料JIS·S10C的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度250m/min
切深2mm
進給量0.2mm/rev
切削時間4分鐘
在所有的切削試驗中，測定切削刃的後面磨損寬度，測定結果示於表2-6和2-7中。
表2-1
表2-2
表2-3
表2-4
表2-5
表2-6
(表中，使用壽命表示硬質被覆層的剝離所致)
表2-7
(表中，使用壽命是硬質被覆層的剝離所致)
實施例2-2
作為原料粉末，製備平均粒徑5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒徑0.8μm的微粒WC粉末、平均粒徑1.3μm的TaC粉末、平均粒徑1.2μm的NbC粉末、平均粒徑1.2μm的ZrC粉末、平均粒徑2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒徑1.5μm的VC粉末、平均粒徑1.0μm的(Ti，W)C粉末和平均粒徑1.8μm的Co粉末。將這些原料粉末按表2-8所示的配比配合，添加蠟，在丙酮中球磨混合24小時，減壓乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中，以7℃/分的升溫速度升溫至1370-1470℃範圍內的規定溫度，在該溫度下保持1小時後，在爐冷條件下燒結，形成直徑8mm、13mm和26mm的3種用於形成硬質合金基體的圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，按表2-8所示的組合，分別製成刀刃部的直徑×長度分別為6mm×13mm、10mm×22mm和20mm×45mm的立銑刀用硬質合金基體B2-1～B2-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體B2-1～B2-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在上述各硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體B2-1～B2-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體B2-1～B2-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表2-9和2-10所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，在它們的表面上，按照與上述實施例1相同的條件，作為表面硬質層蒸鍍形成表2-9和2-10所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，A1)CN層中的任一單層或兩者的復層，分別製成具有圖3(a)的正面圖和圖3(b)的刀刃部橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱本發明被覆硬質合金立銑刀)2-1』～2-16』。
另外，為了進行比較，如表2-11和2-12所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體B2-1～B2-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體B2-1～B2-8的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱以往的被覆硬質合金立銑刀)2-1』～2-16』。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金立銑刀2-1』～2-16』和以往的被覆硬質合金立銑刀1』～16』中，對於本發明被覆硬質合金立銑刀2-1』～2-3』和2-9』～2-11』以及以往的被覆硬質合金立銑刀2-1』～2-3』及2-9』～2-11』，按下列條件進行鑄鐵的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250板材
轉速5050min-1
軸向切深12mm
徑向切深1.6mm
進給量610mm/min
對於本發明被覆硬質合金立銑刀2-4』～2-6』和2-12』～2-14』以及以往的被覆硬質合金立銑刀2-4』～2-6』和2-12』～2-14』，按下列條件進行碳鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·S10C板材
轉速1910min-1
軸向切深20mm
徑向切深2.6mm
進給量280mm/min
對於本發明的被覆硬質合金立銑刀2-7』～2-8』和2-15』～2-16』以及以往的被覆硬質合金立銑刀2-7』～2-8』和2-15』～2-16』，按下列條件進行淬火鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC52)板材
轉速620min-1
軸向切深26mm
徑向切深1.4mm
進給量75mm/min
在所有側面切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定外周刃的後面磨損寬度達到使用壽命目標0.1mm的切削長度，測定結果示於表2-9和2-12中。
表2-8
表2-9
表2-10
表2-11
(表中，使用壽命是硬質被覆層剝離所致)
表2-12
(表中，使用壽命是硬質被覆層剝離所致)
實施列2-3
使用上述實施例2-2中製造的直徑8mm(用於形成硬質合金基體B2-1～B2-3)、13mm(用於形成硬質合金基體B4～B6)和26mm(用於形成硬質合金基體B7、B8)的3種圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，分別製成槽形成部的直徑×長度分別為4mm×13mm(硬質合金基體C2-1～C2-3)、8mm×22mm(硬質合金基體C2-4～C2-6)和16mm×45mm(硬質合金基體C2-7和C2-8)的鑽頭用硬質合金基體C2-1～C2-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體C2-1～C2-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在這些硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體C2-1～C2-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體C2-1～C2-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表2-13和2-14中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在這些硬質合金基體的表面上，使用電弧離子鍍裝置，按照與上述實施例1相同的條件，作為表面硬質層蒸鍍形成表2-13和2-14所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中任一單層或兩者的復層，分別製成具有圖4(a)的正面圖和圖4(b)的槽形成部的橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱本發明被覆硬質合金鑽頭)2-1」～2-16」。
另外，為了進行比較，如表2-15和2-16所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體C2-1～C2-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體C1～C8的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱以往的被覆硬質合金鑽頭)2-1」～-2-16」。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金鑽頭-1」～2-16」和以往的被覆硬質合金鑽頭2-1」～2-16」中，對於本發明被覆硬質合金鑽頭2-1」～2-3」和2-9」～2-11」以及以往的被覆硬質合金鑽頭2-1」～2-3」和2-9」～2-11」，按下列條件進行鑄鐵的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250板材
切削速度42m/min
進給量0.43mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭2-4」～2-6」和2-12」～2-14」以及以往的被覆硬質合金鑽頭2-4」～2-6」和2-12」～2-14」，按下列條件進行碳鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·S10C板材
切削速度45m/min
進給量0.37mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭2-7」～2-8」和2-15」～2-16」以及以往的被覆硬質合金鑽頭2-7」～2-8」和2-15」～2-16」，按下列條件進行合金鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SCM440板材
切削速度60m/min
進給量0.45mm/rev
在所有的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定頂端切削刃面的後面磨損寬度達到0.3mm時的鑽孔加工數，測定結果分別示於表2-13～2-16中。
表2-13
表2-14
表2-15
(表中，使用壽命是硬質被覆層剝離所致)
表2-16 (表中，使用壽命是硬質被覆層剝離所致)
另外，使用能量分散型X射線測定裝置和俄歇能譜分析裝置以及掃描電子顯微鏡，測定所得到的作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金刀片2-1～2-20、本發明的被覆硬質合金立銑刀2-1』～2-16』和本發明被覆硬質合金鑽頭2-1」～2-16」、以及作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的被覆硬質合金刀片2-1～2-20、以往的被覆硬質合金立銑刀2-1』～2-16』和以往的被覆硬質合金鑽頭2-1」～2-16」的硬質被覆層的組成和層厚，結果顯示與表2-2、2-5、2-9～2-16的目標組成和目標層厚基本上相同的組成和平均層厚(與任意5個位置測定的平均值的比較)。
第3實施方式
接下來，基於上述(a)～(c)的見解實現本發明的第3實施方式。
本實施方式的被覆硬質合金刀具，其特徵在於，在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的硬質合金基本表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍由(a)下側被覆層和(b)上側被覆層構成的耐磨損被覆層，所述的下側被覆層是由TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層和TiCNO層中的1層或2層以上的復層(以下統稱Ti化合物層)構成，其平均層厚為0.5-15μm；所述的上側被覆層由Al2O3層以及在Al2O3基體上分散分布ZrO2相的Al2O3-ZrO2混合層中的任一方或兩方構成，其平均層厚為0.5-15μm，這樣所形成的耐磨損被覆層具有良好的附著力。
在本發明的被覆硬質合金刀具中，如上所述，硬質合金基體的表面部上形成的非晶質化層具有提高硬質合金基體與耐磨損被覆層(下側被覆層)之間的粘附性的作用，其深度小於1nm時，不能確保所希望的良好的粘附性，另一方面，提高下側被覆層對於硬質合金基體表面的附著力效果，在非晶質化層距表面的平均深度為50nm時才最充分的，因此將其平均深度限定為1-50nm。
構成下側被覆層的Ti化合物層的作用是，提高耐磨損被覆層的韌性，因而，即使在伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下斷續切削時，也可以大大抑制上述耐磨損被覆層產生碎片剝離，其平均層厚小於0.5μm時，不能確保耐磨損被覆層獲得所希望的韌性，反之，如果平均層厚超過15μm，在強力切削條件下斷續切削時，耐磨損被覆層容易產生塑性變形，導致不均勻磨損，因此將其平均層厚限定為0.5-15μm。
構成上側被覆層的Al2O3層和Al2O3-ZrO2混合層的作用是，賦予耐磨損被覆層以硬度和耐熱性，因此，該上側被覆層與上述下側被覆層同時存在時，不會產生碎片，可以發揮良好的耐磨損性。其平均層厚小於0.5μm時，不能確保所希望的良好耐磨損性，反之，平均層厚大於15μm時，耐磨損被覆層容易產生碎片，因而將其平均層厚限定為0.5-15μm。
下面通過實施例具體地說明該實施方式的被覆硬質合金刀具。
實施例3-1
作為原料粉末，製備平均粒徑均為0.5-4μm的WC粉末、(Ti，W)C(質量比，以下相同、TiC/WC＝30/70)粉末、(Ti，W)CN(TiC/TiN/WC＝24/20/56)粉末、(Ta，Nb)C(TaC/NbC＝90/10)粉末、Cr3C2粉末以及Co粉末，將這些原料粉末按表3-1所示的配比配合，用球磨機溼式混合72小時，乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的壓坯，將該壓坯在6Pa的真空和1410℃溫度下保持1小時進行真空燒結，燒結後對刀刃稜線部進行R0.05的珩磨，分別製成ISO·SNGA120412規定的不磨刃刀片形狀的硬質合金基體A3-1～A3-6。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體A3-1～A3-6，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的常規電弧離子鍍裝置中，對上述各硬質合金基體A～F的表面，首先，按下列條件進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)400℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極(不使用)
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-900V
處理時間3分鐘然後，按下列條件進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流150A
加在硬質合金基體上的偏壓-1000V經過上述處理，在上述硬質合金基體A～F的表面上形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節上述條件的電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體A3-1～A3-6的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表3-3所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在這些硬質合金基體A3-1～A3-6的表面上，使用常規的化學蒸鍍裝置，按照表3-2(表中的1-TiCN表示特開平6-8010中記載的具有縱長生長結晶組織的TiCN層的形成條件)所示的條件，形成由表3-3所示組成和目標層厚的Ti化合物層(下側被覆層)以及Al2O3層和/或Al2O3-ZrO2混合層(上側被覆層)構成的耐磨損被覆層，分別製成具有圖2A的立體圖和圖2B的縱剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本實施方式的表面被覆硬質合金制不磨刃刀頭(以下簡稱本發明被覆硬質合金刀片)3-1～3-10。
另外，為了進行比較，如表3-4所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體A3-1～A3-6表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體A3-1～A3-6的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱以往的被覆硬質合金刀片)3-1～3-10。
隨後，對於上述本發明被覆硬質合金刀片3-1～3-10和以往的被覆硬質合金刀片3-1～3-10，用固定夾具將其固定在工具鋼製成的車刀端部，按下列條件進行合金鋼的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·SCM440的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度130m/min
切深5.3mm
進給量0.18mm/rev
切削時間5分鐘然後，按下列條件進行碳鋼的乾式高進給量斷續切削試驗
被切削材料JIS·S20C的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度135m/min
切深1.4mm
進給量0.5mm/rev
切削時間5分鐘最後，按下列是條件進行球墨鑄鐵的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·FCD450的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度170m/min
切深7mm
進給量0.2mm/rev
切削時間5分鐘
在所有的切削試驗中，測定切削刃的後面磨損寬度，測定結果示於表3-5中。
表3-1
表3-2
(混合層①、②中的ZrO2表示目標含量)
表3-3
表3-4
表3-5
(表中，使用壽命是硬質被覆層剝離所致)
實施例3-2
作為原料粉末，製備平均粒徑5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒徑0.8μm的微粒WC粉末、平均粒徑1.3μm的TaC粉末、平均粒徑1.2μm的NbC粉末、平均粒徑1.2μm的ZrC粉末、平均粒徑2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒徑1.5μm的VC粉末、平均粒徑1.0μm的(Ti，W)C粉末和平均粒徑1.8μm的Co粉末，將這些原料粉末按表3-6所示的配比配合，添加蠟，在丙酮中球磨混合24小時，減壓乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中，以7℃/分的升溫速度升溫至1370-1470℃範圍內的規定溫度，在該溫度下保持1小時後，在爐冷條件下燒結，形成直徑8mm、13mm和26mm的3種用於形成硬質合金基體的圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體經過磨削加工，按表3-6所示的組合，分別製成刀刃部的直徑×長度分別為6mm×13mm、10mm×22mm和20mm×45mm的立銑刀用硬質合金基體B3-1～B3-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體B3-1～B3-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在上述各硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體B3-1～B3-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體B3-1～B3-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表3-7所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在它們的表面上，使用電弧離子鍍裝置，按表3-2所示的條件，形成由表3-7所示組成和目標層厚的Ti化合物層(下側被覆層)和Al2O3層和/或Al2O3-ZrO2混合層(上側被覆層)構成的耐磨損被覆層，分別製成具有圖3A的正面圖和圖3B的刀刃部橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱本發明被覆硬質合金立銑刀)3-1』～3-8』。
另外，為了進行比較，如表3-8所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體B3-1～B3-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體B3-1～B3-8的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱以往的被覆硬質合金立銑刀)3-1』～3-8』。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金立銑刀3-1』～3-8』和以往的被覆硬質合金立銑刀3-1』～3-8』中，對於本發明被覆硬質合金立銑刀3-1』～3-3，和以往的被覆硬質合金立銑刀3-1』～3-3』，按下列條件進行鑄鐵的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250板材
轉速5500min-1
軸向切深12mm
徑向切深1.6mm
進給量590mm/min
對本發明被覆硬質合金立銑刀3-4』～3-6』和以往的被覆硬質合金立銑刀3-4』～3-6』，按下列條件進行碳鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·S10C板材
轉速2200min-1
軸向切深20mm
徑向切深2.5mm
進給量260mm/min
對本發明被覆硬質合金立銑刀3-7』～3-8』和以往的被覆硬質合金立銑刀3-7』～3-8』，按下列條件進行淬火鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC52)板材
轉速670min-1
軸向切深26mm
徑向切深1.4mm
進給量70mm/min
在所有側面切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定外周刃的後面磨損寬度達到使用壽命目標0.1mm的切削長度，測定結果示於表3-7和3-8中。
表3-6
表3-7
表3-8
(表中，使用壽命的耐磨損被覆層的剝離)
實施例3-3
使用上述實施例2製造的直徑8mm(用於形成硬質合金基體B3-1～B3-3)、13mm(用於形成硬質合金基體B3-4～B3-6)和26mm(用於形成硬質合金基體B3-7、B3-8)的3種圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，分別製成槽形成部的直徑×長度分別為4mm×13mm(硬質合金基體C3-1～C3-3)、8mm×22mm(硬質合金基體C3-4～C3-6)和16mm×45mm(硬質合金基體C3-7、C3-8)的鑽頭用硬質合金基體C3-1～C3-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體C3-1～C3-8，在乾燥的狀態下將它們裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在這些硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體C3-1～C3-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體C3-1～C3-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表3-9中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在它們的表面上使用電弧離子鍍裝置，按照表3-2所示的條件，形成由表3-9所示組成和目標層厚的Ti化合物層(下側被覆層)以及Al2O3層和/或Al2O3-ZrO2混合層(上側被覆層)構成的耐磨損被覆層，分別製成具有圖4(a)的正面圖和圖4(b)的槽形成部的橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱本發明被覆硬質合金鑽頭)3-1～3-8。
另外，為了進行比較，如表3-10所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體C3-1～C3-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了沒有在上述硬質合金基體C3-1～C3-8的表面部形成非晶質化層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱以往的被覆硬質合金鑽頭)3-1」～3-8」。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金鑽頭3-1」～3-8」和以往的被覆硬質合金鑽頭3-1」-3～8」中，對於本發明被覆硬質合金鑽頭3-1」～3-3」和以往的被覆硬質合金鑽頭3-1」～3-3」，按下列條件進行鑄鐵的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC250板材
切削速度48m/min
進給量0.41mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭3-4」～3-6」和以往的被覆硬質合金鑽頭3-4」～3-6」，按下列條件進行碳鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·S10C板材
切削速度50m/min
進給量0.36mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭3-7」～3-8」和以往的被覆硬質合金鑽頭3-7」～3-8」，按下列條件進行合金鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SCM440板材
切削速度65m/min
進給量0.42mm/rev
在所有的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定頂端切削刃面的後面磨損寬度達到0.3mm時的鑽孔加工數，測定結果分別示於表3-9和3-10中。
表3-9
表3-10
(表中，使用壽命是硬質被覆層剝離所致)
另外，使用能量分散型X射線測定裝置和俄歇能譜分析裝置以及掃描電子顯微鏡，測定所得到的作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金刀片3-1～3-20、本發明被覆硬質合金立銑刀3-1』～3-8』和本發明被覆硬質合金鑽頭3-1」～3-8」、以及作為以往的被覆硬質合金刀具的以往的被覆硬質合金刀片3-1～3-20、以往的被覆硬質合金立銑刀3-1』～3-8』和以往的被覆硬質合金鑽頭3-1」～3-8」的硬質被覆層的組成和層厚，結果顯示出與表3-3、3-4、3-7～3-10的目標組成和目標層厚基本上相同的組成和平均層厚(與任意5個位置測定的平均值的比較)。
第4實施方式
第4實施方式是基於上述(a)～(c)的見解而進行的，為的是進一步提高構成上述以往的被覆硬質合金刀具的耐磨損被覆層(表面硬質層)對於硬質合金基體表面的附著力，從而進一步提高粘附性。使用圖1所示的電弧離子鍍裝置，得到下述試驗結果。
(a)將硬質合金基體安裝在電弧離子鍍裝置上，首先，不使用陰極電極，按下列條件對上述硬質合金基體表面進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)300～500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力1～10Pa
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-800～-1000V
處理時間2-10分鐘然後，在硬質合金基體表面上，例如使用金屬Ti作為陰極電極，按下列條件進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度450～550℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力1～10Pa
電弧放電電流100～200A
加在硬質合金基體上的偏壓-900～1200V
在上述硬質合金基體的表面上，沒有形成作為蒸鍍層的金屬Ti層，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體的表面部進行組織觀察，根據觀察結果判斷，形成了非晶質化層。使用電弧離子鍍裝置蒸鍍形成金屬Ti層一般是在下列條件下進行的
裝置內氣氛溫度300～500℃
氣氛氣體(不使用)
氣氛壓力0.1Pa以下的真空
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流50～100A
加在硬質合金基體上的偏壓-30～-100V。
(b)在上述表面部形成非晶質化層的硬質合金基體表面上，在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成上述非晶質化層，在這種狀態下，中間夾著具有維氏硬度2000-2500、極富韌性的氮化鈦(以下用TiN表示)層，使用電弧離子鍍裝置形成構成上述以往的被覆硬質合金刀具的表面硬質層的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層，此時，由於上述非晶質化層具有很高的活性，反應性很強，因而在蒸鍍形成上述TiN層時與之反應，在上述硬質合金基體表面與上述TiN層之間形成極強的粘附性，同時，還確保了上述TiN層與表面硬質層之間產生極強的粘附性。
(c)因此，結果形成的被覆硬質合金刀具在用於伴隨有高的熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下的斷續切削加工時，由上述TiN層和表面硬質層構成的耐磨損被覆層不會產生剝離，而且，由於中間存在TiN層，上述耐磨損被覆層本身的韌性顯著提高，可以抑制刀刃部產生碎片，因而可以充分發揮上述表面硬質層所具有的良好的耐磨損性。
本發明是基於上述研究結果而完成的。本發明的被覆硬質合金刀具的特徵在於，其耐磨損被覆層具有良好的附著力和耐碎裂剝離性，該耐磨損被覆層是按以下所述形成的，即，在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的硬質合金基體表面上，物理蒸鍍由(a)基底韌性層和(b)表面硬質層構成的耐磨損被覆層，所述的基底韌性層由TiN層構成，其平均層厚為0.1-5μm，所述的表面硬質層由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和組成式(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一單層或兩者的復層構成，其平均層厚為0.5-15μm。
在本發明的被覆硬質合金刀具中，將硬質合金基體表面部上形成的非晶質化層的距表面的平均深度限定為1-50nm是因為，該深度小於1nm時，不能確保與基底韌性層TiN之間產生所希望的良好的附著力，另一方面，提高TiN層對於硬質合金基體表面的附著力的效果只有在距表面的平均深度為50nm時才是最充分的。
另外，在本發明的被覆硬質合金刀具中，構成表面硬質層的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的Al，是為了提高TiCN的硬度、從而提高耐磨損性而固溶的，因此，組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY的X值低於0.15時，不能確保所希望的良好耐磨損性，反之，該值高於0.65時，刀刃容易產生碎片，因而將X值確定為0.15-0.65(原子比)。另外，(Ti，Al)CN層中的C成分具有提高硬度的作用，因而(Ti，Al)CN層具有比(Ti，Al)N層更高的硬度，C成分的比例小於0.01、即Y值高於0.99時，不能得到預期的硬度提高效果，反之，C成分的比例高於0.5、即Y值小於0.5時，韌性急劇降低，因而將Y值限定為0.5-0.99，優選的是0.55-0.9。
此外，表面硬質層的平均層厚定為0.5-15μm是因為，該層厚小於0.5μm時，不能確保所希望的良好耐磨損性，反之，該層厚高於15μm時，刀刃容易產生碎片。
上述基底韌性層的平均層厚設定為0.1-5μm是因為，該層厚小於0.1μm時，不能確保耐磨損被覆層具有所希望的韌性，反之，該層厚高於5μm時，容易產生塑性變形，導致在強力切削條件下斷續切削時刀刃產生不均勻磨損。
下面，通過實施例具體地說明本發明的被覆硬質合金刀具。
實施例4-1
作為原料粉末製備平均粒徑均為1-3μm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粉末和Co粉末。將這些原料粉末按表1所示的配比配合，用球磨機溼式混合72小時，乾燥後以100MPa的壓力壓製成壓坯，將該壓坯在6Pa的真空和1400℃溫度下保持1小時進行燒結，燒結後對刀刃部分進行R0.05的珩磨加工，分別製成具有刀片形狀的ISO·SNGA120412的硬質合金基體A4-1～A4-6和ISO·SNMA120412的硬質合金基體A4-7～A4-10。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體A4-1～A4-10，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的常規電弧離子鍍裝置中，對上述各硬質合金基體A4-1～A4-10的表面，首先，按下列條件進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)400℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極(不使用)
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-900V
處理時間3分鐘然後，按下列條件進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流150A
加在硬質合金基體上的偏壓-1000V
經過上述處理在上述硬質合金基體A4-1～A4-10的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節上述條件的電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體A4-1～A4-10的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表4-2和4-3中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，
(A)首先，作為基底韌性層，按下列條件在上述表面部形成非晶質化層的硬質合金基體A4-1～A4-10的表面上，蒸鍍形成表4-2和4-3所示目標層厚的TiN層
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體氮氣
氣氛壓力6Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流70A
加在硬質合金基體上的偏壓-50V
(B)然後，作為表面硬質層，按下列條件在上述TiN層的表面上蒸鍍形成表4-2和4-3所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一單層或兩者的復層
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體氮氣或者氮氣與甲烷氣的一定比例的混合氣體
氣氛壓力6Pa
陰極電極具有各種成分組成的Ti-Al合金
電弧放電電流70A
加在硬質合金基體上的偏壓-90V分別製造具有圖2A的立體圖和圖2B的縱剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本實施方式的表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱本發明被覆硬質合金刀片)4-1～4-20。
另外，為了進行比較，如表4-4和4-5所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體A-1～A-10的表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了在上述硬質合金基體A4-1～A4-10的表面部不存在非晶質化層並且未形成作為基底韌性層的TiN層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱以往的被覆硬質合金刀片)4-1～4-20。
隨後，對於上述本發明被覆硬質合金刀片4-1～4-20和以往的被覆硬質合金刀片4-1～4-20，用固定夾具將其固定在工具鋼製成的車刀端部，按下列條件進行合金鋼的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·SNCM439的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度110m/min
切深5.0mm
進給量0.2mm/rev
切削時間2分鐘然後，按下列條件進行模具鋼的乾式高進給量斷續切削試驗
被切削材料JIS·SKD61的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度30m/min
切深1.4mm
進給量0.45mm/rev
切削時間2分鐘
最後，按下列是條件進行鑄鐵的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·FC300的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度150m/min
切深7mm
進給量0.2mm/rev
切削時間3分鐘
在所有的切削試驗中，測定切削刃的後面磨損寬度，測定結果示於表4-6和4-7中。
表4-1
表4-2
表4-3
表4-4
表4-5
表4-6
(表中，※表示刀刃上產生碎片、※※表示耐磨損被覆剝離所致)
表4-7(表中，※表示刀刃上產生碎片、※※表示耐磨損被覆層剝離所致)
實施例4-2
作為原料粉末，製備平均粒徑5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒徑0.8μm的微粒WC粉末、平均粒徑1.3μm的TaC粉末、平均粒徑1.2μm的NbC粉末、平均粒徑1.2μm的ZrC粉末、平均粒徑2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒徑1.5μm的VC粉末、平均粒徑1.0μm的(Ti，W)C粉末和平均粒徑1.8μm的Co粉末。將這些原料粉末按表4-8所示的配比配合，添加蠟，在丙酮中球磨混合24小時，減壓乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中，以7℃/分的升溫速度升溫至1370-1470℃範圍內的規定溫度，在該溫度下保持1小時後，在爐冷條件下燒結，形成直徑8mm、13mm和26mm的3種用於形成硬質合金基體的圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，按表4-8所示的組合，分別製成刀刃部的直徑×長度分別為6mm×13mm、10mm×22mm和20mm×45mm的立銑刀用硬質合金基體B4-1～B4-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體B4-1～B4-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在上述各硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體B4-1～B4-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體B4-1～B4-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表4-9和4-10所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，在它們的表面上，按照與上述實施例1相同的條件，首先，作為基底韌性層，蒸鍍形成表4-9和4-10所示目標層厚的TiN層，隨後，作為表面硬質層，蒸鍍形成表4-9和4-10所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一單層或兩者的復層，分別製成具有圖3(a)的正面圖和圖3(b)的刀刃部橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱本發明被覆硬質合金立銑刀)4-1』～4-16』。
另外，為了進行比較，如表4-11和4-12所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體B-1～B-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了在上述硬質合金基體B-1～B-8的表面部不存在非晶質化層，並且未形成作為基底韌性層的TiN層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱以往的被覆硬質合金立銑刀)4-1』～4-16』。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金立銑刀4-1』～4-16』和以往的被覆硬質合金立銑刀4-1』～4-16』中，對於本發明被覆硬質合金立銑刀4-1』～4-3』和4-9』～4-11』以及以往的被覆硬質合金立銑刀4-1』～4-3』及4-9』～4-11』，按下列條件進行鑄鐵的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC300板材
轉速5150min-1
軸向切深12mm
徑向切深1.6mm
進給量600mm/min
對於本發明被覆硬質合金立銑刀4-4』～4-6』和4-12』～4-14』以及以往的被覆硬質合金立銑刀4-4』～4-6』和4-12』～4-14』，按下列條件進行合金鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SNCM439板材
轉速1900min-1
軸向切深20mm
徑向切深2.6mm
進給量270mm/min
對於本發明的被覆硬質合金立銑刀4-7』～4-8』和4-15』～4-16』以及以往的被覆硬質合金立銑刀4-7』～4-8』和4-15』～4-16』，按下列條件進行淬火鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC52)板材
轉速625min-1
軸向切深26mm
徑向切深1.4mm
進給量71mm/min
在所有側面切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定外周刃的後面磨損寬度達到使用壽命目標0.1mm的切削長度，測定結果示於表4-9和4-12中。
表4-8
表4-9
表4-10
表4-11
(表中，※表示刀刃上產生碎片、※※表示耐磨損被覆層剝離所致)
表4-12
(表中，※表示刀刃上產生碎片、※※表示耐磨損被覆層剝離所致)
實施例4-3
使用上述實施例2製造的直徑8mm(用於形成硬質合金基體B4-1～B4-3)、13mm(用於形成硬質合金基體B4-4～B4-6)和26mm(用於形成硬質合金基體B4-7、B4-8)的3種圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，分別製成槽形成部的直徑×長度分別為4mm×13mm(硬質合金基體C4-1～C4-3)、8mm×22mm(硬質合金基體C4-4～C4-6)和16mm×45mm(硬質合金基體C4-7和C4-8)的鑽頭用硬質合金基體C4-1～C4-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體C4-1～C4-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在這些硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體C4-1～C4-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體C4-1～C4-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表4-13和4-14中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，在這些硬質合金基體的表面上，使用電弧離子鍍裝置，按照與上述實施例1相同的條件，首先，作為基底韌性層蒸鍍形成表4-13和4-14所示目標層厚的TiN層，然後，作為表面硬質層，蒸鍍形成表4-13和表4-14所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中任一單層或兩者的復層，分別製成具有圖4A的正面圖和圖4B的槽形成部的橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱本發明被覆硬質合金鑽頭)4-1」～4-16」。
另外，為了進行比較，如表4-15和4-16所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體C4-1～C4-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了在上述硬質合金基體C4-1～C4-8的表面部上不存在非晶質化層並且未形成作為基底韌性層的TiN層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱以往的被覆硬質合金鑽頭)4-1」～4-16」。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金鑽頭-1」～4-16」和以往的被覆硬質合金鑽頭4-1」～4-16」中，對於本發明被覆硬質合金鑽頭4-1」～4-3」和4-9」～4-11」以及以往的被覆硬質合金鑽頭4-1」～4-3」和4-9」～4-11」，按下列條件進行鑄鐵的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC300板材
切削速度40m/min
進給量0.42mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭4-4」～4-6」和4-12」～4-14」以及以往的被覆硬質合金鑽頭4-4」～4-6」和4-12」～4-14」，按下列條件進行合金鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SNCM439C板材
切削速度40m/min
進給量0.37mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭4-7」～4-8」和4-15」～4-16」以及以往的被覆硬質合金鑽頭4-7」～4-8」和4-15」～4-16」，按下列條件進行淬火鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC53)板材
切削速度24m/min
進給量0.36mm/rev
在所有的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定頂端切削刃面的後面磨損寬度達到0.3mm時的鑽孔加工數，測定結果分別示於表4-13～4-16中。
表4-13
表4-14
表4-15(表中，※表示刀刃上產生碎片、※※表示耐磨損被覆層剝離所致)
表4-16(表中，※表示刀刃上產生碎片、※※表示耐磨損被覆層剝離所致)
另外，使用能量分散型X射線測定裝置和俄歇能譜分析裝置經及掃描電子顯微鏡，測定所得到的作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金刀片4-1～4-20、本發明的被覆硬質合金立銑刀4-1』～4-16』和本發明被覆硬質合金鑽頭4-1」～4-16」、以及作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的被覆硬質合金刀片4-1～4-20、以往的被覆硬質合金立銑刀4-1』～4-16』和以往的被覆硬質合金鑽頭4-1」～4-16」的硬質被覆層的組成和層厚，結果顯示與表4-2、4-5、4-9～4-16的目標組成和目標層厚基本上相同的組成和平均層厚(與任意5個位置測定的平均值的比較)。
第5實施方式
第5實施方式是基於上述(a)～(c)的見解而進行的，為的是製造進一步提高耐磨損被覆層對於硬質合金的附著力的表面被覆硬質合金制切削刀具。
本實施方式的被覆硬質合金刀具，其耐磨損被覆層具有良好的附著力和耐碎裂剝離性，所述的耐磨損被覆層，是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm的範圍內的平均深度上形成非晶質化層的硬質合金基體表面上物理蒸鍍和/或化學蒸鍍(a)基底韌性層、(b)下側硬質層和(c)上側硬質層構成的耐磨損被覆層而形成的，所述的(a)基底韌性層是由TiN層構成，平均層厚為0.1-5μm，所述的(b)下側硬質層，是由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和組成式(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一單層或兩者的復層構成，其平均層厚為0.5-15μm，所述的(c)上側硬質層，是由Al2O3層和在Al2O3基體上分散分布ZrO2相的Al2O3-ZrO2混合層中的任一單層或兩者的復層構成，平均層厚為0.5-10μm。
下面說明在本發明的被覆硬質合金刀具中，對於硬質合金基體表面部形成的非晶質化層和耐磨損被覆層按以上所述進行數值限定的根據。
(1)硬質合金基體表面部的非晶質化層
如上所述，非晶質化層的作用是，在它與耐磨損被覆層(基底韌性層)之間形成良好的粘附性，其深度小於1nm時，不能確保與基底韌性層TiN層之間形成所希望的良好粘附性，另一方面，提高TiN層對於硬質合金基體表面的附著力效果，只有在非晶質化層距表面的平均深度為50nm時才是最充分的，因此將其平均深度限定為1-50nm。
(2)基底韌性層
如上所述，基底韌性層的作用是，提高耐磨損被覆層的韌性，從而在伴隨有熱衝擊和機械衝擊的強力切削條件下進行斷續切削時，能顯著抑制耐磨損被覆層產生碎裂，其平均層厚小於0.1μm時，不能確保耐磨損被覆層產生所希望的韌性，反之，平均層厚大於5μm時，在強力切削條件下斷續切削時容易產生塑性變形，導致耐磨損被覆層發生不均勻磨損，因而將平均層厚限定為0.1-5μm。
(3)下側硬質層
構成下側硬質層的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層的作用是，賦予耐磨損被覆層硬度和韌性，因而不會發生剝離，在與上側硬質層共存時發揮良好的耐磨損性。即，下側硬質層中的Al可以提高具有高韌性的TiN的硬度，因而是為了提高耐磨損性而固溶的，因此，組成式(Ti1-XAlX)N和組成式(Ti1-XAlX)C1-YNY中的X值小於0.15時，不能獲得所希望的提高硬度效果，反之，高於0.65時，耐磨損被覆層容易產生碎裂，因而將X值限定為0.15-0.65(原子比)。另外，(Ti，Al)CN層中的C成分具有進一步提高硬度的作用，因而(Ti，Al)CN層比上述(Ti，Al)N層具有更高的硬度，C成分的比例低於0.01、即Y值高於0.99時，不能得到所希望的提高硬度效果，反之，C成分的比例高於0.5、即Y值低於05時，韌性急劇降低，因而Y值限定為0.5-0.99，優選的是0.55-0.9。
另外，其平均層厚小於0.5μm時，不能確保所希望的耐磨損性，反之，平均層厚高於15μm時，耐磨損被覆層容易產生碎裂，因而將其平均層厚限定為0.5-15μm。
(4)上側硬質層
構成上側硬質層的Al2O3層和Al2O3-ZrO2混合層，具有良好的高溫硬度和耐熱性，在與上述下側硬質層共存的狀態下，具有進一步提高耐磨損被覆層的耐磨損性的作用，其平均層厚低於0.5μm時，不能確保所希望的良好耐磨損性，反之，平均層厚高於10μm時，耐磨損被覆層容易產生碎裂，因而將其平均層厚限定為0.5-10μm。
下面通過實施例具體說明該實施方式。
實施例5-1
作為原料粉末，製備平均粒徑均為1-3μm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粉末和Co粉末。將這些原料粉末按表5-1所示的配比配合，用球磨機溼式混合72小時，乾燥後以100MPa的壓力壓製成壓坯，將該壓坯在6Pa的真空和1400℃溫度下保持1小時進行燒結，燒結後對刀刃部分進行R0.05的珩磨加工，分別製成具有不磨刃刀片形狀的ISO·SNGA120412的硬質合金基體A5-1～A5-10。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體A5-1～A5-10，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的常規電弧離子鍍裝置中，對上述各硬質合金基體A5-1～A5-10的表面，首先，按下列條件進行前處理
裝置內氣氛溫度(硬質合金基體溫度)400℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極(不使用)
電弧放電電流(電弧電源-OFF)
加在硬質合金基體上的偏壓-900V
處理時間3分鐘然後，按下列條件進行電弧離子鍍表面處理
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體Ar
氣氛壓力3Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流150A
加在硬質合金基體上的偏壓-1000V經過上述處理，在上述硬質合金基體A5-1～A5-10的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節上述條件的電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體A5-1～A5-10的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表5-3、5-5中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，
(A)首先，作為基底韌性層，按下列條件在上述表面部形成非晶質化層的硬質合金基體A5-1～A5-10的表面上，蒸鍍形成表5-3、5-5所示目標層厚的TiN層
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體氮氣
氣氛壓力6Pa
陰極電極金屬Ti
電弧放電電流70A
加在硬質合金基體上的偏壓-50V
(B)然後，作為下側硬質層，按下列條件在上述TiN層的表面上蒸鍍形成表5-3、5-5所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一單層或兩者的復層
裝置內氣氛溫度500℃
氣氛氣體氮氣或者氮氣與甲烷氣的一定比例的混合氣體
氣氛壓力6Pa
陰極電極具有各種成分組成的Ti-Al合金
電弧放電電流70A
加在硬質合金基體上的偏壓-90V
(C)最後，在上述下側硬質層的表面上，作為上側硬質層，使用常規的化學蒸鍍裝置，按表5-2所示的條件，蒸鍍形成表5-4、5-6所示目標層厚的α型或κ型晶體結構的Al2O3層或者Al2O3-ZrO2混合層，分別製造具有圖2A的立體圖和圖2B的縱剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱本發明被覆硬質合金刀片)5-1～5-20。
另外，為了進行比較，如表5-7～5-10所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體A5-1～A5-10的表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了在上述硬質合金基體A5-1～A5-10的表面部不形成非晶質化層，並且未形成作為基底韌性層的TiN層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制不磨刃刀片(以下簡稱以往的被覆硬質合金刀片)5-1～5-20。
隨後，對於上述本發明被覆硬質合金刀片5-1～5-20和以往的被覆硬質合金刀片5-1～5-20，用固定夾具將其固定在工具鋼製成的車刀端部，按下列條件進行合金鋼的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·SNCM439的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度130m/min
切深5mm
進給量0.19mm/rev
切削時間5分鐘然後，按下列條件進行模具鋼的乾式高進給量斷續切削試驗
被切削材料JIS·SKD61的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度35m/min
切深1.6mm
進給量0.45mm/rev
切削時間5分鐘最後，按下列是條件進行球墨鑄鐵的乾式高切深斷續切削試驗
被切削材料JIS·FCD500的長度方向等間隔帶有4根直槽的圓棒
切削速度160m/min
切深7mm
進給量0.15mm/rev
切削時間5分鐘在所有的切削試驗中，測定切削刃的後面磨損寬度，測定結果示於表5-4、5-6、5-8和5-10中。
表5-1
表5-2
表5-3
表5-4
表5-5
表5-6
表5-7
表5-8(表中，※表示耐磨損被覆層產生碎裂、※※表示耐磨損被覆層產生剝離)
表5-9
表5-10(表中，※表示耐磨損被覆層產生碎裂、※※表示耐磨損被覆層產生剝離)
實施例5-2
作為原料粉末，製備平均粒徑5.5μm的中粗粒WC粉末、平均粒徑0.8μm的微粒WC粉末、平均粒徑1.3μm的TaC粉末、平均粒徑1.2μm的NbC粉末、平均粒徑1.2μm的ZrC粉末、平均粒徑2.3μm的Cr3C2粉末、平均粒徑1.5μm的VC粉末、平均粒徑1.0μm的(Ti，W)C粉末和平均粒徑1.8μm的Co粉末。將這些原料粉末按表5-11所示的配比配合，添加蠟，在丙酮中球磨混合24小時，減壓乾燥後以100MPa的壓力壓製成規定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中，以7℃/分的升溫速度升溫至1370-1470℃範圍內的規定溫度，在該溫度下保持1小時後，在爐冷條件下燒結，形成直徑8mm、13mm和26mm的3種用於形成硬質合金基體的圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體經過磨削加工，按表5-11所示的組合，分別製成刀刃部的直徑×長度分別為6mm×13mm、10mm×22mm和20mm×45mm的立銑刀用硬質合金基體B-1～B-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體B5-1～B5-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在上述各硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體B5-1～B5-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體B5-1～B5-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表5-12、5-14所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，在它們的表面上，按照與上述實施例1相同的條件，首先，作為基底韌性層蒸鍍形成表5-12、5-14所示目標層厚的TiN層，隨後，作為下側硬質層，蒸鍍形成表5-12、5-14所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中的任一單層或兩者的復層，最後，在上述下側硬質層的表面上，作為上側硬質層，使用常規的化學蒸鍍裝置，按表5-2所示的條件，蒸鍍形成表5-13、5-15所示目標層厚的α型或κ型晶體結構的Al2O3層或者Al2O3-ZrO2混合層，分別製造具有圖3A的正面圖和圖3B的刀刃部橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱本發明被覆硬質合金立銑刀)5-1』～5-16』。
另外，為了進行比較，如表5-16～5-19所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體B5-1～B5-8的表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理因此，除了在上述硬質合金基體B5-1～B5-8的表面部不存在非晶質化層，並且未形成作為基底韌性層的TiN層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制立銑刀(以下簡稱以往的被覆硬質合金立銑刀)5-1』～5-16』。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金立銑刀5-1』～5-16』和以往的被覆硬質合金立銑刀5-1』～5-16』中，對於本發明被覆硬質合金立銑刀5-1』～5-3』和5-9』～5-11』以及以往的被覆硬質合金立銑刀5-1』～5-3』和5-9』～5-11』，按下列條件進行鑄鐵的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC300板材
轉速5300min-1
軸向切深12mm
徑向切深1.6mm
進給量585mm/min
對於本發明被覆硬質合金立銑刀5-5』～5-6』和5-12』～5-14』以及以往的被覆硬質合金立銑刀5-4』～5-6』和5-12』～5-14』，按下列條件進行合金鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SNCM439板材
轉速2100min-1
軸向切深20mm
徑向切深2.6mm
進給量250mm/min
對於本發明的被覆硬質合金立銑刀5-7』、5-8』和5-15』、5-16』以及以往的被覆硬質合金立銑刀5-7』、5-8』和5-15』、5-16』，按下列條件進行淬火鋼的溼式高切深側面切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC52)板材
轉速650min-1
軸向切深26mm
徑向切深1.4mm
進給量68mm/min
在所有側面切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定外周刃的後面磨損寬度達到使用壽命目標0.1mm的切削長度，測定結果示於表5-13、5-15、5-17和5-19中。
表5-11
表5-12
表5-13
表5-14
表5-15
表5-16
表5-17(表中，※表示耐磨損被覆層產生碎裂、※※表示耐磨損被覆層產生剝離)
表5-18
表5-19(表中，※表示耐磨損被覆層產生碎裂、※※表示耐磨損被覆層產生剝離)
實施例5-3
使用上述實施例2製造的直徑8mm(用於形成硬質合金基體B5-1～B5-3)、13mm(用於形成硬質合金基體B5-4～B5-6)和26mm(用於形成硬質合金基體B5-7、B5-8)的3種圓棒燒結體，由這3種圓棒燒結體，經過磨削加工，分別製成槽形成部的直徑×長度分別為4mm×13mm(硬質合金基體C5-1～C5-3)、8mm×22mm(硬質合金基體C5-4～C5-6)和16mm×45mm(硬質合金基體C5-7和C5-8)的鑽頭用硬質合金基體C5-1～C5-8。
隨後，在丙酮中超聲波清洗這些硬質合金基體C5-1～C5-8，在乾燥的狀態下將它們分別裝入圖1所示的電弧離子鍍裝置中，在這些硬質合金基體的表面上，按照與上述實施例1同樣的條件進行前處理和電弧離子鍍表面處理，在上述硬質合金基體C5-1～C5-8的表面部形成非晶質化層。上述非晶質化層的距離表面的形成深度可以通過調節電弧離子鍍表面處理的處理時間來控制。
另外，使用透射電子顯微鏡對上述硬質合金基體C5-1～C5-8的表面部形成的非晶質化層進行組織觀察(放大倍數50萬倍)，根據觀察結果進行判別和測定，結果分別顯示出表5-20、5-22中所示的距表面的平均深度(5點測定的平均值)。
接著，使用電弧離子鍍裝置，在它們的表面上，按照與上述實施例1相同的條件，首先，作為基底韌性層蒸鍍形成表5-20、5-22所示目標層厚的TiN層，然後，作為下側硬質層，蒸鍍形成表5-20、5-22所示目標組成和目標層厚的(Ti，Al)N層和(Ti，Al)CN層中任一單層或兩者的復層，最後，作為上述硬質層，使用常規的化學蒸鍍裝置，按表5-2所示的條件，蒸鍍形成表5-21、5-23所示目標層厚的α型或κ型晶體結構的Al2O3層或者Al2O3-ZrO2混合層，分別製造具有圖4A的正面圖和圖4B的槽形成部橫剖面圖所示形狀的、作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱本發明被覆硬質合金鑽頭)5-1」～5-16」。
另外，為了進行比較，如表5-24和-27所示，不進行使用電弧離子鍍裝置對上述硬質合金基體C5-1～C5-8表面按上述條件的前處理和電弧離子鍍表面處理，因此，除了在上述硬質合金基體C5-1～C5-8的表面部上不存在非晶質化層並且未形成作為基底韌性層的TiN層之外，在相同的條件下分別製造作為現有技術被覆硬質合金刀具的以往的表面被覆硬質合金制鑽頭(以下簡稱以往的被覆硬質合金鑽頭)5-1」～5-16」。
隨後，在上述本發明被覆硬質合金鑽頭5-1」～5-16」和以往的被覆硬質合金鑽頭5-1」～5-16」中，對於本發明被覆硬質合金鑽頭5-1」～5-3」和5-9」～5-11」以及以往的被覆硬質合金鑽頭5-1」～5-3」和5-9」～5-11」，按下列條件進行鑄鐵的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·FC300板材
切削速度48m/min
進給量0.40mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭5-4」～5-6」和5-12」～5-14」以及以往的被覆硬質合金鑽頭5-4」～5-6」和5-12」～5-14」，按下列條件進行合金鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SNCM439板材
切削速度50m/min
進給量0.38mm/rev
對於本發明的被覆硬質合金鑽頭5-7」～5-8」和5-15」～5-16」以及以往的被覆硬質合金鑽頭5-7」～5-8」和5-15」～5-16」，按下列條件進行淬火鋼的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗
被切削材料平面尺寸100mm×250mm、厚度50mm的JIS·SKD61(硬度HRC53)板材
切削速度30m/min
進給量0.34mm/rev
在所有的溼式高進給量鑽孔切削加工試驗(所有試驗都使用水溶性切削油)中，測定頂端切削刃面的後面磨損寬度達到0.3mm時的鑽孔加工數，測定結果分別示於表5-21、5-23、5-25和5-27中。
表5-20
表5-21
表5-22
表5-23
表5-24
表5-25(表中，※表示耐磨損被覆層產生的碎片、※※表示產生剝離)
表5-26
表5-27(表中，※表示耐磨損被覆層產生的碎片，※※表示產生剝離)
另外，使用能量分散型X射線測定裝置和俄歇能譜分析裝置以及掃描電子顯微鏡，測定所得到的作為本發明被覆硬質合金刀具的本發明被覆硬質合金刀片5-1～5-20、本發明的被覆硬質合金立銑刀5-1』～5-16』和本發明被覆硬質合金鑽頭5-1」～5-16」、以及作為以往的被覆硬質合金刀具的以往的被覆硬質合金刀片5-1～5-20、以往的被覆硬質合金立銑刀5-1』～5-16』和以往的被覆硬質合金鑽頭5-1」～5-16」的硬質被覆層的組成和層厚，結果顯示與表5-3～5-10、5-12～5-27的目標組成和目標層厚基本上相同的組成和平均層厚(與任意5個位置測定的平均值的比較)。
權利要求
1.表面被覆硬質合金制切削刀具，其特徵在於，耐磨損被覆層具有良好的附著力，該刀具是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體的表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層和碳氮氧化物層中的1層或2層以上的複合層構成並且平均層厚為1-15μm的耐磨損被覆層而製成。
2.表面被覆硬質合金制切削刀具，其特徵在於，硬質被覆層具有良好的附著力，該刀具是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，以0.5-15μm的平均層厚物理蒸鍍由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物層以及Ti與Al的複合碳氮化物層中的一方或兩方構成的單層或復層的硬質被覆層而製成。
3.表面被覆硬質合金制切削刀具，其特徵在於，耐磨損被覆層具有良好的附著力和而碎裂性，該刀具是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，物理蒸鍍(a)基底韌性層和(b)表面硬質層而製成的，所述的基底韌性層由氮化鈦層構成，平均層厚為0.1-5μm，所述的表面硬質層由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物層以及Ti與Al的複合碳氮化物層中的任一方的單層或兩方的復層構成，平均層厚為0.5-15μm。
4.表面被覆硬質合金制切削刀具，其特徵在於，耐磨損被覆層具有良好的附著力，該刀具是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍由(a)下側被覆層和(b)上側被覆層構成的耐磨損被覆層而製成的，所述的下側被覆層由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層和碳氮氧化物層中的1層或2層以上的複合層構成，平均層厚為0.5-15μm，所述的上側被覆層由氧化鋁層以及在氧化鋁基體中分散分布氧化鋯相的氧化鋁-氧化鋯混合層中的任一方或兩方構成，平均層厚為0.5-15μm。
5.表面被覆硬質合金制切削刀具，其特徵在於，耐磨損被覆層具有良好的附著力和耐碎裂性，該刀具是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1-50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，物理蒸鍍和/或化學蒸鍍(a)基底韌性層、(b)下側硬質層和(c)上側硬質層而製成的，所述的基底韌性層是由氮化鈦層構成，平均層厚為0.1-5μm，所述的下側硬質層是由滿足組成式(Ti1-XAlX)N和(Ti1-XAlX)C1-YNY(式中，以原子比計，X表示0.15-0.65，Y表示0.5-0.99)的Ti與Al的複合氮化物層和Ti與Al的複合碳氮化物層中的任一方的單層或兩方的復層構成，並且平均層厚為0.5-15μm，所述的上側硬質層是由氧化鋁層以及在氧化鋁基體中分散分布氧化鋯相的氧化鋁-氧化鋯混合層中的任一方的單層或兩方的復層構成，平均層厚為0.5-10μm。
全文摘要
本發明提供了耐磨損被覆層具有良好的附著力和耐碎裂性的表面被覆硬質合金制切削刀具。該刀具是在採用電弧離子鍍表面處理、在距表面1－50nm範圍內的平均深度上形成非晶質化層的碳化鎢基硬質合金基體表面上，物理蒸鍍下面所述的(a)基底韌性層和(b)表面硬質層而製成的。所述的(a)基底韌性層由氮化鈦層構成，平均厚度為0.1－5μm，所述的(b)表面硬質層，是由滿足組成式(Ti1－XAlX)N和(Ti1－XAlX)C1－YNY(式中，以原子比計，X表示0.15－0.65，Y表示0.5－0.99)的Ti與Al的複合氮化物層以及Ti與Al的複合碳氮化物層中的任一方的單層或兩方的復層構成，並且平均厚度為0.5－15μm。
文檔編號C23C30/00GK1390679SQ0212313
公開日2003年1月15日 申請日期2002年3月28日 優先權日2001年6月11日
發明者岡田恆輝, 田代安彥, 中村惠滋 申請人:三菱綜合材料株式會社