硬質包覆層發揮優異的耐崩刀性的表面包覆切削工具的製作方法

2023-04-25 04:21:06 2

專利名稱：硬質包覆層發揮優異的耐崩刀性的表面包覆切削工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)，例如即使在鋼或鑄鐵等的伴隨高熱產生且衝擊性負載作用於刀刃的高速斷續切削加工中使用時，由於硬質包覆層具有優異的附著強度，所以也不會在刀刃上產生崩刀(微小碎片)，而在長期使用中發揮優異的切削性能。
背景技術：
以往，廣泛公知有在碳化鎢基硬質合金制基體(以下稱為硬質基體)或TiCN基金屬陶瓷基體(以下稱為金屬陶瓷基體。並且，將硬質基體和金屬陶瓷基體總稱為工具基體) 的表面上蒸鍍形成由下述(a)、(b)構成的硬質包覆層的包覆工具，(a)下部層為由具有3 20 μ m的整體平均層厚的TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO 層及TiCNO層中的1層或2層以上構成的Ti化合物層，(b)上部層為具有1 15 μ m的平均層厚且在化學蒸鍍形成的狀態下具有α型結晶結構的氧化鋁(以下用Al2O3表示)層，該包覆工具在鋼或鑄鐵等的切削加工中發揮優異的耐磨性。並且，也公知有為了提高工具基體和在其上蒸鍍形成的硬質包覆層的接合強度而在工具基體表面以0. 2 2 μ m左右的厚度包覆Fe、Ni或Co的單一金屬層、複合金屬層。專利文獻1 日本專利公告昭50-14237號公報專利文獻2 日本專利公開昭53-23810號公報現狀為如下近年來，對切削加工的節省勞力化以及節能化的要求強烈，伴隨這一點，切削加工逐漸具有高速化、高效率化的傾向，與此相反，謀求工具壽命的延長壽命化這一點上也要求硬質包覆層的厚膜化，但是若使用形成由作為下部層的Ti化合物層和作為上部層的Al2O3層構成的硬質包覆層的以往包覆工具，例如在高速條件下進行鋼的斷續切削，則所述Al2O3層因為高溫強度和韌性不充分，因此容易產生硬質包覆層的崩刀、剝離等， 並且為了提高工具基體和硬質包覆層的接合強度，即使在工具基體表面包覆金屬Fe、Ni或 Co，也由於下部層-上部層之間的附著度不充分，所以也產生崩刀、剝離等，由此為原因在較短時間內達到使用壽命。因此，本發明者們為了改善包覆工具的耐崩刀性、及耐剝離性，對硬質包覆層的層構造進行了深入研究，結果得到如下見解。包覆工具的硬質包覆層中，由TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層以及TiCNO層中的 1層或2層以上形成的Ti化合物層所構成的下部層根據其本身所具備的優異的高溫強度而有助於硬質包覆層的高溫強度提高，並且、由Al2O3層構成的上部層其耐氧化性和熱穩定性優異且具有高硬度，但在伴隨高熱產生且衝擊性負載作用於刀刃的高速斷續切削中，下部層-上部層之間的附著強度並不充分。因此，為了提高下部層-上部層之間的附著強度，對兩層的附著界面區域的改善反覆進行了多次試驗發現如下現象微量的ττ原子、Lu原子、Y原子、Cr原子中的任1種或2種以上僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域(以下部層和上部層的界面為中心的士5nm的範圍內的區域)時，該^ 原子、Lu原子、Y原子、Cr原子的任1種或2種以上的原子在下部層的Ti化合物層和上部層的Al2O3層之間形成牢固的化學粘結劑，其結果提高下部層與上部層之間的附著強度。更具體而言，例如在下部層形成之後上部層形成之前，在含有ττ化合物的在氣體氣氛中短時間處理(以下，稱為「^ 處理」)下部層表面，接著，通過蒸鍍形成上部層，可以使微量的ττ原子僅存在(不均勻)於所述下部層和上部層的界面區域內，而且，由此提高由Ti化合物層構成的下部層和由Al2O3層構成的上部層的附著強度，其結果，即使在伴隨高熱產生且衝擊性負載作用於切刃的高速斷續切削加工中，也不會產生崩刀、剝離，在長期使用中能發揮優異的切削性能。並且，不僅是ττ原子，也在Lu原子、Y原子、Cr原子分別單獨的情況下，甚至在& 原子、Lu原子、Y原子、Cr原子中的2種以上的情況下，使這些原子僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域時，由Ti化合物層構成的下部層與由Al2O3層化合物構成的上部層的附著強度提高，其結果，即使在伴隨高熱產生且衝擊性負載作用於切刃的高速斷續切削加工中，也不會產生崩刀、剝離，在長期使用中可以發揮優異的切削性能。

發明內容
該發明是基於上述見解而完成的，具有如下特徵「一種表面包覆切削工具，是通過化學蒸鍍在由碳化鎢基硬質合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構成的工具基體的表面形成由下部層和上部層構成的硬質包覆層的表面包覆切削工具，其特徵在於，下部層由具有3 20 μ m的整體平均層厚的Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層以及碳氮氧化物層中的1層或2層以上的Ti化合物層構成，並且，上部層由具有1 15 μ m平均層厚的a型氧化鋁層構成，另外，使用透射電子顯微鏡和能量分散型X 射線分析裝置以探針直徑5nm分析上述下部層和上部層的界面時，Zr原子、Lu原子、Y原子、Cr原子的任1種或2種以上僅在以上述下部層和上部層的界面為中心的士5nm的界面區域內以合計存在1 5原子％。」以下，對該發明的包覆工具的硬質包覆層更詳細地進行說明。(a)下部層(Ti化合物層)由Ti的碳化物(TiC)層、氮化物(TiN)層、碳氮化物(TiCN)層、碳酸化物(TiCO) 層以及碳氮氧化物(TiCNO)層中的1層或2層以上構成的Ti化合物層作為硬質包覆層的下部層而存在，除了根據本身所具備的優異的高溫強度有助於硬質包覆層的高溫強度提高以外，還具有牢固地附著於工具基體和中間層，由此提高對硬質包覆層的工具基體的接合強度的作用，但是如果其平均層厚不到3 μ m就不能充分地發揮所述作用，另一方面若平均層厚超過20 μ m，則尤其在伴隨高熱產生的高速斷續切削中容易引起熱塑性變形，這成為偏磨的原因，所以將其平均層厚定為3 20 μ m。(b)根據Ir處理、Lu處理、Y處理、Cr處理的Zr、Lu、Y、Cr所存在(不均勻)的界面區域的形成上述ττ處理、Lu處理、Y處理、Cr處理作為用於提高由Ti化合物層構成的下部層與由Al2O3層構成的上部層的附著強度的處理，(甲)例如，^ 處理在反應氣體(容量％ ) :ZrCl42 5%、剩餘部分H2、氣氛壓力3 5kPa、處理溫度1000 1100°C、處理時間1 5min的條件下使Ir原子微量粘著於下部層的表面，之後在一般條件下蒸鍍形成Al2O3 層，由此可以形成微量的^ 原子僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域內的區域。(乙)並且，Lu處理是通過將上述rLx處理中的反應氣體變更為反應氣體(容量％ ) :LUC132 5%、剩餘部分H2、由此可以形成微量的Lu原子僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域內的區域。(丙)同樣地，Y處理通過將反應氣體變更為YC132 5容量％、剩餘部分H2,Cr處理通過將反應氣體變更為CrCl32 5容量％、剩餘部分H2，由此可以形成微量的Y原子、Cr 原子僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域內的區域。(丁)為了形成微量的^ 原子、Lu原子、Y原子及Cr原子中的2種以上僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域內的區域，使用由反應氣體(容量％ ) =ZrCl4, LuC13、 YCl3^CrCl3中的2種以上的成分氣體以合計量為2 5%，剩餘部分H2構成的反應氣體即可。使用上述反應氣體，在氣氛壓力3 5kPa、處理溫度1000 1100°C、處理時間1 5min的條件下使Ir原子、Lu原子、Y原子及Cr原子的2種以上微量粘著於下部層的表面，之後通過在一般條件下蒸鍍形成Al2O3層，由此可以形成微量的ττ原子、Lu原子、Y原子及Cr中的2種以上僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面區域內的區域。更具體而言，例如對於ττ所存在(不均勻)的界面區域的形成，在反應氣體(容量％) :11(144.2%、隊20%、0^冊.6%、剩餘部分!12、氣氛壓力7kPa、處理溫度900°C、
處理時間600min的條件下蒸鍍形成Ti化合物層(下部層)之後，在反應氣體(容量％ ) :&C143%、剩餘部分H2、氣氛壓力4kPa、處理溫度1000°C、處理時間3min的條件下進行ττ處理而使ττ原子微量粘著於下部層的表面之後，
5
在反應氣體(容量％):八1(133%、0)26%、!1(18%、吐30.4%、剩餘部分!12、氣氛壓力7kPa、處理溫度1000°C、處理時間300min的條件下，對蒸鍍形成有Al2O3層(上部層)的硬質包覆層觀察其硬質包覆層縱截面，則如圖1所示的高解析度透射顯微鏡照片(倍率20000倍)所見，可知僅在下部層和上部層的界面區域(以界面為中心的士5nm的範圍內的區域)內形成^ 存在(不均勻)區域。並且，若用透射電子顯微鏡和能量分散型X射線分析裝置以探針直徑5nm測定分析^ 所存在(不均勻)的上述界面區域，則可知微量(1 5原子％)的^ 原子僅存在 (不均勻)於以下部層和上部層的界面為中心的士5nm範圍內的區域，另一方面，在以下部層和上部層的界面為中心的士5nm以外的區域(例如，從界面中心向Al2O3層內部深度IOnm 的位置或從界面中心向Ti化合物層內部深度IOnm的位置)內絲毫未能檢測出&。對Lu、Y、Cr所存在(不均勻)的界面區域的形成也與上述相同，若蒸鍍形成Ti化合物層(下部層)之後，進行Lu處理、Y處理、Cr處理，使Lu原子、Y原子、Cr原子微量粘著於下部層的表面，之後蒸鍍形成Al2O3層(上部層)，則僅在下部層和上部層的界面區域 (以界面為中心的士5nm的範圍內的區域)內形成Lu、Y、Cr存在(不均勻)區域，而且，僅在以下部層和上部層的界面為中心的士5nm範圍內的區域存在(不均勻)微量(1 5原子％ )的Lu原子、Y原子、Cr原子，另一方面、在以下部層和上部層的界面為中心的士5nm 以外的區域(例如、從界面中心向Al2O3層內部深度IOnm的位置或從界面中心向Ti化合物層內部深度IOnm的位置)內絲毫未能檢測出Lu原子、Y原子、Cr原子的存在(不均勻)。上述&、Lu、Y、Cr各原子的存在(不均勻)比例，在上述條件中，尤其因^ 處理、 Lu處理、Y處理、Cr處理中的&C14、LuC13、YC13、CrCl3的濃度受影響，但是在從上述條件脫離的Zr處理、Lu處理、Y處理、Cr處理中的ZrCl4, LuC13、YC13、CrCl3的(合計)濃度的低濃度條件下進行時，Zr、Lu、Y、Cr各原子的存在(不均勻)比例成為合計不到1原子％，此時，由於不會形成對下部層和上部層十分牢固的化學粘結劑，所以無法期待附著強度的提高效果。此外，Lu原子的存在(不均勻)是除了上述作用以外，還具有提高下部層與上部層之間的蠕變特性的效果，另外，Y原子、Cr原子的存在(不均勻)除了上述作用以外，還具有通過在上部層的成膜初期使Al2O3粒子微粒化而提高附著性改善效果、耐磨性改善效果的作用。另一方面，在從上述條件脫離的^ 處理、Lu處理、Y處理、Cr處理中的&(14、 LuC13、YC13、CrCl3W (合計)濃度的高濃度條件下進行時，在以下部層和上部層的界面為中心的士5nm以內區域的Zr、Lu、Y、Cr的含有比例增多，同時&、Lu、Y、Cr的各原子進一步向下部層內部或進一步向上部層內部浸透並變得不均勻，但是若在界面區域內^ 原子、Lu 原子、Y原子、Cr原子的存在比例以合計超過5原子％，則在界面區域內產生ττ原子、Lu原子、Y原子、Cr原子之間的金屬鍵，附著強度降低，另外，若&原子、Lu原子、Y原子、Cr原子超過界面區域向下部層內部、上部層內部浸透，則在下部層內部、上部層內部析出金屬Zr、金屬Lu、金屬Y、金屬Cr，降低下部層的高溫強度和上部層的高溫硬度。因此，在該本發明中，為了使&、Lu、Y、Cr各原子僅存在(不均勻)於以下部層和上部層的界面為中心的士5nm以內的區域內，將^ 原子、Lu原子、Y原子、Cr原子的比例以合計定為1 5原子％。另外，在該發明中所說的通過Ir處理、Lu處理、Y處理、Cr處理形成的Zr、Lu、Y、 Cr所存在(不均勻)的界面區域是指^ 原子、Lu原子、Y原子、Cr原子僅存在於以下部層和上部層的界面為中心的士5nm範圍內的區域，但該Zr、Lu、Y、Cr不是以下部層和上部層的中間層而存在，並且、也並不是作為^ 層、Lu層、Y層、Cr層而形成單獨或可識別的層。從而，在下部層和上部層的界面是否形成所謂的層這一點上，下部層與上部層之間的界面構造與之前所示的先行技術文獻(專利文獻1、幻所記載的在工具基體表面以 0. 2 2 μ m厚度形成有Fe、Ni或Co的單一金屬層、複合金屬層明顯不同，應加以區別。(c)上部層(Al2O3 層)構成上部層的Al2O3層其高溫硬度和耐熱性優異，在伴隨高熱產生的高速斷續切削加工中作為基本作用維持耐磨性。在該本發明中，通過ττ處理、Lu處理、Y處理、Cr處理提高下部層和上部層的附著強度，因此如將這種包覆工具使用於高速斷續切削加工時，耐崩刀性、耐剝離性提高，其結果、在長期使用中可以發揮優異的切削特性。但是，如果上部層的平均層厚不到1 μ m,就無法期待基於厚膜化的工具壽命的長壽命化，並且，提高了與下部層的附著強度，所以也可以進行上部層的厚膜化，但是若上部層的平均層厚超過15 μ m,則在刀刃部容易產生崩刀、欠缺、剝離等，因此將上部層的平均層厚定為1 15 μ m。該發明的包覆工具通過對由Ti化合物層構成的下部層的最表面施以Ir處理、Lu 處理、Y處理、Cr處理，形成&、Lu、Y、Cr僅存在(不均勻)於下部層和上部層的界面的特定區域的界面區域，由此在下部層(Ti化合物層)與上部層(Al2O3層)之間形成牢固的化學粘結劑，其結果，提高下部層與上部層之間的附著強度，即使在例如鋼或鐵等的伴隨高熱產生且衝擊性負荷作用於刀刃部的高速斷續切削加工中使用時，由於硬質包覆層具有優異的附著強度，所以也不會在切刃上產生崩刀(微小碎片)，在長期使用中可以發揮優異的切削性能。


圖1是表示僅在本發明的包覆工具1的下部層和上部層的界面區域，作為一例存在(不均勻)Zr的高解析度透射顯微鏡照片(倍率20000倍)。
符號說明
UZr 3. 4 原子％，2、Zr 0. 0 原子％，3、& 0. 0 原子％，4、& 3. 1 原子％，5、& 0. 0 原子％，6、& 0.0 原子 ％，7、& 3.3 原子 ％，8、& 3.2 原子 ％，9、& 3.4 原子 ％，10、& 3.2 原子 ％，11、& 3.0 原子 ％，12、& 3.1 原子 ％，13、& 3.2 原子 ％，14、& 3. 1 原子 ％
具體實施例方式接著，通過實施例對該發明的包覆工具進行更具體說明。
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[實施例]作為原料粉末，準備均具有2 4 μ m平均粒徑的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，將這些原料粉末配合成表1所示的配合組成，進一步加入石蠟在丙酮中球磨混合M小時，減壓乾燥之後，以 98MPa的壓力擠壓成型為預定形狀的壓坯，在5 真空中，以1370 1470°C範圍內的預定溫度中保持1小時的條件真空燒結該壓坯，燒結之後，通過對刀刃部施以R :0. 07mm的珩磨加工，由此分別製造了具有ISO .CNMG160412規定的多刃刀片形狀的WC基硬質合金制工具基體A F。並且，作為原料粉末，準備均具有0. 5 2 μ m平均粒徑的TiCN(以質量比計，為 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，將這些原料粉末配合成表2所示的配合組成，用球磨機M小時溼式混合，乾燥之後， 以98MPa的壓力擠壓成型為壓坯，在1. 3kPa氮氣氣氛中，以溫度1540°C中保持1小時的條件燒結該壓坯，燒結之後，通過對刀刃部施以R :0. 07mm的珩磨加工，由此形成具有ISO規格· CNMG160412的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷製工具基體a f。接著，將這些工具基體A F及工具基體a f分別裝入一般化學蒸鍍裝置，首先，用表3 (表3中的1 TiCN表示日本專利公開平6-8010號公報中記載的具有縱長生長結晶組織的TiCN層的形成條件，除此之外表示一般的粒狀結晶組織的形成條件)所示的條件，以表6所示的組合及目標層厚將Ti化合物層作為硬質包覆層的下部層而蒸鍍形成，接著，用表4 8所示的條件，對下部層的最表面施以Ir處理、Lu處理、Y處理、 Cr處理，使ττ原子、Lu原子、Y原子、Cr原子的任1種或2種以上的原子微量粘著於下部層的表面，接著，用表3所示的條件，以表9、表11 14所示的組合及在目標層厚將Al2O3層作為上部層而蒸鍍形成，由此分別製造了本發明的包覆工具1 13、21 33、41 53、61 73、81 93。並且，以比較為目的，除了在下部層的最表面均不施以(不形成&、Lu、Y、Cr所存在(不均勻)的界面區域)^ 處理、Lu處理、Y處理、Cr處理以外，設為與本發明的包覆工具1 13完全相同，通過蒸鍍形成下部層(Ti化合物層)及上部層(Al2O3層)，分別製造了表10所示的比較包覆工具1 13。接著，對上述本發明的包覆工具1 13、21 33、41 53、61 73、81 93的硬質包覆層的下部層和上部層的界面附近使用透射電子顯微鏡和能量分散型X射線分析裝置(Noran公司製造VoyagerIV)以探針直徑5nm分析，結果在下部層和上部層的界面區域， 即僅在以下部層和上部層的界面為中心的士5nm範圍內的區域可以檢測出Zr、Lu、Y、Cr的存在(不均勻)。具體而言，Zr、Lu、Y、Cr的存在比例由以下順序求出。對試料製作界面部平均厚度IOOnm以下的截面薄片樣品，在高解析度透射顯微鏡中以加速電壓200kV、倍率20000倍、探針直徑5nm的條件進行能量分散型X射線分析裝置測定，測定試料各點處的ττ的存在比例，在界面上將進行了 10點測定的平均比例作為Zr、 Lu、Y、Cr的存在比例來規定。在表9 14示出通過上述測定求出的Zr、Lu、Y、Cr的各原子的存在比例(原子％ )。並且，使用掃描電子顯微鏡測定(測定縱截面)本發明的包覆工具1 13、21 33,41 53、61 73、81 93及比較包覆工具1 13的硬質包覆層的各結構層的厚度，結果均顯示實際上與目標層厚相同的平均層厚(5點測定的平均值)。[表 1]
權利要求
1. 一種表面包覆切削工具，是通過化學蒸鍍在由碳化鎢基硬質合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構成的工具基體表面形成由下部層和上部層構成的硬質包覆層的表面包覆切削工具， 其特徵在於，下部層由具有3 20 μ m的整體平均層厚的Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層以及碳氮氧化物層中的1層或2層以上的Ti化合物層構成，並且，上部層由具有 1 15μπι平均層厚的α型氧化鋁層構成，另外，使用透射電子顯微鏡和能量分散型X射線分析裝置以探針直徑5nm分析上述下部層和上部層的界面時，Zr原子、Lu原子、Y原子、Cr 原子的任1種或2種以上僅在以上述下部層和上部層的界面為中心的士5nm的界面區域內以合計存在1 5原子％。
全文摘要
本發明提供一種硬質包覆層發揮優異的耐崩刀性的表面包覆切削工具。通過化學蒸鍍在由WC基硬質合金或TiCN基金屬陶瓷構成的工具基體表面形成由下部層(Ti化合物層)和上部層(a型氧化鋁)構成的硬質包覆層的表面包覆切削工具中，使用透射電子顯微鏡和能量分散型X射線裝置以探針直徑5nm分析上述下部層和上部層的界面時，Zr原子、Lu原子、Y原子、Cr原子的任1種或2種以上僅在以上述下部層和上部層的界面為中心的±5nm的界面區域內以合計存在1～5原子％。
文檔編號C23C16/30GK102398051SQ20101028725
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者中村惠滋, 五十嵐誠, 冨田興平, 長田晃 申請人:三菱綜合材料株式會社