CN102626796A - 硬质包覆层具有优异的耐碎裂性、耐缺损性的表面包覆切削工具 - Google Patents
硬质包覆层具有优异的耐碎裂性、耐缺损性的表面包覆切削工具 Download PDFInfo
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Abstract
提供在高速断续切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐碎裂、耐缺损性的表面包覆切削工具。表面包覆切削工具，其在由WC超硬合金、TiCN基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀形成由（a）由Ti化合物层构成的下部层、（b）由氧化铝层构成的上部层、构成的硬质包覆层，其中，在上述下部层与上部层的界面附近的下部层中具有孔径分布采用双峰分布的孔径为2～70nm的富有微孔的层。
Description
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），其通过在伴有高发热的同时、断续性/冲击性负载作用于切削刃的各种钢、铸铁的高速断续切削加工中，使硬质包覆层具有优异的耐碎裂性、耐缺损性，而发挥在长期的使用时优异的切削性能。
背景技术
目前，一般已知在用碳化钨（以下用WC表示）基硬质合金或碳氮化钛（以下用TiCN表示）基金属陶瓷构成的基体（以下将它们统称为工具基体）的表面，形成用以下（a）和（b）构成的硬质包覆层而成的包覆工具，
（a）下部层是包含均通过化学蒸镀形成的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）层和碳氮氧化物（以下用TiCNO表示）层中的1层或2层以上的Ti化合物层，
（b）上部层是化学蒸镀形成的氧化铝（以下用Al2O3表示）层，
已知该包覆工具在各种钢、铸铁等的切削加工中使用。
但是，上述包覆工具在对切削刃施加大的负载的切削条件下易于产生碎裂、缺损等，存在工具寿命短的问题，为了消除该问题，目前提出了几个方案。
例如，专利文献1中提出了作为硬质包覆层，通过使其形成下述结构，而提高硬质包覆层的下部层与上部层的粘接性，从而改善了包覆工具的耐碎裂性，所述结构是在下部层和上部层之间设置包含硼氮氧化钛的中间层，该中间层的氧含量从下部层侧向上部层侧变多的结构。
另外，专利文献2中提出了对于具有由钛系的下部层和由α氧化铝层构成的上部层构成的硬质包覆层的切削工具，在其下部层与上部层的界面，在10μm的长度范围附近使氧化钛部分以1～50个的比例分散分布，由此提供了切削工具，其对于冲击的耐久性提高，不产生碎裂、缺损，在具有优异的耐碎裂性和耐缺损性的同时，耐磨性也优异。另外，专利文献3中提出了作为硬质包覆层，设置孔隙率为5～30％的多孔Al2O3层作为上部层，在其上设置TiN层作为表面层，由此将热和机械性的冲击吸收缓和，从而改善了包覆工具的耐碎裂性。
【专利文献1】专利第4251990号公报
【专利文献2】日本特开2006－205300号公报
【专利文献3】日本特开2003－19603号公报。
发明内容
近年来对切削加工的节省劳力化及节能化的要求强烈，与之相伴，包覆工具变得可在更为苛刻的条件下使用，但是，例如对于上述专利文献1、2、3中所示的包覆工具，当用于伴有高发热的同时、断续性/冲击性负载进一步作用于切削刃的高速断续切削加工中时，上部层的耐机械冲击性、耐热冲击性不充分，从而由切削加工时的高负载导致切削刃易于产生碎裂、缺损，作为其结果，目前的现状是在比较短的时间内达到使用寿命。
因此，本发明人从上述观点出发对于包覆工具进行了努力研究，结果得到以下见解，所述包覆工具即使在用于伴有高发热、且断续性/冲击性负载作用于切削刃的高速断续切削加工中时，硬质包覆层也具有优异的冲击吸收性，其结果是在长期的使用时可发挥优异的耐碎裂性、耐缺损性。
即，作为硬质包覆层，对于上述现有的形成了多孔Al2O3层的硬质包覆层，在整个Al2O3层内，形成具有大致均一孔径的微孔，因此孔隙率越高，机械、热的耐冲击性越高，相反，孔隙率越高，多孔Al2O3层的高温强度、高温硬度越低，从而在长期的使用时不能发挥充分的耐磨性，另外，工具寿命也不能令人满意。
因此，本发明人发现：用由Ti化合物层构成的下部层和由Al2O3层构成的上部层构成硬质包覆层，在上部层与下部层的界面附近的下部层中存在具有孔径为2～70nm的微孔的富有微孔的层，使该富有微孔的层为规定的层厚，由此不会招致Al2O3层的高温强度和高温硬度的降低，可以提高机械、热的耐冲击性。
另外，对于构成富有微孔的层的2～70nm的微孔的孔径分布与硬质包覆层的耐碎裂性、耐缺损性的关系进行了仔细研究，结果发现，通过使微孔的孔径在2nm～70nm的范围不是均匀分布，而是采用双峰分布（双模态分布），可以更加提高耐碎裂性、耐缺损性。
进一步地，发现作为双峰分布，下述分布方式是更为有效的，即，微孔的孔径分布的第1峰存在于2～10nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第1峰中的微孔数密度为200～500个/μm2，第2峰存在于20～50nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第2峰中的微孔数密度为10～50个/μm2。
通过使微孔的孔径分布采用双峰分布，可以起到优异的效果，认为其原因在于，大孔径的微孔使热和机械性的冲击吸收缓和，耐缺损性、耐碎裂性提高，小孔径的微孔使Al2O3的核生成数增加，提高了下部层与上部层的附着强度，结果使耐缺损性、耐碎裂性提高。
具有上述孔径分布的微孔例如可以通过以下的化学蒸镀法来成膜。
（a）在工具基体表面上蒸镀形成由通常的Ti化合物层构成的、除去富有微孔的层部分的目标厚度的下部层，
（b）在上述（a）的成膜过程后，在终止上述反应的同时，以主要生成孔径为2～10nm的微孔的A条件（下述）导入SF6系气体，进行SF6蚀刻，
（c）接着，再次进行Ti化合物层的蒸镀形成，
（d）上述（c）的成膜过程之后，在终止上述反应的同时，以主要生成孔径为20～50nm的微孔的B条件（下述）导入SF6系气体，进行SF6蚀刻，
（e）接着，再次进行Ti化合物层的蒸镀形成，
（ｆ）反复进行规定时间的上述（b）～（e），由此形成规定层厚的富有微孔的层。
（g）接着，使用AlCl3－CO2－HCl－H2S－H2作为反应气体，通过化学蒸镀法形成作为上部层的Al2O3层。
根据上述（a）～（g），可以在工具基体表面上形成由目标层厚的下部层和上部层构成的硬质包覆层，对于上述硬质包覆层，当用扫描型电子显微镜和透射型电子显微镜进行截面组织观察时，在Al2O3层与Ti化合物层的界面附近的Ti化合物层中的富有微孔的层中形成孔径为2～70nm的微孔，而且，微孔的孔径分布采用双峰分布，即，第1峰存在于2～10nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第1峰中的微孔数密度为200～500个/μm2，第2峰存在于20～50nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第2峰中的微孔数密度为10～50个/μm2。
在硬质包覆层的上部层与下部层的界面附近的下部层中的富有微孔的层中，上述孔径分布采用双峰分布而形成本发明的包覆工具，所述本发明的包覆工具即使用于伴随高发热、且在断续性/冲击性负载作用于切削刃的钢、铸铁的高速断续切削加工中时，硬质包覆层的耐碎裂性、耐缺损性也优异，可以发挥在长期的使用中优异的耐磨性。
本发明是基于上述见解而作出的发明，其特征有
“（1）表面包覆切削工具，其在用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了硬质包覆层，其特征在于，
上述硬质包覆层由下部层和上部层构成，
（a）上述下部层是包含Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层和碳氮氧化物层中的1层或2层以上，且具有3～20μm的总计平均层厚的Ti化合物层，
（b）上述上部层是具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层，
在上述下部层与上部层的界面附近的下部层中存在具有孔径为2～70nm的微孔的富有微孔的层，该富有微孔的层具有0.1μm～1μm的层厚。
（2）如（1）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔径分布采用双峰分布。
（3）如（2）所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔径分布的第1峰存在于2～10nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第1峰中的微孔数密度为200～500个/μm2，第2峰存在于20～50nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第2峰中的微孔数密度为10～50个/μm2。
对于本发明，以下详细地说明。
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、碳氧化物层和碳氮氧化物层中的1层或2层以上的Ti化合物层构成的下部层可以在通常的化学蒸镀条件下形成，该下部层自身具有高温强度，由于它的存在而导致硬质包覆层具有高温强度，除此以外，与工具基体和由Al2O3层构成的上部层的任一者都牢固地附着，从而具有有助于硬质包覆层对于工具基体的附着力提高的作用，但其总计平均层厚小于3μm时，不能充分发挥上述作用，另一方面，如果其总计平均层厚大于20μm，则易于产生碎裂，因此将其总计平均层厚定为3～20μm。
上部层的Al2O3层：
已经熟知构成上部层的Al2O3层具有高温硬度和耐热性，但其平均层厚小于1μm时，不能确保长期使用时的耐磨性，另一方面，如果其平均层厚大于25μm，则Al2O3晶粒易于变得粗大，其结果是高温硬度、高温强度降低，而且高速断续切削加工时的耐碎裂性、耐缺损性也降低，从而将其平均层厚定为1～25μm。
在下部层与上部层的界面附近的下部层中设置的富有微孔的层：
对于本发明的在用Ti化合物层构成的下部层与用Al2O3层构成的上部层的界面附近的下部层中存在具有孔径为2～70nm的微孔的富有微孔的层的下部层，其即使在切削刃暴露于高温、且受到机械/热冲击性的高速断续切削加工中，也具有优异的高温强度、高温硬度，同时发挥优异的耐碎裂性、耐缺损性。进一步地，通过使微孔的孔径在2nm～70nm的范围不是均匀地分布，而是采用双峰分布（双模态分布），可以发挥更高的耐碎裂性、耐缺损性。
富有微孔的层的形成：
本发明的富有微孔的层可以通过对在通常的化学蒸镀条件下成膜的下部层的表面实施利用了以下2个条件的蚀刻来形成。
通过交替进行下部层成膜用的反应气体的导入、和利用以下2个条件进行的蚀刻，形成在下部层与上部层的界面附近的下部层中具有规定的孔径分布的富有微孔的层。
（A条件）
在反应气体组成（体积％）：
SF6：5～10％，
H2：剩余
反应气氛温度：800～950℃、
反应气氛压力： 4～9kPa、
的条件下进行5～30分钟的SF6蚀刻。
（B条件）
反应气体组成（体积％）：
SF6：5～10％，
H2：剩余
反应气氛温度：1000～1050℃、
反应气氛压力： 13～27kPa、
的条件下进行4～30分钟的SF6蚀刻。
富有微孔的层的孔径分布方式：
图3表示使用上述蚀刻条件形成的、在本发明的下部层与上部层的界面附近的下部层中的富有微孔的层中形成的微孔的孔径分布图。
如图3所示，在本发明的下部层与上部层的界面附近的下部层中的富有微孔的层中存在孔径为2～70nm的微孔，其孔径分布采用下述方式的双峰分布，即，第1峰存在于2～10nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第1峰中的微孔数密度为200～500个/μm2，第2峰存在于20～50nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第2峰中的微孔数密度为10～50个/μm2。
在本发明中，在微孔的孔径分布中，将孔径为2～10nm的小的微孔的第1峰定为200～500个/μm2的范围内，这是因为当孔径为2～10nm的小的微孔的孔径分布中的第1峰小于200个/μm2时，不能充分发挥Al2O3的核生成数提高这样的效果，另一方面，如果超过500个/μm2，则空隙率过于变高，在下部层与上部层的界面附近发生脆化的同时，产生耐磨性的下降。
另外，在微孔的孔径分布中，将孔径为20～50nm的大的微孔的第2峰定为10～50个/μm2的范围内，这是因为在10个/μm2以下或超过50个/μm2的范围时，不能充分挥发吸收缓和热性和机械性的冲击这样的效果，不能充分发挥耐碎裂性、耐缺损性提高这样的效果。
另外，在本发明中，将微孔的孔径定为2～70nm，这是因为在下部层与上部层的界面附近的下部层中的富有微孔的层中形成的孔隙的孔径小于2nm时，不能期待缓冲效果，另一方面，如果孔径超过70nm，则下部层的韧性下降变大，为了维持下部层的高温强度、高温硬度，同时保持对于断续性/冲击性负载的缓冲效果，在下部层与上部层的界面附近的下部层内部形成的微孔的孔径必须为2～70nm。
另外，在本发明中，将下部层与上部层的界面附近的下部层中的富有微孔的层的层厚定为0.1μm～1μm的范围内，其原因在于，当小于0.1μm时，不能充分地期待由微孔导致的缓冲效果，另一方面，如果超过1μm，则界面附近的韧性降低，不能充分发挥提高耐碎裂性、耐缺损性这样的效果。
对于本发明的包覆工具，作为硬质包覆层，包覆形成由Ti化合物层构成的下部层和由Al2O3层构成的上部层，且在下部层与上部层的界面附近的下部层中具有孔径分布采用双峰分布的富有微孔的层，由此即使在用于钢、铸铁等的伴有高发热、且断续性/冲击性高负载作用于切削刃的高速断续切削加工中时，耐碎裂性、耐缺损性也优异，其结果是在长期的使用时可发挥优异的耐磨性，实现包覆工具的长寿命化。
附图的说明
图1表示在本发明包覆工具的下部层与上部层的界面附近的下部层中形成的富有微孔的层的简图。
图2表示将在本发明包覆工具的下部层与上部层的界面附近的下部层中形成的富有微孔的层放大的简图。
图3表示在本发明包覆工具的下部层与上部层的界面附近的下部层中形成的富有微孔的层的孔径分布图。
具体实施方式
以下，通过实施例具体地说明本发明的包覆工具。
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、VC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末、TiN粉末和Co粉末，将这些原料粉末配合成表1中所示的配合组成，进而添加蜡，在丙酮中用球磨机进行24小时的混合，减压干燥后，以98MPa的压力加压成形为规定形状的压粉体，将该压粉体以在5Pa的真空中、在1370～1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件进行真空烧结，烧结后，在切削刃部实施R：0.07mm的珩磨加工，由此分别制造具有ISO・CNMG120408中规定的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体A～E。
另外，作为原料粉末，准备均具有0.5～2μm的平均粒径的TiCN（以质量比计TiC/TiN＝50/50）粉末、Mo2C粉末、ZrC粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、Co粉末和Ni粉末，将这些原料粉末配合成表2中所示的配合组成，用球磨机进行24小时的湿式混合，干燥后，在98MPa的压力下加压成形为压粉体，将该压粉体在1.3kPa的氮氛围中、于1540℃的温度保持1小时的条件下进行烧结，烧结后，在切削刃部分实施R：0.07mm的珩磨加工，由此形成具有ISO规格・CNMG120408的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制的工具基体a～e。
接着，在这些工具基体A～E和工具基体a～e的表面上，使用通常的化学蒸镀装置，
（a）以表3所示的条件蒸镀形成Ti化合物层来作为硬质包覆层的下部层。
（b）接着，终止（a）的Ti化合物层成膜，进行规定时间的利用了表4所示的A条件的SF6蚀刻，进一步地再次进行（a）的成膜工序，再次终止后进行规定时间的利用了表4所示的B条件的SF6蚀刻，进一步再次进行（a）的成膜工序。
（c）以表4所示的规定次数反复进行上述（b）的工序，形成富有微孔的层，以表5所示的目标层厚蒸镀形成Ti化合物层。
（d）接着，以表3所示的条件蒸镀形成规定层厚的Al2O3层来作为硬质包覆层的上部层。
利用上述（a）～（d），蒸镀形成由表5中所示的下部层、表6中所示的下部层与上部层的界面附近的下部层中孔径分布采用双峰分布的富有微孔的层、和表5中所示的目标层厚的上部层（Al2O3层）构成的硬质包覆层，由此制造本发明包覆工具1～15。
另外，通过在上述（a）～（d）的（b）工序时，在表4所示的仅1种条件下进行SF6蚀刻，蒸镀形成由表5中所示的下部层、表6中所示的下部层与上部层的界面附近的下部层中存在微孔的富有微孔的层、和表5中所示的目标层厚的上部层（Al2O3层）构成的硬质包覆层，由此制造本发明包覆工具16～17。
对于上述本发明包覆工具1～17的下部层的Ti化合物层，使用扫描型电子显微镜（倍数为50000倍）在多个视野的范围进行观察，结果均可以确认在图１表示的简图中所示的下部层与上部层的界面附近的下部层中存在富有微孔的层的膜结构。
进一步地，对于上述本发明包覆工具1～15的下部层与上部层的界面附近的下部层中的富有微孔的层，使用扫描型电子显微镜（倍数为50000倍）和透射电子显微镜（倍数为200000倍）沿着界面、在长度为10μm的范围以多个视野进行观察，对于各个视野观察微孔后，结果可以确认如图3所示的孔径分布图中所表现的孔径分布方式。
另外，为了比较，在工具基体A～E和工具基体a～e的表面，以表3中所示的条件且表5中所示的目标层厚、与本发明包覆工具1～17同样来蒸镀形成作为硬质包覆层的下部层的Ti化合物层。
接着，作为硬质包覆层的上部层，以表3中所示的条件且表5中所示的目标层厚来蒸镀形成由Al2O3层构成的上部层，由此制作表5的比较包覆工具1～17。
另外，使用扫描型电子显微镜测定本发明包覆工具1～17和比较包覆工具1～17的各构成层的层厚，结果均显示与表5中所示的目标层厚实质上相同的平均层厚。
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
接着，对于上述本发明包覆工具1～17和比较包覆工具1～17，在表7中所示的条件下实施切削加工试验，在任意的切削试验中都测定切削刃的后面磨损宽度。
表8中表示了该测定结果。
【表7】
【表8】
由表5～8中所示的结果可知，本发明的包覆工具1～17通过在硬质包覆层的下部层与上部层的界面附近的下部层中具有拥有规定孔径分布的富有微孔的层，由此即使在用于钢、铸铁等的伴有高发热、且断续性/冲击性高负载作用于切削刃的高速断续切削加工中时，耐碎裂性、耐缺损性也优异，其结果是在长期的使用时可发挥优异的耐磨性。进一步地，可知在富有微孔的层具有规定的孔径分布时，可发挥更为优异的耐磨性。
相对于此，可知对于不具有富有微孔的层的比较包覆工具1～17，在用于伴有高发热、且断续性/冲击性高负载作用于切削刃的高速断续切削加工中时，由于碎裂、缺损等的产生而在短时间达到寿命。
产业可利用性
如上所述，本发明的包覆工具例如在钢、铸铁等的伴有高发热、且断续性/冲击性高负载作用于切削刃的高速断续切削加工中，可发挥优异的耐碎裂性、耐缺损性，使用寿命可延长化，其不仅可在高速断续切削加工条件下使用，当然也可以在高速切削加工条件、高切深量、高进给速度的高速重切削加工条件等下使用。
Claims (3)
1.表面包覆切削工具，其在用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硬质包覆层，其特征在于，
上述硬质包覆层由下部层和上部层构成，
（a）上述下部层是包含Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层和碳氮氧化物层中的1层或2层以上，且具有3～20μm的总计平均层厚的Ti化合物层，
（b）上述上部层是具有1～25μm的平均层厚的氧化铝层，
在上述下部层与上部层的界面附近的下部层中存在具有孔径为2～70nm的微孔的富有微孔的层，该富有微孔的层具有0.1μm～1μm的层厚。
2.如权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔径分布采用双峰分布。
3.如权利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述微孔的孔径分布的第1峰存在于2～10nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第1峰中的微孔数密度为200～500个/μm2，上述微孔的孔径分布的第2峰存在于20～50nm，按孔径每2nm数一次微孔时的第2峰中的微孔数密度为10～50个/μm2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160127 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |