表面包覆切削工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面包覆切削工具（以下稱為包覆工具），其具有在淬火鋼等高 硬度鋼的切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性的硬質(zhì)包覆層。
[0002] 本申請基于2013年3月22日于日本申請的專利申請2013-061011號、2013年3 月22日于日本申請的專利申請2013-061010號、2013年7月25日于日本申請的專利申請 2013-154110號、及2013年7月25日于日本申請的專利申請2013-154111號主張優(yōu)先權(quán)， 并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 通常，包覆工具中有：刀片，裝卸自如地安裝于在各種鋼或鑄鐵等工件的車削加工 或平面銑削加工中使用的車刀的前端部；鉆頭，使用于所述工件的鉆孔切削加工等；及整 體式立銑刀，使用于所述工件的面削加工或槽加工、臺肩加工，等。并且，作為包覆工具已知 有刀尖更換式立銑刀工具等，該刀尖更換式立銑刀工具裝卸自如地安裝所述刀片，并與所 述整體式立銑刀同樣地進行切削加工。
[0004] 例如，如專利文獻1所示，作為包覆工具已知有如下包覆工具，其在由碳化鎢（以 下，以WC來表示）基硬質(zhì)合金構(gòu)成的基體（以下，稱為工具基體）的表面蒸鍍形成由A1、 Cr及B的復(fù)合氮化物[以下，以（Al，Cr，B)N來表示]層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層。已知在這種 以往的包覆工具中，構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的所述（Al，Cr，B)N層的粘附性、耐高溫氧化特性、耐 磨性優(yōu)異，因此發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0005] 并且，已知有上述以往的包覆工具是通過離子鍍法或濺射法而成膜的。例如，作為 基于電弧離子鍍的成膜，已知有使用如圖1A、IB所示的電弧離子鍍裝置100的方法。電弧 離子鍍裝置100具備：用于放置工具基體（硬質(zhì)基體）1的轉(zhuǎn)臺101 ;用于加熱工具基體1 的加熱器102 ;用于導(dǎo)入反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體導(dǎo)入口 103 ;用于向系統(tǒng)外排出氣體的排氣口 104 ;兩個陽極電極111、112 ;及兩個陰極電極113、114。陽極電極111和陰極電極113連接 于裝置100外部的電弧電源115，陽極電極112和陰極電極114連接于裝置100外部的電弧 電源116,轉(zhuǎn)臺101連接于裝置100外部的偏置電源117。這種電弧離子鍍裝置100內(nèi)的轉(zhuǎn) 臺101上安裝有工具基體（硬質(zhì)基體）1，用加熱器102將工具基體1加熱到500°C的溫度， 從反應(yīng)氣體導(dǎo)入口 103向裝置100內(nèi)導(dǎo)入氮氣作為反應(yīng)氣體而設(shè)為2Pa的反應(yīng)氣氛，另一 方面，由偏置電源117對上述工具基體1施加 -100V的偏置電壓。也已知有在這種條件下， 在陽極電極111和設(shè)置有規(guī)定組成的Al-Cr-B合金（Al-Cr-B合金靶）的陰極電極113之 間，由電弧電源115供給90A的電流，以使電弧放電產(chǎn)生，并通過在所述工具基體1的表面 蒸鍍形成上述（Al，Cr，B) N而能夠制造包覆工具。
[0006] 并且，如專利文獻2所示，作為包覆工具，已知有如下包覆工具，其由碳化鎢（以 下，以WC來表示）基硬質(zhì)合金構(gòu)成的基體（以下，稱為工具基體）的表面蒸鍍形成由Al、Cr 及Si的復(fù)合氮化物層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層。已知在這種以往的包覆工具中，構(gòu)成硬質(zhì)包覆層 的所述Al、Cr及Si的復(fù)合氮化物層的粘附性、耐高溫氧化特性、耐磨性優(yōu)異，因此發(fā)揮優(yōu)異 的切削性能。
[0007] 并且，已知有上述以往的包覆工具是通過離子鍍法或濺射法而成膜的。例如，作為 基于電弧離子鍍的成膜，如圖4A、4B所示，已知有使用電弧離子鍍裝置200的方法。電弧離 子鍍裝置200具備：用于放置工具基體（硬質(zhì)基體）2的轉(zhuǎn)臺201 ;用于加熱工具基體2的加 熱器202 ;用于導(dǎo)入反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體導(dǎo)入口 203 ;用于向系統(tǒng)外排出氣體的排氣口 204 ; 兩個陽極電極21U212 ;及兩個陰極電極213、214。陽極電極211和陰極電極213連接于裝 置200外部的電弧電源215,陽極電極212和陰極電極214連接于裝置200外部的電弧電 源216,轉(zhuǎn)臺201連接于裝置200外部的偏置電源217。這種電弧離子鍍裝置200內(nèi)的轉(zhuǎn)臺 201上安裝有工具基體（硬質(zhì)基體）2,用加熱器202將工具基體2加熱到500°C的溫度，從 反應(yīng)氣體導(dǎo)入口 203向裝置200內(nèi)導(dǎo)入氮氣作為反應(yīng)氣體而設(shè)為2Pa的反應(yīng)氣氛，另一方 面，由偏置電源217對上述工具基體2施加-100V的偏置電壓。也已知有在這種條件下，在 陽極電極211和設(shè)置有規(guī)定組成的Al-Cr-Si合金（Al-Cr-Si合金靶）的陰極電極213之 間，由電弧電源215供給90A的電流，以使電弧放電產(chǎn)生，并通過在所述工具基體2的表面 蒸鍍形成上述Al、Cr及Si的復(fù)合氮化物而能夠制造包覆工具。
[0008] 然而，在包覆工具中，為了實現(xiàn)進一步改善其切削性能，尤其耐崩刀性、耐磨性等， 提出各種硬質(zhì)包覆層的組織結(jié)構(gòu)。
[0009] 例如，在專利文獻3中，作為通過抑制前刀面上的包覆層的缺損而提高耐缺損性， 并提高后刀面上的耐磨性的包覆工具，記載有如下包覆工具（立銑刀）。即，記載有一種包 覆工具（立銑刀），其以柱狀晶體構(gòu)成包覆層，且前刀面上的包覆層厚度比后刀面上的包覆 層厚度薄，由包覆層基體側(cè)的下層區(qū)域和平均晶體寬度比該下層區(qū)域的平均晶體寬度大的 包覆層表面?zhèn)鹊纳蠈訁^(qū)域這兩層區(qū)域來構(gòu)成包覆層，前刀面上的上層區(qū)域的厚度相對于包 覆層厚度的比率比后刀面上的上層區(qū)域的厚度相對于包覆層厚度的比率小，前刀面上的柱 狀晶體的平均晶體寬度比后刀面上的柱狀晶體的平均晶體寬度小。
[0010] 并且，例如，在專利文獻4中記載有如下包覆工具，其具備使耐磨性和韌性并存， 且與基材的粘附性也優(yōu)異的被膜。即，記載有一種包覆工具，其中，形成于基材上的被膜包 括第1被膜層，該第1被膜層包括微細組織區(qū)域和粗大組織區(qū)域，在該微細組織區(qū)域中，構(gòu) 成該區(qū)域的化合物的平均晶粒直徑為10~200nm，且自該第1被膜層的表面?zhèn)?，相對于該?1被膜層的整體厚度占50%以上的厚度的范圍而存在，且具有-4GPa以上且-2GPa以下的 范圍的平均壓縮應(yīng)力，該第1被膜層在其厚度方向上具有應(yīng)力分布，在其應(yīng)力分布中具有 兩個以上的極大值或極小值，這些極大值或極小值越位于厚度方向表面?zhèn)?，則具有越高的 壓縮應(yīng)力。
[0011] 專利文獻1 :日本專利第3669700號公報
[0012] 專利文獻2 :日本專利第3598074號公報
[0013] 專利文獻3 :日本專利公開2008-296290號公報
[0014] 專利文獻4 :日本專利公開2011-67883號公報
[0015] 近年來，切削加工裝置的高性能化顯著，另一方面，對切削加工的節(jié)省人力及節(jié)能 化、而且對低成本化的要求強烈，隨之，逐漸在進一步嚴格的切削條件下進行切削加工。
[0016] 在上述以往的包覆工具中，可實現(xiàn)某種程度的耐崩刀性、耐缺損性、耐磨性的改 善。然而，當將這些包覆工具使用于淬火鋼等高硬度鋼的進一步嚴格的切削加工中時，容易 產(chǎn)生崩刀等異常損傷，并且磨損嚴重。其結(jié)果，目前在較短時間內(nèi)便達到使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種表面包覆切削工具，該表 面包覆工具即使在淬火鋼等高硬度鋼的切削加工中，也不會產(chǎn)生異常損傷且耐磨性也優(yōu) 異，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0018] 本發(fā)明人等為了達到上述目的，對硬質(zhì)包覆層的晶體組織結(jié)構(gòu)進行深入的研究， 其結(jié)果獲得以下見解。
[0019] 以往，在制作包覆工具時，作為硬質(zhì)包覆層的形成方法，通常采用的是CVD法、PVD 法等。例如，當利用作為一種PVD法的電弧離子鍍法（以下，稱為AIP法）來成膜由（A1， Cr，B) N構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層時，將工具基體安裝到裝置內(nèi)，并施加規(guī)定的偏置電壓，并且在將 裝置內(nèi)部加熱到規(guī)定溫度的狀態(tài)下，使電弧放電在陽極電極和規(guī)定組成的Al-Cr-B合金靶 之間產(chǎn)生，同時將氮氣作為反應(yīng)氣體導(dǎo)入到裝置內(nèi)，并在規(guī)定壓力的反應(yīng)氣氛中進行蒸鍍， 從而成膜硬質(zhì)包覆層（參考圖1A、1B)。
[0020] 本發(fā)明人等在成膜基于上述以往的AIP法的由（Al，Cr，B)N構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層時， 在工具基體和靶之間施加磁場，并調(diào)查和研究磁場對硬質(zhì)包覆層的組織結(jié)構(gòu)帶來的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在規(guī)定強度的磁場中進行基于AIP法的硬質(zhì)包覆層的成膜，能夠調(diào)整構(gòu)成 硬質(zhì)包覆層的粒狀晶粒的晶粒直徑。并且，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，具備如此適當?shù)卣{(diào)整硬質(zhì)包覆 層的晶粒直徑的由（Al，Cr，B)N構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的包覆工具，在淬火鋼等高硬度鋼的切 削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性及耐磨性，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0021] 本發(fā)明的第一方式是基于上述見解而完成的，其為具有以下特征的表面包覆切削 工具。
[0022] -種表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面蒸鍍形 成有平均層厚為2~10 μ m的硬質(zhì)包覆層，其中，
[0023] (a)硬質(zhì)包覆層由Al、Cr及B的復(fù)合氮化物層構(gòu)成，且在該層中，在Al、Cr及B的 總量中Cr所占的含有比例為0. 2~0. 45 (其中為原子比），B所占的含有比例為0. 01~ 〇.1(其中為原子比）；
[0024] (b)在從上述包覆工具的后刀面上的刀尖起距離100 μm的位置為止的范圍內(nèi)， 硬質(zhì)包覆層具有粒狀晶體組織，另外，硬質(zhì)包覆層表面的粒狀晶粒的平均粒徑為〇. 1~ 0. 4 μπι，并且，工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面上的粒狀晶粒的平均粒徑比硬質(zhì)包覆層表面 的粒狀晶粒的平均粒徑小0. 02~0. 1 μL?，而且，粒徑為0. 1 μL?以下的晶粒所占的晶粒直徑 長度比例為20%以下。
[0025] 并且，以往，在制作包覆工具時，作為硬質(zhì)包覆層的形成方法，通常采用CVD法、 PVD法等。在通過作為一種PVD法的電弧離子鍍法（以下，稱為AIP法）成膜Al、Cr及Si 的復(fù)合氮化物[以下，以（Al，Cr，Si)N來表示]構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層時，將工具基體安裝于裝 置內(nèi)，并施加規(guī)定的偏置電壓，并且，在將裝置內(nèi)部加熱到規(guī)定溫度的狀態(tài)下，使電弧放電 在陽極電極和規(guī)定組成的Al-Cr-Si合金靶之間產(chǎn)生，同時將氮氣作為反應(yīng)氣體導(dǎo)入到裝 置內(nèi)，并在規(guī)定壓力的反應(yīng)氣氛中進行蒸鍍，從而成膜硬質(zhì)包覆層（參考圖4A、4B)。
[0026] 本發(fā)明人等在基于上述以往的AIP法而成膜由（Al，Cr，Si)N構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層 時，對工具基體與靶之間施加磁場，并調(diào)查和研究了磁場對硬質(zhì)包覆層的組織結(jié)構(gòu)帶來的 影響，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在規(guī)定強度的磁場中進行基于AIP法的硬質(zhì)包覆層的成膜，能夠調(diào) 整構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的粒狀晶粒的晶粒直徑。并且，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，具備如此適當?shù)卣{(diào)整硬 質(zhì)包覆層的晶粒直徑的由（Al，Cr，Si)N構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的包覆工具，在淬火鋼等高硬度 鋼的切削加工中，發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性及耐磨性，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0027] 本發(fā)明的第二方式是基于上述見解而完成的，其為具有以下特征