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），該表面包覆切削工具 伴有合金鋼等的高熱產(chǎn)生，并且在沖擊性負荷作用于切肩刃的高速間斷切削加工中，由于 硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的耐崩刀性，因此在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0002] 本申請基于2013年4月1日于日本申請的專利申請2013-075856號及2014年3 月31日于日本申請的專利申請2014-70927號要求優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 以往，一般已知有在由碳化鎢（以下，用WC表示）基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦（以下， 用TiCN表示）基金屬陶瓷或立方晶氮化硼（以下，用CBN表示）基超高壓燒結(jié)體構(gòu)成的基 體（以下，將這些統(tǒng)稱為基體）的表面，通過物理蒸鍍法而包覆形成Ti-Al系復(fù)合氮化物層 作為硬質(zhì)包覆層的包覆工具，已知這些包覆工具發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
[0004] 然而，雖然所述以往的包覆形成有Ti-Al系復(fù)合氮化物層的包覆工具的耐磨性比 較優(yōu)異，但是在高速間斷切削條件下使用的情況下，由于容易發(fā)生崩刀等異常損耗，因此提 出各種改善硬質(zhì)包覆層的方案。
[0005] 例如，在專利文獻1中提出，在基體的表面，通過物理蒸鍍法而蒸鍍形成由在以組 成式：(Ti1XA1X)N表示的情況下滿足0. 35彡X彡0. 60 (其中，X為原子比）的Ti和Al的 復(fù)合氮化物構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，并且將硬質(zhì)包覆層構(gòu)成為由所述（Ti，A1)N層的粒狀晶體 組織構(gòu)成的薄層A和由柱狀晶體組織構(gòu)成的薄層B的交替層疊結(jié)構(gòu)，薄層A及薄層B分別 具有0. 05~2ym的層厚，另外，所述粒狀晶體的晶粒直徑為30nm以下，并且所述柱狀晶體 的晶粒直徑為50~500nm，因此在高硬度鋼的高速間斷切削加工中，硬質(zhì)包覆層發(fā)揮著優(yōu) 異的耐崩刀性、耐缺損性和耐剝離性。
[0006] 然而，該包覆工具通過物理蒸鍍法而蒸鍍形成硬質(zhì)包覆層，因此不易使Al的含有 比例X為0. 6以上，有待進一步提尚切削性能。
[0007] 從這個觀點，還提出一種通過用化學(xué)蒸鍍法形成硬質(zhì)包覆層而將Al的含有比例X 提高至0.9左右的技術(shù)。
[0008] 例如，在專利文獻2中記載，在TiCl4、AlCl3、NH3的混合反應(yīng)氣體中，在650~ 900 °C的溫度范圍內(nèi)進行化學(xué)蒸鍍，從而能夠蒸鍍形成Al的含有比例X的值為0. 65~0. 95 的（TilxAlx)N層，但是在該文獻中，在該（TilxAlx)N層上進一步包覆Al2O3層，以由此提高 隔熱效果作為目的，因此關(guān)于因形成將X的值提高至0. 65~0. 95的（Ti1XA1X)N層而對切 削性能造成何種影響這一點并沒有公開。
[0009] 并且，例如在專利文獻3中提出，將TiCN層、Al2O3層作為內(nèi)層，并通過化學(xué)蒸鍍法 將包含立方晶結(jié)構(gòu)或六方晶結(jié)構(gòu)的立方晶結(jié)構(gòu)的（Ti1XA1X)N層（其中，X為0. 65~0. 9) 作為外層而包覆于所述內(nèi)層上，并且通過對該外層施加100~IlOOMPa的壓縮應(yīng)力而改善 包覆工具的耐熱性和疲勞強度。
[0010] 專利文獻1 :日本專利公開2011-224715號公報（A)
[0011] 專利文獻2 :日本專利公表2011-516722號公報（A)
[0012] 專利文獻3 :日本專利公表2011-513594號公報（A)
[0013] 近年來，對切削加工中的節(jié)省勞力及節(jié)能化的要求增強，隨之，切削加工呈現(xiàn)出進 一步尚速化和尚效化的趨勢，對于包覆工具進一步要求耐崩刀性、耐缺損性和耐剝尚性等 耐異常損傷性，并且要求在長期使用中優(yōu)異的耐磨性。
[0014] 但是，所述專利文獻1中記載的包覆工具，由（Ti1XA1X)N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層通過 物理蒸鍍法而被蒸鍍形成，并且不易提高硬質(zhì)包覆層中的Al含量X，因此例如在提供于合 金鋼的高速間斷切削時，存在耐磨性和耐崩刀性不充分的問題。
[0015] 另一方面，關(guān)于記載于所述專利文獻2中的通過化學(xué)蒸鍍法而蒸鍍形成的 (Ti1XA1X)N層，由于能夠提高Al含量X，并且能夠形成立方晶結(jié)構(gòu)，因此可以獲得具有規(guī)定 的硬度且耐磨性優(yōu)異的硬質(zhì)包覆層，但是存在與基體之間的粘接強度不充分且韌性差的問 題。
[0016] 另外，記載于所述專利文獻3中的包覆工具具有規(guī)定的硬度且耐磨性優(yōu)異，但是 由于韌性差，因此在提供于合金鋼的高速間斷切削加工等時，存在容易產(chǎn)生崩刀、缺損和剝 離等異常損傷，且無法發(fā)揮充分的切削性能的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 于是，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題即本發(fā)明的目的在于，提供一種即使在提供于合 金鋼等的高速間斷切削等的情況下也具備優(yōu)異的韌性，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀 性和耐磨性的包覆工具。
[0018] 于是，本發(fā)明人們從上述觀點出發(fā)，為了改善通過化學(xué)蒸鍍而蒸鍍形成的至少包 含Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物（以下，有時用"（Ti，Al) (C，N) "或"（Ti1XA1X) (CyN1 y) "表示）的硬質(zhì)包覆層的包覆工具的耐崩刀性和耐磨性，經(jīng)過重復(fù)進行深入研究的 結(jié)果，得出如下見解。
[0019] S卩，以往的至少包含一層（Ti1XA1X) (CyN1 y)層且具有規(guī)定的平均層厚的硬質(zhì)包覆 層，在（Ti1XA1X) (CyN1y)層在垂直于工具基體的方向上呈柱狀形成的情況下，具有較高的耐 磨性。相反，（Ti1XA1X) (CyN1y)層的各向異性越高，（Ti1XA1X) (CyN1y)層的韌性越低，其結(jié) 果，耐崩刀性和耐缺損性降低，在長期使用中無法發(fā)揮充分的耐磨性，并且也無法足以滿足 工具壽命。
[0020] 于是，本發(fā)明人們就構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的（Ti1XA1X) (CyN1y)層進行深入研究的結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)如下新的見解，即通過以立方晶相和六方晶相構(gòu)成（Ti1XA1X) (CyN1y)層，且在立方晶粒 內(nèi)形成Ti和Al的周期性濃度變化的全新的設(shè)想，使立方晶粒產(chǎn)生應(yīng)變，并成功地提高硬度 和韌性，其結(jié)果，能夠提高硬質(zhì)包覆層的耐崩刀性和耐缺損性。
[0021] 具體而言，得出了如下見解，即在硬質(zhì)包覆層至少包含通過化學(xué)蒸鍍法而成膜的 Ti和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物層，并以組成式=CTi1XA1X) (CyN1y)表示的情況下，Al 在Ti和Al的總量中所占的含有比例X以及C在C和N的總量中所占的含有比例y(其中， x、y均為原子比）分別滿足0. 60 <X< 0. 95、0 <y< 0. 005,構(gòu)成復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮 化物層的晶粒中存在具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒和具有六方晶結(jié)構(gòu)的晶粒，在與工具基體垂直 的面上的立方晶相所占的面積比例為30~80面積％，具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒在將與工具 基體平行的面內(nèi)的粒子寬度設(shè)為W，并且將與工具基體垂直的方向的粒子長度設(shè)為1，將該W和1之比1/w設(shè)為各晶粒的縱橫尺寸比a，進而將針對各晶粒而求出的縱橫尺寸比a的平 均值設(shè)為平均縱橫尺寸比A，將針對各晶粒而求出的粒子寬度w的平均值設(shè)為平均粒子寬 度W的情況下，平均粒子寬度W為0. 05~I.Oym，平均縱橫尺寸比A為5以下，在具有立方 晶結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在組成式：(Ti1XA1X) (CyN1y)中的Ti和Al的周期性濃度變化，由于周期 性變化的X的最大值和最小值之差為0. 05~0. 25,從而使立方晶粒產(chǎn)生應(yīng)變，與以往的硬 質(zhì)包覆層相比，（Ti1XA1X) (CyN1y)層的硬度和韌性提高，其結(jié)果，耐崩刀性和耐缺損性提高， 且長期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
[0022] 并且，具有所述結(jié)構(gòu)的（Ti1XA1X) (CyN1y)層，例如可通過含有三甲基鋁（Al(CH3)3) 作為反應(yīng)氣體成分的以下化學(xué)蒸鍍法成膜。
[0023] (a)成膜工序
[0024] 將反應(yīng)氣體組成（容量％)設(shè)為TiCl4:0.5 ~1.5%、A1(CH3)3:0 ~2.0%、A1C13: 1. 5 ~2. 5%、NH3:1. 0 ~3. 0%、N2:ll~15%、C2H4:0 ~0? 5%、H2:余量、反應(yīng)氣氛壓力： 2. 0~5.OkPa、反應(yīng)氣氛溫度：700~900°C，并以規(guī)定時間對工具基體表面進行熱CVD法， 從而成膜規(guī)定的目標(biāo)層厚的（Ti1XA1X) (CyN1y)層。
[0025] (b)蝕刻工序
[0026] 在進行所述（a)的成膜工序時，以規(guī)定時間及規(guī)定次數(shù)穿插TiClj4刻工序，該 TiCl4蝕刻工序由TiCl4:2. 0~5. 0%、H2:余量、反應(yīng)氣氛壓力：2. 0~5.OkPa、反應(yīng)氣氛溫 度：700~900°C的條件構(gòu)成。
[0027] 通過將如上所述的TiCl4蝕刻工序穿插到成膜工序中，立方晶TiAlCN選擇性地被 蝕刻，并在晶粒內(nèi)形成Ti和Al的局部的組成差異，這會導(dǎo)致原子的重新配列以用于穩(wěn)定 化，且產(chǎn)生組成的周期性的變化，其結(jié)果，韌性顯著提高。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)尤其耐缺損性和耐崩 刀性提高，即使在使用于間斷的沖擊性負荷作用于切削刃的合金鋼等的高速間斷切削加工 時，硬質(zhì)包覆層在長期使用中也可以發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0028] 本發(fā)明是鑒于所述見解而完成的，其具有以下方式。
[0029] (1) -種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷或立方 晶氮化硼基超高壓燒結(jié)體中的任一種構(gòu)成的工具基體的表面設(shè)置有硬質(zhì)包覆層，所述表面 包覆切削工具的特征在于，
[0030] 所述硬質(zhì)包覆層至少包含通過化學(xué)蒸鍍法而成膜的平均層厚為1~20ym的Ti 和Al的復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物層，在以組成式：(Ti1XA1X) (CyN1y)表示的情況下，Al在 Ti和Al的總量中所占的含有比例X以及C在C和N的總量中所占的含有比例y(其中，X、 y均為原子比）分別滿足〇? 60彡X彡0? 95、0彡y彡0? 005，
[0031] 在構(gòu)成所述復(fù)合氮化物或復(fù)合碳氮化物層的晶粒中存在具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒 和具有六方晶結(jié)構(gòu)的晶粒，在與工具基體垂直的面上立方晶相所占的面積比例為30~80 面積％，具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒的平均粒子寬度W為0. 05~I. 0ym，平均縱橫尺寸比A為 5以下，在所述具有立方晶結(jié)構(gòu)的晶粒內(nèi)存在組成式：(Ti1XA1X) (CyN1y)中的Ti和Al的周 期性濃度變化，周期性變化的X的最大值和最小值之差為0. 05~0. 25。
[0032] (2)根據(jù)（1)所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在所述復(fù)合