專利名稱：硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的韌性、耐崩刀性的表面包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在伴有高熱發(fā)生并且高負(fù)荷作用于切削刃的各種鋼或鑄鐵的高速重切削加工中，硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的韌性和耐崩刀性，由此經(jīng)長(zhǎng)期使用發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)。
背景技術(shù)：
以往通常已知在由碳化鎢(以下用WC表示)基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦(以下用TiCN 表示)基金屬陶瓷構(gòu)成的基體(以下將這些統(tǒng)稱為工具基體)的表面形成由下述(a)及 (b)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層而成的包覆工具(a)下部層，其為包括均被化學(xué)蒸鍍形成的Ti的碳化物(以下用TiC表示)層、 氮化物(以下同樣用TiN表示)層、碳氮化物(以下用TiCN表示)層、碳氧化物(以下用 TiCO表示)層及碳氮氧化物(以下用TiCNO表示)層中的2層以上的Ti化合物層；及(b)上部層，其為化學(xué)蒸鍍形成的氧化鋁(以下用Al2O3表示)層，并且已知該包覆工具使用于各種鋼或鑄鐵等的切削加工。但是，上述包覆工具的切削性能尤其因下部層的組織結(jié)構(gòu)而受較大影響，因此關(guān)于下部層的晶粒組織結(jié)構(gòu)，一直進(jìn)行了各種提案。例如，引用文獻(xiàn)I中進(jìn)行了如下提案在作為下部層形成TiN層、作為其上的第2 層形成TiCN層、并且在其上形成TiC層、TiN層、TiCN層等的包覆工具中，當(dāng)由柱狀晶粒構(gòu)成上述第2層的TiCN層，當(dāng)?shù)?層膜厚為4. O μ m以下時(shí)，該TiCN層的平均結(jié)晶粒徑為
O.I I μπι范圍，當(dāng)?shù)?層的膜厚超過(guò)4. Ομ 且20μπι以下時(shí)，設(shè)在O. 5 3. Ομ 范圍， 并將第2層的硬度設(shè)為1600 2400kg/mm2，由此使硬質(zhì)包覆層與母材的粘附性牢固，提高硬質(zhì)包覆層的韌性、耐剝離性、耐磨性。另外，引用文獻(xiàn)2中進(jìn)行了如下提案在與基體靠近的第I層包括TiN、第2層包括TiCN的下部層中，使第2層的膜厚相對(duì)于總膜厚為60%以上，并且其顆粒的水平方向的平均粒徑為O. 3 I. 2μπι，將垂直方向的平均粒徑設(shè)為水平方向的平均粒徑的2. 5倍以上， 由此提高包覆工具的耐剝離性、耐崩刀性、耐磨性。另外，引用文獻(xiàn)3中進(jìn)行了如下提案作為下部層的Ti化合物層至少形成柱狀晶的TiCN層，將從該TiCN層的上端距離該TiCN層的厚度的1/5的位置的TiCN柱狀晶粒的水平方向的平均粒徑dl與從該TiCN層的下端距離該TiCN層的厚度的2/5的位置的TiCN柱狀晶粒的水平方向的平均粒徑d2之比設(shè)為I ( dl/d2 ( I. 3，并且設(shè)成dl = O. 2 I. 5 μ m， 由此謀求耐磨性、耐缺損性雙方優(yōu)異，且改善包括斷續(xù)切削在內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間的切削加工中的耐缺損性和耐磨性。此外，引用文獻(xiàn)4中進(jìn)行了如下提案一種包覆工具，其作為硬質(zhì)包覆層至少具有 TiCN層和Al2O3層，其中，該TiCN層包括下部TiCN層和上部TiCN層，下部TiCN層的膜厚tl 為Ιμπι≤tl≤10 μ m，上部TiCN層的膜厚t2為O. 5 μ m≤t2≤5μπι，并且，滿足I < tl/t2彡5的關(guān)系，此外，上部TiCN層的TiCN顆粒的平均晶寬w2為O. 2 I. 5 μ m，下部TiCN 層的TiCN顆粒的平均晶寬wl設(shè)為《2的O. 7倍以下，由此提高硬質(zhì)包覆層的粘附性，防止層間剝離，謀求改善斷續(xù)切削加工等中的耐缺損性、耐磨性。專利文獻(xiàn)I :日本專利公開(kāi)平7-285001號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開(kāi)平10-15711號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 :日本專利公開(kāi)平10-109206號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 :日本專利公開(kāi)2005-186221號(hào)公報(bào)目前為如下現(xiàn)狀近年來(lái)對(duì)切削加工中的節(jié)省勞力化及節(jié)能化的要求強(qiáng)烈，隨此， 包覆工具逐漸在更加苛刻的條件下使用，例如在所述專利文獻(xiàn)I 3所示的包覆工具中,在使用于伴有高熱發(fā)生且高負(fù)荷作用于切削刃的高速重切削加工時(shí)，由于下部層的韌性不充分，所以因切削加工時(shí)的高負(fù)荷而容易在切削刃上產(chǎn)生崩刀，其結(jié)果，在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明人等從如上所述的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)即使使用于伴有高熱發(fā)生并且高負(fù)荷作用于切削刃的高速重切削加工時(shí)，硬質(zhì)包覆層也具備優(yōu)異的韌性、耐崩刀性，并且經(jīng)長(zhǎng)期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性的包覆工具進(jìn)行了深入研究的結(jié)果，獲得了以下見(jiàn)解。S卩，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)如下內(nèi)容將包覆工具的硬質(zhì)包覆層尤其是構(gòu)成下部層的Ti 化合物層中的Ti的碳氮化物(以下用TiCN表示)層的晶粒組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成為柱狀組織與微粒組織的混合組織，并且，該柱狀組織和微粒組織構(gòu)成為如在層厚方向上周期性地交替出現(xiàn)的晶粒組織結(jié)構(gòu)，由此不會(huì)損壞包括Ti化合物層的下部層固有的任何特性就能夠提高包括下部層和上部層的硬質(zhì)包覆層的韌性及耐崩刀性。并且，具有上述晶粒組織結(jié)構(gòu)的TiCN層(以下稱為改性TiCN層)例如能夠通過(guò)以下化學(xué)蒸鍍法成膜。例如，在工具基體表面蒸鍍形成TiN層作為構(gòu)成下部層的Ti化合物層中的I個(gè)層之后，(a)利用TiCl4-CH3CN-N2-H2系反應(yīng)氣體，在上述TiN層上蒸鍍形成TiCN層，(b)在上述(a)的成膜過(guò)程中，停止導(dǎo)入上述反應(yīng)氣體，同時(shí)導(dǎo)入SF6系氣體來(lái)進(jìn)行SF6蝕刻，(c)接著，反復(fù)進(jìn)行上述(a)的工序和上述(b)的工序，形成目標(biāo)厚度的TiCN層。通過(guò)上述(a) (C)形成改性TiCN層作為構(gòu)成下部層的Ti化合物層中的I個(gè)層，但若用透射型電子顯微鏡對(duì)該改性TiCN層進(jìn)行組織觀察，則能夠確認(rèn)到形成有如包括柱狀組織與微粒組織的混合組織且該柱狀組織和微粒組織在層厚方向上周期性地交替出現(xiàn)的晶粒組織結(jié)構(gòu)。并且發(fā)現(xiàn)，蒸鍍形成具有上述晶粒組織結(jié)構(gòu)的改性TiCN層作為構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的下部層的Ti化合物層中的至少I(mǎi)個(gè)層的該發(fā)明的包覆工具，即便使用于伴有高熱發(fā)生并且高負(fù)荷作用于切削刃的鋼或鑄鐵的高速重切削加工中時(shí)，硬質(zhì)包覆層也具備優(yōu)異的韌性和耐崩刀性，并且經(jīng)長(zhǎng)期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。該發(fā)明是基于上述見(jiàn)解而完成的，其具有如下特征。
(I) 一種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面化學(xué)蒸鍍包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層(a)下部層，為至少包含Ti的碳氮化物層且具有3 20 μ m的合計(jì)平均層厚的Ti 化合物層；及(b)上部層，為具有I 25μπι的平均層厚的氧化鋁層，其中，構(gòu)成上述(a)的下部層的至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層具有平均粒徑沿膜厚方向以
0.5μηι 5μηι的周期發(fā)生周期性變化的晶粒組織結(jié)構(gòu)。(2)如所述⑴所述的表面包覆切削工具，其中，上述(a)的Ti化合物層包括至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層，和Ti的碳化物層、氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的I層或2層以上。(3)如所述⑴或⑵所述的表面包覆切削工具，其中，具有如下晶粒組織結(jié)構(gòu)在將構(gòu)成上述(a)的下部層的至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層與工具基體表面平行地劃分為O. 02 μ m的厚度范圍區(qū)域，測(cè)定存在于該厚度范圍區(qū)域的粒界數(shù)，以每I μ m的粒界數(shù)的倒數(shù)作為平均粒徑D，求出沿膜厚方向的各厚度范圍區(qū)域的平均粒徑D的變化時(shí)，平均粒徑D為O. 5 1.5μπι的厚度范圍區(qū)域和平均粒徑D為O. 05 O. 3 μ m的厚度范圍區(qū)域沿該層的膜厚方向交替形成至少多個(gè)區(qū)域，由此構(gòu)成上述下部層的至少I(mǎi)層 Ti的碳氮化物層的平均粒徑D沿膜厚方向以O(shè). 5 μ m 5 μ m的周期發(fā)生周期性變化。以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。下部層的Ti化合物層包括Ti的碳化物(TiC)層、氮化物(TiN)層、碳氮化物(TiCN)層、碳氧化物(TiCO) 層及碳氮氧化物(TiCNO)層中的I層或2層以上的Ti化合物層的下部層能夠在通常的化學(xué)蒸鍍條件下形成。包括上述的Ti化合物層的下部層具有如下作用由于其本身具有高溫強(qiáng)度，因此硬質(zhì)包覆層因下部層的存在而具備高溫強(qiáng)度，并且還均牢固地粘附于工具基體和包括Al2O3 的上部層，由此有助于提高硬質(zhì)包覆層對(duì)工具基體的粘附性。但是，下部層的合計(jì)平均層厚不到3 μ m時(shí)，無(wú)法充分發(fā)揮所述作用，另一方面若其合計(jì)平均層厚超過(guò)20 μ m,則容易發(fā)生崩刀，因此將其合計(jì)平均層厚定為3 20 μ m。下部層的改性TiCN層該發(fā)明中將構(gòu)成上述下部層的Ti化合物層中的至少I(mǎi)個(gè)層作為具備如柱狀組織和微粒組織周期性地交替出現(xiàn)的晶粒組織結(jié)構(gòu)的所述改性TiCN層來(lái)形成。另外，改性TiCN層在下部層中并非僅形成I層，當(dāng)然也可以在下部層中形成多層。本發(fā)明的改性TiCN層具有如下晶粒組織結(jié)構(gòu)當(dāng)沿其層厚方向觀察晶粒組織結(jié)構(gòu)時(shí)，改性TiCN層的平均粒徑D沿層厚方向以O(shè). 5 μ m 5 μ m的周期發(fā)生周期性變化，更具體而言，具有如下晶粒組織結(jié)構(gòu)將改性TiCN層與工具基體表面平行地劃分為O. 02 μ m 的厚度范圍區(qū)域，測(cè)定存在于該厚度范圍區(qū)域的粒界數(shù)，以每I μ m的粒界數(shù)的倒數(shù)作為平均粒徑D，求出沿層厚方向的各厚度范圍區(qū)域的平均粒徑D的變化時(shí)，平均粒徑D為O. 5
1.5 μ m的厚度范圍區(qū)域和平均粒徑D為O. 05 O. 3 μ m的厚度范圍區(qū)域沿改性TiCN層的層厚方向交替形成至少多個(gè)區(qū)域。
并且，通過(guò)在包括Ti化合物層的下部層形成至少I(mǎi)層具有這種晶粒組織結(jié)構(gòu)的改性TiCN層，由此提高硬質(zhì)包覆層整體的韌性，其結(jié)果，可謀求提高硬質(zhì)包覆層的耐崩刀性、 耐磨性。改性TiCN層的成膜該發(fā)明的改性TiCN層能夠作為包括在通常的化學(xué)蒸鍍條件下成膜的Ti化合物層的下部層中的至少I(mǎi)個(gè)層成膜。例如，利用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，在反應(yīng)氣體組成(容量％ ):TiCl4 :4 5%;N2:30 40%;H2 :剩余;反應(yīng)氣氛溫度1020 1060°C ；反應(yīng)氣氛壓力10 3OkPa的條件下，蒸鍍形成規(guī)定膜厚的TiN層之后，(a)在反應(yīng)氣體組成(容量％ )TiCl4 :1 3%;CH3CN :0· 5 I. 0% ;N2:5 15%;H2 :剩余；反應(yīng)氣氛溫度900 950°C ；反應(yīng)氣氛壓力5 20kPa的條件下，在上述TiN層的表面蒸鍍形成規(guī)定膜厚的TiCN層，(b)接著，停止導(dǎo)入上述反應(yīng)氣體，代替此，導(dǎo)入添加了 SF6氣體的H2氣體，以便成為O. I 2容量％的氣體組成，通過(guò)該SF6氣體在以下條件，gp，反應(yīng)氣體組成(容量％ )SF6 :0.1 2%;H2 :剩余；反應(yīng)氣氛溫度800 1050°C ；反應(yīng)氣氛壓力5 20kPa的條件下，進(jìn)行5 30分鐘SF6蝕刻。(c)接著，停止導(dǎo)入上述SF6系氣體，向裝置內(nèi)導(dǎo)入上述(a)的反應(yīng)氣體，在與上述 (a)相同的條件下，再次蒸鍍形成TiCN層。反復(fù)進(jìn)行上述(b)和(C)，最終蒸鍍形成目標(biāo)層厚的改性TiCN層。之后，進(jìn)行作為下部層所需的Ti化合物層的成膜，并形成目標(biāo)層厚的下部層，在其上蒸鍍形成目標(biāo)膜厚的作為上部層的Al2O3層，由此形成硬質(zhì)包覆層。改性TiCN層的晶粒組織結(jié)構(gòu)在圖I示出在上述化學(xué)蒸鍍條件下形成的該發(fā)明的改性TiCN層的晶粒組織結(jié)構(gòu)的概要示意圖。
如圖I所示，該發(fā)明的改性TiCN層中，柱狀組織的TiCN顆粒在層厚方向上形成有多段，并且，具備有微粒組織的TiCN顆粒集成形成于各段的上下柱狀組織的TiCN顆粒的邊界的組織結(jié)構(gòu)。圖2中示出在上述化學(xué)蒸鍍條件下形成的具有該發(fā)明的晶粒組織結(jié)構(gòu)的改性 TiCN層中的平均粒徑的分布圖。該平均粒徑的分布圖能夠由以下方法求出。首先，將改性TiCN層與工具基體表面平行地分別劃分為O. 02 μπι的厚度范圍區(qū)域 (圖3中，用與工具基體表面平行地畫(huà)出的多個(gè)平行線隔開(kāi)的區(qū)段相當(dāng)于O. 02 μπι的厚度范圍區(qū)域)，用透射型電子顯微鏡(倍率為50000倍)遍及合計(jì)10 μπι對(duì)在被劃分的各厚度范圍區(qū)域中存在的粒界數(shù)η進(jìn)行測(cè)定，將該η換算為每I μ m的粒界數(shù)N( = n/10)，求出其換算值的倒數(shù)作為平均粒徑D(= 1/N)，沿層厚方向?qū)υ诟骱穸确秶鷧^(qū)域中求出的平均粒徑D 進(jìn)行圖表化，由此制作圖2所示的層厚方向平均粒徑分布圖。并且，根據(jù)該發(fā)明的改性TiCN層的晶粒組織結(jié)構(gòu)，在該層厚方向平均粒徑分布圖中，平均粒徑D的值為O. 5 I. 5μπι的范圍內(nèi)的厚度范圍區(qū)域和平均粒徑D的值為O. 05 O. 3 μ m的范圍內(nèi)的厚度范圍區(qū)域沿改性TiCN層的層厚方向周期性且交替形成至少多個(gè)區(qū)域。例如，圖2中，平均粒徑D的值為O. 5 I. 5 μ m的范圍內(nèi)的厚度范圍區(qū)域在層厚方向上形成有4個(gè)區(qū)域，并且平均粒徑D的值為O. 05 O. 3 μ m的范圍內(nèi)的厚度范圍區(qū)域在層厚方向上形成有3個(gè)區(qū)域。并且，從該層厚方向平均粒徑分布圖可知，在該發(fā)明的改性TiCN層中，形成有 TiCN層的平均粒徑沿層厚方向發(fā)生周期性變化的晶粒組織結(jié)構(gòu)。該發(fā)明中，將TiCN層的平均粒徑的變化周期設(shè)為O. 5 μ m 5 μ m是基于以下理由若上述周期不到O. 5 μ m，則因周期過(guò)短而無(wú)法充分發(fā)揮周期結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)異的韌性和優(yōu)異的耐崩刀性的特征，另一方面，若上述周期為5μπι以上，則周期變得過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法充分發(fā)揮周期結(jié)構(gòu)所具有的上述特征。另外，該發(fā)明中，將平均粒徑D值的上限范圍定為0.5 I. 5μπι的范圍內(nèi)是因?yàn)椋?若不到O. 5 μ m，則與下限范圍的平均粒徑D之差變得過(guò)小而無(wú)法充分發(fā)揮周期結(jié)構(gòu)所具有的特征，另一方面，若為I. 5 μ m以上，則變?yōu)榇至６鵁o(wú)法維持較高的韌性。并且，將平均粒徑D值的下限范圍定為O. 05 O. 3μπι的范圍內(nèi)是基于以下理由 若不到O. 05 μ m，則該厚度范圍區(qū)域中的TiCN的粒間變形增大且改性TiCN層中的顆粒的粘附性下降，由此無(wú)法維持TiCN層的較高的韌性，另一方面，若為O. 3 μ m以上，則變?yōu)榇至６鵁o(wú)法維持較高的韌性。該發(fā)明中，在硬質(zhì)包覆層的下部層中，作為至少I(mǎi)層的改性TiCN層具備有平均粒徑D在上述上限范圍內(nèi)和上述下限范圍內(nèi)的厚度范圍區(qū)域周期性且交替出現(xiàn)的晶粒組織結(jié)構(gòu)，因此即使在伴有高熱發(fā)生并且高負(fù)荷作用于切削刃的高速重切削加工中，也不會(huì)損壞上部層的Al2O3層固有的高溫硬度和耐熱性，發(fā)揮硬質(zhì)包覆層整體的優(yōu)異的韌性、耐崩刀性。上部層的Al2O3層習(xí)知構(gòu)成上部層的Al2O3層具備高溫硬度和耐熱性，但該發(fā)明的包括Al2O3層的上部層其平均層厚不到I μ m時(shí)，無(wú)法確保經(jīng)長(zhǎng)期使用的耐磨性，另一方面，若其平均層厚超過(guò)25 μ m，則Al2O3晶粒容易粗大化，其結(jié)果，不僅高溫硬度、高溫強(qiáng)度下降，而且高速重切削加工時(shí)的耐崩刀性也下降，因此將其平均層厚定為I 25 μ m。該發(fā)明的包覆工具，作為硬質(zhì)包覆層包覆形成包括Ti化合物層的下部層和包括 Al2O3層的上部層，并且，作為下部層的至少I(mǎi)個(gè)層形成具有TiCN層的平均粒徑沿層厚方向周期性變化的晶粒組織結(jié)構(gòu)的改性TiCN層，由此在使用于鋼或鑄鐵等的伴有高熱發(fā)生并且高負(fù)荷作用于切削刃的高速重切削加工時(shí)，韌性、耐崩刀性也優(yōu)異，其結(jié)果，經(jīng)長(zhǎng)期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，實(shí)現(xiàn)包覆工具的長(zhǎng)壽命化。


圖I表示該發(fā)明的改性TiCN層的晶粒組織結(jié)構(gòu)的概要示意圖。圖2表示關(guān)于該發(fā)明的具有晶粒組織結(jié)構(gòu)的改性TiCN層的層厚方向的平均粒徑分布圖。圖3表示用與工具基體表面平行地畫(huà)出的多個(gè)(假設(shè))平行線將該發(fā)明的改性 TiCN層隔開(kāi)并劃分為O. 02 μ m的厚度范圍區(qū)域的狀態(tài)的示意圖。
具體實(shí)施例方式接著，根據(jù)實(shí)施例具體說(shuō)明該發(fā)明的包覆工具。[實(shí)施例]準(zhǔn)備均具有I 3 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粉末作為原料粉末，將這些原料粉末配合成表I所示的配合組成，并且，加入蠟在丙酮中球磨混合24小時(shí)，減壓干燥后，以98MPa的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的壓坯，將該壓坯在5Pa的真空中，在以1370 1470°C范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持I小時(shí)的條件下真空燒結(jié)，燒結(jié)后，對(duì)切削刃部實(shí)施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此分別制造出具有ISO-CNMG190612中規(guī)定的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體 A E0另外，準(zhǔn)備均具有O. 5 2μπι平均粒徑的TiCN(以質(zhì)量比計(jì)為T(mén)iC/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粉末作為原料粉末， 將這些原料粉末配合成表2所示的配合組成，用球磨機(jī)濕式混合24小時(shí)并干燥后，以98MPa 的壓力沖壓成型為壓坯，將該壓坯在I. 3kPa的氮?dú)夥罩?，在以溫?540°C保持I小時(shí)的條件下燒結(jié)，燒結(jié)后，對(duì)切削刃部分實(shí)施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此形成具有ISO規(guī)格· CNMG190612的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制工具基體a e。其次，利用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，在這些工具基體A E及工具基體a e的表面以表3所示的條件且以表5所示的目標(biāo)層厚蒸鍍形成Ti化合物層作為硬質(zhì)包覆層的下部層。但是，形成Ti化合物層時(shí)，其中至少I(mǎi)個(gè)層在表4所示的條件下蒸鍍形成改性 TiCN 層。改性TiCN層通過(guò)如下工序形成(a)首先，在表4所示的成膜條件下形成TiCN層；
(b)其次，在表4所示的條件下，對(duì)成膜的TiCN層進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的SF6蝕刻；(c)反復(fù)進(jìn)行上述(a)、(b)直到獲得規(guī)定膜厚的改性TiCN層。蒸鍍形成規(guī)定膜厚的下部層之后，在表3所示的條件下以表5所示的目標(biāo)層厚蒸鍍形成作為硬質(zhì)包覆層的上部層的Al2O3層。通過(guò)上述蒸鍍，蒸鍍形成包括表5所示的下部層及上部層的硬質(zhì)包覆層，由此制造出本發(fā)明包覆工具I 15。利用透射型電子顯微鏡(倍率為50000倍)對(duì)上述本發(fā)明包覆工具I 15的改性TiCN層進(jìn)行了多視場(chǎng)觀察，結(jié)果觀察到了圖I的概要示意圖所示的晶粒組織結(jié)構(gòu)。并且，同樣利用透射型電子顯微鏡(倍率為50000倍)，對(duì)上述本發(fā)明包覆工具 I 15的改性TiCN層，如圖3所示沿層厚方向劃分為O. 02μ m的厚度范圍區(qū)域，測(cè)定該厚度范圍區(qū)域中存在的粒界數(shù)，以每I μ m的粒界數(shù)的倒數(shù)作為平均粒徑D，求出沿層厚方向的各厚度范圍區(qū)域的平均粒徑D的變化，將橫軸作為平均粒徑D，并將縱軸作為層厚方向深度，制作了圖2所示的平均粒徑分布圖。上述圖2中,將平均粒徑D介于O. 5 I. 5μπι之間的厚度范圍區(qū)域中的平均粒徑 D的最大值設(shè)為平均粒徑的極大值Dmax，另一方面，將平均粒徑D介于O. 05 O. 3 μ m之間的厚度范圍區(qū)域中的平均粒徑D的最小值設(shè)為平均粒徑的極小值Dmin，從作為圖2制作的平均粒徑分布圖求出Dmax和Dmin，進(jìn)而求出沿層厚方向周期性出現(xiàn)的Dmax之間的距離作為平均粒徑變化的周期C。在表6中關(guān)于改性TiCN層示出上述極大值Dmax、極小值Dmin及周期C的值。另外，作為比較的目的，在工具基體A E及工具基體a e的表面以表3所示的條件且以表7所示的目標(biāo)層厚蒸鍍形成硬質(zhì)包覆層的作為下部層的Ti化合物層及作為上部層的Al2O3層，由此制作出具有表7所示的TiCN層的比較包覆工具I 10。(比較包覆工具I 10中，未形成改性TiCN層。)并且，以表3所示的條件且以表7所示的目標(biāo)層厚蒸鍍形成硬質(zhì)包覆層的作為下部層的Ti化合物層及作為上部層的Al2O3層，并且，在下部層的一部分在表4所示的條件下形成TiCN層的平均粒徑發(fā)生變化的改性TiCN層，由此制作出具有表7所示的TiCN層的比較包覆工具11 15。利用透射型電子顯微鏡(倍率為50000倍)，對(duì)比較包覆工具I 10的TiCN層及比較包覆工具11 15的改性TiCN層測(cè)定了 TiCN層的平均粒徑。關(guān)于比較包覆工具I 10，TiCN層的平均粒徑未在層厚方向上觀測(cè)到特別的差異，為大致均勻的平均粒徑。在表8中示出關(guān)于比較包覆工具I 10的在整個(gè)層厚方向上均勻的平均粒徑的值。與本發(fā)明包覆工具I 15的情況相同地，對(duì)比較包覆工具11 15測(cè)定了整個(gè)層厚方向上的平均粒徑的變化。在表8中示出對(duì)比較包覆工具11 15求出的極大值Dmax、極小值Dmin及周期C 的值。另外，利用掃描型電子顯微鏡測(cè)定了本發(fā)明包覆工具I 15及比較包覆工具I 15的各結(jié)構(gòu)層的層厚，結(jié)果顯示出了實(shí)際上均與表5、表7所示的目標(biāo)層厚相同的平均層厚。[表I]
配合組成(質(zhì)量％)CoTiCZrCVCTaCNbCCr3C2TiNWC工具 基體A5.71.5---3.00.11.5剩余B6.72.0--4.00.5-1.1剩余C8.2-0.5-0.53.00.21.8剩余D5.5---1.70.2--剩余E9.5--0.2--0.31-剩余[表2]
類別配合組成(質(zhì)量％)CoNiZrCTaCNbCMo2CWCTiCN工具 基體a12.56-10-10.516剩余b7.57 .5-5-8-剩余C6---I610.5剩余d9.56.5-112--剩余e85.5I8-10.510.5剩余
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權(quán)利要求
1.一種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面化學(xué)蒸鍍有包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層(a)下部層，為至少包含Ti的碳氮化物層且具有3 20μ m的合計(jì)平均層厚的Ti化合物層 '及(b)上部層，為具有I 25μ m的平均層厚的氧化鋁層，其特征在于，構(gòu)成上述(a)的下部層的至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層具有平均粒徑沿膜厚方向以O(shè).5μηι 5μηι的周期發(fā)生周期性變化的晶粒組織結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的表面包覆切削工具，其特征在于，上述(a)的Ti化合物層包括至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層，和Ti的碳化物層、氮化物層、 碳氧化物層及碳氮氧化物層中的I層或2層以上。
3.如權(quán)利要求I或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，具有如下晶粒組織結(jié)構(gòu)在將構(gòu)成上述(a)的下部層的至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層與工具基體表面平行地劃分為O. 02 μ m的厚度范圍區(qū)域，測(cè)定存在于該厚度范圍區(qū)域的粒界數(shù)，以每Iym的粒界數(shù)的倒數(shù)作為平均粒徑D，求出沿膜厚方向的各厚度范圍區(qū)域的平均粒徑D的變化時(shí)，平均粒徑D為O. 5 1.5μπι的厚度范圍區(qū)域和平均粒徑D為O. 05 O. 3 μ m的厚度范圍區(qū)域沿該層的膜厚方向交替形成至少多個(gè)區(qū)域，由此構(gòu)成上述下部層的至少I(mǎi)層Ti的碳氮化物層的平均粒徑D沿膜厚方向以O(shè). 5 μ m 5 μ m的周期發(fā)生周期性變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在高速重切削加工中硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的韌性、耐崩刀性且經(jīng)長(zhǎng)期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性的表面包覆切削工具。一種表面包覆切削工具，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面化學(xué)蒸鍍有包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層(a)下部層，其為至少包含Ti的碳氮化物層且具有3～20μm的合計(jì)平均層厚的Ti化合物層；及(b)上部層，其為具有1～25μm的平均層厚的氧化鋁層，其特征在于，構(gòu)成上述(a)的下部層的至少1層Ti的碳氮化物層具有其平均粒徑沿膜厚方向以0.5μm～5μm的周期發(fā)生周期性變化的晶粒組織結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C23C16/30GK102581322SQ20111041726
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者中村惠滋, 富田興平, 長(zhǎng)田晃, 龍岡翔 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社