表面包覆切削工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在伴隨合金鋼等的高熱發(fā)生并且沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高 速斷續(xù)切削加工中，通過(guò)硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的耐崩刀性，從而在長(zhǎng)期使用中發(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）。
[0002] 本申請(qǐng)基于2012年8月28日在日本申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)2012-187543號(hào)、及2013 年8月27日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)2013-175238主張優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 以往，已知有如下包覆工具：通常在由碳化鎢（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(guò)物理蒸鍍法包覆形成Ti-Al系的復(fù) 合氮化物層來(lái)作為硬質(zhì)包覆層，并且已知它們發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
[0004] 但是，上述以往的包覆形成有Ti-Al系的復(fù)合氮化物層的包覆工具雖然耐磨性比 較優(yōu)異，但當(dāng)在高速斷續(xù)切削條件下使用時(shí)，容易發(fā)生崩刀等異常磨損，因此對(duì)硬質(zhì)包覆層 的改善提出了各種方案。
[0005] 例如，專利文獻(xiàn)1中提出有如下內(nèi)容：當(dāng)在基體的表面通過(guò)物理蒸鍍法蒸鍍形成 由Ti和A1的復(fù)合氮化物構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，所述復(fù)合氮化物中，以組成式：(TigAl^N表 示時(shí)，滿足0.35 0.60 (其中，X為原子比），并且，將硬質(zhì)包覆層構(gòu)成為由上述（Ti， A1)N層的粒狀晶組織構(gòu)成的薄層A和由柱狀晶組織構(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，所述粒狀晶的晶體粒徑為30nm以下且所述 柱狀晶的晶體粒徑為50?500nm，由此在高硬度鋼的高速斷續(xù)切削加工中，硬質(zhì)包覆層發(fā) 揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性、耐剝離性。
[0006] 但是，該包覆工具由于通過(guò)物理蒸鍍法蒸鍍形成硬質(zhì)包覆層，因此無(wú)法將A1的含 有比例X設(shè)為0. 6以上，切削性能有待進(jìn)一步提高。
[0007] 由這種觀點(diǎn)還提出通過(guò)化學(xué)蒸鍍法形成硬質(zhì)包覆層，從而將A1的含有比例X提高 至0.9左右的技術(shù)。
[0008] 例如，專利文獻(xiàn)2中記載有如下內(nèi)容：在TiCl4、A1C13、NH3的混合反應(yīng)氣體中， 在650?900°C的溫度范圍中進(jìn)行化學(xué)蒸鍍，從而能夠蒸鍍形成A1的含有比例X的值為 0. 65?0. 95的（TigADN層，但該文獻(xiàn)中，以通過(guò)在該（TigADN層之上進(jìn)一步包覆A1203 層來(lái)提高絕熱效果為目的，因此未公開(kāi)通過(guò)形成將X的值提高至0. 65?0. 95的（TigAlx) N層，對(duì)切削性能有何影響。
[0009] 并且，例如專利文獻(xiàn)3中提出有如下內(nèi)容：將TiCN層、A1203層作為內(nèi)層，在其上通 過(guò)化學(xué)蒸鍍法包覆包含立方晶結(jié)構(gòu)或六方晶結(jié)構(gòu)的立方晶結(jié)構(gòu)的（TigAl^N層（其中，X 為0. 65?0. 9)來(lái)作為外層，并且通過(guò)對(duì)該外層賦予100?llOOMPa的壓縮應(yīng)力來(lái)改善包 覆工具的耐熱性和疲勞強(qiáng)度。
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利公開(kāi)2011-224715號(hào)公報(bào)（A)
[0011] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公表2011-516722號(hào)公報(bào)（A)
[0012] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利公表2011-513594號(hào)公報(bào)（A)
[0013] 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，隨之，切削加工有進(jìn)一 步高速化、高效率化的趨勢(shì)，對(duì)包覆工具要求進(jìn)一步的耐崩刀性、耐缺損性、耐剝離性等耐 異常損傷性，并且要求在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
[0014] 但是，上述專利文獻(xiàn)1中記載的包覆工具中，通過(guò)物理蒸鍍法蒸鍍形成由 (TigAl^N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，無(wú)法提高硬質(zhì)包覆層中的A1含量X，因此當(dāng)例如供合金鋼 的高速斷續(xù)切削時(shí)，不能說(shuō)耐磨性、耐崩刀性充分。
[0015] 另一方面，關(guān)于通過(guò)上述專利文獻(xiàn)2中記載的化學(xué)蒸鍍法蒸鍍形成的（TigAWN 層，能夠提高A1含量X，并且能夠形成立方晶結(jié)構(gòu)，因此可以得到具有規(guī)定硬度且耐磨性優(yōu) 異的硬質(zhì)包覆層，但與基體的粘附強(qiáng)度不充分，并且韌性較差。
[0016] 另外，上述專利文獻(xiàn)3中記載的包覆工具雖然具有規(guī)定硬度且耐磨性優(yōu)異，但韌 性較差，因此當(dāng)供合金鋼的高速斷續(xù)切削加工等時(shí)，容易發(fā)生崩刀、缺損、剝離等異常損傷， 不能說(shuō)發(fā)揮令人滿意的切削性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的目的在于提供一種即使在供合金鋼的高速斷續(xù)切削等時(shí)，也具備優(yōu)異的 韌性，且在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨性的包覆工具。
[0018] 因此，本發(fā)明人等從上述觀點(diǎn)出發(fā)，為了改善通過(guò)化學(xué)蒸鍍來(lái)蒸鍍形成有由Ti和 A1的復(fù)合碳氮化物（以下，有時(shí)用"（Ti，Al) (C，N)"或"（TigAlx) (CA-y)"表示）構(gòu)成的 硬質(zhì)包覆層的包覆工具的耐崩刀性、耐磨性而重復(fù)進(jìn)行深入研宄，結(jié)果得到如下見(jiàn)解。
[0019] 如以往，在表面包覆切削工具包含至少1層的（TigAlx) (CyNh)層且具有規(guī)定總 計(jì)平均層厚的硬質(zhì)包覆層中，（TigAL) (CyNh)層沿與基體垂直的方向呈柱狀形成時(shí)，該表 面包覆切削工具具有較高的耐磨性。另一方面，（TinAU(CyNh)層的晶體組織的各向異性 越高，（TigAlx) (CAJ層的韌性越下降。其結(jié)果，該表面包覆切削工具的耐崩刀性、耐缺損 性下降，無(wú)法在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮充分的耐磨性。并且，工具壽命也不能令人滿意。
[0020] 因此，本發(fā)明人等對(duì)構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的（TigAlx) (CyU層進(jìn)行了深入研宄。并 且，發(fā)現(xiàn)通過(guò)緩和（TigAlx) (CyNh)層的晶體組織的各向異性來(lái)提高韌性，能夠提高硬質(zhì)包 覆層的耐崩刀性、耐缺損性的新見(jiàn)解。
[0021] 具體而言，構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的（TigAL) (CyNg)層通過(guò)交替層疊主要由微粒粒狀 組織的（TigAL) (CyNg)層構(gòu)成的區(qū)域A層和主要由柱狀組織的（TigAL) (CyNg)層構(gòu)成 的區(qū)域B層而構(gòu)成，從而能夠得到以下所示的效果。通過(guò)具有上述結(jié)構(gòu)，由顯示出優(yōu)異的韌 性的微粒粒狀組織的（TigAL) (CyNh)層構(gòu)成的區(qū)域A層和由顯示出優(yōu)異的耐磨性的柱狀 組織的（TigAL) (CyNJ層構(gòu)成的區(qū)域B層所構(gòu)成的交替層疊結(jié)構(gòu)宛如以兼具各自的特性 的1個(gè)層的形式發(fā)揮作用。因此，在具有上述特征的硬質(zhì)包覆層中，與以往的硬質(zhì)包覆層相 比，可以緩和（TigAU(CyNh)層的晶體組織的各向異性。其結(jié)果，該硬質(zhì)包覆層的耐崩刀 性、耐缺損性得到提高，且長(zhǎng)期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
[0022] 而且，如上所述的結(jié)構(gòu)的（TDIxMCyNh)層例如能夠通過(guò)含有三甲基鋁 (A1 (CH3)3)作為反應(yīng)氣體成分的以下的化學(xué)蒸鍍法成膜。
[0023] (a)在工具基體表面，將反應(yīng)氣體組成（容量％ )設(shè)為T(mén)iCl4:1.0?2.0%、 A1(CH3)3:1. 0 ?2. 0%、A1C1 3:3. 0 ?5. 0%、NH3:3 ?6%、N2:6 ?10%、C2H4:0 ?1. 0%、 H2:剩余并設(shè)為反應(yīng)氣氛壓力：2?5kPa、反應(yīng)氣氛溫度：700?900°C來(lái)進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的熱 CVD法，從而進(jìn)行規(guī)定目標(biāo)層厚的柱狀組織的（TigAlxMCYNn)層的成膜（區(qū)域B層）。
[0024] (b)其后，停止進(jìn)行所述（a)的成膜工序，將反應(yīng)氣體組成（容量％ )設(shè)為T(mén)iCl4: 3. 0 ?4. 0%、A1(CH3)3:3. 0 ?5. 0%、A1C1 3:1. 0 ?2. 0%、NH3:7 ?10%、N2:6 ?10%、 C2H4:0?1%、H2:剩余并設(shè)為反應(yīng)氣氛壓力：2?5kPa、反應(yīng)氣氛溫度：700?900°C來(lái)進(jìn)行 規(guī)定時(shí)間的熱CVD法，從而進(jìn)行規(guī)定目標(biāo)層厚的微粒粒狀組織的（TigAlxMCYNn)層的成 膜（區(qū)域A層）。
[0025](c)其后，重復(fù)進(jìn)行規(guī)定次數(shù)的所述（a)、（b)的工序，從而能夠形成由柱狀組織的 OVxAlx) (CyU層和微粒粒狀組織的（TinAlx) (CyU層的交替層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成的硬質(zhì)包 覆層。
[0026] (d)微粒粒狀組織的OVxAlx) (CA-Y)層的刀尖韌性比柱狀組織的OVxAlx) (CyNh)層優(yōu)異，因此從提高耐崩刀性的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選將交替層疊結(jié)構(gòu)的最上層設(shè)為微粒 粒狀組織的（TigAL) (CyNh)層即區(qū)域A層。
[0027] 當(dāng)在粒狀組織的（TigAlx) (CAJ層中A1在A1和Ti的總量中所占的含有比例x 為0. 7彡x彡0. 8,且在柱狀組織的（TigAlx) (CyNh)層中A1在A1和Ti的總量中所占的 含有比例x為0. 85 <x< 0. 95時(shí)，耐缺損性、耐崩刀性尤其得到提高。具有上述特征的表 面包覆切削工具即使在斷續(xù)的沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的鋼或鑄鐵的高速斷續(xù)切削加工 中使用時(shí)，硬質(zhì)包覆層也在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0028] 本發(fā)明是基于上述見(jiàn)解而完成的，其具有以下所示的形態(tài)。
[0029] (1) 一種表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(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)體中的任意一種構(gòu)成的工具基體的表面設(shè)有硬質(zhì)包覆層，其中， 所述硬質(zhì)包覆層至少具有通過(guò)化學(xué)蒸鍍法成膜的Ti和A1的復(fù)合碳氮化物層，所述復(fù)合碳 氮化物層具有總計(jì)平均層厚為1?10Um的交替層疊結(jié)構(gòu)，所述交替層疊結(jié)構(gòu)由以組成式： (TihAlJ((；1)表示的區(qū)域A層和區(qū)域B層構(gòu)成，所述區(qū)域A層中，A1在Ti和A1的總量 中所占的含有比例X、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. 70 <x< 0. 80、0. 0005 <y< 0. 005,并且，若將與所述工具基體的表面平行的 面內(nèi)的粒子寬度的平均值設(shè)為平均粒子寬度W、將與所述工具基體的表面垂直的方向的粒 子長(zhǎng)度的平均值設(shè)為平均粒子長(zhǎng)度L，則所述平均粒子寬度W為0. 1ym以下，平均粒子長(zhǎng) 度L為0.lym以下，所述區(qū)域B層中，A1在Ti和A1的總量中所占的含