表面包覆切削工具及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供耐崩刀性、耐磨損性優(yōu)異的表面包覆切削工具及其制造方法。在由WC基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面蒸鍍形成平均層厚為2～10μm的硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具，即（a）一種由Al和Ti的復(fù)合氮化物層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，該層中Ti在Al和Ti的總量中所占的含有比例為0.15～0.45，為原子比，（b）在自上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖距離100μm的位置為止的范圍內(nèi)，硬質(zhì)包覆層具有粒狀結(jié)晶組織，且硬質(zhì)包覆層表面的粒狀晶粒的平均粒徑為0.2～0.5μm，并且，工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面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0.02～0.1μm，并且，粒徑為0.15μm以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例為20%以下。
【專利說明】表面包覆切削工具及其制造方法
【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)及其制造方法，該表面包覆切削工具的硬質(zhì)包覆層在碳鋼、不銹鋼等切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨損性。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，包覆工具中已知有如下工具:在各種鋼和鑄鐵等工件的車削加工和平面銑削加工中所使用的裝卸自如地安裝在車刀前端部的可轉(zhuǎn)位刀片、使用于所述工件的鉆孔切削加工等的鉆頭、以及使用于所述工件的端面切削加工、槽加工及臺肩加工等的實心式立銑刀等，并且，已知有裝卸自如地安裝所述可轉(zhuǎn)位刀片且與所述實心式立銑刀同樣地進(jìn)行切削加工的可轉(zhuǎn)位立銑刀工具等。
[0003]例如，如專利文獻(xiàn)1、2所示，作為包覆工具已知有在由碳化鎢(以下，用WC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和Ti的復(fù)合氮化物[以下，用(Al，Ti)N表示]層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層而成的包覆工具，已知這種以往的包覆工具中，構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的所述(Al，Ti ) N層具有優(yōu)異的高溫硬度、耐熱性、高溫強度及高溫抗氧化性等，因此發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0004]并且，已知上述以往的包覆工具通過離子鍍法或濺射法進(jìn)行成膜，而例如作為通過電弧離子鍍進(jìn)行成膜的方法，還已知能夠通過如下方法制造:如圖1所示，將工具基體裝入電弧離子鍍裝置中，并在由加熱器將工具基體加熱至500°c的溫度的狀態(tài)下，在陽極電極與設(shè)置有具有預(yù)定組成的Al-Ti合金的陰極電極之間，在電流:90A的條件下發(fā)生電弧放電，同時向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮氣作為反應(yīng)氣體，并設(shè)為2Pa的反應(yīng)氣氛,另一方面,在對上述工具基體施加-100V的偏置電壓的條件下，在所述工具基體的表面蒸鍍形成上述(Al，Ti) N層。
[0005]然而，包覆工具中，為了實現(xiàn)其切削性能，尤其為了改善耐崩刀性、耐磨損性等，而對硬質(zhì)包覆層的組織結(jié)構(gòu)提出有各種建議。
[0006]例如，專利文獻(xiàn)3中，作為抑制前刀面上的包覆層的缺損而提高了耐缺損性、并且提高了后刀面上的耐磨損性的包覆工具，記載有如下包覆工具(立銑刀)，即由柱狀結(jié)晶構(gòu)成包覆層，且前刀面上的包覆層厚比后刀面上的包覆層厚薄，且由包覆層表面?zhèn)鹊纳蠈訁^(qū)域的平均結(jié)晶寬度比包覆層基體側(cè)的下層區(qū)域的平均結(jié)晶寬度更大的兩個層區(qū)域構(gòu)成，且上層區(qū)域的厚度相對于前刀面上的包覆層厚的比率小于上層區(qū)域的厚度相對于后刀面上的包覆層厚的比率，且前刀面上的柱狀結(jié)晶的平均結(jié)晶寬度小于后刀面上的柱狀結(jié)晶的平均結(jié)晶寬度。
[0007]并且，例如，專利文獻(xiàn)4中，作為具備兼顧耐磨損性和韌性，并且與基材的粘附性也優(yōu)異的被膜的包覆工具，記載有如下包覆工具:形成于基材上的被膜包含第I被膜層，該第I被膜層包括微細(xì)組織區(qū)域和粗大組織區(qū)域，該微細(xì)組織區(qū)域中，構(gòu)成該微細(xì)組織區(qū)域的化合物的平均晶體粒徑為10?200nm，并且自該第I被膜層的表面?zhèn)日紦?jù)相對于該第I被膜層的整體厚度成為50%以上的厚度的范圍而存在，并且具有作為_4GPa以上-2GPa以下的范圍的應(yīng)力的平均壓縮應(yīng)力，且該第I被膜層在其厚度方向上具有應(yīng)力分布，在該應(yīng)力分布中具有兩個以上的極大值或極小值，它們的極大值或極小值具有相當(dāng)于位于厚度方向表面?zhèn)鹊谋荒つ敲锤叩膲嚎s應(yīng)力。
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開昭62-56565號公報
[0009]專利文獻(xiàn)2:日本專利公開平2-194159號公報
[0010]專利文獻(xiàn)3:日本專利公開2008-296290號公報
[0011]專利文獻(xiàn)4:日本專利公開2011-67883號公報
[0012]近年來切削加工裝置的高性能化顯著，另一方面，隨著對切削加工的節(jié)省勞力化及節(jié)能化以及低成本化的要求強烈，將在更加苛刻的切削條件下進(jìn)行切削加工。
[0013]上述以往的包覆工具中，能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的耐崩刀性、耐缺損性及耐磨損性的改善，但現(xiàn)狀是當(dāng)將其使用于碳鋼、不銹鋼等更加苛刻的切削加工中時，容易產(chǎn)生崩刀、或磨損損傷變大，因此在比較短的時間內(nèi)達(dá)到使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]因此，本發(fā)明人等為了提供一種在碳鋼、不銹鋼等切削加工中，耐崩刀性及耐磨損性優(yōu)異，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的包覆工具及其制造方法，對硬質(zhì)包覆層的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究的結(jié)果，得到了以下見解。
[0015]以往，制作包覆工具時，作為硬質(zhì)包覆層的形成方法一般采用CVD法、PVD法等，并且,例如通過作為PVD法的一種的電弧離子鍍法(以下，稱為AIP法)成膜由(Al,Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層時，將工具基體裝入裝置內(nèi)，并施加預(yù)定的偏置電壓的同時將裝置內(nèi)加熱至預(yù)定溫度的狀態(tài)下，在陽極電極與預(yù)定組成的Al-Ti合金靶之間發(fā)生電弧放電，同時向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮氣作為反應(yīng)氣體，并在預(yù)定壓力的反應(yīng)氣氛中進(jìn)行蒸鍍，由此來成膜硬質(zhì)包覆層(參考圖1)。
[0016]本發(fā)明人等在成膜根據(jù)上述以往的AIP法的由(Al，Ti)N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層時，在工具基體與靶之間施加磁場，并對影響硬質(zhì)包覆層的組織結(jié)構(gòu)的磁場進(jìn)行調(diào)查研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過在預(yù)定強度的磁場中進(jìn)行根據(jù)AIP法的硬質(zhì)包覆層的成膜，從而能夠調(diào)整構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的粒狀晶粒的晶體粒徑，并且，還能夠調(diào)整形成于切削刃前端的角部的連續(xù)裂紋的裂紋占有率，并且，如此具備已調(diào)整硬質(zhì)包覆層的晶體粒徑及裂紋占有率的由(Al，Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的包覆工具，在碳鋼、不銹鋼等切削加工中，發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨損性，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0017]本發(fā)明是基于上述見解而完成的，其具有如下特征:
[0018](I) 一種包覆工具，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平均層厚為2?10 μ m的硬質(zhì)包覆層，其中，
[0019](a)硬質(zhì)包覆層由Al和Ti的復(fù)合氮化物層構(gòu)成，并且，該層中Ti在Al和Ti的總量中所占的含有比例為0.15?0.45 (為原子比)，
[0020](b)在自上述包覆工具的后刀面上的刀尖距離100 μ m的位置為止的范圍內(nèi)，硬質(zhì)包覆層具有粒狀結(jié)晶組織，并且，硬質(zhì)包覆層表面的粒狀晶粒的平均粒徑為0.2?0.5 μ m，并且，工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面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 μ m,并且，粒徑為0.15 μ m以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例為20%以下。
[0021](2)根據(jù)上述(I)所述的包覆工具，其中，當(dāng)將上述包覆工具的刀尖角度設(shè)為α度，并將形成于該α度的角度范圍內(nèi)的切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中的連續(xù)裂紋的占有角度設(shè)為β度時，裂紋占有率β/α為0.3?1.0。
[0022](3)—種制造上述(I)或(2)所述的表面包覆切削工具的方法，其為制造在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面，蒸鍍形成平均層厚為2?10 μ m的硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具的方法，其中，具備:基體裝入工序，將由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體裝入電弧離子鍍裝置內(nèi)，其中，電弧離子鍍裝置具備陽極電極、由Al-Ti合金構(gòu)成的靶及設(shè)置于上述靶的背面?zhèn)鹊拇帕Πl(fā)生源；及蒸鍍工序，在上述工具基體上蒸鍍形成由Al和Ti的復(fù)合氮化物層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，上述蒸鍍工序具有:氣體導(dǎo)入工序，向上述電弧離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入氮氣；施加工序，通過上述磁力發(fā)生源在上述靶與上述工具基體之間施加累計磁力在40?150mTXmm的范圍內(nèi)的磁場；放電工序，對上述工具基體施加偏置電壓，并且使在上述靶與上述陽極電極之間發(fā)生電弧放電；及自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)工序，使上述工具基體在上述電弧離子鍍裝置內(nèi)自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)，當(dāng)上述工具基體與上述靶最接近時，以上述工具基體的后刀面的一部分或全部與上述靶的上述工具基體側(cè)的面呈水平狀態(tài)的方式支撐上述工具基體。
[0023]接著，對該發(fā)明的包覆工具及其制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024](a)硬質(zhì)包覆層的類別、平均層厚:
[0025]該發(fā)明的硬質(zhì)包覆層由Al和Ti的復(fù)合碳氮化物層((Al，Ti) N層)構(gòu)成。
[0026]上述(Al，Ti) N層中，Al成分提高高溫硬度和耐熱性，Ti成分具有提高高溫韌性、高溫強度的作用，因此作為高溫硬度、耐熱性及高溫強度優(yōu)異的硬質(zhì)包覆層已是眾所周知的。
[0027]本發(fā)明中，若Ti占其與Al的總量的含有比例(原子比，以下相同)小于0.15，則由于六方晶結(jié)晶結(jié)構(gòu)的比例增加而硬度降低，另一方面，若Ti占其與Al的總量的含有比例(原子比)超過0.45，則相對地Al的含有比例減少，導(dǎo)致耐熱性降低，其結(jié)果，因產(chǎn)生偏磨損及熱塑性變形等而導(dǎo)致耐磨損性劣化，因此Ti占其與Al的總量的含有比例(原子比)需為
0.15 ?0.45。
[0028]并且，若由(Al，Ti)N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的平均層厚小于2 μ m，則無法經(jīng)長期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性，成為工具壽命短的原因，另一方面，若其平均層厚超過10 μ m，則膜容易自毀，因此其平均層厚需為2?10 μ m。
[0029](b)由(Al，Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的層結(jié)構(gòu):
[0030]本發(fā)明中，將上述由(Al，Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層作為粒狀結(jié)晶進(jìn)行成膜，并且，硬質(zhì)包覆層表面的晶粒的平均晶體粒徑(以下，僅稱為“表面粒徑”)設(shè)為0.2?0.5 μ m，另一方面，將工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面的硬質(zhì)包覆層的晶粒的平均晶體粒徑(以下，僅稱為“界面粒徑”)設(shè)為比表面粒徑小0.02?0.1 μ m的值而進(jìn)行成膜，且以使硬質(zhì)包覆層的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)形成為表面粒徑和界面粒徑成為分別不同的平均晶體粒徑范圍的方式進(jìn)行成膜。
[0031]其中，“工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面的硬質(zhì)包覆層的晶?！币馕吨纬捎谟操|(zhì)包覆層內(nèi)的自工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面厚度0.5μπι的硬質(zhì)包覆層內(nèi)部的區(qū)域的晶粒，并且，“硬質(zhì)包覆層表面的晶粒”意味著形成于自硬質(zhì)包覆層的表面深度0.5 μ m的區(qū)域的晶粒。
[0032]并且，其中的“粒狀結(jié)晶”意味著縱橫尺寸比為I以上6以下的晶粒。縱橫尺寸比是通過將長邊設(shè)為分子，短邊設(shè)為分母來計算在晶粒截面上最長的直徑(長邊)和與其垂直的直徑(短邊)的長度之比。
[0033]關(guān)于平均晶體粒徑具體說明如下。
[0034]若硬質(zhì)包覆層表面的晶粒的平均晶體粒徑(表面粒徑)小于0.2 μ m，則層中含有的晶界變多，因此切削加工時容易在比晶內(nèi)相對脆弱的晶界部分產(chǎn)生破壞，耐磨損性惡化。另一方面，若表面粒徑超過0.5 μ m，則層中含有的晶界較少，因此切削加工時負(fù)荷容易局部施加于晶界且在產(chǎn)生裂紋時容易擴(kuò)展，耐崩刀性惡化。因此，切削加工時變得無法在長期使用中發(fā)揮充分的耐磨損性及耐崩刀性，因此表面粒徑設(shè)定為0.2?0.5 μ m。
[0035]關(guān)于工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面的硬質(zhì)包覆層的晶粒的平均晶體粒徑(界面粒徑)，需設(shè)為比表面粒徑僅小0.02?0.1 μ m的值，其技術(shù)性的理由是，超過表面粒徑0.1 μ m而界面粒徑較小時，由于硬質(zhì)包覆層表面區(qū)域與界面區(qū)域的平均粒徑之差而導(dǎo)致反映出切削加工時在表面區(qū)域與界面區(qū)域的耐磨損性之差，從而變得容易在切削加工時產(chǎn)生磨損和崩刀，產(chǎn)生切削性能惡化的問題。
[0036]另一方面，界面粒徑與表面粒徑之差在0.02 μ m以內(nèi)時，因在表面與界面粒徑相同而耐磨損性變得相同，進(jìn)行切削時無法賦予提高耐磨損性的作用。
[0037]另外，本發(fā)明中，通過將界面粒徑設(shè)為比表面粒徑小0.02?0.1 μ m的值，由此，進(jìn)行切削加工時，在硬質(zhì)包覆層表面的耐磨損性的提高效果與在界面區(qū)域的耐崩刀性的提高效果協(xié)同作用，從而能夠在長期使用中發(fā)揮充分的耐磨損性及耐崩刀性。
[0038]粒徑的測定方法如下述。
[0039]從工具基體刀尖切出后刀面?zhèn)鹊慕孛?，并利用SEM對其截面進(jìn)行觀察。使用形成于自硬質(zhì)包覆層表面深度0.5 μ m的區(qū)域的各晶粒，與工具基體表面平行地畫出直線，并將晶界之間的距離定義為粒徑。另外，將與工具基體表面平行地畫出直線的位置設(shè)為在各晶粒中成為最長的晶體粒徑的位置。在自后刀面上的刀尖距離ΙΟΟμπι的位置為止的范圍內(nèi)測定晶體粒徑，并將其平均晶體粒徑的平均值設(shè)為表面粒徑。更具體而言，在后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距離50 μ m的位置以及自刀尖距離100 μ m的位置這三處，測定在寬度10 μ m的范圍內(nèi)存在的結(jié)晶的晶體粒徑，并且，將在這三處的所有晶體粒徑的平均值設(shè)為表面粒徑。并且，在形成于硬質(zhì)包覆層內(nèi)的自工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面厚度0.5 μ m的區(qū)域的各晶粒中也通過同樣的方法計算界面粒徑。
[0040]并且，在自后刀面上的刀尖距離ΙΟΟμπι的位置為止的范圍內(nèi)(具體進(jìn)行測定的有后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距離50 μ m的位置以及自刀尖距離ΙΟΟμπι的位置這三處)，關(guān)于表面粒徑及界面粒徑中的任一個，粒徑為0.15μπι以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例均需為20%以下，這是因為，在粒徑為0.15 μ m以下的微細(xì)晶粒超過20%而形成時，層中含有的晶界變多，因此切削加工時容易在比晶內(nèi)相對脆弱的晶界部分產(chǎn)生破壞，耐磨損性惡化。
[0041]其中，“粒徑為0.15μπι以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例”表示對多個晶粒的粒徑進(jìn)行測定，且粒徑0.15 μ m以下的晶體粒徑長度之和相對于其所有測定晶體粒徑長度之和的比例。[0042]如圖3所示， 使用存在于虛線部的晶粒，測定各晶體粒徑之后，計算表面粒徑、界面粒徑及粒徑為0.15 μ m以下的晶體粒徑長度比例。另外，虛線部的寬度設(shè)為各ΙΟμπι。并且，所謂“刀尖”在本發(fā)明中定義為，如圖3所示，“除切削刃前端的角部的呈圓錐形狀的部分之外的，接近直線狀切削刃的最前端的部分”。
[0043]本發(fā)明中，進(jìn)一步如圖4所示，將包覆工具的刀尖角度設(shè)為α度，且將在該α度的角度范圍內(nèi)的硬質(zhì)包覆層中所形成的連續(xù)裂紋的占有角度設(shè)為β時，優(yōu)選將切削刃前端的角部的裂紋占有率β/α設(shè)為0.3~1.0，更優(yōu)選β/α為0.3~0.9。
[0044]其理由如下。
[0045]使用電弧離子鍍裝置(AIP裝置)在工具基體表面形成硬質(zhì)包覆層時，層中蓄積有壓縮殘余應(yīng)力，尤其在晶體粒徑較大的層中，壓縮殘余應(yīng)力集中在晶界，且容易成為龜裂的起點。
[0046]然而，根據(jù)本發(fā)明，切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中預(yù)先形成有裂紋，因此殘余應(yīng)力的集中會降低，尤其能夠抑制因切削開始初期產(chǎn)生崩刀等引起的切削性能的下降。
[0047]其中，β/α小于0.3時，無法期待壓縮殘余應(yīng)力的集中抑制效果，因此β/α設(shè)定為0.3以上。
[0048]從壓縮殘余應(yīng)力的集中抑制效果的觀點來看，無需設(shè)置β/α的值的上限(即，β/α為0.3~1.0)，但β/α的值越接近1.0，則變得越容易在硬質(zhì)包覆層與工具基體界面產(chǎn)生界面剝離，因此β / α的值優(yōu)選為0.3~0.9。
[0049]其中，裂紋占有率在本發(fā)明中定義如下。
[0050]如圖4所示，將通過后刀面上的刀尖A的后刀面的垂線與通過前刀面上的刀尖B的前刀面的垂線的交點設(shè)為中心O時，將A-O-B所成的角度稱為刀尖角度α (度)。
[0051]并且，關(guān)于形成于切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中的連續(xù)裂紋，自所述中心O畫出與連續(xù)的一個裂紋的端部C、D連接的線時，將C-O-D所成的角度設(shè)為連續(xù)裂紋的占有角度β (度)。其中，當(dāng)裂紋橫穿O-A或O-B的延長線上時，將延長線與裂紋的交點分別設(shè)為C、D。切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中存在多個裂紋時，設(shè)為使用表示最大占有角度的連續(xù)裂紋。
[0052]并且，將(連續(xù)裂紋的占有角度β )/ (刀尖角度α )的值定義為裂紋占有率。圖4的(b)中，將表示刀尖角度α內(nèi)的最大角度β的裂紋(3/^=1)作為裂紋的端部(:、0來表示。并且，圖4的(C)中，雖然不是表示刀尖角度α內(nèi)的最大角度的裂紋，但作為β/α< I的裂紋占有率即裂紋的端部C’、D’來表示。
[0053]另外，本發(fā)明包覆工具將由(Al，Ti)N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的平均層厚設(shè)定為2~10 μ m，將Ti在Al和Ti的總量中所占的含有比例設(shè)定為0.15~0.45 (原子比)，將粒狀晶粒的表面粒徑、界面粒徑設(shè)定在特定的數(shù)值范圍內(nèi)，并且，在自后刀面上的刀尖距離100 μ m的位置為止的范圍內(nèi)的粒徑為0.15 μ m以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例設(shè)定為20%以下，由此刀尖的裂紋占有率β/α自然成為0.3~I。
[0054]( c)硬質(zhì)包覆層的蒸鍍形成
[0055]該發(fā)明的硬質(zhì)包覆層能夠通過如下方法形成，即使用如圖2的(a)、(b)所示的電弧離子鍍裝置(AIP裝置)，將工具基體的溫度維持在370~450°C的同時，使工具基體在AIP裝置內(nèi)自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)，并對靶表面中心與最接近于靶的工具基體之間施加預(yù)定的磁場(累計磁力為40?150mTXmm)的同時進(jìn)行蒸鍍而形成。
[0056]例如，在AIP裝置的一側(cè)設(shè)置由基體清洗用Ti電極構(gòu)成的陰極電極，在另一側(cè)設(shè)置由70at%Al-30at%Ti合金構(gòu)成的靶(陰極電極)，
[0057]首先，對由碳化鈦(WC)基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體進(jìn)行清洗/干燥，且安裝在AIP裝置內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺上，并在真空中在基體清洗用的Ti電極和陽極電極之間發(fā)生100A的電弧放電而對工具基體施加-1000V的偏置電壓的同時對工具基體表面進(jìn)行轟擊清洗，
[0058]接著，施加自Al-Ti合金靶的表面中心到最接近靶的工具基體為止的累計磁力在40?150mTXmm范圍內(nèi)的磁場，
[0059]接著，向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮氣作為反應(yīng)氣體并設(shè)為6Pa的氣氛壓力，且將工具基體的溫度維持在370?450°C，并對工具基體施加-50V的偏置電壓，并且在Al-Ti合金靶(陰極電極)與陽極電極之間發(fā)生100A的電弧放電，工具基體最接近靶時，將工具基體支撐為后刀面的一部分或全部與靶面呈水平狀態(tài)而進(jìn)行自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行蒸鍍，由此能夠蒸鍍形成由具有本發(fā)明的層結(jié)構(gòu)的(Al，Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層。
[0060]另外，關(guān)于對上述Al-Ti合金祀與工具基體之間施加磁場，能夠通過例如在陰極周邊設(shè)置作為磁場發(fā)生源的電磁線圈或永久磁鐵，或者在AIP裝置的內(nèi)部、中心部配置永久磁鐵等任意的方法形成磁場。
[0061]其中本發(fā)明的累計磁力通過以下的計算方法計算。
[0062]通過磁通密度計，在自Al-Ti合金靶中心到工具基體的位置為止的直線上以IOmm間隔測定磁通密度。磁通密度以單位mT (毫特)表示，自靶表面到工具基體的位置為止的距離以單位mm (毫米)表示。另外，將自靶表面到工具基體的位置為止的距離設(shè)為橫軸，且將磁通密度以縱軸的曲線表示時，將相當(dāng)于面積的值定義為累計磁力(mTXmm)。
[0063]其中，工具基體的位置設(shè)為與Al-Ti合金靶最接近的位置。另外，在磁通密度的測定中，只要是形成磁場的狀態(tài)，則不為放電中也可，例如也可在大氣壓下以未放電的狀態(tài)進(jìn)行測定。
[0064]該發(fā)明的包覆工具為由預(yù)定組成的(Al，Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，但自刀尖距離100 μ m的位置為止的范圍內(nèi)由粒狀結(jié)晶組織構(gòu)成,并且,表面粒徑為0.2?0.5 μ m,并且，界面粒徑比表面粒徑小0.02?0.1 μ m，并且，在自后刀面上的刀尖距離ΙΟΟμπι的位置為止的范圍內(nèi)，粒徑為0.15 μ m以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例為20%以下，刀尖的裂紋占有率β/α為0.3?1.0，因此在碳鋼、不銹鋼等切削加工中，發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨損性，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0065]圖1表不以往的AIP裝直的不意說明圖，且(a)表不俯視圖，(b)表不側(cè)視圖。
[0066]圖2表示用于制作本發(fā)明的包覆工具的AIP裝置的示意說明圖，且(a)表示俯視圖，(b)表不側(cè)視圖ο
[0067]圖3表示本發(fā)明的包覆工具的縱截面示意說明圖。
[0068]圖4為說明本發(fā)明的包覆工具的刀尖角度α、連續(xù)裂紋的占有角度β及裂紋占有率之間的關(guān)系的圖，Ca)表示包括切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層的截面SEM照片(倍率:10000倍)、(b)及(C)表示其示意圖?！揪唧w實施方式】
[0069]接著，通過實施例對該發(fā)明進(jìn)行具體說明。
[0070][實施例1]
[0071]作為原料粉末，準(zhǔn)備具有平均粒徑為5.5 μ m的中粗粒WC粉末，平均粒徑為0.8 μ m的微粒WC粉末、平均粒徑為1.3 μ m的TaC粉末、平均粒徑為1.2 μ m的NbC粉末、平均粒徑為1.2 μ m的ZrC粉末、平均粒徑為2.3 μ m的Cr3C2粉末、平均粒徑為1.5 μ m的VC粉末、平均粒徑為1.Ομπι的(Ti，W)C[以質(zhì)量比計為TiC/WC=50/50]粉末及平均粒徑為1.8 μ m的Co粉末，將這些原料粉末分別配合成表I所示的配合組成，再加入蠟而在丙酮中球磨混合24小時，減壓干燥后，在IOOMPa的壓力下沖壓成型為預(yù)定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中以7V /分鐘的升溫速度升溫至1370?1470°C范圍內(nèi)的預(yù)定溫度，保持該溫度I小時后，在爐冷的條件下進(jìn)行燒結(jié)，形成直徑為IOmm的工具基體形成用圓棒燒結(jié)體，再通過磨削加工從所述圓棒燒結(jié)體分別制造出具有切削刃部的直徑X長度為6_X13mm的尺寸及螺旋角為30度的雙刃球形形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體(立銑刀)I?5。
[0072](a)將上述工具基體I?5分別在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，在已干燥的狀態(tài)下，在圖2所示的AIP裝置的旋轉(zhuǎn)臺上的中心軸向半徑方向距離預(yù)定距離的位置上沿外周部進(jìn)行安裝，且在AIP裝置的一側(cè)配置轟擊清洗用Ti陰極電極，在另一側(cè)配置由預(yù)定組成的Al-Ti合金構(gòu)成的靶(陰極電極)，
[0073](b)首先，對裝置內(nèi)進(jìn)行排氣而保持為真空，并且用加熱器將工具基體加熱至400°C之后，對邊在所述旋轉(zhuǎn)臺上自轉(zhuǎn)邊旋轉(zhuǎn)的工具基體施加-1000V的直流偏置電壓，并且，使100A的電流流過Ti陰極電極與陽極電極之間而發(fā)生電弧放電，進(jìn)而轟擊清洗工具基體表面。
[0074](c)接著，施加各種磁場，以使自上述Al-Ti合金靶的表面中心到工具基體為止的累計磁力在40?I5OmTXmm范圍內(nèi)。
[0075]其中，以下敘述累計磁力的計算方法。通過磁通密度計，在自Al-Ti合金靶中心到工具基體的位置為止的直線上以IOmm的間隔測定磁通密度。磁通密度以單位mT (毫特)表示，自靶表面到工具基體的位置為止的距離以單位_ (毫米)表示。另外，將自靶表面到工具基體的位置為止的距離設(shè)為橫軸，且將磁通密度以縱軸的曲線表示時，將相當(dāng)于面積的值定義為累計磁力(mTXmm)。其中，工具基體的位置設(shè)為與Al-Ti合金靶最接近的位置。另外，磁通密度的測定在形成磁場的狀態(tài)下未在大氣壓下事先放電的狀態(tài)下進(jìn)行測定。
[0076](d)接著，向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮氣作為反應(yīng)氣體而設(shè)為6Pa的反應(yīng)氣氛，并且將邊在所述旋轉(zhuǎn)臺上自轉(zhuǎn)邊旋轉(zhuǎn)的工具基體的溫度維持在370?450°C范圍內(nèi)，并且施加-50V的直流偏置電壓，并使100A電流流過所述Al-Ti合金靶與陽極電極之間而發(fā)生電弧放電，進(jìn)而在所述工具基體的表面蒸鍍形成由表2所示的組成及目標(biāo)平均層厚的(Al，Ti) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，
[0077]由此，分別制造出作為本發(fā)明包覆工具的表面包覆立銑刀I?7 (以下，稱為本發(fā)明I?7)。
[0078]另外，圖2所示的AIP裝置中，工具基體與Al-Ti合金靶最接近時，以后刀面的一部分或全部與Al-Ti合金靶的上述工具基體側(cè)的面呈水平狀態(tài)的方式安裝支撐工具基體。[0079]比較例1:
[0080]以比較為目的，變更上述實施例1中的(C)的條件(B卩，自Al-Ti合金靶的表面中心到工具基體為止的累計磁力低于40mTXmm或超過150mTXmm)，并且，變更(d)的條件(SP，工具基體維持低于370°C，或超過450°C的溫度)，其他以與實施例1相同的條件，分別制造作為比較例包覆工具的表面包覆立銑刀I?5 (以下，稱為比較例I?5)。另外，由實施例1分別制造Ti在包覆層中的Al和Ti的總量中所占的含有比例在0.15?0.45的范圍外，包覆層的平均層厚在2?10 μ m的范圍外的表面包覆立銑刀6?10。
[0081]對于通過上述制作的本發(fā)明I?7及比較例I?10，觀察其縱截面的硬質(zhì)包覆層的晶粒形態(tài)的結(jié)果，均由縱橫尺寸比為I以上6以下的粒狀結(jié)晶組織構(gòu)成?？v橫尺寸比是指以長邊為分子，短邊為分母，計算在晶粒截面上最長的直徑(長邊)和與其垂直的直徑(短邊)的長度之比。
[0082]另外，通過掃描型電子顯微鏡(SEM)測定該粒狀結(jié)晶的晶體粒徑，并求出在自后刀面上的刀尖距離ΙΟΟμπι的位置為止的范圍內(nèi)的表面粒徑、界面粒徑。具體而言如下求出:在后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距離50 μ m的位置以及自刀尖距離100 μ m的位置這三處，計算在寬度IOym的范圍內(nèi)存在的結(jié)晶的所有晶體粒徑，并計算在這三處的位置的平均值。
[0083]并且，以同樣的方法，在自后刀面上的刀尖距離ΙΟΟμπι的位置為止的范圍內(nèi)，在后刀面上的刀尖、后刀面上自刀尖距離50 μ m的位置以及自刀尖距離100 μ m的位置的界面和表面共六處進(jìn)行測定而求出粒徑為0.15 μ m以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例。
[0084]在表2、表3中示出通過上述測定/計算的各值。
[0085]另外，如下對上述晶體粒徑的測定法、粒徑為0.15μπι以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例的測定法更具體地進(jìn)行說明。
[0086]包括包覆工具的切削刃前端的角部，對后刀面的截面進(jìn)行研磨加工之后，通過SEM圖像對其截面進(jìn)行觀察。作為測定條件，使用觀察倍率:10000倍、加速電壓:3kV的條件。使用形成于自硬質(zhì)包覆層表面深度0.5 μ m的區(qū)域的各晶粒，與工具基體表面平行地畫出直線，將晶界之間的距離定義為粒徑。另外，將與工具基體表面平行地畫出直線的位置作為各晶粒中成為最長的晶體粒徑的位置。在自后刀面上的刀尖距離ΙΟΟμπι的位置為止的范圍內(nèi)，作為具體的測定點，在后刀面上刀尖、后刀面上自刀尖距離50 μ m的位置以及自刀尖距離100 μ m的位置這三處測定存在于寬度10 μ m的范圍內(nèi)的結(jié)晶的晶體粒徑，并且，將在這三處的平均晶體粒徑的平均值作為表面粒徑。測定寬度10 μ m的粒徑時，使用以各測定部位為中心在刀尖側(cè)5 μ m、與刀尖相反的一側(cè)5 μ m的各晶粒。其中，在后刀面上的刀尖處，將自刀尖距離5 μ m的位置為中心而在刀尖側(cè)5 μ m、與刀尖相反的一側(cè)5 μ m的寬度10 μ m的范圍內(nèi)進(jìn)行了測定。并且，對于形成于硬質(zhì)包覆層內(nèi)的自工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面在厚度0.5μπι的區(qū)域的各晶粒，也以同樣的方法計算界面粒徑。
[0087]并且，關(guān)于粒徑為0.15μπι以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例的測定方法，使用在對上述粒徑進(jìn)行測定的界面三處及表面三處進(jìn)行測定的晶體粒徑的所有測定數(shù)據(jù)。將粒徑為0.15 μ m以下的晶體粒徑之和相對于所測定的所有晶體粒徑之和的比例，作為粒徑為0.15 μ m以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例。
[0088]另外，對本發(fā)明I?7及比較例I?10的刀尖角度α進(jìn)行測定，并且對切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中的連續(xù)裂紋的占有角度β進(jìn)行測定，并計算裂紋占有率β/α的值。
[0089]在表2、表3中示出它們的值。
[0090]另外，如下對上述刀尖角度α、連續(xù)裂紋的占有角度β的測定法進(jìn)行更具體的說明。
[0091]為測定晶體粒徑而觀察的SEM圖像中，使用切削刃前端部的截面SEM圖像。測定條件使用觀察倍率:10000倍、加速電壓:3kV的條件。將本發(fā)明4的切削刃前端部的截面SEM圖像(a)及不意圖(b)不于圖4。用圖4的(b)進(jìn)行說明。將后刀面上的刀尖設(shè)為A、前刀面上的刀尖設(shè)為B。畫出通過A的后刀面的垂線、通過B的前刀面的垂線，且將這兩條垂線的交點設(shè)為中心O。將刀尖角度α (度)設(shè)為A-O-B所成的角度。
[0092]并且，關(guān)于形成于切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中的連續(xù)裂紋，從所述中心O投射該裂紋時，將與通過A的后刀面的垂線最近的部位設(shè)為C、與通過B的后刀面的垂線最近的部位設(shè)為D。連續(xù)裂紋的占有角度β (度)設(shè)為C-O-D所成的角度。另外，當(dāng)在切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中存在多個裂紋時，將由表示最大值的連續(xù)裂紋計算的值定義為連續(xù)裂紋的占有角度β。
[0093]并且，將(連續(xù)裂紋的占有角度β ) / (刀尖角度α )的值定義為裂紋占有率。
[0094][表 I]
[0095]
【權(quán)利要求】
1.一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平均層厚為2?10 μ m的硬質(zhì)包覆層，其特征在于， (a)硬質(zhì)包覆層由Al和Ti的復(fù)合氮化物層構(gòu)成，并且，該層中Ti在Al和Ti的總量中所占的含有比例為0.15?0.45，為原子比， (b)在自上述表面包覆切削工具的后刀面上的刀尖距離IOOym的位置為止的范圍內(nèi)，硬質(zhì)包覆層具有粒狀結(jié)晶組織，且硬質(zhì)包覆層表面的粒狀晶粒的平均粒徑為0.2?0.5 μ m，并且，工具基體與硬質(zhì)包覆層的界面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 μ m,并且，粒徑為0.15 μ m以下的晶粒所占的晶體粒徑長度比例為20%以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 當(dāng)將上述表面包覆切削工具的刀尖角度設(shè)為α度，并將形成于該α度的角度范圍內(nèi)的切削刃前端的角部的硬質(zhì)包覆層中的連續(xù)裂紋的占有角度設(shè)為β度時，裂紋占有率β/α 為 0.3 ?1.0。
3.—種制造權(quán)利要求1或2所述的表面包覆切削工具的方法，其為制造在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面蒸鍍形成平均層厚為2?10 μ m的硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具的方法，其特征在于，具備: 基體裝入工序，將由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體裝入電弧離子鍍裝置內(nèi)，其中，電弧離子鍍裝置具備陽極電極、由Al-Ti合金構(gòu)成的靶及設(shè)置于上述靶的背面?zhèn)鹊拇帕Πl(fā)生源；及蒸鍍工序，在上述工具基體上蒸鍍形成由Al和Ti的復(fù)合氮化物層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層， 上述蒸鍍工序具有:氣體導(dǎo)入工序，向上述電弧離子鍍裝置內(nèi)導(dǎo)入氮氣；施加工序，通過上述磁力發(fā)生源在上述祀與上述工具基體之間施加累計磁力在40?150mTXmm的范圍內(nèi)的磁場；放電工序，對上述工具基體施加偏置電壓，并且使在上述靶與上述陽極電極之間發(fā)生電弧放電；及自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)工序，使上述工具基體在上述電弧離子鍍裝置內(nèi)自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)， 當(dāng)上述工具基體與上述靶最接近時，以上述工具基體的后刀面的一部分或全部與上述靶的上述工具基體側(cè)的面呈水平狀態(tài)的方式支撐上述工具基體。
【文檔編號】B23P15/28GK103962816SQ201410041494
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】仙北屋和明, 大上強, 橋本達(dá)生 申請人:三菱綜合材料株式會社