專(zhuān)利名稱(chēng)：硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的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)明涉及一種表面包覆切削工具(以下稱(chēng)為包覆工具)，其即使在伴隨高發(fā)熱且對(duì)刀刃作用高負(fù)荷的高速重切削條件下，進(jìn)行各種鋼或鑄鐵等的被切削材料的切削加工時(shí)，硬質(zhì)包覆層也不會(huì)產(chǎn)生崩刀，在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
背景技術(shù)：
以往，公知有如下包覆工具由碳化鎢(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(chēng)為工具基體)的表面上，蒸鍍形成由Ti化合物層構(gòu)成的下部層及由α型Al2O3層構(gòu)成的上部層作為硬質(zhì)包覆層的包覆工具中，關(guān)于上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線(xiàn)，測(cè)定由六方晶系晶格構(gòu)成的晶粒的構(gòu)成晶體面的各個(gè)法線(xiàn)與所述表面研磨面的法線(xiàn)相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果計(jì)算相鄰晶粒的相互的晶體方位關(guān)系，計(jì)算各個(gè)構(gòu)成界面的構(gòu)成原子在所述晶粒相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)(構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn))的分布，用Σ Ν+1表示在所述構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)間存在N個(gè)(其中，N為剛玉型密排六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，但從在分布頻率上將N的上限設(shè)為觀(guān)時(shí)，不存在偶數(shù)4、8、14J4及26)不共有構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)時(shí)，在表示各Σ Ν+1占Σ Ν+1整體的分布比例的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)分布圖中，Σ 3處存在最高峰，且由表示所述Σ 3占Σ Ν+1整體的分布比例為60 80%的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)分布圖的α型Al2O3層構(gòu)成上部層，并且公知有該包覆工具在高速斷續(xù)切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性。并且，對(duì)于所述包覆工具，還公知有由少量含有Y(釔)的α型(Α1、Υ)Α層(以下稱(chēng)為以往AlYO層)構(gòu)成其上部層的包覆工具(以下稱(chēng)為以往包覆工具)，并且，公知該以往包覆工具中，在防止α型Al2O3的晶粒的脫落的同時(shí)，在連續(xù)切削加工中顯示優(yōu)異的切削耐久性。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本專(zhuān)利公開(kāi)2006-198735號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 日本專(zhuān)利公開(kāi)2004-1154號(hào)公報(bào)近年來(lái)切削裝置的高性能化顯著，另一方面強(qiáng)烈要求切削加工的節(jié)省勞力化和節(jié)能化、以及更加低成本化，隨此成為，切削加工更加高速化的趨勢(shì)，但現(xiàn)狀為如下在上述以往包覆工具中，使用于連續(xù)切削時(shí)上部層顯示優(yōu)異的特性(晶粒的脫落防止、切削耐久性)，但將其使用于伴隨高發(fā)熱且對(duì)刀刃作用高負(fù)荷的更高速條件下的重切削加工時(shí)，構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的上部層的所述α型Al2O3層、所述以往AlYO層，由于高溫強(qiáng)度不充分，所以容易產(chǎn)生崩刀，以此為原因，在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命。于是，本發(fā)明者們出于上述觀(guān)點(diǎn)，特別是在高速重切削加工中，硬質(zhì)包覆層不會(huì)產(chǎn)生崩刀，而且在長(zhǎng)期使用中可發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的上部層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果得出如下見(jiàn)解。
(a)由上述以往包覆工具的以往AlYO層構(gòu)成的上部層，例如在作為下部層的Ti化合物層的表面，作為反應(yīng)氣體，使用由AlCl3氣體、CO2氣體、YCl3氣體、剩余H2構(gòu)成的混合氣體，通過(guò)以反應(yīng)氣氛溫度為1000 1020°C進(jìn)行化學(xué)蒸鍍，由此形成以往AlYO層，并且， 使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)該以往AlYO層進(jìn)行組織觀(guān)察時(shí)，具有由如下晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)如圖2的(a)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，所述晶粒為微細(xì)的多邊形，并且如圖2的(b)所示，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，在層表面存在角錐狀的凹凸， 所述晶粒在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀(以下稱(chēng)為“凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀”)。(b)另一方面，在作為硬質(zhì)包覆層的下部層的Ti化合物層上用通常的化學(xué)蒸鍍裝置，進(jìn)行如下操作首先，作為第1階段，在(甲)反應(yīng)氣體組成(容量％):AlCl3 :1 5%、C02:2 6%、HC1:1 5%、H2S :0. 25 0. 75%、H2:剩余、(乙)反應(yīng)氣氛溫度960 1010°C、(丙)反應(yīng)氣氛壓力6 IOkPa的條件下進(jìn)行第1階段的蒸鍍之后，接著，作為第2階段，在如下條件，即(甲)反應(yīng)氣體組成(容量％):AlCl3 :6 10%、YCl3 :0· 4 1. 0%C02:4 8%、HC1:3 5%、H2S :0· 25 0. 6%、H2 剩余、(乙)反應(yīng)氣氛溫度920 1000°C、(丙)反應(yīng)氣氛壓力6 IOkPa的條件進(jìn)行蒸鍍，形成由含有2 15μπι平均層厚的Y的α型氧化鋁層(以下稱(chēng)為“改質(zhì)AlYO層”)構(gòu)成的上部層，則在該條件下形成的改質(zhì)AlYO層，具有Y成分占該層中與Al成分的總量的含有比例滿(mǎn)足0. 0005 -0.01(其中為原子比)的組成。(c)并且，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述改質(zhì)AlYO層進(jìn)行組織觀(guān)察，具有由如下晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)，如圖1的(a)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，所述晶粒為大粒徑的平板多邊形，并且，如圖1的(b)所示，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，層表面幾乎平坦，所述晶粒在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀(以下稱(chēng)為“平板多邊形豎長(zhǎng)狀”)。尤其形成如下組織結(jié)構(gòu)在蒸鍍形成所述改質(zhì)AlYO層時(shí)，若以進(jìn)一步限定的蒸鍍條件(例如，將第1階段的反應(yīng)氣體中的H2S設(shè)為0. 50 0. 75容量％，反應(yīng)氣氛溫度設(shè)為980 1000°C，另外，將第2階段的反應(yīng)氣體中的YCl3設(shè)為0. 6 0. 8容量％，H2S為0. 25 0.4容量％，反應(yīng)氣氛溫度設(shè)為960 980°C的條件)進(jìn)行蒸鍍，則如圖1的(c)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，晶粒為大粒徑的平坦六邊形，并且，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，與圖1的(b)所示的相同，層表面幾乎平坦，晶粒在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀，該晶粒在垂直于層厚方向的面內(nèi)占整體的35%以上的面積比例。并且，關(guān)于該改質(zhì)AlYO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線(xiàn)，測(cè)定由六方晶系晶格構(gòu)成的晶格面的各個(gè)法線(xiàn)與所述表面研磨面的法線(xiàn)相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果計(jì)算相鄰晶體晶格相互的晶體方位關(guān)系，計(jì)算各個(gè)構(gòu)成晶格界面的構(gòu)成原子在所述晶體晶格相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)(構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn))的分布，用Σ Ν+1表示在所述構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)間存在N個(gè)(其中，N為剛玉型密排六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，但從分布頻率上將N上限設(shè)為觀(guān)時(shí)，不存在偶數(shù)4、8、14、24 和沈)不共有構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)時(shí)，如圖3所示，構(gòu)成改質(zhì)AlYO層的平板多邊形豎長(zhǎng)狀晶粒內(nèi)，以面積比率計(jì)為60% 以上的所述晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、由用Σ 3表示的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)構(gòu)成的晶格界面(以下稱(chēng)為Σ 3對(duì)應(yīng)界面)分割。(d)由以上述(b)的第1階段及第2階段的化學(xué)蒸鍍條件(以下稱(chēng)為本發(fā)明條件) 蒸鍍形成的改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的上部層，由于其表面的晶面與垂直于該層的層厚方向的面內(nèi)的晶面(例如(0001))具有相同取向，因此(在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，)層表面形成為幾乎平坦的平板狀，由于其表面性狀而顯示優(yōu)異的耐崩刀性，并且，由于平板多邊形豎長(zhǎng)狀的晶粒內(nèi)部的Σ 3對(duì)應(yīng)界面的存在而提高晶粒內(nèi)強(qiáng)度，因此與以往包覆工具的以往 AlYO層相比，具有更加優(yōu)異的高溫硬度、高溫強(qiáng)度、表面性狀，其結(jié)果，本發(fā)明的改質(zhì)AlYO 層即便在伴有高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)刀刃部作用高負(fù)荷的高速重切削加工中，也不會(huì)產(chǎn)生崩刀， 在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。

發(fā)明內(nèi)容
該發(fā)明鑒于上述見(jiàn)解而完成，具有以下特征(1) 一種表面包覆切削工具(包覆工具)，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上，蒸鍍形成由下述(a)、(b)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，其中，(a)下部層為具有3 20 μ m的整體平均層厚的Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的1層或2層以上構(gòu)成的Ti化合物層，(b)上部層為具有2 15μπι的平均層厚，并且具有α型的晶體結(jié)構(gòu)并含有 Y(釔)的氧化鋁層，其特征在于，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述上部層進(jìn)行組織觀(guān)察時(shí)，具有由如下晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)，所述晶粒在垂直于層厚方向的面內(nèi)為平板多邊形，并且在平行于層厚方向的面內(nèi)層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀，另外，關(guān)于該上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線(xiàn)，測(cè)定由六方晶系晶格構(gòu)成的晶格面的各個(gè)法線(xiàn)與所述表面研磨面的法線(xiàn)相交的角度，
由該測(cè)定結(jié)果計(jì)算相鄰晶體晶格相互的晶體方位關(guān)系，計(jì)算各個(gè)構(gòu)成晶格界面的構(gòu)成原子在所述晶體晶格相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)(構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn))的分布，用Σ Ν+1表示在所述構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)間存在N個(gè)(其中，N為剛玉型密排六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，但從分布頻率上將N的上限設(shè)為觀(guān)時(shí)，不存在偶數(shù)4、8、14、24 及沈)不共有構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)時(shí)，構(gòu)成上述上部層的晶粒內(nèi)以面積比率計(jì)為60%以上的晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、由以Σ 3表示的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)構(gòu)成的晶格界面分割。(2)如所述(1)記載的表面包覆切削工具(包覆工具)，其中，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)所述上部層(b)進(jìn)行組織觀(guān)察時(shí)，在垂直于層厚方向的面內(nèi)為平坦六邊形， 并且在平行于層厚方向的面內(nèi)在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀的晶粒，在垂直于層厚方向的面內(nèi)占整體的35%以上的面積比例。下面對(duì)于本發(fā)明的包覆工具的硬質(zhì)包覆層的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。(a)下部層(Ti化合物層)由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層、和碳氮氧化物層中的1層或2層以上構(gòu)成的Ti化合物層，除了作為硬質(zhì)包覆層的下部層存在，且通過(guò)自身具有的優(yōu)異的高溫強(qiáng)度有助于提高硬質(zhì)包覆層的高溫強(qiáng)度之外，還牢固地密合于工具基體和改質(zhì) AlYO層中任意一個(gè)，因此具有提高對(duì)硬質(zhì)包覆層的工具基體的接合強(qiáng)度的作用，但是，如果其平均層厚不到3 μ m，則無(wú)法充分發(fā)揮所述作用，另一方面，如果其平均層厚超過(guò)20 μ m, 則尤其在伴有高熱產(chǎn)生的高速切削中容易引起熱塑性變形，這會(huì)成為偏磨損的原因，因此將其平均層厚規(guī)定為3 20 μ m。(b)上部層(改質(zhì)AlYO層)關(guān)于由在下部層上化學(xué)蒸鍍的改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的上部層，由于其構(gòu)成成分的Al 成分提高層的高溫硬度和耐熱性，并且在層中微量(以其占與Al的總量的比例計(jì)，Ti/ (Al+Ti)為0.0005 0.01(其中為原子比))含有的Y成分提高改質(zhì)AlYO層的晶界強(qiáng)度， 有助于高溫強(qiáng)度的提高，但是，如果Y成分的含有比例不到0. 0005，則無(wú)法期待上述作用， 另一方面，如果Y成分的含有比例超過(guò)0. 01，則由于層中析出IO3粒子，晶界強(qiáng)度下降，因此，Y成分占其與Al的總量的含有比例(ΥΛΑ1+Υ)的比值)優(yōu)選為0.0005 0.01(其中為原子比)。而且，上述改質(zhì)AlYO層，例如可通過(guò)如下調(diào)整蒸鍍時(shí)的反應(yīng)氣體組成、反應(yīng)氣氛溫度和反應(yīng)氣氛壓力的各化學(xué)蒸鍍條件而蒸鍍形成。S卩，首先，在下述條件下，進(jìn)行約1小時(shí)的第1階段的蒸鍍，(甲)反應(yīng)氣體組成(容量％):AlCl3 :1 5%、C02:2 6%、HC1:1 5%、H2S :0. 25 0. 75%、H2 剩余、(乙)反應(yīng)氣氛溫度960 1010°C、(丙)反應(yīng)氣氛壓力6 IOkPa,
接著，在下述條件下進(jìn)行第2階段的蒸鍍，(甲)反應(yīng)氣體組成(容量％):AlCl3 :6 10%、YCl3 :0· 4 1. 0%C02:4 8%、HC1:3 5%、H2S :0· 25 0. 6%、H2 剩余、(乙)反應(yīng)氣氛溫度920 1000°C、(丙)反應(yīng)氣氛壓力6 IOkPa,由此，如果成膜2 15 μ m的平均層厚的蒸鍍層，則可形成Y/(A1+Y)的比值以原子比計(jì)為0. 0005 0.01的改質(zhì)AlYO層。并且，關(guān)于上述改質(zhì)AlYO層，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡進(jìn)行組織觀(guān)察時(shí)，形成由如下晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)如圖1的(a)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，所述晶粒為大晶體粒徑的平板多邊形，并且，如圖1的(b)所示，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，層表面幾乎平坦，且在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀(平板多邊形豎長(zhǎng)狀晶粒)，由于改質(zhì) AlYO層的該層表面的平坦性，與在表面存在凹凸的以往AlYO層相比，耐崩刀性更加提高。尤其形成如下組織結(jié)構(gòu)在所述改質(zhì)AlYO層的蒸鍍中，若以進(jìn)一步限定的條件 (例如，將第1階段的反應(yīng)氣體中的H2S設(shè)為0. 50 0. 75容量％，反應(yīng)氣氛溫度設(shè)為980 1000°C，另外，將第2階段的反應(yīng)氣體中的YCl3設(shè)為0. 6 0. 8容量％，H2S設(shè)為0. 25 0.4容量％，反應(yīng)氣氛溫度設(shè)為960 980°C的條件)進(jìn)行蒸鍍，則如圖1的(c)所示，在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，晶粒為大粒徑的平坦六邊形，并且，在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí)，與圖1的(b)所示的相同，層表面幾乎平坦，晶粒在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀，該晶粒在垂直于層厚方向的面內(nèi)占整體的35%以上的面積比例。另外，在以往AlYO層中，其表面的晶面具有與垂直于該層的層厚方向的面內(nèi)的晶面(例如(0001))不同的取向(例如，具有(1-102))，因此，(在平行于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察時(shí))如圖2的(b)所示，層表面存在角錐狀的凹凸，為此，耐崩刀性變差。進(jìn)一步，關(guān)于該改質(zhì)AlYO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線(xiàn)，測(cè)定由六方晶系晶格構(gòu)成的晶格面的各個(gè)法線(xiàn)與所述表面研磨面的法線(xiàn)相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果計(jì)算相鄰晶體晶格相互的晶體方位關(guān)系，計(jì)算各個(gè)構(gòu)成晶格界面的構(gòu)成原子在所述晶體晶格相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)(構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn))的分布，用Σ Ν+1表示在所述構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)間存在N個(gè)(其中，N為剛玉型密排六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，但從分布頻率上將N的上限設(shè)為觀(guān)時(shí)，不存在偶數(shù)4、8、14、24 及沈)不共有構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)時(shí)，如圖3所示，可知構(gòu)成改質(zhì)AlYO層的上述平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀晶粒內(nèi)以面積比率計(jì)為60%以上的晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、Σ 3對(duì)應(yīng)界面分割。而且，在改質(zhì)AlYO層的平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀晶粒的內(nèi)部，存在上述Σ 3對(duì)應(yīng)界面，由此可謀求晶粒內(nèi)強(qiáng)度的提高，其結(jié)果，在高速重切削加工時(shí)，可抑制改質(zhì)AlYO層中產(chǎn)生裂縫，另外，即便產(chǎn)生裂縫，也可以阻礙裂縫的擴(kuò)大、傳播，可謀求耐崩刀性、耐缺損性、耐剝離性的提高。因此，由在平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀晶粒的內(nèi)部存在Σ 3對(duì)應(yīng)界面，且具備表面平坦的表面性狀的改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的本發(fā)明的上部層，即便在伴有各種鋼或鑄鐵等高發(fā)熱且對(duì)刀刃部作用高負(fù)荷的高速重切削加工中，也不會(huì)產(chǎn)生崩刀、缺損、剝離等，長(zhǎng)期發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。但是，如果由改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的上部層的層厚不到2 μ m,則無(wú)法充分發(fā)揮上述上部層的優(yōu)異的特性，另一方面，如果上部層的層厚超過(guò)15 μ m，則容易產(chǎn)生成為偏磨損原因的熱塑性變形，還容易產(chǎn)生崩刀，因此，將上部層的平均層厚規(guī)定為2 15 μ m。另外，對(duì)于硬質(zhì)包覆層的上部層由以往AlYO層構(gòu)成的以往包覆工具，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射圖像裝置，考察上部層的晶粒的組織結(jié)構(gòu)和構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)，結(jié)果關(guān)于晶粒的組織結(jié)構(gòu)，具有如圖2的(a)、(b)所示的角錐狀的凹凸，具有由多邊形豎長(zhǎng)狀的晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)，因此與改質(zhì)AlYO層相比，耐磨性不充分。另外，就晶粒的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)而言，構(gòu)成以往AlYO層的凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀晶粒的內(nèi)部中存在Σ 3對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例小至40%以下，無(wú)法謀求晶粒內(nèi)強(qiáng)度的提高。因此，由以往AlYO層構(gòu)成硬質(zhì)包覆層的上部層的以往包覆工具，在伴隨高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)刀刃部作用高負(fù)荷的高速重切削加工中，對(duì)于防止發(fā)生崩刀、缺損、剝離等是無(wú)法滿(mǎn)足的。發(fā)明效果如上所述，本發(fā)明的包覆工具，關(guān)于構(gòu)成上部層的改質(zhì)AlYO層設(shè)為由具備表面平坦性的平板多邊形(包括平坦六邊形)豎長(zhǎng)狀的晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)，另外，在上述晶粒內(nèi)部形成Σ 3對(duì)應(yīng)界面并強(qiáng)化了晶粒內(nèi)強(qiáng)度，由此與由凹凸多邊形豎長(zhǎng)狀的晶粒構(gòu)成且將晶粒內(nèi)Σ 3對(duì)應(yīng)界面少的以往AlYO層作為上部層的以往包覆工具相比，除了以往AlYO層具有的高溫硬度、耐熱性，還兼具更加優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和更加優(yōu)異的耐磨性，其結(jié)果，在伴隨高發(fā)熱的同時(shí)對(duì)刀刃部作用高負(fù)荷的高速重切削條件下切削加工各種鋼或鑄鐵等時(shí)，硬質(zhì)包覆層也可以發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性、耐剝離性，可進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命。


圖1的(a)是對(duì)于本發(fā)明包覆工具1 10的由改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的上部層，在垂直于層厚方向的面內(nèi)使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察而得到的表示平板多邊形的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖，(b)是同樣地在平行于層厚方向的面內(nèi)使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察而得到的表示層表面幾乎平坦且在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖，(c)是對(duì)于本發(fā)明包覆工具11 15的由改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置測(cè)定的、在垂直于厚度方向的面內(nèi)的晶界分析圖，實(shí)線(xiàn)表示用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察的平板多邊形的晶界，虛線(xiàn)表示通過(guò)電子背散射衍射圖像裝置測(cè)定的Σ 3對(duì)應(yīng)界面。圖2的(a)是對(duì)于以往包覆工具1 15的由以往AlYO層構(gòu)成的上部層，在垂直于層厚方向的面內(nèi)使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察而得到的、表示多邊形的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖，(b)是同樣地在平行于層厚方向的面內(nèi)使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察而得到的、表示層表面具有角錐狀的凹凸且在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是對(duì)于本發(fā)明包覆工具11 15的由改質(zhì)AlYO層構(gòu)成的上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置測(cè)定的、在垂直于層厚方向的面內(nèi)的晶界分析圖，實(shí)線(xiàn)表示用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察的平板多邊形的晶界，虛線(xiàn)表示通過(guò)電子背散射衍射圖像裝置測(cè)定的Σ 3對(duì)應(yīng)界面。
具體實(shí)施例方式接著，通過(guò)實(shí)施例更具體地說(shuō)明本發(fā)明的包覆工具。[實(shí)施例]作為原料粉末，準(zhǔn)備均具有2 4 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，將這些原料粉末配合成表1所示的配合組成，并且加入石蠟在丙酮中球磨混合M小時(shí)，減壓干燥之后，以98MPa的壓力擠壓成型為預(yù)定形狀的壓坯，在5Pa的真空中，在1370 1470°C范圍內(nèi)的預(yù)定溫度中保持1小時(shí)的條件下真空燒結(jié)該壓坯，燒結(jié)之后對(duì)刀刃部施加R :0. 07mm的珩磨加工，由此分別制造具有ISO · CNMG120408規(guī)定的可轉(zhuǎn)位刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體A E0另外，作為原料粉末，準(zhǔn)備均具有0.5 2μπι平均粒徑的TiCN(以質(zhì)量比計(jì)，為 TiC/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，將這些原料粉末配合成表2所示的配合組成，用球磨機(jī)進(jìn)行M小時(shí)濕式混合，干燥之后，以98MPa的壓力擠壓成型為壓坯，在1. 3kPa的氮?dú)鈿夥罩?，在以溫?540°C中保持1 小時(shí)的條件下燒結(jié)該壓坯，燒結(jié)之后對(duì)刀刃部分施加R 0. 07mm的珩磨加工，由此形成具有 ISO規(guī)格· CNMG120408的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制工具基體a e。接著，將這些工具基體A E及工具基體a e分別裝入通?；瘜W(xué)蒸鍍裝置中，首先按表3(表3中的I-TiCN表示日本專(zhuān)利公開(kāi)平6-8010號(hào)公報(bào)中記載的具有縱向生長(zhǎng)晶體組織的TiCN層的形成條件，除此以外表示一般的粒狀晶體組織的形成條件)所示的條件， 以表6所示的組合及目標(biāo)層厚蒸鍍形成Ti化合物層作為硬質(zhì)包覆層的下部層。接著，根據(jù)表4所示的蒸鍍條件，同樣蒸鍍形成表6所示的目標(biāo)層厚的改質(zhì)AlYO 層作為硬質(zhì)包覆層的上部層，由此分別制造本發(fā)明包覆工具1 15。另外，以比較的目的，在與本發(fā)明包覆工具1 15相同條件下蒸鍍形成下部層之后，在表5所示的條件下，以表7所示的組合及目標(biāo)層厚形成以往AlYO層作為硬質(zhì)包覆層的上部層，由此分別制造以往包覆工具1 15。接著，對(duì)于構(gòu)成上述本發(fā)明包覆工具1 15及以往包覆工具1 15的硬質(zhì)包覆層的上部層的改質(zhì)AlYO層及以往AlYO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡、電子背散射衍射圖像裝置，考察晶粒組織結(jié)構(gòu)及構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)。S卩，首先，對(duì)上述本發(fā)明包覆工具1 15的改質(zhì)AlYO層及以往包覆工具1 15 的以往AlYO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察，結(jié)果在本發(fā)明包覆工具中觀(guān)察到圖 1的(a)、(b)中代表性地顯示的平板多邊形(包括平坦六邊形)且豎長(zhǎng)狀的大粒徑的晶粒組織結(jié)構(gòu)(另外，圖1的(a)是在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察到的本發(fā)明包覆工具1 10 的組織結(jié)構(gòu)示意圖，而且圖1的(c)是在垂直于層厚方向的面內(nèi)觀(guān)察到的本發(fā)明包覆工具 11 15的、平坦六邊形且豎長(zhǎng)狀的大粒徑晶粒組織結(jié)構(gòu)示意圖)。另一方面，在以往包覆工具中，如圖2的(a)、(b)中代表性地顯示，觀(guān)察到多邊形且豎長(zhǎng)狀的晶粒組織，但是，各晶粒的粒徑比本發(fā)明的小，且從圖2的(b)也可以明顯看出， 層表面形成有角錐狀的凹凸(另外，圖2的(a)、(b)是以往包覆工具1 15的組織結(jié)構(gòu)示意圖)。接著，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1 15的改質(zhì)AlYO層及以往包覆工具1 15的以往AlYO層，測(cè)定構(gòu)成各層的晶粒的內(nèi)部存在Σ 3對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例。首先，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1 15的改質(zhì)AlYO層，在將其表面設(shè)為研磨面的狀態(tài)下，安裝在場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡的鏡筒內(nèi)，對(duì)所述表面研磨面，以InA的照射電流以70度的入射角照射15kV的加速電壓的電子射線(xiàn)，并向各個(gè)所述表面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)存在的具有六方晶系晶格的晶粒分別照射電子射線(xiàn)，使用電子背散射衍射圖像裝置， 對(duì)30父5(^111的區(qū)域以0.14111/計(jì)印的間隔，測(cè)定所述晶粒的各晶格面的各法線(xiàn)與所述表面研磨面的法線(xiàn)相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果計(jì)算相鄰晶體晶格相互的晶體方位關(guān)系，計(jì)算各個(gè)構(gòu)成晶格界面的構(gòu)成原子在所述晶體晶格相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)(構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn))的分布，用Σ Ν+1表示在所述構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)間存在N個(gè)(其中，N為剛玉型密排六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，但從分布頻率上將N的上限設(shè)為觀(guān)時(shí)， 不存在偶數(shù)4、8、14、對(duì)及26)不共有構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)時(shí)，求出改質(zhì)AlYO層的測(cè)定范圍內(nèi)存在的所有晶粒中，在晶粒內(nèi)部存在至少一個(gè)以上的Σ 3對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比率，將其值示于表6。接著，對(duì)于以往包覆工具1 15的以往AlYO層，也通過(guò)與本發(fā)明包覆工具的情況相同的方法，求出以往AlYO層的測(cè)定范圍內(nèi)存在的所有晶粒中，在晶粒內(nèi)部存在至少一個(gè)以上的Σ 3對(duì)應(yīng)界面的晶粒的面積比例，將其值示于表7。如表6、表7所示，在本發(fā)明包覆工具的改質(zhì)AlYO層中，Σ 3對(duì)應(yīng)界面所存在的晶粒的面積比率為60%以上，與此相對(duì)，在以往包覆工具的以往AlYO層中，Σ 3對(duì)應(yīng)界面所存在的晶粒的面積比率為40%以下，可知在晶粒內(nèi)部Σ 3對(duì)應(yīng)界面的存在率非常小。另外，使用掃描型電子顯微鏡測(cè)定(縱截面測(cè)定)本發(fā)明包覆工具1 15及以往包覆工具1 15的硬質(zhì)包覆層的結(jié)構(gòu)層的厚度，結(jié)果均顯示了與目標(biāo)層厚實(shí)際上相同的平均層厚(測(cè)定5點(diǎn)的平均值)。另外，關(guān)于本發(fā)明包覆工具1 15的改質(zhì)AlYO層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡，求出垂直于層厚方向的面內(nèi)存在的大粒徑平坦六邊形晶粒的面積比例，將其值示于表 6。另外，本發(fā)明所說(shuō)的“大粒徑的平坦六邊形”的晶粒定義為“計(jì)量通過(guò)場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀(guān)察的垂直于層厚方向的面內(nèi)存在的粒子的直徑，10個(gè)粒子的平均值為 3 8μπι，具有6個(gè)頂點(diǎn)的角度為100 140°的頂角的多邊形。”接著，對(duì)于上述本發(fā)明包覆工具1 15及以往包覆工具1 15的各種包覆工具， 均在工具鋼制車(chē)刀的前端部用固定夾具擰緊的狀態(tài)下進(jìn)行以下試驗(yàn)，[切削條件Α]
被切削材料JIS · S45C的圓棒、切削速度450m/min、吃刀深度2.5mm、給料速度0.7mm/rev、切削時(shí)間8分鐘，在上述條件下進(jìn)行碳素鋼的干式高速高給料速度的切削試驗(yàn)(通常的切削速度和給料速度分別是250m/min、0. 3mm/rev)；[切削條件B]被切削材料JIS · SCM440的圓棒、切削速度320m/min、吃刀深度2.2mm、給料速度0.3mm/rev、切削時(shí)間5分鐘，在上述條件下進(jìn)行鉻鉬合金鋼的干式高速高吃刀深度的切削試驗(yàn)(通常的切削速度及吃刀深度分別為250m/min、l. 5mm)；[切削條件C]被切削材料JIS · FC300的圓棒、切削速度545m/min、吃刀深度5.6mm、給料速度0.6mm/rev、切削時(shí)間5分鐘，在上述條件下進(jìn)行鑄鐵的濕式高速高吃刀深度的切削試驗(yàn)(通常的切削速度及吃刀深度分別為350m/min、2. 5mm)，在所有的切削試驗(yàn)中都測(cè)定刀刃后刀面的磨損寬度。將其該測(cè)定結(jié)果示于表8。
權(quán)利要求
1.一種表面包覆切削工具，是在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面上，蒸鍍形成由下述(a)、(b)構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具，其中，(a)下部層，為具有3 20μ m的整體平均層厚的由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化物層中的1層或2層以上構(gòu)成的Ti化合物層，(b)上部層，為具有2 15μ m的平均層厚，并且具有α型的晶體結(jié)構(gòu)并含有Y，即釔的氧化鋁層，其特征在于，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)上述上部層進(jìn)行組織觀(guān)察時(shí)，具有由如下晶粒構(gòu)成的組織結(jié)構(gòu)，所述晶粒在垂直于層厚方向的面內(nèi)為平板多邊形，并且在平行于層厚方向的面內(nèi)在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀，另外，關(guān)于該上部層，使用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對(duì)存在于表面研磨面的測(cè)定范圍內(nèi)的晶粒逐個(gè)照射電子射線(xiàn)，測(cè)定由六方晶系晶格構(gòu)成的晶格面的各個(gè)法線(xiàn)與所述表面研磨面的法線(xiàn)相交的角度，由該測(cè)定結(jié)果計(jì)算相鄰晶體晶格相互的晶體方位關(guān)系，計(jì)算各個(gè)構(gòu)成晶格界面的構(gòu)成原子在所述晶體晶格相互間共有1個(gè)構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)即構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)的分布，用 Σ Ν+1表示在所述構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)間存在N個(gè)不共有構(gòu)成原子的晶格點(diǎn)的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)時(shí)，構(gòu)成上述上部層的晶粒內(nèi)以面積比率計(jì)為60%以上的晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、由以Σ 3表示的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)構(gòu)成的晶格界面分割，其中所述N為剛玉型密排六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)上2以上的偶數(shù)，但從分布頻率上將N 的上限設(shè)為觀(guān)時(shí)，不存在偶數(shù)4、8、14、對(duì)及沈。
2.如權(quán)利要求1所述的表面包覆切削工具，其中，用場(chǎng)致發(fā)射型掃描電子顯微鏡對(duì)所述上部層(b)進(jìn)行組織觀(guān)察時(shí)，在垂直于層厚方向的面內(nèi)為平坦六邊形，并且在平行于層厚方向的面內(nèi)在層厚方向上具有豎長(zhǎng)狀的晶粒，在垂直于層厚方向的面內(nèi)占整體的35%以上的面積比例。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在高速重切削加工中硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性的表面包覆切削工具。在工具基體的表面，作為(a)下部層蒸鍍形成Ti化合物層、作為(b)上部層蒸鍍形成具有平板多邊形(包含平坦六邊形)且豎長(zhǎng)狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)并含有Y(釔)的α型Al2O3的表面包覆切削工具中，上部層的晶粒內(nèi)，在面積比率計(jì)為60％以上的晶粒的內(nèi)部，被至少一個(gè)以上的、由用∑3表示的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)構(gòu)成的晶格界面而分割。
文檔編號(hào)C23C14/08GK102463358SQ20101054705
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者中村惠滋, 五十嵐誠(chéng), 冨田興平, 長(zhǎng)田晃 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社