CN102847962A

CN102847962A - 硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具

Info

Publication number: CN102847962A
Application number: CN2012102255491A
Authority: CN
Inventors: 龙冈翔; 岩崎直之; 长田晃; 中村惠滋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: CN102847962B

Abstract

本发明提供在高速重切削加工中硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性的表面包覆切削工具。通过如下所述的构成，解决技术问题，即、硬质包覆层包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层，（a）所述下部层，为至少包含一层Ti的碳氮化物层、且包括具有3~20μm总计平均层厚的一层或二层以上的Ti化合物层，（b）所述上部层，为具有1~25μm的平均层厚的氧化铝层，构成所述下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分散分布有微粒TiCN。

Description

硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具

技术领域

本发明涉及表面包覆切削工具（以下称为包覆工具），在伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的各种钢或铸铁的高速重切削加工时，由于硬质包覆层具备优异的耐崩刀性，因此经长期使用发挥优异的切削性能。

背景技术

以往通常已知在碳化钨（以下用WC表示）基硬质合金或碳氮化钛（以下用TiCN表示）基金属陶瓷构成的工具基体（以下将这些统称为工具基体）的表面形成由下述下部层（a）和上部层（b）构成的硬质包覆层而成的包覆工具，并且已知该包覆工具使用于各种钢或铸铁等的切削加工中。

（a）下部层：为包括均被化学蒸镀形成的Ti的碳化物（以下用TiC表示）层、氮化物（以下同样用TiN表示）层、碳氮化物（以下用TiCN表示）层、碳氧化物（以下用TiCO表示）层及碳氮氧化物（以下用TiCNO表示）层中的一层或二层以上的Ti化合物层，

（b）上部层：为被化学蒸镀形成的氧化铝（以下用Al₂O₃表示）层。

但是，上述包覆工具存在在较大的负荷施加于切削刃的切削条件下易产生崩刀、缺损等且工具寿命较短之类的问题，因此为了消除该问题，目前提出了几个提案。

例如，专利文献1中提出了如下提案：通过TiCN的单层或二层以上的层压构成硬质包覆层，并且这些构成层中的一层或二层以上通过下述（a）、（b）和（c）中的任意一种或两种以上的结晶结构构成，从而改善包覆工具的耐崩刀性。（a）为由粒状结晶组织转换为纵向生长结晶组织的结晶结构，（b）为由粒状结晶组织转换为纵向生长结晶组织、进而由该纵向生长结晶组织转换为粒状结晶组织的结晶结构，（c）为由纵向生长结晶组织转换为粒状结晶组织的结晶结构。

另外，专利文献2中提出了如下提案：硬质包覆层由含有柱状晶的TiCN层的单层或多层构成，具有距离该TiCN层的上端为该TiCN层厚度的1/5距离位置的TiCN柱状晶粒的水平方向的平均粒径d1与距离该TiCN层的下端为该TiCN层厚度的2/5距离位置的TiCN柱状晶粒的水平方向的平均粒径d2之比形成1≤d1/d2≤1.3的构成，从而提供经得起包括断续切削的长时间切削加工的包覆工具。

专利文献1：日本特开平6-8009号公报

专利文献2：日本特开平10-109206号公报

近年来的现状如下：对切削加工中的节省劳力化及节能化的要求强烈，随此，包覆工具逐渐在更加苛刻的条件下使用，例如，即使是所述专利文献1、2所示的包覆工具，在使用于伴有高热产生并且高负荷进一步作用于切削刃的高速重切削加工时，由于下部层的耐机械冲击性、耐热冲击性不充分，所以也会因切削加工时的高负荷而容易在切削刃上产生崩刀、缺损，其结果在较短时间内达到使用寿命。

发明内容

因此，本发明人等从上述观点出发，对即使在使用于伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工时，也由于硬质包覆层具备优异的韧性、耐崩刀性而经长期使用发挥优异的耐磨损性的包覆工具进行了深入研究，结果获得了以下见解。

即，作为硬质包覆层，在所述以往的形成包括Ti的碳氮化物层的下部层的硬质包覆层中，Ti的碳氮化物层在与基体垂直方向上以柱状来形成。因此，硬度和耐磨损性提高，但是相反Ti的碳氮化物层的各向异性越高则Ti的碳氮化物层的韧性越降低，结果无法发挥充分的耐崩刀性、耐磨损性，另外工具寿命也不能说是令人满意的。

因此，本发明人对构成硬质包覆层的下部层的Ti化合物层中的特别是Ti的碳氮化物层进行了深入研究，结果发现了如下新的见解：通过缓和Ti的碳氮化物层的各向异性提高韧性，可以提高硬质包覆层的耐崩刀性、耐缺损性。

具体地说，构成下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分散分布有微粒TiCN，因此能缓和Ti的碳氮化物层的各向异性，能够提高韧性。

而且，上述构成的Ti的碳氮化物层例如可以通过以下的化学蒸镀法成膜。

在工具基体表面上以反应气体组成（容量%）为TiCl₄：1.7~1.9%、TDMAT（四（二甲基氨基）钛）：0.01~0.05%、CH₃CN：0.7~0.9%、N₂：20%、H₂：剩余，反应气氛压力为5~12kPa，反应气氛温度为800~950℃进行化学蒸镀法，从而可以得到微粒TiCN分散到膜中的柱状纵向生长TiCN结晶组织。在此，本发明中微粒TiCN指的是粒状TiCN结晶相、无定形TiCN相、或者粒状TiCN结晶相与无定形TiCN相的混合相。即，通过上述化学蒸镀法将Ti的碳氮化物层成膜时，根据成膜条件的微妙差别，确认分散形成在膜中的微粒TiCN为（1）粒状TiCN结晶相的情况、（2）无定形TiCN相的情况、（3）粒状TiCN结晶相与无定形TiCN相的混合相的情况。而且，能够确认即使在上述（1）至（3）中的任意一种情况下，也能缓和上述Ti的碳氮化物层的各向异性，对韧性提高的效果没有显著差异。因此，在本发明中，将上述（1）至（3）总称为微粒TiCN。

而且发现，Ti的碳氮化物层中的微粒TiCN的截面的数密度具有以0.5μm~5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态时，由于存在微粒TiCN的数密度低的区域，能够很好地发挥柱状纵向生长TiCN结晶的优异的硬度和耐磨损性的特性，且由于存在微粒TiCN的数密度高的区域，能够很好地发挥微粒TiCN带来的韧性提高的特性，可在较高的水准上并列持有该上述特性。特别是用于在伴有高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工时，硬质包覆层也具备优异的耐崩刀性、耐缺损性，经长期使用能发挥优异的耐磨损性。

本发明是基于上述见解而完成的，具有如下特征。

（1）一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面设置硬质包覆层，其中，

所述硬质包覆层包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层，

（a）所述下部层，为至少包含一层Ti的碳氮化物层、且包括具有3~20μm总计平均层厚的一层或二层以上的Ti化合物层，

（b）所述上部层，为具有1~25μm的平均层厚的氧化铝层，

构成所述（a）的下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分散分布有微粒TiCN，该微粒TiCN为粒状TiCN结晶相、无定形TiCN相、或者粒状TiCN结晶相与无定形TiCN相的混合相，柱状纵向生长TiCN结晶的平均粒子宽度W为50~2000nm，平均纵横比A为5~50，所述微粒TiCN的平均粒径R为10~50nm。

（2）根据（1）所述的表面包覆切削工具，其中，存在于构成所述下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层中的微粒TiCN的截面的数密度为20~150个/μm²。

（3）根据（1）或（2）所述的表面包覆切削工具，其中，所述微粒TiCN的截面的数密度具有以0.5μm~5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态。

以下对本发明进行详细说明。

下部层的Ti化合物层：

至少包含Ti的碳氮化物层且包括Ti的碳化物层、氮化物层、碳氮化物层、碳氧化物层及碳氮氧化物层中的一层或二层以上的Ti化合物层的下部层可以在通常的化学蒸镀条件下形成，但至少一层的Ti的碳氮化物层则通过下述其他的方法形成。构成下部层的Ti化合物层本身具有高温强度，该Ti化合物层的存在不仅使硬质包覆层具备高温强度，而且与工具基体和包括Al₂O₃层的上部层都能牢固地密合，因此具有有助于提高硬质包覆层对工具基体的密合性的作用，但是，其总计平均层厚小于3μm时，无法充分发挥所述作用，另一方面，若其总计平均层厚超过20μm，则容易产生崩刀，因此将其总计平均层厚定为3~20μm。

下部层中的至少一层的Ti的碳氮化物层：

下部层中的至少一层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分散分布有微粒TiCN。通过这种构成，韧性得到提高，表现出优异的耐崩刀性。然而，对柱状纵向生长TiCN结晶的各晶粒，将与基体表面平行的方向的粒子宽度设为w，将其平均值设为平均粒子宽度W时，平均粒子宽度W若小于50nm，则不能确保经长期使用的耐磨损性，另一方面，若超过2000nm，则由于粒子的粗大化而耐崩刀性、耐缺损性降低。因此，柱状纵向生长TiCN结晶的平均粒子宽度W优选为50~2000nm。此外，对柱状纵向生长TiCN结晶的各晶粒，将与基体表面垂直的方向的粒子长度设为l，将所述粒子宽度w与l之比设为各晶粒的纵横比a，进而，将对各个晶粒求出的纵横比a的平均值设为平均纵横比A时，若平均纵横比A小于5，则不能确保作为柱状纵向生长TiCN特征的高耐磨损性，另一方面，若超过50，则韧性反而降低，耐崩刀性、耐缺损性降低。因此，柱状纵向生长TiCN结晶的平均纵横比A优选为5~50。在此，本发明中，对柱状纵向生长TiCN结晶的一个粒子进行计测时，将与基体表面平行的方向的规定方向最大径称为粒子宽度w，另一方面，将与基体表面垂直的方向的规定方向切线直径称为粒子长度l。

进一步地，对于微粒TiCN，将各微粒TiCN的粒径设为r，将其平均值设为平均粒径R时，平均粒径R若小于10nm，则不能发挥使微粒TiCN分散分布带来的韧性提高效果，另一方面，若超过50nm，则韧性反而降低。因此，微粒TiCN的平均粒径R优选为10~50nm。在此，本发明中，将作为各个微粒TiCN的析出相的最长直径的长轴直径称为TiCN的粒径r。

此外，对于微粒TiCN，若截面的数密度小于20个/μm²，则不能发挥使微粒TiCN分散分布的效果，另一方面，若超过150个/μm²，则阻碍柱状纵向生长TiCN结晶的生长，耐磨损性反而降低。因此，微粒TiCN的截面的数密度优选为20~150个/μm²。进一步地，微粒TiCN不会一样地分布，而是数密度形成以0.5μm~5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态，由此韧性进一步提高。

并且，以下对如上所述改性后的Ti的碳氮化物层称为“改性TiCN层”。

上部层的Al₂O₃层：

已知构成上部层的Al₂O₃层具备高温硬度和耐热性，但其平均层厚小于1μm时，无法确保经长期使用的耐磨损性，另一方面，若其平均层厚超过25μm，则Al₂O₃晶粒容易粗大化，其结果除了降低高温硬度、高温强度以外，还降低高速重切削加工时的耐崩刀性、耐缺损性，因此将其平均层厚定为1~25μm。

分散分布的微粒TiCN的形成：

本发明的微粒TiCN可以在通常的化学蒸镀条件下成膜的下部层的形成过程中进行利用下述条件的化学蒸镀法来形成。

通过向反应气体中添加成为微粒TiCN的核的TDMAT，能形成分散分布的微粒TICN。

反应气体组成（容量%）：

TiCl₄：1.7~1.9%

TDMAT：0.01~0.05%

CH₃CN：0.7~0.9%

N₂：20%

H₂：剩余

反应气氛温度：800~950℃

反应气氛压力：5~12kPa

图1表示在上述化学蒸镀条件下形成的本发明的下部层含有的改性TiCN层的微粒TiCN分布形态的示意简图。

此外，微粒TiCN通过周期性地变化TDMAT的添加量，从而具有数密度以0.5μm~5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态而形成。图2表示其示意简图。

根据图3进行更具体的说明。

图3表示采取在上述化学蒸镀条件下形成的本发明的微粒TiCN周期性地变化的数密度分布的下部层中的、层厚方向位置-数密度的相关性的一例的数密度分布形态图。

该数密度分布形态图可以用以下的方法求得。

首先，将下部层分别划分为与工具基体表面平行的0.1μm厚度宽度区域（图4中，与工具基体表面平行地画出的多条平行线隔开的区域相当于0.1μm厚度宽度区域），对长度总计10μm内存在于被划分的各厚度宽度区域的微粒TiCN的数进行测定，使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍）进行测定，求得存在于该0.1μm厚度宽度区域的数密度（个/μm²），将在各厚度宽度区域求得的数密度沿层厚方向图表化，制作如图3所示那样的层厚方向的数密度分布形态图。

图5为表示柱状纵向生长TiCN结晶组织层内的柱状纵向生长TiCN结晶粒子的生长状态的示意图。

在本发明中，在柱状纵向生长TiCN结晶组织内分散分布有微粒TiCN的结构，由于微粒TiCN的存在，对柱状纵向生长TiCN结晶组织施加力时，在一个一个柱状纵向生长TiCN结晶中产生偏差，因此产生大的韧性。结果能发挥耐崩刀性、耐缺损性提高的效果。

本发明的包覆工具包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层作为硬质包覆层，其中，（a）所述下部层，为至少包含一层Ti的碳氮化物层、且包括具有3~20μm总计平均层厚的一层或二层以上的Ti化合物层，（b）所述上部层，为具有1~25μm的平均层厚的氧化铝层，构成所述下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分散分布有微粒TiCN，由此在伴有钢或铸铁等的高热产生并且高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中使用时，耐崩刀性、耐缺损性也优异，结果经长期使用发挥优异的耐磨损性，能实现包覆工具的长寿命化。

附图说明

图1为表示本发明的下部层含有的改性TiCN层的微粒TiCN分布形态的示意简图。

图2为表示采取周期性地变化的数密度分布形态的下部层中所含的改性TiCN层的示意简图。

图3为表示下部层中的层厚方向位置-数密度的相关性的数密度分布形态图。

图4为表示对求得图3的数密度分布形态图的方法进行说明的示意简图。

图5为表示柱状纵向生长TiCN结晶组织内的柱状纵向生长TiCN结晶粒子的生长状态的示意图。

具体实施方式

接着，根据实施例具体说明本发明的包覆工具。

[实施例]

准备均具有1~3μm平均粒径的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粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，进而加入蜡在丙酮中球磨混合24小时，减压干燥后，以98MPa的压力冲压成型为规定形状的压坯，将该压坯在5Pa的真空中并在1370~1470℃范围内的规定温度保持1小时的条件下真空烧结，烧结后，对切削刃部实施R：0.07mm的刃口修磨加工，由此分别制造出具有ISO标准·CNMG160612中规定的刀片形状的WC基硬质合金制工具基体A~E。

另外，准备均具有0.5~2μm平均粒径的TiCN（以质量比计为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粉末作为原料粉末，将这些原料粉末配合成表2所示的配合组成，用球磨机湿式混合24小时并干燥后，以98MPa的压力冲压成型为压坯，将该压坯在1.3kPa的氮气氛中并在温度1540℃保持1小时的条件下烧结，烧结后，对切削刃部分实施R：0.09mm的刃口修磨加工，由此形成了具有ISO标准·CNMG160612的刀片形状的TiCN基金属陶瓷制工具基体a~e。

接着，利用通常的化学蒸镀装置，在这些工具基体A～E及工具基体a～e的表面，进行如下工序。

（a）以表3和表4所示的条件且表6所示的目标层厚蒸镀形成Ti化合物层作为硬质包覆层的下部层。

（b）此时，以表4所示的k~o条件使构成Ti化合物层的Ti的碳氮化物层成膜时，边在表4所示的TDMAT容量%的最大值与最小值之间周期性地变化添加量边蒸镀形成Ti化合物层。

（c）接着，在表3所示的条件下蒸镀形成包括表6所示目标层厚的上部层（Al₂O₃层）的硬质包覆层，由此制造本发明包覆工具1~15。

利用扫描型电子显微镜（倍率为50000倍）对所述本发明包覆工具1~10的下部层中的至少一层的改性TiCN层进行多视场观察，结果确认了图1所示的膜构成示意图表示的柱状结晶的粒界及粒内存在微粒TiCN的膜结构。

此外，利用扫描型电子显微镜（倍率为50000倍）对所述本发明包覆工具11~15的下部层中的至少一层的改性TiCN层进行多视场观察，结果确认了图2所示的膜构成示意图表示的柱状结晶的粒界及粒内存在微粒TiCN的膜结构。

进一步地，利用透射型电子显微镜（倍率为200000倍）对所述本发明包覆工具1~15的下部层中的至少一层的改性TiCN层进行多视场观察，并对微粒TiCN进行电子束衍射的结果确认了上述微粒TiCN为粒状TICN结晶相、无定形TiCN相、或者粒状TiCN结晶相与无定形TICN相的混合相。

另外，作为比较的目的，与本发明包覆工具1~15相同地以表3及表5所示的条件且以表7所示的目标层厚在工具基体A~E及工具基体a~e的表面蒸镀形成作为硬质包覆层的下部层的Ti化合物层。此时，在形成构成Ti化合物层的Ti的碳氮化物层时，不添加TDMAT来形成柱状纵向生长TiCN结晶组织。

接着，以表3所示的条件且以表7所示的目标层厚蒸镀形成包括Al₂O₃层的上部层作为硬质包覆层的上部层，由此制作了表7的比较包覆工具1~15。

另外，利用扫描型电子显微镜（倍率5000倍）测定了本发明包覆工具1~15及比较包覆工具1~15的各构成层的层厚，测定观察视场内的五个点的层厚并取平均而求出平均层厚的结果均显示出了实际上与表6及表7所示的目标层厚相同的平均层厚。

此外，对于本发明包覆工具1~15及比较包覆工具1~15，同样使用扫描型电子显微镜（倍率5000倍），对在工具基体的水平方向上存在于长度总计10μm范围内的柱状纵向生长TiCN结晶，测定构成下部层中包括的Ti的碳氮化物层的柱状纵向生长TiCN结晶的最大粒子宽度w及膜厚方向的粒子长度l，由最大粒子宽度及膜厚方向的粒子长度之比求得纵横比求出作为对各个晶粒求出的粒子宽度w的平均值的平均粒子宽度W和作为纵横比a的平均值的平均纵横比A，该纵横比a被定义为作为对各个晶粒求出的粒子宽度w与粒子长度l之比。

此外，对于本发明包覆工具1~10，同样使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍），与工具基体的垂直方向上是在TiCN膜厚部分的厚度内且与工具基体的水平方向上是在长度总计10μm内对下部层所包括的Ti的碳氮化物层中存在的微粒TiCN的数进行测定，求得截面的数密度（个/μm²）。

此外，对于本发明包覆工具11~15，同样使用扫描型电子显微镜（倍率50000倍），将下部层所包含的Ti的碳氮化物层分别划分为与工具基体表面平行的0.1μm厚度宽度区域，对长度总计10μm内存在于被划分的各厚度宽度区域的粒状TiCN的数进行测定，求得存在于该0.1μm厚度宽度区域的微粒TiCN的截面的数密度（个/μm²）。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

*k～o中使TDMAT添加量周期性地变化

[表5]

[表6]

(注1)11-15中1-TiCN的微粒TiCN的截面数密度在层厚方向上交替地采取极大值、极小值的同时周期性地变化，因此表示极大值和极小值各自的平均值。

(注2)栏中的*标记表示在权利要求2的范围之外，**标记表示在权利要求3的范围之外

[表7]

接着，关于所述本发明包覆工具1~15及比较包覆工具1~15，在表8所示的条件下实施切削加工试验，在所有的切削试验中都测定了切削刃的后刀面磨损宽度。

表9表示其测定结果。

[表8]

(注)被切削材料都为圆杆

[表9]

(比较包覆工具栏的切削试验结果表示由于崩刀、缺损等原因达到寿命为止的切削时间(分钟))

由表6和表9所示的结果可知，本发明的包覆工具，构成硬质包覆层的下部层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分别分散有微粒TiCN，由此即使在伴有钢或铸铁等的高热产生并且断续性或冲击性高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中使用时，耐崩刀性、耐缺损性也优异，结果经长期使用发挥优异的耐磨损性。

与此相对地，对于在构成硬质包覆层的下部层的Ti的碳氮化物层未分散分布有微粒TiCN的比较包覆工具1~15，可知在伴有高热产生并且断续性或冲击性高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中使用时，由于崩刀、缺损等的发生而在较短时间内达到了使用寿命

[产业上的可利用性]

如上所述，本发明的包覆工具例如在伴有钢或铸铁等的高热产生并且断续性或冲击性高负荷作用于切削刃的高速重切削加工中，发挥优异的耐崩刀性、耐缺损性，能够延长使用寿命，不仅能在高速断续切削加工条件下使用，当然也能在高速切削加工条件、高切削深度、高进给速度的高速重切削加工条件等下使用。

Claims

1.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，其特征在于，

所述硬质包覆层包括被化学蒸镀形成的下部层和上部层，

（b）所述上部层，为具有1~25μm的平均层厚的氧化铝层，

构成所述（a）下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层具有柱状纵向生长TiCN结晶组织，在该组织内分散分布有微粒TiCN，该微粒TiCN为粒状TiCN结晶相、无定形TiCN相、或者粒状TiCN结晶相与无定形TiCN相的混合相，柱状纵向生长TiCN结晶的平均粒子宽度W为50~2000nm，平均纵横比A为5~50，所述微粒TiCN的平均粒径R为10~50nm。

2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在构成所述下部层的至少一层的Ti的碳氮化物层中存在的微粒TiCN的截面的数密度为20~150个/μm²。

3.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，所述微粒TiCN的截面的数密度具有以0.5μm~5μm的周期沿着层厚方向周期性地变化的数密度分布形态。