表面包覆切削工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種表面包覆切削工具。在工具基體表面蒸鍍形成由（Al，Cr）N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具，在前刀面與后刀面的交叉棱線部附近的后刀面上以及前刀面上利用2D法測定殘余應(yīng)力時(shí)，與上述交叉棱線部平行的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ11滿足0.5GPa≤σ11≤4.5GPa的關(guān)系，與σ11正交的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ22滿足0GPa≤σ22≤4.0GPa的關(guān)系，而且滿足σ11-σ22≥0.5GPa的關(guān)系，并且在自交叉棱線部到至少100μm為止的范圍的位置，硬質(zhì)包覆層由結(jié)晶寬度小于0.3μm的微細(xì)晶粒占0～50長度%的薄層A和結(jié)晶寬度小于0.3μm的微細(xì)晶粒占50～100長度%的薄層B交替層疊構(gòu)成，另一方面，在自交叉棱線部超過150μm的位置，結(jié)晶寬度小于0.3μm的微細(xì)晶粒占0～50長度%。
【專利說明】表面包覆切削工具【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明涉及一種即使以伴有高熱產(chǎn)生的高速切削條件進(jìn)行碳鋼、合金鋼等的切削加工時(shí)，硬質(zhì)包覆層也發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨損性的表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，表面包覆切削工具中有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以裝卸自如地方式安裝在車刀的前端部的可轉(zhuǎn)位刀片、用于所述工件的鉆孔切削加工等的鉆頭和小型鉆頭、還有用于所述工件的端面切削加工、槽加工及臺(tái)肩加工等的實(shí)心式立銑刀等，并且已知有以裝卸自如地方式安裝所述可轉(zhuǎn)位刀片而與所述實(shí)心式立銑刀相同地進(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)I所示，已知作為包覆工具，在由WC基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面蒸鍍形成由層厚為0.8~5.0 μ m的Cr和Al的復(fù)合氮化物構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，并且將該硬質(zhì)包覆層構(gòu)成為由Cr和Al的復(fù)合氮化物的粒狀結(jié)晶組織構(gòu)成的薄層A和由柱狀結(jié)晶組織構(gòu)成的薄層B交替層疊的結(jié)構(gòu)，而且，將構(gòu)成薄層A的粒狀結(jié)晶的平均結(jié)晶粒徑設(shè)為30nm以下,且將構(gòu)成薄層B的柱狀結(jié)晶的平均結(jié)晶粒徑設(shè)為50~500nm,由此改善耐磨損性。
[0004]但是，近年來，隨著切削加工的高速化、高效率化，除對(duì)包覆工具要求提高耐磨損性之外，還要求提高耐崩刀性，為了應(yīng)對(duì)這些切削性能進(jìn)行了各種改善，而作為其中之一，還提出有通過控制切削工具的殘余應(yīng)力來改善耐崩刀性、耐磨損性的方案。 [0005]例如，如專利文獻(xiàn)2所示提出有如下方案:在包覆形成由選自周期表的4a、5a、6a族元素、S1、Al的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物及這些彼此的固溶體中的至少一種的單層或多層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的包覆工具中，形成如下殘余應(yīng)力，即將切削刃附近部分的該硬質(zhì)膜的殘余壓縮應(yīng)力表示為σΑ時(shí)，OGPaS σ A < 1.0GPa，且將中央部分的該硬質(zhì)膜的殘余壓縮應(yīng)力表示為σ B時(shí)，1.5GPa ( σ B ^ 2.5GPa，由此提高包覆工具的耐崩刀性、耐磨損性。
[0006]并且示出可利用等離子體電流為150A、Ar氣體流量為50cc/min、N2氣體流量為100cc/min、C2H2氣體流量為10cc/min、成膜壓力為0.53~0.8Pa以及偏置電壓為-150~-200V的物理蒸鍍法制作上述包覆工具。
[0007]并且，例如專利文獻(xiàn)3中并非針對(duì)包覆工具，而是針對(duì)由氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成的切削工具其本身提出有如下方案:利用2D法(二維X射線衍射/全德拜環(huán)擬合法(Full Debyerings Fitting method))在前刀面的刀尖測定殘余應(yīng)力時(shí),將與前刀面平行且朝向自前刀面的中心最靠近測定點(diǎn)的刀尖的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 11設(shè)為10~30MPa，并且，將與前刀面平行且與σ 11方向垂直的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 22設(shè)為IOMPa以下，由此提高由氮化硅燒結(jié)體構(gòu)成的切削工具的耐崩刀性、耐磨損性。
[0008]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開2010-94744號(hào)公報(bào)[0009]專利文獻(xiàn)2:日本專利公開2005-28520號(hào)公報(bào)
[0010]專利文獻(xiàn)3:日本專利公開2010-264574號(hào)公報(bào)
[0011]近年來，切削加工裝置的高性能化顯著，而另一方面，對(duì)切削加工的節(jié)省勞力化、節(jié)能化、及低成本化的要求強(qiáng)烈，隨此，切削加工要在更加苛刻的切削條件下進(jìn)行。
[0012]在上述以往的包覆工具中能夠期望提高某種程度的耐崩刀性、耐磨損性，但現(xiàn)狀為，將其使用于碳鋼、合金鋼等伴有高熱產(chǎn)生的高速切削加工中時(shí)，仍易產(chǎn)生崩刀或者磨耗變大，并由于這些原因而在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]因此，本發(fā)明人等為了在碳鋼、合金鋼等的高速切削加工中提供耐崩刀性和耐磨損性優(yōu)異，并且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的包覆工具，而對(duì)硬質(zhì)包覆層的殘余應(yīng)力的控制及硬質(zhì)包覆層的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究的結(jié)果，得到以下見解。
[0014]以往，制作包覆工具時(shí)，作為形成硬質(zhì)包覆層的方法，通常采用化學(xué)蒸鍍法、物理蒸鍍法等，而且， 例如利用物理蒸鍍法的一種的電弧離子鍍(AIP)法對(duì)硬質(zhì)包覆層進(jìn)行成膜時(shí)，如專利文獻(xiàn)I所示，將工具基體裝入裝置內(nèi)并施加規(guī)定的偏置電壓，并且在將裝置內(nèi)加熱至規(guī)定溫度的狀態(tài)下，在陽極電極與規(guī)定組成的Al-Cr合金靶之間產(chǎn)生電弧放電，同時(shí)向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體并在規(guī)定壓力的反應(yīng)氣氛中進(jìn)行蒸鍍，由此對(duì)硬質(zhì)包覆層進(jìn)行成膜。
[0015]本發(fā)明人等利用上述以往的AIP法對(duì)由(Al，Cr) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層進(jìn)行成膜時(shí)，在工具基體與靶之間施加磁場，針對(duì)磁場對(duì)硬質(zhì)包覆層的壓縮殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行調(diào)查研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)如下情況:在顯示規(guī)定強(qiáng)度及規(guī)定分布的磁場中進(jìn)行利用AIP法進(jìn)行的硬質(zhì)包覆層的成膜，由此能夠控制形成于硬質(zhì)包覆層的壓縮殘余應(yīng)力的值且控制結(jié)晶寬度的分布，而且，如上述調(diào)整硬質(zhì)包覆層的壓縮殘余應(yīng)力的值，并且具備由已調(diào)整結(jié)晶寬度的分布狀態(tài)的(Al，Cr) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的包覆工具在碳鋼、合金鋼等伴有高熱產(chǎn)生的高速切削加工中，發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨損性，并在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0016]該發(fā)明是根據(jù)上述見解而提出的，具有如下特征:
[0017](I) 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由Al和Cr的復(fù)合氮化物層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，其中，
[0018]Ca)上述硬質(zhì)包覆層中，平均膜厚為I~10 μ m，Cr在Al和Cr的總量中所占的含量比為0.2~0.5 (其中，為原子比)，
[0019](b)在上述硬質(zhì)包覆層的后刀面上或前刀面上的表面，在將自后刀面與前刀面的交叉棱線部距離50 μ m的位置作為中心位置的半徑50 μ m的范圍內(nèi)利用2D法測定殘余應(yīng)力時(shí)，與上述交叉棱線部平行的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 11滿足0.5GPa ≤σ 11≤4.5GPa的關(guān)系，與上述σ 11正交的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 22滿足OGPa ≤σ 22 ≤4.0GPa的關(guān)系，而且，上述σ 11和σ 22滿足σ 11-σ 22≥0.5GPa的關(guān)系，
[0020](C)在自上述交叉棱線部到至少100 μ m為止的范圍的位置，上述硬質(zhì)包覆層由結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％的薄層A和結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50~100長度％的薄層B交替層疊構(gòu)成，薄層A與薄層B的微細(xì)晶粒的比例之差為10長度％以上，且交替層疊的最表面由薄層A構(gòu)成，另一方面，在自上述交叉棱線部距離150 μ m以上的位置，上述硬質(zhì)包覆層中結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％。
[0021](2)根據(jù)所述(1)中記載的表面包覆切削工具，其中，
[0022]在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置，上述薄層A和薄層B的平均膜厚分別為0.5~5.0 μ m。
[0023](3)根據(jù)所述(2)中記載的表面包覆切削工具，其中，
[0024]在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置，上述薄層A和薄層B的總層數(shù)為2~20層。
[0025](4)根據(jù)所述(3)中記載的表面包覆切削工具，其中，
[0026]在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置，薄層A的平均膜厚相對(duì)于硬質(zhì)包覆層的平均膜厚所占的比例為50~70%。
[0027]接著，對(duì)該發(fā)明的包覆工具進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028](a)硬質(zhì)包覆層的類別、平均膜厚:
[0029]該發(fā)明的硬質(zhì)包覆層由Al和Cr的復(fù)合氮化物層((Al，Cr) N層)構(gòu)成。
[0030]眾所周知，作為硬質(zhì)包覆層，上述(Al，Cr)N層中，Al成分提高高溫硬度和耐熱性，Cr成分提高高溫強(qiáng)度，而且通過同時(shí)含有Cr和Al而高溫耐氧化性得以提高，由此其高溫硬度、耐熱性、高溫強(qiáng)度及高溫耐氧化性優(yōu)異。
[0031]本發(fā)明中，若Cr占其與Al的總量的含量比(原子比，下同)小于0.2，則難以確保高速切削加工時(shí)的高溫強(qiáng)度，另一方面，若Cr占其與Al的總量的含量比(原子比)超過0.5，則Al的含量比相對(duì)減少，從而導(dǎo)致高溫硬度降低、耐熱性降低，其結(jié)果，因產(chǎn)生偏磨、產(chǎn)生熱塑性變形等耐磨損性劣化，由此將Cr占其與Al的總量的含量比(原子比)設(shè)定為0.2~0.5。
[0032]并且，由(Al，Cr)N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的平均膜厚小于I μ m時(shí)，無法長期發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性，從而成為工具壽命變短的原因，另一方面，若其平均膜厚超過10 μ m，則易在刀尖部產(chǎn)生崩刀，因此將其平均膜厚設(shè)定為I~10 μ m。
[0033](b)形成于硬質(zhì)包覆層的壓縮殘余應(yīng)力:
[0034]本發(fā)明中，在上述由(Al，Cr) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的后刀面上或前刀面上，在將自后刀面與前刀面的交叉棱線部(以下稱為“切削刃棱線部”)距離50 μ m的位置作為中心位置的半徑50 μ m的范圍內(nèi)所測定的壓縮殘余應(yīng)力的值O 11、O 22設(shè)定在規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)，并且規(guī)定σ 11和σ 22的彼此的關(guān)系，由此改善耐崩刀性、耐磨損性。
[0035]利用圖1、圖2進(jìn)行說明，圖1的(a)是球頭立銑刀整體的示意圖，圖1的(b)是球頭立銑刀前端的示意圖，圖2的(a)是直角型立銑刀整體的示意圖，圖2的(b)是直角型立統(tǒng)刀前端的示意圖。
[0036]圖1的(b)、圖2的(b)中，在與切削刃棱線部相切于一個(gè)點(diǎn)的半徑50μπι范圍內(nèi)的后刀面的Al和Cr的復(fù)合氮化物層中，利用2D法(二維X射線衍射/全德拜環(huán)擬合法)測定了兩個(gè)方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 11、σ 22。σ 11為與后刀面和前刀面的交叉棱線部平行的方向的壓縮殘余應(yīng)力，σ 22為與上述σ 11正交的方向的壓縮殘余應(yīng)力。另外設(shè)為測定范圍均包含后刀面的區(qū)域，且不超出后刀面的區(qū)域。
[0037]根據(jù)本發(fā)明，需要σ 11滿足0.5GPa ≤ σ 11≤4.5GPa的關(guān)系，σ 22滿足OGPa ≤ σ 22 ≤ 4.0GPa的關(guān)系，而且，上述σ 11、σ 22滿足σ 11-σ 22≥0.5GPa的關(guān)系。
[0038]在此，若σ 11小于0.5GPa并且σ 22小于OGPa (這即意味著σ 22成為拉伸殘余應(yīng)力)，則硬質(zhì)包覆層的硬度降低，因此耐磨損性降低，另一方面，若σ 11超過4.5Gpa并且σ 22超過4.0GPa,則硬質(zhì)包覆層易引起剝離，由此，本發(fā)明中，將σ 11設(shè)定為
0.5GPa ( σ 11 ≤ 4.5GPa,并且將 σ 22 設(shè)定為 OGPa ( σ 22 ≤ 4.0GPa0
[0039]而且，本發(fā)明中，將σ 11、σ 22彼此的關(guān)系設(shè)定為σ 11-σ 22≤0.5GPa，這是由于
如下理由。
[0040]即，切削加工時(shí)，在與引起崩刀、磨損的力的方向(σ 22的方向)正交的方向(σ 11的方向)存在較大的壓縮殘余應(yīng)力，由此，通過該σ 11發(fā)揮抵抗產(chǎn)生崩刀、磨損的力的作用，來抑制崩刀、磨損的產(chǎn)生及加劇。
[0041]但是，當(dāng)σ 22變大，而σ 11和σ 22的關(guān)系成為σ 11-σ 22 < 0.5GPa時(shí)，殘余應(yīng)力集中于切削刃棱線部，因此易產(chǎn)生崩刀。
[0042]因此，本發(fā)明中，將σ--、σ22彼此的關(guān)系設(shè)定為σ 11-σ 22≤0.5GPa。
[0043](C)硬質(zhì)包覆層的層結(jié)構(gòu):
[0044]該發(fā)明中，根據(jù)自后刀面與前刀面的交叉棱線部的距離，通過改變硬質(zhì)包覆層的層結(jié)構(gòu)，來提高耐崩刀性、耐磨損性。
[0045]即，構(gòu)成如下硬質(zhì)包覆層:在自交叉棱線部到至少100 μ m為止的范圍的位置，由結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％的薄層A和結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50~100長度％的 薄層B交替層疊構(gòu)成，薄層A與薄層B的微細(xì)晶粒的比例之差為10長度％以上。
[0046]另一方面，在自上述交叉棱線部超過150 μ m的位置，上述硬質(zhì)包覆層中結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％，即，由具有與所述薄層A相同的結(jié)晶寬度分布的結(jié)晶構(gòu)成硬質(zhì)包覆層。
[0047]另外，在自上述交叉棱線部超過100 μ m且小于150 μ m的范圍的位置，層結(jié)構(gòu)從薄層A和薄層B交替層疊的結(jié)構(gòu)逐漸變化成顯示與薄層A相同的結(jié)晶寬度分布的結(jié)晶的過渡區(qū)域。
[0048]另外，本發(fā)明中的“長度％”是指，將從工具基體刀尖切出的后刀面?zhèn)鹊慕孛婊蚯暗睹鎮(zhèn)鹊慕孛嬷?，在與工具基體表面平行的方向遍及各層的中間區(qū)域的寬度20 μ m的范圍測定的晶界之間的距離作為結(jié)晶寬度時(shí)，將所關(guān)注的大小的晶粒(例如，結(jié)晶寬度小于0.3μπι的微細(xì)晶粒)的結(jié)晶寬度的合計(jì)相對(duì)于所測定的總結(jié)晶寬度20 μ m的比例定義為“長度％”。
[0049]該發(fā)明中，首先，將硬質(zhì)包覆層構(gòu)成為在自交叉棱線部到至少100 μ m為止的范圍的位置，由結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％的薄層A和結(jié)晶寬度小于
0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50~100長度％的薄層B交替層疊的結(jié)構(gòu)(另外，交替層疊的最表面設(shè)為薄層A)。
[0050]這是因?yàn)?，?dāng)?shù)都飧浇挠操|(zhì)包覆層僅由微細(xì)晶粒較少的薄層A構(gòu)成時(shí)，在伴有高熱產(chǎn)生的高速切削條件下發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性，但在刀尖附近易產(chǎn)生裂紋，其結(jié)果，耐崩刀性降低，由此，將硬質(zhì)包覆層構(gòu)成為在自交叉棱線部到至少100 μ m為止的范圍的位置的刀尖附近，由結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％的薄層A和結(jié)晶寬度小于
0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50~100長度％的薄層B交替層疊的結(jié)構(gòu)，從而確保規(guī)定的耐磨損性并提聞耐崩刀性。
[0051]在此，在薄層A中，將結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒所占比例設(shè)為50長度％以下是因?yàn)椋羝涑^50長度％，則因壓縮殘余應(yīng)力的增大而易產(chǎn)生膜的剝離，且耐磨損性降低。
[0052]并且，在薄層B中，將結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒所占比例設(shè)為50長度％以上是因?yàn)?，若其小?0長度％，則由于晶粒增大且晶界減小，因此耐崩刀性降低。
[0053]將薄層A與薄層B的微細(xì)晶粒的比例之差設(shè)為10長度％以上是因?yàn)?，薄層A中微細(xì)晶粒較少，因此裂紋較多，且在刀尖附近易產(chǎn)生由裂紋引起的龜裂。另一方面，薄層B中微細(xì)晶粒的比例較多，因此能夠防止裂紋變大。此時(shí)，微細(xì)晶粒的比例中若薄層A與薄層B的微細(xì)晶粒的比例之差不為10長度％以上，則防止薄層B的裂紋變大效果降低，且高速切削時(shí)的耐崩刀性降低。
[0054]關(guān)于由上述薄層A和薄層B交替層疊的結(jié)構(gòu)(交替層疊的最表面為薄層A)構(gòu)成的刀尖附近(自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置)的硬質(zhì)包覆層，優(yōu)選薄層A與薄層B的平均膜厚分別為0.5?5.0 μ m，通過具有這種各自的平均膜厚，能夠均衡地提高刀尖附近的耐崩刀性和耐磨損性。
[0055]薄層A與薄層B的平均膜厚分別超過5 μ m時(shí)，易產(chǎn)生崩刀，而各自的平均膜厚小于0.5 μ m時(shí)，在長期使用中無法發(fā)揮優(yōu)異的切削性能，因此優(yōu)選自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置上的薄層A與薄層B的平均膜厚分別為0.5?5.0 μ m。
[0056]并且，同樣關(guān)于刀尖附近的硬質(zhì)包覆層，在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置進(jìn)行測定時(shí)，在薄層A與薄層B的總層數(shù)為2?20層的情況下，能夠均衡地提高刀尖附近的耐崩刀性和耐磨損性。
[0057]另外，同樣關(guān)于刀尖附近的硬質(zhì)包覆層，在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置進(jìn)行測定時(shí)，在相對(duì)于由薄層A和薄層B交替層疊構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的平均膜厚，薄層A的平均膜厚占硬質(zhì)包覆層的平均膜厚的50?70%的情況下，能夠均衡地提高刀尖附近的耐崩刀性和耐磨損性。
[0058]在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置上的硬質(zhì)包覆層中，當(dāng)薄層A與薄層B的平均膜厚小于0.5 μ m時(shí)、薄層A與薄層B的總層數(shù)超過20層時(shí)、以及薄層A相對(duì)于硬質(zhì)包覆層的平均膜厚所占的平均膜厚的比例小于50%時(shí)，無法在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性，而當(dāng)薄層A與薄層B的平均膜厚超過5.0 μ m時(shí)、薄層A與薄層B的總層數(shù)小于2層時(shí)、以及薄層A相對(duì)于硬質(zhì)包覆層的平均膜厚所占的平均膜厚的比例超過70%時(shí)易產(chǎn)生崩刀，因此，優(yōu)選自交叉棱線部到至少100 μ m為止的范圍的位置上的薄層A與薄層B的平均膜厚分別為0.5?5.0 μ m，且優(yōu)選薄層A與薄層B的總層數(shù)為2?20層，并且優(yōu)選薄層A的平均膜厚相對(duì)于硬質(zhì)包覆層的平均膜厚占其50?70%。
[0059]并且，該發(fā)明中，在自交叉棱線部距離150 μ m以上的位置，即遠(yuǎn)離刀尖的位置，無需過于考慮抑制崩刀的產(chǎn)生，因此關(guān)于硬質(zhì)包覆層，能夠以結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O?50長度％的晶粒即與所述薄層A顯示相同結(jié)晶粒徑長度分布的晶粒構(gòu)成硬質(zhì)包覆層，并提高耐磨損性。
[0060]另外，若結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50長度％以上，則層中的壓縮殘余應(yīng)力增加，易產(chǎn)生膜的剝離，并且，因膜的自然毀壞的影響而耐磨損性降低，因此優(yōu)選結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒所占的比例為50長度％以下。
[0061](d)硬質(zhì)包覆層的蒸鍍形成[0062]該發(fā)明的硬質(zhì)包覆層例如利用如圖3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為370~450°C，并且通過使工具基體在AIP裝置內(nèi)自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)，并在靶與工具基體之間施加規(guī)定的磁場的同時(shí)進(jìn)行蒸鍍而形成。
[0063]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，另一側(cè)設(shè)置由80~50at%Al-20~50at%Cr合金構(gòu)成的靶(陰極電極)，
[0064]首先，對(duì)由碳化鎢(WC)基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體進(jìn)行清洗、干燥，并安裝在AIP裝置內(nèi)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，在真空下，于基體清洗用Ti電極與陽極電極之間產(chǎn)生100A的電弧放電，從而對(duì)工具基體施加-1000V的偏置電壓且對(duì)工具基體表面進(jìn)行轟擊清洗，
[0065]接著，施加磁場，以使在Al-Cr合金祀的表面最大磁場為IOOmT時(shí),也能夠防止由電弧斑點(diǎn)向靶的外側(cè)移動(dòng)而產(chǎn)生的異常放電的發(fā)生，
[0066]接著，向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體并設(shè)為9.3Pa的氣氛壓力，將工具基體的溫度維持為370~450°C，并對(duì)工具 基體施加-50V的偏置電壓，并且于Al-Cr合金靶(陰極電極)與陽極電極之間產(chǎn)生100A的電弧放電，并支撐工具基體并使其自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)，并且將Al-Cr合金祀的表面最大磁場控制成45~IOOmT并蒸鍍薄層A,另外,將Al-Cr合金祀的表面最大磁場控制成O~22mT并蒸鍍薄層B,通過交替蒸鍍薄層A與薄層B,能夠蒸鍍形成由具有本發(fā)明的壓縮殘余應(yīng)力及結(jié)晶形態(tài)的(Al，Cr) N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層。
[0067]另外，當(dāng)上述Al-Cr合金祀的表面最大磁場為IOOmT以上時(shí)，為了防止由電弧斑點(diǎn)向靶的外側(cè)移動(dòng)而產(chǎn)生的異常放電的發(fā)生，例如，如圖4的(a)所示，可在靶的背面?zhèn)?不面向工具基體的一側(cè))配置磁場發(fā)生源即電磁線圈，并且采用在靶的周圍配置永久磁鐵(例如，鐵氧體磁鐵)的磁場施加方法，由此，如圖4的(b)所示，在靶的磁場分布中制作凹部(圖4的(b)中以“箭頭”表示)，通過在該部分集中電弧斑點(diǎn)，從而在靶的表面最大磁場即使為IOOmT以上時(shí)，也能夠防止異常放電的發(fā)生。
[0068]該發(fā)明的包覆工具中，硬質(zhì)包覆層由(Al，Cr) N層構(gòu)成，且切削刃棱線部附近的后刀面或前刀面的硬質(zhì)包覆層的壓縮殘余應(yīng)力的值σ--和σ22維持在特定范圍內(nèi)(0.5GPa ( σ 11 ≤ 4.5GPa，0GPa ( σ 22 ≤ 4.0GPa),并且 oil 與 σ 22 具有特定關(guān)系(σ 11-σ 22 ^ 0.5GPa)，另外，切削刃棱線部附近的硬質(zhì)包覆層由結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％的薄層A和結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50~100長度％的薄層B交替層疊構(gòu)成，由此在碳鋼、合金鋼等伴有高熱產(chǎn)生的高速切削加工中發(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】
[0069]圖1的(a)為球頭立銑刀的整體示意圖，(b)表示球頭立銑刀前端的σ 11與σ 22的關(guān)系。
[0070]圖2的(a)為直角型立銑刀的整體示意圖，(b)表示直角型立銑刀前端的σ 11與σ 22的關(guān)系。
[0071]圖3表示用于制作本發(fā)明的表面包覆切削工具的AIP裝置的示意圖。
[0072]圖4表示本發(fā)明中的用于防止異常放電的發(fā)生的對(duì)靶施加磁場的方法的一例，Ca)示出靶、電磁線圈及永久磁鐵的位置關(guān)系的概略，(b)示出形成于工具基體側(cè)的靶表面的磁場分布的概略。(a)表不俯視圖，(b)表不側(cè)視圖。[0073]圖5表示從工具基體的刀尖切出的后刀面?zhèn)燃扒暗睹鎮(zhèn)鹊氖疽庑云室晥D。該示意性剖視圖中表示利用SEM觀察的測定結(jié)晶寬度時(shí)的測定位置，即各層的中間區(qū)域且自后刀面與前刀面的交叉棱線部至50 μ m及200 μ m的位置。
【具體實(shí)施方式】
[0074]接著，根據(jù)實(shí)施例對(duì)該發(fā)明的包覆工具進(jìn)行具體說明。
[0075]在此，對(duì)適用于立銑刀的情況進(jìn)行說明，但并不限定于此，毫無疑問，當(dāng)然也能夠適用于刀片、鉆頭等。
[0076][實(shí)施例]
[0077]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1.0yn^^(Ti，W)C[以質(zhì)量比計(jì)，TiC/WC=50/50]粉末以及平均粒徑為1.8ym的Co粉末，并將這些原料粉末分別配合成表1所示的配合組成，進(jìn)一步加入石蠟并在丙酮中球磨混合24小時(shí)，減壓干燥后以IOOMPa的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的各種壓坯，將這些壓坯在6Pa的真空氣氛中以7°C /分鐘的升溫速度升溫至1370~1470°C范圍內(nèi)的規(guī)定溫度，在該溫度下保持I小時(shí)后以爐冷條件燒結(jié)，從而形成直徑為8_的工具基體形成用圓棒燒結(jié)體，并通過磨削加工，由所述的圓棒燒結(jié)體分別制造出具有切削刃部的直徑X長度為6mmX 13mm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)A~C、以及具有雙刃直角形形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體(立銑刀)D、E0 [0078]通過如下方法分別制造出作為本發(fā)明的包覆工具的表面包覆立銑刀I~15(以下稱為本發(fā)明I~15):
[0079](a)在丙酮中超聲波清洗上述各工具基體A~E，并以干燥的狀態(tài)沿外周部安裝在自圖3所示的AIP裝置的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的中心軸向半徑方向距離規(guī)定距離的位置上，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)配置由規(guī)定組成的Al-Cr合金構(gòu)成的靶(陰極電極)，
[0080](b)首先，對(duì)裝置內(nèi)進(jìn)行排氣而保持為真空的同時(shí)用加熱器將工具基體加熱至500°C之后，對(duì)在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上自轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的工具基體施加-1000V的直流偏置電壓，并且在Ti陰極電極與陽極電極之間使100A的電流流過而產(chǎn)生電弧放電，并且對(duì)工具基體表面進(jìn)行轟擊清洗，
[0081](C)接著，如圖4所示，在靶的背面配置電磁線圈，并且對(duì)在靶的周圍配置有鐵氧體磁鐵的上述Al-Cr合金祀施加表2所不的各種磁場，以使表面最大磁場在O~22mT及45~IOOmT的范圍內(nèi)，
[0082](d)接著，向裝置內(nèi)導(dǎo)入氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體并設(shè)為9.3Pa的反應(yīng)氣氛，并且將在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上自轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的工具基體的溫度維持在370~450°C范圍內(nèi)并施加-50V的直流偏置電壓，并且使100A的電流流過所述Al-Cr合金靶與陽極電極之間而產(chǎn)生電弧放電，施加磁場以使表面最大磁場在45~IOOmT范圍內(nèi)，從而蒸鍍薄層A,并且施加磁場以使表面最大磁場在O~22mT范圍內(nèi)，從而蒸鍍薄層B，通過交替蒸鍍薄層A與薄層B，在工具基體的表面蒸鍍形成由具有表1所示的組成、交替層疊結(jié)構(gòu)及目標(biāo)膜厚的(Al，Cr)N層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層。
[0083]利用EPMA在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置進(jìn)行五個(gè)點(diǎn)測定，由它們的平均值計(jì)算出硬質(zhì)包覆層的組成。
[0084]比較例:
[0085]以比較為目的，對(duì)于上述工具基體(立銑刀)A?E，改變上述實(shí)施例中(C)、Cd)的條件(例如，不形成磁場、不在靶的周圍配置鐵氧體磁鐵而形成磁場、磁場的大小在O?22mT或45?IOOmT的范圍之外等)，而其他條件與實(shí)施例相同的條件下，分別制造出作為比較例包覆工具的表面包覆立銑刀(以下稱為比較例I?15)。
[0086]關(guān)于通過上述制作的本發(fā)明I?15及比較例I?15，在與自立銑刀前端距離
2.0mm的切削刃棱線部相切于一個(gè)點(diǎn)的半徑50 μ m范圍內(nèi)的后刀面的Al與Cr的復(fù)合氮化物層中，利用2D法(二維X射線衍射/全德拜環(huán)擬合法)測定了兩個(gè)方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 11、σ 22。σ 11為與后刀面與前刀面的交叉棱線部平行的方向的壓縮殘余應(yīng)力，σ 22為與上述σ 11正交的方向的壓縮殘余應(yīng)力。
[0087]2D法(二維X射線衍射/全德拜環(huán)擬合法)是指，通過同時(shí)檢測二維擴(kuò)大的所有衍射線，從而根據(jù)全德拜環(huán)的形變計(jì)算總應(yīng)力分量的方法。
[0088]關(guān)于σ 11、σ 22，分別進(jìn)行五個(gè)點(diǎn)測定，并將該測定值的平均值作為σ 11、σ 22。
[0089]在表2、表3中示出通過上述進(jìn)行測定、計(jì)算的oil、σ 22及σ 11-σ 22的值。
[0090]另外，具體的殘余應(yīng)力測定條件大致如下。
[0091 ] 解析法:2D法(二維X射線衍射/全德拜環(huán)擬合法)
[0092]X 射線源:Cu_Ka 射線，輸出=50kV，22mA
[0093]X射線衍射峰值:使用2 Θ =80° (220)面的峰值
[0094]另外，利用(Al，Cr) N的泊松比=0.200，楊氏模量=300000MPa計(jì)算殘余應(yīng)力。
[0095]另外，關(guān)于通過上述制作的本發(fā)明I?15及比較例I?15，首先，分別針對(duì)自交叉棱線部到至少100 μ m為止的范圍的位置上的薄層A、薄層B求出結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒比例的平均值，并且，求出自交叉棱線部距離150 μ m以上的位置上的硬質(zhì)包覆層中結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒比例的平均值。
[0096]在表2、表3中示出通過上述測定的各位置上的結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒的比例。
[0097]更具體的測定方法如下。
[0098]自工具基體刀尖切出后刀面?zhèn)鹊慕孛?，利用SEM觀察該截面。圖5中示出大致的截面。在薄層A與薄層B的邊界部之間的中間區(qū)域(當(dāng)各薄層存在于表面及界面時(shí)，為表面及界面與薄層A、B間的邊界部之間的中間區(qū)域)，畫一與工具基體表面平行的直線，并將晶界之間的距離定義為結(jié)晶寬度。測定以自后刀面與前刀面的交叉棱線部距離50 μ m的位置為中心的、存在于寬度100 μ m范圍內(nèi)的結(jié)晶的結(jié)晶寬度，并將結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的結(jié)晶的寬度之和相對(duì)于所測定的所有的結(jié)晶寬度之和的比例作為“自交叉棱線部到ΙΟΟμπι為止的范圍的位置中的小于0.3μπι的微細(xì)晶粒的比例(長度％)”。并且，測定以自交叉棱線部距離200 μ m的位置為中心的、存在于寬度100 μ m范圍內(nèi)的結(jié)晶的結(jié)晶寬度，并將結(jié)晶寬度小于0.3μπι的結(jié)晶寬度之和相對(duì)于所測定的所有的結(jié)晶寬度之和的比例作為“自交叉棱線部距離150 μ m以上的位置中的小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒的比例(長度％)”。[0099]另外，關(guān)于通過上述制作的本發(fā)明I~15及比較例I~15，測定、計(jì)算薄層A和薄層B的平均膜厚、自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置上的薄層A與薄層B的總層數(shù)、以及薄層A的平均膜厚相對(duì)于硬質(zhì)包覆層的平均膜厚的比例。
[0100]在表2、表3中示出這些測定值、計(jì)算值。
[0101]具體測定方法為，如圖5所示，從工具基體刀尖切出后刀面?zhèn)鹊慕孛?，利用SEM觀察該截面，測定自后刀面與前刀面的交叉棱線部距離25 μ m、50 μ m及75 μ m的位置上的膜厚，并將該3點(diǎn)的平均值作為平均膜厚。
[0102][表1]
[0103]
【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由Al和Cr的復(fù)合氮化物層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，該表面包覆切削工具的特征在于， (a)上述硬質(zhì)包覆層中，平均膜厚為I~IOynuCr在Al和Cr的總量中所占的含量比以原子比計(jì)為0.2~0.5， (b)在上述硬質(zhì)包覆層的后刀面上或前刀面上的表面，在將自后刀面與前刀面的交叉棱線部距離50 μ m的位置作為中心位置的半徑50 μ m的范圍內(nèi)利用2D法測定殘余應(yīng)力時(shí)，與上述交叉棱線部平行的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 11滿足0.5GPa≤σ 11≤4.5GPa的關(guān)系，與上述σ 11正交的方向的壓縮殘余應(yīng)力σ 22滿足OGPa≤σ 22≤4.0GPa的關(guān)系，而且，上述σ 11和σ 22滿足σ 11-σ 22≤0.5GPa的關(guān)系， (c)在自上述交叉棱線部到至少100μ m為止的范圍的位置，上述硬質(zhì)包覆層由結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％的薄層A和結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占50~100長度％的薄層B交替層疊構(gòu)成，薄層A與薄層B的微細(xì)晶粒的比例之差為10長度％以上，且交替層疊的最表面由薄層A構(gòu)成，另一方面，在自上述交叉棱線部距離150 μ m以上的位置，上述硬質(zhì)包覆層中結(jié)晶寬度小于0.3 μ m的微細(xì)晶粒占O~50長度％。
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， 在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置，上述薄層A和薄層B的平均膜厚分別為0.5 ~5.0 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置，上述薄層A和薄層B的總層數(shù)為2~20層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面包覆切削工具，其特征在于， 在自交叉棱線部到100 μ m為止的范圍的位置，薄層A的平均膜厚相對(duì)于硬質(zhì)包覆層的平均膜厚所占的比例為50~70%。
【文檔編號(hào)】B23B51/00GK103962589SQ201410034933
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月24日
【發(fā)明者】木村隆之, 田中裕介 申請人:三菱綜合材料株式會(huì)社