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，其硬質(zhì)包覆層在鑄鐵、碳鋼等的高速斷續(xù)切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐磨損性。本發(fā)明的表面包覆切削工具，其在表面形成有基體表面固化層等的工具基體表面形成有氧化硅主體層作為硬質(zhì)包覆層的表面層，其中，氧化硅主體層中分散含有5～50面積%的鋁的氧化物晶體，并且該平均截面直徑朝向氧化硅主體層表面向膜厚方向減少。
【專利說明】表面包覆切削工具【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用于鑄鐵、碳鋼等的高速斷續(xù)切削加工中時(shí)，在長(zhǎng)期使用中也發(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]以往，已知有如下包覆工具，即通過化學(xué)蒸鍍法或物理蒸鍍法在工具基體表面包覆形成由選自周期表的4a、5a、6a族中的至少一種以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化鋁、氧化硅等構(gòu)成的皮膜。[0003]例如，如專利文獻(xiàn)I所示，提出有如下包覆工具，即通過化學(xué)蒸鍍法在工具基體表面作為下部層包覆形成Ti化合物層，作為上部層包覆形成上部?jī)?nèi)周層及上部外周層，而且以Al和Cr的復(fù)合氧化物層構(gòu)成上部?jī)?nèi)周層，并且，以氧化硅層與Al和Cr的復(fù)合氧化物層的交替層疊構(gòu)成上部外周層，已知根據(jù)該包覆工具，由于皮膜具有潤(rùn)滑性，因此在難切削材料的重切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性。
[0004]專利文獻(xiàn)I所示的包覆工具通過化學(xué)蒸鍍法形成氧化硅層，但是作為氧化硅層的其他成膜方法，還已知有基于溶膠-凝膠法的成膜。
[0005]例如，如專利文獻(xiàn)2所示，已知有如下內(nèi)容，即為了抑制通過電弧離子鍍法形成的氮化膜在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的氧化鐵的產(chǎn)生，并強(qiáng)化耐熱性及耐磨損性，在通過電弧離子鍍法形成的氮化膜上形成由MgO、Al2O3或ZrO2構(gòu)成的氧化膜之后形成TiAlN膜，并進(jìn)一步在其上通過溶膠-凝膠法形成硅酸鹽膜。
[0006]另外，如專利文獻(xiàn)3所示，已知有如下內(nèi)容，為了改善耐溶出性并防止基材的腐蝕等，通過溶膠-凝膠法在通過電弧離子鍍法形成的氮化膜上或在形成于該氮化膜上的氧化膜上形成氧化硅膜。
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開2007-130741號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本專利公開2000-54114號(hào)公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)3:日本專利公開2000-54162號(hào)公報(bào)
[0010]上述專利文獻(xiàn)I中提出的包覆工具在通常切削速度的加工中發(fā)揮一定程度的韌性、耐磨損性，但是例如用于鑄鐵、碳鋼等的高速斷續(xù)切削加工、即伴有高熱產(chǎn)生且有斷續(xù)性、沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的切削加工中時(shí)，易產(chǎn)生崩刀、缺損，由此存在無法在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮充分的耐磨損性的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，本發(fā)明人等為了通過溶膠-凝膠法在工具基體表面形成耐磨損性優(yōu)異的氧化硅層而進(jìn)行深入研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過形成氧化硅主體層，可得到即使用于伴有高熱產(chǎn)生且有斷續(xù)性、沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生崩刀、缺損等并發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性的包覆工具，所述氧化硅主體層通過溶膠-凝膠法形成的氧化硅層中分散含有鋁的粒狀氧化物晶體，并且規(guī)定這些晶體所占的面積比例，并使晶體的平均截面直徑從基體或基底層與氧化硅主體層的界面朝向表面減少。
[0012]發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的包覆工具為具備表面層的包覆工具，在用于鑄鐵、碳鋼等的伴有高熱產(chǎn)生且斷續(xù)性、沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工中時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生崩刀、缺損等，在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性，所述硬質(zhì)包覆層的表面層由氧化硅主體層構(gòu)成，并且該氧化硅主體層分散含有鋁的粒狀氧化物晶體，并且規(guī)定這些晶體所占的面積比例，晶體的平均截面直徑從基體或基底層與氧化硅主體層的界面朝向表面減少。
[0013]本發(fā)明是根據(jù)上述見解完成的，其具有如下特征。
[0014](I) 一種表面包覆切削工具，其通過在由碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其中，
[0015](a)上述硬質(zhì)包覆層具備由直接或經(jīng)由基底層形成于工具基體的表面且具有
0.5~5.0 μ m的平均層厚的氧化娃主體層構(gòu)成的表面層， [0016](b)上述氧化硅主體層中分散含有以層中所占的面積比例計(jì)為5~50面積％的鋁的粒狀氧化物晶體，
[0017](C)將對(duì)上述氧化物晶體的各個(gè)截面的面積換算為圓形面積時(shí)的直徑設(shè)為截面直徑，并將該截面直徑的平均值設(shè)為平均截面直徑時(shí)，上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑從與基體或基底層的界面朝向表面減少。
[0018](2)上述(I)所述的表面包覆切削工具，其中，
[0019]上述(I)中記載的粒狀氧化物晶體的平均截面直徑在0.05~0.5μπι的范圍內(nèi)，表面附近的平均截面直徑為與基體或基底層的界面附近的平均截面直徑的1/3以下。
[0020](3 )上述(I)或(2 )所述的表面包覆切削工具，其通過在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其中，
[0021]從上述工具基體的表面向深度方向形成具有0.5~3.0ym的平均層厚的基體表面固化層，作為包含于該基體表面固化層的結(jié)合相金屬的Co的平均含量不到2.0質(zhì)量％。
[0022]( 4 )根據(jù)上述(I)或(2 )所述的表面包覆切削工具，其通過在由碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其中，
[0023]從上述工具基體的表面向深度方向形成具有0.5~3.0 μ m的平均層厚的基體表面固化層，作為包含于該基體表面固化層的結(jié)合相金屬的Co及Ni的總計(jì)平均含量不到2.0
質(zhì)量％。
[0024]以下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明的包覆工具，不僅能夠在由碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體表面直接形成上述分散含有晶體的氧化硅主體層，而且還能夠通過物理蒸鍍法(PVD法)、化學(xué)蒸鍍法(CVD法)或溶膠-凝膠法在工具基體表面與該氧化硅主體層之間形成含有選自周期表的4a、5a、6a族、Al、Si中的至少一種以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物的基底層之后，在該基底層硬質(zhì)皮膜的表面包覆形成上述氧化硅主體層。
[0026]作為基底層的具體例子，例如能夠舉出通過化學(xué)蒸鍍形成的TiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層等Ti化合物層，并且能夠舉出通過物理蒸鍍形成的Ti和Al的復(fù)合氮化物層、Cr和Al的復(fù)合氮化物層等。
[0027]本發(fā)明的包覆工具具備例如通過溶膠-凝膠法成膜的厚度為0.5~5.0 μ m的氧化硅主體層作為硬質(zhì)包覆層的表面層，但是若氧化硅主體層的層厚不到0.5μπι，則無法在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮充分的耐磨損性，另一方面，若層厚超過5.0 μ m，則易產(chǎn)生崩刀，因此將氧化娃主體層的層厚設(shè)定為0.5~5.0 μ m。
[0028]對(duì)于氧化硅主體層中含有的鋁的粒狀氧化物晶體，由于具有優(yōu)異的高溫硬度及化學(xué)穩(wěn)定性，因此兼顧氧化硅主體層所具有的潤(rùn)滑性，由此即使在刀尖由于高速切削時(shí)的發(fā)熱而變成高溫時(shí)，尤其在前刀面損傷方面仍顯示優(yōu)異的耐磨損性。
[0029]構(gòu)成本發(fā)明的包覆工具的表面層的氧化硅主體層例如通過后述的溶膠-凝膠法成膜，由此其主體由氧化硅構(gòu)成，該層中分散含有以層中所占的面積比例計(jì)為5~50面積％的鋁氧化物晶體。
[0030]關(guān)于上述鋁粒狀氧化物晶體，以透射電子顯微鏡(TEM)觀察氧化硅主體層時(shí)，可知上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑從基體或基底層與氧化硅主體層的界面朝向氧化硅主體層的表面減少，并且例如在視場(chǎng)區(qū)域0.25X0.25 μ m范圍通過縱截面TEM觀察求出該晶體在氧化硅主體層中所占的面積比例時(shí)，占5~50面積％。
[0031]另外，關(guān)于本發(fā)明中所說的上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑，測(cè)定各個(gè)晶體的截面面積，并求出將這些作為圓形的面積來換算時(shí)的該圓形的直徑，將該直徑設(shè)為各個(gè)晶體的截面直徑時(shí)，本發(fā)明中將平均該截面直徑的平均值稱為平均截面直徑。
[0032]優(yōu)選氧化硅主體層中含有的上述氧化物晶體的平均截面直徑為0.05~0.5 μ m,并優(yōu)選氧化硅主體層表面附近的平均截面直徑為基體或基底層與氧化硅主體層的界面附近的平均截面直徑的1/3以下。另外，氧化硅主體層表面附近是指從氧化硅主體層表面向基體方向至氧化硅主體層的膜厚的1/3為止的范圍內(nèi)的氧化硅主體層的一部分，基體或基底層與氧化硅主體層的界面附近是指從基體或基底層與氧化硅主體層的界面向氧化硅主體層表面方向至氧化硅主體層的膜厚的1/3為止的范圍內(nèi)的氧化硅主體層的一部分。例如在視場(chǎng)區(qū)域0.25X0.25μπι范圍通過縱截面TEM觀察求出氧化硅主體層表面附近及基體或基底層與氧化硅主體層的界面附近的平均截面直徑，則優(yōu)選上述氧化物晶體占氧化硅主體層的5~50面積％，并且氧化硅主體層表面附近含有的上述氧化物晶體的平均截面直徑為基體或基底層與氧化硅主體層的界面附近含有的上述氧化物晶體的平均截面直徑的1/3以下。
[0033]另外，若上述晶體在氧化硅主體層中所占的面積比例超過50面積％，則固定晶體的分散組織的氧化硅的比例減少，因此氧化硅主體層中出現(xiàn)脆化傾向。
[0034]另一方面，面積比例不到5面積％時(shí)，有助于提高耐磨損性的晶體會(huì)減少，因此氧化硅主體層的耐磨損性降低。
[0035]因此，本發(fā)明中將上述晶體在氧化硅主體層中所占的面積比例設(shè)定為5~50面積％。
[0036]對(duì)于各個(gè)上述鋁氧化物晶體，求出具有與該晶體的面積相同面積的圓形的直徑作為該晶體的截面直徑，并且將所求出的截面直徑的平均值設(shè)為平均截面直徑時(shí)，若上述晶體的平均截面直徑不到0.05 μ m，則無法實(shí)現(xiàn)基于龜裂迂回的龜裂擴(kuò)展能量的釋放，崩刀、剝離等的抑制效果較小，另一方面，若平均截面直徑超過0.5 μ m，則成為粗大的晶體分散組織，因此由于切削時(shí)的溫度上升引起的該晶體的熱膨脹，被負(fù)載微觀應(yīng)力，易成為龜裂起點(diǎn)而導(dǎo)致耐崩刀性降低。
[0037]因此，將上述晶體的平均截面直徑設(shè)定為0.05~0.5 μ m。[0038]另外，通過上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑從與基體或基底層的界面朝向表面減少，表面附近含有比較微細(xì)的晶體，所以較硬，耐磨損性優(yōu)異，界面附近含有比較大的晶體，因此龜裂的迂回效果較大，韌性優(yōu)異，難以剝離，并且上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑連續(xù)或階段性地變化，因此在膜厚方向上不存在熱特性、力學(xué)特性急劇變化的部分，難以產(chǎn)生龜裂，因此能夠長(zhǎng)期兼顧耐磨損性和韌性。并且，本發(fā)明中，規(guī)定上述鋁氧化物晶體占氧化硅主體層截面的面積、膜厚方向的平均截面直徑的變化，僅通過這些，耐磨損性、韌性也會(huì)提高，因此能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)壽命化，但是若氧化硅主體層表面附近含有的上述鋁氧化物晶體的平均截面直徑為基體或基底層與氧化硅主體層的界面附近的平均截面直徑的1/3以下，則尤其氧化硅主體層表面附近顯示優(yōu)異的耐磨損性，因此氧化硅主體層不易磨損，壽命顯著延長(zhǎng)。
[0039]另外，通過直接成膜于工具基體，上述氧化硅主體層雖然能夠發(fā)揮其性能，但是將包含碳氮化鈦的硬質(zhì)合金作為基體時(shí)，通過在氮?dú)夥罩械臒?，能夠使工具基體表面附近較多地含有T1、Ta、Nb、Zr中的至少一種耐磨損性較高的碳氮化物來形成基體表面固化層，并且提高氧化硅主體層與工具基體的密合強(qiáng)度，延長(zhǎng)工具壽命。另外，優(yōu)選形成該基體表面固化層之后的硬質(zhì)合金基體的硬度以維氏硬度(Hv)計(jì)為2200以上、2800以下。此時(shí)，通過較多含有碳氮化物，基體表面附近的Co相對(duì)減少，例如利用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行從表面向深度方向0.5~3.0 μ m的截面觀察，并在分析視場(chǎng)區(qū)域IXlym范圍通過基于波長(zhǎng)分散性X射線光譜法的定量分析檢測(cè)作為結(jié)合相金屬的Co的含量時(shí)，若將Co的含量設(shè)為不到2.0質(zhì)量％，則充分形成成為基體表面固化的主要原因的碳氮化物，耐磨損性進(jìn)一步提聞。
[0040]若基體表面固化層的平均層厚為0.5μπι以下，則在無法充分發(fā)揮耐磨損性的狀態(tài)下立刻磨損，若為3.Ομπι以上則變得易崩刀。
[0041]另外，將碳氮化鈦基金屬陶瓷作為基體時(shí)，將在燒成工序中在升溫及最高溫度下保持時(shí)的氣氛設(shè)為預(yù)定的氮?dú)夥?，并在保持中途或降溫時(shí)減壓，由此與在恒定壓力的氮?dú)夥罩袑?shí)施整個(gè)燒成工序時(shí)相比，能夠使表面更加固化。這是因?yàn)椋粼诤愣ǖ牡獕毫ο聦?shí)施在最高溫度中保持為止的工序，則在基體內(nèi)部均勻地分散形成硬度較高的碳氮化物，但若對(duì)此進(jìn)行在升溫或保持的中途為止在比較高的氮壓力下進(jìn)行處理，從保持的途中或降溫時(shí)設(shè)為進(jìn)一步減壓的氮?dú)夥諄磉M(jìn)行處理，則僅在基體的最表面脫氮，由此Ti或Nb等向Ni或Co金屬結(jié)合相的溶解及從內(nèi)部向基體表面的擴(kuò)散變得活躍，在表面促進(jìn)Ti或Nb等碳氮化物的形成，形成基體表面固化層。另外，優(yōu)選形成該基體表面固化層后的金屬陶瓷基體的硬度以維氏硬度(Hv)計(jì)為2000以上、2600以下。并且，此時(shí)與上述硬質(zhì)合金基體相同，基體表面附近的Ni及Co相對(duì)減少，若將作為結(jié)合相金屬的Ni及Co的含量設(shè)為不到2.0質(zhì)量％，則充分形成成為基體表面固化的主要原因的碳氮化物，耐磨損性進(jìn)一步提高。
[0042]構(gòu)成本發(fā)明的包覆工具的表面層的氧化硅主體層，例如能夠通過以下示出的溶膠-凝膠法形成。
[0043]氧化物晶體的準(zhǔn)備:
[0044]本發(fā)明中，通過溶膠-凝膠法形成氧化硅主體層時(shí)，作為添加于硅溶膠中的晶體，使用鋁的氧化物晶體，但是為了在最終形成的氧化硅主體層上，使該晶體面積比例成為預(yù)定值，進(jìn)而為了使該晶體的平均截面直徑成為預(yù)定值，對(duì)所添加的晶體進(jìn)行如下制備。[0045]將該氧化物晶體搬入到具有轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)層的風(fēng)力裝置，將層內(nèi)壓力保持為-400mmAq，加熱的同時(shí)使其以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速240~400rpm轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)，以一次空氣量55~70L/分鐘吹入空氣的同時(shí)通過設(shè)置于該風(fēng)力裝置的上部的交叉網(wǎng)格進(jìn)行5分鐘的風(fēng)力分級(jí)，由此能夠得到預(yù)定尺寸的氧化物晶體。
[0046]硅溶膠的制備:
[0047]首先，向硅的醇鹽(例如四乙氧基硅烷)添加醇(例如乙醇)，添加預(yù)定量、預(yù)定尺寸的鋁的氧化物晶體之后，進(jìn)一步添加預(yù)定濃度的酸(例如鹽酸)之后，在10~40°C的溫度范圍內(nèi)攪拌I~3小時(shí)，由此制備硅溶膠。另外，作為含有該晶體的方法，由于優(yōu)選該晶體均勻地分散并吸收于在制備前驅(qū)體溶膠時(shí)的水解及縮聚反應(yīng)中形成的Si與O的網(wǎng)絡(luò)中，因此優(yōu)選在添加鹽酸而開始水解及縮聚之前添加該晶體。另外，硅的醇鹽的粘性較高，難以攪拌，因此優(yōu)選例如預(yù)先在醇中添加晶體并進(jìn)行攪拌來使其分散。
[0048]硅溶膠的保持:
[0049]接著，對(duì)于上述硅溶膠，為了等到溶膠中產(chǎn)生的水解/縮合反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，在20~40°C的 溫度范圍內(nèi)保持12小時(shí)以上。
[0050]干燥和燒成:
[0051]將工具基體或在其表面包覆形成有中間層的工具基體浸潰于上述硅溶膠中，接著反復(fù)進(jìn)行100~500°C下的干燥處理，接著在300~900°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒成處理，成膜具有0.5~5.0 μ m的平均層厚的氧化娃主體層。
[0052]通過上述干燥處理，形成分散含有氧化物晶體的氧化硅的干燥溶膠，通過接著進(jìn)行的燒成處理，形成在氧化硅相中分散含有預(yù)定面積比例且預(yù)定平均截面直徑的氧化物晶體的氧化硅主體層。
[0053]并且，通過使用多種以預(yù)定量含有不同晶體尺寸的硅溶膠，以氧化硅主體層中含有的氧化物晶體的平均截面直徑向膜厚方向變化的方式成膜。
[0054]上述氧化硅主體層的膜厚依賴于向硅溶膠的浸潰次數(shù)，但若包覆形成的上述氧化硅主體層的膜厚不到0.5 μ m，則無法在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性，另一方面，若膜厚超過5.0 μ m，則氧化硅主體層易產(chǎn)生剝離，因此將上述氧化硅主體層的膜厚設(shè)為0.5~
5.0 μ m0
[0055]另外，分散含有于氧化硅主體層的氧化硅晶體的面積比例受形成硅溶膠時(shí)添加的氧化物晶體的尺寸及添加量的影響。
[0056]另外，將干燥處理的溫度范圍設(shè)為100~500°C是因?yàn)?，若不?00°C則無法進(jìn)行充分的干燥，若超過500°C則凝膠的體積收縮急劇進(jìn)行而產(chǎn)生龜裂等，且皮膜易產(chǎn)生剝離等，并且，關(guān)于燒成溫度，基于如下理由，即若不到300°C，則并不充分氧化，氧化硅主體層的硬度較低，耐磨損性不充分，另一方面，以超過900°C的溫度進(jìn)行燒成時(shí)，易引起該晶體與氧化硅主體層的熱膨脹差導(dǎo)致的龜裂。
[0057]本發(fā)明的包覆工具中，在工具基體表面以5~50面積％分散含有鋁的粒狀氧化物晶體，而且包覆形成上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑從基體或基底層與氧化硅主體層的界面朝向氧化硅主體層表面減少的氧化硅主體層，因此即使在用于伴有高熱產(chǎn)生且有斷續(xù)性、沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的鑄鐵、碳鋼等的高速斷續(xù)切削加工時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生崩刀、缺損、剝離等異常損傷，在長(zhǎng)期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨損性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0058]圖1是關(guān)于本發(fā)明工具I的氧化硅主體層的縱截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059]接著，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體的說明。
[0060][實(shí)施例1]
[0061](a)作為原料粉末，準(zhǔn)備0.8 μ m的平均粒徑的微粒WC粉末、2~3 μ m的平均粒徑的中粒WC粉末和均具有I~3 μ m的平均粒徑的TiCN粉末、ZrC粉末、TaC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末及Co粉末,將這些原料粉末配合成表1所示的預(yù)定配合組成,進(jìn)一步添加臘并在丙酮中球磨混合24小時(shí)，進(jìn)行減壓干燥之后，以98MPa的壓力沖壓成型為預(yù)定形狀的壓坯，在5Pa的真空中，以在1400°C的溫度下保持I小時(shí)的條件真空燒成該壓坯，燒成后，通過對(duì)切削刃部實(shí)施R:0.05mm的刃口修磨加工來制造出具有IS0.CNMG120408中規(guī)定的刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體A、B、C、D、E、F、G、H、I (稱為工具基體A、B、C、D、E、F、G、H、I)。
[0062]其中，關(guān)于在1400°C下保持I小時(shí)后冷卻至1320°C的步驟，對(duì)硬質(zhì)合金基體F在
3.3kPa的氮?dú)夥罩羞M(jìn)行40分鐘，對(duì)硬質(zhì)合金基體G在IkPa的氮?dú)夥罩羞M(jìn)行40分鐘，對(duì)硬質(zhì)合金基體H在2kPa的氮?dú)夥罩羞M(jìn)行10分鐘,對(duì)硬質(zhì)合金基體I在3.3kPa的氮?dú)夥罩谢ㄙM(fèi)120分鐘進(jìn)行冷卻，由此對(duì)基體表面進(jìn)行固化處理。
[0063](b)接著，對(duì)上述工具基體A~I形成底層。
[0064]另外，形成底層時(shí)，對(duì)于上述工具基體A及B，裝入到化學(xué)蒸鍍裝置，利用表2所示的成膜條件，關(guān)于由具有粒狀晶體組織的TiN層、TiCN層、TiCO層、TiCNO層、及縱向生長(zhǎng)晶體組織的TiCN層(以下，以1-TiCN表示)構(gòu)成的Ti化合物層，以表5所示的皮膜構(gòu)成預(yù)先形成基底層。另一方面，對(duì)于上述工具基體C，裝入到作為物理蒸鍍裝置的一種的電弧離子鍍裝置，預(yù)先形成由表5所示的膜厚的Tia5Ala5N層構(gòu)成的基底層。
[0065]并且，對(duì)于上述工具基體D，同樣裝入到電弧離子鍍裝置，預(yù)先形成由表5所示的膜厚的Ala7Cra3N層構(gòu)成的基底層。
[0066]另一方面，對(duì)于上述工具基體E、F、G、H、I，未特別進(jìn)行基底層的形成。
[0067](C)另一方面，如下進(jìn)行用于通過溶膠-凝膠法包覆形成作為硬質(zhì)包覆層的最表面層的氧化硅主體層的硅溶膠的制備。
[0068](甲)首先，反應(yīng)原料中的各成分的溶液組成以摩爾比計(jì)成為如下的方式進(jìn)行添加之后，以表4所示的條件在恒溫槽中攪拌并保持，由此制備硅溶膠。另外，預(yù)先在下述乙醇中，預(yù)先將表3所示的預(yù)定尺寸、預(yù)定量的鋁的氧化物晶體添加于表4所示的各個(gè)硅溶膠中并進(jìn)行了攪拌。
[0069](四乙氧基硅烷):(水):(乙醇):(鹽酸)
[0070]=1:20 ~40:30 ~40:0.2 ~0.5
[0071](乙)接著，將上述硅溶膠涂布于上述工具基體A~I的底層表面。
[0072](丙)接著，以表4所示的條件在大氣中對(duì)上述浸潰涂布的硅溶膠進(jìn)行干燥處理，而且，依次使用表6所示的溶膠，以同樣示于表6的提升速度反復(fù)涂布和干燥之后，在大氣中以800°C進(jìn)行I小時(shí)的燒成處理，由此制造表5、6所示的本發(fā)明的包覆工具I~18 (稱為本發(fā)明工具I~18)。
[0073]對(duì)于上述本發(fā)明工具I~18，關(guān)于氧化硅主體層的縱截面，從基體或基底層與該氧化硅主體層的界面朝向該氧化硅主體層的表面，在0.25X0.25 μ m的視場(chǎng)范圍，用透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行數(shù)次觀察的結(jié)果，確認(rèn)到氧化硅相中所含有的上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑減少，并且被分散含有。
[0074]圖1中，作為一例示出本發(fā)明工具I的氧化硅主體層的縱截面示意圖。
[0075]對(duì)于上述本發(fā)明工具I~18，從基于透射電子顯微鏡的觀察結(jié)果計(jì)算氧化物晶體占氧化硅主體層的縱截面觀察視場(chǎng)范圍的占有面積比例(面積％)及該氧化物晶體的平均截面直徑，將其結(jié)果假設(shè)為平面，求出氧化物晶體所占的面積比例，并且對(duì)將該氧化物晶體的面積作為圓形面積計(jì)算時(shí)的近似圓的直徑進(jìn)行五處測(cè)定，將其平均值作為平均截面直徑來計(jì)算。
[0076]并且，同時(shí)利用掃描電子顯微鏡對(duì)氧化硅主體層的平均層厚進(jìn)行截面測(cè)定的結(jié)果，均顯示出實(shí)際上與目標(biāo)層厚相同的平均值(五處的平均值)。
[0077]表6中示出在各觀察視場(chǎng)中測(cè)定/計(jì)算的氧化物晶體的面積比例(面積％)和平均截面直徑Um)的值。
[0078]另外，上述本發(fā)明工具I~18中，對(duì)于不設(shè)置基底層而是在硬質(zhì)合金基體上直接成膜氧化硅主體層的工具，針對(duì)硬質(zhì)合金基體表面的Co含量，通過利用掃描電子顯微鏡(SEM)的波長(zhǎng)分散型X射線光譜法，以在硬質(zhì)合金基體的縱截面觀察視場(chǎng)中從基板表面向深度方向處于0.5~3.0 μ m的范圍內(nèi)的I X I μ m的面分析對(duì)五個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行定量分析,并米用其平均值。
[0079]表5中不出表面固化層層厚及表面固化層中的結(jié)合相金屬量。
[0080][比較例I]
[0081]為了比較，通過以下制造方法制造包覆工具。
[0082](甲)首先，反應(yīng)原料中的各成分的溶液組成以摩爾比計(jì)成為如下比例的方式進(jìn)行添加，并以表4所示的條件制備硅溶膠。并且，此時(shí)，將與實(shí)施例1中使用的鋁粒狀氧化物晶體不同量的鋁粒狀氧化物晶體預(yù)先添加于乙醇，并與實(shí)施例1同樣地預(yù)先進(jìn)行攪拌。
[0083](四乙氧基硅烷):(水):(乙醇):(鹽酸)
[0084]=1:20 ~40:30 ~40:0.2 ~0.5
[0085](乙)接著，將上述硅溶膠涂布于分別形成有基于所述化學(xué)蒸鍍法的Ti化合物層及基于物理蒸鍍法的TiAlN層、AlCrN層的上述硬質(zhì)合金基體A~D及未實(shí)施特別的表面處理的硬質(zhì)合金基體E~I的表面。
[0086](丙)接著，以表4所示的條件在大氣中對(duì)上述涂布的硅溶膠進(jìn)行干燥處理，并且反復(fù)涂布及干燥直至成為預(yù)定層厚之后，在大氣中以800°C進(jìn)行I小時(shí)的燒成處理，由此制造表7、8所示的比較例的包覆工具I~9 (稱為比較例工具I~9)。
[0087]對(duì)于比較例工具I~9，對(duì)已測(cè)定/計(jì)算的氧化物晶體在各觀察視場(chǎng)的面積比例(面積％)、平均截面直徑(μ m)及基體中的表面固化層層厚(μ m)及表面固化層中的結(jié)合相金屬量(質(zhì)量％)進(jìn)行測(cè)定/計(jì)算。
[0088]表7、8中示出其結(jié)果。[0089][參考例I]
[0090]為了參考，利用未含有鋁的粒狀氧化物晶體的硅溶膠，根據(jù)所述(甲)~(丙)的工序，對(duì)所述工具基體A~I包覆形成預(yù)定層厚的氧化硅層，由此制造表7、8所示的參考例的包覆工具I~9 (稱為參考例工具I~9)。
[0091]接著，對(duì)于上述本發(fā)明工具I~18、比較例工具I~9及參考例工具I~9，以如下條件進(jìn)行鑄鐵FC250的干式高速斷續(xù)切削加工試驗(yàn)。
[0092]即、進(jìn)行工件:FC250的在長(zhǎng)度方向上等間隔地形成有4條縱槽的圓棒、
[0093]切削速度:350m/min、
[0094]切深量:2.3mm、
[0095]進(jìn)給量:0.2mm/rev.、
[0096]切削時(shí)間:5分鐘
[0097]的條件下的干式高速斷續(xù)切削加工試驗(yàn)(通常的切削速度為320m/min.)。
[0098]對(duì)于切削加工試驗(yàn)后的各個(gè)工具的磨損狀態(tài)進(jìn)行觀察，并測(cè)定后刀面磨損量。
[0099]將這些結(jié)果示于表9。
[0100][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種表面包覆切削工具，其通過在由碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其特征在于， a、上述硬質(zhì)包覆層具備由直接或經(jīng)由基底層形成于工具基體的表面且具有0.5~5.0 μ m的平均層厚的氧化硅主體層構(gòu)成的表面層， b、上述氧化硅主體層中分散含有以層中所占的面積比例計(jì)為5~50面積％的鋁的粒狀氧化物晶體， C、將對(duì)上述粒狀氧化物晶體的各個(gè)截面的面積換算為圓形面積時(shí)的直徑設(shè)為截面直徑，并將該截面直徑的平均值設(shè)為平均截面直徑時(shí)，上述粒狀氧化物晶體的平均截面直徑從基體或基底層與氧化硅主體層的界面朝向氧化硅主體層的表面減少。
2.一種表面包覆切削工具，其特征在于， 權(quán)利要求1所述的粒狀氧化物晶體的平均截面直徑在0.05~0.5 μ m的范圍內(nèi)，氧化硅主體層表面附近的平均截面直徑為基體或基底層與氧化硅主體層的界面附近的平均截面直徑的1/3以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其通過在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其特征在于， 從上述工具基體的表面向深度方向形成具有0.5~3.0μ m的平均層厚的基體表面固化層，作為包含于該基體表面固化層的結(jié)合相金屬的Co的平均含量不到2.0質(zhì)量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其通過在由碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其特征在于， 從上述工具基體的表面向深度方向形成具有0.5~3.0 μ m的平均層厚的基體表面固化層，作為包含于該基體表面固化層的結(jié)合相金屬的Co及Ni的總計(jì)平均含量不到2.0質(zhì)量％。
【文檔編號(hào)】C23C30/00GK103831466SQ201310573743
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月21日
【發(fā)明者】柿沼宏彰, 高岡秀充, 長(zhǎng)田晃, 櫻井英章, 黑光祥郎 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社