表面包覆切削工具及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種由于硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的潤滑性、耐崩刀性、耐磨性，因此即使 在鋼和鑄鐵等的高速斷續(xù)切削加工中使用時(shí)，也會(huì)在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能的表 面包覆切削工具。
【背景技術(shù)】
[0002] -直以來，已知有在由硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面包覆形成由選自周期表的 IVB、VB、VIB族中的至少一種以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等構(gòu)成的硬質(zhì)皮膜來作 為硬質(zhì)包覆層，由此實(shí)現(xiàn)切削工具的耐磨性的提高。
[0003] 而且，在硬質(zhì)皮膜中，α型氧化鋁層由于熱穩(wěn)定性優(yōu)異、反應(yīng)性較低且硬度較高， 因此在很多情況下，作為如上所述的由選自周期表的IVB、VB、VIB族中的至少一種以上元 素的碳化物、氮化物、碳氮化物等構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的最表面層而包覆形成。
[0004] 作為形成α型氧化鋁層作為如上所述的最表面層的硬質(zhì)包覆層所相關(guān)的現(xiàn)有技 術(shù)，已知有著眼于晶粒形狀的如下技術(shù)：一種表面包覆切削工具，例如在工具基體的表面蒸 鍍形成（a)Ti化合物層作為下部層，且蒸鍍形成（b) α型氧化鋁層作為上部層，該α型氧 化鋁層具有平板多邊形（包含平坦六邊形狀）狀且縱長形狀的晶粒組織結(jié)構(gòu)，并且含有Zr， 而且，（c)在上部層的晶粒中，以面積比率計(jì)60%以上的晶粒的內(nèi)部被由至少一個(gè)以上的 以Σ 3表示的構(gòu)成原子共有晶格點(diǎn)形態(tài)構(gòu)成的晶格界面所分?jǐn)?，由此硬質(zhì)包覆層在高速重 切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性（例如參考專利文獻(xiàn)1)。
[0005] 并且，已知有在工具基體上通過CVD法形成有由碳化鈦等構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的表 面包覆切削工具顯示出非常優(yōu)異的耐缺損性和耐磨性，其中，所述工具基體由WC基硬質(zhì)合 金構(gòu)成，在以IVB、VB、VIB族元素的碳化物、氮化物和/或它們的固溶體為主體的硬質(zhì)相、以 鐵族金屬為主體的結(jié)合相、剩余由碳化鎢（WC)構(gòu)成的WC基硬質(zhì)合金是通過設(shè)為在硬質(zhì)相 的至少一部分晶粒內(nèi)存在由IVB、VB、VIB族元素的碳化物、氮化物、氧化物和/或它們的固 溶體構(gòu)成的至少一種化合物（除了構(gòu)成晶粒的硬質(zhì)相成分以外）的結(jié)構(gòu)而得到，且硬度與 韌性的平衡優(yōu)異（例如參考專利文獻(xiàn)2)。
[0006] 并且，已知在WC基硬質(zhì)合金制工具基體表面上通過物理蒸鍍來形成有由0. 2~ 2. 0 μL?的平均層厚的CrN層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具中，所述CrN層具有與 平均層厚相等的高度，且由沿相對(duì)于工具基體表面直立的方向生長的縱長平板狀CrN晶粒 構(gòu)成，并且，對(duì)從CrN層的表面起0. 1 μ m的深度的水平截面上的晶粒組織進(jìn)行觀察時(shí)，短邊 為5~lOOnm、縱橫尺寸比為3以上的縱長平板狀CrN晶粒所占的面積比例為總水平截面 積的30%以上，通過設(shè)為如上結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)包覆層在斷續(xù)重切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性 (例如參考專利文獻(xiàn)3)。
[0007] 另外，作為著眼于Al2O3層中含有鈦氧化物的技術(shù)，已知有在由硬質(zhì)合金或金屬陶 瓷構(gòu)成的工具基體上包覆單層或多層時(shí)，具有〇. 5~25 μ m的厚度的至少一層具有Al2O3層 及ZrOjP /或HfOJl，且在該層中導(dǎo)入由鈦的氧化物、碳氧化物、氮氧化物或碳氧氮化物構(gòu) 成的第3微細(xì)分散性相，由此改善耐磨性（例如參考專利文獻(xiàn)4)。
[0008] 作為包覆形成如上所述的現(xiàn)有的硬質(zhì)包覆層、即氧化鋁層的方法，通常采用化學(xué) 蒸鍍（CVD)法和物理蒸鍍（PVD)法，除此之外，還已知有通過溶膠-凝膠法形成氧化鋁層。 溶膠-凝膠法為能夠由溶液制作多孔質(zhì)凝膠、有機(jī)無機(jī)混合物、玻璃、陶瓷、納米復(fù)合材料 的材料合成法。與現(xiàn)有的熔融法和燒結(jié)法相比，能夠以較低的溫度制作高溫材料，并且，有 望作為能夠在制作各種微細(xì)結(jié)構(gòu)及散體、纖維、涂層、粒子等多種形態(tài)的產(chǎn)品時(shí)應(yīng)用的比較 新穎的包覆形成方法。
[0009] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利公開2009-172748號(hào)公報(bào)
[0010] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2000-38636號(hào)公報(bào)
[0011] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利公開2011-156639號(hào)公報(bào)
[0012] 專利文獻(xiàn)4 :日本專利公表2002-526654號(hào)公報(bào)
[0013] 在通過CVD法包覆形成氧化鋁層作為硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具中，可以舉 出在進(jìn)行鋼和鑄鐵等的高速斷續(xù)切削加工時(shí)，包覆工具的前刀面的耐磨性得到提高，這尤 其基于所形成的α型氧化鋁的熱穩(wěn)定性、非反應(yīng)性較高。
[0014] 上述專利文獻(xiàn)1中公開的α型氧化鋁層由于高溫強(qiáng)度及表面性質(zhì)無法令人滿意， 因此當(dāng)在更高速的條件下進(jìn)行重切削加工時(shí)，不僅容易發(fā)生崩刀，還容易產(chǎn)生熱塑性變形、 偏磨，以此為原因，耐磨性下降，存在在比較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到使用壽命的課題。
[0015] 并且，上述專利文獻(xiàn)2中公開的碳化鈦層由于結(jié)晶性較低，力學(xué)特性和界面強(qiáng)度 較差，因此容易產(chǎn)生剝離，存在即使包覆氧化鋁層，結(jié)果磨損也會(huì)急劇進(jìn)展的課題。
[0016] 并且，上述專利文獻(xiàn)3中公開的CrN層在斷續(xù)重切削加工中使用時(shí)，無法避免層內(nèi) 的龜裂的進(jìn)展，以此為原因，存在產(chǎn)生層的剝離和缺損的課題。
[0017] 并且，在上述專利文獻(xiàn)4中公開的具有Al2O3層及ZrOjP /或HfO2層且在該層中 導(dǎo)入有由鈦的氧化物、碳氧化物、氮氧化物或碳氧氮化物構(gòu)成的第3微細(xì)分散性相的復(fù)合 材料中，產(chǎn)生因切削時(shí)所產(chǎn)生的熱而引起刀尖的塑性變形的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)課題、即本發(fā)明的目的在于提供一種包覆形成氧化 鋁層作為硬質(zhì)包覆層的表面包覆切削工具，其即使在鑄鐵和碳鋼等的高速斷續(xù)切削中使用 時(shí)，也難以引起崩刀和剝離，且在長時(shí)間發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。
[0019] 因此，本發(fā)明人們?yōu)榱嗽诠ぞ呋w表面上形成耐磨性優(yōu)異的氧化鋁層，著眼于通 過目前為止作為切削工具用硬質(zhì)包覆層的形成方法沒有進(jìn)行充分研宄的基于溶膠-凝膠 法的氧化鋁層的形成進(jìn)行了深入研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如下：在通過規(guī)定方法進(jìn)行利用溶膠-凝 膠法形成氧化鋁層之后的干燥及燒成處理，或者利用溶膠-凝膠法形成氧化鋁層時(shí)，應(yīng)用 具有促進(jìn)氧化鋁的結(jié)晶化的效果的Ti氧化物，在預(yù)先利用CVD法和PVD法、溶膠-凝膠法 等而形成的Ti氧化物層上，利用溶膠-凝膠法形成氧化鋁層，由此能夠以所希望的尺寸和 縱橫尺寸比形成具有復(fù)雜的晶粒形狀的氧化鋁層，即使在供斷續(xù)的沖擊性負(fù)荷作用于切削 刃的高速斷續(xù)切削加工時(shí)，通過相鄰的晶粒彼此沿著凹凸相互嚙合，晶粒彼此的粘附力得 到提高，耐崩刀性、耐剝離性優(yōu)異，且能夠在長時(shí)間維持優(yōu)異的切削性能。
[0020] 即，發(fā)現(xiàn)如下：利用RTA (紅外線加熱）法等能夠僅對(duì)基體進(jìn)行加熱的熱處理方法， 或者在形成氧化鋁層時(shí)通過應(yīng)用Ti氧化物的溶膠-凝膠法，以使氧化鋁層下部優(yōu)先結(jié)晶 化的起點(diǎn)為目的而配置氧化鋁層，并進(jìn)行熱處理，由此能夠使特定的晶粒的晶體選擇性地 生長，晶體生長時(shí)不會(huì)阻礙其他晶粒而能夠形成晶體沿氧化鋁層中的所有方向生長的、由 凹凸性較高的晶界構(gòu)成的復(fù)雜形狀的晶粒。另外，能夠根據(jù)燒成條件來控制晶粒的尺寸及 縱橫尺寸比、氧化鋁層的晶體結(jié)構(gòu)，通過晶粒彼此的錨定效果，晶界的強(qiáng)度得到大幅提高， 并且由于具有優(yōu)異的耐磨性和潤滑性，因此即使在進(jìn)行因較大沖擊和刀尖附近的發(fā)熱而容 易引起剝離和微小崩刀等異常損傷的高速斷續(xù)切削時(shí)，也可以在長時(shí)間發(fā)揮優(yōu)異的切削性 能。
[0021] 本發(fā)明是鑒于上述見解而完成的，其具有以下方式。
[0022] (1) 一種表面包覆切削工具，通過在由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷 構(gòu)成的工具基體的表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其中，
[0023] (a)所述硬質(zhì)包覆層具備具有0. 2~5. 0 ym的平均層厚的氧化鋁層，
[0024] (b)構(gòu)成所述氧化鋁層的晶粒具有α型的晶體結(jié)構(gòu)或α型和γ型的混合相的晶 體結(jié)構(gòu)，
[0025] (C)當(dāng)將所述晶粒的縱橫尺寸比設(shè)為通過電子背散射衍射法求出的層厚方向的粒 徑相對(duì)于層厚垂直方向的粒徑的比時(shí)，所述晶粒的平均縱橫尺寸比為0. 5~5. 0,并且通過 電子背散射衍射法求出的該晶粒的周長相對(duì)于具有與晶粒的面積相等的面積的圓的周長 之比的平均值為1.8~3.0。
[0026] (2)所述（1)中記載的表面包覆切削工具，其中，所述氧化鋁層含有鈦氧化物的晶 粒，
[0027] (a)在所述氧化鋁層中，Ti在所有金屬元素中所占的含有比例為超過0. 02at%且 10at%以下，
[0028] (b)所述鈦氧化物的晶粒是平均粒徑為0. 01~0. 10 μ m的鈦氧化物微粒，該鈦氧 化物微粒以圍繞構(gòu)成所述氧化鋁層的晶粒的方式凝聚形成，并且在構(gòu)成所述氧化鋁層的晶 粒的周長上存在的鈦氧化物微粒的數(shù)量的平均值為5~50個(gè)。
[0029] (3)所述（1)或（2)中記載的表面包覆切削工具，其中，所述表面包覆切削工具通 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，從上述工具基 體的表面沿深度方向形成有具有0. 5~3. 0 μ m的平均層厚的基體表面固化層，該基體表面 固化層中所包含的作為結(jié)合相金屬的Co的平均含量小于2. 0質(zhì)量％。
[0030] (4)所述（1)或（2)中記載的表面包覆切削工具，其中，所述表面包覆切削工具通 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，從上述工具 基體的表面沿深度方向形成有具有0. 5~3. 0 μ m的平均層厚的基體表面固化層，該基體表 面固化層中所包含的作為結(jié)合相金屬的Co及Ni的總計(jì)平均含量小于2. 0質(zhì)量％。
[0031] (5) -種表面包覆切削工具的制造方法，其為制造所述（1)至（4)中記載的表面包 覆切削工具的方法，其中，所述氧化鋁層通過溶膠-凝膠法形成于鈦氧化物層上。
[0032] (6)所述（1)或（2)中記載的表面包覆切削工具，其中，所述硬質(zhì)包覆層還包含形 成于所述氧化鋁層的正下方的基底層。
[0033] (7)所述（6)中記載的表面包覆切削工具，其中，所述基底層由含有選自周期表的 IVB、VB、VIB族及Si中的至少一種