專利名稱：硬質包覆層發揮優異的耐缺損性的表面包覆切削工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種表面包覆切削工具(以下，稱為包覆工具)，其由于硬質包覆層作為微細的柱狀晶形成的同時，具備韌性優異的雙軸定向疇，因此即使在鋼或鑄鐵等的重切削加工之類的苛刻的切削條件下使用時，也顯示優異的耐缺損性，可以實現切削工具的長壽命化。
背景技術：
通常的包覆工具公知有，在各種鋼或鑄鐵等被切削材料的車削加工中裝卸自如地安裝于車刀前端部中使用的刀片，或者裝卸自如地安裝所述刀片而與在表面加工或槽加工以及臺肩加工等中使用的整體式的立銑刀同樣地進行切削加工的刀片式立銑刀等。并且，作為包覆工具，廣泛公知有如下包覆工具，即在由碳化鎢(以下用WC表示) 基硬質合金燒結體構成的工具基體的表面物理蒸鍍由Ti的氮化物(以下用TiN表示)層構成的硬質包覆層而形成的包覆工具，并且在各種鋼或鑄鐵等的連續切削或斷續切削加工中使用。尤其是作為重視鈦的氮化物或碳氮化物的晶體結構的技術，在專利文獻1及專利文獻2所示的文獻中，提出有由化學蒸鍍法蒸鍍的、通過鈦的碳氮化物具有雙晶結構來提高形成硬質包覆層的顆粒彼此的結合力的技術。而且，在專利文獻3所示的文獻中，提出有如下技術形成硬質包覆層的鈦的碳氮化物的晶粒構成顯示在從工具基體的法線方向距離 0度 15度的方向上具有晶體方位<111>的晶粒占整體的15%，且測定相鄰的晶粒彼此所成的角時，小角度晶界(0 15度)的比例為50%這樣的晶體排列的鈦的碳氮化物，從而提高表面包覆切削工具的耐缺損性。專利文獻1 日本專利4004133號說明書專利文獻2 日本專利3768136號說明書專利文獻3 日本專利公開2009-56538號公報近年來切削加工裝置的FA化非常顯著，除此之外，強烈要求切削加工節省勞力化、節能化、以及低成本化以及效率化，伴隨此存在因高進給、高切深等要求高效的重切削加工的傾向，但現狀為如下在上述以往的包覆工具中，在一般條件下切削加工各種鋼或鑄鐵時不會產生特別的問題，但在沖擊性且斷續性高負荷作用于刀刃的干式斷續重切削中使用時，由于易在硬質包覆層的內部促進裂紋的同時，硬質包覆層的韌性低，因此容易產生硬質包覆層的缺損而產生刀刃部的缺損，以此為原因，在較短時間內達到使用壽命。因此，本發明者們從如上所述的觀點考慮，為了提高包覆工具的耐缺損性并謀求使用壽命的延長化，著眼于由TiN層構成的硬質包覆層的晶體形態，進行深入研究的結果， 得出了如下見解。以往包覆工具的由TiN層構成的硬質包覆層通過如下方法制造例如在作為圖2 所示的物理蒸鍍裝置的1種濺射(SP)裝置上安裝由上述WC基硬質合金燒結體構成的工具基體，例如在
裝置內加熱溫度300 500 V、外加于工具基體的直 流偏壓_50 -100V、負極電極金屬Ti、濺射功率3 6kW、裝置內氣體流量氮(N2)氣+氬(Ar)氣、裝置內氣壓0· 3 1. 5Pa的條件下形成TiN層(以下稱為以往TiN層)。但是，本發明者們發現，關于TiN層的形成，若例如使用利用了圖1中以簡要說明圖表示的作為物理蒸鍍裝置的一種壓力梯度型Ar等離子氣體的離子鍍裝置，在裝置內安裝上述工具基體，在工具基體溫度400 460°C、蒸發源金屬Ti、等離子槍放電功率9 12kW、反應氣體流量氮(N2)氣體80 120sccm、放電氣體氬(Ar)氣體30 60sccm、外加于工具基體的直流偏壓0V、蒸鍍速度0· 04 0. llnm/sec.這樣的條件下進行蒸鍍，則該TiN層(以下稱為改性TiN層)與所述以往TiN層相比，在對刀刃施加高負荷的高進給、高切深的重切削加工中顯示優異的耐磨損性和耐缺損性。
發明內容
該發明是基于上述研究結果而完成的，其具有如下特征一種在由碳化鎢基硬質合金燒結體構成的工具基體的表面，物理蒸鍍由具有 0. 2 2 μ m平均層厚的TiN層構成的硬質包覆層的表面包覆工具，其特征在于，上述TiN層由具有與上述平均層厚相同高度的柱狀晶組織構成，并且，觀察上述 TiN層的水平截面中的晶粒組織時，粒徑為10 IOOnm的晶粒占測定面積中的90%以上， 而且，用電子背散射衍射裝置測定表面的晶粒的晶體方位時，由與相鄰的測定點的晶體方位之差成為15度以上的晶體界面包圍的直徑為0. 2 4 μ m的部分占所測定的整體面積中的20%以上。下面對該發明進行詳細說明。如已敘述，該發明是如下進行的，即例如使用利用了圖1中以簡要說明圖表示的壓力梯度型Ar等離子氣體的離子鍍裝置，在裝置內安裝由WC基硬質合金燒結體構成的工具基體，在工具基體溫度400 460°C、蒸發源金屬Ti、等離子槍放電功率9 12kW、反應氣體流量氮(N2)氣體80 120sccm、放電氣體氬(Ar)氣體30 60sccm、
外加于工具基體的直流偏壓0V、蒸鍍速度0· 04 0. llnm/sec.這樣的條件下進行蒸鍍。 另外，作為以往TiN層的構成成分的Ti具有提高高溫強度，另外，N具有提高層強度的作用是眾所周知的，除此之外，該發明的改性TiN層即使在高速斷續重切削加工條件這樣的苛刻的使用條件下，也發揮優異的韌性和耐缺損性。而且其理由如以下敘述，與改性TiN層的特異的晶粒形態具有較強的關連性。首先，關于由上述蒸鍍形成的改性TiN層在將表面設為研磨面的狀態下，利用電子背散射衍射裝置，分析所述硬質包覆層的TiN層表面的水平截面的晶體方位，結果發現， 由相鄰的測定點之間的晶體方位的方位差在特定的共通軸周圍處的旋轉角度(以下稱為旋轉角度)中成15度以上的晶體粒徑包圍的疇直徑0. 2 4μ m的疇占所測定的面積的 20%以上。另外，在此所說的疇直徑是指具有與其疇區域相同面積的正圓的直徑。首先，觀察膜的水平截面的晶體組織并測定各個晶粒度，結果發現直徑為10 IOOnm的晶粒在整個測定面積中以面積比例計占90%以上。另外，在此所說的直徑是指具有與其晶粒相同面積的正圓的直徑。下面對該發明進行詳細說明。在上述的由以面積比例計90%以上的直徑10 IOOnm的晶粒構成且疇內部的晶體方位的角度差不到15度這樣的疇直徑0. 2 4μπι的疇以面積比例計存在20%以上的所述改性TiN層中，構成所述疇內部的晶粒至少由以面積比例計50%以上的直徑10 IOOnm 的晶粒構成。因此，以面積比例計存在于所述疇內的50%以上的晶粒與存在于附近，尤其存在于同一疇內的晶粒顯示晶體方位之差以旋轉角度計不到15度這樣的雙軸定向性，從這點來看所述疇內的晶粒彼此的界面相容性高，具備猶如單晶那樣的優異的韌性的同時，而且， 具有直徑為10 IOOnm的微細組織并能夠維持耐缺損性，因此，即使在薄膜中容易發生龜裂或缺損的斷續重切削加工中也可以謀求工具的長壽命化。關于上述的改性TiN層而言，若晶粒的大小不到lOnm，則得不到晶粒本身的強度且得不到所希望的強度，而且若超過IOOnm則晶粒變粗大而成為崩刀的原因，因此將以面積比例計薄膜的90%以上的晶粒的大小定為IOnm lOOnm。另外，如果構成TiN層的疇的面積比例不到20%，由于得不到所希望的韌性，因此將疇的面積比例定為20%以上。發明效果該發明的包覆工具在構成由TiN層組成的硬質包覆層的TiN晶粒中，粒徑為10 IOOnm的晶粒以面積比例計占整體的90%以上，且用電子背散射衍射裝置測定表面的晶粒的晶體方位時，由與相鄰的測定點的晶體方位之差成15度以上的晶體界面包圍的直徑 0. 2 4 μ m的部分占所測定的整體面積中的20%以上，因此即使在對刀刃施加高負荷的干式高進給、高切深切削加工中，除了顯示優異的高溫強度以外，還顯示優異的耐缺損性和韌性，發揮優異的工具特性，有助于工具壽命的延長化。
圖1表示為了蒸鍍形成該發明的表面包覆切削工具的硬質包覆層(改性TiN層) 而利用壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍裝置的簡要圖，(a)為簡要正視圖、(b)為簡要俯視圖。圖2表示為了蒸鍍形成以往的表面包覆切削工具的硬質包覆層(以往TiN層)而利用濺射(SP)裝置的簡要圖。圖3表示該發明的表面包覆切削工具的由改性TiN層構成的硬質包覆層的示意圖，(a)表示水平截面組織圖，并且(b)表示晶體方位之差成15度以上的晶體界面的分布示意圖。
具體實施例方式
接著，根據實施例具體說明該發明的包覆工具。另外，在此以包覆立銑刀及包覆刀片為中心進行說明，但不局限于包覆立銑刀及包覆刀片，可以適用于包覆鉆頭等各種包覆工具中。[實施例]作為原料粉末，準備均具有平均粒徑0. 8 3. 0 μ m的WC粉末、TiC粉末、VC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末及Co粉末，將這些原料粉末配合成表1所示的配合組成，用球磨機濕式混合72小時，干燥之后，以IOOMPa的壓力擠壓成型為壓坯，在6Pa的真空中，以溫度 1400°C在保持1小時的條件下燒結該壓坯，燒結后，研磨表面，形成具有ISO規格·ΞΕΕ^203 的刀片形狀的WC基硬質合金制的工具基體Al Α10。接著，在丙酮中超聲波清洗上述工具基體Al AlO并進行干燥的狀態下，安裝利用圖1所示的壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍裝置，作為蒸發源安裝金屬Ti，首先，對裝置內進行排氣而保持為1. OXKT3Pa以下的真空的同時，用加熱器將裝置內加熱至240 420°C之后，導入Ar氣體設為2. 3X 10_2Pa之后，將壓力梯度型等離子槍的放電功率設為 2kW，在裝置內產生Ar離子，對工具基體外加-200V的偏壓，由此對所述工具基體進行10分鐘的Ar轟擊處理，然后，將裝置內暫且設為1 X IO-3Pa左右的真空后，在表2所示的條件下，對工具基體外加+IOV的偏壓，將壓力梯度型Ar等離子槍的放電功率設為12kW，流入60SCCm的Ar氣體、lOOsccm的氮氣的同時，將爐內的壓力保持在 3 X 10_2 6 X IO-2Pa,對蒸發源入射等離子束產生金屬Ti的蒸氣的同時，用等離子束進行離子化，在工具基體表面蒸鍍形成表4所示的預定目標層厚的改性TiN層，由此制造作為本發明包覆工具的本發明包覆刀片(以下，稱為本發明刀片)1 10。另外，在表2示出作為本發明刀片1 10的改性TiN層的形成條件的利用壓力梯度型Ar等離子槍的離子鍍的各種條件。為了比較，在丙酮中超聲波清洗上述工具基體Al AlO并進行干燥的狀態下，安裝于圖2所示的濺射(SP)裝置，安裝金屬Cr及金屬Ti作為負極電極(蒸發源)，首先，對裝置內進行排氣而保持為0. OlPa以下的真空的同時，用加熱器將裝置內加熱至300 460°C 之后，導入200sCCm的Ar氣體，在金屬Cr與所述工具基體之間外加-800V的直流偏壓，并對所述工具基體表面進行5分鐘的Cr轟擊處理，接著，在表3所示的條件下，向裝置內導入氮氣及Ar氣體作為氣氛氣體并設為0. 5Pa氣氛的同時，在所述金屬Ti與所述工具基體之間外加-50V的直流偏壓作為偏壓，由此在所述工具基體的表面蒸鍍形成表6所示的目標層厚的以往TiN層作為硬質包覆層，由此制造了作為以往包覆工具的以往表面包覆刀片(以下，稱為以往刀片)1 10。另外，在表3示出形成以往刀片1 10的以往TiN層的濺射條件。關于本發明刀片1 10的改性TiN層及以往刀片1 10的以往TiN層，在研磨其表面的狀態下，用電子背散射衍射裝置(EB SD)分析硬質包覆層表面的晶體方位。即，對 IOymXlOym的區域，以0. 03 μ m/step的間隔測定所述改性TiN層所具有的晶體方位，除去測定干擾之后，在測定區域的圖上表示相鄰測定點之間的晶體方位之差以旋轉角度計成 15度以上的界面，求出由這些界面劃分的區域(以下，稱為疇)中具有0. 2 4 μ m疇直徑的面積對整個測定面積的面積比例，將該值與疇直徑的平均值一同示于表4及表5。而且，將所述硬質包覆層從基板側機械研磨至約Imm的厚度之后，在使用Ar離子研磨裝置研磨至厚度成為IOOnm并作為薄片的狀態，使用透射式電子顯微鏡觀察測定表面附近處的TiN層的晶體粒徑，如圖3的(a)中例示，求出改性TiN層的工具基體表面中寬度為10 IOOnm的微晶所占的面積比例α，與對疇的整個測定面積的面積比例一同示于表4 及表5。從表4可知，就本發明刀片1 10的改性TiN層而言，直徑為10 IOOnm的TiN 晶粒以面積比例計占90%，并且，在用電子背散射衍射裝置解析晶體方位時，由具有以旋轉角度計為15度以上的晶體方位之差的界面劃分的疇直徑為0. 2 4 μ m的疇的面積比例計成為整個測定面積的20%以上，由具有雙軸定向性的10 IOOnm的微晶構成的疇以面積比例計存在20%以上。另一方面，從表5可知，就以往刀片1 10的以往TiN層而言，由具有以旋轉角度計為15度以上的晶體方位之差的界面劃分的疇直徑為0. 2 4 μ m的疇的面積比例成為整個測定面積的20%以上，而表面組織僅由直徑IOOnm以上的粗大顆粒構成。即，由具有雙軸定向性的10 IOOnm的微晶構成的疇完全不存在，僅由單晶構成。[表 1]
權利要求
1. 一種表面包覆切削工具，是在由碳化鎢基硬質合金燒結體構成的工具基體表面物理蒸鍍由具有0. 2 2 μ m平均層厚的TiN層構成的硬質包覆層的表面包覆切削工具，其特征在于，上述TiN層由具有與上述平均層厚相同高度的柱狀晶組織構成，并且，觀察上述TiN層的水平截面中的晶粒組織時，粒徑為10 IOOnm的晶粒占測定面積中的90%以上，而且， 用電子背散射衍射裝置測定表面的晶粒的晶體方位時，由與相鄰的測定點的晶體方位之差成15度以上的晶體界面包圍的直徑為0. 2 4 μ m的部分占所測定的整體面積中的20%以上。
全文摘要
本發明提供一種硬質包覆層在高負荷作用于刀刃的干式斷續重切削加工中發揮優異的耐缺損性和韌性的表面包覆切削工具。在通過物理蒸鍍在由硬質合金燒結體構成的切削工具基體表面形成由TiN層構成的硬質包覆層的表面包覆切削工具中，將TiN晶粒設為具有與平均層厚相同高度的柱狀晶組織，并且，將觀察上述TiN層的水平截面中的晶粒組織時的粒徑為10～100nm的晶粒所占的面積設為測定面積中的90％以上，而且，將用電子背散射衍射裝置測定表面的晶粒的晶體方位時，由與相鄰的測定點的晶體方位之差成15度以上的晶體界面包圍的直徑為0.2～4μm的部分占所測定的整體面積中的20％以上，由此在斷續重切削加工中發揮優異的耐缺損性和韌性。
文檔編號C23C14/06GK102191457SQ20101062005
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年1月27日
發明者田中耕一, 高岡秀充 申請人:三菱綜合材料株式會社