專利名稱：帶表面涂層的立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料制切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由帶有表面涂層的立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料制備的切削工具(后面稱作帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具)，包括由立方氮化硼基燒結(jié)材料制備的切削工具主體和在所述切削工具主體表面上的硬涂層，該切削工具包括具有優(yōu)異的高溫硬度、高溫強(qiáng)度、耐熱性和耐刃切口性(edge notching resistance)的硬涂層，甚至在硬化鋼比如合金鋼或者淬火軸承鋼的高速切削操作中，也能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)顯示出優(yōu)異的耐刃切口性并保持優(yōu)異的表面精度。
本申請(qǐng)要求2005年12月22日提交的日本專利申請(qǐng)No.2005-370000和2006年5月22日提交的日本專利申請(qǐng)No.2006-142108的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容在此引入作為參考。
背景技術(shù)：
一般而言，帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具包括刀片(insert)和鑲裝型(insert type)立銑刀，所述刀片可拆卸地連接在切削工具的尖端，用于車削由各種鋼或鑄鐵制備的工件，所述鑲裝型立銑刀可拆卸地連接著可轉(zhuǎn)位刀片，用于和整體立銑刀相似的方式對(duì)工件進(jìn)行刨削、切槽和切肩。
帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具的一種已知構(gòu)造包括由各種立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料(下面稱作cBN基燒結(jié)材料)制備的工具主體和在工具主體表面上通過蒸鍍形成的表面涂層比如氮化鈦(TiN)層或者鈦鋁氮化物([Ti，Al]N)層。已知這些帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具用于切削由各種鋼或鑄鐵制備的工件(日本特開平7-300649)。
已知上述帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具可以通過采用電弧離子電鍍裝置在工具主體表面S上涂覆所需組成的層，例如TiN層或者[Ti，Al]N層，來(lái)制備，所述電弧離子電鍍裝置是物理蒸鍍裝置的變體，其示意圖如圖1A和1B所示。例如，表面涂層可以如下制備將工具主體置于電弧離子電鍍裝置中；通過在由金屬Ti或者具有預(yù)定組成的Ti-Al合金組成的陰極(蒸發(fā)源)31、32，和陽(yáng)極61、62之間施加90A的電流，形成電弧放電，其中環(huán)境溫度通過加熱器保持在例如500℃，同時(shí)將氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣引入到所述裝置中以便獲得壓力為2Pa的反應(yīng)氣氛，并在工具主體上施加例如-100V的偏壓(日本特開平8-119774)。
近來(lái)，在切削裝置的FA(工廠自動(dòng)化)方面取得了顯著的進(jìn)步并進(jìn)行了大量的安裝。另一方面，切削操作對(duì)省工、節(jié)能和降低成本仍然有著強(qiáng)烈的需求，導(dǎo)致出現(xiàn)了向更高切削速度發(fā)展的趨勢(shì)。常規(guī)帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具在普通切削條件下在切削鋼和鑄鐵方面的表現(xiàn)是令人滿意的。但是，當(dāng)它用于硬化鋼比如維氏硬度(C)高達(dá)50或以上的合金鋼或者淬火軸承鋼的高速連續(xù)切削操作或者高速斷續(xù)切削操作中時(shí)，由于在切削刃處生成的高熱量或者間歇脈沖性施加在切削刃處的極高的機(jī)械載荷，在所述切削刃的邊界部分出現(xiàn)切口(下面稱作刃切口)。結(jié)果，難以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持表面精度，切削工具因而在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)工具使用壽命終點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
在上述情況下，本發(fā)明人進(jìn)行了下述研究研制具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具，該工具具有硬涂層，在硬化鋼比如合金鋼或者淬火軸承鋼的高速連續(xù)切削操作或者高速斷續(xù)切削操作(下面僅僅稱作“高速切削操作”)中顯示出極好的耐刃切口性。并獲得了下列發(fā)現(xiàn)(a)-(c)。
(a)構(gòu)成硬涂層的Ti-Al復(fù)合氮化物[Ti1-xAlx]N層具有預(yù)定的耐熱性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度，所以具有在普通切削條件下所需的充分耐磨性，其中Al含量(原子％)的比例x為0.40-0.60。但是，在硬化鋼的高速切削操作中，切削刃處生成大量的熱或者被間歇脈沖性強(qiáng)加了極大的機(jī)械載荷，由于由Ti-Al復(fù)合氮化物[Ti1-xAlx]N組成的硬涂層的高溫強(qiáng)度不足，所以在切削工具的邊界部分出現(xiàn)刃切口。結(jié)果，難以雛持工件的表面精度，而且切削工具在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到工具壽命的終點(diǎn)。
(b)盡管氮化鈦(TiN)層具有極高的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，但是耐熱性和高溫硬度不足。所以，在生成大量熱和施加極高機(jī)械載荷的硬化鋼高速切削操作中，由僅僅氮化鈦(TiN)層組成的硬涂層不可能具有充分的耐磨性。
(c)當(dāng)上述(a)的Al百分含量X為40-60原子％、具有耐熱性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度的[Ti1-xAlx]N(其中x的原子比為0.40-0.60)層(下面稱作薄層A)被定義為薄層A時(shí)，和薄層A相比耐熱性和高溫硬度較差但是高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度優(yōu)異的氮化鈦(TiN)層，被定義為薄層B，薄層A和薄層B交替層壓以構(gòu)成硬涂層的上層，使得薄層的每一層的平均層厚為0.05-0.3微米，具有所述交替層狀結(jié)構(gòu)的硬涂層具有薄膜A的優(yōu)異耐熱性和高溫硬度，也具有薄層B的更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，因此可以防止發(fā)生刃切口。
通過本發(fā)明人的研究，發(fā)現(xiàn)了(a)-(c)。
本發(fā)明基于上述發(fā)現(xiàn)，提供了由帶有表面涂層的立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料制備的切削工具，包括切削刀片主體和蒸鍍?cè)谒鲋黧w表面上的硬涂層。
切削刀片的主體由超高壓燒結(jié)材料構(gòu)成，通過超高壓燒結(jié)具有以下組成的坯體形成氮化鈦13-30重量％，鋁和/或氧化鋁6.5-18重量％，余量為氮化硼。當(dāng)采用掃描電子顯微鏡觀察時(shí)，主體顯示一種組織，該組織是超高壓燒結(jié)工藝形成的反應(yīng)產(chǎn)物位于構(gòu)成分散相的立方氮化硼相和構(gòu)成連續(xù)相的氮化鈦相之間的界面處的組織。沉積在主體上的硬涂層具有下列(a)-(c)的構(gòu)成。
(a)硬涂層包括平均層厚為1.5-3微米的下層和平均層厚為0.3-3微米的上層。
(b)硬涂層的下層由Ti和Al的蒸鍍復(fù)合氮化物[Ti1-xAlx]N組成，其中X是0.40-0.60。
(c)硬涂層的上層蒸鍍?cè)谙聦由?，具有由交替層壓的至少一個(gè)薄層A和至少一個(gè)薄層B構(gòu)成，其中薄層A是Ti和Al的組成為[Ti1-xAlx]N的復(fù)合氮化物層，其中X的原子比為0.40-0.60，薄層B是氮化鈦(TiN)層。在所述層狀結(jié)構(gòu)中，每一薄層的平均層厚是0.05-0.3微米。
即使在硬化鋼的高速切削操作中，由上述構(gòu)造的帶有表面涂層的立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料(后面稱作帶有涂層的cBN基燒結(jié)工具)制備的切削工具可以在長(zhǎng)時(shí)間里保證優(yōu)異的表面精度。
接下來(lái)，將在下面的描述中解釋構(gòu)成本發(fā)明帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具的切削刀片主體的cBN基燒結(jié)材料的組成、硬涂層的組成和厚度的數(shù)字規(guī)定的設(shè)置的原因。
(A)切削刀片主體的cBN基燒結(jié)材料的組成TiN燒結(jié)材料的TiN組分具有在燒結(jié)主體中改善可燒結(jié)性和形成連續(xù)相的效果，從而提高了強(qiáng)度。當(dāng)TiN組分的百分比小于13重量％時(shí)，不能保證所需的強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)TiN組分的含量百分比大于30重量％時(shí)，cBN的含量相對(duì)下降，更可能出現(xiàn)面磨損。相應(yīng)地，TiN組分的含量百分比設(shè)置為13-30重量％。
鋁和/或氧化鋁這些組分在燒結(jié)中優(yōu)先聚集在cBN粉末的表面上，經(jīng)反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物，因此這些組分在燒結(jié)后位于cBN基材料的TiN相(構(gòu)成連續(xù)相)和cBN相(構(gòu)成硬分散相)之間。由于反應(yīng)產(chǎn)物具有牢固地粘附靠近到構(gòu)成連續(xù)相的TiN相和構(gòu)成硬分散相的cBN相上的性質(zhì)，所以顯著增強(qiáng)了cBN相和作為連續(xù)粘合相的TiN相的粘附，由此提高了切削刃的耐碎裂性。當(dāng)鋁和/或氧化鋁的含量百分比為6.5-18重量％時(shí)，不可能充當(dāng)中間粘合層，也不能確保硬分散相和連續(xù)相之間的牢固粘附。相應(yīng)地，鋁和/或氧化鋁的含量百分比設(shè)置為6.5-18重量％。
氮化硼(cBN)超高壓燒結(jié)材料制備的工具主體中的立方氮化硼(cBN)硬度很高，在所述燒結(jié)材料中形成分散相，通過所述分散相提高了耐磨性。當(dāng)立方氮化硼的含量百分比太小時(shí)，不能確保所需的優(yōu)異耐磨性。另一方面，當(dāng)立方氮化硼含量百分比太大時(shí)，立方氮化硼(cBN)基材料自身的可燒結(jié)性惡化，因此更容易發(fā)生切削刃的剝落。立方氮化硼(cBN)的含量百分比是作為燒結(jié)材料構(gòu)成成分的TiN、鋁和氧化鋁的余量，也即，大約52-80重量％。
(B)硬涂層的下層由于在構(gòu)成硬涂層下層的Ti-Al復(fù)合氮化物([Ti1-xAlx]N)層中，Ti組分有助于維持高溫強(qiáng)度，Al組分有助于改善高溫硬度和耐熱性，所以構(gòu)成硬涂層下層的Ti-Al復(fù)合氮化物([Ti1-xAlx]N)層是具有預(yù)定高溫強(qiáng)度、高溫硬度和耐熱性的層，基本上起到在硬化鋼的高速切削操作中保證切削刃的耐磨性的作用。當(dāng)Al的含量百分比X大于60原子％時(shí)，下層的高溫硬度和耐熱性得到提高。但是，高溫強(qiáng)度隨著Ti含量百分比的相對(duì)下降而降低，由此使其更容易出現(xiàn)剝落。另一方面，當(dāng)Al的含量百分比X小于40原子％時(shí)，高溫硬度和耐熱性惡化，由此導(dǎo)致耐磨性很差。相應(yīng)地，Al的含量百分比X設(shè)為0.40-0.60。
當(dāng)下層的平均層厚小于1.5微米時(shí)，不可能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將所述下層的耐熱性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度賦予所述硬涂層，由此導(dǎo)致工具壽命很短。另一方面，當(dāng)平均層厚大于3微米時(shí)，更容易發(fā)生剝落。相應(yīng)地，下層的平均層厚設(shè)為1.5-3微米。
為了確保由超高壓燒結(jié)材料制備的切削工具主體和下層之間的充分粘合，可以在所述工具主體和所述下層之間插入由氮化鈦(TiN)制備的薄層。當(dāng)由TiN制備的薄層的層厚小于0.01微米時(shí)，在改善粘合性方面的效果較小。另一方面，當(dāng)層厚大于0.5微米時(shí)，不可能期望在粘合性方面有進(jìn)一步的改善。相應(yīng)地，待插入到襯底和下層之間的TiN層的層厚優(yōu)選設(shè)置為0.01微米或以上到0.5微米或以下。
(C)硬涂層的上層1)上層的薄層A構(gòu)成上層的薄層A的Ti-Al復(fù)合氮化物([Ti1-xAlx]N)層(其中X的原子比為0.40-0.60)基本上和下層相似，具有預(yù)定的耐熱性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度，也具有在硬化鋼的高速切削操作中確保切削刃的耐磨性的效果。
2)上層的薄層B由氮化鈦(TiN)制成的薄層B的主要目標(biāo)是彌補(bǔ)所述上層中薄層A的不足的性質(zhì)(高溫強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度)，所述上層具有包括薄層A和薄層B的交替層狀結(jié)構(gòu)。
如上所述，上層的薄層A是具有預(yù)定耐熱性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度的層，但是在硬化鋼的高速切削操作中沒有顯示出足夠的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，所述高速切削操作帶來(lái)大的機(jī)械載荷并產(chǎn)生大量熱量。結(jié)果，在切削刃邊緣的邊界部分處發(fā)生刃切口。
通過將薄層A和由氮化鈦(TiN)制備的、具有優(yōu)異高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的薄層B交替層壓形成交替疊層結(jié)構(gòu)，相鄰薄層A的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的不足得到了改善，形成了和薄層B相比具有更優(yōu)異高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的上層，不會(huì)損害薄層A的優(yōu)異耐熱性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度。
氮化鈦(TiN)層具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，能夠防止在硬化鋼比如淬火鋼的高速切削操作中在切削刃邊緣的邊界部分處發(fā)生刃切口，所述高速切削操作帶來(lái)大的機(jī)械載荷并產(chǎn)生大量熱量。
3)上層的單一薄層A和單一薄層B的平均層厚以及上層的平均層厚當(dāng)上層的薄層A和薄層B的每一層的平均層厚小于0.05微米時(shí)，不能顯示出每一薄層的優(yōu)異性質(zhì)，因此不可能為上層帶來(lái)優(yōu)異的高溫硬度、高溫強(qiáng)度和耐熱性以及更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)每一單層的平均層厚大于0.3微米時(shí)，每一薄層的有欠缺的性質(zhì)，即薄層A的不足的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度或者薄層B的不足的耐熱性和高溫硬度，會(huì)在上層中局部出現(xiàn)，因此更容易發(fā)生切削刃邊緣的刃切口或者加速磨損。相應(yīng)地，每個(gè)單一薄層的平均層厚設(shè)置為0.05-0.3微米。
提供薄層B以便為上層帶來(lái)更加優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度。當(dāng)薄層A和薄層B的每個(gè)單一薄層的平均層厚為0.05-0.3微米時(shí)，具有交替層狀結(jié)構(gòu)的、包括薄層A和薄層B的上層充當(dāng)具有優(yōu)異耐熱性和高溫硬度以及更優(yōu)異高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的一個(gè)層。當(dāng)薄層A和薄層B的每個(gè)單一薄層的平均層厚大于0.3微米時(shí)，薄層A的不足的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度或者薄層B的不足的耐熱性和高溫硬度，會(huì)在上層中局部出現(xiàn)，因此所述上層作為一層無(wú)法顯示出優(yōu)異的性質(zhì)。相應(yīng)地，薄層A和薄層B的每個(gè)單一薄層的平均層厚設(shè)置為0.05-0.3微米。
通過在下層的表面上形成具有交替層狀結(jié)構(gòu)的上層，其中薄層A和薄層B的每個(gè)單一薄層的平均層厚設(shè)為0.05-0.3微米，獲得了具有優(yōu)異耐熱性和高溫硬度以及更優(yōu)異高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的硬涂層，因此在硬化鋼比如淬火鋼的高速連續(xù)切削操作或者高速斷續(xù)切削操作中，可能防止在切削刃邊緣的周界部分中發(fā)生刃切口。
當(dāng)上層的總平均層厚(也即總層厚，即構(gòu)成交替層狀結(jié)構(gòu)的薄層A和薄層B的各個(gè)平均層厚的和)小于0.3微米時(shí)，不能為上層帶來(lái)在淬火鋼比如硬化鋼的高速切削操作中所需的足量耐熱性、高溫硬度、高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，因此導(dǎo)致工具壽命更短。另一方面，當(dāng)層厚大于3微米時(shí)，更容易發(fā)生剝落。相應(yīng)地，平均層厚設(shè)為0.3-3微米。
在本發(fā)明的具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具中，呈現(xiàn)的干涉色隨著最外表面上的涂層層厚發(fā)生精密變化，由此導(dǎo)致工具的外觀不均勻。在這種情況下，通過采用蒸鍍方法形成厚的Ti-Al復(fù)合氮化物(TiAlN)層，可以防止工具出現(xiàn)不均勻的外觀。在那種情況下，當(dāng)TiAlN層的平均層厚小于0.2微米時(shí)，不能防止出現(xiàn)不均勻的外觀。當(dāng)平均層厚不大于2微米時(shí)，可以充分防止出現(xiàn)不均勻的外觀。相應(yīng)地，Ti-Al復(fù)合氮化物(TiAlN)層的平均層厚優(yōu)選設(shè)為0.2-2微米。
本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具主體的表面粗糙度Ra優(yōu)選是0.05或以上和1.0或以下。當(dāng)表面粗糙度Ra是0.05或更大時(shí)，可以預(yù)期通過固著效應(yīng)實(shí)現(xiàn)襯底和硬涂層之間的粘合。另一方面，當(dāng)Ra大于1.0時(shí)，對(duì)工件材料的表面精度產(chǎn)生負(fù)面影響。
本發(fā)明的具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具具有包括上層和下層的硬涂層。通過在由薄層A和薄層B互相交替層壓構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中形成上層，能夠獲得優(yōu)異的耐熱性、高溫硬度、高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，從而使得具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持優(yōu)異的耐磨性，并且也可以保持工具材料的優(yōu)異的表面精度，甚至在苛刻條件下進(jìn)行的切削操作中，例如硬化鋼比如合金鋼或者淬火軸承鋼的高速連續(xù)切削操作或者高速斷續(xù)切削操作中(所述操作產(chǎn)生大量熱量，并且在切削刃上間歇脈沖性施加了機(jī)械載荷)，也不會(huì)導(dǎo)致硬涂層處發(fā)生刃切口。
圖1A是用于形成硬涂層的電弧離子電鍍裝置的示意性平面圖，所述硬涂層是本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具的一部分。
圖1B是用于形成硬涂層的電弧離子電鍍裝置的示意性正視圖，所述硬涂層是本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具的一部分。
圖2是常規(guī)電弧離子電鍍裝置的示意圖。
具體實(shí)施方案下面將通過實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具。
實(shí)施例制備平均顆粒尺寸都為0.5-4微米的立方氮化硼(cBN)粉、氮化鈦(TiN)粉、Al粉和氧化鋁(Al2O3)粉作為原料粉，并按照表1所示比例用濕法在球磨機(jī)中混合80小時(shí)。在干燥后，將120MPa壓力下將混合物壓制成直徑為50mm、厚度為1.5mm的坯體。將坯體在1Pa的真空中于900-1300℃之間的某溫度燒結(jié)60分鐘，獲得切削刃的預(yù)燒結(jié)體。分開制備支撐件，所述支撐件由基于WC的、粘結(jié)而成的碳化物制備，直徑為50mm，厚度為2mm，組成為8重量％的Co和余量WC。將預(yù)燒結(jié)體和支撐件以互相疊置的狀態(tài)置于常規(guī)超高壓燒結(jié)裝置中，在壓力為5GPa、溫度為1200-1400℃、保持時(shí)間為0.8小時(shí)的普通條件下進(jìn)行超高壓燒結(jié)。在燒結(jié)后，采用金剛石粘合磨料對(duì)所得燒結(jié)體的上下表面進(jìn)行拋光。采用絲狀電火花切削裝置將燒結(jié)體切成邊長(zhǎng)為3mm的等邊三角形尖端。制備刀片主體，所述刀片主體由基于WC的、粘結(jié)而成的碳化物制備，組成為5重量％Co、5重量％TaC和余量WC，測(cè)得構(gòu)造為ISO標(biāo)準(zhǔn)中指定的SNGA120412(圓形，厚度為4.76mm，邊長(zhǎng)為12.7mm)。采用組成為26％Cu、5％Ti、2.5％Ni和余量Ag的Ag合金焊料，將上述超高壓燒結(jié)體的切制尖端焊接到上述刀片主體的焊接部分(邊角部分)上。在經(jīng)過圓周銑削形成具有預(yù)定尺寸的主體后，將切削刃部分進(jìn)行珩磨處理(寬度為0.13mm，角度為25°)，然后進(jìn)行精加工拋光。根據(jù)上述處理，制備了刀片主體幾何構(gòu)造滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)中指定的SNGA120412的工具主體A-J。
(a)然后，將工具主體A-J在丙酮中進(jìn)行超聲清洗。干燥后，在由圖1A和1B所示的電弧離子電鍍裝置10內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)20上的中心軸，在半徑方向上距離規(guī)定徑向距離的位置上，沿著圓周將工具主體固定。將用于形成作為上層的薄層B的金屬Ti置于一側(cè)作為陰極(蒸發(fā)源)31，將組成和表2所示目標(biāo)組成相應(yīng)的Ti-Al合金置于另一側(cè)上作為陰極(蒸發(fā)源)32，用以形成作為上層和下層的薄層A，其中陰極31和32互相相對(duì)并且其中設(shè)置有轉(zhuǎn)臺(tái)20。附圖標(biāo)記50表示偏壓電源，附圖標(biāo)記71、72表示電弧電源。
(b)在將裝置抽空以維持內(nèi)部真空度不高于0.1Pa的同時(shí)，采用加熱器40將裝置內(nèi)部加熱到500℃，向裝置中引入氬氣以維持0.7Pa的反應(yīng)氣氛，同時(shí)在位于轉(zhuǎn)臺(tái)20上自轉(zhuǎn)的工具主體S上施加200V的直流偏壓，由此通過氬離子轟擊清潔工具主體S的表面。
(c)然后，將氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體引入到裝置中以維持3Pa的反應(yīng)氣氛，在位于轉(zhuǎn)臺(tái)20上自轉(zhuǎn)的工具主體S上施加-100V的DC偏壓。同時(shí)，通過在用于形成薄層A和下層的Ti-Al合金和陽(yáng)極62之間施加100A的電流產(chǎn)生電弧放電，由此在工具主體S表面上作為硬涂層的下層，蒸鍍具有表2所示目標(biāo)組成和目標(biāo)層厚的[Ti，Al]N層。
(d)然后，對(duì)將引入到裝置中作為反應(yīng)氣體的氮?dú)獾牧魉龠M(jìn)行控制以維持反應(yīng)氣氛為2Pa，在位于轉(zhuǎn)臺(tái)20上自轉(zhuǎn)的工具主體S上施加-10--100V的直流偏壓。同時(shí)，通過在金屬Ti(用于形成薄層B)陰極31和陽(yáng)極61之間施加預(yù)定強(qiáng)度的電流產(chǎn)生電弧放電，由此在工具主體表面上形成預(yù)定厚度的薄層B。在形成薄層B之后，終止電弧放電，在Ti-Al合金(用于形成薄層A和下層)陰極32和陽(yáng)極62之間施加預(yù)定強(qiáng)度為50-200A的電流，由此產(chǎn)生電弧放電和形成預(yù)定厚度的薄層A。然后，停止電弧放電。隨后，再次通過在金屬Ti(用于形成薄層B)陰極31和陽(yáng)極61之間發(fā)生電弧放電而形成薄層B，通過在Ti-Al合金(用于形成薄層A和下層)陰極32和陽(yáng)極62之間發(fā)生電弧放電來(lái)形成薄層A，所述形成交替重復(fù)。因此，通過蒸鍍?cè)诠ぞ咧黧w表面上形成了具有目標(biāo)組成和表2所示總厚度(平均層厚)的上層，所述上層的結(jié)構(gòu)由交替層壓的薄層A和薄層B構(gòu)成，單層的目標(biāo)厚度如表2所示。因此，制備了每個(gè)根據(jù)本發(fā)明的具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具。
為了進(jìn)行比較，將工具主體A-J置于丙酮中進(jìn)行超聲清洗。在干燥后，將工具主體置于圖2所示的普通電弧離子電鍍裝置1中，將組成和表3所示目標(biāo)組成相應(yīng)的Ti-Al合金設(shè)為陰極(蒸發(fā)源)3。在將裝置抽空以維持內(nèi)部真空度不高于0.1Pa的同時(shí)，采用加熱器4將裝置內(nèi)部加熱到500℃，向裝置中引入氬氣以維持0.7Pa的反應(yīng)氣氛，同時(shí)由偏壓電源5向位于轉(zhuǎn)臺(tái)2上自轉(zhuǎn)的工具主體S上施加-200V的直流偏壓，由此通過氬離子轟擊清潔工具主體的表面。然后，將氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體引入到裝置中以維持3Pa的反應(yīng)氣氛，施加到工具主體上的偏壓為-100V，采用電弧電源7在Ti-Al合金制備的陰極3和陽(yáng)極6之間產(chǎn)生電弧放電。因此，用目標(biāo)組成和目標(biāo)層厚如表3所示的[Ti，Al]N層涂覆工具主體A-J的表面，由此制備具有常規(guī)表面涂層的、基于cBN的燒結(jié)工具1-10。
對(duì)構(gòu)成由此制備的各種具有表面涂層的、cBN基燒結(jié)工具的切削刀片主體的cBN基燒結(jié)材料而言，采用掃描電鏡觀察了結(jié)構(gòu)。結(jié)果，所有切削刀片主體呈現(xiàn)出其中超高壓燒結(jié)反應(yīng)產(chǎn)物位于cBN相(基本構(gòu)成分散相)和TiN相(構(gòu)成連續(xù)相)之間的界面處的結(jié)構(gòu)。
另外，采用透射電子顯微鏡通過能量分布X射線光譜對(duì)表面涂層的組成進(jìn)行了分析，所有試樣顯示出和目標(biāo)組成基本相同的組成。同樣，通過用透射電子顯微鏡觀察橫截面，測(cè)量了硬涂層的構(gòu)成層的平均層厚。所有試樣的平均層厚基本和目標(biāo)厚度(5個(gè)點(diǎn)處的測(cè)量平均值)相同。
然后，通過擰緊夾持件，將各種具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具安裝在工具鋼制備的切削工具的末端。將本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具No.1-5和常規(guī)具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具No.1-5在下列切削條件A-C下進(jìn)行高速斷續(xù)切削操作測(cè)試。另外，將本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具No.6-10和常規(guī)具有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具No.6-10在下列切削條件a-c下進(jìn)行高速連續(xù)切削操作測(cè)試。
在下列條件下，進(jìn)行合金鋼干法斷續(xù)高速切削操作測(cè)試(正常切削速度是120m/min)工件JIS SCM415的滲碳硬化圓棒(硬度為HRC61)，沿著縱向等距形成有4道凹槽。
切削速度200m/min。
切削深度0.2mm。
進(jìn)給量0.15mm/rev。
切削時(shí)間6分鐘。
在下列條件下，進(jìn)行鉻鋼干法斷續(xù)高速切削操作測(cè)試(正常切削速度是120m/min)工件JIS SCr420的滲碳硬化圓棒(硬度為HRC60)，沿著縱向等距形成有4道凹槽。
切削速度210m/min。
切削深度0.15mm。
進(jìn)給量0.12mm/rev。
切削時(shí)間6分鐘。
在下列條件下，進(jìn)行軸承鋼干法斷續(xù)高速切削操作測(cè)試(正常切削速度是150m/min)工件JIS SUJ2的硬化圓棒(硬度為HRC61)，沿著縱向等距形成有4道凹槽。
切削速度240m/min。
切削深度0.16mm。
進(jìn)給量0.10mm/rev。
切削時(shí)間6分鐘。
在下列條件下，進(jìn)行合金鋼干法連續(xù)高速切削操作測(cè)試(正常切削速度是200m/min)工件JIS SCM415的滲碳硬化圓棒(硬度為HRC61)。
切削速度280m/min。
切削深度0.2mm。
進(jìn)給量0.10mm/rev。
切削時(shí)間8分鐘。
在下列條件下，進(jìn)行鉻鋼干法連續(xù)高速切削操作測(cè)試(正常切削速度是160m/min)工件JIS SCr 420的滲碳硬化圓棒(硬度為HRC60)。
切削速度250m/min。
切削深度0.2mm。
進(jìn)給量0.1mm/rev。
切削時(shí)間8分鐘。
在下列條件下，進(jìn)行軸承鋼干法連續(xù)高速切削操作測(cè)試(正常切削速度是150m/min)
工件JIS SUJ2的硬化圓棒。(硬度為HRC61)。
切削速度220m/min。
切削深度0.2mm。
進(jìn)給量0.1mm/rev。
切削時(shí)間8分鐘。
在上述每次切削測(cè)試中，測(cè)量切削工具刀刃的側(cè)面磨損寬度(mm)和工件的表面精度(算術(shù)平均高度(Ra(微米)，根據(jù)JISB0601-2001))。結(jié)果如表4所述。
表1
表2
表3
表4
表4(續(xù))
在表中，符號(hào)*是指發(fā)生刃切口的工具，而符號(hào)**是指由于刃切口和碎裂而使工具壽命終止的工具的切削時(shí)間(分鐘)。
表2-4所示結(jié)果明顯顯示了本發(fā)明的下列效果。本發(fā)明的所有帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具具有硬涂層，所述硬涂層包括平均層厚為1.5-3微米的下層；和平均層厚(總厚度)為0.3-3微米、由互相層壓的薄層A和薄層B組成的上層，薄層A和薄層B每個(gè)的平均層厚為0.05-0.3微米。在本發(fā)明的每一帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具中，由于下層具有優(yōu)異的耐熱性、高溫強(qiáng)度和高溫硬度，上層具有優(yōu)異的耐熱性、高溫硬度和更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，所以硬涂層將這些優(yōu)異性質(zhì)組合在一起，所以可以顯示出優(yōu)異的耐磨性并能確保工件具有優(yōu)異的表面精度，甚至在高硬度鋼例如硬化鋼比如合金鋼或軸承鋼的高速切削操作中不會(huì)導(dǎo)致刃切口和碎裂。相反，常規(guī)的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具具有包含單一相結(jié)構(gòu)[Ti，Al]N層的硬涂層，由于該硬涂層的高溫強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度不足所以在切削刃處出現(xiàn)刃切口或脫落，也不能保持工件的表面精度，顯然工具壽命在較短時(shí)間里終止。
如上所示，以及在普通切削條件下對(duì)各種鋼和鑄鐵的切削中，甚至在硬化鋼的高速連續(xù)切削操作或者高速斷續(xù)切削操作(伴有大量熱生成以及在切削刃上間歇脈沖性施加極大的機(jī)械載荷)中，本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具具有優(yōu)異的抗刃切口的能力(由硬涂層體現(xiàn))，在長(zhǎng)時(shí)間里維持工件材料的優(yōu)異表面精度，和顯示出優(yōu)異的耐磨性。因此，本發(fā)明的帶有表面涂層的cBN基燒結(jié)工具完全可以在金屬切削操作中省工、節(jié)能和減少成本，并有助于提高切削裝置的性能。
盡管上面已經(jīng)描述并舉例說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，應(yīng)該理解這些是本發(fā)明的示例，并不應(yīng)認(rèn)為是限制。可以進(jìn)行添加、省略、替代和其它修改，不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或范圍。相應(yīng)地，本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為受前面敘述的限制，而是僅僅受所附權(quán)利要求范圍的限制。
權(quán)利要求
1.由具有表面涂層的立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料制備的切削工具，包括主體，由超高壓燒結(jié)材料構(gòu)成，通過超高壓燒結(jié)具有以下組成的坯體形成氮化鈦13-30重量％，鋁和/或氧化鋁6.5-18重量％，余量為氮化硼；當(dāng)采用掃描電子顯微鏡觀察時(shí)，主體顯示一種組織，該組織是超高壓燒結(jié)形成的反應(yīng)產(chǎn)物位于構(gòu)成分散相的立方氮化硼相和構(gòu)成連續(xù)相的氮化鈦相之間的界面處的組織；和蒸鍍?cè)谥黧w表面上的硬涂層，該硬涂層具有平均層厚為1.5-3微米的下層和平均層厚為0.3-3微米的上層，其中硬涂層的下層由Ti和Al的蒸鍍復(fù)合氮化物[Ti1-xAlx]N組成，其中X是0.40-0.60原子比；和硬涂層的上層蒸鍍?cè)谙聦拥谋砻嫔希ㄖ辽僖粋€(gè)薄層A和至少一個(gè)薄層B，其中薄層A由Ti和Al的組成為[Ti1-xAlx]N的復(fù)合氮化物層構(gòu)成，其中X的原子比為0.40-0.60，薄層B由氮化鈦TiN層構(gòu)成，所述上層具有其中薄層A和薄層B交替層壓的結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)單層的平均層厚為0.05-0.3微米。
全文摘要
由具有表面涂層的立方氮化硼基超高壓燒結(jié)材料制備的切削工具，包括切削刀片主體和蒸鍍?cè)谒鲋黧w上的硬涂層，其中所述主體通過由氮化鈦、鋁和/或氧化鋁、和氮化硼組成的坯體的超高壓燒結(jié)形成。主體具有含有立方氮化硼、氮化鈦和反應(yīng)產(chǎn)物的織構(gòu)。硬涂層具有下層和上層，所述下層是組成為[Ti
文檔編號(hào)B32B33/00GK1986487SQ20061016908
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者高岡秀充, 田島逸郎 申請(qǐng)人:三菱麻鐵里亞爾株式會(huì)社, 三菱綜合材料神戶工具株式會(huì)社