專利名稱：硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性的表面包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尤其在伴有高熱發(fā)生且沖擊性、斷續(xù)性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削條件下進(jìn)行各種鋼或鑄鐵等工件的切削加工時，硬質(zhì)包覆層也經(jīng)長期使用而發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性的表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)。
背景技術(shù)：
以往，通常習(xí)知在由碳化鎢(以下用WC表示)基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦(以下用 TiCN表示)基金屬陶瓷構(gòu)成的基體(以下將這些總稱為工具基體)的表面蒸鍍形成包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層而成的包覆工具(a)作為下部層的Ti化合物層，包括Ti碳化物(以下用TiC表示)層、氮化物(以下同樣用TiN表示)層、碳氮化物(以下用TiCN表示)層、碳氧化物(以下用TiCO表示) 層及碳氮氧化物(以下用TiCNO表示)層中的I層或2層以上；及(b)作為上部層的氧化鋁層。上述以往包覆工具中，為了謀求提高其工具性能而進(jìn)行了各種提案。例如，如專利文獻(xiàn)I所示，已知有如下包覆工具，即當(dāng)形成上述(b)的氧化鋁層時， 通過摻雜Zr并以含有Zr的K型氧化鋁(以下用含有Zr的κ-Al2O3表示)相為主體，形成使含有Zr的α型氧化鋁(以下用含有Zr的a -Al2O3表示)相混在其中的含有Zr的 Al2O3層的包覆工具，并且已知若根據(jù)該包覆工具可以謀求工具的長壽命化。另外，例如如專利文獻(xiàn)2所示，已知當(dāng)形成上述(b)的氧化鋁層時，若通過交替層疊具有高溫強度和機(jī)械性或耐熱性優(yōu)異的耐沖擊性的含有Zr的K -Al2O3層和具備優(yōu)異的高溫硬度和耐熱性的加熱變形a -Al2O3層來形成上部層，則在較大負(fù)荷作用于切削刃的重切削加工中可以謀求提高耐崩刀性、耐磨性。專利文獻(xiàn)I :日本專利公開昭61-15149號公報專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2009-83008號公報近年來的切削裝置的高性能化顯著，另一方面對切削加工的節(jié)省勞力化及節(jié)能化以及低成本化的要求強烈，隨此有切削加工漸漸高速化的趨勢，但現(xiàn)狀為如下在上述的以往包覆工具中，將此用于鋼或鑄鐵等的通常條件下的連續(xù)切削中時不成問題，但尤其將此用在伴有高熱發(fā)生且斷續(xù)性且沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削條件中時，由于硬質(zhì)包覆層，尤其因上部層的Al2O3層內(nèi)存在殘留應(yīng)力而耐沖擊性不充分，并且，若一旦因沖擊等而發(fā)生裂紋，則會因?qū)又械膬?nèi)部應(yīng)力而促進(jìn)裂紋的進(jìn)展，因此容易發(fā)生崩刀、缺損，其結(jié)果在較短的時間內(nèi)達(dá)到使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明人等從如上述的觀點出發(fā)，為了謀求提高硬質(zhì)包覆層的高溫強度及耐沖擊性進(jìn)行深入研究的結(jié)果，得到了如下見解。首先，本發(fā)明人等通過緩和上部層的Al2O3層內(nèi)的殘留應(yīng)力，為了謀求提高耐崩刀性對這種硬質(zhì)包覆層的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了如下內(nèi)容作為上部層形成含有Zr 的K-Al2O3層時，只要利用加熱變形就能夠使K-Al2O3相的一部分變形為Ci-Al2O3相，但加熱變形時在上部層內(nèi)向a -Al2O3相變形會受包括Ti化合物層的下部層中的TiCN晶粒的方位的很大影響。更具體而言為如下。S卩，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)了如下內(nèi)容當(dāng)通過化學(xué)蒸鍍在工具基體表面形成下部層 (Ti化合物層)和上部層(含有Zr的Al2O3層)時，若在特定條件下形成作為Ti化合物層內(nèi)的至少I個層的TiCN層，則所形成的TiCN層上形成TiCN{110}晶粒和TiCN{112}晶粒 (另外，對TiCN{110}晶粒、TiCN{112}晶粒進(jìn)行后述)。并且，在該下部層上蒸鍍形成包括含有Zr的Al2O3層的上部層之后，若使蒸鍍形成的含有Zr的Al2O3層加熱變形，則在上述TiCN{110}晶粒的上方(正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上)形成含有Zr的K-Al2O3晶粒，但上述TiCN{112}晶粒的上方(正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上)的含有Zr的Al2O3層通過加熱變形形成含有Zr的a -Al2O3晶粒。在圖I中示出本發(fā)明的包覆工具的硬質(zhì)包覆層的縱截面概要示意圖，但如圖I所示，在與形成有TiCN層(下部層)的TiCN{110}晶粒和TiCN{112}晶粒的位置對應(yīng)的含有Zr的Al2O3層(上部層)的位置形成含有Zr的κ -Al2O3晶粒和含有Zr的a -Al2O3晶粒，并且，該含有Zr的K -Al2O3晶粒和含有Zr的a -Al2O3晶粒沿含有Zr的Al2O3層(上部層)的層厚方向鄰接而形成(換而言之，從與層厚方向正交的面觀察時，交替形成含有Zr 的K -Al2O3晶粒和含有Zr的a -Al2O3晶粒)。并且，上述含有Zr的Ci-Al2O3晶粒的30%以上為Al2O3{0001}晶粒(另外，對 Al2O3 {0001}晶粒進(jìn)行后述)，雖然具備聞硬度、耐熱性，但另一方面在含有Zr的a-Al2O3晶粒上形成有裂紋密度為50個/μ m2以上的裂紋，因此可以謀求緩和a-Al2O3晶粒上發(fā)生的殘留應(yīng)力。并且，蒸鍍形成包括上述層結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)包覆層的包覆工具中，尤其由耐沖擊性優(yōu)異的含有Zr的K -Al2O3晶粒和高溫硬度和耐熱性優(yōu)異且高裂紋密度的含有Zr的a -Al2O3 晶粒形成其上部層，因此可以以維持上部層的耐沖擊性、高溫硬度、耐熱性的狀態(tài)謀求緩和殘留應(yīng)力，因此在伴有高熱發(fā)生且斷續(xù)性、沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削條件下使用時，也可以抑制發(fā)生崩刀、缺損，且經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。該發(fā)明是根據(jù)上述見解而完成的，其具有如下特征。(I) 一種表面包覆切削工具，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蒸鍍形成包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層而形成(a)下部層，為具有3 20 μ m的合計平均層厚且包含化學(xué)蒸鍍形成的至少I層 Ti碳氮化物層的Ti化合物層；及(b)上部層，為具有2 15 μ m的平均層厚且包括含有Zr的κ型氧化鋁晶粒與含有Zr的α型氧化鋁晶粒的混合相的含有Zr的氧化鋁層，其中，(c)對上述(a)的下部層中的至少I層Ti碳氮化物層，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在上述工具基體的截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有立方晶格的各個晶粒照射電子束，分別測定作為所述晶粒的晶面的{110}面的法線和{112}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的傾斜角，當(dāng)制作傾斜角度數(shù)分布圖表時，所述測定的傾斜角中相對于{110}面的法線具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒(用TiCN{110}晶粒表示)和相對于{112}面的法線具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒(用TiCN{112}晶粒表示) 各自的度數(shù)合計占傾斜角度數(shù)分布圖表中的整個度數(shù)的60%以上，(d)在上述(b)的含有Zr的氧化鋁層中，含有Zr的κ型氧化鋁晶粒在形成有上述TiCN{110}晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成，并且，含有Zr的α型氧化鋁晶粒在形成有上述TiCN{112}晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成，其結(jié)果含有 Zr的K型氧化鋁晶粒和含有Zr的α型氧化鋁晶粒沿層厚方向鄰接而形成，(e)對上述含有Zr的α型氧化鋁晶粒，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在上述工具基體的截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有六方晶格的各個晶粒照射電子束，測定作為所述晶粒的晶面的{0001}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的傾斜角，當(dāng)制作傾斜角度數(shù)分布圖表時，所述測定傾斜角中具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒(稱為Al2O3{0001}晶粒)的度數(shù)合計占傾斜角度數(shù)分布圖表中的整個度數(shù)的30%以上。(2)如所述⑴所述的表面包覆切削工具，其中，在包括上述含有Zr的氧化鋁層的上部層形成有裂紋，在上部層的縱截面上觀察的形成于含有Zr的α型氧化鋁晶粒的裂紋密度為50個/μ m2以上，且高于形成于含有Zr 的K型氧化鋁晶粒的裂紋密度。(3)如所述⑴或⑵所述的表面包覆切削工具，其中，在包括上述含有Zr的氧化鋁層的上部層的縱截面中含有Zr的α型氧化鋁晶粒所占的面積比例為30 70%。(4)如所述⑴ (3)中任一項所述的表面包覆切削工具，其中，在上述下部層中的至少I層Ti碳氮化物層中，TiCN{110}晶粒所占的面積比例為該Ti碳氮化物層的縱截面的總面積的20 40%，并且，TiCN{112}晶粒所占的面積比例為該Ti碳氮化物層的縱截面的40 60%。以下，對該發(fā)明的包覆工具的硬質(zhì)包覆層進(jìn)行詳細(xì)說明。下部層下部層的Ti化合物層由Ti的碳化物(TiC)層、氮化物(TiN)層、碳氮化物(TiCN) 層、碳氧化物(TiCO)層及碳氮氧化物(TiCNO)層中的I層或2層以上構(gòu)成，但是Ti化合物層中的至少I層由TiCN層構(gòu)成。并且，作為該TiCN層由下述⑴及(II)的度數(shù)合計占傾斜角度數(shù)分布圖表中的整個度數(shù)的60%以上比例的TiCN層(以下稱為改性TiCN層)構(gòu)成(I)當(dāng)測定晶粒的{110}面的法線所成的傾斜角，且制作傾斜角度數(shù)分布圖表時， 在O 10度范圍內(nèi)存在測定傾斜角的晶粒(以下將此稱為TiCN{110}晶粒)的度數(shù)的合計；及(II)當(dāng)測定晶粒的{112}面的法線所成的傾斜角，且制作傾斜角度數(shù)分布圖表時，在O 10度范圍內(nèi)存在測定傾斜角的晶粒(以下將此稱為TiCN{112}晶粒)的度數(shù)的合計。上述改性TiCN層，即TiCN{110}晶粒及TiCN{112}晶粒各自的度數(shù)合計占整個度數(shù)的60%以上比例的TiCN層例如能夠通過以下條件的化學(xué)蒸鍍形成。即，作為第I階段，在
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反應(yīng)氣體組成(體積％) =TiCl4 0. 2 ICH3CN 0. 01 O. 05%,C2H4 0. 05 O. 1%,N2 :10 30%, H2 :剩余；反應(yīng)氣氛溫度700 780°C ；反應(yīng)氣氛壓力25 45kPa條件下，化學(xué)蒸鍍30分鐘，之后，作為第2階段，在反應(yīng)氣體組成(體積％) TiCl4 2 4%、CH3CN 0. 4 2%、N2 10 30%、Ar I 5%、H2 :剩余；反應(yīng)氣氛溫度700 780°C ；反應(yīng)氣氛壓力25 45kPa條件下化學(xué)蒸鍍，從而能夠形成TiCN{110}晶粒及TiCN{112}晶粒各自的度數(shù)合計占整個度數(shù)的60 %以上比例的改性TiCN層。例如，除了上述條件之外，當(dāng)TiCN{110}晶粒及TiCN{112}晶粒各自的度數(shù)合計不到整個度數(shù)的60%時，作為上部層形成含有Zr的氧化鋁層，即便使其加熱變形，也不會形成規(guī)定量的含有Zr的K -Al2O3晶粒和含有Zr的a -Al2O3晶粒，因此無法向上部層賦予規(guī)定的特性。因此，在該發(fā)明中，TiCN{110}晶粒及TiCN{112}晶粒各自的度數(shù)合計定為整個度數(shù)的60%以上。另外，關(guān)于TiCN{110}晶粒及TiCN{112}晶粒各自的度數(shù)，優(yōu)選TiCN{110}晶粒為 20 40%，并且，TiCN{112}晶粒為 40 60%。具體而言，TiCN{110}晶粒的度數(shù)比例通過如下方法求出。利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在包覆有改性TiCN層的工具基體的截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有立方晶格的各個晶粒照射電子束，測定作為所述晶粒的晶面的 {110}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的傾斜角，以每0. 25度間距劃分所述測定傾斜角中處于O 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角，并且制作總計各區(qū)段內(nèi)存在的度數(shù)而成的傾斜角度數(shù)分布圖表，在該傾斜角度數(shù)分布圖表中，求出在O 10度范圍內(nèi)的傾斜角區(qū)段中存在的晶粒(TiCN{110}晶粒)的度數(shù)，另一方面求出處于測定傾斜角范圍O 45 度范圍內(nèi)的整個度數(shù)，計算所述TiCN{110}晶粒的度數(shù)占整個度數(shù)的比例，從而能夠求出 TiCN{110}晶粒的度數(shù)比例。并且，對TiCN{112}晶粒的度數(shù)比例也與上述相同，但通過如下方法求出。利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在包覆有改性TiCN層的工具基體的截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有立方晶格的各個晶粒照射電子束，測定作為所述晶粒的晶面的 {112}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的傾斜角，以每0. 25度間距劃分所述測定傾斜角中處于O 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角，并且制作總計各區(qū)段內(nèi)存在的度數(shù)而成的傾斜角度數(shù)分布圖表，在該傾斜角度數(shù)分布圖表中，求出在O 10度范圍內(nèi)的傾斜角區(qū)段中存在的晶粒(TiCN{112}晶粒)的度數(shù)，另一方面求出處于測定傾斜角范圍O 45 度范圍內(nèi)的整個度數(shù)，計算所述TiCN{112}晶粒的度數(shù)占整個度數(shù)的比例，從而能夠求出 TiCN{112}晶粒的度數(shù)比例。包括至少含有上述改性TiCN的Ti化合物層的下部層作為含有Zr的Al2O3層的下部層存在，硬質(zhì)包覆層通過自身具備的優(yōu)異的高溫強度而有助于提高高溫強度，除此以外， 均堅固地粘附于工具基體和含有Zr的Al2O3層，具有提高硬質(zhì)包覆層對工具基體的粘附性。除了上述作用之外，還可以想到通過進(jìn)行例如利用SF6氣體的蝕刻處理，從而在該發(fā)明中以規(guī)定量形成的TiCN{110}晶粒其晶面的表面性狀發(fā)生變化，例如，與K-Al2O3核匹配形成凹凸，因此與上部層的含有Zr的K -Al2O3晶粒的附著強度較高，形成于其凹凸部的含有Zr的K -Al2O3晶粒在成膜之后即使進(jìn)行加熱處理，且可以想到也匹配形成Ti晶體的晶面和K -Al2O3核，因此含有Zr的K -Al2O3層不會熱變形而在TiCN{110}晶粒上形成含有 Zr 的 K -Al2O3 晶粒。并且，若對在該發(fā)明中以規(guī)定量形成的TiCN{112}晶粒進(jìn)行例如利用3^氣體的蝕刻處理，則與TiCN{110}晶粒的情況不同，其晶面的表面性狀不會發(fā)生變化，形成在 TiCN{112}晶粒上形成的含有Zr的κ -Al2O3晶粒，在對上部層的含有Zr的Al2O3層實施加熱變形處理時，TiCN{112}晶粒上的含有Zr的κ-Al2O3晶粒熱變形為含有Zr的Q-Al2O3 晶粒。另外，若下部層的平均層厚不到3 μ m，則無法充分發(fā)揮所述作用，另一方面，若其平均層厚超過20 μ m，則在尤其伴隨高熱發(fā)生的高速斷續(xù)切削中容易發(fā)生崩刀、缺損，因此其平均層厚定為3 20 μ m。上部層首先，在包含具有上述規(guī)定量的TiCN{110}晶粒、TiCN{112}晶粒的至少I層改性 TiCN層的下部層的表面，例如在添加有O. 01 I容量％的SF6氣體的H2氣體氣氛下，進(jìn)行溫度700 800 0C X I 5分鐘的處理，之后，例如通過通常的化學(xué)蒸鍍裝置，在反應(yīng)氣體組成(容量％ ) =AlCl3 :3 6 %、ZrCl4 :0· 6 I. 8 %、CO2 :6 10 %、 HCl 1. O 3. 0%,H2S 0. I O. 18%, H2 :剩余；反應(yīng)氣氛溫度880 980°C ；反應(yīng)氣氛壓力5 8kPa的條件下，蒸鍍形成含有Zr的Al2O3層。該含有Zr的Al2O3層在化學(xué)蒸鍍的狀態(tài)下具有κ型晶體(含有Zr的κ -Al2O3晶粒)結(jié)構(gòu)，并具備優(yōu)異的高溫強度且機(jī)械性或耐熱性優(yōu)異的耐沖擊性。另夕卜，當(dāng)以組成式(AlhZrx)2O3表示在此蒸鍍形成的含有Zr的Al2O3層時，Zr在與Al的總量中所占的含有比例(Zr/(A1+Zr)的值)優(yōu)選以原子比計滿足
O.0001 彡 X 彡 O. 003。接著，通過實施加熱變形處理，使上述含有Zr的κ -Al2O3晶粒的一部分變形為含有Zr的a -Al2O3晶粒。具體的加熱變形處理方法例如為如下。首先，作為含有Zr的Al2O3層，在上述蒸鍍條件下形成含有Zr的κ -Al2O3晶粒后，在添加有O. 01 I容量％的SF6氣體的H2氣體氣氛下，進(jìn)行溫度900 IOOO0C X 10 30分鐘的處理，接著，在H2氣體氣氛下，進(jìn)行溫度1020 1060°C X 60 300分鐘的加熱處理，
從而，使含有Zr的κ -Al2O3晶粒的一部分(即，在形成有下部層的改性TiCN層的 TiCN{112}晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成的含有Zr的κ-Al2O3晶粒)變形為含有Zr的a -Al2O3晶粒。通過實施上述加熱變形處理，在形成有下部層的改性TiCN層的TiCN{110}晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成含有Zr的κ-Al2O3晶粒，并且，在形成有TiCN{112} 晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成含有Zr的a -Al2O3晶粒，并且，其結(jié)果形成含有Zr的κ -Al2O3晶粒和含有Zr的a -Al2O3晶粒沿層厚方向鄰接而形成的硬質(zhì)包覆層的層結(jié)構(gòu)。圖I表示這種層結(jié)構(gòu)的縱截面概要示意圖。另外，對上述含有Zr的a -Al2O3晶粒，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在其截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有六方晶格的各個晶粒照射電子束，測定作為所述晶粒的晶面的{0001}面的法線相對于所述工具基體表面的法線所成的傾斜角，以每O. 25度間距劃分所述測定傾斜角中在O 45度范圍內(nèi)的測定傾斜角，并且制作總計各區(qū)段內(nèi)存在的度數(shù)而成的傾斜角度數(shù)分布圖表，這時，形成具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒(Al2O3 {0001} 晶粒)存在于該傾斜角區(qū)段內(nèi)的度數(shù)的合計占傾斜角度數(shù)分布圖表中的整個度數(shù)的30% 以上比例的含有Zr的a -Al2O3晶粒。在該發(fā)明中，若上述Al2O3{0001}晶粒的存在比例不到30%，則作為整個上部層的高硬度、耐磨性呈下降趨勢，因此在該發(fā)明中，通過設(shè)為如上述Al2O3{0001}晶粒存在30% 以上的層結(jié)構(gòu)來保持上部層的高硬度、耐磨性。另外，若用透射型電子顯微鏡觀察包括上述含有Zr的κ -Al2O3晶粒和含有Zr的 a -Al2O3晶粒的上部層的縱截面，則均在含有Zr的κ -Al2O3晶粒、含有Zr的a -Al2O3晶粒觀察到裂紋。同樣，利用透射型電子顯微鏡，在形成于含有Zr的κ-Al2O3晶粒、含有Zr的 Ci-Al2O3晶粒的裂紋數(shù)為IXlym2的正方形區(qū)中畫出對角線及連結(jié)正方形的相對置的各邊中點的線，計量這些線與裂紋相交的部位，以含有Zr的κ-Al2O3晶粒、含有Zr的Q-Al2O3 晶粒進(jìn)行10處這些計量數(shù)，將其平均值設(shè)為平均裂紋數(shù)(個/ μ m2)?？芍衂r的 κ -Al2O3晶粒中的平均裂紋數(shù)為5 10個/ μ m2，與此相對含有Zr的a -Al2O3晶粒中的平均裂紋數(shù)為50個/ μ m2，含有Zr的κ -Al2O3晶粒中的裂紋密度高于含有Zr的κ型氧化鋁晶粒的裂紋密度。該發(fā)明中的上部層的耐沖擊性和高強度主要通過含有Zr的κ -Al2O3晶粒獲得，并且高硬度、耐磨性主要通過含有Zr的a -Al2O3晶粒獲得，但含有Zr的a -Al2O3晶粒具有高裂紋密度，由此可以緩和含有Zr的a -Al2O3晶粒的殘留內(nèi)部應(yīng)力，這使上部層的耐沖擊性
進(jìn)一步提聞。但是，在上部層中，若含有Zr的a -Al2O3晶粒所占的面積比例不到30%，則高速斷續(xù)切削加工中的耐磨性呈下降趨勢，另一方面，若面積比例超過70%，則高速斷續(xù)切削加工中耐崩刀性、耐缺損性呈下降趨勢，因此為了兼?zhèn)涓哂捕?、高強度?yōu)異的耐沖擊性，優(yōu)選在上部層的縱截面觀察的含有Zr的a -Al2O3晶粒所占的面積比例為30 70%。在此，有關(guān)含有Zr的a -Al2O3晶粒所占的面積比例，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在其截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有六方晶格的各個晶粒照射電子束，從其衍射圖案映射含有Zr的a -Al2O3晶粒，計算所述映射區(qū)相對于由工具基體和向水平方向呈50 μ m的上部層規(guī)定膜厚構(gòu)成的測定區(qū)的比例。另外，為了形成上述面積比例的含有Zr的a -Al2O3晶粒，優(yōu)選下部層的改性TiCN 層中的TiCN{110}晶粒所占的面積比例為改性TiCN層的縱截面的總面積的20 40%，并且，TiCN{112}晶粒所占的面積比例為該縱截面的總面積的40 60%。在此，有關(guān)TiCN{110}晶粒的面積比例，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在其截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有六方晶格的各個晶粒照射電子束，映射作為所述晶粒的晶面的{110}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的角度差在10°以內(nèi)的晶粒， 用對測定區(qū)的比例計算其映射區(qū)。TiCN{112}晶粒的面積比例也與所述相同，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在其截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有六方晶格的各個晶粒照射電子束，映射作為所述晶粒的晶面的{112}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的角度差在10°以內(nèi)的晶粒，計算所述映射區(qū)相對于由工具基體和向水平方向呈50 μ m的改性TiCN層的規(guī)定膜厚構(gòu)成的測定區(qū)的比例。包括上述含有Zr的κ -Al2O3晶粒和含有Zr的a -Al2O3晶粒的上部層，除了具備通常的κ型Al2O3層所具有的高強度、耐沖擊性以及通常的α型Al2O3層所具有的高硬度、 耐熱性之外，由于可以緩和上部層內(nèi)的殘留內(nèi)部應(yīng)力，因此具備更加優(yōu)異的耐沖擊性，其結(jié)果，在伴有高熱發(fā)生且斷續(xù)性或沖擊性負(fù)荷起作用的高速斷續(xù)切削加工中，發(fā)揮更加優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性。但是，若上部層的平均層厚不到2 μ m,則無法充分發(fā)揮所希望的優(yōu)異的耐磨性，另一方面若其平均層厚超過15 μ m而變得過厚，則容易發(fā)生崩刀，因此其平均層厚定為2 15 μ m0本發(fā)明的包覆工具為如下工具即使在伴有高熱發(fā)生且斷續(xù)性或沖擊性負(fù)荷作用于切削刃的高速斷續(xù)切削加工條件下進(jìn)行各種鋼或鑄鐵等的切削時，硬質(zhì)包覆層尤其是上部層除了具有高硬度和耐熱性之外，還具有優(yōu)異的高溫強度、耐沖擊性，因此硬質(zhì)包覆層具備優(yōu)異的耐崩刀性、耐缺損性，經(jīng)長期使用發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，能夠進(jìn)一步延長使用壽命。


圖I是表示本發(fā)明包覆工具的硬質(zhì)包覆層的縱截面示意圖。
具體實施例方式接著，根據(jù)實施例具體說明該發(fā)明的包覆工具。[實施例]準(zhǔn)備均具有I 3 μ m的平均粒徑的表I所示的粉末作為原料粉末，將這些原料粉末配合成表I所示的配合組成，再加入蠟在丙酮中球磨混合24小時并減壓干燥后，以98MPa 的壓力沖壓成型為規(guī)定形狀的壓坯，將該壓坯在5Pa的真空中，在以1370 1470°C范圍內(nèi)的規(guī)定溫度保持I小時的條件下真空燒結(jié)，燒結(jié)后，在切削刃部實施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此分別制造出具有ISO-CNMG160412中規(guī)定的可轉(zhuǎn)位刀片形狀的WC基硬質(zhì)合金制工具基體A E。另外，準(zhǔn)備均具有O.5 2 μ m的平均粒徑的表2所示的粉末作為原料粉末，將這
10些原料粉末配合成表2所示的配合組成，用球磨機(jī)濕式混合24小時并干燥后，以98MPa的壓力沖壓成型為壓坯，將該壓坯在I. 3kPa的氮氣氛中，在以溫度1540°C保持I小時的條件下燒結(jié)，燒結(jié)后，對切削刃部分實施R :0. 07mm的刃口修磨加工，由此制造出具有ISO標(biāo)準(zhǔn)· CNMG160412的刀片形狀的TiCN基金屬陶瓷制工具基體a e。接著，將這些工具基體A E及工具基體a e分別裝入通常的化學(xué)蒸鍍裝置中， 在表3(表3中的I-TiCN表示具有在日本專利公開平6-8010號公報中記載的縱長成長晶體組織的TiCN層的形成條件，除此以外表示通常的粒狀晶體組織的形成條件)所示的條件及表4所示的改性TiCN層的形成條件下，蒸鍍形成表7所示的目標(biāo)層厚的Ti化合物層作為硬質(zhì)包覆層的下部層，接著，在表5所示的蒸鍍條件下，蒸鍍形成目標(biāo)層厚的含有Zr的Al2O3層作為上部層，接著，在表6所示的加熱變形條件下，使上部層的一部分變形為含有Zr的a -Al2O3 晶粒，由此分別制造出表7所示的本發(fā)明包覆工具I 16。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種表面包覆切削工具，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蒸鍍形成包括下述(a)、(b)的硬質(zhì)包覆層而形成(a)下部層，為具有3 20μ m的合計平均層厚且包含化學(xué)蒸鍍形成的至少I層Ti碳氮化物層的Ti化合物層；及(b)上部層，為具有2 15μ m的平均層厚且包括含有Zr的κ型氧化鋁晶粒和含有 Zr的α型氧化鋁晶粒的混合相的含有Zr的氧化鋁層，其特征在于，(C)對上述(a)的下部層中的至少I層Ti碳氮化物層，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡， 對在上述工具基體的截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有立方晶格的各個晶粒照射電子束，分別測定作為所述晶粒的晶面的{110}面的法線和{112}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的傾斜角，當(dāng)制作傾斜角度數(shù)分布圖表時，所述測定的傾斜角中相對于 {110}面的法線具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒、即用TiCN {110}晶粒表示的晶粒，和相對于{112}面的法線具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒、即用TiCN{112}晶粒表示的晶粒各自的度數(shù)合計占傾斜角度數(shù)分布圖表中的整個度數(shù)的60%以上，(d)在上述(b)的含有Zr的氧化鋁層中，含有Zr的K型氧化鋁晶粒在形成有上述 TiCN{110}晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成，并且，含有Zr的α型氧化鋁晶粒在形成有上述TiCN{112}晶粒的位置的正上方或?qū)雍穹较蜓娱L線上形成，其結(jié)果含有Zr 的K型氧化鋁晶粒和含有Zr的α型氧化鋁晶粒沿層厚方向鄰接而形成，(e)對上述含有Zr的α型氧化鋁晶粒，利用場發(fā)射式掃描電子顯微鏡，對在上述工具基體的截面研磨面的測定范圍內(nèi)存在且具有六方晶格的各個晶粒照射電子束，測定作為所述晶粒的晶面的{0001}面的法線相對于上述工具基體表面的法線所成的傾斜角，當(dāng)制作傾斜角度數(shù)分布圖表時，所述測定傾斜角中具有O 10度范圍內(nèi)的傾斜角的晶粒，即稱為 Al2O3 {0001}晶粒的度數(shù)合計占傾斜角度數(shù)分布圖表中的整個度數(shù)的30%以上。
2.如權(quán)利要求I所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在包括上述含有Zr的氧化鋁層的上部層形成有裂紋，在上部層的縱截面上觀察的形成于含有Zr的α型氧化鋁晶粒的裂紋密度為50個/μ m2以上，且高于形成于含有Zr的 K型氧化鋁晶粒的裂紋密度。
3.如權(quán)利要求I或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在包括上述含有Zr的氧化鋁層的上部層的縱截面中含有Zr的α型氧化鋁晶粒所占的面積比例為30 70%。
4.如權(quán)利要求I所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在上述下部層中的至少I層Ti碳氮化物層中，TiCN{110}晶粒所占的面積比例為該Ti 碳氮化物層的縱截面的20 40%，并且，TiCN{112}晶粒所占的面積比例為該Ti碳氮化物層的縱截面的40 60%。
5.如權(quán)利要求2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在上述下部層中的至少I層Ti碳氮化物層中，TiCN{110}晶粒所占的面積比例為該Ti 碳氮化物層的縱截面的20 40%，并且，TiCN{112}晶粒所占的面積比例為該Ti碳氮化物層的縱截面的40 60%。
6.如權(quán)利要求3所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在上述下部層中的至少I層Ti碳氮化物層中，TiCN{110}晶粒所占的面積比例為該Ti碳氮化物層的縱截面的20 40%，并且，TiCN{112}晶粒所占的面積比例為該Ti碳氮化物層的縱截面的40 60%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在高速斷續(xù)切削加工中硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性的表面包覆切削工具。一種表面包覆切削工具，在工具基體的表面形成有作為下部層的至少包含TiCN層的Ti化合物層、及作為上部層的包括含有Zr的κ-A12O3晶粒和含有Zr的α-型A12O3晶粒的混合相的含有Zr的A12O3層，其中，在下部層形成以合計面積比例計為60％以上的TiCN{110}晶粒和TiCN{112}晶粒，并且，分別在TiCN{110}晶粒的上方形成上部層的含有Zr的κ-Al2O3晶粒，并且在TiCN{112}晶粒的上方形成上部層的含有Zr的α-Al2O3晶粒，含有Zr的α-Al2O3晶粒中30％以上由Al2O3{0001}晶粒構(gòu)成，含有Zr的α-Al2O3晶粒的裂紋密度高于含有Zr的κ-Al2O3晶粒的裂紋密度。
文檔編號B23B27/14GK102581324SQ20111042165
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者中村惠滋, 富田興平, 長田晃, 龍岡翔 申請人:三菱綜合材料株式會社