表面包覆切削工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種發(fā)揮優(yōu)異的耐崩刀性、耐剝離性及耐磨性的表面包覆切削工具，本發(fā)明的表面包覆切削工具在工具基體表面包覆形成有至少由下層和上層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，下層由通過溶膠-凝膠法而形成的具有0.5～4.0μm的平均層厚的晶質(zhì)Al2O3層構(gòu)成，上層由具有0.2～3.0μm的平均層厚的非晶質(zhì)Al2O3層或非晶質(zhì)SiO2層構(gòu)成，且在上述下層形成有凹部，該凹部的平均深度為0.4～4.0μm，該凹部的平均縱橫尺寸比為1.0～40，該凹部之間的平均水平間隔為0.5～20μm。
【專利說明】表面包覆切削工具【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面包覆切削工具(以下稱為包覆工具)，其在伴隨高熱產(chǎn)生且有斷續(xù)性/沖擊性荷載作用于切削刃的不銹鋼、碳鋼等的高速斷續(xù)切削加工中，硬質(zhì)包覆層發(fā)揮優(yōu)異的潤滑性、耐崩刀性、耐剝離性及耐磨性。
[0002]本申請對于2012年7月17日申請的日本專利申請第2012-158777號以及2013年3月22日申請的日本專利申請第2013-60386號主張優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容引用于此。
【背景技術(shù)】
[0003]一直以來，已知有例如專利文獻I所示的包覆工具，其將由選自周期表中的4a、5a、6a族中的至少一種以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等所構(gòu)成的硬質(zhì)皮膜作為下部層來在工具基體表面上成膜，進一步在其之上包覆形成上部層即氧化鋁層。
[0004]并且還已知，氧化鋁層一般通過化學蒸鍍(CVD)成膜，但也能夠通過其他物理蒸鍍(PVD)法、溶膠-凝膠法包覆形成氧化鋁層。
[0005]例如，如專利文獻2所示提出如下技術(shù):通過物理蒸鍍(PVD)法在工具基體表面形成下部層之后，通過氧化該下部層來形成含氧化物層，并通過將氧化鋁層物理蒸鍍(PVD )于該含氧化物層上，從而獲得耐磨性及耐熱性優(yōu)異的包覆工具。
[0006]另外，在專利文獻3中還提出如下包覆工具:其通過物理蒸鍍(PVD)法成膜由(T1、A1)N層構(gòu)成的下部層及由氧化鋁層(優(yōu)選為Y型氧化鋁層)構(gòu)成的上部層。
[0007]此外，如專利文獻4所示提出如下方法:作為具有機械特性及耐久性的氧化鋁包覆結(jié)構(gòu)體的制造方法，通過溶膠-凝膠法將由晶體結(jié)構(gòu)為非晶結(jié)構(gòu)或Y型的氧化鋁構(gòu)成或者由它們的混合物構(gòu)成的第I氧化鋁層包覆于母材之上后，通過濺射包覆形成以Y型為主體的第2氧化鋁層。
[0008]專利文獻1:日本特開平11-229144號公報
[0009]專利文獻2:日本特開2004-124246號公報
[0010]專利文獻3:日本特開2007-75990號公報
[0011]專利文獻4:日本特開2006-205558號公報
[0012]在通過化學蒸鍍(CVD)法、物理蒸鍍(PVD)法或溶膠-凝膠法包覆形成氧化鋁層的以往的包覆工具中，將此用于一般條件的高速切削、斷續(xù)切削時沒有特別障礙。但是尤其將此用于伴隨高熱產(chǎn)生且有斷續(xù)性/沖擊性負載作用于切削刃的不銹鋼、碳鋼等的高速斷續(xù)切削時，由于因表面潤滑性的缺乏而引起的熔敷或通過上述方法成膜的氧化鋁層上不可避免地存在的微小龜裂或起因于熱膨脹差的冷卻裂紋等而產(chǎn)生崩刀或剝離。即在以往包覆工具中，存在經(jīng)長期使用無法發(fā)揮令人滿意的切削性能的問題。
[0013]因此，本發(fā)明人等為了提供耐崩刀性、耐剝離性優(yōu)異且即使在高速斷續(xù)切削這種嚴峻的條件下經(jīng)長期使用仍發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性的包覆工具而進行了深入研究，而得出如下見解。
[0014]即，在由碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體表面上包覆形成硬質(zhì)包覆層時，下層通過溶膠-凝膠法形成，且由在其表面具有凹部的耐磨性較高的晶質(zhì)氧化鋁層構(gòu)成，另一方面，上層平滑且潤滑性優(yōu)異，且由通過與下層的粘附性較大的溶膠-凝膠法成膜的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層構(gòu)成。本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，根據(jù)上述硬質(zhì)包覆層的結(jié)構(gòu)能夠成膜耐崩刀性、耐剝離性及耐磨性優(yōu)異的硬質(zhì)包覆層。
[0015]S卩，以往的通過化學蒸鍍(CVD)法、物理蒸鍍(PVD)法或溶膠-凝膠法成膜的晶質(zhì)氧化鋁層中，由于潤滑性或平滑性不足而在短時間內(nèi)因熔敷等產(chǎn)生崩刀、剝離等異常損傷或月牙形磨損。另一方面，如本發(fā)明所示，當將通過溶膠-凝膠法成膜的晶質(zhì)氧化鋁層作為下層，作為其上層成膜通過溶膠-凝膠法成膜的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層時，潤滑性及平滑性得到提高，并能夠發(fā)揮較高的耐磨性及切屑排出性。此外，本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)中上層與下層的界面呈凹形，因此即使在施加沖擊性負載的高速斷續(xù)切削中，上層也因錨固效果而不易剝離。再加上本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)中，即使在已發(fā)生硬質(zhì)包覆層的磨損時，上層的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層以填充于凹部的方式成膜，因此經(jīng)長期也能夠同時發(fā)揮上層的潤滑性和下層的耐磨性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]該發(fā)明是基于上述見解而完成的，具有以下特征。
[0017](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)成的工具基體表面包覆形成至少由下層和上層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，其特征在于，
[0018](a)下層為通過溶膠-凝膠法而形成的具有0.5?4.0 μ m的平均層厚的晶質(zhì)氧化鋁層，
[0019](b)上層為具有0.2?3.0 μ m的平均層厚的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層，
[0020](C)在下層的晶質(zhì)氧化鋁層表面形成有凹部，上層的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層以埋入下層的所述凹部的方式填充成膜，
[0021](d)形成于下層的凹部的平均深度在0.4?4.0 μ m范圍內(nèi)(其中，該凹部的平均深度小于下層的平均層厚)，
[0022](e)形成于下層的凹部的平均縱橫尺寸比在1.0?40范圍內(nèi)，
[0023](f)形成于下層的凹部之間的平均水平間隔在0.5?20 μ m范圍內(nèi)。
[0024](2)根據(jù)上述(I)所述的表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成,其中，
[0025]自上述工具基體表面向深度方向形成有具有0.5?3.0ym的平均層厚的基體表面硬化層，包含于該基體表面硬化層中的作為結(jié)合相金屬的Co的平均含量小于2.0質(zhì)量％。
[0026](3)根據(jù)上述(I)所述的表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成,其中，
[0027]自上述工具基體表面向深度方向形成有具有0.5?3.0ym的平均層厚的基體表面硬化層，包含于該基體表面硬化層中的作為結(jié)合相金屬的Co及Ni的合計平均含量小于
2.0質(zhì)量％。
[0028]發(fā)明效果
[0029]本發(fā)明的包覆工具中，在工具基體表面上直接或經(jīng)基底層形成有通過溶膠-凝膠法而形成的具有特定凹形的晶質(zhì)氧化鋁層來作為下層，并且在其之上設(shè)有通過溶膠-凝膠法而形成的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層。根據(jù)該結(jié)構(gòu)硬質(zhì)包覆層的潤滑性及平滑性得到提高，且具有較高的耐磨性及切屑排出性，并且上層與下層的粘附性較大而不易產(chǎn)生剝離。因此在伴隨高熱產(chǎn)生，并施加斷續(xù)性/沖擊性負荷的高速斷續(xù)切削中使用本發(fā)明的包覆工具時，能夠經(jīng)長期使用仍發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1表示本發(fā)明包覆工具的硬質(zhì)包覆層的縱截面的結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖2表示本發(fā)明包覆工具的硬質(zhì)包覆層的縱截面示意圖。
【具體實施方式】
[0032]以下，利用本發(fā)明的一實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
[0033]本實施方式的包覆工具中，能夠直接在由碳化鎢基硬質(zhì)合金(例如WC-Co )、碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成的工具基體表面包覆形成由下層和上層構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層，所述下層由上述晶質(zhì)氧化鋁層構(gòu)成，所述上層由非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層構(gòu)成。此外，本實施方式的包覆工具中，通過物理蒸鍍(PVD)法、化學蒸鍍(CVD)法或溶膠-凝膠法還能夠在上述工具基體表面與上述下層之間形成含有選自周期表中的4a、5a、6a族、Al及Si中的至少一種以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物的基底層(硬質(zhì)皮膜)之后，再在該硬質(zhì)皮膜的表面包覆形成上述晶質(zhì)氧化鋁層。
[0034]作為基底層的具體例子例如可舉出，通過化學蒸鍍而形成的TiN層、TiCN層、TiCo層、TiCNO層等Ti化合物層。另外還可舉出通過物理蒸鍍而形成的Ti與Al的復合氮化物層、Cr與Al的復合氮化物層等。
[0035]圖1表示本實施方式的包覆工具的硬質(zhì)包覆層縱截面的結(jié)構(gòu)圖，另外，圖2表示本實施方式的包覆工具的硬質(zhì)包覆層的縱截面示意圖。
[0036]圖1中所示的本實施方式的包覆工具，在由碳化鎢基超硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體3 (另外，也可在工具基體正上方如圖2所示那樣形成有基底層3A)上包覆形成有下層2，在其之上包覆形成有上層I，所述下層2由通過溶膠-凝膠法而成膜形成的具有0.5?4.0 μ m的平均層厚的晶質(zhì)氧化鋁層構(gòu)成，所述上層I由具有0.2?3.0 μ m的平均層厚的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層構(gòu)成。
[0037]下層2的晶質(zhì)氧化鋁層優(yōu)選為具有剛玉結(jié)構(gòu)的α型氧化鋁。該下層2由于通過溶膠-凝膠法而成膜，所以沿著基底層所具有的起伏而填充成膜，因此粘附力優(yōu)異。另外，在下層2即該晶質(zhì)氧化鋁層的表面上形成有凹部，上層I的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層以埋入下層2的凹部的方式填充成膜。
[0038]從圖2明確可知，上層I的非晶質(zhì)氧化鋁(或非晶氧化硅)以埋入下層2的凹部的方式填充，而上層I的表面變得平滑。
[0039]在此，將下層2的平均層厚定為0.5?4.0 μ m，并將上層I的平均層厚定為0.2?3.0 μ m。這在于當各層厚低于下限值(下層2:0.5 μ m,上層1:0.2 μ m)時，經(jīng)長期使用無法發(fā)揮充分的耐磨性，另一方面還在于，當超過上限值(下層2:4.0 μ m，上層1:3.0 μ m)時，將容易產(chǎn)生崩刀。下層2的優(yōu)選平均層厚為2.0?4.0 μ m，更優(yōu)選平均層厚為2.5?3.8 μ m。上層I的優(yōu)選平均層厚為0.8?2.8 μ m，更優(yōu)選平均層厚為1.0?2.5 μ m。[0040]本實施方式中，平均厚度為通過在作為視野區(qū)域6X7 μ m的范圍利用透射型掃描型電子顯微鏡觀察縱截面，來測定5個點的層厚計算其平均值而得出的值。
[0041]另外，對形成于下層2的表面的凹部進行說明。
[0042]首先，下層2的凹部的平均深度(C)(參考圖1)為0.4?4.Ομπι。當考慮能夠同時發(fā)揮上層的潤滑性及下層的耐磨性的最佳范圍與燒成非晶質(zhì)氧化硅時的熱膨脹，則凹部的平均深度(c)優(yōu)選在2.0?3.0 μ m范圍內(nèi)，更優(yōu)選為2.2?2.8 μ m。當下層2的凹部的平均深度(c)小于0.4μ m時，下層2的表面幾乎變平坦，下層2-上層I之間的錨固效果減小因而上層I變得容易剝離，因此凹部平均深度(c)需為0.4μπι以上。另一方面，下層2的最大平均層厚為4.0 μ m,因此下層2的凹部的平均深度的最大值就自然成為4.0 μ m。
[0043]其中，凹部度平均深度(c)為通過在作為視野區(qū)域IOX 12 μ m的范圍利用掃描型電子顯微鏡觀察縱截面來測定5個點的凹部的深度計算其平均值而得出的值。
[0044]接著，本實施方式中將下層2的凹部的平均縱橫尺寸比(d)定義為基體水平方向的凹部的最大寬度與凹部最大深度之比(寬度/深度)。本實施方式中，該平均縱橫尺寸比
(d)為1.0?40，優(yōu)選為5.0?25，更優(yōu)選在7.0?20范圍內(nèi)。若平均縱橫尺寸比(d)在所述范圍內(nèi)，則起因于燒成時上層I與下層2的熱膨脹系數(shù)差的凹部中的應力減小，而粘附性增高，下層的凹部中近似于長方形的錨固效果較高。若平均縱橫尺寸比(d)超過40，則硬質(zhì)皮膜(下層2)的上部中非晶質(zhì)氧化硅的比例增多，下部中晶質(zhì)氧化鋁層的比例減小，因此無法長期兼顧非晶質(zhì)氧化硅的潤滑性和晶質(zhì)氧化鋁的耐磨性。另一方面，若平均縱橫尺寸t匕(d)小于1.0，則起因于上層I與下層2的不同機械性/熱性特點而容易從凹部的根部開始發(fā)生異常損傷，上層因錨固效果的減小而易剝離，結(jié)果因切屑排出性變差而產(chǎn)生較大的發(fā)熱。
[0045]其中，平均縱橫尺寸比(d)為通過在作為視野區(qū)域10Χ12μπι的范圍利用掃描型電子顯微鏡觀察縱截面并將凹部的縱橫尺寸比定義為凹部的最大寬度與凹部的最大深度之比而測定5個點之后計算該縱橫尺寸比的平均而得出的值。
[0046]另外，形成于下層2的凹部之間的平均水平間隔(e)為0.5?20 μ m，優(yōu)選為2.0?10 μ m,更優(yōu)選在4.0?8.Ομπι范圍內(nèi)。若平均水平間隔(e)在所述范圍內(nèi)，由于成為能夠充分承受燒成時負載于韌性相對較低的凹部的應力的作為形成密度的平均水平間隔，因而粘附性較高。若形成于下層2的凹部之間的平均水平間隔(e)小于0.5 μ m，則因下層2的晶質(zhì)氧化鋁相對減少而無法發(fā)揮較高的耐磨性。另一方面，若平均水平間隔(e)超過20 μ m，則因非晶質(zhì)氧化硅相對減少，因此不但無法充分發(fā)揮潤滑性，而且也因錨固效果的下降而使上層-下層之間的粘附強度下降。因此將形成于下層2的凹部之間的平均水平間隔定在0.5?20 μ m范圍內(nèi)。
[0047]其中，平均水平間隔(e)為將凹部的中心作為表示凹部最大寬度的線段的中心，將彼此最靠近的凹部之間的平均水平間隔作為該中心之間的距離，通過在作為視野區(qū)域20X25 μ m的范圍利用掃描型電子顯微鏡觀察縱截面來測定5處并計算其平均而獲得的值。
[0048]另外，上述晶質(zhì)氧化鋁層(下層2)能夠通過在工具基體3直接成膜而發(fā)揮其性能，但是將包含碳氮化鈦的硬質(zhì)合金作為工具基體3時，能夠通過氮氣氣氛中的燒成，使工具基體3表面附近含大量T1、Ta、Nb、Zr中至少一種耐磨性較高的碳氮化物來形成基體表面硬化層，并且提高晶質(zhì)氧化鋁層與工具基體的粘附強度，從而延長工具壽命?；w表面硬化層的平均層厚優(yōu)選為1.0?3.0 μ m,更優(yōu)選為1.5?2.5 μ m。另外,形成該基體表面硬化層后的硬質(zhì)合金基體的硬度以維氏硬度(Hv)計優(yōu)選為2200以上且2800以下。此時，通過含大量碳氮化物來使得工具基體3表面附近的Co相對減少，例如當利用掃描型電子顯微鏡(SEM)對自表面向深度方向0.5?3.0 μ m的截面進行觀察，通過根據(jù)波長分散型X射線光譜法在分析視野區(qū)域IX I μ m2范圍進行定量分析，來檢測作為結(jié)合相金屬的Co的含量時，若Co的含量小于2.0質(zhì)量％，則充分形成成為工具基體3的表面硬化的主要因素的碳氮化物，而耐磨性進一步得到提高。Co的含量更優(yōu)選為0.2?1.0質(zhì)量％。
[0049]另外，當將碳氮化鈦基金屬陶瓷作為工具基體3時，通過在基體表面硬化層的燒結(jié)工序中將升溫及保持最高溫度時的氣氛設(shè)為預定氮氣氣氛，在保持中途或降溫時進行減壓，從而與在固定壓力的氮氣氣氛中實施完全燒結(jié)工序時相比，能夠使表面更加硬化。在基體表面硬化層的燒結(jié)工序中，若在固定氮氣壓力下實施直至保持最高溫度的工序，則工具基體3內(nèi)部將均勻地分散形成硬度較高的碳氮化物。另一方面，在該燒結(jié)工序中，若升溫或直至保持溫度的中途為止在較高的氮氣壓力下進行處理，自保持溫度的中途或降溫時開始在更加減少壓力的氮氣氣氛中進行處理，則由于只有工具基體3的最表面脫硝，因此Ti或Nb等向Ni和Co金屬結(jié)合相的溶解及自內(nèi)部向工具基體表面的擴散變得活躍，促進在表面形成Ti或Nb等的碳氮化物，從而形成基體表面硬化層。另外，形成該基體表面硬化層后的金屬陶瓷基體的硬度以維氏硬度(Hv)計優(yōu)選為2000以上且2600以下。另外，此時與上述硬質(zhì)基體相同，基體表面附近的Ni及Co相對減少，若將作為結(jié)合相金屬的Ni及Co的含量設(shè)為小于2.0質(zhì)量％，則充分形成成為工具基體3的表面硬化的主要因素的碳氮化物，而耐磨性進一步得到提高。Ni及Co的合計含量更優(yōu)選為0.2?1.0質(zhì)量％。
[0050]以下，接著對用于獲得本實施方式的包覆工具10的硬質(zhì)包覆層的成膜法的一例進行說明。
[0051]首先，根據(jù)需要可通過已知的化學蒸鍍法、物理蒸鍍法或溶膠-凝膠法形成介于工具基體3的表面與下層2之間而形成的基底層3A，即該基底層3A含有選自周期表中的4a、5a、6a族、Al及Si中的至少一種以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物。對于基底層3A的成膜法并無特別限定。
[0052]接著，對于由晶質(zhì)氧化鋁構(gòu)成的下層2，例如通過以下溶膠-凝膠法成膜使平均層厚達到0.5?4.0 μ m。
[0053]當通過該成膜在下層2形成本實施方式所規(guī)定的預定凹部時，在其之上通過后述成膜法形成上層I。另一方面，當在成膜的由晶質(zhì)氧化鋁層構(gòu)成的下層2未形成有預定凹部時，例如在成膜后實施由蝕刻處理工序和噴砂處理工序構(gòu)成的凹部形成處理，從而能夠在下層2形成預定凹部。
[0054]凹部形成處理中的蝕刻處理工序中，在晶質(zhì)氧化鋁層上成膜抗蝕劑膜，并使用具有所期望的凹紋的掩膜進行曝光和顯影，僅去除欲形成凹部部分的抗蝕劑膜。之后，例如通過反應性離子蝕刻法來蝕刻該晶質(zhì)氧化鋁層而形成凹部。優(yōu)選在去除剩余抗蝕劑膜時使用剝離液，也優(yōu)選去除蝕刻時所產(chǎn)生的沉積物。另外，為了強調(diào)凹部，優(yōu)選在蝕刻處理工序之后進行噴砂處理工序，尤其優(yōu)選在噴砂投射角度:40?70度、噴砂投射壓力:100?160kPa、射擊粒徑:0.2?0.25mm的條件下進行對鋼球噴砂的射擊噴砂處理。[0055]另外，用于在下層2形成預定凹部的方法，除上述蝕刻處理或噴砂處理之外，當然也可根據(jù)制備氧化鋁溶膠時的溶液組成來控制基于成膜后的熱處理的凹部形成及干燥以及燒成時的溶膠-凝膠的體積收縮，從而形成本實施方式的凹部形狀。
[0056]下層形成用氧化鋁溶膠的制備:
[0057]首先，在鋁的醇鹽(例如仲丁醇鋁、丙醇鋁)中添加醇(例如乙醇、1-正丁醇)，進一步添加酸(例如鹽酸、硝酸)(同時，也可添加平均粒徑為10?300nm的α氧化鋁顆粒)之后，在10°C以下溫度范圍進行攪拌，并且例如通過進行12小時以上的熟化處理來形成氧化鋁溶膠。
[0058]下層形成用氧化鋁溶膠中，優(yōu)選含有8.0?13.0質(zhì)量％的鋁的醇鹽，30.0?50.0
質(zhì)量％的醇，1.0?3.0質(zhì)量％的酸。
[0059]另外從制作均勻的溶膠觀點看，在添加醇時為了進行基于形成成為下層2的結(jié)晶性氧化鋁層時的晶核生成促進的低溫成膜及提高結(jié)晶性，優(yōu)選添加預先含有平均粒徑為10?300nm的α氧化鋁顆粒的醇。若預先含有平均粒徑為10?300nm的α氧化鋁顆粒，則α氧化鋁顆粒在涂層時將成為結(jié)晶生長起點的核，因此具有在燒成工序的前階段被結(jié)晶化的效果。當添加含有α氧化鋁顆粒的醇時，若α氧化鋁顆粒的平均粒徑小于10nm，則無法達到能夠成為結(jié)晶生長起點的臨界晶核尺寸，因此不產(chǎn)生自α氧化鋁顆粒周圍的氧化鋁溶膠中的結(jié)晶生長而導致孤立，燒成后則容易變成與周圍結(jié)晶粒的結(jié)合力較弱的部位。另一方面，若平均粒徑超過300nm，則以α氧化鋁顆粒作為起點的晶核過于生長而成為粗大粒子，而引發(fā)膜硬度的下降及膜中缺陷，因此將所添加的α氧化鋁顆粒的平均粒徑設(shè)為 10 ?300nm。
[0060]其中，平均粒徑表示具有與各粒子的投影面積相等面積的圓的直徑，是通過掃描型電子顯微鏡而測定的值。
[0061]另外，若醇中的α氧化鋁顆粒含量相對于鋁的醇鹽小于0.5質(zhì)量％，則無法滿足用于使晶核以一定密度以上均勻分布于膜中所需的核生成數(shù)，導致膜中的結(jié)晶性因部位而不均，因此切削時容易引發(fā)異常磨損。若相對于鋁的醇鹽超過5質(zhì)量％，則在氧化鋁溶膠中容易引起α氧化鋁顆粒的凝聚，并在形成氧化鋁層時該凝聚部將形成為膜中的粗大粒子，弓丨發(fā)膜中缺陷，出于以上理由優(yōu)選將α氧化鋁顆粒的添加量設(shè)為相對于鋁的醇鹽為0.5?5質(zhì)量％范圍。
[0062]并且，優(yōu)選所添加的酸的濃度為0.0l?4.0N,并優(yōu)選酸相對于醇的添加量為
0.5?5倍(容量)。
[0063]一般進行的氧化鋁溶膠的制備中，進行40?80°C的攪拌并在該攪拌溫度下進行數(shù)小時左右的熟化處理，但是在該發(fā)明中從提高結(jié)晶性的觀點考慮，優(yōu)選在10°c以下的低溫范圍內(nèi)對成為下層的結(jié)晶性氧化鋁層進行攪拌，例如進行長達12小時以上的低溫熟化處理。
[0064]在此，若攪拌時的溫度超過10°C則水解將迅速進行，因此無法致密地形成前體，在后道工序即燒成工序中不會形成α氧化鋁，因此將攪拌時的溫度設(shè)為10°C以下的低溫溫度范圍。
[0065]另外，之所以將熟化時間定為12小時以上的長時間是因為要在低溫下緩慢促使水解而致密地生成氧化招前體。[0066]干燥/燒成:
[0067]將在上述中制備的氧化鋁溶膠直接涂布于工具基體3的表面或涂布于形成于工具基體3的表面的硬質(zhì)皮膜(基底層3A)的最表面，接著，反復進行I次以上在100?400°C更優(yōu)選在250?350°C下的干燥處理，接著在500?1000°C更優(yōu)選在600?900°C的溫度范圍內(nèi)進行燒成處理來包覆形成結(jié)晶性氧化鋁層。
[0068]通過上述干燥處理形成氧化鋁的干燥溶膠，通過燒成處理在硬質(zhì)皮膜表面包覆形成具有剛玉型晶體結(jié)構(gòu)的α氧化鋁結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性氧化鋁層。
[0069]接著，為了提高與上層I的附著強度，在下層2的表面形成預定的凹部，例如凹部的深度、縱橫尺寸比能夠通過上述干燥/燒成工序中的處理溫度來調(diào)整(例如，若將處理溫度設(shè)定得越高，則所形成的凹部的深度、縱橫尺寸比就越大)。另外，凹部之間的水平間隔能夠通過改變每次所涂布的厚度(例如，若每次涂布的厚度越厚，則凹部之間的水平間隔就越大)來調(diào)整。
[0070]當未形成預定的凹部時，則例如能夠通過在成膜后實施由蝕刻處理工序與噴砂處理工序構(gòu)成的凹部形成處理來在下層形成預定的凹部。
[0071]接著，在上述下層2的表面以0.2?3.0 μ m的平均層厚成膜由非晶質(zhì)氧化鋁或非晶質(zhì)氧化硅構(gòu)成的上層I。作為成膜方法，由于溶膠-凝膠法能夠在凹部以無缺陷的方式填充成膜，因此優(yōu)選基于該方法的成膜。
[0072]基于溶膠-凝膠法的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層的形成，能夠通過將經(jīng)制備及保持的氧化鋁溶膠、硅溶膠涂布于下層表面并將其干燥/燒成來成膜。
[0073]該工序的更具體的說明如下。
[0074]首先，對非晶質(zhì)氧化鋁層的成膜進行說明。
[0075]氧化鋁溶膠的制備:
[0076]首先，在鋁的醇鹽(例如仲丁醇鋁、丙醇鋁)中添加醇(例如乙醇、1-正丁醇)，進一步添加酸(例如鹽酸)之后，在20?40°C溫度范圍攪拌I?3小時，從而調(diào)制氧化鋁溶膠。
[0077]上層形成用氧化鋁溶膠中，優(yōu)選含有8.0?13.0質(zhì)量％的鋁的醇鹽，30?50質(zhì)量％的醇，3.5?5.0質(zhì)量％的酸。
[0078]上層形成用氧化鋁溶膠的保持:
[0079]接著，以待至溶膠中引起的水解/縮合反應達到平衡狀態(tài)為止為目的，在O?30°C的溫度范圍將上述氧化鋁溶膠保持12小時以上。另外，從潤滑性的觀點看要求形成于上層I的氧化鋁層為非晶質(zhì)，因此優(yōu)選不對在低溫成膜及提高結(jié)晶性上具有效果的氧化鋁溶膠添加α氧化鋁顆粒以及不進行低溫熟化處理。
[0080]干燥/燒成:
[0081]將上述氧化鋁溶膠涂布于直接形成于工具基體3的表面的下層2，或涂布于形成于包覆形成在工具基體3表面的基底層3Α上的下層2之上，接著在100?300°C下反復進行干燥處理，接著在300?600°C的溫度范圍進行燒成處理，來成膜具有0.2?3.0 μ m的平均層厚的非晶質(zhì)氧化鋁層。
[0082]接著，對非晶質(zhì)氧化硅層的成膜進行說明。
[0083]上層形成用硅溶膠的制備:
[0084]首先，在硅的鹽酸(例如四乙氧基硅烷)中添加醇(例如1-正丁醇)，進一步添加預定濃度的酸(例如鹽酸)之后，在20?40°C的溫度范圍進行I?3小時的攪拌，從而制備硅溶膠。
[0085]上層形成用硅溶膠中，優(yōu)選含有8.0?13.0質(zhì)量％的硅的醇鹽，40.0?60.0質(zhì)量％的醇，0.1?1.0質(zhì)量％的酸。
[0086]硅溶膠的保持:
[0087]接著，以待至溶膠中引起的水解/縮合反應達到平衡狀態(tài)為止為目的，在20?80°C的溫度范圍將上述硅溶膠保持12小時以上。
[0088]干燥/燒成:
[0089]將上述硅溶膠涂布于包覆形成在基底層3A上的下層2上，接著在70?200°C下反復進行干燥處理，接著在300?700°C的溫度范圍進行燒成處理，來成膜具有0.2?3.0 μ m的平均層厚的非晶質(zhì)氧化硅層。
[0090]上述非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層的層厚取決于溶膠的涂布厚度及涂布次數(shù)，若層厚小于0.2 μ m，則經(jīng)長期使用無法發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性，另一方面，若層厚超過3.0 μ m，則容易產(chǎn)生剝離及崩刀。將由上述非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層構(gòu)成的上層I的平均層厚設(shè)為0.2?3.0 μ m。
[0091]以上，根據(jù)本實施方式的包覆工具10，在工具基體3的表面直接或經(jīng)基底層3A形成通過溶膠-凝膠法而形成的具有特定凹形的晶質(zhì)氧化鋁層來作為下層1，并且在其之上設(shè)有通過溶膠-凝膠法而形成的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層來作為上層I。根據(jù)這種本實施方式的結(jié)構(gòu)，由上層I和下層2構(gòu)成的硬質(zhì)包覆層的潤滑性、平滑性得到提高，并賦予較高的耐磨性和切屑排出性。此外，本實施方式的包覆工具10的上層I與下層2的粘附性較大而不易產(chǎn)生剝離，因此即使用于伴隨高熱產(chǎn)生且施加斷續(xù)性/沖擊性負載的高速斷續(xù)切削時，經(jīng)長期使用仍能夠發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性。
[0092][實施例]
[0093]接著，根據(jù)實施例對該發(fā)明進行更具體的說明。
[0094][實施例1]
[0095]作為原料粉末，準備平均粒徑為0.8 μ m的微粒WC粉末、平均粒徑為2?3 μ m的中粒WC粉末、均具有I?3 μ m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I所示的預定配合組成，進一步加入相對于原料粉末100質(zhì)量部為0.5質(zhì)量部的石臘并在250質(zhì)量部的丙酮中球磨混合24小時,減壓干燥后獲得粉體。之后利用所述粉體以98MPa的壓力對預定形狀的壓坯進行沖壓成型，在5Pa的真空中，在以1400°C的溫度保持I小時的條件下真空燒結(jié)該壓坯來獲得燒結(jié)體。之后通過對燒結(jié)體的切削刃部實施R:0.05mm的刃口修磨加工，來制造具有ISO-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)。其中，在1400°C保持I小時之后，在3.3kPa氮氣氣氛中對硬質(zhì)基體F進行40分鐘冷卻直至達到1320°C，在2kPa的氮氣氣氛中對硬質(zhì)基體G進行40分鐘冷卻直至達到1320°C，在IkPa的氮氣氣氛中對硬質(zhì)基體H進行10分鐘冷卻直至達到1320°C，在
3.3kPa的氮氣氣氛中對硬質(zhì)基體I進行120分鐘冷卻直至達到1320°C，從而對基體表面進行硬化處理。
[0096][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種表面包覆切削工具，具有: 工具基體，其由碳化鎢基硬質(zhì)合金或碳氮化鈦基金屬陶瓷構(gòu)成；及 硬質(zhì)包覆層，其包覆形成于所述工具基體表面，且至少由下層和上層構(gòu)成，該表面包覆切削工具的特征在于， (a)所述下層為通過溶膠-凝膠法而形成的具有0.5~4.0 μ m的平均層厚的晶質(zhì)氧化鋁層， (b)所述上層為具有0.2~3.0 μ m的平均層厚的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層， (c)在所述下層的晶質(zhì)氧化鋁層表面形成有凹部，所述上層的非晶質(zhì)氧化鋁層或非晶質(zhì)氧化硅層以埋入所述下層的所述凹部的方式填充成膜， (d)形成于所述下層的所述凹部的平均深度在0.4~4.(^!11范圍內(nèi)，其中，該凹部的平均深度小于下層的平均層厚， Ce)形成于所述下層的所述凹部的平均縱橫尺寸比在1.0~40范圍內(nèi)， Cf)形成于所述下層的所述凹部之間的平均水平間隔在0.5~20 μ m范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其特征在于， 自上述工具基體表面向深 度方向形成有具有0.5~3.0 μ m的平均層厚的基體表面硬化層，包含于該基體表面硬化層中的作為結(jié)合相金屬的Co的平均含量小于2.0質(zhì)量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面包覆切削工具，其在由碳化鎢基硬質(zhì)合金構(gòu)成的工具基體表面包覆形成硬質(zhì)包覆層而成，其特征在于， 自上述工具基體表面向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硬化層，包含于該基體表面硬化層中的作為結(jié)合相金屬的Co及Ni的合計平均含量小于2.0質(zhì)量％。
【文檔編號】B23B27/14GK103537720SQ201310103899
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月17日
【發(fā)明者】柿沼宏彰, 高岡秀充, 長田晃, 櫻井英章, 黑光祥郎, 脅谷尚樹, 鈴木久男, 筱崎和夫 申請人:三菱綜合材料株式會社, 國立大學法人 靜岡大學, 國立大學法人 東京工業(yè)大學