專利名稱：硬質包覆層發(fā)揮優(yōu)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(fā)明涉及一種碳化鎢(以下用WC表示)基硬質合金制表面包覆切削工具(以 下稱作包覆工具)，其根據(jù)硬質包覆層由相對于工具基體表面向直立方向生長的縱長平板 狀的TiN晶粒構成，即使在斷續(xù)重切削加工那樣的嚴峻的切削條件下使用時也發(fā)揮優(yōu)異的 耐缺損性，實現(xiàn)切削工具的長壽命化。
背景技術：
通常，包覆工具中公知有，在各種鋼或鑄鐵等的被切削材料的車削加工中裝卸自 如地安裝在車刀的前端部而使用的刀片、或裝卸自如地安裝所述刀片而用在端面切削加工 或切槽加工以及臺肩加工等的與整體式立銑刀相同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在WC基硬質合金制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，并用于各種鋼或 鑄鐵等的連續(xù)切削或斷續(xù)切削加工中。例如，在專利文獻1中公開有設置由層厚度1 8 μ m的柱狀組織構成的碳氮化鈦 層而作為在WC基硬質合金制工具基體的表面形成的硬質包覆層的一個層的包覆工具，且 公知有該包覆工具在斷續(xù)切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性。并且，在專利文獻2中公開有在WC基硬質合金制工具基體的表面形成縱橫尺寸比 由8 100的針狀結晶組織構成，且包含含氧的鈦化合物(例如Ti203、Ti02、TiC0、TiN0等) 相的硬質包覆層的包覆工具，且公知有該包覆工具在斷續(xù)切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性 和耐崩刀性。專利文獻1 日本專利第3161087號說明書專利文獻2 日本專利公開2007-2^821號公報現(xiàn)狀為如下近年的切削加工裝置的FA化非常顯著，而且對切削加工的節(jié)省勞力 化、節(jié)能化、低成本化、甚至效率化的要求強烈，伴隨此存在要求比高進給速度和高切深量 等更高效率的重切削加工的趨勢，但在上述的以往包覆工具中在一般條件下切削加工各種 鋼或鑄鐵時沒有發(fā)生特別的問題，但是用于對刀刃施加大的斷續(xù)性、沖擊性負載的斷續(xù)重 切削加工時，刀刃部容易發(fā)生缺損，由于該原因在比較短的時間內達到使用壽命。因此，本發(fā)明人們從如上所述的觀點出發(fā)，為了謀求即使用于斷續(xù)重切削加工時 也顯出優(yōu)異的耐缺損性的包覆工具的長壽命化，由TiN層構成硬質包覆層的同時，著眼該 TiN層的晶粒組織并進行深入研究的結果，得到了如下見解。(a)以往，在由WC硬質合金構成的工具基體表面成膜作為硬質包覆層的TiN層時， 在作為物理蒸鍍裝置的一種的電弧離子鍍(AIP)裝置安裝上述工具基體，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、陰極電極金屬Ti、電弧放電電流60 100A、
裝置內氣體流量氮(N2)氣+氬(Ar)氣、裝置內氮氣壓力1 5Pa條件的條件下，成膜TiN層(以下稱為以往TiN層)。(b)然而，如下形成TiN層，即例如在利用圖1的簡要說明圖中所示的作為物理蒸 鍍裝置的一種的壓力梯度型Ar等離子氣體的離子鍍裝置安裝上述工具基體，在工具基體溫度350 450°C、蒸發(fā)源金屬Ti、等離子槍放電電力10 15kW、反應氣體流量氮(N2)氣80 120sccm、放電氣體氬(Ar)氣30 60sccm、外加于工具基體的直流偏壓0 +5V、爐缸與工具基體間的距離950 1050mm這種特定條件下蒸鍍形成TiN層時，將該結果形成的TiN層(以下稱為改質TiN 層)當作硬質包覆層的包覆工具，與形成所述以往TiN層的包覆工具相比，發(fā)現(xiàn)在高切深 量、高進給速度的斷續(xù)重切削加工條件中顯出優(yōu)異的耐缺損性。(c)用透射型電子顯微鏡觀察上述改質TiN層的截面組織結果，如圖2的截面立 體圖所示確認了如下內容在層厚方向的縱截面中，形成有相對于工具基體表面向直立方 向生長的縱長平板狀的TiN晶粒，并且在從改質TiN層的表面距離0. 1 μ m高度的水平截面 中，以預定的面積比例形成有短邊為5 IOOnm且縱橫尺寸比為3以上的上述縱長平板狀 的TiN晶粒。(d)并且，若由上述晶粒組織的改質TiN層構成表面包覆切削工具的硬質包覆層， 則層的抗撓強度變大且耐塑性變形性提高的同時，晶粒界面錯綜復雜地形成，因此即使在 硬質包覆層產生裂紋時，對于裂紋進展的抵抗性也增大，其結果即使用于對刀刃施加巨大 斷續(xù)性、沖擊性負載的高進給速度、高切深量的斷續(xù)重切削加工時，也抑制崩刀和缺損的產 生，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能。

發(fā)明內容
該發(fā)明是基于上述見解而完成的，其具有如下特征“一種表面包覆切削工具，是在碳化鎢基硬質合金制工具基體的表面物理蒸鍍形 成由平均層厚為0. 2 2μπι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層具有與上述平均層厚相等的高度，且由相對于上述工具基體表面向直 立方向生長的縱長平板狀的TiN晶粒構成；另外，從上述TiN層的表面用透射型電子顯微鏡觀察高度為0. 1 μ m的水平截面中 的晶粒組織時，存在短邊為5 lOOnm、縱橫尺寸比為3以上的上述縱長平板狀的TiN晶粒， 且在該水平截面中縱長平板狀的TiN晶粒所占的面積合計為整個截面積的30%以上?！睂τ诒景l(fā)明進行以下說明。進行多次用于蒸鍍形成TiN層的試驗的結果，將根據(jù)利用圖1所示的壓力梯度型 Ar等離子槍的離子鍍在工具基體上形成TiN層的條件，例如調整為
工具基體溫度350 450 V、蒸發(fā)源金屬Ti、等離子槍放電電力10 15kW、反應氣體流量氮(N2)氣80 120sccm、放電氣體氬(Ar)氣30 60sccm、外加于工具基體的直流偏壓0 +5V、爐缸和工具基體間的距離950 1050mm、蒸鍍時間30 150min這種特定條件而進行蒸鍍，則形成由在相對于工具基體表面向直立方向生長的縱 長平板狀的TiN晶粒構成的改質TiN層。如圖2的截面立體圖所示，若用透射型電子顯微鏡更詳細地觀察改質TiN層的組 織，則在改質TiN層的層厚方向的縱截面中，上述縱長平板狀的TiN晶粒的高度構成了改質TiN層的層厚。并且，在與工具基體表面平行且處于從改質TiN層的表面距離0. 1 μ m高度的水平 截面(即，處于從改質TiN層表面距離0.1 μπι高度且與層厚方向正交的平面)中，存在短 邊為5 lOOnm、縱橫尺寸比為3以上的矩形狀的TiN晶粒。并且，在上述水平截面中，上述矩形狀的TiN晶粒的面積合計所占的面積比例為 水平截面的整個面積的30%以上。該改質TiN層的平均層厚(與上述縱長平板狀的TiN晶粒的高度相同)根據(jù)成 膜時間受到很大影響，在因成膜時間短(例如不到30分鐘)而上述TiN晶粒的高度不到 0. 2 μ m的情況下，耐磨性差且在長期使用中無法發(fā)揮優(yōu)異的切削性能，另一方面在成膜時 間變長(例如超過150分鐘)且上述TiN晶粒的高度超過2μπι時，TiN晶粒變粗化而失去 表面平滑性，且易產生崩刀。因此，改質TiN層的平均層厚(=上述縱長平板狀的TiN晶粒的高度)定為0.2 2 μ m0并且，如果在處于從該改質TiN層的表面距離0. 1 μ m高度的水平截面中存在的矩 形狀的TiN晶粒的短邊不到5nm，則無法以晶粒單體維持充分的強度，另一方面，若短邊超 過lOOnm，則晶粒變粗大且變得容易產生崩刀，因此上述矩形狀的TiN晶粒的短邊定為5 IOOnm0另外，該發(fā)明中所說的“短邊”是指，根據(jù)透射型電子顯微鏡在處于從改質TiN層 的表面距離0. 1 μ m高度的水平截面中存在的TiN晶粒測定其尺寸，且將表示各個晶粒的被 測定的最大直徑的線段設為長邊時，相對于長邊方向垂直的方向上的最大寬度。并且，如果在處于從該改質TiN層的表面距離0. 1 μπι高度的水平截面中存在的矩 形狀的TiN晶粒的縱橫尺寸比不到3，則層的抗撓強度變小且得不到所希望的耐塑性變形 性，因此上述矩形狀的TiN晶粒的縱橫尺寸比定為3以上。另外，在這里所說的“縱橫尺寸比”是指表示所述各個晶粒的被測定的最大直徑的 線段的長邊值除以所述短邊值的值。并且，當在處于從該改質TiN層的表面距離0. 1 μπι高度的水平截面中存在的矩形 狀的TiN晶粒的面積比例不到所測定的水平截面的整個面積的30%這種情況時，裂紋的擴展途徑變得不復雜且無法充分獲得對裂紋擴展的抵抗力，變得容易產生崩刀，因此上述矩 形狀的TiN晶粒面積比例成為30%以上。在處于從改質TiN層的表面距離0. Ιμπι高度的水平截面中存在的矩形狀的TiN 晶粒的短邊值，縱橫尺寸比值以及面積比例根據(jù)改質TiN層的蒸鍍條件內的各個成膜時 間、成膜溫度以及所外加的直流偏壓受影響，所以為了將矩形狀的TiN晶粒的短邊值、縱橫 尺寸比值以及面積比例維持在預定數(shù)值范圍內必須對所述蒸鍍條件中，尤其是成膜時間、 成膜溫度、所外加的直流偏壓進行周密的調整。發(fā)明效果該發(fā)明的包覆工具由構成硬質包覆層的改質TiN層相對于工具基體表面向直立 方向生長的縱長平板狀的TiN晶粒構成，另外，在從上述改質TiN層的表面距離0. 1 μ m高 度的水平截面上，存在短邊為5 lOOnm、縱橫尺寸比為3以上的上述縱長平板狀的TiN晶 粒，且具備該縱長平板狀的TiN晶粒所占的面積合計為整個截面積的30%以上的晶粒組 織，因此改質TiN層的抗撓強度變大且耐塑性變形性提高的同時，在對刀刃施加斷續(xù)性、沖 擊性負載的高進給速度、高切深量的斷續(xù)重切削加工中即使在硬質包覆層產生裂紋時，也 因晶粒界面錯綜復雜地形成，所以對裂紋擴展的抵抗性增大，其結果耐缺損性被改善，在長 期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削性能，從而謀求工具壽命的延長壽命化。


圖1表示為了蒸鍍形成該發(fā)明的表面包覆切削工具的硬質包覆層(改質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。圖2表示該發(fā)明的表面切削包覆工具的由改質TiN層構成的硬質包覆層的截面立 體圖。圖3表示從本發(fā)明刀片1的改質TiN層的表面距離0. 1 μ m高度的水平截面中的 TiN晶粒的組織照片。
具體實施例方式下面通過實施例具體說明該發(fā)明的包覆工具。另外，在此以包覆刀片為中心進行說明，但是不限于包覆刀片，可以應用于包覆立 銑刀、包覆鉆頭等各種包覆工具。[實施例1]作為原料粉末準備均具有1 3 μ m的平均粒直徑的WC粉末、TiC粉末、VC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1所示的配合組成， 并用球磨機濕式混合72小時且干燥之后，以IOOMPa的壓力擠壓成型為壓坯，在6Pa的真 空中，在溫度1400°C中保持1小時的條件下燒結該壓坯，燒結后，對刀刃部分施以R :0. 03 的珩磨加工而形成了具有ISO規(guī)格· CNMG120412的刀片形狀的WC基硬質合金制工具基體 1 10。[表 1]
權利要求
1. 一種表面包覆切削工具，是在碳化鎢基硬質合金制工具基體的表面物理蒸鍍形成由 平均層厚為0. 2 2 μ m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層具有與上述平均層厚相等的高度，且由相對于上述工具基體表面向直立方 向生長的縱長平板狀的TiN晶粒構成；另外，從上述TiN層的表面用透射型電子顯微鏡觀察高度為0. 1 μ m的水平截面中的晶 粒組織時，存在短邊為5 lOOnm、縱橫尺寸比為3以上的上述縱長平板狀的TiN晶粒，且在 該水平截面中縱長平板狀的TiN晶粒所占的面積合計為整個截面積的30%以上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硬質包覆層發(fā)揮優(yōu)異耐缺損性的表面包覆切削工具，其在斷續(xù)重切削加工中硬質包覆層發(fā)揮優(yōu)異的耐缺損性。在WC基硬質合金制工具基體表面物理蒸鍍形成由TiN層構成的硬質包覆層的表面包覆切削工具中，TiN層具有與平均層厚相等的高度，且由相對于工具基體表面向直立方向生長的縱長平板狀的TiN晶粒構成，另外，從上述TiN層的表面觀察高度為0.1μm的水平截面中的TiN晶粒組織時，短邊為5～100nm，縱橫尺寸比為3以上的上述縱長平板狀的TiN晶粒所占的面積比例為整個水平截面積的30％以上。
文檔編號C23C14/32GK102051577SQ20101052684
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月19日 優(yōu)先權日2009年10月23日
發(fā)明者田中耕一, 高岡秀充 申請人:三菱綜合材料株式會社