專利名稱：表面包覆切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面包覆切削工具，其為包覆形成鋼、鑄鐵等鐵類材料的切削加 工中發(fā)揮優(yōu)異的韌性、耐熱沖擊性、耐磨性的立方晶氮化硼(以下，以CBN表示)和氮化鈦 (以下，以TiN表示)的復(fù)合硬質(zhì)膜。
背景技術(shù)：
一直以來，作為硬質(zhì)薄膜的成膜法，周知有物理氣相沉積(PVD)法、化學(xué)氣相沉積 (CVD)法等，其通過在工具基體的表面用這些成膜法包覆形成硬質(zhì)膜而提高耐磨性，同時謀 求表面包覆切削工具的長壽命化。近年來，作為硬質(zhì)薄膜的其他成膜法開發(fā)出了氣溶膠沉積(AerosolD印osition。 以下，以AD表示)法，并且關(guān)注著利用該AD法在工具基體表面成膜硬質(zhì)膜的表面包覆切削工具。關(guān)于AD法，在非專利文獻(xiàn)1中進(jìn)行了介紹，其為如下涂覆手法，即在圖1所示的AD 裝置中，將亞微米級的原料超微粒子裝到氣溶膠產(chǎn)生器，與高壓氣體混合，進(jìn)行氣溶膠化， 通過向排放至中 低真空中的成膜腔內(nèi)的基板高速噴吹，由此成膜金屬、陶瓷膜。AD法的成膜原理被命名為“常溫沖擊固化現(xiàn)象”，尤其在陶瓷的成膜中為如下一 定范圍的動能沖撞于基板時，破碎成微細(xì)結(jié)晶，且該粒子彼此緊密結(jié)合的同時形成膜，所述 一定范圍的動能在具有特定范圍的尺寸的微細(xì)粒子與氣體一同從噴嘴送出時得到。作為基于該AD法的成膜的特征，可以舉出如下等(甲)可以進(jìn)行金屬或陶瓷(氧化物、非氧化物)的成膜。(乙)由于不需要高溫?zé)崽幚恚钥梢缘玫骄S持無法以一般燒結(jié)工藝得到的原 料粉組成的熱非平衡陶瓷組織。(丙)能夠以高速(根據(jù)條件為PVD、CVD的30倍以上)且大面積進(jìn)行具有緊密 的微結(jié)晶組織的涂覆。( 丁)若考慮硬度或彈性率等機械特性，則基板可以廣泛選擇Si、SUS304、樹脂、玻璃等。作為上述AD法的具體應(yīng)用例，例如在專利文獻(xiàn)1敘述了如下內(nèi)容通過AD法形成 Al2O3與其他陶瓷H^i^n，SiC、Si3N4、TiN、TiCN、TiC、AlN、C、BN)材料的復(fù)合膜，由此得到不 銹鋼、合金鋼的切削中顯示優(yōu)異的切削性能的表面包覆切削工具。并且，在專利文獻(xiàn)2敘述了如下內(nèi)容通過AD法形成金剛石微粒子與陶瓷(例如， A1203、TiO2, SiO2, AlSiNO, SiC、TaC, B4C, BN、SiN、Y2O3, ZrO2, MgO)粒子的復(fù)合膜，由此得到 粘著性優(yōu)異，且在Al合金的切削中顯示優(yōu)異的耐磨性的表面包覆切削工具。并且，在專利文獻(xiàn)3中示有通過AD法形成金剛石膜的金剛石包覆工具，且敘述了 如下內(nèi)容該金剛石包覆工具的摩擦系數(shù)小且耐磨性優(yōu)異。然而，專利文獻(xiàn)1所示的表面包覆切削工具不能說與基板的粘著性及耐磨性充 分，并且專利文獻(xiàn)2、3中所示的表面包覆切削工具其硬質(zhì)膜成分為金剛石，由于該金剛石和鐵類材料產(chǎn)生反應(yīng)，所以無法作為鋼、鑄鐵等鐵類材料的切削工具使用。并且，作為不依存上述AD法的硬質(zhì)復(fù)合膜的成膜法，例如在專利文獻(xiàn)4、5中公開 有如下方法通過ESC(Electrostatic Spray Coating)法使cBN粒子附著于基體之后，通 過CVI (Chemical Vapor Infiltration)法將TiN填充于cBN粒子間隙中，由此成膜由cBN 和TiN構(gòu)成的復(fù)合膜，但在該成膜法中，需要高壓高溫真空裝置，存在硬質(zhì)膜的制造成本增 多的問題。并且，由于使cBN粒子附著之后成膜TiN，所以無法將膜的組成設(shè)為傾斜結(jié)構(gòu)。 因此，與基板的粘著性就成為問題。專利文獻(xiàn)1 日本專利公開2006-131992號公報專利文獻(xiàn)2 日本專利公開2009-6沈07號公報專利文獻(xiàn)3 日本專利公開2008-19464號公報專利文獻(xiàn)4 美國專利第6607782號說明書專利文獻(xiàn)5 美國專利申請公開第2006/0199013號說明書非專利文獻(xiàn)1 :"Synthesiology"Vol. 1, No. 2 (2008) p. 130 138

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種如下表面包覆切削工具不需要高壓高溫真空裝置 而謀求制作成本的降低，同時在鋼、鑄鐵等鐵類材料的切削加工中，通過根據(jù)AD法調(diào)制膜 的組成而成膜來包覆形成韌性、耐熱沖擊性、耐磨性優(yōu)異，且在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的切削 性能的復(fù)合硬質(zhì)膜。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)了如下內(nèi)容著眼于由cBN和TiN構(gòu)成的復(fù)合硬質(zhì)膜，通過根據(jù) AD法成膜該復(fù)合硬質(zhì)膜而形成與工具基體的粘著性優(yōu)異的復(fù)合硬質(zhì)膜；進(jìn)一步將硬質(zhì)合 金燒結(jié)體、cBN燒結(jié)體、金屬陶瓷或高速鋼等作為工具基體，通過AD法在其表面成膜復(fù)合硬 質(zhì)膜時，沿其膜厚方向調(diào)整cBN和TiN的含有比率，進(jìn)一步設(shè)為根據(jù)前刀面、后刀面的所希 望的特性的組成傾斜結(jié)構(gòu)的復(fù)合硬質(zhì)膜，由此得到韌性、耐熱沖擊性及耐磨性優(yōu)異的適于 鋼、鑄鐵等鐵類材料的切削加工的表面包覆切削工具。本發(fā)明是根據(jù)上述見解而完成的，以如下作為特征"(1) 一種表面包覆切削工具，是在工具基體的表面以1 15 μ m的膜厚包覆形成 立方晶碳化硼與氮化鈦的復(fù)合硬質(zhì)膜的表面包覆切削工具，其特征在于，作為上述復(fù)合硬 質(zhì)膜的構(gòu)成成分的立方晶氮化硼和氮化鈦具備有組成傾斜結(jié)構(gòu)，該組成傾斜結(jié)構(gòu)在工具基 體側(cè)氮化鈦含有比率變高，并且，在表層側(cè)立方晶氮化硼的含有比率變高。(2)上述(1)記載的表面包覆切削工具，其特征在于，以切削刃棱線為分界，前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有 比率高于后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率。(3)上述⑴或⑵記載的表面包覆切削工具，其特征在于，至少在前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜中的上述組成傾斜結(jié)構(gòu)中，前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表 層的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率為1. 5 4. 0。(4)上述⑴或⑵記載的表面包覆切削工具，其特征在于，至少在后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜中的上述組成傾斜結(jié)構(gòu)中，后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表 層的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率為0. 67 1. 5。”
以下對本發(fā)明進(jìn)行說明。在本發(fā)明中，作為形成復(fù)合硬質(zhì)膜的工具基體可以使用碳化鎢基硬質(zhì)合金、碳氮 化鈦基金屬陶瓷、立方晶氮化硼基超高壓燒結(jié)材料、高速工具鋼等已周知的各種切削工具 基體材料。在本發(fā)明中，通過所述AD(Aerosol D印osition)法在上述工具基體表面成膜復(fù)合 硬質(zhì)膜。首先，根據(jù)圖1說明本發(fā)明的復(fù)合硬質(zhì)膜的基于AD法的成膜的簡要。在圖1中，例如將粒徑為0. 1 1. 0 μ m的cBN粉末、粒徑為0. 1 1. 0 μ m的TiN 粉末分別填充至氣溶膠產(chǎn)生器內(nèi)，將此與高壓氣體(He、Ar、N2或空氣)混合，進(jìn)行氣溶膠 化，向中、低真空壓力的成膜腔內(nèi)的基板高速噴吹，由此可以在基板上成膜由cBN和TiN的 所希望的含有比率構(gòu)成的復(fù)合膜。此外，本發(fā)明中所說的含有比率表示在立方晶氮化硼和氮化鈦的混合量中所占的 體積比率，是指從截面方向?qū)δず穹较蛏蠟?.2μπκ與基板平行的方向上為3μπι的區(qū)域進(jìn) 行基于俄歇電子能譜法的面分析，根據(jù)其測量結(jié)果計算各成分在復(fù)合硬質(zhì)層中所占的體積 比例而求出的值。在本發(fā)明中，利用上述AD法進(jìn)行成膜時，調(diào)節(jié)各個氣溶膠產(chǎn)生器內(nèi)的氣壓，以使 在形成復(fù)合硬質(zhì)膜的下部層的成膜初始階段，原料微粒子粉末中的TiN含有比率變高，并 且在形成復(fù)合硬質(zhì)膜的上部層的成膜后期階段，原料微粒子粉末中的cBN含有比率變高， 由此成膜具備在工具基體側(cè)TiN含有比率變高且在表層側(cè)cBN含有比率變高的組成傾斜結(jié) 構(gòu)的復(fù)合硬質(zhì)膜。此外，本發(fā)明的復(fù)合硬質(zhì)膜為了提高其燒結(jié)性，可以在成膜之后進(jìn)行退火、激光退 火。本發(fā)明的復(fù)合硬質(zhì)膜由于在工具基體側(cè)TiN含有比率高，cBN含有比率變低，所以 與工具基體的粘著性優(yōu)異。另一方面，由于在復(fù)合硬質(zhì)膜的表層側(cè)cBN含有比率高，TiN含有比率變低，所以 為硬質(zhì)且耐磨性優(yōu)異，而且由于與鐵類材料的反應(yīng)性小，因此產(chǎn)生溶敷等的憂慮少。本發(fā)明的復(fù)合硬質(zhì)膜若其膜厚不到1 μ m，則無法在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨 性，另一方面，若其膜厚超過15 μ m，則因膜內(nèi)產(chǎn)生的殘留應(yīng)力變得容易產(chǎn)生剝離或崩刀，所 以復(fù)合硬質(zhì)膜的膜厚定為1 15 μ m。具有上述組成傾斜結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的復(fù)合硬質(zhì)膜由于在工具基體側(cè)的下部層，cBN 和TiN的含有比率中TiN含有比例相對高，所以與工具基體的粘著性優(yōu)異，工具基體與硬質(zhì) 膜之間的附著強度提高。并且，在復(fù)合硬質(zhì)膜的表層側(cè)的上部層中，有關(guān)cBN和TiN的含有比率，cBN含有 比例相對高，因此為硬質(zhì)且耐磨性及耐氧化性優(yōu)異，而且在鋼或鑄鐵等的切削加工中顯示 優(yōu)異的耐溶敷性。另外，復(fù)合硬質(zhì)膜的中間層以幾乎同量形成cBN含有比率和TiN含有比率，所以不 僅具備優(yōu)異的韌性，而且提高與下部層或上部層的粘著強度。并且，本發(fā)明的表面包覆切削工具優(yōu)選以切削刃棱線為分界，分別對前刀面或后 刀面調(diào)整復(fù)合硬質(zhì)膜的組成傾斜結(jié)構(gòu)。
即，在一般的表面包覆切削工具中，對其前刀面要求對被切削材料的非反應(yīng)性和 膜的硬度，另一方面，對后刀面要求界面強度和耐磨性，因此cBN與鐵類被切削材料的反應(yīng) 性低，同時為硬質(zhì)，但若cBN含有比率變高，則cBN粒子的界面強度下降，因切削時脫落的 cBN粒子變得容易產(chǎn)生正常磨損。因此，在本發(fā)明的表面包覆切削工具中優(yōu)選對前刀面采用如下組成傾斜結(jié)構(gòu)，即 前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的cBN相對于TiN的含有比率成為1. 5 4. 0。在此，在前刀面中優(yōu)選cBN相對于TiN的含有比率較高，但若cBN相對于TiN的含 有比率超過4. 0 (80vol % )，則無法避免附著強度及界面強度的顯著下降，另一方面，如果 cBN相對于TiN的含有比率不到1. 5(60Vol% )時，耐月牙洼磨損性的提高效果少，所以優(yōu) 選前刀面的表層的cBN相對于TiN的含有比率為1. 5 4. 0。并且，在本發(fā)明的表面包覆切削工具中優(yōu)選采用后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的 cBN相對于TiN的含有比率成為0. 67 1. 5的組成傾斜結(jié)構(gòu)。即，為了抑制因脫落的cBN粒子產(chǎn)生的正常磨損，需要確保界面強度使cBN粒 子不會脫落，因此優(yōu)選后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的cBN相對于TiN的含有比率設(shè)為 1.5(60vol%)以下，但若后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的cBN相對于TiN的含有比率成為不 到0. 67 (40vol % )，則因cBN的含有率下降而無法確保耐磨性，因此優(yōu)選后刀面的復(fù)合硬質(zhì) 膜的表層的cBN相對于TiN的含有比率為0. 67 1. 5。此外，根據(jù)AD法，前刀面的表層或后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的cBN含有比率，可 以通過調(diào)整(例如，調(diào)整氣溶膠容器內(nèi)的氣壓)成膜末期的向基板各面的TiN和cBN的噴 吹來容易獲得所希望的含有比率。如上所述，本發(fā)明的表面包覆切削工具在工具基體的表面形成cBN和TiN的復(fù)合 硬質(zhì)膜，并且，復(fù)合硬質(zhì)膜中的cBN和TiN具備組成傾斜結(jié)構(gòu)，該組成傾斜結(jié)構(gòu)在工具基體 側(cè)TiN含有比率變高，另一方面，在表層側(cè)cBN含有比率變高，所以作為復(fù)合硬質(zhì)膜整體，硬 度、韌性、附著強度優(yōu)異。并且，優(yōu)選以切削刃棱線為分界，將前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜中的立方 晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率設(shè)為高于后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的立方晶氮化硼相對于 氮化鈦的含有比率，將前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比 率設(shè)為1. 5 4. 0，將后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比 率設(shè)為0. 67 1. 5，由此可以具備前刀面、后刀面各自所要求的特性，所以尤其在鋼或鑄鐵 等鐵類材料的切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的耐溶敷性、耐磨性，在長期使用中發(fā)揮優(yōu)異的耐磨性， 同時可以謀求工具壽命的延長壽命化。


圖1表示用于成膜本發(fā)明的表面包覆切削工具的復(fù)合硬質(zhì)膜的AD(氣溶膠沉積) 裝置，(a)是簡要正視圖，(b)是成膜腔內(nèi)上部的簡要俯視圖。圖2表示本發(fā)明1-10的表面包覆切削工具的復(fù)合硬質(zhì)膜的層結(jié)構(gòu)的一例。圖3表示本發(fā)明11-20的表面包覆切削工具的復(fù)合硬質(zhì)膜的前刀面的層結(jié)構(gòu)的一 例。圖4表示本發(fā)明11-20的表面包覆切削工具的復(fù)合硬質(zhì)膜的后刀面的層結(jié)構(gòu)的一 例。
圖5表示本發(fā)明21-30的表面包覆切削工具的復(fù)合硬質(zhì)膜的前刀面的層結(jié)構(gòu)的一 例。圖6表示本發(fā)明21-30的表面包覆切削工具的復(fù)合硬質(zhì)膜的后刀面的層結(jié)構(gòu)的一 例。
具體實施例方式以下，基于實施例說明本說明的表面包覆切削工具。此外，在此作為工具基體材料使用了硬質(zhì)合金基體，但作為工具基體當(dāng)然可以使 用cBN燒結(jié)體、金屬陶瓷或高速鋼等通常使用的工具基體。[實施例]作為原料粉末，準(zhǔn)備均具有平均粒徑1 3 μ m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，用球 磨機濕式混合96小時，干燥之后，以IOOMPa的壓力擠壓成型為壓坯，在6 的真空中，在溫 度1400°C中保持1小時的條件下燒結(jié)該壓坯，外周加工成預(yù)定尺寸之后，對切削刃部施以 寬度0. 13mm、角度25°的珩磨加工，并施以最終研磨，由此制造了均由WC基硬質(zhì)合金構(gòu)成 且具有ISO規(guī)格SNGA120412的刀片形狀的硬質(zhì)合金基體1 10。[表 1]
權(quán)利要求
1.一種表面包覆切削工具，是在工具基體的表面以1 15 μ m的膜厚包覆形成立方晶 碳化硼與氮化鈦的復(fù)合硬質(zhì)膜的表面包覆切削工具，其特征在于，作為上述復(fù)合硬質(zhì)膜的構(gòu)成成分的立方晶氮化硼和氮化鈦具備有組成傾斜結(jié)構(gòu)，所述 組成傾斜結(jié)構(gòu)在工具基體側(cè)氮化鈦含有比率變高，并且，在表層側(cè)立方晶氮化硼的含有比 率變高。
2.如權(quán)利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，以切削刃棱線為分界，前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率 高于后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，至少在前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜中的上述組成傾斜結(jié)構(gòu)中，前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的 立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率為1. 5 4. 0。
4.如權(quán)利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，至少在后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜中的上述組成傾斜結(jié)構(gòu)中，后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的 立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率為0. 67 1. 5。
全文摘要
本發(fā)明提供表面包覆切削工具，其為包覆形成鋼、鑄鐵等鐵類材料的切削加工中發(fā)揮優(yōu)異的韌性、耐熱沖擊性、耐磨性的復(fù)合硬質(zhì)膜的切削工具。在工具基體的表面包覆形成立方晶氮化硼與氮化鈦的復(fù)合硬質(zhì)膜的表面包覆切削工具中，作為該復(fù)合硬質(zhì)膜的構(gòu)成成分的立方晶氮化硼和氮化鈦具備有組成傾斜結(jié)構(gòu)，該組成傾斜結(jié)構(gòu)在工具基體側(cè)氮化鈦含有比率變高，并且，在表層側(cè)立方晶氮化硼的含有比率變高，優(yōu)選以切削刃棱線為分界，在前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜中的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率高于后刀面，并且，前刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率為1.5～4.0，后刀面的復(fù)合硬質(zhì)膜的表層的立方晶氮化硼相對于氮化鈦的含有比率為0.67～1.5。
文檔編號C23C24/04GK102061466SQ20101052947
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者長田晃, 高岡秀充, 高島英彰 申請人:三菱綜合材料株式會社