专利名称：硬质包覆层发挥优异的耐缺损性的表面包覆切削工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)，其由于硬质包覆层作为微细的柱状晶形成的同时，具备韧性优异的双轴定向畴，因此即使在钢或铸铁等的重切削加工之类的苛刻的切削条件下使用时，也显示优异的耐缺损性，可以实现切削工具的长寿命化。
背景技术：
通常的包覆工具公知有，在各种钢或铸铁等被切削材料的车削加工中装卸自如地安装于车刀前端部中使用的刀片，或者装卸自如地安装所述刀片而与在表面加工或槽加工以及台肩加工等中使用的整体式的立铣刀同样地进行切削加工的刀片式立铣刀等。并且，作为包覆工具，广泛公知有如下包覆工具，即在由碳化钨(以下用WC表示) 基硬质合金烧结体构成的工具基体的表面物理蒸镀由Ti的氮化物(以下用TiN表示)层构成的硬质包覆层而形成的包覆工具，并且在各种钢或铸铁等的连续切削或断续切削加工中使用。尤其是作为重视钛的氮化物或碳氮化物的晶体结构的技术，在专利文献1及专利文献2所示的文献中，提出有由化学蒸镀法蒸镀的、通过钛的碳氮化物具有双晶结构来提高形成硬质包覆层的颗粒彼此的结合力的技术。而且，在专利文献3所示的文献中，提出有如下技术形成硬质包覆层的钛的碳氮化物的晶粒构成显示在从工具基体的法线方向距离 0度 15度的方向上具有晶体方位<111>的晶粒占整体的15%，且测定相邻的晶粒彼此所成的角时，小角度晶界(0 15度)的比例为50%这样的晶体排列的钛的碳氮化物，从而提高表面包覆切削工具的耐缺损性。专利文献1 日本专利4004133号说明书专利文献2 日本专利3768136号说明书专利文献3 日本专利公开2009-56538号公报近年来切削加工装置的FA化非常显著，除此之外，强烈要求切削加工节省劳力化、节能化、以及低成本化以及效率化，伴随此存在因高进给、高切深等要求高效的重切削加工的倾向，但现状为如下在上述以往的包覆工具中，在一般条件下切削加工各种钢或铸铁时不会产生特别的问题，但在冲击性且断续性高负荷作用于刀刃的干式断续重切削中使用时，由于易在硬质包覆层的内部促进裂纹的同时，硬质包覆层的韧性低，因此容易产生硬质包覆层的缺损而产生刀刃部的缺损，以此为原因，在较短时间内达到使用寿命。因此，本发明者们从如上所述的观点考虑，为了提高包覆工具的耐缺损性并谋求使用寿命的延长化，着眼于由TiN层构成的硬质包覆层的晶体形态，进行深入研究的结果， 得出了如下见解。以往包覆工具的由TiN层构成的硬质包覆层通过如下方法制造例如在作为图2 所示的物理蒸镀装置的1种溅射(SP)装置上安装由上述WC基硬质合金烧结体构成的工具基体，例如在
装置内加热温度300 500 V、外加于工具基体的直 流偏压_50 -100V、负极电极金属Ti、溅射功率3 6kW、装置内气体流量氮(N2)气+氩(Ar)气、装置内气压0· 3 1. 5Pa的条件下形成TiN层(以下称为以往TiN层)。但是，本发明者们发现，关于TiN层的形成，若例如使用利用了图1中以简要说明图表示的作为物理蒸镀装置的一种压力梯度型Ar等离子气体的离子镀装置，在装置内安装上述工具基体，在工具基体温度400 460°C、蒸发源金属Ti、等离子枪放电功率9 12kW、反应气体流量氮(N2)气体80 120sccm、放电气体氩(Ar)气体30 60sccm、外加于工具基体的直流偏压0V、蒸镀速度0· 04 0. llnm/sec.这样的条件下进行蒸镀，则该TiN层(以下称为改性TiN层)与所述以往TiN层相比，在对刀刃施加高负荷的高进给、高切深的重切削加工中显示优异的耐磨损性和耐缺损性。
发明内容
该发明是基于上述研究结果而完成的，其具有如下特征一种在由碳化钨基硬质合金烧结体构成的工具基体的表面，物理蒸镀由具有 0. 2 2 μ m平均层厚的TiN层构成的硬质包覆层的表面包覆工具，其特征在于，上述TiN层由具有与上述平均层厚相同高度的柱状晶组织构成，并且，观察上述 TiN层的水平截面中的晶粒组织时，粒径为10 IOOnm的晶粒占测定面积中的90%以上， 而且，用电子背散射衍射装置测定表面的晶粒的晶体方位时，由与相邻的测定点的晶体方位之差成为15度以上的晶体界面包围的直径为0. 2 4 μ m的部分占所测定的整体面积中的20%以上。下面对该发明进行详细说明。如已叙述，该发明是如下进行的，即例如使用利用了图1中以简要说明图表示的压力梯度型Ar等离子气体的离子镀装置，在装置内安装由WC基硬质合金烧结体构成的工具基体，在工具基体温度400 460°C、蒸发源金属Ti、等离子枪放电功率9 12kW、反应气体流量氮(N2)气体80 120sccm、放电气体氩(Ar)气体30 60sccm、
外加于工具基体的直流偏压0V、蒸镀速度0· 04 0. llnm/sec.这样的条件下进行蒸镀。 另外，作为以往TiN层的构成成分的Ti具有提高高温强度，另外，N具有提高层强度的作用是众所周知的，除此之外，该发明的改性TiN层即使在高速断续重切削加工条件这样的苛刻的使用条件下，也发挥优异的韧性和耐缺损性。而且其理由如以下叙述，与改性TiN层的特异的晶粒形态具有较强的关连性。首先，关于由上述蒸镀形成的改性TiN层在将表面设为研磨面的状态下，利用电子背散射衍射装置，分析所述硬质包覆层的TiN层表面的水平截面的晶体方位，结果发现， 由相邻的测定点之间的晶体方位的方位差在特定的共通轴周围处的旋转角度(以下称为旋转角度)中成15度以上的晶体粒径包围的畴直径0. 2 4μ m的畴占所测定的面积的 20%以上。另外，在此所说的畴直径是指具有与其畴区域相同面积的正圆的直径。首先，观察膜的水平截面的晶体组织并测定各个晶粒度，结果发现直径为10 IOOnm的晶粒在整个测定面积中以面积比例计占90%以上。另外，在此所说的直径是指具有与其晶粒相同面积的正圆的直径。下面对该发明进行详细说明。在上述的由以面积比例计90%以上的直径10 IOOnm的晶粒构成且畴内部的晶体方位的角度差不到15度这样的畴直径0. 2 4μπι的畴以面积比例计存在20%以上的所述改性TiN层中，构成所述畴内部的晶粒至少由以面积比例计50%以上的直径10 IOOnm 的晶粒构成。因此，以面积比例计存在于所述畴内的50%以上的晶粒与存在于附近，尤其存在于同一畴内的晶粒显示晶体方位之差以旋转角度计不到15度这样的双轴定向性，从这点来看所述畴内的晶粒彼此的界面相容性高，具备犹如单晶那样的优异的韧性的同时，而且， 具有直径为10 IOOnm的微细组织并能够维持耐缺损性，因此，即使在薄膜中容易发生龟裂或缺损的断续重切削加工中也可以谋求工具的长寿命化。关于上述的改性TiN层而言，若晶粒的大小不到lOnm，则得不到晶粒本身的强度且得不到所希望的强度，而且若超过IOOnm则晶粒变粗大而成为崩刀的原因，因此将以面积比例计薄膜的90%以上的晶粒的大小定为IOnm lOOnm。另外，如果构成TiN层的畴的面积比例不到20%，由于得不到所希望的韧性，因此将畴的面积比例定为20%以上。发明效果该发明的包覆工具在构成由TiN层组成的硬质包覆层的TiN晶粒中，粒径为10 IOOnm的晶粒以面积比例计占整体的90%以上，且用电子背散射衍射装置测定表面的晶粒的晶体方位时，由与相邻的测定点的晶体方位之差成15度以上的晶体界面包围的直径 0. 2 4 μ m的部分占所测定的整体面积中的20%以上，因此即使在对刀刃施加高负荷的干式高进给、高切深切削加工中，除了显示优异的高温强度以外，还显示优异的耐缺损性和韧性，发挥优异的工具特性，有助于工具寿命的延长化。
图1表示为了蒸镀形成该发明的表面包覆切削工具的硬质包覆层(改性TiN层) 而利用压力梯度型Ar等离子枪的离子镀装置的简要图，(a)为简要正视图、(b)为简要俯视图。图2表示为了蒸镀形成以往的表面包覆切削工具的硬质包覆层(以往TiN层)而利用溅射(SP)装置的简要图。图3表示该发明的表面包覆切削工具的由改性TiN层构成的硬质包覆层的示意图，(a)表示水平截面组织图，并且(b)表示晶体方位之差成15度以上的晶体界面的分布示意图。
具体实施例方式
接着，根据实施例具体说明该发明的包覆工具。另外，在此以包覆立铣刀及包覆刀片为中心进行说明，但不局限于包覆立铣刀及包覆刀片，可以适用于包覆钻头等各种包覆工具中。[实施例]作为原料粉末，准备均具有平均粒径0. 8 3. 0 μ m的WC粉末、TiC粉末、VC粉末、NbC粉末、Cr3C2粉末及Co粉末，将这些原料粉末配合成表1所示的配合组成，用球磨机湿式混合72小时，干燥之后，以IOOMPa的压力挤压成型为压坯，在6Pa的真空中，以温度 1400°C在保持1小时的条件下烧结该压坯，烧结后，研磨表面，形成具有ISO规格·ΞΕΕ^203 的刀片形状的WC基硬质合金制的工具基体Al Α10。接着，在丙酮中超声波清洗上述工具基体Al AlO并进行干燥的状态下，安装利用图1所示的压力梯度型Ar等离子枪的离子镀装置，作为蒸发源安装金属Ti，首先，对装置内进行排气而保持为1. OXKT3Pa以下的真空的同时，用加热器将装置内加热至240 420°C之后，导入Ar气体设为2. 3X 10_2Pa之后，将压力梯度型等离子枪的放电功率设为 2kW，在装置内产生Ar离子，对工具基体外加-200V的偏压，由此对所述工具基体进行10分钟的Ar轰击处理，然后，将装置内暂且设为1 X IO-3Pa左右的真空后，在表2所示的条件下，对工具基体外加+IOV的偏压，将压力梯度型Ar等离子枪的放电功率设为12kW，流入60SCCm的Ar气体、lOOsccm的氮气的同时，将炉内的压力保持在 3 X 10_2 6 X IO-2Pa,对蒸发源入射等离子束产生金属Ti的蒸气的同时，用等离子束进行离子化，在工具基体表面蒸镀形成表4所示的预定目标层厚的改性TiN层，由此制造作为本发明包覆工具的本发明包覆刀片(以下，称为本发明刀片)1 10。另外，在表2示出作为本发明刀片1 10的改性TiN层的形成条件的利用压力梯度型Ar等离子枪的离子镀的各种条件。为了比较，在丙酮中超声波清洗上述工具基体Al AlO并进行干燥的状态下，安装于图2所示的溅射(SP)装置，安装金属Cr及金属Ti作为负极电极(蒸发源)，首先，对装置内进行排气而保持为0. OlPa以下的真空的同时，用加热器将装置内加热至300 460°C 之后，导入200sCCm的Ar气体，在金属Cr与所述工具基体之间外加-800V的直流偏压，并对所述工具基体表面进行5分钟的Cr轰击处理，接着，在表3所示的条件下，向装置内导入氮气及Ar气体作为气氛气体并设为0. 5Pa气氛的同时，在所述金属Ti与所述工具基体之间外加-50V的直流偏压作为偏压，由此在所述工具基体的表面蒸镀形成表6所示的目标层厚的以往TiN层作为硬质包覆层，由此制造了作为以往包覆工具的以往表面包覆刀片(以下，称为以往刀片)1 10。另外，在表3示出形成以往刀片1 10的以往TiN层的溅射条件。关于本发明刀片1 10的改性TiN层及以往刀片1 10的以往TiN层，在研磨其表面的状态下，用电子背散射衍射装置(EB SD)分析硬质包覆层表面的晶体方位。即，对 IOymXlOym的区域，以0. 03 μ m/step的间隔测定所述改性TiN层所具有的晶体方位，除去测定干扰之后，在测定区域的图上表示相邻测定点之间的晶体方位之差以旋转角度计成 15度以上的界面，求出由这些界面划分的区域(以下，称为畴)中具有0. 2 4 μ m畴直径的面积对整个测定面积的面积比例，将该值与畴直径的平均值一同示于表4及表5。而且，将所述硬质包覆层从基板侧机械研磨至约Imm的厚度之后，在使用Ar离子研磨装置研磨至厚度成为IOOnm并作为薄片的状态，使用透射式电子显微镜观察测定表面附近处的TiN层的晶体粒径，如图3的(a)中例示，求出改性TiN层的工具基体表面中宽度为10 IOOnm的微晶所占的面积比例α，与对畴的整个测定面积的面积比例一同示于表4 及表5。从表4可知，就本发明刀片1 10的改性TiN层而言，直径为10 IOOnm的TiN 晶粒以面积比例计占90%，并且，在用电子背散射衍射装置解析晶体方位时，由具有以旋转角度计为15度以上的晶体方位之差的界面划分的畴直径为0. 2 4 μ m的畴的面积比例计成为整个测定面积的20%以上，由具有双轴定向性的10 IOOnm的微晶构成的畴以面积比例计存在20%以上。另一方面，从表5可知，就以往刀片1 10的以往TiN层而言，由具有以旋转角度计为15度以上的晶体方位之差的界面划分的畴直径为0. 2 4 μ m的畴的面积比例成为整个测定面积的20%以上，而表面组织仅由直径IOOnm以上的粗大颗粒构成。即，由具有双轴定向性的10 IOOnm的微晶构成的畴完全不存在，仅由单晶构成。[表 1]
权利要求
1. 一种表面包覆切削工具，是在由碳化钨基硬质合金烧结体构成的工具基体表面物理蒸镀由具有0. 2 2 μ m平均层厚的TiN层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具，其特征在于，上述TiN层由具有与上述平均层厚相同高度的柱状晶组织构成，并且，观察上述TiN层的水平截面中的晶粒组织时，粒径为10 IOOnm的晶粒占测定面积中的90%以上，而且， 用电子背散射衍射装置测定表面的晶粒的晶体方位时，由与相邻的测定点的晶体方位之差成15度以上的晶体界面包围的直径为0. 2 4 μ m的部分占所测定的整体面积中的20%以上。
全文摘要
本发明提供一种硬质包覆层在高负荷作用于刀刃的干式断续重切削加工中发挥优异的耐缺损性和韧性的表面包覆切削工具。在通过物理蒸镀在由硬质合金烧结体构成的切削工具基体表面形成由TiN层构成的硬质包覆层的表面包覆切削工具中，将TiN晶粒设为具有与平均层厚相同高度的柱状晶组织，并且，将观察上述TiN层的水平截面中的晶粒组织时的粒径为10～100nm的晶粒所占的面积设为测定面积中的90％以上，而且，将用电子背散射衍射装置测定表面的晶粒的晶体方位时，由与相邻的测定点的晶体方位之差成15度以上的晶体界面包围的直径为0.2～4μm的部分占所测定的整体面积中的20％以上，由此在断续重切削加工中发挥优异的耐缺损性和韧性。
文档编号C23C14/06GK102191457SQ20101062005
公开日2011年9月21日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年1月27日
发明者田中耕一, 高冈秀充 申请人:三菱综合材料株式会社