專利名稱：切入式磨削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以立方晶系氮化硼(CBN)為主要成分的CBN燒結(jié)體為基材，在其上覆蓋薄膜的工具用材料的改良。
背景技術(shù)：
CBN是具有僅次于寶石的高硬度的材料，合金屬的反應(yīng)性很低，因此其燒結(jié)體被用于耐熱合金或淬火鋼的切削。在如此高硬度的CBN燒結(jié)體中，通過覆蓋具有能夠防止刀刃的磨損的效果。覆蓋膜在刀刃的刃的部分具有圓度部膜厚變厚則圓度部變大。在專利文獻I中公開了在CBN燒結(jié)體上具有耐磨損層和中間層和最表面層的覆蓋CBN燒結(jié)體。提出了作為耐磨損層覆蓋有TiAl (CNO)等，作為中間層或最表面層覆蓋有TiN等的工具用表面覆蓋高硬度材料。專利文獻2是在CBN燒結(jié)體上具有含有鈦和鋁的復(fù)合氮化物、復(fù)合碳化物等的覆蓋膜的材料。特別是覆蓋膜的結(jié)晶面(200)的X射線的衍射強度和結(jié)晶面(100)的X射線衍射強度的比在特定范圍內(nèi)，覆蓋膜的厚度為I 15 μ m的復(fù)合硬質(zhì)膜覆蓋構(gòu)件。

專利文獻1:特開平8-119774號公報第2頁、第6 10頁、表1、3、5專利文獻2:特開2001-234328號公報第2頁現(xiàn)有的覆蓋工具，覆蓋膜的厚度有Iym以上的厚度。最近，因為希望淬火鋼等的間斷切削加工的長壽命化和精加工的高精度化，所以在現(xiàn)有的覆蓋工具中覆蓋膜的穩(wěn)定性不足，不能得到充分的工具壽命。在間斷切削加工中，與CBN燒結(jié)體相比強度低的陶瓷覆蓋膜膜厚越大則由剪斷的沖擊在刀刃的刃部膜剝離I膜脫落發(fā)生，成為覆蓋工具的缺損或被切削材的面粗糙度惡化的原因。還有，隨著進給量接近覆蓋膜，覆蓋膜下在沒有基材的部分切削的比率高，容易發(fā)生覆蓋膜的剝離。一般，因為在覆蓋超硬合金工具中不是高精度加工而是以切斷、進給量大的高效加工為對象，所以存在由于高切斷載荷的膜剝離發(fā)生的問題。另一方面，因為在由CBN工具的切削中，為了得到高精度的加工面，所以以進給量小的精加工為對象的情況較多。在本發(fā)明者們得到的認識中，即使在低進給加工中，由于比切削阻力(切削阻力除以切削斷面積的值)變高，膜剝離也容易發(fā)生。比切削阻力變高的理由被認為是進給量小時，由于切削斷面積變小被削材內(nèi)部的缺陷存在概率變小，所以材質(zhì)強度相對變高(比切削阻力的尺寸效果)。特別是在切入磨削的切槽加工中，因為切刃的接觸面積大與其高切削載荷的縱削相比進給量小，并且其加工結(jié)束時進給為O的狀態(tài)，對覆蓋膜施與大的切削應(yīng)力，導(dǎo)致膜的剝離。以上的覆蓋膜的剝離的防止是第一課題。還有，在高精度加工中現(xiàn)有的覆蓋沒的切刃的刃部發(fā)生的“圓度部”使加工精度下降，并且因為比切削阻力變高，所以減小此“圓度部”是第二課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種工具用表面覆蓋高硬度材料，其以CBN燒結(jié)體為基材，在基材的表面具有由以從C、N以及O中任選至少I種的元素和Ti和Al中任選至少一種的元素為著稱分的化合物構(gòu)成的至少I層的厚度為0.1 μ m以上且低于I μ m的覆蓋膜。本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料，具有作為覆蓋膜的由TiAl(CNO)構(gòu)成的耐磨損層。另外還可以設(shè)有由TiN等構(gòu)成的中間層或最表面層。本發(fā)明的覆蓋膜，由Ti和Al的氮化物或碳氮化物構(gòu)成，以從覆蓋膜的X射線衍射的(111)面的衍射強度為從I (111)，從(200)面的衍射強度為1(200)時，優(yōu)選為I(Ill)/
I(200) <3。衍射強度依存于成膜條件，但是若1(111)/1(200)超過3，則由于壓縮應(yīng)力的下降以及結(jié)晶粒的粗大化導(dǎo)致耐磨損性和耐缺陷性的降低，所以設(shè)為3以下。從各種實驗可知，與現(xiàn)有膜相比膜厚薄的本發(fā)明的覆蓋膜優(yōu)選具有由(TirxAlx)N、0.3 < X < 0.6表示的組成。TiAlN系的覆蓋膜因為與CBN基材相比熱膨脹系數(shù)大，所以成膜結(jié)束后的冷卻時因為各自的收縮率的差在覆蓋膜內(nèi)部發(fā)哼僧拉應(yīng)力，使成膜時發(fā)生的殘余壓縮應(yīng)力得到緩和。在此推定為隨著覆蓋膜中的Al的比率變高，覆蓋沒的熱膨脹系數(shù)變低，X超過0.6，則由于和CBN基材的熱膨脹系數(shù)的差壓縮應(yīng)力的緩和效果變低，膜內(nèi)部的高壓縮應(yīng)力殘留，在切削時容易發(fā)生膜剝離。還有，X低于0.3，則硬度變低不能得到抑制磨損的效果，所以設(shè)為0.3 < X < 0.6。此范圍是耐磨損性和耐剝離性優(yōu)異、適于間斷切削或切槽加工的組成。此外優(yōu)選為0.3 < X < 0.45。構(gòu)成本發(fā)明的覆蓋膜的結(jié)晶的平均粒徑優(yōu)選為50nm以上且在150nm以下。一般認為隨著結(jié)晶粒徑變得微細，膜的硬度變高，另一方面韌性下降，上述的范圍是耐磨損性和耐缺陷性的平衡優(yōu)異，適于間斷切削或切槽 加工的結(jié)晶粒徑。將所述覆蓋膜所含的Ti的一部分，置換成從S1、B和周期表4a、5a以及6a族過渡金屬元素中的除Ti以外的元素中任選的至少一種元素，所置換的元素的在覆蓋膜中的含量為以原子％計低于10%。這是因為通過除T1、Al之外添加上述的第三元素，可以使構(gòu)成覆蓋膜的結(jié)晶粒子的粒徑進一步細化，并且形成僅以的結(jié)晶構(gòu)造，提高膜的強度。本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料作為切槽工具而利用能夠得到顯著的效果。在切槽加工中，尤其是在低進給的條件中，在槽底部進給成為O的狀態(tài)，對覆蓋膜施與大的應(yīng)力，覆蓋膜厚時導(dǎo)致膜的剝離。本發(fā)明的覆蓋膜因為膜厚很薄，所以能夠承受上述的切槽加工特有的高應(yīng)力。本發(fā)明中所用基材是由CBN的粉末30 90體積％和殘余部結(jié)合材構(gòu)成的燒結(jié)體，殘余部結(jié)合材是由周期表第4a、5a以及6a族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及它們的固溶體構(gòu)成的組中任選的至少一種、和鋁化合物和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。在此，Al作為化合物，為鋁的氧化物、硼化物、氮化物等。眾所周知作為CBN燒結(jié)體有各種各樣，但是上述的基材適于淬火鋼的切削。此外優(yōu)選為覆蓋膜的膜厚為0.1 μ m以上且低于0.5 μ m。通過降低膜厚，能夠減小切削時的進給量，能夠進行高精度加工。在本發(fā)明中所謂覆蓋沒膜的膜厚，是指中間層、耐磨損層以及最表面層等的各層的合計膜厚。
由本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料構(gòu)成的切削工具，當然作為干式工具、濕式工具均可使用。在剪斷切削加工中熱循環(huán)顯著，從工具壽命的觀點出發(fā)，優(yōu)選為干式加工，但是從尺寸精度的觀點出發(fā)也有時優(yōu)選為濕式加工。此時，因為CBN基材和硬質(zhì)覆蓋沒的熱膨脹系數(shù)不同，所以在現(xiàn)有的膜中，施與間斷的沖擊由熱循環(huán)產(chǎn)生的膜剝離、膜破壞發(fā)生不能得到充分的抑制磨損的效果。但是，在本發(fā)明中除了通過負載壓縮應(yīng)力提高膜自身的耐缺損性，還通過降低膜厚抑制由熱循環(huán)產(chǎn)生的依存于熱應(yīng)力的全應(yīng)力，能夠使耐剝離性大幅提高。因此，即使在濕式條件下的間斷切削中，膜破壞、膜剝離也很難發(fā)生，能夠得到充分的抑制磨損的效果。本發(fā)明的工具用表面覆蓋高硬度材料，在具有優(yōu)異的強度、硬度以及韌性的CBN燒結(jié)體中，具有優(yōu)異的硬度和耐熱性的硬質(zhì)覆蓋膜與現(xiàn)有膜相比覆蓋得更薄，膜的耐剝離性、耐缺損性被大幅地改善。


圖1是說明縱切的切削斷面積的概念圖。圖2是說明切入磨削的切削斷面積的概念圖。圖3是圖2的A-A剖面圖，表示的是使用本發(fā)明的切削工具，被削材在切入磨削狀態(tài)的示意圖。圖4是表不偏壓和殘余應(yīng)力的關(guān)系的曲線圖。圖中:1_基材、2-覆蓋膜、3-被削材、4-圓度部、5-切粉、6-槽壁、7-1旋轉(zhuǎn)前的基材位置、F-進給。
具體實施例方式在本發(fā)明中，提供 一種通過使覆蓋膜變薄而在間斷切削加工或高精度加工中也能實現(xiàn)長壽命化的工具用表面覆蓋高硬度材料以及使用此材料的切槽工具。在間斷切削中，當然要求具有能夠承受間斷的沖擊的高耐剝離性，但是在連續(xù)切削中在進給量小的條件下覆蓋膜受到高應(yīng)力，發(fā)生膜剝離。其理由使用所示圖1 圖3進行說明。在外徑切削中，具有將圖1所示的基材I構(gòu)成的工具送向被削材3的軸向的縱削和送向圖2所示徑向的切入磨削。在任一加工中，被削材3沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，基材I構(gòu)成的工具在箭頭的方向移動，通過除去具有與進給量F成比例的厚度的切屑而進行加工。還有，由實線所示的基材I的位置和其一次旋轉(zhuǎn)前的基材的位置7等所包圍的斜線部表示切削斷面積。從圖1、2可知，特別是切入磨削與縱削相比切刃的接觸面積大切削阻力高。因此在切入磨削的切槽加工中具有與縱削相比原本進給量小，并且切槽最后時工具的前進停止工具前端和槽底相擦的階段。圖3是圖2的被削材加工部位的A-A剖面圖，表示的是使用由本發(fā)明的材料構(gòu)成的切槽工具，對被削材的槽進行切削的狀態(tài)。在基材I的表面由覆蓋膜2，在箭頭的方向上使被削材3旋轉(zhuǎn)而進行切削。在高精度加工和切槽加工中，有必要減小切削加工時的進給。在切削加工中相當于進給F的寬度的部分作為切粉5而去除，形成槽壁6。減小進給F，則立即作為切粉被取出的部分的厚度，與覆蓋膜2厚度接近。如此，在切削時施與工具的載荷中，在覆蓋膜2受到的比率變高，成為覆蓋膜2的剝離的原因。使覆蓋膜2變薄，則相同的進給F能夠增加對基材I的載荷比率，能夠抑制覆蓋沒的剝離。即在切槽加工中，與通常的縱削相比減小進給量，切削應(yīng)力集中于刃尖的前端部。如果是現(xiàn)有的厚的覆蓋膜，因為在覆蓋膜內(nèi)受到的切削應(yīng)力的比率變高，所以容易發(fā)生來自基材的膜剝離或膜缺損。對此，本發(fā)明的切槽工具，因為覆蓋膜的厚度薄所以沒有膜剝離或膜缺損的問題。基材上覆蓋膜，則如圖3所示在基材的切刃的刃部發(fā)生圓度部4。本發(fā)明的覆蓋膜例如由PVD法覆蓋，但是此時在切刃的刃部即使電荷容易集中也不能防止切刃的刃部的圓度部。構(gòu)成為圓度部4的部分所受載荷大，容易發(fā)生膜的損傷。在本發(fā)明中，因為使覆蓋膜的厚度變薄，所以能夠抑制圓度部使其變小。本發(fā)明的覆蓋膜，可以由離子鍍等的PVD法形成。形成本發(fā)明的覆蓋膜的方法，通過原料元素的離子化率高，反應(yīng)性豐富，對基材施加偏壓而能夠得到結(jié)合性優(yōu)異的覆蓋膜的電弧式離子鍍法最為適宜。在此，所謂偏壓是指基材和金屬靶之間的電位差。一般在電弧式離子鍍法中，由偏壓對覆蓋膜的構(gòu)成物質(zhì)進行加速。即通過對基材施加負的偏壓，使離子化的金屬陽離子加速，到達基材表面成長為膜。偏壓和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系公開在文獻 Surface and Coating Technology vol.163-164 pl35_143 (2003)的Fig.7中，但是在此文獻中表示出隨著偏壓變高殘余應(yīng)力變高，在100V成為極大值，在此以上相反殘余應(yīng)力會下降。在此，所謂偏壓“高”，是施與基材的負偏壓的絕對值大的含義，在后面的表8以及圖4等中，由絕對值表示。偏壓變高，則被加速的陽離子的向基材的打入(撞擊)提高壓縮應(yīng)力增加，但是同時基材和覆蓋膜的溫度也上升所以應(yīng)力緩和，從某偏壓顯示出壓縮應(yīng)力下降。對于上述的文獻本發(fā)明的覆蓋膜(覆蓋膜的組成=(Tia6Ala4) N，膜厚:0.45 μ m)，如圖4所示偏壓為200V殘余壓縮應(yīng)力成為極大，并且殘余壓縮應(yīng)力的絕對值也比上述文獻變大。

其理由推斷為，CBN基材的熱傳導(dǎo)率比覆蓋膜的熱傳導(dǎo)率明顯的大，成膜時在覆蓋膜發(fā)生的熱逃走，但是其放熱效果依存于膜厚。即，推定為因為膜厚薄則放熱效果優(yōu)異所以由覆蓋膜的溫度上升產(chǎn)生的應(yīng)力緩和效果變小，壓縮應(yīng)力變高。這意味著通過使覆蓋膜變薄能夠施與更高的壓縮應(yīng)力。覆蓋膜內(nèi)部的壓縮應(yīng)力高的膜的硬度、強度變高，但是膜厚厚的全應(yīng)力(內(nèi)部應(yīng)力X膜厚)變大，容易發(fā)生由切削載荷從基材的剝離，所以有必要適當?shù)剡M行控制。特別是基材是CBN燒結(jié)體時，CBN離子與陶瓷結(jié)合相相比在化學(xué)上比較穩(wěn)定，所以在和覆蓋膜的界面的擴散反映不易發(fā)生。此外因為CBN離子機械強度也很優(yōu)異，所以不能得到由陽離子的打入的基材的表面粗糙度所以固定效果小。因此，以現(xiàn)有的I μ m以上的膜厚，基材為CBN燒結(jié)體時，與超硬合金或金屬陶瓷相比結(jié)合力難出，升高偏壓則膜內(nèi)部的全應(yīng)力變高切削時覆蓋膜發(fā)生剝離，所以通常在100V以下成膜。但是，本發(fā)明的薄的覆蓋膜的情況下，因為能夠一邊維持高的內(nèi)部壓縮應(yīng)力一邊控制覆蓋沒的全應(yīng)力，所以希望能夠比上述進一步提高偏壓。因此，本發(fā)明所用的偏壓優(yōu)選為100V 300V的范圍。本發(fā)明的覆蓋膜，單層、多層均可。但是設(shè)置最表面層時，優(yōu)選為TiN、TiCN、TiC、HfC等。這是因為對于CBN燒結(jié)體為黑色，上述的膜呈現(xiàn)出鮮艷明亮的顏色。設(shè)有最表面層的本發(fā)明的覆蓋CBN燒結(jié)體工具在批量生產(chǎn)中使用時，容易區(qū)別達到壽命的工具或刃(corner)和未使用的工具或刃，能夠進行徹底的工具管理。以下，對本發(fā)明的實施方式進行說明。(實施例1)使用超硬質(zhì)合金制的刀座(pot)以及臺基，得到TiN和鋁以80: 20的重量比進行混合的結(jié)合材粉末。接著，將此結(jié)合材和CBN粉末以體積比40: 60進行調(diào)配，填充到Mo制容器中，以壓力50kb(5GPa)、溫度1450°C燒結(jié)20分鐘。在燒結(jié)體中，含有認為是氮化鋁、氧化鋁和硼化鋁的鋁化合物。將此燒結(jié)體加工成切削工具用的刀片(chip)的形狀(型號SNGNl20408)以及切槽工具用的刀片的形狀(型號BNGNT0250R)后，通過真空電弧放電的離子鍍法在刀片上覆蓋表I所示的覆蓋膜。在成膜裝置內(nèi)，配置多個靶，將上述刀片安裝在以這些靶為中心所設(shè)的旋轉(zhuǎn)式基材保持工具上，進行成膜。作為靶，使用的是和覆蓋膜的金屬成分相同組成的Tia5Ala5、Ti0.3Al0.7,Ti0.7Al0.3>Ti0.6Al0.4 以及 Ti 等。首先將成膜裝置減壓至 1.33 X 10 (IO^torr)的真空度，導(dǎo)入Ar氣體在1.33Pa(10_2torr)的氣氛下對刀片施加-1000V的電壓洗凈。接著，加熱到500°C，將Ar氣體進行排氣后導(dǎo)入作為反應(yīng)氣體的N2，對刀片施加-120V的電壓，由真空電弧放電以電弧電流100A使上述的靶蒸發(fā)離子化而覆蓋。壓力為1.33Pa(10_2torr)，還有膜厚由覆蓋時間進行控制。覆蓋膜是除N還含有C、O時，作為反應(yīng)氣體除N2還使用CH4、O2,調(diào)整各個的流量的比率，而調(diào)整C、N、O的比率。還有，作為中間層、最表面層覆蓋TiN，此時以Ti為靶進行配置，由與上述同樣的要領(lǐng)進行成膜。如此得到的試料在表I中表示。覆蓋膜的結(jié)晶系，是立方晶系的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。表I`
權(quán)利要求
1.一種切入式磨削工具，其特征在于，以立方晶氮化硼燒結(jié)體作為基材，在所述基材的表面具有由以從C、N以及O中任選至少I種的元素、和T1、和Al中任選至少一種的元素作為主成分的化合物構(gòu)成的至少I層的厚度為0.1 μ m以上且低于I μ m的覆蓋膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切入式磨削工具，其特征在于，所述覆蓋膜，由Ti和Al的氮化物或碳氮化物構(gòu)成，將覆蓋膜的X射線衍射的(111)面的衍射強度設(shè)為I (111)、將(200)面的衍射強度設(shè)為1(200)時，OS 1(200)/1(111) <3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，所述覆蓋膜含有由Ti和Al的氮化物或碳氮化物構(gòu)成的耐磨損層， 該覆蓋膜的總計厚度為0.1 μ m以上且低于I μ m, 所述耐磨損層的總計厚度為0.1 μ m以上且低于0.5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，所述覆蓋膜具有由(TigAlx)N、0.3≤X≤0.6表示的組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切入式磨削工具，其特征在于，所述覆蓋膜具有由(TigAlx)N、0.3≤X≤0.45表示的組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，構(gòu)成所述覆蓋膜的結(jié)晶的平均粒徑為50nm以上且低于150nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，將所述覆蓋膜所含的Ti的一部分，置換成從S1、B和周期表4a、5a以及6a族過渡金屬元素中的除Ti以外的元素中任選的至少一種元素，所置換的元素的在覆蓋膜中的含量為以原子％計低于10%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，基材是由立方晶氮化硼粉末30 90體積％和殘余部結(jié)合材構(gòu)成的燒結(jié)體，殘余部結(jié)合材是由周期表第4a、5a以及6a族元素的氮化物、碳化物、硼化物、氧化物及它們的固溶體構(gòu)成的組中任選的至少一種、和鋁化合物和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，所述覆蓋膜的總計的膜厚為0.1 μ m以上且低于0.5 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于， 所述切入式磨削工具的用途為淬火鋼的高精度加工用工具，其中，所謂高精度加工是進給量0.08mm/rev以下的加工。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切入式磨削工具，其特征在于，所述切入式磨削工具為切槽加工工具。
全文摘要
本發(fā)明提供一種切入式磨削工具，其特征在于，以立方晶氮化硼燒結(jié)體作為基材，在所述基材的表面具有由以從C、N以及O中任選至少1種的元素、和Ti、和Al中任選至少一種的元素作為主成分的化合物構(gòu)成的至少1層的厚度為0.1μm以上且低于1μm的覆蓋膜。
文檔編號B23B27/04GK103231079SQ20131016564
公開日2013年8月7日 申請日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者岡村克己, 久木野曉, 松川倫子, 后藤光宏 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社