專利名稱：切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基體的表面上成膜有被覆層的切削工具。
背景技術(shù)：
目前，在切削工具、耐磨構(gòu)件、滑動構(gòu)件這樣的需要耐磨損性、滑動性、耐缺損性的構(gòu)件中，使用如下的方法，即在超硬合金、金屬陶瓷等的燒結(jié)合金、金剛石或cBN(立方晶氮化硼)的高硬度燒結(jié)體、氧化鋁或氮化硅等的陶瓷構(gòu)成的基體的表面成膜出被覆層，從而提高耐磨損性、滑動性、耐缺損性。另外，作為成膜出上述被覆層的方法，使用電弧離子鍍敷法或濺射法等的物理蒸鍍法而積極地研究了以Ti或Al為主成分的氮化物層，持續(xù)地進(jìn)行了用于延長工具壽命的 改良。設(shè)有這些被覆層的表面覆蓋工具為了應(yīng)對以切削速度的高速化為首的切削環(huán)境的變化、被切削材料的多祥化，除了覆蓋材料元素以外也思考了各種辦法。例如，在專利文獻(xiàn)I中記載了如下情況，即在基體的表面覆蓋TiAlN等的覆膜的表面覆蓋工具中，使Ti的比率在后刀面中比前刀面高，從而能夠抑制前刀面的熔敷和磨損的發(fā)展，并且能夠抑制后刀面的邊界損傷。另外，在專利文獻(xiàn)2中記載了如下情況,即在基材的表面形成厚度為I 5 μ m的TiAlN系的硬質(zhì)覆膜，使存在于硬質(zhì)覆膜上的具有膜厚以上的尺寸的粗大粒子為5面積％以下，其表面粗糙度Ra為O. I μ m以下或表面粗糙度Rz為I μ m以下，由此來提高硬質(zhì)覆膜的耐熔敷性和耐磨損性。在先技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I日本特開2008-264975號公報專利文獻(xiàn)2日本特開2002-346812號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，在專利文獻(xiàn)I記載的后刀面比前刀面的Ti的比率高的結(jié)構(gòu)中，前刀面的被覆層的耐熱性和耐氧化性不充分，且后刀面的耐缺損性不充分。另外，在專利文獻(xiàn)2記載的極カ減少粗大粒子的結(jié)構(gòu)中，由于表面粗糙度小而切屑相對于硬質(zhì)膜成為粘貼的狀態(tài)，從而成為硬質(zhì)膜的溫度上升而月牙洼磨損發(fā)展的原因，存在耐磨損性下降的問題。本發(fā)明是為了解決上述課題而做出的，其目的在于提供ー種局部性地具備能夠發(fā)揮最佳的切削性能的被覆層的切削工具。本發(fā)明的切削工具在前刀面與后刀面的交叉棱線具有切削刃，在基體的表面覆蓋由TiaAlbMd(C1-A)(其中，M是從Si、W、Nb、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中選出的至少ー種，
O.35彡a彡O. 55,0. 3彡b彡O. 6，0彡d彡O. 25，a+b+d = 1，0彡x彡I)構(gòu)成的被覆層，在該被覆層的表面存在熔粒(droplet)，并且，存在于所述前刀面上的熔粒的組成與所述前刀面的所述被覆層的組成相比，Al的含有率高，而且，存在于所述后刀面上的熔粒的組成與所述后刀面的所述被覆層的組成相比，Ti的含有率高。在此，在上述結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的是，存在于所述前刀面上的熔粒的Al的含有率AIdk與所述被覆層的所述前刀面的Al的含有率AIm之比為I. 05 ( AlDE/AlbE ( I. 25，存在于所述后刀面上的熔粒的Ti的含有率TiDF與所述被覆層的所述后刀面的Ti的含有率TiaF之比為
I.03 彡 TiDF/TiaF 彡 I. 2。另外，在上述結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選的是，在所述被覆層的前刀面的算術(shù)平均粗糙度為RaK，所述被覆層的后刀面的算術(shù)平均粗糙度為RaF吋，優(yōu)選為0.07μπι< RaK< O. 3μπι及O. 05 μ m ^ RaF ^ O. 15 μ m，而且，在所述被覆層的前刀面的最大高度為Rzk，所述被覆層的后刀面的最大高度為 Rzf 時,O. 3 μ m < Rze < O. 9 μ m 及 O. 15 μ m ^ Rzf < O. 6 μ m。此外，所述被覆層可以是由TialAlblMdl(CVxlNxl)(其中，O ^ al ^ l,0^bl ^0.8,O 彡 dl 彡 O. 4，al+bl+dl = 1,0 ^ X ^ I)表示的第一被覆層與由 Tia2Alb2Md2 (C1^x2Nx2)(其 中，O 彡 a2 く 1,0 ^ b2 く O. 8,0 彡 d2 彡 O. 4，a2+b2+d2 = 1，并且排除 al = a2 且 bl = b2且cl = c2的情況。)表示的第二被覆層反復(fù)交替層疊十層以上的結(jié)構(gòu)。發(fā)明效果對于本發(fā)明的切削工具，通過使形成在基體表面上的被覆層中，存在于前刀面上的熔粒的組成與被覆層的前刀面的組成相比，含有較多的Al，從而此，存在于前刀面上的熔粒的硬度及耐氧化性升高。由此，即使切屑與熔粒接觸，熔粒也不會立即磨減而存在，因此切屑與前刀面的被覆層不會發(fā)生粘貼。而且，由于切削油進(jìn)入到被覆層與切屑的間隙，因此切屑的潤滑性良好。其結(jié)果是，能夠抑制前刀面的被覆層的溫度上升，月牙洼磨損減小。另外，存在于后刀面上的熔粒的組成與被覆層的后刀面的組成相比，Ti的含有率多，由此，后刀面的表面的熔粒的破壞韌性值升高，存在于后刀面的被覆層表面上的熔粒成為吸收沖擊的緩沖材料，與直接向被覆層沖擊的情況相比，能夠緩和所述沖擊，其結(jié)果是，能夠提高后刀面的被覆層的耐缺損性。另外，通過使存在于所述前刀面上的熔粒的Al的含有率AIdk與所述被覆層的所述前刀面的Al的含有率AIm之比為1.05彡ム11)1；/^1131；彡1.25，從而能夠進(jìn)ー步提高前刀面的耐磨損性。而且，所述后刀面的熔粒的Ti的含有率TiDF與所述被覆層的所述后刀面的Ti的含有率TibF之比為I. 05 ( TiDF/TibF ( I. 2，從而能夠進(jìn)ー步提高后刀面的耐缺損性。此外，在所述被覆層的前刀面的算出平均粗糙度為Ra,時，若在O. 07 μ m彡RaK彡O. 3 μ m的范圍內(nèi)，則能夠抑制前刀面的被覆層的溫度上升而提高耐磨損性的效果高，且能夠提高耐熔敷性。而且，在所述被覆層的后刀面的算木平均粗糙度為RaF時，若在O. 05 μ m ^ RaF ^ O. 15 μ m的范圍內(nèi)，則通過減小后刀面的表面粗糙度，能夠漂亮地完成加工時的被切削材料的面。需要說明的是，為了提高熔粒的存在所產(chǎn)生的上述效果，在所述被覆層的前刀面的最大高度為Rz,且所述被覆層的后刀面的最大高度為Rzf時，優(yōu)選O. 3 μ m ミ Rze ミ O. 9 μ m 及 O. 15 μ m ミ Rzf ミ O. 6 μ m。


圖I是表示本發(fā)明的切削工具的一例的概略立體圖。圖2是表示圖I的切削工具的第一實施方式的剖視示意圖。
圖3是圖I的切削工具的前刀面的被覆層表面的SEM照片。圖4是圖I的切削工具的后刀面的被覆層表面的SEM照片。
具體實施例方式關(guān)于本發(fā)明的切削工具的一例，使用優(yōu)選的實施方式例的切削工具的概略立體圖即圖I、本發(fā)明的第一實施方式的概略剖視圖即圖2、圖1、2的切削工具的前刀面及后刀面的被覆層的表面的掃描型電子顯微鏡(SEM)照片即圖3、4進(jìn)行說明。根據(jù)圖I 4，本發(fā)明的切削工具(以下，簡稱為工具)I在主面具有前刀面3，在側(cè)面具有后刀面4，在前刀面3與后刀面4的交叉棱線具有切削刃5，且在基體2的表面成膜有被覆層6。并且，如圖2、3、4所示，被覆層6在表面存在有被稱為熔粒7的粒狀物質(zhì)。在此，該熔粒7的組成中，重要的是形成在前刀面3表面上的熔粒7的Al的含有率AIdk比前刀面 3的被覆層6中的Al的含有率AIm高、以及形成在后刀面4表面上的熔粒7的Ti含有率Tidf比后刀面4的被覆層6中的Ti的含有率TibF高。由此，在切削時，即使切屑通過存在于前刀面3的被覆層6表面上的硬度高的熔粒7之上，熔粒7也不會磨減而長期存在，因此切屑不會粘貼在前刀面3的被覆層6的表面，從而能夠抑制被覆層6的溫度上升。而且，在切削吋，由于能夠?qū)⑶邢饔统浞直３衷诒桓矊?與切屑之間，因此對于切屑的排出的潤滑性優(yōu)異，其結(jié)果是，能夠進(jìn)一歩抑制被覆層6的溫度上升，從而能夠抑制前刀面3的月牙洼磨損的發(fā)展。另ー方面，通過使在被覆層6的后刀面4表面上生成的熔粒7的Ti的含有率TiDF比后刀面4的被覆層6中含有的Ti的含有率Tibf高，從而使存在于后刀面4的被覆層6的表面上的熔粒7成為緩沖材料，能夠減小作用于被覆層6的沖擊，能夠提高被覆層6的耐缺損性，其結(jié)果是，能夠減小被切削材料的切削加工面的表面粗糙度。需要說明的是，被覆層的各金屬成分的含有率可以通過電子線微量分析(EPMA)的能量分散分光分析(EDS)、或X射線光電子分光分析法(XPS)來測定。另外，此時，形成在被覆層6的前刀面3表面上的熔粒7的Al的含有率AIdk相對于前刀面3的被覆層6含有的Al的含有率AIm，優(yōu)選為I. 05彡AlDK/AlbK彡1.25。這是因為，當(dāng)比率AlDK/AlbK為I. 05以上時，熔粒7的耐熱性、耐氧化性得到改善。另外，當(dāng)比率AlDE/AlbE為I. 25以下時，熔粒7的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不會從立方晶向六方晶變化而耐磨損性高。比率AlDK/AlbK的特別優(yōu)選的范圍是I. 06 ( AlDE/AlbE ( I. 15。而且，形成在被覆層6的后刀面4上的熔粒7含有的Ti的含有率TiDF相對于后刀面4的被覆層6含有的Ti的含有率TiaF，優(yōu)選為I. 03 ^ TiDF/TiaF ^ I·2。在比率TiDF/TiaF為1.05以上時，后刀面4上的熔粒7的破壞韌性值提高，其結(jié)果是，在切削中，切削工具I不會發(fā)生卷刃或缺損而被切削材料的加工面變得平滑。當(dāng)比率TiDF/TiaF* 1.2以下時，后刀面4上的熔粒7的硬度、耐熱性不會下降，在切削中能夠抑制后刀面的磨損。比率TiDF/Tibp的特別優(yōu)選的范圍是I. 05彡TiDF/TibF彡I. 12。此夕卜，在被覆層6的前刀面3的算術(shù)平均粗糙度為RaK吋，若在O. 07 μ m彡RaK彡O. 3 μ m的范圍內(nèi)，則抑制前刀面3的被覆層6的溫度上升且提高耐磨損性的效果升高，且能夠提高耐熔敷性。而且，在被覆層6的后刀面4的算木平均粗糙度為1^^時，若在O. 05 μ m ^ RaF ^ O. 15 μ m的范圍內(nèi)，則能夠漂亮地完成加工時的被切削材料的面。需要說明的是，為了提高熔粒的存在所產(chǎn)生的上述效果，在被覆層6的前刀面3的最大高度為RzK，被覆層6的后刀面4的最大高度為Rzf吋，優(yōu)選為O. 3 μ m彡Rzk < O. 9 μ m及O. 15 μ m ミ Rzf ミ O. 6 μ m。需要說明的是，被覆層6的前刀面的組成由TiaAlbMd(ChNx)(其中，M是從Si、W、Nb、Mo、Ta、Cr、Zr、Hf 及 Y 中選出的至少ー種，O. 35 彡 a 彡 O. 55，O. 3 彡 b 彡 O. 6，O.O^d^O. 25,0 ^ I)構(gòu)成。通過使被覆層6成為該組成范圍，被覆層6的氧化開始溫度升高，耐氧化性高且能夠減少固有的內(nèi)部應(yīng)力，耐缺損性高。而且，被覆層6由于硬度及與基體2的密接性高，因此被覆層6對于難切削材料的加工或干式切削、高速切削等的苛刻的切削條件下的耐磨損性及耐缺損性比較優(yōu)異。即，在被覆層6中，當(dāng)a(Ti組成比率)比O. 35小時，被覆層6的結(jié)晶結(jié)構(gòu)從立方晶向六方晶變化而硬度下降，因此耐磨損性下降。當(dāng)a(Ti組成比率)比O. 55大時，被覆層6的耐氧化性及耐熱性下降。a的特別優(yōu)選的范圍是O. 45彡a彡O. 5。而且，當(dāng)b (Al組成比率)比O. 3小時，被覆層6的耐氧化性及耐熱性下降。當(dāng)b (Al組成比)比O. 6大時，被覆層6的結(jié)晶結(jié)構(gòu)存在從立方晶向六方晶變化的傾向，硬度下降。b的特別優(yōu)選的范圍是
O.48彡b彡O. 52。需要說明的是，在被覆層的厚度為50nm以下較薄時，根據(jù)其上下層疊的層的結(jié)構(gòu)的不同，有時即使b比O. 6大也能夠維持立方晶的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。而且，當(dāng)d(金屬M組成比率)比O. 25大時，被覆層6的耐氧化性或由硬度下降引起的耐磨損性下降。d的特別優(yōu)選的范圍是O. 01彡d彡O. 22。需要說明的是，金屬M是從Si、W、Nb、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr、Y中選出的ー種以上的物質(zhì)，其中從硬度優(yōu)異的點出發(fā)優(yōu)選含有Si或W，從耐磨損性、耐氧化性最優(yōu)異的點出發(fā)優(yōu)選含有Nb或Mo。另外，被覆層6的非金屬成分即C、N在切削工具所需的硬度及韌性上優(yōu)異，X (N組成比率)的特別優(yōu)選的范圍是O. 5彡X彡I。另外，被覆層6可以是將由TialAlblMdl(CVxlNxl)(其中，O彡al彡1，O彡bl彡O. 8，
O彡 dl 彡 O. 4，al+bl+dl = 1,0 ^ I)表示的第一被覆層與由 Tia2Alb2Md2 (C1^x2Nx2)(其中，O 彡 a2 く 1,0 ^ b2 く O. 8,0 彡 d2 彡 O. 4，a2+b2+d2 = 1，并且排除 al = a2 且 bl = b2且cl = c2的情況。)表示的第二被覆層反復(fù)交替層疊十層以上的結(jié)構(gòu)。作為表面被覆層6的成膜方法，可以應(yīng)用離子鍍敷法或濺射法等物理蒸鍍(PVD)法，作為將這種熔粒7形成在被覆層6表面上的方法，優(yōu)選應(yīng)用電弧離子鍍敷法。需要說明的是，作為基體2，優(yōu)選使用由以碳化鎢或碳氮化鈦為主成分的硬質(zhì)相和以鈷、鎳等鐵族金屬為主成分的結(jié)合相構(gòu)成的超硬合金或金屬陶瓷的硬質(zhì)合金、將以氮化硅或氧化鋁為主成分的陶瓷、多結(jié)晶金剛石、立方晶氮化硼構(gòu)成的硬質(zhì)相和陶瓷或鐵族金屬等的結(jié)合相在超高壓下進(jìn)行燒成而得到的超高壓燒結(jié)體等硬質(zhì)材料。(制造方法)接下來，說明本發(fā)明的切削工具的制造方法。首先，使用現(xiàn)有公知的方法制作工具形狀的基體。接著，在基體的表面上成膜出被覆層。作為被覆層的成膜方法，可以優(yōu)選應(yīng)用離子鍍敷法或濺射法等物理蒸鍍(PVD)法。對于成膜方法的一例的詳細(xì)情況進(jìn)行說明時，在利用離子鍍敷法制作被覆層的情況下，使用分別獨立地含有金屬鈦(Ti)、金屬鋁(Al)以及根據(jù)需要而選擇的金屬M(其中，M是從Si、W、Nb、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中選出的至少ー種以上)的金屬祀(target)、復(fù)合化的合金革巴或燒結(jié)體靶，安置在腔室的側(cè)壁面位置。此時，根據(jù)本發(fā)明，準(zhǔn)備含有上述金屬的靶，并另外準(zhǔn)備Al或Ti含有得比上述靶多的副靶，將含有較多Al成分的副靶安置在腔室的上壁面位置，含有較多Ti成分的副靶安置在腔室的側(cè)壁面位置，利用后述的成膜條件進(jìn)行成膜，由此將成膜后的被覆層的組成及熔粒的組成形成為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。需要說明的是，作為靶的制作方法，在使用混合金屬粉末而燒固的燒結(jié)靶時，與使用先使金屬成分熔融而再次固化的合金靶相比，具有向被覆層的表面析出的熔粒的量增多的傾向。作為成膜條件，使用這些靶，通過電弧放電或輝光放電等使金屬源蒸發(fā)進(jìn)行離子化，同時，通過與氮源的氮(N2)氣或碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)氣體發(fā)生反應(yīng)的離子鍍敷法或濺射法而成膜出被覆層及熔粒。此時，基體的安置位置定位在后刀面與腔室的側(cè)面大致平行且前刀面與腔室的上表面大致平行的方向上。此時，通過向主靶流過100 200A
的電弧電流，向側(cè)面的含有較多Ti成分的副靶流過70 150A的電弧電流，向上表面的含有較多Al成分的副靶流過150 250A的電弧電流，而能夠?qū)⒈桓矊幼陨淼慕M成與熔粒的組成控制成不同，存在于前刀面上的熔粒與前刀面的被覆層的組成相比，Al的含有率高，存在于后刀面上的熔粒的組成與后刀面的被覆層的組成相比，Ti的含有率高。需要說明的是，側(cè)面的含有較多Ti成分的副靶僅在成膜即將結(jié)束之前流過電弧電流。需要說明的是，在通過離子鍍敷法或濺射法來成膜出上述被覆層時，考慮被覆層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，為了能夠制作高硬度的被覆層并提高與基體的密接性而優(yōu)選施加20 200V的偏置電壓。另外，為了成膜出上述層疊結(jié)構(gòu)的被覆層，將與第一被覆層的組成接近的組成的第一靶和與第二被覆層的組成接近的組成的第二靶這兩個組成的靶安裝在成膜裝置的側(cè)面，并且用于調(diào)整熔粒組成的靶安裝在距腔室的上壁面的第一靶或第二靶的位置近的位置，使試料在裝置內(nèi)旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行成膜，由此形成上述層疊結(jié)構(gòu)的被覆層。實施例I以平均粒徑O. 8 μ m的碳化鎢(WC)粉末為主成分，并將平均粒徑I. 2 μ m的金屬鈷(Co)粉末以10質(zhì)量％，平均粒徑LOym的碳化釩(VC)粉末以O(shè). I質(zhì)量％，平均粒徑
I.O μ m的碳化鉻(Cr3C2)粉末以O(shè). 3質(zhì)量％的比例添加于其中并進(jìn)行混合，通過沖壓成形而成形為DCGT11T302MFCQ形狀的不重磨刀片形狀之后，實施脫粘合劑處理，在O. OlPa的真空中，以1450°C燒成I小時而制作超硬合金。而且，對各試料的前刀面表面通過噴丸加工、電刷加工等而進(jìn)行研磨加工。然后，對制作的超硬合金利用電刷加工而實施刀尖處理(珩磨)。對于如此制作的基體，施加表I所示的成膜溫度及偏置電壓，使表I所示的電弧電流分別流過主靶、側(cè)面的副靶、上表面的副靶，從而成膜出表2所示的組成的被覆層。需要說明的是，側(cè)面的含有較多Ti成分的副靶僅在成膜即將結(jié)束之前流過電弧電流。[表 I]
權(quán)利要求
1.ー種切削工具，其中， 在前刀面與后刀面的交叉棱線具有切削刃，在基體的表面覆蓋由TiaAlbMd(ChNx)構(gòu)成的被覆層，其中，] 是從3し1、吣、]\10、1&、1^、0、21'及￥中選出的至少ー種，0. 35≤a≤0. 55，0.3 ≤ b ≤ 0. 6，0≤ d ≤0. 25，a+b+d = 1，0 ≤ x ≤ 1， 在該被覆層的表面存在熔粒，并且，存在于所述前刀面上的熔粒的組成與所述前刀面的所述被覆層的組成相比，Al的含有率高，而且，存在于所述后刀面上的熔粒的組成與所述后刀面的所述被覆層的組成相比，Ti的含有率高。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切削工具，其中， 存在于所述前刀面上的熔粒的Al的含有率AIdk與所述被覆層的所述前刀面的Al的含有率AIm之比為I. 05彡AlDE/AlbE彡I. 25，存在于所述后刀面上的熔粒的Ti的平均含有率TiDF與所述被覆層的所述后刀面的Ti的含有率TiaF之比為I. 03≤TiDF/TiaF≤1.2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的切削工具，其中， 在所述被覆層的前刀面的算木平均表面粗糙度及最大高度分別為RaK、RzK，所述被覆層的后刀面的算術(shù)平均表面粗糙度及最大高度分別為RaF、Rzf吋，0. 07 y m < RaE ^ 0. 3 u m,0. 3 u m ≤ Rze ≤ 0. 9 u m，0. 05 u m ≤ Rap ≤ 0. 15 u m，0. 15 u m ≤ Rzf ≤ 0. 6 u m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的切削工具，其中， 所述被覆層是由TialAlblMdl(Ch1Nxl)表示的第一被覆層與由Tia2Alb2Md2(CVx2Nx2)表示的第二被覆層反復(fù)交替層疊十層以上的結(jié)構(gòu)，其中，在 TialAlblMdl (Ch1Nxl)中，0 ≤ al ≤ 1，0 ≤ bl ≤ 0. 8，0 ≤ dl ≤ 0. 4，al+bl+dl =1,0 ≤ X ≤ 1，在 Tia2Alb2Md2(Ch2Nx2)中，0 ≤ a2 ≤ 1，0 ≤ b2 ≤ 0. 8，0 ≤ d2 ≤0. 4，a2+b2+d2 = 1，并且排除al = a2且bl = b2且cl = c2的情況。
全文摘要
提供一種耐氧化性、耐磨損性高且耐缺損性優(yōu)異的切削工具。切削工具(1)包括基體(2)和由TiaAlbMd(C1-xNx)(其中，M是從Si、W、Nb、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中選出的至少一種，0.35≤a≤0.55，0.3≤b≤0.6，0≤d≤0.25，a+b+d＝1，0≤x≤1)構(gòu)成的被覆層(6)，前刀面(3)的被覆層(6)上的熔粒(7)的Al含有率比被覆層(6)的組成的Al含有率多，且后刀面(4)上的熔粒(7)的Ti含有率比被覆層(6)的組成的Ti含有率多。
文檔編號C23C14/06GK102821897SQ201180016829
公開日2012年12月12日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者脅真宏, 長谷川充 申請人:京瓷株式會社