耐崩刀性和耐磨性优异的表面包覆切削工具制造技术

在表面包覆切削工具中，硬质包覆层至少包含(Al、Cr、Si、Cu)层，该层由主相、分散分布于主相中的富CrSi颗粒及富Al颗粒构成，在由(Al1‑α‑β‑γCrαSiβCuγ)1‑xNx表示所述主相、富CrSi颗粒及富Al颗粒的组成的情况下，所述主相满足0.15≤α≤0.40、0.05≤β≤0.20、0.005≤γ≤0.05、0.45≤x≤0.60，所述富CrSi颗粒满足0.20≤α≤0.55、0.20≤β≤0.55、0≤γ≤0.10、0.02≤x≤0.35，所述富Al颗粒满足0.10≤α≤0.25、0.05≤β≤0.25、0≤γ≤0.10、0.02≤x≤0.35，其中，α、β、γ及x均为原子比，对所述上部层的截面观察长径为100nm以上的颗粒时，富CrSi颗粒在上部层截面中所占的面积率为0.20面积％以上且2.0面积％以下，并且，富Al颗粒在上部层截面中所占的面积率为0.50面积％以上且3.0面积％以下。

Surface coated cutting tools with excellent resistance to erosion and abrasion resistance

In surface coated cutting tools, the hard coat includes at least (Al, Cr, Si, Cu) layer, which is composed of the main phase, CrSi-rich particles dispersed in the main phase and Al-rich particles. When the main phase is composed of (Al1 gamma CrAlAlAlAlSiBeCugam) 1 xNx indicating the composition of the main phase, CrSi-rich particles and Al-rich particles, the main phase is full. Foot 0.15 < a < 0.40, 0.05 < beta < 0.20, 0.005 < gamma < 0.05, 0.45 < x < 0.60. The CrSi-rich particles satisfy 0.20 < a < 0.55, 0.20 < beta < 0.55, 0 < gamma < 0.10, 0.02 < x < 0.35. The Al-rich particles satisfy 0.10 < a < 0.25, 0 < gamma < 0.25, 0 < gamma < 0.10, 0.02 < x < 0.35, where alpha, beta, gamma and X are all equal to 0.35. For the atomic ratio, when the cross section of the upper layer is over 100 nm, the area ratio of CrSi-rich particles in the cross section of the upper layer is more than 0.20% and less than 2.0%, and the area ratio of Al-rich particles in the cross section of the upper layer is more than 0.50% and less than 3.0%.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】耐崩刀性和耐磨性优异的表面包覆切削工具
本专利技术涉及一种表面包覆切削工具(以下，称为包覆工具)，其在淬火钢等高硬度材料的切削加工中，硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性及耐磨性，且在长期使用中发挥优异的切削性能。本申请主张基于2016年3月11日于日本申请的专利申请2016-047919号的优先权，并将其内容援用于此。
技术介绍
一般，作为包覆工具，已知有在各种钢或铸铁等工件材料的车削加工或刨削加工中装卸自如地安装在车刀的前端部来使用的可转位刀片、所述工件材料的钻孔切削加工等中所使用的钻头或小型钻头、所述工件材料的端面切削加工或槽加工、台阶面加工等中所使用的立铣刀、以及所述工件材料的齿形的切齿加工等中所使用的整体滚刀、插齿刀等。并且，以改善包覆工具的切削性能为目的，以往提出了各种建议。例如，如专利文献1所示，提出有如下的包覆工具：即，在碳化钨(以下，由WC表示)基硬质合金、碳氮化钛(以下，由TiCN表示)基金属陶瓷等工具基体的表面包覆一层以上由以Cr、Al及Si为主要成分的金属成分以及选自C、N、O及B中的至少一种以上元素构成的立方晶结构的硬质层，由此改善了耐缺损性、耐磨性。并且，专利文献2中记载有如下的内容：在工具基体表面包覆硬质包覆层而成的包覆工具中，将硬质膜的至少一层设为(MaLb)Xc(其中，M表示选自Cr、Al、Ti、Hf、V、Zr、Ta、Mo、W及Y中的至少一种金属元素，L表示选自Mn、Cu、Ni、Co、B、Si及S中的至少一种添加元素，X表示选自C、N及O中的至少一种非金属元素，a表示M相对于M与L的总计的原子比，b表示L相对于M与L的总计的原子比，c表示X相对于M与L的总计的原子比。并且，a，b，c分别满足0.85≤a≤0.99、0.01≤b≤0.15、a+b＝1、1.00＜c≤1.20)，由此通过因作为硬质膜的成分的Cu、Si等产生的晶粒的微细化、晶体稳定性，高温硬度变高且耐磨性提高，进一步抗氧化性也提高。而且，在专利文献3中记载有如下的内容：在工具基体表面物理蒸镀由Cr和Al的复合氮化物构成的硬质包覆层而成的包覆工具中，通过将硬质包覆层设为如下硬质包覆层，从而在重切削加工条件下硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性，该硬质包覆层具有Al最高含有点与Al最低含有点沿层厚方向以规定的间隔交替重复存在并且Al含量在所述两点之间连续发生变化的成分浓度分布结构，而且，上述Al最高含有点满足组成式：(Cr1-XAlX)N(其中，以原子比计，X表示0.40～0.60)，并且，上述Al最低含有点满足组成式：(Cr1-YAlY)N(其中，以原子比计，Y表示0.05～0.30)，并且，相邻的上述Al最高含有点与Al最低含有点之间的间隔为0.01～0.1μm。专利文献1：日本专利第3781374号公报(B)专利文献2：日本特开2008-31517号公报(A)专利文献3：日本特开2004-50381号公报(A)近年来，切削加工装置的高性能化很惊人，另一方面，对于切削加工的节省劳力化及节能化以及低成本化的要求较强，随此，切削加工逐渐趋于高速化及高效化，但是在上述以往的包覆工具中，在将该包覆工具用于钢、铸铁等的一般的切削条件下的切削加工中的情况下，虽然不会发生特别的问题，但是在将该包覆工具用于例如淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工那样的伴有高热发生，而且对切削刃施加冲击性及断续性高负荷的切削加工中的情况下，无法抑制崩刀、缺损的产生，并且，还促进磨损的进展，因此现状是该包覆工具在比较短时间内就达到使用寿命。例如，在专利文献1中所示的以往包覆工具中，构成硬质包覆层的(Al、Cr、Si)N层中，Al成分具有提高高温硬度的作用，Cr成分具有提高高温韧性、高温强度的作用，并且在同时含有Al及Cr的状态下具有提高高温抗氧化性的作用，而且Si成分具有提高耐热塑性变形性的作用，但是在伴有高热发生，而且对切削刃施加冲击性及断续性高负荷的切削条件下，无法避免崩刀、缺损等的产生，例如，即使欲通过增加Cr含有比例来实现高温韧性、高温强度的改善，也因Al含有比例的相对减少而导致耐磨性下降，因此同时实现由(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层中的耐崩刀性和耐磨性本身存在极限。并且，在专利文献2中所示的以往包覆工具中，提出有作为硬质包覆层成分而含有Cu，且通过实现晶粒的微细化来提高耐磨性的建议，虽然耐磨性提高，但因韧性降低而无法抑制崩刀的产生，因此工具寿命较短。而且，在专利文献3中所示的以往包覆工具中，通过在硬质包覆层中形成重复成分浓度发生变化的组成调制结构，高温硬度和耐热性在Al最高含有点(相当于Cr最低含有点)得到确保，另一方面，硬质包覆层的强度在与Al最高含有点(相当于Cr最低含有点)相邻的Al最低含有点(相当于Cr最低含有点)得到确保，由此确保耐崩刀性和耐磨性，可在一般的钢或合金钢、铸铁的切削加工中获得一定程度的效果，然而在高硬度材料(例如，HRC60以上)的切削加工中，因作用于切削刃的冲击性及断续性高负荷，不能说耐崩刀性和耐磨性足够。
技术实现思路
因此，本申请专利技术人等根据上述观点，为了开发在如淬火钢等高硬度材料的高速铣削加工的伴有高热发生，而且冲击性及断续性高负荷作用于切削刃的切削加工条件下，硬质包覆层能够兼顾优异的耐崩刀性和耐磨性的包覆工具，着眼于构成硬质包覆层的成分及层结构进行研究的结果，获得了如下见解。即，本申请专利技术人发现了：作为由(Al、Cr、Si)N层构成的硬质包覆层的成分，含有Cu，在工具基体表面形成由Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层(以下，还有时由“(Al、Cr、Si、Cu)N层”表示)构成的硬质包覆层，由此实现基于晶粒微细化的耐磨性的提高，并且使组成不同的两种颗粒、具体而言富CrSi颗粒和富Al颗粒同时存在于由所述(Al、Cr、Si、Cu)N层构成的硬质包覆层内，而且将所述两种颗粒在所述硬质包覆层中所占的面积率分别确定在特定范围，由此所述(Al、Cr、Si、Cu)N层显示优异的耐崩刀性和耐磨性。并且，本申请专利技术人发现了：设置用于提高所述(Al、Cr、Si、Cu)N层与工具基体的粘附强度的下部层，或者为了进一步提高粘附强度，在下部层与所述(Al、Cr、Si、Cu)N层之间夹入形成中间层，由此在如淬火钢等高硬度材料的断续切削加工那样的伴有高热发生，而且对切削刃施加较大的冲击性及机械性负荷的切削加工条件下，也不会产生剥离等，从而能够同时实现优异的耐崩刀性和优异的耐磨性。所述(Al、Cr、Si、Cu)N层、下部层及中间层均能够通过PVD法形成于工具基体表面上。例如，能够使用在图3中表示其概略的电弧离子镀(以下，由“AIP”表示)装置1来进行所述各层的成膜，但是尤其在进行(Al、Cr、Si、Cu)N层的成膜时，作为其成膜条件，尤其控制施加于靶上的磁通量密度的强度及电弧电流的大小，由此能够使规定的面积率的富CrSi颗粒和富Al颗粒同时生成于(Al、Cr、Si、Cu)N层中。并且发现了：存在于(Al、Cr、Si、Cu)N层中的规定的面积率的富CrSi颗粒有助于提高该层的高温强度，并且存在于该层中的规定的面积率的富Al颗粒有助于提高抗氧化性。其结果，包覆形成有所述硬质包覆层的本申请专利技术所涉及的包覆工具，在断续性及冲击性高负荷作用于切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体及高速工具钢中的任一个构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，该表面包覆切削工具的特征在于，(a)所述硬质包覆层至少包含Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层，(b)所述Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层由主相和分散分布于主相中的富CrSi颗粒及富Al颗粒构成，在由组成式：(Al1‑α‑β‑γCrαSiβCuγ)1‑xNx表示所述主相、富CrSi颗粒及富Al颗粒的组成的情况下，其中，α、β、γ及x均表示原子比，(c)所述主相满足0.15≤α≤0.40、0.05≤β≤0.20、0.005≤γ≤0.05、0.45≤x≤0.60，(d)所述富CrSi颗粒满足0.20≤α≤0.55、0.20≤β≤0.55、0≤γ≤0.10、0.02≤x≤0.35，(e)所述富Al颗粒满足0.10≤α≤0.25、0.05≤β≤0.25、0≤γ≤0.10、0.02≤x≤0.35，(f)观察所述Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层的纵截面时，长径为100nm以上的所述富CrSi颗粒在该纵截面中所占的占有面积率为0.20面积％以上且2.0面积％以下，并且长径为100nm以上的所述富Al颗粒在该纵截面中所占的占有面积率为0.50面积％以上且3.0面积％以下。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.11 JP 2016-0479191.一种表面包覆切削工具，其在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷、立方晶氮化硼烧结体及高速工具钢中的任一个构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，该表面包覆切削工具的特征在于，(a)所述硬质包覆层至少包含Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层，(b)所述Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层由主相和分散分布于主相中的富CrSi颗粒及富Al颗粒构成，在由组成式：(Al1-α-β-γCrαSiβCuγ)1-xNx表示所述主相、富CrSi颗粒及富Al颗粒的组成的情况下，其中，α、β、γ及x均表示原子比，(c)所述主相满足0.15≤α≤0.40、0.05≤β≤0.20、0.005≤γ≤0.05、0.45≤x≤0.60，(d)所述富CrSi颗粒满足0.20≤α≤0.55、0.20≤β≤0.55、0≤γ≤0.10、0.02≤x≤0.35，(e)所述富Al颗粒满足0.10≤α≤0.25、0.05≤β≤0.25、0≤γ≤0.10、0.02≤x≤0.35，(f)观察所述Al、Cr、Si及Cu的复合氮化物层的纵截面时，长径为100nm以上的所述富CrSi颗粒在该纵截面中所占的占有面积率为0.20面积％以上且2.0面积％以下，并且长径为100nm以上的所述富Al颗粒在该纵截面中所占的占有面积率为0.50面积％以上且3.0面积％以下。2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，在对...

【专利技术属性】
技术研发人员：大上强，桥本达生，一宫夏树，
申请(专利权)人：三菱综合材料株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP