硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性的表面包覆切削工具制造技术

本发明专利技术提供在高速断续切削加工中硬质包覆层具备优异的耐崩刀性、耐缺损性，在长期使用中发挥优异的耐磨损性的包覆工具。硬质包覆层至少包含由组成式(Ti1‑xAlx)(CyN1‑y)表示的复合氮化物层或复合碳氮化物层，在该层的具有NaCl型面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒中存在周期性浓度变化，且该周期性浓度变化的方向至少包含跟与工具基体表面平行的面所成的角度在30度以内的方向，优选为该层具有柱状组织，存在Ti和Al的周期性浓度变化的面积比例为40面积％以上，浓度变化周期为1～10nm，且周期性变化的Al的含有比例x的极大值的平均与极小值的平均之差为0.01～0.1，在晶粒的晶界中存在平均粒径为0.01～0.3μm的六方晶结构的微晶粒为5面积％以下。

Hard cladding with excellent cutting tool resistant surface cutting tools

The invention provides a hard coating layer with excellent anti collapse property and defect resistance in high speed interrupted cutting process, and a coating tool that plays an excellent wear resistance in long-term use. The hard coating layer contains at least consists of type (Ti1 (CyN1 y xAlx)) composite nitride layer or a composite carbon nitride layer said, existence of cyclical changes in concentration in the grain with NaCl type face centered cubic structure of nitride compound or composite carbon nitride of the layer, and the change of the concentration of the cycle in the direction of at least to the surface and the tool matrix parallel to the surface by the angle within 30 degrees direction, preferably the layer having a columnar structure, the area proportion of cyclical changes in concentration of Ti and Al for the 40 area%, the concentration change period is 1 ~ 10nm, the difference between the average and cyclical changes Al contains a ratio of X maximum and minimum average value is 0.01 ~ 0.1, the grain boundary has an average particle size of 0.01 ~ 0.3 m six crystal structure of microcrystalline grains 5 area%.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性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)，其在合金钢、铸铁、不锈钢等的伴随高热产生且冲击性负荷作用于切削刃的断续切削加工中，通过硬质包覆层具备优异的耐崩刀性及耐剥离性而在长期使用中发挥优异的切削性能。
技术介绍
以往，已知有如下包覆工具：通常在由碳化钨(以下由WC表示)基硬质合金、碳氮化钛(以下由TiCN表示)基金属陶瓷或立方晶氮化硼(以下由cBN表示)基超高压烧结体构成的工具基体(以下，将这些统称为工具基体)的表面，通过物理蒸镀法包覆形成Ti-Al系复合氮化物层而作为硬质包覆层，并且已知它们发挥优异的耐磨损性。但是，所述以往的包覆形成有Ti-Al系复合氮化物层的包覆工具虽然耐磨损性比较优异，但是当在高速断续切削条件下使用时容易产生崩刀等异常磨损，因此提出了关于改善硬质包覆层的各种方案。例如，在专利文献1中公开有如下内容：通过在工具基体表面蒸镀形成如下的硬质包覆层，从而即使在高速断续切削条件下硬质包覆层也发挥优异的耐缺损性，该硬质包覆层为，由满足组成式(AlxTi1-x)N(其中，以原子比，x为0.40～0.65)的Al和Ti的复合氮化物层构成，关于该复合氮化物层，在通过EBSD对晶体方位进行分析的情况下，从表面研磨面的法线方向在0～15度的范围内具有晶体方位＜100＞的晶粒的面积比例为50％以上，并且在测定相邻的晶粒彼此所成角度的情况下，显示出小角度晶界(0＜θ≤15゜)的比例为50％以上这样的晶体排列。但是，该包覆工具中，由于通过物理蒸镀法来蒸镀形成硬质包覆层，因此难以将Al的含有比例x设为0.65以上，从而期待更进一步提高切削性能。从这种观点考虑，还提出了如下技术：通过用化学蒸镀法来形成硬质包覆层，将Al的含有比例x提高至0.9左右。例如在专利文献2中提出有如下方案：将TiCN层、Al2O3层作为内层，在其上通过化学蒸镀法将立方晶结构或包含六方晶结构的立方晶结构的(Ti1-xAlx)N层(其中，以原子比，x为0.65～0.90)作为外层而包覆，并且通过对该外层施加100～1100MPa的压缩应力来改善包覆工具的耐热性及疲劳强度。并且，例如，在专利文献3中记载有如下内容：在TiCl4、AlCl3、NH3的混合反应气体中，通过在650～900℃温度范围内进行化学蒸镀，从而能够蒸镀形成Al的含有比例x的值为0.65～0.95的(Ti1-xAlx)N层，但在该文献中，以在该(Ti1-xAlx)N层上进一步包覆Al2O3层而提高隔热效果为目的，因此通过形成将Al的含有比例x的值提高至0.65～0.95的(Ti1-xAlx)N层，对切削性能带来什么样的影响并不明确。并且，专利文献4中提出有如下包覆工具：在包覆形成有至少包含由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的复合氮化物层或复合碳氮化物层(其中，以原子比，0.60≤x≤0.95、且0≤y≤0.005)的硬质包覆层的包覆工具中，构成复合氮化物层或复合碳氮化物层的晶粒由立方晶结构及六方晶结构构成，通过将立方晶晶相所占的面积比例设为30～80面积％，将具有立方晶结构的晶粒的平均粒子宽度W设为0.05～1.0μm，将平均纵横尺寸比设为5以下，进而在具有立方晶结构的晶粒内形成Ti和Al的规定周期的浓度变化，从而具备优异的硬度及韧性，且耐崩刀性、耐缺损性也优异。专利文献1：日本专利公开2009-56540号公报专利文献2：日本专利公表2011-513594号公报专利文献3：日本专利公表2011-516722号公报专利文献4：日本专利公开2014-210333号公报近年来，对切削加工中的节省劳力化及节能化的要求增加，随之，切削加工有进一步高速化、高效率化的趋势，进一步对包覆工具要求耐崩刀性、耐缺损性、耐剥离性等耐异常损伤性，并且要求在长期使用中发挥优异的耐磨损性。但是，所述专利文献1中所记载的包覆工具中，由(Ti1-xAlx)N层构成的硬质包覆层通过物理蒸镀法蒸镀形成，难以提高硬质包覆层中的Al的含有比例x，因此，存在例如用于合金钢、铸铁、不锈钢等的高速断续切削时不能说耐磨损性、耐崩刀性充分的问题。另一方面，所述专利文献2中所记载的包覆工具虽然具有规定的硬度且耐磨损性优异，但韧性差，从而存在用于合金钢、铸铁、不锈钢的高速断续切削加工等时容易产生崩刀、缺损、剥离等异常损伤，不能说发挥令人满意的切削性能的问题。并且，关于通过所述专利文献3中所记载的化学蒸镀法蒸镀形成的(Ti1-xAlx)N层，由于能够提高Al的含有比例x，并且能够形成立方晶结构，因此获得具有规定的硬度且耐磨损性优异的硬质包覆层，但存在与工具基体之间的粘附强度不充分，并且韧性差的问题。而且，所述专利文献4中所记载的蒸镀形成有由(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示的复合氮化物层或复合碳氮化物层的包覆工具通过在具有所述立方晶结构的晶粒内沿层厚方向存在Ti和Al的周期性浓度变化而使立方晶晶粒内产生变形以提高硬度，并且尤其抑制向层厚方向的龟裂扩展，其结果，耐崩刀性、耐缺损性得到提高，但存在切削时由作用于磨损加深的面的剪切力而产生的向与基体平行的方向的龟裂的扩展抑制并不充分的问题。
技术实现思路
于是，本专利技术的目的在于提供一种包覆工具，所述包覆工具即使用于合金钢、铸铁、不锈钢等的高速断续切削等时，也具备优异的韧性，且在长期使用中发挥优异的耐崩刀性、耐磨损性。本专利技术人等从前述观点出发，为了改善通过化学蒸镀来蒸镀形成有至少包含Ti和Al的复合氮化物或复合碳氮化物(以下，有时由“(Ti、Al)(C、N)”或“(Ti1-xAlx)(CyN1-y)”表示)的硬质包覆层的包覆工具的耐崩刀性、耐磨损性，经过重复进行深入的研究的结果，得出了如下见解。即，本专利技术人等关注构成硬质包覆层的(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的晶粒内的浓度变化而进行了深入研究，其结果，当(Ti1-xAlx)(CyN1-y)层的具有立方晶体结构的晶粒内形成了Ti和Al的周期性浓度变化时，即使高负荷作用于刀刃，也产生对于剪切力的缓冲作用，由此抑制龟裂的扩展，并且(Ti、Al)(C、N)层的韧性得到提高。而且，(Ti、Al)(C、N)层的层厚方向的导热性得到提高，因此在切削加工时成为高温的刀刃的硬度下降得到抑制，其结果，耐磨损性下降得到抑制。因此，发现了能够提高高速断续切削加工时的(Ti、Al)(C、N)层的耐崩刀性这一新的见解。具体而言，发现了如下内容。当硬质包覆层至少包含Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层，且由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示时，Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg(其中，Xavg、Yavg均为原子比)分别满足0.40≤Xavg≤0.95、且0≤Yavg≤0.005，在构成复合氮化物层或复合碳氮化物层的晶粒中存在具有NaCl型面心立方结构的晶粒，并且，在所述具有NaCl型面心立方结构的晶粒内存在组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)时的Ti和Al的周期性浓度变化，且该周期性浓度变化的方向为跟与工具基体表面平行的面所成的角度在30度以内的方向，并且，优选为该周期性浓度变化的周本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任一种构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，其特征在于，(a)所述硬质包覆层至少包含平均层厚1～20μm的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层，(b)所述复合氮化物层或复合碳氮化物层至少包含具有NaCl型面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，(c)当从与工具基体的表面垂直的任意剖面对所述复合氮化物层或复合碳氮化物层进行分析时，在具有所述NaCl型面心立方结构的晶粒内存在Ti和Al的周期性浓度变化，当求出该Ti和Al的周期性浓度变化中浓度变化的周期成为最小的方向时，至少存在该浓度变化的周期成为最小的方向与工具基体表面所成的角度在30度以内的、具有NaCl型面心立方结构的晶粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.26 JP 2015-106851;2016.05.20 JP 2016-101461.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷或立方晶氮化硼基超高压烧结体中的任一种构成的工具基体的表面设置有硬质包覆层，其特征在于，(a)所述硬质包覆层至少包含平均层厚1～20μm的Ti和Al的复合氮化物层或复合碳氮化物层，(b)所述复合氮化物层或复合碳氮化物层至少包含具有NaCl型面心立方结构的复合氮化物或复合碳氮化物的晶粒，(c)当从与工具基体的表面垂直的任意剖面对所述复合氮化物层或复合碳氮化物层进行分析时，在具有所述NaCl型面心立方结构的晶粒内存在Ti和Al的周期性浓度变化，当求出该Ti和Al的周期性浓度变化中浓度变化的周期成为最小的方向时，至少存在该浓度变化的周期成为最小的方向与工具基体表面所成的角度在30度以内的、具有NaCl型面心立方结构的晶粒。2.根据权利要求1所述的表面包覆切削工具，其特征在于，关于所述复合氮化物层或复合碳氮化物层，当将其组成由组成式：(Ti1-xAlx)(CyN1-y)表示时，Al在Ti和Al的总量中所占的平均含有比例Xavg及C在C和N的总量中所占的平均含有比例Yavg分别满足0.40≤Xavg≤0.95、且0≤Yavg≤0.005，其中，Xavg、Yavg均为原子比。3.根据权利要求1或2所述的表面包覆切削工具，其特征在于，从所述剖面观察所述复合氮化物层或复合碳氮化物层时，存在所述Ti和Al的周期性浓度变化，...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳泽光亮，龙冈翔，佐藤贤一，山口健志，
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