表面被覆的金属陶瓷制切削工具制造技术

本发明专利技术提供硬质被覆层在高速断续切削加工中发挥优异的抗破损性的被覆金属陶瓷的工具。该表面被覆金属陶瓷的切削工具是在由ＷＣ基超硬合金或ＴｉＣＮ基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀硬质被覆层而形成的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及特别是即使在高速切削的条件下进行各种钢或铸铁等被切削材料的断续切削加工时，硬质被覆层也发挥优异的抗破损性的表面被覆金属陶瓷制切削工具(以下称为被覆金属陶瓷工具)。目前，已知通常在由碳化钨(以下以WC表示)基超硬合金或碳氮化钛(以下以TiCN表示)基金属陶瓷构成的基体(以下将其总称为工具基体)的表面蒸镀由以下(a)和(b)构成的硬质被覆层，形成被覆金属陶瓷工具，已知该被覆金属陶瓷工具例如可用于各种钢或铸铁等的连续切削或断续切削(a)下层为含有Ti的碳化物(以下以TiC表示)层、氮化物(以下同样以TiN表示)层、碳氮化物(以下以TiCN表示)层、碳氧化物(以下以TiCO表示)层、和碳氮氧化物(以下以TiCNO表示)层中的1层或2层或2层以上，且具有3-20μm的总平均层厚的Ti化合物层、(b)上层为具有1-15μm的平均层厚、且在化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构的氧化铝层(以下称为α型Al2O3层)。已知上述被覆金属陶瓷工具中，该硬质被覆层的构成层通常具有粒状晶体结构，并且，为了提高层本身的强度，通过使用常规化学蒸镀装置，使用含有有机碳氮化物的混合气体作为反应气体，在700-950℃的中温温度区进行化学蒸镀而形成构成下层Ti化合物层的TiCN层，使其具有纵向生长晶体结构。已知构成上述被覆金属陶瓷工具的硬质被覆层的α型Al2O3层由下述晶粒构成该晶粒具有晶格点上分别存在由Al和氧组成的构成原子的刚玉型密排六方晶系的晶体结构，即α型Al2O3晶胞的原子排列具有如图1中图所示的晶体结构。日本特开平6-31503号公报日本特开平6-8010号公报
技术实现思路
近年来，切削装置的高性能化得到显著发展，人们对于切削加工的省力和节能以及低成本的要求愈发强烈，随之，切削加工有高速化的趋势，在将上述以往的被覆金属陶瓷工具用于常规条件下的钢或铸铁等的连续切削或断续切削时是没有问题的，但特别是在高速加工条件下用于断续切削加工时，构成硬质被覆层的α型Al2O3层并不具备足够的抗冲击性，因此，上述硬质被覆层容易发生破损(微小崩裂)，结果在较短的时间内即达到使用寿命。因此，本专利技术人从上述角度考虑，着眼于上述由α型Al2O3层构成硬质被覆层上层的被覆金属陶瓷工具，特别以提高上述α型Al2O3层的抗冲击性为目的进行了研究，得到了以下(a)-(c)所示的研究结果(a)构成现有被覆金属陶瓷工具的硬质被覆层上层的α型Al2O3层例如是通过常规化学蒸镀装置，在以下条件(称为常规条件)下蒸镀形成的反应气体组成按照体积％，AlCl32-4％、CO26-8％、HCl1.5-3％、H2S0.05-0.2％、H2余量反应气氛温度1020-1050℃反应气氛压力6-10kPa，而如在以下条件反应气体组成按照体积％，AlCl36-10％、CO210-15％、HCl3-5％、H2S0.05-0.2％、H2余量反应气氛温度1020-1050℃反应气氛压力3-5kPa，即在与上述常规条件相比，将反应气体组成中AlCl3、CO2和HCl的含有比例相对提高，且将氛围气体压力相对降低的条件(调节为高比例含有反应气体的低压条件)下蒸镀形成，结果，在调节为高比例含有反应气体成分的低压条件下形成的α型Al2O3层(以下称为“改性α型Al2O3层”)的高温强度进一步提高，具备优异的耐机械冲击性，因此硬质被覆层的上层由上述改性α型Al2O3层构成、下层由上述Ti化合物层构成的被覆金属陶瓷工具即使在伴随有特别剧烈的机械冲击的高速断续切削加工中，上述硬质被覆层也可发挥优异的抗破损性，长期显示优异的耐磨损性。(b)使用场致发射扫描电子显微镜，如图2(a)、(b)的示意图所例示，对构成上述现有被覆金属陶瓷工具的硬质被覆层上层的α型Al2O3层(以下称为“现有α型Al2O3层”)和上述(a)的改性α型Al2O3层存在于表面研磨面测定范围之内的各晶粒分别照射电子射线，测定上述晶粒的晶面(0001)面和(10-10)面的法线与上述表面研磨面的法线所成的倾斜角，如上所述，此时上述晶粒具有晶格点上分别存在由A1和氧组成的构成原子的刚玉型密排六方晶系的晶体结构，根据所得的测定倾斜角，计算在相邻的晶粒的界面上，上述各构成原子在上述晶粒之间共有一个构成原子的晶格点(共有构成原子的晶格点)的分布，将在上述共有构成原子的晶格点间存在N个(N为刚玉型密排六方晶系的晶体结构中2或2以上的偶数，从分布频率考虑，N的上限为28时，不存在偶数4、8、14、24和26)不共有构成原子的晶格点的共有构成原子的晶格点形态表示为∑N+1，制作表示各∑N+1占总∑N+1的分布比例的共有构成原子的晶格点分布图(此时由上述结果可知不存在∑5、∑9、∑15、∑25和∑27的共有构成原子的晶格点形态)，则上述现有α型Al2O3层如图5所例示的那样，显示∑3的分布比例为30％或以下的相对低的共有构成原子的晶格点分布图，而上述改性α型Al2O3层如图4所例示的那样，显示∑3的分布比例为60-80％的极高的共有构成原子的晶格点分布图，该高的∑3的分布比例随构成反应气体的AlCl3、CO2和HCl的含有比例以及氛围气体反应压力而变化。如以示意图例示，则上述改性α型Al2O3层和现有α型Al2O3层中，相邻晶粒界面上的共有构成原子的晶格点形态中，∑3、∑7和∑11的单位形态如图3(a)-(c)所示。(c)上述改性α型Al2O3层除α型Al2O3层本身所具备的优异的高温硬度和耐热性之外，与上述现有α型Al2O3层相比，具备更高的高温强度，因此在以其作为硬质被覆层的上层进行蒸镀形成的被覆金属陶瓷工具中，与其下层TiCN层所具备的优异的高温强度协同起来，特别是用于在高速切削条件下进行断续切削加工时，与上述以现有α型Al2O3层为上层进行蒸镀而形成的现有被覆金属陶瓷工具相比，硬质被覆层可发挥更为优异的抗破损性。本专利技术是基于上述研究结果而实现的，具有以下特征是在由WC基超硬合金或TiCN基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀由下述(a)和(b)构成的硬质被覆层而形成的、硬质被覆层在高速断续切削加工中发挥优异的抗破损性的被覆金属陶瓷工具(a)下层为包含TiC层、TiN层、TiCN层、TiCO层和TiCNO层中的1层或2层或2层以上，且具有3-20μm的总平均层厚的Ti化合物层、(b)上层为改性α型Al2O3层，该改性α型Al2O3层具有1-15μm的平均层厚，且在进行了化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构，同时，使用场致发射扫描电子显微镜对存在于表面研磨面测定范围之内的具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测定上述晶粒的晶面(0001)面和(10-10)面的法线与上述表面研磨面的法线所成的倾斜角，此时上述晶粒具有在晶格点上分别存在由Al和氧组成的构成原子的刚玉型密排六方晶系的晶体结构，根据所得的测定倾斜角，计算在相邻的晶粒的界面上上述各构成原子在上述晶粒间共有一个构成原子的晶格点(共有构成原子的晶格点)的分布，将在上述共有构成原子的晶格点间存在N个(N为刚玉型密排六方晶系晶体结构上2或2以上的偶数，从分布频率考虑，N的上限为28时，不存在偶数4、8、14、24和26)不共有构成原子的晶格点的共有构成原子晶格点形态表示为∑N+1，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
表面被覆的金属陶瓷制切削工具，该工具是在由碳化钨基超硬合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面蒸镀由下述（ａ）和（ｂ）构成的硬质被覆层而形成的，硬质被覆层在高速断续切削加工中发挥优异的抗破损性：（ａ）下层为含有Ｔｉ的碳化物层、氮 化物层、碳氮化物层、碳氧化物层、和碳氮氧化物层中的１层或２层或２层以上，且具有３－２０μｍ的总平均层厚的Ｔｉ化合物层、（ｂ）上层为氧化铝层，该氧化铝层具有１－１５μｍ的平均层厚，且在进行了化学蒸镀的状态下具有α型晶体结构，并且用场致 发射扫描电子显微镜对存在于表面研磨面测定范围之内具有六方晶系晶格的晶粒分别照射电子射线，测定上述晶粒的晶面（０００１）面和（１０－１０）面的法线与上述表面研磨面的法线所成的倾斜角，此时上述晶粒具有在晶格点上分别存在由Ａ１和氧组成的构成原子的刚玉型密排六方晶系的晶体结构，结果根据所得的测定倾斜角，计算在相邻的晶粒的界面上，上述各构成原子在上述晶粒之间共有一个构成原子的晶格点（共有构成原子的晶格点）的分布，当将在上述共有构成原子的晶格点间存在Ｎ个（Ｎ为刚玉型密排六方晶系的晶体结构上２或２以上的偶数，从分布频率考虑，Ｎ的上限为２８时，不存在偶数４、８、１４、２４和２６）不共有构成原子的晶格点的共有构成原子晶格点形态表示为∑Ｎ＋１时，在表示各∑Ｎ＋１占总∑Ｎ＋１的分布比例的共有构成原子的晶格点分布图中，在∑３存在最高峰，且显示上述∑３点总∑Ｎ＋１的分布比例为６０－８０％的共有构成原子的晶格点分布图。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：本间尚志，长田晃，中村惠滋，早樋拓也，
申请(专利权)人：三菱综合材料株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]