表面包覆切削工具构件和在其上形成硬质包覆层的方法技术

本发明专利技术提供一种因硬质包覆层而表现出优异的寿命特性的表面包覆切削工具构件。包含Ｔｉ－Ｙ复合氮化物的硬质包覆层在碳化钨基超硬合金基体、碳氮化钛基金属陶瓷基体或立方晶氮化硼基烧结材料基体的表面上通过物理汽相沉积形成到总平均层厚１至１５μｍ。该硬质包覆层具有成分浓度分布结构，其中Ｙ成分最大含量点（Ｔｉ成分最小含量点）和不含Ｙ成分点（ＴｉＮ点）以预定的间隔沿着层厚交错，而且从Ｙ成分最大含量点到不含Ｙ成分点、从不含Ｙ成分点到Ｙ成分最大含量点，Ｙ成分含量连续变化。上述Ｙ成分最大含量点满足结构式（Ｔｉ↓［１－ｘ］Ｙ↓［ｘ］）Ｎ（其中，ｘ为０．００５～０．１５原子比），而且相邻的上述Ｙ成分最大含量点与不含Ｙ成分点的间隔为０．０１～０．１μｍ。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在伴随产生高热的高速切削条件下进行各种钢或铸铁等的切削加工的场合，或者在伴随高的机械冲击的高吃刀或高走刀等重型切削的条件下进行各种钢或铸铁的切削加工的场合，硬质包覆层具有优异的高温特性和强度，借此表现出优异的寿命特性的包覆切削工具，以及在切削工具表面上形成上述硬质包覆层的方法。
技术介绍
一般来说，在包覆切削工具中，有装拆自如的安装于刀具的前端部而用于各种钢或铸铁等被切削材料的旋削加工或平削加工的不重磨刀片，用于上述被切削材料的开孔加工等的钻头或小型钻头，进而用于上述被切削材料的面削加工或槽加工、肩加工等的实心式的端面铣刀等，此外装拆自如地安装上述不重磨刀片，与上述实心式的端面铣刀同样地进行切削的不重磨刀片端面铣刀工具等是公知的。此外，作为包覆切削工具，在碳化钨(以下用WC表示)基超硬合金、碳氮化钛(以下用TiCN表示)基金属陶瓷组成的基体、或立方氮化硼(以下用c-BN表示)基烧结材料基体(以下作为这些的总称叫做硬质基体)的表面上，以1～15μm的平均厚度物理汽相沉积TiN或满足结构式(AlzTi1-z)N(其中按原子比，z表示0.4～0.65)的Al与Ti的复合氮化物〔以下用(Al，Ti)N表示〕层组成的硬质包覆层而成的包覆超硬工具是公知的，这些用于各种钢或铸铁等的连续切削或断续切削加工也是公知的。进而，以下述方法制造上述包覆切削工具也是公知的，即在图2中以概略说明图所示的作为物理汽相沉积装置的一种的电弧离子镀装置中装入上述硬质基体，在靠加热器把装置内加热到例如500℃的温度的状态下，在阳极电极与具有规定组成的Al-Ti合金所固定的阴极电极(蒸发源)之间，以例如电流为90A的条件发生电弧放电，同时作为反应气体把氮气引入装置内，形成例如2Pa的反应气氛，另一方面在上述硬质基体的表面上，在施加例如-100V的偏置电压的条件下，在上述超硬合金基体的表面上汽相沉积由上述(Al，Ti)N层组成的硬质包覆层。另一方面，以提高硬质包覆层的滑动特性为目的，例如像特开平5-330956号中所公开的那样，提出了通过离子掺杂法形成满足结构式(Ti1-xRx)N(其中z取为0.005～0.20的范围的值。R表示稀土元素，作为其候补可以举出Dy、Y、La、Nd、Gd等。此外，z表示总金属元素中稀土元素的原子比)的Ti与稀土元素的复合氮化物〔以下用(Ti，R)N表示〕层组成的硬质包覆层。近年的切削加工装置的高性能化惊人，另一方面对切削加工的省力化和省能量化、进而低成本化的要求很强，随此，虽然切削加工处于高速化的倾向中，但是在上述以往的包覆切削工具中，虽然在通常的切削加工条件下用这些的场合没有问题，但是在伴随高发热的高速切削条件下用这些的场合，则现状是加速了硬质包覆层的磨损进行，在比较短的时间内既达到使用寿命。进而，近年来，虽然切削加工处于可以在高吃刀或高走刀等重型切削条件下进行的倾向中，但是在上述以往的包覆切削工具中，虽然在通常的切削加工条件下用这些的场合没有问题，但是在伴随高的机械冲击的高吃刀或高走刀等重型切削条件下进行断续切削加工的场合，则现状是特别是起因于硬质包覆层的强度和韧性不足而卷刃(微小裂纹)变得容易发生，在比较短的时间内既达到使用寿命。
技术实现思路
因此，本专利技术者们根据上述这种观点，为了开发表现出优异的寿命特性的包覆切削工具，特别是在断续重型切削加工中发挥优异的耐卷刃性的包覆切削工具，着眼于上述以往的构成包覆切削工具的硬质包覆层，进行研究，结果得到以下(a)至(c)的研究结果。(a)在用上述图2中所示的电弧离子镀装置形成(Ti，Y)N层的场合，如果进而调整成Y成分在与Ti成分的总量中所占有的比率(原子比)0.005～0.15的范围，则因包覆膜中的Ti离子与Y离子的共存效应成为具有极高的包覆膜硬度和耐热性，在将其用于切削加工的场合，即使在伴随高的发热的高速切削中也发挥出极其优异的耐磨性。(b)虽然上述(Ti，Y)N层横跨整个厚度具有实质上均一的组成，因而具有均质的高温硬度与耐磨性，但是如果用在例如图1A中的概略俯视图中，图1B中的概略主视图中所示结构的电弧离子镀装置、即装置中央部设置硬质基体装设用转台，隔着上述转台，以在一侧含有Y成分的Ti-Y合金，在另一侧将金属Ti作为阴极电极(蒸发源)对峙配置的电弧离子镀装置，沿着该装置的上述转台的外周部环状地装设多个硬质基体，在该状态下使装置内气氛为氮气气氛，使上述转台旋转，并且为了谋求汽相沉积所形成的硬质包覆层的层厚均一化的目的一边硬质基体本身也自转，一边在上述两侧的阴极电极(蒸发源)与阳极电极之间发生电弧放电，在上述硬质基体的表面上形成(Ti，Y)N层，则在该结果的(Ti，Y)N层中，在环状配置于转台上的上述硬质基体最接近于上述一侧的Ti-Y合金的阴极电极(蒸发源)的时刻在层中形成Y成分最高含有点，此外在上述硬质基体最接近于上述另一侧的金属Ti的阴极电极的时刻在层中形成TiN点(不含Y成分点)，通过上述转台的旋转，成为具有在层中沿着层厚方向，上述Y成分最高含有点与不含Y成分点以规定间隔重复出现，并且从上述Y成分最高含有点到上述不含Y成分点、从上述不含Y成分点到上述Y成分最高含有点，Y成分含量连续变化的成分浓度分布结构。(c)在重复上述(b)而形成连续变化成分浓度分布结构的(Ti，Y)N层之际，控制作为对峙配置的一侧的阴极电极(蒸发源)的Ti-Y合金中的Y成分含量，与装设了硬质基体的转台的旋转速度。如果上述Y成分最高含有点满足结构式(Ti1-xYx)N(其中，原子比x为0.005～0.15)，而且相邻的上述Y成分最高含有点与不含Y成分点的厚度方向的间隔为0.01～0.1μm，则成为在上述Y成分最高含有点部分，表现出相当于上述(Ti，Y)N层具有的高温硬度的优异的高温硬度，另一方面，在上述不含Y成分点部分，由于实质上以TiN点为中心，Y成分含量显著降低，所以确保TiN所具有的高强度与高韧性，而且因为这些Y成分最高含有点与不含Y成分点的间隔极小，所以作为层总体的特性在保持优异的高温特性的状态下成为具备更加优异的强度与韧性。因而，特别是在伴随高的机械冲击的高吃刀或高走刀等重型切削条件下进行各种钢或铸铁等的断续切削加工的场合，硬质包覆层也发挥出优异的耐卷刃性。本专利技术是基于上述研究结果而成的，提供一种在硬质基体的表面上以1～15μm的总平均层厚物理汽相沉积由(Ti，Y)N层组成的硬质包覆层，在断续重型切削加工中发挥优异的耐卷刃性的包覆切削工具。优选是上述硬质包覆层具有以下的浓度分布结构，沿着厚度方向，Y成分最高含有点(Ti成分最低含有点)与不含Y成分点(TiN点)在规定间隔上交互地重复存在，而且从上述Y成分最高含有点到上述不含Y成分点、从上述不含Y成分点到上述Y成分最高含有点，Y成分含量连续变化。进而，优选是上述Y成分最高含有点满足结构式(Ti1-xYx)N(其中，原子比x为0.005～0.10)，而且相邻的上述Y成分最高含有点与不含Y成分点的间隔为0.01～0.1μm。x的范围虽然优选是0.005～0.10，但是为0.005～0.07则更好，为0.01～0.05则最好。作为上述硬质基体，优选是WC基超硬合金基体，TiCN基金属陶瓷基体，或者c-BN基烧结材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面包覆切削工具构件，在硬质基体的表面上以１～１５μｍ的总平均层厚物理汽相沉积由Ｔｉ与Ｙ的复合氮化物层组成的硬质包覆层而成，其特征在于，上述硬质包覆层具有以下的浓度分布结构，沿着厚度方向，Ｙ成分最高含有点（Ｔｉ成分最低含有点）与 不含Ｙ成分点（ＴｉＮ点）在规定间隔上交互地重复存在，而且从上述Ｙ成分最高含有点到上述不含Ｙ成分点、从上述不含Ｙ成分点到上述Ｙ成分最高含有点，Ｙ成分含量连续变化的成分浓度分布结构。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：中村惠滋，高冈秀充，田代安彦，
申请(专利权)人：三菱麻铁里亚尔株式会社，三菱综合材料神户工具株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]