耐崩刀性、耐剥离性、耐磨性优异的表面包覆切削工具制造技术

本发明专利技术提供一种在碳钢、不锈钢等的高速断续切削加工中，硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性、耐剥离性、耐磨性的表面包覆切削工具。本发明专利技术的表面包覆切削工具在工具基体的表面形成有基底层，并且在此之上包覆形成有由下层和上层构成的Al2O3层硬质包覆层，下层由结晶Al2O3层构成，上层由非晶Al2O3构成，在上述下层形成有凹部，上层的非晶Al2O3层以埋入该凹部的方式填充成膜，该凹部的平均深度为0.5～10.0μm，该凹部的平均纵横尺寸比为1.0～50，该凹部之间的平均水平间隔为0.5～20μm。

【技术实现步骤摘要】
耐崩刀性、耐剥离性、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），在伴随高热产生，并且有断续性/冲击性负载作用于切削刃的碳钢、不锈钢等易熔敷的工件的高速断续切削加工中，硬质包覆层发挥优异的耐崩刀性、耐剥离性及耐磨性。
技术介绍
例如如专利文献1所示，一直以来已知有如下包覆工具，在其工具基体表面将硬质皮膜作为基底层成膜，所述硬质皮膜由选自周期表的4a、5a、6a族的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等构成，在该硬质皮膜之上，还包覆形成作为上部层的氧化铝层。并且，氧化铝层通常通过化学蒸镀（CVD）成膜，此外，众所周知还可通过物理蒸镀（PVD）法、溶胶-凝胶法包覆形成氧化铝层。例如，如专利文献2所示，提出有通过物理蒸镀（PVD）法在工具基体表面形成基底层之后，通过氧化该基底层而形成含氧化物层，通过在该含氧化物层上物理蒸镀（PVD）氧化铝层，得到耐磨性、耐热性优异的包覆工具。并且，专利文献3中提出有通过物理蒸镀（PVD）法成膜由（Ti、Al）N层构成的基底层及由氧化铝层（优选γ型氧化铝层）构成的上部层的包覆工具。另外，如专利文献4所示，作为具有力学性能、耐久性的氧化铝包覆结构体的制造方法，提出有由溶胶-凝胶法将由晶体结构为非晶结构或γ型氧化铝或者是它们的混合物构成的第1氧化铝层包覆在母材上之后，通过溅射包覆形成以γ型为主体的第2氧化铝层的方法。专利文献1：日本特开平11-229144号公报专利文献2：日本特开2004-124246号公报专利文献3：日本特开2007-75990号公报专利文献4：日本特开2006-205558号公报通过化学蒸镀（CVD）法、物理蒸镀（PVD）法或溶胶-凝胶法包覆形成氧化铝层的以往的包覆工具中，将其用于一般条件的高速切削、断续切削时没有特别故障，但是尤其将此用于伴随高热产生并且有断续性/冲击性负载作用于切削刀的碳钢、不锈钢等易熔敷的工件的高速断续切削时，将起因于由上述方法成膜的氧化铝层上不可避免地存在的微小龟裂或热膨胀差的冷却裂纹等作为起点，因熔敷或断续切削的冲击产生崩刀或剥离，因此存在经长时间使用无法发挥令人满意的切削性能之类的问题。
技术实现思路
因此本专利技术人等，为了提供耐崩刀性、耐剥离性优异，并且即使在高速断续切削之类的苛刻条件下，经长时间使用也发挥优异的耐磨性的包覆工具，进行深入研究的结果，得出如下见解。即，发现如下：在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面上，作为基底层通过化学蒸镀或物理蒸镀包覆形成含有选自周期表的4a、5a、6a族、Al及Si的至少一种以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物的硬质包覆层之后，包覆形成作为硬质包覆层的氧化铝层时，使氧化铝层本身构成为上层和下层，下层由通过化学蒸镀（CVD）法形成的、在其表面具有凹部的耐磨性高的结晶氧化铝层构成，另一方面，上层由平滑及润滑性优异且与下层的粘附性较大的、通过溶胶-凝胶法成膜的非晶氧化铝层构成，由此能够成膜耐崩刀性、耐剥离性、耐磨性优异的氧化铝层。即发现如下：通过以往的化学蒸镀（CVD）法、物理蒸镀（PVD）法或者溶胶-凝胶法成膜的结晶氧化铝层中，由于缺乏润滑性及平滑性，因此在短时间内因熔敷等产生崩刀、剥离等异常损伤或月牙洼磨损，但是将此作为下层，且作为其上层成膜由溶胶-凝胶法成膜的非晶氧化铝层时，润滑性、平滑性、切削排出性提高，能够发挥较高的耐磨性，并且由于上层与下层的界面成为凹形状，因此即使在有冲击性负载作用的高速断续切削中，因锚固效果上层变得不易剥离，另外，即使在硬质包覆层进行磨损时，也由于以在凹部填充上层的非晶氧化铝层的方式来成膜，因此经长时间也能够同时发挥上层的润滑性及下层的耐磨性。本专利技术是基于上述见解而完成的，本专利技术的技术方案的特征在于，1、一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体表面形成通过化学蒸镀或物理蒸镀包覆形成的基底层，并且在该基底层上形成由下层和上层构成的氧化铝硬质包覆层，其特征在于，（a）该基底层为具有1.0～15.0μm的选自周期表的4a、5a、6a族、Al及Si的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物层，（b）下层为通过化学蒸镀形成的、具有0.8～10.0μm的平均层厚的结晶氧化铝层，（c）上层为具有0.2～3.0μm的平均层厚的非晶氧化铝层，（d）下层的结晶氧化铝层的表面形成有凹部，上层的非晶氧化铝层以埋入下层的上述凹部的方式填充成膜，（e）形成于下层的凹部的平均深度为0.5～10.0μm范围（但在下层的平均层厚以下），（f）形成于下层的凹部的平均纵横尺寸比为1.0～50范围，（g）形成于下层的凹部之间的平均水平间隔为0.5～20μm范围。2、如所述1中记载的表面包覆切削工具，其特征在于，下层的氧化铝具有κ型晶体结构。以下对本专利技术进行详细说明。本专利技术的包覆工具中，在由碳化钨基硬质合金、碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面作为基底层通过化学蒸镀或物理蒸镀包覆形成含有选自周期表的4a、5a、6a族、Al及Si的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物的硬质包覆层，将由上述结晶氧化铝层构成的下层和由非晶氧化铝层构成的上层包覆形成于该基底层上。并且，上述下层的结晶氧化铝层优选与基底层的粘附力优异的κ型氧化铝。作为基底层的具体例子，例如能够举出通过化学蒸镀形成的TiN层、TiCN层、TiCO层和TiCNO层等的Ti化合物层，并且能够举出通过物理蒸镀形成的Ti与Al的复合氮化物层、Cr与Al的复合氮化物层等。图1中示出本专利技术的包覆工具的硬质包覆层纵截面的结构图，并且图2中示出本专利技术包覆工具的硬质包覆层的纵截面示意图。示于图1的本专利技术的包覆工具中，在由碳化钨基硬质合金构成的工具基体上形成基底层之后，包覆形成通过化学蒸镀形成的具有0.8～10.0μm的平均层厚的由结晶氧化铝层构成的下层，在该下层之上包覆形成具有0.2～3.0μm的平均层厚的由非晶氧化铝层构成的上层。并且，根据图2，在下层的结晶氧化铝层的表面形成有凹部，上层的非晶氧化铝层以埋入到下层的凹部的方式填充成膜。其中，将下层的平均层厚定为0.8～10.0μm，并且将上层的平均层厚定为0.2～3.0μm，其原因在于，各个层厚低于下限值（0.8μm、0.2μm）时，经长时间使用无法发挥充分的耐磨性，另一方面，超过上限（10.0μm、3.0μm）时，就变得容易产生崩刀。并且，对形成于下层表面的凹部进行叙述。首先，下层凹部的平均深度（参考图1）为0.5～10.0μm，优选在1.0～7.0μm范围内，下层凹部的平均深度小于0.5μm时，由于下层表面变得大致平坦，下层-上层间的锚固效果变小，所以上层变得容易剥离，因此凹部的平均深度须为0.5μm以上。另一方面，由于下层的最大平均层厚为10.0μm，因此下层凹部的最大平均深度自然而然变成10.0μm。其次，本专利技术中凹部的平均纵横尺寸比为1.0～50，优选在5.0～30范围内，下层的凹部接近于长方形时锚固效果高，若纵横尺寸比超过50，则硬质皮膜的上部中非晶氧化铝的比例变多，下部中非晶氧化铝的比例则变少，因此非晶氧化铝的润滑性与结晶本文档来自技高网...

【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或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面形成有通过化学蒸镀或物理蒸镀包覆形成的基底层和氧化铝层构成的硬质包覆层，所述氧化铝层由在该基底层上形成的下层和上层构成，其特征在于，（a）该基底层为具有1.0～15.0μm的平均层厚的选自周期表的4a、5a、6a族、Al及Si的至少一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物的层，（b）下层为通过化学蒸镀形成的、具有0.8～10.0μm的平均层厚的结晶氧化铝层，（c）上层为具有0.2～3.0μm的平均层厚的非晶氧化铝层，（d）在下层的结晶氧化铝层的表面形成有凹部，上层的非晶氧化铝层以埋入下层的上述凹部的方式填充成膜，（e）形成于下层的凹部的平均深度为0.5～10.0μm范围，但在下层的平均层厚以下，（f）形成于下层的凹部的平均纵横尺寸比为1.0～50范围，（g）形成于下层的凹部之间的平均水平间隔为0.5～20μm范围。

【技术特征摘要】
2011.12.27 JP 2011-2856811.一种表面包覆切削工具，在由碳化钨基硬质合金或碳氮化钛基金属陶瓷构成的工具基体的表面形成有通过化学蒸镀或物理蒸镀包覆形成的基底层和氧化铝层构成的硬质包覆层，所述氧化铝层由在该基底层上形成的下层和上层构成，其特征在于，(a)该基底层为具有1.0～15.0μm的平均层厚的选自周期表的4a、5a、6a族、Al及Si的一种以上的元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物的层，(b)下层为通过化学蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：柿沼宏彰，高冈秀充，长田晃，胁谷尚树，铃木久男，筱崎和夫，
申请(专利权)人：三菱综合材料株式会社，国立大学法人静冈大学，国立大学法人东京工业大学，
类型：发明
国别省市：