表面包覆切削工具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種硬質包覆層在高速斷續重切削加工中發揮優異的耐剝離性及耐 崩刀性的表面包覆切削工具。具體而言，本發明設及一種即使在高速且斷續性、沖擊性高負 載作用于刀刃的高速斷續重切削條件下進行各種鋼及鑄鐵等的切削加工，硬質包覆層發揮 優異的耐剝離性及耐崩刀性，而且長期表現優異的耐磨性的表面包覆切削工具（W下，稱 為包覆工具）。
[0002] 本申請基于2013年2月26日于日本申請的專利申請2013-35566號及2014年2 月24日于日本申請的專利申請2014-32483號主張優先權，并將其內容援用于本說明書中。
【背景技術】
[000引 W主，已知有如下包覆工具：一般在由碳化鶴（W下，WWC表示）基硬質合金或碳 氮化鐵（W下，WTiCN表示）基金屬陶瓷構成的基體（W下，將運些統稱為工具基體）表 面，蒸鍛形成由W下（a)及化）構成的硬質包覆層而成，
[0004] (a)下部層，是由Ti的碳化物（W下，WTiC表示）層、氮化物（W下，同樣WTiN 表示）層、碳氮化物（W下，WTiCN表示）層、碳氧化物（W下，WTiCO表示）層化及碳氮 氧化物（W下，WTiCNO表示）層中的一層或兩層W上構成的Ti化合物層；
[0005] 化）上部層，是在化學蒸鍛的狀態下具有a型晶體結構的氧化侶層（W下，W AI2O3層表不）。
[0006] 但是，上述W往的包覆工具，例如雖然在各種鋼及鑄鐵等的連續切削或斷續切削 中發揮優異的耐磨性，但將其用在高速斷續切削時，存在包覆層容易發生剝離或崩刀，工具 壽命變短的問題。
[0007] 在此，為了抑制包覆層的剝離及崩刀，提出有一種改善上部層的各種包覆工具。
[0008] 例如，專利文獻1中提出有如下包覆工具，并且可知根據該包覆工具，能夠改善高 速斷續切削加工中的耐崩刀性：一種包覆工具，其在工具基體表面，蒸鍛形成由W下（a)及 化）構成的硬質包覆層而成，
[0009] (a)下部層，是由TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層及TiCNO層中的一層或兩層W 上構成，且具有3至20ym的整體平均層厚的Ti化合物層；
[0010] 化）上部層，是具有1至15ym的平均層厚，及在化學蒸鍛的狀態下具有a型晶 體結構，并且，滿足組成式：(Ali_xZr、)2〇3(其中，W原子比計，X:0. 003至0. 05)的同時，使 用場發射掃描電子顯微鏡，對存在于表面研磨面的測定范圍內的具有六方晶格的每個晶粒 照射電子束，測定相對于所述表面研磨面的法線，所述晶粒晶面（0001)面及（10-10)面的 法線所成的傾角，在此情況下，所述晶粒具有由A1、Zr及氧構成的構成原子分別存在于晶 格點上的剛玉型六方最密堆積的晶體結構，其結果根據得到的測定傾角，在相鄰晶粒界面 中，算出每個所述構成原子在所述晶粒相互之間共有一個構成原子的晶格點（構成原子共 有晶格點）的分布，將在所述構成原子共有晶格點之間不共有構成原子的晶格點存在N個 (其中，N在剛玉型六方最密堆積的晶體結構上為2W上的偶數，但從分布頻率運一點將N 的上限設為28時，不存在4、8、14、24及26)的構成原子共有晶格點形態WXN+l來表現時， 在表示各個SN+1在整個SN+l中所占分布比例的構成原子共有晶格點分布圖表中，S3中 存在最高峰值，且表示所述S3在整個XN+1中所占分布比例為60至80%的構成原子共有 晶格點分布圖表的改質M-Zr復合氧化物層。
[0011] 另外，例如，專利文獻2中提出有如下包覆工具，并且可知根據該包覆工具，能夠 改善高速斷續切削加工中的耐崩刀性：一種包覆工具，其在工具基體的表面蒸鍛形成由下 述（a)至（C)構成的硬質包覆層，
[001引 （a)下部層，是由TiC層、TiN層、TiCN層、TiCO層及TiCNO層中的一層或兩層W 上構成，且具有3至20ym的整體平均層厚的Ti化合物層；
[001引 化）中間層，是具有1至5ym的平均層厚，且在化學蒸鍛的狀態下具有a型晶體 結構的Al203層；
[0014] (C)上部層，是具有2至15ym的平均層厚，且在化學蒸鍛的狀態下具有a型晶體 結構的含Zr的Al2〇3層，其中，
[0015] 上述化）的中間層，使用場發射掃描電子顯微鏡，對存在于上述工具基體表面研 磨面的測定范圍內的具有六方晶格的每個晶粒照射電子束，測定相對于所述表面研磨面的 法線，所述晶粒晶面（0001)面的法線所成的傾角，對在所述測定傾角中的0至45度范圍內 的測定傾角按0. 25度的間距進行分區，并且由合計存在于各分區內的度數而成的傾角度 數分布圖表來表現時，該傾角度數分布圖表表示，在0至10度范圍內的傾角分區中存在最 高峰值，并且存在于所述0至10度范圍內的度數合計在傾角度數分布圖表中占全部度數的 45%W上的比例，
[0016] 另外，對于上述（C)的上部層，使用場發射掃描電子顯微鏡，對存在于上述工具基 體的表面研磨面的測定范圍內的具有六方晶格的每個晶粒照射電子束，測定相對于所述表 面研磨面的法線，所述晶粒晶面（0001)面的法線所成的傾角，對在所述測定傾角中的0至 45度范圍內的測定傾角按0. 25度的間距進行分區，并且由合計存在于各分區內的度數而 成的傾角度數分布圖表來表現時，該傾角度數分布圖表表示，在0至10度范圍內的傾角分 區中存在最高峰值，并且存在于所述0至10度范圍內的度數合計在傾角度數分布圖表中占 全部度數的60%W上的比例，
[0017] 另外，對于上述（C)的上部層，該層為如下所述的含Zr的Al2〇3層，即，使用場發射 掃描電子顯微鏡和電子背散射衍射圖像裝置，對存在于表面研磨面的測定范圍內的每個晶 粒照射電子束，測定由六方晶格構成的晶格面各自的法線與基體表面的法線相交的角度， 并從該測定結果，算出相鄰晶格相互的晶體方位關系，并且算出構成晶格界面的每個構成 原子在所述晶格相互之間共有一個構成原子的晶格點（構成原子共有晶格點）的分布，將 在所述構成原子共有晶格點之間不共有構成原子的晶格點存在N個（其中，N在剛玉型六方 最密堆積的晶體結構上為2W上的偶數，但從分布頻率運一點將N的上限設為28時，不存 在4、8、14、24及26)的構成原子共有晶格點的形態WXN+1來表示時，在構成上述（C)的 上部層的晶粒內，W面積比率計60%W上的晶粒的內部，被至少一個W上的由WS3表示 的構成原子共有晶格點形態構成的晶格界面所截斷，另外，使用場發射掃描電子顯微鏡對 上述（C)的上部層進行組織觀察時，上部層為在垂直于層厚方向的面內具有由呈平板多邊 形的晶粒構成的組織結構的含Zr的AI2O3層。
[0018] 專利文獻1 :日本專利公開號公報
[0019] 專利文獻2 :日本專利公開號公報
[0020] 近年來切削裝置的高性能化非常顯著，但在切削加工中強烈要求省力化及節能 化，進一步要求低成本化，隨之具有如下傾向，即切削加工進一步高速化，而且在高切深、高 進給等的斷續重切削等中刀刃需要承受沖擊性、斷續性高負載的作用。在通常條件下的鋼 及鑄鐵等的連續切削或斷續切削中使用上述W往的包覆工具時不會出現問題，但是，尤其 在高速斷續重切削條件下使用時，由構成硬質包覆層的Ti化合物層來構成的下部層與由 Al2〇3層構成的上部層之間的緊貼強度不充分，發生上部層與下部層之間的剝離、崩刀等異 常損傷，由此在較短時間內達到使用壽命，運便是切削裝置的現狀。

【發明內容】

[0021] 為此，本發明人們，從上述觀點出發，對改善由Ti化合物層構成的下部層與由 Al2〇3層構成的上部層的緊貼性，進而，防止剝離、崩刀等異常損傷的發生，并延長工具壽命 進行了深入研究。其結果，得到了W下見解。
[0022] 在包覆形成有由Ti化合物層構成的下部層、由AI2O3層構成的中間層及由含Zr的 Al2〇3層構成的上部層的包覆工具中，通過控制下部層的最表面層正上方的中間層的Al2〇3 晶粒的取向性，能夠提高下部層與中間層的緊貼性。另外，通過控制中間層的AI2O3晶粒的 取向性，能夠控制成膜于該上方的由含Zr的Al2〇3層構成的上部層的取向性。而且，通過控 審忡間層的AI2O3晶粒的取向性，能夠提高上部層的A12〇3晶粒的WX3表示的共有晶格點 較多的晶格界面的比率，從而能夠增加構成相鄰晶粒的原子在隔開該晶粒的晶粒界面中被 共有的量。由此，能夠保持硬質包覆層的高溫硬度和高溫強度。隨之，即使在斷續性、沖擊 性高負載作用于刀刃的高速斷續重切削中使用時，也能夠抑制下部層-中間層-上部層之 間的剝離、崩刀等的異常損傷的發生。其結果，發現能夠獲得在長期使用中發揮優異的切削 性能的包覆工具。
[0023] 另外，發現通過將上部層表面的Al2〇3晶粒的表面特性設為平坦六邊形組織，由此 發揮更加優異的耐崩刀性。
[0024] 并且，上部層表面中，對包含刀刃棱線部的后刀面及前刀面進行濕法噴砂處理，由 此能夠在后刀面及前刀面的研磨面賦予所需的殘余應力。由此發現能夠進一步改善耐崩刀 性。
[00巧]本發明鑒于上述見解而完成，是一種如下描述的表面包覆切削工具。
[0026] " (1) 一種表面包覆切削工具，其在由碳化鶴基硬質合金或碳氮化鐵基金屬陶瓷構 成的工具基體的表面，蒸鍛形成由W下（a)至（C)構成的硬質包覆層，
[0027] (a)下部層，是由Ti的碳化物層、氮化物層、碳氮化物層、碳氧化物層及碳氮氧化 物層中的一個W上的層構成，且具有3至20ym的合計平均層厚的Ti化合物層；
[002引 化）中間層，是具有0. 5至5ym的平均層厚，且在化學蒸鍛的狀態下具有a型晶 體結構的AI2O3層；
[0029](C)上部層，是具有2至15ym的平均層厚，且在化學蒸鍛的狀態下具有a型晶體 結構的含Zr的Al2〇3層，
[0030] 其中，（d)所述下部層的最表面層由具有500nmW上層厚的Ti碳氮化物層構成， 且只在從該Ti碳氮化物層與中間層之間的界面至在該Ti碳氮化物層的層厚方向500nm的 深度區域中含氧，并且，該深度區域中所含有的平均氧含量為該深度區域所含有的Ti、C、N 及0的合計含量的0. 5至3原子％ ;
[0031] (e)對于所述中間層的Al2〇3晶粒，使用場發射掃描電子顯微鏡，對存在于所述中 間層的截面研磨面的測定范圍內的具有六方晶格的每個晶粒照射電子束，并在0至45度范 圍內測定所述工具基體的表面的法線與所述晶粒的晶面（0001)面的法線所成的傾角，并 對所述測定傾角中的0至45度范圍內的測定傾角按0. 25度的間距進行分區，并且在合計 存在于各分區內的度數而成的傾角度數分布圖表中，0至10度范圍內的傾角分區中存在最 高峰值，并且存在于所述0至10度范圍內的度數合計在傾角度數分布圖表中占全部度數的 50至70 %的比例；
[0032] (f)對于所述中間層和所述上部層的A12化晶粒，使用場發射掃描電子顯微鏡， 對存在于所述中間層和所述上部層的截面研磨面的測定范圍內的具有六方晶格的每個晶 粒照射電子束，并在0至45度范圍內測定所述工具基體的表面的法線與所述晶粒的晶面 (0001)的法線所成的傾角，并對所述測定傾角中的0至45度范圍內的測定傾角按0. 25度 的間距進行分區，并且在合計存在于各分區內的度數而成的傾角度數分布圖表中，0至10 度范圍內的傾角分區中存在最高峰值，并且存在于所述0至10度范圍內的度數合計在傾角 度數分布圖表中占全部度數的75%W上；
[003引 （g)對于所述中間層和所述上部層的Al203晶粒，使用場發射掃描電子顯微鏡和電 子背散射衍射圖像裝置，對存在于所述截面研磨面的測定范圍內的每個晶粒照射電子束， 測定由六方晶格構成的晶格的各面的法線與所述工具基體的表面的法線相交的角度，從該 測定結果，算出相鄰晶格相互的晶體方位關系，并且算出構成晶格界面的每個構成原子在 所述晶格相互之間共有一個構成原子的晶格點（構成原子共有晶格點）的分布，將在所述 構成原子共有晶格點之間不共有構成原子的晶格點存在N個（其中，N在剛玉型六方最密 堆積的晶體結構上為2W上的偶數，但從分布頻率運一點將N的上限設為28時，不存在4、 8、14、24及26)的構成原子共有晶格點形態WXN+1來表示時，構成所述中間層和上部層整 體的晶粒內，W面積比率計70 %W上的晶粒內部，被一個W上的由WX