耐磨性優異的表面包覆切削工具的制造方法技術

本發明專利技術提供一種耐磨性優異的表面包覆切削工具的制造方法。該方法在工具基體的至少最表面包覆形成具有0.05~5μm的膜厚且具有剛玉型晶體結構的α氧化鋁結構的氧化鋁層，上述氧化鋁層通過如下溶膠-凝膠法包覆形成：在鋁醇鹽中添加醇（優選含有平均粒徑為10~300nm的α氧化鋁顆粒的醇），進一步添加酸（例如稀鹽酸）后，在10℃以下的低溫中攪拌生成溶膠，在溶膠中添加水使該溶膠中所含的鋁和水的摩爾比成為1:30～1:150后，實施在15~80℃的溫度下進行加熱、攪拌的高晶化處理，將實施該高晶化處理的溶膠涂布于上述工具基體表面或在工具基體表面上形成的硬質皮膜的最表面，接著，反復進行1次以上100~400℃下的干燥處理，接著，在500~1000℃的溫度范圍內進行燒成處理。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種，尤其涉及一種如下特征的，其通過溶膠-凝膠法在包括碳化鎢基硬質合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷、高速鋼或立方晶氮化硼基超高壓燒結體的工具基體(以下僅稱為工具基體)的表面或在該工具基體表面上形成的硬質皮膜的最表面形成氧化鋁層。
技術介紹
眾所周知，一直以來，通過在工具基體表面包覆形成包括選自周期表的4a、5a、6a 族中的至少I種以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等的硬質皮膜來謀求提高切削工具的耐磨性。并且，硬質皮膜中尤其是α型氧化鋁層的熱穩定性優異，反應性較低，并且為高硬度，由于這一點，大多包覆形成α型氧化鋁層作為包括選自上述周期表的4a、5a、6a族中的至少I種以上元素的碳化物、氮化物、碳氮化物等的硬質皮膜的最表面層。作為氧化鋁層的包覆形成方法，一般采用化學蒸鍍(CVD)法，但除此之外，還已知通過物理蒸鍍(PVD)法、溶膠-凝膠法形成氧化鋁層。例如，如專利文獻I所示，為了避免工具基體、硬質皮膜的特性劣化、變形，提出了一種在低溫條件下(1000°c以下)形成a型氧化鋁層的方法，作為該方法，通過物理蒸鍍 (PVD)法在工具基體表面形成包括以Al和選自包括4a族、5a族、6a族及Si的組中的至少I 種元素為必需成分的氮化物、碳化物、碳氮化物、硼化物、氮氧化物、碳氮氧化物的硬質皮膜后，對該硬質皮膜進行氧化來形成含氧化物層，并在該含氧化物層上進行物理蒸鍍(PVD)， 由此蒸鍍形成耐磨性及耐熱性優異且以α型晶體結構為主體的作為最表面層的氧化鋁層。另外，如專利文獻2所示，提出了一種通過物理蒸鍍(PVD)法蒸鍍形成硬質包覆層的表面包覆切削工具，其中，由(Ti、Al) N層構成第I層，并且，由氧化鋁層(優選Υ型氧化鋁層)構成第2層。另外，如專利文獻3所示，提出了一種具有力學特性和耐久性的氧化鋁包覆結構體的制造方法，作為該方法，利用溶膠-凝膠法在母材上包覆包括晶體結構為非晶結構或 Y型的氧化鋁或者它們的混合物的第I氧化鋁層后，通過濺射包覆形成以Y型為主體的第 2氧化鋁層。專利文獻I :日本專利公開2004-124246號公報專利文獻2 :日本專利公開2007-75990號公報專利文獻3 :日本專利公開2006-205558號公報在包覆形成包括硬質皮膜和形成在其最表面的氧化鋁的硬質包覆層的上述以往表面包覆切削工具(以下，僅稱為包覆工具)中，最表面的氧化鋁層在切削加工鋼等時例如提高了在包覆工具的前刀面中的耐磨性，這尤其是因為α型氧化鋁的熱穩定性、非反應性較高所致。上述專利文獻I中提出了通過物理蒸鍍(PVD)法在低溫條件下形成α型氧化鋁層，但是當蒸鍍形成氧化鋁層時存在如下問題，首先，盡管需要使硬質皮膜氧化并在其表面形成含氧化物層，但含氧化物層與氧化鋁層的粘附性不充分，并且，作為氧化鋁，不僅存在 α型氧化鋁，而且還存在Y型氧化鋁，因此無法得到充分的耐熱性，其結果，無法經長期使用而發揮令人滿意的切削性能。另外，在上述專利文獻2、3中，存在如下問題由于所形成的氧化鋁為Y型氧化鋁，因此缺乏高溫中的穩定性，并且，在高速切削加工中無法發揮令人滿意的切削性能。
技術實現思路
因此，本專利技術人等對在工具基體表面利用物理蒸鍍(PVD)法形成硬質皮膜后包覆形成其最表面層的溶膠-凝膠法進行深入研究后發現，在鋁醇鹽中添加醇和酸，并在低溫條件下進行長時間的水解、低溫熟化處理，接著，通過添加水實施高晶化處理而制備的氧化鋁溶膠作為最表面層進行涂布、干燥后進行燒成，從而能夠包覆形成具有α型晶體結構的氧化鋁層。S卩，發現在制備氧化鋁溶膠時，作為低溫熟化處理，通過進行比通常更低的溫度下的攪拌和長時間保持來抑制水解及縮聚的反應速度，并緊密地形成包括Al-O鍵的氧化鋁前軀體后，作為高晶化處理，添加水使鋁醇鹽中的鋁量成為預定濃度，并實施預定溫度下的加熱，這時，能夠更加促進鋁醇鹽的水解及縮聚反應，并形成更多接近剛玉型結構的八面體 AlO6,因此若涂布該氧化鋁溶膠作為硬質皮膜的最表面層，并進行干燥、燒成，則能夠形成包括具有致密且結晶性較高的剛玉型晶體結構的α氧化鋁層的硬質皮膜的最表面層。另外，將與最表面層的氧化鋁層接觸的硬質皮膜形成為Al在該硬質皮膜中的金屬成分中所占的含有比例為40原子％以上的氮化物皮膜時，由于與最表面層的氧化鋁層的粘附強度變高，因此從抑制產生因切削加工時的沖擊等引起的氧化鋁層的剝離、缺損等觀點考慮是優選的。并且，發現通過本專利技術的制造方法制造的表面包覆切削工具中，最表面的氧化鋁層的表面平滑，對于切屑的耐熔敷性優異，由此經長期使用而發揮優異的耐磨性。該專利技術是根據上述見解而完成的，其具有如下特征(I) 一種，在包括碳化鎢基硬質合金、 碳氮化鈦基金屬陶瓷、高速鋼或立方晶氮化硼基超高壓燒結體的工具基體的最表面包覆形成α氧化鋁結構的氧化鋁層，該氧化鋁層具有0.05 5μπι的膜厚且具有剛玉型晶體結構，其中，上述氧化鋁層通過如下溶膠-凝膠法包覆形成在鋁醇鹽中添加醇，并進一步添加酸后，在10°C以下的溫度范圍內攪拌生成溶膠，在溶膠中添加水使該溶膠中所含的鋁和水的摩爾比成為1:30 1:150后，實施在15 80°C的溫度下進行加熱、攪拌的高晶化處理，將實施該高晶化處理的溶膠涂布于上述工具基體表面或在工具基體表面上形成的硬質皮膜的最表面，接著，在100 400°C下反復進行I次以上干燥處理，接著，在500 1000°C 的溫度范圍內進行燒成處理。(2)如上述(I)所述的，其中，通過物理蒸鍍法、化學蒸鍍法或溶膠-凝膠法在上述工具基體的表面包覆含有選自周期表的4a、5&、6&族31、5丨中的至少一種以上元素的氮化物作為硬質皮膜，并在該硬質皮膜最表面形成上述氧化鋁層。(3)如上述(I)所述的，其特征在于， 預先在上述工具基體的表面實施氮化處理。(4)如上述(I)至(3)中任一項所述的，其特征在于，在上述鋁醇鹽中添加醇時，添加含有平均粒徑為10 300nm的α氧化鋁顆粒的醇。以下，對于本專利技術進行詳細說明。該專利技術的表面包覆切削工具的制造方法中，通過溶膠-凝膠法直接在包括碳化鎢基硬質合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷、高速鋼或立方晶氮化硼基超高壓燒結體的工具基體的表面包覆形成具有剛玉型晶體結構的α氧化鋁結構的氧化鋁層。另外，該專利技術的表面包覆切削工具的制造方法中，也能夠通過物理蒸鍍(PVD)法在上述工具基體的表面形成本領域技術人員已知的硬質皮膜，即包括含有選自周期表的4a、 5a、6a族及Si中的至少I種以上元素和Al的氮化物的至少I層以上硬質皮膜(例如，TiAlN 膜、CrAlN膜等)后，通過溶膠-凝膠法在該硬質皮膜的最表面包覆形成具有剛玉型晶體結構的α氧化鋁結構的氧化鋁層。另外，通過上述物理蒸鍍(PVD)法形成硬質皮膜時，從提高粘附性的觀點考慮，優選與氧化鋁層接觸的硬質皮膜形成為Al在該硬質皮膜中的金屬成分中所占的含有比例為 40原子％以上的氮化物皮膜。其理由在于若為Al在硬質皮膜中的金屬成分中所占的含有比例為40原子％以上的氮化物皮膜，則在氮化物皮膜與氧化鋁皮膜的界面處形成鋁濃度較高的氧化物，該氧化物具有堅固地粘結氮化物皮膜與氧化鋁皮膜的作用。基于本專利技術的溶膠-凝膠法包覆形成氧化鋁層的工序具體為如下。氧化鋁溶膠的制備首先，在鋁醇鹽(例如，仲丁醇鋁、異丙醇本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種耐磨性優異的表面包覆切削工具的制造方法，在包括碳化鎢基硬質合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷、高速鋼或立方晶氮化硼基超高壓燒結體的工具基體的最表面包覆形成α氧化鋁結構的氧化鋁層，該氧化鋁層具有0.05～5μm的膜厚且具有剛玉型晶體結構，其特征在于，上述氧化鋁層通過如下溶膠?凝膠法包覆形成：在鋁醇鹽中添加醇，并進一步添加酸后，在10℃以下的溫度范圍內攪拌生成溶膠，在溶膠中添加水使該溶膠中所含的鋁和水的摩爾比成為1:30～1:150后，實施在15～80℃的溫度下進行加熱、攪拌的高晶化處理，將實施該高晶化處理的溶膠涂布于上述工具基體表面或在工具基體表面上形成的硬質皮膜的最表面，接著，反復進行1次以上在100～400℃下的干燥處理，接著，在500～1000℃的溫度范圍內進行燒成處理。

【技術特征摘要】
2011.09.05 JP 2011-1924371.一種耐磨性優異的表面包覆切削工具的制造方法，在包括碳化鎢基硬質合金、碳氮化鈦基金屬陶瓷、高速鋼或立方晶氮化硼基超高壓燒結體的工具基體的最表面包覆形成α氧化鋁結構的氧化鋁層，該氧化鋁層具有O. 05 5 μ m的膜厚且具有剛玉型晶體結構，其特征在于， 上述氧化鋁層通過如下溶膠-凝膠法包覆形成在鋁醇鹽中添加醇，并進一步添加酸后，在10°C以下的溫度范圍內攪拌生成溶膠，在溶膠中添加水使該溶膠中所含的鋁和水的摩爾比成為1:30 1:150后，實施在15 80°C的溫度下進行加熱、攪拌的高晶化處理，將實施該高晶化處理的溶膠涂布于上述工具基體表面或在工具基體表面上形成的硬...

【專利技術屬性】
技術研發人員：柿沼宏彰，高岡秀充，長田晃，脅谷尚樹，鈴木久男，筱崎和夫，
申請(專利權)人：三菱綜合材料株式會社，國立大學法人靜岡大學，國立大學法人東京工業大學，
類型：發明
國別省市：