CN102917822B - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

提供一种耐熔敷性、耐磨损性优异的切削工具。切削工具(1)在基体(2)的表面覆盖由TiaAlbNbdMe(C1-xNx)(其中，M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中选出的至少一种，0.1≤a≤0.7，0≤b≤0.8，0.02≤d≤0.25，0≤e≤0.25，a+b+d+e＝1，0≤x≤1)构成的被覆层(6)，所述切削工具(1)具有前刀面(3)、后刀面(4)、位于前刀面(3)与后刀面(4)之间的切削刃(5)，在被覆层(6)的表面存在熔粒(7)，后刀面(4)存在的粒径为300nm以下的微细熔粒(7a)比前刀面(3)多，后刀面(4)存在的粒径为1000nm以上的粗大熔粒(7b)的平均组成与前刀面(3)存在的粗大熔粒(7b)的平均组成相比，Nb的含有率高。

Description

切削工具
技术领域
本发明涉及在基体的表面上成膜有被覆层的切削工具。
背景技术
目前，在切削工具、耐磨构件、滑动构件这样的需要耐磨损性、滑动性、耐缺损性的构件中，使用如下的方法，即：在超硬合金、金属陶瓷等的烧结合金、金刚石或cBN(立方晶氮化硼)的高硬度烧结体、氧化铝或氮化硅等的陶瓷构成的基体的表面成膜出被覆层，从而提高耐磨损性、滑动性、耐缺损性。
另外，作为上述被覆层，使用物理蒸镀法即电弧离子镀敷法或溅射法来被覆以Ti或Al为主成分的氮化物层的研究不断盛行，用于延长工具寿命的改良持续进行。这些表面被覆工具为了应对以切削速度的高速化为首的切削环境的变化、被切削材料的多样化，而对被覆材料元素以外也思考了各种办法。
例如，在专利文献1中，记载了如下的情况：在基体的表面被覆TiAlN等的覆膜的表面被覆工具中，使前刀面的Ti的比率比后刀面升高。
另外，在专利文献2中，记载了如下的情况：在基材的表面形成厚度为1～5μm的TiAlN系的硬质覆膜，存在于硬质覆膜中的具有膜厚以上的尺寸的粗大粒子为5面积％以下，其表面粗糙度Ra为0.1μm以下或表面粗糙度Rz为1μm以下。
此外，在专利文献3中，公开了在基材表面形成由(TiNbAl)N等的组成所构成的皮膜的情况，在专利文献4中，记载了具有(TiAlNbSi)N等的组成，通过改变成膜方式，而将Si及Nb含有量不同的层层叠多层的硬质皮膜。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-264975号公报
专利文献2：日本特开2002-346812号公报
专利文献3：日本特开平11-302831号公报
专利文献4：日本特开2005-199420号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1记载的后刀面比前刀面的Ti的比率升高的结构中，前刀面中的被覆层的耐热性和耐氧化性不充分，且后刀面的耐缺损性不充分。
另外，在专利文献2记载的极力减少粗大粒子的结构中，由于表面粗糙度小而切屑成为粘附于硬质膜的状态，硬质膜的温度上升而成为月牙洼磨损进展的原因，存在耐磨损性下降的问题。
此外，如专利文献3或专利文献4那样，即使在TiAlN含有Nb作为第三金属的组成中，也需要耐磨损性提高的进一步改善，尤其是由于被切削材料的熔敷等而有时卷刃、缺损或温度上升造成的磨损急速发展，期望进一步的耐磨损性的提高。
本发明是为了解决上述课题而做出的，其目的在于提供一种局部性地具备能够发挥最佳的切削性能的被覆层的切削工具。
用于解决课题的手段
本发明的切削工具在基体的表面覆盖由TiaAlbNbdMe(C1-xNx)(其中，M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中选出的至少一种，0.1≤a≤0.7，0≤b≤0.8，0.02≤d≤0.25，0≤e≤0.25，a+b+d+e＝1，0≤x≤1)构成的被覆层，并且所述切削工具具有前刀面、后刀面、位于前刀面与后刀面之间的切削刃，在所述被覆层的表面存在熔粒，所述后刀面存在的粒径为300nm以下的微细熔粒比所述前刀面多，所述后刀面存在的粒径为1000nm以上的粗大熔粒的平均组成与所述前刀面存在的所述粗大熔粒的平均组成相比，Nb的含有率高。
发明效果
根据本发明的切削工具，在覆盖基体的被覆层的表面存在熔粒，但后刀面的粒径为300nm以下的微细熔粒比前刀面多，因此能够缓和被覆层内的残留应力并抑制裂纹的进展，而提高后刀面的耐卷刃性。而且，后刀面存在的粗大熔粒的平均组成中的Nb的含有率高，因此在切削时即使被覆层的表面成为高温也不会直接劣化失效，也能发挥将切削液保持在被覆层的表面的效果。其结果是，缓和切削阻力并抑制切削时的温度上升，能够稳定地进行得到平滑的加工面的切削。
附图说明
图1表示本实施方式的切削工具的例子，(a)是概略立体图，(b)是(a)的X-X剖视图。
图2是图1所示的切削工具的一例的被覆层的表面的SEM照片，(a)是前刀面的SEM照片，(b)是后刀面的SEM照片。
具体实施方式
关于本发明的切削工具的优选的实施方式例的图1((a)概略立体图，(b)(a)的X-X剖视图)及图1的切削工具的一例，使用(a)前刀面及(b)后刀面的被覆层的表面的扫描型电子显微镜(SEM)照片的图2进行说明。
根据图1，切削工具1在主面具有前刀面3，在侧面具有后刀面4，在前刀面3与后刀面4之间具有切削刃5，且在基体2的表面成膜有被覆层6。
并且，在基体2的表面上覆盖有TiaAlbNbdMe(C1-xNx)(其中，M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中选出的至少一种，0.1≤a≤0.7，0≤b≤0.8，0.02≤d≤0.25，0≤e≤0.25，a+b+d+e＝1，0≤x≤1)构成的被覆层6。需要说明的是，如图2所示，在被覆层6的表面存在有被称为熔粒7的粒状物质。而且，粒径为300nm以下的微细熔粒7a在后刀面4比前刀面3存在得多，且后刀面4上存在的粒径为1000nm以上的粗大熔粒7b的平均组成与前刀面3上存在的粗大熔粒7b的平均组成相比，成为Nb的含有率高的结构。从前刀面3及后刀面4中的耐磨损性均能够最佳化的点出发，形成在前刀面3的表面上的粗大熔粒7b的Nb含有率NbDR相对于形成在后刀面4的表面上的粗大熔粒7b的Nb含有率NbDF优选为0.85≤NbDR/NbDF≤0.96。比率NbDR/Nbbr的特别优选的范围为0.86≤NbDR/NbDF≤0.96。
根据该结构，能够缓和被覆层6内的残留应力并抑制裂纹的进展，从而提高后刀面4的耐卷刃性。而且，由于后刀面4上存在的粗大熔粒7b的Nb的含有率高，因此在切削时，即使被覆层6的表面成为高温也不会直接劣化而失效，也能发挥将切削液保持在被覆层6的表面的效果。而且，能够抑制由于后刀面4上存在的粗大熔粒7b是残存有氮化不充分的金属部分的强度低的物质，从而在切削中前端变形至损坏而毁坏加工面的情况。其结果是，能够缓和后刀面4的切削阻力并抑制切削时的温度上升，能够稳定地进行得到平滑的加工面的切削。
在此，后刀面4的粗大熔粒7b的组成优选为，原子比的金属/非金属的比率大于1.2，且原子比中的金属/非金属的比率从熔粒7b的表面朝向内部升高。
另外，从切削性能的最佳化的点出发，熔粒7中的除了微细熔粒7a和粗大熔粒7b以外的中间熔粒7c的存在比率优选为30～70个数％的比率。需要说明的是，被覆层的各金属成分的含有率利用能量分散分光分析(EPMA)或能量分散分光分析(EDS)能够测定。
另外，从前刀面3及后刀面4中的耐磨损性均能够最佳化的点出发，被覆层6的前刀面3的表面上存在的粗大熔粒7b的Al含有率AlDR相对于后刀面4的表面上存在的粗大熔粒7b的Al含有率AlDF优选为0.94≤AlDR/AlDF≤0.99。比率AlDR/AlDF的特别优选的范围为0.95≤AlDR/AlDF≤0.99。而且，从前刀面3及后刀面4中的耐卷刃性均能够最佳化的点出发，被覆层6的前刀面3的表面上存在的粗大熔粒7b的Ti含有率TiDR相对于后刀面4的表面上存在的粗大熔粒7b的Ti含有率TiDF优选为1.03≤TiDR/TiDF≤1.12。比率TiDR/TiDF的特别优选的范围是1.05≤TiDF/TiDF≤1.10。
需要说明的是，被覆层6的前刀面的组成由TiaAlbNbdMe(C1-xNx)(其中，M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中选出的至少一种，0.1≤a≤0.7，0≤b≤0.8，0.02≤d≤0.25，0≤e≤0.25，a+b+d+e＝1，0≤x≤1)构成。通过将被覆层6设为这样的组成范围，被覆层6的氧化开始温度升高，耐氧化性高，且能够减少内在的内部应力，耐缺损性高。而且，被覆层6由于硬度及与基体2的密接性高，因此被覆层6在难切削材料的加工、干式切削、高速切削等的严苛的切削条件下的耐磨损性及耐缺损性比较优异。
即，在被覆层6中，当a(Ti组成比率)比0.1小时，被覆层6的结晶结构从立方晶向六方晶变化而硬度下降，因此耐磨损性下降。当a(Ti组成比率)比0.7大时，被覆层6的耐氧化性及耐热性下降。a的特别优选的范围是0.13≤a≤0.55。而且，当b(Al组成比)比0.8大时，被覆层6的结晶结构存在从立方晶向六方晶变化的倾向，硬度下降。b的优选的范围是0＜b≤0.8，特别优选的范围是0.4≤b≤0.7。而且，当d(金属Nb组成比率)比0.01小时，被覆层6的耐氧化性下降而耐磨损性下降。当d(金属Nb组成比率)比0.25大时，被覆层6的耐氧化性或硬度下降而引起耐磨损性的下降。d的特别优选的范围是0.01≤d≤0.10。此外，当e(金属M组成比率)比0.25大时，被覆层6的耐氧化性或硬度下降而引起耐磨损性的下降。e的优选的范围是0＜b≤0.25，特别优选的范围是0.03≤e≤0.22。
需要说明的是，金属M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr、Y中选出的一种以上的物质，其中从硬度优异的点出发优选含有Si或W，从耐磨损性、耐氧化性最优异的点出发优选含有Nb或Mo。
另外，被覆层优选是将由Tia1Alb1Nbd1Me1(C1-x1Nx1)(其中，0≤a1≤0.8，0≤b1≤0.6，0.02≤d1≤0.4，0≤e1≤0.4，a1+b1+d1+e1＝1，0≤x1≤1)表示的第一层与由Tia2Alb2Nbd2Me2(C1-x2Nx2)(其中，0≤a2≤0.5，0.2≤b2≤0.8，0≤d2≤0.25，0≤e2≤0.7，a2+b2+d2+e2＝1，0≤x2≤1，并且排除a1＝a2且b1＝b2且c1＝c2的情况。)表示的第二层反复交替层叠十层以上的结构，由此，被覆层的硬度提高，且能够减少被覆层的内部应力，即使带有厚的被覆层，被覆层也不会发生卷刃或剥离。
此时，第二层中，M为Cr，a2＝0，0.3≤b2≤0.9，d2＝0，0.1≤e2≤0.7，0≤x2≤1，在所述第二层由Alb2Cre2(C1-x2Nx2)表示时，尤其是被覆层的耐卷刃性及耐熔敷性提高而耐磨损性提高。
需要说明的是，被覆层6由将所述第一层和所述第二层反复交替层叠十层以上的结构(以下，简称为交替层叠结构。)构成时，被覆层6的整体组成满足TiaAlbNbdMe(C1-xNx)(其中，0≤a1≤0.8，0≤b1≤0.6，0.02≤d1≤0.4，0≤e1≤0.4，a1+b1+d1+e1＝1，0≤x1≤1)。在此，被覆层6的组成可以通过利用电子显微镜照片来观察切削工具1的剖面，在沿着被覆层6的厚度方向能够观察整体的视野中，利用EPMA(电子探测微分析器)对被覆层6的结构成分进行分析来求出。
另外，被覆层6的非金属成分的C、N在切削工具所需的硬度及韧性方面比较优异，x(N组成比率)的特别优选的范围是0.9≤x≤1。在此，根据本发明，上述被覆层6的组成可以利用能量分散型X射线分光分析法(EDX)或X射线光电子分光分析法(XPS)来测定。
作为表面被覆层6的成膜方法，可以应用离子镀敷法或溅射法等物理蒸镀(PVD)法，作为将这种熔粒7形成在被覆层6表面上的方法，优选应用电弧离子镀敷法。
需要说明的是，作为基体2，优选使用由以碳化钨或碳氮化钛为主成分的硬质相和以钴、镍等铁族金属为主成分的结合相构成的超硬合金或金属陶瓷的硬质合金、将以氮化硅或氧化铝为主成分的陶瓷、多结晶金刚石、立方晶氮化硼构成的硬质相和陶瓷或铁族金属等的结合相在超高压下进行烧成而得到的超高压烧结体等硬质材料。
(制造方法)
接下来，说明本发明的切削工具的制造方法。
首先，使用现有公知的方法制作工具形状的基体。接着，在基体的表面上成膜出被覆层。作为被覆层的成膜方法，可以优选应用离子镀敷法或溅射法等物理蒸镀(PVD)法。对于成膜方法的一例的详细情况进行说明时，在利用离子镀敷法制作被覆层的情况下，使用分别独立地含有金属钛(Ti)、金属铝(Al)、金属铌(Nb)以及规定的金属M(其中，M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中选出的至少一种以上)的金属靶(target)、复合化的合金靶或烧结体靶，安置在腔室的侧壁面位置。
此时，根据本发明，将主靶安置在腔室的侧面，并将与其他的金属相比而Nb的含有率多的副靶1安置在腔室的侧面，将其他的金属的含有率高的副靶2安置在腔室的上表面，使电弧电流流过各个靶而进行成膜。其结果是，将成膜后的被覆层的组成及熔粒的组成形成为本实施方式的结构。需要说明的是，作为靶的制作方法，在使用混合金属粉末而烧固的烧结靶时，与使用先使金属成分熔融而再次固化的合金靶相比，具有向被覆层的表面析出的熔粒的量增多的倾向。
作为成膜条件，使用这些靶，通过电弧放电或辉光放电等使金属源蒸发进行离子化，同时，通过与氮源的氮(N2)气或碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)气体发生反应的离子镀敷法或溅射法而成膜出被覆层及熔粒。此时，基体的安置位置定位在后刀面与腔室的侧面大致平行且前刀面与腔室的上表面大致平行的方向上。此时，向主靶流过100～200A的电弧电流，向侧面的含有较多Nb成分的副靶流过120～250A的电弧电流，根据期望，向上表面配置的副靶流过80～200A的电弧电流。
并且，利用相对于产生的电弧等离子而在与靶的方向垂直的方向上配置磁铁等的方法，通过对产生的电弧等离子赋予磁场，而使等离子内存在的蒸发的各金属成分的存在状态变化，由此能够使微细熔粒多量地产生。需要说明的是，在通过离子镀敷法或溅射法来成膜出上述被覆层时，考虑被覆层的结晶结构，为了能够制作高硬度的被覆层并提高与基体的密接性而优选施加35～200V的偏置电压。
另外，为了成膜出交替层叠结构的被覆层，而在腔室的侧壁面的对置的位置配置主靶1和主靶2。并且，将副靶1配置在腔室的侧壁面而将副靶2配置在腔室的上表面，只要通过与上述同样的方法产生等离子来成膜即可。此时，通过使配设副靶1和副靶2的位置接近主靶1或主靶2的任一者的配设位置，而能够调整构成第一层及第二层的成分。
实施例1
以平均粒径0.8μm的碳化钨(WC)粉末为主成分，并将平均粒径1.2μm的金属钴(Co)粉末以10质量％，平均粒径1.0μm的碳化钒(VC)粉末以0.1质量％，平均粒径1.0μm的碳化铬(Cr3C2)粉末以0.3质量％的比例添加于其中并进行混合，通过冲压成形而成形为DCGT11T302MFCQ形状的不重磨刀片形状之后，实施脱粘合剂处理，在0.01Pa的真空中，以1450℃烧成1小时而制作超硬合金。而且，对各试料的前刀面表面通过喷丸加工、电刷加工等而进行研磨加工。然后，对制作的超硬合金利用电刷加工而实施刀尖处理(珩磨)。
对于如此制作的基体，施加表1所示的偏置电压，使规定的电弧电流分别流过主靶(烧结体靶)、侧面的副靶1(金属或合金靶)、上表面的副靶2(烧结体靶)，且对于产生了电弧电流的靶材，在腔室的上下表面嵌入环状的永久磁铁而从上下方向赋予磁场，并以成膜温度550℃而成膜出表1所示的组成的被覆层。
[表1]
对于得到的试料，利用扫描型电子显微镜(SEM)来观察形成在被覆层的表面的前刀面及后刀面的各面的任意三个部位及形成在前刀面及后刀面表面上的熔粒，测定了1视野内的相对于熔粒全数的粒径为300nm以下的微细熔粒及粒径为1000nm以上的粗大熔粒的个数比率。需要说明的是，熔粒的粒径通过图像解析法算出。而且，通过能量分散分光分析(EDS)(AMETEK公司制EDAX)测定粗大熔粒各10个的组成，并算出它们的平均值作为被覆层的前刀面、后刀面及各面表面上的熔粒的平均组成。表中，形成在前刀面上的粗大熔粒的Nb、Al、Ti的平均含有量(原子％)分别标记为NbDR、AlDR、TiDR，形成在后刀面上的粗大熔粒的Nb、Al、Ti的平均含有量(原子％)分别标记为NbDF、AlDF、TiDF。
需要说明的是，从被覆层的表面，通过XPS(X射线光电子分光分析)对结构成分进行分析而求出试料No.1～8的后刀面的粗大熔粒的金属/非金属比时，金属/非金属比均为1.2以上，试料No.9的金属/非金属比为1.05。而且，对于试料No.1～8，TEM(透过型电子显微镜)分析的结果均是从粗大熔粒的表面朝向内部而金属/非金属比升高。上述的结果如表2所示。
[表2]
接下来，使用得到的外径切削工具DCGT11T302MFCQ形状的不重磨刀片，按以下的切削条件进行了切削试验。结果如表3所示。
切削方法：外径车削加工
被切削材料：碳素钢(S45C)
切削速度：120m/分钟
进给量：0.05mm/rev
切入量：1.2mm
切削状态：湿式
评价方法：利用接触式表面粗糙度仪(东京精密公司制SURFCOM)测定了加工500个之后的被切削材料的加工面，并将算术平均粗糙度Ra标记为加工面粗糙度。而且，确认了到工具寿命为止能够加工的加工数，并确认了此时的磨损形态。
[表3]
根据表1～3所示的结果，在前刀面的微细熔粒比后刀面多的试料No.8中，后刀面的耐卷刃性差。而且，在后刀面存在的粗大熔粒的Nb的含有率比在前刀面存在的粗大熔粒的Nb的含有率少的试料No.9中，被切削材料的加工面粗糙度差而提前达到工具寿命。
相对于此，在试料No.1～8中，均是耐卷刃性优异且能够加工成平滑的加工面而发挥了良好的切削性能。
实施例2
使用实施例1的切削嵌入基体，将表4所示的四种靶在侧面上安装三种且在上表面上安装一种，与实施例1同样地成膜出表4所示的被覆层。需要说明的是，主靶使用烧结靶，在腔室的侧壁面上各安置一个。而且，副靶1使用表4记载的各金属的合金靶，安置在腔室的与主靶1相邻的位置，副靶2在腔室上表面的主靶1的正上方位置上安置一个。
[表4]
对于得到的嵌入物，与实施例1同样地，作为被覆层的整体组成及各层的组成(表的上段为第一层，下段为第二层)而在表5示出。需要说明的是，在利用透过型电子显微镜(TEM)观察被覆层时，成为以厚度10nm以下的间隔将表5的组成所示的第一层和第二层层叠的结构。测定微细熔粒及粗大熔粒的个数比率、组成，在表6或表7中示出。而且，使用得到的嵌入物，按照与实施例1相同的切削条件进行了切削试验。结果记载在表7中。
表5
[表6]
[表7]
通过表4～7可知，在后刀面的微细熔粒比前刀面存在得多且后刀面存在的粒径为1000nm以上的粗大熔粒的平均组成比前刀面存在的粗大熔粒的平均组成的Nb的含有率高的试料No.10～14任一个中，均是耐卷刃性优异且能够加工成平滑的加工面而发挥了良好的切削性能。
【符号说明】
1切削工具
2基体
3前刀面
4后刀面
5切削刃
6被覆层
7熔粒
7a微细熔粒
7b粗大熔粒

Claims (2)

1.一种切削工具，其中，
在基体的表面覆盖由Tia1Alb1Nbd1Me1(C1-x1Nx1)表示的第一层与由Alb2Cre2(C1-x2Nx2)表示的第二层反复交替层叠总计十层以上的结构构成的被覆层，
其中，在Tia1Alb1Nbd1Me1(C1-x1Nx1)中，Me1是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Cr、Zr及Y中选出的至少一种，0＜a1≤0.8，0≤b1≤0.6，0.02≤d1≤0.4，0≤e1≤0.4，a1+b1+d1+e1＝1，0≤x1≤1，
在Alb2Cre2(C1-x2Nx2)中，0.3≤b2≤0.9，0.1≤e2≤0.7，b2+e2＝1，0≤x2≤1，并且排除a1＝0且b1＝b2且d1＝0且e1＝e2的情况，
所述切削工具具有前刀面、后刀面、位于前刀面与后刀面之间的切削刃，在所述被覆层的表面存在熔粒，所述后刀面存在的粒径为300nm以下的微细熔粒比所述前刀面多，所述后刀面存在的粒径为1000nm以上的粗大熔粒的平均组成与所述前刀面存在的所述粗大熔粒的平均组成相比，Nb的含有率高。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，
所述后刀面存在的粗大熔粒的组成中，原子比的金属/非金属的比率大于1.2，且原子比的金属/非金属的比率从所述粗大熔粒的表面朝向内部升高。
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