CN103476527B - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备了能够使前刀面及后刀面的切削性能最优化的被覆层的切削工具。切削工具(1)在基体(2)的表面具备通过交替反复层叠由TiN构成的A层(7)和由Ti1-aMa(C1-xNx)(其中，M是从除Ti以外的周期表第4、5、6族金属、Al、Si及Y中选择出的至少一种，0.1≤a≤0.9，0≤x≤1)构成的B层(8)而成的被覆层(6)，前刀面(3)的被覆层(6)中的A层(7)和B层(8)的厚度之比(trA/trB)比后刀面(4)的被覆层(6)中的A层(7)和B层(8)的厚度之比(tfA/tfB)大。

Description

切削工具
技术领域
本发明涉及一种在基体的表面上成膜被覆层而成的切削工具。
背景技术
切削工具需要耐磨损性或耐熔敷性、耐缺损性。因此，广泛地使用在WC基超硬合金或TiCN基金属陶瓷等硬质基体的表面上成膜各种各样的被覆层而成的切削工具。作为这样的被覆层，TiCN层或TiAlN层通常被广泛地采用，但正在以更高的耐磨损性和耐缺损性的提高作为目的而开发各种各样的被覆层。
例如，在专利文献1中，公开了一种将TiCN皮膜层和TiAlCN皮膜层交替邻接而形成4层以上的硬质皮膜结构。另外，在专利文献2中，公开了一种在由TiNbSiN构成的A层和由TiAlN构成的B层分别交替层叠而成的被覆层中，使A层和B层的周期在被覆层的厚度方向上变化的皮膜结构。进而，在专利文献3中，公开了一种在两种TiMCN薄层以一定周期交替层叠而成的被覆层中，改变下层的层叠周期和上层的层叠周期的结构。另外，在专利文献4中，记载了一种在TiN和AlN的反复层叠结构中，整体性改变前刀面处的层叠周期和后刀面处的层叠周期的结构。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】：日本特开平06-136514号公报
【专利文献2】：日本特开2010-076084号公报
【专利文献3】：日本特开2010-099769号公报
【专利文献4】：日本特开平07-003432号公报
【发明概要】
【发明要解决的课题】
但是，即便在专利文献1～4的任一结构中，也没有对在前刀面和后刀面处所要求的性能施行最优化，因此需要使各自的性能最优化。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种具备了能够使前刀面及后刀面中的切削性能最优化的被覆层的切削工具。
本发明的切削工具由如下结构构成，即，在基体的表面具备通过交替反复层叠由TiN构成的A层和由Ti1-aMa(C1-xNx)(其中，M是从除Ti以外的周期表第4、5、6族金属、Al、Si及Y中选择出的至少一种，0.1≤a≤0.9，0≤x≤1)构成的B层而成的被覆层，前刀面的所述被覆层中的所述A层和所述B层的厚度之比(trA/trB)比后刀面的所述被覆层中的所述A层和所述B层的厚度之比(tfS/tfB)大。
根据本发明，将被覆层设为A层(TiN)和B层(Ti1-aMa(C1-xNx))的交替层叠结构，且使前刀面的被覆层中的A层和B层的厚度之比(trA/trB)比后刀面的被覆层中的A层和B层的厚度之比(tfA/tfB)大。即，通常认为A层(TiN)与B层(Ti1-aMa(C1-xNx))相比硬度低而耐磨损性差。但是，在设为A层和B层交替层叠的结构的情况下，发现A层的厚度比率比B层的厚度比率大对于车刀前面磨损的抑制是有效的。由此，使抑制前刀面中的车刀前面磨损的进展的性能和相对于后刀面中的摩擦磨损的耐磨损性这两方性能最优化的结果是，能够使作为切削工具整体的寿命变长。
附图说明
图1是关于本发明的切削工具的一例的简要立体图。
图2是图1的切削工具的(a)前刀面、(b)后刀面中的被覆层的放大剖视图。
具体实施方式
关于本发明的切削工具的一例，采用图1的简要立体图、及图2的(a)前刀面、(b)后刀面中的被覆层的放大剖视图进行说明。
本发明的切削工具1在基体2的表面具备被覆层6，并且具有前刀面3和后刀面4，该被覆层6通过周期性地交替反复层叠A层7和B层8而成，该A层7由TiN构成，该B层8由Ti1-aMa(C1-xNx)(其中，M是从除Ti以外的周期表第4、5、6族金属、Al、Si及Y中选择出的至少一种，0.1≤a≤0.9，0≤x≤1，以下，往往记载为TiM(CN)。)构成。
并且，由前刀面3的被覆层6中的A层7和B层8的厚度之比(trA/trB)比后刀面4的被覆层6中的A层7和B层8的厚度之比(tfA/tfB)大的结构构成。比(trA/trB)的优选范围为1.5～1.9，比(tfA/tfB)的优选范围为1.0～1.4。另外，比(trA/trB)和比(tfA/tfB)之比(trA/trB)/(tfA/tfB)为1.2～1.9。进而，trA的优选范围为41～60nm，trB的优选范围为25～40nm，tfA的优选范围为35～42nm，trB的优选范围为20～35nm。
该由A层7(TiN)和B层8(TiM(C)N)交替反复层叠而成的结构构成的被覆层6成为比A层7的单层、或者B层8的单层中的任一单层均高的硬度，并且，高温下的耐氧化性也得以提高。另外，在前刀面3中，A层7的厚度比率高，从而抑制车刀前面磨损的进展的效果高，在后刀面4中，对于摩擦磨损的耐磨损性优越的B层8的厚度比率高，从而后刀面4的耐磨损性高。其结果是，能够使切削工具1的各部位中的磨损最优化，从而能够提高切削工具的寿命。
需要说明的是，对于被覆层6中的A层7和B层8的厚度之比的算出方法而言，利用透射型电子显微镜(TEM)对于A层7及B层8连续20层以上(各10层以上)的区域观察被覆层6。对于各10层以上的A层7及B层8，测定各层的厚度。然后，分别合计A层7的厚度及B层8的厚度，并通过对其比进行计算而求出被覆层6中的A层7和B层8的厚度之比。被覆层6中的A层7和B层8的厚度为在各层中基本相同的厚度，但在利用后述的离子镀敷法或溅射法等物理沉积(PVD)法成膜之际，伴随着根据基体2的旋转状态而与靶的距離及向靶的朝向的变化，在各层中厚度往往稍微发生变化。其中，厚度的变化伴随着基体2的旋转状态中的各基体位置的周期性变化而周期性地变化。
另外，切削刃5的被覆层6中的A层7和B层8的厚度之比(tcA/tcB)优选比后刀面4的被覆层6中的A层7和B层8的厚度之比(tfA/tfB)大。由此，能够使A层7的内部应力低且能够缓和被覆层6整体的应力，即使在切削刃5上成膜较厚的膜，也不会由于边缘效应使成膜在切削刃5上的被覆层6因自破坏剥离，从而能够使工具寿命大幅提高。比(tcA/tcB)的优选范围为1.5～1.95。另外，tcA的优选范围为41～60nm，tcB的优选范围为32～40nm。
另外，优选前刀面3中的被覆层6的总膜厚Tr比后刀面4中的被覆层6的总膜厚Tf厚。由此，能够使前刀面3和后刀面4的磨损量的平衡最优化，故是优选的。前刀面3中的被覆层6的总膜厚Tr和后刀面4中的被覆层6的总膜厚Tf的比率Tr/Tf的优选范围为1.1～1.5。Tr和Tf的优选厚度根据切削条件而不同，Tr的优选范围为5.8～10μm，Tf的优选范围为3.0～6.5μm。
在此，在Ti1-aMa(C1-xNx)组成中，若a比0.1小，则无法获得硬度特性和耐氧化性，反之，若a比0.9大，则硬度降低变得显著。另外，作为金属M，由从除Ti以外的周期表第4、5、6族金属、Al、Si及Y中选择出的至少一种构成，其中，含有Al、Nb、Si、Cr及W的一种以上在提高被覆层6的耐氧化性方面是优选的。
另外，在切削速度为150m/分钟以上的高速切削或高硬度材料等难切削材料的切削中，前刀面中的车刀前面磨损容易进展，但在表示B层8的组成式Ti1-aMa(C1-xNx)中，在满足0.75≤a≤0.85且所述组成式的M含有80％以上的Al的情况下，抑制前刀面中的车刀前面磨损的效果高。其结果是，能够使作为切削工具1的整体的耐磨损性变高。
需要说明的是，被覆层6中的各元素的含有比率可以采用配备于电子显微镜测定装置中的能量分散型X射线光谱(EDS)分析装置进行测定，被覆层6中的Ti含有比率利用各元素的峰值强度的总和和Ti元素的峰值强度的比率来算出。在此，关于能量分散型X射线光谱(EDS)分析法中的Ti的L1t射线的峰值(能量0.4keV附近)，由于与N元素的K1射线的峰值重叠而无法实现准确的测定，因此，在存在含有N元素的可能性的情况下，从用于计算的峰值中排除Ti的L1射线的峰值而采用Ti的K1射线的峰值(能量4.5keV附近)来求出Ti的含有量，并根据该量分别求出其他金属元素的含有比率。另外，根据本发明，在测定金属元素时，分别根据被覆层的任意5处以上的测定值来求出其平均值。
进而，作为被覆层6的非金属成分的C、N是使切削工具1所需的硬度及韧性优越的成分，为了抑制在被覆层6的表面产生的熔滴的过量产生，x(N含有比率)尤其优选的范围为0.5≤x≤1。需要说明的是，被覆层的组成可以采用能量分散型X射线光谱(EDS)分析法或者X射线光电子光谱分析法(XPS)来进行测定。
另外，作为基体，除了由以碳化钨、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、金属陶瓷以外，也可适当地使用由以氮化硅、氧化铝为主成分的陶瓷、多晶金刚石、立方晶氮化硼构成的硬质相和陶瓷、铁族金属等的结合相在超高压下进行烧成的超高压烧结体等硬质材料。
(制造方法)
接着，对本发明的切削工具的制造方法进行说明。
首先，采用现有公知的方法制作工具形状的基体。接着，在基体的表面成膜被覆层。作为被覆层的成膜方法，能够适当地应用离子镀敷法、溅射法等物理沉积(PVD)法。若针对成膜方法的一例的细节进行说明，则在采用离子镀敷法制作被覆层时，在分别独立地含有金属钛(Ti)及金属M(其中，M是从Ti周期表第4、5、6族元素、Al、Si及Y中选择出的一种以上)的金属靶或者复合化的合金靶中使用。
此时，根据本发明，将构成A层的A靶和构成B层的B靶配置在腔室的侧壁面的位置上(优选对置的位置)，并且另行准备含有Ti金属或者化合物的靶，Ti靶安置在腔室的靠近A靶的上壁面位置。然后，通过利用后述的成膜条件进行成膜，能够将成膜了的被覆层的组成及厚度的比率形成为本发明的结构。需要说明的是，作为含有Ti金属或者化合物的靶的制作方法，从能够进行具有指向性的成膜这一方面来看，与将金属粉末混合而烧结固定的烧结靶相比，优选采用使金属成分熔融而再次固化的合金靶。
作为成膜条件，使用该靶，采用通过电弧放电、辉光放电等使金属源蒸发而离子化、同时使之与氮源的氮(N2)气、碳源的甲烷(CH4)/乙炔(C2H2)气发生反应的离子镀敷法或者溅射法来对被覆层进行成膜。此时，基体的安置位置安置成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朝向上。
需要说明的是，在利用离子镀敷法、溅射法对上述被覆层进行成膜之际，优选的是，考虑被覆层的晶体结构来施加电弧电流，由此能够制作特定的高硬度的被覆层，并且为了提高与基体的密接性而施加30～200V的偏压电压。
【实施例】
对于平均粒径0.5μm的碳化钨(WC)粉末，按照金属钴(Co)粉末为10质量％、碳化铬(Cr3C2)粉末为0.5质量％的比例，整体为100质量％的方式进行添加、混合，并成型为刀尖更换式切削工具(CNMG0408)镶刀形状而进行了烧成。然后，在经过研磨工序之后，按照碱、酸、蒸馏水的顺序对表面进行清洗而制作了切削镶刀基体。
然后，在装配了表1所示的靶的电弧离子镀敷装置内将上述基体安置成后刀面朝向侧面并将基体加热成500℃，利用表1所示的电弧电流成膜表1所示的被覆层。需要说明的是，主靶采用基于将各金属粉末混合而烧结固定的烧结法而成的烧结靶，在腔室的侧壁面上安置两个主靶。另外，副靶采用将表1所记载的各金属暂时熔融并再次固化而成的合金靶或者烧结靶，在腔室的表1所示的安置位置的壁面上安置1个副靶。另外，成膜条件设为氮气为总压力4Pa的气氛中，偏压电压为100V。
【表1】
对于所获得的镶刀，采用基恩仕公司制扫描型电子显微镜(VE8800)及透射型电子显微镜来进行组织观察，对构成被覆层的晶体的性状、膜厚(Tr、Tc、Tf、trA、tfA、trB、tfB)进行了确认。采用同装置附随的EDAX分析器(AMETEKEDAX-VE9800)在加速电压15kV下通过作为能量分散型X射线光谱(EDS)分析法的一种的ZAF法进行被覆层的组成的定量分析，对前刀面和后刀面各自算出了被覆层的组成。结果示于表2、3。需要说明的是，在膜厚的测定中，对于A层和B层的厚度周期性变化的试样，在包括1周期的区域中以A层和B层的厚度各自能够观察的倍率确定了视野。并且，对该区域内的多层的A层和B层的厚度分别进行了测定。进而，对观察视野为任意3视野的观察点进行测定，并将其平均而算出了各自的trA、tfA、trB、tfB。另外，在距离切削刃1mm的位置处测定前刀面及后刀面的总厚度Tr、Tf，切削刃的膜厚Tc设为在角部处被覆层的厚度最厚的部分的厚度。
进而，采用所获得的镶刀在以下的切削条件下进行了切削试验。结果记载于表3。
切削方法：肩削(铣削加工)
被削材料：SKDll
切削速度：150m/分钟
进刀量：0.12mm/刀刃
切入：横向切入10mm，深度切入3mm
切削状态：干式
评价方法：直至无法切削为止的冲击次数。以及每冲击次数100次时观察切削刃的状态，对即将无法切削之前的切削刃的状态进行了确认。
【表2】
【表3】
根据表1～3可知，在比(trA/trB)比比(tfA/tfB)低或相同的试样No.7～8、及A层不是TiN的试样No.9中，崩刀、磨损的进展均较早，从而工具寿命较短。
与其相对，在比(trA/trB)比比(tfA/tfB)大的试样NO.1～6及试样No.10～15中，耐缺损性和耐磨损性良好，从而切削性能优越。
附图符号说明
1切削工具
2基体
3前刀面
4后刀面
5切削刃
6被覆层
7A层
8B层

Claims (4)

1.一种切削工具，其中，
在切削工具的基体的表面具备被覆层，该被覆层通过交替反复层叠A层和B层而成，该A层由TiN构成，该B层由Ti1-aMa(C1-xNx)构成，其中，M是从除Ti以外的周期表第4、5、6族金属、Al、Si及Y中选择出的至少一种，0.1≤a≤0.9，0≤x≤1，
前刀面的所述被覆层中的所述A层和所述B层的厚度之比(trA/trB)比后刀面的所述被覆层中的所述A层和所述B层的厚度之比(tfA/tfB)大。
2.如权利要求1所述的切削工具，其中，
切削刃的所述被覆层中的所述A层和所述B层的厚度之比(tcA/tcB)比所述后刀面的所述被覆层中的所述A层和所述B层的厚度之比(tfA/tfB)大。
3.如权利要求1或2所述的切削工具，其中，
所述前刀面中的所述被覆层的总厚度Tr比所述后刀面中的所述被覆层的总厚度Tf厚。
4.如权利要求1或2所述的切削工具，其中，
在表示所述B层的组成式Ti1-aMa(C1-xNx)中，满足0.75≤a≤0.85，并且所述组成式的M含有80％以上的Al。
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