CN103648692B - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

提供耐熔敷性、耐磨损性优异的切削工具。切削工具(1)在前刀面(3)与后刀面(4)的交叉棱线具有切削刃(5)，在基体(2)的表面覆盖CraM1-a(C1-xNx)(其中，M是从Ti、Al、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种，0.01≤a≤0.5、0≤x≤1)的被覆层6，在被覆层(6)的表面存在有熔粒(7)，且存在于前刀面(3)的熔粒(7)的平均组成与存在于后刀面(4)的熔粒(7)的平均组成相比，Cr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。另外，在专利文献3中公开了在基材表面形成由(A1CrV)N等组成构成的被覆膜、且减少存在于被覆膜表面的宏观微粒的内容。
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2005-271155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，也存在被覆层的耐缺损性不充分这样的问题。另外，在如专利文献3那样在TiAlN中作为第三金属含有Cr的组成中，虽然耐磨损性有所提高但仍需要进一步的改善，特别是存在由于被覆层的内部应力而产生卷刃、膜剥离的情况，期望进一步的耐缺损性的提高。
本发明是为了解决上述课题而做成的，其目的在于提供局部性地具备能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CraM1-a(C1-xNx)(其中，M是从Ti、Al、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种，0.01≤a≤0.5、0≤x≤1)构成的被覆层，且在前刀面与后刀面的交叉棱线具有切削刃，在所述被覆层的表面存在有熔粒，并且存在于所述前刀面的所述熔粒的平均组成与存在于所述后刀面的所述熔粒的平均组成相比，Cr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有熔粒，即使在切削时切屑在前刀面上通过，由于Cr含有量较多的熔粒的存在，从而切屑也不会粘附在前刀面上，被覆层的表面不会成为那么高的温度。并且，由于前刀面的Cr的含有率比后刀面的Cr的含有率高，因此，存在于前刀面上的熔粒的润滑性较高，能减小与切屑的摩擦阻力，并且由于后刀面中的熔粒中的Cr比率较少，因此，能尽早地消失，从而加工时的加工面状态得到改善。
附图说明
图1表示本发明的切削工具的一例，(a)的概略立体图，(b)是(a)的X-X剖视图。
具体实施方式
使用图1((a是概略立体图、(b)是(a)的X-X剖视图)说明关于本发明的切削工具的优选的实施方式例。
根据图1，切削工具1为下述结构：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的交叉棱线具有切削刃5，在基体2的表面成膜有被覆层6。
并且，在基体2的表面覆盖由CraM1-a(C1xNx)(其中，M是从Ti、Al、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种、0.01≤a≤0.5、0≤x≤1)构成的被覆层6，如图1(b)所示，在被覆层6的表面存在有被称作熔粒7的、与被覆层6的组成不同的组成的粒状物质。并且，存在于前刀面3的熔粒7的平均组成与存在于后刀面4的熔粒7的平均组成相比，Cr的含有率高。在此，本发明中的存在于前刀面3及后刀面4的熔粒的平均组成是指相对于前刀面3及后刀面4进行显微镜观察、利用能量分散分光分析(EDS)测定存在于1视场10μm×10μm的任意区域内的直径0.3μm以上的熔粒各自的组成的平均值。
根据该结构，在切削时即使切屑在前刀面3上通过，由于熔粒7的存在，切屑也不会粘附在前刀面上，被覆层6的表面不会成为那么高的温度。并且，由于前刀面3的熔粒7中的Cr的含有率比后刀面4的熔粒7中的Cr的含有率高，因此，存在于前刀面3上的熔粒7的润滑性较高，且也能发挥将切削液保持于被覆层6的表面的效果，并且后刀面4中的熔粒7中的Cr的含有比例较低而能尽早地消失，从而加工时的加工面状态得到改善。
另外，作为被覆层6，优选上述组成式中的M必须含有至少Ti或Al的任意一方。由此，能提高被覆层6的硬度及韧性，提高切削工具1的耐磨损性及耐缺损性。另外，被覆层6的期望的组成最好为作为M必须含有Ti，或作为M必须含有Ti和Al、且还含有从Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种(M’)。具体而言，由CraTibAlcM’d(C1 -xNx)(其中，M’是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种，0.01≤a≤0.25、0.3≤b≤0.8、0≤c≤0.6、0≤d≤0.25、a+b+c+d=1、0≤x≤1)构成。若是该组成，则被覆层6的氧化开始温度变高，耐氧化性提高，且能降低内在的内部应力，耐缺损性较高。并且，被覆层6由于硬度及与基体2的密接性也较高，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(金属Cr组成比率)小于0.01时，被覆层6的耐氧化性及润滑性降低。当a(金属Cr组成比率)大于0.5时，被覆层6的耐磨损性降低。a的特别优选的范围是0.04≤d≤0.15。当b(Ti组成比率)为0.3以上时，被覆层6的结晶结构不从立方晶向六方晶变化，硬度较高而耐磨损性较高。当b(Ti组成比率)为0.8以下时，被覆层6的耐氧化性及耐热性较高。b的特别优选的范围为0.45≤a≤0.5。另外，当c(Al组成比)为0.6以下时，被覆层6的结晶结构不从立方晶向六方晶变化而维持较高的硬度。c的特别优选的范围为0.48≤b≤0.52。另外，当d(金属M组成比率)为0.25以下时，被覆层6的耐氧化性或硬度不降低而能维持较高的耐磨损性。d的特别优选的范围为0.03≤d≤0.22。
需要说明的是，金属M’是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr、Y中选出的一种以上，其中从硬度优异的点出发优选含有Si或W，从耐磨损性·耐氧化性优异的点出发优选含有Nb或Mo。
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优异，x(N组成比率)的特别优选的范围为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。
需要说明的是，从前刀面3及后刀面4的耐磨损性均能最佳化的点出发，优选被覆层6的形成于前刀面3的表面的熔粒7的Cr含有率CrDR相对于形成于后刀面4的表面的熔粒7的Cr含有率CrDF为1.05≤CrDR／CrDF≤1.60。
另外，从缓和由于切屑通过引起的发热的点出发，就存在的熔粒7的数量而言，在前刀面3的10μm×10μm见方的区域中0.3μm以上的熔粒7优选为15～50个、更优选为18～30个。另外，从缓和前刀面3由于切屑的通过而成为高温且使后刀面4的表面光滑而提高加工面品位的点出发，优选前刀面3中的熔粒7的数量比存在于后刀面4的熔粒7的数量多。
此外，从通过提高润滑性来抑制月牙洼磨损及提高切屑排出性的点出发，优选前刀面3中的被覆层6的平均组成的Cr的比率比后刀面4中的被覆层6的平均组成大。
另外，在被覆层6含有Al的情况下，从前刀面3及后刀面4的耐磨损性均能最佳化的点出发，优选形成于前刀面3的表面的熔粒7的Al含有率AlDR相对于形成于后刀面4的表面的熔粒7的Al含有率AlDF为1.00≤AlDR／AlDF≤1.10。比率AlDR／AlDF的特别优选的范围为1.00≤AlDR／AlDF≤1.02。另外，从前刀面3及后刀面4的耐卷刃性均能最佳化的点出发，优选形成于被覆层6的前刀面3的表面的熔粒7的Ti含有率TiDR相对于形成于后刀面4的表面的熔粒7的Ti含有率TiDF为0.91≤TiDR／TiDF≤0.97。比率TiDR／TiDF的特别优选的范围为0.94≤TiDR／TiDF≤0.97。
另外，在另一实施方式中，被覆层6通过反复交替地层叠第一层6a和第二层6b等多层的交替层叠而构成。根据该结构，能提高被覆层6的硬度，且能抑制裂纹发展，也能提高耐缺损性。需要说明的是，在该实施方式中，不限定于第一层6a、第二层6b···等所有的薄层均含有Cr，只要第一层6a、第二层6b···的任意一层以上含有Cr即可。
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法。
在此，从切削工具1的耐磨损性和切屑处理性的平衡良好的方面考虑，优选前刀面3的被覆层6中的Cr的含有率比后刀面4的被覆层6中的Cr的含有率多。
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)
下面，说明本发明的切削工具的制造方法。
首先，使用以往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被覆层。作为被覆层的成膜方法，可以应用离子镀敷法或溅射法等物理蒸镀(PVD)法。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(A1)、金属铬(Cr)及规定的金属M(其中，M是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种以上)的金属靶、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，并且将与其他的金属相比Cr的含有率多的靶安置在腔室的上表面，将其他的金属的含有率高的靶安置在腔室的侧面，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发明的结构。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，具有在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，向上表面的含有较多Cr成分的副靶流过80～200A的电弧电流，根据期望向配置于侧面的副靶流过120～250A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平行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，从而能够将熔粒的组成控制在规定范围内。需要说明的是，在通过离子镀敷法或溅射法来成膜上述被覆层时，考虑被覆层的结晶结构，为了能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。
实施例
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％、将平均粒径1.0μm的碳化钒(VC)粉末以0.1质量％、将平均粒径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℃烧成一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、电刷加工等进行研磨加工。然后，对制作的超硬合金利用电刷加工实施刀尖处理(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、侧面的副靶、上表面的副靶，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靶方向赋予磁场，并以成膜温度540℃成膜表2所示的前刀面组成、表4所示的后刀面组成的被覆层。[表1]
[表2]
对于得到的试料，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以及形成在前刀面及后刀面表面上的熔粒，测定1视场内的10μm×10μm的任意区域的直径0.3μm以上的熔粒的个数，算出测定部位五个部位的平均个数。另外，利用能量分散分光分析(EDS)(AMETEK公司制EDAX)测定直径0.3μm以上的各熔粒的组成，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。在表3中，关于形成于前刀面的熔粒，将Cr、Al、Ti的平均含有量(原子％)分别表记为CrDR、AlDR、TiDR，关于形成于后刀面的熔粒，将Cr、Al、Ti的平均含有量(原子％)分别表记为CrDF、AlDF、TiDF。
[表3]
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。结果示于表4中。
切削方法：外径车削加工
被切削材料：碳素钢(S45C)
切削速度：130m／分钟
送给量：0.05mm／rev
切入量：1.2mm
切削状态：湿式
评价方法：观察加工500个之后的前刀面而确认了熔敷状态。另外，确认了到工具寿命为止能加工的加工数，并确认了此时的磨损形态。
[表4]
根据表1～4所示的结果，在存在于前刀面的熔粒的平均组成与存在于后刀面的熔粒的平均组成相比，Cr的含有率低的试料No.11中，前刀面的被切削材料的熔敷剧烈，月牙洼磨损发展较快，过早地达到工具寿命，相对于存在于前刀面和后刀面的熔粒的平均组成的Cr的含有率相同的试料No.12中，也是前刀面的熔敷较多而过早地发生磨损。
与此相对，在本发明的范围内的试料No.1～10均耐磨损性优异且发挥了能加工为平滑的加工面的良好的切削性能。
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

Claims (7)

1.一种切削工具，其在基体的表面覆盖由CraM1-a(C1-xNx)构成的被覆层，其中，M是从Ti、Al、Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种，0.01≤a≤0.5、0≤x≤1，
并且在前刀面与后刀面的交叉棱线具有切削刃，在所述被覆层的表面存在有熔粒，并且存在于所述前刀面的所述熔粒的平均组成与存在于所述后刀面的所述熔粒的平均组成相比，Cr的含有率高。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，
所述被覆层由CraTibAlcM’d(C1-xNx)构成，其中，M’是从Si、W、Mo、Ta、Hf、Nb、Zr及Y中选出的至少一种，0.01≤a≤0.25、0.3≤b≤0.8、0≤c≤0.6、0≤d≤0.25、a+b+c+d＝1、0≤x≤1。
3.根据权利要求1所述的切削工具，其中，
存在于所述前刀面的熔粒的数量比存在于所述后刀面的熔粒的数量多。
4.根据权利要求2所述的切削工具，其中，
存在于所述前刀面的熔粒的数量比存在于所述后刀面的熔粒的数量多。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的切削工具，其中，
所述前刀面的所述被覆层中的Cr的含有率比所述后刀面的所述被覆层中的Cr的含有率多。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的切削工具，其中，
所述被覆层由交替地反复层叠不同组成的多个薄层而成的交替层叠结构构成。
7.根据权利要求5所述的切削工具，其中，
所述被覆层由交替地反复层叠不同组成的多个薄层而成的交替层叠结构构成。
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