CN103764322B - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备层间密合性高、耐磨性和耐缺损性优异的被覆层的切削工具。该切削工具具备基体和设置于该基体上的被覆层，该被覆层从基体侧起层叠含TiAlN的层、平均晶体直径比该含TiAlN的层大的TiAlNO层或TiNO层和平均晶体直径比所述TiAlNO层或所述TiNO层大的α-Al2O3层而成的切削工具。优选含TiAlN的层的平均晶体直径为0.1～1μm，α-Al2O3层的平均晶体直径为0.5～1.5μm。

Description

切削工具
技术领域
本发明涉及切削工具，特别涉及具备耐缺损性优异的被覆层的切削工具。
背景技术
作为金属、印刷基板等的切削加工中广泛使用的切削工具，已知在超硬合金、金属陶瓷或陶瓷等的基体的表面具备以单层或多层构成的被覆层的切削工具。作为这样的被覆层多采用TiC(碳化钛)层、TiN(氮化钛)层、TiCN(碳氮化钛)层和Al2O3(氧化铝)层等层叠的化学沉积(CVD)膜。并且为了使耐磨性、耐缺损性提高，被覆层的构成、层叠的构成被研究，最近正在开发用CVD成膜的TiAlN(氮化钛铝)层。
例如，在专利文献1中公开了通过CVD法在基体的表面依次设置了TiAlN层和Al2O3层的被覆硬质构件。另外，在专利文献2中公开了通过CVD在TiAlN层上设置了Al2O3层的用于切削镶刀等的构件。还有，在专利文献3中公开了，在TiN等的接合层和TiAlN硬质物质层之间，接合层侧存在梯度层的构件，该梯度层包含TiN／h(六方晶)-A1N相混合物，随着向硬质物质层侧膜厚增大而fcc(立方晶)-TiAlN层的比率增大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平09-125249号公报
专利文献2：日本特表2011-516722号公报
专利文献3：日本特表2011-500964号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在上述专利文献l、专利文献2中记载的层叠了TiAlN层和Al2O3层的构成中，由于热膨胀系数的差导致的残余应力，容易发生层间剥离，其结果是存在被覆层的耐磨性低的问题。另外，作为专利文献3的构成的TiAlN层的上层即使层叠Al2O3层，在TiAlN层和Al2O3层的界面也容易发生层间剥离。因此，本发明的课题在于：为了提高基于高速切削时的温度上升的耐氧化性和耐磨性而包含必需的Al2O3层，提高被覆层的层间密合性。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的是提供具备层间密合性高、耐磨性和耐缺损性优异的被覆层的切削工具。
解决问题的手段
本发明的切削工具具备基体和设置于该基体上的被覆层，该被覆层从基体侧起层叠含TiAlN的层、平均晶体直径比该含TiAlN的层大的TiAlNO层或TiNO层和平均晶体直径比所述TiAlNO层或所述TiNO层大的α-Al2O3层而成。
发明效果
本发明的切削工具能够提高含TiAlN的层、与TiAlNO层或TiNO层、与α-Al2O3层的层间密合性，因此成为被覆层的耐磨性和耐缺损性优异、切削性能高的切削工具。
具体实施方式
本实施方式的切削工具在基体上具备被覆层。并且该被覆层从基体侧起，至少包含层叠了含TiAlN(氮化钛铝)的层、平均晶体直径比该含TiAlN的层大的TiAlNO(氮氧化铝钛)层或TiNO(氮氧化钛)层和平均晶体直径比所述TiAlNO层或所述TiNO层大的α-Al2O3(α型晶体结构的氧化铝)层的构成。还优选在基体和含TiAlN的层之间具备TiN(氮化钛)层。此外，本实施方式中的平均晶体直径是指在各层的层厚的中央划直线，计量穿过该直线的规定范围(20μm)的晶界数，用“规定范围(20μm)／晶界数”求得的值。
并且，通过满足上述构成，能够提高TiN层、含TiAlN的层、TiAlNO层或TiNO层、α-Al2O3层的层间密合性，能够制成耐磨性和耐缺损性高的被覆层。此外，为了抑制扩散磨耗的进行，作为本实施方式的切削工具中的被覆层的构成成分优选不含容易和作为被切削材料成分的铁熔敷的C(碳)成分。
在此，TiN层起到提高基体和上层的附着力的作用。在抑制基体的C(碳)原子扩散并使附着力提高方面，TiN层的膜厚的优选范围是0.05～2.0μm。
接着，含TiAlN的层是包含立方晶型的TiAlN晶体和六方晶型的AlN晶体的混晶的层，通过具备该含TiAlN的层，能够提高耐磨性和耐缺损性。另外，在耐磨性方面，含TiAlN的层的膜厚的优选范围是2.5～12μm。
另外，在含TiAlN的层中，就TiAlN而言，能够通过调节Ti和Al的含有比率来调节热膨胀系数。因此，还能够将施加于被覆层的残余应力调节为不是拉伸应力而是压缩应力的状态。另外，也能够使含TiAlN的层靠近α-Al2O3层一侧接近α-Al2O3层的热膨胀系数，靠近含TiAlN的层的基体一侧接近基体的热膨胀系数。
这样一来，通过调节Ti和Al的含有比率，通过降低在含TiAlN的层的上层侧和基体侧的界面发生的热应力，也能够提高层间密合性。此外，优选调节在含TiAlN的层和α-Al2O3层之间形成的TiAlNO层或TiNO层使得在含TiAlN的层和α-Al2O3层之间具有热膨胀系数。
接着，在上层具备α-Al2O3层方面，TiAlNO层或TiNO是必须的。在设置Al2O3层时通过在下层具备像TiAlNO层或TiNO层那样的含O(氧)成分的层，能够形成Al2O3晶体的晶体结构为α型的α-Al2O3层。TiAlNO层或TiNO层的膜厚的优选范围是0.03～2μm。
在本实施方式的切削工具的被覆层中，因为具备TiAlNO层或TiNO层，所以能够稳定形成α-Al2O3层，因此与κ型晶体、γ型晶体所构成的κ-Al2O3层、γ-Al2O3层相比较，能够提高高温中的耐氧化性，即使在高速切削、难切削材料的切削中也能够发挥高的耐磨性。另外，α-Al2O3层的膜厚的优选范围是2～6μm。
另外，就本实施方式的切削工具而言，含TiAlN的层的平均晶体直径为0.1～1μm，α-Al2O3层的平均晶体直径为0.5～1.5μm时，能够提高含TiAlN的层和α-Al2O3层自身的强度，并且提高层间密合性。另外，在提高TiN层的强度方面，构成TiN层的TiN晶体的平均晶体直径的优选范围是0.02～0.3μm。
另外，就含TiAlN的层的平均晶体直径而言，上层侧比基体侧大2～5倍时能够提高层间密合性。具体地，通过使含TiAlN的层的平均晶体直径在上层侧比基体侧大2～5倍，能够使含TiAlN的层的热膨胀行为接近基体侧的下层的TiN层、上层侧的TiAlNO层或TiNO层和α-Al2O3层，因此能够提高层间密合性。
此外，本实施方式中的含TiAlN的层的基体侧是指在含TiAlN的层的层厚方向，与TiN层的界面相距含TiAlN的层的层厚10％厚度的位置，含TiAlN的层的上层侧是指在含TiAlN的层的层厚方向，与TiAlNO层或TiNO层的界面相距含TiAlN的层的层厚10％厚度的位置。
另外，含TiAlN的层包含立方晶型的TiAlN晶体和六方晶型的AlN晶体的混晶，通过上层侧中的立方晶型的TiAlN晶体的含有比率比基体侧高且在与TiAlNO层或TiNO层的界面中六方晶型的AlN晶体的含有比率高，能够提高基体或TiN层和含TiAlN的层以及含TiAlN的层和TiAlNO层或TiNO层的密合性，进而能够提高被覆层整体的层间密合性。另外，能够提高含TiAlN的层自身的耐磨性。
还有，就含TiAlN的层的Al／Ti的比率而言，为了提高各层间的层间密合性优选基体侧比上层侧大。即，如果A1的含有比率高，则未形成TiAlN晶体的残余的A1成分以AlN的形式存在。在此，各成分的室温附近的线性热膨胀系数(×10-6／℃)是AlN为4.5、TiN为9.4、WC-Co为4.5、Al2O3为7.2。此外，因为在基体正上方形成的TiN层是杨氏模量低的材料较薄地形成的层，所以优选使含TiAlN的层的基体侧的热膨胀系数近似基体的超硬合金(WC-Co)的热膨胀系数，提高AlN的含有比率，降低TiN的含有比率是有效的。
另一方面，在本实施方式的切削工具中的被覆层的构成上，因为上层侧的热膨胀系数大，所以优选含TiAlN的层是基体侧的Al的含有比率高，上层侧中Ti的含有比率高的构成。
另外，在提高被覆层的滑动性，提高耐熔敷性的方面优选作为α-Al2O3层的上层具备如下的含TiAlN的层，该含TiAlN的层比α-Al2O3层的下层的含TiAlN的层的六方晶型的AlN晶体的含有比率多。六方晶型的AlN晶体具有对被切削材料的耐熔敷性高的效果。
此外，基体可以适当地使用超硬合金、Ti基金属陶瓷或Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)、金刚石、cBN(立方晶氮化硼)等陶瓷的任意一种，其中，超硬合金是将包含WC(碳化钨)和根据需要的选自除WC以外的周期表第4、5、6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物的至少1种的硬质相，利用包含Co(钻)和／或Ni(镍)等铁系金属的键合相键合而成的超硬合金。另外，根据使用条件，基体也可以是包含碳钢、高速度钢、合金钢等的金属的基体。
另外，如果是用于相比之下温度不上升的低速的切削，也可以是具备硬度优异的TiCN层的切削工具，优选在TiN层和TiAlN层之间形成。(制造方法)
接着，对上述的切削工具的制造方法的一实施方式进行说明。
首先，在将上述的基体通过烧成能够形成的金属碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物等无机物粉末中适当添加、混合金属粉末、碳粉末等，通过冲压成形、浇铸成形、挤出成形、冷等静压冲压成形等公知的成形方法成形为规定的工具形状。然后，通过将得到的成形体在真空中或非氧化性气氛中烧成而制作上述的包含硬质合金的基体。并且，在上述基体的表面根据需要实施研磨加工、刀刃部的珩磨加工。
接着，在得到的基体的表面通过化学气相沉积(CVD)法形成被覆层。如果对其成膜条件的一例进行说明，首先根据需要在基体的正上方形成TiN层。其成膜条件是使用作为混合气体组成包含如下比率的气体的混合气体：TiCl4(四氯化钛)0.5～10体积％、N2(氮气)10～60体积％，其余为H2(氢气)气体，成膜温度为800～940℃，压力为8～50kPa。
接着，形成含TiAlN的层。其成膜条件是使用作为混合气体组成包含如下比率的气体的混合气体：TiCl40.5～1.5体积％、AlCl3(三氯化铝)2.0～6.0体积％、NH3(氨气)l～10体积％，其余为H2，成膜温度为830～850℃，压力为5～20kPa。
继而，在含TiAlN的层的上层形成TiAlNO层。具体是紧接上述含TiAlN的层，更换为如下的成膜条件使TiAlNO层成膜。即，使用包含如下比率的气体的混合气体：TiCl4O.5～1.5体积％、AlCl32.0～6.0体积％、NH3l～10体积％、CO2(二氧化碳)0.5～2.0体积％，其余为H2，成膜温度为830～880℃，压力为5～30kPa。
另外，在含TiAlN的层的上层形成TiNO层时，紧接含TiAlN的层，更换为如下的成膜条件使TiNO层成膜。即，使用包含如下比率的气体的混合气体：TiCl40.5～5体积％、N210～30体积％、CO20.5～3.0体积％，其余为H2，成膜温度为950～1010℃，压力为5～30kPa。
然后，接着形成α-Al2O3层。作为具体的成膜条件的一例优选使用包含如下比率的气体的混合气体：AlCl30.5～5.0体积％、HCl(氯化氢)0.5～3.5体积％、CO20.5～5.0体积％、H2S(硫化氢)0～0.5体积％，其余为H2，成膜温度为930～1010℃，压力为5～10kPa。
接着，根据需要在α-Al2O3层的表面使含TiAlN的层成膜。设置为包含如下比率的气体的混合气体：TiCl40.5～5体积％、AlCl30.5～6.0体积％、NH32～10体积％，其余为H2气体，成膜温度为870～950℃，压力为5～25kPa，使TiAlN层成膜。根据该条件，在含TiAlN的层中六方晶型的AlN晶体的含有比率增加。
还有，根据需要在α-Al2O3层或TiAlN层的上层使TiN层成膜作为表面层。例如作为TiN层的成膜条件优选使用作为混合气体组成包含如下比率的气体的混合气体：TiCl40.1～10体积％、N210～60体积％，其余为H2，反应室内的温度为800～1010℃，压力为10～85kPa。
另外，作为在TiN层和含TiAlN的层之间使TiCN层成膜时的成膜条件使用作为混合气体组成包含如下比率的气体的混合气体：TiCl40.1～10体积％、N210～60体积％、CH3CN(乙腈)0.1～2.0体积％，其余为H2气体，反应室内的温度为830～910℃，压力为5～30kPa。
通过上述的成膜温度、气氛、原料气体的调节以及调节成膜时间，能够将各层的组成控制在规定的范围内。并且，根据需要至少研磨加工所形成的被覆层的表面的刀刃部。通过该研磨加工刀刃部被加工平滑，抑制被切削材料的熔敷，进而成为耐缺损性优异的工具。
实施例
相对于平均粒径1.2μm的WC粉末，按如下比率添加、混合：平均粒径1.5μm的金属Co粉末6质量％、TiC(碳化钛)粉末2.0质量％、Cr3C2(碳化铬)粉末0.2质量％，通过冲压成形使其成形为切削工具形状(CNMGl20408)。对得到的成形体实施脱粘结剂处理，在0.5～100Pa的真空中，用1400℃烧成1小时制作了超硬合金。还有，对制作的超硬合金利用电刷加工对前刀面侧实施了刀尖处理(R珩磨)。
接着，对上述超硬合金通过CVD法，在表1中所示的成膜条件下使表2、3中所示的层构成的被覆层成膜。此外，在表2中记录了由扫描电子显微镜(SEM)照片估算的各层的厚度和构成各层的晶体的平均晶体直径，在表3中测定并表示了含TiAlN的层的基体侧、中央、上层侧的平均晶体直径以及包括基体侧、上层侧、上层侧界面、表面层TiAlN层的晶体构成(立方晶比率=X射线衍射(XRD)峰中的立方晶峰的峰强／(立方晶峰的峰强+六方晶峰的峰强))，以及基体侧、上层侧、上层侧界面中的Al比率x(Ti(1-x)AlxN的x值)。
[表1]
1)混合气体组成根据各试样的组成在上述气体量的范围内调整。
2)成膜温度根据各试样的组成在上述温度范围内调整。
[表2]
1)被覆层
①～⑩：成膜条件、(层厚度(μm))、[晶体形态、平均晶体直径(μm)]
2)对于Al2O3层用括号记载晶型
[表3]
并且，使用该切削工具通过下述的条件进行断续切削试验和磨耗切削试验，评价工具性能，结果示于表4中。
(断续切削条件)
被切削材料：铬钼钢4槽材料(SCM440)
工具形状：CNMGl20408
切削速度：280m／分钟
进给速度：0.40mm/rev
进给量：1.5mm
其它：使用水溶性切削液
评价项目：直至缺损的冲击次数
(磨耗切削条件)
被切削材料：铬钼钢圆柱材料(SCM435)
工具形状：CNMGl20408
切削速度：300m／分钟
进给速度：0.30mm/rev
进给量：1.5mm
其它：使用水溶性切削液
评价项目：利用显微镜测定切削时间10分钟时的刀刃的状态和后刀面磨耗宽度
【表4】
根据表1～4，未形成TiN层的试样No.7中被覆层从基体剥离，形成TiCN层而非含TiAlN的层的试样No.8中虽然被覆层的密合性高，但是扩散磨耗进行的快，任意一个均为断续切削中的冲击次数少且连续切削中的后刀面磨耗量大的试样。另外，构成含TiAlN的层、TiAlNO层(其中，试样No.9=TiAlCNO层)、α-Al2O3层的晶体的平均晶体直径不是依次为含TiAlN的层＜TiAlNO层＜α-Al2O3层的试样No.9～11中，任意一个均观察到α-Al2O3层的剥离，断续切削中的冲击次数少且连续切削中的后刀面磨耗量大。
与此相对，从基体侧起层叠TiN层、含TiAlN的层、TiAlNO层或TiNO层、α-Al2O3层，并且构成各层的晶体的平均晶体直径为TiAlN层＜TiAlNO层或TiNO层＜α-Al2O3层的试样l～6中具有被覆层的层间密合性高，耐缺损性和耐缺损性优异的切削性能。

Claims (6)

1.一种切削工具，其特征在于，具备基体和设置于该基体上的被覆层，该被覆层从基体侧起层叠含TiAlN的层、平均晶体直径比该含TiAlN的层大的TiAlNO层或TiNO层和平均晶体直径比所述TiAlNO层或所述TiNO层大的α-Al2O3层而成，并且，就所述含TiAlN的层的平均晶体直径而言，上层侧比基体侧大2～5倍。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述含TiAlN的层的平均晶体直径为0.1～1μm，所述α-Al2O3层的平均晶体直径为0.5～1.5μm。
3.根据权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，所述含TiAlN的层包含立方晶型的TiAlN晶体和六方晶型的AlN晶体的混晶，上层侧中的所述立方晶型的TiAlN晶体的含有比率比基体侧高。
4.根据权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，就所述含TiAlN的层的Al/Ti的比率而言，基体侧比上层侧大。
5.根据权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，作为所述α-Al2O3层的上层具备如下的含TiAlN的层，该含TiAlN的层比所述α-Al2O3层的下层的含TiAlN的层的六方晶型的AlN晶体的含有比率高。
6.根据权利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，在所述基体和所述含TiAlN的层之间，所述被覆层还包含TiN层。
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