CN108472749B

CN108472749B - 覆盖工具

Info

Publication number: CN108472749B
Application number: CN201680075232.0A
Authority: CN
Inventors: 森聪史
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: US11224920B2; WO2017111073A1; KR102109492B1; JPWO2017111073A1; KR20180084977A; JP6978942B2; DE112016005895B4; US20190017178A1; DE112016005895T5; CN108472749A

Abstract

一个方式的覆盖工具具有基体以及位于该基体上的覆盖层。该覆盖层具有由第一层和第二层形成的交替层，所述第一层含有(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1‑x(其中，M为选自除了Ti和Nb之外的元素周期表4、5、6族金属以及Al中的1种以上；0.2≤b≤0.8、0.01≤d≤0.2、0≤e≤0.7、b+d+e＝1、0＜x＜1)，所述第二层含有M′N(其中，M′为除了Nb之外的周期表4、5、6族金属)。

Description

覆盖工具

技术领域

本方式涉及覆盖工具。

背景技术

作为用于切削的覆盖工具，已知例如具备WC基超硬合金和TiCN基金属陶瓷等硬质基体和位于该硬质基体表面的各种覆盖层的覆盖工具。作为所述覆盖工具的覆盖层，通常采用TiCN层、TiAlN层，但出于提高耐磨损性和耐缺损性的目的而开发了各种覆盖层。

例如，日本特开2011-302832号公报(专利文献1)公开了一种下层为TiAlN层且上层为TiNbAlN层的覆盖层。另外，日本特开2010-076084号公报(专利文献2)公开了由包含TiNbSiN的A层与包含TiAlN的B层交替层叠而成的构成的覆盖层。

近年来，在覆盖工具的技术领域中，期待进一步提高覆盖层的耐磨损性和耐缺损性。

发明内容

一个方式的覆盖工具具有基体以及位于该基体上的覆盖层。该覆盖层具有由第一层与第二层交替层叠而成的交替层，所述第一层含有(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x(其中，M为选自除了Ti和Nb之外的周期表4、5、6族金属以及Al中的1种以上；0.2≤b≤0.8、0.01≤d≤0.2、0≤e≤0.7、b+d+e＝1、0<x<1)，所述第二层含有M’N(其中，M’为除了Nb之外的周期表4、5、6族金属)。

附图说明

图1为一个实施方式的覆盖工具的概略立体图。

图2是将图1的覆盖工具的覆盖层附近放大而得到的示意图。

图3是将第一变形例的覆盖工具的覆盖层附近放大而得到的示意图。

图4是将第二变形例的覆盖工具的覆盖层附近放大而得到的示意图。

图5是将第三变形例的覆盖工具的覆盖层附近放大而得到的示意图。

具体实施方式

(覆盖工具)

对于一个实施方式的覆盖工具1，使用图1和图2进行说明。

图1所示的覆盖工具1具有第一面20、第二面22、以及位于第一面20与第二面22相交部分的至少一部分的切削刃24。图1所示的覆盖工具1是安装于支架(未图示)前端的规定位置来使用的交换型切削刀片的一例。

第一面20在图1中被示作上表面，至少一部分为前刀面。另外，第二面22在图1中被示作侧面，至少一部分为后刀面。需要说明的是，即使第一面20的至少一部分为后刀面、第二面22的至少一部分为前刀面也没有任何问题。

另外，如图2所示，覆盖工具1具有基体2以及位于基体2上的覆盖层4。本实施方式中，覆盖层4具有由第一层7与第二层8交替层叠而成的交替层6，所述第一层7含有(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x(其中，M为选自除了Ti和Nb之外的元素周期表4、5、6族金属以及Al中的1种以上；0.2≤b≤0.8、0.01≤d≤0.2、0≤e≤0.7、b+d+e＝1、0<x<1)，所述第二层8含有M’N(其中，M’为除了Nb之外的元素周期表4、5、6族金属)。需要说明的是，将第一层7与第二层8的组合视为1个集合时，交替层6具有2个以上的该集合。交替层6适合具有5个以上的上述集合。

第一层7为上述组成，因此硬度和抗氧化性高。第二层8为上述组成，因此韧性高。另外，本实施方式中的第一层7与第二层8的相容性良好，因此具有良好的接合性。由此，交替层6的耐磨损性和耐缺损性优异，因而，覆盖工具1的寿命长。

本实施方式中的交替层6的显微维氏硬度为25GPa以上。需要说明的是，显微维氏硬度的测定条件是利用纳米压痕仪以20mN的载重进行测定。

根据本实施方式，交替层6具有多个第一层7和多个第二层8，多个第一层7的厚度t₁的平均值和多个第二层8的厚度t₂的平均值分别为1nm～100nm。如果为该范围，则耐磨损性与耐缺损性的平衡优异。多个第一层7的厚度t₁的平均值例如为10nm～50nm，多个第二层8的厚度t₂的平均值例如为12nm～100nm。

此处，第一层7的厚度t₁的平均值是指：测定多个第一层7各自的厚度，并用它们的总厚度除以层数而得到的值。第二层8也同样。需要说明的是，就第一层7的厚度t₁的平均值和第二层8的厚度t₂的平均值而言，如果在切削加工之前，则可以是第一面20，也可以是第二面22，如果在切削加工之后，则将成为后刀面的面作为测定对象即可。

并且，交替层6的总厚度例如为0.5μm～3μm。交替层6的总厚度为0.5μm～3μm时，交替层6的耐磨损性高，且交替层6的内部应力不会过高，因此耐缺损性高。

就多个第一层7的厚度t₁的平均值和多个第二层8的厚度t₂的平均值而言，第二层8的厚度t₂的平均值可以比第一层7的厚度t₁的平均值更大。在这样的情况下，交替层6的内部应力得以缓和，交替层6容易厚膜化而不会发生剥离或崩刃。

另外，第一层7的厚度t₁的平均值相对于第二层8的厚度t₂的平均值的比率t₁/t₂可以为0.6～0.9。在这样的情况下，容易使交替层6进一步厚膜化。

接着，对于第一层7进行说明。关于第一层7的(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x的组成，由于b大于0.2，因而第一层7的硬度高。另外，由于b小于0.8，因而覆盖层4的耐磨损性高。另外，由于d大于0.01，因而交替层6的抗氧化性高，覆盖层4的耐热性高。由于d为0.2以下，因而交替层6的硬度高。

第一层7中的金属M由选自除了Ti和Nb之外的元素周期表4、5、6族金属以及Al中的1种以上构成，其中，含有Al作为金属M时，交替层6的硬度提高，且抗氧化性提高。除此之外，第一层7含有Cr和W中的1种以上的情况下，交替层6的抗氧化性提高。

接着，对于第二层8进行说明。在第二层8的M’N(其中，M’为除了Nb之外的元素周期表4、5、6族金属)的组成中，作为M’，尤其是含有Ti、Cr和W中的至少任一种的情况下，第二层8的韧性提高，覆盖层4的耐缺损性提高。尤其是，M’由Ti构成、即第二层8由TiN构成的情况下，第二层8的内部应力小，交替层6的内部应力得以缓和。由此，交替层6因自身破损而发生从基体2等上剥离或崩刃的风险变小，因此，耐磨损性和耐缺损性提高。

需要说明的是，M’是除了Nb之外的元素周期表4、5、6族金属，但并非第二层8必须完全不包含Nb。第二层8与第一层7交替地层叠，因此，第一层7中的Nb有时扩散至第二层8中。因此，第二层8可以以相对于第一层7中的Nb的含有比率d为1/10以下左右的比率略微地含有Nb。

交替层6中的各元素的含有比率可以使用电子显微镜测定装置所配备的能量分散型X射线分光(EDS)分析装置进行测定。此处，关于EDS分析法中的Ti的Lα射线的峰(能量为0.4keV左右)，有时与N(氮)的Kα射线的峰重叠而无法准确地测定。因此，在有可能含有N的情况下，使用Ti的Kα射线的峰(能量为4.5keV左右)代替Ti的Lα射线的峰来求出Ti的含量即可。另外，进行金属M和金属M’的测定时，分别在覆盖层4的任意5处以上的部位测定含量，并将测定值的平均值分别作为金属M和金属M’的含量进行评价即可。

作为基体2的材料，可列举出例如超硬合金、金属陶瓷、陶瓷、超高压烧结体和钢。作为超硬合金和金属陶瓷，可列举出例如由以碳化钨和/或碳氮化钛作为主成分的硬质相与以钴和镍等铁族金属作为主成分的结合相构成的超硬合金和金属陶瓷。作为陶瓷，可列举出例如以氮化硅或氧化铝作为主成分的陶瓷。作为超高压烧结体，可列举出例如将由多晶金刚石或立方氮化硼(cBN)形成的硬质相与陶瓷和铁族金属等结合相在超高压下进行烧成而成的硬质材料。

接着，覆盖层4也可以具备在交替层6与基体2之间、厚度为0.1μm～1μm的含有TiN层或CrN层的中间层11。在这样的情况下，交替层6对基体2的密合性提高，因次得以抑制交替层6的剥离。尤其是，基体2含有cBN的情况下，具有中间层11的覆盖层4是有效的。另外，中间层11的厚度可以比多个第一层7和多个第二层8中的任一者的厚度更厚。在这样的情况下，更确实地抑制交替层6的剥离。

另外，第二层8可以邻接于中间层11。在这样的情况下，与第一层7邻接于中间层11时相比，能够提高交替层6与中间层11的接合性。这是因为：与(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x的组成所示的第一层7相比，M’N的组成所示的第二层8更容易接合于中间层11。

另外，在具有中间层11的情况下，基体2含有TiC或TiN时，尤其能够提高通过中间层11来抑制交替层6的效果，且密合性提高。

另外，由TiN或CrN形成的表面层(未图示)可以位于交替层6上(远离基体2的位置)。覆盖层4具有表面层时，能够将覆盖层4的颜色设定为易于使用确认的颜色，另外，能够提高覆盖层4的滑动性。

需要说明的是，上述实施方式中，对于大致板状的覆盖工具1进行了说明，但本实施方式不限定于此，除了大致板状之外也可以应用。另外，覆盖工具1可应用于钻头、立铣刀、铰刀、丝锥或刀具等。进而，覆盖工具1也可以应用于模具等耐磨损部件和挖掘工具等除了切削之外的用途。

(变形例)

接着，对于上述实施方式的覆盖工具1的变形例，使用附图进行说明。需要说明的是，以下对于上述实施方式的覆盖工具1与变形例的不同点进行说明，对于上述实施方式的覆盖工具1与变形例的相同点省略说明。

作为上述实施方式而示于图2的覆盖工具1中，示出了多个第一层7和多个第二层8各自的厚度大致恒定的例子，但作为交替层6，并不限定于上述构成。对于第一变形例～第三变形例进行说明。

如图3所示，在第一变形例中，多个第一层7之中，位于基体2的最远处的第一层7的厚度比其它第一层7的厚度更厚。另外，厚度较厚的第一层7位于交替层6的距基体2最远的位置。交替层6为上述构成的情况下，由于切削加工时位于被切削材料的最近处、与切削加工相伴的负载容易局部集中的第一层7的厚度较厚，因此能够提高覆盖层4的耐久性，从而覆盖层4的耐磨损性提高。

另外，如图4所示，在第二变形例中，多个第一层7之中，位于基体2的最近处的第一层7的厚度可以比其它第一层7的厚度更厚。第一层7的该厚度越大则耐缺损性越高。呈现上述构成时，由于位于基体2的最近处的第一层7的耐缺损性高，因此，即使交替层6的表面侧的一部分发生部分缺损，位于基体2的最近处的第一层7也不易缺损，容易避免交替层6的大部分同时缺损。因此，覆盖层4的耐久性提高。

另外，如图4所示，在第二变形例中，多个第二层8之中，位于基体2的最近处的第二层8的厚度可以比其它第二层8的厚度更厚。另外，第二层8也是其厚度越大则耐缺损性越高。因此，呈现上述构成时，由于位于基体2的最近处的第二层8的耐缺损性高，因此，即使交替层6的表面侧的一部分发生部分缺损，位于基体2的最近处的第二层8也不易缺损，容易避免交替层6的大部分同时缺损。因此，覆盖层4的耐久性提高。

从提高覆盖层4的耐磨损性和耐久性的观点出发，可以将交替层6制成图5所示的第三变形例的构成。就第三变形例中的多个第一层7而言，位于基体2的最近处的第一层7的厚度最厚，位于基体2的最远处的第一层7的厚度第二厚。即，多个第一层7之中，位于基体2的最近处的第一层7的厚度比其它第一层7的厚度更厚，进而，多个第一层7之中，位于基体2的最远处的第一层7的厚度比除了位于基体2的最近处的第一层7之外的其它第一层7的厚度更厚。由此，覆盖层4的耐磨损性和耐久性提高。

第三变形例中的多个第一层7的构成也可以如下所示地换个说法。本变形例中的多个第一层7包含位于基体2的最近处的第一层7，且具有如下区域：自基体2起的距离越远则第一层7的厚度越薄的区域、以及处于比该区域更远离基体2的位置且距离基体2越远则第一层7的厚度越厚的区域。因此，覆盖层4的耐磨损性和耐久性提高。

(制造方法)

接着，对于本实施方式的覆盖工具的制造方法进行说明。

首先，使用现有公知的方法来制作工具形状的基体2。接着，将覆盖层4进行成膜在基体2的表面。作为覆盖层4的成膜方法，可适合地应用离子镀法、溅射法等物理蒸镀(PVD)法。

利用离子镀法来制作覆盖层4时，对于成膜方法的一例进行说明。首先，作为构成第一层7的靶，准备含有金属钛(Ti)、金属铌(Nb)、金属M和碳的第一靶。另外，作为构成第二层8的靶，准备含有金属M’的第二靶。

并且，将构成第一层7的第一靶和构成第二层8的第二靶配置于成膜装置的腔室的侧壁面。第一靶与第二靶优选配置于将基体2夹在中间并且面对面的位置。并且，一边使基体2旋转一边进行成膜。作为成膜条件，在通过电弧放电、辉光放电等而使金属源蒸发来进行离子化的同时，使其与氮源的氮气(N₂)发生反应，由此在基体2的表面交替地堆积第一层7和第二层8，从而能够将交替层6成膜。需要说明的是，通过一边使基体2以2rpm～10rpm旋转一边进行成膜，能够控制第一层7和第二层8的各层厚度。

此时，由于第一靶含有碳，因此成膜为含有碳的第一层7。另一方面，由于第二靶不含碳，因此成膜为几乎不含碳的第二层8。其中，即使在第二靶不含碳的情况下，由于第一靶含有碳，因此，第二层8有时包含从第一层7扩散过来的不可避免的碳。

需要说明的是，利用离子镀法、溅射法而对上述覆盖层4进行成膜时，考虑到覆盖层4的晶体结构，可以通过施加电弧电流来制作特定的高硬度的覆盖层4。此时，通过施加30V～200V的偏压，能够提高基体2与覆盖层4的密合性。

另外，在成膜中间层11的情况下，准备要成膜中间层11的第三靶。第三靶含有Ti或Cr。并且，将第三靶载置于腔室的侧壁面，在成膜交替层6之前，通过利用与上述相同的条件进行成膜，能够成膜中间层11。需要说明的是，在中间层11与第二层8的金属成分相同的情况下，可以用第二靶来代替第三靶。

实施例1

相对于平均粒径为0.8μm的碳化钨(WC)粉末，以金属钴(Co)粉末为10质量％、碳化铬(Cr₃C₂)粉末为0.6质量％的比例进行添加、混合后，进行成形并烧成。并且，历经研削工序后，按照碱、酸、蒸馏水的顺序对表面进行清洗，制作由超硬合金形成的基体。

并且，将上述基体置于安装有表1所示的第一靶、第二靶和第三靶的电弧离子镀装置内，将基体加热至500℃，在基体转速为3rpm～6rpm、电弧电流为150A的条件下，成膜表1所示的覆盖层，由此得到各试样。需要说明的是，成膜条件设为：在N₂气体的总压力为4Pa的气氛中，偏压设为35V。

对于所得的各试样，使用基恩士公司制造的扫描电子显微镜(VE8800)和透射电子显微镜进行组织观察，确认构成覆盖层的晶体、膜厚。使用该装置附带的EDAX分析仪(AMETEKEDAX-VE9800)，以15kV的加速电压通过属于EDS分析法的一种的ZAF法来进行覆盖层的组成的定量分析，算出覆盖层(第一层、第二层和中间层)的组成。需要说明的是，在膜厚的测定中，就第一层和第二层的厚度而言，分别测定以各自能够观察的倍率观察到的一个视野内的多层的第一层和第二层的厚度，进而就观察视野而言，对于任意3个视野以上的观察点进行测定，并将其平均，算出第一层的厚度t₁、第二层的厚度t₂。另外，关于中间层，在测定t₁、t₂时利用扫描电子显微镜进行测定。

进而，对于各试样，利用下述切削条件进行切削试验。结果记载于表2。

切削方法：肩部切削(铣削加工)

被切削材料：SKD11

切削速度：150m/分钟

进给：0.12mm/刀刃

切口：横向切口10mm、深度切口3mm

切削状态：干式

评价方法：在切削10分钟的时刻测定崩刃状态，接下来评价能够进行切削加工的加工数。

[表1]

[表2]

由表1、2可以明确：具备上述由(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x形成的第一层与上述由M’N形成的第二层经交替反复配置而成的交替层的试样No.1的切削刃呈现正常磨损状态，加工数也比试样No.2～4多。

实施例2

以平均粒径2μm的立方氮化硼(cBN)粉末为50质量％、氮化钛(TiN)粉末为46质量％、金属铝(Al)粉末为4质量％的比例进行添加、混合，利用超高压烧成装置，在1400℃、5GPa的条件下进行烧成。切割所得的cBN烧结体，对基体金属的角部进行焊接，并进行研磨加工，由此制作由cBN烧结体形成的基体。

与实施例1同样地利用电弧离子镀法，成膜表3所示构成的覆盖层。

接着，对于各试样，与实施例1同样地进行覆盖层的膜厚(t₁、t₂、中间层厚度)的确认和覆盖层组成的定量分析。另外，对于试样No.5-13，测定显微维氏硬度，结果均为25GPa～25GPa。

进而，对于所得的各试样，利用下述条件进行切削试验。将结果示于表3、4。

切削方法：外径切削(旋削加工)

被切削材料：SCM415H

切削速度：150m/分钟

进给：0.1mm/刀刃

切口：0.2mm

切削状态：干式

评价方法：在切削3分钟的时刻测定崩刃状态，并评价能够进行切削加工的切削时间。

[表3]

[表4]

由表3、4可以明确：具备上述由(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x形成的第一层与上述由M’N形成的第二层的交替层的试样No.5-13的加工时间比试样No.14～15更长。尤其是，基体由cBN烧结体形成且存在由TiN或CrN形成的中间层的试样No.5-12的加工时间长。另外，中间层的厚度为0.1μm～1μm的试样No.5-10未发生覆盖层的剥离。

附图标记说明

1 覆盖工具

2 基体

4 覆盖层

6 交替层

7 第一层

8 第二层

11 中间层

Claims

1.一种覆盖工具，其具有：

基体；以及

位于该基体上的覆盖层，

该覆盖层具有由第一层与第二层交替层叠而成的交替层，

所述第一层含有(Ti_bNb_dM_e)C_xN_1-x，其中，M为选自除了Ti和Nb之外的元素周期表4、5、6族金属以及Al中的1种以上；0.2≤b≤0.8、0.01≤d≤0.2、0≤e≤0.7、b+d+e＝1、0<x<1，

所述第二层含有M’N，其中，M’为除了Nb之外的元素周期表4、5、6族金属。

2.根据权利要求1所述的覆盖工具，其中，所述第二层的厚度的平均值大于所述第一层的厚度的平均值。

3.根据权利要求2所述的覆盖工具，其中，所述第一层的厚度的平均值相对于所述第二层的厚度的平均值的比率为0.6～0.9。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的覆盖工具，其中，多个所述第一层之中，位于所述基体的最近处的所述第一层的厚度比其它所述第一层的厚度更厚。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的覆盖工具，其中，多个所述第二层之中，位于所述基体的最近处的所述第二层的厚度比其它所述第二层的厚度更厚。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的覆盖工具，其中，多个所述第一层之中，位于所述基体的最远处的所述第一层的厚度比除了位于所述基体的最近处的所述第一层之外的其它所述第一层的厚度更厚。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的覆盖工具，其中，所述覆盖层在所述交替层与所述基体之间具有中间层，所述中间层含有厚度为0.1μm～1μm的TiN层或CrN层。

8.根据权利要求7所述的覆盖工具，其中，所述中间层的厚度比多个所述第一层和多个所述第二层中任一层的厚度更厚。

9.根据权利要求7所述的覆盖工具，其中，所述第二层与所述中间层相邻。

10.根据权利要求1～3、8、9中任一项所述的覆盖工具，其中，所述基体由cBN烧结体形成。