CN110461512B - 涂层刀具以及切削工具 - Google Patents

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Abstract

一个方式的涂层刀具具备：具有第1面的基体、和位于基体的至少第1面之上的涂层，涂层具有位于第1面之上的含有钛化合物的第1层、和相接地位于第1层之上的含有氧化铝的第2层。在与第1面正交的剖面，涂层在第1层具有排列地位于沿着第1层以及第2层的交界的方向的多个空孔。

Description

涂层刀具以及切削工具
技术领域
本公开涉及被用于切削加工的涂层刀具。
背景技术
作为车削加工以及铣削加工这种的切削加工中使用的涂层刀具，例如已知专利文献1中记载的涂层刀具。专利文献1中记载的涂层刀具的结构为：在由超硬合金等构成的基体的表面，形成有具备含有钛(Ti)的化合物的层(钛化合物层)以及含有氧化铝(Al2O3)的层(氧化铝层)的涂层。此外，在专利文献1所记载的涂层刀具中，在钛化合物层以及氧化铝层的界面形成有多个空孔。并记载了通过这些多个空孔来获得冲击缓和效果。
尽管通过具有空孔而获得了缓和冲击的效果，但是专利文献1中由于空孔位于组成不同的2个层的交界，因此这些层的接合性有可能降低。为此，谋求具备较高的耐冲击性并且接合性良好的涂层刀具。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2015-182209号公报
发明内容
基于一个方式的涂层刀具具备：具有第1面的基体、位于该基体的至少所述第1面之上的涂层。所述涂层具有位于所述第1面之上的含有钛化合物的第1层、相接地位于该第1层之上的含有氧化铝的第2层。在与所述第1面正交的剖面，所述涂层在所述第1层具有多个空孔，所述多个空孔排列地位于沿着所述第1层以及所述第2层的交界的方向。
附图说明
图1是表示一实施方式的涂层刀具的立体图。
图2是图1所示的涂层刀具中的A-A剖面的剖视图。
图3是图2所示的涂层刀具中的涂层附近的放大图。
图4是表示图3所示的区域B1的一例的放大图。
图5是表示图3所示的区域B1的其他例子的放大图。
图6是表示一实施方式的切削工具的俯视图。
图7是图6所示的区域B2的放大图。
具体实施方式
以下，利用附图对一实施方式的涂层刀具1进行详细说明。其中，为了说明方便，以下所参照的各图仅简化表示了在说明本实施方式方面必要的主要部件。因此，涂层刀具能够具备所参照的各图中未示出的任意的结构部件。此外，各图中的部件的尺寸并不是忠实地表示实际的结构部件的尺寸以及各部件的尺寸比例等。
<涂层刀具>
如图1以及图2所示，本实施方式的涂层刀具1具备基体3以及涂层5。本实施方式中的基体3具有：第1面7(图2中的上表面)、与第1面7相邻的第2面9(图2中的侧面)、以及位于第1面7以及第2面9相交的棱线的至少一部分的切刀11。
本实施方式中的基体3是四角板形状，第1面7是四边形。因此，第2面9的数量为4个。在本实施方式中，第1面7的至少一部为前刀面区域，第2面9的至少一部分为后刀面区域。另外，作为基体3的形状，并不限定于四角板形状，例如也可以第1面7为三角形、五边形、六边形或者圆形。此外，基体3并不限定于板形状，例如也可以是柱形状。
涂层5位于基体3的至少第1面7之上。涂层5可以仅位于第1面7之上，此外，也可以位于基体3中的第1面7以外的其他面之上。在本实施方式中，除了第1面7以外，涂层5还位于第2面9之上。为了提高切削加工中的涂层刀具1的耐磨耗性以及耐碎裂性等的特性，而具备涂层5。
如图3所示，本实施方式中的涂层5具有第1层13以及第2层15。第1层13位于第1面7之上，含有钛化合物。此外，第2层15相接地位于第1层13之上，含有氧化铝(Al2O3)。
作为第1层13中含有的钛化合物，例如列举钛的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物以及碳氮氧化物。第1层13可以是仅含有上述化合物的任意一种化合物的结构，此外，也可以是含有上述化合物之中的多个化合物的结构。
此外，第1层13是含有钛化合物的结构即可，可以是单层的结构，此外，也可以是多个层被层叠的结构。例如，第1层13可以是含有氮化钛的层17、含有碳氮化钛的层19被层叠的结构。在第1层13具备含有氮化钛的层17的情况下，基体3与第1层13的接合性较高。
另外，涂层5可以仅由第1层13以及第2层15构成，此外，也可以具有这些层以外的层。例如，可以在基体3以及第1层13之间存在其他的层，此外，也可以在第2层15之上存在其他的层。
此外，含有碳氮化钛的层19可以是相互组成不同的复合涂层的结构。例如，含有碳氮化钛的层可以是含有所谓的MT(moderate temperature：中温)-碳氮化钛的第1区域19a、含有所谓的HT(high temperature：高温)-碳氮化钛的第2区域19b被层叠的结构。另外，例如通过观察电子显微镜照片(扫描型电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)照片或者透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)照片)，能够确定上述的层以及区域的交界。
在第1层13含有第1区域19a以及第2区域19b的情况下，第1层13也可以在第1区域19a以及第2区域19b之间进一步具有中间区域19c。
此外，作为第2层15中含有的氧化铝，例如列举α-氧化铝(α-Al2O3)、γ-氧化铝(γ-Al2O3)以及κ-氧化铝(κ-Al2O3)。这些之中，在第2层15含有α-氧化铝的情况下，能够提高涂层刀具1的耐热性。第2层15可以是仅含有上述化合物的任意一种化合物的结构，此外，也可以是含有上述化合物之中的多个化合物的结构。
例如能够通过进行X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)分析来观察峰值的分布，能够评价第2层15中含有的氧化铝是上述化合物的哪个。
第1层13中的钛化合物的含有比例、以及第2层15中的氧化铝的含有比例并不限定于特定的值。作为一例，列举第1层13作为主成分而含有钛化合物，此外，第2层15作为主成分而含有氧化铝的结构。另外，上述所谓的“主成分”，是指与其他的成分相比而质量％的值最大的成分。
第1层13可以含有钛化合物以外的成分，此外，第2层15可以含有氧化铝以外的成分。例如，在第1层13含有氧化铝的情况下、第2层15含有钛化合物的情况下，第1层13以及第2层15的接合性得以提升。
如图4所示，本实施方式中的涂层5在第1相13的内部具有空孔21。具体而言，在与基体3的第1面7正交的剖面，涂层5在第1层13具有排列地位于沿着第1层13以及第2层15的交界16的方向的多个空孔21。
因此，获得抑制第1层13以及第2层15的接合性的降低、并且由空孔21缓和冲击的效果。
再有，在本实施方式中，多个空孔21排列地位于沿着第1层13以及第2层15的交界16的方向。由此，例如与多个空孔21在第1层13整体中无序地分散的情况相比，能够缩短空孔21彼此的间隔，因此位于第1层13中的相邻的空孔21间的部分X(为了方便设为第1部分X。)容易变形，能够确保第1层13的强度并且提高耐冲击性。作为结果，本实施方式的涂层刀具1成为具备较高的耐冲击性并且接合性良好的结构。
在与第1面7正交的剖面，在与第1面7平行的方向上的空孔21的宽度w1的平均值小于相邻的空孔21的间隔、即第1部分X的宽度w2的平均值的情况下，能够抑制第1部分X的强度降低、并且能够在空孔21获得较高的耐冲击性。
由于第1层13中含有的钛化合物是刚性高且韧性低的材质，因此第1部分X的宽度w2越窄，越容易在第1部分X产生裂纹。此时，在空孔21以及第1部分X的宽度的平均值为上述关系的情况下，容易确保第1部分X的宽度w2。因此，第1部分X的强度不容易降低，能够在空孔21获得较高的耐冲击性。
另外，在评价与第1面7平行的方向上的空孔21的宽度w1的平均值时，不需要评价与第1面7正交的剖面所存在的全部空孔21的宽度w1，通过排列地位于剖面的5～10个左右的空孔21的宽度w1的平均值来进行评价即可。例如，在与第1面7正交的剖面，提取包含第1层13以及第2层15的交界16的10μm四方的区域，测量该区域的空孔21的宽度w1即可。此外，第1部分X的宽度w2的平均值利用排列地位于剖面的5～10个左右的空孔21的间隔的平均值来进行评价即可。另外，在本公开中，还存在其他确定平均值的情况。这些均可以设为5～10左右的值的平均值。
空孔21存在于第1层13即可。例如，可以是如图4所示那样位于第1层13内的结构，也可以是如图5所示那样分别位于第1层13内以及第2层15内的结构。图5中，可以由点划线表示沿着第1层13以及第2层15的交界16的虚拟线段，位于第2层15内的空孔21位于沿着第1层13以及第2层15的交界16的位置。
另外，所谓空孔21位于沿着第1层13以及第2层15的交界16的位置，是指多个空孔21的到第1层13以及第2层15的交界16的间隔相对于其平均值收敛于±20％的范围。此外，图5是剖面的放大图，图示了相当于图4的区域。
从涂层刀具1的耐热性以及耐磨性的观点出发，第1层13作为钛化合物而含有碳氮化钛，进而第2层15作为氧化铝而含有α-氧化铝的情况下，在多个空孔21位于第1层13内时可进一步提高涂层刀具1的耐磨性。
这是因为：尽管与α-氧化铝相比碳氮化钛的硬度较高但是耐冲击性较低，因此在空孔21位于第1层13内的情况下，在第1层13中能够提高基于空孔21的耐冲击性，涂层刀具1的耐磨性被进一步提高。
作为空孔21的大小，没有特别地限定，但是例如能够设定为20～200nm。在空孔21的大小为20nm以上的情况下，能够提高基于空孔21带来的冲击缓和的效果。此外，在空孔21的大小为200nm以下情况下，容易维持第1层13的强度。另外，本实施方式中的所谓空孔21的大小，是指该空孔21的与第1面7正交的剖面处的宽度w1的最大值。
此外，作为空孔21的形状，没有特别地限定，但是在与第1面7正交的剖面，与第1面7平行的方向的宽度w1大于与第1面7正交的方向上的高度h1的情况下，换言之，在与第1面7平行的方向上的空孔21的宽度w1的平均值大于与第1面7正交的方向上的空孔21的高度h1的平均值的情况下，能够抑制空孔21的比例并且进一步提高耐冲击性。这因为基于以下的理由。
在为了制造切削加工物而对被切削材料进行切削加工时，容易针对涂层5在与第1面7正交的方向上施加切削负荷。此时，在空孔21是与第1面7平行的方向的宽度w1大于与第1面7正交的方向的高度h1的形状的情况下，不必将空孔21增大至必要以上，通过空孔21的宽的范围就能够吸收切削负荷。因此，能够抑制空孔21的比例并且进一步提高耐冲击性。另外，所谓空孔21在与第1面7正交的方向的高度h1，是空孔21在与第1面7正交的方向的高度h1的最大值。
具体而言，与第1面7正交的方向上的空孔21的高度h1的平均值相对于与第1面7平行的方向上的空孔21的宽度w1的平均值的比例为1.2以上的情况下，容易通过空孔21的宽的范围来吸收切削负荷。此外，在上述比例为2以下的情况下，由于易于确保与第1面7正交的方向上的空孔21的变形量，因此容易在空孔21中稳定地吸收切削负荷。
在本实施方式中，在将与第1面7正交的剖面处的第1面7以及第2面9的交界的最大高度设为Rz时，在与第1面7正交的方向上的空孔21的高度h1的平均值小于Rz的情况下，易于抑制涂层5的耐磨性的降低。
通过位于第1层13中的相邻的空孔21间的第1部分X以及多个空孔21发生变形，从而本实施方式的涂层刀具1具备较高的耐冲击性。这里，在与第1面7正交的方向上的空孔21的宽度的平均值小于Rz的情况下，将相邻的空孔21连结的虚拟线以比空孔21的宽度大且被弯曲的蜿蜒形状被示出。
在虚拟线以上述形状被示出时，即便假设在第1部分X的一个产生了裂纹的情况下，裂纹也难以发展到位于与产生了该裂纹的第1部分X的邻近位置的第1部分X。因此，涂层5的耐磨性不容易降低。
此外，在与第1面7正交的剖面，从空孔21到第1层13以及第2层15的交界16的距离d1的平均值大于第1部分X的宽度w2的平均值的情况下，涂层5的耐磨性也不容易降低。另外，所谓从空孔21到第1层13以及第2层15的交界16的距离d1，是空孔21中的向交界16的距离的最小值。
这是因为：在上述情况下，与第1部分X相比，从空孔21到第1层13以及第2层15的交界16的距离能够充分确保，因此即便假设在第1部分X的一个产生了裂纹的情况下，该裂纹也难以到达第1层13以及第2层15的交界16。由于上述裂纹难以到达第1层13以及第2层15的交界16，因此第1层13以及第2层15的接合性不容易降低。
空孔21位于第1层13，并位于与第1层13以及第2层15的交界分离的位置。这里，在与第1面7正交的剖面，从空孔21到第1层13以及第2层15的交界16的距离d1的平均值大于与第1面7正交的方向上的空孔21的高度h1的平均值的情况下，可提高涂层5中的耐冲击性并且第1层13以及第2层15的接合性不容易降低。
这是因为：与空孔21的大小相比，能够充分确保从空孔21到第1层13以及第2层15的交界16的距离，因此，即便由于吸收切削负荷而空孔21发生变形的情况下，第1层13以及第2层15的交界16也不变形、或者变形量非常小。由于第1层13以及第2层15的交界16较大且不容易变形，因此第1层13以及第2层15的接合性不容易降低。
作为本实施方式中的基体3的材质，例如列举超硬合金、金属陶瓷以及陶瓷等。另外，作为基体3的材质，并不限定于这些。
作为超硬合金的组成，例如列举WC(碳化钨)-Co、WC-TiC(碳化钛)-Co以及WC-TiC-TaC(碳化钽)-Co。这里，WC、TiC以及TaC是硬质粒子，Co是粘结相。此外，金属陶瓷是在陶瓷成分中复合有金属的烧结复合材料。具体而言，作为金属陶瓷，列举将TiC或TiN(氮化钛)作为主成分的化合物。
本实施方式中的基体3具有将第1面7以及位于第1面7的相反一侧的面贯通的贯通孔23。贯通孔23能够用于插入将涂层刀具1固定于保持架的固定部件。作为固定部件，例如列举螺钉以及夹具部件。
基体3的大小没有特别地限定，但是例如在本实施方式中，第1面7的一边的长度被设定为3～20mm左右。此外，从第1面7到位于第1面7的相反一侧的位置的面的高度被设定为5～20mm左右。
<制造方法>
接下来，说明本实施方式所涉及的涂层刀具的制造方法的一例。
首先，在从通过烧成而能形成作为基体3的硬质合金的碳化物、氮化物、碳氮化物以及氧化物等中选择的无机物粉末，适当添加以及混合金属粉末、碳粉末等，从而制作混合粉末。接下来，利用公知的成形方法将该混合粉末成形为规定的工具形状来制作成形体。作为成形方法，例如，压制成形、铸造成形、挤出成形以及冷等静压压制成形等。在真空中或者非氧化气氛中，对上述成形体进行烧成，来制作基体3。另外，根据需要，也可以对基体3的表面实施研磨加工以及珩磨加工。
接下来，通过化学气相蒸镀(CVD)法在基体3的表面成膜涂层5。
首先，成膜第1层13中的含有氮化钛的层17(基底层)。在氢(H2)气中，混合0.5～10体积％的四氯化钛气体、10～60体积％的氮气，制作出作为反应气体使用的第1混合气体。将第1混合气体以10～20kPa的气体分压导入腔体内，在830～870℃的温度范围下成膜含有氮化钛的层17。
接下来，成膜第1层13中的第1区域19a。在氢气中，混合0.5～10体积％的四氯化钛气体、5～60体积％的氮气、0.1～3体积％的乙腈气体，制作第2混合气体。将第2混合气体以6～12kPa的气体分压导入腔体内，在830～870℃的温度范围下成膜含有MT-碳氮化钛的第1区域19a。
接下来，成膜中间区域19c。在氢气中，混合3体积％～30体积％的四氯化钛气体、3体积％～15体积％的甲烷气体、5体积％～10体积％的氮气、0.5体积％～10体积％的二氧化碳(CO2)气体，制作第3混合气体。将第3混合气体以6～12kPa的气体分压导入腔体内，在980～1050℃的温度范围下成膜50～300nm左右的厚度的中间区域19c。第3混合气体含有二氧化碳气体，从而在该中间区域19c形成空孔21。
此外，由于此时中间区域19c的厚度较薄为50～300nm左右，因此能够使中间区域19c中所形成的空孔21排列地位于沿着第1层13以及第2层15的交界16的方向。
接下来，成膜第1层13中的第2区域19b。在氢气中，混合1～4体积％的四氯化钛气体、5～20体积％的氮气、0.1～10体积％的甲烷气体、0.5体积％～10体积％的二氧化碳气体，制作第4混合气体。将第4混合气体以5～45kPa的气体分压导入腔体内，在950～1050℃的温度范围下成膜0.3～3μm左右的厚度的含有HT-碳氮化钛的第2区域19b。
接下来，成膜第2层15。将成膜温度设为950℃～1100℃，将气压设为5kPa～20kPa，对于反应气体的组成，在氢气中混合5体积％～15体积％的三氯化铝(AlCl3)气体、0.5体积％～2.5体积％的氯化氢(HCl)气体、0.5体积％～5.0体积％的二氧化碳气体、0体积％～1体积％的硫化氢(H2S)气体，制作第5混合气体。将第5混合气体导入腔体内，成膜第2层15。
之后，根据需要，对成膜的涂层5的表面处的切刀11所在的部分进行研磨加工。在进行这种研磨加工的情况下，由于被切削材料向切刀11的粘结易于被抑制，因此成为耐断裂性优异的涂层刀具1。
另外，上述的制造方法是制造本实施方式的涂层刀具1的方法的一例。因此，本实施方式的涂层刀具1当然并不限定于通过上述制造方法所制作出的部件。例如，也可以在第2层15之上另外成膜第3层。
另外，为了制作在与第1面7正交的剖面处，与第1面7平行的方向上的空孔21的宽度w1的平均值小于相邻的空孔21的间隔w2的平均值的涂层刀具1，可以在中间区域19c的成膜时将二氧化碳气体调整为0.5体积％～5体积％。
为了制作在与第1面7正交的剖面处，与第1面7平行的方向上的空孔21的宽度w1的平均值大于与第1面7正交的方向上的空孔21的高度h1的平均值的涂层刀具1，可以在中间区域19c的成膜时进行时间调整，将中间区域19c成膜为50～150nm左右的厚度。
为了制作在与第1面7正交的剖面处，从空孔21到交界16的距离d1的平均值大于与第1面7正交的方向上的空孔21的高度h1的平均值的涂层刀具1，可以在中间区域19c的成膜时进行时间调整，成膜为50～150nm左右的厚度之后，将第1层13中的第2区域19b成膜为0.5～3μm左右的厚度。
为了制作在与第1面正交的剖面处，从空孔21到交界16的距离d1的平均值大于相邻的空孔21的间隔w2的平均值的涂层刀具1，可以进行成膜以使得第1层13中的第2区域19b比相邻的空孔21的间隔w2的平均值厚。
<切削工具>
接下来，利用附图对一实施方式的切削工具101进行说明。
如图6以及图7所示，本实施方式的切削工具101是从第1端(图6中的上)向第2端(图6中的下)延伸的棒状体，具备：具有位于第1端的一侧的套座(pocket)103的保持架105、和位于套座103的上述涂层刀具1。在本实施方式的切削工具101中，按照作为棱线处的切刀而被使用的部分从保持架105的前端突出的方式来装配涂层刀具1。
套座103是装配涂层刀具1的部分，具有相对于保持架105的下表面而平行的着座面、以及相对于着座面而倾斜的约束侧面。此外，套座103在保持架105的第1端侧开口。
涂层刀具1位于套座103。此时，涂层刀具1的下面可以直接相接于套座103，此外，也可以在涂层刀具1与套座103之间夹着薄片。
涂层刀具1被装配为作为棱线处的切刀而使用的部分从保持架105向外侧突出。在本实施方式中，涂层刀具1通过螺钉107被装配于保持架105。也就是说，在涂层刀具1的贯通孔插入螺钉107，将该螺钉107的前端插入形成于套座103的螺孔(未图示)，使螺钉部彼此螺合，从而涂层刀具1被装配于保持架105。
作为保持架105，能够使用钢、铸铁等。特别地，这些部件之中优选使用韧性高的钢。
在本实施方式中，例示了所谓的车削加工中使用的切削工具。作为车削加工，例如列举内径加工、外径加工以及开槽加工。另外，作为切削工具，并不限定于车削加工中使用的工具。例如，铣削加工中使用的切削工具也可以利用上述实施方式的涂层刀具1。
符号的说明
1…涂层刀具
3…基体
5…涂层
7…第1面
9…第2面
11…切刀
13…第1层
15…第2层
16…交界(第1层以及第2层的交界)
17…氮化钛层
19…碳氮化钛层
19a··第1区域
19b··第2区域
19c··中间区域
21…空孔
23…贯通孔
101…切削工具
103…套座
105…保持架
107…固定螺钉

Claims (6)

1.一种涂层刀具，具备：具有第1面的基体、和位于该基体的至少所述第1面之上的涂层，
所述涂层具有：位于所述第1面之上的含有钛化合物的第1层、和相接地位于该第1层之上的含有氧化铝的第2层，
在与所述第1面正交的剖面，所述涂层在所述第1层具有多个空孔，所述多个空孔排列地位于沿着所述第1层以及所述第2层的交界的方向，
在与所述第1面正交的剖面，与所述第1面平行的方向上的所述空孔的宽度的平均值小于与所述第1面平行的方向上的相邻的所述空孔的间隔的平均值。
2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，
所述第1层含有碳氮化钛，所述第2层含有α-氧化铝。
3.根据权利要求1或2所述的涂层刀具，其中，
在与所述第1面正交的剖面，与所述第1面平行的方向上的所述空孔的宽度的平均值大于与所述第1面正交的方向上的所述空孔的高度的平均值。
4.根据权利要求1或2所述的涂层刀具，其中，
在与所述第1面正交的剖面，从所述空孔到所述交界的距离的平均值大于与所述第1面正交的方向上的所述空孔的高度的平均值。
5.根据权利要求1或2所述的涂层刀具，其中，
在与所述第1面正交的剖面，从所述空孔到所述交界的距离的平均值大于与所述第1面平行的方向上的相邻的所述空孔的间隔的平均值。
6.一种切削工具，具有：
从第1端向第2端延伸的棒状、且具有位于所述第1端的一侧的套座的保持架；和
位于所述套座内的权利要求1至5的任意一项所述的涂层刀具。
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