CN110709197B - 被覆工具和具备其的切削工具 - Google Patents

Abstract

本申请一个方案的被覆工具具备基体和位于基体上的被覆层，被覆层具有多个AlTi层和多个AlCr层，所述AlTi层包含含有铝和钛的氮化物、碳化物或碳氮化物中的至少一种，所述AlCr层包含含有铝和铬的氮化物、碳化物或碳氮化物中的至少一种，所述被覆层是交替层叠有AlTi层和AlCr层的构成，多个AlCr层具有第一AlCr层以及与第一AlCr层相比位置更远离基体的第二AlCr层，第二AlCr层中的铬的含有比率高于第一AlCr层中的铬的含有比率。

Description

被覆工具和具备其的切削工具

技术领域

本申请涉及在切削加工中使用的被覆工具。

背景技术

作为在车削加工和铣削加工之类的切削加工中使用的被覆工具，已知例如专利文献1中记载的表面被覆切削工具(被覆工具)。专利文献1中记载的被覆工具具备工具基体、以及在工具基体的表面交替层叠(Ti_1-zAl_z)N所示的A层和(Cr_1-x-yAl_xM_y)N所示的B层而成的硬质被覆层。此时，表示B层中的以Cr、Al、M的原子比计的含有比率的x和y的值为0.03≤x≤0.4、0≤y≤0.05，Cr的含有比率为0.55～0.97。

在含有Cr和Al的层(B层)中的Cr的含有比率高的情况下，B层中的韧性降低，因此，被覆层容易从工具主体上剥离。此外，在Cr的含有比率低的情况下，B层中的硬度降低，因此，被覆层的磨损容易加剧。因此，寻求密合性和耐磨损性优异的被覆工具。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-042906号公报

发明内容

基于一个方案的被覆工具具备基体和位于该基体上的被覆层，该被覆层具有含有铝和钛的多个AlTi层以及含有铝和铬的多个AlCr层，所述被覆层为交替层叠有上述AlTi层和上述AlCr层的构成，多个上述AlCr层具有第一AlCr层以及与该第一AlCr层相比位置更远离上述基体的第二AlCr层，该第二AlCr层中的铬的含有比率高于上述第一AlCr层中的铬的含有比率。

附图说明

图1为示出一个实施方式的被覆工具的立体图。

图2为图1所示的被覆工具中的A-A截面的截面图。

图3为图2所示的区域B1的放大图。

图4为图3所示的区域B2的放大图。

图5为示出图1所示的被覆工具中的铬的含有比率的图表。

图6为示出一个实施方式的切削工具的俯视图。

图7为图6所示的区域B3的放大图。

具体实施方式

以下，使用附图对一个实施方式的被覆工具1进行详细说明。其中，以下参照的各图为了说明的方便而仅简略地示出对于说明本实施方式而言必要的主要部件。因此，被覆工具可以具备各参照图中未示出的任意构成部件。此外，各图中的部件的尺寸并未准确地示出实际构成部件的尺寸和各部件的尺寸比率等。

本实施方式的被覆工具1为四角板形状，具有四边形的第一面3(图1中的上表面)、第二面5(图1中的侧面)、以及位于第一面3与第二面5相交的脊线的至少一部分的切削刃7。

在本实施方式的被覆工具1中，可以是第一面3的整个外周形成切削刃7。被覆工具1不限定于这种构成，可以是例如仅四边形的第一面3中的1边或部分地具有切削刃7。

第一面3可以在至少一部分具有前刀面区域3a。在本实施方式中，第一面3中的沿着切削刃7的区域成为前刀面区域3a。第二面5可以在至少一部分具有后刀面区域5a。在本实施方式中，第二面5中的沿着切削刃7的区域成为后刀面区域5a。因此，也可以说切削刃7位于前刀面区域3a与后刀面区域5a交叉的部分。

在图1中，用单点划线示出第一面3中的前刀面区域3a和除此之外的区域的边界以及第二面5中的后刀面区域5a和除此之外的区域的边界。图1中示出了第一面3与第二面5交叉的脊线全部为切削刃7的例子，因此，在第一面3中示出沿着切削刃7的环状的单点划线。

被覆工具1的大小没有特别限定，例如，在本实施方式中，第一面3的一边长度被设定为3～20mm左右。此外，自第一面3起至位于第一面3相反侧的面(图1中的下表面)为止的高度被设定为5～20mm左右。

如图1所示那样，本实施方式的被覆工具1具备四角板形状的基体9和被覆该基体9表面的被覆层11。被覆层11可以被覆基体9的整个表面，此外，也可以仅被覆一部分。仅被覆基体9的一部分时，也可以说被覆层11位于基体9上的至少一部分。

本实施方式中的被覆层11至少存在于第一面3中的沿着切削刃7的前刀面区域3a和第二面5中的沿着切削刃7的后刀面区域5a。图1中，例示出在包含前刀面区域3a的第一面3的整体和包含后刀面区域5a的第二面5的整体存在被覆层11的例子。作为被覆层11的厚度，可以设定为例如0.1～10μm左右。需要说明的是，被覆层11的厚度可以为固定值，也可以根据部位而不同。

如图3和图4所示那样，被覆层11具有多个AlTi层13和多个AlCr层15。AlTi层13包含含有铝和钛的氮化物、碳化物或碳氮化物中的至少一种。此外，关于AlCr层15，具有包含含有铝和铬的氮化物、碳化物或碳氮化物中的至少一种的多个AlCr层15。

在AlTi层13为氮化物的情况下，可以表示为AlTiN。此外，在AlTi层13为碳氮化物的情况下，可以表示为AlTiCN。需要说明的是，AlTiCN的C与N的比率可以不是1比1。

同样地，在AlCr层15为氮化物的情况下，可以表示为AlCrN。此外，在AlCr层15为碳氮化物的情况下，可以表示为AlCrCN。需要说明的是，AlCrCN的C与N的比率可以不是1比1。

被覆层11呈现交替层叠有多个AlTi层13和多个AlCr层15的构成。被覆层11的层叠结构可通过使用了扫描电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscopy)或透过电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscopy)的截面测定进行评价。

AlTi层13可以在铝和钛的基础上含有Si、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr和W等金属成分。其中，与上述金属成分相比，铝和钛的含有比率高。由于与上述金属成分相比铝和钛的含有比率高，因此，可视作AlTi层13含有铝和钛作为主成分。需要说明的是，上述“含有比率”表示以原子比计的含有比率。

AlCr层15可以在铝和铬的基础上含有Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Ti和W等金属成分。其中，与上述金属成分相比铝和铬的含有比率高。由于与上述金属成分相比铝和铬的含有比率高，因此，可以视作AlCr层15含有铝和铬作为主成分。

AlTi层13和AlCr层15的组成可通过例如能量色散X射线分光分析法(EDS)或X射线光电子分光分析法(XPS)进行测定。

AlTi层13和AlCr层15的数量不限定于特定的值。AlTi层13和AlCr层15的数量分别为2个以上即可。AlTi层13和AlCr层15的数量可以设定为例如2～500。

AlTi层13和AlCr层15的厚度不限定于特定的值，例如，可分别设定为5nm～100nm。需要说明的是，多个AlTi层13和多个AlCr层15的厚度可以为固定值，也可以互不相同。

如图4所示那样，本实施方式中的多个AlCr层15具有第一AlCr层15a和第二AlCr层15b。第二AlCr层15b与第一AlCr层15a相比位置更远离基体9。此时，如图5所示那样，第二AlCr层15b中的铬的含有比率高于第一AlCr层15a中的铬的含有比率。

若AlCr层15中的铬的含有比率低，则残留应力小。此外，若AlCr层15的铬的含有比率高，则硬度变高。

本实施方式中，与第二AlCr层15b相比位置更靠近基体9的第一AlCr层15a中的Cr的含有比率相对较低，因此，被覆层11难以从基体9剥离。

此外，与第一AlCr层15a相比位置更远离基体9的第二AlCr层15b中的Cr的含有比率相对较高，因此，被覆层11的磨损不易加剧。

因此，本实施方式的被覆工具1的密合性和耐磨损性优异。

需要说明的是，在图5中，用横轴表示多个AlCr层15之中自基体9起的位置，即从基体9一侧计数时属于第几个AlCr层15，并用纵轴表示Cr的含有比率。

如图4所示那样，多个AlCr层15可以在具有第一AlCr层15a和第二AlCr层15b的基础上，还具有位于第一AlCr层15a与第二AlCr层15b之间的第三AlCr层15c。需要说明的是，在图4中，被覆层11具有3个以上的AlCr层15，此外，在第一AlCr层15a与第三AlCr层15c之间、以及第三AlCr层15c与第二AlCr层15b之间分别存在AlTi层13。

进而，在被覆层11具有第三AlCr层15c的情况下，第三AlCr层15c中的铬的含有比率高于第一AlCr层15a中的铬的含有比率且低于第二AlCr层15b中的铬的含有比率时，能够提高被覆层11的耐久性。

这是因为：在包含第一AlCr层15a、第二AlCr层15b和第三AlCr层15c的多个AlCr层15中，Cr的含有比率阶段性地缓慢变化，避免了急剧变化。由此，避免了多个AlCr层15中的韧性/硬度急剧变化，因此，容易避免由应力集中于被覆层11内部而引起的裂纹的产生。

此外，在被覆层11具有4个以上的AlCr层15的情况下，这些多个AlCr层15呈现位置越远离基体9则铬的含有比率越高的构成时，能够将被覆层11制成密合性和耐磨损性优异且耐久性更高的层。这是因为：容易在避免多个AlCr层15中的韧性/硬度急剧变化的同时，使多个AlCr层15之中位置最接近于基体9的AlCr层15中的Cr的含有比率非常低，并且使多个AlCr层15之中位置最远离基体9的AlCr层15中的Cr的含有比率非常高。

尤其是，如图5所示那样，多个AlCr层15可以具有如下部分：多个AlCr层15各自的铬的含有比率以能用等差数列表示的方式随着位置逐渐远离基体9而变高的部分。在这种情况下，被覆层11的密合性和耐磨损性优异，且被覆层11的耐久性更高。这是因为：在厚度方向上隔着AlTi层13相邻的AlCr层15中的Cr的含有比率之差大致固定，因此，避免了Cr的含有比率急剧变化，应力难以进一步集中至被覆层11中的一部分。需要说明的是，铬的含有比率以能用等差数列表示的方式变高是指：如图5所示那样，各层中的铬的含有比率大致位于直线上。

此处，各层中的铬的含有比率不需要严格地位于直线上。将位置最靠近基体9的AlCr层15中的铬的含有比率与位置最远离基体9的AlCr层15中的铬的含有比率用直线连接时，各AlCr层15中的铬的含有比率相对于上述的直线所示的准确值为90～110％这一范围的数值即可。

此外，从使被覆层11的耐磨损性和耐久性优异且进一步提高密合性的观点出发，多个AlCr层15各自的铬的含有比率可以以能用等差数列表示的方式随着位置逐渐远离基体9而变高。这是因为：在基体9的相对近处，在厚度方向上隔着AlTi层13相邻的AlCr层15中的Cr的含有比率之差小，因而，可将位置比较接近基体9的AlCr层15的韧性的变化抑制得较小。

因此，容易避免应力集中至位置比较接近基体9的AlCr层15的一部分，因此，这些AlCr层15难以剥离，能够进一步提高被覆层11的密合性。

本实施方式中的多个AlCr层15分别含有铝和铬作为主成分，但铝的含有比率可以设定为例如20～60％。此外，铬的含有比率可以设定为例如40～80％。

多个AlCr层15各自的铝的含有比率可以高于铬的含有比率，此外，多个AlCr层15各自的铬的含有比率也可以高于铝的含有比率。

此外，在多个AlCr层15之中位置最靠近基体9的AlCr层15中，铝的含有比率可以高于铬的含有比率，并且，在多个AlCr层15之中位置最远离基体9的AlCr层15中，铬的含有比率可以高于铝的含有比率。

由于铝的硬度低于铬的硬度、铝的韧性高于铬的韧性，因此，在多个AlCr层15之中位置最接近基体9的AlCr层15中，铝的含有比率高于铬的含有比率时，能够使被覆层11的密合性更优异。

此外，由于铝的硬度低于铬的硬度、铬的耐磨损性高于铝的耐磨损性，因此，在多个AlCr层15之中位置最远离基体9的AlCr层15中，铬的含有比率高于铝的含有比率时，能够使被覆层11的耐磨损性更优异。

如上所述，AlTi层13含有铝和钛，此时，AlTi层13含有铝和钛作为主成分，且AlTi层13以小于铝和钛的含有比率的比率含有铬的情况下，能够提高AlTi层13与AlCr层15的接合性，而不对AlTi层13的特性造成明显影响。因此，能够进一步提高被覆层11的耐久性。

尤其是，在多个AlTi层13具有第一AlTi层13a以及与第一AlTi层13a相比位置更远离基体9的第二AlTi层13b，且第二AlTi层13b中的铬的含有比率高于第一AlTi层13a中的铬的含有比率的情况下，能够进一步提高被覆层11的耐久性。

这是因为：与AlCr层15同样地，AlTi层13含有铬时，AlCr层15与AlTi层13的亲和性得以提高，因此，相邻的AlCr层15与AlTi层13的接合性得以提高，进而，与第一AlTi层13a相比位置更远离基体9因而在切削加工时容易被施加比第一AlTi层13a更大的切削负荷的第二AlTi层13b中的铬的含有比率相对较高的情况下，与第一AlTi层13a相比，第二AlTi层13b的与相邻AlCr层15的接合性得以提高。

本实施方式的被覆工具1如图1所示那样是四角板形状，作为被覆工具1的形状，不限定于这样的形状。例如，第一面3不是四边形而是三角形、六边形或圆形亦可。

如图1所示那样，本实施方式的被覆工具1具有贯通孔17。本实施方式中的贯通孔17自第一面3至位于第一面3相反侧的面地形成，并在这些面中开口。在将被覆工具1保持于刀杆时，贯通孔17能够用于安装螺钉或固定部件。需要说明的是，贯通孔17呈现在第二面5中彼此位于相反侧的区域中开口的构成也没有任何问颗。

作为基体9的材质，可列举出例如超硬合金、金属陶瓷和陶瓷等无机材料。作为超硬合金的组成，可列举出例如WC(碳化钨)-Co、WC-TiC(碳化钛)-Co和WC-TiC-TaC(碳化钽)-Co。此处，WC、TiC和TaC为硬质粒子，Co为结合相。此外，金属陶瓷是使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，可列举出以TiC或TiN(氮化钛)作为主成分的化合物。需要说明的是，作为基体9的材质，不限定于它们。

被覆层11可通过例如使用物理蒸镀(PVD)法使其位于基体9上。例如，在贯通孔17的内周面保持有基体9的状态下利用上述蒸镀法形成被覆层11的情况下，能够使被覆层11以被覆除了贯通孔17内周面之外的基体9的整个表面的方式位于基体9上。

作为物理蒸镀法，可列举出例如离子镀法和溅射法等。作为一例，在利用离子镀法进行制作的情况下，可以通过下述方法来制作被覆层11。

作为第一步骤，准备各自独立地含有铝和钛的金属靶、经复合化的合金靶或烧结体靶。通过电弧放电和辉光放电等使作为金属源的上述靶蒸发而进行离子化。使经离子化的靶与作为氮源的氮(N₂)气、作为碳源的甲烷(CH₄)气体或乙炔(C₂H₂)气体发生反应，并使其蒸镀于基体9的表面。通过上述步骤能够形成AlTi层13。

作为第二步骤，准备各自独立地含有铝和铬的金属靶、经复合化的合金靶或烧结体靶。利用电弧放电和辉光放电等使作为金属源的上述靶蒸发而进行离子化。使经离子化的靶与作为氮源的氮(N₂)气、作为碳源的甲烷(CH₄)气体或乙炔(C₂H₂)气体发生反应，且使其蒸镀于基体9的表面。通过上述步骤能够形成AlCr层15。

通过交替地反复上述的第一步骤和第二步骤，能够形成交替层叠有多个AlTi层13和多个AlCr层15的构成的被覆层11。需要说明的是，首先进行第二步骤后再进行第一步骤也没有任何问题。

此处，反复进行第二步骤时，通过使所用靶中的铬的比率发生变化，能够制作具有第一AlCr层15a和第二AlCr层15b的多个AlCr层15。具体而言，反复进行第二步骤时，通过在途中提高铬的比率，能够制作具有第一AlCr层15a和第二AlCr层15b的多个AlCr层15。

例如，反复进行第二步骤时，从最初进行第二步骤时起至最后进行第二步骤时为止，通过使铬的比率缓慢变化，能够使AlCr层15的位置越远离基体9则越提高铬的含有比率。

接着，使用附图对一个实施方式的切削工具101进行说明。

如图6所示那样，本实施方式的切削工具101是从第一端(图6中的上端)朝向第二端(图6中的下端)延伸的棒状体，如图7所示那样，其具备在第一端侧具有凹处103的刀杆105和位于凹处103的上述被覆工具1。

凹处103是装配被覆工具1的部分，具有相对于刀杆105的下表面平行的坐落面和相对于坐落面倾斜的约束侧面。此外，凹处103在刀杆105的第一端侧开口。

被覆工具1位于凹处103。此时，凹处103可以与被覆工具1的下表面直接接触，此外，也可以在被覆工具1与凹处103之间夹着片材(未图示)。

被覆工具1以作为第一面与第二面相交的脊线中的切削刃而使用的部分的至少一部份从刀杆105向外侧突出的方式进行装配。本实施方式中，被覆工具1通过固定螺钉107装配于刀杆105。即，向被覆工具1的贯通孔中插入固定螺钉107，将该固定螺钉107的前端插入至形成于凹处103的螺钉孔(未图示)并将螺钉部彼此旋紧，由此被覆工具1被装配于刀杆105。

作为刀杆105，可以使用钢、铸铁等。尤其是，在这些部件之中优选使用韧性高的钢。

本实施方式中，例示出在所谓的车削加工中使用的切削工具。作为车削加工，可列举出例如内径加工、外径加工和开槽加工。需要说明的是，作为切削工具，不限定于车削加工中使用的工具。例如，也可以将上述实施方式的被覆工具1用于铣削加工所使用的切削工具。

附图标记说明

1···被覆工具

3···第一面

3a··前刀面区域

5···第二面

5a··后刀面区域

7···切削刃

9···基体

11···被覆层

13···AlTi层

13a··第一AlTi层

13b··第二AlTi层

15···AlCr层

15a··第一A1Cr层

15b··第二AlCr层

15c··第三AlCr层

17···贯通孔

101···切削工具

103···凹处

105···刀杆

107···固定螺钉

Claims (6)

1.一种被覆工具，其特征在于，其具备基体和位于该基体上的被覆层，

该被覆层具有多个AlTi层和3层以上的AlCr层，所述AlTi层包含含有铝和钛的氮化物、碳化物或碳氮化物中的至少一种，所述AlCr层包含含有铝和铬的氮化物、碳化物或碳氮化物中的至少一种，所述被覆层是交替层叠有所述AlTi层和所述AlCr层的构成，

就所述AlCr层而言，所述AlCr层的位置越远离所述基体，其铬的含有比率越高。

2.根据权利要求1所述的被覆工具，其特征在于，多个所述AlCr层各自的铬的含有比率以能用等差数列表示的方式随着位置远离所述基体而变高。

3.根据权利要求1或2所述的被覆工具，其特征在于，在多个所述AlCr层之中位置最靠近所述基体的AlCr层中，铝的含有比率高于铬的含有比率，

在多个所述AlCr层之中位置最远离所述基体的AlCr层中，铬的含有比率高于铝的含有比率。

4.根据权利要求1或2所述的被覆工具，其特征在于，多个所述AlTi层含有铬，

所述AlTi层中的铬的含有比率少于铝和钛的含有比率。

5.根据权利要求4所述的被覆工具，其特征在于，多个所述AlTi层具有第一AlTi层以及与该第一AlTi层相比位置更远离所述基体的第二AlTi层，

所述第二AlTi层中的铬的含有比率高于所述第一AlTi层中的铬的含有比率。

6.一种切削工具，其具备：

在前端侧具有凹处的刀杆；以及

位于所述凹处的权利要求1～5中任一项所述的被覆工具。

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