CN110769957A - 涂层刀具、切削刀具和切削加工物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一个方式的涂层刀具具备：具有第一面的基体，和位于第一面之上的涂层。涂层具有：位于第一面之上的含有氧化铝的第一层；位于第一层之上与其相接的含有钛化合物的第二层。另外，在与第一面正交的截面中，第一层具有朝向第二层突出的第一凸部，和位于第一凸部的第一凹部，并且，第二层具有与第一凸部卡合的第二凹部，和卡入第一凹部的第二凸部。

Description

涂层刀具、切削刀具和切削加工物的制造方法
技术领域
本发明涉及在切削加工中使用的涂层刀具。
背景技术
作为车削加工和滚削加工这样的切削加工所用的涂层刀具，例如已知有日本特开2009－166216号公报(专利文献1)中记载的涂层刀具。专利文献1中记载的涂层刀具为形成有涂层的构成，所述涂层具备：位于由超硬合金等构成的基体的表面且含有钛(Ti)等的化合物的层(多层覆膜)；含有钛的化合物的层(结合膜)；含有α型氧化铝(α－Al2O3)的层(α型氧化铝膜)。
另外，在专利文献1记载的涂层刀具中，结合膜的表面具有由树状突起和枝状突起形成的树枝形状。并记载有由于结合膜具有树枝形状，所以利用锚栓效果，结合膜与α型氧化铝膜的密接性提高。
但是，在专利文献1记载的涂层刀具中，是树状突起和枝状突起均从结合膜朝向α型氧化铝膜突出的构成。涂层具有这样的构成时，由于锚栓效果，引起树状突起产生的负荷和枝状突起产生的负荷的两方都施加于α型氧化铝膜。因此，有涂层的耐久性降低的忧虑。
发明内容
基于一个方式的涂层刀具，具备：具有第一面的基体，和位于所述第一面之上的涂层。所述涂层具有：位于所述第一面之上且含有氧化铝的第一层；位于该第一层之上且与其相接并含有钛化合物的第二层。另外，在与所述第一面正交的截面中，所述第一层具有朝向所述第二层突出的第一凸部，和位于该第一凸部的第一凹部，并且，所述第二层具有与所述第一凸部进行卡合的第二凹部，和卡入所述第一凹部的第二凸部。
附图说明
图1是表示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截面的剖视图。
图3是图2所示的涂层刀具的涂层附近的放大图。
图4是图3所示的区域B1的放大图。
图5是图4所示的区域B2的放大图。
图6是表示实施方式的切削刀具的俯视图。
图7是图6所示的区域B3的放大图。
图8是表示实施方式的切削加工物的制造方法的一个工序的概要图。
图9是表示实施方式的切削加工物的制造方法的一个工序的概要图。
图10是表示实施方式的切削加工物的制造方法的一个工序的概要图。
具体实施方式
以下，对于实施方式的涂层刀具1，使用附图详细说明。但是，以下参照的各图，为了方便说明，只简略化显示在说明下述的实施方式上必要的主要构件。因此，涂层刀具1能够具备所参照的各图中未显示的任意的构成构件。另外，各图中的构件的尺寸，并非忠实表现实际的构成构件的尺寸和各构件的尺寸比率等。
＜涂层刀具＞
实施方式的涂层刀具1，如图1和图2所示，具备基体3和涂层5。图2所示一例的基体3具有第一面7(图2中的上表面)、与第一面7相邻的第二面9(图2中的侧面)和位于第一面7和第二面9交叉的棱线的至少一部分上的刃口11。
图1所示一例的基体3是方形板状，第一面7是四边形。因此，第二面9的数量为4个。在作为一例的涂层刀具1中，第一面7的至少一部分是前刀面区域，第二面9的至少一部分是后刀面区域。还有，基体3的形状不限定为方形板状。例如第一面7也可以是三角形、五边形、六边形或圆形。另外，基体3不限定为板状，例如也可以是柱状。
涂层5位于基体3的至少第一面7之上。涂层5可以只位于第一面7之上，另外，也可以位于基体3中的第一面7以外的其他的面之上。在作为一例的涂层刀具1中，除了第一面7以外，涂层5也位于第二面9之上。具备涂层5是为了使切削加工中的涂层刀具1的耐磨耗性和抗崩刃性等的特性提高。
图3所示一例的涂层5具有第一层13和第二层15。第一层13位于第一面7之上，含有氧化铝(Al2O3)。另外，第二层15位于第一层13之上并与其相接，含有钛化合物。
第一层13，也可以含有氧化铝作为主成分。另外，第二层15也可以含有钛化合物作为主成分。还有，所谓上述的“主成分”，意思就是与其他的成分比较质量％的值最大的成分。
第一层13也可以含有氧化铝以外的成分，另外，第二层15也可以含有钛化合物以外的成分。例如，第一层13含有钛化合物时，第一层13和第二层15的接合性高。另外，第二层15含有氧化铝时，第一层13和第二层15的接合性也高。
作为第一层13中所含有的氧化铝，例如，可列举α－氧化铝(α－Al2O3)、γ－氧化铝(γ－Al2O3)及κ－氧化铝(κ－Al2O3)。其中第一层13含有α－氧化铝最多时，涂层刀具1的耐热性高。第一层13可以为只含有上述的化合物中的任意一个的构成，另外，也可以为含有上述的化合物之中多个的构成。
第一层13中所含有的氧化铝是上述的化合物的哪一个，例如能够通过进行X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)分析，与JCPDS卡片对照来进行评价。
另外，上述的α－氧化铝、γ－氧化铝及κ－氧化铝可以以任意的状态被第一层13含有，例如，可以作为从基体3侧朝向第二层15分别延伸的多个柱状结晶13a的状态被第一层13具有。
作为第二层15中所含有的钛化合物，例如，可列举钛的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物及碳氮氧化物。第二层15可以是只含有上述的化合物中的任意一个的构成，另外，也可以是含有上述的化合物之中多个的构成。
第一层13和第二层15的边界，例如，可以通过观察扫描型电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)照片或透射电子显微镜(TEM：Transmission ElectronMicroscope)照片进行确定。
在与第一面7正交的截面中观察涂层5时，在图4所示的一例中，第一层13在与第二层15接合一侧的界面(图4中的上侧的界面)，具有朝向第二层15突出的第一凸部17，和位于该第一凸部17的第一凹部19。另外，第二层15在与第一层13接合一侧的界面(图4中的下侧的界面)，具有与第一凸部17进行卡合的第二凹部21，和卡入第一凹部19的第二凸部23。
在图4和图5所示一例的涂层5中，第一凸部17朝向第二层15突出，并且，第二凸部23朝向第一层13突出。因此，利用锚栓效果，通过第一凸部17提高对于第二层15的接合性，并且，通过第二凸部23提高对于第一层13的接合性。
此外，由于第一层13具有第一凸部17，并且第二层15具有第二凸部23，所以由锚栓效果引起的负荷难以只偏向第一层13和第二层15的一方。因此，具备上述的涂层5的涂层刀具1，具备基于锚栓效果带来的高接合性和高耐久性。
第一凸部17和第二凸部23的大小没有限定为特定的数值。例如，在与第一面7正交的截面中，设位于第二面9一侧的第一面7的界面的最大高度为Rz时，可以设定第一凸部17的高度为Rz/10以上，第二凸部23的高度为低于Rz/10。
在以下的说明中，如图5所示，将连接剖视时的凸部的一对基端的第一虚拟直线的长度作为凸部的宽度W。另外，将相对于上述的第一虚拟直线正交，通过第一虚拟直线和凸部的顶点的第二虚拟直线的长度作为凸部的高度H。
由于第二凸部23卡入第一凹部19，第一凹部19位于第一凸部17，所以在作为一例的涂层刀具1中，第一凸部17比第二凸部23大。具体来说，就是第一凸部17的宽度W1大于第二凸部23的宽度W2，并且，第一凸部17的高度H1大于第二凸部23的高度H2。由此，涂层刀具1的耐久性高。
由于第一凸部17大于第二凸部23，所以相比第一凹部19，因锚栓效果产生的负荷会更大地施加于第二凹部21。这时，第二层15位于第一层13之上并与其相接。因此假设，即使由于锚栓效果带来的负荷引起在第二凹部21中在离开第一层13的方向上发生裂纹，但在涂层5的表面，也能够避开该负荷。
另一方面，因为施加于第一凹部19的由锚栓效果引起的负荷比较小，所以在第一凹部19中在离开第二层15的方向上，换言之就是朝向涂层刀具1的内部的方向上难以发生裂纹。如此，由于裂纹难以深入进展，因此涂层刀具1的耐久性高。
涂层5并非限定为只具有第一层13和第二层15的构成，也可以具有第一层13和第二层15以外的层。例如，如图3所示，涂层5除了第一层13和第二层15以外，也可以具有位于基体3和第一层13之间的第三层25。
图3所示一例中的第三层25含有钛化合物。作为第三层25中所含有的钛化合物，与第二层15同样，例如，可列举钛的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物和碳氮氧化物。
另外，第三层25可以为单层的构成，另外，也可以是多个层层叠而成的构成。例如，第三层25也可以是按以下顺序定位如下层的构成，即位于基体3一侧并含有氮化钛(TiN)的层25b，和位于第一层13一侧并含有碳氮化钛(TiCN)的层25a。
具有含有氮化钛的层25b时，基体3和涂层5的接合性高。另外，具有含有碳氮化钛的层25a时，第三层25和第一层13的接合性高。
第一层13、第二层15和第三层25的各层中所含有的成分的元素分析，例如能够通过使用了附属于扫描型电子显微镜的能量色散型X射线分光器(EDX)的SEM－EDX法，或者，使用了电子探针显微分析仪(EPMA)的分析进行评价。
在与第一面7正交的截面中，第一层13中的第一凸部17和第二凸部23的数量没有特别限定，可以是各1个，另外，也可以分别有多个。在上述的截面中，第一层13具有多个第一凸部17时，基于锚栓效果的接合性高。
另外，在与第一面7正交的截面中，有多个第一凹部19位于1个第一凸部17上时，第一层13和第二层15的接合性更高，并且，第一层13和第二层15的耐久性更高。
由于第一凸部17大于第二凸部23，所以，相比1个第二凸部23带来的锚栓效果，1个第一凸部17带来的锚栓效果大。这时，有多个第一凹部19位于1个第一凸部17上时，第二凸部23相对于1个第一凸部17的锚栓效果高。因此，第一层13和第二层15的接合性更高，并且，第一层13和第二层15的耐久性更高。
在与第一面7正交的截面中的第一凸部17和第二凸部23突出的方向，没有限定为特定的方向。如图4所示的一例，第二凸部23突出的方向相对于第一凸部17突出的方向而倾斜时，第一凸部17产生的锚栓效果带来的负荷，和第二凸部23产生的锚栓效果带来的负荷容易被分散。因此，涂层5的耐久性高。
所谓第一凸部17突出的方向，是将连接2个基端17b的直线的中点，和前端17a相连接的线的延伸的方向作为突出方向。另外，同样，所谓第二凸部23突出的方向，是将连接2个基端23b的直线的中点，和前端23a相连接的线的延伸的方向作为突出方向。
在与第一面7正交的截面中，如图4所示的一例，在有多个第一凹部19位于1个第一凸部17上时，多个第一凹部19之中的至少1个，也可以朝向远离基体3的方向而凹陷。换言之，可以是多个第二凸部23之中的至少1个朝向远离基体3的方向而突出。在上述的方向上第二凸部23突出时，假设即使由于锚栓效果带来的负荷引起在第一凹部19发生裂纹，也容易避免该裂纹朝向基体3进展。
如图4和图5所示的一例，第一层13也可以具备上述的多个的柱状结晶13a。另外，在与第一面7正交的截面中，如图5所示，第一凸部17的基端17b也可以位于彼此相邻的柱状结晶13a的边界13b。虽然比较大的负荷容易施加于第一凸部17的基端17b，但至少一个第一凸部17的基端17b位于上述的位置时，裂纹难以从该第一凸部17的基端17b朝向柱状结晶13a的内部进展。因此，第一层13的耐久性高。
另外，在与第一面7正交的截面中，至少一个第二凸部23的前端23a，也可以位于彼此相邻的柱状结晶13a的边界13b。虽然比较大的负荷容易施加于与第二凸部23的前端23a相卡合的第一凹部19的底，但第二凸部23的前端23a位于上述的位置时，裂纹难以从第一凹部19的底朝向柱状结晶13a的内部进展。因此，第一层13的耐久性高。
此外，如图5所示的一例，上述的第二凸部23的延伸的方向，也可以相对于柱状结晶13a的延伸的方向(图5中为上下方向)倾斜。在第二凸部23如上述这样突出时，与第二凸部23相卡合的第一凹部19的凹陷的方向相对于柱状结晶13a的延伸的方向倾斜。在这样的情况下，由于从第二凸部23施加于第一凹部19的负荷的作用方向相对于柱状结晶13a的延伸的方向倾斜，因此在彼此相邻的柱状结晶13a的边界13b难以发生裂纹。
作为基体3的材质，例如，可列举超硬合金、金属陶瓷和陶瓷等的无机材料。还有，作为基体3的材质，不限定于这些。
作为超硬合金的组成，例如，可列举WC(碳化钨)－Co(钴)、WC－TiC(碳化钛)－Co和WC－TiC－TaC(碳化钽)－Co。在此，WC、TiC和TaC是硬质粒子，Co是粘结相。另外，金属陶瓷是使陶瓷成分与金属复合而成的烧结复合材料。具体来说，作为金属陶瓷，可列举以TiCN、TiC或TiN为主成分的化合物。
基体3也可以具有贯通第一面7和位于第一面7的相反侧的面(图1中的下表面)的通孔27。通孔27能够用于插入固定构件，该固定构件用于将涂层刀具1固定在刀柄上。作为固定构件，例如可列举螺栓和夹具构件。
基体3的大小没有特别限定。例如，第一面7的一边的长度可以设定为3～20mm左右。另外，从第一面7至位于第一面7的相反侧的面的高度可以设定为5～20mm左右。
＜制造方法＞
接着，对于实施方式的涂层刀具1的制造方法进行说明。
首先，在从能够通过烧成而形成作为基体3的硬质合金的碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物等中选择的无机物粉末中，适宜添加及混合金属粉末、碳粉末等，制作混合粉末。其次，使用公知的成形方法将该混合粉末成形为规定的刀具形状而制作成形体。作为成形方法，例如，可列举冲压成形、浇铸成形、挤压成形和冷等静压成形等。将上述的成形体在真空中或非氧化性气氛中进行烧成而制作基体3。还有，也可以根据需要，对于基体3的表面实施研磨加工和珩磨加工。
接着，在基体3的表面通过化学气相沉积(CVD)法而成膜涂层5。
第一层13能够由以下的方法形成。在氢(H2)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(CO2)气体和1体积％以下的硫化氢(H2S)气体，制作第一混合气体。将此第一混合气体，在成膜温度为950℃～1100℃、气压为5kPa～20kPa的条件下导入腔室内。由此，能够形成涂层5中的第一层13。
第二层15能够由以下的方法形成。在氢气中混合0.1～10体积％的四氯化钛(TiCl4)气体和10～60体积％的氮(N2)气而制作第二混合气体。将此第二混合气体，在成膜温度为960～1100℃，气压为10～85kPa的条件下导入腔室内。由此，能够形成涂层5中的第二层15。
这时，例如并非是在形成第一层13后连续形成第二层15，而是将被第一层13覆盖的基体3从腔室中取出，通过对第一层13进行表面加工，从而能够形成具有第一凸部17和第一凹部19的第一层13。上述的表面加工没有限定为特定的加工，例如，可列举喷丸加工、激光加工、蚀刻处理等。
具体来说，例如，使用上述的第一混合气体形成第一层13时形成第一凸部17，对于具有第一凸部17的第一层13的表面喷送粒径比第一凸部17的高度小的粒子而进行喷丸加工，形成第一凹部19即可。
涂层5具有位于基体3和第一层13之间的第三层25时，该第三层25能够由以下的方法形成。
首先，在氢气中混合0.5～10体积％的四氯化钛气体和10～60体积％的氮气而制作第三混合气体。将该第三混合气体，在成膜温度为800～940℃，气压为8～50kPa的条件下导入腔室内。由此，能够形成第三层25中的含有氮化钛的层25b。
另外，在氢气中混合0.5～10体积％的四氯化钛气体、5～60体积％的氮气和0.1～3体积％的乙腈(CH3CN)气体而制作第四混合气体。将此第四混合气体，在成膜温度为780～880℃，气压为5～25kPa的条件下导入腔室内。由此，能够形成第三层25中的含有碳氮化钛的层25a。
其后，根据需要，对于成膜后的涂层5的表面中的刃口11所在位置的部分进行研磨加工。在进行这样的研磨加工后，因为被切削材对刃口11的熔敷容易被抑制，所以成为抗崩裂性优异的涂层刀具1。
还有，上述的制造方法是制造实施方式的涂层刀具1的方法的一例。因此，涂层刀具1当然不限定由上述的制造方法制作。
＜切削刀具＞
接着，使用附图对于实施方式的切削刀具101进行说明。
图6和图7所示一例的切削刀具101，是从第一端(图6中的上端)向第二端(图6中的下端)延伸的棒状体，其具备在第一端侧具有卡槽103的刀柄105，和位于卡槽103的上述的涂层刀具1。在图6和图7所示一例的切削刀具101中，涂层刀具1以使棱线上的作为刃口使用的部分从刀柄105的前端突出的方式安装。
卡槽103是安装涂层刀具1的部分，具有相对于刀柄105的下表面平行的支承面，和相对于支承面倾斜的限制侧面。另外，卡槽103在刀柄105的第一端侧开口。
涂层刀具1位于卡槽103上。这时，涂层刀具1中的第一面的相反侧的面可以与卡槽103直接接触，另外，也可以在涂层刀具1与卡槽103之间夹隔垫片。
涂层刀具1以使棱线上的作为刃口使用的部分从刀柄105向外方突出的方式安装。在图6和图7所示的一例中，涂层刀具1由螺栓107安装在刀柄105上。即，在涂层刀具1的通孔中插入螺栓107，将该螺栓107的前端插入到形成于卡槽103的螺孔(未图示)中而使螺栓部之间拧紧，由此涂层刀具1被安装在刀柄105上。
作为刀柄105，能够使用钢、铸铁等。特别是在这些构件之中使用钢时，刀柄105的韧性高。
在实施方式中，例示的是用于所谓车削加工的切削刀具。作为车削加工，例如，可列举内径加工、外径加工和开槽加工。还有，作为切削刀具不限定为用于车削加工的刀具。例如，用于滚削加工的切削刀具也可以使用上述的实施方式的涂层刀具1。
＜切削加工物的制造方法＞
接着，使用附图对于实施方式的切削加工物的制造方法进行说明。
切削加工物通过对被切削材201进行切削加工来制作。本实施方式中的切削加工物的制造方法，具备以下的工序。即具备：
(1)使被切削材201旋转的工序；
(2)使上述的实施方式所代表的切削刀具101与旋转的被切削材201接触的工序；
(3)使切削刀具101离开被切削材201的工序。
更具体地说，首先，如图8所示，使被切削材201围绕轴O2旋转，并且将切削刀具101相对地靠近被切削材201。其次，如图9所示，使切削刀具101的刃口与被切削材201接触，对被切削材201进行切削。然后，如图10所示，使切削刀具101从被切削材201相对地远离。
在图8所示的一例中，以固定轴O2并使被切削材201围绕轴O2旋转的状态使切削刀具101沿Y1方向移动从而靠近被切削材201。另外，在图9所示的一例中，通过使镶刀1的刃口与旋转中的被切削材201接触而切削被切削材201。另外，在图10所示的一例中，在使被切削材201旋转的状态下，使切削刀具101沿Y2方向移动而远离。
还有，在实施方式的制造方法的切削加工中，在各个工序中，通过移动切削刀具101，使切削刀具101与被切削材201接触，或者，使切削刀具101离开被切削材201，当然不限定为这样的方式。
例如在(1)的工序中，也可以使被切削材201靠近切削刀具101。同样在(3)的工序中，也可以使被切削材201远离切削刀具101。继续切削加工时，只要维持使被切削材201旋转的状态，重复使镶刀1的刃口接触被切削材201不同的位置的工序即可。
还有，作为被切削材201的材质的代表例，可列举碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁或有色金属等。
【符号说明】
1…涂层刀具
3…基体
5…涂层
7…第一面
9…第二面
11…刃口
13…第一层
13a…柱状结晶
15…第二层
17…第一凸部
17a…前端
17b…基端
19…第一凹部
21…第二凹部
23…第二凸部
23a…前端
25…第三层
27…通孔
101…切削刀具
103…卡槽
105…刀柄
107…固定螺栓
201…被切削材

Claims (9)

1.一种涂层刀具，其具备：具有第一面的基体；和位于所述第一面之上的涂层，其中，
所述涂层具有：位于所述第一面之上且含有氧化铝的第一层；和位于该第一层之上且与该第一层相接，并含有钛化合物的第二层，
在与所述第一面正交的截面中，所述第一层具有：朝向所述第二层突出的第一凸部；和位于该第一凸部的第一凹部，并且，所述第二层具有：与所述第一凸部卡合的第二凹部；和卡入所述第一凹部的第二凸部。
2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，在与所述第一面正交的截面中，有多个所述第一凹部位于1个第一凸部。
3.根据权利要求1或2所述的涂层刀具，其中，在与所述第一面正交的截面中，所述第二凸部突出的方向相对于所述第一凸部突出的方向倾斜。
4.根据权利要求3所述的涂层刀具，其中，在与所述第一面正交的截面中，有多个所述第一凹部位于1个第一凸部，
多个所述第一凹部之中的至少1个朝向远离所述基体的方向凹陷。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的涂层刀具，其中，所述第一层具备从所述基体的一侧朝向所述第二层分别延伸的多个柱状结晶，
在与所述第一面正交的截面中，所述第一凸部的基端位于彼此相邻的所述柱状结晶的边界。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的涂层刀具，其中，所述第一层具备从所述基体的一侧朝向所述第二层分别延伸的多个的柱状结晶，
在与所述第一面正交的截面中，所述第二凸部的前端位于彼此相邻的所述柱状结晶的边界。
7.根据权利要求6所述的涂层刀具，其中，前端位于彼此相邻的所述柱状结晶的边界的所述第二凸部突出的方向，相对于所述柱状结晶的延伸方向倾斜。
8.一种切削刀具，其具有：
具有位于前端侧的卡槽的刀柄；和
位于所述卡槽内的权利要求1～7中任一项所述的涂层刀具。
9.一种切削加工物的制造方法，其中，具备：
使权利要求8所述的切削刀具旋转的工序；
使旋转中的所述切削刀具与被切削材接触的工序；
使所述切削刀具离开所述被切削材的工序。
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