CN111886094B - 涂层刀具和具备它的切削刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明的涂层刀具具备基体、和位于基体之上的涂层。涂层含有包含如下元素的立方晶的结晶:周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y和Mn之中的至少一种元素;C、N和O之中的至少一种元素。涂层在立方晶的结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,具有位于15°~30°之间的第一波峰,和位于60°~75°之间的第二波峰。涂层在第一波峰和第二波峰之间,具有X射线强度比第一波峰和第二波峰的X射线强度低的谷部。第一波峰的峰强度是第二波峰的峰强度的0.7倍以上。另外,本发明的切削刀具具备:从第一端向第二端延伸,在第一端侧具有卡槽的刀柄;和位于卡槽的上述的涂层刀具。
Description
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
作为用于车削加工和滚削加工这样的切削加工的涂层刀具,例如已知有专利文献1所述这样的在基材的表面涂有被膜的切削刀具用涂层构件。在专利文献1所述的的涂层刀具中,覆盖刀具基体的硬质膜由立方晶的金属化合物构成。而且还记载有使该金属化合物的(111)面和(200)面相对于基体的表面分别以规定的角度倾斜,涂层刀具的耐磨耗性变高。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2011/016488
发明内容
本发明的涂层刀具具备基体、和位于该基体之上的涂层。该涂层含有包含如下元素的立方晶的结晶:周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y和Mn之中的至少一种元素;C、N和O之中的至少一种元素。所述涂层,在所述立方晶的结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,具有位于15°~30°之间的第一波峰,和位于60°~75°之间的第二波峰。所述涂层,在所述第一波峰与所述第二波峰之间,具有X射线强度比所述第一波峰和所述第二波峰的X射线强度低的谷部。所述第一波峰的峰强度是所述第二波峰的峰强度的0.7倍以上。另外,本发明的切削刀具具有:从第一端向第二端延伸,在所述第一端侧具有卡槽的刀柄;和位于所述卡槽的上述的涂层刀具。
附图说明
图1是表示本发明的涂层刀具的一例的立体图。
图2是图1所示的涂层刀具的A-A截面的剖视图。
图3(a)是图2所示的区域B1的放大图。图3(b)是图2所示的区域B1的另一方式的放大图。
图4是AlTiN层中的AlTiN结晶的(200)面的正极图的X射线强度分布图的一例。
图5是AlTiN层中的AlTiN结晶的(200)面的正极图的X射线强度分布图的一例。
图6是AlTiN层中的AlTiN结晶的(200)面的正极图的X射线强度分布图的一例。
图7是表示本发明的切削刀具的一例的俯视图。
具体实施方式
<涂层刀具>
以下,对于本发明的一个实施方式的涂层刀具,用附面详细说明。但是,以下参照的各图,为了说明方便,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,本发明的涂层刀具,能够具备参照的各图中未显示的任意的结构构件。另外,各图中的构件的尺寸,并非忠实表现实际的结构构件的尺寸和各构件的尺寸比率等。这几点在后述的切削刀具中也同样。
本实施方式的涂层刀具1,是四边形板状,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)、和位于第一面3和第二面5相交的棱线的至少一部分上的刃口7。另外,本实施方式的涂层刀具1,还具有四边形的第三面8(图1中的下表面)。
在本实施方式的涂层刀具1中,第一面3的整个外周都可以为刃口7,但涂层刀具1不限定为这样的构成,例如,也可以只是在四边形的第一面3中的一边上具有刃口7,或部分性地具有刃口7。
第一面3中,也可以至少一部分上具有前刀面区域3a,第一面3中沿刃口7的区域为前刀面区域3a。第二面5中,也可以至少一部分上具有后刀面区域5a,第二面5中沿刃口7的区域为后刀面区域5a。如果是这样的构成,则也可以说,刃口7位于前刀面区域3a和后刀面区域5a相交的部分。
图1中,第一面3中的前刀面区域3a,和其以外的区域的边界由点划线表示。另外,第二面5中的后刀面区域5a,和其以外的区域的边界由点划线表示。在图1中,因为显示的是第一面3和第二面5相交的棱线全部是刃口7的例子,所以在第一面3中,表示上述边界的点划线为环状。
涂层刀具1的大小没有特别限定,例如,在本实施方式中,第一面3的一边的长度设定为3~20mm左右。另外,从第一面3至位于第一面3的相反侧的第三面8的高度设定为5~20mm左右。
本发明的涂层刀具1,如图1和图2所示,具备四边形板状的基体9,和涂覆该基体9的表面的涂层11。涂层11可以覆盖基体9的整个表面,另外,也可以只覆盖一部分。涂层11只覆盖基体9的一部分时,也能够说涂层11位于基体9之上的至少一部分。
作为涂层11的厚度,例如,能够设定为0.1~10μm左右。还有,涂层11的厚度可以一定,也可以根据位置而不同。
涂层11,如图3(a)所示,在基体9的表面上具备涂层11。
涂层11含有包含如下元素的立方晶的结晶:周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y和Mn之中的至少一种元素;和C、N和O之中的至少一种元素。立方晶的结晶,例如,有AlTiN、AlCrN和TiN等。TiAlN结晶是TiN结晶中固溶有Al的结晶。
这些立方晶的结晶,由于具有高硬度和优异的耐磨耗性,所以适用于涂层刀具1的涂层11。
本发明的涂层刀具1,通过控制涂层11中的立方晶的结晶的取向,使涂层刀具1的耐久性提高。涂层11立方晶的结晶具有(200)面。通过使用X射线衍射装置测量涂层11的立方晶的结晶的(200)面对于基体9的表面的倾斜角度,从而能够评价以立方晶的结晶的(200)面为评价标准的立方晶的结晶的取向性。
立方晶的结晶的(200)面的取向性,如图4~6所示,能够根据正极图的X射线强度分布进行评价。
例如,在立方晶的结晶的(200)面的正极图的X射线强度分布中,在50°的位置有波峰时,相对于基体9的表面,(200)面倾斜50°的立方晶的结晶的数量多。
本发明的涂层刀具1的关于立方晶的结晶的(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布,在0°~90°之间具有第一波峰和相比该第一波峰而位于更高角度的第二波峰。另外,在第一波峰和第二波峰之间,具有X射线强度比第一波峰和第二波峰的X射线强度低的谷部。
如此在立方晶的结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,如果具有多个波峰,则存在取向不同的立方晶的结晶。
例如,在图4~6中,大体在20°存在第一波峰,大体在65°存在第二波峰。还有,本发明的第一波峰和第二波峰的大小关系,以α轴的X射线强度分布中的峰强度进行比较。
总之,在本发明的涂层刀具1中,相对于基体9的表面,立方晶的结晶的(200)面倾斜20°的立方晶的结晶大量存在,另外,相对于基体9的表面,立方晶的结晶的(200)面倾斜65°的立方晶的结晶也大量存在。
本发明者们发现,第一波峰处于15°~30°的涂层11的剥离载荷大。另外还发现,第二波峰处于60°~75°的涂层11,硬度高,但是,剥离载荷小。
本发明的涂层刀具1的涂层11,在立方晶的结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,具有位于15°~30°之间的第一波峰、位于60°~75°之间的第二波峰、和第一波峰和第二波峰之间X射线强度比第一波峰和第二波峰的X射线强度低的谷部。而且,第一波峰的峰强度是第二波峰的峰强度的0.7倍以上。
如图5、6所示,具有第一波峰的峰强度是第二波峰的峰强度的0.7倍以上的涂层11的涂层刀具1,具有高的剥离载荷。另外,是硬度也比较高,平衡良好的涂层刀具1。
另外,第一波峰的峰强度可以为第二波峰的峰强度的1.0倍以上。如图5所示,具有第二波峰的峰强度是第一波峰的峰强度的1.0倍以上的AlTiN层13的涂层刀具1,具有更高的涂覆载荷。
具有高涂覆载荷的涂层刀具1,耐久性优异,能够长期进行稳定的切削加工。
另一方面,如图4所示,第一波峰的峰强度低于第二波峰的峰强度的0.7倍时,剥离载荷低。
还有,所谓涂覆载荷,是能够通过刮痕试验测量,评价涂膜11的剥落难度的指标。
涂层11可以具备作为立方晶的结晶而含有AlTiN结晶的AlTiN层13。AlTiN层13中,铝的含有比率可以高于钛的含有比率。另外,AlTiN层13中,钛的含有比率也可以高于铝的含有比率。另外,AlTiN层13中除了铝和钛以外,也可以还含有铬。但是,与铬成分比较,铝和钛各自的含有比率的合计高。AlTiN层13中的铬的含有比率,例如,可以为0.1~20%。还有,上述的所谓“含有比率”,表示以原子比计的含有比率。
另外,本发明的涂层刀具1,如图3(b)所示,作为涂层11,除了AlTiN层13以外,也可以具有AlCrN层15,所述AlCrN层15含有作为立方晶的结晶的AlCrN结晶。另外,AlTiN层13和AlCrN层15可以分别多层层叠。层叠的顺序可以颠倒,也可以交替地层叠多个AlTiN层13和AlCrN层15。
AlCrN层15可以只由铝和铬构成,但除了铝和铬以外,也可以含有Si、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Ti和W等的金属成分。但是,在AlCrN层15中,与上述的金属成分比较,铝和铬各自的含有比率的合计高。铝的含有比率,例如,能够设定为20~60%。另外,铬的含有比率,例如,能够设定为40~80%。
涂层刀具1具有多个AlCrN层15时,在各个AlCrN层15中,铝的含有比率可以高于铬的含有比率,另外,在多个AlCrN层15的各层中,铬的含有比率也可以高于铝的含有比率。
另外,AlCrN层15,可以只由含有铝和铬的金属成分构成,但铝和铬也可以是单独含有或两者全都含有的氮化物、碳化物或碳氮化物。
AlTiN层13和AlCrN层15的组成,例如,可以由能量色散型X射线光谱分析法(EDS)或X射线光电子能谱分析法(XPS)等测量。
AlTiN层13和AlCrN层15的层叠数,不限定于特定的值。AlTiN层13和AlCrN层15的数量,例如,可以是2~500。
若涂层11具有AlTiN层13,则耐崩损性变高。另外,若涂层11具有AlCrN层15,则耐磨耗性变高。若涂层11为交替形成多个AlTiN层13和多个AlCrN层15的构成,则作为涂层11的整体的强度变高。
还有,与多个AlTiN层13和多个AlCrN层15各自的厚度厚,并且多个AlTiN层13和多个AlCrN层15的数量少的情况相比,多个AlTiN层13和多个AlCrN层15各自的的厚度薄,并且多个AlTiN层13和多个AlCrN层15的数量多的情况一方,作为涂层11的整体的强度高。
AlTiN层13和AlCrN层15的厚度,没有限定于特定的值,例如,能够分别设定为5nm~100nm。还有,多个AlTiN层13和多个AlCrN层15的厚度可以一定,也可以互不相同。
还有,本发明的涂层刀具1,如图1所示这样是四边形板状,但作为涂层刀具1的形状,并不限定为这样的形状。例如,第一面3和第三面8也可以不是四边形,而是三角形、六边形或圆形等。
本发明的涂层刀具1,如图1所示,例如,可以具有贯通孔17。贯通孔17从第一面3直到位于第一面3的相反侧的第三面8形成,在这些面上开口。贯通孔17在将涂层刀具1保持在刀柄上时,用于安装螺栓或夹具构件等。还有,贯通孔17成为在位于第二面5中的互为相反侧的区域开口的构成也没有任何问题。
作为基体9的材质,例如,可列举硬质合金、金属陶瓷和陶瓷等的无机材料。作为硬质合金的组成,例如,可列举WC(炭化钨)-Co、WC-TiC(碳化钛)-Co和WC-TiC-TaC(碳化钽)-Co等。在此,WC、TiC和TaC是硬质粒子,Co是粘结相。另外,金属陶瓷是使金属与陶瓷成分复合的烧结复合材料。具体来说,作为金属陶瓷,可列举以TiC或TiN(氮化钛)为主成分的化合物等。还有,作为基体9的材质,并不限定于此。
涂层11,例如,可以通过使用物理蒸镀(PVD)法等,使之位于基体9之上。例如,在以贯通孔17的内周面保持基体9的状态下,利用上述的蒸镀法而形成涂层11时,能够以使覆盖除贯通孔17的内周面以外的基体9的整个表面的方式确定涂层11的位置。
作为物理蒸镀法,例如,可列举离子镀法和溅射法等。作为一例,在以离子镀法制作时,能够由下述的方法制作涂层11。
作为第一步,准备分别独立含有铝、钛的金属靶,复合化的合金靶或烧结体靶。通过电弧放电或辉光放电等,使作为金属源的上述的靶蒸发而离子化。使离子化的靶,与氮源的氮(N2)气、碳源的甲烷(CH4)气或乙炔(C2H2)气等反应,并且使之蒸镀于基体9的表面。通过以上的步骤可以形成AlTiN层13。
设置AlCrN层15时,作为第二步,准备分别独立含有铝和铬的金属靶、复合化的合金靶或烧结体靶。通过电弧放电或光辉放电等,使作为金属源的上述的靶的蒸发而离子化。使离子化的靶,与氮源的氮(N2)气、碳源的甲烷(CH4)气或乙炔(C2H2)气等反应,并且使之蒸镀于基体9或AlTiN层13的表面。通过以上的步骤,可以形成AlCrN层15。
在上述的第一和第二步中,可以使基体的温度为400~600℃,压力为2.0~4.0Pa,对基体施加直流偏置电压-50~-100V,使电弧放电电流为120~180A。
通过交替重复上述的第一步和第二步,可以形成多个AlTiN层13和多个AlCrN层15交替层叠的结构的涂层11。还有,可以先进行第二步后再进行第一步。另外,也可以只设置AlTiN层13。
为了形成本发明的涂层刀具1的AlTiN层13,在上述第一步中,可以对于分别独立含有铝和钛的金属靶、复合化的合金靶或烧结体靶的蒸发速率进行调整。
若减缓蒸发速率,则每小时蒸镀于基体9的表面的AlTiN层13的厚度变薄。若加快蒸发速率,则每小时蒸镀于基体9的表面的AlTiN层13的厚度变厚。
若使每小时蒸镀于基体9的表面AlTiN层13的厚度为5μm以上且低于20μm,则在AlTiN层13所含的AlTiN结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,能够形成第一波峰的峰强度为第二波峰的峰强度的0.7倍以上的AlTiN层13。
若使每小时蒸镀于基体9的表面的AlTiN层13的厚度为20μm以上且低于60μm,则能够使第一波峰的峰强度为第二波峰的峰强度的1.0倍以上。
<切削刀具>
接下来,使用附图对于本发明的切削刀具进行说明。
本发明的切削刀具101,如图7所示,例如,是从第一端(图7的上端)朝向第二端(图7的下端)延伸的棒状体。切削刀具101,如图7所示,具备在第一端侧(前端侧)具有卡槽103的刀柄105,和位于卡槽103的上述的涂层刀具1。因为切削刀具101具备涂层刀具1,所以能够长期进行稳定的切削加工。
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的下表面可以与卡槽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(未图示)。
涂层刀具1以使第一面3和第二面5相交的棱线上的作为刃口7使用的部分的至少一部分从刀柄105向外侧突出的方式安装于刀柄105。在本实施方式中,涂层刀具1由固定螺栓107安装在刀柄105上。即,在涂层刀具1的贯通孔17中插入固定螺栓107,将该固定螺栓107的前端插入形成于卡槽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的材质,能够使用钢、铸铁等。在这些构件之中也可以使用韧性高的钢。
在本实施方式中,例示的是用于所谓的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等。还有,作为切削刀具,不限定用于车削加工。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。
实施例
以下,对于本发明的涂层刀具进行说明。
使每一小时蒸镀于基体的表面的AlTiN层的厚度变化为4μm、10μm、25μm而制作试料No.1~3。所谓其厚度,换言之也可以称为成膜速度。还有,试料No.1~3的AlTiN层的厚度均为1.5~2.5μm。
在每一小时蒸镀于基体的表面的AlTiN层的厚度为10μm的试料No.2和每一小时蒸镀于基体的表面的AlTiN层的厚度为25μm的试料No.3中,在作为AlTiN层所包含的立方晶的结晶的AlTiN结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,第一波峰的峰强度为第二波峰的峰强度的0.7倍以上。
在每一小时蒸镀于基体的表面的AlTiN层的厚度为25μm的试料No.3中,在作为AlTiN层所包含的立方晶的结晶的AlTiN结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,第一波峰的峰强度为第二波峰的峰强度的1.0倍以上。
在每一小时蒸镀于基体的表面的AlTiN层的厚度为4μm的试料No.1中,在作为AlTiN层所包含的AlTiN结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,将使第一波峰的峰强度低于第二波峰的峰强度的0.7倍。
表1中,显示试料No.1~3的AlTiN层所包含的AlTiN结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,第一波峰的峰强度P1与第二波峰的峰强度P2的比P1/P2和硬度、剥离载荷。
【表1】
X射线强度分布的测量条件如下。还有,试料面法线处于由入射线和衍射线决定的平面上时,α角为90°。α角为90°时,在正极图上中成为中心点。
(1)平板准直仪
(2)扫描方法:同心圆
(3)β扫描范围:0~360°/2.5°间距
(4)θ固定角度:AlTiN结晶的(200)面的衍射角度为从42.0°至44.0°之间衍射强度最高的角度。
(5)α扫描范围:0~90°/2.5°步长
(6)靶:CuKα,电压:45kV,电流:40mA
剥离载荷,用刮痕试验机以载荷范围0~100N测量剥离发生的载荷。
在AlTiN层中包含的AlTiN结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,第一波峰的峰强度为第二波峰的峰强度的0.7倍以上的试料No.2和第一波峰的峰强度为第二波峰的峰强度的1.0倍以上的试料No.3,比试料No.1的剥离载荷大。另外,在进行切削加工时,试料No.2和试料No.3与试料No.1相比达到涂膜剥离的时间长。
符号说明
1…涂层刀具
3…第一面
3a…前刀面区域
5…第二面
5a…后刀面区域
7…刃口
8…第三面
9…基体
11…涂层
13…AlTiN层
15…AlCrN层
17…贯通孔
101…切削刀具
103…卡槽
105…刀柄
107…固定螺栓
Claims (11)
1.一种涂层刀具,其具备:基体、和位于该基体之上的涂层,
该涂层含有包含如下元素的立方晶的结晶:周期表4、5、6族元素之中的至少一种元素;Al、Si、B、Y和Mn之中的至少一种元素;以及C、N和O之中的至少一种元素,
所述涂层,在所述立方晶的结晶的关于(200)面的正极图的α轴的X射线强度分布中,具有
位于15°~30°之间的第一波峰,
位于60°~75°之间的第二波峰,
在所述第一波峰和所述第二波峰之间,具有X射线强度比所述第一波峰和所述第二波峰的X射线强度低的谷部,
所述第一波峰的峰强度是所述第二波峰的峰强度的0.7倍以上。
2.根据权利要求1所述的涂层刀具,其中,所述第一波峰的峰强度是所述第二波峰的峰强度的1.0倍以上。
3.根据权利要求1所述的涂层刀具,其中,所述涂层具有作为所述立方晶的结晶含有AlTiN结晶的AlTiN层。
4.根据权利要求2所述的涂层刀具,其中,所述涂层具有作为所述立方晶的结晶含有AlTiN结晶的AlTiN层。
5.根据权利要求1或2所述的涂层刀具,其中,所述涂层具有作为所述立方晶的结晶含有AlCrN结晶的AlCrN层。
6.根据权利要求3或4所述的涂层刀具,其中,所述涂层具有作为所述立方晶的结晶含有AlCrN结晶的AlCrN层。
7.根据权利要求6所述的涂层刀具,其中,所述涂层具有多个所述AlTiN层和多个所述AlCrN层。
8.根据权利要求1~4、7中任一项所述的涂层刀具,其中,所述基体含有碳化钨和钴。
9.根据权利要求5所述的涂层刀具,其中,所述基体含有碳化钨和钴。
10.根据权利要求6所述的涂层刀具,其中,所述基体含有碳化钨和钴。
11.一种切削刀具,其具备:
从第一端向第二端延伸,在所述第一端侧具有卡槽的刀柄;
位于所述卡槽的权利要求1~10中任一项所述的涂层刀具。
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