CN113631305B

CN113631305B - 涂层刀具以及具备该涂层刀具的切削刀具

Info

Publication number: CN113631305B
Application number: CN202080024377.4A
Authority: CN
Inventors: 山崎刚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: EP3950189A4; US20220176462A1; WO2020196631A1; JPWO2020196631A1; CN113631305A; JP7195410B2; EP3950189A1

Abstract

本公开的涂层刀具具备基体、以及位于该基体上的涂层。该涂层含有由选自周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y以及Mn中的至少一种元素、以及选自C、N以及O中的至少一种元素构成的立方晶结晶。在所述立方晶结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布(111)中，最大峰值存在于50°以上的区域中。在将所述最大峰值的强度设为Imax时，所述最大峰值的0.8Imax的峰值宽度为20°以上，90°的强度为0.78Imax以上。本公开的切削刀具具备刀柄，其从第一端朝向第二端延伸，且在所述第一端侧具有刀槽；以及上述记载的涂层刀具，其位于所述刀槽。

Description

涂层刀具以及具备该涂层刀具的切削刀具

技术领域

本公开涉及在切削加工中使用的涂层刀具以及具备该涂层刀具的切削刀具。

背景技术

作为在车削加工以及铣削加工这样的切削加工中使用的涂层刀具，已知例如专利文献1所记载的在基材的表面涂层有覆膜的切削刀具用涂层构件。在专利文献1所记载的涂层刀具中，涂层刀具基体的硬质膜由立方晶的金属化合物构成。并且，记载了通过使该金属化合物的(111)面以及(200)面相对于基体的表面分别以规定的角度倾斜来提高涂层刀具的耐磨损性的内容。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2011/016488

发明内容

附图说明

图1是示出本公开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剖面的剖视图。

图3的(a)是图2所示的区域B1的放大图。图3的(b)是图2所示的区域B1的另一方案的放大图。

图4是本公开的涂层刀具的涂层中的立方晶的结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布的一例。

图5是比较例的涂层刀具的涂层中的立方晶的结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布的一例。

图6是比较例的涂层刀具的涂层中的立方晶的结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布的一例。

图7是本公开的涂层刀具的涂层中的立方晶结晶关于(200)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布的一例。

图8是示出本公开的切削刀具的一例的平面图。

具体实施方式

＜涂层刀具＞

以下，使用附图对本公开的涂层刀具详细地进行说明。但是，为了便于说明，以下参照的各图仅简化示出了说明实施方式所需的主要构件。因此，本公开的涂层刀具能够具备所参照的各图中未示出的任意的结构构件。另外，各图中的构件的尺寸并不如实地表示实际的结构构件的尺寸及各构件的尺寸比率等。上述情况在后述的切削刀具中也是同样的。

本公开的涂层刀具1是四边板形状，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相交的棱线的至少一部分的切削刃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)。

在本公开的涂层刀具1中，可以是第一面3的外周整体成为切削刃7，但涂层刀具1并不限定于这样的结构。例如，也可以是仅四边形的第一面3中的一边成为切削刃7、或局部地具有切削刃7。

第一面3至少在一部分具有前刀面区域3a，可以是第一面3中的沿着切削刃7的区域成为前刀面区域3a。第二面5至少在一部分具有后刀面区域5a，可以是第二面5中的沿着切削刃7的区域成为后刀面区域5a。根据这样的结构，也可以换言为切削刃7位于前刀面区域3a与后刀面区域5a相交的部分。

在图1中，使用单点划线表示第一面3中的前刀面区域3a与除该前刀面区域3a以外的区域的边界。另外，使用单点划线表示第二面5中的后刀面区域5a与除该后刀面区域5a以外的区域的边界。在图1中，示出了第一面3与第二面5相交的棱线全部为切削刃7的例子，因此在第一面3中，表示上述边界的单点划线呈环状。

涂层刀具1的大小没有特别限定，例如，第一面3的一边的长度可以为3～20mm。另外，从第一面3到位于第一面3的相反侧的第三面8为止的高度可以为5～20mm左右。

如图1以及图2所示，本公开的涂层刀具1具备四边板形状的基体9、以及涂层该基体9的表面的涂层11。涂层11可以涂层基体9的表面整体，或者也可以仅涂层一部分。在涂层11仅涂层基体9的一部分时，也可以换言为涂层11位于基体9上的至少一部分上。

涂层11的厚度可以为例如0.1～10μm左右。需要说明的是，涂层11的厚度可以恒定，也可以根据场所而不同。

如图3的(a)所示，本公开的涂层刀具1在基体9的表面具有涂层11。涂层11含有由选自周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y以及Mn中的至少一种元素、选自C、N以及O中的至少一种元素构成的立方晶结晶。立方晶结晶例如是AlTiN或AlCrN、TiN等。TiAlN结晶是在TiN结晶中固溶有Al的结晶。

这些立方晶结晶具有较高的硬度以及优异的耐磨损性，因此被优选用于涂层刀具1的涂层11。

本公开的涂层刀具1通过对涂层11中的立方晶结晶的取向进行控制来提高涂层刀具1的耐久性。涂层11中所含的立方晶结晶具有(111)面。使用X射线衍射装置对涂层11的立方晶结晶中的(111)面相对于基体9的表面的倾斜角度进行测定，从而能够对立方晶结晶的取向性进行评价。

如图4所示，能够使用正极点图的X射线强度分布(111)来对立方晶结晶中的(111)面的取向性进行评价。

例如，在立方晶结晶的(111)面的正极点图的α轴上的0～90°的范围内的X射线强度分布中，当峰值位于50°的位置时，(111)面相对于基体9的表面倾斜50°的立方晶结晶的数量较多。

如图4所示，在本公开的涂层刀具1中的涂层11中，对于立方晶结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的0°～90°的范围内的X射线强度分布(111)，最大峰值存在于50°以上的区域中。在将该最大峰值的强度设为Imax时，最大峰值的0.8Imax的峰值宽度为20°以上。

换言之，X射线强度分布(111)中的最大峰值存在于高角度侧，且0.8Imax以上的强度存在于20°以上的宽范围内。

另外，本公开的涂层刀具1的90°的强度为0.78Imax以上。本公开的涂层刀具1在90°也具有较高的强度。

由于具有这样的结构，本公开的涂层刀具1的耐久性优异。

对于涂膜11，0.8Imax(111)以上的峰值也可以存在于25°以上的范围内。若具有这样的结构，则涂层刀具的耐久性优异。

另外，在本公开的涂层刀具1中，对于X射线强度分布(111)，最大峰值的0.9Imax的峰值宽度为15°以上。若具有这样的结构，则具有较高X射线强度的区域广泛地存在于高角度侧，因此涂层刀具1的耐久性优异。

另外，在本公开的涂层刀具1中，对于X射线强度分布(111)，90°的峰值强度可以为0.9Imax以上。若具有这样的结构，则即使在90°这样的高角度下，立方晶结晶的(111)面的取向性也较高，因此涂层刀具1的耐久性优异。

另外，在本公开的涂层刀具1中，对于X射线强度分布(111)，15°以下的区域中的峰值强度可以小于0.6Imax。若具有这样的结构，则低角度侧的(111)面的取向性变低，高角度侧的(111)面的取向强度相对较高，因此涂层刀具1的耐久性优异。

另外，如图7所示，对于涂层11，立方晶结晶的关于(200)面的正极点图的α轴上的0～90°的范围内的X射线强度分布可以具有第一峰值、以及位于比该第一峰值高角度的位置的第二峰值，并且可以在第一峰值与第二峰值之间具有X射线强度比第一峰值以及第二峰值的X射线强度低的谷部。

这样，若立方晶结晶的关于(200)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布在0°～90°之间具有第一峰值以及第二峰值，则成为耐久性优异的涂层刀具1。

另外，如图7所示，对于涂层11，立方晶结晶的关于(200)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布可以在15°～30°之间具有第一峰值，且在60°～75°之间具有第二峰值。在具有这样的结构的情况下，涂层11的硬度、剥离载荷增大。

能够利用例如硬度或、通过刮擦试验测定的剥离载荷来对涂层刀具1的特性进行评价。涂层刀具1的耐久性受硬度和剥离载荷的影响。即使仅任一方较高，涂层刀具1也不会成为具有高耐久性的涂层刀具。本公开的涂层刀具1的硬度与剥离载荷的平衡良好，耐久性优异。

涂层11可以具备含有AlTiN结晶作为立方晶结晶的AlTiN层13。在AlTiN层13中，铝的含有比率可以比钛的含有比率高。或者，在AlTiN层13中，钛的含有比率也可以比铝的含有比率高。或者，在AlTiN层13中，也可以除了铝以及钛还含有铬。但是，与铬成分相比，铝以及钛各自的含有比率的合计较高。AlTiN层13中的铬的含有比率可以为例如0.1～20％。需要说明的是，上述的“含有比率”是指原子比下的含有比率。

另外，涂层11也可以具有含有AlCrN结晶作为立方晶结晶的AlCrN层。

另外，如图3的(b)所示，本公开的涂层刀具1可以除了AlTiN层13以外还具有含有AlCrN结晶的AlCrN层15。另外，AlTiN层13以及AlCrN层15分别可以层叠有多层。对于层叠的顺序，可以相互层叠多个AlTiN层13和AlCrN层15，也可以将顺序颠倒。

AlCrN层15可以仅由铝以及铬构成，但也可以除了铝以及铬以外还含有Si、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Ti以及W等金属成分。但是，在AlCrN层15中，与上述的金属成分相比，铝以及铬各自的含有比率的合计较高。铝的含有比率可以为例如20～60％。另外，铬的含有比率可以为例如40～80％。

在涂层刀具1具有多个AlCrN层15的情况下，在各AlCrN层15中，铝的含有比率可以比铬的含有比率高，或者，在多个AlCrN层15各自中，铬的含有比率可以比铝的含有比率高。

另外，AlCrN层15可以仅由含有铝以及铬的金属成分构成，但铝以及铬可以是单独含有铝以及铬或含有铝以及铬这两者的氮化物、碳化物或碳氮化物。

例如能够通过能量分散型X射线分光分析法(EDS)或X射线光电子分光分析法(XPS)等对AlTiN层13以及AlCrN层15的组成进行测定。

AlTiN层13以及AlCrN层15的层叠数并不限定于特定的值。AlTiN层13以及AlCrN层15的数量例如可以为2～500。

涂层11若具有AlTiN层13则耐崩损性变高。另外，涂层11若具有AlCrN层15则耐磨损性变高。涂层11若采用多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15交替地配置的结构则涂层11整体的强度变高。

需要说明的是，与多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15各自的厚度较厚且多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15的数量较少的情况相比，在多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15各自的厚度较薄且多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15的数量较多的情况下，涂层11整体的强度较高。

AlTiN层13以及AlCrN层15的厚度并不限定于特定的值，例如能够分别设定为5nm～100nm。需要说明的是，多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15的厚度可以恒定，也可以互不相同。

需要说明的是，本公开的涂层刀具1是图1所示那样的四边板形状，但涂层刀具1的形状并不限定于这样的形状。例如，第一面3以及第三面8不是四边形而是三角形、六边形或圆形等也没有任何问题。

如图1所示，本公开的涂层刀具1例如可以具有贯通孔17。贯通孔17从第一面3形成至位于第一面3的相反侧的第三面8，并在这些面开口。贯通孔17能够在将涂层刀具1保持于刀柄时用于安装螺钉或夹紧构件等。需要说明的是，贯通孔17即使是在第二面5中的彼此位于相反侧的区域内开口的结构也没有任何问题。

作为基体9的材质，例如可以列举出硬质合金、金属陶瓷以及陶瓷等无机材料。作为硬质合金的组成，例如可以列举出WC(碳化钨)-Co、WC-TiC(碳化钛)-Co以及WC-TiC-TaC(碳化钽)-Co等。在此，WC、TiC以及TaC是硬质粒子，Co是粘结相。另外，金属陶瓷是向陶瓷成分中复合金属而成的烧结复合材料。具体而言，作为金属陶瓷，可以列举出以TiC或TiN(氮化钛)为主要成分的化合物等。需要说明的是，作为基体9的材质，并不限定于此。

可以通过使用例如物理蒸镀(PVD)法等而使涂层11位于基体9上。例如，在将基体9保持于贯通孔17的内周面的状态下利用上述蒸镀法来形成涂层11的情况下，能够将涂层11配置成涂层除了贯通孔17的内周面以外的基体9的表面整体。

作为物理蒸镀法，例如可以列举出离子镀法以及溅射法等作为一例，在用离子镀法进行制作的情况下，能够通过下述的方法来制作涂层11。

作为第一步骤，准备含有选自元素周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y以及Mn中的至少一种元素的金属靶、复合化而成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靶蒸发而离子化。使离子化了的靶与氮源的氮气(N₂)、碳源的甲烷(CH₄)气体或乙炔(C₂H₂)气体等反应并蒸镀在基体9的表面上。通过以上的步骤，能够形成例如AlTiN层或AlCrN层等立方晶的涂层11。涂层11可以是单层，也可以是层叠膜。

在交替层叠的情况下，作为第二步骤，准备含有选自周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y以及Mn中的至少一种元素的金属靶、复合化而成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靶蒸发而离子化。使离子化了的靶与氮源的氮气(N₂)、碳源的甲烷(CH₄)气体或乙炔(C₂H₂)气体等反应并蒸镀在基体9的表面上。通过以上的步骤，能够形成例如层叠AlTiN层13和AlCrN层15而成的涂层11。

通过交替地重复上述的第一步骤以及第二步骤，能够形成交替地层叠有多个AlTiN层13以及多个AlCrN层15的结构的涂层11。需要说明的是，也可以首先进行第二步骤，然后再进行第一步骤。另外，也可以仅设置单层。

为了得到本公开的涂层刀具1，可以在上述的第一以及第二步骤中，将基体的温度设为300～600℃，将压力设为2.0～6.0Pa，向基体施加-55V～-95V的直流偏置电压，并将电弧放电电流设为120～180A。

若使成膜条件中的直流偏置电压发生变化，则能够使0.8Imax的峰值宽度、0.9Imax的峰值宽度、90°的强度发生变化。

直流偏置电压可以为60V以上且90V以下。另外，直流偏置电压也可以为65V以上且85V以下。若采用这样的成膜条件，则0.8Imax的峰值宽度、0.9Imax的峰值宽度较宽，并且90°的强度较高。

＜切削刀具＞

接下来，使用附图对本公开的切削刀具进行说明。

如图8所示，本公开的切削刀具101例如是从第一端(图8中的上端)朝向第二端(图8中的下端)延伸的棒状体。如图8所示，切削刀具101具备在第一端侧(前端侧)具有刀槽103的刀柄105、以及位于刀槽103的上述涂层刀具1。切削刀具101因为具备涂层刀具1而能够长期进行稳定的切削加工。

刀槽103是供涂层刀具1装配的部分，其具有相对于刀柄105的下表面平行的坐落面、以及相对于坐落面倾斜的限制侧面。另外，刀槽103在刀柄105的第一端侧开口。

涂层刀具1位于刀槽103。此时，涂层刀具1的下表面可以直接与刀槽103相接，或者也可以在涂层刀具1与刀槽103之间夹入片材(未图示)。

涂层刀具1以使第一面3与第二面5相交的棱线处的被用作切削刃7的部分的至少一部分从刀柄105向外方突出的方式装配于刀柄105。在本实施方式中，涂层刀具1通过固定螺钉107装配于刀柄105。即，将固定螺钉107插入涂层刀具1的贯通孔17，将该固定螺钉107的前端插入形成于刀槽103的螺纹孔(未图示)并使螺纹部彼此螺合，从而将涂层刀具1装配于刀柄105。

作为刀柄105的材质，能够使用钢、铸铁等。在这些构件中可以使用韧性较高的钢。

在本实施方式中，例示了在所谓的车削加工中使用的切削刀具。作为车削加工，例如可以列举出内径加工、外径加工及开槽加工。需要说明的是，作为切削刀具，并不限定于在车削加工中使用的切削刀具。例如，也可以将上述的实施方式的涂层刀具1用于在铣削加工中使用的切削刀具。

【实施例】

在WC-Co系的硬质合金的表面交替地层叠厚度约15nm的AlTiN层和厚度约15nm的AlCrN层，从而形成约5μm的厚度的涂膜。在涂膜形成时，基体的温度为550℃，压力为4.0Pa。向基体施加-35V、-55V、-115V的直流偏置电压，电弧放电电流在AlTiN层的成膜时为160A，在AlCrN层的成膜时为140A。需要说明的是，-35V、-115V的直流偏置电流的例子为比较例。

在图4中示出将直流偏置电压设为-55V而得到的样品No.1的涂膜的立方晶结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布。在图5中示出将直流偏置电压设为-35V而得带的样品No.2的涂膜的立方晶结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布。在图6中示出将直流偏置电压设为-115V而得到的样品No.3的涂膜的立方晶结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布。另外，在图7中示出将直流偏置电压设为-55V而得到的样品No.1的涂膜的立方晶结晶的关于(200)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布。

X射线强度分布的测定条件如下所示。需要说明的是，在样品面法线位于由入射线和衍射线决定的平面上时，将α角设为90°。在α角为90°时，在正极点图上成为中心的点。

(1)平板准直器

(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：采用在AlTiN结晶的(111)面的衍射角度为36.0°至38.0°之间衍射强度最高的角度。采用在AlTiN结晶的(200)面的衍射角度为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°步级

(6)目标：CuKα、电压：45kV、电流：40mA

另外，对于剥离载荷，利用刮擦试验机将载荷范围设为0～100N，对产生了剥离的载荷进行测定。

【表1】

在表1中示出样品No.1～3的涂膜的立方晶结晶的(111)面的最大峰值的角度、0.8Imax的峰值宽度、0.9Imax的峰值宽度、90°的强度。

本公开的涂层刀具即样品No.1的剥离载荷较大，硬度也优异。

附图标记说明

1···涂层刀具

3···第一面、前刀面

5···第二面、后刀面

7···切削刃

9···基体

11···涂层

13···AlTiN层

15···AlCrN层

17···贯通孔

101···切削刀具

103···刀槽

105···刀柄

107···固定螺钉。

Claims

1.一种涂层刀具，其中，

所述涂层刀具具备：

基体；以及

涂层，其位于所述基体上，

所述涂层含有由选自周期表4、5、6族元素、Al、Si、B、Y以及Mn中的至少一种元素、以及选自C、N以及O中的至少一种元素构成的立方晶结晶，

在所述立方晶结晶的关于(111)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布中，

最大峰值存在于50°以上的区域中，

在将所述最大峰值的强度设为Imax时，所述最大峰值的0.8Imax的峰值宽度为20°以上，

90°的强度为0.9Imax以上。

2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，

在所述X射线强度分布中，所述最大峰值的0.9Imax的峰值宽度为15°以上。

3.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，

在所述X射线强度分布中，15°以下的强度小于0.6Imax。

4.一种涂层刀具，其中，

所述涂层刀具具备：

基体；以及

涂层，其位于所述基体上，

最大峰值存在于50°以上的区域中，

90°的强度为0.78Imax以上，

对于所述涂层，所述立方晶结晶的关于(200)面的正极点图的α轴上的X射线强度分布具有：

第一峰值；

第二峰值，其位于比所述第一峰值高角度的位置；以及

谷部，其位于所述第一峰值与所述第二峰值之间，且强度比所述第一峰值以及所述第二峰值低。

5.根据权利要求4所述的涂层刀具，其中，

对于所述涂层，所述第一峰值位于15°～30°之间，所述第二峰值位于60°～75°之间。

6.一种涂层刀具，其中，

所述涂层刀具具备：

基体；以及

涂层，其位于所述基体上，

最大峰值存在于50°以上的区域中，

90°的强度为0.78Imax以上，

所述涂层具有作为所述立方晶结晶而含有AlTiN结晶的AlTiN层。

7.一种涂层刀具，其中，

所述涂层刀具具备：

基体；以及

涂层，其位于所述基体上，

最大峰值存在于50°以上的区域中，

90°的强度为0.78Imax以上，

所述涂层具有作为所述立方晶结晶而含有AlCrN结晶的AlCrN层。

8.根据权利要求7所述的涂层刀具，其中，

所述涂层具有作为所述立方晶结晶而含有AlTiN结晶的AlTiN层，

所述涂层具有多个所述AlTiN层以及多个所述AlCrN层，所述AlTiN层和所述AlCrN层交替地配置。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的涂层刀具，其中，

所述基体含有碳化钨以及钴。

10.一种切削刀具，其中，

所述切削刀具具备：

刀柄，其从第一端朝向第二端延伸，且在所述第一端侧具有刀槽；以及

权利要求1～9中任一项所述的涂层刀具，其位于所述刀槽。