CN113795345B - 涂层刀具和切削刀具 - 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。涂层从基体侧起具有含有TiCN的第一层、含有Al2O3的第二层、含有TiN和TiCN之中的至少一种的第三层。设第一层中包含的Cl量为第一Cl量，设第二层中包含的Cl量为第二Cl量，设第三层中包含的Cl量为第三Cl量。第一Cl量和第三Cl量大于第二Cl量。第一Cl量大于0.2原子％且在2原子％以下。第三Cl量大于0.2原子％且在2原子％以下。本发明的切削刀具具备：刀柄，其具有从第一端延续到第二端的长度，并在所述第一端侧具有卡槽；位于卡槽的上述记载的涂层刀具。
Description
技术领域
本发明涉及涂层刀具和切削刀具。
背景技术
在专利文献1中记载有通过在切削刀具的表面离子注入卤族元素等，能够得到高速加工时的耐磨耗性高的高速加工用零件。但是，注入了离子的高速加工用零件显示出高耐磨耗性，需要满足150m/分钟以上的加工条件，与此相比为低速时，有耐磨耗性降低的问题。另外，为了实施专利文献1所公开的发明，需要用于对切削刀具的表面进行离子注入的装置和工序，也有切削刀具成本高的问题。另外，在离子注入时，因为离子从涂层的表面侵入内部，所以在涂层的表面侧氯的浓度高，在涂层的基体侧氯的浓度低，因此存在涂层的基体侧难以取得充分效果这样的问题。
在专利文献2中记载有在具有涂层的涂层刀具中，即使不进行离子注入的工序时，来自成膜时的原料气体，在涂层中仍会含有氯。在专利文献2的段落0096中记载有残留氯量与硬质皮膜的膜质相关，残留氯量越少，膜质越好。
在专利文献3中记载有一种切削刀具，其涂层的最表面层的氯量比相对于最表面层而位于基体侧的Ti(Cx1Ny1Oz1)层低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2004/096473号
专利文献2：国际公开第2015/105177号
专利文献3：国际公开第2015/099047号
发明内容
提供一种具有优异的耐崩损性的涂层刀具和切削刀具。
本发明的涂层刀具具备：基体、和位于该基体之上的涂层。所述涂层从所述基体侧起具有：含有TiCN的第一层、含有Al2O3的第二层、含有TiN和TiCN之中的至少一种的第三层。设所述第一层中包含的Cl量为第一Cl量，设所述第二层中包含的Cl量为第二Cl量，设所述第三层中包含的Cl量为第三Cl量。所述第一Cl量和所述第三Cl量，大于所述第二Cl量。所述第一Cl量大于0.2原子％、并在2原子％以下。所述第三Cl量大于0.2原子％、并在2原子％以下。本发明的切削刀具具备：刀柄，所述刀柄具有从第一端延续到第二端的长度，在所述第一端侧具有卡槽；位于所述卡槽的上述记载的涂层刀具。
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是表示本发明的涂层刀具的一例的截面的示意图。
图3是表示本发明的涂层刀具的其他例的截面的示意图。
图4是表示本发明的切削刀具的一例的正视图。
具体实施方式
以下，对于本发明的涂层刀具和切削刀具，使用附图详细说明。但是，以下参照的各图，为了说明方便，只简化显示必要的主要部分。
＜涂层刀具＞
以下，对于本发明的涂层刀具，使用附图详细说明。但是，以下参照的各图，为了便于说明，只简略化显示在说明实施方式上必要的主要构件。因此，本发明的涂层刀具，能够具备所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，没有忠实表现实际的结构构件的尺寸和各构件的尺寸比率等。这些方面在后述的切削刀具中也同样。
本发明的涂层刀具1为四边形板状，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)、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。第一面3是所谓的前刀面。第二面是所谓的后刀面。
在本发明的涂层刀具1中，也可以是第一面3的外周整体成为刃口7，但涂层刀具1不限定于这样的结构。例如，也可以只在四边形的第一面3中的一边上具有刃口7，或部分性地具有刃口7。
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至位于第一面3相反侧的第三面的高度可以为5～20mm左右。
本发明的涂层刀具1，如图2所示，具备基体9、和涂覆在该基体9的表面的涂层11。基体9也可以是硬质合金、金属陶瓷、cBN、陶瓷等。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，可以说涂层11位于基体9之上的至少一部分。
本发明的涂层刀具1的涂层11，如图2所示，位于基体9之上。涂层11从基体9侧起，具有：含有TiCN的第一层11a、含有Al2O3的第二层11b、含有TiN和TiCN之中的至少一种的第三层11c。
还有，在图2中，显示的是第一层11a位于基体9表面的例子，但是，例如，也可以是TiN层(未图示)位于基体9的表面。另外，也可以有其他层位于第一层11a与第二层11b之间。另外，也可以有其他层位于第二层11b与第三层11c之间。
第一层11a和第三层11c均含有Cl。所谓含有Cl，是指在涂层11的截面中，使用WDS(波长色散型X射线分析装置)进行测量时，检测出Cl。
设第一层11a中包含的Cl量(原子％)为第一Cl量，设第二层11b中包含的Cl量(原子％)为第二Cl量，设第三层11c中包含的Cl量(原子％)为第三Cl量。
在本发明的涂层刀具1中，第一Cl量和第三Cl量大于第二Cl量。换言之，第一层11a和第三层11c中包含的Cl量，大于第二层11b中所包含的Cl量。还有，第二层11b的Cl量，也可以在检测临界以下。
另外，第一Cl量大于0.2原子％、并在2原子％以下。第三Cl量大于0.2原子％、并在2原子％以下。
还有，第一层11a、第二层11b、第三层11c可以均为单层，也可以是层叠多层而成的。
第一层11a中的所谓TiCN，含有Ti和C和N，如果含有C和N，则C与N的比率不需要是1比1。
所谓第二层11b，是含有Al2O3的层。Al2O3可以是α－Al2O3或κ－Al2O3。
第三层11c可以含有TiN和TiCN两方。另外，也可以含有TiN和TiCN中的一方。还有，TiCN含有C和N即可，C与N的比率不需要是1比1。
第一层11a的厚度可以为5μm以上且20μm以下。第二层11b的厚度可以是2μm以上且12μm以下。第三层11c的厚度可以是0.5μm以上且3μm以下。
涂层11的厚度，例如，可以是5μm以上且30μm以下。还有，涂层11的厚度可以为一定，也可以根据位置而不同。
图3中显示第三层11c是多层的例子。第三层11c从靠近基体9一侧起，具有第一第三层11c1、和位于第一第三层11c1之上的第二第三层11c2。
作为具体的例子，可列举第一第三层11c1含有TiCN，第二第三层11c2含有TiN的例子。另外，也可以第一第三层11c1含有TiN，第二第三层11c2含有TiCN。
像这样第三层11c由多层构成时，能够任意进行颜色调整，具有在第三层11c的一部分露出时能够容易识别这样的优点。
另外，关于第一层11a，也可以是多层。例如，从靠近基体9这一侧起，可以具有第一第一层(未图示)、和位于第一第一层(未图示)之上的第二第一层。第一第一层可以是MT－TiCN层。第二第一层可以是HT－TiCN层。
另外，第二层11b也可以是多层。例如，可以从靠近基体9这一侧起，具有第一第二层(未图示)、和位于第一第二层之上的第二第二层(未图示)。第一第二层和第二第二层可以含有α－Al2O3。第一第二层和第二第二层也可以含有κ－Al2O3。第一第二层和第二第二层所含有的α－Al2O3的量也可以不同。
各层的Cl量，在涂层11的截面中，例如，使用日本电子制的波长色散型EPMA(JXA－8530F)测量即可。
本发明的涂层刀具1具有上述结构，耐崩损性优异。另外，无论在加工速度低于150m/分钟的低速加工时，还是加工速度为150m/分钟以上的高速加工时，都具有高耐磨耗性。
另外，本发明的涂层刀具1中，第一Cl量也可以是0.7原子％以下。若具有这样的构成，则耐磨耗性与耐崩损性的平衡优异。
另外，本发明的涂层刀具1中，第一Cl量也可以大于0.7原子％。若具有这样的构成，则耐崩损性特别优异。
另外，本发明的涂层刀具1中，第三Cl量也可以在0.7原子％以下。若具有这样的构成，则耐磨耗性与耐崩损性的平衡优异。
另外，本发明的涂层刀具1中，第三Cl量也可以大于0.7原子％。若具有这样的构成，则耐崩损性特别优异。
另外，本发明的涂层刀具1中，第三Cl量也可以在0.9原子％以上。若具有这样的构成，则耐崩损性更优异。
另外，本发明的涂层刀具1中，第三Cl量也可以大于第一Cl量。若具有这样的构成，则耐崩损性优异。
＜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4所示，例如，是从第一端(图4的上端)朝向第二端(图4的下端)延伸的棒状体。
切削刀具101，如图4所示，具备：刀柄105，所述刀柄105具有从第一端(前端)延续至第二端的长度，并具有位于第一端侧的卡槽103；位于卡槽103的上述的涂层刀具1。切削刀具101，因为具备耐崩损性优异的涂层刀具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，和相对于支承面垂直或倾斜的限制侧面。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。这时，涂层刀具1的下表面可以直接接触卡槽103，另外，在涂层刀具1与卡槽103之间也可以夹隔垫片(未图示)。
涂层刀具1以使作为前刀面的第一面3和作为后刀面的第二面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向外方突出的方式被安装在刀柄105上。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的螺栓孔(未图示)内而使螺栓部之间拧紧，由此，涂层刀具1被安装到刀柄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。
＜制造方法＞
以下，对于本发明的涂层刀具的制造方法进行说明。首先，准备规定形状的基体。基体能够使用含有WC的硬质合金、含有TiCN的金属陶瓷、氮化硼或氮化硅等。
其次，在基体的表面，成膜第一层、第二层、第三层。各层使用CVD法成膜即可。
在基体之上成膜第一层时优选的成膜条件如下：使成膜温度为600℃以上且940℃以下，使压力为5kPa以上且25kPa以下，作为混合气体组成，以10体积％以上且20体积％以下的比率含有四氯化钛(TiCl4)气体，以1体积％以上且50体积％以下的比率含有氮(N2)气，以0.1体积％以上且3.0体积％以下的比率含有乙腈(CH3CN)气体，以1.0体积％以上且15.0体积％以下的比率含有氯化氢(HCl)气体，余量为氢(H2)气，流通如上构成的混合气体成膜。在此条件之中，特别是通过控制四氯化钛(TiCl4)气体的量，能够控制第一Cl量。若成膜气体中所含的四氯化钛(TiCl4)气体的比例大，则第一Cl量增加。另外，若成膜温度低，则第一Cl量增加。另外，作为碳源，能够以上述组成的碳含量不改变的方式，将乙腈(CH3CN)气体变为甲烷(CH4)气体，或者流通两者的混合气体。另外，为了控制第一层的组织，也可以成膜两层以上的膜。
接着，描述第二层的成膜条件。作为具体的成膜条件的一例，使成膜温度为700℃以上且1010℃以下，使压力为5kPa以上且10kPa以下，流通如下混合气体成膜：以0.5体积％以上且20.0体积％以下的比率含有三氯化铝(AlCl3)气体，以0.5体积％以上且5.0体积％以下的比率含有氯化氢(HCl)气体，以0.5体积％以上且5.0体积％以下的比率含有二氧化碳(CO2)气体，以0体积％以上且0.5体积％以下的比率含有硫化氢(H2S)气体，余量为氢(H2)气的混合气体。在此条件之中，通过控制三氯化铝(AlCl3)气体量，能够控制第二Cl量。第二Cl量小于第一Cl量和第三Cl量即可，根据第一Cl量和第三Cl量，适宜进行调整即可。
接下来，描述第三层的成膜条件。第三层中含有TiN和TiCN之中的至少一种即可。首先，对于第三层含有TiN的例子进行说明，其次对于第三层中含有TiCN的例子进行说明。
为了成膜含有TiN的第三层，使成膜温度为600℃以上且940℃以下，使压力为8kPa以上且50kPa以下，流通如下混合气体成膜：作为混合气体组成，以10体积％以上且20体积％以下的比率含有四氯化钛(TiCl4)气体，以10体积％以上且50体积％以下的比率含有氮(N2)气，以1.0体积％以上且15.0体积％的比率含有氯化氢(HCl)气体，余量为氢(H2)气的混合气体。此条件之中，通过调整四氯化钛(TiCl4)气体量，能够控制第三Cl量。
为了成膜含有TiCN的第三层，使成膜温度为600℃以上且940℃以下，使压力为5kPa以上且25kPa以下，流通如下混合气体成膜：作为混合气体组成，以10体积％以上且20体积％以下的比率含有四氯化钛(TiCl4)气体，以1体积％以上且50体积％以下的比率含有氮(N2)气体，以0.1体积％以上且6.0体积％以下的比率含有乙腈(CH3CN)气体，以1.0体积％以上且15.0体积％以下的比率含有氯化氢(HCl)气体，余量为氢(H2)气的混合气体。通过控制该条件之中四氯化钛(TiCl4)气体，能够控制第三Cl量。
若如此控制成膜条件，制作含有规定量的氯的涂层，则能够抑制离子注入时出现的涂层内的氯浓度倾斜。
【实施例】
在由CNMG120408PG形状的硬质合金构成的基体的表面，以表1所示的条件，形成表2所示结构的涂层，制作涂层刀具。还有，第一层TiCN膜，使成膜温度为750℃，使压力为9kPa进行制膜。第二层使成膜温度为980℃，使压力为9kPa进行制膜。第三层与TiN、TiCN膜同样，使成膜温度为850℃，使压力为12kPa进行制膜。
【表1】
【表2】
然后，对于制作的涂层刀具的截面进行镜面研磨，使用日本电子制的波长色散型EPMA(JXA－8530F)，测量各层的Cl量。测量值显示在表2中。还有，各试料的第一层、第二层和第三层的厚度相同。具体来说，第一层的厚度为8μm。第二层的厚度为6μm。第三层的厚度为1.5μm。
在基体与第一层之间，设置厚度为1μm的TiN层。使TiN层的成膜温度为750℃，使压力为9kPa，作为混合气体组成，以8体积％的比率含有四氯化钛(TiCl4)气体，以10体积％的比率含有氮(N2)气，余量由氢(H2)气构成，流通这样的混合气体成膜。
在第一层与第二层之间，成膜(Ti,Al)CNO层。(Ti,Al)CNO层，首先，以生成TiCNO的成膜条件进行成膜。作为具体的成膜条件的一例，使成膜温度为850℃，使压力为12kPa，流通如下混合气体成膜：以6体积％的比率含有四氯化钛(TiCl4)气体，以8体积％的比率含有氮(N2)气，以2体积％的比率含有甲烷(CH4)气体或乙腈(CH3CN)气体，以0.6体积％的比率含有一氧化碳(CO)气体，余量为氢(H2)气的混合气体。成膜后，后述的第二层的Al成分扩散，成为(Ti,Al)CNO。
另外，使用得到的涂层刀具，按以下的加工条件进行切削试验。
刀片：CNMG120408PG
钢材：SCM440－4条凹槽
评价条件：Vc300m/min，f3mm/rev，ap1.5mm，wet。
以该涂层刀具的第一面作为前刀面进行切削试验。切削试验是所谓的抗崩刃评价试验。刀片寿命以到刀尖刀头发生崩刃或崩损为止用碰撞数进行判断。
本发明的涂层刀具，耐崩损性优异，寿命长。
本发明的涂层刀具和切削刀具，不受上述方式限定，也可以在不脱离本发明的要旨的范围内，进行各种改良和变更。
符号说明
1…涂层刀具
3…第一面
5…第二面
7…刃口
9…基体
11…涂层
11a…第一层
11b…第二层
11c…第三层
11c1…第一第三层
11c2…第二第三层
101…切削刀具
103…卡槽
105…刀柄
Claims (7)
1.一种涂层刀具，其具备基体、和位于该基体之上的涂层，其中，所述涂层，从所述基体侧起具有：
含有TiCN的第一层、
含有Al2O3的第二层、
含有TiN和TiCN之中的至少一种的第三层，
设所述第一层中包含的Cl量为第一Cl量，设所述第二层中包含的Cl量为第二Cl量，设所述第三层中包含的Cl量为第三Cl量时，
所述第一Cl量和所述第三Cl量大于所述第二Cl量，并且，所述第三Cl量大于所述第一Cl量，
所述第一Cl量大于0.2原子％且在2原子％以下，
所述第三Cl量大于0.2原子％且在2原子％以下。
2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，所述第一Cl量为0.7原子％以下。
3.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，所述第一Cl量大于0.7原子％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的涂层刀具，其中，所述第三Cl量为0.7原子％以下。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的涂层刀具，其中，所述第三Cl量大于0.7原子％。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的涂层刀具，其中，所述第三Cl量为0.9原子％以上。
7.一种切削刀具，其具备：
刀柄，所述刀柄具有从第一端延续到第二端的长度，并在所述第一端侧具有卡槽；
位于所述卡槽的权利要求1～6中任一项所述的涂层刀具。
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