CN114531856A - 包覆切削工具 - Google Patents

Abstract

一种包覆切削工具，其在基材的表面上具有A层以及设置在所述A层之上的B层，所述A层由氮化物或碳氮化物构成且具有面心立方晶格结构，该氮化物或碳氮化物以50原子％以上含有Al、以20原子％以上含有Cr、以合计85原子％以上含有Al和Cr、以4原子％以上且15原子％以下含有Si。B层由氮化物或碳氮化物构成且具有面心立方晶格结构，该氮化物或碳氮化物以金属(含半金属)元素的总量计以70原子％以上且90原子％以下含有Ti、以5原子％以上且20原子％以下含有Si、以1原子％以上且10原子％以下含有Nb或Cr。

Description

包覆切削工具

技术领域

本发明涉及立铣刀等包覆切削工具。

本申请基于2019年11月27日在日本申请的专利申请2019-214083号以及专利申请2019-213826号主张优先权，在此援用这些内容。

背景技术

AlCrSi的氮化物或碳氮化物是耐热性和耐磨损性优异的膜种，应用于包覆切削工具。本申请申请人在专利文献1～3中，提出了提高Si的含有比率而使皮膜组织微细化的AlCrSi的氮化物或碳氮化物。在专利文献1～3所公开的包覆切削工具中，在上层设置了TiSi的氮化物或碳氮化物的包覆切削工具的耐磨损性非常优异，在高硬度钢的切削加工中具有优异的耐久性。

专利文献1：国际公开第2015/141743号

专利文献2：国际公开第2014/156699号

专利文献3：日本专利公开2016-078131号公报

本发明人确认了在Si含有比率高而使皮膜组织微细化的AlCrSi的氮化物或碳氮化物之上设置了TiSi的氮化物或碳氮化物的包覆切削工具，在高硬度钢的切削加工中具有示出与cBN工具相比同等以上的耐磨损性的倾向。但是，本发明者确认了应用于工具直径小于1mm、进而工具直径小于0.5mm的小直径工具时，耐久性有改善的余地。

发明内容

本发明的一个方式是一种包覆切削工具，其在基材的表面上具有A层及设置在所述A层之上的B层，所述A层由氮化物或碳氮化物构成且具有面心立方晶格结构，该氮化物或碳氮化物以金属(含半金属)元素的总量计铝(Al)的含有比率为50原子％以上、铬(Cr)的含有比率为20原子％以上、铝(Al)和铬(Cr)的合计的含有比率为85原子％以上、硅(Si)的含有比率为4原子％以上且15原子％以下，

所述B层由氮化物或碳氮化物构成且具有面心立方晶格结构，该氮化物或碳氮化物以金属(含半金属)元素的总量计钛(Ti)的含有比率为70原子％以上且90原子％以下、硅(Si)的含有比率为5原子％以上且20原子％以下、铌(Nb)或铬(Cr)的含有比率为1原子％以上且10原子％以下，

优选地，A层的膜厚大于1.0μm，B层的膜厚大于0.5μm。

根据本发明的一个方式，提供了一种耐久性优异的包覆切削工具。

在上述方式中，能够改善包覆切削工具的耐久性。因此，例如即使在高硬度的预硬钢加工中，也期待着模具制作的交付时间(lead time)缩短、模具的高精度化、由于调质而造成的尺寸变化的降低效果，在产业上极为有效。

具体实施方式

本发明人发现，对于以使皮膜组织微细化的AlCrSi的氮化物或碳氮化物作为基础的包覆切削工具，通过在设置于上层的TiSi的氮化物或碳氮化物中添加微量的Nb或Cr，从而进一步提高耐久性，由此完成了本发明。下面，对本发明的详细情况进行说明。

本发明的实施方式所涉及的包覆切削工具具有：基材、配置在基材的表面上的A层、以及设置在A层之上的B层。在本实施方式的包覆切削工具中，还可以根据需要赋予配置在基材与硬质皮膜之间的中间皮膜、配置在A层和B层之间的中间皮膜、配置在B层的上层的保护皮膜等其他膜。

A层由以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物构成。以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物是具有优异的耐磨损性和耐热性的膜种，通过应用于包覆切削工具，从而能够提高工具的耐久性。A层的构成材料更优选为耐热性比碳氮化物更优异的氮化物。

Al是对硬质皮膜赋予耐热性的元素。为了对硬质皮膜赋予更优异的耐热性，A层中，以金属(含半金属，以下同样)元素的含有比率(原子％，以下同样)计将Al设为50％以上。进而，优选地，将A层的Al的含有比率设为55％以上。另一方面，如果A层的Al的含有比率过大，则密排六方结构(hcp结构，以下同样)成为主体，包覆切削工具的耐久性趋于降低。因此，优选地，将A层的Al的含有比率设为70％以上。

Cr是将A层的晶体结构设为面心立方晶格结构(fcc结构，以下同样)，提高作为包覆切削工具的耐磨损性和耐热性的元素。如果A层的Cr的含有比率过少，则耐磨损性和耐热性就会下降，并且hcp结构成为主体，包覆切削工具的耐久性趋于降低。因此，A层的Cr的含有比率设为20％以上。进而，优选地，A层的Cr的含有比率设为30％以上。另一方面，如果A层的Cr的含有比率过大，则耐热性趋于降低。因此，优选地，将A层的Cr的含有比率设为45％以下。

为了使A层在高水平上兼顾耐热性和耐磨损性，将Al和Cr的合计的含有比率设为85％以上。进而，优选地，将A层的Al和Cr的合计的含有比率设为90％以上。A层的Al和Cr的合计的含有比率优选为96％以下，更优选为95％以下。

Si是用于使以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物的组织微细化的重要元素。不含Si的AlCrN以及Si含有比率小的AlCrSiN的柱状粒子粗大。这样的组织形态的硬质皮膜中，由于作为皮膜破坏的起点的晶界变多，因此包覆切削工具的后刀面磨损趋于增大。另一方面，含有一定量的Si的AlCrSiN的组织变得微细化，例如在利用电子显微镜的截面观察(20000倍)中难以观察到明确的柱状粒子。这样的组织形态的硬质皮膜，作为破坏的起点的柱状晶界变少，能够抑制包覆切削工具的后刀面磨损。但是，如果A层的Si的含有比率变大，则非晶质和hcp结构容易成为主体，包覆切削工具的耐久性下降。为了不降低包覆切削工具的耐久性并使皮膜组织充分微细化，重要的是将A层的Si的含有比率设为4％以上且15％以下。A层的Si的含有比率优选为5％以上。A层的Si的含有比率优选为10％以下。

A层还可以含有除Al、Cr和Si以外的其他金属元素。例如，A层能够含有选择元素周期表第4a族、5a族、6a族的元素和B、Cu、Y、Yb中的一种或两种以上的元素。这些元素是为了改善硬质皮膜的特性而添加在AlTiN系和AlCrN系的硬质皮膜中的元素，如果含有比率没有过多，则不会显著降低包覆切削工具的耐久性。

但是，如果A层含有较多除Al、Cr和Si以外的金属元素，则有可能损害以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物的基本特性，从而会导致包覆切削工具的耐久性下降。因此，即使A层含有除Al、Cr和Si以外的金属元素的情况下，也优选将它们的合计的含有比率设为10％以下。进而，即使A层含有除Al、Cr和Si以外的金属元素的情况下，也优选将它们的合计的含有比率设为5％以下。

本实施方式的包覆切削工具也可以在基材与A层之间设置金属、氮化物、碳氮化物、碳化物等的中间皮膜。通过设置中间皮膜，会进一步改善基材与硬质皮膜之间的密合性。另外，也可以对基材的表面进行金属轰击处理，形成纳米级的改性相。中间皮膜可以是单层，也可以是多层。也可以在金属轰击处理之后设置中间皮膜。

重要的是本实施方式中的A层为fcc结构。在本实施方式中，fcc结构为，在从X射线衍射图案或透射型电子显微镜的限制视场衍射图案中求出的强度分布中，由fcc结构引起的峰值强度显示最大强度。由于由hcp结构引起的衍射强度显示最大强度的硬质皮膜脆弱，因此作为包覆切削工具缺乏耐久性。特别是在湿法加工中，耐久性趋于降低。优选地，A层在X射线衍射图案中不具有由hcp结构引起的衍射强度。优选地，A层通过具有即使在fcc结构中(200)面或(111)面的峰值强度也为最大的皮膜组织，从而倾向于示出优异的耐久性。

关于A层，若Si的含有比率提高，可以在微观组织中存在hcp结构的AlN。为了将存在于硬质皮膜的微观组织中的hcp结构的AlN量进行定量化，当观察硬质皮膜的加工截面时，能够使用从透射型电子显微镜的限制视场衍射图案中求出的强度分布。具体而言，在透射型电子显微镜的限制视场衍射图案的强度分布中，评价Ih×100/Is的关系。

Ih＝由hcp结构的AlN的(010)面引起的峰值强度

Is＝由fcc结构的、AlN的(111)面、CrN的(111)面、AlN的(200)面、CrN的(200)面、AlN的(220)面和CrN的(220)面引起的峰值强度与由hcp结构的、AlN的(010)面、AlN的(011)面和AlN的(110)面引起的峰值强度的合计

通过评价上述的关系，在通过X射线衍射未确认到由hcp结构的AlN引起的峰值强度的硬质皮膜中，能够定量地评价在微观水平中包含的hcp结构的AlN。

在A层中，优选使微观组织中存在的hcp结构的AIN更少，满足Ih×100/Is≤25的关系。通过满足Ih×100/Is≤25的关系，从而包覆切削工具的耐久性更加优异。进而，优选地，A层满足Ih×100/Is≤20的关系。

接着，对B层进行说明。

B层是配置在A层之上的硬质皮膜。B层以耐磨损性和耐热性优异的膜种TiSi的氮化物或碳氮化物为基础。B层中还添加了微量的Nb或Cr。本发明者为了进一步提高TiSiN的耐磨损性，研究了添加第三元素。并且，确认了如下内容：对抑制了Si含有比率的TiSiN，通过添加微量的Nb或Cr使得硬度提高，从而包覆切削工具的耐磨损性提高。虽然耐磨损性提高的机制的详细情况不明，但可以推测是因为，通过Nb或Cr置换TiN的Ti的一部分，鉴于Ti与Nb或Cr的原子半径差而在晶格上产生扭曲，从而发生了硬化。

如果B层的Ti的含有比率过少或过多，则硬质皮膜的耐磨损性和耐热性会下降。因此，关于B层，以金属(含半金属)元素的总量计Ti(钛)的含有比率设为60％以上且90％以下。

如果B层的Si的含有比率过少，则皮膜组织的微细化不充分，从而硬质皮膜的耐磨损性下降。另外，如果B层的Si的含有比率过多，则由于皮膜组织变得过于微细而接近非晶质，因此硬质皮膜的耐磨损性下降。因此，关于B层，以金属(含半金属)元素的总量计Si(硅)的含有比率设为5％以上且20％以下。

如果B层的Nb或Cr的含有比率过少，则硬质皮膜的耐磨损性的改善效果不充分。另一方面，如果B层的Nb或Cr的含有比率过多，则脆弱的Nb或Cr的浓化相大量析出，硬质皮膜的耐磨损性下降。因此，关于B层，以金属(含半金属)元素的总量计Nb(铌)或Cr(铬)的含有比率设为1％以上且10％以下。进而，B层的Nb或Cr的含有比率优选为2％以上。B层的Nb或Cr的含有比率优选为8％以下。B层的Nb或Cr的含有比率更优选为6％以下。

重要的是本实施方式中的B层为fcc结构。在本实施方式中，fcc结构为，在从X射线衍射图案或透射型电子显微镜的限制视场衍射图案中求出的强度分布中，由fcc结构引起的峰值强度显示最大强度。由于由hcp结构引起的衍射强度显示最大强度的硬质皮膜脆弱，因此作为包覆切削工具缺乏耐久性。特别是在湿法加工中，耐久性趋于降低。优选地，B层在X射线衍射图案中不具有由hcp结构引起的衍射强度。优选地，B层通过具有即使在fcc结构中(200)面的峰值强度也为最大的皮膜组织，从而倾向于示出优异的耐久性。

关于B层，优选构成B层的硬质皮膜的平均晶体粒径为5nm以上且50nm以下。如果硬质皮膜的微观组织变得过于微细，则硬质皮膜的组织接近非晶质，因此硬质皮膜的韧性和硬度下降。为了提高硬质皮膜的结晶性并降低脆弱的非晶质相，将硬质皮膜的平均晶体粒径设为5nm以上。另外，如果硬质皮膜的微观组织变得过于粗大，则硬质皮膜的硬度降低，包覆切削工具的耐久性趋于降低。为了对硬质皮膜赋予高硬度而提高包覆切削工具的耐久性，将硬质皮膜的平均晶体粒径设为50nm以下。进而，硬质皮膜的平均晶体粒径优选为30nm以下。

关于硬质皮膜的平均晶体粒径，能够根据X射线衍射的半值宽度测量。

B层可以设置在A层的正上方。为了进一步提高密合性，可以在A层与B层之间设置含有A层和B层的组成的层叠皮膜。另外，也可以在A层与B层之间设置除了A层和B层的组成以外的硬质皮膜。可以在B层之上设置其他硬质皮膜。

本发明的实施方式所涉及的包覆切削工具特别通过应用于工具直径为2mm以下的小直径立铣刀，从而更有效地发挥提高耐久性的效果，从这点出发是优选的。进而，优选将本实施方式的包覆切削工具的结构应用于工具直径为1mm以下的小直径立铣刀。

在本发明的实施方式所涉及的包覆切削工具中，优选A层是比B层厚的膜。通过将设置在基材侧的A设为比B层厚的膜，从而包覆切削工具的耐久性提高。另外，优选地，A层的膜厚大于1.0μm，B层的膜厚大于0.5μm。

对于A层和B层中的任一层，如果膜厚过大，则容易发生剥离，包覆切削工具的耐久性下降。A层和B层的膜厚的上限根据包括中间层和表面层的硬质皮膜的结构而不同。如果举一个例子，优选地，A层的膜厚的上限为小于4μm，B层的膜厚的上限为小于3.5μm，A层和B层的合计膜厚的上限设为5μm以下。

实施例

(实施例1)

<成膜装置>

硬质皮膜的成膜使用了电弧离子镀方式的成膜装置。本装置包括多个阴极(电弧蒸发源)、真空容器及基材旋转机构。

本装置具备3台阴极C1、C2、C3。C1是在靶外周配备了线圈磁铁的阴极。C2和C3是在靶背面和外周配备了永久磁铁的阴极。在C2和C3中，靶的垂直方向的磁通量密度在靶中央附近为14mT以上。安装在C2和C3上的靶根据样品改变组成。

真空容器内通过真空泵对内部进行排气。成膜气体从供给端口导入真空容器内。在真空容器内设置的各基材上连接有偏置电源。偏置电源对各基材施加负压的DC偏置电压。

基材旋转机构具有行星架和行星架上的板状夹具、板状夹具上的管状夹具。行星架以每分钟三转的速度旋转。板状夹具、管状夹具分别自转、公转。

<基材>

作为物理评价及切削试验用的基材，准备了由组成为WC(bal.)-Co(8质量％)-Cr(0.5质量)-VC(0.3质量％)、WC平均粒度0.6μm、硬度93.9HRA构成的超硬合金制的双刃球形立铣刀。此外，WC表示碳化钨，Co表示钴，Cr表示铬，VC表示碳化钒。

<加热及真空排气工序>

将各基材分别固定在真空容器内的管状夹具上，如下所示实施成膜前处理。首先，对真空容器内进行真空排气至8×10^-3Pa以下。然后，通过设置在真空容器内的加热器，加热至基材温度达到500℃，进行真空排气。由此，将基材温度设为500℃，将真空容器内的压力设为8×10^-3Pa以下。

<Ar轰击工序>

然后，在真空容器内导入Ar气体，将容器内压设为0.67Pa。之后，向灯丝电极供给35A的电流，对基材施加-200V的负压的偏置电压，实施了4分钟Ar轰击。

<Ti轰击工序>

然后，进行真空排气以使真空容器内的压力变为8×10^-3Pa以下。接着，对基材施加偏置电压，对安装有Ti靶的C1供给150A的电弧电流，从而实施Ti轰击处理。通过Ti轰击处理，在基材的表面上以1nm以上且10nm以下形成含有W和Ti的碳化物。通过Ti轰击处理形成的碳化物的组成为：以金属元素的含有比率计W为60原子％以上且90原子％以下，Ti为10原子％以上且40原子％以下。

<成膜工序>

在Ti轰击后，立即中断向C1的供电。然后，将真空容器内的气体置换成氮，将真空容器内的压力设为5Pa，将基材设定温度设为520℃。向安装有AlCrSi靶的C2供给150A的电力，将施加到基材上的负压的偏置电压设为120V，将阴极电压设为30V并包覆A层。

在包覆A层后，包覆B层。在B层的包覆中，作为C3的靶，根据样品使用TiSiNb靶、TiSiW靶、TiSiTa靶或TiSi靶。向安装有上述靶的C3供给150A的电力，将施加于基材的负压的偏置电压设为50V，将阴极电压设为25V并包覆B层。然后，将基材冷却至约250℃以下，从真空容器中取出。然后，对包覆后的各样品通过喷砂处理对刀尖进行了抛光处理。

关于硬质皮膜的组成，通过波长色散电子探针微量分析(WDS-EPMA)测定。测定条件为：加速电压10kV、样品电流5×10^-8A、捕获时间10秒、分析领域直径1μm、分析深度约1μm并测量5个点，根据其平均值求出。

使用X射线衍射装置(Spectris Co.,Ltd.制造EMPYREAN垂直测距计)确认了晶体结构。测量条件设为：管电压45kV、管电流40mA、X射线源Cukα(λ＝0.15418nm)、X射线入射角3度、发散狭缝1/2°、准直器0.27mm、2θ＝20～70度。

使用所制作的各样品的包覆切削工具进行切削加工，根据切削加工后的母材露出面积评价了包覆切削工具的耐久性。切削条件如下所示。

(条件)

·工具：双刃超硬球形立铣刀

·型号：EPDBEH2003-0.5-TH3球形半径0.15mm

·切削方法：型腔加工(1mm×3mm×深度0.4mm)

·工件：ASP23(64HRC)

·切削深度：轴向0.013mm，径向0.013mm

·切削速度：37.7m/min

·单刃进给量：0.0045mm/刃

·切削油：喷雾(油性)

·加工个数：7型腔

·评价方法：在切削加工后，使用扫描型电子显微镜以600倍的倍率观察母材露出面积，计算出工具的超硬基材露出的面积。使用市售的图像分析软件进行母材露出面积的计算。将评价结果汇总到表1。

【表1】

在任一本发明例和比较例中，A层和B层在XRD衍射中均为fcc结构的单相。另外，关于A层，以与日本专利第6410797号同样的方法评价A层的限制视场衍射图案的强度分布时，A层的Ih×100/Is的值为20以下。另外，B层的fcc(200)面的峰值强度最大，平均晶体粒径为5nm以上且50nm以下。

在含有一定量的Si而使皮膜组织微细化的A层的上层、即B层中添加了微量的Nb的本发明例1～3的母材的露出面积均较小并显示出优异的耐久性。特别是A层和B层的总膜厚较厚的本发明例3的母材露出面积变小，显示出更优异的耐久性。

另一方面，比较例1的B层添加了微量的Nb，但由于Si的含量多，因此与本发明例相比，母材露出面积变大。

比较例2、3中，变为Nb并微量添加了W(钨)和Ta(钽)，但是B层的硬化不充分，与本发明例相比，母材露出面积变大。

在比较例4中，由于B层没有添加微量的Nb，因此与本发明例相比，母材露出面积变大。

在比较例5中，由于A层的Si含有比率较小，因此皮膜组织的柱状粒子较大，即使设置了与本发明例1相同的B层，母材露出面积也变大。

在比较例6中，由于B层的Nb的含有比率较大，因此Nb的浓化相变得粗大，母材露出面积变大。

(实施例2)

在实施例2中，使用与实施例1相同的成膜装置，在基材上形成由A层和B层构成的硬质皮膜，由此制作包覆切削工具。在实施例2中，作为B层，形成了包含Cr的TiSiN系的皮膜。对于实施例2的基材，使用了与实施例1同种的基材。

在实施例2中的硬质皮膜的形成工序中，与实施例1同样，实施加热及真空排气工序、Ar轰击工序、Ti轰击工序后，实施成膜工序。在成膜工序中，作为用于形成B层的靶，使用TiSiCr靶代替实施例1的TiSiNb靶。

关于加热及真空排气工序、Ar轰击工序和Ti轰击工序，与实施例1同样，因此省略说明。

<成膜工序>

在Ti轰击后，立即中断向C1的供电。而且，将真空容器内的气体置换成氮，将真空容器内的压力设为5Pa，将基材设定温度设为520℃。向安装有AlCrSi靶的C2供给150A的电力，将施加于基材的负压的偏置电压设为120V，将阴极电压设为30V并包覆A层。

在包覆A层后，包覆B层。在B层的包覆中，作为C3的靶，根据样品使用TiSiCr靶、TiSiW靶、TiSiTa靶或TiSi靶。向安装有上述靶的C3供给150A的电力，将施加于基材的负压的偏置电压设为50V，将阴极电压设为25V并包覆B层。然后，将基材冷却到约250℃以下，从真空容器中取出。而且，对包覆后的各样品通过喷砂处理对刀尖进行了抛光处理。

【表2】

在实施例2中，任一本发明例和比较例中的A层和B层在XRD衍射中均为fcc结构的单相。另外，关于A层，以与日本专利第6410797号同样的方法评价A层的限制视场衍射图案的强度分布时，A层的Ih×100/Is的值为20以下。另外，B层的fcc(200)面的峰值强度最大，平均晶体粒径为5nm以上且50nm以下。

在含有一定量的Si而使皮膜组织微细化的A层的上层、即B层中添加了微量的Cr的本发明例21～23的母材的露出面积均较小并显示出优异的耐久性。特别是A层和B层的总膜厚较厚的本发明例23的母材露出面积变小，显示出更优异的耐久性。

另一方面，比较例21的B层添加了微量的Cr，但是由于Si的含量多，因此与本发明例相比，母材露出面积变大。

比较例22、23中，变为Cr并微量添加了W(钨)和Ta(钽)，但是B层的硬化不充分，与本发明例相比母材露出面积变大。

在比较例24中，由于B层中没有添加微量的Cr，因此与本发明例相比，母材露出面积变大。

在比较例25中，由于A层的Si含有比率较小，因此皮膜组织的柱状粒子较大，即使设置了与本发明例21相同的B层，母材露出面积也变大。

在比较例26中，由于B层的Cr的含有比率较大，因此Cr的浓化相变得粗大，母材露出面积变大。

Claims (2)

1.一种包覆切削工具，其特征在于，在基材的表面上具有A层及设置在所述A层之上的B层，所述A层由氮化物或碳氮化物构成且具有面心立方晶格结构，该氮化物或碳氮化物以金属元素的总量计铝Al的含有比率为50原子％以上、铬Cr的含有比率为20原子％以上、铝Al和铬Cr的合计的含有比率为85原子％以上、硅Si的含有比率为4原子％以上且15原子％以下，

所述B层由氮化物或碳氮化物构成且具有面心立方晶格结构，该氮化物或碳氮化物以金属元素的总量计钛Ti的含有比率为70原子％以上且90原子％以下、硅Si的含有比率为5原子％以上且20原子％以下、铌Nb或铬Cr的含有比率为1原子％以上且10原子％以下，

所述金属元素包含半金属元素。

2.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其特征在于，所述A层的膜厚大于1.0μm，所述B层的膜厚大于0.5μm。