CN115315330A - 涂层刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明的非限定的一例的涂层刀具，具有基体、和位于基体之上的涂层。涂层具有第一涂层，第一涂层具有含有Al2O3粒子的第一层、和位于第一层之上的第二层。第二层从基体侧起，按顺序具有第一膜、与第一膜相接的第二膜、与第二膜相接的第三膜。第一膜、第二膜和第三膜分别含有Ti。第一膜、第二膜和第三膜分别含有从C和N中选择的至少一种。设第一膜中包含的N含量为第一N量，第二膜中包含的N含量为第二N量，第三膜中包含的N含量为第三N量时，满足第一N量＞第三N量＞第二N量的关系。

Description

涂层刀具
【相关申请的交叉引用】
本申请主张2020年3月27日申请的日本专利申请2020－057684号的优先权，将此在先申请的全部公开编入其中供参照。
技术领域
本发明涉及涂层刀具。
背景技术
作为涂层刀具，例如，已知有日本特开2017－221992号公报(专利文献1)所述的表面涂层切削刀具。专利文献1所述的表面涂层切削刀具，在基材之上具有包括内层和外层的涂层。内层作为与外层相接的层而包含氧化铝层。外层包括层叠三层以上而成的多层结构，构成多层结构的各层含钛。
发明内容
本发明的非限定的一例的涂层刀具，具有基体、和位于该基体之上的涂层。所述涂层刀具具备：第一面；与该第一面相邻的第二面；位于所述第一面与所述第二面的棱线部的至少一部分上的刀刃。所述涂层具有第一涂层，所述第一涂层具有含有Al2O3粒子的第一层和位于该第一层之上的第二层。所述第二层，从所述基体侧起按顺序具有：第一膜；与该第一膜相接的第二膜；与该第二膜相接的第三膜。所述第一膜、所述第二膜和所述第三膜分别含有Ti。所述第一膜、所述第二膜和所述第三膜，分别含有从C和N中选择的至少一种。设所述第一膜中包含的N含量为第一N量，设所述第二膜中包含的N含量为第二N量，设所述第三膜中包含的N含量为第三N量时，满足第一N量＞第三N量＞第二N量的关系。
附图说明
图1是表示本发明的非限定的实施方式的涂层刀具的立体图。
图2是图1所示的涂层刀具的Ⅱ－Ⅱ截面的剖视图。
图3是放大了图2所示的区域A1的放大图。
图4是放大了图2所示的区域A2的放大图。
图5是表示本发明的非限定的实施方式的切削刀具的立体图。
具体实施方式
＜涂层刀具＞
以下，使用附图，对于本发明的非限定的实施方式的涂层刀具1详细说明。但是，在以下所参照的各图中，为了便于说明，只简化显示在说明实施方式上必要的主要构件。因此，涂层刀具1可以具备参照各图中未显示的任意的结构构件。另外，各图中的构件尺寸，并非忠实表达实际的结构构件的尺寸和各构件的尺寸比率等。
在图1～图4中，作为涂层刀具1的一例，显示了可以适用于对被切削材进行切削加工时使用的切削刀具的切削刀片。涂层刀具1除了切削刀具以外，例如，也可以应用到滑动零件和模具等的耐磨零件，挖掘工具、刀具等的工具，以及耐冲击零件等。还有，涂层刀具1的用途不受例示限定。
涂层刀具1，可以具有基体2、和位于基体2之上的涂层3。
作为基体2的材质，例如，可列举硬质合金、陶瓷和金属等。作为硬质合金，例如，可列举以Co(钴)和Ni(镍)等的铁属金属所构成的粘结相，使由WC(碳化钨)、和根据需要而从WC以外的周期表第4、5、6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物的群中选择的至少一种构成的硬质相结合而得到的硬质合金等。另外，作为其他硬质合金，还可列举Ti基金属陶瓷等。作为陶瓷，例如，可列举Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)、金刚石和cBN(立方氮化硼)等。作为金属，例如，可列举碳钢、高速钢和合金钢等。还有，基体2的材质不受例示限定。
涂层3可以覆盖基体2的表面4的全部，另外，也可以只覆盖一部分。涂层3只覆盖基体2的表面4的一部分时，也可以称为涂层3位于基体2之上的至少一部分。
涂层3可以由化学气相沉积(CVD)法成膜。换言之，涂层3可以是CVD膜。
涂层3不限定于特定的厚度。例如，涂层3的厚度可以设定在1～30μm。还有，涂层3的厚度、结构、构成涂层3的晶体形状等的测定，例如，可以使用电子显微镜，通过截面观察来进行。作为电子显微镜，例如，可列举扫描型电子显微镜(SEM)、和透射电子显微镜(TEM)等。
涂层刀具1，如图1和图2所示的非限定的一例，可以具备：第一面5(上表面)；与第一面5相邻的第二面6(侧面)；位于第一面5与第二面6的棱线部的至少一部分的刀刃7。
第一面5可以是前刀面。第一面5其整个面都可以是前刀面，另外，也可以其一部分是前刀面。例如，第一面5之中沿着刀刃7的区域可以是前刀面。
第二面6可以是后刀面。第二面6其整体面都可以是后刀面，另外，也可以其一部分是后刀面。例如，第二面6之中沿着刀刃7的区域可以是后刀面。
刀刃7可以位于棱线部的一部分，另外，也可以位于整个棱线部。刀刃7可以用于被切削材的切削。
涂层刀具1，如图1所示的非限定的一例，可以是四边形板状。还有，涂层刀具1的形状不限于四边形板状。例如，第一面5也可以是三角形、五边形、六边形或圆形。另外，涂层刀具1也可以是柱形。
涂层刀具1不限定为特定的大小。例如，第一面5一边的长度可以设定为3～20mm左右。另外，从第一面5至位于第一面5相反侧的面(下表面)的高度可以设定为5～20mm左右。
在此，涂层3如图3的示的非限定的一例，可以具有第一涂层8。第一涂层8，可以具有第一层9、和位于第一层9之上的第二层10。
第一层9可以含有Al2O3粒子。第一层9可以是Al2O3层。所谓Al2O3层，意思可以是含有Al2O3作为主要成分的层。所谓“主要成分”，意思可以是与其他成分比较，是质量％的值为最大的成分。
第二层10，可以从基体2侧起，按顺序具有第一膜11、与第一膜11相接的第二膜12、与第二膜12相接的第三膜13。
第一膜11、第二膜12和第三膜13可以分别含有Ti(钛)。另外，第一膜11、第二膜12和第三膜13，可以分别含有从C(碳)和N(氮)中选择的至少一种。
更具体地说，第一膜11、第二膜12和第三膜13可以分别含有钛化合物。第一膜11、第二膜12和第三膜13，可以分别含有钛化合物作为主要成分。作为钛化合物，例如，可列举钛的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物、碳氧化物和碳氮氧化物等。
设第一膜11中包含的N含量为第一N量，第二膜12中包含的N含量为第二N量，第三膜13中包含的N含量为第三N量时，可以满足第一N量＞第三N量＞第二N量的关系。
满足上述关系时，第一膜11在第一膜11、第二膜12和第三膜13之中是最容易剥离的膜。换言之，第一膜11在第一膜11、第二膜12和第三膜13之中，粘附性最低。另外，第一膜11在第一膜11、第二膜12和第三膜13之中，抗粘结性最优异。
满足上述关系时，则第二膜12在第一膜11、第二膜12和第三膜13之中，是硬度最高的膜。另一方面，第二膜12在第一膜11、第二膜12和第三膜13之中，抗粘结性最低。
满足上述关系时，第三膜13的硬度、耐剥离性和抗粘结性，分别处于第一膜11与第二膜12之间。
以上述涂层结构的方式具备具有这种构成的各膜的涂层刀具1，耐磨耗性和抗粘结性优异。
第一N量、第二N量和第三N量不限定为特定的值。例如，第一N量可以设定为45～55原子％。第二N量可以设定为0～25原子％。第三N量可以设定为25～45原子％。N含量，例如可以是通过能量色散型X射线分析(EDS)的分析法而测量的值。
第一膜11可以含有包含Ti(Cx1Ny1Oz1)(0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1＜1，x1+y1+z1＝1)的粒子。第二膜12可以含有包含Ti(Cx2Ny2Oz2)(0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2＜1，x2+y2+z2＝1)的粒子。第三膜13可以含有包含Ti(Cx3Ny3Oz3)(0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤z3＜1，x3+y3+z3＝1)的粒子。
可以是y1＝1。即，第一膜11可以含有TiN粒子。另外，第一膜11可以是TiN膜。所谓TiN膜，意思可以是含有TiN作为主要成分的膜。这一点在其他膜中也以同样方式定义。
可以是x2＝1。另外，可以是0＜x3＜1，0＜y3＜1，z3＝0。即，第二膜12可以含有TiC粒子，另外，第三膜13可以含有TiCN粒子。第二膜12可以是TiC膜，另外，第三膜13可以是TiCN膜。
可以是0＜x2＜1，0＜y2＜1，z2＝0。另外，可以是0＜x3＜1，0＜y3＜1，z3＝0。即，第二膜12和第三膜13，可以分别含有TiCN粒子。第二膜12和第三膜13可以分别是TiCN膜。
第二膜12和第三膜13分别含有TiCN粒子时，可以是X2＞X3。即，第二膜12所含的C含量，可以多于第三膜13所含的C含量。
第三膜13可以含有C和N。第三膜13中的N/(C+N)可以为0.7以上。另外，第三膜13中的N/(C+N)可以为0.9以下。N/(C+N)可以是N对于C和N总和的以原子比计的含有比率。N/(C+N)，例如，可以通过能量色散型X射线分析(EDS)的分析法测量。还有，N/(C+N)表示原子比率。
第一膜11、第二膜12和第三膜13各自的厚度可以相同，另外，也可以不同。例如，第二膜12的厚度，可以厚于第一膜11的厚度和第三膜13的厚度。这种情况下，耐磨耗性高。
第一膜11、第二膜12和第三膜13各自的厚度，不限定于特定的值。例如，第一膜11的厚度可以设定为0.1～0.5μm。第二膜12的厚度可设定为0.5～1.0μm。第三膜13的厚度可以设定为0.3～0.7μm。第二膜12的厚度，可以在第二层10总体厚度之中占40％以上。
还有，第二层10的厚度，可以与第一层9的厚度相同，另外，也可以不同。例如，第二层10的厚度，可以厚于第一层9的厚度。
第二层10可以与第一层9相接，另外，也可以不与第一层9相接。同样，第一层9可以与基体2相接，另外，也可以不与基体2相接。例如，第一涂层8可以具有位于第一层9与第二层10之间的其他的层，另外，也可以具有位于基体2与第一层9之间的其的他层。其他的层可以含有TiN粒子、TiC粒子或TiCN粒子。其他的层可以是TiN膜、TiC膜或TiCN膜。
第一涂层8可以位于第一面5(前刀面)。这种情况下，第一面5的耐磨耗性和抗粘结性高。
第一涂层8可以位于第二面6(后刀面)。这种情况下，第二面6的耐磨耗性和抗粘结性高。
涂层3如图4所示的非限定的一例，可以具有第二涂层14。第二涂层14可以具有第三层15。第三层15可以含有Al2O3粒子。第三层15可以是Al2O3层。第三层15可以是最表层。
第二涂层14可以位于第二面6(后刀面)。这种情况下，第二面6的抗粘结性高。
第二涂层14可以位于第一面5(前刀面)。这种情况下，第一面5的抗粘结性高。
第一涂层8可以位于第一面5(前刀面)，第二涂层14可位于第二面6(后刀面)。这种情况下，第一面5的耐磨耗性和抗粘结性高，第二面6的抗粘结性高。
也可以是第一涂层8位于第二面6(后刀面)，第二涂层14位于第一面5(前刀面)。这种情况下，第一面5的抗粘结性高，第二面6的耐磨耗性和抗粘结性高。
＜涂层刀具的制造方法＞
接着，对于本发明的非限定的实施方式的涂层刀具的制造方法，例举制造涂层刀具1的情况进行说明。
可以先制作基体2。作为基体2，例举制作由硬质合金构成的基体2的情况进行说明。首先，可以在能够通过烧成而形成基体2的金属碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物等的无机物粉末中，适宜添加金属粉末、碳粉末等加以混合，得到混合粉末。其次，可以将此混合粉末，通过冲压成形、浇铸成形、挤压成形、冷等静压成形等公知的成形方法，成形为规定的刀具形状，得到成形体。然后，可以将所得到的成形体，在真空中或非氧化性气氛中进行烧成，得到基体2。可以对于基体2的表面4，实施研磨加工或珩磨加工。
接着，可以在所得到的基体2的表面4，通过CVD法成膜涂层3，得到涂层刀具1。
如图3所示的非限定的一例，第一层9与基体2相接时，可以首先成膜第一层9(Al2O3层)。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使三氯化铝(AlCl3)气体为0.5～5体积％，氯化氢(HCl)气体为0.5～3.5体积％，二氧化碳(CO2)气体为0.5～5体积％，硫化氢(H2S)气体为0.5体积％以下，其余为氢(H2)气。然后，可以将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在930～1010℃，压力设定在5～10kPa，时间设定为30～300分钟，成膜第一层9。还有，该成膜条件也可以适用于第三层15。
接下来，可以按顺序成膜第二层10中的第一膜11、第二膜12和第三膜13。
作为第一膜11，例举成膜TiN膜的情况进行说明。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使四氯化钛(TiCl4)气体为0.1～10体积％，氮(N2)气为10～60体积％，其余为氢(H2)气。然后，可以将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在800～1010℃，压力设定10～85kPa，时间设定为10～60分钟，成膜作为TiN膜的第一膜11。
其次，作为第二膜12，例举成膜TiC膜的情况进行说明。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使四氯化钛(TiCl4)气体为0.1～30体积％，甲烷(CH4)气体0.1～20体积％，其余是氢(H2)气。然后，将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在800～1100℃，压力设定在10～85kPa，时间设定为10～120分钟，成膜作为TiC膜的第二膜12。
接着，作为第三膜13，例举成膜TiCN膜的情况进行说明。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使四氯化钛(TiCl4)气体为0.1～10体积％，氮(N2)气为10～60体积％，甲烷(CH4)气体为0.1～15体积％，其余是氢(H2)气。然后，可以将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在800～1100℃，压力设定在5～30kPa，时间设定为20～100分钟，成膜作为TiCN膜的第三膜13。还有，此成膜条件也可以适用于第二膜12是TiCN膜的情况。另外，例如，在上述的反应气体组成中，若N2成分的比例多，则N/(C+N)大。反之，若N2成分的比例少，则N/(C+N)小。
在此，成膜第一膜11、第二膜12和第三膜13时，通过调整反应气体组成，可以使第一膜11、第二膜12和第三膜13中的N含量达到第一N量＞第三N量＞第二N量。
在所得到的涂层刀具1中，可以对于包括刀刃7在内的区域实施研磨加工。由此，包括刀刃7的区域变得平滑，其结果是，被切削材的粘结得到抑制，刀刃7的耐崩损性提高。
还有，上述的制造方法是制造涂层刀具1的方法的一例。因此，涂层刀具1当然不限定为由上述制造方法制作。
＜切削刀具＞
如图5所示的非限定的一例，本发明的非限定的实施方式的切削刀具101可以具有：有着从第一端102a到第二端102b的长度，并具有位于第一端102a侧的卡槽103的刀柄102；位于卡槽103的涂层刀具1。还有，在图5中例示的是，涂层刀具1具有贯通孔，经由该贯通孔，用螺钉104将涂层刀具1固定于卡槽103的情况。
以下，列举实施例详细地说明本发明，但本发明不受以下实施例限定。
实施例
[试料No.1～8]
＜涂层刀具的制作＞
首先，制作基体。具体来说，对于平均粒径1.2μm的WC粉末，以平均粒径1.5μm的金属Co粉末6质量％、TiC(碳化钛)粉末2.0质量％、Cr3C2(碳化铬)粉末0.2质量％的比率添加混合这些粉末，通过冲压成形，成形为切削刀具形状(CNMG120408)，得到成形体。对所得到的成形体实施脱蜡处理，并在0.5～100Pa的真空中，以1400℃烧成1小时，制作由硬质合金构成的基体。对制作的基体的前刀面(第一面)侧以刷光加工实施刃口处理(R珩磨)。
接着，在所得到的基体之上，通过CVD法，以表1所示的成膜条件成膜涂层(第二层)，得到表2所示的涂层刀具(切削刀片)。
还有，表2所示的涂层刀具均在基体之上成膜Al2O3层(第一层)。Al2O3层的成膜条件和厚度如下。
AlCl3气体：4.0体积％
HCl气体：1.0体积％
CO2气体：4.5体积％
H2S气体：0.3体积％
H2气体：余量
温度：1000℃
压力：10kPa
时间：300分钟
厚度：5.0μm
在表1和表2中，各化合物以化学符号表达。表1所示的涂层的厚度、和上述的Al2O3层的厚度，是使用SEM通过截面观察得到的值。还有，在表1中，表述为TiN的膜，实质上不包含C，N/(C+N)大约为1，表述为TiC的膜，实质上不包含N，N/(C+N)大约为0。另外，在表1中，试料No.1的TiCN膜的N/(C+N)是0.8，试料No.2～7的TiCN膜的N/(C+N)是0.7，试料No.8的TiCN膜的N/(C+N)是0.5。
＜评价＞
对于得到的涂层刀具，通过目视评价外观色。结果显示在表1中。另外，评价耐磨耗性和对刃口有无粘结。以下出示测量方法，并且结果显示在表2中。
＜切削评价条件＞
耐磨耗性评价
加工方法：车削加工
被切削材：SCM435圆棒
切削速度：300m/min
进给：0.3mm/rev
切削深度：1.5mm
加工状态：湿式
评价项目：确认切削时间20分钟的后刀面的磨耗量
抗粘结性评价
加工方法：车削加工
被切削材：S45C圆棒
切削速度：100m/min
进给：0.1mm/rev
切削深度：1.0mm
加工状态：湿式
评价项目：确认切削时间5分钟对刃口粘结的状态
在表2中记载有切削时间20分钟的后刀面磨耗量(Vb)、和切削时间5分钟对刃口粘结的状态。表2中的刃口粘结一栏，按以下的判断标准表述刃口粘结和崩刃这两个参数。关于对刃口粘结的状态，“◎”的表述意思是无粘结，也没有崩刃。“〇”的表述意思是未发生崩刃，但可确认到少量的粘结。“△”的表述意思是未发生崩刃，但粘结量多于“〇”。“×”的表述意思是，发生粘结，因粘结引起崩刃发生。
【表1】
Figure BDA0003852231800000101
【表2】
Figure BDA0003852231800000111
如表2所示，相当于实施例的试料No.3～8，与相当于比较例的试料No.1～2相比，均能够得到更优异的切削性能。
符号说明
1…涂层刀具(切削刀片)
2…基体
3…涂层
4…表面
5…第一面
6…第二面
7…刀刃
8…第一涂层
9…第一层
10…第二层
11…第一膜
12…第二膜
13…第三膜
14…第二涂层
15…第三层
101…切削刀具
102…刀柄
102a…第一端
102b…第二端
103…卡槽
104…螺钉

Claims (5)

1.一种涂层刀具，其具有基体、和位于该基体之上的涂层，其中，
所述涂层刀具具备：第一面；与该第一面相邻的第二面；位于所述第一面与所述第二面的棱线部的至少一部分上的刀刃，
所述涂层具有第一涂层，所述第一涂层具有：
含有Al2O3粒子的第一层；
位于该第一层之上的第二层，
所述第二层从所述基体侧起按顺序具有：
第一膜；
与该第一膜相接的第二膜；
与该第二膜相接的第三膜，
所述第一膜、所述第二膜和所述第三膜分别含有Ti，
所述第一膜、所述第二膜和所述第三膜分别含有从C和N中选择的至少一种，
设所述第一膜中所包含的N含量为第一N量，
所述第二膜中所包含的N含量为第二N量，
所述第三膜中所包含的N含量为第三N量时，
满足第一N量＞第三N量＞第二N量的关系。
2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，所述第二膜的厚度，厚于所述第一膜的厚度和所述第三膜的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的涂层刀具，其中，
所述第三膜含有C和N，
所述第三膜中的N/(C+N)为0.7以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的涂层刀具，其中，所述第二膜的厚度为0.5μm以上且1.0μm以下。
5.一种切削刀具，其具备：
具有从第一端到第二端的长度，并具有位于所述第一端侧的卡槽的刀柄；
位于所述卡槽的权利要求1～4中任一项所述的涂层刀具。
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