CN116324023A - 被覆工具以及具备其的切削工具 - Google Patents

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Abstract

本公开的被覆工具(1)具有：第1面(5)；第2面(7)；位于第1面(5)以及第2面(7)的棱线的至少一部分的切削刃(11)；位于第1面(5)的相反侧的第3面(9)；和从第1面(5)遍及到第3面(9)的贯通孔(15)。构成贯通孔(15)的内壁(17)至少在中央部具有粘结相的含有率比基体(3)的内部高的粘结相富集层(19)。中央部处的粘结相富集层(19)的厚度T1比内壁的端部处的粘结相富集层(19)的厚度T2厚。被覆层(30)至少位于粘结相富集层(19)上。被覆层(30)具有含有立方晶的碳氮化钛的第1层(31)。第1层(31)的基于X射线衍射分析的碳氮化钛的取向系数Tc(220)为3.0以上。

Description

被覆工具以及具备其的切削工具
技术领域
本公开涉及切削加工中所用的被覆工具以及具备其的切削工具。
背景技术
当前，作为切削工具、耐磨耗性构件、滑动构件等需要耐磨耗性、滑动性、耐崩裂性的构件的基体，广泛使用以钛(Ti)为主成分的金属陶瓷。
例如在专利文献1中，记载了具有向工具主体安装用贯通孔的表面被覆碳氮化钛基金属陶瓷制切削嵌件。在专利文献1中，记载了为了提供在负荷高的切削中异常损伤也少的嵌件，在安装用贯通孔的内表面设置金属渗出层。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2012-245581号公报
发明内容
本公开的被覆工具具备：作为含有硬质粒子和粘结相的金属陶瓷的基体、和位于基体上的被覆层。被覆工具具有：第1面；第2面；位于第1面以及第2面的棱线的至少一部分的切削刃；位于第1面的相反侧的第3面；和从第1面遍及到第3面的贯通孔。构成贯通孔的内壁至少在中央部具有粘结相的含有率比基体的内部高的粘结相富集层。中央部处的粘结相富集层的厚度T1比内壁的端部处的粘结相富集层的厚度T2厚。被覆层至少位于粘结相富集层上。被覆层具有含有立方晶的碳氮化钛的第1层。第1层的基于X射线衍射分析的碳氮化钛的取向系数Tc(220)为3.0以上。
附图说明
图1是表示本公开的被覆工具的一例的立体图。
图2是表示本公开的被覆工具的一例的截面处的概要图。
图3是本公开的被覆工具的截面的放大概要图。
图4是本公开的被覆工具的其他形态的截面的放大概要图。
图5是本公开的被覆工具的其他形态的截面的放大概要图。
图6是本公开的被覆工具所具有的被覆层的示意性放大图。
图7是表示本公开的切削工具的一例的俯视图。
图8是本公开的切削工具中的被覆工具的截面的放大概要图。
具体实施方式
<被覆工具>
以下，使用附图，对本公开的被覆工具详细进行说明。但以下参考的各图是为了说明的方便而仅简化示出说明实施方式上必要的主要构件的图。因此，本公开的被覆工具能具备所参考的各图未示出的任意的构成构件。此外，各图中的构件的尺寸并不忠实地表征实际的构成构件的尺寸以及各构件的尺寸比率等。这些点在后述的切削工具中也同样。
在切削加工中所用的被覆工具中，期望异常损伤少。本公开提供异常损伤少的被覆工具以及具备其的切削工具。
本公开的被覆工具具有是含有硬质粒子和粘结相的金属陶瓷的基体。硬质粒子例如是TiCN、TiC、TiN、(TiM)CN(M是从W、Nb、Ta、Mo、V中选择的一种以上)。粘结相以Ni、Co等铁族金属为主成分。另外，所谓主成分，是指占据构成成分当中的50质量％以上的成分。
如图1、2所示那样，本公开的被覆工具1的形状例如可以是四方板形状。图1中的上表面即第1面5是所谓的前刀面。此外，被覆工具1具有作为与第1面5相连的侧面的第2面7。
被覆工具1具有位于第1面5的相反的下表面即第3面9。第2面7与第1面5以及第3面9分别相连。
本公开的被覆工具1具有位于第1面5与第2面7相交的棱线的至少一部分的切削刃11。换言之，本公开的被覆工具1具有位于前刀面和后刀面相交的棱线的至少一部分的切削刃11。切削刃11具有与第1面5和第2面7连续的第4面。第4面可以是将第1面5和第2面7的角部斜向且直线地削除的C面(斜削面)。此外，第4面可以是将第1面5和第2面7的角部做圆的R面(圆面)。
在被覆工具1中，可以第1面5的外周的整体成为切削刃11，但被覆工具1并不限定于这样的结构，例如也可以仅在四方形的前刀面中的一边换言之4个第4面当中之一具有切削刃11。
本公开的被覆工具1具有从第1面5到第3面9贯通基体3的贯通孔15。如图3所示那样，在构成贯通孔15的内壁17，至少在中央部17a存在粘结相富集层19。粘结相富集层19含有硬质粒子以及粘结相，是粘结相的含有率比基体3的内部高的区域。所谓基体3的内部，是指从基体3的表面离开500μm以上的部分。粘结相富集层19并不需要存在于贯通孔15的内壁17的全部，至少位于中央部17a即可。
中央部17a是将贯通孔15在深度方向上9等分时的正中间。此外，端部17b是将贯通孔15在深度方向上9等分时的端部。
如图3所示那样，在本公开的被覆工具1中，构成贯通孔15的内壁17的中央部17a处的粘结相富集层19的厚度T1比构成贯通孔15的内壁17的端部17b处的粘结相富集层19的厚度T2厚。中央部17a处的粘结相富集层19的厚度T1以及端部17b处的粘结相富集层19的厚度T2分别是平均值。厚度T1以及厚度T2可以使用金属显微镜、电子显微镜观察被覆工具1的截面进行测定。另外，在端部17b，也可以不存在粘结相富集层19。
本公开的被覆工具1通过具有这样的结构，来抑制在向支架(未图示)的固定时被覆工具1以施加大的力的内壁17为起点异常损伤。
图6是本公开的被覆工具1所具有的被覆层的示意性放大图。如图6所示那样，被覆工具1具有被覆层30。
被覆层30至少位于粘结相富集层19上。被覆层30可以位于第1面5上，此外，也可以位于基体3中的第1面5以外的其他面上。被覆层30使切削加工中的被覆工具1的耐磨耗性以及耐崩裂性等特性提升。
被覆层30具有第1层31以及第2层32。第1层31位于第1面5上，含有立方晶的碳氮化钛。此外，第2层32与第1层31上相接设置。第2层32例如可以含有氧化铝(Al2O3)。
可以在第1层31与基体3之间具有氮化钛层33。若具有这样的结构，则基体3与第1层31的接合性高。
第1层31具有碳氮化钛层34。第1层31中除了含有碳氮化钛以外，也可以含有钛的碳化物、氮化物、氧化物、碳氧化物以及碳氮氧化物。此外，第1层31只要含有立方晶的碳氮化钛，则既可以是单层的结构，此外，也可以是将多个层层叠的结构。
氮化钛层33以及碳氮化钛层34的主成分分别是氮化钛以及碳氮化钛。所谓“主成分”，是与其他成分比较而质量％的值最大的成分。氮化钛层33以及碳氮化钛层34分别可以含有氮化钛以及碳氮化钛以外的成分。
被覆层30可以仅包含第1层31以及第2层32，此外，也可以具有这些层以外的层。例如，可以在基体3与第1层31之间存在其他层，此外，也可以在第2层32上存在其他层。
第1层31至少位于粘结相富集层19上。第1层31具有硬度比粘结相富集层19高的部分。若具有这样的结构，则固定器部处的耐磨耗性增加。第1层31可以通过CVD法、PVD法来形成。
第1层31通过X射线衍射(XRD：X-Ray Diffraction)分析，在立方晶的碳氮化钛的结晶面当中的(220)面具有最大峰值。基于X射线衍射分析的碳氮化钛的取向系数Tc(220)为3.0以上。若具有这样的结构，则粘结相富集层19与第1层31进行紧贴的力变强，变得难以引起从粘结相富集层19与第1层31的界面的剥离，由此抑制了剥离所导致的被覆工具1的异常损伤。此外，在第1层31与粘结相富集层19之间设置有其他层的情况下，其他层与第1层31进行紧贴的力变强，变得难以引起从其他层与第1层31的界面的剥离，由此抑制了剥离所导致的被覆工具1的异常损伤。
取向系数Tc(hkl)通过下述的式算出。
Tc(hkl)＝{I(hkl)/I0(hkl)}/〔(1/7)×Σ{I(HKL)/I0(HKL)}〕
在此，(HKL)是(111)、(200)、(220)、(311)、(331)、(420)、(422)的全部结晶面。此外，(hkl)是各结晶面。
I(HKL)以及I(hkl)是在第1层31的立方晶的碳氮化钛的X射线衍射分析中检测的归属于各结晶面的峰值的峰值强度。
I0(HKL)以及I0(hkl)是记载于JCPDS卡片No.00-042-1489的各结晶面的标准衍射强度。
上述的取向系数Tc(hkl)从第1层31的平坦的上表面测定即可，例如可以在第2面7测定。
此外，作为含有氧化铝的第2层32的示例，能举出α-氧化铝(α-Al2O3)、γ-氧化铝(γ-Al2O3)以及κ-氧化铝(κ-Al2O3)等。在这些当中，在第2层32含有α-氧化铝的情况下，能提高被覆工具1的耐热性。第2层32可以是仅含有上述的化合物当中任一者的结构，此外，也可以是含有上述的化合物当中的多种的结构。
关于第2层32中含有的氧化铝是上述的化合物的哪一者，例如能通过进行X射线衍射(XRD)分析，观察峰值的分布来进行评价。
第1层31可以含有碳氮化钛以外的成分。此外，第2层32可以含有氧化铝以外的成分。例如，第1层31可以含有氧化铝。此外，第2层32可以含有碳氮化钛等钛化合物。在这样的情况下，第1层31以及第2层32的接合性提升。
粘结相富集层19的硬度比基体3低，比引用文献1中所述的金属渗出层高。因此，粘结相富集层19比金属渗出层更抑制变形。
由于具有上述的结构，因此，在将被覆工具1用固定器固定在支架时，在内壁17处的中央部17a与固定器的接触中，通过中央部17a处的粘结相富集层19的受到抑制的变形而施加在基体3的局部的力小，因此，被覆工具1难以破裂，难以异常损伤。
被覆工具1的大小并没有特别限定，例如，前刀面的一边的长度被设定为3～20mm左右。此外，被覆工具1的厚度例如被设定为1～20mm左右。此外，在图1中，例示四方形状的被覆工具1，但例如也可以是三角形状、圆盘状。
此外，如图4所示那样，本公开的被覆工具1可以具有与内壁17相连的扩径部21。在贯通孔15与扩径部21的边界存在高低差。另外，在图4所示的示例中，在扩径部21的内壁不存在粘结相富集层19，但可以在扩径部21也存在粘结相富集层19。在本公开的被覆工具1中，扩径部21不含在贯通孔15中。扩径部21是所谓的锪孔面。扩径部21的直径比贯通孔15的直径大300μm以上。
中央部17a处的粘结相富集层19的厚度T1可以是1μm以上。此外，厚度T1可以是20μm以下。根据这样的结构，抑制了被覆工具1的异常损伤。厚度T1可以是3μm以上。此外，厚度T1可以是10μm以下。
端部17b处的粘结相富集层19的厚度T2可以是0.2μm以上。此外，厚度T2可以是6μm以下。根据这样的结构，抑制了被覆工具1的异常损伤。
如图5所示那样，中央部17a处的直径R1可以比端部17b处的直径R2大。若具有这样的结构，则固定器与内壁17的接触面积变大，夹持力增加。
中央部17a处的直径R1可以比端部17b处的直径R2大5μm以上、30μm以下。若具有这样的结构，则被覆工具1的异常损伤被抑制。
中央部17a处的粘结相富集层19的硬度可以为10GPa以上、20GPa以下。根据这样的结构，在夹销接触时，粘结相富集层19适度变形，夹持力增加。可以在被覆工具1的截面，对露出的粘结相富集层19使用纳米压痕法来测定中央部17a处的粘结相富集层19的硬度。
中央部17a处的粘结相富集层19可以在贯通孔15的贯通轴侧具有粘结相的含有量比粘结相富集层19多的金属层(未图示)。该金属层不含硬质层，仅包含金属。若具有这样的结构，则金属层在后述的固定器与粘结相富集层19之间作为缓冲件材料发挥功能，因此，抑制了被覆工具1的异常损伤。金属层的厚度可以是0.3μm以上、2μm以下。
<被覆工具的制造方法>
以下说明本公开的被覆工具的制造方法。
本公开的被覆工具的制造中所用的原料粉末一般在金属陶瓷的制造中使用。
基体例如含有40质量％以上、80质量％以下的作为硬质粒子的TiCN，含有6质量％以上、30质量％以下的作为粘结相的Co。此外，进而，为了特性提升，基体也可以含有WC、TaC、NbC、Mo2C、VC、ZrC等。
使用具有上述的组成的原材料，成形为在烧成后具有成为贯通孔的空间的形状。之后，例如在1400℃以上、1600℃以下的温度下进行烧成。可以将该烧成环境设为N2分压环境下。
若使N2分压为1kPa以上，则烧成后的粘结相富集层的厚度变厚。此外，若将用作原料的硬质粒子的平均粒子径d50设为0.7μm以下，则能得到在贯通孔的贯通轴(未图示)侧具有粘结相的含有量比粘结相富集层多的金属层的粘结相富集层。
另外，在上述的成形时，若成形压大，则能抑制烧成时的变形。另一方面，若在成形时减小成形压，则内壁的中央部处的直径R1易于变得比端部处的直径R2大。成形压与变形的关系根据组成、烧成温度而变化，因此可以各种组合来进行调整。
例如，在烧成后用旋转的刷子从贯通孔的两端部插入贯通孔，对贯通孔的内壁进行研磨，进行加工以使得中央部处的粘结相富集层的厚度T1变得比端部处的粘结相富集层的厚度T2厚。另外，刷子可以从贯通孔的两侧插入，也可以从单方分两次插入。
接下来，在基体的表面通过化学气相蒸镀(CVD)法成膜被覆层。首先，在基体的表面成膜第1层中的碳氮化钛层。在氢气体中混入0.5体积％以上且10体积％以下的四氯化钛气体、1体积％以上且60体积％以下的氮气体和0.1体积％以上且3.0体积％以下的乙腈气体，制作第1混合气体。在将该第1混合气体导入腔室内的同时，从成膜开始时起，使乙腈气体每小时增加0.4体积％。这时，将第1混合气体以6kPa以上且12kPa以下的气体分压导入腔室内，在830℃以上且870℃以下的温度域成膜含有MT-碳氮化钛的碳氮化钛层。
接下来，成膜第2层32。将成膜温度设为950℃以上且1100℃以下，将气体压设为5kPa以上且20kPa以下，反应气体的组成在氢气体中混入5体积％以上且15体积％以下的三氯化铝(AlCl3)气体、0.5体积％以上且2.5体积％以下的氯化氢(HCl)气体、0.5体积％以上且5.0体积％以下的二氧化碳气体和0体积％以上且1体积％以下的硫化氢(H2S)气体，来制作第2混合气体。将第2混合气体导入腔室内，成膜第2层32。由此，能得到本公开的被覆工具1。
另外，在烧成后的时刻，有时在贯通孔以外的区域、例如第1面、第2面、第3面存在粘结相富集层，但也可以根据需要除去粘结相富集层。
<切削工具>
接下来，使用附图来说明本公开的切削工具。
如图7所示那样，本公开的切削工具101例如是从第1端(图7中的上端)向第2端(图7中的下端)延伸的棒状体。如图7所示那样，切削工具101具备：在第1端侧(前端侧)具有兜孔103的支架105；和位于兜孔103的上述的被覆工具1。
此外，如图8所示那样，在被覆工具1的贯通孔15(参考图1)插入固定器107。在图8所示的示例中，固定器107与位于中央部17a的粘结相富集层19(参考图2)直接或间接接触。另外，所谓固定器107和粘结相富集层19间接地接触，是指在粘结相富集层19与固定器107之间存在金属层、被覆层的状态。固定器107所接触的粘结相富集层19比基体3更易于变形，因此难以对被覆工具1局部地施加强的力。此外，若具有粘结相富集层19，则固定器107与粘结相富集层19的接触面积大，因此被覆工具1在切削时难以在兜孔内活动。这样的效果相互作用，本公开的被覆工具1难以异常损伤。切削工具101具备被覆工具1，因此能长期进行稳定的切削加工。
兜孔103是装备被覆工具1的部分，具有：相对于支架105的下表面平行的落座面；和相对于落座面倾斜的约束侧面。此外，兜孔103在支架105的第1端侧开口。
在兜孔103设置被覆工具1。这时，被覆工具1的下表面可以与兜孔103直接相接，此外，也可以在被覆工具1与兜孔103之间夹着薄片(未图示)。
被覆工具1装备于支架105，以使得用作前刀面和后刀面相交的棱线处的切削刃11的部分的至少一部分从支架105向外方突出。在本实施方式中，被覆工具1通过固定器107而装备于支架105。即，在被覆工具1的贯通孔15插入固定器107，将该固定器107的前端插入形成于兜孔103的螺纹孔(未图示)，使螺纹部彼此螺合，由此，将被覆工具1装备于支架105。
作为支架105的材质，例如能使用钢、铸铁等。在这些构件中，可以使用韧性高的钢。
在本实施方式中，例示所谓的旋削加工中的切削工具101。作为旋削加工，例如能举出内径加工、外径加工、开槽加工以及端面加工等。另外，作为切削工具101，并不限定于旋削加工中所用的切削工具。例如，也可以在转削加工中所用的切削工具101中使用上述的实施方式的被覆工具1。
实施例
以下说明本公开的被覆工具。
基体如以下那样作制。在包含40质量％的TiCN、包含12质量％的TiN、包含20质量％的WC、包含8质量％的NbC、包含20质量％的Co、包含其他不可避碳化物的原料粉末中添加粘合剂后，通过压制成型而做成所期望的形状，制作具有贯通孔的工具形状的成形体。这些原料粉末一般在金属陶瓷的制造中使用。本公开的基体的组成也并非特别的组成。之后，在除去粘合剂成分后，以在3kPa的氮环境、1530℃的温度下保持1小时的条件进行烧成，来得到在贯通孔的内壁具备有金属层的粘结相富集层的基体。之后，基于前述的被覆层的成膜工序来对基体成膜被覆层。
之后，对贯通孔的内壁用刷子进行研磨，制作表1所示的结构的被覆工具。另外，不存在粘结相富集层或粘结相富集层的厚度较薄的部分延长基于刷子的研磨时间。
[表1]
(表1)
Figure BDA0004171610720000101
另外，任意被覆工具都对第1面、第2面、第3面进行喷砂处理，来除去粘结相富集层。
对猪鬃刷子涂敷混合了0.1～3μm的金刚石粉末和润滑油的研磨液，并使猪鬃刷子旋转的同时插入贯通孔，来进行基于刷子的研磨。
粘结相富集层的中央部以及端部处的厚度、中央部处的直径R1以及端部处的R2在厚度方向上在包含贯通轴的面切断基体而得到的截面进行测定。
此外，使用被覆工具的截面测定基体的内部的硬度、粘结相富集层的硬度的结果，粘结相富集层的硬度比基体的内部中的硬度低。
将所得到的被覆工具放入支架的兜孔，在被覆工具的贯通孔插入固定器，用该固定器来固定被覆工具。然后，在以下的条件下进行切削试验。
<耐缺损试验>
被削件：SCM435带4条槽(5mm宽度)
切削速度：300m/min
进给：0.3mm/rev
切开：0.5mm
切削状态：湿式
评价方法：判断施加10000次冲击后的崩裂、缺损的状态的有无。
另外，表1中的全部样品的第1层中，X射线衍射分析的碳氮化钛的取向系数Tc(220)为3.5。没有本公开的被覆工具的结构的样品No.1、2、9发生异常损伤。本公开的被覆工具抑制了异常损伤。此外，将被覆工具良好地保持在支架，加工的被削件的面粗度也良好。
以上说明的本公开的被覆工具以及具备其的切削工具是一例，只要不脱离本申请的要旨，则也可以具有不同的结构。
符号说明
1…被覆工具
3…基体
5…第1面
7…第2面
9…第3面
11…切削刃
15…贯通孔
17…内壁
17a··中央部
17b··端部
19…粘结相富集层
21…扩径部
T1…中央部处的粘结相富集层的厚度
T2…端部处的粘结相富集层的厚度
R1…中央部处的直径
R2…端部处的直径
101…切削工具
103…兜孔
105…支架
107…固定器。

Claims (9)

1.一种被覆工具，具备：作为含有硬质粒子和粘结相的金属陶瓷的基体；和位于所述基体上的被覆层，
该被覆工具具有：
第1面；
第2面；
切削刃，位于所述第1面以及所述第2面的棱线的至少一部分；
第3面，位于所述第1面的相反侧；和
贯通孔，从所述第1面遍及到所述第3面，
构成所述贯通孔的内壁至少在中央部具有所述粘结相的含有率比所述基体的内部高的粘结相富集层，
所述中央部处的所述粘结相富集层的厚度T1比所述内壁的端部处的所述粘结相富集层的厚度T2厚，
所述被覆层至少位于所述粘结相富集层上，
所述被覆层具有含有立方晶的碳氮化钛的第1层，
该第1层的基于X射线衍射分析的所述碳氮化钛的取向系数Tc(220)为3.0以上。
2.根据权利要求1所述的被覆工具，其中，
所述厚度T1为1μm以上、20μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的被覆工具，其中，
所述厚度T2为0.2μm以上、6μm以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的被覆工具，其中，
所述中央部处的直径R1比所述端部处的直径R2大。
5.根据权利要求4所述的被覆工具，其中，
所述直径R1比所述直径R2大5μm以上、30μm以下。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的被覆工具，其中，
所述中央部处的所述粘结相富集层的硬度为10GPa以上、20GPa以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的被覆工具，其中，
所述中央部处的所述粘结相富集层在所述贯通孔的贯通轴侧具有所述粘结相的含有量比所述粘结相富集层多的金属层。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的被覆工具，其中，
所述被覆层具有硬度比所述粘结相富集层高的部分。
9.一种切削工具，具有：
支架，具有从第1端遍及到第2端的长度，具有位于所述第1端侧的兜孔；
位于所述兜孔的权利要求1～8中任一项所述的被覆工具；和
固定器，被插入到该被覆工具的所述贯通孔。
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