涂层刀具及具备该涂层刀具的切削刀具的制作方法

本发明涉及在基体的表面具有覆盖层的涂层刀具及具备该涂层刀具的切削刀具。

背景技术：

已知有在硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等基体表面形成层叠有ticn层、al2o3层的覆盖层的切削刀具等涂层刀具。

涂层刀具中的覆盖膜要求高的耐磨损性，al2o3层一般具有比ticn层高的耐磨损性，因此例如在专利文献1中，在具备al2o3层的涂层刀具中，通过控制al2o3层所包含的al2o3晶体的取向，来提高覆盖切削刀具的耐磨损性。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-137564号公报

技术实现要素：

本发明的涂层刀具具备基体、以及位于该基体上的覆盖层。所述覆盖层具备位于所述基体的附近的厚度为1μm以上的第一层、以及位于比该第一层远离所述基体的位置的第二层。使相对于纯水分散有3质量％的平均粒径为1.1～1.3μm的球形的al2o3粒子的液体a与所述第二层碰撞而测定得到的所述第二层的侵蚀率a2为0.4μm/g以下。使所述液体a与所述第一层碰撞而测定得到的所述第一层的侵蚀率a1为1.8μm/g以下。本发明的切削刀具具备：刀架，其从第一端向第二端延伸，并且在所述第一端侧具有刀槽；以及上述涂层刀具，其位于所述刀槽。

附图说明

图1是示出本发明的涂层刀具的一例的概略立体图。

图2是用于说明图1的涂层刀具中的覆盖层的剖面结构的示意图。

图3是示出本发明的切削刀具的一例的俯视图。

具体实施方式

＜涂层刀具＞

本发明的涂层刀具在图1所示的例子中，主面为大致四边形状的板状。但是，并不限定于该形状。涂层刀具1具有第一面2(以下记为主面2。)和第二面3，在第一面2与第二面3相交的部分的至少一部分具有切削刃4。第一面2是被称为前刀面的面，第二面3是被称为后刀面的面。因此，也可以说在前刀面2与后刀面3相交的部分的至少一部分具有切削刃4。

另外，如用于说明图2的涂层刀具1中的覆盖层7的剖面结构的示意图所示，涂层刀具1具备基体5和位于该基体5的表面的覆盖层7。

构成涂层刀具1的基体5的材质可以列举硬质合金、陶瓷或金属。作为硬质合金，可以是含有碳化钨(wc)和钴(co)、镍(ni)等铁属金属的硬质合金。作为其他硬质合金，可以是含有碳氮化钛(ticn)和钴(co)、镍(ni)等铁属金属的ti基金属陶瓷。陶瓷可以是si3n4、al2o3、金刚石、立方晶氮化硼(cbn)。作为金属，可以是碳钢、高速钢、合金钢。在上述材质中，在作为涂层刀具1使用的情况下，基体5由硬质合金或金属陶瓷构成在耐崩损性及耐磨损性的方面较佳。

如图2所示，覆盖层7具有位于基体5附近的厚度为1μm以上的第一层7a、以及位于比第一层7a远离基体的位置的第二层7b。需要说明的是，位于基体5附近是指位于比第二层7a靠近基体5的位置。第二层7a可以与基体5接触。

本发明的涂层刀具1中的第二层7b的侵蚀率a2为0.4μm以下，第一层7a的侵蚀率a1为1.8μm以下。

需要说明的是，侵蚀率是指，通过使相对于纯水100质量％分散有3质量％的平均粒径为1.1～1.3μm的球形的al2o3粒子的液体a与检查体碰撞，来评价被去除的检查体的深度。因此，若该侵蚀率小，则检查体的耐磨损性高。换言之，侵蚀率小的检查体不易磨损。需要说明的是，在测定侵蚀率时，可以使液体a与对象物的表面大致成直角地接触，以98～102m/s的速度使液体碰撞。

在侵蚀率的测定中，可以使用palmeso公司制的mse试验机mse-al2o3。

第一层7a例如可以是含有多个tin粒子的tin层、含有多个tic粒子的tic层、含有多个ticn粒子的ticn层、含有多个ticno粒子的ticno层。第二层7b例如可以是含有多个al2o3粒子的al2o3层、含有多个zro2粒子的zro2层。

上述的tic层、tic层、ticn层、ticno层分别是指含有tin、tic、ticn、ticno作为主要成分的层。主要成分是指在各个层所包含的晶体中含有50质量％以上的晶体。该含量例如可以通过使用x射线衍射的里特维德尔(rietveld)解析来求出。

本发明的涂层刀具1中的第一层的侵蚀率a1可以为1.5μm/g以下。另外，本发明的涂层刀具1中的第二层的侵蚀率a2可以为0.35μm/g以下。具有这种结构的涂层刀具1的耐磨损性、耐崩损性更优异。

另外，如图2所示，本发明的涂层刀具1可以在比第二层7b远离基体5的位置还具有作为最外层的第三层7c。第三层7c可以具有0.1μm以上的厚度。使该第三层7c的液体a碰撞而测定的侵蚀率a3可以为0.0～2.0μ/g。具有这种结构的涂层刀具1的耐磨损性、耐崩损性更优异。

另外，第三层7c也可以是含有多个tin粒子的tin层、含有多个tic粒子的tic层、含有多个ticn粒子的ticn层。若具有这样的第三层7c，则耐磨损性、耐崩损性优异，摩擦小，则能够顺畅地排出切削片。

另外，基体5也可以是以wc为主要成分的所谓硬质合金。另外，也可以使用以cbn、金刚石为主要成分的基体5。

另外，也可以在基体5与第一层7a之间还具有由tin构成的基底层(未图示)。基底层在基体5含有co、c(碳)、w(钨)等成分时，具有抑制这些成分向存在于基底层上的层扩散的功能。基底层可以设为0.1μm～1.0μm的厚度。

另外，也可以在第一层7a与第二层7b之间还具有ticno层(未图示)作为中间层。中间层也可以由多个中间层构成。该中间层的厚度分别小于1μm。

需要说明的是，各层的结构、厚度、以及构成各层的晶体的形状等可以通过观察涂层刀具1的剖面中的电子显微镜照片(扫描型电子显微镜(sem)照片或透射电子显微镜(tem)照片)来测定。

此外，上述涂层刀具1是将形成于前刀面与后刀面的交叉部的切削刃与被切削物接触而进行切削加工，能够发挥上述优异的效果。另外，本发明的涂层刀具1除了切削刀具之外，还能够应用于滑动部件、模具等耐摩部件、挖掘刀具、切削刃等刀具、耐冲击部件等的各种用途，在该情况下，也具有优异的机械可靠性。

接着，对本发明的刀具的制造方法的一例进行说明。

首先，在能够通过烧制形成作为基体的硬质合金的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物等无机物粉末中适当添加金属粉末、碳粉末等并进行混合，来制作混合粉末。接着，使用该混合粉末，通过冲压成形、浇铸成形、挤出成形、冷等静压成形等公知的成形方法成形为规定的刀具形状。通过在真空中或非氧化性气氛中烧制该成型体，来制作上述的基体。然后，根据需要对基体的表面实施研磨加工、切削刃部的珩磨加工。

接着，在其表面通过化学气相沉积(cvd)法将覆盖层成膜。

首先，将基体放置在腔室内，将作为基底层的tin层成膜。以如下方式进行成膜：将成膜温度设为830℃，将气体压力设为8kpa，关于反应气体的组成，使四氯化钛(ticl4)气体为0.1～20体积％，使氮(n2)气为20体积％，使其余为氢(h2)气。

接着，将作为ticn层的第一层成膜。以如下方式进行成膜：将成膜温度设为830℃，将气体压力设为9kpa，作为反应气体组成，以体积％计，使四氯化钛(ticl4)气体为5.0～20体积％，使氮(n2)气为10～90体积％，使乙腈(ch3cn)气体为0.01体积％～3.0体积％，使其余为氢(h2)气。此时，通过使乙腈(ch3cn)气体的含有比率在成膜后期比成膜初始增加，能够形成使构成第一ticn层的碳氮化钛柱状晶体的平均晶体宽度在表面侧比在基体侧大的结构。第一层的厚度为1μm以上。第一层的厚度可以设为3～20μm。

接着，制作作为ticn层的第一中间层。以如下方式进行成膜：将成膜温度设为950℃，将气体压力设为9kpa，关于反应气体的组成，使四氯化钛(ticl4)气体为10～20体积％，使甲烷(ch4)气体为0.5～10体积％，使氮(n2)气为10～70体积％，使其余为氢(h2)气。该第一中间层的厚度小于1μm。

接着，将作为ticno层的第二中间层。以如下方式进行成膜：首先，将成膜温度设为950℃，将气体压力设为9kpa，关于反应气体组成，使四氯化钛(ticl4)气体为10～20体积％，使甲烷(ch4)气体为0.5～10体积％，使氮(n2)气为10～20体积％，使一氧化碳(co)气体为0.1～3.0体积％，使其余为氢(h2)气。该第二中间层的厚度小于1μm。另外，第一中间层与第二中间层的厚度之和小于1μm。

作为al2o3层的第二层以如下方式进行成膜：将成膜温度设为950℃～1100℃，将气体压力设为5kpa～20kpa，关于反应气体的组成，使三氯化铝(alcl3)气体为5～20体积％，使氯化氢(hcl)气体为0.006～2体积％，使二氧化碳(co2)气体为0.01～5体积％，使硫化氢(h2s)气体为0.001～0.01体积％，氩(ar使其余为氢(h2)气。第二层的厚度可以设为1～15μm。

然后，将最外层即作为第三层的tin层成膜。以如下方式进行成膜：将成膜温度设为1010℃，将气体压力设为10kpa，关于反应气体组成，使四氯化钛(ticl4)气体为0.06～5体积％，使氮(n2)气为10～30体积％，使其余为氢(h2)气。第三层的厚度可以设为0.1～2μm。

需要说明的是，在上述的例子中，示出了设置第一中间层、第二中间层、第三层的例子，但也可以直接在基体的表面层叠作为ticn层的第一层和作为al2o3层的第二层。

以上，对本发明的涂层刀具1进行了说明，但本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种改良及变更。

＜切削刀具＞

接着，使用附图对本发明的切削刀具进行说明。

如图6所示，本发明的切削刀具101例如是从第一端(图6中的上端)向第二端(图6中的下端)延伸的棒状体。如图10所示，切削刀具101具备：刀架105，其在第一端侧(前端侧)具有刀槽103；以及上述涂层刀具1，其位于刀槽103。切削刀具101具备涂层刀具1，因此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，且具有相对于刀架105的下表面平行的坐落面和相对于坐落面倾斜的约束侧面。另外，刀槽103在刀架105的第一端侧开口。

涂层刀具1位于刀槽103中。此时，涂层刀具1的下表面也可以与刀槽103直接接触，另外，片材(未图示)也可以夹在涂层刀具1与刀槽103之间。

涂层刀具1以第一面3与第二面5相交的棱线中的用作切削刃7的部分的至少一部分从刀架105向外侧突出的方式装配于刀架105。在本实施方式中，涂层刀具1通过固定螺钉107装配于刀架105。即，通过将固定螺钉107插入涂层刀具1的贯通孔17中，将该固定螺钉107的前端插入到形成于刀槽103的螺纹孔(未图示)中而使螺纹部彼此螺合，由此将涂层刀具1装配于刀架105。

作为刀架105的材质，可以使用钢、铸铁等。这些构件中也可以使用韧性高的钢。

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101。作为车削加工，例如可以列举内径加工、外径加工及切槽加工等。需要说明的是，作为切削刀具101，并不限定于车削加工中使用的刀具。例如，用于铣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。

实施例

首先，以使平均粒径1.2μm的金属钴粉末为6质量％、使平均粒径2.0μm的碳化钛粉末为0.5质量％、使平均粒径2.0μm的碳化铌粉末为5质量％、其余为平均粒径1.5μm的碳化钨粉末的比例添加并混合，通过冲压成形而成形为刀具形状(cnmg120408)。然后，实施脱蜡处理，在1500℃、0.01pa的真空中烧制1小时，制作由硬质合金构成的基体。然后，对制作的基体进行刷光加工，对成为切削刃的部分实施r珩磨。

接着，对于上述的硬质合金的基体，通过化学气相沉积(cvd)法，如表2、表3中记载那样组合表1所示的单独的成膜条件，将覆盖层成膜来制作涂层刀具。但是，在第一层与第二层之间依次对作为ticn层的第一中间层及作为ticno层的第二中间层进行制膜。第一中间层的厚度为0.5μm，第二中间层的厚度为0.1μm。

在表1中，t1～t4是作为第一层的ticn层的成膜条件。另外，a1～a5是作为第二层的al2o3层的成膜条件。s1～s3是作为第三层的tin层的成膜条件。

在表1中，各原料气体用化学符号标记，将各原料气体的所占比例用体积％表示。第一层的厚度均为5μm。第二层的厚度均为5μm。第三层的厚度为0.5μm。

表2所示的第一层均为ticn层。另外，表2所示的第二层均为al2o3层。另外，表3所示的第三层均为tin层。

需要说明的是，表中没有记载的第一中间层以如下方式进行成膜：将成膜温度设为950℃，将气体压力设为9kpa，关于反应气体的组成，使四氯化钛(ticl4)气体为15体积％，使甲烷(ch4)气体为5体积％，使氮(n2)气为20体积％，使其余为氢(h2)气。

另外，表中没有记载的第二中间层层9以如下方式进行成膜：首先，将成膜温度设为950℃，将气体压力设为9kpa，关于反应气体组成，使四氯化钛(ticl4)气体为15体积％，使甲烷(ch4)气体为5体积％，使氮(n2)气为15体积％，使一氧化碳(co)气体为1.0体积％，使其余为氢(h2)气。

关于上述试样，对包含覆盖层的剖面进行sem观察，测定各层的厚度。接着，从与覆盖层垂直的方向，以100m/s的速度使液体a碰撞，测定各层的侵蚀率(μm/g)。

接着，使用得到的涂层刀具，在下述的条件下进行磨损切削试验及断续切削试验，评价磨损寿命。试验结果如表2、3所示。

＜磨损切削条件＞

被切削材料：铬钼钢圆棒材料(scm435)

刀具形状：cnmg120408

切削速度：300m/分钟

进给速度：0.3mm/rev

切口：1.5mm

其他：使用水溶性切削液评价项目：由于前面磨损的进行而使母材在前刀面露出所花费的时间＜断续切削条件＞

被切削件：铬钼钢4根切槽圆棒材料(scm440)

刀具形状：cnmg120408

切削速度：300m/分钟

进给速度：0.3mm/rev

切口：1.5mm

其他：使用水溶性切削液

评价项目：在刀尖缺损之前对刀尖施加的冲击次数

[表1]

[表2]

[表3]

如表2所示，具有侵蚀率a2为0.4μm/g以下、侵蚀率a1为1.8μm/g以下的第一层的试样no.1、2、6、7具有优异的耐磨损性。

另外，如表3所示，还具有侵蚀率a3为2.0μm/g以下的最外层即第三层的试样no.26、28具有更优异的耐磨损性。

附图标记说明：

1···涂层刀具

2···前刀面

3···后刀面

4···切削刃

5···基体

7···覆盖层

7a···第一层

7b···第二层

7c···第三层

101···切削刀具

103···刀槽

105···刀架

107···固定螺钉。