CN111886096A - 刀片和具备它的切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明的刀片具备：基体、和涂覆该基体的表面的涂层。所述基体具有：含有含Ti的碳氮化物的硬质相；和含有Co的粘结相。所述涂层，在与所述基体相接的位置，具有含多个TiN粒子的第一层。所述TiN粒子，在与基体的表面垂直的截面中，与所述基体的表面平行的方向的宽度为35nm以下。另外，本发明的切削刀具具备：从第一端朝向第二端延伸，在所述第一端侧具有卡槽的刀柄；和位于所述卡槽的位于所述卡槽的上述的刀片。

Description

刀片和具备它的切削刀具
技术领域
本发明涉及在切削加工中使用的刀片和具备它的切削刀具。
背景技术
现在，作为切削刀具、耐磨损性构件和滑动构件等需要耐磨损性、润滑性和耐缺损性的构件的基体，广泛使用以钛(Ti)为主成分的金属陶瓷。
例如，专利文献1中公开有一种表面涂覆碳氮化钛基金属陶瓷制切削刀具，其含有12～20％的以钴(Co)和镍(Ni)为主体的粘结相成分，在表面部形成由金属粘结相构成成分构成的熔出合金相，再在其上设置具有防扩散作用的TiN层，从而抑制缺损和崩刃的发生。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5989930号
发明内容
本发明的刀片具备：基体、和涂覆该基体的表面的涂层。所述基体具有：含有含Ti的碳氮化物的硬质相；和含有Co的粘结相。所述涂层，在与所述基体相接的位置，具有含多个TiN粒子的第一层。所述TiN粒子，在与基体的表面垂直的截面中，与所述基体的表面平行的方向的宽度为35nm以下。另外，本发明的切削刀具具备：从第一端朝向第二端延伸，在所述第一端侧具有卡槽的刀柄；和位于所述卡槽的位于所述卡槽的上述的刀片。
附图说明
图1是表示本发明的刀片的一例的立体图。
图2是表示本发明的刀片的表面附近的剖面的放大概要图。
图3是表示本发明的切削刀具的一例的俯视图。
具体实施方式
以下，对于本发明的刀片，使用附图详细说明。但是，以下参照的各图，为了便于说明，只将实施方式在说明上必要的主要构件简略化表示。因此，本发明的刀片，能够具备所参照的各图中未展示的任意的结构构件。另外，各图中的构件的尺寸，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。这些方面在后述的切削刀具中也同样。
本发明的刀片1，如图1、2所示，具有基体3。基体3具有：含有含Ti的碳氮化物的硬质相(未图示)；和包含含有Co的粘结相(未图示)。基体3是所谓的金属陶瓷。具体来说，作为金属陶瓷，除了TiCN以外，还可列举含有TiC或TiN等的。本发明的刀片1具备覆盖基体3的至少一部分的涂层5。涂层5，例如，可以由CVD法形成。涂层5在与基体3相接的位置，具有含有多个TiN粒子的第一层5a。刀片1可以在此第一层5a之上，还具有含有TiCN粒子的第二层5b。另外，刀片1可以在第二层5b之上，还具有含有Al2O3粒子的第三层5c。
第一层5a具有多个TiN粒子。在与基体3的表面垂直的截面中，TiN粒子的与基体3的表面平行的方向的宽度(以下，也称为TiN粒子的宽度)为35nm以下。若具有这样的构成，则第一层5a与基体3的密接性优异。另外，涂覆膜5的耐磨损性高。
还有，TiN粒子的宽度的测量，可以在距基体3的表面0.05μm的位置进行测量。另外，第一层5a的厚度为0.05μm以下时，可以在第一层5a的厚度的一半的位置测量TiN粒子的宽度。TiN粒子的宽度，是在上述的位置测量的多个TiN粒子的宽度的平均值。
另外，与基体的表面垂直的方向的TiN粒子的高度相对于与基体3的表面平行的方向的TiN粒子的宽度之比(以下，也称为高宽比)，可以为1.0～1.7。若具有这样的构成，则第一层5a与基体3的接着力优异。
还有，TiN粒子的高宽比，可以对于从基体3的表面起至0.05μm的位置上存在的TiN粒子进行测量。
另外，第一层5a的厚度也可以是0.1～1.0μm。若第一层5a的厚度为0.1μm以上，则抑制基体3中包含的粘结相成分向被膜扩散，耐缺损性优异。若第一层5a的厚度为1.0μm以下，则上层的第二层5b中包含的TiCN粒子变得微细，耐磨损性优异。特别是第一层5a的厚度可以为0.3～0.7μm。
还有，第一层5a中包含的TiN粒子也可以不由纯粹的TiN构成。例如，也可以含有C和O。但是，所包含的成分之中，Ti或N的含量比其他的成分多。
涂层5，可以在第一层5a之上，按顺序配置含多个TiCN粒子的第二层5b、含Al2O3粒子的第三层5c。
本发明的刀片1的形状，例如，是四边形板状，图1中的上表面是所谓的前刀面。另外，与上表面相反具有下表面，在上表面与下表面之间具有分别与之相连的侧面。侧面至少一部分是所谓的后刀面。
本发明的刀片1，具有位于上表面与侧面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。换言之，就是具有位于前刀面与后刀面相交的棱线的至少一部分上的刃口7。
在刀片1中，可以是前刀面的外周的整体成为刃口7，但刀片1不受这样的构成所限定，例如，也可以只在四边形的前刀面的一边具有刃口7，或者部分性地具有刃口7。
刀片1的大小没有特别限定，例如，前刀面的一边的长度可设定为3～20mm左右。另外，刀片1的厚度，例如可设定为1～20mm左右。
另外，粘结相在基体3的截面中，可以占据5～25面积％的比例。粘结相中，除去不可避免的杂质以外，可以只由Co和W构成。粘结相含有Co和W以外的元素时，各个元素的含量可以在0.5质量％以下。
本发明的刀片1的基体3可以含有Co0.93W0.07。由此，成为耐磨损性、耐缺损性优异的刀片1。还有，Co0.93W0.07是由JCPDS卡的PDF：01－071－7509表示的结晶。
还有，若使作为粘结相发挥功能的金属大体上只有Co，则容易得到Co0.93W0.07在基体3适度分散，耐磨损性、耐缺损性高的基体3。
基体3在基于X射线衍射的结晶相分析中，总结晶中所占的Co0.93W0.07的比例可以为5～10。另外，也可以为8～10。若像这样Co0.93W0.07的含量多，则基体3的耐磨损性、耐缺损性高。
上述的Co0.93W0.07的比例，是通过使用了X射线装置：PANalytical社制X’Pert Pro2θ：10～100、分析软件RIETAN－FP的Rietveld法，计算出检测到的全部的结晶的比例中所占的Co0.93W0.07的比例。
涂层5在具有第二层5b时，第二层5b中包含作为TiCN结晶的TiCN粒子。TiCN结晶的热膨胀系数为8×10－6/℃左右，若使基体3的热膨胀系数为9.0×10－6/℃以上，则第三层5b的热膨胀系数比基体3的热膨胀系数小。
第二层5b处于基体3与第三层5c之间，在抑制第三层5c剥落的同时，还抑制磨料磨损。
在图2所示的例子中，第三层5c位于第二层5b之上。第三层5c中包含作为Al2O3结晶的Al2O3粒子。Al2O3结晶的热膨胀系数为7.2×10－6/℃左右，比基体3和第二层5b的热膨胀系数小。
第二层5b与第三层5c可以直接接触，例如，也可以有TiN层(未图示)位于两者之间。
在具有这样构成的刀片1中，通过调整基体3的热膨胀系数、和第三层5c的厚度，能够对第二层5b和第三层5c施加适度的压缩应力。例如，第三层5c的厚度为2μm以上。
于是，可以使施加于第二层5b的压缩应力为250～500MPa，施加于第三层5c的压缩应力为450MPa以上，使施加于第三层5c的压缩应力比施加于第二层5b的压缩应力的值大。若具有这样的构成，则刀片1其耐磨损性和耐久性优异。
还有，施加于第二层5b和第三层5c的压缩应力，例如，可以基于使用了2D法的测量进行判断。具体来说，就是将后刀面的距刃口7离开1mm以上的部分作为测量位置，测量X射线衍射峰。关于由测量结果特定的晶体结构，能够通过确认测量结果中的2θ的值，相对于作为JCPDS卡所记述的标准的2θ的值如何偏离而求得。
在此，残余应力是负值时，残余应力是压缩应力。表示压缩应力的值时，不带负号，而是以绝对值表现。
若基体3的热膨胀系数大，则施加于第二层5b和第三层5c的压缩应力的值处于变大的倾向。
若比较构成涂层5的第二层5b和第三层5c，则第三层5c处于更远离基体3的位置。因此，使用本发明的切削刀具1加工被加工物时，第三层5c先于第二层5b与被加工物接触。第三层5c含有Al2O3粒子，具有2μm以上的厚度时，耐磨损性、耐氧化性高。另外，如果第三层5c的厚度在2.5μm以上且8.0μm以下，则耐磨损性和耐氧化性更优异。
若考虑第二层5b和第三层5c的功能，则第二层5b的厚度与第三层5c的厚度之和，也可以为7μm以上且18μm以下。另外，也可以为8μm以上且16μm以下。
第二层5b，其厚度可以为5μm以上且10μm以下。若在这样的范围，则刀片1耐磨损性和耐缺损性优异。
另外，第三层5c的厚度，相对于第二层5b的厚度与第三层5c的厚度之和，可以为0.2～0.4倍。这样构成的刀片1，耐磨损性和耐缺损性优异。
另外，第三层5c，可以以沿着与基体3的主面垂直的方向的方式定向Al2O3结晶的C轴。若换种说法，就是含有α－Al2O3粒子，该α－Al2O3粒子可以成为相对于基体3的主面在垂直方向上延伸的柱状。
另外，在本发明的刀片1的基体3中，可以在表面存在粘结相的比例比基体3的内部更多的粘结相富化层。该粘结相富化层的厚度可以为1μm以上且10μm以下。
以下说明本发明的刀片的制造方法。
表1中，显示在后述的实施例中使用的、作为刀片的基体的原料粉末的比例。各原料的平均粒径，全部用1μm以下的。
这些原料粉末，一般是在金属陶瓷的制造中使用的。本发明的基体的组成也不特殊。本发明的刀片中包含的Co0.93W0.07，是作为原料使用的Co和W在刀片的制造过程中反应而形成的。
在原料的调合之时，通过调整含有的C量，能够得到含有Co0.93W0.07的基体。原料中的C量，可以以调合组成比计为C/(硬质相)＝8.0～9.1。若使C/(硬质相)为9.1以下，则能够得到含有Co0.93W0.07的基体。若使C/(硬质相)为8.0以上，则能够抑制η相增加，因此能够抑制Co0.93W0.07相对减少。
还有，所谓原料中的C量，除了作为碳素而添加的C之外，例如，还包括各原料粉末中所包含的C。另外，所谓硬质相，是指刀片中能够作为硬质相存的，例如，不包括Fe、Ni、Co和Mn、Mo的金属、氧化物和碳氧化物。
在这样的组成范围的原料粉末中添加粘结剂后，例如，通过冲压成形，整理成希望的形状，在除去粘结剂成分的脱脂工序之后，例如，在氮或真空气氛中，于1500～1550℃的温度区域烧成，从而得到致密质的基体。
还有，在脱脂工序中，真空中以200℃、300℃分别保持1小时，其后，升温至450℃，保持1小时。这时，在450℃的工序中，为了抑制作为原料而添加的C减少，使CO2气达到1～5kPa的压力而将其导入脱脂炉。如此能够精密地控制C量。还有，也可以预先准备Co0.93W0.07，作为原料粉末使用。
基体在25～1000℃下的热膨胀系数可以为9.0×10－6以上。
接着，设置涂层。首先，在基体的表面形成含多个TiN粒子的第一层。
为了得到具有与基体的表面平行的方向的宽度为35nm以下的微细的TiN粒子的第一层，基体所含的粘结相成分之中，可以使Co的比率为97.0质量％以上。具体来说，可以使基体所含的Co/(Co+Ni+Fe)为97.0质量％以上。此外，也可以使基体所含的Co/(Co+Ni+Fe)为99.9质量％以上。
如此，若使粘结相中的Co的比例增加，则能够得到宽度小的TiN粒子。
除去杂质以外，此外作为粘结相，也可以只含有Co。粘结相只有Co时，例如，作为硬质相的原料粉末，平均粒径为1μm以下，也可以进一步为0.6μm以下。还有，基体3中所占的Co的含量也可以为16质量％以上。
另外，作为粘结相，含有Fe和Ni时，硬质相与粘结相的润湿性提高。
若使粘结相中的Co的含有比例为99.9质量％以上，Co含量相对于基体总体为16质量％以上，则能够使TiN粒子的高宽比为1.0～1.7。
第一层，例如，可以按如下条件制膜：温度：800～900℃、压力8～20kPa、TiCl4浓度：0.2～2.5mol％、N2浓度：25.0～49.9mol％、H2浓度40.0～74.8mol％。
此外在第一层之上，也可以形成含多个TiCN粒子的第二层。也可以再在其上形成含多个Al2O3粒子的第三层。第一层、第二层和第三层，可以由化学蒸镀(CVD)法形成。通过此CVD蒸镀法，成膜时的成膜温度越高，施加于所形成的膜的压缩应力越大。因此，可以根据需要调整成膜温度。
另外，像上述这样控制第二层、第三层的厚度，也能够控制施加于第二层、第三层的压缩应力。
先测量所制作的刀片的TiCN层、Al2O3层的压缩应力，基于此结果，调整成膜温度和成膜时间，能够制造具有希望的压缩应力的刀片。
＜切削刀具＞
接着，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3所示，例如，是从第一端(图3中的上端)朝向第二端(图3中的下端)延伸的棒状体。切削刀具101，如图3所示，具备：在第一端侧(前端侧)具有卡槽103的刀柄105；和位于卡槽103的上述的刀片1。切削刀具101，因为具备刀片1，所以能够长期进行稳定的切削加工。
卡槽103是安装刀片1的部分，具有相对于刀柄105的下表面平行的支承面，和相对于支承面倾斜的限制侧面。另外，卡槽103在刀柄105的第一端侧开口。
刀片1位于卡槽103。这时，刀片1的下表面可以直接接触卡槽103，另外，在刀片1与卡槽103之间也可以夹隔垫片(未图示)。
刀片1以使前刀面和后刀面相交的棱线中作为刃口7被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，刀片1由固定螺栓107安装在刀柄105上。即，在刀片1的贯通孔17中***固定螺栓107，将该固定螺栓107的前端***形成于卡槽103的螺丝孔(未图示)而使螺栓部之间拧紧，由此，刀片1被安装在刀柄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以使用韧性高的钢。
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101。作为车削加工，例如，可列举内径加工、外径加工、开槽加工和端面加工等。还有，作为切削刀具101不限定用于车削加工。例如，用于滚削加工的切削刀具101也可以使用上述的实施方式的刀片1。
实施例
以下，对于本发明的刀片进行说明。
基体以如下方式制作。使用表1所示的比例的原料粉末制作刀具形状的成形体，除去粘结剂成分后，烧成，制作基体。这些试料之中，试料No.1～14的基体是所谓的金属陶瓷。试料No.15的基体，是所谓的超硬合金。还有，在脱脂工序中，在真空中以200℃、300℃分别保持1小时，之后，升温至450℃，保持1小时。这时，在450℃的工序中，以3kPa的压力将CO2气导入脱脂炉。
【表1】
Figure BDA0002688358160000091
【表2】
Figure BDA0002688358160000101
在该基体的表面，以表2所示的成膜条件，通过CVD蒸镀法，以表2所示的成膜条件形成TiN层。再在TiN层之上形成TiCN层。再在TiCN层之上形成Al2O3层。
基体中有无Co0.93W0.07显示在表1中。在所得到的刀片的截面中，测量与基体的表面平行的方向的TiN粒子的宽度和TiN粒子的高宽比。表2中显示其结果。
所得到的刀片，按以下的条件，进行切削试验。
(耐磨损性试验)
被切削材：SAPH440
切削速度：1000m/min
进刀：0.15mm/rev
进刀量：0.25mm
切削状态：湿式
评价方法：在切削了切削长度5.0km的时刻的后刀面磨损宽度(μm)
(耐崩刃性试验)
被削材：SAPH440 12条开槽(10mm宽度)
切削速度：1000m/min
进刀：0.15mm/rev
进刀量：0.25mm
切削状态：湿式
评价方法：至缺损的冲击次数(次)
作为基体使用超硬合金的试料No.15的TiN粒子的宽度高于35nm。
粘结相中的Co的比例为97质量％以上的试料No.2～5、7～14，TiN层的TiN粒子的宽度为35nm以下。这些试料，比TiN粒子的宽度高于35nm的试料No.1、6、15，显示出更优异的耐磨损性、耐缺损性。
另外，粘结相中的Co的比例为99质量％以上的试料No.2～5、7～10、11～14，第一层的TiN粒子的宽度为20nm以下，显示出优异的耐磨损性、耐缺损性。
另外，钴成分的量相对于基体总体为15质量％以上，Co/(Co+Fe+Ni)相对于基体总体为99质量％以上的试料No.2、3、5、7～10、12～14，与基体的表面垂直的方向的高度相对于TiN粒子的与基体的表面平行的方向的宽度之比为1.0～1.7以下，显示出优异的耐磨损性、耐缺损性。
符号说明
1…刀片
3…基体
5…涂层
5a…第一层
5b…第二层
5c…第三层
7…切刃
17…贯通孔
101…切削刀具
103…卡槽
105…刀柄
107…固定螺栓

Claims (10)

1.一种刀片，其具备：基体、和涂覆该基体的表面的涂层，其中，
所述基体具有：
含有含Ti的碳氮化物的硬质相；和
含有Co的粘结相，
所述涂层，在与所述基体相接的位置，具有包含多个TiN粒子的第一层，
所述TiN粒子，在与基体的表面垂直的截面中，与所述基体的表面平行的方向的宽度为35nm以下。
2.根据权利要求1所述的刀片，其中，所述TiN粒子，在与基体的表面垂直的截面中，与所述基体的表面垂直的方向的高度相对于与所述基体的表面平行的方向的宽度之比为1.0～1.7。
3.根据权利要求1或2所述的刀片，其中，所述涂层，在与所述第一层相比远离所述基体的位置，具有包含多个TiCN粒子的第二层，在与该第二层相比远离所述基体的位置，具有包含多个Al2O3粒子的第三层。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的刀片，其中，所述基体含有以总量计为16质量％～25质量％的所述Co、Ni和Fe。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的刀片，其中，所述基体中，以Co/(Co+Ni+Fe)求得的Co的含有率为99.0质量％以上。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的刀片，其中，所述基体，在25℃～1000℃下的热膨胀系数为9.0×10－6/℃以上，
所述第二层，压缩应力为250MPa～500MPa，
所述第三层，具有2μm以上的厚度，压缩应力为450MPa以上，与所述TiCN层相比压缩应力的值大。
7.根据权利要求3～6中任一项所述的刀片，其中，所述第三层，厚度为2.5μm以上且8.0μm以下。
8.根据权利要求3～7中任一项所述的刀片，其中，所述第二层，厚度为5μm以上且10μm以下。
9.根据权利要求3～8中任一项所述的刀片，其中，所述第三层的厚度是所述第二层的厚度与所述第三层的厚度之和的0.2～0.4倍的范围。
10.一种切削刀具，其具备：
从第一端朝向第二端延伸，在所述第一端侧具有卡槽的刀柄；和
位于所述卡槽的权利要求1～9中任一项所述的刀片。
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