CN114829044A - 包覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基材的表面由硬质皮膜包覆的包覆切削工具。硬质皮膜包括面心立方晶格结构的A层和面心立方晶格结构的B层，该A层被配置在基材的表面，并且在金属(包括半金属)元素中W含有得最多，其次Ti含有得多，W与Ti的合计含有比率为85原子％以上，该B层被配置在A层之上，由含有Al、Cr和Si的氮化物或碳氮化物构成，该含有Al、Cr和Si的氮化物或碳氮化物在金属(包括半金属)元素中Al的含有比率(原子％)为50％以上、Al与Cr的合计含有比率(原子％)为85％以上、Si的含有比率(原子％)为4％以上且15％以下。
Description
技术领域
本发明涉及立铣刀等的包覆切削工具。
本申请基于2019年12月24日在日本申请的专利申请2019-233353号要求优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
AlCrSi的氮化物或碳氮化物是一种耐热性和耐磨性优异的膜的种类，适用于包覆切削工具。作为可适用于高硬度钢的铣削加工的工具，本发明人提出了如下包覆切削工具(专利文献1)：该包覆切削工具在基材的正上方通过Ti轰击而形成有hcp结构的含有W和Ti的中间皮膜，并且在其正上方设置有提高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。
专利文献1：国际公开第2014/156699号
专利文献1所记载的包覆切削工具为在高硬度钢的切削加工中耐久性优异的工具。另一方面，本发明人确认到由Ti轰击形成的中间皮膜的组成容易产生偏差。如果中间皮膜的组成偏差较大，则硬质皮膜的耐久性会根据加工条件或工具形状而容易变动，还存在工具性能不稳定的可能性。
发明内容
本发明人发现了以下见解，并完成了本发明。
本发明人将由Ti轰击形成的中间皮膜的组成设为包含设置于中间皮膜的正上方的硬质皮膜的成分的量较少且以W和Ti为主体的组成。本发明人确认到通过设为上述组成的中间皮膜，中间皮膜的组成偏差较小，并且晶体结构成为面心立方晶格结构。并且，本发明人确认到通过在上述面心立方晶格结构的中间皮膜之上进行由调整Si含量的AlCrSi系氮化物或碳氮化物构成的硬质皮膜的成膜，从而能够得到具有优异的耐久性的包覆切削工具。
即，本发明是基材的表面由硬质皮膜包覆的包覆切削工具。所述硬质皮膜包括面心立方晶格结构的A层和面心立方晶格结构的B层，所述A层被配置在所述基材的表面，并且在金属(包括半金属)元素中W含有得最多，其次Ti含有得多，W与Ti的合计含有比率为85原子％以上，所述B层被配置在所述A层之上，由含有Al、Cr和Si的氮化物或碳氮化物构成，所述含有Al、Cr和Si的氮化物或碳氮化物在金属(包括半金属)元素中Al的含有比率(原子％)为50％以上、Al与Cr的合计含有比率(原子％)为85％以上、Si的含有比率(原子％)为4％以上且15％以下。
优选在A层的金属(包括半金属)元素中W与Ti的合计含有比率为85原子％以上。
优选在A层的金属(包括半金属)元素中Al与Si的合计含有比率为10原子％以下。
在B层之上可进一步具有C层，所述C层由金属(包括半金属)的氮化物或碳氮化物构成。
优选C层为在金属(包括半金属)元素中Ti的含有比率(原子％)为50％以上、Si的含有比率(原子％)为1％以上且30％以下的氮化物或碳氮化物。
根据本发明，能够提供一种耐久性优异的包覆切削工具。
附图说明
图1是实施例1的工具刀刃部的透射电子显微镜照片。图中的1所表示的点是基材，2所表示的点是A层，3所表示的点是B层。
图2是表示实施例1的基材的受限视场衍射图案的图。
图3是表示实施例1的基材的组成分析结果的图。
图4是表示实施例1的A层的受限视场衍射图案的图。
图5是表示实施例1的A层的组成分析结果的图。
图6是表示实施例1的B层的受限视场衍射图案的图。
图7是表示实施例1的B层的组成分析结果的图。
具体实施方式
本发明人对包覆切削工具在高硬度钢的高效率加工中的损坏因素进行了研究，确认到以形成硬质皮膜的柱状晶界为起点容易发生皮膜破坏。并且，发现了通过在以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物的基础上使皮膜组织微细化来降低成为破坏的起点的晶界很有效，其中，该以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物为耐热性和耐磨性优异的皮膜种类。另外，发现为了进一步提高因使硬质皮膜的组织微细化引起的基材与硬质皮膜的密接性而设置面心立方晶格结构(fcc结构)的中间皮膜，从而完成了本发明。以下，对本发明进行详细说明。
本实施方式的包覆切削工具具备基材、配置在基材的表面的A层和配置在A层之上的B层。在本实施方式的包覆切削工具中，B层是对工具赋予耐久性的硬质皮膜。A层是提高B层与基材的密接性的中间皮膜。
作为基材，可使用用于切削工具的WC基硬质合金基材。基材可以是刀头和刀柄呈一体的整体工具，也可以是头部交换式工具的刀头，还可以是安装于刀座的切削刀片。
首先，对作为本发明的硬质皮膜的B层进行说明。
B层是设置在后述的A层之上的由以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物构成的硬质皮膜。以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物是作为包覆切削工具能够发挥优异的耐磨性和耐热性的膜的种类。作为B层更优选的材质是耐热性优异的氮化物。
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，在B层的金属(包括半金属，下同)元素的含有比率(原子％，下同)中将Al的含有比率设为50％以上。进一步地，优选将B层的Al的含有比率设为55％以上。另一方面，当Al的含有比率过多时，B层以密排六方结构(hcp结构)为主体，存在包覆切削工具的耐久性降低的倾向。因此，优选将B层的Al的含有比率设为70％以下。关于B层，为了以高水平兼顾耐热性和耐磨性，将Al与Cr的合计含有比率设为85％以上。进一步地，优选将B层的Al与Cr的合计含有比率设为90％以上。
Cr是将B层的晶体结构设为面心立方晶格结构(fcc结构)且提高包覆切削工具的耐磨性和耐热性的元素。当Cr的含有比率过少时，B层以密排六方结构(hcp结构)为主体，存在包覆切削工具的耐久性降低的倾向。因此，B层的Cr的含有比率优选为20％以上。此外，本发明中的半金属是Si、B(硼)。
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和Si含有比率少的AlCrSiN的柱状粒子粗大。这种组织形态的硬质皮膜由于成为皮膜破坏的起点的晶界较多，因此存在后刀面磨损增大的倾向。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剖面观察(20000倍)中难以观察到明确的柱状粒子。关于这种组织形态的硬质皮膜，成为破坏的起点的柱状晶界较少，能够抑制后刀面磨损。但是，当Si含有比率变大时，B层容易以非晶质和密排六方结构(hcp结构)为主体，包覆切削工具的耐久性降低。为了在不降低包覆切削工具的耐久性的情况下使皮膜组织充分微细化，将B层的Si的含有比率设为4％以上且15％以下是很重要。B层的Si的含有比率优选为5％以上。B层的Si的含有比率优选为10％以下。
在本实施方式的包覆切削工具中，B层为面心立方晶格结构(fcc结构)是很重要。在本实施方式中，所谓面心立方晶格结构(fcc结构)是指例如在X射线衍射中由面心立方晶格结构(fcc结构)引起的衍射强度表示最大强度。由于由密排六方结构(hcp结构)引起的衍射强度表示最大强度的硬质皮膜很脆弱，因此作为包覆切削工具缺乏耐久性。特别是，在湿式加工中，存在耐久性降低的倾向。
关于B层，优选在X射线衍射中未确认到由ZnS型晶体结构引起的衍射强度。然而，如果由NaCl型晶体结构引起的衍射强度表示最大强度，则B层可以部分含有密排六方结构(hcp结构)和非晶质相。
但是，在皮膜的被检面积小的情况下，或者在B层之上包覆后述的其他皮膜的情况下，有时难以通过上述X射线衍射来确定面心立方晶格结构(fcc结构)。即使在这种情况下，例如也可以通过使用透射电子显微镜(TEM)的受限视场衍射法进行晶体结构的确定。
本实施方式中的B层的微观组织是在Si含量对于总体Si量相对多的晶相中分散Si含量对于总体Si量相对少的晶相的组织形态。通过使B层成为这样的组织形态，从而对硬质皮膜赋予更高的残余压缩应力，并且在微观水平上也抑制裂纹的发展。由此，认为能够发挥优异的耐久性。一般而言，当Si含有比率增大时，以Al和Cr为主体的氮化物或碳氮化物容易成为以非晶质相为主体的组织形态，存在韧性降低的倾向。
本实施方式的B层是具有晶相的晶体结构的层。为了提高B层的结晶性，在成膜装置内提高基材附近的磁通密度进行包覆。具体而言，在成膜装置中，靶中心附近的平均磁通密度为14mT以上。另外，在靶背面及外周配备永久磁铁，使用调整为磁力线到达基材附近的阴极来包覆B层。另外，当施加到基材的负的偏置电压的绝对值变小时，存在非晶质相增加的倾向。在B层的包覆中，优选以-250V以上且-100V以下的偏置电压进行包覆。为了使晶相更稳定，更优选以-220V以上且-150V以下的偏置电压进行包覆。
如果B层在由面心立方晶格结构(fcc结构)引起的衍射强度表示最大强度的范围内，则在考虑Al、Cr、Si的含量的情况下可以含有其他金属元素。例如，以提高硬质皮膜的耐磨性、耐热性、润滑性等为目的，可以含有选自元素周期表的4a族、5a族、6a族的元素以及B、Y、Cu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在AlTiN系或AlCrN系的硬质皮膜中通常添加的元素，如果含有比率不过大，则不会显著降低包覆切削工具的耐久性。
但是，如果B层含有较多的除了Al、Cr和Si以外的金属元素，则上述基础特性受损，包覆切削工具的耐久性有可能降低。因此，即使在B层含有除了Al、Cr和Si以外的添加元素的情况下，也优选将添加元素的合计含有比率设为10％以下。进一步地，即使在B层含有除了Al、Cr和Si以外的金属元素的情况下，也优选将添加元素的合计含有比率设为5％以下。
如果B层的膜厚过薄，则有时无法充分发挥优异的耐久性。另外，如果膜厚过厚，则有时会发生皮膜剥离。关于B层的厚度，例如从0.5μm以上且10μm以下的范围中选择适当的值即可。B层的厚度更优选为1μm以上。另外，B层的厚度更优选为5μm以下。
在本实施方式中，即使在B层之上进一步包覆其他层，也发挥本实施方式的效果。因此，关于由本实施方式中的A层和B层构成的皮膜结构，除了将B层作为工具的最表面的结构以外，也可以采用包覆有其他层的结构。在该情况下，优选在B层之上包覆由耐热性和耐磨性优异的氮化物或碳氮化物构成的C层作为保护皮膜。C层更优选为由氮化物构成的层。C层优选为耐热冲击性优异且具有残余压缩应力的硬质皮膜。C层的组成根据工件或加工条件来适当选择即可。特别是，由于在湿式加工中，硬质皮膜因加热冷却的循环而容易剥离，因此优选设置具有高残余压缩应力的硬质皮膜作为保护皮膜。
作为C层，特别是从残余压缩应力高的皮膜种类的观点出发，优选含有Ti的含有比率为50％以上、Si的含有比率为1％以上且30％以下的氮化物或碳氮化物皮膜。
接着，对A层进行说明。
由于本实施方式中的作为硬质皮膜的B层是微细的组织形态，因此缺乏与基材的密接性。本发明人确认到通过在基材之上设置金属元素中W含有得最多、其次Ti含有得多的W与Ti的合计含有比率为85％以上的面心立方晶格结构(fcc结构)的A层，从而改善与作为微细的组织形态的B层的密接性，并且提高包覆切削工具的耐久性。也就是，本实施方式的包覆切削工具通过在基材与B层之间形成以W和Ti为主体的面心立方晶格结构(fcc结构)的A层，从而改善作为微细的组织形态的B层与基材的密接性。
通过使形成在基材与B层之间的A层为面心立方晶格结构(fcc结构)，从而位于A层的上面的微细组织的B层容易维持面心立方晶格结构(fcc结构)。而且，可以认为进一步提高位于A层附近的B层的结晶性，并且进一步提高基材与B层的密接性。另外，由于在A层的金属(包括半金属)元素中W与Ti的合计含有比率为85％以上，因此组成和晶体结构稳定。由此，降低因A层的组成和晶体结构产生偏差而导致的B层的组成和晶体结构的不均匀性。由于B层整体容易得到均匀的耐久性，因此能够降低因切削条件或工具形状而造成工具性能产生偏差的风险。优选在A层的金属(包括半金属)元素中W与Ti的合计含有比率为90％以上。
关于A层，除了W和Ti以外，还可以含有硬质皮膜成分和基材成分。但是，为了使A层的组成和晶体结构稳定，优选在A层的金属(包括半金属)元素中Al与Si的合计含有比率为10％以下。通过减少A层中包含的Al和Si，从而A层的组成和晶体结构容易变得更稳定。
在A层中，容易含有包含在基材的结合相中的Co和Cr。即使在A层含有Co和Cr的情况下，也优选在A层的金属(包括半金属)元素中Co与Cr的合计含有比率为10％以下。
A层能够通过利用透射型电子显微镜观察的剖面观察、组成分析、纳米束衍射图案来确认。
关于A层，作为非金属元素的碳含有得最多，其次氮含有得多。另外，关于A层，除了碳和氮以外，有时还含有氧。在将A层中的碳、氮与氧的合计含有比率设为100％时，A层含有50％以上的碳。进一步地，A层优选含有60％以上的碳。另外，A层优选含有30％以下的氮。A层优选含有10％以下的氧。
如果A层的厚度过薄，则与基材的密接性降低。另外，即使A层的厚度过厚，也存在与基材的密接性降低的倾向。因此，A层的厚度优选为1nm以上且30nm以下。A层的厚度优选为2nm以上且10nm以下。
为了在基材之上形成本实施方式的A层，对基材实施Ti轰击。用于Ti轰击的成膜装置优选具备作为磁场结构的阴极，该磁场结构为如在靶的外周配备线圈磁铁并将电弧点封闭在靶内部的结构。通过使用这样的阴极对作为容易形成碳化物的元素种类的Ti进行轰击处理，从而基材表面的氧化物被去除而实现清洁化。另外，不仅进行该清洁化，而且被轰击的Ti离子向基材表面的WC扩散而容易形成包含W和Ti的层。
在本实施方式中，通过在作为功能部的刀刃上形成包含W和Ti的A层，从而提高刀刃上的基材与硬质皮膜的密接性，能够得到提高包覆切削工具的耐久性的效果。
为了使A层为面心立方晶格结构(fcc结构)，优选开始Ti轰击时的基材温度高。因此，优选将Ti轰击开始时的炉内温度设为530℃以上。
另外，在Ti轰击时施加到基材的负压的偏置电压的绝对值小的情况下以及向靶投入的电流低的情况下，难以在基材表面形成包含W和Ti的层。因此，施加到基材的负压的偏置电压优选为-1000V以上且-700V以下。另外，向靶投入的电流优选为80A以上且150A以下。
虽然Ti轰击可以导入氩气、氮气、氢气、烃类气体等的同时实施，但由于在炉内气氛为0.1Pa左右的真空下实施，因此不仅基材表面被清洁化，而且电弧放电也稳定，容易形成A层，因此优选。
此外，根据本发明人的研究，确认到由于工具直径、刀刃形状等的形状差异而形成于工具刀刃的A层的厚度受到影响。
实施例
对在同一条件下包覆时的实施例1、2的包覆切削工具和比较例1、2的包覆切削工具评价了各个中间皮膜的偏差。然后，对实施例1、2及比较例1、2的包覆切削工具的工具性能进行了评价。
<成膜装置>
在进行成膜时，使用电弧离子镀方式的成膜装置。该装置包括多个阴极(电弧蒸发源)、真空容器和基材旋转机构。
作为阴极，搭载有如下的一台阴极(以下称为“C1”)和如下的两台阴极(以下称为“C2”、“C3”)，该一台阴极是在靶外周配备有线圈磁铁的阴极，该两台阴极是在靶背面及外周配备有永久磁铁且具有靶的垂直方向的磁通密度在靶中央附近为14mT以上的磁场的阴极。
关于真空容器内，通过真空泵对内部进行排气，气体从供给端口导入。
对设置在真空容器内的各基材连接偏置电源，独立地对各基材施加负压的DC偏置电压。
在基材旋转机构中安装有行星旋转件、行星旋转件上的板状夹具和板状夹具上的管状夹具，行星旋转件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。在C1上设置有金属钛靶，在C2上设置有AlCrSi合金靶，在C3上设置有TiSi合金靶。
<基材>
作为基材，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构成的硬质合金制的双刃球头立铣刀(株式会社MOLDINO制造)。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>
在实施例1、2的制造工序中，将基材分别固定于真空容器内的管状夹具，以如下方式实施成膜前工艺。首先，将真空容器内真空排气至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550℃，并且进行真空排气。由此，将基材温度设为550℃，将真空容器内的压力设为8×10-3Pa以下。
<Ar轰击工序>
然后，向真空容器内导入Ar气体，将容器内压力设为0.67Pa。然后，向灯丝电极供应20A的电流，对基材施加-200V的负压的偏置电压，实施Ar轰击4分钟。
<Ti轰击工序>
然后，进行真空排气以使真空容器内的压力达到8×10-3Pa以下。接着，导入Ar气体，将真空容器内的压力设为0.1Pa，对基材施加偏置电压，向C1供应150A的电弧电流，实施Ti轰击处理。
<成膜工序>
在Ti轰击之后，立即中断向C1的电力供应。然后，将真空容器内的气体置换为氮，将真空容器内的压力设为5Pa，将基材设定温度设为520℃。向C2供应150A的电力，将施加于基材的负压的偏置电压设为-200V，将阴极电压设为25V，包覆由fcc结构构成的约2μm的Al56Cr37Si6的氮化物(数值为原子比率，下同)。接着，向C3供应150A的电力，将施加于基材的负压的偏置电压设为-100V，将阴极电压设为25V，包覆由fcc结构构成的约1μm的Ti75Si25的氮化物。然后，将基材冷却至约250℃以下，并且从真空容器中取出。实施例1、2在同一条件下分别进行包覆。
在比较例1、2的制造工序中，在如下条件下实施Ti轰击：即，在上述实施例1、2的制造工序中实施Ti轰击之前不向炉内导入Ar，真空容器内的压力为8×10-3Pa以下。另外，将设为550℃的Ti轰击工序的温度变化为520℃。在同一条件下分别包覆比较例1、2的皮膜。
为了确认皮膜结构，使用场发射透射电子显微镜(日本电子株式会社制造JEM-2010F型)对球头立铣刀的刀刃部进行了剖面观察。切割样品并使用环氧树脂粘接在伪基板上。然后，进行切割、Mo制加强环粘接、研磨、压痕、Ar离子铣削，准备用于测量的样品。在测量之前进行碳蒸镀。在200kV的加速电压下实施观察、组成分析、纳米束衍射。
使用显微镜附带的UTW型Si(Li)半导体探测器，在1nm的束径下进行了组成分析。
在组成分析中，对于微小的峰，判别为由背景的波动引起的峰，因此只有相对于背景的强度的标准偏差具有3倍以上的强度的情况视为元素的检测峰。关于纳米束衍射，在相机长度为50cm、束径为2nm以下的条件下进行了分析。
图1是实施例1的工具刀刃部的透射电子显微镜照片。图中的1所表示的点是基材，2所表示的点是A层，3所表示的点是B层。图2～图7表示实施例1的包覆切削工具的分析结果。
表1中示出中间皮膜(A层)的分析结果。
[表1]
关于实施例1、2的A层，除了W和Ti以外的元素的含有比率少，为面心立方晶格结构(fcc结构)。另一方面，比较例1、2的A层含有较多的作为硬质皮膜的成分的Al或Si，为密排六方结构(hcp结构)。在比较例1、2的A层中，确认到膜内组成差异较大。
在以下的加工条件下对实施例1、2的包覆切削工具进行了切削评价。
<切削条件>
·工具：双刃硬质球头立铣刀
·型号：EPDBE2010-6、工具半径0.5mm
·干式加工
·切削方法：底面切削
·工件：STAVAX(52HRC)(乌德霍尔姆公司制造)
·切削深度：轴向0.04mm、径向0.04mm
·切削速度：75.4m/min
·单刃进给量：0.0179mm/刃
·切削距离：15m
关于实施例1、2的包覆切削工具，后刀面最大磨损宽度较小且小于20μm，示出均匀且稳定的磨损形态，确认到耐久性优异。另一方面，比较例1、2的包覆切削工具与实施例1、2的包覆切削工具相比较，硬质皮膜的磨损状态稍不均匀。根据本发明的包覆切削工具，由于中间皮膜的组成偏差小，因此能够提高硬质皮膜的膜质，能够期待在各种加工条件下也发挥稳定的工具性能。
Claims (5)
1.一种包覆切削工具，基材的表面由硬质皮膜包覆，其中，
所述硬质皮膜包括面心立方晶格结构的A层和面心立方晶格结构的B层，所述A层被配置在所述基材的表面，并且在包括半金属在内的金属元素中W含有得最多，其次Ti含有得多，W与Ti的合计含有比率为85原子％以上，所述B层被配置在所述A层之上，由含有Al、Cr和Si的氮化物或碳氮化物构成，所述含有Al、Cr和Si的氮化物或碳氮化物在包括半金属在内的金属元素中Al的含有比率以原子％计为50％以上、Al与Cr的合计含有比率以原子％计为85％以上、Si的含有比率以原子％计为4％以上且15％以下。
2.根据权利要求1所述的包覆切削工具，其中，
在所述A层的包括半金属在内的金属元素中W与Ti的合计含有比率为90原子％以上。
3.根据权利要求1或2所述的包覆切削工具，其中，
在所述A层的包括半金属在内的金属元素中Al与Si的合计含有比率为10原子％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的包覆切削工具，其中，
在所述B层之上进一步具有C层，所述C层由包括半金属在内的金属的氮化物或碳氮化物构成。
5.根据权利要求4所述的包覆切削工具，其中，
所述C层由在包括半金属在内的金属元素中Ti的含有比率以原子％计为50％以上、Si的含有比率以原子％计为1％以上且30％以下的氮化物或碳氮化物构成。
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