CN111886098B

CN111886098B - 切削刀片和具备它的切削刀具

Info

Publication number: CN111886098B
Application number: CN201980020721.XA
Authority: CN
Inventors: 田中绫乃; 野见山凉马
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: WO2019181792A1; JP7057418B2; EP3769873A4; JPWO2019181792A1; CN111886098A; EP3769873A1

Abstract

本发明的切削刀片具备基体、和被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。含有C、Ti和W并满足C＞Ti＞W的关系的CTiW化合物位于所述基体与所述涂层之间。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；和位于所述卡槽的上述的切削刀片。

Description

切削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切削刀片和具备它的切削刀具。

背景技术

现在，作为切削刀具、耐磨损性构件和润滑构件等需要耐磨损性、润滑性和抗崩刃性的构件的基体，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，从而抑制了缺损和崩刃的发生。

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

本发明的切削刀片具备：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。含有C、Ti和W，并满足C＞Ti＞W的关系的CTiW化合物位于所述基体与所述涂层之间。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；和位于所述卡槽的上述的切削刀片。

附图说明

图1是表示本发明的切削刀片的一例的立体图。

图2是表示本发明的切削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

＜切削刀片＞

以下，对于本发明的切削刀片，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，本发明的切削刀片，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。

本发明的切削刀片1，如图1、2所示具有基体3。本发明的切削刀片1具备覆盖基体3的至少一部分的涂层5。

本发明的切削刀片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。

本发明的切削刀片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。

在切削刀片1中，可以是前刀面的外周的整体成为刃口7，但切削刀片1不限定为这样的构成，例如，可以只在四边形的前刀面的一边上具有刃口7，或者部分性地具有刃口7。

切削刀片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，切削刀片1的厚度，例如可设定为1～20mm左右。

本发明的切削刀片1的基体3含有金属陶瓷，所述金属陶瓷含有：含有包含Ti的碳氮化物的硬质相；和含有Co的粘结相。金属陶瓷是所谓的TiCN基金属陶瓷。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。

另外，本发明的切削刀片1，如图2所示，在基体3之上具有涂层5。因为像这样切削刀片1具有涂层5，所以切削刀片1的耐磨损性高。

涂层5可以通过CVD法或PVD法形成。涂层5从靠近基体3的一侧起，例如，可以按顺序配置：含有多个TiN粒子的第一层5a；含有多个TiCN粒子的第二层5b；含有多个Al₂O₃粒子的第三层5c。

本发明的切削刀片1，如图2所示，含有C、Ti和W，且以at％计的含量满足C＞Ti＞W的关系的CTiW化合物25位于基体3与涂层5之间。

CTiW化合物25含有C、Ti和W以总和计为80at％以上，也可以含有C为58～80at％，Ti为7～25at％，W为1～15at％。

具有以上说明的CTiW化合物25的本发明的切削刀片1耐磨损性和抗崩刃性优异。

另外，基体也可以含有Co_0.93W_0.07。由此，成为耐磨损性、耐缺损性优异的切削刀片1。还有，Co_0.93W_0.07是由JCPDS卡的PDF：01－071－7509表示的结晶。

本发明的切削刀片1，在X射线衍射的结晶相分析中，总结晶中所占的所述Co_0.93W_0.07的比例可以为5～10。另外，也可以为8～10。若像这样Co_0.93W_0.07的含量多，则基体3的耐磨损性、耐缺损性高。

上述的Co_0.93W_0.07的比例，通过使用了X射线装置：PANalytical社制X’Pert Pro 2θ：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Co_0.93W_0.07的比例。

另外，本发明的切削刀片1，可以使粘结相的总量中所占的Co的含量为99.0质量％以上。另外，也可以进一步为99.5质量％以上。作为粘结相，除了Co以外，还能够含Fe、Ni等。粘结相含有Co、Fe、Ni时，该Co的含量(质量％)，是测量切削刀片中所含的Co、Fe、Ni的质量，用Co的质量除以三者总量乘100倍的值。换言之，就是本发明的切削刀片1中所含的粘结相中的Fe和Ni的总量可以低于1质量％。若像这样使作为粘结相而发挥功能的金属大体上只有Co，则容易得到Co_0.93W_0.07在基体3中适度分散，耐磨损性、耐缺损性高的基体3。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，也可以进一步在0.6μm以下。还有，基体3中所占的Co的含量，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。另外，第一层5a，在与基体3的表面垂直的截面中，可以使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25nm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，第一层5a与CTiW化合物25的密接性优异。另外，涂层5耐磨损性优异。

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，以CTiW化合物25覆盖基体3时，可以在距CTiW化合物25的表面0.05μm的位置进行测量。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。另外，TiN粒子的宽度，是在上述的位置测量的20个TiN粒子的宽度的平均值。

另外，与基体3的表面垂直的截面中，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)可以在1.0～1.7的范围。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。高宽比是20个TiN粒子的平均值。

另外，第一层5a的厚度可以为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。

在图2所示的例子中，切削刀片1在基体3之上具有第一层5a。另外，在第一层5a之上具有第二层5b。在第二层5b中包含作为TiCN结晶的TiCN粒子。基体3在25～1000℃下的热膨胀系数可以为9.0×10^－6/℃以上。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，则第二层5b的热膨胀系数小于基体3的热膨胀系数。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。

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，小于基体3和第二层5b的热膨胀系数。基体3与第二层5b可以直接接触，例如，也可以如图2的例所示，第一层5a位于两者之间。此第一层5a，不需要只由纯粹的TiN粒子构成，例如，也可以含有O和C。另外，第二层5b和第三层5c可以直接接触，例如，也可以有TiN层(未图示)位于两者之间。

在具有这样的构成的切削刀片1中，通过调整基体3的热膨胀系数与第三层5c的厚度，能够对于第二层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。

而且，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，则切削刀片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，可以例如基于使用了2D法的测量进行判断。具体来说，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。关于由测量结果确定的晶体结构，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处于远离基体3的位置。因此，使用本发明的切削刀片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，第三层5c的厚度可以在2.5μm以上且8.0μm以下。具有这样的构成的切削刀片1，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。若在这一范围，则切削刀片1的耐磨损性和抗崩刃性优异。

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。这样构成的切削刀片1耐磨损性和抗崩刃性优异。

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，在本发明的切削刀片1的基体3中，在表面也可以存在粘结相的比例比基体3的内部多的粘结相富化层。该粘结相富化层的厚度可以为1μm以上且10μm以下。

以下说明本发明的切削刀片的制造方法。

表1中显示在后述的实施例中使用的、成为切削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。

本发明的切削刀片，能够通过筹划基体的组成和涂层的生成条件而取得。另外，涂层可以由CVD法形成。

在原料的调合时，通过调整所含有的C量，能够得到含有Co_0.93W_0.07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Co_0.93W_0.07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Co_0.93W_0.07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，是指切削刀片中能够作为硬质相存的，不包括例如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。

基体在25～1000℃的热膨胀系数可以为9.0×10^-6以上。

接着，设置涂层。设置涂层时，例如，在基体的表面形成第一层。再在第一层之上形成第二层。再在其上形成第三层。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，为了得到具有与基体的表面平行的方向的宽度低于25nm的微细的TiN粒子的第一层，可以使基体所包含的粘结相成分之中，Co的比率为99.9质量％以上

为了使CTiW化合物在基体与涂层之间生成，可以按照在基体之上形成第一层的成膜条件，使TiCl₄浓度为1.0mol％以上。另外，在基体所包含的粘结相中，作为Co的比例为97.0质量％以上的组成，可以使基体包含的Co量为10质量％以上。

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：1.0～2.5mol％、N₂浓度：25.0～49.9mol％、H₂浓度40.0～74.8mol％。

另外，或者也能够根据希望而使预先制作的CTiW化合物附着于基体的表面，其后，形成涂层，由此也能够得到本发明的切削刀片。

＜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的上述的切削刀片1。切削刀具101，因为具备切削刀片1，所以能够长期进行稳定的切削加工。

卡槽103是安装切削刀片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。

切削刀片1位于卡槽103。这时，切削刀片1的下表面可以直接接触卡槽103，另外，在切削刀片1与卡槽103之间也可以夹隔垫片(未图示)。

切削刀片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，切削刀片1由固定螺栓107安装在刀柄105上。即，在切削刀片1的贯通孔17中插入固定螺栓107，将该固定螺栓107的前端插入形成于卡槽103的螺丝孔(未图示)而使螺栓部之间拧紧，由此，切削刀片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切削刀片1。

实施例

以下，对于本发明的切削刀片进行说明。

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。

对于经过烧成工序而得到的这些基体的表面进行观察时，在任意一个基体中都未确认到CTiW化合物。基体中有粘结相富化层。

【表1】

在这些基体的表面，以CVD蒸镀法，按表2所示的成膜条件形成第一层。再在第一层之上形成第二层。再在第二层之上形成第三层。

使用JOEL社制透射型分析电子显微镜JEM－2010F(UHR)，放大至80,000倍～200,000倍而对于所得到的切削刀片的截面进行观察，由此确认基体与涂层之间有无CTiW化合物。另外，测量第一层的TiN粒子的形状。另外，通过X射线衍射，确认基体中是否含有Co_0.93W_0.07。还有，各化合物的组成，以使用了同装置的薄膜定量法确认。表2中显示各试料有无CTiW化合物。

【表2】

在第一层的成膜条件中，TiCl₄浓度为1.0mol％以上的试料No.4～5、8，在基体与涂层之间具有CTiW化合物。

CTiW化合物含有总和为80at％以上的C、Ti和W，含有C为58～80at％，Ti为7～25at％，W为1～15at％。

还有，作为基体，使用超硬合金的试料No.15中，未确认到CTiW化合物。

所得到的切削刀片，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)

(抗崩刃性试验)

被切削材：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：至崩刃的冲击次数(次)

具有CTiW化合物的试料显示出优异的耐磨损性、抗崩刃性。另外，TiN粒子的宽度为25nm以下的试料，也显示出优异的耐磨损性、抗崩刃性。

以上说明的本发明的切削刀片和具备它的切削刀具是一例，只要不脱离本申请的要旨，也可以具有不同的构成。

符号说明

1…切削刀片

3…基体

5…涂层

5a…第一层

5b…第二层

5c…第三层

7…刃口

17…贯通孔

25…CTiW化合物

101…切削刀具

103…卡槽

105…刀柄

107…固定螺栓

Claims

1.一种切削刀片，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，

含有C、Ti和W，并以at％计的含量满足C＞Ti＞W的关系的CTiW化合物位于所述基体和所述涂层之间，

其中，所述基体，在25℃～1000℃下的热膨胀系数为9.0×10^－6/℃以上，

所述涂层具有：第一层；位于该第一层之上，含有TiCN的第二层；位于该第二层之上，含有Al₂O₃的第三层，

所述第二层，通过2D法测定的压缩应力为250MPa～500MPa，

所述第三层，具有2μm以上的厚度，压缩应力为450MPa以上，与所述第二层相比压缩应力的值大。

2.根据权利要求1所述的切削刀片，其中，所述CTiW化合物含有以总和计为80at％以上的所述C、所述Ti和所述W，含有所述C为58at％～80at％，所述Ti为7at％～25at％，所述W为1at％～15at％。

3.根据权利要求1所述的切削刀片，其中，所述基体含有Co_0.93W_0.07。

4.根据权利要求1所述的切削刀片，其中，所述涂层在基体侧具有第一层，所述第一层具有TiN粒子，该TiN粒子在与所述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25nm以下。

5.根据权利要求4所述的切削刀片，其中，所述TiN粒子，在与所述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TiN粒子的高度相对于与所述基体的表面平行的方向的所述TiN粒子的宽度之比为1.0～1.7。

6.根据权利要求1所述的切削刀片，其中，所述第三层，厚度为2.5μm以上且8.0μm以下。

7.根据权利要求6所述的切削刀片，其中，所述第二层，厚度为5μm以上且10μm以下。

8.根据权利要求7所述的切削刀片，其中，所述第三层的厚度为所述第二层的厚度与所述第三层的厚度之和的0.2倍～0.4倍的范围。

9.一种切削刀具，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1～8中任一项所述的切削刀片。