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CN110177642A - 切削刀具 - Google Patents

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CN110177642A CN201780080817.6A CN201780080817A CN110177642A CN 110177642 A CN110177642 A CN 110177642A CN 201780080817 A CN201780080817 A CN 201780080817A CN 110177642 A CN110177642 A CN 110177642A
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Abstract

本公开的切削刀具是具备基体和位于基体之上的涂层的切削刀具，涂层具有：第1层，位于基体之上，含有钛化合物；第2层，位于第1层之上，含有氧化铝；以及第3层，位于第2层之上，含有钛化合物。在涂层存在从涂层的表面朝向所述基体延伸的裂纹。裂纹至少存在于第3层和第2层。在与涂层的表面正交的剖面中，第3层的裂纹的宽度为1μm以上，第2层的上表面中的裂纹的宽度比第3层的裂纹的宽度窄，为0.5μm以上。在第2层的比上表面更靠近基体的位置具有裂纹的宽度为0.2μm以下的部分。

Description

切削刀具
技术领域
本公开涉及用于切削加工的切削刀具。
背景技术
作为在被切削材料的切削加工中使用的切削刀具，例如已知有专利文献1～3所记载的切削刀具。这些专利文献中记载的切削刀具具备包含WC等的基体和设置于该基体的表面的涂层，成为在涂层形成有裂纹的结构。作为涂层，例如记载有包括含有钛化合物的层以及含有氧化铝的层的多个层叠结构。在这些专利文献中，为了在涂层设置裂纹，通过干式喷砂，从而进行使直径为300μm的钢球、直径为160μm的氧化铝、氧化锆与涂层的表面碰撞。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-116003号公报
专利文献2：日本特开平11-197907号公报
专利文献3：国际公开2015/025903
发明内容
本公开的切削刀具是具备基体和位于该基体之上的涂层的切削刀具，具有：第1层，所述涂层位于基体之上，含有钛化合物；第2层，位于该第1层之上，含有氧化铝；以及第3层，位于该第2层之上，含有钛化合物，所述涂层存在从该涂层的表面朝向所述基体延伸的裂纹，该裂纹至少存在于所述3层和所述第2层，在与所述涂层的表面正交的剖面中，所述第3层的裂纹的宽度为1μm以上，所述第2层的上表面的裂纹的宽度比所述第3层的裂纹的宽度窄，为0.5μm以上，在所述第2层的与上表面相比更靠近所述基体的位置具有裂纹的宽度为0.2μm以下的部分。
附图说明
图1是表示一个实施方式的切削刀具的立体图。
图2是图1所示的切削刀具的概略俯视图。
图3是图1所示的切削刀具中的A-A剖视图。
图4是图3所示的区域B的放大图。
图5是图4所示的切削刀具的第1变形例的放大图。
图6是图4所示的切削刀具的第2变形例的放大图。
具体实施方式
以下，对本公开的切削刀具(insert)使用附图进行详细地说明。但是，以下参照的各图为了便于说明，仅简化表示说明各实施方式所需的主要构件。因此，本发明的切削刀具可以具备未在参照的各图中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示实际的构成构件的尺寸以及各构件的尺寸比率等。
如图1、2、3所示，本实施方式的刀具1具备基体3和位于该基体3的表面的涂层5。涂层5用于提高刀具1的耐磨损性。此外，如图4所示，本实施方式的刀具1具有从涂层5的表面朝向基体3延伸的裂纹7。
基体3具备第1面9，如图1所示，本实施方式中的基体3为多边形板状且位于上方的面相当于第1面9。此外，基体3具备与第1面9邻接的第2面11，在图1中，侧面相当于第2面11。涂层5位于基体3之上。本实施方式中的涂层5位于基体3的第1面9以及第2面11，并覆盖这些面。
基体3的大小没有特别限定，如图2所示，本实施方式的基体3的第1面9为四边形。基体3的上表面的一边的长度设定为3～20mm左右。此外，从上表面(第1面9)到下表面的高度设定为5～20mm左右。
如图4所示，本实施方式中的涂层5具有：第1层13，位于基体3之上，含有钛化合物；第2层15，位于第1层13之上，含有氧化铝；以及第3层17，位于第2层15之上，含有钛化合物。第2层15具有位于表面侧的上表面19和位于基体3侧的下表面21。在本实施方式中，第2层15的上表面19与第3层17相接，第2层15的下表面21与第1层13相接。另外，第3层17也可以是多个含有组成不同的钛化合物的层被层叠而成的层，在这种情况下，将含有钛化合物的多个层作为第3层17。此外，第1层13也可以是多个含有组成不同的钛化合物的层被层叠而成的层，在这种情况下，将含有钛化合物的多个层作为第1层13。
作为第1层13的厚度T1，例如设定为6～13μm。作为第2层15的厚度T2，例如设定为1～15μm。作为第3层17的厚度T3，例如设定为0.1～3μm。另外，上述第1层13～第3层17的厚度只不过是例示，并不限定于这些数值范围。
如已经说明的那样，本实施方式的刀具1具有从涂层5的表面朝向基体3延伸的裂纹7。换言之，至少在涂层5的第3层以及第2层存在裂纹7。由于刀具1具有从涂层5的表面至少延伸至第2层15的裂纹7，因此至少在裂纹7附近残留于第3层17的应力的一部分被释放。由此，刀具1的耐缺损性提高。
而且，裂纹7在与涂层5的表面正交的剖面中，第3层17的裂纹宽度为1μm以上。此外，第2层15的上表面19比第3层17的裂纹宽度窄，裂纹宽度为0.5μm以上。此外，裂纹7在第2层15的比上表面19更靠近基体3的位置具有宽度为0.2μm以下的部分(图4中的裂纹7(29))。
另外，与涂层5的表面正交的剖面是指与涂层5的表面正交，并且与俯视涂层5时观察的裂纹7的长度最长的长度方向正交的剖面。
所谓的第3层17的裂纹7的宽度为1μm以上是指并不排除局部地存在第3层17的裂纹7的宽度低于1μm的部分的情况。所谓的第3层17的裂纹7的宽度为1μm以上是指在剖面中第3层17的裂纹7的宽度的平均值为1μm以上即可。另外，平均值例如在如图4所示的剖面中，将第3层17的上中下三处作为测定位置计算即可。
本公开的刀具1通过具有上述的结构，从而存在于第3层17以及第2层15的上表面19的裂纹7的周边的应力被释放，施加于第2层15以及第3层17的边界的残留应力变小，第3层17从第2层15剥离的可能性变小。
裂纹7的有无能够通过俯视刀具1而容易地目视确认。裂纹7的深度、即与第1面9正交的方向上的长度L，在与裂纹7的长度方向正交并且与涂层5的表面正交的剖面中，能够通过观察电子显微镜照片(扫描型电子显微镜(SEM)照片或者透射电子显微镜(TEM)照片)来测定。
此时，通过观察在俯视刀具1的情况下的与裂纹7的长度方向正交并且与涂层5的表面正交的剖面，能够容易地评价裂纹7的状态。图3以及图4表示与裂纹7的行进方向正交并且与涂层5的表面正交的剖面。
本实施方式中的基体3的第1面9为四边形，但并不限定于这样的形状。作为基体3的形状的一个例子，从已经表示为多边形板状的情况可知，第1面9例如也可以是三角形、五边形或六边形。此外，上表面也可以是圆形。
如上所述，在基体3为多边形板状时，刀具1也是多边形板状。切削刃23位于作为多边形板状的刀具1中的相当于第1面9的面和相当于第2面11的面交叉的部分的至少一部分。此时，相当于第1面9的面以及相当于第2面11的面的一面作为前刀面发挥功能，另一面作为后刀面发挥功能。
本实施方式的基体3具有在第1面9开口的贯通孔25。贯通孔25例如在将刀具1螺纹紧固固定于切削工具的保持架时使用。因此，涂层5可以在贯通孔25的表面，也可以不在贯通孔25的表面。
作为基体3的材质，例如可举出超硬合金、金属陶瓷或陶瓷等。作为超硬合金的组成，例如可举出WC-Co、WC-TiC-Co以及WC-TiC-TaC-Co。WC-Co通过在碳化钨(WC)中加入钴(Co)的粉末进行烧结而生成。WC-TiC-Co是在WC-Co中添加碳化钛(TiC)而得到的。WC-TiC-TaC-Co是在WC-TiC-Co中添加碳化钽(TaC)而得到的。
此外，金属陶瓷是使金属与陶瓷成分复合而成的烧结复合材料。具体而言，作为金属陶瓷，可举出以碳化钛(TiC)以及氮化钛(TiN)等钛化合物为主要成分的金属陶瓷作为一例。
此外，作为陶瓷的组成，例如可举出氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、金刚石以及立方晶氮化硼(cBN)。
作为含有钛化合物的第1层13的材质，可举出氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)以及二氧化碳氮化钛(TiCNO)等。第1层13含有这些材质作为主要成分。第1层13可以仅由这些材质之一构成，此外，也可以由这些材质中的多个构成。第1层13有时用于提高基体3与第2层15的接合性，在这样的情况下，也称为基底层。
第1层13可以仅由一个层构成，也可以是层叠有多个层的结构。另外，在第1层13为层叠有多个层的结构的情况下，各层含有钛化合物。
第2层15含有氧化铝作为主要成分。氧化铝的结构没有特别限定，例如可以是κ型晶体构造的氧化铝以及α型晶体构造的氧化铝中的任一种。第2层15与第1层13同样，可以仅由一个层构成，也可以是层叠有多个层的结构。例如，第2层15也可以是层叠了含有κ型晶体构造的氧化铝的层和含有α型晶体构造的氧化铝的层的结构。
作为含有钛化合物的第3层17的材质，例如可举出上述的作为第1层13的材质。在第3层17位于涂层5的最外侧的情况下，为了使切削加工时的切屑的流动顺畅，优选第3层17含有碳氮化钛(TiCN)、以作为主要成分。
另外，上述中的“主要成分”是指构成作为对象的层的材质中的质量％最大。例如，第3层17含有碳氮化钛(TiCN)作为主要成分是指构成第3层17的材质中的碳氮化钛(TiCN)的质量％最大。
作为第1层13～第3层17的材质，并不限定于上述的材质。例如，第1层13以及第3层17也可以含有氧化铝。但是，在这种情况下，第1层13以及第3层17各自中的氧化铝的含有比率比第2层15中的氧化铝的含有比率小。在第1层13以及第3层17含有氧化铝的情况下，第1层13以及第3层17与第2层15的接合性提高。
此外，第2层15也可以含有钛化合物。但是，在这种情况下，第2层15中的钛化合物的含有比率比第1层13以及第3层17各自中的钛化合物的含有比率小。在第2层15含有钛化合物的情况下，第1层13以及第3层17与第2层15的接合性提高。
裂纹7从涂层5的表面延伸至第2层15，但此时，在裂纹7中位于第2层15的部分具有第1区域27和第2区域29的情况下，第3层17从第2层15剥离的可能性减小，并且耐磨损性提高，其中，第1区域27位于上表面19侧，该第1区域的宽度随着远离上表面19变窄，第2区域29位于比第1区域27更靠第1层13侧的位置，宽度固定。
这是基于以下两个理由。第1理由是：与裂纹7中的位于第2层15的部分仅由第2区域29构成的情况相比，能够减小施加于第2层15以及第3层17的边界的残留应力，因此第3层17从第2层15剥离的可能性变小。第2理由是：与裂纹7中的位于第2层15的部分仅由第1区域27构成的情况相比，能够使上表面19侧的裂纹7的宽度变窄，并且在切削加工时切屑不易进入裂纹7内的深处，因此第2层15的耐缺损性降低的可能性变小。
此时，在与涂层5的表面正交的剖面中，在与第1面9正交的方向上的第2区域29的长度L2比与第1面9正交的方向上的第1区域27的长度L1长的情况下，第3层17从第2层15剥离的可能性进一步变小，并且第2层15的耐缺损性降低的可能性进一步变小。
另外，在上述的第2区域29中，所谓的裂纹7的宽度固定是指不是要求严格固定。在与涂层5的表面正交的剖面中，意味着裂纹7呈线状延伸，对于与涂层5的表面正交的剖面中的与第1面9正交的方向所示的裂纹7的长度L，也可以存在5％左右的偏差。在第2区域29中裂纹7的宽度为0.2μm以下。
由于裂纹7从涂层5的表面延伸至第2层15，因此在与涂层5的表面正交的剖面中，裂纹7的前端也可以位于第2层15，但也可以如图5所示，裂纹7的前端位于第1层13，裂纹7延伸至第1层13。在裂纹7从涂层5的表面延伸至第1层13的情况下，由于施加于第1层13以及第2层15的边界的残留应力变小，因此第2层15从第1层13剥离的可能性变小。
此时，在与涂层5的表面正交的剖面中，在第1层13中的裂纹7的宽度固定并且与第2区域29中的裂纹7的宽度相同的情况下，第1层13以及第2层15中的裂纹7的宽度变窄，第1层13以及第2层15的耐缺损性降低的可能性变小。
另外，所谓的第1层13中的裂纹7的宽度固定是指不是要求严格固定。对于与涂层5的表面正交的剖面中的第1面9正交的方向所示的裂纹7的长度L，也可以存在5％左右的偏差。
如图6所示，裂纹7的前端也可以位于基体3。即，裂纹7也可以从涂层5的表面延伸至基体3。在裂纹7延伸至基体3的情况下，由于施加于基体3以及第1层13的边界的残留应力变小，因此第1层13从基体3剥离的可能性变小。
在以下的说明中，在图4所示的剖面中，将第2层15的上表面19中的裂纹7的部分记载为分离部19A，且由于第3层17的裂纹宽度与第2层15的上表面19的裂纹宽度的差异，将第3层17没有位于第2层15之上的部分记载为露出部分19B来进行说明。
如图4所示，在与涂层5的表面正交的剖面中，在上表面19具有未被第3层17覆盖的露出部分19B，在露出部分19B的宽度W2大于第2层15中的分离部19A的宽度W1的情况下，上表面19中的露出而释放应力的区域较大。因此，施加于第2层15以及第3层17的边界的残留应力变小，另一方面，上表面19处的分离部19A的宽度W1相对小于露出部分19B的宽度W2，由此第2层15的耐缺损性降低的可能性变小。
此外，在与涂层5的表面正交的剖面中，在上表面19的露出部分19B的宽度W2比第3层17的厚度T3大的情况下，第3层17从第2层15剥离的可能性进一步变小。这是因为，在第3层17的厚度T3越大则施加于第2层15以及第3层17的边界的残留应力越大，但在分离部19A的宽度W2大于第3层17的厚度T3的情况下，由于上表面19中的露出而释放应力的露出部分19B的区域较大，因此施加于第2层15以及第3层17的边界的残留应力进一步变小。
为了制作本公开的切削刀具，例如可以使用以下的工序。
首先，准备在基体之上具有包括第1层、第2层以及第3层的涂层的刀具。
接下来，利用所谓的湿式喷砂从涂层的表面侧喷射混合了水和平均粒径为50μm以下的陶瓷粒子的液体。该喷射的速度可以在观察刀具的裂纹的状态的同时在10～100m/秒的范围内适当调整。作为陶瓷粒子，能够适宜地使用氧化铝、氧化锆。这样的陶瓷粒子与钢球相比比重小，因此陶瓷粒子与涂层碰撞时的能量变小。此外，通过使用50μm以下的直径的陶瓷粒子，陶瓷粒子与涂层碰撞时的能量变小。
例如，在使用氧化铝作为陶瓷粒子的情况下，与钢球相比比重为一半以下。此外，若将粒径设为1/4，则体积为1/64，重量也为1/64。即，若使用粒径为1/4的氧化铝粒子代替某个大小的钢球，则每一个氧化铝粒子的重量为钢球的1/100以下。
这样，若取代钢球而使用比较小的粒径的陶瓷粒子，则每个陶瓷粒子的碰撞能量变小。另一方面，从硬度的观点来看，与钢球相比，陶瓷粒子具有更高的硬度。
这样，若使用粒径比较小的陶瓷粒子，则在覆盖膜的表面反复发生能量比较小而研磨力比较高的碰撞。首先，能够在覆盖膜的表面形成小的裂纹，随着时间的经过，裂纹逐渐增加深度。此外，在涂层的表面侧，裂纹的周边区域逐渐缺损，裂纹的宽度变宽。
经过这样的过程，能够制造在与涂层的表面正交的剖面中，第3层的裂纹的宽度为1μm以上，第2层的上表面的裂纹宽度为0.5μm以上，在第2层具有裂纹的宽度为0.2μm以下的部分的刀具。
使用的陶瓷粒子的平均粒径可以为40μm以下。进而也可以设为30μm以下。
另一方面，在使用直径超过50μm的钢球、陶瓷粒子的情况下，由于冲击大，因此在产生裂纹的同时，涂层的整个面大致均匀地被磨削，因此成为与本公开的刀具不同的结构的裂纹。
另外，也可以通过制膜时或者热处理，预先对宽度为0.2μm以下的设有裂纹的刀具实施上述的喷砂处理。
本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更、改良、组合等。
-符号说明-
1：切削刀具(刀具)
3：基体
5：涂层
7：裂纹
9：第1面
11：第2面
13：第1层
15：第2层
17：第3层
19：上表面
19A：分离部
19B：露出部分
21：下表面
23：切削刃
25：贯通孔
27：第1区域
29：第2区域。

Claims (7)

1.一种切削刀具，具备基体和位于该基体之上的涂层，
所述涂层具有：
第1层，位于基体之上，含有钛化合物；
第2层，位于该第1层之上，含有氧化铝；以及
第3层，位于该第2层之上，含有钛化合物，
所述涂层存在从该涂层的表面朝向所述基体延伸的裂纹，
该裂纹至少存在于所述3层和所述第2层，
在与所述涂层的表面正交的剖面中，
所述第3层的裂纹的宽度为1μm以上，
所述第2层的上表面中的裂纹的宽度比所述第3层的裂纹的宽度窄，为0.5μm以上，
在所述第2层的比上表面更靠近所述基体的位置，具有裂纹的宽度为0.2μm以下的部分。
2.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，
在所述剖面中，所述裂纹中的位于所述第2层的部分具有第1区域和第2区域，其中，所述第1区域位于所述上表面侧，且宽度随着远离所述上表面而变窄，所述第2区域位于比该第1区域更靠所述第1层侧的位置，且宽度固定。
3.根据权利要求2所述的切削刀具，其中，
在所述剖面中，所述第2区域的在与所述涂层的表面正交的方向上的长度比所述第1区域的在与所述涂层的表面正交的方向上的长度长。
4.根据权利要求2或3所述的切削刀具，其中，
所述裂纹从所述涂层的表面至少延伸至所述第1层，
在所述剖面中，所述第1层中的所述裂纹的宽度固定，并且与所述第2区域中的所述裂纹的宽度相同。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的切削刀具，其中，
所述裂纹从所述涂层的表面延伸至所述基体。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的切削刀具，其中，
在所述剖面中，所述上表面具有未被所述第3层覆盖的露出部分，该露出部分的宽度比所述第2层的上表面的裂纹的宽度大。
7.根据权利要求6所述的切削刀具，其中，
所述露出部分的宽度比所述第3层的厚度大。
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