涂层刀具的制作方法

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涂层刀具
1.【相关申请的交叉引用】
2.本技术主张2020年3月27日申请的日本专利申请2020－057635号的优先权，将此在先申请的全部公开编入其中供参照。
技术领域
3.本发明涉及涂层刀具。

背景技术：

4.在硬质合金等的基体之上设有涂膜的涂层刀具被用于切削加工。已知有在基体之上顺序层叠tin层、ticn层和al2o3层而成的涂膜。另外，还采用有如下的技术：通过在al2o3层之上进一步配置tin层，通过使用可除去tin层，更容易明确使用过的角。
5.另外，在日本特开2017－221992号公报(专利文献1)中记述有在al2o3层之上配置tin层和tin以外的ti系膜。
6.南条吉保，外4名，“基于微浆喷射侵蚀(mse)法的单层ticn膜和多层ticn膜的力学特性评价的相关研究”，精密工学期刊，2018年，84(2)，p.167－174(非专利文献1)，是关于这种涂膜的力学特性评价的研究，通过mse法评价tin层和ticn层。在非专利文献1中，进行了将粒度8000的无定形(多边)氧化铝与纯净水混合成的浆料向涂膜投射的试验。在非专利文献1中记述有由mse法得到的侵蚀速率越小，涂膜的力学特性越优异。
7.另外，在国际公开第2017/163972号(专利文献2)中记述有通过使用了粒度8000的无定形(多边)氧化铝粒子的mse法，评价硬质皮膜的耐磨耗性。在专利文献2中记载有通过mse法得到的侵蚀速率越小，硬质皮膜的耐磨耗性越优异。

技术实现要素：

8.本发明的非限定的一例的涂层刀具，具有基体、和位于该基体之上的涂膜。所述涂膜具有：al2o3层；表面层，其位于从该al2o3层的离开所述基体一侧的第一表面起至作为所述涂膜的表面的第二表面为止的位置。在该表面层中，使对于纯水分散有3质量％的平均粒径为1.1～1.3μm的无定形al2o3粒子的液体a冲击所述表面层而测量得到的第一侵蚀速率为0.1μm/分钟以下，使对于纯水分散有3质量％的平均粒径为2.8～3.2μm的球形al2o3粒子的液体b冲击所述表面层而测量得到的第二侵蚀速率为2.0μm/分钟以上。
附图说明
9.图1是表示本发明的非限定的实施方式的涂层刀具的立体图。
10.图2是图1所示的涂层刀具的ⅱ－ⅱ截面的剖视图。
11.图3是图2所示的涂层刀具的涂膜附近的放大图。
12.图4是表示本发明的非限定的实施方式的切削刀具的立体图。
具体实施方式
13.＜涂层刀具＞
14.以下，使用附图，对于本发明的非限定的实施方式的涂层刀具1详细说明。但是，在以下所参照的各图中，为了便于说明，只简化显示在说明实施方式上必要的主要构件。因此，涂层刀具1可以具备所参照的各图中未显示的任意的结构构件。另外，各图中的构件尺寸，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。
15.在图1～图3中，作为涂层刀具1的一例，显示可以适用于对被切削材进行切削加工时使用的切削刀具的切削刀片。涂层刀具1，除了切削刀具以外，例如，也可以适用于滑动零件和模具等的耐磨零件、挖掘工具、刀具等的工具、以及耐冲击零件等。还有，涂层刀具1的用途不受例示限定。
16.涂层刀具1，具有基体2、和位于基体2之上的涂膜3。
17.作为基体2的材质，例如，可列举硬质合金、陶瓷和金属等。作为硬质合金，例如，可列举以由co(钴)和ni(镍)等的铁属金属所构成的粘结相，使由wc(碳化钨)、和根据需要而从wc以外的周期表第4、5、6族金属的碳化物、氮化物、碳氮化物的中选择的至少一种构成的硬质相结合而得到的硬质合金等。另外，作为其他硬质合金，还可列举ti基金属陶瓷等。作为陶瓷，例如，可列举si3n4(氮化硅)、al2o3(氧化铝)、金刚石和cbn(立方氮化硼)等。作为金属，例如，可列举碳钢、高速钢和合金钢等。还有，基体2的材质不受例示限定。
18.涂层3可以覆盖基体2的表面4的全部，另外，也可以只覆盖一部分。涂层3只覆盖基体2的表面4的一部分时，也可以称为涂层3位于基体2之上的至少一部分。
19.涂层3可以由化学气相沉积(cvd)法成膜。换言之，涂层3可以是cvd膜。
20.涂层3不限定于特定的厚度。例如，涂层3的厚度可以设定在1～30μm。还有，涂层3的厚度、结构、构成涂层3的晶体形状等的测定，例如，可以使用电子显微镜，通过截面观察来进行。作为电子显微镜，例如，可列举扫描型电子显微镜(sem)、和透射电子显微镜(tem)等。
21.涂层刀具1，如图1和图2所示的非限定的一例，可以具备：第一面5(上表面)；与第一面5相邻的第二面6(侧面)；位于第一面5与第二面6的棱线部的至少一部分的刀刃7。
22.第一面5可以是前刀面。第一面5其整个面都可以是前刀面，另外，也可以其一部分是前刀面。例如，第一面5之中沿着刀刃7的区域可以是前刀面。
23.第二面6可以是后刀面。第二面6其整体面都可以是后刀面，另外，也可以其一部分是后刀面。例如，第二面6之中沿着刀刃7的区域可以是后刀面。
24.刀刃7可以位于棱线部的一部分，另外，也可以位于整个棱线部。刀刃7可以用于被切削材的切削。
25.涂层刀具1，如图1所示的非限定的一例，可以是四边形板状。还有，涂层刀具1的形状不限于四边形板状。例如，第一面5也可以是三角形、五边形、六边形或圆形。另外，涂层刀具1也可以是柱形。
26.涂层刀具1不限定为特定的大小。例如，第一面5一边的长度可以设定为3～20mm左右。另外，从第一面5至位于第一面5相反侧的面(下表面)的高度可以设定为5～20mm左右。
27.在此，涂层3如图3所示的非限定的一例，可以具有al2o3层8和表面层9。
28.al2o3层8可以含有al2o3粒子。所谓al2o3层8，意思是含有al2o3作为主要成分的层。
所谓“主要成分”，意思可以是与其他成分比较，是质量％的值为最大的成分。
29.表面层9，可以位于从al2o3层8离开基体2一侧的第一表面10起至作为涂膜3表面的第二表面11为止的位置。还有，表面层9可以具有第二表面11。另外，表面层9可以与al2o3层8相接。
30.通过mse(micro slurry-jet erosion)试验可以得到表面层9的侵蚀速率。mse试验中，可以使用无定形al2o3粒子和球状al2o3粒子。
31.无定形al2o3粒子可以粉碎原料粒子等来制造，另外，在粉碎工序中可形成破碎面和角。无定形al2o3粒子也可以改称为有角的al2o3粒子。
32.球状al2o3粒子没有角，可以是接近圆球的形状。还有，球状al2o3粒子的形状不需要是圆球，只要没有破碎面和角，允许有一些变形。
33.使用无定形al2o3粒子的mse试验结果，可以评价表面层9的耐磨耗性。以下，通过使用无定形al2o3粒子的mse试验所得到的侵蚀速率，记述为第一侵蚀速率。若第一侵蚀速率低，则耐磨耗性优异。
34.另外，使用球状al2o3粒子的mse试验结果，可以评价表面层9的耐剥离性。以下，通过使用了球状al2o3粒子的mse试验所得到的侵蚀速率，记述为第二侵蚀速率。若第二侵蚀速率小，则耐剥离性优异。换言之，若第二侵蚀速率大，则容易剥离。
35.第一侵蚀速率可以为0.1μm/分钟以下，另外，第二侵蚀速率可以为2.0μm/分钟以上。这种情况下，耐磨耗性优异。另外，涂膜3的表面容易剥离。通过使涂膜3的表面容易剥离，从而防止因大的冲击而导致膜整体被破坏，结果是耐崩损性优异。具体来说，第一侵蚀速率为0.1μm/分钟以下时，耐磨耗性优异。另外，第二侵蚀速率为2.0μm/分钟以上时，表面层9容易从al2o3层8剥离。即，涂膜3的表面容易剥离。因此，容易使使用过的角(刀刃7)等清楚。另外，耐崩损性优异。
36.第一侵蚀速率，可以是使对于纯水100质量％分散有3质量％的平均粒径为1.1～1.3μm的无定形al2o3粒子的液体a冲击检测体(表面层9)，评价由此被除去的检测体的深度。
37.另外，第二侵蚀速率，可以是使对于纯水100质量％分散有3质量％的平均粒径为2.8～3.2μm的球形al2o3粒子的液体b冲击检测体，评价由此被除去的检测体的深度。另外，球形al2o3粒子的平均粒径可以是2.9～3.1μm。
38.当第一侵蚀速率和第二侵蚀速率的测量时，可以使液体a或b与对象物(表面层9)的表面大致成直角地碰触，以98～102m/s的速度使液体a或b冲击。
39.在侵蚀速率的测量中，可以使用株式会社palmeso制的mse试验机“mse－al2o3”。无定形al2o3粒子，例如，可以使用palmeso公司制的“mse－ga－1－3”。球形al2o3粒子，例如，可以使用palmeso公司制的“mse－ba－3－3－10”。无定形al2o3粒子和球状al2o3粒子的平均粒径，可以是对于sem照片进行图像处理所得到的值。
40.第一侵蚀速率可以是0.05μm/分钟以下。另外，第一侵蚀速率也可以是0.01μm/分钟以下。第二侵蚀速率可以是5.0μm/分钟以上。另外，第二侵蚀速率也可以是3.0μm/分钟以上。
41.al2o3层8可以与基体2相接，另外，也可以不与基体2相接。例如，也可以有其他的层位于al2o3层8与基体2之间。换言之，涂膜3可以具有位于al2o3层8与基体2之间的其他的层。
42.表面层9可以包含tin膜。包含tin膜的表面层9容易剥离。
43.另外，tin膜可以与al2o3层8相接。若tin膜与al2o3层8相接，则tin膜容易从al2o3层8剥落。但是，涂膜3只由tin膜构成时，虽然容易剥离，但是耐磨耗性差。
44.tin膜可以含有tin粒子。所谓tin膜，意思可以是含有tin作为主要成分的膜。这一点在其他膜中也以同样方式定义。
45.表面层9可以包含tic膜。包含tic膜的表面层9(涂膜3)，耐磨耗性优异。
46.另外，tic膜可以不与al2o3层8相接。若tic膜与al2o3层8相接，则al2o3层8与tic膜的粘附性过高，表面层9难以剥离。因此，在al2o3层8与tic膜之间，也可以至少设置1个其他膜。换言之，表面层9包含tic膜、和位于tic膜与al2o3层8之间的至少1个其他膜。例如，tin膜位于al2o3层8与tic膜之间。
47.表面层9可以包含ticn膜。ticn膜基本上可以具有tin膜和tic膜之间的特性。即，具有处于tin和tic中间的粘附性和耐磨耗性。
48.例如，al2o3层8与ticn膜相接时，基本上，相比al2o3层8与ticn膜不相接的情况，难以剥离。因此，al2o3层8与ticn膜相接时，为了使涂层刀具1的构成充分，需要容易剥离的ticn膜。
49.例如，若ticn膜中n(氮)的含量多，则ticn膜容易剥离。为了成为容易剥离的ticn膜，ticn膜的n/(c+n)可以为0.7以上。为了制造n/(c+n)为0.7以上的ticn膜，例如，可以在低于1000℃的温度下，增多成膜气体中所含的氮。还有，ticn膜的n/(c+n)可以为0.9以下。还有，n/(c+n)以原子比率计算。
50.例如，al2o3层8与ticn膜不相接时，n/(c+n)可以低于0.7。另外，n/(c+n)可以在0.5以上。
51.n/(c+n)可以是n对于c和n的总和的以原子比计的含有比率。n/(c+n)，例如，可以由能量散型x射线分析(eds)分析法测量。
52.另外，表面层9，可以从al2o3层8一侧起，按顺序具有tin层、tic层、ticn层。具有这一结构的表面层9，耐磨耗性优异，并且涂膜3的表面容易剥离。
53.＜涂层刀具的制造方法＞
54.接着，对于本发明的非限定的实施方式的涂层刀具的制造方法，例举制造在mse试验中具有上述评价结果的涂层刀具1的情况进行说明。
55.可以先制作基体2。作为基体2，例举制作由硬质合金构成的基体2的情况进行说明。首先，可以在能够通过烧成而形成基体2的金属碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物等的无机物粉末中，适宜添加金属粉末、碳粉末等加以混合，得到混合粉末。其次，可以将此混合粉末，通过冲压成形、浇铸成形、挤压成形、冷等静压成形等公知的成形方法，成形为规定的刀具形状，得到成形体。然后，可以将所得到的成形体，在真空中或非氧化性气氛中进行烧成，得到基体2。可以对于基体2的表面4，实施研磨加工或珩磨加工。
56.接着，可以在所得到的基体2的表面4，通过cvd法成膜涂层3，得到涂层刀具1。
57.al2o3层8可以通过如下方式成膜。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使三氯化铝(alcl3)气体为0.5～5体积％，氯化氢(hcl)气体为0.5～3.5体积％，二氧化碳(co2)气体为0.5～5体积％，硫化氢(h2s)气体为0.5体积％以下，其余是氢(h2)气。然后，可以将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在930～1010℃，压力设定在5～10kpa，时间设定为30～300分钟，成膜al2o3层8。
58.表面层9的tin膜，可以按如下方式成膜。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使四氯化钛(ticl4)气体为0.1～10体积％，氮(n2)气为10～60体积％，其余是氢(h2)气体。然后，可以将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在800～1010℃，压力设定10～85kpa，时间设定为5～90分钟，成膜tin膜。
59.表面层9的tic膜，可以按如下方式成膜。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使四氯化钛(ticl4)气体为0.1～30体积％，甲烷(ch4)气体为0.1～20体积％，其余是氢(h2)气。然后，将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在800～1100℃，压力设定在5～85kpa，时间设定为5～90分钟，成膜tic膜。
60.表面层9的ticn膜，可以按如下方式成膜。首先，作为反应气体组成，可以调整构成如下的混合气体：使四氯化钛(ticl4)气体为0.1～10体积％，氮(n2)气为10～60体积％，甲烷(ch4)气体为0.1～20体积％，其余是氢(h2)气。然后，可以将此混合气体导入炉膛内，将温度设定在800～1050℃，压力设定在5～30kpa，时间设定为5～90分钟，成膜ticn膜。
61.在表面层9中，例如，通过控制tin膜、ticn膜、tic膜等膜的组合，层叠顺序、或ticn膜中的n含量等，能够得到具有上述第一侵蚀速率和第二侵蚀速率的涂层刀具1。
62.在得到的涂层刀具1中，可以对于包括刀刃7在内的区域实施研磨加工。由此，包括刀刃7的区域变得平滑，其结果是，被切削材的粘结得到抑制，刀刃7的耐崩损性提高。
63.还有，上述的制造方法是制造涂层刀具1的方法的一例。因此，涂层刀具1当然不限定由上述制造方法制作。
64.＜切削刀具＞
65.如图4所示的非限定的一例，本发明的非限定的实施方式的切削刀具101可以具有：有着从第一端102a到第二端102b的长度，并具有位于第一端102a侧的卡槽103的刀柄102；位于卡槽103的涂层刀具1。还有，在图4中例示的是，涂层刀具1具有贯通孔，经由该贯通孔，用螺钉104将涂层刀具1固定于卡槽103的情况。
66.以下，列举实施例详细地说明本发明，但本发明不受以下实施例限定。
67.实施例
68.[试料no.1～13]
[0069]
＜涂层刀具的制作＞
[0070]
首先，制作基体。具体来说，对于平均粒径1.2μm的wc粉末，以平均粒径1.5μm的金属co粉末6质量％、tic(碳化钛)粉末2.0质量％、cr3c2(碳化铬)粉末0.2质量％的比率添加混合这些粉末，通过冲压成形，成形为切削刀具形状(cnmg120408)，得到成形体。对所得到的成形体实施脱蜡处理，并在0.5～100pa的真空中，以1400℃烧成1小时，制作由硬质合金构成的基体。对制作的基体的前刀面(第一面)侧以刷光加工实施刃口处理(r珩磨)。
[0071]
接着，在所得到的基体之上，通过cvd法，以表1所示的成膜条件成膜涂层(表面层)，得到表2所示的涂层刀具(切削刀片)。
[0072]
还有，表2所示的涂层刀具，均在基体之上成膜al2o3层。al2o3层的成膜条件和厚度如下。
[0073]
alcl3气体：4.0体积％
[0074]
hcl气体：2.0体积％
[0075]
co2气体：4.0体积％
[0076]
h2s气体：0.3体积％
[0077]
h2气：余量
[0078]
温度：1000℃
[0079]
压力：5kpa
[0080]
时间：240分钟
[0081]
厚度：4.0μm
[0082]
在表1和表2中，各化合物以化学符号表示。表1所示的涂层的厚度、和上述的al2o3层的厚度，是使用sem通过截面观察得到的值。还有，表中的n/(c+n)是原子比率。
[0083]
＜评价＞
[0084]
对于所得到的涂层刀具，测量侵蚀速率。以下展示测量方法，并且将结果显示在表2中。
[0085]
(侵蚀速率)
[0086]
从相对于涂膜的表面成直角的方向，使液体a或b以100m/s的速度冲击，分别测量第一和第二侵蚀速率(μm/分钟)。还有，在侵蚀速率的测量中，使用株式会社palmeso制的mse试验机“mse－al2o3”。无定形al2o3粒子，使用平均粒径为1.2μm的palmeso社制的“mse－ga－1－3”。球形al2o3粒子，使用平均粒径为3.0μm的palmeso社制的“mse－ba－3－3”。
[0087]
(切削性能)
[0088]
另外，对于所得到的涂层刀具进行切削评价，评价制作的涂层刀具的耐磨耗性和耐崩损性。以下显示评价条件。另外，评价结果显示在表2中。
[0089]
耐磨耗性评价
[0090]
加工方法：车削
[0091]
被切削材：s45c圆棒
[0092]
切削速度：200m/min
[0093]
切削深度：1.5mm
[0094]
进给：0.3mm/rev
[0095]
加工状态：湿式
[0096]
判断方法：以后刀面的磨耗幅达到0.3mm时的切削时间评价
[0097]
耐崩损性评价
[0098]
加工方法：车削
[0099]
被切削材：s45c 16条开槽的圆棒
[0100]
切削速度：100m/min
[0101]
切削深度：1.0mm
[0102]
进给：0.3mm/rev
[0103]
加工状态：湿式
[0104]
判断方法：以截至刃口崩损所花费的切削时间评价
[0105]
【表1】
[0106][0107]
【表2】
[0108][0109]
如表2所示，作为比较例的试料no.1、2、3、5、7、10、11、13，后刀面的耐磨耗性或耐崩损性差。另一方面，本发明的涂层刀具均具有优异的耐磨耗性和耐崩损性。
[0110]
符号説明
[0111]1…
涂层刀具(切削刀片)
[0112]2…
基体
[0113]3…
涂膜
[0114]4…
表面
[0115]5…
第一面
[0116]6…
第二面
[0117]7…
刀刃
[0118]8…
al2o3层
[0119]9…
表面层
[0120]
10
…
第一表面
[0121]
11
…
第二表面
[0122]
101
…
切削刀具
[0123]
102
…
刀柄
[0124]
102a
…
第一端
[0125]
102b
…
第二端
[0126]
103
…
卡槽
[0127]
104
…
螺钉

技术特征：

1.一种涂层刀具，其具有基体、和位于该基体之上的涂膜，其中，所述涂膜具有：al2o3层；表面层，所述表面层位于从该al2o3层的离开所述基体一侧的第一表面起至作为所述涂膜表面的第二表面为止的位置，在该表面层中，使对于纯水分散有3质量％的平均粒径为1.1～1.3μm的无定形al2o3粒子的液体a冲击所述表面层测量而得到的第一侵蚀速率为0.1μm/分钟以下，使对于纯水分散有3质量％的平均粒径为2.8～3.2μm的球形al2o3粒子的液体b冲击所述表面层测量而得到的第二侵蚀速率为2.0μm/分钟以上。2.根据权利要求1所述的涂层刀具，其中，所述表面层，从所述al2o3层侧起按顺序具有tin层、tic层、ticn层。3.根据权利要求1或2所述的涂层刀具，其中，所述表面层具有含有ti、c、n的ticn层，该ticn层中的n/(c+n)为0.7以上。4.一种切削刀具，其具备：具有从第一端到第二端的长度，并具有位于所述第一端侧的卡槽的刀柄；位于所述卡槽的权利要求1～3中任一项所述的涂层刀具。

技术总结

本发明的非限定的一例的涂层刀具，具有基体、和位于基体之上的涂膜。涂膜具有：Al2O3层；表面层，其位于从Al2O3层的离开基体一侧的第一表面起至作为涂膜表面的第二表面为止的位置。在表面层中，使对于纯水分散有3质量％的平均粒径为1.1～1.3μm的无定形Al2O3粒子的液体A冲击表面层测量而得到的第一侵蚀速率为0.1μm/分钟以下，使对于纯水分散有3质量％的平均粒径为2.8～3.2μm的球形Al2O3粒子的液体B冲击表面层测量而得到的第二侵蚀速率为2.0μm/分钟以上。2.0μm/分钟以上。2.0μm/分钟以上。