JP2004167660A

JP2004167660A - セラミック工具及び切削工具

Info

Publication number: JP2004167660A
Application number: JP2002339555A
Authority: JP
Inventors: Makoto Nomura; 誠野村; Hideki Kato; 英喜加藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】高い耐摩耗性を保持しつつ、高い耐欠損性を有するセラミックス工具及び切削工具を提供すること。
【解決手段】セラミック工具（１）は、酸化アルミニウムを主成分とし、その中に硬質粒子を含む硬質材料からなる基体（３）を、ＩＳＯ規格のＴＮＧＮ１６０４１２の形状に研磨加工し、その表面に硬質被膜（被覆層）（５）を形成したスローアウェイチップである。硬質粒子は、基体（３）中に５〜４０重量％の範囲内で含有されており、この硬質粒子の平均粒径は３μｍ以下である。特に、被覆層５は、基体（３）の表面全体に、その表面が露出しないようにほぼ均一に形成されており、被覆層（５）の厚みは０．５μｍ未満である、また、被覆層（５）の表面は滑らかで、動摩擦係数は０．５以下と小さく設定されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスローアウェイチップ、エンドミル、ドリル等に用いられるセラミック工具及び切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、浸炭焼き入れ鋼、ダイス鋼、工具鋼等の高硬度材は、砥石により研削加工されてきたが、加工能率を高めて、より高速で加工するため、アルミナー炭化チタン系等のセラミック工具或いはＣＢＮ（キュービックボロンナイトライド）工具による切削加工へと移行が図られている。
【０００３】
ところが、アルミナー炭化チタン系セラミック工具は、一般に、寿命が短く、信頼性に乏しいうえ、切削加工の高速化に対応できないので、最近ではＣＢＮ工具が使用されることが多くなっている。
しかし、ＣＢＮ工具は、切削性能には優れるものの、非常に高価であるので、ユーザーの間では、安価であって、特に高速切削加工において、ＣＢＮ工具に匹敵する高性能を有するセラミック工具の開発を望む声が高い。
【０００４】
そこで、近年では、セラミック基体の表面に、アルミナ、炭化チタン、窒化チタン等の被覆膜（被覆層）を設けることにより、耐磨耗性を改善する技術が提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−２８９００２号公報（第２頁）
【特許文献２】
特開平５−６９２０５号公報（第２頁）
【特許文献３】
特開平７−１３６８１０号公報（第２頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記被覆層は、耐磨耗性や耐熱性を向上させる等の目的で設けられるものであるが、上述した技術では、被覆層中に生じる残留応力を十分に解消できないという問題があった。
【０００７】
例えばＣＶＤ法（化学蒸着法）の場合には、製造時あるいは使用時に高い温度となるので、被覆層を構成する各層間の熱膨張係数の差や、基体と各層との間の熱膨張係数の差によって、特に高温の状態から常温の状態に変化する際に各層に大きな残留応力が加わることがあり、それによって内部歪が生じることがある。
【０００８】
そして、その内部歪が大きな時には、場合によっては被覆層の剥離等の不具合が発生するという問題がある。しかも、その残留応力は、引張残留応力であるため、被覆後のセラミック工具の強度は、被覆前に比べ低下し、ひいては耐欠損性を低下させる原因となる。
【０００９】
また、前記セラミック工具は、被覆前のセラミック基体の表面が例えばダイアモンド砥石で研削されるが、通常、セラミック基体の研削性が悪いため、加工時に微細なキズやクラックが生じ易く、研削後のセラミック基体の摩擦係数が高くなる傾向がある。従って、セラミック基体の表面に形成される被覆層の摩擦係数が高くなる傾向がある。
【００１０】
その結果、従来工具に比べ、耐摩耗性は優れるものの、耐欠損性、特に高硬度材加工における主要な寿命要因であるフレーキング欠損（刃先の貝殻上の欠損）が起こるという問題があった。
また、近年では、機械工具による切削における一層の省力化や高能率加工化が著しく、特に熱的及び機械的に高負荷のかかる切削加工条件でも使用可能な切削工具が望まれてきており、そのため、被覆の条件と膜厚を厳密に制御することで、性能の改善を図っているが、いまだ十分なものとはいえない。
【００１１】
本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、高い耐摩耗性を保持しつつ、高い耐欠損性を有するセラミックス工具及び切削工具を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明において、主眼としたのは、耐欠損性の低下をいかに抑制するかということである。そこで、研究の結果、切削加工時の抵抗を低減させることにより、耐欠損性を改善できることが判明したため、例えば物理蒸着法により被覆層の厚みを（膜厚）を超薄膜にして、動摩擦係数を特定値以下に抑えることにより、本発明に到ったものである。
【００１３】
以下、各請求項毎に説明する。
（１）請求項１の発明（セラミック工具）は、酸化アルミニウムを主成分とし、硬質粒子を含む基体と、前記基体の表面のうち、少なくとも刃先部分の表面が露出しないように覆う被覆層と、を備えたセラミック工具において、前記被覆層の動摩擦係数が０．５以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、セラミック工具は、酸化アルミニウムを主成分とし硬質粒子を含む基体を備えるとともに、その表面、即ち少なくとも実際にワークを加工する刃先部分の表面が硬質の被覆層で覆われているので、高い耐摩耗性を有している。また、本発明では、被覆層の動摩擦係数は０．５以下であるので、切削時の刃先に負荷される切削抵抗が低く、よって耐欠損性が向上し、その寿命を延ばすことができるという顕著な効果を奏する。
【００１５】
しかも、仮にセラミック基体の研削性が悪い場合であっても、その表面に形成される被覆層の動摩擦係数が低いので、セラミック基体の高い耐摩耗性という特長を生かしつつ、高い耐欠損性も確保できるという利点がある。
尚、前記硬質粒子とは、セラミック工具に含有される（硬度を高めるための）硬質粒子であり、具体的には、（ｉ）４ａ、５ａ、６ａ族の各元素、及びＳｉのうちの１種又は２種以上の固溶体の炭化物、窒化物、硼化物（例えば、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ、（Ｔｉ、Ｔａ）Ｎ）・・等）、（ｉｉ）４ａ、５ａ、６ａ族の各元素、及びＳｉのいずれかの炭化物、窒化物、硼化物の１種又は２種以上の固溶体（例えば、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＢ・・等）、（ｉｉｉ）前記（ｉ）、（ｉｉ）の組み合わせである固溶体（例えば、（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮ、（Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ）ＣＮＢ・・等）のうち、いずれか主成分とする粒子（好ましくは全体が前記構成からなる粒子）である。
【００１６】
（２）請求項２の発明では、前記被覆層の厚みが、０．５μｍ未満であることを特徴とする。
一般に、耐摩耗性を維持するためには、被覆層をある厚さ以上にすることが常識であるが、本発明の場合、セラミック工具の基体が非常に硬質で、耐磨耗性が高いため、被覆層は薄膜でもよく、むしろ膜厚を厚くすることにより、刃先の強度低下を招くことがある。
【００１７】
例えばＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成される被覆層は、エピタキシャルに成長した構造をとるため、それ以上の膜厚にすると、大きな粒径の粒子の存在により、切削加工時にクラックが入りやすく、逆に耐欠損性の低下を招く。
従って、本発明のように、被覆層の厚みを０．５μｍ未満とすることにより、耐欠損性の向上を図ることができる。
【００１８】
つまり、被覆層の厚みを０．５μｍ未満とすることにより、上述の大径の粒子の生成を防止して表面の凹凸を低減できるので、被覆層の動摩擦係数を低下させることができる。
（３）請求項３の発明では、前記被覆層が、物理蒸着法により形成された被覆層であることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、被覆層の形成方法を例示したものである。
化学蒸着法の場合には、物理蒸着法に比べて、被覆層に引張の残留応力が生じ易く、刃先の強度が低下する傾向にある。よって、物理蒸着法により被覆層を形成することにより、刃先の強度が高まり、耐欠損性が向上するという利点がある。
【００２０】
（４）請求項４の発明では、前記被覆層が、ＴｉＮを主成分とする被覆層であることを特徴とする。
被覆層がＴｉＮを主成分とする場合（特にＴｉＮが１００％の場合）には、被覆層を形成した場合の残留応力が小さく、耐欠損性に優れている。
【００２１】
（５）請求項５の発明では、前記基体は、前記硬質粒子が５〜４０重量％であり、かつ前記硬質粒子の平均粒径が３μｍ以下であることを特徴とする。
本発明は、基体の好ましい構成を例示したものである。
本発明では、硬質粒子を５重量％以上含有しているので、基体の硬度が高くなり、耐逃げ面磨耗性が向上し、所望の高い性能が得られる。また、硬質粒子は４０重量％以下であるので、化学的な安定性が向上し、耐すくい面磨耗性が向上する。
【００２２】
更に、高硬度材を切削加工する際には、刃先に非常に高い切削抵抗がかかるが、本発明では、硬質粒子の平均粒径は３μｍ（好ましくは１μｍ）以下であるので、基体の強度が高く、フレーキング欠損を生じにくく、寿命が長いという利点がある。
【００２３】
（６）請求項６の発明では、前記セラミック工具は、スローアウェイチップであることを特徴とする。
本発明は、セラミック工具を例示したものである。
（７）請求項７の発明（切削工具）は、前記請求項１〜６のいずれかに記載のセラミック工具を、ホルダに取り付けたことを特徴としている。
【００２４】
本発明は、上述したセラミック工具をホルダに取り付けた切削工具を例示したものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセラミック工具及び切削工具の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
ａ）まず、本実施例のセラミック工具について説明する。
【００２６】
図１に一部破断して示す様に、本実施例のセラミック工具１は、酸化アルミニウムを主成分とし、その中に硬質粒子を含む硬質材料からなる基体３を、ＩＳＯ規格のＴＮＧＮ１６０４１２の形状に研磨加工し、その表面に硬質被膜（被覆層）５を形成したスローアウェイチップである。
【００２７】
前記硬質粒子は、基体３中に５〜４０重量％の範囲内で含有されており、この硬質粒子の平均粒径は３μｍ以下である。
特に、本実施例では、前記被覆層５は、基体３の表面全体に、その表面が露出しないようにほぼ均一に形成されており、被覆層５の厚みは０．５μｍ未満である。また、被覆層５の表面は滑らかで、動摩擦係数は０．５以下と小さく設定されている。
【００２８】
尚、前記セラミック工具（以下スローアウェイチップと記す）１は、周知のすくい面７、逃げ面９、切れ刃（刃先部分）１１、コーナー部１３等を備えている。
ｂ）次に、本実施例のスローアウェイチップ１を装着した切削工具について説明する。
【００２９】
図２に示す様に、前記スローアウェイチップ１は、チップホルダ１５に着脱可能に取り付けて使用される。尚、スローアウェイチップ１を装着したチップホルダ１５を切削工具（ホルダ付き工具）１７と称する。
具体的には、スローアウェイチップ１を、チップホルダ１５の先端に設けられた凹状の取付部１９に、スローアウェイチップ１の外周面を支持させる形ではめ込み、その際に同図の紙面側となったスローアウェイチップ１の上面２０を係止部材２１で挟み、その係止部材２１をネジ２３で止めることにより、スローアウェイチップ１をチップホルダ１５に固定する。これにより、チップホルダ１５にスローアウェイチップ１が装着された切削工具１７が得られる。
【００３０】
ｃ）次に、前記スローアウェイチップ１の製造方法を説明する。
・まず、原料粉末として、平均粒径０．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末と、平均粒径１μｍのＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴａＣ、ＷＣの各種粉末とを使用する。また、焼結助剤として、平均粒径０．２μｍのＭｇＯと、平均粒径０．９μｍのＹ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３の各種粉末を使用する。
【００３１】
・そして、下記表１に示す組成となるように、各種原料粉末を秤量し、有機溶剤を使用し、アトライターで、湿式強混合粉砕を２４時間行った。
・その後、乾燥を行い、パラフィンを添加し、１００ＭＰａ以上の圧力で、プレス成形を行った。
【００３２】
・脱脂処理後、不活性雰囲気下にて、各焼成条件、例えば１６００〜１９００℃の温度で、４時間焼成を行った。
・また、必要に応じて、１５００℃、２時間、１５０ＭＰａのＡｒガス中でＨＩＰ処理を行った。
【００３３】
この様にして得られた焼結体を、ＩＳＯ規格のＴＮＧＮ１６０４１２の形状に研磨加工し、前記基体３に対応する各基体試料を作成した。
・次に、作製した基体試料を、通常のアークイオン式ＰＶＤ装置にセットし、下記表３に示す被覆層５の材料を用いて、それぞれ被覆層５を形成し、前記スローアウェイチップ１に対応する各テスト試料を得た。
【００３４】
尚、被覆層５の厚み（膜厚）の制御に関しては、被覆層５の形成時間（被膜時間）を制御することにより行った。
【００３５】
【表１】

【００３６】
ｄ）次に、上述した製造方法にて得られたスローアウェイチップ１の特性を確認した実験例について説明する。
（実験例１）
まず、前記各基体試料のすくい面（主面）７側を表面研磨し、ＳＥＭにより観察するとともに、その観察画像上にて識別される硬質粒子の寸法を、画像解析により測定して、その平均値（平均粒径）を求めた。その結果を下記表２に記す。
（実験例２）
前記各基体試料に対して、ＪＩＳＲ１６１０（１９９１年）の規定に従って、ビッカース硬さ試験を実施し、ビッカース硬度Ｈｖを測定した。その結果を同じく下記表２に記す。
（実験例３）
前記各基体試料に対して、ＪＩＳＲ１６０１（１９８１年）の規定に従って、曲げ強度試験を実施し、曲げ強度を測定した。その結果を同じく下記表２に記す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
（実験例４）
次に、前記各基体試料にそれぞれ被覆層を形成したスローアウェイチップ１であるテスト試料に対して、その被覆層５の厚み（膜厚）を測定した。具体的には、各基体試料を破断し、その破断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、その膜厚を測定した。その結果を下記表３に記す。
（実験例５）
前記各テスト試料に対して、ボールオンディスク法により、下記の測定条件により、動摩擦係数を測定した。その結果を同じく下記表３に記す。
【００３９】
＜動摩擦係数測定条件＞
環境：室温、大気中
周速度：１００ｍ／ｓｅｃ、
荷重：２Ｎ
ボール材：ＳＫＤ６１
ディスク：各テスト試料
（実験例６）
次に、前記各テスト試料に対して、下記に示す切削条件にて、切削加工試験を行い、その性能を評価した。その結果を下記表３に示す。
【００４０】

【００４１】
【表３】

【００４２】
この表３に示すように、本発明品（テスト試料Ｎｏ．１〜１５、１７、１８、２０、２１）は、動摩擦係数が０．４５以下と小さいので、比較例の従来品（テスト試料Ｎｏ．１６、１９）に比べて、欠損に到るまでの加工距離が８３０ｍ以上と長く、優れた切削性能（耐欠損性能）を備えていることがわかる。
【００４３】
ｅ）次に、本実施例の効果について説明する。
以上、詳述したように、本実施例のスローアウェイチップ１は、酸化アルミニウムを主成分とし、平均粒径３μｍ以下の５〜４０重量％の硬質粒子を含む基体３を備えるとともに、その表面にＴｉＮからなる被覆層５を備えており、更に、被覆層５の厚みは０．５μｍ未満で、被覆層５の動摩擦係数は０．５以下と小さく設定されている。
【００４４】
従って、従来見られていたような被覆による耐欠損性の低下を招くことなく、高い耐磨耗性を有しているため、高硬度材加工のような熱的及び機械的に高負荷のかかる切削加工の条件においても、安定した性能を発揮し、長寿命の切削加工が可能となる。
【００４５】
そのため、本実施例のスローアウェイチップ１を用いることにより、ＣＢＮ工具匹敵する切削加工が可能となる。
また、本実施例のスローアウェイチップ１は、ＣＢＮ工具に対して、非常に安価であるため、コストパフォーマンスにも優れており、ユーザーに対して、安価に供給することが可能である。
【００４６】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば本発明は、フライス工具やドリル等の他の切削工具に適用することができる。
【００４７】
（２）また、前記被覆層は、アークイオン式物理蒸着により形成することが好ましいが、他の周知の方法（例えばＡＲＥ法等）を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のセラミック工具を一部破断して示す斜視図である。
【図２】実施例の切削工具を示す平面図である。
【符号の説明】
１…セラミック工具（スローアウェイチップ）
３…基体
５…被覆膜
１５…ホルダ
１７…切削工具

Claims

酸化アルミニウムを主成分とし、硬質粒子を含む基体と、
前記基体の表面のうち、少なくとも刃先部分の表面が露出しないように覆う被覆層と、
を備えたセラミック工具において、
前記被覆層の動摩擦係数が０．５以下であることを特徴とするセラミック工具。
前記被覆層の厚みが、０．５μｍ未満であることを特徴とする前記請求項１に記載のセラミック工具。
前記被覆層が、物理蒸着法により形成された被覆層であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のセラミック工具。
前記被覆層が、ＴｉＮを主成分とする被覆層であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック工具。
前記基体は、前記硬質粒子が５〜４０重量％であり、かつ前記硬質粒子の平均粒径が３μｍ以下であることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック工具。
前記セラミック工具は、スローアウェイチップであることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック工具。
前記請求項１〜６のいずれかに記載のセラミック工具を、ホルダに取り付けたことを特徴とする切削工具。