JP2006187831A - 切削インサート、及び切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】熱的、化学的に過酷な切削加工条件でも良好な性能を発揮することができる切削インサート、及び切削工具を提供すること。
【解決手段】 前記課題を解決するための手段は、セラミック基材の表面に被覆層が形成されてなり、下記式における係数（Ａ）が０＜Ａ≦０．８であることを特徴とする切削インサートである。
１／σｆ＝Ａ×（被覆層の厚み）^０．５ ＋１
[ここで、σｆは、被覆層を形成した後の切削インサートの、被覆層を形成する前の切削インサートに対する耐欠損性の比である。]
【選択図】 図１

Description

本発明は、スローアウェイチップ等の切削インサート、及び切削工具に関し、特に詳しくは、特に熱的、化学的に過酷な切削加工条件でも良好な性能を発揮することができる切削インサート、及び切削工具に関する。

従来より、スローアウェイチップ（以下、単に「チップ」と称する場合がある。）等の工具として、窒化珪素やアルミナ−SiCウィスカー複合材料からなる基体の表面に、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＣなどの被覆層を複数層設けたセラミック工具が知られている。

このようなセラミック工具としては、例えば、「ダクタイル鋳鉄の切削に用いられる高速切削用セラミック工具であって、Ｓｉ_３Ｎ_４又は一般式Ｓｉ_６−ｚＡｌ_ｚＮ_８−ｚＯ_ｚ（式中、ｚは３以下の数を示す）で表される化合物を主体とする焼結体を基材とし、その表面にＡｌ_２Ｏ_３及び/又はＡｌＯＮの被覆層よりなる中間層を設け、この中間層上にＴｉＣ、ＴｉＮ又はＴｉＣＮの被覆層よりなる外層を設けたことを特徴とする高速切削用セラミック工具。」が提案されている(特許文献１ 参照)。

また、セラミック工具としては、「重量％で、いずれも結合相形成成分として、酸化イットリウム：１〜１５％、希土類酸化物：１〜１５％、酸化シリコン：０．５〜１０％、を含有し、残りが分散相形成成分としての窒化けい素からなる配合組成の焼結体にして、９９％以上の理論密度比を有する窒化けい素基セラミックス基体の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、および炭窒酸化物、並びに酸化アルミニウムのうちの１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を１〜２０μｍの平均層厚で形成してなる、硬質被覆層がすぐれた密着性を有する表面被覆窒化けい素基セラミックス製切削工具。」が提案されている(特許文献２ 参照)。

さらに、セラミック工具としては、「アルミニウム又はIV a族金属の酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物を母相主成分とし、必要に応じてその一部を、アルミニウム、珪素、IV a族、V a族、VI a族の金属もしくはこれら金属の酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、硼化物から成る置換成分で置換したものを母相とし、この中に全体の５〜70重量％の炭化珪素ウイスカーが均一に分散された状態の焼結体により基体を構成し、該基体を所定形状に加工した表面上に、アルミニウム又はIV a族、V a族の酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、硼化物もしくはこれらの固溶体のうちの一種から成る単層又は二種以上から成る複数層の平均厚が0.3〜20μｍである被覆層を形成してなることを特徴とするセラミックス工具。」が提案されている(特許文献３ 参照)。

特公平０３−４９６８１号公報 特開平０６−２４６５１１号公報 特許２６０４１５５号公報

上記したような被覆層は、耐摩耗性や耐熱性を向上させる目的で設けられるものであるが、上述した技術では、熱による残留応力によって生じる内部歪を十分に解消できないという問題があった。

つまり、これらセラミック工具は、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又は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。そして、その内部歪が大きな時には、層の剥離等の不具合が発生するという問題があった。

そのため、内部歪が生じること、層の剥離等の不具合が発生するという上記問題点を解決するために、「窒化珪素を主成分とする基体の表面に被覆層を有する表面被覆窒化珪素工具において、前記被覆層は、前記基体の表面に設けられたＡｌＯＮからなる基体側層と、該基体側層の表面に設けられた中間層と、該中間層の表面に設けられたＴｉＮからなる最外層との３種の層を備えるとともに、該被覆層の厚みが２〜８μｍであり、前記中間層は、ＡｌＯＮ，ＴｉＣ，ＴｉＮ，及びＴｉＣＮの中から選択された１種以上の中間内部層からなることを特徴とする表面被覆窒化珪素工具。」という構成を備える工具が提案されている(特許文献４ 参照)。

特開平１０−２１２１８３号公報

この特許文献４に記載の発明は、「前記被覆層は、工具の耐摩耗性を向上させるため等の目的で採用されるいわゆる硬質被覆層であり、本発明では、その厚さは２〜８μｍに設定されている。つまり、この厚さより薄いと被覆層が短時間で摩滅してしまい、切削時等の摩耗の進行が大きく、一方、それより厚いと被覆層が剥がれ易くなるので、この範囲の厚さが、耐摩耗性及び剥離防止の点で好適である。」(特許文献４ 段落番号[００１１]参照)と記載されているように、被覆膜の密着性を維持しつつ、耐摩耗性を向上させる目的でなされたものであった。

しかしながら、近年さらなる省力化や高能率加工が著しく、特に熱的・化学的に安定な性能を発揮する切削工具が望まれてきた。また、加工される被削材も、部品の小型化、軽量化の要望により難削化が進んでおり、これらの工具では、十分な性能を得ることが困難な状況になってきた。

そのため、被覆層を厚くする方法により改善を試みたが、高純度窒化珪素を基体として使用した場合、熱膨張係数が被膜に対して、極めて小さいために、かえって被膜と基体の間に発生する残留応力に起因して著しい強度低下が生じるという問題があり、課題解決には至っていないのが実情である。

本発明は、このような従来の問題点を解消し、熱的、化学的に過酷な切削加工条件でも良好な性能を発揮することができる切削インサート、及び切削工具を提供することをその課題とする。

本発明において、特に主眼としたのは、熱的、化学的に過酷な切削加工条件でも良好な性能を発揮するためには、被覆層をいかに厚く形成し、強度低下を抑制するかという点である。

そこで、種々、検討した結果、硬質で脆性材料である被覆層の厚さと基材となるセラミック基材における被覆層形成前後の耐欠損性の比率を、ある関係式で整理した際、その傾きである「Ａ」を特定の範囲に制御することで、強度低下が少ない状態で、被覆層の厚さを厚くすることが可能であることを見出した。

前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、セラミック基材の表面に被覆層が形成されてなり、
下記式における係数（Ａ）が０＜Ａ≦０．８であることを特徴とする切削インサートであり、
１／σｆ＝Ａ×（被覆層の厚み）^０．５ ＋１
[ここで、σｆは、被覆層を形成した後の切削インサートの、被覆層を形成する前の切削インサートに対する耐欠損性の比である。]
請求項２は、前記被覆層が、Ａｌ及び/又はＴｉの酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、並びにそれらの相互固溶体を含有する単層又は複層からなる請求項１に記載の切削インサートであり、
請求項３は、前記セラミック基材が、（Ａ）窒化ケイ素質、（Ｂ）窒化ケイ素質及びＴｉＮ、（Ｃ）酸化アルミニウム、（Ｄ）酸化アルミニウム及びＺｒＯ_２、（Ｅ）酸化アルミニウム及びＴｉＣ、（Ｆ）酸化アルミニウム及びＳｉＣのいずれかを主成分とする請求項１又は２に記載の切削インサートであり、
請求項４は、前記被覆層が、化学蒸着法によって形成されてなる前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削インサートであり、
請求項５は、前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削インサートと、前記切削インサートを支持するホルダとを備えることを特徴とする切削工具である。

本発明によれば、熱的、化学的に過酷な切削加工条件でも良好な性能を発揮することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る一例としての切削インサート及び切削工具を説明する。なお、本発明に係る切削インサート及び切削工具は、図１に示される切削インサート及び切削工具に限定されない。

図１に示されるように、切削インサート１は、略直方体の形状であり、略直方体のセラミック基材２の表面全体に、被覆層３が形成されたものである。

この切削インサート１のセラミック基材２の刃先１Ａ、１Ｂに相当する部分には、例えば、０．２ｍｍ×２５度の面取加工が施されており、これにより、切削インサート１の刃先１Ａに面取部分が形成されている。尚、この切削インサート１は、通常、ホルダ４の角部に図示しない固定具等を用いて固定されて、切削工具５として、切削作業に用いられる。

ここで、具体的には、切削インサート１は、セラミック基材２の表面に被覆層３が形成されてなり、下記式における係数（Ａ）が０＜Ａ≦０．８である。

１／σｆ＝Ａ×（被覆層の厚み）^０．５ ＋１

ここで、σｆは、被覆層３を形成した後の切削インサート１の、被覆層３を形成する前の切削インサートに対する耐欠損性の比である。耐欠損性の比については、例えば、被覆層が形成される前の切削インサートに対する被覆層が形成された後の切削インサートにおける欠損した送り量の比率で示すことができる。

係数（Ａ）としては、０＜Ａ≦０．８であり、０＜Ａ≦０．５が好ましく、０＜Ａ≦０．３がより好ましい。

係数（Ａ）が、０．８より大きいと、被覆層３の厚みの増加による強度低下が著しくなり、所望の性能が得られない場合がある。また係数（Ａ）の値は、セラミック基材２の組成及び被覆層３の形成条件等によって、変化する数値であるため、それらの条件を組合せて、より低い値にすることが望ましい。

セラミック基材２の材料としては、主に、Ｓｉ_３Ｎ_４等の窒化ケイ素質、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。

この他にも、以下の酸化物を適宜添加することができる。酸化物としては、例えば、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、およびＥｒ_２Ｏ_３等である。

上記した材料の中でも、前記セラミック基材２が、（Ａ）窒化ケイ素質、（Ｂ）窒化ケイ素質及びＴｉＮ、（Ｃ）酸化アルミニウム、（Ｄ）酸化アルミニウム及びＺｒＯ_２、（Ｅ）酸化アルミニウム及びＴｉＣ、（Ｆ）酸化アルミニウム及びＳｉＣのいずれかを主成分とすることが好ましい。

本発明におけるセラミック基材２は、ウィスカーを含有してもよい。ウィスカーは、ひげ結晶ともいい、針状の結晶形態である。このウィスカーとしては、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＣ、およびＴｉＮ等が挙げられる。この中でも、ウィスカーが、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、およびＴｉＣよりなる群から選択される少なくとも一種よりなることが好ましい。

ウィスカーの平均直径としては、大きくても１μｍであることが好ましい。ウィスカーの平均直径が１μｍを超えると、それ自身が欠陥となり抗折強度が低下し、耐欠損性が不十分になるという問題がある。

このウィスカーの長さとしては、２〜１０μｍであることが好ましい。ここで、ウィスカーの長さが２μｍ未満であると、強度の改善効果が低いという問題がある。ウィスカーの長さが１０μｍを超えると、セラミック基材の欠陥となり、強度が低下するという問題がある。

以上、説明したセラミック基材２は、以下のような手順で製造する。まず、原料粉末として、α型窒化珪素粉末、及びＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２等の各種粉末、ＴｉＮ粉末、ウィスカー等を使用する。

上記した混合物を、例えば、ボールミルを用いて、アルコール、例えば、エタノールを媒体として混合し、所定時間、湿式混合粉砕を行う。

なお、エタノール以外にも、アセトン、メタノール、水等を使用しても良い。

上記した湿式混合粉砕で得られたスラリーを、湯煎し、乾燥し、混合粉末を得る。乾燥の方法としては、自然乾燥、熱風による乾燥、スプレードライ等が挙げられる。

上記した混合粉末の乾燥後、この混合粉末を、例えば、カーボン型に充填した後、圧力をかけながら加熱し、焼成を行い、セラミックス基材２を得る。

焼結は、場合によっては、一次焼成、二次焼成に分けて行う。ここで、焼成の方法としては、ホットプレス法、雰囲気焼結法、通電加熱焼結法、多軸通電加熱焼結法、放電プラズマ焼結法、熱間等方加圧式焼結法（Hot Isostatic Pressing; HIP法と略す場合がある。）等が挙げられる。また、焼成は、例えば、０．５〜１．０ＭＰａの圧力で、窒素ガス又はＡｒガス中、温度１６００〜１８００℃、所定の成形圧で熱処理して行う。

一方、被覆層３は、Ａｌ及び/又はＴｉの酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、並びにそれらの相互固溶体を含有する単層又は複層からなることが好ましい。具体的には、例えば、ＴｉＣＮ層、ＴｉＮ層、及びＡｌ_２Ｏ_３層を形成する場合を以下に、挙げる。

ＴｉＣＮ層を形成する場合は、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮを原料とする。また、ＴｉＮ層を形成する場合は、Ｈ_２、Ｎ_２、ＴｉＣｌ_４を原料とする。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３層を形成する場合は、Ｈ_２、ＣＯ_２、ＨＣｌ、ＡｌＣｌ_３、Ｈ_２Ｓを原料とする。

また、被覆層３が、化学蒸着法によって形成されてなることが好ましい。

化学蒸着法としては、化学的気相成長法（Chemical Vapor Deposition、以下ＣＶＤと称する場合がある。）が挙げられる。化学的気相成長法としては、例えば、大気圧ＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ等が挙げられる。

さらに、被覆層３の厚みは、係数（Ａ）を決定する要素であり、適宜選択できるが、例えば、２〜１０μｍであることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものでは無い。

（セラミック基材の製造例）
原料粉末として、平均粒径０.５μｍのα型窒化珪素粉末（酸素量：１．０％）、及び平均粒径１μｍ以下のＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２の各種粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均短径０．５μｍ、長径１０μｍのβ−ＳｉＣウィスカーを使用する。

（セラミック基材Ｎo.：１〜４）
表１に示す組成となるように、各種原料粉末を秤量し、アルコールを溶媒として、ボールミルで、湿式混合粉砕を２４時間行った。その後乾燥を行い、パラフィンを添加し、１．５ton/ｃｍ^２以上の圧力で、プレス成形を行った。脱脂処理後、窒素ガス雰囲気下にて、１７００℃、４時間焼成を行い、その後、１８５０℃、２時間、１００気圧の窒素ガス中でガス圧焼結を行った。

（セラミック基材Ｎo.：５）
また、同様に、表１に示す組成となるように、各種原料粉末を秤量し、アルコールを溶媒として、ボールミルで、湿式混合粉砕を２４時間行った。その後乾燥、整粒を行い、１８５０℃、２時間、２００ｋｇｆ/ｃｍ^２の条件で、ホットプレス焼結を行った。

（セラミック基材Ｎo.：６）
また、同様に、表１に示す組成となるように、各種原料粉末を秤量し、水を溶媒として、ボールミルで、湿式混合粉砕を２４時間行った。その後乾燥、整粒を行い、１５５０℃、２時間の条件で、大気中で焼結を行った。

この様にして得られた焼結体を、ＩＳＯ規格のＳＮＧＮ１２０４０８の形状に切断・研磨加工し、セラミック基材の試料として使用した。

（実施例および比較例）
次に、作製したセラミック基材の試料を、周知のＣＶＤ装置にセットする。このＣＶＤ装置とは、化学気相蒸着法により被覆層を形成する装置である。

そして、下記条件にて、セラミック基材の表面上に、被覆層におけるＴｉＣＮ層、ＴｉＮ層、及びＡｌ_２Ｏ_３層を形成した。

ＴｉＣＮ層 ：温度 ８５０℃
圧力 ：７５ ｈＰａ
Ｈ_２ ：１８ Ｌ/min
Ｎ_２ ：９．５ Ｌ/min
ＴｉＣｌ_４ ：１．５ ｍＬ/min
ＣＨ_３ＣＮ ：０．２８ｍＬ/min

ＴｉＮ層 ：温度 ９００℃
圧力 ：６００ ｈＰａ
Ｈ_２ ：１３ Ｌ/min
Ｎ_２ ：１０．５ Ｌ/min
ＴｉＣｌ_４ ：１．１ ｍＬ/min

Ａｌ_２Ｏ_３層 ：温度 １０００℃
圧力 ：８０ ｈＰａ
Ｈ_２ ：１７ Ｌ/min
ＣＯ_２ ：０．５ Ｌ/min
ＨＣｌ ：０．９ Ｌ/min
ＡｌＣｌ_３ ：１．２ ｍＬ/min
Ｈ_２Ｓ ：６０ ｍＬ/min

次に、表１に示した各試料に表２に示す被覆層を形成した。被覆層は、それぞれの厚みを有していた。上記のようにして、被覆層が形成された切削インサートを製造し、下記に示す条件にて、切削加工試験を行い、耐欠損性及び耐摩耗性を評価した。特に、耐欠損性については、被覆層が形成される前の切削インサートに対する被覆層が形成された後の切削インサートにおける欠損した送り量の比率で示した。その結果を併せて、表２に示す。

耐欠損性条件：被削材 ＦＣ２００
切削速度 １５０ｍ/min、
切り込み深さ ２．０ｍｍ
送り速度 ０．７〜１．３ｍｍ/rev、
乾式、
刃先処理 ０．１ｍｍ×２５度
刃先が欠損に至った送り量

耐摩耗性条件：被削材 ＦＣＤ６００、
切削速度 ６００ｍ/min、
切り込み深さ １．０ｍｍ
送り速度 ０．１ｍｍ/rev、
乾式、
刃先処理 ０．２ｍｍ×２５度
摩耗量：０．３ｍｍに到達した加工距離

上記した表２に示されるように、本発明に係る切削インサートは、耐欠損性低下を極力抑制した状態で、非常に厚い膜厚を有しているため、従来の切削インサートに比べて優れた耐摩耗性を有し、長時間安定した加工が可能となっている。

図１は、本発明の一例としての切削インサート及び切削工具を示す概略図である。

符号の説明

１ 切削インサート
１Ａ 刃先
１Ｂ 刃先
２ セラミック基材
３ 被覆層
４ ホルダ
５ 切削工具

Claims (5)

1. セラミック基材の表面に被覆層が形成されてなり、
   下記式における係数（Ａ）が０＜Ａ≦０．８であることを特徴とする切削インサート。
   １／σｆ＝Ａ×（被覆層の厚み）^０．５ ＋１
   [ここで、σｆは、被覆層を形成した後の切削インサートの、被覆層を形成する前の切削インサートに対する耐欠損性の比である。]
2. 前記被覆層が、Ａｌ及び/又はＴｉの酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、並びにそれらの相互固溶体を含有する単層又は複層からなる請求項１に記載の切削インサート。
3. 前記セラミック基材が、（Ａ）窒化ケイ素質、（Ｂ）窒化ケイ素質及びＴｉＮ、（Ｃ）酸化アルミニウム、（Ｄ）酸化アルミニウム及びＺｒＯ_２、（Ｅ）酸化アルミニウム及びＴｉＣ、（Ｆ）酸化アルミニウム及びＳｉＣのいずれかを主成分とする請求項１又は２に記載の切削インサート。
4. 前記被覆層が、化学蒸着法によって形成されてなる前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削インサート。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削インサートと、前記切削インサートを支持するホルダとを備えることを特徴とする切削工具。
   
   
   

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