JP2007075941A - 切削インサート及び切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミック基体の表面にコート層を設けた切削インサートは、優れた耐摩耗性を発揮するため現在広く使われているが、過酷な条件下で使用した場合に突発的な欠損が生じたり、疲労による欠損が生じる等の問題があった。本発明の目的は、セラミック基体の表面にコート層を設けて耐摩耗性の向上を図り、同時にコート層を設けたことにより発生する強度劣化現象が効果的に抑制できる切削インサートを提供することにある。
【解決手段】 セラミック基体５ａの表面に化学気相析出法によるコート層５ｂを設けてなる切削インサート５であって、すくい面５ｘのコート層５ｂの膜厚を逃げ面５ｙのコート層５ｂの膜厚の０〜７０％にした切削インサート５を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック基体の表面に化学気相析出法（以下ＣＶＤ法という。）によるコート層を形成してなる切削インサート及び切削工具に関する。

セラミック基体の表面にＣＶＤ法によりコート層を形成して耐摩耗性を高めるようにした切削インサートが従来よりある（特許文献１参照）。
特開昭５５−８５４８１号公報

セラミック基体の表面にコート層を設けた上記切削インサートは、優れた耐摩耗性を発揮するため現在広く使われているが、過酷な条件下で使用した場合に突発的な欠損が生じたり、疲労による欠損が生じる等の問題があった。
そこで、欠損が生じた切削インサートを観察し分析したところ、第一に切削インサートの欠損が主としてすくい面に発生していること、第二にコート層の厚みが厚いものほど欠損の確率が高いこと、などが判明した。
このことから、セラミック基体とコート層の熱膨張率の差がセラミック基体とコート層の境界領域にクラックや歪みを生じさせ、一方、切削時に切削インサートに加わる抵抗がすくい面に対して前記クラックや歪みを増長させる向きに作用し、その結果、前記欠損に至ったものと考えられる。

本発明は上記知見に基づきなされたもので、その目的は、セラミック基体の表面にコート層を設けて耐摩耗性の向上を図り、同時にコート層を設けたことにより発生する強度劣化現象が効果的に抑制できる切削インサートの提供にある。

セラミック基体の表面に化学気相析出法によるコート層を設けてなる切削インサートであって、すくい面のコート層の膜厚を逃げ面のコート層の膜厚の０〜７０％にした切削インサートを提供する。
また、請求項２に記載したように、前記セラミック基体の材質が、窒化珪素系、アルミナ−炭化珪素系、アルミナ−炭化チタン系又はアルミナ系のセラミックである請求項１記載の切削インサートを提供する。
また、請求項３に記載したように、前記コート層が、アルミナ系及び／又は炭窒化チタン系の材質からなる単層又は複層のセラミックである請求項１又は２記載の切削インサートを提供する。

また、請求項４に記載したように、前記セラミック基体を窒化珪素系のセラミックとし、前記コート層をアルミナ系を主成分とするセラミックとした請求項１記載の切削インサートを提供する。
また、請求項５に記載したように、請求項１乃至４の何れか１項に記載の切削インサートをホルダーに装着してなる切削工具を提供する。
なお、本発明においてアルミナ系の材質とは、Ｘ線による結晶相でアルミナがピークとして現れるものをいう。

コート層の膜厚が薄い程、セラミック基体とコート層の熱膨張率の差に起因するクラックや歪みは生じ難く、実験によれば、すくい面のコート層の膜厚を逃げ面のコート層の膜厚の「０」を含めた７０％以下にすることで、切削インサートの強度劣化が効果的に抑制できることが確認された。一方、逃げ面のコート層はこれまで通りであるため耐摩耗性を損なうこともなく、従ってトータルで切削インサートの長寿命化が可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図１は切削工具の要部を示す一部を断面にした正面図、図２は切削工具の要部を示す斜視図である。

切削工具１は、先端に取付座２を有するホルダー３と、該ホルダー３の取付座２に交換可能なように取付ネジ４で固定したスローアウェイタイプの切削インサート５と、からなる。

前記切削インサート５は、セラミックで形成したセラミック基体５ａの表面にＣＶＤ法によりセラミックのコート層５ｂを形成してなり、ホルダー３に装着した図１，２の状態において上面がすくい面５ｘであり、側面が逃げ面５ｙである。

セラミック基体５ａを構成するセラミックは、切削インサート５として使用可能な材質であれば何でもよいが、好ましくは窒化珪素系又はアルミナ−炭化珪素系又はアルミナ−炭化チタン系又はアルミナ系の何れかのものがよい。
一方、コート層５ｂを構成するセラミックは、耐摩耗性を有する材質であれば何でもよいが、好ましくはアルミナ系及び／又は炭窒化チタン系のものがよい。また、コート層５ｂは単層に限定する必要はなく、異種の材質を重ねて複層にしてもよい。

セラミック基体５ａの表面にコート層５ｂを形成するＣＶＤ法は従来公知であり、例えば前掲の特許文献１に記載されているように窒化珪素製のセラミック基体５ａを反応容器に装填して９５０〜１０５０℃に加熱し、その反応容器中にＡｌＣｌ_３，ＣＯ_２及びＨ_２ガスを注入するとアルミナのコート層５ｂが出来る。

しかして本発明の切削インサート５は、すくい面５ｘのコート層５ｂの膜厚を逃げ面５ｙのコート層５ｂの膜厚の０〜７０％にしたものである。
一般にＣＶＤ法によるコート層５ｂは、セラミック基体５ａの周りに充満させたガスの析出反応で作られるため、膜厚がほぼ均一になる特徴がある。
そのため本発明は、ＣＶＤ法で形成したコート層５ｂの膜厚にすくい面５ｘと逃げ面５ｙで差を設けるべく、先ず予め切削インサート５のすくい面５ｘに例えばＢＮ粉・カーボン粉等、ホットプレスの離型剤に使用される材料でマスキングを施してからＣＶＤ法で逃げ面５ｙに薄く（具体的には逃げ面５ｙとすくい面５ｘの膜厚差に相当する分）コート層５ｂを形成し、次にすくい面５ｘの前記マスキングを研磨等で除去してから逃げ面５ｙのトータルの膜厚が所定値に達するまで再度ＣＶＤ法で全体にコート層５ｂを形成する、という第１の製造方法を案出した。

また、別法として先ず切削インサート５のすくい面５ｘと逃げ面５ｙにＣＶＤ法で薄く（具体的には逃げ面５ｙとすくい面５ｘの膜厚差に相当する分）コート層５ｂを形成し、次にすくい面５ｘのコート層５ｂを研磨等で除去してから逃げ面５ｙのトータルの膜厚が所定値に達するまで再度ＣＶＤ法で全体にコート層５ｂを形成する、という第２の製造方法を案出した。

これら第１と第２の何れの製造方法によっても、すくい面５ｘと逃げ面５ｙのＣＶＤ法によるコート層５ｂの膜厚が自由に制御できる。この第１と第２の方法ですくい面５ｘのコート層５ｂを「０」にするには、最初の工程で逃げ面５ｙを基準として完全な膜厚のコート層５ｂを形成し、その後すくい面５ｘのマスキングやコート層５ｂを除去すればよい。
なお、第２の製造方法において、コート層５ｂを形成する際の加熱・冷却でコート層５ｂとすくい面５ｘの境界領域にクラックが生じた場合は、すくい面５ｘのコート層５ｂを除去する際にすくい面５ｘに生じたクラック部分も一緒に除去するとよい。

セラミック基体５ａとしてＩＳＯ／ＤＩＳ５１３：２００２に規定されるＣＡ，ＣＭ，ＣＮ，ＣＲの４種類のセラミックを用い、ＩＳＯ標準のＳＮＧＮ１２０４０８形状に研磨加工を行い、その後にすくい面５ｘと逃げ面５ｙの境界部にＣ０.１×２５°の角度のチャンファー加工を施して切削インサート５を形成した。セラミック基体５ａの材質は、(ａ)窒化珪素（助剤成分としてアルミナ：３％、酸化イッテルビウム：３％、残りは窒化珪素）、(ｂ)アルミナ７０％−炭化珪素ウィスカー３０％、(ｃ)アルミナ７０％−炭化チタン３０％、(ｄ)アルミナ：９３％−マグネシア：１％−ジルコニア：６％の４種類のセラミックを用いた。そしてこれらのセラミック基体５ａにＣＶＤ法により（ｅ）αアルミナ、（ｆ）ＡｌＯＮ-ＴｉＣＮの２種類の何れか一方のコート層５ｂを形成した。なお、前記ＡｌＯＮ（酸窒化アルミニウム）は、アルミナに窒素を固溶させたものであり、Ｘ線による結晶相ではアルミナがピークに現れるのであって、アルミナ系の材質に含まれる。

以上（ａ）〜（ｄ）の切削インサート５について（ｅ），（ｆ）のコート層５ｂの膜厚を異ならせて次のような強度試験を実施した。
直径１５０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円盤形で鋳肌未除去の被削材に対し、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み量２ｍｍ、切削油：無し、で外径切削（鋳肌）を行った。以下の表１〜表６にあるようにセラミック基体５ａの材質に応じた送り量ｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）を設定して１０コーナーで被削材を切削し、欠損を起こしたコーナー数で強度優劣を判定した。
一方、耐摩耗性の評価は、前記被削材をｆ＝０.３（ｍｍ／ｒｅｖ）の条件で、被削材の材質がＦＣ２００の時には逃げ面摩耗幅が０.２５（ｍｍ）に達するまで、また、被削材の材質がＦＣＤ４５０の時には逃げ面摩耗幅が０.３８（ｍｍ）に達するまで切削し、その間の加工個数で判定した。その結果を表１〜表６に示す。

以上の結果からすくい面５ｘのコート層５ｂの膜厚を逃げ面５ｙのコート層５ｂの膜厚の「０」を含めた７０％以下にすることで、切削インサート５の強度劣化が効果的に抑制できることが確認できた。また、逃げ面５ｘのコート層５ｂはこれまで通りであるため耐摩耗性が損なわれないことも確認できた。

切削工具の要部を示す一部を断面にした正面図である。 切削工具の要部を示す斜視図である。

符号の説明

１ …切削工具
３ …ホルダー
５ …切削インサート
５ａ…セラミック基体
５ｂ…コート層
５ｘ…すくい面
５ｙ…逃げ面

Claims (5)

1. セラミック基体の表面に化学気相析出法によるコート層を設けてなる切削インサートであって、
   すくい面のコート層の膜厚を逃げ面のコート層の膜厚の０〜７０％にしたことを特徴とする切削インサート。
2. 前記セラミック基体の材質が、窒化珪素系、アルミナ−炭化珪素系、アルミナ−炭化チタン系又はアルミナ系のセラミックであることを特徴とする請求項１記載の切削インサート。
3. 前記コート層が、アルミナ系及び／又は炭窒化チタン系の材質からなる単層又は複層のセラミックであることを特徴とする請求項１又は２記載の切削インサート。
4. 前記セラミック基体を窒化珪素系のセラミックとし、前記コート層をアルミナ系を主成分とするセラミックとしたことを特徴とする請求項１記載の切削インサート。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の切削インサートをホルダーに装着してなることを特徴とする切削工具。

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