JP2007528795A - 切削工具および切削工具の摩耗痕跡幅の低減方法 - Google Patents

Abstract

すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面とが交差する位置にある切刃と、酸化アルミニウムで作られ、硬質材料層上に堆積された層を含む耐摩耗性の多層コーティングとを含む、セラミック、サーメット、または超硬合金製の切削工具であって、すくい面のクレータ形成に対する耐性を同時に保ちながら、摩耗痕跡幅の増大を回避するために、コーティングの酸化アルミニウム層が、逃げ面で除去されて、下地硬質材料層が、少なくとも部分的に露出される切削工具に関する。コーティングの酸化アルミニウム層は、好ましくは、レーザビーム処理によって、逃げ面で除去される。

Description

本発明は、例えば、切削インサート、割り出し可能な切削インサート、超硬合金のソリッドドリル、フライス盤、平たがねなどのセラミック、サーメット、または超硬合金製の切削工具に関し、これらの切削工具は、金属機械加工用に使用され、すくい面と、逃げ面と、すくい面及び逃げ面が交差する位置にある切刃と、耐摩耗性の多層コーティングとを含む。コーティングは、すくい面のクレータ形成に対する耐性を高め、厚みがある縁部の形成を低減するために、酸化アルミニウムから作られた少なくとも１つの層を含む。それに関して、コーティングの酸化アルミニウム層は、１つ以上の硬質材料層上に、好ましくは、化学または物理気相成長によって堆積されることで、切削工具に必要な硬度が与えられる。

欧州特許第０４６３０００号から、このような耐摩耗性の多層コーティングを含む切削工具が知られている。耐摩耗性のコーティングに関して、同特許に記載されている好ましい層構造は、５〜８μｍの厚みの炭窒化チタンのベース層と、ベース層の上方に連続して堆積された０．５〜１．５μｍの厚みの３層の酸化アルミニウム層とからなり、層の接着性を高めるために、個々の酸化アルミニウム層の間に薄い０．２〜１μｍの厚みの窒化チタン層が設けられる。表面の摩擦および厚みのある縁の形成を低減するために、酸化アルミニウムの最上層に、窒化チタンのみ、または窒化チタンおよび炭窒化チタンの組み合わせから作られた被覆層が設けられる。

製造およびコストに関する理由から、これまで切削工具の全表面領域上に、耐摩耗性の多層コーティングが均一に堆積されてきた。このタイプの切削工具のすくい面および逃げ面には非常に異なる応力がかかることが避けられないため、特定のコーティング層の有利な特性が、２つの表面領域の一方にのみ影響をもたらすが、他方の表面領域にとっては不利なものとなる。

すくい面上のみを切屑が通過することによって、切刃の後方のある一定距離にくぼんだ「クレータ」が形成されることで、切削工具の機械的強度が大幅に低下し、最終的に破裂してしまう。このようなクレータ形成プロセスを減速させるために、硬質のコーティングには酸化アルミニウム層が設けられる。

しかしながら、逃げ面上の、好ましくは、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、および／またはＴｉＮからなる硬質のコーティング層と比較して、硬度がより低い酸化アルミニウム層により、切刃の下方の摩耗痕跡幅の拡大が高まり、ひいては、規定の作用時間に見られるように、摩耗痕跡幅が広がる。

コーティングの酸化アルミニウム層のこれらの利点と欠点との妥協点を見出すために、酸化アルミニウム最上層の上に、追加の硬質ＴｉＣＮ／ＴｉＮ層を塗布した。この場合、すくい面に及ぼす酸化アルミニウム層の好ましい効果の減少が生じてしまうことが避けられなかった。

また、コーティングの最上層として窒化チタンを使用すると、このような層は、真鍮のような輝きまたは金色の輝きを放つのに対して、酸化アルミニウム層は、灰色または黒色であるため、販売促進の面での美的効果が得られる。

クレータ形成および厚みのある縁の形成に対する耐性という点で、すくい面に及ぼす酸化アルミニウムの有利な効果を完全に維持するために、コーティングの酸化アルミニウム層の上方に堆積されたＴｉＣＮ／ＴｉＮ最上層がその後機械的に除去された、切削工具がすでに市販されている。しかしながら、酸化アルミニウムの上方の最上層を機械的に除去しても、逃げ面に対する酸化アルミニウムの欠点はなくならない。

したがって、本発明は、コーティングにおける酸化アルミニウム層の利点が適切な効果をもたらすと同時に、逃げ面での摩耗痕跡幅の増大が回避される、最初に述べたタイプの切削工具を提供することを目的としている。

さらに、本発明は、自動化が可能であり、前述したタイプの切削工具での摩耗痕跡幅を低減可能な経済的な方法を提案することを目的としている。

この目的を達成するために、本発明によれば、コーティングの酸化アルミニウム層が逃げ面上で除去されることで、下地の硬質材料層が少なくとも部分的に露出される点で顕著である請求項１の特徴を備えた切削工具と、コーティングの酸化アルミニウム層が、任意に、さらなる重ね合わせ層とともに、逃げ面でのみ少なくとも部分的に除去され、そのように除去することで、好ましくは、炭窒化チタンまたは窒化チタンからなる下地の硬質材料層が露出される点で顕著である請求項７の特徴を備えた方法とが提供される。

本発明による切削工具の有用な実施形態は、請求項２から６の特徴によって特徴付けられ、本発明による方法の有用な実施形態は、請求項８から１３の特徴によって特徴付けられる。

酸化アルミニウムの除去によって露出される硬質材料層は、金属Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏまたはＷの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物またはホウ化物からなるものであってもよいが、耐摩耗性のコーティングの硬質材料層は、ＴｉＮまたはＴｉＣＮから作られることが好ましい。

耐摩耗性コーティングの最上層が酸化アルミニウムから作られる場合、本発明によれば、逃げ面でこの層のみが除去されることになるが、酸化アルミニウム最上層が１つ以上のさらなる硬質材料層でさらに被覆される場合、酸化アルミニウム最上層は、逃げ面で重ね合わせ層とともに除去されることになる。同様に、これらの重ね合わせ層は、元素の周期系のＩＶＢ族、ＶＢ族、およびＶＩＢ族からの金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、またはフッ化物から作られるものであってもよい。除去は、例えば、ブラッシングまたは研磨や研削によって、機械的に行うことができ、乾式または湿式吹き付け、または乾式および湿式吹き付けの組み合わせによる流体噴射によって除去することもでき、または特に好ましいものであるレーザビーム処理によって除去することもできる。

最後に挙げた形態において、逃げ面または逃げ面の一部は、酸化アルミニウム層の下方にある硬質材料層が、逃げ面の所望の部分で露出されるまで、レーザビームで走査される。

このプロセスにおいて、レーザビームの幅はあまり重要ではない。レーザビームのライン幅が、わずか約１５０〜２００μｍであり、逃げ面の長さが、６〜３０ｍｍであれば、レーザ機器は、逃げ面の全長にわたって１本の線を走査するのに、わずか約０．１秒しかかからない。レーザビームが、２〜３０本の線をプログラム制御されて走査するならば、市販されている割り出し可能な切削インサートを処理するのに、０．２〜３秒かかる。

コーティングの酸化アルミニウム層が除去される処理された表面領域は、好ましくは、切刃に対して平行に延在するが、プログラム制御されたレーザ誘導を用いると、任意の形状のパターンまたはデザインの形態で逃げ面の酸化アルミニウムがない領域を構成することが容易にできる。

全表面領域上で、程度の差はあるが、下地にある硬質材料層の表面から酸化アルミニウム層が削れ落ちるということが予期されず、ひいては、下地層にダメージを与えることなく、または下地層を著しく変化させてしまうことなく取り外すことができるため、レーザ処理の利点は、当業者にとって驚くべきものであった。この領域は、堆積層の異なる熱伝導率および／または異なる熱膨張率で見受けられるものである。

このため、何層かの酸化アルミニウム層の間に硬質材料層を介在させて互いに分離させたコーティングを有する本発明による方法を適用することも可能である。

本発明により酸化アルミニウム層が取り外される逃げ面の領域には、さまざまなサイズと幅がありうる。この領域は、関連する切刃を含むことが好ましいが、切刃の他方側にあるすくい面に触れることはない。この領域は、最大１ｍｍの幅を有するストリップを含んでもよいが、特に、割り出し可能な切削インサートの場合、２つ以上の切刃の間に延在する全逃げ面を含みうる。

逃げ面の所定の領域から酸化アルミニウム層が除去されるとき、レーザ処理を受けたコーティングの部分からレーザ処理を受けないコーティングの部分への移行部に終端縁が形成される可能性があるため、このような終端縁は、吹き付け処理、研磨、またはブラッシングによって、目直し、丸み付け、または平滑化されうる。

超硬合金切削本体の逃げ面での摩耗痕跡幅を低減するという点で、本発明によって達成される利点は、従来の切削工具と、本発明による切削工具とに回転研磨試験を行うことによって確認された。添付の写真および図面を参照しながら、それらの結果について説明する。

（回転摩耗試験）
超硬合金Ｐ２０のコアと、（内側から外側に向かって）以下の層配列、すなわち、０．５μｍのＴｉＮ、８μｍのＭＴ−ＴｉＣＮ、１μｍのＨＴ−ＴｉＣＮ、８μｍのＡｌ₂Ｏ₃を有する耐摩耗性の多層コーティングとを有するＣＮＭＡ１２０４０８タイプの超硬合金切削インサートを旋盤の刃物に装備した。切削インサートのある部分で、逃げ面でのレーザ処理によって、本発明によりコーティングの酸化アルミニウム層を除去することで、下地のＴｉＣＮ層を露出した。切削インサートの他の部分で、コーティングを変化させない状態にした（従来のインサート）。

クロム鋼１００Ｃｒ６（１．２０６７）のワークピースを、以下の条件で装備した旋盤の刃物で機械加工した。
切削速度 ２００ｍ／ｍｉｎ
送り ０．２ｍｍ／Ｕ
切込み深さ ０．２ｍｍ
外側回転直径 １９８ｍｍ
内側回転直径 １００ｍｍ
冷却 エマルジョン５％
設定角度 ９５°

１０横回転サイクル後（図１Ａ）、従来の切削インサートは、逃げ面上に０．１８５ｍｍ幅の摩耗痕跡（ＶＢ）を示した。１００横回転サイクル後（図１Ｂ）には既に、摩耗痕跡は、０．２４０ｍｍ幅に拡大した。

本発明によるレーザ処理済みの切削インサートは、１０横回転サイクル後（図２Ａ）、０．０８０ｍｍ幅の摩耗痕跡（ＶＢ）を示し、１００横回転サイクル後（図２Ｂ）、摩耗痕跡は、０．１４０ｍｍ幅まで拡大した。酸化アルミニウム層が除去された逃げ面の領域は、図２ＢのＸで参照される。

このように明らかに摩耗痕跡幅が低減すると、それに応じて工具の耐用年数（耐久性）が延長することは、本発明による、逃げ面上のコーティングの酸化アルミニウム層の除去によるものである。

一方で、ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＮタイプの超硬合金Ｐ１０の別のセットの切削本体を従来の方法で製作し、（内側から外側に向かって）以下の層配列、すなわち、０．５μｍのＴｉＮ、１５μｍのＭＴ−ＴｉＣＮ、１μｍのＨＴ−ＴｉＣＮ、８μｍのＡｌ₂Ｏ₃を有する耐摩耗性の多層コーティングを設けた。切削インサートのある部分にこのような条件のままにし（従来の切削本体）、別の部分では、コーティングの酸化アルミニウム層を、レーザ処理によって逃げ面で除去した。

４２ＣｒＭｏ４（１．７２２５）タイプの鋼のワークピースを、従来の切削本体と、本発明により処理された切削本体とを用いて、以下の条件で旋盤で機械加工した。
切削速度 １８０ｍ／ｍｉｎ
送り ０．３ｍｍ／Ｕ
切込み深さ ２．５ｍｍ
設定角度 ９５°
冷却 エマルジョン５％

逃げ面の摩耗を測定し、工具の耐久性との関係をグラフに示した。図３は、本発明による切削本体（正方形の点で示した下側の曲線）と、従来のままの切削本体（ひし形の点で示した上側の曲線）の結果として得られたグラフを示す。

図３から直ちに分かるように、２０分の耐久性での逃げ面の摩耗は、本発明による切削インサートの場合、約０．１ｍｍであり、従来の切削インサートの場合、約０．２７ｍｍである。６０分の耐久性では、逃げ面の摩耗は、従来のインサートでは、約０．３１ｍｍであるが、本発明によるインサートでは、０．１８ｍｍが観察されるに過ぎない。

１０横回転サイクル後の摩耗痕跡幅を示す、従来の切削本体（先行技術）の逃げ面を１：６０の拡大スケールで示した写真である。 １００横回転サイクル後の摩耗痕跡幅を示す、従来の切削本体（先行技術）の逃げ面を１：６０の拡大スケールで示した写真である。 １０横回転サイクル後の摩耗痕跡幅を示す、本発明による切削本体の逃げ面を１：６０の拡大スケールで示した写真である。 １００横回転サイクル後の摩耗痕跡幅を示す、本発明による切削本体の逃げ面を１：６０の拡大スケールで示した写真である。 公知の切削本体と本発明による切削本体の両方に対して、逃げ面の摩耗と耐久性との関係を示した図である。

Claims (13)

1. すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面とが交差する位置にある切刃と、酸化アルミニウムで作られ、硬質材料層上に堆積された層を含む耐摩耗性の多層コーティングとを含む、セラミック、サーメット、または超硬合金製の切削工具であって、前記コーティングの前記酸化アルミニウム層が、前記逃げ面で除去されて、下地の前記硬質材料層が、少なくとも部分的に露出されることを特徴とする、切削工具。
2. 前記コーティングが、前記酸化アルミニウム層にわたって堆積された１つ以上の層を含み、この／これらのさらなる層が、前記酸化アルミニウム層とともに除去されることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記コーティングの前記酸化アルミニウム層の少なくとも部分が、逃げ面でのみ除去されることを特徴とする、請求項１または２に記載の切削工具。
4. 前記コーティングの前記酸化アルミニウム層が、関連する切刃が含まれる部分において逃げ面で除去されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の切削工具。
5. 前記部分が、切刃と平行に延在することを特徴とする請求項４に記載の切削工具。
6. 前記露出された硬質材料層および／または前記酸化アルミニウム層の上方にある少なくとも１つのさらなる層が、元素の周期系のＩＶＢ族、ＶＢ族、またはＶＩＢ族からの金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、またはフッ化物であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具。
7. すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面とが交差する位置にある切刃と、酸化アルミニウムで作られ、硬質材料層上に堆積され、任意に、１つ以上のさらなる層で被覆された層を含む耐摩耗性の多層コーティングとを含む、セラミック、サーメット、または超硬合金製の切削工具の摩耗痕跡幅の低減方法であって、前記コーティングの前記酸化アルミニウム層が、任意にさらなる重ね合わせ層とともに、前記逃げ面でのみ少なくとも部分的に除去され、その際、下地の前記硬質材料層が露出されることを特徴とする、方法。
8. 前記酸化アルミニウム層および、任意に、重ね合わせ層の除去が、機械的に行われることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記酸化アルミニウム層および、任意に、重ね合わせ層の除去が、流体噴射によって行われることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 前記酸化アルミニウム層および、任意に、重ね合わせ層の除去が、レーザビーム処理によって行われることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 前記酸化アルミニウム層および、任意に、前記コーティングの前記重ね合わせ層が、前記逃げ面でのみ除去され、前記酸化アルミニウム層の下方に設けられた硬質材料層が、前記逃げ面の所望の部分において露出されるまで、レーザビームで前記逃げ面またはその部分が走査されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. レーザ処理を受けた前記コーティングの部分からレーザ処理を受けていない前記コーティングの部分への移行部に形成された終端縁が、吹き付け処理、研磨、またはブラッシングによって、目直し、丸み付け、または平滑化されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記露出された硬質材料層および／または前記酸化アルミニウム層の上方にある少なくとも１つのさらなる層が、元素の周期系のＩＶＢ族、ＶＢ族、またはＶＩＢ族からの金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、またはフッ化物であることを特徴とする、請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法。

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