JP2008229766A

JP2008229766A - 切削工具

Info

Publication number: JP2008229766A
Application number: JP2007071909A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kamichi; 康弘神地; Osamu Kanda; 修神田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-10-02
Also published as: WO2008114714A1

Abstract

【課題】高硬度の金属材料を切削するに際し、耐磨耗性に優れ、凝着防止効果をより高くすることができる切削工具を提供する。
【解決手段】切削基材２と、前記切削基材２より対磨耗性の高い超硬材料からなり、前記切削基材２に固着された刃先チップ３とを具備し、前記刃先チップ３の少なくとも被切削材２との接触箇所近傍３１，３２には、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系およびＡｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物のうち、少なくともいずれか一種を含む硬質保護膜４が被膜されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具に関し、特に、二相ステンレス鋼等の高硬度鋼（ハイアロイ）を切削するのに好適な切削工具に関する。

鋼材（鋼板、鋼片、鋼管、棒鋼等）などの金属材料からなる被切削材を切削する切削工具として、円盤状の切削基材に複数の刃先を設けた円盤型鋸刃を有し、円盤状の切削基材を回転させて切削する構成が公知である。
このような切削工具においては、前記鋸刃の先端部に切削基材より高硬度の刃先チップを固着して切削能力を高めている（例えば、特許文献１〜３参照）。
さらに、上記の刃先チップの耐磨耗性をさらに向上させるべく、刃先チップ表面に硬質保護膜が被膜されている構成も公知である。そして、このような硬質保護膜として様々な材料が適用されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開平１１−２３９９１５号公報特開２００２−１０３３０４号公報特開２００４−３４２０９号公報特開平８−２９６０６４号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４の硬質保護膜が刃先チップに被膜された切削工具は、二相ステンレス鋼等の高硬度の金属材料を切削すると、被切削材に含まれるレアメタルが刃先チップ（の硬質保護膜）表面に付着する凝着現象が生じる等の原因で、刃先チップが急速に磨耗し、寿命が短い。

本発明はかかる従来技術に鑑みなされたものであり、耐磨耗性に優れた切削工具を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の発明者らは、種々の材料を切削後の切削工具の刃先チップを観察した。この結果、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、またはＡｌ−Ｚｒ−Ｏ系の複合酸化物や、炭化物系および窒化物系の珪素化合物が含まれる硬質保護膜は、刃先チップの耐磨耗性を向上させ、刃先チップと被切削材との凝着を抑制することを見出した。
本発明は、この新しい知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明に係る切削工具は、切削基材と、前記切削基材より耐磨耗性の高い超硬材料からなり、前記切削基材に固着された刃先チップとを具備し、前記刃先チップの少なくとも被切削材との接触箇所近傍には、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物のうち、少なくともいずれか一種を含む硬質保護膜が被膜されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物の少なくとも一種が含まれた硬質保護膜が刃先チップの被切削材との接触箇所を被膜しているため、切削工具の耐磨耗性を向上させる。さらに、その硬質保護膜は、刃先チップと被切削材の凝着を防止することができる。このため、その硬質保護膜に被膜された刃先チップを有する切削工具は、従来の工具よりも格段に寿命が長く、切削効率を向上させることができる。

好ましくは、前記硬質保護膜は、Ａｌ_２Ｏ_３を含む。

また、好ましくは、前記切削基材の材料は、工具鋼である一方、前記刃先チップの前記超硬材料は、超硬質合金である。工具鋼は、ＪＩＳ規格表示におけるＳＫＤ，ＳＫＨを意味し、超硬質合金は、例えば、炭化タングステン粉末合金を意味する。

また、好ましくは、前記切削基材は、略円形状の円盤の外周部に沿って複数設けられた切削刃基部を有し、前記硬質保護膜が被膜された前記刃先チップは、前記切削刃基部の円盤径方向先端部に固着される。

上記切削工具は、複数の切削刃を有し、円盤を回転させて切削を行う円盤型鋸刃であり、高硬度の金属材料からなる被切削材の端部を切断することに好適に用いることができる。

本発明に係る切削工具は、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物の少なくとも一種が含まれた硬質保護膜によって被切削材との接触箇所を被膜した刃先チップを有するため、耐磨耗性が向上し、被切削材との凝着を防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る切削工具を示す概略平面図である。また、図２は図１の領域Ａ拡大図である。

本発明に係る切削工具１は、切削基材２と、前記切削基材２より耐磨耗性の高い超硬材料からなり、前記切削基材２に固着された刃先チップ３とを具備している。

本実施形態において、前記切削基材２の材料は、工具鋼（ＪＩＳ規格表示ＳＫＤ，ＳＫＨ）である一方、前記刃先チップ３の前記超硬材料は、超硬質合金（例えば、炭化タングステン粉末合金）である。
より具体的には、工具鋼は、例えば、Ｆｅ−2.0mass％Ｃにより形成される。また、超硬材料は、例えば、ＷＣ−5mass％Ｃｏ，ＷＣ−10mass％Ｃｏ，ＷＣ−20mass％Ｃｏ等により形成される。

さらに詳細に説明すると、前記切削基材２は、略円形状の円盤２０の外周部に沿って複数設けられた切削刃基部２１を有し、前記刃先チップ３は、前記切削刃基部２１の円盤径方向先端部に固着される。

より具体的には、前記刃先チップ３は、切削刃基部２１の先端部における円盤２０の回転方向（図１，２に示す矢符Ｘの方向）下流側に設けられる。刃先チップ３は、切削刃基部２１に溶接される。

ここで、前記刃先チップ３の少なくとも被切削材との接触箇所近傍には、硬質保護膜４が被膜される。
より具体的には、刃先チップ３の円盤回転方向下流側端面（すくい面）３１と円盤径方向先端面（逃げ面）３２との間の角部（境界部）を含む領域に、硬質保護膜４が設けられる。

硬質保護膜４の形成方法としては、物理蒸着法（ＰＶＤ法）が適用できる。具体的には、まず、真空チャンバ内に純Ａｌ製金属板（ターゲット材）および刃先チップ３を配置する。この真空チャンバ内に、不活性ガス（例えば、Ａｒ）を導入し、高磁場をかけることにより、不活性ガスをイオン化(例えば、Ａｒイオンと電子とに分離)し、不活性ガスイオンをターゲット材に誘引させる。こうして、イオン化された不活性ガスイオンが前記ターゲット材表面に向けて加速され、当該ターゲット材に衝突する。不活性ガスイオンがターゲット材表面に衝突すると、代わりにターゲット材表面からＡｌイオンが飛び出す。このとき、当該Ａｌイオンを刃先チップ３表面に電気的に誘引し、当該刃先チップ３表面に付着させる。その後、チャンバ内に酸素を導入し、チャンバ温度を４００〜５００℃まで昇温する熱処理を行うことにより、刃先チップ３表面にＡｌ_２Ｏ_３を含む硬質保護膜４を生成する。

上記のようにして形成される切削刃基部２１と硬質保護膜４が被膜された刃先チップ３を具備する切削刃Ｚを円盤２０の外周部に沿って設けることにより、円盤型鋸刃が形成される。
この切削工具１は、前記円盤２０の中心に軸孔２２が設けられている。切削工具１は、切削装置（図示せず）に軸孔２２を介して軸線回りに回転可能に取り付けられ、被切削材を切削できる。円盤型鋸刃の本切削工具１は、高硬度の金属材料からなる管材の端部を切断することに好適である。
なお、硬質保護膜４は、少なくとも切削刃Ｚのすくい面３１および逃げ面３２（の境界部）に設けられることが望ましい。

次に、本発明に係る前記硬質保護膜４の材質について説明する。
本発明に係る切削工具１において、前記硬質保護膜４は、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物のうち、少なくともいずれか一種を含む。

Ａｌ−Ｏ系複合酸化物としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）が適用できる。Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系複合酸化物としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＴｉＯ_２が適用できる。Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２が適用できる。炭化物系珪素化合物としては、例えば、ＳｉＣが適用できる。窒化物系珪素化合物としては、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４が適用できる。しかしながら、これらに限定されることなく、種々適用可能である。

このような材料を含む硬質保護膜４は、耐酸化温度が１０００℃以上であり、熱的および機械的に安定である。したがい、切削刃Ｚと被切削材が高温で摺動する場合にも、切削工具は高い耐磨耗性を保持することができる。

以上のように、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物の少なくとも一種が含まれた硬質保護膜４を刃先チップ３の被切削材との接触箇所に被膜させることにより、切削工具１の耐磨耗性が向上し、被切削材の凝着を防止することができる。

特に、従来、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ等のレアメタルを含有した高硬度金属材料、例えば、二相ステンレス鋼、高合金鋼系マルエージング鋼（例えば、Ｆｅ−18mass％Ｎｉ−12.5mass％Ｃｏ−3.75mass％Ｍｏ−1.7mass％Ｔｉ−0.15mass％Ａｌ）等の高硬度の金属材料（例えば、鋼管、鋼板、棒鋼等）を切削する際において、切削工具１の耐磨耗性は悪く、刃先チップ３に被切削材が張り付く凝着現象が生じ易かった。しかし、上記材質を含む硬質保護膜４は、上記高硬度の金属材料を切削する際においても、耐磨耗性が高く、被切削材との凝着を有効に防止することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、切削刃Ｚの数、切削刃Ｚおよび刃先チップ３の形状、硬質保護膜４の被膜範囲等、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
例えば、本実施形態において、刃先チップ３は、硬質保護膜４を被膜するのみであるが、焼入れやショットピーニング等のその他の処理を施してもよい。ただし、本発明の効果は、前記その他の処理なしで十分に発揮される。
また、本実施形態においては、切削工具１が円盤型鋸刃である場合について説明したが、これに限られず、例えば、切削チップ、ドリル、エンドミル等、切削工具全般に広く適用可能である。

続いて、本発明に係る切削工具１の実施例について説明する。ここでは、本発明に係る切削工具１（すなわち、上記硬質保護膜４を有する切削工具１）と、硬質保護膜４を有しない切削工具とを用いて比較試験を行い、本発明に係わる切削工具１の性能を調査した。

本実施例においては、実施例および比較例ともに、切削基材２の材料として、工具鋼（Ｆｅ−2.0mass％Ｃ）が用いられ、刃先チップ３として、超硬材料（ＷＣ−20mass％Ｃｏ）が用いられたものを使用し、切削刃Ｚの数は同数とした。さらに、本実施例において、切削チップ３はＡｌ−Ｏ系複合酸化物であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む硬質保護膜４によって全表面を被膜した。その膜厚は、約４〜５μｍとした。一方、比較例においては、切削チップ３は前記硬質保護膜４で被膜しなかった。

このような切削工具を用いて、同質の二相ステンレス鋼管（外径２００ｍｍ、肉厚１４．７ｍｍ）を切断し、切断数と刃先チップ３（または硬質保護膜４）の磨耗量を比較した。
この比較実験により、以下の表に示すような結果が得られた。

実施例の切削工具１は、すくい面３１および逃げ面３２のいずれにおいても、ほとんど磨耗しなかった。さらに、刃先チップ３の損耗や被切削材との凝着も発生しなかった。一方、比較例の切削工具は、かなり磨耗し、被切削材と凝着した。

本発明に係る切削工具を示す概略平面図である。図１の領域Ａ拡大図である。

符号の説明

１切削工具
２切削基材
２０円盤
２１切削刃基部
３刃先チップ
３１すくい面
３２逃げ面
４硬質保護膜

Claims

切削基材と、
前記切削基材より耐磨耗性の高い超硬材料からなり、前記切削基材に固着された刃先チップとを具備し、
前記刃先チップの少なくとも被切削材との接触箇所近傍には、Ａｌ−Ｏ系、Ａｌ−Ｔｉ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ系複合酸化物、ならびに、炭化物系および窒化物系珪素化合物のうち、少なくともいずれか一種を含む硬質保護膜が被膜されていることを特徴とする切削工具。
前記硬質保護膜は、Ａｌ_２Ｏ_３を含むことを特徴とする請求項１記載の切削工具。
前記切削基材の材料は、工具鋼である一方、前記刃先チップの前記超硬材料は、超硬質合金であることを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。
前記切削基材は、略円形状の円盤の外周部に沿って複数設けられた切削刃基部を有し、
前記硬質保護膜が被膜された前記刃先チップは、前記切削刃基部の円盤径方向先端部に固着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具。