JP2008246650A - インサート及び切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性及び耐欠損性に優れたインサート及び切削工具を提供すること。
【解決手段】 インサート１は、窒化珪素質焼結体からなる略ひし形のＩＳＯ規格のＤＣＧＴ１１Ｔ３０４形状の切削チップである。このインサート１は、その両主面の刃先部分３において、周角縁に切れ刃５を有しており、この切れ刃５に沿ってすくい面７側に、例えば幅（Ｗ）０．３〜１．０ｍｍ（例えば０．８ｍｍ）のブレーカ９が形成されている。また、切れ刃５及びブレーカ９の表面には、その表面の凹凸１１を埋めるようにガラス層１３が形成されており、その表面粗度Ｒａは１．６μｍ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、高強度、耐熱衝撃性、耐摩耗性等が要求される窒化珪素質焼結体からなるインサート及び切削工具に関する。

従来より、窒化珪素質焼結体は、耐熱衝撃性及び耐摩耗性等に優れることから、切削チップ（インサート）の材料として使用されている。
この窒化珪素質焼結体からなるインサートを製造する場合には、ブレーカ形状を有した金型による「型押し成形」により、プレス成形した後に、ＨＩＰ等の焼成を行っていた。

ところが、図５（ａ）に示す様に、通常、焼結体表面には微細なポアがあるため、面粗度が十分でないという問題があった。
この種のセラミックスの表面処理に関しては、例えば下記特許文献１〜３の技術が提案されている。

・アルミナ等の酸化物セラミックスは、ベアリングや切削工具などに使用されており、この酸化物セラミックの加工による表面亀裂を防止するために、表面にガラスを塗布して熱処理する表面改質方法が提案されている（特許文献１参照）。

・窒化珪素系セラミックスに酸化物セラミックス等を接合する際の接合強度を向上するために、窒化珪素系セラミックスに対して、レーザー照射することにより、金属珪素とボイド（気泡）の混在する表面を形成して、表面を改質する方法が提案されている（特許文献２参照）。

・ダイアモンド系セラミックスや窒化硼素系セラミックスからなる切削工具について、すくい面の加工の際の損傷を低減するために、ブレーカの表面にレーザー照射を行った後に、砥粒で研磨する技術が提案されている（特許文献３参照）。

なお、これとは別に、例えばＬＤ、ランプ励起のＹＡＧレーザーもしくはＣＯ₂レーザーの様なレーザ−を用いて、セラミック部品を加工する技術も提案されている（特許文献４参照）。
特開２００５−１４５８１０号公報 特開昭５９−１８２２８４号公報 特開２００６−２８１３８６号公報 特開昭５４−５４１１６号公報

しかしながら、窒化珪素質焼結体のインサートに、特許文献１の技術を適用しようとする場合、特許文献１の技術は、チップ全体の表面を改質する技術のため、局所的な改質が困難であり、製造に工数やコストがかかるという問題があった。

また、特許文献２の技術では、表面にボイドが形成されるので、良い面粗度が得られず、インサートに適用することは適当でないという問題があった。
更に、特許文献３の技術では、既存の金型型押しの方法等でブレーカを形成した後にレーザー加工を行うので、製造に工数やコストがかかるという問題があった。

なお、特許文献４の技術では、使用するレーザの性能が低いため、良い面粗度が得られないという問題があった。
本発明はこうした問題点に鑑みてなされたものであり、製造が容易でしかも良い面粗度を有するインサート及び切削工具を提供することを目的としている。

（１）請求項１の発明（インサート）は、窒化珪素質焼結体からなるインサートにおいて、少なくとも切れ刃を含む刃先の表面がガラス層に覆われていることを特徴とする。
本発明は、少なくとも切れ刃の表面がガラス層に覆われているので、インサートは良い面粗度を有している。よって、耐欠損性が高く、負荷の大きい条件での切削加工が可能である。

ここで、刃先とは、被加工材に対する加工が行われる部分であり、切れ刃やブレーカ（ブレーカがある場合）を含む部分である。
なお、ここで、ガラス層で覆われているとは、８０％以上がガラス層で覆われていることをいい、この面積としては、９０％以上が好適である。

（２）請求項２の発明は、前記刃先にブレーカを備えるとともに、前記ブレーカの表面が前記ガラス層に覆われていることを特徴とする。
本発明は、切れ刃に加えてブレーカがガラス層に覆われているので、特にインサートのブレーカの表面は良い面粗度を有している。よって、この点からも、耐欠損性が高く、負荷の大きい条件での切削加工が可能である。

（３）請求項３の発明では、前記ガラス層の表面粗さＲａが、１．６μｍ以下であることを特徴とする。
本発明では、ガラス層の表面粗さＲａが、１．６μｍ以下であり、面粗度が非常に良い。よって、極めて耐欠損性に優れている。

（４）請求項４の発明では、前記ブレーカは、レーザー加工により形成されたものであることを特徴とする。
本発明におけるブレーカは、レーザーの照射により形成されたものである。

このレーザ加工を行うためのレーザとしては、例えば波長８０８〜９４０ｎｍのダイオード発光レーザーを採用できる。以下、レーザ及びレーザ加工について説明する。
ブレーカを効率良く形成するとともに、その表面を改質（面粗度の向上）するために、例えばダイオード発光レーザーを用い、ガラスが生成する例えば１０００℃以上の温度にて局所加熱し急冷する。このレーザの局所照射により、窒化珪素質焼結体内の珪素が空気中の酸素と結合してガラス成分が生成し、これによってブレーカ部分がガラス被覆される。

つまり、上述したレーザ加工によって生成したガラス成分によって、インサート表面の凹凸が埋められるとともに、インサート内部のポア（マイクロポア）が充填され、強度低下の因子となる表面欠陥サイズが小さくなる。これにより、インサート表面の面粗度が悪化することなく、表面を改質できるので、工数及びコストをかけることなく、耐欠損性の優れたインサートを製造できる。

ここで、上述したダイオード発光レーザについて説明する。
従来より、セラミックスの加工にレーザが用いられることがあったが、従来の例えばＬＤ、ランプ励起のＹＡＧレーザーもしくはＣＯ₂レーザー等によるレーザ加工では、集光性が不十分で加工精度が悪く、ブレーカの形成には適用不可であった。

しかし、ダイオード発光レーザの場合、光の質が向上し格段に精度が向上しているので、本発明に好適に適用できる。特に、本発明に使用できるレーザとしては、ＬＤ励起のＱスイッチＹＶＯ₄レーザが挙げられる。このＱスイッチの特徴は、共振器内にＱスイッチ素子を入れておき、より高い反射分布状態で急にＱ値を高くして発振させるために、一般的なレーザより高いピークパワーが得られる。

（５）請求項５の発明では、前記ガラス層に覆われた刃先の表面から０．５μｍ以内におけるガラス成分の体積％が、６０％〜８０％であることを特徴とする。
本発明は、インサート表面の好ましい構成を規定したものである。

（６）請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のインサートをホルダに装着した切削工具である。
このインサートをホルダに装着した切削工具を用いることにより、好適に切削加工を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
［実施形態］
ａ）まず、本実施形態のインサートの構成について説明する。

図１に示す様に、本実施形態のインサート１は、窒化珪素質焼結体からなる略ひし形のＩＳＯ規格のＤＣＧＴ１１Ｔ３０４形状の切削チップである。
このインサート１は、その両主面の刃先部分３において、周角縁に切れ刃５を有しており、この切れ刃５に沿ってすくい面７側に、例えば幅（Ｗ）０．３〜１．０ｍｍ（例えば０．８ｍｍ）のブレーカ９が形成されている。

また、切れ刃５及びブレーカ９の表面には、図２（ｂ）に示す様に、その表面の凹凸１１を埋めるようにガラス層１３が形成されており、その表面粗度Ｒａは１．６μｍ以下である。

従って、本実施形態のインサート１は、この様な構成により、後述する実験例で示す様に、高い耐欠損性を備えている。
なお、上述したインサート１は、図３に例示する様に、例えば鋼製の柱状のホルダ１７の先端に、ネジ１９により固定されて切削工具２１として使用される。

ｂ）次に、本実施形態のインサートの製造方法について説明する。
まず、主成分である平均粒径１．０μｍ以下のα−Ｓｉ₃Ｎ₄粉末と、焼結助剤として、平均粒径１．０μｍ以下の、ＭｇＯ粉末、ＺｒＯ₂粉末、ＨｆＯ₂粉末、ＣｅＯ₂粉末、Ｙ₂Ｏ₃粉末、Ｙｂ₂Ｏ₃粉末、及びＥｒ₂Ｏ₃粉末から選択される１種以上と、平均粒径１．０μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃粉末又はＡｌＮ粉末とを、例えば下記表１に示す配合割合で秤量した。

この秤量した原料を、窒化珪素製内壁ポットと窒化珪素製ボールと備えるボールミルを用いて、エタノールを溶媒として２４時間混合して、湿式混合粉砕し、スラリーとした。
このスラリーを３２５メッシュのふるいに通し、エタノールを溶解したマイクロワックス系の有機バインダを、５．０質量％添加しスプレードライにより乾燥した。

そして、得られた造粒粉末を、ＩＳＯ規格でＤＣＧＴ１１Ｔ３０４の形状に金型プレス成形した後に、加熱装置内において０．１ＭＰａの窒素雰囲気下で６００℃にて６０分、加熱して脱脂を行った。

次に脱脂を行った成形体の焼結を行った。この焼結では、前記成型体をＳｉＣサヤ又は窒化珪素製サヤ内にセットし、０．１〜０．３ＭＰａの窒素雰囲気下で、１７００〜１９００℃まで昇温し、１２０分保持を行った。

こうして得た窒化珪素質焼結体のすくい面７にレーザー加工を行って、ブレーカ９を形成した。
詳しくは、Ｎｄ−ＹＶＯ₄のダイオード発光レーザを用い、集光：φ３０μｍ、焦点距離：６０ｍｍのレーザ光により、下記の条件で、すくい面７にブレーカ９を形成するとともに熱処理した。

加工条件：ＸＹ方向ｓｔｅｐ：１０μｍ、
Ｚ方向ｓｔｅｐ ：２μｍ
２００ショット／ｓｅｃ
具体的には、図４に示す様に、周縁部（切れ刃５）よりすくい角θ１（１６°）で、幅Ｌ（０．８ｍｍ）だけ、レーザーにより削除して（同図破線部分）、ブレーカ９を形成した。なお、θ２は６０°である。

ｃ）この様にして得られた本実施形態のインサート１は、高出力及び高加工精度を有するダイオード発光レーザを用いてブレーカ９を形成したので、従来の研磨によりブレーカを形成する場合と比べて、製造工数が少なく低コストでインサート１を製造でき、かつ金型型押しでブレーカ９を形成する場合と比べると、インサート表面の面粗度が良好なため、耐欠損性が優れるインサート１を製造できる。

また、ブレーカ９は、ダイオード発光レーザを用いて形成されるので、インサート１の刃先部分（切れ刃５及びブレーカ９）の表面にはガラス層１３が形成されている。従って、インサート１の表面の面粗度Ｒａは１．６μｍ以下と良いので、優れた切削性能（特に耐欠損性）を有する。
［実験例］
次に、本発明の範囲（実施例）及び範囲外（比較例）の試料を作成して行った実験例について説明する。

ａ）面粗度の測定
上述した製造方法によって実施例のインサートの試料を作製した。そして、この実施例の試料のブレーカ表面における面粗度Ｒａ（測定長さ０．６ｍｍの範囲）を、面粗度測定機を用いて測定した。

その結果、実施例の試料の面粗度Ｒａは、１．５６７μｍであった。
それに対して、従来の金型型押しによりブレーカを形成した比較例のインサートの試料を作製し、同様に面粗度を測定したところ、面粗度Ｒａは、３．５７６μｍであった。

従って、本発明のインサートの面粗度が良いことが分かる。
ｂ）表面組織観察
実施例の試料のブレーカ部分の断面と、従来の研磨加工を用いて作製した比較例の試料のブレーカ部分の断面を、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により観察した（倍率：×１００００）。

その結果を、図５に示す。図５（ｂ）から明らかなように、本実施例の試料は、その表面は滑らかであり、しかも表面近傍の内部は稠密であり殆ど空孔（マイクロポア）は見られなかった。

それに対して、比較例のものには、図５（ａ）に示す様に、表面に凹凸が多く、内部にには多数のマイクロポアが見られた。
ｃ）表面結合状態の観察
ＸＰＳ（Ｘ-ray Ｐhotoelectron Ｓpectrometry）装置で、実施例及び比較例の試料の表面の結合状態（表面における面積の割合）を調べた。その結果を下記表２に示す。なお、「Ｓｉ−Ｏ」がガラス成分である。

その結果、本実施例の試料は、大部分がガラス層で覆われていることが分かる。従って、面粗度が良い。それに対して、比較例の試料は、ガラス層で覆われている面積が少なく、よって、面粗度が悪いので好ましくない。

ｄ）切削試験
前記実施形態と同様な形状の実施例のインサートを４個製造し、そのインサートを用い
て、図６に示す様に、下記切削条件にて、切削加工を行い、欠損に至るまでの加工山数を調べた。

また、比較例１として、（レーザー加工を行わ無い）従来の金型型押しによりブレーカを形成したインサートを製造し、同様な切削加工を行った。更に、比較例２として、従来のレーザー加工（即ちＹＡＧレーザーによるレーザ加工）によりインサートを製造し、同様な切削加工を行った。

被削材：ＦＣ２００
切削条件：Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
ｆ＝０．８ｍｍ／ｒｅｖ
ｄ＝２．０ｍｍ
（切削油なし）
その結果を、下記表３及び図７に示す。

この表３及び図７から、実施例のインサートは耐欠損性が高いことが分かる。それに対して、比較例１、２のインサートは、耐欠損性劣り、好ましくない。
尚、本発明は前記実施形態や実施例になんら限定されるものではなく、本発明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。

実施形態のインサートの平面図である。 （ａ）従来のインサートの断面を模式的に示す説明図、（ｂ）実施形態のインサートの断面を模式的に示す説明図である。 切削工具を示す説明図である。 インサートの刃先部分を切れ刃に垂直に破断し拡大して示す説明図である。 （ａ）比較例のインサートの断面の組織を示す電子顕微鏡写真、（ｂ）実施例のインサートの断面の組織を示す電子顕微鏡写真である。 切削試験を示す説明図である。 実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１…インサート
３…刃先
５…切れ刃
７…すくい面
９…ブレーカ
１３…ガラス層
２１…切削工具

Claims (6)

1. 窒化珪素質焼結体からなるインサートにおいて、
   少なくとも切れ刃を含む刃先の表面がガラス層に覆われていることを特徴とするインサート。
2. 前記刃先にブレーカを備えるとともに、前記ブレーカの表面が前記ガラス層に覆われていることを特徴とする請求項１に記載のインサート。
3. 前記ガラス層の表面粗さＲａが、１．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のインサート。
4. 前記ブレーカは、レーザー加工により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインサート。
5. 前記ガラス層に覆われた刃先の表面から０．５μｍ以内におけるガラス成分の体積％が、６０％〜８０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のインサート。
6. 前記請求項１〜５のいずれかに記載のインサートをホルダに装着したことを特徴とする切削工具。