JP2009090417A - 刃先交換型切削チップ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、耐摩耗性および耐欠損性を両立させるとともに、基材と被覆層との密着性にも優れた刃先交換型切削チップを提供することにある。
【解決手段】本発明の刃先交換型切削チップは、基材と該基材上に形成された被覆層とを備えるものであって、該被覆層は、複数の層からなり、その最表面層のみに圧縮残留応力が付与されており、該最表面層は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層であり、かつそれに付与される圧縮残留応力は0.05GPa以上2GPa以下であり、該被覆層は、該最表面層の内側に少なくとも1層のAl2O3を主体とするアルミナ層を含むことを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】本発明の刃先交換型切削チップは、基材と該基材上に形成された被覆層とを備えるものであって、該被覆層は、複数の層からなり、その最表面層のみに圧縮残留応力が付与されており、該最表面層は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層であり、かつそれに付与される圧縮残留応力は0.05GPa以上2GPa以下であり、該被覆層は、該最表面層の内側に少なくとも1層のAl2O3を主体とするアルミナ層を含むことを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、刃先交換型切削チップに関する。
従来より、着脱自在に工具に取り付けて被削材を切削加工する刃先交換型切削チップが知られている。このような刃先交換型切削チップは耐摩耗性や靭性を向上させることを目的として、超硬合金やサーメットからなる基材上に化学蒸着法または物理蒸着法により、セラミックスなどの硬質被膜を被覆層として形成する構成のものが多数提案されている。
一般に化学蒸着法により形成された被覆層は基材との熱膨張係数の相違により、コーティング後において熱応力に起因する引張り残留応力が存在し、それにより耐欠損性が低下することも知られている。
特許文献1には、化学蒸着法または物理蒸着法で被覆層を形成した後、アルミナ製のボールを圧縮空気で衝突させるショットピーニングを施し、被覆層中の引張り残留応力または圧縮残留応力を9kgf/mm2(88MPa)以下とすることで耐欠損性を向上させる表面被覆切削工具が開示されている。しかし、近年著しく進んでいる高能率加工に対し、このような応力レベルでは耐欠損性は十分ではなく、さらに圧縮残留応力を付与する必要がある。
特許文献2には、化学蒸着法で被膜を形成した後、できるだけ強い衝撃力でショットピーニングを施し、基材および/または被膜が50kgf/mm2(490MPa)以上の圧縮応力を付与する高靭性被覆材料が開示されている。しかし、被膜全体にわたり、高い圧縮応力が存在する場合、被膜自体が自己破壊を起こし、耐摩耗性を低下させる問題がある。また、被膜と基材の密着性が低下するため、被膜が剥離しやすくなる問題があった。
特開平04−300104号公報
特開平01−031972号公報
本発明は、上述のような問題点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは耐摩耗性および耐欠損性を両立させるとともに、基材と被覆層との密着性にも優れた刃先交換型切削チップを提供することにある。
本発明者らは、化学蒸着法により被覆層を形成した刃先交換型切削チップの耐摩耗性および耐欠損性を向上させる手法を検討していたところ、被覆層の最表面層としてTiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層を形成し、その内側に少なくとも1層のアルミナ層を形成させ、かつその最表面層のみに一定の圧縮残留応力を付与すれば、耐摩耗性、耐欠損性を両立させるとともに、基材と被覆層との密着性にも優れるという知見を得、この知見に基づいてさらに検討を重ねることによりついに本発明を完成させるに至ったものである。
すなわち、本発明の刃先交換型切削チップは、基材と該基材上に形成された被覆層とを備えるものであって、該被覆層は、複数の層からなり、その最表面層のみに圧縮残留応力が付与されており、該最表面層は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層であり、かつそれに付与される圧縮残留応力は0.05GPa以上2GPa以下であり、該被覆層は、該最表面層の内側に少なくとも1層のAl2O3を主体とするアルミナ層を含むことを特徴とする。
ここで、上記最表面層は、Tiの窒化物で構成されることが好ましく、上記アルミナ層は、κ型の結晶構造を有するAl2O3を主体とする層であることが好ましい。
また、上記被覆層は、上記アルミナ層の直下にTiBxNy(式中、xおよびyはそれぞれ原子比を示し、0.001≦x/(x+y)≦0.04である)で構成されるTiBN層を含むことが好ましい。また、上記最表面層は、0.1GPa以上2GPa以下の圧縮残留応力が付与されていることが好ましく、0.05μm以上1μm以下の厚みを有することが好ましい。
また、上記アルミナ層は、0.05μm以上2μm以下の厚みを有することが好ましく、上記被覆層は、さらに周期律表のIVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される硬質層を1層以上含むことが好ましい。
また、上記被覆層は、化学蒸着法により形成されたものであることが好ましく、Tiの窒化物で構成され、かつ厚みが0.05μm以上1μm以下である最下層を含むことが好ましい。また、上記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、または窒化硅素焼結体のいずれかにより構成されることが好ましい。
本発明の刃先交換型切削チップは、上記の構成を有することにより、耐摩耗性および耐欠損性を両立させるとともに、基材と被覆層との密着性にも優れたものである。
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
<刃先交換型切削チップ>
本発明の刃先交換型切削チップは、基材と該基材上に形成された被覆層とを備えるものである。このような基本構成を備える限り、その形状は特に限定されず従来公知のあらゆる形状を有し得る。
<刃先交換型切削チップ>
本発明の刃先交換型切削チップは、基材と該基材上に形成された被覆層とを備えるものである。このような基本構成を備える限り、その形状は特に限定されず従来公知のあらゆる形状を有し得る。
このような本発明の刃先交換型切削チップは、たとえばドリル加工用、エンドミル加工用、フライス加工用、旋削加工用、メタルソー加工用、歯切工具加工用、リーマ加工用、タップ加工用、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用等の用途に適用することが可能である。
<基材>
本発明の刃先交換型切削チップの基材としては、この種の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coおよび/またはNiを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb、Zr、Hf、Cr、V等の炭化物、窒化物、炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、または窒化硅素焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やε相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
本発明の刃先交換型切削チップの基材としては、この種の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金(たとえばWC基超硬合金、WCの他、Coおよび/またはNiを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb、Zr、Hf、Cr、V等の炭化物、窒化物、炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、または窒化硅素焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やε相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
<被覆層>
本発明の被覆層は、複数の層からなり、その最表面層のみに圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする(この点、被覆層中最表面層以外の各層は、応力を有さないかまたは引張り残留応力を有している)。このように被覆層の最表面層のみに圧縮残留応力が付与された場合、切削時の衝撃で被覆層表面に発生したクラックが被覆層全体に伝播するのが抑えられ、耐欠損性が飛躍的に向上する。一方、最表面層より内側の層(すなわち最表面層より基材側に位置する各層)は、引張り残留応力が残存するため、被覆層の自己破壊が発生することなく優れた耐摩耗性を示すとともに基材との密着性にも優れたものとなる。このようにして、本発明の被覆層は、耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させたとともに、基材との密着性にも優れたものである。
本発明の被覆層は、複数の層からなり、その最表面層のみに圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする(この点、被覆層中最表面層以外の各層は、応力を有さないかまたは引張り残留応力を有している)。このように被覆層の最表面層のみに圧縮残留応力が付与された場合、切削時の衝撃で被覆層表面に発生したクラックが被覆層全体に伝播するのが抑えられ、耐欠損性が飛躍的に向上する。一方、最表面層より内側の層(すなわち最表面層より基材側に位置する各層)は、引張り残留応力が残存するため、被覆層の自己破壊が発生することなく優れた耐摩耗性を示すとともに基材との密着性にも優れたものとなる。このようにして、本発明の被覆層は、耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させたとともに、基材との密着性にも優れたものである。
ここで、上記圧縮残留応力とは、被覆層中に残留する内部応力(固有ひずみ)であって、一般に「−」(マイナス)の数値(単位:本発明では「GPa」を使う)で表される応力をいう。ただし、本発明においては、引張り残留応力と対比する場合等を除き、特に断らない場合はこのマイナスの符号を省略して表すものとする。このため、特に数値を使わずに圧縮残留応力の大小を表現する場合は、上記数値の絶対値が大きくなる程、圧縮残留応力が大きいと表現し、また上記数値の絶対値が小さくなる程、圧縮残留応力が小さいと表現するものとする。これに対して引張残留応力とは、これも被覆層中に残留する内部応力(固有ひずみ)であって、一般に「+」(プラス)の数値(単位:本発明では「GPa」を使う)で表される応力をいう。
なお、このような圧縮残留応力または引張り残留応力は、X線応力測定装置を用いたsin2ψ法により測定することができ、刃先交換型切削チップのすくい面または逃げ面等の平坦部に位置する任意の点3点(これらの各点は当該部位の応力を代表できるように互いに0.5mm以上の距離を離して選択することが好ましい)以上の応力を該sin2ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。
このようなX線を用いたsin2ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば「X線応力測定法」(日本材料学会、1981年株式会社養賢堂発行)の54〜67頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。なお、上記のような残留応力の測定は、放射光を用いて測定することもできる。この場合は被覆層の厚み方向での残留応力分布を求めることができるというメリットがある。
なお、このような本発明の被覆層は、0.1μm以上30μm以下、好ましくは1μm以上20μm以下の厚みを有していることが好適である。また、本発明の被覆層は、基材の全面を覆うようにして形成されていてもよいし、基材の一部を覆うようにして形成されていてもよい。
<最表面層>
本発明の被覆層に含まれる最表面層(被覆層の表面を構成する層)は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層であり、この層のみに圧縮残留応力が付与されていることを特徴とするものである。付与される圧縮残留応力は、0.05GPa以上2GPa以下であり、さらに好ましくは0.1GPa以上2GPa以下である。なお、このような圧縮残留応力の上限値はより好ましくは1.8GPa以下である。
本発明の被覆層に含まれる最表面層(被覆層の表面を構成する層)は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層であり、この層のみに圧縮残留応力が付与されていることを特徴とするものである。付与される圧縮残留応力は、0.05GPa以上2GPa以下であり、さらに好ましくは0.1GPa以上2GPa以下である。なお、このような圧縮残留応力の上限値はより好ましくは1.8GPa以下である。
最表面層に付与される圧縮残留応力が0.05GPa未満の場合、耐欠損性向上に効果がなく、2GPaを超えると最表面層よりも内側に形成される層との応力差により密着性が低下し、切削開始初期に剥離してしまうため耐欠損性が低下する。
ここで、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とするとは、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを90質量%以上含むことを意味し、好ましくは不可避不純物を除きTiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかのみにより構成されることを意味する。また、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のそれぞれにおいて、TiとTi以外の元素(すなわちC、N、およびCN)との質量比は、Tiが50質量%以上とすることが好ましい。
そして、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかのうち、特に好ましくはTiの窒化物(すなわちTiNで表される化合物)である。TiNはこれらの化合物のうちで色彩が最も明瞭(金色を呈する)であるため、切削使用後の切削チップのコーナー識別が容易であるという利点がある。
なお、本発明において化合物をTiN等の化学式で表す場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば単に「TiCN」と記す場合、「Ti」と「C」と「N」の原子比は50:25:25の場合のみに限られず、また「TiN」と記す場合も「Ti」と「N」の原子比は50:50の場合のみに限られない。これらの原子比としては従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
本発明の最表面層は、0.05μm以上1μm以下の厚みを有することが好ましい。さらにその厚みの上限は0.8μm、より好ましくは0.6μmであり、その下限は0.1μm、より好ましくは0.2μmである。その厚みが0.05μm未満の場合、圧縮残留応力を付与する効果が十分ではなく、耐欠損性向上にあまり効果がなく、1μmを越えると最表面層の内側に位置する層(たとえば後述のアルミナ層)との密着性が低下するため好ましくない。
<アルミナ層>
本発明の被覆層は、上記最表面層の内側に少なくとも1層のAl2O3を主体とするアルミナ層を含む。これにより、高速切削時の酸化摩耗に対して良好な性能が示され、耐摩耗性の向上に資するものとなる。ここで、Al2O3を主体とするとは、Al2O3を90質量%以上含むことを意味し、好ましくは不可避不純物を除きAl2O3のみにより構成されることを意味する。
本発明の被覆層は、上記最表面層の内側に少なくとも1層のAl2O3を主体とするアルミナ層を含む。これにより、高速切削時の酸化摩耗に対して良好な性能が示され、耐摩耗性の向上に資するものとなる。ここで、Al2O3を主体とするとは、Al2O3を90質量%以上含むことを意味し、好ましくは不可避不純物を除きAl2O3のみにより構成されることを意味する。
このようなアルミナ層は、κ型の結晶構造を有するAl2O3(以下κ−Al2O3と記すこともある)を主体とする層であることが望ましい。一般に高速切削においてはα型の結晶構造を有するAl2O3(以下α−Al2O3と記すこともある)が耐摩耗性に優れる点で有利であるが、後述のように最表面層に圧縮残留応力を付与するためのブラスト処理を施した場合、処理と同時にアルミナ層自体が破壊され、最表面層が剥離することがある。これに対して、κ−Al2O3であればブラスト処理を施しても破壊が起こらず、最表面層が剥離することを防止することができるため好ましい。なお、このような結晶構造は、X線回折により確認することができる。
このようなアルミナ層は、0.05μm以上2μm以下の厚みを有することが好ましく、さらに好ましくは上限が1.5μmであり下限が0.5μmである。その厚みが2μmを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない場合があり、0.05μm未満では十分な耐摩耗性が示されない場合がある。
<TiBN層>
本発明の被覆層は、上記アルミナ層の直下(アルミナ層に接する基材側の位置)にTiBxNy(式中、xおよびyはそれぞれ原子比を示し、0.001≦x/(x+y)≦0.04である)で構成されるTiBN層を含むことが好ましい。このようなTiBN層は、その表面が非常に細かな針状組織となるため、アルミナ層と優れた密着性を示す。
本発明の被覆層は、上記アルミナ層の直下(アルミナ層に接する基材側の位置)にTiBxNy(式中、xおよびyはそれぞれ原子比を示し、0.001≦x/(x+y)≦0.04である)で構成されるTiBN層を含むことが好ましい。このようなTiBN層は、その表面が非常に細かな針状組織となるため、アルミナ層と優れた密着性を示す。
後述のように最表面層に圧縮残留応力を付与するためにブラスト処理などを施す場合、アルミナ層が剥離したり脱落する問題があるが、このようなTiBN層をアルミナ層の直下に形成させることによりこのような問題を解消することができる。上記式中、xおよびyは、特に好ましくは0.003≦x/(x+y)≦0.02である。これによりアルミナ層との間で特に良好な密着力が得られる。また、TiとBNとの原子比は、BNの合計を1とした場合にTiが0.8〜1.5とすることが好ましい。
なお、このようなTiBN層は、本発明の被覆層を構成する他の層に含まれる元素(特にTiBN層と接する層に含まれる元素)を含むことができる。このようなTiBN層は、0.05μm以上1μm以下の厚みを有することが好ましく、さらに好ましくは上限が0.8μmであり下限が0.1μmである。その厚みが1μmを超えると耐摩耗性が低下するため好ましくない場合があり、0.05μm未満ではアルミナ層との間で十分な密着性が示されない場合がある。
<硬質層>
本発明の被覆層は、さらに周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される硬質層を1層以上含むことが好ましい。このような硬質層は、本発明の被覆層中最表面層を除く任意の位置に形成することができる。たとえば、最表面層とアルミナ層との間や、TiBN層と基材との間等に形成することができる。
本発明の被覆層は、さらに周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される硬質層を1層以上含むことが好ましい。このような硬質層は、本発明の被覆層中最表面層を除く任意の位置に形成することができる。たとえば、最表面層とアルミナ層との間や、TiBN層と基材との間等に形成することができる。
このような硬質層を構成する化合物としては、たとえばTiC、TiN、TiCN、TiNO、TiCNO、TiB2、TiO2、TiBN、TiBNO、TiCBN、TiCrCN、ZrC、ZrO2、HfC、HfN、TiAlN、AlCrN、CrN、VN、TiSiN、TiSiCN、AlTiCrN、TiAlCN、ZrCN、ZrCNO、AlN、AlCN、ZrN、TiAlC、NbC、NbN、NbCN、Mo2C、WC、W2C等を挙げることができる。
これらの化合物中、特に上記のTiBN層より内側(すなわち基材側)にMT-CVD(medium temperature CVD)法で形成されたTiCNなどのセラミックス層を形成すれば特に良好な耐摩耗性が示されるため好ましい。ここで、MT−CVD法とは、通常の化学蒸着法が約950〜1050℃で成膜が行なわれることが多いのに対して、約830〜950℃という比較的低温で行なう化学蒸着法をいう。
このような硬質層は、1層当り0.1μm以上15μm以下の厚みを有していることが好ましい。
<最下層>
本発明の被覆層は、Tiの窒化物で構成され、かつ厚みが0.05μm以上1μm以下である最下層(基材と接する層)を含むことが好ましい。このようなTiの窒化物(TiN)で構成される最下層は基材との密着性が高く、後述のように最表面層に圧縮残留応力を付与するために被覆層表面からブラスト処理を施した場合でも被覆層全体が剥離することを防止することができる。また、本発明のように最表面層に圧縮残留応力が付与された場合であってもこのような最下層を形成することにより、切削に耐え得る十分な密着性が得られるという優れた効果が示される。
本発明の被覆層は、Tiの窒化物で構成され、かつ厚みが0.05μm以上1μm以下である最下層(基材と接する層)を含むことが好ましい。このようなTiの窒化物(TiN)で構成される最下層は基材との密着性が高く、後述のように最表面層に圧縮残留応力を付与するために被覆層表面からブラスト処理を施した場合でも被覆層全体が剥離することを防止することができる。また、本発明のように最表面層に圧縮残留応力が付与された場合であってもこのような最下層を形成することにより、切削に耐え得る十分な密着性が得られるという優れた効果が示される。
このような最下層の厚みは、好ましくはその下限が0.1μmである。
<製造方法>
本発明の被覆層は、化学蒸着法(CVD法)により形成されたものであることが好ましい。これにより、後述のブラスト処理を施すまでは被覆層の各層は引張り残留応力を有したものとなり、基材との密着性が非常に高いものとなる。しかも本発明では、このような化学蒸着法により形成した被覆層の表面からブラスト処理を施すことにより、最表面層のみに圧縮残留応力が付与されたものとなるが、被覆層の各層を化学蒸着法により形成すると密着性と耐欠損性のバランスが特に優れたものとなる。
<製造方法>
本発明の被覆層は、化学蒸着法(CVD法)により形成されたものであることが好ましい。これにより、後述のブラスト処理を施すまでは被覆層の各層は引張り残留応力を有したものとなり、基材との密着性が非常に高いものとなる。しかも本発明では、このような化学蒸着法により形成した被覆層の表面からブラスト処理を施すことにより、最表面層のみに圧縮残留応力が付与されたものとなるが、被覆層の各層を化学蒸着法により形成すると密着性と耐欠損性のバランスが特に優れたものとなる。
このような化学蒸着法としては、従来公知の方法を特に限定することなく使用することができ、条件等が限定されることはない。たとえば、850〜1050℃程度の成膜温度を採用することができ、使用するガスとしてもアセトニトリル等のニトリル系のガス等従来公知のガスを特に限定することなく使用することができる。
また、被覆層の最表面層のみに圧縮残留応力を付与する方法としては、たとえばブラスト処理を利用すればよく、鋼球などの金属粉末やアルミナなどのセラミックス粉末を直接または水などの溶媒と混合したものを被覆層の表面に衝突させることにより実施することができる。その衝突等の具体的条件は、被覆層の構成や付与する圧縮残留応力の大きさ等により適宜調節することができるが、衝突が強すぎると最表面層以外の層にも圧縮残留応力が付与されることとなるので適度な強さで衝突させることが好ましい。具体的には、吐出圧(上記のような金属粉末やセラミックス粉末を衝突させる際の媒体となる圧縮空気等の圧力)を0.08MPa以上0.1MPa以下、衝突時間を3秒以上7秒以下、照射距離(上記粉末の吐出口(ノズル先端)から被照射物までの距離)を20mm以上50mm以下とする条件を採用すれば、最表面層のみに所望の圧縮残留応力を付与することができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
2.0質量%のTaC、1.0質量%のNbC、10.0質量%のCoおよび残部WCからなる組成(ただし不可避不純物を含む)の超硬合金製切削チップ(形状:住友電工ハードメタル(株)製CNMG120408N−UX)を基材とし、公知の熱CVD法により表1に記載した被覆層の各層(表1中、左に記載したものから順に基材上に形成した)を該基材上に形成することにより刃先交換型切削チップを作製した。
たとえば、表1中実施例1は、基材上から順に0.2μmのTiN(最下層)、6.0μmのTiCN(MT−CVD法により形成、硬質層)を形成した後、0.5μmのTiBN(TiBN層)、1.2μmのκ−Al2O3(アルミナ層)、0.5μmのTiN(最表面層)を成膜した。
なお、上記TiBN層は以下の条件で形成した。すなわち、TiCl4:2.0体積%、BCl3:0.01体積%、N2:10.0体積%、H2:残部からなる反応ガスを用い、圧力4.0kPa、温度930℃とした。このように特に圧力が2.0〜4.2kPaであればアルミナ層との密着性が高く好ましい。
また、κ−Al2O3(アルミナ層)の成膜条件は以下の条件とした。AlCl3:5.0体積%、CO2:2.0体積%、H2:残部からなる反応ガスを用い、圧力6.0kPa、温度1000℃とした。なお、このようにして成膜した被覆層の総厚みを表1の「合計膜厚」の欄に記載した。表1中、被覆層の最も右側に記載されているTiを構成中に含むものが最表面層であり、κ−Al2O3またはα−Al2O3の表記はアルミナ層を示す。また、TiBNの表記はTiBN層であり、それ以外の化合物の表記は、最下層(最も左側に記載されているTiN)または硬質層を示す。すなわち、表1中の被覆層の欄において、各層は各表記の化合物によって構成されることを示す。
さらに上記のように被覆層形成後、切削チップを60rpmで回転させながら刃先稜線部に対して45°の方向からすくい面および逃げ面に均等に、平均粒径50μmのアルミナ製ボールを0.1MPaの圧縮空気で5秒間、照射距離を30mmとして衝突させるブラスト処理を施し、最表面層に圧縮残留応力を付与することにより本発明の刃先交換型切削チップを作製した。なお、最表面層以外の被覆層各層は、引張り残留応力を有している。
最表面層に付与した圧縮残留応力の応力測定は、上記したX線応力測定装置を用いたsin2ψ法により求め、その結果を表1に示した。たとえば、実施例1の刃先交換型切削チップの最表面層には1.2GPaの圧縮残留応力が付与されていることを示す。なお、表1中、圧縮残留応力は数値に「マイナス」の符号を付し、「プラス」の符号を付した引張り残留応力と区別している。
また、上記TiBN層を構成するTiBxNyのxおよびyは、EPMA(Electron Probe Micro Analysis)により求めx/(x+y)の値を表1に記載した。実施例1のx/(x+y)は0.012であった。
以上、実施例1について記載したが、これと同様にして実施例2〜25および比較例1〜7の刃先交換型切削チップを作製し、表1に示した。なお、比較例1は、実施例1において被覆層の表面にブラスト処理を施さないことにより最表面層が引張り残留応力を有したものとした。比較例2は、実施例1においてアルミナ層とTiBN層を形成しない構成とした。比較例3は、実施例1において最表面層を形成しない構成とした。比較例4は、実施例1において最表面層の圧縮残留応力として2GPaを超える圧縮残留応力を付与したものである。比較例5は、実施例1において最表面層の圧縮残留応力として0.05GPa未満となる圧縮残留応力を付与したものである。比較例6は、最表面層が引張り残留応力を有するものとし、比較例7は、最表面層が引張り残留応力を有し、かつ最下層を形成しない構成としたものである。
そして、これらの刃先交換型切削チップ(実施例1〜25および比較例1〜7)について以下の条件で切削試験を実施した。
<耐欠損性試験>
被削材:SCM440(6本溝入り)、切削速度:100m/min.、送り量:0.2mm/rev.、切込み量:2.0mm、および乾式の条件で行なった。評価は、20切れ刃を20秒間切削した場合の破損数(破損した切れ刃の数)から破損率を求めた。すなわち破損率(%)=(破損数/20)×100とした。この結果を表2に示す。破損率が低いもの程耐欠損性に優れていることを示す。表2より明らかなように、実施例の刃先交換型切削チップは比較例の刃先交換型切削チップに比し耐欠損性が大幅に向上することが確認された。
被削材:SCM440(6本溝入り)、切削速度:100m/min.、送り量:0.2mm/rev.、切込み量:2.0mm、および乾式の条件で行なった。評価は、20切れ刃を20秒間切削した場合の破損数(破損した切れ刃の数)から破損率を求めた。すなわち破損率(%)=(破損数/20)×100とした。この結果を表2に示す。破損率が低いもの程耐欠損性に優れていることを示す。表2より明らかなように、実施例の刃先交換型切削チップは比較例の刃先交換型切削チップに比し耐欠損性が大幅に向上することが確認された。
<限界送り試験>
被削材:S45C、切削速度:150m/min.、切込み量:2.0mm、および乾式とし、送り量を0.2mm/rev.から0.01mm/rev.ずつ上げていき、切れ刃が欠損する時の送り量を限界送り量として測定した。この結果を表2に示す。限界送り量が大きな数値になる程切削能率に優れていることを示す。表2より明らかなように、実施例の刃先交換型切削チップは比較例の刃先交換型切削チップに比し限界送り量が大幅に向上し、高能率加工が可能となることが確認された。
被削材:S45C、切削速度:150m/min.、切込み量:2.0mm、および乾式とし、送り量を0.2mm/rev.から0.01mm/rev.ずつ上げていき、切れ刃が欠損する時の送り量を限界送り量として測定した。この結果を表2に示す。限界送り量が大きな数値になる程切削能率に優れていることを示す。表2より明らかなように、実施例の刃先交換型切削チップは比較例の刃先交換型切削チップに比し限界送り量が大幅に向上し、高能率加工が可能となることが確認された。
<耐摩耗性試験>
被削材:SCr420H、切削速度:300m/min.、送り量:0.25mm/rev.、切込み量:2.0mm、および湿式(水溶性切削油)の条件で行なった。評価は、15分切削後のチップ逃げ面側の平均摩耗量Vb(mm)を測定した(この数値が小さくなる程、耐摩耗性に優れることを示す)。また、被削材の外径を測定し、設定値に対する加工精度を測定した(その絶対値が小さくなる程、加工精度に優れることを示す)。さらに切削試験後の刃先交換型切削チップに対して、走査電子顕微鏡(SEM)により損傷形態の観察を行なった(表2中、Al2O3とはアルミナ層を示す)。また、切削試験後の刃先交換型切削チップに対して、肉眼によりコーナーの明瞭性を確認した。これらの結果を表2に示す。
被削材:SCr420H、切削速度:300m/min.、送り量:0.25mm/rev.、切込み量:2.0mm、および湿式(水溶性切削油)の条件で行なった。評価は、15分切削後のチップ逃げ面側の平均摩耗量Vb(mm)を測定した(この数値が小さくなる程、耐摩耗性に優れることを示す)。また、被削材の外径を測定し、設定値に対する加工精度を測定した(その絶対値が小さくなる程、加工精度に優れることを示す)。さらに切削試験後の刃先交換型切削チップに対して、走査電子顕微鏡(SEM)により損傷形態の観察を行なった(表2中、Al2O3とはアルミナ層を示す)。また、切削試験後の刃先交換型切削チップに対して、肉眼によりコーナーの明瞭性を確認した。これらの結果を表2に示す。
表2より明らかなように、実施例の刃先交換型切削チップは比較例の刃先交換型切削チップに比し耐摩耗性が大幅に向上すると同時に、非常に高い加工精度が得られることも確認された。また、SEM観察の結果、実施例の刃先交換型切削チップは比較例の刃先交換型切削チップに比しチップの損傷形態も良好であり、安定して長寿命を達成することおよび基材と被覆層との密着性が良好であることが確認できた。また、特に最表面層としてTiNからなる層を形成した場合は使用コーナーの識別が非常に明瞭であることも確認できた。
以上の通り、本発明の刃先交換型切削チップは、耐摩耗性および耐欠損性を両立させるとともに、基材と被覆層との密着性にも優れたものであることが確認できた。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (11)
- 基材と該基材上に形成された被覆層とを備える刃先交換型切削チップであって、
前記被覆層は、複数の層からなり、その最表面層のみに圧縮残留応力が付与されており、
前記最表面層は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかを主成分とする層であり、かつそれに付与される圧縮残留応力は0.05GPa以上2GPa以下であり、
前記被覆層は、前記最表面層の内側に少なくとも1層のAl2O3を主体とするアルミナ層を含む、刃先交換型切削チップ。 - 前記被覆層は、前記アルミナ層の直下にTiBxNy(式中、xおよびyはそれぞれ原子比を示し、0.001≦x/(x+y)≦0.04である)で構成されるTiBN層を含む請求項1記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記アルミナ層は、κ型の結晶構造を有するAl2O3を主体とする層である請求項1または2記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記最表面層は、Tiの窒化物で構成される請求項1〜3のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記最表面層は、0.1GPa以上2GPa以下の圧縮残留応力が付与されている請求項1〜4のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記最表面層は、0.05μm以上1μm以下の厚みを有する請求項1〜5のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記アルミナ層は、0.05μm以上2μm以下の厚みを有する請求項1〜6のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記被覆層は、さらに周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物によって構成される硬質層を1層以上含む請求項1〜7のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記被覆層は、化学蒸着法により形成されたものである請求項1〜8のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記被覆層は、Tiの窒化物で構成され、かつ厚みが0.05μm以上1μm以下である最下層を含む請求項1〜9のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、または窒化硅素焼結体のいずれかにより構成される請求項1〜10のいずれかに記載の刃先交換型切削チップ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007263988A JP2009090417A (ja) | 2007-10-10 | 2007-10-10 | 刃先交換型切削チップ |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019038097A (ja) * | 2017-08-24 | 2019-03-14 | 株式会社タンガロイ | 被覆切削工具 |
US11548074B2 (en) * | 2020-05-25 | 2023-01-10 | Tungaloy Corporation | Coated cutting tool |
-
2007
- 2007-10-10 JP JP2007263988A patent/JP2009090417A/ja not_active Withdrawn
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US10814402B2 (en) | 2017-08-24 | 2020-10-27 | Tungaloy Corporation | Coated cutting tool |
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