JP2011110653A

JP2011110653A - 切削工具

Info

Publication number: JP2011110653A
Application number: JP2009269515A
Authority: JP
Inventors: Masato Matsuzawa; 正人松澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP5495735B2

Abstract

【課題】切刃における被覆層の突発的なチッピングや剥離を抑制できる切削工具を提供する。
【解決手段】基体２の表面がＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層９で被覆され、すくい面３と逃げ面４との交差稜線部を切刃８として、Ｃｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定における前記被覆層の（２００）面ピークの半値幅ｄが切刃８において最小（ｄ_ｂ＜ｄ_ａ，ｄ_ｃ）であるスローアウェイチップ１等の切削工具であり、被覆層９の（２００）面ピークの半値幅ｄが基体２の直上から被覆層９の表面に向かって大きくなっている（ｄ_ｂ／ｄ_ｂ’＞１）ことがより望ましいものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成された切削工具に関する。

現在、切削工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被覆層を成膜して切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。

例えば、特許文献１では、基体の表面に（ＴｉＡｌ）Ｎ系のＴｉとＡｌの比率が異なる被覆層を２層積層した切削工具について記載され、いずれの被覆層もＸ線回折パターンにおける最高ピークの半値幅（半価幅）は０．６度以下と小さくて、高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮することが開示されている。

また、特許文献２にて、本出願人は、基体に表面に、（１１１）面に帰属されるピークの半値幅Ｂ（１１１）が０．５５°以上の第１層と、（１１１）面に帰属されるピークの半値幅Ｂ（１１１）が０．３〜０．６°の第２層との多層構造のＴｉＡｌＮ皮膜を形成することにより、耐酸化性、耐欠損性および耐摩耗性に優れた切削工具等が得られることを提案した。

特開２００３−１３６３０３号公報特開２００６−２８１３６３号公報

しかしながら、特許文献１のようにＴｉとＡｌの組成が異なる２層を積層した構成や、特許文献２のように下層の半値幅が大きくて上層の半値幅が小さい層を積層した構成でも、切刃における突発的な膜剥離や欠損が発生しやすく、この突発的な膜剥離や欠損を抑制する必要があることがわかった。

本発明は、切刃における被覆層の膜剥離や欠損を抑制できる切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体の表面がＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層で被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする切削工具であって、Ｃｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定における前記被覆層の（２００）面ピークの半値幅が前記切刃において最小である。

ここで、前記被覆層の（２００）面ピークの半値幅が、前記基体の直上から前記被覆層の表面に向かって大きくなっていることが望ましいものである。

本発明の切削工具によれば、被覆層の（２００）面ピークの半値幅が切刃において最小となっており、切刃において安定した耐欠損性を実現することができる。

本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイ式ミーリング工具についての先端部概略斜視図である。図１のスローアウェイ式ミーリング工具に装着されるスローアウェイチップの（ａ）概略斜視図、（ｂ）平面図である。図２のスローアウェイチップのａ−ａ断面図である。図２、３のスローアウェイチップの表面からＣｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定したときの、（ａ）すくい面、（ｂ）切刃、（ｃ）逃げ面におけるＸ線回折パターンである。

本発明の切削工具の一例について、その好適例であるスローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）を装着したスローアウェイ式ミーリング工具Ａの先端部概略斜視図である図１、および装着されるスローアウェイチップの（ａ）概略斜視図、（ｂ）平面図である図２、図２のスローアウェイチップについてａ−ａラインについての断面図である図３を基に説明する。

図１〜３によれば、チップ１は、主面が略平板状を呈する基体２のすくい面３をなす主面および逃げ面４をなす側面との交差稜線がコーナー切刃５を挟んで主切刃６および副切刃７を具備した切刃８をなし、かつ基体２表面に被覆層９を被覆し、切刃８のすくい面３から逃げ面４にわたってホーニング１０を設けてなる。そして、スローアウェイ式ミーリング工具Ａはホルダ２０のチップポケット２１にチップ１を装着してなる。なお、チップ１は中央部に形成されているねじ穴２３にねじ２２を挿入してホルダ２０にねじ２２を螺合することによりクランプされている。

そして、図４にチップ１の表面からＣｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定したときの、（ａ）すくい面、（ｂ）切刃、（ｃ）逃げ面におけるＸ線回折パターンを示すが、Ｃｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定による回折パターン（以下、単にＸＲＤパターンと略す。）における被覆層９の（２００）面ピークの半値幅ｄが切刃８において最小（ｄ_ｂ＜ｄ_ａ，ｄ_ｃ）となっている。この構成によって、切刃８において安定した耐欠損性を有する。なお、ＸＲＤパターンの（２００）面ピークの半値幅ｄが切刃８において最小であることによって安定した耐欠損性が実現できる理由は不明であるが、被覆層９を構成する結晶の性状に起因するものと考えられる。

ここで、被覆層９は、ＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなり、その具体的な組成は、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉの群から選ばれる１種以上であり、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ＜１、０≦ｘ≦１である。）にて構成されている。なお、被覆層９の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

また、被覆層９の（２００）面ピークの半値幅ｄが、基体２の直上から被覆層９の表面に向かって大きくなっていることが望ましく、これによって、内部応力緩和によって被覆層９の付着力が向上して被覆層の剥離が抑制できるとともに、被覆層９の表面にてき裂が発生した場合でも基体２へ向かってき裂が伝播することを抑制できるという効果がある。なお、被覆層９の各厚み地点でのＸＲＤパターンを確認するには、チップ１の被覆層９の表面を斜めに研磨して被覆層９の厚みが被覆層９の表面内で連続的に変化する研磨面を作製し、この露出した研磨面の各位置にてＸ線回折測定を行い、これを被覆層９の各厚み地点におけるＸＲＤパターンとみなして確認すればよい。被覆層９の中間厚みにおける半価幅ｄ_ｂ’に対する被覆層９の表面における半価幅ｄ_ｂの比率ｄ_ｂ／ｄ_ｂ’＝１．１〜１．５であることが、耐欠損性の改善の点で望ましい。

さらに、切刃８にはホーニング１０が施されていることが望ましく、ホーニング１０の大きさはすくい面３から見たホーニング幅ａは０．０１５〜０．０４５ｍｍ、逃げ面４から見たホーニング幅ｂは０．００５〜０．０４０ｍｍであることが望ましく、また、そのａ／ｂ比は１．１５〜１．５であることが切刃８における切れ味と安定した耐欠損性とのバランスの点で望ましい。なお、ホーニング１０の形状は、被覆層９の剥離を抑制するためにＲホーニングであることが望ましいが、Ｃホーニング（チャンファホーニング）であってもよい。また、切刃８に続く逃げ面４にはポジ角が形成され、ノーズ切刃５におけるポジ角θは０．３〜３°であることが望ましい。

一方、基体２としては、炭化タングステンや炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルトやニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの他、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。

本発明の切削工具は、切削工具として種々の切削条件で使用することができるが、特に、刃先欠損の生じやすいミーリング加工や、高硬度材の断続切削加工に対して優れた耐摩耗性および耐欠損性を示す。

（製造方法）
次に、本発明の切削工具の製造方法の一例について説明する。

まず、工具形状の基体を成形、焼成し、この基体に対して、所望によりすくい面、またはすくい面および逃げ面に研削加工およびホーニング加工を施す。次に、この基体表面の切刃領域のみに局所的にイオン注入を行う。注入するイオン種はチタン（Ｔｉ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）が好適に使用でき、照射エネルギーは１０〜５０ｋｅＶの範囲内とする。

その後、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットを用いる。

成膜条件としては、このターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させる条件が好適に採用できる。このとき、窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって、成膜温度４５０〜５５０℃、スパッタ電力６ｋＷ〜９ｋＷまたはバイアス電圧３０〜２００Ｖにて被覆層を成膜する。

なお、成膜に際して、チップの逃げ面がターゲットに対向する向きに基体をセットして成膜を行うことが望ましく、これによって、逃げ面における被覆層の厚みを厚くすることができて、逃げ面摩耗を抑制することもできる。また、成膜初期と後期とで試料台の回転数を変えて、チップがターゲットに対向する時間を変えることにより、（２００）ピークの半値幅が切刃で最小となる。

本発明によれば、切刃領域においては成膜前のイオン注入によって内部応力が低くなっているために、被覆層の成膜状態が他の部分とは異なり、結果的に被覆層の（２００）面ピークの半値幅が切刃において最小となる。

平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．５μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を９質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．６質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により刃先交換式ミーリング用切削工具形状（ＢＤＭＴ１１Ｔ３０８ＥＲ−ＪＴ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４６０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。なお、θ＝０．５°とした。

また、各試料のすくい面表面をブラシ加工およびブラスト加工によって研磨加工するとともに、切刃にブラシ加工を施して、表１の寸法のＲホーニング形状となるようにホーニング処理を行った。そして、表１の領域にイオン注入を行った（照射条件：２０ｋｅＶ）。

次に、このようにして作製した基体に対して、アークイオンプレーティング法により成膜温度５００℃で表１に示す条件でＴｉ_０．５Ａｌ_０．５Ｎ組成の被覆層を成膜してスローアウェイチップを作製した。

得られたチップに対して、チップの断面を走査型電子顕微鏡にて観察して、すくい面および逃げ面における被覆層の平均厚み、および切刃における被覆層の最大厚みを測定した。そして、チップのすくい面、切刃および逃げ面の表面に対して、Ｃｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定（測定条件：出力４５ｋＶ、１１０ｍＡ、検出距離１５ｃｍ、コリメータ径０．３ｍｍφ）を行い、ＸＲＤパターンの（２００）面ピークのピーク強度（装置上の測定値）および半値幅（表中、それぞれｄ_ａ，ｄ_ｂ，ｄ_ｃと記載）を算出した。また、被覆層の厚みが傾斜的に変化する状態となるようにチップの表面を斜めに研磨して、この研磨面の研磨し始めた地点と基体が露出し始めた地点との中間地点（すなわち、被覆層の中間厚み地点）においても同様にＸ線回折測定を行い、半値幅（表中、ｄ_ｂ’と記載）を算出し、被覆層の中間厚みにおける半価幅ｄ_ｂ’に対する被覆層の表面における半価幅ｄ_ｂの比率ｄ_ｂ／ｄ_ｂ’を算出した。結果は表２に示した。

次に、得られたスローアウェイチップを図１に示す刃先交換式ミーリング用切削工具に取り付けて、以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。
切削方法：肩削り（ミーリング加工）
被削材：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：１５分間切削した時点で、切刃のチッピング状態を確認するとともに、逃げ面における摩耗量（幅）を測定した。なお、摩耗幅の算出に際して、加工前のホーニング幅分を差し引くようにした。結果は、表２に示した。

表１、２より、被覆層を成膜する前の基体に対してイオン注入を行わなかった試料Ｎｏ．６、および全面にイオン注入を行った試料Ｎｏ．７では、（２００）面ピークの半値幅はすくい面にて最小となり、切削評価において切刃にチッピングや欠損が発生してしまった。また、チップの回転数を一定の条件で成膜したＮｏ．８では、（２００）面ピークの半値幅はすくい面と切刃で同じとなり、切削評価において切刃にチッピングや欠損が発生してしまった。

これに対し、本発明に従い、（２００）面ピークの半値幅が、前記切刃において最小であった試料Ｎｏ．１〜５では、切削性能に優れたものであった。

１スローアウェイチップ（チップ）
２基体
３すくい面
４逃げ面
５コーナー切刃
６主切刃
７副切刃
８切刃
９被覆層
１０ホーニング
２０ホルダ
２１チップポケット
２２ねじ
２３ねじ穴
θ ポジ角

Claims

基体の表面がＴｉとＡｌとを含む窒化物または炭窒化物からなる被覆層で被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする切削工具であって、Ｃｕ−Ｋα線の微小部Ｘ線回折測定における前記被覆層の（２００）面ピークの半値幅が、前記切刃において最小である切削工具。
前記被覆層の（２００）面ピークの半値幅が、前記基体の直上から前記被覆層の表面に向かって大きくなっている請求項１記載の切削工具。