JP2011230286A - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基体と、該基体の表面に形成される硬質被覆層とからなる表面被覆切削工具であって、前記硬質被覆層のすくい面における水の接触角θRと、前記硬質被覆層の逃げ面における水の接触角θFが、θR<θFの関係にあり、これにより、優れた耐摩耗性および耐欠損性を発揮することができる、長寿命な切削工具となる。
【選択図】 図5
Description
加工して表面を平滑化するだけでは、切削抵抗が小さくなって摺動性は向上するが、切削液の工具表面全体への拡がりは十分とはいえない。特に、切削時に非常に高温となるすくい面への切削液の拡がりが十分とはいえない。このため、切削液による冷却効果が十分得られず、切削によって発生する熱を速やかに放熱することが困難であり、比較的熱が発生しにくい湿式加工であっても、高速切削加工では耐摩耗性が急激に低下して工具寿命が短くなるという問題点があった。
の範囲内にあることが、すくい面全体にわたって特性バラツキを抑制して水の接触角θRを上記の範囲内に容易に調整することができるため望ましい。
TC=[I(200)/I0(200)][1/6Σ(I(hkl)/I0(hkl))]−1
但し、
I(200):(200)面におけるX線回折ピーク強度測定値
I0(200):JCPDSカード番号6−642の(200)面における標準X線回折ピーク強度
Σ(I(hkl)/I0(hkl)):(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)面における[X線回折ピーク強度測定値]/[標準X線回折ピーク強度]の値の合計。
<表面被覆切削工具>
以下、本発明にかかる表面被覆切削工具の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の好適な実施形態にかかる硬質被覆層の層構成を示す要部拡大概略断面図である。
図2は、本実施形態にかかる表面被覆切削工具を示す概略斜視図である。
図3は、すくい面における水の接触角θの測定方法を説明するための模式図である。
図4は、本実施形態にかかる硬質被覆層の層構成を示す他の視点での要部拡大概略断面図である。
図5(a)は、すくい面における水の接触角θRの測定方法を説明するための模式図であり、図5(b)は、逃げ面における水の接触角θFの測定方法を説明するための模式図である。
図6は、本実施形態にかかる他の硬質被覆層の層構成を示す要部拡大概略断面図である。
脱落による膜剥離やそれにともなう切刃9の欠損等が抑制される。その結果、湿式高速加工での仕上げ加工時においても、被削材が逃げ面8に付着して、被削材の加工面における面粗度を粗くしてしまうことを防ぎ、良好かつ安定した加工面品位を得ることができる。
3の表面14における界面エネルギーを制御することによって、硬質被覆層3の表面14、15における水のなじみやすさを制御することが重要であると思われる。かかる界面エネルギーは、硬質被覆層3の成膜履歴や研磨状態によって変化することから、本発明はこれらの条件を総合的に適正化することによって、硬質被覆層3の表面14、15における水の接触角θを所定範囲に制御することを可能としたものである。
また、硬質被覆層3を構成する粒子を微細化することで、界面エネルギーの1つである粒界におけるエネルギー(粒界エネルギー)を高エネルギー化することが可能である。
種である表面エネルギーが高いため、表面における水の接触角θを容易に高めることができる。したがって、水に対する濡れ性、すなわち水を主成分とする切削液に対する濡れ性に優れ、切削による切刃の温度の上昇を抑えることができる。
これにより、炭化チタン層および炭窒化チタン層である場合と比較して熱伝導性がよく、切削液による放熱に加えてすくい面7における放熱性を高めて、切削による切刃9の温度上昇を抑えることができる。
まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加して混合する。この混合物を
、例えばプレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成し、上述した硬質材料からなる基体2を作製する。
面粗度にすることができ、硬質被覆層3の表面14、15における水の濡れ性を均一にすることができる。
第一の製造方法は、硬質被覆層3の表面を構成する表面層として、水の接触角がθAの下部層17と水の接触角がθB(ただし、θA<θB)の外層18とを順に成膜する。ついで、すくい面7をブラシ加工してすくい面における外層18を除去し、図4に示すように、硬質被覆層3のすくい面7に下部層17を露出させる。これにより、すくい面7の表面層が下部層17で逃げ面8の表面層が外層18となり、すくい面7における水の接触角θRが逃げ面8における水の接触角θFよりも小さい(θR<θF)工具1を容易に製造することができる。
は、外層18および下部層17の表面または断面について走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を用いた組織観察を行ない、100nm×100nm以上の視野領域にて観察される画像において、外層18および下部層17を構成している粒子のそれぞれの面積を画像解析法にて算出して、それらの平均面積を見積もった後、この平均面積を有する円に換算して求められる円の直径を意味する。
TC=[I(200)/I0(200)][1/6Σ(I(hkl)/I0(hkl))]−1
但し、
I(200):(200)面におけるX線回折ピーク強度測定値
I0(200):JCPDSカード番号6−642の(200)面における標準X線回折ピーク強度
Σ(I(hkl)/I0(hkl)):(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)面における[X線回折ピーク強度測定値]/[標準X線回折ピーク強度]の値の合計。
次に、第二の製造方法について、外層18を表面層として成膜する場合について説明する。
第二の製造方法は、例えば図6に示すように、外層18(表面層)を成膜する際に、表面
層を形成するための原料ガスの濃度を徐々に減少させていく方法である。この方法により、表面層は、水の濡れ性が基体側から表面に向かって順次減少する、すなわち水の接触角が表面に向かって次第に増加する傾斜構造の表面層を成膜することができる。ついで、成膜後にすくい面7のみに対して、表面層の基体側のみが残存するよう表面層をブラシ加工等により研磨加工する。
少なくとも3箇所で測定し、その平均値を平均粒径とする。また、研磨加工した面で画像解析による平均粒径の測定が困難な場合には、表面層の断面において、表面層の基体2側から表面までの膜厚が同じ位置ごとに平均粒径を測定し、その位置での平均粒径を比較してもよい。
次に、本発明にかかる被削材の加工方法の一実施形態について説明する。本実施形態の加工方法は、上記で説明した第1の実施形態にかかる切削工具1を用いて、被削材を加工する方法である。
これにより、安定して良好な加工面を有する加工物を得ることが可能となる。
<切削工具の作製>
まず、平均粒径1.5μmの炭化タングステン(WC)粉末に対して、平均粒径1.2μmの金属コバルト(Co)粉末を6質量%、平均粒径2.0μmの炭化チタン(TiC)粉末を0.5質量%、平均粒径2.0μmのTaC粉末を5質量%の割合で添加し混合した。ついで、この混合物をプレス成形により切削工具形状(CNMA120412)に成形した後、脱バインダ処理を施し、0.01Paの真空中、1500℃で1時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にてすくい面より刃先処理(ホーニングR)を施した。
。結果は表2に示した。
上記で得た各工具について、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。各評価条件を以下に示すと共に、その結果を表3に示す。
(連続切削条件)
被削材 :SCM440 円柱材
工具形状:CNMG120408
切削速度:350m/分
送り速度:0.4mm/rev
切り込み:2mm
切削時間:20分
切削液 :エマルジョン15%+水85%混合液
評価項目:顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
(断続切削条件)
被削材 :SCM440 4本溝入円柱材
工具形状:CNMA120408
切削速度:150m/分
送り速度:0.5mm/rev
切り込み:2mm
切削液 :エマルジョン15%+水85%混合液
評価項目:欠損に至る衝撃回数
衝撃回数1000回時点で顕微鏡にて切刃の状態を観察
記切削条件において耐摩耗性、耐欠損性共に優れ、刃先の損傷もほとんどなかった。
<切削工具の作製>
まず、上記実施例Iと同様にして、超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にてすくい面より刃先処理(ホーニングR)を施した。
上記で得た各工具について、下記の条件により、連続切削試験を行い、耐摩耗性および
耐欠損性を評価した。結果は表6に示した。
(連続切削条件)
被削材 :SCM440 円柱材
工具形状:CNMG120408
切削速度:350m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1.0mm
切削時間:20分
切削液 :エマルジョン10%+水90%混合液
評価項目:顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・先端摩耗量、および、被削材の加工面における面粗度(算術平均粗さRa)を測定した。
実施例II−1と同様にして基体を作成した。ついで、この基体に、表5における試料No.II−2の膜構成にて硬質被覆膜を成膜した。その際に、表面層のTiNの条件を、表4におけるTiN1の成膜条件に加えて、混合ガス中のTiCl4ガスの割合を、成膜初期に0.5体積%とし、最終的に0.05体積%となるように原料ガスの流量を順次減少させながら1.5μmの膜厚になるように成膜した。
2:基体
3:硬質被覆層
4:表面層
5:表面
6:液滴
7:すくい面
8:逃げ面
9:切刃
14:すくい面における表面
15:逃げ面における表面
17:下部層
18:外層
Claims (11)
- すくい面と逃げ面との交差稜部に切刃が形成された構造を有する基体と、該基体の表面に形成される硬質被覆層とからなる表面被覆切削工具であって、前記硬質被覆層のすくい面における水の接触角θRと、前記硬質被覆層の逃げ面における水の接触角θFが、θR<θFの関係にある表面被覆切削工具。
- 前記硬質被覆層のすくい面における表面の最大高さRzが0.3〜1.5μmの範囲内にある請求項1記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質被覆層は、前記基体側から表面に向かって平均粒径が順次増加する粒子からなる表面層を有する請求項1または2記載の表面被覆切削工具。
- 前記表面層の表面側上部を構成する粒子の平均粒径が1.0〜3.0μmの範囲内にあり、前記表面層の基体側下部を構成する粒子の平均粒径が0.01〜2.0μmの範囲内にある請求項3記載の表面被覆切削工具。
- すくい面における前記硬質被覆層の表面を構成する粒子の平均粒径が、逃げ面における前記硬質被覆層の表面を構成する粒子の平均粒径よりも小さい請求項1乃至4いずれか記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質被覆層は、窒化チタンまたは窒化ジルコニウムからなる表面層を有しており、切刃において前記表面層が残存するように切刃における硬質被覆層が研磨加工されている請求項1乃至5いずれか記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質被覆層は、外層と、該外層を構成する粒子の平均粒径よりも小さい平均粒径を有する粒子で構成される下部層とを有しており、該下部層と前記外層とがこの順で積層されており、前記硬質被覆層のすくい面において、前記下部層が露出するまで前記外層を除去してなる請求項1乃至6のいずれか記載の表面被覆切削工具。
- 前記外層を構成する粒子の平均粒径が1.0〜3.0μmの範囲内にあり、前記下部層を構成する粒子の平均粒径が0.01〜2.0μmの範囲内にある請求項7記載の表面被覆切削工具。
- 前記水の接触角θRが30〜80°の範囲内にあり、前記水の接触角θFが91〜140°の範囲内にある請求項1乃至8いずれか記載の表面被覆切削工具。
- 前記すくい面において、前記硬質被覆層は、X線回折分析にて検出されるピーク強度と下記の式にて算出される(200)結晶面の配向係数TCが0.4〜0.9の窒化チタンからなる表面層を有する請求項10記載の表面被覆切削工具。
TC=[I(200)/I0(200)][1/6Σ(I(hkl)/I0(hkl))]−1
但し、
I(200):(200)面におけるX線回折ピーク強度測定値
I0(200):JCPDSカード番号6−642の(200)面における標準X線回折ピーク強度
Σ(I(hkl)/I0(hkl)):(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)面における[X線回折ピーク強度測定値]/[標準X線回折ピーク強度]の値の合計 - 請求項1乃至10いずれか記載の表面被覆切削工具と被削材とを準備する工程と、
前記表面被覆切削工具または前記被削材の少なくとも一方を回転させ、前記表面被覆切削工具の切刃を前記被削材の表面に接触させて被削材を切削する工程と、
前記切刃を前記被削材の表面から離間させて加工物を得る工程と、
を少なくとも含む被削材の加工方法。
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