JP2018079539A

JP2018079539A - 切削インサート及び切削工具

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Publication number: JP2018079539A
Application number: JP2016223452A
Authority: JP
Inventors: 芳和児玉; Yoshikazu Kodama; 博俊伊藤; Hirotoshi Ito; 忠勝間; Tadashi Katsuma; 賢作渡邉; Kensaku Watanabe; 健二熊井; Kenji Kumai; 優作洲河; Yusaku Sugawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-24

Abstract

【課題】基体に対する被覆層の接合性及び耐久性の両方が良好なインサート及び切削工具を提供する。【解決手段】一態様のインサートは、ＷＣを含有する第１粒子及びＣｏを含有する結合相を有する基体と、基体の表面に位置する被覆層と、Ｃｏが主成分であり、基体及び被覆層の間に位置する中間層とを備え、基体の表面に直交する断面において、被覆層と基体とが接する領域よりも被覆層と中間層とが接する領域が大きい。一態様の切削工具は、第１端から第２端に向かって延びる棒状体であり、第１端側にポケットを有するホルダと、ホルダにおけるポケットに位置する上記態様の切削インサートとを備える。【選択図】図３

Description

本態様は、切削インサートに関する。

旋削加工及び転削加工のような切削加工に用いられる切削インサート（以下、単にインサートともいう）としては、例えば特許文献１に記載のインサートが知られている。特許文献１に記載のインサートは、硬質相成分として炭化タングステン（ＷＣ）を含有し、結合相成分としてコバルト（Ｃｏ）を５〜１５質量％含有する基体の表面に、チタン（Ｔｉ）などを含有する被覆層が蒸着形成された構成となっている。

特開２０１４−１８４５２１号公報

今般において、インサートには、基体に対する被覆層の接合性及び耐久性の両方が良好であることが求められている。基体に対する被覆層の接合性を向上させるためには、基体におけるＣｏの含有量を増やして靭性を向上させればよい。しかしながら、基体におけるＣｏの含有量を増やしたときには、相対的にＷＣの含有量が低下するため、塑性変形が起こり易くなって偏摩耗が進行し易くなり、インサートの耐久性が低下する場合がある。

一態様に基づく切削インサートは、ＷＣを含有する第１粒子及びＣｏを含有する結合相を有する基体と、該基体の表面に位置する被覆層と、Ｃｏが主成分であり、前記基体及び前記被覆層の間に位置する中間層とを備え、前記基体の表面に直交する断面において、前記被覆層は、前記基体と接する領域よりも前記中間層に接する領域が大きい。

上記態様の切削インサートにおいては、基体に対する被覆層の接合性が高い。また、基体におけるＷＣの含有量を過度に減らすことが避けられるため、塑性変形が起こりにくく、高い耐久性を備える。

一実施形態の切削インサート（インサート）を示す斜視図である。図１に示す切削インサートにおけるＡ−Ａ断面の拡大図である。図２における領域Ｂ１の拡大図である。一実施形態の切削工具を示す上面図である。図４における領域Ｂ２の拡大図である。

以下、一実施形態のインサートについて、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、各実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明のインサートは、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

＜インサート＞
本実施形態の切削インサート１（以下、単にインサート１と記載する。）は、第１粒子３及び結合相５を有する基体７と、基体７の表面に位置する被覆層９と、基体７及び被覆層９の間に位置している中間層１１とを備えている。本実施形態のインサート１は、第１粒子３及び結合相５を有する基体７と、基体７の表面に位置する中間層１１と、基体７及び中間層１１の少なくとも一部を被覆する被覆層９とを備えている、と言い換えてもよい。

基体７における第１粒子３はＷＣを含有している。第１粒子３は、一般的に硬質相と呼ばれるものである。そして第１粒子３は、例えば、平均粒径が１〜２０μｍである。また、基体７における結合相５はＣｏを含有している。Ｃｏは、第１粒子３同士を接合する機能がある。結合相５におけるＣｏによって第１粒子３ａ同士が接合されるため、本実施形態における基体７は、強度及び靭性が高い部材となっている。

本実施形態における結合相５は、Ｃｏを含有しているが、Ｃｏ以外の成分を含有していてもよい。例えば、結合相５がクロム（Ｃｒ）及びタンタル（Ｔａ）を含有していてもよい。結合相５は、Ｃｒ及びＴａを含有していてもよいが、Ｃｏを主成分として含有している場合には、基体７は、良好な強度及び靭性を得ることができる。なお、上記の「主成分」とは、他の成分と比較して質量％の値が最も大きい成分であることを意味している。

基体７の全体としては、ＷＣの含有比率が７５〜９７質量％であり、Ｃｏの含有比率が３〜２５質量％である。このように、本実施形態における基体７は、ＷＣを主成分として含有している。

被覆層９は、基体７の表面に位置しており、基体７の表面の少なくとも一部を覆っている。被覆層９は、切削加工におけるインサート１の耐摩耗性及び耐チッピング性などの特性を向上させるために備えられている。そのため、被覆層９が基体７の表面の全てを覆っている必要はなく、基体７の表面の一部が被覆層９から露出していてもよい。

また、インサート１においては、すくい面１３として機能する面、逃げ面１５として機能する面、及び、切刃１７として機能する交線部に被覆層９が位置していることが望ましい一方で、例えば、基体７が貫通孔１９を有している場合において、この貫通孔１９の内壁面が被覆層９に覆われていなくても問題はない。

なお、図１には、上方に位置する面がすくい面１３として機能し、側方に位置する面が逃げ面１５として機能し、これらの面が交差する交線部の少なくとも一部に切刃１７が位置するインサート１が示されている。また、図１に示されるインサート１では、上下方向に基体７を貫通するように貫通孔１９が位置している。

本実施形態における被覆層９は、複数の層からなってもよい。具体的には、例えば被覆層９が、Ｔｉを含有する第１層２１と、第１層２１の上に位置して、Ｔｉを実質的に含有しない第２層２３とを有する構成であってもよい。第１層２１の具体例として、Ｔｉの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物又は炭窒酸化物を含有する層が挙げられる。より具体的には、第１層２１として窒化チタン（ＴｉＮ）及び炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）などが挙げられる。また、第２層２３の具体例として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有する層が挙げられる。

基体７及び被覆層９を備えた、いわゆる被覆工具を切削加工に使用する場合においては、被覆層９の基体７への接合性を高めることが求められている。基体７に含有されるＣｏの含有比率を高めることによって、基体７と被覆層９の接合性が高められるが、基体７におけるＣｏの含有比率が過度に高められると、基体７におけるＷＣの含有比率が低下する。

本実施形態のインサート１は、基体７及び被覆層９の間に位置して、Ｃｏを主成分とする中間層１１を有している。そして、本実施形態のインサート１は、被覆層９と基体７とが接する領域よりも被覆層９と中間層１１とが接する領域が大きい。そのため、基体７におけるＷＣの含有比率を維持して基体７の塑性変形を起こりにくくしながらも、被覆層９と基体７との接合性を高めることが可能となっている。ここで、被覆層９と基体７とが接する領域よりも被覆層９と中間層１１とが接する領域が大きいとは、被覆層９と基体７とが接する領域が無い場合も含んでいる。

被覆層９と基体７とが接する領域及び被覆層９と中間層１１とが接する領域の大小関係は、基体７の表面に直交する断面における、基体７、被覆層９及び中間層１１が位置する部分の走査型電子顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）または透過型電子顕微鏡画像（ＴＥＭ画像）によって評価できる。なお、被覆層９と基体７とが接する領域及び被覆層９と中間層１１とが接する領域の比較は、被覆層９と基体７及び中間層１１とが接する領域の全てで評価しなくてもよい。ＳＥＭ画像またはＴＥＭ画像によって確認できる数十μｍの範囲において、これらの領域の大小関係を評価すればよい。

中間層１１は、基体７及び被覆層９の間に位置しているが、基体７及び被覆層９の間の全体に位置している必要はない。すなわち、基体７及び被覆層９が部分的に接していてもよい。ＷＣを含有する硬質相３がＴｉ化合物を含有する被覆層９に接している場合には、相対的に硬度の高いＷＣとＴｉ化合物とが接することによって中間層１１が変形しにくくなる。そのため、被覆層９の偏摩耗が抑制され易くなるので、インサート１の耐久性が高められる。

基体７の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、長辺の長さが５〜２０ｍｍ程度、短辺の長さが３〜１０ｍｍ程度の上面を有し、上面から下面までの高さが５〜２０ｍｍ程度の大きさの四角板形状に設定できる。本実施形態における上面は菱形であり、１辺が８ｍｍ程度となっている。

被覆層９の厚みは特に限定されるものではないが、例えば、厚みの最大値を３〜１００μｍ程度に設定できる。また、中間層１１の厚みも特に限定されるものではないが、例えば、厚みの最大値を０．１〜５μｍ程度に設定できる。ここで「厚み」とは、基体７の表面に直交する断面における基体７の表面に直交する方向での長さを意味する。例えば、図２に示すように、被覆層９における基体７の上面を覆う部分の厚み（Ｔ）は、この部分での上下方向の長さを意味する。

中間層１１の厚みの最大値が、被覆層９の厚みの最大値よりも小さい場合には、中間層１１の塑性変形を抑制しつつ、被覆層９によるインサート１の耐摩耗性及び耐チッピング性などの特性を向上させることができる。

また、中間層１１の厚みの最大値が、第１粒子３の平均粒径よりも小さい場合には、第１粒子３が被覆層９に接し易くなる。そのため、切削加工時に被覆層９から基体７に向かって加わる切削負荷を、中間層１１を間に介さずに被覆層９から基体７へと直接伝えることができる。そのため、中間層１１が一層塑性変形しにくくなる。

中間層１１は、Ｃｏのみを含有する層であってもよいが、Ｃｏ以外の成分を含有していてもよい。例えば、中間層１１が、相対的に硬度の高いＷＣを含有する第２粒子１１ａ（以下、ＷＣ粒子１１ａと記載する場合がある。）及びＴｉ化合物として、ＴｉＣを含有する第３粒子１１ｂ（以下、ＴｉＣ粒子１１ｂと記載する場合がある。）の少なくとも一方を含有している場合には、ＷＣ粒子１１ａ及びＴｉＣ粒子１１ｂの存在によって中間層１１の強度が高められるので、中間層１１の塑性変形をさらに抑制することが可能となる。なお、Ｔｉ化合物としては、ＴｉＣに限定されるものではなく、例えばチタンの窒化物、炭窒化物及び炭酸窒化物などが挙げられる。

また、中間層１１がＷＣ粒子１１ａを含有している場合には、基体７及び中間層１１の熱膨張差を小さくできる。そのため、インサート１が高温になり易い切削加工時においても、中間層１１が基体７から剥離する可能性を小さくできる。

中間層１１がＷＣ粒子１１ａを含有している場合において、中間層１１に位置するＷＣ粒子１１ａの平均粒径が、第１粒子３の平均粒径よりも小さいときには、中間層１１の厚みを薄くし易い。そのため、基体７及び中間層１１の熱膨張差を小さくしつつ、中間層１１の塑性変形をより生じにくくすることができる。中間層１１に位置するＷＣ粒子１１ａの平均粒径としては、例えば、０．０５〜１μｍに設定できる。

中間層１１がＴｉＣ粒子１１ｂを含有している場合には、被覆層９及び中間層１１の熱膨張差を小さくできる。そのため、インサート１が高温になり易い切削加工時においても、被覆層９が中間層１１から剥離する可能性を小さくできる。

図２及び図３に示すように、被覆層９における基体７及び中間層１１との境界面での算術平均粗さが、基体７の表面の算術平均粗さよりも小さい場合には、被覆層９の耐久性を高めることができる。基体７の表面の算術平均粗さが相対的に粗い場合であっても、基体７の表面を中間層１１で覆うことによって、基体７及び中間層１１で構成される部分の表面、すなわち被覆層９における基体７及び中間層１１との境界面の算術平均粗さを相対的に小さくできる。

これにより、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて被覆層９を形成する際に、基体７及び中間層１１で構成される部分の表面において結晶成長のもととなるＴｉ化合物の粒子を分散させ易くなり、この表面に直交する方向にＴｉ化合物の粒子の結晶成長が促進され易くなる。そのため、Ｔｉ化合物の結晶の配向が揃い易くなるので、被覆層９の耐久性が高められる。

＜製造方法＞
次に、本実施形態に係るインサート１の製造方法について以下に説明する。

まず、タングステンを含む金属炭化物、窒化物、炭窒化物及び酸化物などから選択される無機物粉末に、コバルトを含む金属粉末及びカーボン粉末等を添加して混合する。混合された上記の粉末を、公知の成形方法を用いて所定の形状に成形して第１成形体を作製する。成形方法としては、例えば、プレス成形、鋳込成形、押出成形及び冷間静水圧プレス成形などが挙げられる。

次に、得られた第１成形体の表面にコバルトを主成分として含有する金属粉末を添加した後、再度、上記の成形方法を用いて所定の形状に成形して第２成形体を作製する。このとき、第１成形体の表面の少なくとも半分以上を覆うようにコバルトを主成分として含有する金属粉末が添加される。これにより、被覆層９と基体７とが接する領域よりも基体７と中間層１１とが接する領域を大きくすることができる。

なお、基体７及び被覆層９が部分的に接した構成のインサート１を作製するためには、第１成形体の表面の少なくとも一部が露出するように、コバルトを主成分として含有する
金属粉末を第１成形体の表面に添加すればよい。

上記の第２成形体を、真空中又は非酸化性雰囲気中にて焼成することによって基体７及び中間層１１を作製する。なお、必要に応じて、基体７及び中間層１１によって構成される部材の表面に研磨加工又はホーニング加工を施してもよい。

次に、上記の部材の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層９を成膜する。

まず、水素（Ｈ_２）ガスに、０．５〜１０体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、１０〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスとを混合して、反応ガスとして用いられる第１混合ガスを作製する。第１混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を８００〜９４０℃、チャンバ内の圧力を８〜５０ｋＰａとして、窒化チタン（ＴｉＮ）を含有する層２５を成膜する。

次に、水素（Ｈ_２）ガスに、０．５〜１０体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、５〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスと、０．１〜３体積％のアセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスとを混合して、第２混合ガスを作製する。第２混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を７８０〜８８０℃、チャンバ内の圧力を５〜２５ｋＰａとして、ＭＴ−炭窒化チタンを含有する層２７を成膜する。

次に、被覆層９におけるＨＴ−炭窒化チタンを含有する層２９を成膜する。本実施形態では、水素（Ｈ_２）ガスに、１〜４体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、５〜２０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスと、０．１〜１０体積％のメタン（ＣＨ_４）ガスとを混合して、第３混合ガスを作製する。第３混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９００〜１０５０℃、チャンバ内の圧力を５〜４０ｋＰａとして、ＨＴ−炭窒化チタンを含有する層２９を成膜する。

次に、被覆層９における炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）を含有する層３１を作製する。水素（Ｈ_２）ガスに、３〜１５体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、３〜１０体積％のメタン（ＣＨ_４）ガスと、０〜２５体積％の窒素（Ｎ_２）ガスと、０．５〜２体積％の一酸化炭素（ＣＯ）ガスと、０〜３体積％の三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスとを混合して、第４混合ガスを作製する。第４混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９００〜１０５０℃、チャンバ内の圧力を５〜４０ｋＰａとして、炭窒酸化チタンを含有する層３１を成膜する。

そして、酸化アルミニウムを含有する層３３を成膜する。なお、酸化アルミニウムを含有する層３３を成膜する際に、最初に酸化アルミニウムの結晶の核を形成してもよい。水素（Ｈ_２）ガスに、５〜１０体積％の三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスと、０．１〜１体積％の塩化水素（ＨＣｌ）ガスと、０．１〜５体積％の二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスとを混合して、第５混合ガスを作製する。第５混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、チャンバ内の圧力を５〜１０ｋＰａとして、上記の核を形成する。

次に、水素（Ｈ_２）ガスに、５〜１５体積％の三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスと、０．５〜２．５体積％の塩化水素（ＨＣｌ）ガスと、０．５〜５体積％の二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスと、０．１〜１体積％の硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスとを混合して、第６混合ガスを作製する。第６混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、チャンバ内の圧力を５〜２０ｋＰａとして、酸化アルミニウムを含有する層３３を成膜する。

そして、窒化チタン（ＴｉＮ）を含有する層３５を成膜する。水素（Ｈ_２）ガスに、０．１〜１０体積％の四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスと、１０〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスとを混合して第７混合ガスを作製する。第７混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９６０〜１１００℃、チャンバ内の圧力を１０〜８５ｋＰａとして、窒化チタンを含有する層３５を成膜する。

その後、必要に応じて、成膜した被覆層９の表面における切刃１７が位置する部分を研磨加工する。このような研磨加工を行なった場合には、切刃１７への被削材の溶着が抑制され易くなるため、耐欠損性に優れたインサート１となる。

なお、上記の製造方法は、本実施形態のインサート１を製造する方法の一例である。したがって、本実施形態のインサート１は、上記の製造方法によって作製されたものに限定されないことは言うまでもない。

＜切削工具＞
次に、一実施形態の切削工具１０１について図面を用いて説明する。

本実施形態の切削工具１０１は、図４及び図５に示すように、第１端（図における上）から第２端（図における下）に向かって延びる棒状体であり、第１端側にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記のインサート１とを備えている。本実施形態の切削工具１０１においては、稜線における切刃として用いられる部分がホルダ１０５の先端から突出するようにインサート１が装着されている。

ポケット１０３は、インサート１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。

ポケット１０３にはインサート１が位置している。このとき、インサート１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、インサート１とポケット１０３との間にシートを挟んでいてもよい。

インサート１は、稜線における切刃として用いられる部分がホルダ１０５から外方に突出するように装着される。本実施形態においては、インサート１は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、インサート１の貫通孔に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、インサート１がホルダ１０５に装着されている。

ホルダ１０５としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。特に、これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いることが好ましい。

本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工が挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態のインサート１を用いてもよい。

１・・・切削インサート（インサート）
３・・・第１粒子
５・・・結合相
７・・・基体
９・・・被覆層
１１・・・中間層
１３・・・すくい面
１５・・・逃げ面
１７・・・切刃
１９・・・貫通孔
２１・・・第１層
２３・・・第２層
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ

Claims

ＷＣを含有する第１粒子及びＣｏを含有する結合相を有する基体と、
該基体の表面に位置する被覆層と、
Ｃｏが主成分であり、前記基体及び前記被覆層の間に位置する中間層とを備え、
前記基体の表面に直交する断面において、前記被覆層は、前記基体と接する領域よりも前記中間層に接する領域が大きい切削インサート。
前記中間層は、ＷＣを含有する第２粒子を含有している、請求項１に記載の切削インサート。
前記第２粒子の平均粒径が、前記第１粒子の平均粒径よりも小さい、請求項２に記載の切削インサート。
前記中間層は、ＴｉＣを含有する第３粒子を含有している、請求項１〜３のいずれか１つに記載の切削インサート。
前記中間層の厚みの最大値が、前記被覆層の厚みの最大値よりも小さい、請求項１〜４のいずれか１つに記載の切削インサート。
前記中間層の厚みの最大値が、前記第１粒子の平均粒径よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１つに記載の切削インサート。
前記基体の表面に直交する断面において、前記被覆層における前記基体及び前記中間層との境界面での算術平均粗さが、前記基体の表面の算術平均粗さよりも小さい、請求項１〜６のいずれか１つに記載の切削インサート。
第１端から第２端に向かって延びる棒状体であり、前記第１端側にポケットを有するホルダと、
該ホルダにおける前記ポケットに位置する請求項１〜７のいずれか１つに記載の切削インサートとを備えた切削工具。