JP2022080501A - 被覆切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]
基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、前記基材側から表面側に向かって、第1層、第2層及び第3層をこの順で有し、
前記第1層は、下記式(1)で表される組成からなる化合物層であり、
(TixAl1-x)N (1)
[式(1)中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦x≦0.75を満足する。]
前記第1層の粒子の平均粒径が、100nm以上500nm以下であり、
前記第1層の平均厚さが、1.0μm以上8.0μm以下であり、
前記第2層は、TiB2からなる化合物層であり、
前記第2層の粒子の平均粒径が、1nm以上10nm以下であり、
前記第2層の平均厚さが、0.2μm以上1.0μm以下であり、
前記第3層は、下記式(2)で表される組成からなる化合物層であり、
(TiyAl1-y)N (2)
[式(1)中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
前記第3層の粒子は、アスペクト比が2.0以上の柱状晶であり、
前記第3層の粒子の平均粒径が、10nm以上50nm以下であり、
前記第3層の平均厚さが0.2μm以上1.0μm以下である、被覆切削工具。
[2]
前記被覆層全体の平均厚さが、1.4μm以上10.0μm以下である、[1]に記載の被覆切削工具。
[3]
前記被覆層の硬さが、35GPa以上55GPa以下である、[1]又は[2]に記載の被覆切削工具。
[4]
前記被覆層の圧縮応力が、2.0GPa以上10.0GPa以下である、[1]~[3]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[5]
前記被覆層は、前記基材と前記第1層との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びB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(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は多層であり、
前記下部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]~[4]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[6]
前記被覆層は、前記第3層における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びB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(ただし、前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は多層であり、
前記上部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、[1]~[5]のいずれかに記載の被覆切削工具。
[7]
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、[1]~[6]のいずれかに記載の被覆切削工具。
(TixAl1-x)N (1)
[式(1)中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦x≦0.75を満足する。]
第1層の粒子の平均粒径が、100nm以上500nm以下であり、第1層の平均厚さが、1.0μm以上8.0μm以下であり、第2層は、TiB2からなる化合物層であり、第2層の粒子の平均粒径が、1nm以上10nm以下であり、第2層の平均厚さが、0.2μm以上1.0μm以下であり、第3層は、下記式(2)で表される組成からなる化合物層であり、
(TiyAl1-y)N (2)
[式(1)中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
第3層の粒子は、アスペクト比が2.0以上の柱状晶であり、第3層の粒子の平均粒径が、10nm以上50nm以下であり、第3層の平均厚さが0.2μm以上1.0μm以下である。
本実施形態の被覆切削工具に用いる被覆層において、第1層は、下記式(1)で表される組成からなる化合物層である。
(TixAl1-x)N (1)
[式(1)中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦x≦0.75を満足する。]
本実施形態の被覆切削工具に用いる被覆層において、第2層は、TiB2からなる化合物層である。TiB2からなる化合物層を第2層として有することで、第3層の粒子の微粒化に寄与するので、微粒且つ柱状晶の第3層を形成することができる。
本実施形態の被覆切削工具に用いる被覆層において、第3層は、下記式(2)で表される組成からなる化合物層である。
(TiyAl1-y)N (2)
[式(1)中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
被覆層の硬さは、単位Pa(より具体的には、GPa)を有する物性値であり、測定したい箇所にダイナミック硬度計を押し当てることに測定することができる(以下、このような測定を「ナノインデンテーション測定」ともいう。)。なお、本明細書中、ナノインデンテーション測定は、国際標準化機構による規格(ISO14577)に準拠して測定される。ダイナミック硬度計としては、上記規格に従うものであれば特に限定されず、例えば、MTS社製の商品名「ナノインデンター」等を用いることができる。
なお、本実施形態において、被覆層の硬さは、ISO14577に準拠して、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
なお、本実施形態において、被覆層の圧縮応力は後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
本実施形態の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。物理蒸着法を使用して、被覆層を形成すると、シャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。
本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、以下に具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。
基材として、CNMG120408-SM(89.6WC-9.8Co-0.6Cr3C2(以上質量%)の組成を有する超硬合金)を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表1及び表2に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡(TEM)を用いて、各層における粒子の平均粒径、並びに、第3層及びC層の粒子の形態及びアスペクト比を測定した。
なお、第1層及びA層の平均粒径については、基材側の界面から被覆層の表面側に向かって500nmの位置(以下、単に「第1層及びA層の基材側から500nmの位置」とも記す。)における結晶粒の平均粒径を測定し、第2層及びB層の平均粒径については、基材側の界面から被覆層の表面側に向かって100nmの位置(以下、単に「第2層及びB層の基材側から100nmの位置」とも記す。)における結晶粒の平均粒径を測定し、第3層及びC層の平均粒径については、第3層及びC層の基材と反対側の表面から基材側に向かって100nmの位置(以下、単に「第3層及びC層の表面から100nmの位置」とも記す。)における結晶粒の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム(FIB)加工機を用いて、被覆層の断面(被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面:基材表面に対して垂直方向)を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像(STEM像)の写真を撮影した。撮影した写真の第1層又はA層の基材側から500nmの位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この線上に存在する結晶粒の数を測定した。この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を第1層又はA層の基材側から500nmの位置における結晶粒の平均粒径とした。このとき、直線の長さを10μm以上とした。同様に、撮影した写真の第2層又はB層の基材側から100nmの位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を第2層又はB層の基材側から100nmの位置における結晶粒の平均粒径とした。また、同様に、撮影した写真の第3層又はC層の表面から100nmの位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を第3層又はC層の表面から100nmの位置における結晶粒の平均粒径とした。さらに、第3層及びC層について、特定した各粒子の形態及びアスペクト比をそれぞれ求めた。測定結果を、表5及び表6に示す。なお、本実施形態において、粒子の形態は、アスペクト比が2以上の場合を「柱状晶」とし、アスペクト比が2未満の場合を「粒状晶」とする。
得られた各試料について、ダイナミック硬度計(MTS社製の商品名「ナノインデンター」)を用いたナノインデンテーション法により、被覆層の硬さを測定した。より具体的には、得られた被覆切削工具の逃げ面において、ドロップレットを避けるようにして、無作為に各3箇所を選択して、1箇所につき10点ナノインデンテーション測定を行い、その平均値(相加平均値)を計算することで求めた。なお、10点測定する場合、硬さ測定に影響を及ぼさない程度に各測定点の間隔をあけて、圧痕を打った。その結果を、表5及び表6に示す。
得られた試料における被覆層の圧縮応力は、X線応力測定装置(株式会社リガク製、型式「RINT TTRIII」)を用いたsin2ψ法により逃げ面の任意の部分を測定した。具体的には、被覆層中の任意の3点における圧縮応力をsin2ψ法により測定し、これら3点の圧縮応力の相加平均値を求めた。測定箇所となる被覆層中の任意の3点は、互いに0.1mm以上離れるように選択した。より具体的には、まず、被覆層のうち測定対象としてTiAlN層の(2,2,0)面を選択して測定した。TiAlN層が形成された試料を、X線回折装置によって分析した。そして、試料面法線と格子面法線とのなす角度ψを変えた時のTiAlN層の(2,2,0)面の回折角の変化から圧縮応力を求めた。このとき、第1層と第3層とのピークを分離するのではなく、両方の反射を含むピークから圧縮応力を求めた。このため、便宜上、このようして求めた圧縮応力を被覆層の圧縮応力とした。その結果を、表5及び表6に示す。
被削材:SUS304
被削材形状:120mm×400mmの丸棒
切削速度:150m/分
1刃あたりの送り:0.3mm/rev
切り込み深さ:2.0mm
クーラント:使用
評価項目:試料が欠損した(試料の切れ刃部に欠けが生じた)とき、又は逃げ面摩耗幅が0.30mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。また、加工時間が10分のとき(加工時間が10分未満で工具寿命となった場合は工具寿命に至ったとき)の損傷形態をそれぞれSEMで観察した。なお、加工時間が10分であるときの損傷形態が「チッピング」であるのは、加工を継続できる程度の欠けであったことを意味する。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表7及び表8に示す。
基材として、CNMG120408-SM(89.6WC-9.8Co-0.6Cr3C2(以上質量%)の組成を有する超硬合金)を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表9及び表10に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
得られた試料について、第1~3層における粒子の平均粒径、並びに、第3層及の粒子の形態及びアスペクト比を、実施例1と同様の方法により求めた。測定結果を表13に示す。
得られた試料について、被覆層の硬さを実施例1と同様の方法により求めた。その結果を表13に示す。
得られた試料について、被覆層の圧縮応力を実施例1と同様の方法により求めた。その結果を表13に示す。
被削材:SUS304
被削材形状:120mm×400mmの丸棒
切削速度:150m/分
1刃あたりの送り:0.3mm/rev
切り込み深さ:2.0mm
クーラント:使用
評価項目:試料が欠損した(試料の切れ刃部に欠けが生じた)とき、又は逃げ面摩耗幅が0.30mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。また、加工時間が10分のときの損傷形態をそれぞれSEMで観察した。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表14に示す。
Claims (7)
- 基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、前記基材側から表面側に向かって、第1層、第2層及び第3層をこの順で有し、
前記第1層は、下記式(1)で表される組成からなる化合物層であり、
(TixAl1-x)N (1)
[式(1)中、xはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦x≦0.75を満足する。]
前記第1層の粒子の平均粒径が、100nm以上500nm以下であり、
前記第1層の平均厚さが、1.0μm以上8.0μm以下であり、
前記第2層は、TiB2からなる化合物層であり、
前記第2層の粒子の平均粒径が、1nm以上10nm以下であり、
前記第2層の平均厚さが、0.2μm以上1.0μm以下であり、
前記第3層は、下記式(2)で表される組成からなる化合物層であり、
(TiyAl1-y)N (2)
[式(1)中、yはTi元素とAl元素との合計に対するTi元素の原子比を表し、0.25≦y≦0.75を満足する。]
前記第3層の粒子は、アスペクト比が2.0以上の柱状晶であり、
前記第3層の粒子の平均粒径が、10nm以上50nm以下であり、
前記第3層の平均厚さが0.2μm以上1.0μm以下である、被覆切削工具。 - 前記被覆層全体の平均厚さが、1.4μm以上10.0μm以下である、請求項1に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層の硬さが、35GPa以上55GPa以下である、請求項1又は2に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層の圧縮応力が、2.0GPa以上10.0GPa以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層は、前記基材と前記第1層との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びB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(ただし、前記式(1)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は多層であり、
前記下部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層は、前記第3層における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O及びB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(ただし、前記式(2)で表される組成からなる化合物を除く。)の単層又は多層であり、
前記上部層の平均厚さは、0.1μm以上3.5μm以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項1~6のいずれか一項に記載の被覆切削工具。
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JP2020191615A JP7463948B2 (ja) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | 被覆切削工具 |
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