JP4443177B2

JP4443177B2 - スローアウェイチップ

Info

Publication number: JP4443177B2
Application number: JP2003336316A
Authority: JP
Inventors: 浩美城御堂; 安則植村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005103658A

Description

本発明は、切刃に硬質被覆層を被覆したスローアウェイチップに関し、特に小物加工や精密加工等の切削加工においても耐摩耗性および耐欠損性をともに高めることが可能なスローアウェイチップに関する。

従来より、切刃に硬質被覆層をコーティングした切削工具が知られており、例えば、特許文献１では切刃稜線を研磨によってシャープエッジとし切刃における切削抵抗を低減して耐摩耗性を向上できることが記載され、また、特許文献２では研磨方法を工夫することにより、逃げ面にＲ部を、かつ切刃稜線にシャープエッジを形成することが記載されている。

さらに、特許文献３では、硬質被覆層の膜厚ｄに対して切刃の刃先にｄ／２＜ｒ（ホーニングの曲率半径）＜２５ｄの微小ホーニングを施すことによって硬質被覆層の耐剥離性を防止できることが記載されている。
特開平２−１０９６１０号公報特開２００１−６２６０２号公報特開２０００−５２１０７号公報

しかしながら、特許文献１、２のように、切刃をシャープエッジとした場合、この表面に硬質被覆層を形成すると、すくい面と逃げ面との交差稜である切刃において特異的に硬質被覆層の膜厚が厚くなり（いわゆるドッグボーンを形成）、切削時の衝撃によって欠損しやすく被覆膜の欠損によってかえってチップの寿命が短くなるという問題があった。

また、特許文献３のように切刃に微小ホーニングを施して硬質被覆層を形成する方法では、ホーニングという工程が増えてチップがコスト高となるとともにチップ間のホーニング仕上がりのばらつきが発生して特性ばらつきにつながるばかりか、硬質被覆層の耐欠損性および耐摩耗性は依然として十分なものではなかった。

本発明は、上記従来の課題を改善して、硬質被覆層を有するスローアウェイチップにおける切刃の耐欠損性が高く、長寿命のスローアウェイチップを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題に対して検討したところ、切刃において均一で連続的にバイアス電圧を印加して成膜される硬質被覆層を形成するよりも、むしろ、切刃にバイアス電圧を印加して成膜する方法によって成膜される硬質被覆層のうちの１層内で前記切刃の位置に、成膜に際して印加電圧を成膜終了直前のみ定常成膜条件の１．５倍以上に高めることによって形成する切刃欠如部が形成されており、該切刃欠如部は２つの折れ曲がり凸部が上面から見たときの最大幅１０〜１５μｍ、すくい面側および逃げ面側の前記切刃の欠如部との境界部における前記欠如部との段差の厚みの平均値が３〜４．２μｍで存在してその間は下に凸状の空間をなし、かつ該下に凸状の空間にはさらに少なくとも１つの折れ曲がり凹部を有するような形状に欠如した部分を有する形状からなる構成とし、しかも周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる平均粒径が０．４μｍの硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金からなる母材とすることによって、切刃に集中した残留応力を開放して切刃から切削に影響するような大きなチッピングや欠損を抑制して切刃の耐欠損性を従来のチップよりも向上できるとともに切刃のすくい面側および逃げ面側に一定厚みの硬質被覆層を残存させることによって耐摩耗性も維持でき、結果的に長寿命なチップとなることを知見し本発明に至った。

すなわち、本発明のスローアウェイチップは、すくい面と逃げ面との交差稜を切刃とし、母材の表面に少なくとも前記すくい面から逃げ面にわたってバイアス電圧を印加して成膜される少なくとも１層からなる硬質被覆層を被着形成するとともに、前記切刃の断面形状において、前記硬質被覆層のうちの１層内で前記切刃の位置に、成膜に際して印加電圧を成膜終了直前のみ定常成膜条件の１．５倍以上に高めることによって形成する切刃欠如部が形成されており、
該切刃欠如部は、
２つの折れ曲がり凸部が上面から見たときの最大幅１０〜１５μｍであり、
すくい面側および逃げ面側との境界部における段差の厚みの平均値が３〜４．２μｍで存在して、その間は下に凸状の空間をなし、
該下に凸状の空間にはさらに少なくとも１つの折れ曲がり凹部を有する形状からなるとともに、
前記母材が、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる平均粒径が０．４μｍの硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金からなることを特徴とするものである。

ここで、前記切刃欠如部の断面形状において、下に凸状の空間にはさらに少なくとも１つの折れ曲り凹部を有することが、切刃における硬質被覆層の残留応力を効率よく有効に低減できるとともに、すくい面および逃げ面における硬質被覆層の耐摩耗性をともに維持できることができる点で重要である。

さらに、前記切刃の欠如部を上面から見たときの最大幅が１０〜１５μｍであることが、切刃における硬質被覆層の残留応力の低減と、すくい面および逃げ面における硬質被覆層の耐摩耗性の維持とのバランスの点で重要である。

また、前記すくい面および逃げ面の前記切刃の欠如部との境界部における膜厚の平均値が３〜４．２μｍであることが、切刃における硬質被覆層の大きなチッピングや欠損の防止の点で重要である。

さらにまた、前記スローアウェイチップが、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金の母材からなることによって、チップ全体の耐欠損性を向上して、特に切刃における大きなチッピングや欠損を防止することができる。かつ、前記硬質粒子の平均粒径が０．４μｍであることによって、特に耐欠損性および耐摩耗性を兼ね備えたスローアウェイチップとすることができる。

上記本発明のスローアウェイチップによれば、母材の表面にバイアス電圧を印加して成膜される少なくとも１層からなる硬質被覆層を被着形成するとともに、前記硬質被覆層のうちの１層内で前記切刃の位置に、成膜に際して印加電圧を成膜終了直前のみ定常成膜条件の１．５倍以上に高めることによって形成する切刃欠如部が形成されており、
該切刃欠如部は、
２つの折れ曲がり凸部が上面から見たときの最大幅１０〜１５μｍであり、
すくい面側および逃げ面側との境界部における段差の厚みの平均値が３〜４．２μｍで存在して、その間は下に凸状の空間をなし、
該下に凸状の空間にはさらに少なくとも１つの折れ曲がり凹部を有する形状からなるとともに、
前記母材が、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる平均粒径が０．４μｍの硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金からなる構成とすることによって、切刃の耐欠損性を従来のチップよりも向上できるとともに耐摩耗性も維持でき、結果的に長寿命なチップとなる。

本発明のスローアウェイチップについて、その一例についての概略斜視図である図１、側面図である図２および切刃の要部拡大断面図である図３を基に説明する。

図１によれば、スローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、主面２が多角形形状の略平板状をなして、一方の主面がすくい面２ａを、側面が逃げ面３を、すくい面２ａと逃げ面３との交差稜４のうちノーズ部５を含んで切刃６が形成されている。なお、すくい面２ａとは反対の主面は図２に示すように着座面２ｂをなしている。

また、図２および図３に示すように、チップ１は、母材８の表面に周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１層からなる硬質被覆層９が少なくとも前記ノーズ部のすくい面から逃げ面にわたって被着形成されている。なお、図２によれば、すくい面２ａの中央部にはネジ穴７が設けられている。

ここで、本発明によれば、交差稜４近傍の切刃６において硬質被覆層９は、母材の表面にバイアス電圧を印加して成膜されるとともに、硬質被覆層９のうちの１層内で切刃６の位置に、成膜に際して印加電圧を成膜終了直前のみ定常成膜条件の１．５倍以上に高めることによって形成する切刃欠如部１０が形成されており、
切刃欠如部１０は、２つの折れ曲がり凸部が上面から見たときの最大幅１０〜１５μｍであり、すくい面側および逃げ面側との境界部における段差の厚みの平均値が３〜４．２μｍで存在して、その間は下に凸状の空間をなし、該下に凸状の空間にはさらに少なくとも１つの折れ曲がり凹部を有する形状からなるとともに、
前記母材が、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる平均粒径が０．４μｍの硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金からなることが大きな特徴であり、これによって、切刃６の耐欠損性を従来のチップよりも向上できるとともに耐摩耗性も維持でき、結果的に長寿命なチップ１となる。

ここで、切刃６の欠如部（以下、切刃欠如部と略す。）１０の断面形状が図３に示すように少なくとも１つの折れ曲り凹部を有し、すなわち階段状をなすことが、切刃６における硬質被覆層９の残留応力を効率よく有効に低減して大きなチッピングや欠損を抑制できるとともに、すくい面２ａおよび逃げ面３における硬質被覆層９の耐摩耗性をともに維持できることができる点で重要である。なお、本発明によれば、切刃欠如部１０の断面形状としては、図４のように折れ曲り凹部を持たない曲線状ではなく、階段状としては図３のように折れ曲り凹部が１つのみであってもよいが、図４（ｂ）のように複数の折れ曲り凹部を有する多段の階段状であってもよい。

いずれの場合にも、硬質被覆層９の切刃６近傍には不連続な境界部（図３の９ｐ、９ｓ）が存在するとともに、切刃欠如部１０には下に凸状の空間が存在する。

さらに、切刃欠如部１０を上面から見たときの最大幅ｗが１０〜１５μｍであることが、切刃６における硬質被覆層９のチッピングや欠損の低減と、すくい面２ａおよび逃げ面３における硬質被覆層９の耐摩耗性の維持とのバランスの点で重要である。
なお、上記切刃欠如部１０を上面から見たときの最大幅ｗとは、図１のように切刃欠如部１０を上面から見たとき、ノーズ５先端における切刃欠如部１０ａの幅が最大となるようにチップ１を傾けたときの幅ｗを指し、これは図３に図示した幅ｗに相当する。

ここで、本発明によれば、上記のような切刃欠如部１０を形成するには、硬質被覆層９をアークイオンプレーティング法やスパッタ法等のバイアス電圧を印加して成膜する方法によって硬質被覆層を成膜するとともに、成膜に際して、アーク電圧等の印加電圧を成膜終了直前の１〜７分間、特に３〜５分間のみ、定常成膜条件の１．５倍以上に高めることによって形成す
ることができる。

また、すくい面２ａおよび逃げ面３の切刃欠如部１０との境界部における膜厚ｔ（すくい面側膜厚ｔ_ｐ、逃げ面側膜厚ｔ_ｓ）の平均値（（ｔ_ｐ＋ｔ_ｓ）／２）が３〜４．２μｍであることが、切刃６における硬質被覆層９の大きなチッピングや欠損の防止の点で重要である。

さらにまた、本発明によれば、チップ１の母材８が、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金からなることによって、チップ１全体の耐欠損性を向上して、特に切刃６における大きなチッピングや欠損を防止することができる。かつ、前記硬質粒子の平均粒径が０．４μｍであることによって、特に耐欠損性および耐摩耗性を兼ね備えたチップ１とすることができる。

また、本発明によれば、ノーズ部５の角度θは６０°以下、特に３５〜６０°、かつ切刃５のポジ角αが８°以上、特に８〜１５°であることが、確実に切刃欠如部１０を形成できる点で望ましい。

さらに、切刃６はシャープエッジ、すなわち切刃６断面の曲率半径Ｒ_ｒが１０μｍ以下であることが、切刃欠如部１０を確実に形成できるとともに、切刃６の切れ味の向上の点で望ましい。なお、切刃６断面の曲率半径Ｒ_ｒは５μｍ以下、さらに３μｍ以下であることが望ましい。

また、本発明においては、図２に示すように、チップ１のノーズ部５からすくい面２ａ側に凹状または凸状のブレーカ部１１を形成してもよく、これによって切り屑の排出性が向上して切れ味を高めることができ、かつびびり発生の抑制および加工面粗度の向上を図ることができるとともに、特に凹状のブレーカ部１１は切刃６をよりシャープにして切刃欠如部１０を確実に形成することができる。

さらに、本発明によれば、すくい面２ａおよび逃げ面４の算術平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが加工面粗度の向上および切れ味の向上の点で望ましい。

材種Ａ：表１に示す平均粒径のＷＣ粉末に対して、平均粒径１．５μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末を０．６質量％、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末を０．３質量％、平均粒径０．５μｍのＣｏ粉末を表１に示す割合で添加、材種Ｂ：表１に示す平均粒径のＴｉＣＮ粉末に対して、平均粒径２μｍのＴｉＮ粉末を１５質量％、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末を３質量％、平均粒径２μｍのＮｂＣ粉末を２質量％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末およびＮｉ粉末を合計で表１に示す割合で添加、混合して、ＴＭＭＧチップ形状に成形、焼成した後、すくい面および逃げ面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下となるように研磨加工を行った。なお、切刃は断面で見た曲率半径が表１に示す値となるように加工した。なお、ノーズ部の先端角度θは６０°、切刃のポジ角αは１１°とした。

そして、上記母材に対して、アルカリ洗浄を行い、１×１０^−２Ｐａで真空排気を行った後、炉内を５５０℃に加熱してアークイオンプレーティング法にて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの硬質被覆層を表１に示す条件にて成膜してスローアウェイチップを作製した。なお、表中、成膜時の印加電圧については、試料Ｎｏ．７以外の試料について、成膜終了前に表１に示した時間だけ印加電圧の変更を行った。

得られたチップについて、切刃の断面形状を確認するためにノーズ先端を含む断面をＦＩＢ加工（収束イオンビーム加工）によってカットし、その断面を走査型電子顕微鏡により観察することによって切刃の断面形状および硬質被覆層の切刃欠如部との境界における膜厚すくい面側ｔ_ｐ、逃げ面側ｔ_ｓを測定し、その平均値を算出した。なお、切刃欠如部を持たない試料については切刃における膜厚を括弧書きで表記した。また、チップの上斜め方向から角度を変えながら切刃欠如部を顕微鏡観察して切刃欠如部の最大幅を測定した。

また、上記条件にて作製したチップに対して、下記条件で切削加工を行い、３００個の定数加工を行った時点でのチッピングおよび欠損の状態を確認して耐欠損性として表記するとともに、被削材の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．１０μｍを超えた時点を寿命としてワークの加工数を測定した。

切削条件
被削材ＳＵＳ４３０Ｆ
加工形態 Φ８ｍｍ外径端面仕上げ切削
切削速度Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み０．０３ｍｍ
送り０．０３ｍｍ／ｒｅｖ
切削状態湿式
結果は表１に示した。

表１の結果から明らかなように、成膜時のアーク電圧が一定であった試料Ｎｏ．７、切刃にホーニング加工を施した試料Ｎｏ．８、硬質被覆層の切刃部における膜厚が０．５μｍより小さい試料Ｎｏ．９では、いずれも切刃に切刃欠如部が存在せず切刃にチッピングや欠損が発生して耐欠損性が低いものであった。

これに対して、切刃に切刃欠如部が存在する試料Ｎｏ．１〜６については、いずれも耐欠損性が高く、長寿命なチップとなった。

本発明のスローアウェイチップの一例を示す概略斜視図である。図１のスローアウェイチップの切刃についての断面図である。図１のスローアウェイチップの切刃についての要部拡大断面図である。本発明のスローアウェイチップの他の実施態様における切刃についての断面図である。

符号の説明

１スローアウェイチップ
２主面
２ａすくい面
２ｂ着座面
３逃げ面
４交差稜
５ノーズ部
６切刃
８母材
９硬質被覆層
１０切刃欠如部（切刃における欠如部）
１１ブレーカ部
ｗ：切刃欠如部を上面から見たときの最大幅
θ：ノーズ部の先端角
α：ポジ角
Ｒ_ｒ：切刃断面における曲率半径
ｔ：すくい面２ａおよび逃げ面３の切刃欠如部１０との境界部における膜厚
ｔ_ｐ：すくい面側膜厚
ｔ_ｓ：逃げ面側膜厚

Claims

すくい面と逃げ面との交差稜を切刃とし、母材の表面に少なくとも前記すくい面から逃げ面にわたってバイアス電圧を印加して成膜される少なくとも１層からなる硬質被覆層を被着形成するとともに、前記切刃の断面形状において、前記硬質被覆層のうちの１層内で前記切刃の位置に、成膜に際して印加電圧を成膜終了直前のみ定常成膜条件の１．５倍以上に高めることによって形成する切刃欠如部が形成されており、
該切刃欠如部は、
２つの折れ曲がり凸部が上面から見たときの最大幅１０〜１５μｍであり、
すくい面側および逃げ面側との境界部における段差の厚みの平均値が３〜４．２μｍで存在して、その間は下に凸状の空間をなし、
該下に凸状の空間にはさらに少なくとも１つの折れ曲がり凹部を有する形状からなるとともに、
前記母材が、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる平均粒径が０．４μｍの硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相１２質量％にて結合してなる超硬合金からなることを特徴とするスローアウェイチップ。