JP4518626B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐剥離性、耐欠損性を向上させた被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被削材の難削化や切削加工の高速、高能率化に伴って、切削工具の使用される環境は、ますます過酷になっている。このような要求に応えるため、超硬合金やサーメットに化学蒸着法（CVD法）や物理蒸着法（PVD法）などの手段により各種のセラミックス被膜を単層または多層で形成した、いわゆる被覆切削工具が広く利用されている。
【０００３】
これら被膜の密着力を向上させるためや（特開平06−108253号公報）、工具損傷のばらつきを低減させる手段として（特開昭62−74508号公報）、基体表面粗さを低減するが提案されている。このような処理を施した工具は、切削初期は被膜と基体が高い密着力を有しており、工具損傷のばらつきも少ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被膜の損傷が進行し、膜中に亀裂が発生すると、平滑な基体／被膜界面を亀裂が進展しやすく、剥離が急速に拡大し、大きな損傷に至るという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、基体／被膜界面に発生して急速に進展する亀裂の進行を抑制し、耐剥離性、耐欠損性に優れる被覆切削工具を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基体の表面粗さを部位により変化させることで上記の目的を達成する。本発明者等は、基体の部位に応じた表面粗さを種々検討した結果、基体表面粗さが次のようになっていることが好ましいことを見いだした。
【０００７】
すなわち、切削工具の刃先周辺を、刃先稜線部から逃げ面方向に0.20mm以内の領域α1と、刃先稜線部からすくい面方向に0.50mm以内の領域β1と、領域α1、β1の各々に隣接し、領域α1、β1の0.5倍以上の範囲を有する領域α2、β2とに区分する。領域α1とβ1における基体の表面粗さを基準長さ5μmに対してRmax0.4μm以下とする。そして、領域α2とβ2における基体の表面粗さを基準長さ5μmに対して領域α1、β1のRmaxの100％超〜500％以内とする。
【０００８】
本発明の重要な特徴は、基体表面粗さを部位により最適化すること、すなわち刃先稜線部の近傍およびランド部は平滑領域にすることで、耐剥離性、耐摩耗性を向上させることにある。同時に、平滑領域以外は表面粗さを粗くすることで、切削時に基体表面の平滑領域で生じた剥離の進展を抑制し、耐剥離性、耐欠損性を向上させる点にある。
【０００９】
各領域を図1に基づいて説明する。図１は切削工具の刃先付近の縦断面図である。刃先稜線部1に続く上部水平面がすくい面2、垂直面が逃げ面3である。ここで、刃先稜線部1から逃げ面方向に20mm以下の範囲を領域α1、刃先稜線部1からすくい面方向に50mm以下の範囲を領域β1とする。領域α1に隣接して刃先稜線部1から遠ざかる方向には領域α2が、領域β1に隣接して刃先稜線部1から遠ざかる方向には領域β2が位置する。この断面における領域α2の範囲は領域α1の0.5倍以上であり、領域β2の範囲は領域β1の0.5倍以上である。
【００１０】
硬質被膜の材質としては、周期律表IVa、Va、VIa族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼炭窒化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭酸窒化物および酸化アルミニウムよりなる群から選択される1種以上を含むことが好ましい。これらの材質はいずれも耐摩耗性に優れるからである。
【００１１】
硬質被膜にはTiCN層を含むことが望ましい。特に、柱状晶TiCN層が最適である。その際、柱状晶TiCN層の下地層として、TiN層を形成することが好ましい。下地層のTiN層には、粒状晶TiN層が最適である。これにより、柱状晶のTiCN層との密着力が強化され、柱状晶のTiCN層の耐欠損性・耐摩耗性が一層向上する。
【００１２】
TiN層は硬質被膜の第一層（基体直上の層）として形成することが望ましい。第一層をTiN層とすることで、基体表面のCo揮散抑制、膜中の塩素量の低下などにより、基体に対する硬質被膜の密着性向上が図れる。TiN層の厚みは0.3〜0.5μm程度が好ましい。
【００１３】
硬質被膜にはα−Al2O3層を含むことが好適である。α-Al2O3からなるAl203層は膜強度および柱状晶TiCN層との密着力に優れ、領域α1では耐摩耗性が優れ、刃先稜線部および領域β1では耐欠損性が優れるからである。
【００１４】
刃先稜線部およびその近傍（特に、実質的に切削に関与する範囲）における硬質被膜の表面粗さを平滑にすることも好適である。その場合、基準長さ5μmに対する面粗さRmaxを0.2μm以下とすることが好ましい。刃先稜線部近傍の硬質被膜を平滑にすることで、硬質被膜の耐磨耗性、耐剥離性を改善できる。硬質被膜の平滑化は、被膜を研摩しても良いが、主に基体表面の平滑化を行っておけば良い。
【００１５】
硬質被膜は単層でも複数層でも構わない。この硬質被膜全体の平均膜厚は1.0〜30.0μmが望ましい。より好ましくは10.0〜20.0μmである。このような厚み限定により、耐摩耗性と耐欠損性のバランスが良くなり、長期にわたり優れた性能を発揮できる。
【００１６】
硬質被膜の形成方法は、公知の物理的蒸着法（PVD）や化学的蒸着法（CVD）を利用することができる。特に、プラズマCVD法や、イオン照射法による成膜では平滑な膜が容易に得られる。TiCN層やTiC層の結晶状態を柱状晶にするか粒状晶にするかも公知の条件、例えば主に成膜の温度条件を制御することで調整できる。
【００１７】
基体の表面粗さの測定は、基体表面のうねりと区別するために、基準長さ5μmに対する面粗さ（Rmax）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定する。
【００１８】
基体表面の平滑化は、研摩により容易に行える。特に、先に刃先稜線部を含む広範囲にわたってラッピングして平滑にしておき、領域α2、β2についてはブラシ研摩やブラストなどにより表面を粗らすことで容易に本発明切削工具を実現できる。
【００１９】
基体の材質としては、超硬合金またはサーメットが好適である。特に、基体表面より5〜20μmの範囲における金属結合相の濃度が中心部の金属結合相の濃度に比べて高いことが好ましい。５μm以下では脱β層としての効果が出ず、耐欠損性が悪くなる。このように、基体表面部に金属結合相の少ない脱β層を形成することで、硬質被膜の密着性を改善でき、耐剥離性と耐欠損性に優れる。脱β層の厚みの調整は、主に基体の焼結温度を変えることで行う。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
超硬合金、サーメットを基体とし、13種類の被覆スローアウェイチップを作製した。表1に示す原料粉末を用いて表1記載の配合組成に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、乾燥した後ISO・CNMG120408形状に圧粉体をプレス成形し、真空雰囲気中で表1記載の条件を用い焼結を行った。表１における「脱β層」は基体表面からの脱β層の厚みを示している。焼結後、刃先処理、平面研摩、ラップ処理を行い、その後に領域α2、β2の表面をブラシ研磨により所定の面粗さとした。領域α2、β2の範囲は、各々領域α1、β1の範囲の0.5倍以上であった。その後、CVD炉により所定の温度・ガス・圧力条件により、表2に示す膜厚のセラミック多層被膜を形成した。被膜は、基体上に順次TiCN、Al2O3を形成した２層構造のものと、基体上に順次TiN、TiCN、Al2O3を形成した３層構造のものと２種類がある。TiN層の厚みは0.3μmである。
【００２２】
表２において、「α1領域」、「β1領域」は各領域の刃先稜線部からの範囲を示す。この欄において「−」と表示しているのは、基体全体の表面粗さがほぼ均一で、領域α1、β1、α2、β2の区別がないことを示す。表面粗さは、基体表面のうねりと区別するために、基準長さ5μmに対する面粗さ（Rmax）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定した。硬質被膜に関し、TiCNは柱状晶であり、Al2O3はαアルミナであった。
【００２３】
表３において、試料A-1〜A-8は基体を超硬合金Aとし、試料B-1〜B-8は基体を超硬合金Bとし、試料C-1〜C-3は基体をサーメットCとしている。このことは後述の表３においても同じである。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
そして、得られた切削工具について、「切削条件1」で連続切削試験を行なって逃げ面の摩耗量（Vb剥離幅）とすくい面のクレータ摩耗量（Kt剥離幅）を測定し、「切削条件2」で断続切削を行って剥離・欠損までの時間を測定した。これらの結果を表３に示す。
【００２７】
＜切削条件1＞
被削材 ：JIS SCM415 丸棒
切削速度：400m／min
送り ：0.3mm／rev
切り込み：2.0mm
切削時間：10min
切削油 ：水溶性
【００２８】
＜切削条件2＞
被削材 ：JIS SCM435 4つ溝棒
切削速度：180m／min
送り ：0.2mm／rev
切り込み：1.5mm
切削油 ：水溶性
【００２９】
【表３】
【００３０】
表３に示すように、領域α1、β1、α2、β2の表面粗さが全て同じの従来品A-1、A-6、B-1、B-6、C-1に比べて、各実施例はいずれの切削条件においても優れた耐剥離性と耐欠損性の両立ができていることがわかる。特に、硬質被膜の第一層がTiNである発明品A-7,8や、硬質被膜の表面粗さが小さい発明品B-7,8は、とりわけ優れた結果となっている。
【００３１】
尚、本発明の被覆切削工具は、上述の具体例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明切削工具によれば、優れた耐剥離性と耐欠損性が得られるとともに、切削工具の寿命を安定して向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明切削工具の刃先付近を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 刃先稜線部
2 すくい面
3 逃げ面
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐剥離性、耐欠損性を向上させた被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被削材の難削化や切削加工の高速、高能率化に伴って、切削工具の使用される環境は、ますます過酷になっている。このような要求に応えるため、超硬合金やサーメットに化学蒸着法（CVD法）や物理蒸着法（PVD法）などの手段により各種のセラミックス被膜を単層または多層で形成した、いわゆる被覆切削工具が広く利用されている。
【０００３】
これら被膜の密着力を向上させるためや（特開平06−108253号公報）、工具損傷のばらつきを低減させる手段として（特開昭62−74508号公報）、基体表面粗さを低減するが提案されている。このような処理を施した工具は、切削初期は被膜と基体が高い密着力を有しており、工具損傷のばらつきも少ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被膜の損傷が進行し、膜中に亀裂が発生すると、平滑な基体／被膜界面を亀裂が進展しやすく、剥離が急速に拡大し、大きな損傷に至るという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、基体／被膜界面に発生して急速に進展する亀裂の進行を抑制し、耐剥離性、耐欠損性に優れる被覆切削工具を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基体の表面粗さを部位により変化させることで上記の目的を達成する。本発明者等は、基体の部位に応じた表面粗さを種々検討した結果、基体表面粗さが次のようになっていることが好ましいことを見いだした。
【０００７】
すなわち、切削工具の刃先周辺を、刃先稜線部から逃げ面方向に0.20mm以内の領域α1と、刃先稜線部からすくい面方向に0.50mm以内の領域β1と、領域α1、β1の各々に隣接し、領域α1、β1の0.5倍以上の範囲を有する領域α2、β2とに区分する。領域α1とβ1における基体の表面粗さを基準長さ5μmに対してRmax0.4μm以下とする。そして、領域α2とβ2における基体の表面粗さを基準長さ5μmに対して領域α1、β1のRmaxの100％超〜500％以内とする。
【０００８】
本発明の重要な特徴は、基体表面粗さを部位により最適化すること、すなわち刃先稜線部の近傍およびランド部は平滑領域にすることで、耐剥離性、耐摩耗性を向上させることにある。同時に、平滑領域以外は表面粗さを粗くすることで、切削時に基体表面の平滑領域で生じた剥離の進展を抑制し、耐剥離性、耐欠損性を向上させる点にある。
【０００９】
各領域を図1に基づいて説明する。図１は切削工具の刃先付近の縦断面図である。刃先稜線部1に続く上部水平面がすくい面2、垂直面が逃げ面3である。ここで、刃先稜線部1から逃げ面方向に20mm以下の範囲を領域α1、刃先稜線部1からすくい面方向に50mm以下の範囲を領域β1とする。領域α1に隣接して刃先稜線部1から遠ざかる方向には領域α2が、領域β1に隣接して刃先稜線部1から遠ざかる方向には領域β2が位置する。この断面における領域α2の範囲は領域α1の0.5倍以上であり、領域β2の範囲は領域β1の0.5倍以上である。
【００１０】
硬質被膜の材質としては、周期律表IVa、Va、VIa族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼炭窒化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭酸窒化物および酸化アルミニウムよりなる群から選択される1種以上を含むことが好ましい。これらの材質はいずれも耐摩耗性に優れるからである。
【００１１】
硬質被膜にはTiCN層を含むことが望ましい。特に、柱状晶TiCN層が最適である。その際、柱状晶TiCN層の下地層として、TiN層を形成することが好ましい。下地層のTiN層には、粒状晶TiN層が最適である。これにより、柱状晶のTiCN層との密着力が強化され、柱状晶のTiCN層の耐欠損性・耐摩耗性が一層向上する。
【００１２】
TiN層は硬質被膜の第一層（基体直上の層）として形成することが望ましい。第一層をTiN層とすることで、基体表面のCo揮散抑制、膜中の塩素量の低下などにより、基体に対する硬質被膜の密着性向上が図れる。TiN層の厚みは0.3〜0.5μm程度が好ましい。
【００１３】
硬質被膜にはα−Al2O3層を含むことが好適である。α-Al2O3からなるAl203層は膜強度および柱状晶TiCN層との密着力に優れ、領域α1では耐摩耗性が優れ、刃先稜線部および領域β1では耐欠損性が優れるからである。
【００１４】
刃先稜線部およびその近傍（特に、実質的に切削に関与する範囲）における硬質被膜の表面粗さを平滑にすることも好適である。その場合、基準長さ5μmに対する面粗さRmaxを0.2μm以下とすることが好ましい。刃先稜線部近傍の硬質被膜を平滑にすることで、硬質被膜の耐磨耗性、耐剥離性を改善できる。硬質被膜の平滑化は、被膜を研摩しても良いが、主に基体表面の平滑化を行っておけば良い。
【００１５】
硬質被膜は単層でも複数層でも構わない。この硬質被膜全体の平均膜厚は1.0〜30.0μmが望ましい。より好ましくは10.0〜20.0μmである。このような厚み限定により、耐摩耗性と耐欠損性のバランスが良くなり、長期にわたり優れた性能を発揮できる。
【００１６】
硬質被膜の形成方法は、公知の物理的蒸着法（PVD）や化学的蒸着法（CVD）を利用することができる。特に、プラズマCVD法や、イオン照射法による成膜では平滑な膜が容易に得られる。TiCN層やTiC層の結晶状態を柱状晶にするか粒状晶にするかも公知の条件、例えば主に成膜の温度条件を制御することで調整できる。
【００１７】
基体の表面粗さの測定は、基体表面のうねりと区別するために、基準長さ5μmに対する面粗さ（Rmax）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定する。
【００１８】
基体表面の平滑化は、研摩により容易に行える。特に、先に刃先稜線部を含む広範囲にわたってラッピングして平滑にしておき、領域α2、β2についてはブラシ研摩やブラストなどにより表面を粗らすことで容易に本発明切削工具を実現できる。
【００１９】
基体の材質としては、超硬合金またはサーメットが好適である。特に、基体表面より5〜20μmの範囲における金属結合相の濃度が中心部の金属結合相の濃度に比べて高いことが好ましい。５μm以下では脱β層としての効果が出ず、耐欠損性が悪くなる。このように、基体表面部に金属結合相の少ない脱β層を形成することで、硬質被膜の密着性を改善でき、耐剥離性と耐欠損性に優れる。脱β層の厚みの調整は、主に基体の焼結温度を変えることで行う。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
超硬合金、サーメットを基体とし、13種類の被覆スローアウェイチップを作製した。表1に示す原料粉末を用いて表1記載の配合組成に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、乾燥した後ISO・CNMG120408形状に圧粉体をプレス成形し、真空雰囲気中で表1記載の条件を用い焼結を行った。表１における「脱β層」は基体表面からの脱β層の厚みを示している。焼結後、刃先処理、平面研摩、ラップ処理を行い、その後に領域α2、β2の表面をブラシ研磨により所定の面粗さとした。領域α2、β2の範囲は、各々領域α1、β1の範囲の0.5倍以上であった。その後、CVD炉により所定の温度・ガス・圧力条件により、表2に示す膜厚のセラミック多層被膜を形成した。被膜は、基体上に順次TiCN、Al2O3を形成した２層構造のものと、基体上に順次TiN、TiCN、Al2O3を形成した３層構造のものと２種類がある。TiN層の厚みは0.3μmである。
【００２２】
表２において、「α1領域」、「β1領域」は各領域の刃先稜線部からの範囲を示す。この欄において「−」と表示しているのは、基体全体の表面粗さがほぼ均一で、領域α1、β1、α2、β2の区別がないことを示す。表面粗さは、基体表面のうねりと区別するために、基準長さ5μmに対する面粗さ（Rmax）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定した。硬質被膜に関し、TiCNは柱状晶であり、Al2O3はαアルミナであった。
【００２３】
表３において、試料A-1〜A-8は基体を超硬合金Aとし、試料B-1〜B-8は基体を超硬合金Bとし、試料C-1〜C-3は基体をサーメットCとしている。このことは後述の表３においても同じである。
【００２４】
【表１】
【表２】
そして、得られた切削工具について、「切削条件1」で連続切削試験を行なって逃げ面の摩耗量（Vb剥離幅）とすくい面のクレータ摩耗量（Kt剥離幅）を測定し、「切削条件2」で断続切削を行って剥離・欠損までの時間を測定した。これらの結果を表３に示す。
【００２７】
＜切削条件1＞
被削材 ：JIS SCM415 丸棒
切削速度：400m／min
送り ：0.3mm／rev
切り込み：2.0mm
切削時間：10min
切削油 ：水溶性
【００２８】
＜切削条件2＞
被削材 ：JIS SCM435 4つ溝棒
切削速度：180m／min
送り ：0.2mm／rev
切り込み：1.5mm
切削油 ：水溶性
【００２９】
【表３】
表３に示すように、領域α1、β1、α2、β2の表面粗さが全て同じの従来品A-1、A-6、B-1、B-6、C-1に比べて、各実施例はいずれの切削条件においても優れた耐剥離性と耐欠損性の両立ができていることがわかる。特に、硬質被膜の第一層がTiNである発明品A-7,8や、硬質被膜の表面粗さが小さい発明品B-7,8は、とりわけ優れた結果となっている。
【００３１】
尚、本発明の被覆切削工具は、上述の具体例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明切削工具によれば、優れた耐剥離性と耐欠損性が得られるとともに、切削工具の寿命を安定して向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明切削工具の刃先付近を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 刃先稜線部
2 すくい面
3 逃げ面
Claims (8)
- 基体と、その表面に形成された硬質被膜とを具える被覆切削工具であって、
切削工具の刃先稜線部から逃げ面方向に0.20mm以内の領域α1と、
刃先稜線部からすくい面方向に0.50mm以内の領域β1と、
領域α1、β1の各々に隣接し、領域α1、β1の0.5倍以上の範囲を有する領域α2、β2とを有し、
領域α1とβ1における基体の表面粗さが基準長さ5μmに対してRmax0.4μm以下で、
領域α2とβ2における基体の表面粗さが基準長さ5μmに対して領域α1、β1のRmaxの100％超〜500％以内であることを特徴とする被覆切削工具。 - 硬質被膜が周期律表IVa、Va、VIa族の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼窒化物、硼炭窒化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物、炭酸窒化物および酸化アルミニウムよりなる群から選択される1種以上で構成される層を含み、トータル平均膜厚が1.0〜30.0μmであることを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
- 硬質被膜が柱状晶のTiCN層を含むことを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
- 硬質被膜の第一層がTiN層であることを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
- 硬質被膜がα−Al2O3層を含むことを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
- 刃先稜線部およびその近傍の硬質被膜表面における基準長さ5μmに対する面粗さRmaxが0.2μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
- 基体が超硬合金またはサーメットであることを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
- 基体表面より5〜20μmの範囲における金属結合相の濃度が中心部の金属結合相の濃度に比べて高いことを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000163601A JP4518626B2 (ja) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | 被覆切削工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000163601A JP4518626B2 (ja) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | 被覆切削工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001341004A JP2001341004A (ja) | 2001-12-11 |
| JP4518626B2 true JP4518626B2 (ja) | 2010-08-04 |
Family
ID=18667334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000163601A Expired - Lifetime JP4518626B2 (ja) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | 被覆切削工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4518626B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4711638B2 (ja) * | 2004-03-29 | 2011-06-29 | 京セラ株式会社 | スローアウェイチップ |
| JP2010214522A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Futaba Corp | 切削用工具 |
| JP5430595B2 (ja) * | 2011-03-14 | 2014-03-05 | 京セラ株式会社 | スローアウェイチップ |
| JP2018183829A (ja) * | 2017-04-25 | 2018-11-22 | 株式会社タンガロイ | 切削インサート及びその製造方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6274508A (ja) * | 1985-09-27 | 1987-04-06 | Mitsubishi Metal Corp | 表面被覆超硬合金製切削チツプ |
| JPH08150502A (ja) * | 1994-11-29 | 1996-06-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 耐欠損性および耐摩耗性に優れた切削工具 |
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