JP5240608B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
(式中X1は、いずれかの切れ刃部における被膜のZr含有量であって、そのZr含有量が最大となるZr含有量であり、X2は、いずれかの切れ刃部における被膜のZr含有量であって、そのZr含有量が最小となるZr含有量であり、Xaveは、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値である。)
また、本発明の表面被覆切削工具は、2のすくい面を有し、該すくい面は、いずれも少なくとも2本の対角線を有し、その対角線は、該対角線の両端が切れ刃部に含まれ、上記すくい面のうち、面積が広い方のすくい面を第1すくい面とし、面積が狭い方のすくい面を第2すくい面とする場合、被膜のZr含有量は、下記式(II)を満たすことが好ましい。
(式中Y1は、上記第1すくい面の対角線のうち、いずれか1の対角線である第1対角線の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であり、Y2は、上記第2すくい面の対角線のうち、上記第1対角線に平行な対角線である第2対角線の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であり、Yaveは、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値である。)
また、本発明の表面被覆切削工具は、少なくとも2の逃げ面を有し、該逃げ面のうち1の逃げ面は、他の逃げ面のうちの少なくとも1の逃げ面と交差する1の稜を共有稜として有し、該共有稜は、上記表面被覆切削工具において複数存在し、かつ該共有稜の両端は切れ刃部に含まれる場合、被膜のZr含有量は、下記式(III)を満たすことが好ましい。
(式中Z1は、上記共有稜のうち、いずれか1の共有稜である第1共有稜の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であって、第1共有稜を含む全ての共有稜の各両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値のうちで最大となる値であり、Z2は、上記共有稜のうち、いずれか1の共有稜である第2共有稜の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であって、第2共有稜を含む全ての共有稜の各両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値のうちで最小となる値であり、Zaveは、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値である。)
また、上記第1共有稜は、上記第1すくい面にある対角線のうち、いずれか1の対角線と交差し、さらにこの対角線は上記第2共有稜とも交差することが好ましい。
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜を含んでおり、その被膜は少なくとも1層の被覆層を含み、さらに2以上の切れ刃部を備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、上面およびそれに平行な断面が多角形または円形(好ましくは、菱形、正方形、三角形、長方形、丸形など)をなす形状を有している。
本発明の表面被覆切削工具101において、「切れ刃部」とは、表面被覆切削工具101のコーナー部分であって切削に関与する部分をいう。本発明において「切れ刃部」という場合は、基材のコーナー部分または被膜のコーナー部分のいずれか一方または両方のことをいうものとする。
本発明の表面被覆切削工具101において基材上に形成される「被膜」とは、基材の一部または全部を覆う膜であって、少なくとも1層の被覆層を含むものである。本発明の表面被覆切削工具101の被膜は、Zrを含有することを特徴とし、被膜にZrを含有することによって、従来よりも表面被覆切削工具の靭性と耐摩耗性とをより高度に両立させることができる。
被膜を構成する被覆層の少なくとも1層である「Zr含有被覆層」は、被膜に含まれる被覆層のうちの1の被覆層であって、Zrを含有する層である。この被膜にZr含有被覆層を含むことによって、従来よりも表面被覆切削工具の靭性と耐摩耗性とをより高度に両立させることができる。
また、本発明の表面被覆切削工具は、2のすくい面を有し、該すくい面は、いずれも少なくとも2本の対角線を有し、該対角線は、該対角線の両端が切れ刃部に含まれ、該すくい面のうち、面積が広い方のすくい面を第1すくい面とし、面積が狭い方のすくい面を第2すくい面とし、第1すくい面の対角線の第1対角線の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値をY1とし、該第1対角線に平行な対角線である第2対角線の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値をY2とし、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値をYaveとした場合、被膜のZr含有量が、下記式(II)を満たすことによっても、切れ刃部ごとの工具寿命のバラつきがより少なく、長期間使用しても欠損を起こしにくい表面被覆切削工具を得ることができる。
ここで、本発明の表面被覆切削工具101において、図1においては上側の面を第1すくい面102aといい、もう一方のすくい面を第2すくい面102bという。本発明において、第1すくい面102aは、2のすくい面のうち面積の広い方のすくい面のことをいう。なお、この2のすくい面の面積が等しい場合は、第1すくい面102aはいずれのすくい面であってもよい。
また、第1共有稜は、前記第1すくい面にある対角線のうち、いずれか1の対角線と交差し、さらにこの対角線は前記第2共有稜とも交差していることが好ましい。すなわち、図1のような表面被覆切削工具101の立体構造の場合、第1共有稜と第2共有稜とが互いに対角の位置にある共有稜104であることが好ましい。
被膜を構成する被覆層の少なくとも1層である「酸化アルミニウム層」は、被膜に少なくとも1層以上含まれる被覆層であって、酸化アルミニウムを主体として含む層である。この酸化アルミニウム層は、主にすくい面の耐溶着性を向上させるとともに、高速切削時の耐摩耗性をも向上させる作用をなすものである。そして、この酸化アルミニウムに含まれるアルミニウムに、α−アルミナを用いることによりこれらの作用効果は顕著となる。なお、この酸化アルミニウム層がZrを含む場合は、Zr含有被覆層となる。
被膜を構成する被覆層の少なくとも1層である「チタン化合物層」は、被膜に少なくとも1層以上含まれる被覆層であって、チタン化合物を主体として含む層である。このチタン化合物層は、汎用切削に用いるときの耐摩耗性を向上させるために設ける層であり、MT−CVD(Medium Temperature Chemical Vapor Deposition)法で形成されることが好ましく、チタン化合物にはTiCNを用いることが好ましい。なお、このチタン化合物層がZrを含む場合は、Zr含有被覆層となる。
本発明の表面被覆切削工具101の被膜は、上記Zr含有被覆層以外に、少なくとも1層の硬質化合物層を含んでいてもよい。この硬質化合物層は、周期律表のIVa族元素(Ti、Zr、Hf等)、Va族元素(V、Nb、Ta等)、VIa族元素(Cr、Mo、W等)、Al、Siおよび硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素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を主体として含む層であることが好ましい。また、耐摩耗性等の諸特性を向上させつつ基材との密着性の低下を防止する観点から、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、チタンとからなる化合物を主体として含む層であることがさらに好ましい。
本発明の被膜を構成する被覆層の少なくとも1層には、圧縮残留応力のある層または応力のない層のうちのいずれか一方または両方を含んでいてもよい。この圧縮残留応力のある層または応力のない層のいずれか一方または両方を含むことによって、表面被覆切削工具を長時間使用した場合の疲労寿命による切れ刃部の欠損を効果的に防止することができる。上述した酸化アルミニウム層がこの圧縮残留応力のある層または応力のない層を兼ねていてもよい。
本発明の表面被覆切削工具の基材に用いられる組成としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知の組成物を特に限定なく用いることができる。たとえば、超硬合金(たとえば、WC基超硬合金、WCのほか、Coを含み、あるいはさらにTi、Ta、Nb等の炭窒化物等を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムおよびこれらの混合体等)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等からなる群から選択された少なくとも1種を用いることができる。
本発明の表面被覆切削工具は、この種のチップにより切削が可能なあらゆる種類の被削材に対して用いることができ、またその用途もドリル、エンドミル、ドリル加工用刃先交換型チップ、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップまたはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型チップ等の極めて広範囲の用途に用いることができる。
本発明の表面被覆切削工具は、化学蒸着法(CVD:Chemical Vapor Deposition)や物理蒸着法(PVD:Physical Vapor Deposition)により、その基材上に各種の被覆層を形成することができるが、これらの方法に限定されるものではなく、このような被覆層を形成することができる方法であればいかなる方法をも採用することができ、いかなる方法でも本発明の上記効果は発揮される。
まず、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末、Co粉末およびWC粉末を混合した混合粉末(TaC粉末の質量:NbC粉末の質量:TiC粉末の質量:Co粉末の質量:WC粉末の質量=0.8:0.4:2.0:9.0:87.8)を真空中、1450℃の温度で1時間焼結した焼結体を作製した。
表面被覆切削工具No.101〜104を以下の条件による断続切削試験を行ない、逃げ面摩耗量(VB)、欠損数および欠損率を測定し、その結果を以下の表3に示した。
被削材:SCM415、直径250mmの1本溝が入っている丸棒
使用ホルダ:PCLNR2525−43(住友電工ハードメタル(株)社製)
切削速度:300m/min
送り:0.30mm/rev.
切り込み:2.0mm
切削時間:7分
切削油:水溶性油
<Zr含有量の測定>
表面被覆切削工具No.101〜104の各々について、隣り合う刃先稜線206aと刃先稜線206bとのなす挟角の二等分線を含む面で各切れ刃部を切断し、その切断面の被膜の部分を電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe MicroAnalyser)によりスポットサイズ2μmの範囲で10回測定し、その10回の測定値の平均をその切れ刃部における被膜のZr含有量とした。
実施例1で製造された基材130を用いて、実施例1と同様の方法で、基材130の表面上に被覆層を形成した。実施例2においては、TiN層(下)、MT−TiCN層(*)、MT−TiCN層(**)、MT−TiCN層、TiBN層、α−Al2O3層(*)、α−Al2O3層(**)、κ−Al2O3層、TiCN層およびTiN層より選択された少なくとも4層の被覆層を表4に示す膜厚のとおりに順次積層して被覆層を形成した。なお、表4に示す各層の層厚の単位はμmであり、「−」の記号は、該当欄の層が被覆層に形成されていないことを意味する。
上記のようにして製造された表面被覆切削工具No.201〜206の各々10個を用意し、以下の条件による断続切削試験を行ない、逃げ面摩耗量(VB)、欠損数および欠損率を測定し、実施例1と同様の方法で逃げ面摩耗量(VB)、欠損数および欠損率を求め、その結果を以下の表5に示した。
被削材:S45C、直径250mmの1本溝が入っている丸棒
使用ホルダ:PCLNR2525−43(住友電工ハードメタル(株)社製)
切削速度:320m/min
送り:0.32mm/rev.
切り込み:2.0mm
切削時間:6分
切削油:水溶性油
<Zr含有量の測定>
表面被覆切削工具No.201およびNo.204について、隣り合う刃先稜線206aと206bとのなす挟角の二等分線を含む面で各切れ刃部を切断し、その切断面の被膜の部分を電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe MicroAnalyser)によりスポットサイズ1μmの範囲で10回測定し、その10回の測定値の平均をその切れ刃部における被膜のZr含有量とした。
まず、TaC粉末、NbC粉末、ZrCN粉末、Co粉末およびWC粉末を混合した混合粉末(TaC粉末の質量:NbC粉末の質量:ZrCN粉末の質量:Co粉末の質量:WC粉末の質量=0.4:1.2:0.4:11.0:87.0)を真空中、1450℃の温度で1時間焼結した焼結体を作製した。
表面被覆切削工具No.301〜306の各々10個ずつを用意し、以下の条件による断続切削試験を行ない、逃げ面摩耗量(VB)、欠損数および欠損率を測定し、実施例1と同様の方法で逃げ面摩耗量(VB)、欠損数および欠損率を求め、その結果を以下の表7に示した。
被削材:SCr420H、直径250mmの1本溝が入っている丸棒
使用ホルダ:PCLNR2525−43(住友電工ハードメタル(株)社製)
切削速度:350m/min
送り:0.34mm/rev.
切り込み:2.0mm
切削時間:5分
切削油:水溶性油
<Zr含有量の測定>
表面被覆切削工具No.301およびNo.304について、隣り合う刃先稜線206aと刃先稜線206bとのなす挟角の二等分線を含む面で各切れ刃部を切断し、その切断面の被膜の部分を電子線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe MicroAnalyser)によりスポットサイズ1μmの範囲で10回測定し、その10回の測定値の平均をその切れ刃部における被膜のZr含有量とした。
Claims (8)
- 基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、少なくとも1層の被覆層を含み、
前記被覆層のうち少なくとも1層は、Zrを含有するZr含有被覆層であり、
前記表面被覆切削工具は、2以上の切れ刃部を有し、
前記切れ刃部のうち1の切れ刃部である第1切れ刃部における被膜のZr含有量は、該第1切れ刃部を除く他の切れ刃部のうちの少なくとも1の切れ刃部における被膜のZr含有量と実質的に等しく、
前記表面被覆切削工具は、2以上の切れ刃部を有し、
前記被膜のZr含有量は、下記式(I)を満たし、
前記被覆層は、CVD法により形成され、
前記被膜は、酸化アルミニウムを主体として含む酸化アルミニウム層であり、
前記被膜に含まれるZrは、前記被膜に固溶状態で含まれている、または、前記Zr含有被覆層のマトリックス成分の結晶中に置換型もしくは侵入型のいずれか一方もしくは両方の型で含まれている、表面被覆切削工具。
(X 1 −X 2 )/X ave <0.04 ・・・(I)
(式中X 1 は、いずれかの切れ刃部における被膜のZr含有量であって、そのZr含有量が最大となるZr含有量であり、X 2 は、いずれかの切れ刃部における被膜のZr含有量であって、そのZr含有量が最小となるZr含有量であり、X ave は、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値である。) - 前記表面被覆切削工具は、2のすくい面を有し、
前記すくい面は、いずれも少なくとも2本の対角線を有し、
前記対角線は、該対角線の両端が切れ刃部に含まれ、
前記すくい面のうち、面積が広い方のすくい面を第1すくい面とし、面積が狭い方のすくい面を第2すくい面とする場合、
前記被膜のZr含有量は、下記式(II)を満たす、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
|Y1−Y2|/Yave<0.04 ・・・(II)
(式中Y1は、前記第1すくい面の対角線のうち、いずれか1の対角線である第1対角線の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であり、Y2は、前記第2すくい面の対角線のうち、前記第1対角線に平行な対角線である第2対角線の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であり、Yaveは、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値である。) - 前記表面被覆切削工具は、少なくとも2の逃げ面を有し、
前記逃げ面のうち1の逃げ面は、他の逃げ面のうちの少なくとも1の逃げ面と交差する1の稜を共有稜として有し、
前記共有稜は、前記表面被覆切削工具において複数存在し、かつ該共有稜の両端は切れ刃部に含まれ、
前記被膜のZr含有量は、下記式(III)を満たす、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
(Z1−Z2)/Zave<0.04 ・・・(III)
(式中Z1は、前記共有稜のうち、いずれか1の共有稜である第1共有稜の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であって、第1共有稜を含む全ての共有稜の各両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値のうちで最大となる値であり、Z2は、前記共有稜のうち、いずれか1の共有稜である第2共有稜の両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値であって、第2共有稜を含む全ての共有稜の各両端に位置する2の切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値のうちで最小となる値であり、Zaveは、全ての切れ刃部における被膜のZr含有量の平均値である。) - 前記第1共有稜は、前記第1すくい面にある対角線のうち、いずれか1の対角線と交差し、前記対角線は前記第2共有稜とも交差する、請求項3に記載の表面被覆切削工具。
- 前記表面被覆切削工具は、ネガティブチップである、請求項1〜4のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記Zr含有被覆層は、前記酸化アルミニウム層である、請求項1〜5のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、Zr含有被覆層以外に、少なくとも1層の硬質化合物層を含んでおり、
前記硬質化合物層は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、Siおよび硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素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を主体として含む層である、請求項1〜6のいずれかに記載の表面被覆切削工具。 - 前記硬質化合物層は、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、チタンとからなる化合物を主体として含む層である、請求項7に記載の表面被覆切削工具。
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