JP6519935B1 - 表面被覆切削工具及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記基材は、すくい面と、逃げ面と、を含み、
上記被膜は、TiCN層を含み、
上記すくい面における領域d1において、上記TiCN層が(311)配向であり、
上記逃げ面における領域d2において、上記TiCN層が(422)配向であり、
上記すくい面と上記逃げ面とが刃先面を介して繋がっている場合は、上記領域d1は、上記すくい面を延長した面と上記逃げ面を延長した面とが交差してなる仮想稜線から上記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、上記すくい面と上記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、かつ、上記領域d2は、上記仮想稜線から上記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、上記逃げ面と上記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、
上記すくい面と上記逃げ面とが稜線を介して繋がっている場合は、上記領域d1は、上記稜線から上記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、上記稜線と、で挟まれた領域であり、かつ、上記領域d2は、上記稜線から上記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、上記稜線と、で挟まれた領域である。
上記表面被覆切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する、基材準備工程と、
上記すくい面の少なくとも一部と、上記逃げ面の少なくとも一部とを上記TiCN層で被覆する、TiCN層被覆工程と、
上記すくい面における上記TiCN層をピーニング処理する、ピーニング処理工程とを含み、
上記TiCN層被覆工程は、化学気相蒸着法により実行され、上記TiCN層の原料ガスを不連続に供給することを含む。
特許文献1及び特許文献2では、基材の表面に硬質な被膜を設けることによって、切削工具の性能(例えば、耐欠損性、耐摩耗性等)を向上させている。しかしながら、切削工具におけるすくい面及び逃げ面は、それぞれ異なる性能が求められているにも関わらず、特許文献1及び特許文献2に記載の切削工具ではすくい面及び逃げ面共に同質の被膜が設けられている。そのため、上記被膜を設けることによって、例えばすくい面の性能は向上したとしても、逃げ面の性能が不充分である等の場合が生じている。このような状況下、表面に被膜が設けられた切削工具の更なる改良が求められている。
上記によれば、優れた耐欠損性を有し、且つ優れた耐摩耗性を有する表面被覆切削工具及びその製造方法を提供することが可能になる。
最初に本開示の一態様の内容を列記して説明する。
[1]本開示の一態様に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記基材は、すくい面と、逃げ面と、を含み、
上記被膜は、TiCN層を含み、
上記すくい面における領域d1において、上記TiCN層が(311)配向であり、
上記逃げ面における領域d2において、上記TiCN層が(422)配向であり、
上記すくい面と上記逃げ面とが刃先面を介して繋がっている場合は、上記領域d1は、上記すくい面を延長した面と上記逃げ面を延長した面とが交差してなる仮想稜線から上記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、上記すくい面と上記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、かつ、上記領域d2は、上記仮想稜線から上記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、上記逃げ面と上記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、
上記すくい面と上記逃げ面とが稜線を介して繋がっている場合は、上記領域d1は、上記稜線から上記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、上記稜線と、で挟まれた領域であり、かつ、上記領域d2は、上記稜線から上記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、上記稜線と、で挟まれた領域である。
上記TiCN層が(422)配向であるとは、以下の式(1)で定義される配向性指数TC(hkl)のうち、上記TiCN層における(422)面の配向性指数TC(422)が、他の結晶配向面の配向性指数に比較して最も大きいことを意味する。
式(1)中、I(hkl)及びI(hxkylz)は、それぞれ測定された(hkl)面の回折強度、測定された(hxkylz)面の回折強度を示し、
Io(hkl)及びIo(hxkylz)は、それぞれJCPDSデータベースによる(hkl)面のTiCとTiNとの粉末回折強度の平均値、及びJCPDSデータベースによる(hxkylz)面のTiCとTiNとの粉末回折強度の平均値を示し、
(hkl)及び(hxkylz)は、それぞれ(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(331)面、(420)面、(422)面及び(511)面の8面のいずれかを示す。
上記[1]〜[7]のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する、基材準備工程と、
上記すくい面の少なくとも一部と、上記逃げ面の少なくとも一部とを上記TiCN層で被覆する、TiCN層被覆工程と、
上記すくい面における上記TiCN層をピーニング処理する、ピーニング処理工程とを含み、
上記TiCN層被覆工程は、化学気相蒸着法により実行され、上記TiCN層の原料ガスを不連続に供給することを含む。
上記製造方法は、上記TiCN層被覆工程又は上記ピーニング処理工程の後に、上記TiCN層の上に上記Al2O3層を積層する、Al2O3層積層工程を更に含む。このように規定することで耐熱性及び化学的安定性に優れる表面被覆切削工具を製造できる。
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。本明細書において「A〜B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。さらに、本明細書において、たとえば「TiC」等のように、構成元素の比が限定されていない組成式(化学式)によって化合物が表された場合には、その組成式(化学式)は従来公知のあらゆる組成(元素比)を含むものとする。このとき組成式(化学式)は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。たとえば「TiC」の組成式(化学式)には、化学量論組成「Ti1C1」のみならず、たとえば「Ti1C0.8」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「TiC」以外の化合物の記載についても同様である。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記基材は、すくい面と、逃げ面と、を含み、
上記被膜は、TiCN層を含み、
上記すくい面における領域d1において、上記TiCN層が(311)配向であり、
上記逃げ面における領域d2において、上記TiCN層が(422)配向であり、
上記すくい面と上記逃げ面とが刃先面を介して繋がっている場合は、上記領域d1は、上記すくい面を延長した面と上記逃げ面を延長した面とが交差してなる仮想稜線から上記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、上記すくい面と上記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、かつ、上記領域d2は、上記仮想稜線から上記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、上記逃げ面と上記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、
上記すくい面と上記逃げ面とが稜線を介して繋がっている場合は、上記領域d1は、上記稜線から上記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、上記稜線と、で挟まれた領域であり、かつ、上記領域d2は、上記稜線から上記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、上記稜線と、で挟まれた領域である。
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金(例えば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、WCの他にCoを含む超硬合金、WCの他にCr、Ti、Ta、Nb等の炭窒化物を添加した超硬合金等)、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、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等)、立方晶型窒化硼素焼結体(cBN焼結体)及びダイヤモンド焼結体からなる群から選ばれる1種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びcBN焼結体からなる群から選ばれる1種を含むことがより好ましい。
仮想平面Aはすくい面1aを延長した面に相当する。境界線AAはすくい面1aと刃先面1cとの境界線である。仮想平面Bは逃げ面1bを延長した面に相当する。境界線BBは逃げ面1bと刃先面1cとの境界線である。仮想稜線AB’はすくい面1aを延長した面(仮想平面A)と逃げ面1bを延長した面(仮想平面B)との交差線であり、仮想平面Aと仮想平面Bとが交差して仮想稜線AB’を成す。
図3に示す場合は、刃先面1cは円弧面(ホーニング)であり、すくい面1aと逃げ面1bとが刃先面1cを介して繋がっており、刃先面1cならびにすくい面1aおよび逃げ面1bにおいて刃先面1cに隣接する部分が切削工具10の刃先部を成す。
なお図3において、仮想平面Aおよび仮想平面Bは線状に示され、境界線AA、境界線BBおよび仮想稜線AB’は点状に示される。
図3に示す場合と同様に、図4および図5に示す場合においてもすくい面1aと逃げ面1bとが刃先面1cを介して繋がっており、仮想平面A、境界線AA、仮想平面B、境界線BBおよび仮想稜線AB’が設定される。
すなわち、図3から図5に示す場合は、いずれも「すくい面と逃げ面とが刃先面を介して繋がっている場合」に含まれる。
図6に示す場合、図3から図5に示す刃先面1cは存在せず、すくい面1aと逃げ面1bとが隣接し、すくい面1aと逃げ面1bとの境界線が稜線ABを成し、稜線ABならびにすくい面1aおよび逃げ面1bにおいて稜線ABに隣接する部分が切削工具10の刃先部を成す。
本実施形態に係る「被膜」とは、上記基材における上記すくい面の少なくとも一部と上記逃げ面の少なくとも一部とを被覆する膜を意味する。なお、上記基材の一部において被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、上記すくい面1aにおける領域d1において、上記TiCN層が(311)配向である。
ここで図3から図5に示すような「すくい面1aと逃げ面1bとが刃先面1cを介して繋がっている場合」には、領域d1は「仮想稜線AB’からすくい面1a上で500μm離れた仮想線D1と、すくい面1aと刃先面1cとの境界線AAと、で挟まれた領域」である。
一方、図6に示すような「すくい面1aと逃げ面1bとが稜線ABを介して繋がっている場合」には、領域d1は「稜線ABからすくい面1a上で500μm離れた仮想線D1と、稜線ABと、で挟まれた領域」である。
ここで本実施形態は、上記領域d1に加えて、上記すくい面における領域であって上記領域d1以外の領域において、上記TiCN層が(311)配向であってもよい。例えば、上記すくい面全体において、上記TiCN層が(311)配向であってもよい。
X線出力 45kV,200mA
X線源、波長 CuKα、1.541862Å
検出器 D/teX Ultra 250
スキャン軸 2θ/θ
長手制限スリット幅 2.0mm
スキャンモード CONTINUOUS
スキャンスピード 20°/min
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、上記逃げ面1bにおける領域d2において、上記TiCN層が(422)配向である。
ここで図3から図5に示すような「すくい面1aと逃げ面1bとが刃先面1cを介して繋がっている場合」には、領域d2は「仮想稜線AB’から逃げ面1b上で500μm離れた仮想線D2と、逃げ面1bと刃先面1cとの境界線BBと、で挟まれた領域」である。
一方、図6に示すような「すくい面1aと逃げ面1bとが稜線ABを介して繋がっている場合」には、領域d2は「稜線ABから逃げ面1b上で500μm離れた仮想線D2と、稜線ABと、で挟まれた領域」である。
ここで本実施形態は、上記領域d2に加えて、上記逃げ面における領域であって上記領域d2以外の領域において、上記TiCN層が(422)配向であってもよい。例えば、上記逃げ面全体において、上記TiCN層が(422)配向であってもよい。
すなわち、図3から図5に示すような「すくい面1aと逃げ面1bとが刃先面1cを介して繋がっている場合」には、領域d2は「仮想稜線AB’から逃げ面1b上で500μm離れた仮想線D2と、逃げ面1bと刃先面1cとの境界線BBと、で挟まれた領域」である。
一方、図6に示すような「すくい面1aと逃げ面1bとが稜線ABを介して繋がっている場合」には、領域d2は「稜線ABから逃げ面1b上で500μm離れた仮想線D2と、稜線ABと、で挟まれた領域」である。
以降、逃げ面の領域d2における配向性指数を「TCflank(hkl)」等と表記する場合がある。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、
上記表面被覆切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する、基材準備工程と、
上記すくい面の少なくとも一部と、上記逃げ面の少なくとも一部とを上記TiCN層で被覆する、TiCN層被覆工程と、
上記すくい面における上記TiCN層をピーニング処理する、ピーニング処理工程とを含み、
上記TiCN層被覆工程は、化学気相蒸着法により実行され、上記TiCN層の原料ガスを不連続に供給することを含む。以下、各工程について説明する。
基材準備工程では、上記基材を準備する。上記基材としては、上述したようにこの種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、まず、後述する表1に記載の配合組成(質量%)からなる原料粉末を市販のアトライターを用いて均一に混合して、続いてこの混合粉末を所定の形状(例えば、CNMG120408NUX)に加圧成形する。その後、原料粉末の成形体を、所定の焼結炉において1300〜1500℃以下で、1〜2時間焼結することにより、超硬合金からなる上記基材を得ることができる。
TiCN層被覆工程では、上記すくい面の少なくとも一部と、上記逃げ面の少なくとも一部とをTiCN層で被覆する。
TiCN層を形成させた後にAl2O3層等の他の層を積層してもよい。
ピーニング処理工程では、上記すくい面における上記TiCN層をピーニング処理する。「ピーニング処理」とは、無数の鋼鉄又は非鉄金属等の小さな球体(メディア)を高速で、すくい面等の表面に衝突させる(投射させる)ことで当該表面の配向性、圧縮応力等の諸性質を変化させる処理を意味する。本実施形態ではすくい面にピーニング処理を行うことによって、すくい面のTiCN層における(422)面の割合が減少し、(311)面の割合が増加する。その結果、当該TiCN層の靱性が向上し、耐欠損性に優れることになる。上記メディアの投射は、TiCN層の配向性が変われば特に制限はなく、TiCN層に対して直接行ってもよいし、TiCN層上に設けられた他の層(例えば、Al2O3層)に対して行ってもよい。上記メディアの投射は、少なくとも上記すくい面の領域d1に対して行われていれば特に制限はなく、例えば、上記すくい面の全体にわたって上記メディアの投射が行われていてもよい。
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、ピーニング処理の効果を損なわない範囲で追加工程を適宜行ってもよい。
以上の説明は、以下に付記する実施態様を含む。
(付記1)
基材と、前記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記基材は、すくい面と、逃げ面と、前記すくい面及び前記逃げ面を繋ぐ刃先部とを含み、
前記被膜は、TiCN層を含み、
前記すくい面における領域であって、前記すくい面と前記逃げ面とが交差してなる稜線と、前記稜線から500μm離れた仮想線D1とに挟まれた領域d1において、前記TiCN層が(311)配向であり、
前記逃げ面における領域であって、前記稜線と、前記稜線から500μm離れた仮想線D2とに挟まれた領域d2において、前記TiCN層が(422)配向である、表面被覆切削工具。
<基材の準備>
まず、基材準備工程として、被膜で被覆する基材K、基材L及び基材Mを準備した。具体的には、表1に記載の配合組成(質量%)からなる原料粉末を、市販のアトライターを用いて均一に混合して混合粉末を得た。
TiCN層被覆工程として、基材K、基材L及び基材Mの表面上(すくい面及び逃げ面を含む。)に表2に示す組成のガスを用いてCVD法によってTiCN層を、表4に示すとおりの厚さで被覆した。表2中「ガス組成(体積%)」の欄において、H2ガスが「残り」であるとは、H2ガスが反応ガス組成(体積%)の残部を占めることを示す。
反応容器内温度:1000℃
反応容器内圧力:6.7kPa
総ガス流量 :56.3L/min
さらに、ピーニング処理工程として切削工具のすくい面において被覆された上記被膜に対し、表3に示すピーニング条件によって表面側からピーニング処理を行ない、上記すくい面におけるTiCN層の配向性を変化させた。ピーニング処理は、投射する際に上記メディアに加わる圧力(以下、「投射圧」という場合がある。)0.3MPa、メディアを投射する投射部とすくい面等の表面との距離(以下、「投射距離」という場合がある。)100mm、処理時間10〜30秒の条件で、TiCN層上に設けられたAl2O3層に対してメディアを投射することで行った。
上記のようにして作製した試料No.1〜19の切削工具を用いて、各切削工具のすくい面及び逃げ面それぞれにおける各配向面の配向性指数を測定した。測定は以下の条件で行った。測定は、領域d1(又はd2)を3点測定することで行い(例えば、図7)、それらの平均値をすくい面の領域d1及び逃げ面の領域d2それぞれの配向性指数として算出した(図8、すくい面;図9、逃げ面)。また、(422)配向性指数及び(311)配向性指数に着目した結果を表5に示す。
X線出力 45kV,200mA
X線源、波長 CuKα、1.541862Å
検出器 D/teX Ultra 250
スキャン軸 2θ/θ
長手制限スリット幅 2.0mm
スキャンモード CONTINUOUS
スキャンスピード 20°/min
上記のようにして作製した試料No.1〜19の切削工具を用いて、以下の2種の切削試験を行った。
試料No.1〜19の切削工具について、以下の切削条件により切削工具が欠損するまでの切削時間を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。その結果を表6に示す。切削時間が長いほど耐欠損性に優れる切削工具として評価することができる。
被削材 :SCM435溝材
周速 : 200m/min
送り速度: 0.2mm/rev
切込み量: 1.0mm
切削液 : 有り
試料No.1〜19の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.2mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表7に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として、長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。
被削材 :S50C 丸棒
周速 : 250m/min
送り速度: 0.15mm/rev
切込み量: 1.0mm
切削液 : 有り
Claims (11)
- 基材と、前記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記基材は、すくい面と、逃げ面と、を含み、
前記被膜は、TiCN層を含み、
前記すくい面における領域d1において、前記TiCN層が(311)配向であり、
前記逃げ面における領域d2において、前記TiCN層が(422)配向であり、
前記すくい面と前記逃げ面とが刃先面を介して繋がっている場合は、前記領域d1は、前記すくい面を延長した面と前記逃げ面を延長した面とが交差してなる仮想稜線から前記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、前記すくい面と前記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、かつ、前記領域d2は、前記仮想稜線から前記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、前記逃げ面と前記刃先面との境界線と、で挟まれた領域であり、
前記すくい面と前記逃げ面とが稜線を介して繋がっている場合は、前記領域d1は、前記稜線から前記すくい面上で500μm離れた仮想線D1と、前記稜線と、で挟まれた領域であり、かつ、前記領域d2は、前記稜線から前記逃げ面上で500μm離れた仮想線D2と、前記稜線と、で挟まれた領域である、表面被覆切削工具。 - 前記TiCN層が(311)配向であるとは、以下の式(1)で定義される配向性指数TC(hkl)のうち、前記TiCN層における(311)面の配向性指数TC(311)が、他の結晶配向面の配向性指数に比較して最も大きいことを意味し、
前記TiCN層が(422)配向であるとは、以下の式(1)で定義される配向性指数TC(hkl)のうち、前記TiCN層における(422)面の配向性指数TC(422)が、他の結晶配向面の配向性指数に比較して最も大きいことを意味する、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
(式(1)中、I(hkl)及びI(hxkylz)は、それぞれ測定された(hkl)面の回折強度、測定された(hxkylz)面の回折強度を示し、
Io(hkl)及びIo(hxkylz)は、それぞれJCPDSデータベースによる(hkl)面のTiCとTiNとの粉末回折強度の平均値、及びJCPDSデータベースによる(hxkylz)面のTiCとTiNとの粉末回折強度の平均値を示し、
(hkl)及び(hxkylz)は、それぞれ(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(331)面、(420)面、(422)面及び(511)面の8面のいずれかを示す。) - 前記すくい面の領域d1における(422)配向性指数に対する(311)配向性指数の比TCrake(311)/TCrake(422)は、1より大きい、請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記逃げ面の領域d2における(422)配向性指数に対する前記すくい面の領域d1における(422)配向性指数の比TCrake(422)/TCflank(422)は、1以下である、請求項2又は請求項3に記載の表面被覆切削工具。
- 前記TiCN層は、その厚さが6μm以上10μm以下である、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、cBN焼結体及びダイヤモンド焼結体からなる群から選ばれる1種を含む、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材が超硬合金である場合、前記基材は、前記基材の全質量に対して7質量%以上12質量%以下のコバルトを含む、請求項6に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、前記TiCN層の上に形成されているAl2O3層を更に含む、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記Al2O3層は、その厚さが0.5μm以上4μm以下である、請求項8に記載の表面被覆切削工具。
- 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する、基材準備工程と、
前記すくい面の少なくとも一部と、前記逃げ面の少なくとも一部とを前記TiCN層で被覆する、TiCN層被覆工程と、
前記すくい面における前記TiCN層をピーニング処理する、ピーニング処理工程とを含み、
前記TiCN層被覆工程は、化学気相蒸着法により実行され、前記TiCN層の原料ガスを不連続に供給することを含む、
製造方法。 - 前記被膜は、前記TiCN層の上に形成されているAl2O3層を更に含み、
前記製造方法は、前記TiCN層被覆工程又は前記ピーニング処理工程の後に、前記TiCN層の上に前記Al2O3層を積層する、Al2O3層積層工程を更に含む、請求項10に記載の製造方法。
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