JP6690102B2 - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents
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Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す)についてさらに詳細に説明する。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。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面とを有している。表面被覆切削工具においてすくい面とは、切削加工時において主として被削材の切り屑と接する面をいう。たとえば、図1の説明図において、表面被覆切削工具の上面および底面がすくい面となる。逃げ面とは、主として加工面(被削材を切削することにより新たに形成される面)に対向する面をいう。たとえば、図1の説明図において、表面被覆切削工具の側面が逃げ面となる。本実施形態においてすくい面および逃げ面の境界は、後述する表面処理がなされ、工具刃先部が形成される。この工具刃先部は、表面被覆切削工具において通常、切れ刃(以下、単に「刃先」とも記す場合もある)となる部分である。
被膜は、複数の酸化アルミニウム(以下、「Al2O3」と記すこともある)の結晶粒(多結晶)を含む酸化アルミニウム層を含む。
α−Al2O3層(酸化アルミニウム層)は、すくい面上のA領域と、逃げ面上のB領域とからなる第1領域を含む。さらに、すくい面においてA領域を除いた領域である第2領域を含む。α−Al2O3層は、逃げ面においてB領域を除いた領域である第3領域も含む。ここで、A領域は、すくい面と逃げ面とを仮想的に延長させたときにこれらが交差して形成される刃先稜線としたとき、すくい面において、刃先稜線に沿って刃先稜線から1mm離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域である。B領域は逃げ面において、刃先稜線に沿って刃先稜線から1mm離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域である。したがって、第1領域には、刃先稜線を含むものとし、刃先稜線の交点(以下、「コーナー」とも記す)、上記仮想線の交点、および刃先稜線と仮想線とが交わる交点も含まれるものとする。第2領域および第3領域に刃先稜線は含まれない。
α−Al2O3層(酸化アルミニウム層)は、配向性指数TC(hkl)においてTC(006)の第1領域における平均値がaであり、TC(006)の第2領域における平均値がbであるとき、b−a>0.5の関係を満たす。これにより、α−Al2O3層における高い(001)配向に基づいた優れた耐摩耗性を維持しながら、刃先部分のみ(001)配向の高さを比較的低く制御することにより、刃先の突発的なチッピングを抑制することができる。
第2領域は、すくい面に形成されるが、該すくい面の表面に凹凸が存在して配向性指数TC(hkl)を測定することが困難であるケースがあり得る。この場合であっても、α−Al2O3層(酸化アルミニウム層)は、TC(006)の第3領域における平均値をbとしたとき、TC(006)の第1領域における平均値であるaに対して、b−a>0.5の関係を満たす。これにより、α−Al2O3層における高い(001)配向に基づいた優れた耐摩耗性を維持しながら、刃先部分のみ(001)配向の高さを比較的低く制御することにより、刃先の突発的なチッピングを抑制することができる。
管電圧: 45kV
管電流: 200mA
X線回折法: θ−2θ法
X線照射範囲: ピンホールコリメーターを使用し、直径0.3mm程度の範囲にX線を照射。
被膜は、上述した酸化アルミニウム層が1層からなる単層構造であってもよく、酸化アルミニウム層と他の層とから2層以上が積層された積層構造であってもよい。被膜は、上述のとおり基材の表面の一部(たとえば刃先面)に形成されていてもよいし、全面に形成されていてもよい。
加速電圧: 6kV
照射角度: 基材のすくい面の法線から0−5°
照射時間: 6時間。
基材は、表面を有する。該表面は、すくい面と、逃げ面と、このすくい面およびこの逃げ面を繋ぐ刃先面とを含む。すなわち、基材の表面に含まれるすくい面とは、表面被覆切削工具におけるすくい面に対応する基材上の面をいう。基材の表面に含まれる逃げ面とは、表面被覆切削工具における逃げ面に対応する基材上の面をいう。基材の表面に含まれる刃先面は、上述のとおりである。この刃先面は、後述するように円弧面の形状、平面の形状、平面と円弧面とが混在する形状、またはシャープエッジの形状を有する場合がある。すなわち、基材の表面に含まれる刃先面は、表面被覆切削工具における工具刃先部に対応する基材上の面となる。以下、基材に含まれる刃先面について図2〜4を用いてさらに説明する。
基材は、刃先面から0.4μmの深さ位置において1原子%以下の酸素濃度を有している。酸素濃度はX線光電子分光法(XPS:X−Ray Photoelectron Spectroscopy)を適用可能なXPS分析装置を用いて測定することができる。
(a)表面被覆切削工具用の基材の刃先面には、意図しない酸素原子が入り込んでおり、かつその酸素原子に由来する酸素濃度は、刃先面近傍において最も高く、基材の内部に向かうに連れて減少していること;
(b)刃先面近傍の酸素濃度が高いほど、基材の内部深くまで酸素原子が入り込んでいる傾向があること;
(c)刃先面から基材の内部深くにまで酸素原子が入り込んでいる基材においては、刃先面から内部に向かって亀裂が伝播し易く、かつ基材を構成する硬質粒子が脱落し易い傾向があること。
本実施形態において、刃先面は、0.07以下の歪を有することが好ましい。刃先面における歪は、X線回折法に基づいたX線の回折角(2θ)と回折強度との基材における回折プロファイルに基づいて求めることができる。このときに用いるX線は、放射光のような高輝度のものが高精度に測定できる点で好ましい。
β=βsize+βstrain・・・(1)。
βsize=λ/(εcosθ0)・・・(2)
βstrain=ηtanθ0・・・(3)
βcosθ0/λ=1/ε+ηsinθ0/λ・・・(4)。
基材の組成は、超硬合金またはサーメットである。超硬合金としては、WC基超硬合金(WCのほか、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nbなどの炭窒化物を添加したものも含む)が挙げられる。サーメットとしては、TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするものが挙げられ、なかでも、TiCN基サーメットが好ましい。本実施形態において、基材の材料は酸素原子を意図的に含まない組成を有することが好ましい。
本実施形態において、基材は硬質粒子を含み、該硬質粒子の粒径が0.5μm以上であることが好ましい。
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を製造する方法であって、基材前駆体を準備する工程と、基材前駆体の表面に対し機械加工処理を施して刃先面を形成することにより、基材を準備する工程と、基材上に被膜を形成する工程と、被膜において第1領域に対応する部分に表面処理を行なう工程とを含む。これにより、優れた耐摩耗性を維持しつつ、剥離、チッピングなどを含めた被膜の欠損に対する抵抗性を高めた表面被覆切削工具を製造することができる。
本工程では、基材前駆体が準備される。基材前駆体としては、上述の超硬合金またはサーメットを挙げることができる。基材前駆体の形状は、上述のとおりであるので、刃先面を未だ有していない以外は、基材の形状に類似している。
本工程では、基材前駆体の表面が機械加工処理される。機械加工処理は、湿式研削処理と乾式研削処理とが交互に繰り返される第1研削処理、低送り低切込みの湿式研削処理が実施される第2研削処理、または、乾式研削処理が実施される第3研削処理のいずれかである。これにより、本開示の表面被覆切削工具に用いる基材を作製することができる。
第1研削処理における湿式研削処理(処理時に水を使用する処理)としては、湿式ブラシ処理、湿式バレル処理、湿式ブラスト処理が挙げられる。この湿式研削処理の条件は特に限定されず、たとえば高送り高切込みでもよく、低送り低切込みでもよいが、生産性の観点からは、高送り高切込みであることが好ましい。本明細書において、湿式研削処理における低送り低切込みとは、研削処理の種類によって異なるが、たとえば湿式ブラシ処理の場合には、送り量が200mm/sec以下であり、かつ切り込み量が1.5mm以下であることを意味する。さらに湿式研削処理における高送り高切込みとは、たとえば湿式ブラシ処理の場合、送り量が300mm/sec以上であり、かつ切り込み量が3mm以上であることを意味する。
第2研削処理における低送り低切込みの湿式研削処理としては、第1研削処理と同様に、湿式ブラシ処理、湿式バレル処理、湿式ブラスト処理が挙げられる。第2研削処理により、従来の高送り高切込みの湿式研削処理による基材内への酸素の入り込みが抑制されるため、上述の酸素濃度の低い切削工具を製造することができる。
第3研削処理における乾式研削処理としては、第1研削処理と同様に、乾式ブラシ処理、乾式バレル処理、乾式ブラスト処理が挙げられる。第3研削処理における乾式研削処理の条件は特に限定されず、たとえば高送り高切込みであってもよく、低送り低切込みであってもよい。生産性の観点からは、高送り高切込みであることが好ましい。第3研削処理により、従来の高送り高切込みの湿式研削処理による基材内への酸素の入り込みが抑制されるため、上述の酸素濃度の低い切削工具を製造することができる。
本実施形態では、基材上に被膜を、化学気相蒸着(CVD)法により形成することが好適である。CVD法を用いると、成膜温度が800〜1200℃であって物理蒸着法よりも高いため、物理蒸着法を用いた場合と比べて基材と被膜との密着性が向上する効果が得られる。被膜のうち、酸化アルミニウム層以外の他の層が形成される場合、それらの層は従来公知の条件で形成することができる。
本実施形態は、被膜において第1領域に対応する部分に表面処理を行なう工程を含む。特に、表面処理は、ブラシ処理またはブラスト処理を少なくとも含むことが好ましい。これにより、酸化アルミニウム層の結晶粒が備える優れた耐摩耗性を維持しながら、刃先の突発的なチッピングを抑制することができる表面被覆切削工具を有利に製造することができる。
以下のようにして、試料No.1の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。試料No.1の表面被覆切削工具は以下の仕様の基材からなる。
チップ型番:CNMG120408N−UX(住友電工ハードメタル株式会社製)
材質:超硬合金 JIS B4120(2013)規格。
まず、2.0質量%のNbCと、6質量%のCoと、残部のWC(ただし、不可避不純物を含む)とからなる組成比で配合した原料粉末を、所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1500℃で1〜2時間焼結した。これにより基材前駆体を得た。
処理種類:バレル処理
メディア:プラスチック
処理液 :水
時間 :15分。
処理種類:ブラシ処理
ブラシ :ナイロン
回転数 :100rpm
切込み :0.8mm
送り量 :120mm/sec
処理液 :無
時間 :1分
ペースト:平均粒径10μm以下のダイヤモンドペースト
(ただし、ペーストに含まれる液体成分は固形油脂)。
次にCVD装置を用い、表1に示す圧力、温度および混合ガス組成の条件下で試料No.1の基材の表面全面に被膜を作製した。具体的には、基材の表面から順に、0.3μmの厚みのTiN層、8μmの厚みのTiCN層、5.5μmの厚みのα−Al2O3層、0.7μmの厚みのTiN層を積層することにより被膜を作製した。表1中、「MT−TiCN」とは、850〜950℃というCVD法の中では比較的マイルドな温度環境下でTiCN膜を成膜したことを意味する。
次に、試料No.1の基材の表面に形成された被膜の第1領域に対応する部分に対し、以下の表面処理(ウエットブラスト処理)を施した。すなわち、表面に被膜が形成されている基材を、60rpmの速度ですくい面の貫通孔を軸中心として回転させながら、粒径70μmのセラミック(酸化アルミニウム)砥粒を、すくい面を含む仮想平面と、逃げ面を含む仮想平面との仮想稜線から45°方向に配置した投射ノズルの先端から与え、ウエットブラスト処理を施した。このときのセラミック砥粒の投射圧は0.10MPa、投射時間は5〜10秒、濃度は10体積%(残部は水を主成分とする溶媒)である。さらに、投射ノズルと基材上の刃先面との投射距離を10mmとし、投射ノズルと基材上のノーズRとの投射距離を15mmとした。これにより、試料No.1の表面被覆切削工具を作製した。
以下のようにして、試料No.2の表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。試料No.2の表面被覆切削工具は以下の仕様の基材からなる。
チップ型番:CNMG120408N−UX(住友電工ハードメタル株式会社製)
材質:P20グレードサーメット。
まず、7質量%のNbCと、7質量%のMo2Cと、10質量%のCoと、5質量%のNiと、20質量%のWCと、残部のTiCN(ただし、不可避不純物を含む)とからなる組成比で配合した原料粉末を、所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1650℃で1〜2時間焼結した。これにより基材前駆体を得た。次に、この基材前駆体に対し、試料No.1と同じ条件で機械加工処理を行った。このようにして、試料No.2の基材を作製した。
試料No.2の基材に対し、試料No.1の基材に対する被膜の形成条件と同じ条件下で被膜を形成し、かつ表面処理を施した。
試料No.3、4、5の表面被覆切削工具は、それぞれ基材前駆体に対する機械加工処理を変更した以外、具体的には、湿式研削処理および乾式研削処理の各処理時間および繰り返し回数を変更した以外、試料No.1と同じ方法により作製した。
試料No.6の表面被覆切削工具は、基材前駆体に対する機械加工処理を従来の湿式研削処理のみ行うことに変更した以外、試料No.1の表面被覆切削工具と同じ方法により作製した。
試料No.7の表面被覆切削工具は、基材前駆体に対する機械加工処理を従来の湿式研削処理のみ行うこと、ならびに基材の表面に形成された被膜の第1領域に表面処理を施さなかったこと以外、試料No.1の表面被覆切削工具と同じ方法により作製した。
試料No.8の表面被覆切削工具は、基材前駆体に対する機械加工処理を従来の湿式研削処理のみ行うこと、ならびに基材の表面に形成された被膜の第1領域に表面処理を施さなかったこと以外、試料No.2の表面被覆切削工具と同じ方法により作製した。
試料No.9の表面被覆切削工具は、基材の表面に形成された被膜の第1領域に表面処理を施さなかったこと以外、試料No.1の表面被覆切削工具と同じ方法により作製した。
<酸素濃度および歪の測定>
試料No.1〜9の表面被覆切削工具に対し、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度、および刃先面における歪(刃先面から1.5μmの深さ位置での歪)それぞれを、上述の方法に従って測定した。
XPS分析装置(酸素濃度の測定):商品名「JPS−9030」、日本電子株式会社製
X線装置(歪の測定) :施設名「SPring−8」、公益財団法人高輝度光科学研究センター。
ビームライン:BL16XU
入射X線エネルギー:10keV
入射角度:9.5°
走査範囲:2θで18°〜97°。
試料No.1〜9の表面被覆切削工具に対し、X線回折装置(商品名:「SmartLab(登録商標)3」、株式会社リガク製)を使用し、Cu−KαX線を用いたθ−2θ法によってα−Al2O3層の回折プロファイルを得た。管電圧は45kV、管電流は200mAとし、X線照射範囲はピンホールコリメーターを使用し、すくい面上の直径0.3mmの範囲にX線を照射した。
試料No.1〜9の表面被覆切削工具に対し、以下の切削条件で切削を実施した。具体的には、下記の被削材の切削を開始したときから、切削により工具表面が摩耗し、基材が露出した部分の最大幅が0.1mmを超えるまでの時間(分)を評価した。これらの試験結果も以下の表2に示す。この時間が長いほど耐摩耗性に優れていると評価することができる。
被削材:FC300
切削速度:500m/min.
送り量:0.3mm/rev.
切り込み量:2.0mm
切削液:水溶性切削油。
試料No.1〜9の表面被覆切削工具に対し、以下の切削条件下での切削を実施した。具体的には、下記の被削材の切削を開始したときから、切削により工具表面に被削材の溶着が起こるなどし、溶着した成分などとともに被膜が剥離または欠損するまでの時間(分)を測定した。各結果を表2に示す。被膜の剥離または欠損に至る時間を測定することにより、切削工具の耐欠損性を評価することができる。この時間が長いほど耐欠損性に優れていると評価することができる。
被削材:FCD450溝材
切削速度:200m/min.
送り量:0.3mm/rev.
切り込み量:1.5mm
切削液:水溶性切削油。
表2に示すように、試料No.1〜5は、b−a>0.5の関係を満たし、かつ刃先面から0.4μmの深さ位置において1原子%以下の酸素濃度を有するため、耐摩耗性試験および耐欠損性試験において良好な結果が得られた。特に、酸素濃度とともに、歪が十分に小さい試料No.1〜3は、より優れた耐欠損性を備えることがわかった。以上より、試料No.1〜5は、b−a>0.5の関係および上記の酸素濃度の少なくともいずれかを満たさない試料6〜9に比べ、耐摩耗性および耐欠損性に優れた表面被覆切削工具であることが理解される。
Claims (10)
- すくい面と、逃げ面とを有する表面被覆切削工具であって、
基材と該基材上に形成された被膜とを備え、
前記基材は、超硬合金またはサーメットであり、
前記基材は、表面を有し、
前記表面は、前記すくい面と、前記逃げ面と、前記すくい面および前記逃げ面を繋ぐ刃先面とを含み、
前記基材は、前記刃先面から0.4μmの深さ位置において1原子%以下の酸素濃度を有し、
前記被膜は、複数の酸化アルミニウムの結晶粒を含む酸化アルミニウム層を含み、
前記酸化アルミニウム層は、前記すくい面上のA領域と前記逃げ面上のB領域とからなる第1領域と、前記すくい面において前記A領域を除いた領域である第2領域と、前記逃げ面において前記B領域を除いた領域である第3領域とを含み、
前記A領域は、前記すくい面と前記逃げ面とを仮想的に延長させたときにこれらが交差して形成される線を刃先稜線としたとき、前記すくい面において前記刃先稜線に沿って前記刃先稜線から1mm離れた地点を通る仮想線と前記刃先稜線とで挟まれる領域であり、
前記B領域は、前記逃げ面において前記刃先稜線に沿って前記刃先稜線から1mm離れた地点を通る仮想線と前記刃先稜線とで挟まれる領域であり、
前記酸化アルミニウム層は、配向性指数TC(hkl)においてTC(006)の前記第1領域における平均値がaであり、前記TC(006)の前記第2領域または前記第3領域における平均値がbであるとき、b−a>0.5の関係を満たす、表面被覆切削工具。 - 前記aは、4<aの関係を満たす、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記酸化アルミニウム層は、α−Al2O3の結晶粒を主成分とするα−Al2O3層である請求項1または請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、前記刃先面から0.2μmの深さ位置において10原子%以下の酸素濃度を有する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記刃先面は、0.07以下の歪を有する、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記超硬合金は、コバルトが5〜7質量%であり、第1金属の炭化物が0.01〜3質量%であり、かつ炭化タングステンおよび不可避不純物が残部である組成を有し、
前記サーメットは、コバルトまたはニッケルが5〜25質量%であり、炭化タングステンが5〜40質量%であり、かつ第1金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれる少なくともいずれか、および不可避不純物が残部である組成を有し、
前記第1金属は、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる1種以上の金属である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、アルミニウムおよびケイ素からなる群より選ばれる1種以上の第1元素と、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる1種以上の第2元素とで構成される化合物層をさらに含む、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、化学蒸着膜である、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具を製造する方法であって、
基材前駆体を準備する工程と、
前記基材前駆体の表面に対し機械加工処理を施して前記刃先面を形成することにより、前記基材を準備する工程と、
前記基材上に前記被膜を形成する工程と、
前記被膜において前記第1領域に対応する部分に表面処理を行なう工程と、を含む、表面被覆切削工具の製造方法。 - 前記表面処理は、ブラシ処理またはブラスト処理を少なくとも含む、請求項9に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
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