JP6866971B2 - 切削工具及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記被膜は、前記基材側に設けられた第1層と、前記第1層の上に設けられた第2層とを有し、
前記第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、
前記第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなる、切削工具である。
本開示の他の一態様に係る切削工具の製造方法は、上記の切削工具の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
前記基材上に化学気相合成法により被膜を形成する工程とを備え、
前記被膜を形成する工程は、第1層を形成する工程及び第2層を形成する工程を含み、
前記第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、
前記第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなり、
前記第2層を形成する工程は、TiCl4ガス、H2Sガス及びAr−H2Oガスを含む混合ガスを用いて、750℃以上850℃以下の成膜温度で行われる、切削工具の製造方法である。
しかし、κ-Al2O3は熱的安定性が不十分であり、加工時に工具の刃先温度が高温になると、α-Al2O3へ相転移する。この場合、Al2O3層全体の体積が膨張するため、亀裂が発生する。この亀裂を基点に膜破壊が発生するため、膜強度が低下し、工具刃先のチッピングが生じやすく、工具寿命が低下する傾向がある。
[本開示の効果]
上記態様によれば、切削工具は、高能率加工や乾式加工に用いた場合においても、優れた工具寿命を有することが可能となる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
前記被膜は、前記基材側に設けられた第1層と、前記第1層の上に設けられた第2層とを有し、
前記第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、
前記第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなる、切削工具である。
上記態様によれば、切削工具は、高能率加工や乾式加工に用いた場合においても、優れた工具寿命を有することが可能となる。
(10)前記xは0.75≦x<0.95を満たすことが好ましい。これによると、切削工具の諸特性のうち、耐摩耗性が向上する。
基材を準備する工程と、
前記基材上に化学気相合成法により被膜を形成する工程とを備え、
前記被膜を形成する工程は、第1層を形成する工程及び第2層を形成する工程を含み、
前記第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、
前記第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなり、
前記第2層を形成する工程は、TiCl4ガス、H2Sガス及びAr−H2Oガスを含む混合ガスを用いて、750℃以上850℃以下の成膜温度で行われる、切削工具の製造方法である。
上記態様によれば、高能率加工や乾式加工に用いた場合においても、優れた工具寿命を有する切削工具を製造することが可能となる。
本開示の一実施形態に係る切削工具及びその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
図1及び図2に示されるように、本実施形態に係る切削工具10は、基材1と該基材1の上に設けられた被膜2とを備える。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり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開示の範囲を逸脱するものではない。
基材1は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。例えば、超硬合金(例えば、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)、サーメット(TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化ホウ素焼結体またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
被膜2は、基材1側に設けられた第1層4と、第1層4の上に設けられた第2層6とを有する。被膜2は、第1層4及び第2層6以外の他の層を含むことができる。他の層としては、例えば、基材1と第1層4との間に配置される下地層3、第1層4と第2層6との間に配置される第3層5、第2層6の上に配置される表面層(図示せず)が挙げられる。
第1層4は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなる。ここで、xは0.7≦x<1を満たす。AlxTi1−xの窒化物は、AlxTi1−xNと示され、AlxTi1−xの炭窒化物はAlxTi1−xCNと示される。第1層4は、AlxTi1−xCaNb(0.7≦x<1、0≦a<0.25、0.75≦b<1.5を満たす。)で示される化合物のみからなることが好ましい。
第2層6は、α−Al2O3(結晶構造がα型である酸化アルミニウム)と、κ−Al2O3(結晶構造がκ型である酸化アルミニウム)と、TiSy(硫化チタン)と、を含む複合化合物のみからなる。ここで、yは1.0≦y≦2.0を満たす。第2層がα−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなることにより、本実施形態に係る切削工具は、高能率加工や乾式加工に用いた場合においても、優れた耐摩耗性や耐欠損性を有し、長い工具寿命を達成できる。その理由は明らかではないが、下記(a)〜(e)の通りと推察される。
切削工具を、第2層において、第2層の表面側からの深さ(第2層より表面側に他の層(例えば表面層)が設けられている場合は、第2層と該他の層との界面からの深さ)0.5μmで、かつ、被膜の表面に対して平行な方向にワイヤー放電加工機を用いて切り出し、露出した断面を、平均粒径3μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨する。被膜の表面に凹凸がある場合は、該表面を平面となるまで研磨し、該平面に対して平行な方向に切り出し、露出した断面を、平均粒径3μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨する。切削工具の最表面が第2層の場合は、切り出しを行わずに、第2層の表面を平均粒径3μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨する。
下記の機器を用いて、下記の条件で、各測定視野を撮像する。
レンズ:カールツァイス社製「EC Epiplan 100x/0.85 HD M27」(製品名)
撮像条件:time:700ms,intensity:80%,gamma:0.45。
上記(b)で撮像された画像に対して、下記の画像処理ソフトを用いて、下記の手順に従い二値化処理を施す。
処理手順:
1.ヒストグラム平均輝度補正(補正基準値128)
2.バックグラウンド除去(物体サイズ30μm)
3.単一閾値による二値化(閾値100)
4.輝度反転。
上記(c)で得られた画像において、明視野はTiSyに該当し、暗視野はAl2O3に該当する。従って、測定視野(第2層)全体の面積に占める明視野に由来する画素(TiSyに由来する画素)の面積比率を算出することにより、第2層におけるTiSyの面積比率を得ることができる。
被膜2は、第1層4及び第2層6に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、例えば、基材1と第1層4との間に配置される下地層3、第1層4と第2層6との間に配置される第3層5、第2層6の上に配置される表面層(図示せず)が挙げられる。
下地層3は、基材1と第1層4との間に配置されることにより、被膜中における第1層の密着性を高め、基材と被膜との密着性を高めることができる。下地層は、例えば、TiN層、TiCN層、TiCNO層、TiBN層等を用いることができる。下地層は1層からなることができる。また、複数の層からなることもできる。下地層は、公知の方法により形成可能である。
第3層5は、第1層4と第2層6との間に配置されることにより、第2層6の結晶成長を促進することができる。第3層は、例えば、TiCN層、TiCNO等を用いることができる。中でも、第3層としてTiCN層を用いると、α−Al2O3層及びκ−Al2O3層を形成するための前処理工程が短時間で可能になるため、第2層の結晶成長がより促進されるため好ましい。第3層は1層からなることができる。また、複数の層からなることもできる。
表面層(図示せず)は、被膜2において表面側に配置される層である。表面層は、例えば、第2層6の直上に配置される。表面層は、例えば、Tiの炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする化合物からなることができる。ここで、「Tiの炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする」とは、Tiの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかを90質量%以上含むことを意味する。さらに、好ましくは不可避不純物を除きTiの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかからなることを意味する。表面層は1層からなることができる。また、複数の層からなることもできる。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記の切削工具の製造方法であって、基材を準備する工程と、基材上に化学気相合成法により被膜を形成する工程とを備え、被膜を形成する工程は、第1層を形成する工程及び第2層を形成する工程を含み、第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなり、第2層を形成する工程は、TiCl4ガス、H2Sガス及びAr−H2Oガスを含む混合ガスを用いて、750℃以上850℃以下の成膜温度で行われる。ここで、前記xは0.7≦x<1を満たし、前記yは1.0≦y≦2.0を満たす。これにより、上記の構成および効果を有する切削工具を製造することができる。
まず、基材1を準備する。基材は、市販のものを用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。例えば、基材として超硬合金基材を一般的な粉末冶金法で製造する場合、ボールミルなどによってWC粉末とCo粉末などとを混合して混合粉末を得ることができる。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC−Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理などの所定の刃先加工を施すことにより、WC−Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものをいずれも準備可能である。
被膜を形成する工程では、CVD装置100を用いたCVD法により、基材1上に被膜を形成する。被膜を形成する工程は、第1層を形成する工程及び第2層を形成する工程を含む。
まずCVD装置100の反応容器22内に、基材1として任意の形状のチップを基材保持治具21に装着する。続いて調温装置23を使って基材保持治具21に設置した基材1の温度を680〜780℃に上昇させる。さらに反応容器22の内部の圧力を0.1〜3.0kPaとする。
次に、基材の温度を750℃以上850℃以下に調節する。これは、第2層の形成時の反応雰囲気の温度(以下、成膜温度とも記す。)が750℃以上850℃以下であることを意味する。成膜温度が750℃未満であると、十分な成膜速度が得られない可能性がある。一方、成膜温度が850℃を超えると、第1層を構成するAlTiN又はAlTiCNが熱分解するおそれがある。成膜温度は770℃以上830℃以下が好ましく、780℃以上820℃以下がより好ましい。
2AlCl3+3H2O→Al2O3+6HCl (2)
上記反応式(1)において、反応中間体であるH2Oの生成反応は800℃でΔG=0kJと熱力学的に計算される。このため、十分なAl2O3の生成速度を確保するためには、約1000℃の温度が必要である。
10AlCl3+3Ti3O5+1.5H2→5Al2O3+9TiCl3+3HCl (2’)
反応式(1’)及び反応式(2’)で示される反応経路では、反応中間体はH2Oではなく、Ti3O5である。Ti3O5の生成反応(1’)は50℃付近でΔG=0kJと熱力学的に計算される。また、Al2O3の生成反応(2’)は850℃以下でΔGが負である。このため、該反応経路では、750〜800℃の低温において、十分なAl2O3の生成速度を確保することが可能である。なお、本実施形態において、750〜800℃の低温で生成されるAl2O3の結晶構造は、α−Al2O3及びκ−Al2O3である。
<基材の調製>
基材Aおよび基材B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均一に混合した。なお表1中の「残り」とは、WCが配合組成(質量%)の残部を占めることを示す。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1500℃で1〜2時間焼結することにより、超硬合金からなる基材A(形状:CNMG120408NGU)および基材B(形状:SEMT13T3AGSR−G)を得た。これらの形状は、いずれも住友電工ハードメタル株式会社製の製品と同一である。
基材A又は基材BをCVD装置内にセットし、その表面にそれぞれCVD法で被膜を形成した。
第2層の成膜は、図4に示されるような公知のCVD装置を用い、表3に示される成膜条件a〜e、k、l、mのいずれかの条件で行なった。各成膜条件は、前処理工程、核生成工程及び核成長工程を含む。
表3に示す成膜条件a〜e、k、l、mのそれぞれにより得られた第2層について、第2層の組成、TiSyの面積比率の測定、膜硬度の測定、及び、高温摺動試験を行った。
成膜条件a〜e、k、l、mにより得られた各試験用サンプルにおいて、第2層の組成を、SEM又はTEM付帯の電子線回折付帯のEDX装置により分析した。
TiSyの面積比率を以下の(a)〜(d)の手順に従い算出した。
成膜条件a〜e、k、l、mのそれぞれにより得られた第2層の表面を平均粒径3μmのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨する。
下記の機器を用いて、下記の条件で、各測定視野を撮像する。
レンズ:カールツァイス社製「EC Epiplan 100x/0.85 HD M27」(製品名)
撮像条件:time:700ms,intensity:80%,gamma:0.45。
上記(b)で撮像された画像に対して、下記の画像処理ソフトを用いて、下記の手順に従い二値化処理を施す。
処理手順:
1.ヒストグラム平均輝度補正(補正基準値128)
2.バックグラウンド除去(物体サイズ30μm)
3.単一閾値による二値化(閾値100)
4.輝度反転。
上記(c)で得られた画像から、測定視野(第2層)の面積に占める明視野に由来する画素(TiSyに由来する画素)の面積比率、すなわち、測定視野におけるTiSyの面積比率を計算する。
成膜条件a〜e、k、l、mのそれぞれにより得られた第2層の膜硬度をナノインデンテーション法で測定する。測定は、ISO14577に準拠した方法で行い、測定荷重は10mNとする。測定機器はナノインデンテーション硬度計(ENT1100a;Elionix社製)を用いて行う。
成膜条件a〜e、k、l、mのそれぞれにより得られた第2層の表面摩擦係数を、ボール・オン・ディスク構造の高温トライボメータ(スイス、CMS Instruments社製)を用いて測定した。ボール・オン・ディスク試験は、AISI:316ボール(6mmψ)、滑り速度25cm/s、滑り半径5mm、荷重1N、温度700℃、湿度25%の雰囲気下で行った。ボールの接触界面と摩擦コーティングとの間の酸化トライボフィルムの形成を抑制するために、全滑り時間は1分まで低減した。これは滑り距離15mに相当する(約480周)。コーティングの表面粗さ及び摩耗痕跡を3Dレーザマイクロスコープ(VK−8710、キーエンス社製)及び電子線マイクロアナライザ(EPMA)でそれぞれ調べた。
<切削工具の作製>
基材Aまたは基材Bを、上記のような方法で形成した被膜により被覆し、表4に示す通りの試料1〜試料16の切削工具を作製した。試料1〜試料5、試料9〜試料13は実施例であり、試料6〜試料8、試料14〜試料16は比較例である。
試料1〜試料8の切削工具について、下記の切削条件で切削試験を行い、耐摩耗性を評価した。耐摩耗性の評価においては、上述の切削工具をそれぞれNC旋盤にセットし、被削材の切削を開始したときから、逃げ面摩耗幅Vbが0.2mmを超えるまでの時間を評価した。この時間が長いほど耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いと評価することができる。結果を表5に示す。
被削材:SCM415(硬度HV200)
周速:300m/min
送り:0.2mm/rev
切込み:1.5mm
切削液:なし
評価:逃げ面摩耗幅Vbが0.2mmを超えるまでの時間。
試料1〜試料5の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がα−Al2O3と、κ−Al2O33と、TiSy3と、を含む複合化合物のみからなる。試料6の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がα−Al2O3を含み、TiSyを含まない。試料7の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がκ−Al2O3を含み、TiSyを含まない。試料8の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がα−Al2O3及びκ−Al2O3を含み、TiSyを含まない。
試料9〜試料16の切削工具からなるフライス加工用刃先交換型切削チップをカッタ(形状:「WGX13100R」、住友電工ハードメタル株式会社製)に取り付け、下記の切削条件下で切削試験を行い、耐摩耗性を評価した。耐摩耗性の評価においては、被削材の切削を開始したときから、逃げ面摩耗幅Vbが0.2mmを超えるまでの時間を評価した。この時間が長いほど耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いと評価することができる。結果を表6に示す。
被削材:SCM435(硬度HV280)
周速:250m/min
一刃当り送り(fz):0.2mm/t
切削幅(ae):80mm
切込み深さ(ap):1.0mm
切削液:なし
評価:逃げ面摩耗幅Vbが0.2mmを超えるまでの時間。
試料9〜試料13の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がα−Al2O33と、κ−Al2O33と、TiSy3と、を含む複合化合物のみからなる。試料14の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がα−Al2O3を含み、TiSyを含まない。試料15の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がκ−Al2O3を含み、TiSyを含まない。試料16の切削工具は、第1層がAl0.8Ti0.2N層のみからなり、第2層がα−Al2O3及びκ−Al2O3を含み、TiSyを含まない。
Claims (17)
- 基材と、前記基材の上に設けられた被膜とを備えた切削工具であって、
前記被膜は、前記基材側に設けられた第1層と、前記第1層の上に設けられた第2層とを有し、
前記第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、
前記第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなる、切削工具。
ここで、前記xは0.7≦x<1を満たし、前記yは1.4≦y≦1.8を満たす。 - 前記TiSyは、板状構造を有し、前記α−Al2O3及び前記κ−Al2O3中に分散している、請求項1に記載の切削工具。
- 前記第2層は、前記被膜の表面に平行な断面において、前記TiSyの面積比率が0.5%以上20%以下である、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。
- 前記TiSyの面積比率は1%以上15%以下である、請求項3に記載の切削工具。
- 前記TiSyの面積比率は2%以上10%以下である、請求項3又は請求項4に記載の切削工具。
- 前記第2層は、0.5μm以上5μm以下の厚みを有する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記被膜は、3μm以上30μm以下の厚みを有する、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記被膜は、前記第1層及び前記第2層の間に第3層を有し、
前記第3層はTiCNのみからなる、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の切削工具。 - 前記第1層は、AlxTi1−xCaNbで示される化合物のみからなる、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の切削工具。
ここで、前記xは0.7≦x<1を満たし、前記aは0≦a<0.25を満たし、前記bは0.75≦b<1.5を満たす。 - 前記xは0.75≦x<0.95を満たす、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記xは0.8≦x<0.9を満たす、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記aは0≦a<0.1を満たす、請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記aは0≦a<0.05を満たす、請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記bは0.8≦b<1.2を満たす、請求項9から請求項13のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記bは0.9≦b<1.1を満たす、請求項9から請求項14のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記被膜は、前記基材と前記第1層との間に配置される下地層を含む、請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の切削工具。
- 請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の切削工具の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
前記基材上に化学気相合成法により被膜を形成する工程とを備え、
前記被膜を形成する工程は、第1層を形成する工程及び第2層を形成する工程を含み、
前記第1層は、AlxTi1−xの窒化物又は炭窒化物のみからなり、
前記第2層は、α−Al2O3と、κ−Al2O3と、TiSyと、を含む複合化合物のみからなり、
前記第2層を形成する工程は、TiCl4ガス、H2Sガス及びAr−H2Oガスを含む混合ガスを用いて、750℃以上850℃以下の成膜温度で行われる、切削工具の製造方法。
ここで、前記xは0.7≦x<1を満たし、前記yは1.4≦y≦1.8を満たす。
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