JP6955549B2 - 切削インサート及びこれを備えた切削工具 - Google Patents

Description

本態様は、切削加工において用いられる切削インサートに関する。

被削材に転削加工及び旋削加工などの切削加工をする際に切削工具が用いられる。切削工具は、一般的に、ポケットを有するホルダと、このポケットに取り付けられた切削インサートとを備えている。切削インサートとしては、例えば特許文献１に記載のものが知られている、特許文献１に記載の切削インサートは、炭窒化チタンを含有する硬質相及びコバルト及びニッケルの少なくとも一方を含有する結合相を備えたサーメットによって構成されている。

近年、断続切削加工においても高能率で切削加工を行うことが可能な切削インサートが求められている。断続切削加工のような切削加工においては、切削インサートに加わる負荷が大きく、逃げ面でクラックが進展して切刃にチッピングが生じるおそれがある。これは、図８に示すように逃げ面において、結合相の中をクラックが容易に進展するからである。

国際公開２０１２／０８６８３９

一態様に基づく切削インサートは、第１面と、該第１面に隣接した第２面と、前記第１面及び前記第２面が交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃とを有する基体を具備している。また、前記第１面は、前記切刃に沿った第１領域を有し、前記第２面は、前記切刃に沿った第２領域を有している。基体は、炭窒化チタンを含有するとともに平均粒径が０．０５〜０．５μｍである第１相と、コバルト及びニッケルの少なくとも一方を含有する第２相とを有している。そして、前記第２領域は、前記第１相が凝集し、最大長さが２μｍ以上の凝集部を複数有している。

一実施形態の切削インサートを示す斜視図である。 図１に示す切削インサートにおけるＡ１−Ａ１断面の断面図である。 図１に示す切削インサートにおける第２面の拡大図である。 図３と同じ部分を示す拡大図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、凝集部の最大長さを示す模式図である。 図３に示す切削インサートの変形例における拡大図である。 一実施形態の切削工具を示す斜視図である。 比較例１の切削インサートにおける第２面の拡大図である。

以下、一実施形態の切削インサート１（以下、単にインサート１ともいう。）について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、インサート１は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１、２に示すように本開示のインサート１は、基体３を具備している。基体３は、四角板形状であって、四角形の第１面５（図１における上面）と、第１面５に隣接した第２面７（図１における側面）と、第１面５及び第２面７が交差する稜線の少なくとも一部に位置する切刃９とを有している。また、基体３の第１面５と下面とを上下に貫通する貫通孔１７を有している。

本実施形態の基体３においては、第１面５の外周の全体が切刃９となっていてもよい。インサート１はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、四角形の第１面５における１辺のみ、若しくは、部分的に切刃９を有するものであってもよい。

第１面５は、少なくとも一部にすくい面領域を有している。第１面５における切刃９に沿った第１領域５ａは少なくともすくい面領域である。第２面７は、少なくとも一部に逃げ面領域を有している。第２面７における切刃９に沿った第２領域７ａは少なくとも逃げ面領域である。言い換えれば、すくい面領域及び逃げ面領域が交差する部分に切刃９が位置している。

図１では、第１面５における第１領域５ａ及びそれ以外の領域の境界と、第２面７における第２領域７ａ及びそれ以外の領域の境界とを一点鎖線で示している。図１においては、第１面５及び第２面７が交差する稜線の全てが切刃９である例を示しているため、第１面５において切刃９に沿った環状の一点鎖線が示されている。

基体３の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、本実施形態においては、第１面５の一辺の長さが３〜２０ｍｍ程度に設定される。また、第１面５から第１面５の反対側に位置する面（図１における下面）までの高さは、例えば５〜２０ｍｍ程度に設定される。

なお、第１領域５ａの範囲は、インサート１の形態によって変わりうる。少なくとも、切刃９に沿って切刃９から１ｍｍ以内は第１領域５ａと判断する。また、第２領域７ａの範囲もインサート１の形態によって変わりうる。少なくとも、切刃９に沿って切刃９から１ｍｍ以内は第２領域７ａと判断する。

図３、４に、本開示のインサート１の第２領域７ａの拡大図を示す。本開示の基体３は、主成分として炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を含有するともに平均粒径が０．０５〜０．５μｍである第１相１１を有している。第１相１１は、一般的にサーメットにおける硬質相と呼ばれる相である。第１相１１は、主成分として炭窒化チタンを含有している。主成分とは、８０重量％以上含有していることを意味している。

また、基体３は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくとも一方を含有する第２相１３を有する。

第２相１３は、図３、４における、第１相１１以外の部分である。第２相１３は、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくとも一方を含有し、両者の合計量が８０質量％以上の結合相を含有している。また、第２相１３は、結合相以外にも、固溶体相を含有していてもよい。固溶体相は、例えば、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくとも一方を含有し、チタンと炭素と窒素を合量で２０〜６０質量％含有するものが挙げられる。

上記のように、結合相と固溶体相とを含有する場合には、両者を合わせて第２相１３と呼ぶ。本開示の図面においては、結合相と固溶体相とを合わせて、第２相１３として記載している。

なお、本実施形態における第１相１１の粒径の測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定すればよい。

第２相１３は、上述したように、一般的にサーメットにおける結合相と呼ばれる領域を含む。結合相は、第１相１１を接合する機能を有している。

なお、結合相はチタンを含有していてもよい。結合相がチタンを含有すると、チタンを含有する第１相１１と結合相との接合性がよい。

第１相１１の平均粒径は、０．０５〜０．５μｍである。第１相１１の平均粒径が０．０５μｍ以上であることによって、隣り合う第１相１１同士が第２相１３によって安定して結合される。また、第１相１１の平均粒径が０．５μｍ以下であることによって、基体３の強度が安定して高い。

さらに、本実施形態における第２領域７ａは、第１相１１が凝集した、最大長さが２μｍ以上の凝集部１５を複数有している。図３及び図４に示すように、凝集部１５は、基体３の断面視において、第１相１１が複数、具体的には１０個以上が凝集してなる構成であり、その最大長さが、第１相１１の平均粒径の４倍以上である２μｍ以上となっている。

図５は、凝集部１５の最大長さを説明する模式図であり、凝集部１５を構成する第１相１１を黒く表示している。凝集部１５の最大長さ１６とは、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、基体３の断面視において、凝集部１５の外周に接する最小外接円１６の直径のことである。つまり、図５（ａ）のように、第１相１１がまとまった場合でも、図５（ｂ）のように第１相１１が直線状に並んだ場合でも、前記５（ｃ）のように、第１相１１が蛇行するように並んだ場合でも、あるいは図５（ｄ）のように第１相１１が枝分かれするように凝集している場合でも、同じ基準で凝集部１５の最大長さ１６を測定することができる。

なお、図３は、第２領域７ａを拡大した拡大図であり、１０μｍ四方の範囲を示している。また、凝集部１５の領域を視覚的に分かり易くするため、図３における凝集部１５を黒くしたものを図４に示す。

図３及び図４に示すように、第２領域７ａが上記の凝集部１５を複数有していることから、仮に第２相１３においてクラックが発生した場合であっても、硬質相である第１相１１が凝集した凝集部１５においてクラックの進展を抑制できる。そのため、インサート１の耐久性を高めることができる。

なお、第１領域５ａ及び第２領域７ａにおける、第１相１１及び第２相１３は、それぞれの領域における基体３の表面から０．２ｍｍ研削加工を施し、鏡面加工を施した後、それぞれの断面を例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を撮影することによって確認することができる。また、第１領域５ａ及び第２領域７ａを被覆層が覆っている場合にも同様であるが、研削加工量は膜厚に０．２ｍｍを加算した量を研削すればよい。

基体３の断面視における第１相１１及び第２相１３の構成は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像によって確認することができる。各相における元素分析は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付属するエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）を用いたＳＥＭ−ＥＤＸ法によって評価することができる。また、各相を構成する含有成分の確認は、例えばＸ線回折（ＸＲＤ）法を用いることで評価できる。

第２領域７ａにおけるＴｉＣＮの塊が、１つの大きな第１相１１であるか、又は、複数の第１相１１が凝集してなる構成であるかは、例えば、ＳＥＭ、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像又は電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）法による画像を解析することによって判断できる。上記の塊が複数の第１相１１が凝集してなる構成である場合には、各第１相１１で結晶の方位性が異なるため、第１相１１同士の境界が上記の画像において視認できる。

図３に示すように、第２領域７ａが１０μｍ四方当たりに凝集部１５を複数有する程度に凝集部１５が存在している場合には、凝集部１５において安定してクラックの進展を抑制することができる。そのため、インサート１の耐久性をさらに高めることができる。

また、第２領域７ａは、複数、存在する第１相１１のうち半分以上が凝集部１５に属する構成である場合には、第１相１１における凝集部１５の面積比率が高いため、インサート１の耐久性がさらに高い。

凝集部１５の構成としては、図６に示すような構成であってもよい。図６においては、第２相１３に対する第１相１１の面積比率が高く、大きな凝集部１５が構成されている。ただし、図３に示すように、第２相１３に対する第１相１１の面積比率が小さく、かつ、凝集部１５が構成されている場合には、第２相１３によって高い結合性を確保しつつ、凝集部１５においてクラックの進展が抑制される。そのため、図６に示す構成と比較して図３に示す構成においては、強度及び靭性の両方が高いインサート１となる。

凝集部１５の形状は、特定の形状に限定されるものではないが、凝集部１５が細長い形状である場合には、凝集部１５においてクラックの進展を抑制し易い。具体的には、第２領域７ａにおける複数の凝集部１５の少なくとも１つが、その最大長さとなる方向を長軸方向とするとともに長軸方向に直交する方向を短軸方向とした際に、長軸方向における長さが短軸方向における長さの２倍以上である場合には、この凝集部１５においてクラックの進展を抑制し易い。

第２領域７ａに加えて第１領域５ａが、凝集部１５を複数有していてもよい。その様な構成を有すると、第１面５においてクラックが進展した場合であっても、第１領域５ａが有する凝集部１５によってクラックの進展を抑制することができる。

ここで、第１領域５ａにおける第２相１３の含有比率が、第２領域７ａにおける第２相１３の含有比率よりも多くなっている場合には、すくい面領域を有する第１領域５ａにおいて、切屑が接触することによる第１相１１の脱粒が生じるおそれを小さくできる。なお、第１領域５ａ及び第２領域７ａにおける第２相１３の含有比率は、ＳＥＭ画像又はＴＥＭ画像において上記の１０μｍ四方当たりの面積比率によって評価すればよい。

なお、上記の効果は、インサート１が基体３のみによって構成され、第１面５が露出している場合について言及したものであるが、例えば、インサート１が、第１面５の上に位置するとともにチタン化合物を含有する被覆層（不図示）を有している場合には、基体３からの被覆層の剥離を抑制するという効果が得られる。

なお、上記のチタン化合物としては、チタンの炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒化物及び炭窒酸化物などが挙げられる。

被覆層は、化学蒸着（ＣＶＤ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法を用いることによって、基体３の上に位置させることが可能である。例えば、貫通孔１７の内周面で基体３を保持した状態で上記の蒸着法を利用して被覆層を形成する場合には、貫通孔１７の内周面を除く基体３の表面の全体を覆うように被覆層を位置させることができる。

また、切削加工時においては、第１面５に対して比較的大きく、且つ、第２面７に対しては比較的小さな角度で切削負荷が加わるため、クラックは第２面７に沿った方向に進展し易い。そのため、第２領域７ａにおける第１相１１の含有比率が、第１領域５ａにおける第１相１１の含有比率よりも多く、第２領域７ａよりも第１領域５ａにおける凝集部１５の含有比率が高い場合には、より安定してクラックの進展を抑制することができる。

なお、第１領域５ａ及び第２領域７ａにおける第１相１１及び凝集部１５の含有比率は、第２相１３の含有比率と同様に、これらの面のＳＥＭ画像又はＴＥＭ画像において上記の１０μｍ四方当たりでの面積比率によって評価すればよい。

第１領域５ａよりも第２領域７ａにおける凝集部１５の含有比率が高い場合だけでなく、第２領域７ａにおける複数の凝集部１５の最大幅の平均値が、第１領域５ａにおける複数の凝集部１５の最大幅の平均値よりも大きい場合においても、クラックの進展を抑制しやすくなる。

また、第１領域５ａよりも第２領域７ａにおける凝集部１５の含有比率が高い場合だけでなく、第２領域７ａにおける上記の１０μｍ四方当たりの凝集部１５の数が、第１領域５ａにおける上記の１０μｍ四方当たりの凝集部１５の数よりも多い場合においても、クラックの進展を抑制しやすくなる。

本実施形態におけるインサート１（基体３）は、図１に示すように四角板形状であるが、インサート１の形状としてはこのような形状に限定されるものではない。例えば、基体３の上面が四角形ではなく、三角形、六角形又は円形であっても何ら問題無い。

本実施形態のインサート１は、図１に示すように、貫通孔１７を有している。本実施形態における貫通孔１７は、第１面５から第１面５の反対側に位置する面にかけて形成されており、これらの面において開口している。貫通孔１７は、インサート１をホルダに保持する際に、ねじ又はクランプ部材を取り付けるために用いることが可能である。なお、貫通孔１７は、第２面７における互いに反対側に位置する領域において開口する構成であっても何ら問題無い。

（製造方法）
次に、上述したサーメットの製造方法の一例について説明する。

まず、平均粒径０．１〜２μｍの炭窒化チタンの粉末と、平均粒径１．０〜１０μｍの炭化タングステン（ＷＣ）の粉末と、平均粒径０．１〜２μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）の粉末と、平均粒径０．８〜２μｍのコバルトの粉末と、平均粒径０．５〜３μｍのニッケルの粉末と、所望により平均粒径０．５〜１０μｍの炭酸マンガン（ＭｎＣＯ_３）の粉末とを混合した混合粉末を調製する。

なお、原料中に炭化チタン（ＴｉＣ）の粉末及び窒化チタン（ＴｉＮ）の粉末を添加することもあるが、これらの原料粉末は焼成後のサーメットにおいて炭窒化チタンを構成する。

そして、上記の混合粉末にバインダを添加して、スプレードライヤーなどの方法によって平均粒径１０〜２００μｍの顆粒体を作製し、プレス成形、押出成形及び射出成形などの公知の成形方法によって所定形状の成形体を作製する。作製された成形体を下記の条件にて焼成することにより、上述した所定組織の基体が得られる。

本実施形態における焼成条件は、
（ａ）真空中にて室温から１２００℃まで昇温する工程、
（ｂ）真空中にて１２００℃から１３３０〜１３８０℃の焼成温度（温度Ｔ１と称す）まで０．１〜２℃／分の昇温速度ｒ１で昇温する工程、
（ｃ）真空中にて温度Ｔ１から１４５０〜１６００℃の焼成温度（温度Ｔ２と称す）まで４〜１５℃／分の昇温速度ｒ２で昇温する工程、
（ｄ）真空中のまま温度Ｔ２にて０．５〜２時間保持する工程、
（ｅ）焼成炉内の雰囲気を３０〜５０００Ｐａの不活性ガス雰囲気に切り替えて、温度Ｔ２にて０．５〜１時間保持する工程、
（ｆ）０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａの不活性ガス雰囲気にて１００℃以下の温度（温度Ｔ３と称す）に１０〜５０℃／分の降温速度ｒ３で下げる工程、
の（ａ）〜（ｆ）の工程を含む焼成パターンであり、このパターンによって成形体を焼成してなる焼結体が得られる。なお、上記の真空中とは、焼成炉内の圧力が１５Ｐａ以下であることを意味している。

本実施形態においては、温度Ｔ２にて成形体を焼成する際に（ｄ）及び（ｅ）の工程を有していることから、焼結体の表面において炭窒化チタンの分解が抑制され、炭窒化チタンの凝集が促進される。

なお、（ｄ）の工程において保持時間を０．５〜１時間とする、または、（ｅ）の工程において不活性ガス圧を３０００〜５０００Ｐａとするか、保持時間を０．５〜０．７５時間とすることで、面積当たりの凝集部の数を多くできる。このような工程により、第２領域において、１０μｍ四方当たりに凝集部を複数する切削インサートを製造できる。また、第２領域において、第１相の半分以上が、凝集部に属する切削インサートを製造できる。

なお、上記方法にて作製した焼結体の主面を、所望により、ダイヤモンド砥石、炭化珪素（ＳｉＣ）の砥粒を用いた砥石等で研削加工（両頭加工）を施し、さらに、所望により、焼結体の側面の加工、バレル加工やブラシ研磨及びブラスト研磨などによる切刃９のホーニング加工を行う。また、被覆層を形成する場合には、所望によって、成膜前の焼結体の表面を洗浄してもよい。

また、凝集部の少なくとも１つにおいて、最大長さとなる方向を長軸方向とするとともに長軸方向に直交する方向を短軸方向とした場合に、長軸方向における長さが短軸方向における長さの２倍以上とするためには、粒子径が炭窒化チタン粉末の粒径よりも２倍以上大きいＷＣ粉末などを用いるとよい。

本開示の切削インサートを製造するための焼成にあたり、複数の成形体を以下に述べるように配置すると、第１領域と第２領域とで、凝集部の大きさや、面積当たりの凝集部の数を制御することができる。

矩形状の成形体を用いた例について説明する。焼成後に切削インサートの第１面となる、成形体の面を上面に配置する。そうすると成形体の側面は、焼成後に切削インサートの第２面となる。この成形体の側面同士の間隔が、１〜３ｍｍとなるように複数の成形体を配置して、焼成を行う。このような配置とすると、成形体の側面同士の間では、ガスが流通しにくく、成形体の上面ではガスが流通しやすい。このような差を設けることによって、第２領域における凝集部の最大長さの平均値が、第１領域における凝集部の最大長さの平均値よりも大きくなる。また、第２領域における１０μｍ四方当たりの凝集部の数が、第１領域における１０μｍ四方当たりの凝集部の数よりも多くなる。

次に、一実施形態の切削工具１０１について図面を用いて説明する。

本実施形態の切削工具１０１は、図７に示すように、第１端（図７における上端）から第２端（図７における下端）に向かって延びる棒状体であり、第１端側にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記のインサートとを備えている。

ポケット１０３は、インサートが装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。

ポケット１０３にはインサートが位置している。このとき、インサートの下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、インサートとポケット１０３との間にシートを挟んでいてもよい。

インサートは、第１面及び第２面が交差する稜線における切刃９として用いられる部分がホルダ１０５から外方に突出するように装着される。本実施形態においては、インサートは、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、インサートの貫通孔に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、インサートがホルダ１０５に装着されている。

ホルダ１０５としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。特に、これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いることが好ましい。

本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工が挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態のインサートを用いてもよい。

１・・・インサート
３・・・基体
５・・・第１面
７・・・第２面
９・・・切刃
１１・・・第１相
１３・・・第２相
１５・・・凝集部
１６・・・凝集部の最大長さ、最小外接円
１７・・・貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ

Claims (6)

1. 第１面であるすくい面と、該第１面に隣接した第２面である逃げ面と、前記第１面及び前記第２面が交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃とを有する基体を具備し、
   前記第１面は、前記切刃に沿った第１領域を有し、
   前記第２面は、前記切刃に沿った第２領域を有し、
   該基体は、主成分として炭窒化チタンを含有するとともに平均粒径が０．０５〜０．５μｍである第１相と、コバルト及びニッケルの少なくとも一方を含有する第２相とを有し、
   前記第２領域は、前記第１相が凝集し、最大長さが２μｍ以上の凝集部を複数有しているとともに、
   前記第１領域は、前記凝集部を複数有しており、
   前記第２領域は、前記第１相の半分以上が前記凝集部に属しており、
   前記第２領域における前記凝集部の最大長さの平均値が、前記第１領域における前記凝集部の最大長さの平均値よりも大きいことを特徴とする切削インサート。
2. 前記第２領域は、１０μｍ四方当たりに前記凝集部を複数有していることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
3. 前記第２領域は、前記凝集部の少なくとも１つにおいて、最大長さとなる方向を長軸方向とするとともに該長軸方向に直交する方向を短軸方向とした場合に、前記長軸方向における長さが前記短軸方向における長さの２倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の切削インサート。
4. 前記第１領域における前記第２相の含有比率が、前記第２領域における前記第２相の含有比率よりも多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の切削インサート。
5. 前記第２領域における１０μｍ四方当たりの前記凝集部の数が、前記第１領域における１０μｍ四方当たりの前記凝集部の数よりも多いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の切削インサート。
6. 先端側にポケットを有するホルダと、
   前記ポケットに位置する請求項１〜５のいずれか１つに記載の切削インサートとを備えた切削工具。

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