JP7043713B1 - 切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
基材と、前記基材上に配置されるAlTiN層と、を備える切削工具であって、
前記AlTiN層は、立方晶型のAlxTi(1-x)Nの結晶粒を含み、
前記AlxTi(1-x)NにおけるAlの原子比xは、0.7以上0.95以下であり、
前記AlTiN層は、前記切削工具の表面側の第1の主面と、前記基材側の第2の主面と、を含み、
前記AlTiN層は、前記第1の主面からの距離が0nm以上100nm以下である第1領域と、前記第1の主面からの距離が100nm超150nm以下である第2領域と、を含み、
前記第1領域の酸素含有率の最大値は、5原子%以上30原子%以下であり、
前記第2領域の酸素含有率の最大値は、5原子%未満である、切削工具である。
近年、より高効率な切削加工においても、工具寿命の長い切削工具が求められている。特に炭素鋼の高速連続加工においては、優れた耐熱性及び耐摩耗性を有する切削工具が求められている。
本開示の切削工具は、特に炭素鋼の高速連続加工においても、長い工具寿命を有することができる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の切削工具は、
基材と、前記基材上に配置されるAlTiN層と、を備える切削工具であって、
前記AlTiN層は、立方晶型のAlxTi(1-x)Nの結晶粒を含み、
前記AlxTi(1-x)NにおけるAlの原子比xは、0.7以上0.95以下であり、
前記AlTiN層は、前記切削工具の表面側の第1の主面と、前記基材側の第2の主面と、を含み、
前記AlTiN層は、前記第1の主面からの距離が0nm以上100nm以下である第1領域と、前記第1の主面からの距離が100nm超150nm以下である第2領域と、を含み、
前記第1領域の酸素含有率の最大値は、5原子%以上30原子%以下であり、
前記第2領域の酸素含有率の最大値は、5原子%未満である、切削工具である。
前記下地層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素及びAl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、酸素及びホウ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第1化合物からなることが好ましい。
前記表面層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素及びAl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、酸素及びホウ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第2化合物からなることが好ましい。
本開示の切削工具の具体例を、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。
本開示の切削工具は、
基材と、前記基材上に配置されるAlTiN層と、を備える切削工具であって、
AlTiN層は、立方晶型のAlxTi(1-x)Nの結晶粒を含み、
AlxTi(1-x)NにおけるAlの原子比xは、0.7以上0.95以下であり、
AlTiN層は、切削工具の表面側の第1の主面と、基材側の第2の主面と、を含み、
AlTiN層は、第1の主面からの距離が0nm以上100nm以下である第1領域と、第1の主面からの距離が100nm超150nm以下である第2領域と、を含み、
第1領域の酸素含有率の最大値は、5原子%以上30原子%以下であり、
第2領域の酸素含有率の最大値は、5原子%未満である、切削工具である。
図1に示されるように、本実施形態の切削工具1は、基材10と、該基材10上に配置されるAlTiN層11とを備える(以下、単に「切削工具」という場合がある。)。
上記切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル(例えば、ボールエンドミル)、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等であり得る。
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基材も使用することができる。例えば、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及びCoを含む超硬合金、WC並びにCr、Ti、Ta、Nb等の炭窒化物を含む超硬合金等)、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)、立方晶型窒化ホウ素焼結体(cBN焼結体)及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。
本実施形態に係る被膜は、基材上に配置されたAlTiN層を含む。「被膜」は、基材の少なくとも一部(例えば、すくい面、逃げ面等)を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性、耐剥離性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。被膜は、基材の一部に限らず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実施形態の範囲を逸脱するものではない。
本実施形態のAlTiN層は、立方晶型のAlxTi1-xNの結晶粒(以下、単に「結晶粒」という場合がある。)を含む。すなわち、AlTiN層は、多結晶のAlxTi1-xNを含む層である。本実施形態において、「AlxTi1-xNの結晶粒」とは、AlNからなる層(以下、「AlN層」という場合がある。)と、TiNからなる層(以下、「TiN層」という場合がある。)とが交互に積層されている複合結晶の結晶粒を意味する。本実施形態において、AlN層は、その一部においてAlがTiに置換されているものも含まれる。また、TiN層は、その一部においてTiがAlに置換されているものも含まれる。
電子エネルギー:10kv
電子ビーム電流:3mA
入射角:90°
(検出器:55°)
ビーム径:1nm
スパッタイオン:Ar
モード:深さ分析(デプスプロファイル)
図2及び図3に示されるように、切削工具21,31の被膜24,34は、基材10とAlTiN層11との間に配置される下地層12を更に含むことができる。下地層12は、周期表4族元素、5族元素、6族元素及びAl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、酸素及びホウ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第1化合物からなることが好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。
図3に示されるように、切削工具31の被膜34は、AlTiN層11上に配置される表面層13を更に含むことができる。表面層13は、周期表4族元素、5族元素、6族元素及びAl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、酸素及びホウ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第2化合物からなることが好ましい。
本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、切削工具の被膜は、他の層を更に含んでいてもよい。他の層は、AlTiN層、下地層、又は表面層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。他の層に含まれる化合物としては、例えば、TiN、TiCN、TiBN及びAl2O3等を挙げることができる。なお、他の層は、その積層の順も特に限定されない。例えば、他の層としては、下地層とAlTiN層との間に配置されている中間層が挙げられる。他の層の厚みは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、0.1μm以上20μm以下が挙げられる。
実施形態1に係る切削工具の製造方法は特に限定されないが、例えば、上記基材を準備する第1工程(以下、「第1工程」ともいう。)と、化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition:CVD)を用いて、上記基材上に上記AlTiN層を含む被膜を形成する第2工程(以下、「第2工程」ともいう。)と、を含む。本実施形態に係る切削工具の製造方法は、更に、上記被膜をブラスト処理する第3工程(以下、「第3工程」ともいう。)と、を含むことができる。実施形態1に係る切削工具の製造方法の一例を、下記に説明する。なお、下記の製造方法は一例であって、実施形態1の切削工具の製造方法は下記に限定されず、他の方法で製造されていてもよい。
第1工程では基材を準備する。例えば、基材として超硬合金基材やサーメット基材が準備される。超硬合金基材は、市販品を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってWC粉末とCo粉末等とを混合して混合粉末を得る。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。
第2工程では、アルミニウムのハロゲン化物ガス、チタンのハロゲン化物ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、無水エタノールを含む第一ガスと、アルミニウムのハロゲン化物ガス、チタンのハロゲン化物ガス及びアンモニアガスを含む第二ガスと、アンモニアガスを含む第三ガスとのそれぞれを、650℃以上800℃以下且つ2kPa以上30kPa以下の雰囲気において上記基材に噴出し、AlTiN層を形成する。第2工程は、例えば以下に説明するCVD装置を用いて行うことができる。
図5に、本実施形態の切削工具の製造に用いられるCVD装置の一例の模式的な断面図を示す。図5に示されるように、CVD装置50は、基材10を設置するための基材セット治具52の複数と、基材セット治具52を内包する耐熱合金鋼製の反応容器53とを備えている。また、反応容器53の周囲には、反応容器53内の温度を制御するための調温装置54が設けられている。本実施形態において、基材10は、基材セット治具52に備えられている突起物の上に設置することが好ましい。このように設置することで、すくい面、逃げ面及び刃先部それぞれに均一に成膜することができる。
上記第一ガスは、アルミニウムのハロゲン化物ガス、チタンのハロゲン化物ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、無水エタノールを含む。
上記第二ガスは、アルミニウムのハロゲン化物ガス、チタンのハロゲン化物ガス及びアンモニアガスを含む。アルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスは、上記(第一ガス)の欄において例示されたガスを用いることができる。このとき、上記第一ガスに用いられたアルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスそれぞれと、第二ガスに用いられたアルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスそれぞれとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
上記第三ガスは、アンモニアガスを含む。また上記第三ガスは、水素ガスを含んでもよいし、アルゴンガス等の不活性ガスを含んでもよい。
本工程では、上記被膜にブラスト処理を実施する。ブラスト処理の条件としては例えば、以下の条件が挙げられる。ブラスト処理を実施することで上記被膜に圧縮残留応力を付与することができる。
ブラスト処理の条件
メディア:ジルコニア粒子、500g
投射角度:90°
投射距離:50mm
投射時間:3秒
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、本実施形態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。追加工程としては例えば、基材とAlTiN層との間に下地層を形成する工程、及びAlTiN層上に表面層を形成する工程等が挙げられる。下地層及び表面層を形成する方法としては、特に制限はなく、例えば、CVD法等によって形成する方法が挙げられる。なお、上記AlTiN層上に表面層を形成する工程を行った場合、上記第3工程は、表面層を形成した後に行う。
<基材の準備>
基材として、以下の表1に示す超硬合金からなる基材(以下、単に「基材」という場合がある。)を準備した(第1工程)。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て混合粉末を得た。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している。
次に、図5に示されるCVD装置を用いて、上記基材上に、下地層、AlTiN層及び表面層を含む被膜を形成した。
表2に記載の成膜条件のもとで、表2に記載の組成を有する反応ガスを上記基材の表面上に噴出してTiCNからなる下地層を作製した。
次に、表7に記載の成膜条件のもとで、表7に記載の組成を有する反応ガスをAlTiN層の表面上に噴出してTiNから成る表面層を作製した。
以下の条件によって、基材上に形成された被膜に対してブラスト処理を行った(第3工程)。
ブラスト処理の条件
メディア:ジルコニア粒子、500g
投射角度:90°
投射距離:50mm
投射時間:3秒
試料1~試料12の切削工具について、被膜の各層の厚さ、AlTiN層の組成及びAlTiN層の酸素含有率を測定した。
下地層、AlTiN層、表面層および被膜全体の厚さを、走査透過型電子顕微鏡(STEM)(日本電子株式会社製、商品名:JEM-2100F)を用いて測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているためその説明は繰り返さない。結果を表8の「被膜の組成及び各層の厚さ」中の「下地層」、「AlTiN層」、「表面層」、「被膜合計」欄に示す。
AlTiN層について、AlxTi1-xNにおけるAlの原子比xを、走査型電子顕微鏡(SEM)付帯のエネルギー分散型X線分析(EDX)装置(日立ハイテク社製、「SU9000」(商標))を用いて測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているためその説明は繰り返さない。結果を表8の「被膜の組成及び各層の厚さ」中の「Alの原子比x」欄に示す。
AlTiN層の酸素含有率を、オージェ電子分光法(装置:パーキンエルマー(Perkin-Elmer)社製「PHI 650」(商標))を用いて測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているためその説明は繰り返さない。AlTiN層の第1領域及び第2領域のそれぞれにおける酸素含有率の最大値および該最大値の存在する位置(主面からの距離)を、結果を表8の「AlTiN層の酸素含有率」欄に示す。
(切削評価:連続加工試験)
試料1~試料12の切削工具を用いて、以下の切削条件により、炭素鋼の外形連続旋削加工を行った。該加工条件は、炭素鋼の高速連続加工に該当する。逃げ面の摩耗量が0.25mmに達したとき又は刃先部に欠損が生じたときの切削距離(m)を測定した。また、切削後の損傷形態(最終損傷形態)を観察した。その結果を表8に示す。切削距離が長い程、工具寿命が長いことを示す。
<切削条件>
被削材 :S45C 丸棒
速度 :400m/min
送り :0.3mm/t
切込み量:2mm
切削油 :乾式
試料1~試料4の切削工具は実施例に該当する。試料5~試料12は比較例に該当する。試料1~試料4の切削工具(実施例)は、試料5~試料12の切削工具(比較例)に比べて、工具寿命が長いことが確認された。
Claims (5)
- 基材と、前記基材上に配置されるAlTiN層と、を備える切削工具であって、
前記AlTiN層は、立方晶型のAlxTi(1-x)Nの結晶粒を含み、
前記AlxTi(1-x)NにおけるAlの原子比xは、0.7以上0.95以下であり、
前記AlTiN層は、前記切削工具の表面側の第1の主面と、前記基材側の第2の主面と、を含み、
前記AlTiN層は、前記第1の主面からの距離が0nm以上100nm以下である第1領域と、前記第1の主面からの距離が100nm超150nm以下である第2領域と、を含み、
前記第1領域の酸素含有率の最大値は、5原子%以上30原子%以下であり、
前記第2領域の酸素含有率の最大値は、5原子%未満であり、
前記第1領域の酸素含有率の最大値は、前記第1領域内において、前記第1の主面側から前記第2の主面側に向かう方向に1nm間隔毎の酸素含有率を測定して得られた1nm毎の酸素含有率のうちの最大値であり、
前記第2領域の酸素含有率の最大値は、前記第2領域内において、前記第1の主面側から前記第2の主面側に向かう方向に1nm間隔毎の酸素含有率を測定して得られた1nm毎の酸素含有率のうちの最大値である、切削工具。 - 前記第2領域の酸素含有率の最大値は、3原子%以上5原子%未満である、請求項1に記載の切削工具。
- 前記AlTiN層の厚さは、0.15μm以上20μm以下である、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。
- 前記基材と前記AlTiN層との間に配置される下地層を更に含み、
前記下地層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素及びAl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、酸素及びホウ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第1化合物からなる、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の切削工具。 - 前記AlTiN層上に配置される表面層を更に含み、
前記表面層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素及びAl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、酸素及びホウ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第2化合物からなる、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の切削工具。
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