JP7105299B2 - 被覆工具及びこれを備えた切削工具 - Google Patents

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Description

本開示は、切削加工において用いられる被覆工具およびこれを備えた切削工具に関する。
現在、切削工具や耐摩耗性部材、摺動部材等の耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材の基体として、チタンを主成分とするサーメットが広く使われている。
特許文献１には、サーメットからなる基体の表面に被膜を形成し、基体表面に３０ｋｇｆ／ｍｍ2以上の圧縮応力を付与し、被膜に５０ｋｇｆ／ｍｍ2以上の圧縮応力を付与することで、被膜の耐剥離性と耐衝撃性および耐欠損性を向上させることが記載されている。
また、特許文献２には、チタニウム基炭窒化物の表面に耐摩耗性ＣＶＤ膜を設け、このＣＶＤ膜の圧縮応力を０～１０００ＭＰａとして、性能低下の原因となる冷却割れのないＣＶＤ膜を有する切削工具インサートを提供することが記載されている。
特開平８－９２６８５号公報 特表平１１－５１１０７８号公報
本開示の被覆工具は、基体と、該基体の少なくとも一部を覆う被覆層とを具備する。前記基体は、Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相と、ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相とを有しており、２５～１０００℃における熱膨張係数が９．０×１０-6／℃以上である。前記被覆層は、ＴｉＣＮ層と、該ＴｉＣＮ層の上に位置するＡｌ2Ｏ3層とを有している。前記ＴｉＣＮ層は、圧縮応力が２５０～５００ＭＰａである。前記Ａｌ2Ｏ3層は、２μｍ以上の厚みを有し、圧縮応力が４５０ＭＰａ以上であり、前記ＴｉＣＮ層よりも圧縮応力の値が大きい。
また、本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１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上述の被覆工具と、を備える。
図１は、本開示の被覆工具の一例を示す斜視図である。 図２は、本開示の被覆工具の表面付近の断面の拡大概要図である。 図３は、本開示の切削工具の一例を示す平面図である。
＜被覆工具＞
以下、本開示の被覆工具について、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、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、本開示の被覆工具は、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などを忠実に表したものではない。これらの点は、後述する切削工具においても同様である。
本開示の被覆工具１は、図１、２に示すように基体３と、基体３の少なくとも一部を覆う被覆層５とを具備する。
本開示の被覆工具１の形状は、例えば、四角板形状であって、図１における上面は、いわゆるすくい面である。また、上面の反対に下面を有し、上面と下面との間にそれぞれに繋がる側面を有する。側面において少なくても一部は、いわゆる逃げ面である。
本開示の被覆工具１は、上面と側面とが交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃７を有している。言い換えれば、すくい面と逃げ面とが交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃７を有している。
被覆工具１においては、すくい面の外周の全体が切刃７となっていてもよいが、被覆工具１はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、四角形のすくい面における一辺のみ、若しくは、部分的に切刃７を有するものであってもよい。
被覆工具１の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、すくい面の一辺の長さが３～２０ｍｍ程度に設定される。また、被覆工具１の厚みは、例えば５～２０ｍｍ程度に設定される。
本開示の被覆工具１の基体３は、Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相と、ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相とを有しており、２５～１０００℃における熱膨張係数が９．０×１０-6以上である。硬質相は、例えば、ＴｉＣＮである。基体３はいわゆるサーメットであり、ＴｉＣＮと、ＴｉＣＮよりも熱膨張係数の大きなＣｏやＮｉを含有することで２５～１０００℃における熱膨張係数が９．０×１０-6／℃以上になるように調整されている。
サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料である。具体的には、サーメットとして、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ又はＴｉＮ等を主成分とした化合物などが挙げられる。また、基体３には、硬質相としてＷＣをさらに含有していてもよい。
図２に示すように、本開示の被覆工具１は、基体３の上にＴｉＣＮ層５ａを有している。ＴｉＣＮ層５ａにはＴｉＣＮ結晶が含まれている。ＴｉＣＮ結晶の熱膨張係数は、８×１０-6／℃程度であり、熱膨張係数が９．０×１０-6／℃以上である基体３の熱膨張係数よりも小さい。
ＴｉＣＮ層５ａの上にはＡｌ2Ｏ3層５ｂが位置している。Ａｌ2Ｏ3層５ｂにはＡｌ2Ｏ3結晶が含まれている。Ａｌ2Ｏ3結晶の熱膨張係数は、７．２×１０-6／℃程度であり、基体３およびＴｉＣＮ層５ａの熱膨張係数よりも小さい。
基体３とＴｉＣＮ層５ａとは、直接接触していてもよく、両者の間に、例えば、ＴｉＮ相（図示しない）が位置していてもよい。また、ＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂとは直接接触していてもよく、両者の間に、例えば、ＴｉＮ相（図示しない）が位置していてもよい。
このような構成を有する被覆工具１では、基体３の熱膨張係数と、Ａｌ2Ｏ3層５ｂの厚みを調整することで、ＴｉＣＮ層５ａおよびＡｌ2Ｏ3層５ｂに適度な圧縮応力を掛けることができる。
そして、ＴｉＣＮ層５ａに掛かる圧縮応力を２５０～５００ＭＰａとし、Ａｌ2Ｏ3層５ｂに掛かる圧縮応力を４５０ＭＰａ以上とし、Ａｌ2Ｏ3層５ｂの厚みを２μｍ以上とし、ＴｉＣＮ層５ｂに掛かる圧縮応力よりもＡｌ2Ｏ3層５ｂに掛かる圧縮応力の値を大きくしたとき、耐摩耗性及び耐久性に優れた被覆工具となる。
なお、ＴｉＣＮ層５ａ及びＡｌ2Ｏ3層５ｂに掛かる圧縮応力は、例えば、２Ｄ法を用いた測定に基づき判断すればよい。具体的には、逃げ面における切刃７から１ｍｍ以上離れた部分を測定位置とし、Ｘ線回折ピークを測定する。測定結果から特定された結晶構造に関して、測定結果における２θの値が、ＪＣＰＤＳカードに記載された基準となる２θの値に対してどのようにずれているかを確認して求めることができる。
なお、残留応力がマイナスの値である場合、残留応力は、圧縮応力である。圧縮応力の値を示す場合には、マイナスを付けず、絶対値で表現する。
基体３の熱膨張係数が大きくなると、ＴｉＣＮ層５ａ及びＡｌ2Ｏ3層５ｂに掛かる圧縮応力の値は大きくなる傾向にある。
被覆層５を構成するＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂとを比較すると、Ａｌ2Ｏ3層５ｂの方が基体３から離れた位置にある。したがって、本開示の切削工具１を用いて被加工物を加工するとき、ＴｉＣＮ層５ａよりも先にＡｌ2Ｏ3層５ｂが被加工物と接触することになる。Ａｌ2Ｏ3層５ｂは、硬度が高く、２μｍ以上の厚みを有するため、耐摩耗性、耐酸化性が高い。また、Ａｌ2Ｏ3層５ｂの厚みが、２．５μｍ以上、８．０μｍ以下であれば、さらに耐摩耗性および耐酸化性に優れる。
ＴｉＣＮ層５ａは、厚みが５μｍ以上、１０μｍ以下としてもよい。このような範囲とすると被覆工具１の耐摩耗性と耐欠損性が優れる。
また、Ａｌ2Ｏ3層５ｂの厚みは、ＴｉＣＮ層５ａの厚みとＡｌ2Ｏ3層５ｂの厚みの和に対して、０．２～０．４倍としてもよい。このような構成の被覆工具１は耐摩耗性、耐欠損性に優れる。
また、Ａｌ2Ｏ3層５ｂは、基体３の主面に垂直な方向に沿うように、Ａｌ2Ｏ3結晶のＣ軸が配向していてもよい。他の言い方をすると、α－Ａｌ2Ｏ3結晶を含有しており、そのα－Ａｌ2Ｏ3結晶が基体３の主面に対して、垂直方向に延びる柱状になっていてもよい。
他の条件が同じであれば、Ａｌ2Ｏ3層５ｂの厚みを厚くすると、Ａｌ2Ｏ3層５ｂに掛かる圧縮応力の値は、小さくなる傾向にある。
ＴｉＣＮ層５ａは、基体３とＡｌ2Ｏ3層５ｂとの間にあって、Ａｌ2Ｏ3層５ｂが剥がれてしまうことを抑制するとともに、アブレシブ摩耗を抑制する。
他の条件が同じであれば、ＴｉＣＮ層５ａの厚みを厚くすると、ＴｉＣＮ層５ａに掛かる圧縮応力の値は、小さくなる傾向にある。
ＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂの機能を考慮すると、ＴｉＣＮ層５ａの厚みとＡｌ2Ｏ3層５ｂの厚みの和は、７μｍ以上、１８μｍ以下としてもよい。また、８μｍ以上、１６μｍ以下としてもよい。
また、本開示の被覆工具１における基体３には、表面において、基体３の内部よりも結合相の割合が多い結合相富化層が存在していてもよい。この結合相富化層の厚みは、１μｍ以上、１０μｍ以下であってもよい。
以下に本開示の切削工具の製造方法を説明する。
まず、Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相と、ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相とを有し、２５～１０００℃における熱膨張係数が９．０×１０-6以上の基体を準備する。基体は、熱膨張係数が上記の条件を満たすものであればよく、いわゆるサーメットを用いるとよい。基体の形状は必要に応じて、整えればよい。
結合相は、Ｃｏのみからなるものとしてもよい。また、基体３は、ＷとＣｏとを含有し、Ｃｏ0.93Ｗ0.07を含んでいてもよい。原料の調合の際に、含有するＣの量を調整することで、Ｃｏ0.93Ｗ0.07を含有する基体を得ることができる。原料中のＣの量は、調合組成比でＣ／（硬質相）＝８．０～９．１とするとよい。Ｃ／（硬質相）を９．１以下とすると、Ｃｏ0.93Ｗ0.07を含有する基体を得ることができる。Ｃ／（硬質相）を８．０以上とすると、η相が増加することを抑制できるため、相対的にＣｏ0.93Ｗ0.07が減少することを抑制できる。
なお、原料中のＣの量とは、添加する炭素のほかに、例えば、各原料粉末に含まれるＣも含まれる。また、硬質相とは、インサート中に硬質相として存在しうるものを指し、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏやＭｎ、Ｍｏの金属や酸化物、炭酸化物は含まれない。
このような組成範囲の原料粉末にバインダーを添加した後、例えば、プレス成型によって、所望の形状に整え、バインダー成分を除去する脱脂工程の後、例えば、窒素や真空雰囲気で、１５００～１５５０℃の温度域で焼成することで、緻密質の基体が得られる。
なお、脱脂工程では、真空中で２００℃、３００℃でそれぞれ１時間保持し、その後、４５０℃まで昇温し、１時間保持する。このとき、４５０℃の工程で、原料として加えたＣが減少するのを抑制するため、ＣＯ2ガスを１～５ｋＰａの圧力となるように脱脂炉に導入する。このようにすることで、Ｃ量を精密に制御することができる。なお、予め、Ｃｏ0.93Ｗ0.07を準備しておき、原料粉末として用いてもよい。
次に、基体の表面にＴｉＣＮ層を形成する。さらにその上にＡｌ2Ｏ3層を形成する。ＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層とは、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって形成するとよい。このＣＶＤ蒸着法によって、成膜する際の成膜温度が高いほど、成膜された膜に掛かる圧縮応力は大きくなる。そこで、必要に応じて成膜温度を調整するとよい。
また、上述したように、ＴｉＣＮ層、Ａｌ2Ｏ3層の厚みを制御することでも、ＴｉＣＮ層、Ａｌ2Ｏ3層に掛かる圧縮応力を制御することができる。
一旦、作製した被覆工具のＴｉＣＮ層、Ａｌ2Ｏ3層の圧縮応力を測定して、その結果に基づき、成膜温度や成膜時間を調整して、所望の圧縮応力を有する被覆工具を製造することができる。
＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。
本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図３に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の被覆工具１とを備えている。切削工具１０１は、被覆工具１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。
ポケット１０３は、被覆工具１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には被覆工具１が位置している。このとき、被覆工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、被覆工具１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。
被覆工具１は、すくい面及び逃げ面が交わる稜線における切刃７として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、被覆工具１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、被覆工具１の貫通孔１７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、被覆工具１がホルダ１０５に装着されている。
ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。
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、溝入れ加工及び端面加工などが挙げられる。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被覆工具１を用いてもよい。
以下に、本開示の被覆工具について、説明する。
基体は、以下のように作製した。
表１に示す、割合の原料粉末を用いて工具形状の成形体を作製し、脱脂工程の後、焼成して、基体を作製した。なお、脱脂工程では、真空中で２００℃、３００℃でそれぞれ１時間保持し、その後、４５０℃まで昇温し、１時間保持した。このとき、４５０℃の工程で、ＣＯ2ガスを３ｋＰａの圧力で脱脂炉に導入した。基体の熱膨張係数は、表１に示すとおりである。基体は、結合相富化層を有していた。
Figure 0007105299000001
この基体の表面に、ＣＶＤ蒸着法にて、表２に示す厚みのＴｉＣＮ層を形成した。さらに、ＴｉＣＮ層の上に表２に示す厚みのＡｌ2Ｏ3層を形成した。ＴｉＣＮ層及びＡｌ2Ｏ3層の厚みは成膜時間を調整して制御した。
ＴｉＣＮ層およびＡｌ2Ｏ3層の残留応力の測定は、２Ｄ法を用いて測定した。具体的には、逃げ面における切刃７から１ｍｍ以上離れた部分を測定位置とし、作製した被覆工具の表面側から、Ｘ線回折ピークを測定した。残留応力は、測定結果から特定された結晶構造に関して、測定結果における２θの値が、ＪＣＰＤＳカードに記載された基準となる２θの値に対するずれを確認して求めた。なお、ＴｉＣＮ層については、４２２面を基準として残留応力を求めた。また、Ａｌ2Ｏ3層については１３１０面を基準として残留応力を求めた。求めた残留応力は、表２に示した。
得られた被覆工具は、以下の条件で、切削試験を行った。その結果を表２に示す。
（耐摩耗性試験）
被削材：ＳＡＰＨ４４０
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：０．２５ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：切削長５．０ｋｍ切削した時点での逃げ面摩耗幅（μｍ）
（耐チッピング性試験）
被削材：ＳＡＰＨ４４０ １２本溝(１０ｍｍ幅)付き
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：０．２５ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：欠損するまでの衝撃回数（回）
Figure 0007105299000002
表２より、基体の熱膨張係数が、９．０×１０-6／℃を下回る、試料Ｎｏ．１２、１８では、基体とＴｉＣＮ層およびＡｌ2Ｏ3層との熱膨張差が小さいため、ＴｉＣＮ層およびＡｌ2Ｏ3層に掛かる圧縮応力の値が小さかった。これらの試料では、ＴｉＣＮ層に掛かる圧縮応力の値は２５０ＭＰａを下回り、Ａｌ2Ｏ3層に掛かる圧縮応力の値も４５０ＭＰａを下回った。その結果、耐欠損性が劣っていた。
一方、基体の熱膨張係数が９．０×１０-6／℃以上であり、ＴｉＣＮ層に掛かる圧縮応力が２５０～５００ＭＰａ、Ａｌ2Ｏ3層の厚みが２μｍ以上で、Ａｌ2Ｏ3層に掛かる圧縮応力が４５０ＭＰａ以上であり、ＴｉＣＮ層よりも圧縮応力の値が大きい試料はいずれも、耐摩耗性、耐欠損性に優れていた。
１・・・被覆工具
３・・・基体
５・・・被覆膜
５ａ・・ＴｉＣＮ層
５ｂ・・Ａｌ2Ｏ3層
７・・・切刃
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. 基体と、該基体の少なくとも一部を覆う被覆層と、を具備する被覆工具であって、
    前記基体は、
    Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相と、
    ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相と、を有し、
    ２５～１０００℃における熱膨張係数が９．０×１０-6／℃以上であり、
    前記被覆層は、
    ＴｉＣＮ層と、該ＴｉＣＮ層の上に位置するＡｌ2Ｏ3層と、を有し、
    前記ＴｉＣＮ層は、
    圧縮応力が２５０～５００ＭＰａであり、
    前記Ａｌ2Ｏ3層は、
    ２μｍ以上の厚みを有し、圧縮応力が４５０ＭＰａ以上であり、前記ＴｉＣＮ層よりも圧縮応力の値が大きい、被覆工具。
  2. 前記Ａｌ2Ｏ3層は、厚みが２．５μｍ以上、８．０μｍ以下である、請求項１に記載の被覆工具。
  3. 前記ＴｉＣＮ層は、厚みが５μｍ以上、１０μｍ以下である、請求項１または２に記載の被覆工具。
  4. 前記Ａｌ2Ｏ3層の厚みは、前記ＴｉＣＮ層の厚みと前記Ａｌ2Ｏ3層の厚みの和の０．２～０．４倍の範囲である、請求項１～３のいずれかに記載の被覆工具。
  5. 前記Ａｌ2Ｏ3被覆層は、α－Ａｌ2Ｏ3結晶を含有しており、該α－Ａｌ2Ｏ3結晶は、基体の主面に対して垂直方向に延びている、請求項１～４のいずれかに記載の被覆工具。
  6. 第１端から第２端に向かって延び、前記第１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のいずれかに記載の被覆工具と、を備えた切削工具。
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