JP7108966B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
[1]
基材と、前記基材の表面に形成された被覆層とを備え、
すくい面と、逃げ面とを有する、被覆切削工具であって、
前記被覆層は、AlNを含有する第1化合物層と、下記式(1):
(Ti1-xAlx)N (1)
(式(1)中、xはTi元素及びAl元素の合計に対するAl元素の原子比を表し、0.40≦x≦0.70である。)
で表される組成を有する化合物を含有する第2化合物層と、が交互に積層された交互積層構造を有し、
前記第1化合物層1層当たりの平均厚さT1が、5nm以上160nm以下であり、
前記第2化合物層1層当たりの平均厚さT2が、8nm以上200nm以下であり、
前記平均厚さT2に対する前記平均厚さT1の比(T1/T2)が、0.10以上0.80以下であり、
前記交互積層構造の平均厚さT3が、2.5μm以上7.0μm以下であり、
前記すくい面又は前記逃げ面において、弾性率Eに対する硬さHの比(H/E)が、0.065以上0.085以下である、
被覆切削工具。
[2]
前記逃げ面における硬さH2が前記すくい面における硬さH1より大きい、[1]記載の被覆切削工具。
[3]
前記硬さH2と、前記硬さH1との差(H2-H1)が、0.5GPa以上1.5GPa以下である、[2]記載の被覆切削工具。
[4]
前記硬さH1が、28.0GPa以上35.0GPa以下であり、
前記硬さH2が、28.5GPa以上36.0GPa以下である、[2]又は[3]に記載の被覆切削工具。
[5]
前記第2化合物層は、(Ti,Al)Nの立方晶の結晶を含み、X線回折測定による立方晶(200)面の回折ピークの半値幅が0.5°以上2.0°以下である、[1]~[4]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[6]
前記被覆層は、前記交互積層構造の前記基材とは反対の面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O、及びB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化合物の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さは、0.1μm以上3.0μm以下である、[1]~[5]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[7]
前記被覆層の平均厚さT4が、2.5μm以上9.0μm以下であり、
前記平均厚さT4に対する、前記平均厚さT3の比が、0.7以上1.0以下である、[1]~[6]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
[8]
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、[1]~[7]のいずれか1つに記載の被覆切削工具。
図1に本実施形態の被覆切削工具を示す。本実施形態の被覆切削工具1は、基材2と、基材2の表面に形成された被覆層3とを備え、すくい面と、逃げ面とを有する。また、被覆層3は、AlNを含有する第1化合物層4と、下記式(1):
(Ti1-xAlx)N (1)
(式(1)中、xはTi元素及びAl元素の合計に対するAl元素の原子比を表し、0.40≦x≦0.70である。)
で表される組成を有する化合物を含有する第2化合物層5と、が交互に積層された交互積層構造を有し、第1化合物層4の1層当たりの平均厚さT1が、5nm以上160nm以下であり、第2化合物層5の1層当たりの平均厚さT2が、8nm以上200nm以下であり、平均厚さT2に対する平均厚さT1の比(T1/T2)が、0.10以上0.80以下であり、交互積層構造の平均厚さT3が、2.5μm以上7.0μm以下であり、すくい面又は逃げ面において、弾性率Eに対する硬さHの比(H/E)が、0.065以上0.085以下である。
本実施形態の被覆切削工具1は、基材2と基材2の表面に形成された被覆層3とを含む。基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定されない。基材の例としては、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、及び高速度鋼等が挙げられる。それらの中でも、基材は、好ましくは、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体からなる群より選ばれる1種以上である。そのような態様によれば、被覆切削工具の耐欠損性が一層向上する傾向にある。
被覆層3は、AlNを含有する第1化合物層4と、下記式(1):
(Ti1-xAlx)N (1)
(式(1)中、xはTi元素及びAl元素の合計に対するAl元素の原子比を表し、0.40≦x≦0.70である。)
で表される組成を有する化合物を含有する第2化合物層5と、が交互に積層された交互積層構造を有する。
第1化合物層4は、AlNを含有する。AlNは熱伝導率が高いため、第1化合物層がAlNを含有することにより、被覆層の表面で生じた熱が被覆層内に伝搬しやすくなり、熱が切れ刃近傍に蓄積することを抑制することができる。その結果、被覆切削工具1は耐熱性及び耐溶着性が向上するため、特に切削工具が高温になりやすい転削加工においても優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有する。
第2化合物層5は、下記式(1):
(Ti1-xAlx)N (1)
(式(1)中、xはTi元素及びAl元素の合計に対するAl元素の原子比を表し、0.40≦x≦0.70である。)
で表される組成を有する化合物を含有する。なお、本明細書中、化合物の組成を(Ti1-xAlx)Nと表記する場合は、Ti元素及びAl元素の合計に対するAl元素の原子比がx、Ti元素及びAl元素の合計に対するTi元素の原子比が1-xであることを意味する。
被覆層3は、上記の第1化合物層4と、上記の第2化合物層5とが交互に積層された交互積層構造を有し、上記の平均厚さT2に対する上記の平均厚さT1の比(T1/T2)が、0.10以上0.80以下である。上述のとおり、AlNを含む第1化合物層は、熱伝導率に優れ、被覆層に切削加工により発生する熱が蓄積することを防ぐことができるため、サーマルクラックの発生を抑制することができる。また、上記式(1)で表される組成を有する化合物を含有する第2化合物層は、切削加工の際に生じる熱により圧縮応力が生じるため、サーマルクラックが被覆層中に進展することを抑制できる。更に、上記式(1)で表される組成を有する化合物を含有する第2化合物層は、固溶強化により十分な硬さを有している。しかしながら、本発明者は、被覆切削工具が上記のような第1化合物層、又は上記のような第2化合物層のみを単独で含む場合、耐摩耗性及び耐欠損性の少なくとも一方が不十分であることを見出し、更に、被覆切削工具が上記のような第1化合物層と上記のような第2化合物層とが特定の比率で交互に積層された交互積層構造を有する場合に、耐摩耗性及び耐欠損性が優れたものとなることを見出した。
図1に示す被覆切削工具1において、被覆層3は第1化合物層4と第2化合物層5とが交互に積層された交互積層構造からなるものであるが、被覆層3は、当該交互積層構造の基材2とは反対の面に、上部層を有してもよい。そのような態様によれば、被覆切削工具1の耐摩耗性を一層向上させることができる傾向にある。そのような上部層としては、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O、及びB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化合物の単層又は積層が挙げられる。なお、上部層において、「Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O、及びB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化合物」の「積層」とは、上記の条件を満たす化合物からなる層が2層以上積層しており、互いに隣接する当該2以上の層の組成が互いに異なるものを意味する。
図1に示す本実施形態の被覆切削工具1は、すくい面及び逃げ面を有するものであり、当該すくい面又は当該逃げ面において、弾性率Eに対する硬さHの比(H/E)が、0.065以上0.085以下である。比(H/E)は、第1化合物層のAlN、及び第2化合物層の(Ti,Al)Nにおける、立方晶と六方晶の割合を示す測定量である。比(H/E)が相対的に高い場合、AlN、及び(Ti,Al)Nにおいて、六方晶の割合が相対的に多い傾向にあり、被覆切削工具の靭性が高い傾向にある。また、比(H/E)が相対的に低い場合、AlN、及び(Ti,Al)Nにおいて、立方晶の割合が相対的に多い傾向にあり、圧縮応力が生じるという上述の効果が有効かつ確実に奏される傾向にある。
図1に示す被覆切削工具1における被覆層3の製造方法は、特に限定されず、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法等の物理蒸着法を用いることができる。物理蒸着法を用いて被覆層を形成する場合、被覆切削工具にシャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層3と基材2との密着性に一層優れる被覆切削工具を製造することができるので、より好ましい。
図1に示す被覆切削工具1の製造方法について、以下具体的に説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に限定されるものではない。
得られた各試料について、ダイナミック硬度計(MTS社製の商品名「ナノインデンター」)を用いたナノインデンテーション法により、すくい面における硬さH1及び弾性率E1、並びに逃げ面における硬さH2及び弾性率E2を測定した。より具体的には、得られた被覆切削工具のすくい面及び逃げ面の各10箇所につき、ドロップレットを避けるようにして、ナノインデンテーション測定を行い、その平均値(相加平均値)を計算することで求めた。また、逃げ面における硬さH2とすくい面における硬さH1との差(H2-H1)を計算した。それらの結果を、表3に示す。なお、いずれの試料についても、逃げ面における硬さH2と弾性率E2との比(H2/E2)は、すくい面における比(H1/E1)とほぼ等しかった。
得られた各試料について、X線回折装置(株式会社リガク製の型式「RINT TTRIII」)を用いて(Ti,Al)Nの立方晶(200)面の回折ピークの半値幅を測定した。より具体的には、X線回折装置に各試料を設置し、Cu-Kα線による2θ/θ集中法光学系のX線回折測定を行った。測定条件としては、特性X線:CuKα線、モノクロメータ:Ni、発散スリット:1/2°散乱スリット:2/3°、受光スリット:0.15mm、サンプリング幅:0.01°とした。X線回折装置に付属の解析ソフトウェアを用いて得られたX線回折図形から回折ピークの半値幅を求めた。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びKα2ピーク除去を行い、Pearson-VII関数を用いてプロファイルフィッティングを行うことによって、回折ピークの半値幅を求めた。ただし、比較品1は第2化合物層を有しないため、当該半値幅の測定は行わなかった。結果を、表3に「半値幅」として示す。
得られた試料を用いて、以下の条件により切削試験(転削加工)を行い、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性を評価した。
被削材:FCD600、
被削材形状:120mm×400mmの面を有する直方体、
切削速度:200m/分、
切削幅:60mm
1刃当たりの送り量:0.2mm/tooth、
切り込み深さ:2.0mm、
クーラント:使用、
評価項目:試料が欠損(試料の切れ刃部に欠けが生じる)したとき、又は逃げ面摩耗幅が0.30mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長さを測定した。また、加工長さが3.0mになるまで用いた被覆切削工具をSEMで観察することにより、加工長さが3.0mの時のサーマルクラックの本数を求めた。得られた評価の結果を表4に示す。なお、表4中、「加工長さが3.0mの時のサーマルクラックの本数」の欄が空欄であることは、加工長さが3.0m以下であったため当該評価を行うことができなかったことを意味する。また、「加工長さが3.0mの時のサーマルクラックの本数」の値が小さいことは、切削加工においてサーマルクラックの発生が抑制されていることを意味し、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることを意味する。「加工長さ」の値が大きいことは、長距離の加工に耐えられることを意味し、耐欠損性及び耐摩耗性に優れることを意味する。
Claims (8)
- 基材と、前記基材の表面に形成された被覆層とを備え、
すくい面と、逃げ面とを有する、被覆切削工具であって、
前記被覆層は、AlNを含有する第1化合物層と、下記式(1):
(Ti1-xAlx)N (1)
(式(1)中、xはTi元素及びAl元素の合計に対するAl元素の原子比を表し、0.40≦x≦0.70である。)
で表される組成を有する化合物を含有する第2化合物層と、が交互に積層された交互積層構造を有し、
前記第1化合物層1層当たりの平均厚さT1が、5nm以上160nm以下であり、
前記第2化合物層1層当たりの平均厚さT2が、8nm以上200nm以下であり、
前記平均厚さT2に対する前記平均厚さT1の比(T1/T2)が、0.10以上0.80以下であり、
前記交互積層構造の平均厚さT3が、2.5μm以上7.0μm以下であり、
前記すくい面又は前記逃げ面において、弾性率Eに対する硬さHの比(H/E)が、0.065以上0.085以下である、
被覆切削工具。 - 前記逃げ面における硬さH2が前記すくい面における硬さH1より大きい、請求項1記載の被覆切削工具。
- 前記硬さH2と、前記硬さH1との差(H2-H1)が、0.5GPa以上1.5GPa以下である、請求項2記載の被覆切削工具。
- 前記硬さH1が、28.0GPa以上35.0GPa以下であり、
前記硬さH2が、28.5GPa以上36.0GPa以下である、請求項2又は3に記載の被覆切削工具。 - 前記第2化合物層は、(Ti,Al)Nの立方晶の結晶を含み、X線回折測定による立方晶(200)面の回折ピークの半値幅が0.5°以上2.0°以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
- 前記被覆層は、前記交互積層構造の前記基材とは反対の面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、及びYからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、O、及びB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化合物の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さは、0.1μm以上3.0μm以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記被覆層の平均厚さT4が、2.5μm以上9.0μm以下であり、
前記平均厚さT4に対する、前記平均厚さT3の比が、0.7以上1.0以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の被覆切削工具。 - 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、及び立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項1~7のいずれか1項に記載の被覆切削工具。
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