JP7177909B2 - インサートおよびそれを備えた切削工具 - Google Patents

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Description

本開示は、インサートおよびそれを備えた切削工具に関する。
超硬合金やサーメット、セラミックス等を基体として用いたインサートが知られている。このインサートは、ホルダに固定して切削工具として用いられている。
インサートは、最近の切削加工の高能率化に伴って、大きな衝撃が切刃にかかる重断続切削等に用いられる機会が増えている。このような過酷な切削条件においては、切刃に大きな衝撃がかかり、チッピングが発生しやすくなる。そのためインサートには、耐欠損性の向上が求められている。
上記インサートにおいて、耐欠損性を向上させる技術として、特許文献１には、すくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部を含むすくい面部に、表面から２０～１００μｍの深さに亘って、光学顕微鏡を用いた縦断面組織観察による測定で、空孔が５～３０面積％の割合で存在する多孔質帯域部分を形成し、その他の部分の空孔割合を２面積％以下とする技術が開示されている。
特開２００３－４８１０６号公報
本開示のインサートは、第１面と、前記第１面に繋がる第２面と、前記第１面および前記第２面の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する。前記第１面における前記切刃から２．０ｍｍ以内を面域Ａとする。該面域Ａを含み、前記面域Ａから０．５ｍｍまでの領域を領域Ａ１とする。前記面域Ａ及び前記第２面から１．２ｍｍ～２．０ｍｍの領域を領域Ａ２とする。前記領域Ａ１における空孔の面積比が０．００５～０．０４面積％であり、前記領域Ａ２における空孔の面積比が０．０５～０．２面積％である。
本開示の切削工具は、第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側に位置する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インサートと、を備える。
本開示のインサートの一例を示す概略斜視図である。 図１のインサートにおける基体の断面の構成を説明するための模式図である。 本開示の切削工具の一例を示す平面図である。
＜インサート＞
図１に示すように、本開示のインサート１は、第１面３（以下、主面３とも記載する。）と、第２面５とを有し、第１面３と第２面５とが交わる部分（稜線）の少なくとも一部に切刃７を有する基体９を具備している。第１面３は、すくい面と呼ばれる面であり、第２面５は逃げ面と呼ばれる面である。そのため、すくい面３と逃げ面５とが交わる部分の少なくとも一部に切刃７を有しているともいえるものである。なお、図１においては、主面３が概略四角形状の板状である例を示しているが、インサート形状は、これに限定されるものではない。
図２に、本開示のインサート１の切刃７の近傍における、第１面３に垂直な基体９の断面の拡大図を示す。
本開示のインサート１において、第１面３における切刃７から２ｍｍ以内を面域Ａという。
本開示のインサート１において、面域Ａを含み、面域Ａから０．５ｍｍまでの領域Ａ１とする。この領域Ａ１は、面域Ａから基体９の内側に位置する。また、面域Ａ及び第２面から１．２ｍｍ～２．０ｍｍの領域を領域Ａ２とする。この領域Ａ２は、領域Ａ１よりも基体９の内部に位置している。本開示のインサート１は、領域Ａ１における空孔（図示しない）の面積比が０．００５～０．０４面積％であり、領域Ａ２における空孔（図示しない）の面積比が０．０５～０．２面積％である。なお、面積比とは、所定の面積における占有率ともいえるものであり、面積占有率と言い換えることができる。
このような構成を有することにより、本開示のインサート１は優れた耐欠損性を有する。
本開示のインサート１は、領域Ａ１よりも、基体９の内部に位置する領域Ａ２の方がより多くの空孔を有している。そして、領域Ａ２の空孔の割合が０．０５～０．２面積％であることで、基体９が全体として、優れた靭性と硬度を有する。
また、基体９の表面近傍に位置する領域Ａ１においては、空孔の割合が０．００５～０．０４面積％であることで、領域Ａ１において、０．０４面積％を超える空孔を有する場合に比べ領域Ａ１が高い硬度を有する。また、領域Ａ１の空孔の割合が０．００５面積％未満である場合に比べ、領域Ａ１が欠けにくい。
本開示のインサート１は、基体９の表面から０．５ｍｍを超え、１．２ｍｍ未満までの領域において、０．００５～０．０４面積％の空孔を有するものであってもよい。
また、領域Ａ１の空孔の平均径が領域Ａ２の空孔の平均径よりも小さくてもよい。このような構成を有すると領域Ａ１の強度が高いため、耐欠損性に優れる。
また、領域Ａ１の空孔の平均径は、１．５μｍ以下であってもよい。このような構成を有すると、特に領域Ａ１の強度が高いため、耐欠損性に優れる。
また、領域Ａ２の空孔の平均径は、２μｍ以下であってもよい。このような構成を有すると、基体９が全体として、高い靭性と硬度を有する。
また、本開示のインサート１は、領域Ａ１と、領域Ａ２との間、すなわち、面域Ａから０．５μｍを超えて、面域Ａから第２領域Ａ２との間に領域Ａ３を有していてもよい。この領域Ａ３が空孔（図示しない）を有しており、領域Ａ３における空孔の面積比が、領域Ａ１の空孔の面積比よりも大きく、領域Ａ２の空孔の面積比よりも小さくてもよい。
このような構成を有すると、インサート１における空孔の面積比がなだらかに変化することになるため、基体９における特性の変化がなだらかになり、インサート１は、さらに優れた耐欠損性を有する。
また、本開示のインサート１においては、第２面から０．５ｍｍまでの領域の空孔の面積比率を、領域Ａ１と同様の面積比率としてもよい。このような構成を有すると、第２面から０．５ｍｍまでの領域の硬度も高い。
本開示のインサート１における基体９を構成する材質は、硬質合金、セラミックスまたは金属が挙げられる。硬質合金としては、炭化タングステン（ＷＣ）と、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属を含有する超硬合金であってもよい。他の硬質合金として、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）と、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属を含有するＴｉ基サーメットであってもよい。セラミックスが、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）であってもよい。金属としては、炭素鋼、高速度鋼、合金鋼であってもよい。上記材質の中でも、インサート１として用いる場合には、基体９は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点でよい。
また、本開示のインサート１は、基体９の表面にさらに被覆層（図示しない）を有していてもよい。このような被覆層を有すると、インサート１の耐摩耗性が高い。なお、被覆層を有するものであるとき、第１面３に沿った被覆層と、第２面５に沿った被覆層とが交わる部分の少なくとも一部が切刃７となることはいうまでもない。
被覆層は、単層であってもよく、複数の層を積層した積層膜であってもよい。被覆膜は、いわゆるダイヤモンド膜やＤＬＣ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＣＮ膜、Ａｌ2Ｏ3膜であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。
次に、基体９の各領域における空孔の面積比は、基体９の表面に対して垂直な断面を鏡面加工し、金属顕微鏡や電子顕微鏡で観察することで測定することができる。空孔の大きさにもよるが、５００倍の倍率で測定するとよい。各領域における測定面積は、０．０３ｍｍ2～０．０９ｍｍ2とするとよい。
本開示のインサート１は、第１面３が所謂すくい面であるとき、第２面５が逃げ面であり、これらの交差部に位置するのが切刃７である。そして、この切刃７を被切削物に当てて切削加工に用いられるものであり、耐欠損性に優れる。また、本開示のインサート１は、切削工具以外にも、掘削工具、刃物等の工具、耐衝撃部品等の各種の用途へ応用可能であり、この場合にも優れた機械的信頼性を有するものである。
次に、本開示のインサート１の製造方法について、一例を説明する。
まず、基体となる硬質合金を焼成によって形成しうる炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合して、混合粉末を作製する。次に、この混合粉末を用いて、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。この成形体を、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した基体を作製する。
本開示のインサートにおける基体を作製するには、例えば、上記の混合粉末に直径が０．５μｍ～２０μｍ程度の樹脂球を混合してもよい。
焼成後に基体における領域Ａ２となる成形体（以下、第２成形体ともいう）に、例えば、０．０６～０．２４体積％の割合で樹脂球を含有させる工程と、その第２成形体の表面を、０．７～１．４ｍｍ程度の厚さの０．０１～０．０５体積％の樹脂球を含有する混合粉末で覆う工程と、前記成形体とその表面を覆う混合粉末とを加圧して一体化する工程により、第２成形体の表面に、焼成後に領域Ａ１となる成形体（以下、第１成形体ともいう）が位置する複合成形体を作製して、位置によって樹脂球の存在量が異なる複合形成体を得ることができる。この複合成形体を焼成することで、本開示のインサートを作製することができる。
また、焼成後に領域Ａ２となる成形体の表面を、焼成後に領域Ａ３となる混合粉末で覆い、さらに焼成後に領域Ａ１となる混合粉末で覆ってもよい。この場合、焼成後に領域Ａ３となる混合粉末には、焼成後に領域Ａ２となる混合粉末に添加した樹脂球よりも、少ない量の樹脂球を添加してもよい。
そのような組み合わせとすると、領域Ａ２における空孔の面積比が最も大きく、領域Ａ３における空孔の面積比が、その次に大きいインサート１を作製することができる。
また、上記の例では、樹脂球を含有する第１成形体を用いているが、焼成条件によって領域Ａ１の空孔の割合を本発明の範囲となるようにすれば、第１成形体において樹脂球を含有しなくてもよい。
以上説明したように、樹脂球を利用した製造方法によると、空孔を所望の位置に、所望の面積比で配置することができる。
上記のように作製した成形体を焼成する際には、まず、いわゆる脱バインダ工程で成形体を加熱してバインダ成分を除去した後、温度を上げて樹脂球を除去するとよい。そのあとで、例えば、Ａｒ雰囲気中で１３５０℃～１６００℃の条件で焼成するとよい。
このようにして作製した基体の表面に、所望によって研磨加工や切刃部のホーニング加工を施してもよい。
次に、その表面に例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層を成膜してもよい。
以下に、基体の表面に被覆層を形成する一例を示す。まず、基体をチャンバ内にセットし、下地層であるＴｉＮ層を成膜する。成膜温度を８３０℃、ガス圧を８ｋＰａとし、反応ガスの組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを０．１～２０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを２０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。
次に、ＴｉＣＮ層である第１層を成膜する。成膜温度を８３０℃、ガス圧を９ｋＰａとし、反応ガス組成として、体積％で四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを５．０～２０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを１０～９０体積％、アセトニトリル（ＣＨ3ＣＮ）ガスを０．３体積％～３．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして、成膜する。このとき、アセトニトリル（ＣＨ3ＣＮ）ガスの含有比率を成膜初期よりも成膜後期で増すことによって、第１ＴｉＣＮ層を構成する炭窒化チタン柱状結晶の平均結晶幅を基体側よりも表面側の方が大きい構成とすることができる。第１層の厚みは、１μｍ以上である。第１層の厚みは、３～２０μｍとしてもよい。
次に、ＴｉＣＮ層である第１中間層を作製する。成膜温度を９５０℃、ガス圧を９ｋＰａ、反応ガスの組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを１０～２０体積％、メタン（ＣＨ4）ガスを０．５～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを１０～７０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。この第１中間層の厚みは１μｍ未満である。
次に、ＴｉＣＮＯ層である第２中間層を成膜する。まず、成膜温度を９５０℃、ガス圧を９ｋＰａとし、反応ガス組成が、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを１０～２０体積％、メタン（ＣＨ4）ガスを０．５～１０体積％、窒素（Ｎ2）ガスを１０～２０体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを０．１～３．０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして成膜する。この第２中間層の厚みは１μｍ未満である。また、第１中間層と第２中間層の厚みの和は、１μｍ未満である。
Ａｌ２Ｏ３層である第２層は、成膜温度を９８０℃～１１００℃、ガス圧を５ｋＰａ～２０ｋＰａとし、反応ガスの組成が、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを５～２０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを２～８体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを３～８体積％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを０．００１～０．０１体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスとして成膜する。第２層の厚みは、１～１５μｍとしてもよい。
そして、最表層であり、第３層であるＴｉＮ層を成膜する。成膜温度を１０１０℃、ガス圧を１０ｋＰａとし、反応ガス組成は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）ガスを０．０６～５体積％、窒素（Ｎ2）ガスを１０～３０体積％、残りが水素（Ｈ2）ガスとして、成膜する。第３層の厚みは、０．１～２μｍとしてもよい。
なお、上記の例では、第１中間層や第２中間層や第３層を設けた例を示したが、直接、基体の表面に、ＴｉＣＮ層である第１層と、Ａｌ2Ｏ3層である第２層とを積層してもよい。
以上、本開示のインサート１について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。
＜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に位置する上記のインサート１とを備えている。切削工具１０１は、インサート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、インサート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にはインサート１が位置している。このとき、インサート１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。
インサート１は、第１面３及び第２面５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、インサート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、インサート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、インサート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１０１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などが挙げられる。なお、切削工具１０１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１を用いてもよい。
まず、平均粒径１．２μｍの金属コバルト粉末を６質量％、平均粒径２．０μｍの炭化チタン粉末を０．５質量％、平均粒径２．０μｍの炭化ニオブ粉末を５質量％、残部が平均粒径１．５μｍのタングステンカーバイト粉末の割合で添加、混合し、混合粉末を作製した。
さらに、表１に示す平均粒径、割合の樹脂球を混合粉末に添加して、焼成後に領域Ａ２となる第２成形体を作製した。なお、表１において、樹脂球の平均粒径、割合が記載されていない試料では、樹脂球を添加しない、混合粉末を用いた。
そして、第２成形体の表面の全面に焼成後に領域Ａ１となる第１成形体を形成した複合成形体を作製した。
なお、これらの成形体は、工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した。
その後、脱バインダ処理を施し、さらに樹脂球を除去した後、１５００℃、０．０１Ｐａの真空中において、１時間焼成して超硬合金からなる基体を作製した。その後、作製した基体にブラシ加工をし、切刃となる部分にＲホーニングを施した。
次に、上記の超硬合金の基体に対して、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により、基体側から順にＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、Ａｌ2Ｏ3層、ＴｉＮ層を成膜して、被覆層を有するインサートを作製した。
上記試料について、被覆層を含む断面について、ＳＥＭ観察を行い、領域Ａ１、領域Ａ２における空孔の面積比と空孔の平均径を測定した。測定は、５００倍の倍率で０．０４ｍｍ2の面積について行った。
具体的には、鏡面研磨した基体の断面について、金属顕微鏡で５００倍の倍率で撮影し、その画像データを画像ソフトＭａｃ－Ｖｉｅｗ（株式会社マウンテック製 バージョン４）を用いて画像解析した。画像は、粒子の検出と確定条件は、取得モードを非球形とし、検出感度は２０とした。また、検出確度は、標準（０．７）とした。粒子の操作条件において、走査密度は標準とし、走査回数は１回とした。得られた、空孔の面積比を表１に記載した。
上記の条件で作製したインサートについて、下記の条件で断続切削試験を行い、耐欠損性を評価した。試験結果は表１に示す。
＜断続切削条件＞
被削材 ：ＳＣＭ４４０丸棒 ４本溝入り（Φ２００ｍｍ×４５０ｍｍ）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損までの衝撃回数
Figure 0007177909000001
表１に示す通り、本開示のインサートである試料Ｎｏ．３～７、９～１３、１５～１９は、耐欠損性に優れていた。
１ インサート
３ 第１面、主面、すくい面
５ 第２面、逃げ面
７ 切刃
９ 基体
Ａ１ 領域Ａ１
Ａ２ 領域Ａ２
Ａ３ 領域Ａ３
１０１ 切削工具
１０３ ポケット
１０５ ホルダ
１０７ 固定ネジ

Claims (6)

  1. 第１面と、前記第１面に繋がる第２面と、前記第１面および前記第２面の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なるインサートであって、
    前記第１面に垂直な断面において、
    前記第１面における前記切刃から離れる方向に前記切刃から２．０ｍｍ以内を面域Ａとし、
    該面域Ａを含み、前記面域Ａから前記基体の内側に向かう方向に０．５ｍｍまでの領域を領域Ａ１とし、
    前記面域Ａ及び前記第２面から前記基体の内側に向かう方向に１．２ｍｍ～２．０ｍｍの領域を領域Ａ２としたとき、
    前記第１面に垂直な断面における前記領域Ａ１の空孔の面積比が０．００５～０．０４面積％であり、前記第１面に垂直な断面における前記領域Ａ２の空孔の面積比が０．０５～０．２面積％である、インサート。
  2. 前記領域Ａ１の空孔の平均径は、前記領域Ａ２の空孔の平均径よりも小さい、請求項１に記載のインサート。
  3. 前記領域Ａ１の空孔の平均径は、１．５μｍ以下である、請求項１または２に記載のインサート。
  4. 前記領域Ａ２の空孔の平均径は、２μｍ以下である、請求項１～３のいずれかに記載のインサート。
  5. 前記基体の少なくとも一部を覆う被覆膜を有する、請求項１～４のいずれかに記載のインサート。
  6. 第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側に位置するポケットを有するホルダと、
    前記ポケット内に位置する、請求項１～５のいずれか１つに記載のインサートとを備えた切削工具。
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