JP7416327B1 - 切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
該切削工具は、
すくい面、
該すくい面に連なる逃げ面、および、
該すくい面と該逃げ面との境界部分からなる切れ刃領域を含み、
該被膜は、TiSiCN層を含み、
該TiSiCN層は、
該すくい面に位置する第1のTiSiCN層と、
該切れ刃領域に位置する第2のTiSiCN層と、を有し、
該第1のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xr)SiXrCNであり、
該第2のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xe)SiXeCNであり、
該Xrおよび前記Xeは、それぞれ0.010以上0.100以下であり、且つXr-Xe≧0.003の関係を満たす。
近年、工具寿命の向上への要求が益々高まっており、特に、鋼の断続を含む旋削加工において、工具寿命の更なる向上が求められている。特に鋼の断続を含む旋削加工においての工具寿命の更なる向上に重要な要素として、「耐摩耗性」と「耐欠損性」とが挙げられる。TiSiCN層を含む被膜を備える切削工具においては、一般に該TiSiCN層の硬度が高いことから、「耐摩耗性」に優れる傾向がある。しかしながら、該TiSiCN層においては、非晶質が多く含まれる為、せん断方向の負荷に弱く膜破壊を起点とした欠損が生じ易い場合があった。その為、特に、鋼の断続を含む旋削加工においても、優れた「耐摩耗性」と優れた「耐欠損性」とを兼備させることにより、工具寿命を延長することが求められている。
本開示によれば、特に鋼の断続を含む旋削加工においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。
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た被膜と、を備える切削工具であって、
前記切削工具は、
すくい面、
前記すくい面に連なる逃げ面、および、
前記すくい面と前記逃げ面との境界部分からなる切れ刃領域を含み、
前記被膜は、TiSiCN層を含み、
前記TiSiCN層は、
前記すくい面に位置する第1のTiSiCN層と、
前記切れ刃領域に位置する第2のTiSiCN層と、を有し、
前記第1のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xr)SiXrCNであり、
前記第2のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xe)SiXeCNであり、
前記Xrおよび前記Xeは、それぞれ0.010以上0.100以下であり、且つXr-Xe≧0.003の関係を満たす。
前記硬質粒子は、珪素の濃度が相対的に高い層と低い層とが交互に積層したラメラ構造を有することが好ましい。これによって、特に鋼の断続を含む旋削加工においても、より長い工具寿命を有することが可能となる。
本開示の一実施形態(以下、「本実施形態」とも記す。)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。
本開示の一実施形態に係る切削工具について、図1~図13、19を用いて説明する。
本開示の一実施形態(以下、「本実施形態」とも記す。)は、
基材2と、該基材2上に配置された被膜3と、を備える切削工具1であって、
該切削工具1は、
すくい面11、
該すくい面11に連なる逃げ面12、および、
該すくい面11と該逃げ面12との境界部分からなる切れ刃13領域を含み、
該被膜3は、TiSiCN層30を含み、
該TiSiCN層30は、
該すくい面11に位置する第1のTiSiCN層と、
該切れ刃13領域に位置する第2のTiSiCN層と、を有し、
該第1のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xr)SiXrCNであり、
該第2のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xe)SiXeCNであり、
該Xrおよび該Xeは、それぞれ0.010以上0.100以下であり、且つXr-Xe≧0.003の関係を満たす。
図1に示されるように、本実施形態の切削工具1は、上面、下面および四つの側面を含む表面を有しており、全体として、上下方向にやや薄い四角柱形状である。また、切削工具1には、上下面を貫通する貫通孔が形成されており、切削工具1の4つの側面の境界部分においては、隣り合う側面同士が円弧面で繋がれている。
実施形態1の被膜3は、TiSiCN層30を含む。本実施形態の被膜3は、TiSiCN層30を含む限り、他の層31を含んでも良いし、含まなくても良い。他の層31としては、たとえば、下地層、中間層、および表面層等が挙げられる。下地層は、基材とTiSiCN層との間に設けられることができる(図20)。下地層としては、例えばTiN層、TiC層、TiCN層、TiBN層、又はAl2O3層が挙げられる。中間層は、下地層とTiSiCN層との間(図示なし)、又はTiSiCN層と表面層との間(図21)に設けられることができる。中間層としては、例えばTiCN層又はTiCNO層が挙げられる。表面層は、被膜の最表面に設けられることができる(図21)。表面層としては、例えばTiC層、TiCN層、TiN層又はAl2O3層が挙げられる。
本実施形態のTiSiCN層30は、すくい面11に位置する第1のTiSiCN層と、切れ刃13領域に位置する第2のTiSiCN層と、を有する。すなわち、1層のTiSiCN層30中に、第1のTiSiCN層からなる領域と、第2のTiSiCN層からなる領域が存在する。
上記第1のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xr)SiXrCNであり、上記第2のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xe)SiXeCNである。ここで、該Xrおよび該Xeは、それぞれ0.010以上0.100以下であり、且つXr-Xe≧0.003の関係を満たす。これによって、切削工具に優れた「耐摩耗性」と優れた「耐欠損性」とを兼備させることができる。
加速電圧 :15kV
プロセスタイム :5
スペクトルレンジ:0~20keV
チャンネル数 :1K
フレーム数 :150
X線取り出し角度:30°
本実施形態において、TiSiCN層30の厚みは、2.0μm以上15μm以下であることが好ましい。TiSiCN層30の厚みが2.0μm未満であると、TiSiCN層30による耐摩耗性および耐欠損性の向上効果が得られにくく、工具寿命が不十分となる傾向がある。TiSiCN層30の厚みが15μm超であると、加工時にTiSiCN層30内に応力が発生し、剥離または破壊が生じやすくなる。TiSiCN層30の厚みは、3.0μm以上14μm以下がより好ましく、4.0μm以上13μm以下が更に好ましい。TiSiCN層30の厚みの測定方法は以下の通りである。
上記TiSiCN層30は複数の硬質粒子からなり、該硬質粒子は、珪素の濃度が相対的に高い層と低い層とが交互に積層したラメラ構造を有することが好ましい。これによって、硬質粒子内に歪みが生じ、被膜3の表面に切削に伴う亀裂が発生したとしても、その亀裂の基材2への進展が効果的に抑制される。また、硬質粒子及びTiSiCN層30の硬度が高くなり、切削工具1の耐摩耗性が向上する。その為、切削工具1は、特に鋼の断続を含む旋削加工においてもより長い工具寿命を有することができる。切削工具1において、「TiSiCN層30は複数の硬質粒子からなり、該硬質粒子は、珪素の濃度が相対的に高い層と低い層とが交互に積層したラメラ構造を有すること」は、以下の(A3)~(F3)の方法で確認される。
上記ラメラ構造の周期幅の平均は、3nm以上20nm以下であることが好ましい。これによって、珪素高濃度層と珪素低濃度層との間の歪みを維持し、耐欠損を向上させることができる為、切削工具1は特に鋼の断続を含む旋削加工においても、より長い工具寿命を有することが可能となる。ここで、ラメラ構造の周期幅とは、1つの珪素高濃度層から、該1つの珪素高濃度層に隣接する珪素低濃度層を挟んで隣接する他の珪素高濃度層までの距離をいう。なお、この距離は、珪素高濃度層および他の珪素高濃度層の各層の厚み方向の中点を結ぶ距離とする。ラメラ構造の周期幅の平均とは、上記(C3)で設定した測定領域内で測定された全てのラメラ構造の周期幅の平均を意味する。
TiSiCN層30は、立方晶型の結晶構造を90体積%以上有することが好ましい。これによって、TiSiCN層30はより高い硬度を有することができる為、切削工具1はより優れた耐摩耗性を有することができる。TiSiCN層30は、立方晶型の結晶構造を92体積%以上有することがより好ましく、94体積%以上有することが更に好ましい。TiSiCN層30は、立方晶型の結晶構造を100体積%有することが最も好ましいが、製造上の観点で、98体積%以下、96体積%以下、95体積%以下有することができる。TiSiCN層30は、立方晶型の結晶構造を90体積%以上100体積%以下有することが好ましく、92体積%以上98体積%以下有することがより好ましく、94体積%以上96体積%以下有することが更に好ましい。TiSiCN層30に占める立方晶型の結晶構造の割合(百分率)は、電子線後方散乱回折装置をつかった組織観察により求められる。具体的には、先ず上記(A4)から上記(C4)を実行することにより、測定点を求める。なお、方位マッピング像(カラーマップ)において、立方晶型の結晶部分は「黒色以外」で表示される一方で、立方晶型の結晶部分以外の部分は「黒色」で表示される。該方位マッピング像中の「黒色以外」の部分の面積率を算出することにより、TiSiCN層30に占める立方晶型の結晶構造の割合(百分率)は求められる。
本実施形態の切削工具の製造方法について図14~18を用いて説明する。本実施形態の切削工具の製造方法は、実施形態1に記載の切削工具の製造方法であって、
基材を準備する第1工程と、
該基材上に被膜を形成する第2工程と、を備え、
該第2工程は、CVD装置を用いたCVD法により上記TiSiCN層を形成する第2a工程を含む。
第1工程において、基材を準備する。例えば、基材として超硬合金を用いる場合は、市販の基材を用いてもよく、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。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、WC-Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。
次に、第2工程において、上記基材上に被膜を形成する。被膜の形成は、例えば図14に示されるCVD装置を用いて行う。CVD装置50内には、基材10を保持した基材セット治具52を複数設置することができ、これらは耐熱合金鋼製の反応容器53でカバーされる。また、反応容器53の周囲には調温装置54が配置されており、この調温装置54により、反応容器53内の温度を制御することができる。
上記第2a工程においては、CVD装置を用いたCVD法により上記TiSiCN層を形成する。該第2a工程は、TiCl4ガス、SiCl4ガス及びCH3CNガスを該基材の表面に向かって噴出する第2a-1工程を含み、該TiCl4ガスは、該CVD装置のノズルに設けられた複数の第2噴射孔から噴出され、該SiCl4ガスは、該ノズルに設けられた複数の第1噴射孔から噴出される。該CH3CNガスは、上記ノズル56が更に他の一つの導入口(図示せず)を有する場合においては、該ノズルに設けられた複数の第3噴射孔63(図18)から噴出される。また、CH3CNガスは、上記ノズル56が更に他の一つの導入口(図示せず)を有さない場合においては、該CH3CNガスは、上記複数の第1噴射孔および上記複数の第2噴射孔から噴出される。また、該第2a-1工程において、該ノズルは回転する。
「XrおよびXeを調整するための条件」に関し、図15~図17を用いて以下に説明する。図15は、上記図14の領域XVにおける拡大図である。図16は、図15のノズルの端面図であり、図15のXVI-XVI線矢視方向から見た端面図である。図17は、図15のノズルの端面図であり、図15のXVII-XVII線矢視方向から見た端面図である。本工程において、上記第1噴射孔61は、CVD装置50内で最も近接する基板2のすくい面の高さ位置HPを基準として、該高さ位置HPから上記第1噴射孔61の最下端までの距離(言い換えれば、すくい面からの高さd1)を3mm以上15mm以下とする(図15、16)。これに対し、上記第2噴射孔62は、CVD装置50内で最も近接する基板2のすくい面の高さ位置HPを基準として、該高さ位置HPから上記第2噴射孔62の最下端までの距離(言い換えれば、すくい面からの高さd2(図示なし))が0mm以上2mm以下とする(図15、17)。これらによって、上記第2噴射孔62は、上記基板の切れ刃領域に相対的に近接する為、該第2噴射孔62から噴出されるTiCl4ガスは相対的に切れ刃領域に蒸着され易くなる一方で、相対的にすくい面に蒸着され難くなる。その結果として、該第1噴射孔61から噴出されるSiCl4ガスは、相対的にすくい面に蒸着され易くなる。また、第1噴射孔において、SiCl4ガスの流量は、1.0ml/min以上6.0ml/min未満とする。これによって、特にすくい面において、SiCl4の過度な蒸着を抑えることができる。これらにより、「該TiSiCN層は、該すくい面に位置する第1のTiSiCN層と、該切れ刃領域に位置する第2のTiSiCN層と、を有し、該第1のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xr)SiXrCNであり、該第2のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xe)SiXeCNであり、該Xrおよび該Xeは、それぞれ0.010以上0.100以下であり、且つXr-Xe≧0.003の関係を満たす」ことができる。このことは、本発明者らが鋭意検討の結果、新たに見出したものである。
本工程において、上記ノズル56が更に他の一つの導入口(図示せず)を有する場合において、上記第1噴射孔から噴出されるガスの組成を、SiCl4、H2、N2とし、且つ上記第2噴射孔から噴出されるガスの組成を、TiCl4、H2、N2とし、且つ上記第3噴射孔から噴出されるガスの組成を、CH3CN、H2とすることができる。これによって、上記TiSiCN層は複数の硬質粒子からなり、該硬質粒子は、珪素の濃度が相対的に高い層と低い層とが交互に積層したラメラ構造を有することができる。
本工程において、上記ノズルの回転速度は、1rpm以上20rpm以下とすることができる。これによって、「ラメラ構造の周期幅の平均」を所望の範囲に調整することができる。なお、上記ノズルの回転速度は、1.5rpm以上9.0rpm以下とすることが好ましい。これによって、「ラメラ構造の周期幅の平均」を「3nm以上20nm以下」とすることができる。
本工程において、成膜温度は、800℃以上860℃以下とすることができる。これによって、TiSiCN層を柱状構造とすることができる。
本工程において、炉内圧力は、10mbar以上65mbar以下とすることができる。これによって、上記TiSiCN層に占める立方晶型の結晶構造の割合(百分率)を所望の範囲に調整することができる。
本工程において、成膜時間は、2時間以上25時間以下とすることができる。これによって、上記TiSiCN層の厚みを所望の範囲に調整することができる。なお、成膜時間は、4.0時間以上20.0時間以下であることが好ましい。これによって、TiSiCN層の厚みを2.0μm以上15μm以下とすることができる。
TiSiCN層の形成中、反応ガスの総ガス流量は、例えば、120~200L/分とすることができる。ここで「総ガス流量」とは、標準状態(0℃、1気圧)における気体を理想気体とし、単位時間当たりにCVD炉に導入された全容積流量を示す。
上記の工程に加えて、表面研削、ショットブラストなどの表面処理工程を行うことができる。
≪切削工具の作製≫
<第1工程>
基材として、超硬合金製の旋削用切削チップCo(6wt%)―VC(0.2wt%)-Cr3C2(0.4wt%)―WC(残り)からなる原料粉末を均一に混合し、所定の形状に加圧成形した後、1300-1500℃で1-2時間焼結することでCNMG120408N-GU(住友電工ハードメタル社製)の基材を得た。
試料1-1~1-12、1-12-2、1-101~1-104の切削工具を作製する為、上記で得られた各基材に対してその表面に下地層(TiN層)を形成した。具体的には基材を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットし、基材上に化学気相蒸着法により下地層を形成した。なお、下地層の形成条件は、以下の表1に記載した通りであった。
上記で得られた各基材に対してその表面に被膜を形成した。具体的には、基材を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットすることにより、基材上に化学気相蒸着法により被膜を形成した。なお、被膜の形成条件は、以下の表2に記載した通りであった。
試料1-1~1-12-1、1-101~1-104の切削工具を作製する為、上記で得られた各TiSiCN層に対してその表面に中間層(TiCNO層)および表面層(Al2O3層)を形成した。具体的には各試料を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットし、表3に記載した中間層の形成条件で化学気相蒸着法を実行することにより、TiSiCN層上に中間層を形成した後、表4に記載した表面層の形成条件で化学気相蒸着法を実行することにより、中間層上に表面層を形成した。
各試料の切削工具について、Xr、Xe、A:B、ラメラ構造の周期幅の平均、TiSiCN層が柱状構造であるか否か、立方晶構造の含有率、およびTiSiCN層の厚みを測定した。
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、上記Xrを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表2の「Xr(すくい面)」の欄に記す。また、試料1-1~1-12、1-101~1-104の切削工具について、上記Xeを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「Xe(切れ刃)」の欄に記す。
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、第1のTiSiCN層における上記A:Bを実施形態1に記載の方法により求めた。その結果、試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具の全てについて、第1のTiSiCN層におけるA:Bとの比は、A:B=1:0.8~1.1であることが確認された。また、試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、第2のTiSiCN層における上記A:Bを実施形態1に記載の方法により求めた。その結果、試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具の全てについて、第2のTiSiCN層におけるA:Bとの比は、A:B=1:0.8~1.1であることが確認された。
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、ラメラ構造の周期幅の平均を実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「周期幅の平均[nm]」の欄に記す。
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、TiSiCN層が柱状構造であるか否かを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「断面組織」の欄に記す。表5の「断面組織」の欄において、「柱状構造」とは「TiSiCN層が柱状構造である」こと(言い換えれば、硬質粒子の平均アスペクト比が3以上であること)を指し、「粒状構造」とは「TiSiCN層が柱状構造でない」こと(言い換えれば、硬質粒子の平均アスペクト比が3未満であること)を指す。
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、TiSiCN層における立方晶型の結晶構造の含有率を実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「立方晶の含有率[体積%]」の欄に記す。
試料1-1~1-12、1-12-2、1-101~1-104の切削工具について、下地層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「下地層の厚み[μm]」の欄に記す。試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具について、TiSiCN層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「TiSiCN層の厚み[μm]」の欄に記す。試料1-1~1-12-1、1-101~1-104の切削工具について、中間層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「中間層の厚み[μm]」の欄に記す。試料1-1~1-12-1、1-101~1-104の切削工具について、表面層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表5の「表面層の厚み[μm]」の欄に記す。
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の切削工具を用いて、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに切れ刃の最終損傷形態を観察した。得られた結果をそれぞれ表5の「工具寿命[分]」の欄に記す。切削時間が長いもの程、工具寿命が長くなっていることを示す。
被削材:SCM415丸棒材
周速:200m/min
送り速度:0.3mm/rev
切込み量:1.5mm
切削液:あり
当該切削条件は、鋼の断続を含む旋削加工に該当する。
試料1-1~1-12-3の切削工具は、実施例に該当する。一方、試料1-101~1-104は、比較例に該当する。試料1-1~1-12-3の切削工具(実施例)は、試料1-101~1-104の切削工具(比較例)に比して、鋼の断続を含む旋削加工においても長い工具寿命を有することが確認された。
≪切削工具の作製≫
<第1工程>
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の基材と同一の基材を準備した。
試料2-1~2-11、2-11-2、2-101~2-104の切削工具を作製する為、上記で得られた各基材に対してその表面に下地層(TiN層)を形成した。具体的には基材を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットし、基材上に化学気相蒸着法により下地層を形成した。なお、下地層の形成条件は、以下の表6に記載した通りであった。
上記で得られた各基材に対してその表面に被膜を形成した。具体的には、基材を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットすることにより、基材上に化学気相蒸着法により被膜を形成した。なお、被膜の形成条件は、以下の表7に記載した通りであった。
試料2-1~2-11-1、2-101~2-104の切削工具を作製する為、上記で得られた各TiSiCN層に対してその表面に中間層(TiCNO層)および表面層(Al2O3層)を形成した。具体的には各試料を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットし、表8に記載した中間層の形成条件で化学気相蒸着法を実行することにより、TiSiCN層上に中間層を形成した後、表9に記載した表面層の形成条件で化学気相蒸着法を実行することにより、中間層上に表面層を形成した。
各試料の切削工具について、Xr、Xe、A:B、ラメラ構造の周期幅の平均、TiSiCN層が柱状構造であるか否か、立方晶構造の含有率、およびTiSiCN層の厚みを測定した。
試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具について、上記Xrを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「Xr(すくい面)」の欄に記す。また、試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具について、上記Xeを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「Xe(切れ刃)」の欄に記す。
試料2-1~2-11、2-101~2-104の切削工具について、上記A:Bを実施形態1に記載の方法により求めた。その結果、試料2-1~2-11、2-101~2-104の切削工具の全てについて、A:Bとの比は、A:B=1:0.8~1.1であることが確認された。また、試料2-1~2-11、2-101~2-104の切削工具について、第2のTiSiCN層における上記A:Bを実施形態1に記載の方法により求めた。その結果、試料2-1~2-11、2-101~2-104の切削工具の全てについて、第2のTiSiCN層におけるA:Bとの比は、A:B=1:0.8~1.1であることが確認された。
試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具について、ラメラ構造の周期幅の平均を実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「周期幅の平均[nm]」の欄に記す。
試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具について、TiSiCN層が柱状構造であるか否かを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「断面組織」の欄に記す。表10の「断面組織」の欄において、「柱状構造」とは「TiSiCN層が柱状構造である」こと(言い換えれば、硬質粒子の平均アスペクト比が3以上であること)を指し、「粒状構造」とは「TiSiCN層が柱状構造でない」こと(言い換えれば、硬質粒子の平均アスペクト比が3未満であること)を指す。
試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具について、TiSiCN層における立方晶型の結晶構造の含有率を実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「立方晶の含有率[体積%]」の欄に記す。
試料2-1~2-11、2-11-2、2-101~2-104の切削工具について、下地層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「下地層の厚み[μm]」の欄に記す。試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具について、TiSiCN層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「TiSiCN層の厚み[μm]」の欄に記す。試料2-1~2-11-1、2-101~2-104の切削工具について、中間層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「中間層の厚み[μm]」の欄に記す。試料2-1~2-11-1、2-101~2-104の切削工具について、表面層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表10の「表面層の厚み[μm]」の欄に記す。
試料2-1~2-11-3、2-101~2-104の切削工具を用いて、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに切れ刃の最終損傷形態を観察した。得られた結果をそれぞれ表10の「工具寿命[分]」の欄に記す。切削時間が長いもの程、工具寿命が長くなっていることを示す。
被削材:S50C丸棒材
周速:220m/min
送り速度:0.3mm/rev
切込み量:1.5mm
切削液:あり
当該切削条件は、鋼の断続を含む旋削加工に該当する。
試料2-1~2-11-3の切削工具は、実施例に該当する。一方、試料2-101~2-104は、比較例に該当する。試料2-1~2-11-3の切削工具(実施例)は、試料2-101~2-104の切削工具(比較例)に比して、鋼の断続を含む旋削加工においても長い工具寿命を有することが確認された。
≪切削工具の作製≫
<第1工程>
試料1-1~1-12-3、1-101~1-104の基材と同一の基材を準備した。
試料3-1~3-10、3-10-2、3-101~3-104の切削工具を作製する為、上記で得られた各基材に対してその表面に下地層(TiN層)を形成した。具体的には基材を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットし、基材上に化学気相蒸着法により下地層を形成した。なお、下地層の形成条件は、以下の表11に記載した通りであった。
上記で得られた各基材に対してその表面に被膜を形成した。具体的には、基材を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットすることにより、基材上に化学気相蒸着法により被膜を形成した。なお、被膜の形成条件は、以下の表12に記載した通りであった。
試料3-1~3-10-1、3-101~3-104の切削工具を作製する為、上記で得られた各TiSiCN層に対してその表面に中間層(TiCNO層)および表面層(Al2O3層)を形成した。具体的には各試料を化学気相蒸着装置の反応炉内にセットし、表13に記載した中間層の形成条件で化学気相蒸着法を実行することにより、TiSiCN層上に中間層を形成した後、表14に記載した表面層の形成条件で化学気相蒸着法を実行することにより、中間層上に表面層を形成した。
各試料の切削工具について、Xr、Xe、A:B、ラメラ構造の周期幅の平均、TiSiCN層が柱状構造であるか否か、立方晶構造の含有率、およびTiSiCN層の厚みを測定した。
試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、上記Xrを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「Xr(すくい面)」の欄に記す。また、試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、上記Xeを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「Xe(切れ刃)」の欄に記す。
試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、上記A:Bを実施形態1に記載の方法により求めた。その結果、試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具の全てについて、A:Bとの比は、A:B=1:0.8~1.1であることが確認された。また、試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、第2のTiSiCN層における上記A:Bを実施形態1に記載の方法により求めた。その結果、試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具の全てについて、第2のTiSiCN層におけるA:Bとの比は、A:B=1:0.8~1.1であることが確認された。
試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、ラメラ構造の周期幅の平均を実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「周期幅の平均[nm]」の欄に記す。
試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、TiSiCN層が柱状構造であるか否かを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「断面組織」の欄に記す。表15の「断面組織」の欄において、「柱状構造」とは「TiSiCN層が柱状構造である」こと(言い換えれば、硬質粒子の平均アスペクト比が3以上であること)を指し、「粒状構造」とは「TiSiCN層が柱状構造でない」こと(言い換えれば、硬質粒子の平均アスペクト比が3未満であること)を指す。
試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、TiSiCN層における立方晶型の結晶構造の含有率を実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「立方晶の含有率[体積%]」の欄に記す。
試料3-1~3-10、3-10-2、3-101~3-104の切削工具について、下地層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「下地層の厚み[μm]」の欄に記す。試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具について、TiSiCN層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「TiSiCN層の厚み[μm]」の欄に記す。試料3-1~3-10-1、3-101~3-104の切削工具について、中間層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「中間層の厚み[μm]」の欄に記す。試料3-1~3-10-1、3-101~3-104の切削工具について、表面層の厚みを実施形態1に記載の方法により求めた。得られた結果をそれぞれ表15の「表面層の厚み[μm]」の欄に記す。
試料3-1~3-10-3、3-101~3-104の切削工具を用いて、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに切れ刃の最終損傷形態を観察した。得られた結果をそれぞれ表15の「工具寿命[分]」の欄に記す。切削時間が長いもの程、工具寿命が長くなっていることを示す。
被削材:SUJ2丸棒材
周速:200m/min
送り速度:0.3mm/rev
切込み量:1.5mm
切削液:あり
当該切削条件は、鋼の断続を含む旋削加工に該当する。
試料3-1~3-10-3の切削工具は、実施例に該当する。一方、試料3-101~3-104は、比較例に該当する。試料3-1~3-10-3の切削工具(実施例)は、試料3-101~3-104の切削工具(比較例)に比して、鋼の断続を含む旋削加工においても長い工具寿命を有することが確認された。
Claims (6)
- 基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記切削工具は、
すくい面、
前記すくい面に連なる逃げ面、および、
前記すくい面と前記逃げ面との境界部分からなる切れ刃領域を含み、
前記被膜は、TiSiCN層を含み、
前記TiSiCN層は、
前記すくい面に位置する第1のTiSiCN層と、
前記切れ刃領域に位置する第2のTiSiCN層と、を有し、
前記第1のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xr)SiXrCNであり、
前記第2のTiSiCN層の組成は、Ti(1-Xe)SiXeCNであり、
前記Xrおよび前記Xeは、それぞれ0.010以上0.100以下であり、且つXr-Xe≧0.003の関係を満たす、切削工具。 - 前記TiSiCN層は複数の硬質粒子からなり、
前記硬質粒子は、珪素の濃度が相対的に高い層と低い層とが交互に積層したラメラ構造を有する、請求項1に記載の切削工具。 - 前記ラメラ構造の周期幅の平均は、3nm以上20nm以下である、請求項2に記載の切削工具。
- 前記TiSiCN層は、柱状構造である、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TiSiCN層は、立方晶型の結晶構造を90体積%以上有する、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TiSiCN層の厚みは、2.0μm以上15μm以下である、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。
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