JPWO2019181792A1 - インサート及びこれを備えた切削工具 - Google Patents

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Abstract

本開示のインサートは、基体と、該基体の表面を被覆する被覆層とを具備する。前記基体は、Tiを含む炭窒化物を含有する硬質相と、Coを含有する結合相と、を有する。前記基体と前記被覆層との間に、CとTiとWとを含有し、C>Ti>Wの関係を満たすCTiW化合物が位置している。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ポケットに位置する上述のインサートとを備える。【選択図】図2

Description

本開示は、切削加工において用いられるインサート及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、耐チッピング性を必要とする部材の基体として、チタン(Ti)を主成分とするサーメットが広く使われている。
例えば、特許文献1では、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)を主体とする結合相成分を含有し、表面部に金属結合相構成成分からなる溶出合金相を形成し、さらにその上に拡散防止作用を有するTiN層を設けることで、欠けやチッピングの発生を抑制した表面被覆炭窒化チタン基サーメット製切削工具が開示されている。
特許第5989930号
本開示のインサートは、基体と、該基体の表面を被覆する被覆層とを具備する。前記基体は、Tiを含む炭窒化物を含有する硬質相と、Coを含有する結合相と、を有する。前記基体と前記被覆層との間に、CとTiとWとを含有し、C>Ti>Wの関係を満たすCTiW化合物が位置している。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ポケットに位置する上述のインサートとを備える。
図1は、本開示のインサートの一例を示す斜視図である。 図2は、本開示のインサート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。
<インサート>
以下、本開示のインサートについて、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、本開示のインサートは、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。
本開示のインサート1は、図1、2に示すように基体3を有する。本開示のインサート1は基体3の少なくとも一部を覆う被覆層5を具備している。
本開示のインサート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。
本開示のインサート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。
インサート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、インサート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。
インサート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、インサート1の厚みは、例えば1〜20mm程度に設定される。
本開示のインサート1の基体3は、Tiを含む炭窒化物を含有する硬質相と、Coを含有する結合相と、を含有するサーメットからなる。サーメットは、いわゆるTiCN基サーメットである。具体的には、サーメットとして、TiCNに加え、TiC又はTiN等を含有するものが挙げられる。
また、本開示のインサート1は、図2に示すように基体3の上に被覆層5を有している。このようにインサート1が被覆層5を有するため、インサート1の耐摩耗性が高い。
被覆層5は、CVD法やPVD法によって形成されるものであってもよい。被覆層5は、基体3に近い側から、例えば、複数のTiN粒子を含む第1層5a、複数のTiCN粒子を含む第2層5b、複数のAl23粒子を含む第3層5cの順番で配置してもよい。
本開示のインサート1は、図2に示すように、基体3と被覆層5との間に、CとTiとWとを含有し、atm%における含有量が、C>Ti>Wの関係を満たすCTiW化合物25が位置している。
CTiW化合物25は、CとTiとWとを総和で80atm%以上含有し、Cを58〜80atm%、Tiを7〜25atm%、Wを1〜15atm%含有していてもよい。
以上説明したCTiW化合物25を有する本開示のインサート1は、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れる。
また、基体は、Co0.930.07を含有していてもよい。これにより、耐摩耗性、耐欠損性に優れたインサート1となる。なお、Co0.930.07は、JCPDSカードのPDF:01−071−7509で示される結晶である。
本開示のインサート1は、X線回折による結晶相解析において、総結晶に占める、前記Co0.930.07の割合が、5〜10であってもよい。また、8〜10であってもよい。このようにCo0.930.07の含有量が多いと、基体3の耐摩耗性、耐欠損性が高い。
上記のCo0.930.07の割合は、X線装置:PANalytical社製 X’Pert Pro 2θ:10〜100、解析ソフトRIETAN−FPを用いたリードベルト法により、検出された全ての結晶の割合にしめるCo0.930.07の割合を計算したものである。
また、本開示のインサート1は、結合相の総量に占めるCoの含有量を99.0質量%以上としてもよい。また、さらに99.5質量%以上としてもよい。結合相としては、Co以外に、Fe、Ni等を含むことができる。結合相が、Co、Fe、Niを含むものである場合、このCoの含有量(質量%)は、インサートに含まれるCo、Fe、Niの質量を測定し、その総量でCoの質量を割って100倍した値である。言い換えると、本開示のインサート1に含まれる結合相中のFeおよびNiの総量は1質量%未満としてもよい。このように結合相として機能する金属をほぼCoのみとすると、Co0.930.07が基体3に適度に分散し、耐摩耗性、耐欠損性が高い基体3が得られやすい。結合相がCoのみである場合、例えば、硬質相の原料粉末として平均粒径は、1μm以下、さらには、0.6μm以下であってもよい。なお、基体3に占めるCoの含有量は、16質量%以上であってもよい。
また、結合相として、FeおよびNiを含むときには、硬質相と結合相の濡れ性が向上する。 また、第1層5aは、基体3の表面に垂直な断面において、TiN粒子の基体3の表面に平行な方向の幅(以下、TiN粒子の幅ともいう)を25nmとしてもよい。このような構成を有すると第1層5aと基体3との密着性が優れる。また、第1層5aとCTiW化合物25との密着性が優れる。また、被覆膜5は、耐摩耗性に優れる。
なお、TiN粒子の幅の測定は、基体3の表面から、0.05μmの位置で測定するとよい。また、基体3が第1化合物21で覆われている場合には、第1化合物21の表面から0.05μmの位置で測定するとよい。第1層5aの厚みが、0.05μm以下の場合には、第1層5aの厚みの半分の位置でTiN粒子の幅を測定するとよい。また、TiN粒子の幅は、上記の位置で測定した20個のTiN粒子の幅の平均値である。
また、基体3の表面に垂直な断面における、基体3の表面に平行な方向のTiN粒子の幅に対する、基体の表面に垂直な方向のTiN粒子の高さの比(以下、アスペクト比ともいう)が、1.0〜1.7の範囲であってもよい。このような構成を有すると、第1層5aと基体3との密着力が優れる。
なお、TiN粒子のアスペクト比は、基体3の表面から、0.05μmまでの位置に存在するTiN粒子で測定するとよい。アスペクト比は、TiN粒子の20個の平均値である。
また、第1層5aの厚みは、0.1〜1.0μmであってもよい。第1層5aの厚みが、0.1μm以上であると、基体3に含まれる結合相成分が被膜へ拡散することを抑制し、耐チッピング性に優れる。第1層5aの厚みが、1.0μm以下であると、上層の第2層5bに含まれるTiCN粒子が微細になり耐摩耗性に優れる。特に、第1層5aの厚みは、0.3〜0.7μmとしてもよい。
図2に示す例では、インサート1は、基体3の上に第1層5aを有している。また、第1層5aの上に第2層5bを有している。TiCN層5bにはTiCN結晶であるTiCN粒子が含まれている。基体3は、25〜1000℃における熱膨張係数が9.0×10-6/℃以上であってもよい。TiCN結晶の熱膨張係数は、8×10-6/℃程度であり、基体3の熱膨張係数を9.0×10-6/℃以上とすると、第2層5bの熱膨張係数は基体3の熱膨張係数よりも小さい。第2層5bは、基体3と第1層5cとの間にあって、第1層5c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。
第3層5cにはAl23結晶であるAl23粒子が含まれている。Al23結晶の熱膨張係数は、7.2×10-6/℃程度であり、基体3及び第2層5bの熱膨張係数よりも小さい。基体3と第2層5bとは、直接接触していてもよく、両者の間に、例えば、図2の例のように第1層5aが位置していてもよい。この第1層5aは、純粋なTiN粒子のみから構成される必要はなく、例えば、OやCを含有していてもよい。また、第2層5bと第3層5cとは直接接触していてもよく、両者の間に、例えば、TiN層(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インサート1では、基体3の熱膨張係数と、第3層5cの厚みを調整することで、第2層5b及び第3層5cに適度な圧縮応力を掛けることができる。例えば、第3層5cの厚みは、2μm以上である。
そして、第2層5bに掛かる圧縮応力を250〜500MPaとし、第3層5cに掛かる圧縮応力を450MPa以上とし、第2層5bに掛かる圧縮応力よりも第3層5cに掛かる圧縮応力の値を大きくしてもよい。このような構成を有すると、インサート1は、耐摩耗性及び耐久性に優れる。
なお、第2層5b及び第3層5c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。
ここで、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、第2層5b及び第3層5c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を構成する第2層5bと第3層5cとを比較すると、第3層5cの方が基体3から離れた位置にある。したがって、このような構成を有する切削工具1を用いて被加工物を加工するとき、第2層5bよりも先に第3層5cが被加工物と接触することになる。第3層5cが、Al23粒子を含むものであり、2μm以上の厚みを有するときに、耐摩耗性、耐酸化性が高い。また、第3層5cの厚みは、2.5μm以上、8.0μm以下としてもよい。このような構成を有するインサート1は、さらに耐摩耗性及び耐酸化性に優れる。
第2層5bと第3層5cの機能を考慮すると、第2層5bの厚みと第3層5c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。
第2層5b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、インサート1は、耐摩耗性と耐チッピング性に優れる。
また、第3層5cの厚みは、第2層5bの厚みと第3層5cの厚みの和に対して、0.2〜0.4倍としてもよい。このような構成のインサート1は、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れる。
また、第3層5cは、基体3の主面に垂直な方向に沿うように、Al23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−Al23結晶を含有しており、そのα−Al23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。また、本開示のインサート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。
以下に本開示のインサートの製造方法を説明する。
表1に、後述する実施例で用いたインサートの基体となる原料粉末の割合を示す。各原料の平均粒径は、全て1μm以下のものを用いた。これらの原料粉末は、一般的に、サーメットの製造で用いられるものである。
本開示のインサートは、基体の組成及び被覆層の生成条件を工夫することで得ることができる。また、被覆膜はCVD法によって形成するとよい。
基体の原料の調合の際に、含有するCの量を調整することで、Co0.930.07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、Co0.930.07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Co0.930.07が減少することを抑制できる。
なお、原料中のCの量とは、炭素として加えるC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。
基体は、25〜1000℃における熱膨張係数が9.0×10-6以上とするとよい。
次に、被覆層を設ける。被覆層を設ける場合には、例えば、基体の表面に第1層を形成する。さらに第1層の上に、第2層を形成する。さらに、その上に第3層を形成する。第1層、第2層及び第3層は、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、基体の表面に平行な方向の幅が25nm未満の微細なTiN粒子を有する第1層を得るには、基体に含まれる結合相成分のうち、Coの比率を99.0質量%以上とするとよい。
CTiW化合物を基体と被覆層の間に生成させるには、基体の上に第1層を形成する成膜条件でTiCl4濃度を1.0mol%とするとよい。また、基体に含まれる結合相において、Coの割合が97.0質量%以上となる組成とし、基体に含まれるCoの量を10質量%以上とするとよい。
第1層は、例えば、温度:800〜900℃、圧力8〜20kPa、TiCl4濃度:1.0〜2.5mol%、N2濃度:25.0〜49.9mol%、H2濃度40.0〜74.8mol%の条件で製膜するとよい。
また、あるいは、予め、作製しておいたCTiW化合物を所望に応じて基体の表面に付着させ、その後、被覆膜を形成することで本開示のインサートを得ることもできる。
<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、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、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、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101に上記の実施形態のインサート1を用いてもよい。
以下に、本開示のインサートについて、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、バインダー成分を除去した後、焼成して、基体を作製した。これらの試料のうち、試料No.1〜14の基体は、いわゆるサーメットである。試料No.15の基体は、いわゆる超硬合金である。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。
焼成工程を経て得られた、これらの基体の表面について、観察したところ、いずれの基体についてもCTiW化合物は確認されなかった。基体は、結合相富化層を有していた。
Figure 2019181792
これらの基体の表面に、CVD蒸着法にて、表2に示す成膜条件で第1層を形成した。さらに第1層の上に第2層を形成した。さらに、第2層の上に第3層を形成した。
得られたインサートの断面をJOEL社製透過型分析電子顕微鏡JEM−2010F(UHR)を用いて、80,000倍〜200,000倍に拡大して観察することで基体と被覆層の間のCTiW化合物の有無を確認した。また、第1層のTiN粒子の形状を測定した。また、X線回折により、基体がCo0.930.07を含有するか否かを確認した。なお、各化合物の組成は、同装置を用いた薄膜定量法で確認した。表2に各試料におけるCTiW化合物の有無を示す。
Figure 2019181792
第1層の成膜条件において、TiCl4濃度が、1.0mol%以上である試料No.4〜5、8は、基体と被覆膜の間にCTiW化合物を有していた。
CTiW化合物は、CとTiとWとを総和で80atm%以上含有し、Cを58〜80atm%、Tiを7〜25atm%、Wを1〜15atm%含有していた。
なお、基体として、超硬合金を用いた試料No.15では、CTiW化合物は確認されなかった。
得られたインサートは、以下の条件で、切削試験を行った。
(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)
CTiW化合物を有する試料は優れた耐摩耗性、耐チッピング性を示した。また、TiN粒子の幅が、25nm以下の試料も優れた耐摩耗性、耐チッピング性を示した。
以上説明した、本開示のインサート及びこれを備えた切削工具は、一例であり、本願の要旨を逸脱しない限り、異なる構成を有していてもよい。
1・・・インサート
3・・・基体
5・・・被覆膜
5a・・第1層
5b・・第2層
5c・・第3層
7・・・切刃
17・・貫通孔
25・・CTiW化合物
101・・・切削工具
103・・・ポケット
105・・・ホルダ
107・・・固定ネジ

Claims (10)

  1. 基体と、該基体の表面を被覆する被覆層とを具備するインサートであって、
    前記基体は、
    Tiを含む炭窒化物を含有する硬質相と、
    Coを含有する結合相と、
    を有し、
    前記基体と前記被覆層との間に、CとTiとWとを含有し、C>Ti>Wの関係を満たすCTiW化合物が位置している、インサート。
  2. 前記CTiW化合物は、前記Cと前記Tiと前記Wとを総和で80atm%以上含有し、前記Cを58〜80atm%、前記Tiを7〜25atm%、前記Wを1〜15atm%含有する請求項3に記載のインサート。
  3. 前記基体は、Co0.930.07を含有する、請求項1または2に記載のインサート。
  4. 前記被覆層は、基体側にTiN粒子を有する第1層層を有し、該TiN粒子は、前記基体の表面に垂直な断面における前記基体の表面に平行な方向の幅が25nm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TiN粒子は、前記基体の表面に垂直な断面における、前記基体の表面に平行な方向の前記TiN粒子の幅に対する、前記基体の表面に垂直な方向のTiN粒子の高さの比が、1.0〜1.7である、請求項1〜4のいずれかに記載のインサート。
  6. 前記基体は、
    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、
    前記第1層と、
    該第1層の上に位置し、TiCNを含有する第2層と、
    該第2層の上に位置し、Al23を含有する第3層と、を有し、
    前記2層は、
    圧縮応力が250〜500MPaであり、
    前記3層は、
    2μm以上の厚みを有し、圧縮応力が450MPa以上であり、前記第2層よりも圧縮応力の値が大きい、請求項4または5に記載のインサート。
  7. 前記第3層は、厚みが2.5μm以上、8.0μm以下である、請求項6に記載のインサート。
  8. 前記第2層は、厚みが5μm以上、10μm以下である、請求項6または7に記載のインサート。
  9. 前記第3層の厚みは、前記第2層の厚みと前記第3層の厚みの和の0.2〜0.4倍の範囲である、請求項6〜8のいずれかに記載のインサート。
  10. 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1〜9のいずれかに記載のインサートと、を備えた切削工具。
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