JPWO2020070967A1 - 表面被覆切削工具及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第1単位層と第2単位層とが交互に積層された交互層を含み、
前記第1単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は0.65以上0.95以下であり、
前記第2単位層はバナジウム及びアルミニウムを含む窒化物からなり、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記アルミニウムの原子数の比は0.40以上0.75以下である、表面被覆切削工具である。
上記に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
前記基材上に、前記被覆層を形成する工程と、を備え、
前記被覆層を形成する工程は、物理的蒸着法を用いて前記第1単位層と前記第2単位層とを交互に積層することにより前記交互層を形成する工程を含む、表面被覆切削工具の製造方法である。
航空機のエンジン等に用いられるインコネル(登録商標)等に代表される耐熱合金は、Crを含有する場合が多い。上述の特許文献1及び特許文献2の被覆層はCrを含む。従って、これらの切削工具を用いて耐熱合金を切削した場合、被覆層中のCrと被削材中のCrとが相互拡散して、被覆層の損傷が加速される傾向がある。
[本開示の効果]
上記態様によれば、特に難削材の加工においても、長寿命を達成することができる表面被覆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。
基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第1単位層と第2単位層とが交互に積層された交互層を含み、
前記第1単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は0.65以上0.95以下であり、
前記第2単位層はバナジウム及びアルミニウムを含む窒化物からなり、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記アルミニウムの原子数の比は0.40以上0.75以下である、表面被覆切削工具である。
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記珪素の原子数の比は0よりも大きく0.20以下であることが好ましい。
(4)前記第2単位層は珪素を含み、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記珪素の原子数の比は0よりも大きく0.20以下であることが好ましい。
(5)前記第1単位層は硼素を含み、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記硼素の原子数の比は0よりも大きく0.10以下であることが好ましい。
(6)前記第2単位層は硼素を含み、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記硼素の原子数の比は0よりも大きく0.10以下であることが好ましい。
(7)前記第1単位層はバナジウムを含み、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記バナジウムの原子数の比は0よりも大きく0.30以下であることが好ましい。
(8)前記第1単位層及び前記第2単位層は、それぞれ1層の厚みが0.002μm以上0.2μm以下であることが好ましい。これによると、クラックの進展を抑制することができる。
前記下地層は、前記第1単位層又は前記第2単位層と同一の組成を有することが好ましい。
前記表面層は、バナジウム及びアルミニウムを含む炭窒化物からなり、
前記表面層において、前記表面層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記アルミニウムの原子数の比は0.40以上0.75以下であることが好ましい。
(12)本開示の他の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記(1)から(11)のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
前記基材上に、前記被覆層を形成する工程と、を備え、
前記被覆層を形成する工程は、物理的蒸着法を用いて前記第1単位層と前記第2単位層とを交互に積層することにより前記交互層を形成する工程を含む、表面被覆切削工具の製造方法である。
本開示の一実施形態にかかる表面被覆切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。
本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具について、図1〜図5を用いて説明する。図1〜図4は、それぞれ本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の模式的な拡大断面図である。図5は、第1単位層及び第2単位層の厚みの比の一例を説明するための図である。
本実施形態の表面被覆切削工具1,21,31,41に用いられる基材2は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。例えば、超硬合金(例えばWC基超硬合金、WCの他、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nb等の炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等)、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
本実施形態の表面被覆切削工具1,21,31,41に含まれる被覆層3,23,33,43は、第1単位層12と第2単位層15とが交互に積層された交互層13,13’を含む。被覆層3,23,33,43は、交互層13,13’に加えて、基材2と交互層13,13’との間に配置される下地層16や、交互層13,13’の表面側に配置される表面層14を含むことができる。
本実施形態において、被覆層3,23,33,43は、第1単位層12と第2単位層15とが交互に積層された交互層13,13’を含む。第1単位層はアルミニウム(Al)及びジルコニウム(Zr)を含む窒化物からなり、第1単位層において、第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときのジルコニウムの原子数の比は0.65以上0.95以下である。第2単位層はバナジウム(V)及びアルミニウム(Al)を含む窒化物からなり、第2単位層において、第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときのアルミニウムの原子数の比は0.40以上0.75以下である。
図3及び図4に示されるように、被覆層33,43は、基材2と被覆層33,43との密着性を高めるために、基材2と交互層13’,13との間に配置される下地層16を含むことができる。下地層を構成する元素は、第1単位層又は第2単位層を構成する元素と同一であることが好ましい。例えば、図3では、下地層16を構成する元素は、第1単位層12を構成する元素と同一である。図4では、下地層16を構成する元素は、第2単位層15を構成する元素と同一である。
被覆層3,23,33,43は、被覆層3,23,33,43の摩擦係数を低下させ、表面被覆切削工具の長寿命化を図るために、交互層13,13’の表面側に表面層14を含むことができる。表面層はバナジウム(V)とアルミニウム(Al)とを含む炭窒化物(炭素と窒素を含む化合物)からなり、表面層を構成する金属原子の総数を1としたときのAlの原子数の比は0.40以上0.75以下であることが好ましい。
被覆層3,23,33,43は、交互層13,13’、下地層16、表面層14に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、例えば、交互層と表面層との間に、中間層やアルミナ層を含んでいてもよい。
実施の形態1の表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する工程と、基材上に、被覆層を形成する工程と、を備える。被覆層を形成する工程は、物理的蒸着法を用いて第1単位層と第2単位層とを交互に積層することにより交互層を形成する工程を含む。
基材としては、実施の形態1で説明した基材を準備する。
次に、基材上に被覆層を形成する。被覆層を形成する工程は、物理的蒸着法(PVD法)を用いて第1単位層と第2単位層とを交互に積層することにより交互層を形成する工程を含む。
[試料1〜試料23]
(1)基材の準備
図6は、本実施例で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図であり、図7は、図6の装置の概略上面図である。
次に、基材2を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材2の温度を500℃、反応ガス圧を2.0Pa、バイアス電源110の電圧を−50V〜−200Vの範囲のある一定値に維持したまま、カソード106、107にそれぞれ100Aのアーク電流を供給することによって、カソード106、107から金属イオンを発生させて、基材上に表1に示される組成を有する下地層および交互層を形成した。なお、カソード106の組成はZr、Al、Si、B、Vの比率が、表1の第1単位層の組成の比率と同一になるように調整してある。また、カソード107の組成は、Ti、Al、V、Si、Bの比率が、表1の第2単位層の組成の比率と同一になるように調整してある。
<表面被覆切削工具の寿命評価>
(旋削試験)
試料1〜試料23のCNMG120408形状の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、合金鋼(SCM440)と難削材(インコネル718)に対して表2に示す条件で湿式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量が0.2mmになるまでの時間を測定した。結果を表3に示す。なお、表3において、切削時間の長い方が寿命がより長いことを示している。
試料1〜試料23のSEMT13T3AGSN形状の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、難削材からなる幅150mmの板の中心線と、それより幅の広いφ160mmのカッターの中心を合わせて、表面フライス削りを、表4に示す乾式のフライス試験の条件で行ない、刃先の逃げ面摩耗量が0.2mmになるまでの切削長を測定した。結果を表5に示す。なお、表5において、切削長の長い方が寿命がより長いことを示している。
Claims (12)
- 基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第1単位層と第2単位層とが交互に積層された交互層を含み、
前記第1単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は0.65以上0.95以下であり、
前記第2単位層はバナジウム及びアルミニウムを含む窒化物からなり、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記アルミニウムの原子数の比は0.40以上0.75以下である、表面被覆切削工具。 - 前記交互層中の隣り合う前記第1単位層と前記第2単位層とにおいて、前記第1単位層の厚みλ1に対する前記第2単位層の厚みλ2の比λ2/λ1は1以上5以下である、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記第1単位層は珪素を含み、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記珪素の原子数の比は0よりも大きく0.20以下である、請求項1又は請求項2に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第2単位層は珪素を含み、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記珪素の原子数の比は0よりも大きく0.20以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1単位層は硼素を含み、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記硼素の原子数の比は0よりも大きく0.10以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第2単位層は硼素を含み、
前記第2単位層において、前記第2単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記硼素の原子数の比は0よりも大きく0.10以下である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1単位層はバナジウムを含み、
前記第1単位層において、前記第1単位層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記バナジウムの原子数の比は0よりも大きく0.30以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第1単位層及び前記第2単位層は、それぞれ1層の厚みが0.002μm以上0.2μm以下である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層は前記基材と前記交互層との間に配置される下地層を含み、
前記下地層は、前記第1単位層又は前記第2単位層と同一の組成を有する、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 前記下地層の厚みは0.1μm以上2μm以下である、請求項9に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被覆層は前記交互層の表面側に配置される表面層を含み、
前記表面層は、バナジウム及びアルミニウムを含む炭窒化物からなり、
前記表面層において、前記表面層を構成する金属原子の総数を1としたときの前記アルミニウムの原子数の比は0.40以上0.75以下である、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具。 - 請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
前記基材上に、前記被覆層を形成する工程と、を備え、
前記被覆層を形成する工程は、物理的蒸着法を用いて前記第1単位層と前記第2単位層とを交互に積層することにより前記交互層を形成する工程を含む、表面被覆切削工具の製造方法。
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