WO2005087417A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

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WO2005087417A1
WO2005087417A1 PCT/JP2005/004295 JP2005004295W WO2005087417A1 WO 2005087417 A1 WO2005087417 A1 WO 2005087417A1 JP 2005004295 W JP2005004295 W JP 2005004295W WO 2005087417 A1 WO2005087417 A1 WO 2005087417A1
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honing
cutting
tool
base material
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PCT/JP2005/004295
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Minoru Itoh
Hideki Moriguchi
Akira Sakamoto
Original Assignee
Sumitomo Electric Hardmetal Corp.
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Publication date
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    • B23B27/141—Specially shaped plate-like cutting inserts, i.e. length greater or equal to width, width greater than or equal to thickness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23B2224/00—Materials of tools or workpieces composed of a compound including a metal
    • B23B2224/04—Aluminium oxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y10T428/263—Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
    • Y10T428/264—Up to 3 mils
    • Y10T428/265—1 mil or less

Definitions

  • the present invention is a coated cutting tool suitable for high load cutting such as saving and high feed
  • the present invention relates to a coated cutting tool capable of high-efficiency machining with a long tool life due to excellent heat crack resistance, and a cutting method using this tool.
  • a cutting tool which has a coating film which also has a ceramic force on a base material which also has a cemented carbide force.
  • houng treatment is applied to the chip with excellent strength, specifically to the edge of the cutting edge where the nose radius (corner radius) represented by the round chip is large. Chips are used. Since the materials to be machined, such as the wheels of railways, are large-sized, it is likely to cause unevenness in hardness during hardening, removal unevenness during cutting due to dimensional unevenness during hot forging, etc. during manufacture. Therefore, a sufficiently strong chip is required for stable calorie production. In addition, chips with a large nose radius can thin chips, and can also increase feed, enabling high efficiency coalescence.
  • Patent Documents 14 to 14 there is known a coated cutting tool in which a surface of a cutting edge is treated to improve stability of the tool life.
  • the ceramic film is not provided at the blade edge or the ceramic film on the blade edge is removed.
  • Patent Documents 5 and 6 the ceramic film at the blade edge is thinned.
  • a coated cutting tool of structure is described and described.
  • Patent Document 7 describes that the outermost layer is coated with an aluminum oxide film made of fine crystals
  • Patent Document 8 describes that the surface of the ceramic film is made smooth.
  • Patent Documents 9 and 10 it is described that in the ceramic film, the film type of the outermost layer of the edge line of the cutting edge and the outermost layer of the other portion are made different.
  • Patent Document 1 Japanese Examined Patent Publication No. 48-37553
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 48-58470
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-150941
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-24371
  • Patent Document 5 Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-219122
  • Patent Document 6 Patent No. 1805360
  • Patent Document 7 Patent No. 2138025
  • Patent Document 8 Patent No. 2105396
  • Patent Document 9 Patent No. 2825693
  • Patent Document 10 Patent No. 3006453
  • the main object of the present invention is to provide a coated cutting tool capable of further improving the overall performance of the tool and having a longer tool life, particularly when performing high-load cutting. is there.
  • Another object of the present invention is to provide a cutting method capable of efficient cutting using the coated cutting tool.
  • the portion where damage is likely to occur is identified, and a suitable surface treatment is applied to these portions. Achieves the above objective by smoothing.
  • the present invention is a coated cutting tool provided with a ceramic film on a base material, and has the following configuration.
  • Hard phase carbides of metals of Periodic Table 4a, 5a, 6a metal (excluding WC), nitrides and carbonitrides, and at least one metal compound also selected, and WC
  • the ratio of the total volume of the metal compound to the volume of WC 1.5-20%
  • Average particle size of WC 1 to 5 ⁇ m
  • Bonding phase consisting of one or more iron group metals Contains at least Co
  • volume fraction of binder phase to volume of whole base material 7-20%
  • It comprises a cutting edge ridge portion having a hoing portion, a breaker portion and a seating surface provided on a cutting surface connected to the cutting edge ridge portion, and a mounting hole for fixing to a holder
  • Thickness of a-type aluminum oxide film 2 to 12 m
  • Thickness of the entire ceramic film 3-25 ⁇ m
  • A-type aluminum oxide film Among the crystal particles constituting the film, particles with a particle diameter of 3-5 ⁇ m are present at an area ratio of 5-80% at the surface of the film.
  • the cutting method of the present invention is characterized by cutting the work material at a tool feed speed of 0.5 mm / re V or more using the coated cutting tool.
  • the base material is made of a cemented carbide composed of a hard phase which is also the above specific metal compound and WC force, and a binder phase which is also one or more iron group metal forces.
  • the ratio of the total volume of the metal compound to the volume of WC is set to 1.5% or more and 20% or less. If this ratio is less than 1.5%, high-load cutting can not be carried out and plastic deformation may occur, and if it exceeds 20%, thermal cracking is likely to occur. More preferably, it is 3.0% or more and 16.0% or less.
  • the average grain size of the WC crystal grains is set to 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less. If the average particle size is less than 1 ⁇ m, it is too large to prevent the development of thermal cracks, and if it is more than 5 m, WC itself is easily broken and it becomes difficult to suppress the growth of thermal cracks.
  • a more preferable average particle size is 1.5 ⁇ m or more and 4.0 m or less.
  • the particle size of WC can be controlled, for example, by adjusting the particle size of the raw material or adjusting the sintering temperature.
  • the average particle size of WC in the base material should be determined by measuring the particle size of WC present in a specific range and calculating the average of these.
  • the measurement of the particle diameter of WC includes, for example, a method by image analysis, a method of directly measuring the length, and the like.
  • the bonding phase includes at least Co. Therefore, only Co may be used, or Co and other iron group metals may be used in combination. Then, the volume ratio of the binder phase to the volume of the whole base material is 7% or more and 20% or less. If this volume ratio is less than 7%, high-load cutting can not be carried out and fracture occurs immediately. If it exceeds 20%, the number of binder phases is too large and the base material becomes soft and it is easy to cause plastic deformation. A more preferable volume ratio is 9% or more and 14% or less.
  • the base material has a cutting edge, which is a cutting edge, and a rake surface and a flank that are connected to the cutting edge.
  • the edge of the cutting edge shall be equipped with a hoing treated with a hoing treatment to prevent breakage due to high load cutting. Specifically, round honning or combination houng will be given.
  • the scooping surface is provided with a breaker part for breaking and scraping chips during cutting and a seating surface connected to the breaker part.
  • the base material is provided with a mounting hole for fixing the tool of the present invention to the holder. Then, increase the nose radius so that cutting can be performed efficiently even with high load cutting. Specifically, it shall be 1.6 mm or more. In particular, a round tip with the largest nose radius may be used.
  • the toughness is high in order to effectively suppress the progress of the thermal crack. It is preferred to have a tough layer. Specifically, it is preferable to provide an area in which the average Vickers hardness (500 g load) is 0.3 to 1.5 GPa lower than the inside of the base material in the surface layer portion.
  • the thickness of the tough layer is preferably 2 to 50 m in the depth direction. When the hardness difference is less than 0.3 GPa and the thickness is less than 2 m, sufficient toughness can not be obtained and the effect of suppressing thermal cracking can be obtained.
  • the hardness difference is more than 1.5 GPa and the thickness is more than 50 ⁇ m.
  • a more preferable hardness difference is 0.7 GPa or more and 1.3 GPa or less, and a thickness is 10 ⁇ m or more and 35 ⁇ m or less.
  • the formation of the above-mentioned tough layer may be carried out by a conventional method, for example, a method in which nitride is previously added to the raw material powder and denitrification phenomenon is utilized at the time of sintering.
  • the adjustment of the average Vickers hardness can be performed, for example, by adjusting the particle size of the raw material WC, the mixing time of the raw material powder, the sintering temperature, and the sintering time.
  • the amount of nitrogen added to the base material may be adjusted in advance.
  • the thickness of the tough layer may be determined, for example, by observing a cross section in the vicinity of the blade edge with an optical microscope.
  • the above-mentioned tough layer may be provided in a part excluding the chan- ffer part which is the inside of the ho jung part. preferable.
  • the flank side of the hoyung portion be provided with an area of low hardness, in particular in order to suppress the development of thermal cracks.
  • the inside of the hoyung part (chamfer part) is not provided with the above-mentioned low hardness region to suppress plastic deformation.
  • a base material having the tough layer is formed on the entire body, and then subjected to an appropriate polishing treatment. It is good to remove
  • the present invention comprises a ceramic film on the above-mentioned base material.
  • the ceramic film comprises an ⁇ -type aluminum oxide film and the above-mentioned specific compound film.
  • the ⁇ -type oxide oxide is excellent in acid resistance at high temperatures, and can suppress thermal cracking with low thermal conductivity.
  • ⁇ -type acid aluminum is difficult to react with iron, which is used only for high strength, and is often used in materials to be machined, so welding and adhesion are less likely to occur, and welding resistance is also improved. Excellent.
  • ⁇ -type aluminum oxide can also prevent wear such as welding power and improve wear resistance. Therefore, in the present invention, it is defined that the ceramic film includes at least one type of aluminum oxide film.
  • the thickness of the a-type aluminum oxide film is set to 2 to 12 ⁇ m. If the thickness is less than 2 ⁇ m, it is difficult to fully exhibit the acid resistance and heat resistance properties. If the thickness is more than 12 m, the strength of the film itself is reduced to cause a chipping of the tool. A more preferable thickness is 2.5 ⁇ m or more and 8.5 ⁇ m or less. In the case where a plurality of aluminum oxide type aluminum oxide films are provided, the total film thickness should be in the above range.
  • the crystal structure constituting the ⁇ -type aluminum oxide film which should suppress the growth of thermal cracks more effectively, is a structure containing coarse particles having a relatively large particle size.
  • coarse particles having a particle size of 3-5 m are present in a surface area of the ⁇ -type aluminum oxide film in an area ratio of 5-10%. If the area ratio is less than 5%, it is too fine to suppress the development of the thermal crack, and if it is more than 80%, the strength of the film itself is reduced to cause abnormal damage.
  • the structure containing such coarse particles is, for example, mentioned to increase the growth rate at the time of film formation, or to use more gas (CI, copper, CO 2, HS, etc.) used at the time of film formation. Be
  • ⁇ type a gas used at the time of film formation.
  • the aluminum oxide film can be formed under known film forming conditions.
  • For the area ratio when the ⁇ -type aluminum oxide film is the outermost layer, for example, a plurality of areas of a predetermined area are randomly photographed, and the area of crystal grains of the corresponding grain size in each area is determined. The total area of grains may be divided by the total area observed. Taking a photograph may be performed using, for example, an SEM.
  • the ⁇ -type aluminum oxide film is the inner layer, the film existing on the same film is dissolved with a strong acid solution or the like to expose the same film, and the area ratio is determined in the same manner as above. It is good.
  • the above-mentioned oc-type aluminum oxide aluminum film is formed in the inner layer, and the outer layer is a compound film of titanium, that is, carbide of titanium, nitride of titanium, and carbonitride of titanium.
  • the force is also preferably selected from one or more selected.
  • the outermost layer is preferably formed of titanium nitride (TiN) as a colored layer in order to easily identify the used portion. This is because it is difficult to identify the used portion (corner) of the tool at the cutting site if the acid aluminum film is the outermost layer.
  • the ceramic coated on the upper surface of the edge from the cutting edge and the bearing surface If the outer layer (including the outermost layer) of the mixed film is at least partially removed to expose the ⁇ -type oxidized aluminum film of the inner layer, both the corner identification function and the anti-welding function are simultaneously improved. It can be done.
  • the outer layer of either the ho-jung part, the upper surface of the breaker part, or the bearing surface may be removed to expose the ⁇ -type aluminum oxide film of the inner layer, or the upper surface of the ho- An ⁇ -type aluminum oxide film may be exposed.
  • the ratio of the area of the exposed ⁇ -type aluminum oxide film to the area of the titanium nitride film formed as the colored layer is 50% or less of the area of the a-type aluminum oxide film / titanium nitride
  • the area of the membrane ⁇ 95% is preferred.
  • the ceramic film may be formed by a conventional CVD method. Specifically, a thermal CVD method is mentioned.
  • the total film thickness of the above-mentioned ceramic film is set to 3 to 25 ⁇ m. If the total film thickness is less than 3 ⁇ m, if the film characteristics are too small to be obtained, the film is too thick and the strength of the film itself is reduced to cause damage. A more preferable total film thickness is 5 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the surface is smoothed at a specific part of the tool.
  • the surface roughness of the inside of the honing part, the flank side of the honing part, and the rake face side of the honing part is 0.2 ⁇ m or less in ten-point average roughness Rz (reference length 5 ⁇ m)
  • the surface roughness around the top of the breaker section, the bearing surface, and the mounting hole shall be 0.5 ⁇ m or less in ten-point average roughness Rz (reference length 5 ⁇ m).
  • Such a tool of the present invention can be obtained by providing the above-mentioned ceramic film on a base material and then performing a surface treatment to make the surface smooth.
  • this smoothing treatment include mechanical polishing treatment. Specifically, examples thereof include polishing using particles such as diamond and brushes and brushes.
  • the coated cutting tool of the present invention having the above-described configuration can perform high-load cutting processing such as saving and high feed at high efficiency, and can perform stable processing over a longer period of time. Specifically, stable processing can be performed even with high-feed processing such as at a tool feed speed of 0.5 mm / rev or more.
  • the nose radius can be defined and the cutting edge should be prevented from being chipped so that efficient processing can be performed even in high load cutting such as saving and high feed. It is defined that the hoing process is applied to the ridge line part. Then, each part to be prevented effectively from the defects associated with these shapes, that is, the generation and propagation of the thermal crack is smoothed. Specifically, the friction coefficient is reduced by smoothing the scoop surface side such as the upper part of the breaker part and the seat surface, heat generation due to chip contact and collision is prevented, and thermal cracking is prevented.
  • the present invention is excellent in adhesion resistance as well as excellent in strength by providing an ⁇ -type aluminum oxide film.
  • the presence of coarse particles having a relatively large crystal grain size can also suppress chipping due to thermal cracking.
  • the ceramic film at the cutting edge ridge portion sufficient wear resistance can be provided even in high load cutting. With such characteristics, the present invention can perform stable welding for a longer period of time even when used for high-load cutting such as roughing of railway wheels, and the force and efficiency can also be improved. Processing is possible.
  • Powders of WC, TaC, NbC, TiC, TiN, and Co are blended in the specified amounts as shown in Table 1 as raw material powders of the base material, wet mixed by a ball mill for 15 hours, dried, and then compacted in a specific shape. Press molded into the body.
  • a round chip with chip breaker RCMX320900V The shape specified in (Nose radius: 16 mm). This green compact is inserted into a sintering furnace, and in any atmosphere of mixed gas atmosphere of nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, and argon, or vacuum atmosphere at a temperature of 1650-1800 K according to each composition.
  • sintering was carried out for 0.5 to 3.5 hours to produce a sintered body (a debeta phase was precipitated) in which a tough layer was formed by the denitrifying action of the hard phase particles in the surface layer of the base material.
  • a sintered body a debeta phase was precipitated
  • the average Vickers hardness (500 g load) of the surface layer portion was lower by 0.3 to 1.5 GPa than the inner portion of the base material in any of the base materials.
  • the thickness in the depth direction of the tough layer was changed by adjusting the amount of nitride compounded.
  • Composition of base material ratio of total volume of metal compounds (in this example, TaC, NbC, TiC, TiN) constituting hard phase other than WC to volume of WC (A in Table 1), average particle size of WC The same B), the volume ratio of Co to the volume of the whole base material (C), and the thickness in the depth direction of the tough layer (D) are shown in Table 1.
  • the average grain size of WC and the thickness in the depth direction of the tough layer are measured by mirror-finishing the cross section of the base material, corroding with Murakami's reagent, and then observing the cross section with an optical microscope. Seven.
  • Base Material Composition of Base Material (% by mass) ABCD Name WC TiC TiN TaC NbC Co (%) Aim a 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 2.5 2.5 12.5 19.4 b 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 0.8 12.5 21.5 c 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 1.3 12.5 20.6 d 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 1 12.5 e 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 5.5 9 0.2 0.0 0.1 0.2 0.1 8.0 1.4 2.5 13.1 2.2 g 90.8 0.0 0.3 0.3 0.2 0.2 2.5 2.5 13.1 3.5 h 81.4 1.8 1.0 5.2 2.6 8.0 19.0 2.5 12.2 25.6 i 77.8 1.8 1.0 7.6 3.8 8.0 23.5 2.5 12.1 27.8
  • a combination honing process was performed on the ridges of the blade edge of each base material having the above-mentioned tough layer using diamond stone and ceramic abrasive grains to provide a honing unit.
  • the size of the combination honing was the same for all the base materials, and it was set to 0.2 mm x -25 ° for chimney facing (angular honing) and 0.02 mm for round honing.
  • all the tough layers in the chamfer portion which is the inside of the honing portion, are removed, and the tough layer is provided only on the flank side and the rake side of the honing portion.
  • sample T shown in Table 2 is a sample obtained by performing chamfering at the time of green compact, and is a sample in which a tough layer is also present in the chamfer portion after sintering.
  • Each base material subjected to the above-mentioned hoyung treatment is treated with a thermal CVD method to obtain a predetermined temperature and gas. According to the pressure conditions, a multilayer film having the ceramic force shown in Table 2 was coated. The composition (film quality) and film thickness of the ceramic film are shown in Table 2. The numerical values in parentheses after the chemical formulas showing the composition of the film in Table 2 indicate the film thickness.
  • the area ratio (%) of crystal grains having a particle diameter of 3-5 m occupied in the surface portion of the film was determined.
  • the results are also shown in Table 2 (E in Table 2). Area ratio was determined as follows. First, the Ti compound film (5th layer and 6th layer in Table 2) present on the aluminum oxide film is dissolved and removed with a strong acid solution (including hydrofluoric acid) to form an aluminum oxide film on the surface. Exposed. Next, the exposed acid aluminum film was observed at random at five places in a 200 m 2 area by SEM (8000 ⁇ ) and photographed, and then the particle diameter of the crystal particles was measured.
  • the sample U-Y changed the particle size distribution of aluminum oxide by changing the growth rate during film formation.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a part of the coated cutting tool produced in this example.
  • the inside of the ho-jung part 1 (chamfer part 2), the flank side 3 of the ho-yoong part 1, and the scooping side part 4 of the ho-jung part 1 are polished from the scooping side so as to have a predetermined surface roughness.
  • the surface roughness Rz (ten-point average roughness; standard length 5 m) of each part is shown in Table 3 (F in Table 3: surface roughness of chamfered portion Rz, G: surface roughness of flank side Rz H: Surface roughness Rz of the side of the rough surface.
  • the upper 5 'of the breaker part 5, the bearing surface 6, and the mounting hole 7 are similarly subjected to polishing treatment, and in all the samples, these parts (upper 5', bearing surface 6)
  • the surface roughness Rz (ten-point average roughness; reference length 5 / zm) around the mounting hole was 0.5 / zm or less.
  • the surface roughness was obtained by covering a ceramic film in the same manner as described above, preparing a mechanically polished tool, and observing the cross section at 5,000 times 50,000. The same applies to Test Example 2 described later.
  • the portions shown by thick lines in FIG. 1 are the portions subjected to mechanical polishing.
  • a wet type continuous cutting test is performed under the following conditions using each tool obtained by surface treatment after film formation as described above, and the number of thermal cracks, V wear amount (flank wear amount) , With chibbing
  • Tool No.l-15 was normal damage even when high load cutting and high feed and heavy load were used. Specifically, even if heat cracks occur, there is almost no progress and cutting is possible for up to 20 minutes in any case where defects due to heat cracks disappear. It was The tool No. l-15 also had a V wear amount of 0.139-0.235 mm.
  • Tool No. 10 was able to be cut for 20 minutes, and the thickness of the strength layer was thin, so that a chipping with smaller toughness than other tools was observed, and conversely, the thickness of the strength layer was large.
  • Tool No. 13 had a smaller amount of V wear, which was smaller in hardness than the other samples.
  • Tool No. 14 is
  • Tool No. 25 with a small amount of binder phase lacks overall strength and a chipping occurs in 3 minutes, and tool number 26 with a large amount of binder phase is plastically deformed and has a large amount of V wear and can not be cut. became.
  • the coated cutting tool of the present invention is stable processing over a long period of time beyond occurrence of fracture due to thermal cracking, even in high load cutting such as saving and high feed. It was confirmed that it could be done.
  • a plurality of chips having the same configuration as Sample A produced in Test Example 1 were produced. After the ceramic film was formed on the V-shaped chip, mechanical polishing was performed using a brush using diamond abrasive as in Test Example 1. In this test, the surface roughness Rz (ten-point average roughness; reference length 5 m) of the inside of the hoyung part, the flank side part of the hoyung part, and the scooping side part of the honing part is used for all tools. It was 0.2 m or less. Then, the polishing process was similarly performed on the upper portion of the breaker portion, the seat surface, and around the mounting hole to change the surface roughness of each portion. Table 4 shows the surface roughness Rz of each part. In Table 4, I is surface roughness Rz of the upper part of a breaker part, J is surface roughness of a bearing surface Rz, K shows surface roughness Rz around a mounting hole.
  • tool No. 16 in which the upper part of the breaker section, the bearing surface, and the mounting hole are smoothed is damaged normally even when high-load cutting such as high feed and saving is performed. It was possible to process for 20 minutes.
  • tool No. 33-36 in which the upper portion of the breaker portion, the bearing surface, and at least one of the surfaces around the mounting hole were rough, was all broken.
  • Tools No. 33 and 34 chips hit around the mounting holes and were greatly broken, and in Tool No. 35, chip processing was unstable and chips were entangled and the chip was broken.
  • tool No. 36 was wrecked immediately after the start of the test. From this test result, when performing high-load cutting as described above, it is necessary to It was confirmed that it is preferable to keep the upper part of the breaker part, the bearing surface and the mounting hole smooth as well.
  • a plurality of chips having the same configuration as Sample A produced in Test Example 1 were produced. Then, the ceramic film coated on the honing part, the upper surface of the breaker part, and the bearing surface is mechanically polished with a brush using diamond abrasive grains, and the fifth layer Ti (NO) film and the sixth layer ( The TiN film of the outermost layer was removed to expose the ⁇ -type aluminum oxide film of the fourth layer.
  • the surface roughness Rz ten-point average roughness; reference length 5 ⁇ m; surface roughness of the inside of the hoyung part, flank side of the hoyung part, and rough side of the hoyung part
  • the surface roughness Rz (ten-point average roughness; reference length 5 ⁇ m) of the upper part of the breaker part, the bearing surface and the mounting hole shall be 0.5 ⁇ m or less.
  • the work material is obtained by exposing the ⁇ -type aluminum oxide film of the inner layer to any one of the horning portion, the upper portion of the breaker portion, and the bearing surface.
  • the welding resistance was prevented, the wear resistance was improved, and more stable cutting could be performed.
  • the tool of the present invention is suitable for high load cutting such as saving and high feed. More specifically, it is suitable for roughing, for example, wheels of railways. Brief description of the drawings
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the vicinity of a cutting edge of a coated cemented carbide tool of the present invention.

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Abstract

　超硬合金母材上にセラミックス膜を具える被覆切削工具である。母材には、丸ホーニング又はコンビネーションホーニングが施された刃先稜線部と、刃先稜線部に繋がる掬い面に設けられたブレーカ部及び座面と、ホルダ固定用の取付孔とを具え、ノーズ半径を1.6mm以上とする。セラミックス膜は、α型酸化アルミニウム膜を具える。そして、ホーニング部の内部、ホーニング部の逃げ面側部、及びホーニング部の掬い面側部の十点平均粗さRz(基準長さ5μm)を0.2μm以下、ブレーカ部の上部、座面、及び取付孔周りの十点平均粗さRzを0.5μm以下とする。

Description

明 細 書
被覆切削工具
技術分野
[0001] 本発明は、大切込み及び高送りといった高負荷の切削加工に適した被覆切削工具
、及びこの工具を用いた切削方法に関するものである。特に、耐熱亀裂性に優れるこ とで工具寿命が長ぐ高能率加工が可能な被覆切削工具、及びこの工具を用いた切 削方法に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、切削工具として、超硬合金力もなる母材上にセラミックス力もなる被覆膜を具 えるものが知られている。例えば、鉄道の車輪などの ェを行う切削工具では、強 度に優れるチップ、具体的には、丸型チップを代表とするノーズ半径 (コーナー半径） が大きぐ刃先稜線部にホーユング処理が施されたチップが利用されている。鉄道の 車輪などの被削材は、大型であるため、製造の際、焼入れ時の硬度ムラや、熱間鍛 造時の寸法ムラによる切削加工時の取しろムラなどが生じ易い。従って、安定したカロ ェを行うには、十分に強度の高いチップが求められる。また、ノーズ半径が大きいチ ップは、切屑を薄くすることができる他、送りを大きくすることができるため、高能率カロ ェが可能である。
[0003] 一方、工具寿命の安定性向上を図るベぐ刃先部分に表面処理を施した被覆切削 工具が知られている。例えば、特許文献 1一 4には、刃先稜線部にセラミックス膜を設 けない、或いは刃先稜線部のセラミックス膜を除去する構造、特許文献 5、 6では、刃 先稜線部のセラミックス膜を薄くした構造の被覆切削工具が記載されて ヽる。特許文 献 7には、最外層に微細な結晶からなる酸ィ匕アルミニウム膜を被覆することが、特許 文献 8には、セラミックス膜の表面を平滑にすることがそれぞれ記載されている。また、 特許文献 9、 10には、セラミックス膜において、刃先稜線部の最外層と、その他の部分 の最外層との膜種を異ならせることが記載されて 、る。
[0004] 特許文献 1：特公昭 48-37553号公報
特許文献 2：特開昭 48-58470号公報 特許文献 3：特開昭 55-150941号公報
特許文献 4 :特開昭 60-24371号公報
特許文献 5：特開昭 59-219122号公報
特許文献 6：特許第 1805360号公報
特許文献 7：特許第 2138025号公報
特許文献 8：特許第 2105396号公報
特許文献 9：特許第 2825693号公報
特許文献 10：特許第 3006453号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] しかし、従来の切削工具では、鉄道の車輪などの大型の被削材を ェするとい つた高負荷の切削加工において、工具トータルでの性能をより向上させることが困難 であり、工具寿命がより長ぐ安定した力卩ェが行える切削工具が求められている。
[0006] 上記のように鉄道の車輪などの粗加工は、例えば、切込み 3.5mm程度、送り速度 2.0mmといった、大切込み及び高送りの高負荷の加工である。そのため、従来、上記 ロェには、高強度の丸型チップなどのノーズ半径が大きい切削工具が使用されて いた。また、上記のような高負荷の切削加工による欠損を防止するべぐ刃先稜線部 に丸ホーニングゃコンビネーションホーニングが施された切削工具が使用されていた 。しかし、刃先稜線部に上記のようなホーユング処理を行うことに加えて、ノーズ半径 が大きいことから、主分力や背分力が高ぐかつ高送り加工のために切削幅が広くな ることから切削熱を上昇させることになり、工具に熱亀裂が発生し易い。そして、多く の場合、この熱亀裂からの欠損が工具寿命となっていた。更に、上記のように切削幅 が広いことから切屑も大きくなるため、切屑の処理が難しぐ切屑による工具欠損、具 体的にはブレーカ部や、チップをホルダに固定するための取付孔近傍などに切屑が 衝突して欠損が発生する恐れがある。従って、鉄道の車輪などの ェといった高 負荷の切削加工を行うにあたり、上記のような熱亀裂や切屑の接触などによる工具欠 損を抑制して、工具寿命を延長し、安定した加工が行える切削工具が求められてい る。 [0007] 特許文献 1一 6に記載される被覆切削工具では、刃先稜線部に被覆膜がない、或 いは被覆膜が薄いことで、上記のような高負荷の切削加工に対して耐摩耗性が不足 する。特許文献 7に記載される被覆切削工具では、被覆膜の最外層に酸化アルミ- ゥム膜を用いることで、使用済み個所 (コーナー)の識別が行いにくいだけでなぐ上 記のような高負荷の切削加工を行う場合、酸ィ匕アルミニウムの結晶粒径が細かすぎる ことで熱亀裂によるチッビングを抑制しにくい。特許文献 10に記載される被覆切削ェ 具では、刃先稜線部において熱伝導率の低い酸ィ匕物膜を除去し、酸化物以外の膜 を露出させた構成としているため、熱亀裂による損傷を抑制しにくい。特許文献 8、 9 に記載される被覆切削工具では、刃先稜線部の損傷をある程度抑制することができ る力 ブレーカ部や取付孔周りの損傷の抑制について何ら考慮されていない。
[0008] そこで、本発明の主目的は、特に高負荷の切削加工を行う際、工具の総合的な性 能をより向上させることができ、工具寿命がより長い被覆切削工具を提供することにあ る。
[0009] また、本発明の別の目的は、上記被覆切削工具を用いた効率的な切削加工が可 能な切削方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明は、母材の組成、セラミックス膜の膜質及び膜厚の最適化に加え、損傷が発 生し易い部分を特定し、これらの部位に適した表面処理を施す、具体的には平滑に することで上記目的を達成する。
[0011] 即ち、本発明は、母材上にセラミックス膜を具える被覆切削工具であって、以下の 構成を具えるものである。
[0012] (母材）
<組成>
硬質相：周期律表 4a、 5a、 6a族金属の炭化物 (WCを除く)、窒化物及び炭窒化物 よりなる群力も選ばれる 1種以上の金属化合物と、 WCとからなる
WCの体積に対する前記金属化合物の合計体積の割合： 1.5— 20%
WCの平均粒径： 1一 5 μ m
結合相： 1種以上の鉄族金属からなる 少なくとも Coを含む
母材全体の体積に対する結合相の体積割合： 7— 20%
<形状>
ホー-ング部を有する刃先稜線部と、刃先稜線部に繋がる掬い面に設けられた ブレーカ部及び座面と、ホルダに固定するための取付孔とを具える
ホー-ング部：丸ホー-ング又はコンビネーションホー-ングが施されて 、る ノーズ半径： 1.6mm以上
[0013] (セラミックス膜）
<膜質 >
α型酸ィ匕アルミニウム膜と、
周期律表 4a、 5a、 6a族金属の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、炭 窒酸化物、硼窒化物、硼炭窒酸化物及び酸化アルミニウムよりなる群から選ばれる 1 種以上の化合物膜と、を具える
<膜厚 >
a型酸ィ匕アルミニウム膜の膜厚： 2— 12 m
セラミックス膜全体の膜厚： 3— 25 μ m
<組織>
a型酸ィ匕アルミニウム膜：同膜を構成する結晶粒子のうち、粒径 3— 5 μ mの粒子 が同膜の表面部において面積比で 5— 80%存在する
[0014] (表面処理）
ホーニング部の内部、ホーニング部の逃げ面側部、及びホーニング部の掬い面 側部の表面粗さ：十点平均粗さ Rz (基準長さ 5 μ m)で 0.2 m以下
ブレーカ部の上部、座面、及び取付孔周りの表面粗さ：十点平均粗さ Rz (基準長 さ 5 μ m)で 0.5 μ m以下
[0015] また、本発明切削方法は、上記被覆切削工具を用いて、工具送り速度 0.5mm/reV. 以上で被削材を切削することを特徴とする。
[0016] 以下、本発明をより詳しく説明する。まず、本発明被覆切削工具を説明する。
(母材） 本発明において母材は、上記特定の金属化合物及び WC力もなる硬質相と、 1種以 上の鉄族金属力もなる結合相とからなる超硬合金にて形成したものを用いる。特に、 本発明では、 WCの体積に対する上記金属化合物の合計体積の割合を 1.5%以上 20 %以下とする。この割合が 1.5%未満では、高負荷の切削に耐え切れず塑性変形を 起こす恐れがあり、 20%超では、熱亀裂が発生し易くなる。より好ましくは、 3.0%以上 16.0%以下である。
[0017] また、 WC結晶粒の平均粒径は、 1 μ m以上 5 μ m以下とする。この平均粒径力 μ m 未満では、熱亀裂の進展を抑制しにくぐ 5 m超では、大きすぎて WC自体が破壊し 易くなつてやはり熱亀裂の進展を抑えることが難しくなる。より好ましい平均粒径は 1.5 μ m以上 4.0 m以下である。 WCの粒径は、例えば、原料の粒径を調整したり、焼結 温度を調整することで制御することができる。なお、母材中の WCの平均粒径は、特 定の範囲に存在する WCの粒径を測定し、これらの平均を計算により求めるとよい。 WCの粒径の測定は、例えば、画像解析による方法や、直接長さを測定する方法な どが挙げられる。
[0018] 結合相には、少なくとも Coを含むものとする。従って、 Coのみとしてもよいし、 Coと他 の鉄族金属とを組み合わせて用いてもよい。そして、母材全体の体積に対する結合 相の体積割合を 7%以上 20%以下とする。この体積割合が 7%未満では、高負荷の 切削に耐え切れず欠損を生じやすぐ 20%超では、結合相が多過ぎて母材が軟らか くなり塑性変形を起こし易い。より好ましい体積割合は、 9%以上 14%以下である。
[0019] 母材は、切れ刃となる刃先稜線部と、この刃先稜線部につながる掬い面、及び逃げ 面を具えるものとする。刃先稜線部には、高負荷の切削による欠損を防止するべぐ ホー-ング処理を施したホー-ング部を具えるものとする。具体的には、丸ホーニン グ又はコンビネーションホーユングを施す。掬い面には、切削中の切屑を破断して細 力べさせるためのブレーカ部と、ブレーカ部に繋がる座面とを設ける。また、母材には 、本発明工具をホルダに固定するための取付孔を設ける。そして、高負荷の切削で も効率よく切削加工ができるようにノーズ半径を大きくとる。具体的には、 1.6mm以上 とする。特に、ノーズ半径が最も大きくなる丸型チップとしてもよい。
[0020] 更に、母材の表層部には、熱亀裂の進行を効果的に抑制するために靭性の高い 強靭層を具えることが好ましい。具体的には、平均ビッカース硬度 (500g荷重)が母材 内部よりも 0.3— 1.5GPa低い領域を表層部に具えるとよい。この強靭層の厚みは、深 さ方向に 2— 50 mが好ましい。硬度差が 0.3GPa未満、厚みが 2 m未満では、十分 な靭性が得られず熱亀裂の抑制効果が得られにくぐ硬度差が 1.5GPa超、厚みが 50 μ m超では、靭性に優れる反面、軟らかすぎて塑性変形を引き起こしたり、表面硬度 が低下して耐摩耗性が低下する。より好ましい硬度差は、 0.7GPa以上 1.3GPa以下、 厚みは、 10 μ m以上 35 μ m以下である。
[0021] 上記強靭層の形成は、従来行われている方法、例えば、予め原料粉末に窒化物を 添加しておき、焼結時に脱窒現象を利用する方法にて行うことが挙げられる。平均ビ ッカース硬度の調整は、例えば、原料の WCの粒度、原料粉末の混合時間、焼結温 度及び焼結時間などを調整することで行うことができる。強靭層の厚さを変化させる には、予め母材に添加する窒素の量を調整することが挙げられる。強靭層の厚みは 、例えば、刃先部付近の断面を光学顕微鏡により観察して厚みを計るとよい。
[0022] ホー-ング処理として、チャンファホーユングに丸ホーユングを組み合わせたコンビ ネーシヨンホーユングを施している場合、上記強靭層は、ホーユング部の内部となる チャンファ部を除く部分に具えることが好ましい。特に、ホーユング部の逃げ面側部 に具えることが好ましい。ホーユング部の逃げ面側部は、特に熱亀裂の進展を抑制 するために、低硬度の領域を具えることが好ましい。一方、ホーユング部の内部（チヤ ンファ部）は、塑性変形を抑制するべぐ上記低硬度領域を具えていないことが好ま しい。このように刃先稜線部において部分的に強靭層を具えた構造にするには、全 体に強靭層を具える母材を作製した後、適宜研磨処理などを施して、不要な部分の 強靭層を除去するとよい。
[0023] (セラミックス膜）
本発明は、上記母材上にセラミックス膜を具えるものとする。セラミックス膜として具 体的には、 α型酸ィ匕アルミニウム膜と、上記特定の化合物膜とを具える。 α型酸化ァ ルミ-ゥムは、高温下での耐酸ィ匕性に優れると共に、熱伝導率が低ぐ熱亀裂を抑制 することができる。また、 α型酸ィ匕アルミニウムは、高強度であるだけでなぐ被削材 に多く用いられている鉄と反応しにくいため、溶着や凝着を生じにくく耐溶着性にも 優れる。更に、 α型酸ィ匕アルミニウムは、溶着力もの摩耗を防止して耐摩耗性をも向 上させることができる。従って、本発明では、セラミックス膜として、ひ型酸化アルミ- ゥム膜を 1層以上具えることを規定する。
[0024] a型酸化アルミニウム膜の厚さは、 2— 12 μ mとする。厚さが 2 μ m未満では耐酸ィ匕 性及び耐熱特性を十分に発揮することが難しぐ 12 m超では膜自体の強度が低下 して、工具の欠損を引き起こす。より好ましい厚さは、 2.5 μ m以上 8.5 μ m以下である 。 ひ型酸ィ匕アルミニウム膜を複数層具える場合、合計膜厚が上記の範囲を満たすよ うにする。
[0025] 本発明では、熱亀裂の進展をより効果的に抑制するべぐ α型酸ィ匕アルミニウム膜 を構成する結晶組織は、粒径が比較的大きい粗い粒子を含有する組織とする。具体 的には、粒径 3— 5 mの粗い粒子が α型酸ィ匕アルミニウム膜の表面部に面積比で 5 一 80%存在する組織とする。面積比が 5%未満では、微細すぎて熱亀裂の進展を抑 制できず、 80%超では膜自体の強度が低下して、異常損傷を引き起こす。このような 粗粒を含有する組織は、例えば、成膜の際の成長速度を大きくすることや、成膜の際 に用いるガス ( CI 、 Η 、 CO 、 H Sなど)を多めに用いることが挙げられる。なお、 α型
3 2 2 2
酸ィ匕アルミニウム膜は、公知の成膜条件にて形成することができる。面積比は、 α型 酸ィ匕アルミニウム膜が最外層の場合、例えば、所定面積の領域をランダムに複数写 真撮影し、各領域内において該当する粒径の結晶粒の面積を求め、これら結晶粒の 総面積を観察した全面積にて割った値とすることが挙げられる。写真撮影は、例えば 、 SEMなどを用いて行うことが挙げられる。また、 α型酸ィ匕アルミニウム膜が内層の場 合、同膜の上に存在する膜を強酸溶液などで溶解して、同膜を露出させて力 上記 と同様の手順にて面積比を求めるとよい。
[0026] セラミックス膜にお 、て、上記 oc型酸ィ匕アルミニウム膜は、内層に形成し、外層は、 チタンの化合物膜、即ち、チタンの炭化物、チタンの窒化物、及びチタンの炭窒化物 力も選択される 1種以上で形成することが好ましい。特に、最外層は、使用済み個所 を容易に識別するために、着色層としてチタンの窒化物 (TiN)にて形成とすることが好 ましい。酸ィ匕アルミニウム膜を最外層とすると、切削加工現場において、工具の使用 済みの箇所 (コーナー)の識別が行いにく 、からである。 [0027] また、内層に oc型酸ィ匕アルミニウム膜を具え、外層にチタンの化合物膜を具えるセ ラミックス膜の場合、刃先稜線部からブレーカ部の上面、及び座面に被覆されたセラ ミックス膜のうち外層 (最外層も含む)を少なくとも一部除去して、内層の α型酸化アル ミニゥム膜を露出させた構成とすると、コーナー識別機能と溶着防止機能との双方の 機能を同時に向上させることができる。例えば、ホーユング部、ブレーカ部の上面、 座面のいずれかの外層を除去して、内層の α型酸ィ匕アルミニウム膜を露出させても よ!、し、ホーユング部及びブレーカ部の上面にぉ 、て α型酸ィ匕アルミニウム膜を露 出させてもよい。特に、露出させた α型酸ィ匕アルミニウム膜の面積と、着色層として形 成した窒化チタン膜の面積との比を、 50%≤露出させた a型酸ィ匕アルミニウム膜の 面積/窒化チタン膜の面積≤95%とすることが好適である。
[0028] 上記セラミックス膜は、従来行われている CVD法により形成するとよい。具体的には 、熱 CVD法が挙げられる。
[0029] 上記セラミックス膜の全体膜厚は、 3— 25 μ mとする。全体膜厚が 3 μ m未満では、膜 の特性が得られにくぐ 超では、厚すぎて膜自身の強度が低下して、損傷を引 き起こす。より好ましい全体膜厚は、 5 μ m以上 15 μ m以下である。
[0030] (表面処理）
本発明では、工具の特定の部位において表面が平滑なものとする。具体的には、 ホーニング部の内部、ホーニング部の逃げ面側部、及びホーニング部の掬い面側部 の表面粗さが十点平均粗さ Rz (基準長さ 5 μ m)で 0.2 μ m以下、ブレーカ部の上部、座 面、及び取付孔周りの表面粗さが十点平均粗さ Rz (基準長さ 5 μ m)で 0.5 μ m以下と する。本発明では、上記のような平滑な表面とすることで、熱亀裂が発生した後、膜 表面部での膜破壊を抑制し、膜破壊による被削材の溶着を効果的に抑制することで 、工具寿命の延命化を図る。上記各部位において表面粗さが上記の範囲を満たさな い場合、膜破壊の抑制効果が十分に得られない。
[0031] このような本発明工具は、母材上に上記セラミックス膜を設けた後、表面を平滑に する表面処理を施すことで得られる。この平滑化処理は、機械的な研磨処理などが 挙げられる。具体的には、ダイヤモンドなどの砲粒及びブラシを用いる研磨処理など が挙げられる。 [0032] 上記構成を具える本発明被覆切削工具は、大切込み及び高送りといった高負荷の 切削加工を高効率に行うことができると共に、より長期に亘り安定した加工を行うこと ができる。具体的には、工具送り速度 0.5mm/rev.以上といった高送りの加工であって も、安定した加工を行うことができる。
発明の効果
[0033] 上記構成を具える本発明は、大切込み及び高送りといった高負荷の切削加工であ つても、効率的な加工できるように、ノーズ半径を規定すると共に、欠損を防止するべ ぐ刃先稜線部にホーユング処理を施すことを規定する。そして、これらの形状に伴う 不具合、即ち、熱亀裂の発生や進展を効果的に防止するべぐ各部位を平滑化する 。具体的には、ブレーカ部の上部や座面などの掬い面側を平滑にすることで、摩擦 係数を低減して、切屑の接触や衝突による発熱を防止し、熱亀裂を防止する。また、 ホーニング処理されたホーニング部の内部、同逃げ面側部、同掬い面側部を平滑に することで、熱亀裂が入ったとしても、その熱亀裂が進展するのを防止する。更に、従 来考慮されていなかった取付孔周りをも平滑にすることで、切屑や切粉の衝突による 突発的な欠損をも防止する。
[0034] 上記に加えて、本発明は、 α型酸ィ匕アルミニウム膜を具えることで、強度に優れる だけでなぐ耐溶着性にも優れる。特に、本発明では、結晶粒径が比較的大きい粗 い粒子を存在させることで、熱亀裂によるチッビングをも抑制することができる。また、 本発明は、刃先稜線部にセラミックス膜を具えることで、高負荷の切削加工であって も十分な耐摩耗性を具える。このような特性を具えることで、本発明は、鉄道の車輪 の粗加工といった高負荷の切削加工に用いても、安定したカ卩ェをより長期に亘り行う ことができ、し力も、効率的な加工が可能である。
発明を実施するための最良の形態
[0035] 以下、本発明の実施の形態を説明する。
[0036] (試験例 1)
母材の原料粉末として、 WC、 TaC、 NbC、 TiC、 TiN、及び Co粉末を表 1に示す組成 で所定量配合し、ボールミルにより 15時間湿式混合して乾燥した後、特定の形状の 圧粉体にプレス成形した。本例では、チップブレーカ付き丸型チップ RCMX320900V に定める形状とした (ノーズ半径： 16mm)。この圧粉体を焼結炉内に挿入して、各組成 に合わせて 1650— 1800Kの温度で、窒素、水素、一酸化炭素、及びアルゴンの混合 ガス雰囲気、又は真空雰囲気のいずれかの雰囲気中で、 0.5— 3.5時間焼結を行い、 母材表層部の硬質相粒子の脱窒作用により強靭層が形成された (脱 β相が析出した )焼結体を作製した。これら焼結体を調べたところ、いずれの母材においても、母材内 部に対して表層部の平均ビッカース硬度 (500g荷重)が 0.3— 1.5GPa低くなつていた。 また、強靭層の深さ方向の厚さは、配合する窒化物の量を調整することで変化させた 。母材の組成、 WCの体積に対する WC以外の硬質相を構成する金属化合物 (本例で は TaC、 NbC、 TiC、 TiN)の合計体積の割合 (表 1の A)、 WCの平均粒径 (同 B)、母材全 体の体積に対する Coの体積割合 (同 C)、強靭層の深さ方向の厚さ (同 D)を表 1に示す
[0037] WCの平均粒径、及び強靭層の深さ方向の厚さは、母材の断面を鏡面仕上げした 後、村上試薬により腐食させ、その後、その断面を光学顕微鏡観察することにより測 し 7こ。
[0038] [表 1]
母材 母材の組成 （質量％) A B C D 名称 WC TiC TiN TaC NbC Co (%) (%) Aim a 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 2.5 12.5 19.4 b 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 0.8 12.5 21.5 c 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 1.3 12.5 20.6 d 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 4.7 12.5 12.7 e 85.9 1.5 1.0 2.4 1.2 8.0 12.5 5.5 12.5 12.5 f 91.4 0.0 0.3 0.2 0.1 8.0 1.4 2.5 13.1 2.2 g 90.8 0.0 0.3 0.6 0.3 8.0 2.2 2.5 13.1 3.5 h 81.4 1.8 1.0 5.2 2.6 8.0 19.0 2.5 12.2 25.6 i 77.8 1.8 1.0 7.6 3.8 8.0 23.5 2.5 12.1 27.8
J 89.6 1.5 1.0 2.4 1.2 4.3 12.2 2.5 6.9 13.4 k 88.9 1.5 1.0 2.4 1.2 5.0 12.3 2.5 8.0 15.1
I 87.9 1.5 1.0 2.4 1.2 6.0 12.4 2.5 9.5 16.7 m 82.9 1.5 1.0 2.4 1.2 11.0 13.1 2.5 16.8 19.4 n 80.9 1.5 1.0 2.4 1.2 13.0 13.4 2.5 19.6 19.4
0 79.9 1.5 1.0 2.4 1.2 14.0 13.5 2.5 21.0 19.4
P 86.9 1.4 0.1 2.4 1.2 8.0 9.9 2.5 12.7 1.6 q 85.9 2.1 0.4 2.4 1.2 8.0 12.8 2.5 12.5 5.5 r 85.9 0.5 2.0 2.4 1.2 8.0 12.5 2.5 12.4 43.6 s 85.9 0.0 2.5 2.4 1.2 8.0 12.3 2.5 12.5 55.8
[0039] 上記強靭層を有する各母材の刃先稜線部に、ダイヤモンド砲石及びセラミックス砥 粒を用いてコンビネーションホーニング処理を施し、ホーニング部を設けた。本例に おいてコンビネーションホーニングの大きさは、いずれの母材においても同一とし、チ ヤンファホー-ング (角度ホー-ング)： 0.2mm X -25° 、丸ホー-ング： R0.02mmとした 。このコンビネーションホーニング処理により、ホーニング部の内部であるチャンファ 部の強靭層は全て除去され、ホーニング部の逃げ面側部及び掬い面側部にのみ、 強靭層を具える。なお、表 2に示す試料 Tは、圧粉体の時点でチャンファホーユング を行ったものであり、焼結後において、チャンファ部にも強靭層が存在する試料であ る。
[0040] 上記ホーユング処理を施した各母材にぉ 、て、熱 CVD法により、所定の温度、ガス 、圧力条件により、表 2に示すセラミックス力もなる多層膜を被覆した。セラミックス膜の 組成 (膜質)及び膜厚を表 2に示す。表 2において膜の組成を示す化学式の後ろに付 された括弧内の数値が膜厚を示す。
[表 2]
Figure imgf000014_0001
また、酸ィ匕アルミニウム膜を構成する結晶粒子のうち、粒径 3— 5 mの結晶粒が同 膜の表面部に占める面積比 (％)を求めた。その結果も表 2に示す (表 2の E)。面積比 は、以下のようにして求めた。まず、酸化アルミニウム膜の上に存在する Ti系化合物 膜 (表 2にお ヽて第 5層、第 6層)を強酸溶液 (弗酸を含む)で溶解除去して表面に酸ィ匕 アルミニウム膜を露出させた。次に、露出させた酸ィ匕アルミニウム膜を SEM(8000倍)に て、 200 m2の領域をランダムに 5ケ所観察 ·写真撮影した後、結晶粒子の粒径を測 定した。そして、各領域において、粒径 3— 5 mの結晶粒の面積を求め、全観察面 積 (5ケ所の領域の合計面積)で割ることで面積比を算出した。また、試料 U— Yは、成 膜の際の成長速度を変化させることで、酸ィ匕アルミニウムの粒度分布を変化させた。
[0043] 上記セラミックス膜を被覆した各試料にお!ヽて、ダイヤモンド砥粒を用いたブラシで 、機械的研磨を施した。図 1は、本例で作製した被覆切削工具の一部を示す概略模 式断面図である。本例では、ホーユング部 1の内部（チャンファ部 2)、ホーユング部 1 の逃げ面側部 3、ホーユング部 1の掬い面側部 4において、所定の表面粗さとなるよう に掬い面側から研磨処理を施した。表 3に各部位の表面粗さ Rz (十点平均粗さ；基準 長さ 5 m)を示す (表 3の F :チャンファ部の表面粗さ Rz、 G :逃げ面側部の表面粗さ Rz 、 H :掬い面側部の表面粗さ Rz)。また、上記各部位に加えて、ブレーカ部 5の上部 5'、 座面 6、取付孔周り 7においても同様に研磨処理を施し、全ての試料において、これら の部位 (上部 5'、座面 6、取付孔周り 7)の表面粗さ Rz (十点平均粗さ；基準長さ 5 /z m)を 0.5 /z m以下とした。本例において表面粗さは、上記と同様にしてセラミックス膜を被 覆した後、機械的研磨を施した工具を作製し、その断面を 5千一 5万倍で観察するこ とで求めた。後述する試験例 2についても同様である。なお、図 1において太線で示さ れる個所が機械的研磨を施した部分である。
[0044] 上記のように成膜後、表面処理を施して得られた各工具を用いて以下の条件で湿 式連続切削試験を行い、熱亀裂の本数、 V摩耗量 (逃げ面摩耗量)、チッビングの有
B
無を測定した。切削時間が 20分未満で切削不能となった工具は、加工を止めた時点 の熱亀裂の本数、 V摩耗量、チッビングの有無を測定した。また、大破や欠損により
B
V摩耗量が測定できな力つた工具については V摩耗量を記載していない。これらの
B B
点は、後述する試験例 2についても同様である。表 3に試験結果を示す。
[0045] (切削試験条件）
被削材： JIS · SCM435の丸棒 切削速度： 150m/min
送り： 2.0mm/rev.
切込み： 3.5mm
切削時間:最大 20分
※この切削試験条件は、鉄道の車輪を糊口ェする際の条件にほぼ相当し得るもの である。
[表 3]
工具 使用 F G H 切削可能 熱亀裂 チ' 。 VB摩耗量
No. 試料 At m 11 m 11 m 時間（分） (本） ンク' (mm)
1 A 0.15 0.16 0.11 20 4 無し 0.167
2 C 0.13 0.08 0.05 20 3 無し 0.154
3 D 0.17 0.11 0.13 20 4 無し 0.186
4 G 0.15 0.11 0.12 20 1 無し 0.196
5 H 0.15 0.10 0.15 20 7 無し 0.139
6 K 0.16 0.16 0.16 20 4 無し 0.155
7 し 0.11 0.09 0.12 20 4 無し 0.146
8 M 0.17 0.16 0.11 20 3 無し 0.212
9 N 0.16 0.15 0.16 20 4 無し 0.22
10 P 0.11 0.07 0.13 20 4 有り 0.157
11 Q 0.16 0.16 0.2 20 3 無し 0.16
12 R 0.10 0.11 0.11 20 3 無し 0.178
13 S 0.12 0.09 0.15 20 3 無し 0.235
14 T 0.15 0.13 0.13 20 4 無し 0.233
15 V 0.19 0.20 0.19 20 5 無し 0.205
21 B 0.07 0.06 0.08 5 0 欠損
22 E 0.19 0.17 0.16 15 5 有り 0.465
23 F 0.14 0.14 0.14 17 1 無し 0.423
24 1 0.15 0.13 0.14 19 9 欠損
25 J 0.13 0.12 0.12 3 1 欠損
26 O 0.13 0.11 0.1 18 4 無し 0.491
27 u 0.18 0.18 0.15 13 4 有り 0.214
28 w 0.11 0.08 0.12 6 - 大破
29 X 0.18 0.15 0.15 15 6 有り 0.236
30 Y 0.05 0.05 0.05 10 4 有り 0.225
31 z 0.11 0.08 0.12 8 5 有り 0.346
32 A 1.51 1.65 1.33 5 - 大破 表 3に示すように、工具 No.l— 15は、高送り及び大切込みといった高負荷の切削加 ェを行っても、正常な損傷であった。具体的には、熱亀裂が生じていても進展するこ とがほとんどないことで熱亀裂による欠損がなぐいずれも 20分まで切削が可能であ つた。また、工具 No. l— 15は V摩耗量も、 0.139— 0.235mmまでの適正量であった。
B
更に、いずれの工具 No. l— 15も、ブレーカ部の上部や座面、取付孔周りにおいて欠 損が生じることがな力つた。
[0048] なお、工具 No.10は、 20分間切削可能であった力 強靭層の厚みが薄いことで、他 の工具よりも靭性が小さぐチッビングが見られ、逆に強靭層の厚みが厚い工具 No.13は、他の試料よりも硬度が小さぐ V摩耗量が大きくなつていた。工具 No.14は、
B
チャンファ部に強靭層を具えることで、他の工具よりも塑性変形が大きい傾向にあつ た。
[0049] 一方、工具 No.21— 32は、いずれも、熱亀裂による欠損が生じたり、チッビングが生 じたり、 V摩耗量が多力つたり、大破してしまうものもあった。具体的には、工具 No.21
B
は、 WCの平均粒径が小さいことから、熱亀裂の進展が急速に進み、非常に短時間 で欠損が生じ、逆に工具 No.22は、 WCの平均粒径が大きいことから、熱亀裂表面近 傍において、 WC粒子ごと脱落して、 15分で切削不能になった。硬質相において WC 以外の化合物が少ない工具 No.23は、塑性変形が発生して V摩耗量が多くなつて 17
B
分で切削不能となり、 WC以外の化合物が多い工具 No.24は、多数の熱亀裂が発生 し、 19分で熱亀裂による欠損のため切削不能となった。結合相量が少ない工具 No.25は、全体の強度が不足して 3分で欠損が生じ、結合相量が多い工具 No.26は、 塑性変形して V摩耗量が多くなつて切削不能となった。
B
[0050] 酸ィ匕アルミニウム膜が薄い工具 No.27、酸ィ匕アルミニウム膜を構成する結晶粒が細 かい工具 No.29は、熱亀裂の本数、 V摩耗量は適正だが、熱亀裂が進展して熱亀裂
B
表面付近の膜が脱落して切削不能となった。酸ィ匕アルミニウム膜が厚 、工具 No.28 は、強度が不足して大破した。工具 No.30は、酸ィ匕アルミニウムの結晶粒が粗すぎて 、熱亀裂表面付近の膜が脱落して切削不能となった。工具 No.31は、高温で不安定 な κ型酸ィ匕アルミニウム膜を施していたため、早期に膜が破壊、剥離してしまい異常 損傷となった。また、ホーユング部の平滑ィ匕処理を行わな力つた工具 No.32は、摩耗 係数と切削抵抗が高くなつて大破した。
[0051] 上記試験結果から、本発明被覆切削工具は、大切込み及び高送りといった高負荷 の切削加工であっても、熱亀裂による欠損が生じにくぐ長期に亘り安定した加工を 行えることが確認された。
[0052] (試験例 2)
試験例 1で作製した試料 Aと同様の構成のチップを複数作製した。 Vヽずれのチップ も、セラミックス膜を成膜後、試験例 1と同様にダイヤモンド砥粒を用いたブラシで機 械的研磨を施した。本試験では、いずれの工具も、ホーユング部の内部、ホーユング 部の逃げ面側部、ホー-ング部の掬い面側部の表面粗さ Rz (十点平均粗さ；基準長 さ 5 m)を 0.2 m以下とした。そして、ブレーカ部の上部、座面、取付孔周りにおいて も同様に研磨処理を施し、各部位の表面粗さを変化させた。表 4に各部位の表面粗 さ Rzを示す。表 4において、 Iはブレーカ部の上部の表面粗さ Rz、 Jは座面の表面粗さ Rz、 Kは取付孔周りの表面粗さ Rzを示す。
[0053] 上記表面処理を施した各工具について、上記試験例 1と同様の条件で湿式連続切 削試験を行い、熱亀裂の本数、 V
B摩耗量、チッビングの有無を測定した。その結果も 表 4に示す。
[0054] [表 4]
Figure imgf000019_0001
[0055] 表 4に示すように、ブレーカ部の上部、座面、取付孔周りを平滑にした工具 No.16は 、高送り及び大切込みといった高負荷の切削加工を行っても、正常な損傷であり、 20 分間の加工が可能であった。これに対し、ブレーカ部の上部、座面、及び取付孔周り の少なくとも一つの表面が粗い工具 No.33— 36は、いずれも大破した。工具 No.33、 34は、切屑が取付孔周りに当って大破し、工具 No.35は、切屑処理が不安定で、切 粉が絡まり大破した。そして、工具 No.36は、試験開始直後に大破してしまった。この 試験結果から、上記のような高負荷の切削加工を行う場合、刃先稜線部だけでなぐ ブレーカ部の上部、座面、取付孔周りをも平滑にしておくことが好ましいことが確認さ れた。
[0056] (試験例 3)
試験例 1で作製した試料 Aと同様の構成のチップを複数作製した。そして、ホーニン グ部、ブレーカ部の上面、座面に被覆されたセラミックス膜において、ダイヤモンド砥 粒を用いたブラシで機械的研磨を施し、第 5層の Ti(NO)膜、及び第 6層 (最外層)の TiN膜を除去して、第 4層の α型酸ィ匕アルミニウム膜を露出させた。本試験では、いず れの工具も、ホーユング部の内部、ホーユング部の逃げ面側部、ホーユング部の掬 い面側部の表面粗さ Rz (十点平均粗さ；基準長さ 5 μ m)を 0.2 μ m以下、ブレーカ部の 上部、座面、取付孔周りの表面粗さ Rz (十点平均粗さ；基準長さ 5 μ m)を 0.5 μ m以下 とした。
[0057] 上記表面処理を施した各工具について、上記試験例 1と同様の条件で湿式連続切 削試験を行い、熱亀裂の本数、 V摩耗量、チッビングの有無を測定した。その結果を
B
表 5に示す。
[0058] [表 5]
Figure imgf000020_0001
[0059] 表 5に示すように、ホー-ング部、ブレーカ部の上部、座面のいずれかにおいて内 層の α型酸ィ匕アルミニウム膜を露出させた構成とすることで、被削材との溶着が防止 されて耐摩耗性が向上し、より安定した切削加工を行うことができた。
産業上の利用可能性
[0060] 本発明工具は、大切込み及び高送りといった高負荷の切削加工に適する。より具 体的には、例えば、鉄道の車輪などの粗加工に適する。 図面の簡単な説明
[0061] [図 1]本発明被覆超硬合金工具の刃先付近の概略模式断面図である。
符号の説明
[0062] 1 ホーニング部 2 チャンファ部 3 逃げ面側部 4 掬い面側部
5 ブレーカ部 5' ブレーカ部の上部 6 座面 7 取付孔周り

Claims

請求の範囲
母材上にセラミックス膜を具える被覆切削工具であって、
前記母材は、
周期律表 4a、 5a、 6a族金属の炭化物 (WCを除く)、窒化物及び炭窒化物よりなる群 から選ばれる 1種以上の金属化合物と WCとからなる硬質相と、 1種以上の鉄族金属 からなる結合相とからなり、
前記硬質相にお 、て、前記 WCの体積に対する前記金属化合物の合計体積の 割合力 S 1.5— 20%、 WCの平均粒径が 1一 5 μ mであり、
前記結合相は、少なくとも Coを含み、母材全体の体積に対する結合相の体積 割合が 7— 20%であり、
ホー-ング部を有する刃先稜線部と、刃先稜線部に繋がる掬い面に設けられた ブレーカ部及び座面と、ホルダに固定するための取付孔とを具え、
前記ホー-ング部は、丸ホー-ング又はコンビネーションホーユングが施され、 ノーズ半径が 1.6mm以上であり、
前記セラミックス膜は、
α型酸ィ匕アルミニウム膜と、
周期律表 4a、 5a、 6a族金属の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、炭 窒酸化物、硼窒化物、硼炭窒酸化物及び酸化アルミニウムよりなる群から選ばれる 1 種以上の化合物膜とを具え、
前記 OC型酸ィ匕アルミニウム膜は、
膜厚が 2— 12 mであり、
粒径 3— 5 μ mの粒子が α型酸ィ匕アルミニウム膜の表面部にお 、て面積比で 5 一 80%存在し、
セラミックス膜全体の膜厚が 3— 25 μ mであり、
前記ホーニング部の内部、ホーニング部の逃げ面側部、及びホーニング部の掬い 面側部の表面粗さが十点平均粗さ Rz (基準長さ 5 μ m)で 0.
2 μ m以下であり、 前記ブレーカ部の上部、座面、及び取付孔周りの表面粗さが十点平均粗さ Rz (基 準長さ 5 μ m)で 0.5 μ m以下であることを特徴とする被覆切削工具。 [2] セラミックス膜のうち外層は、チタンの化合物、最外層は、チタンの窒化物力もなり、 刃先稜線部からブレーカ部の上面、及び座面に被覆されたセラミックス膜のうち外 層が少なくとも一部除去されており、
前記外層が除去された部分には、 α型酸ィ匕アルミニウム膜が露出していることを特 徴とする請求の範囲第 1項に記載の被覆切削工具。
[3] 母材の表層部には、平均ビッカース硬度 (500g荷重)が母材内部よりも 0.3— 1.5GPa 低い強靭層を具え、
前記強靭層の厚みは、深さ方向に 2— 50 mであることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の被覆切削工具。
[4] ホーニング部には、コンビネーションホーニングが施され、
ホーニング部の内部には強靭層を具えず、ホーニング部の逃げ面側部に強靭層を 具えることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の被覆切削工具。
[5] 請求の範囲第 1項一第 4項のいずれかに記載の被覆切削工具を用いて、工具送り 速度 0.5mm/reV.以上で被削材を切削することを特徴とする切削方法。
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