WO2022138147A1 - 被覆工具および切削工具 - Google Patents
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Definitions
- a coated tool with improved wear resistance by coating the surface of a substrate such as cemented carbide, cermet, or ceramic with a coating film is known.
- a coating tool in which a part of the coating film is removed to expose a part of the substrate see Patent Document 2.
- the thickness of the coating film 20 on the third surface 9 may be thinner in the region close to the first surface 6 than in the region close to the second surface 7.
- the thickness of the coating film 20 located on the third surface 9 may be gradually increased from the first surface 6 to the second surface 7.
- the covering tool 1 having such a configuration has a good balance of chipping resistance, wear resistance, and heat resistance.
- the cBN used as the substrate 10 is an insulator. There was room for improvement in the adhesion of cBN, which is an insulator, to the film formed by the PVD method (physical vapor deposition).
- the covering tool 1 according to the embodiment by providing the conductive metal layer 22 on the surface of the substrate 10, the adhesion between the hard layer 21 formed by PVD and the metal layer 22 is high.
- the thickness of the first metal nitride layer 23a and the second metal nitride layer 23b may be 50 nm or less, respectively.
- the cutting tool 100 has a covering tool 1 and a holder 70 for fixing the covering tool 1.
- the holder 70 has a pocket 73 at the end on the first end side.
- the pocket 73 is a portion on which the covering tool 1 is mounted, and has a seating surface that intersects the rotation direction of the work material and a restraining side surface that is inclined with respect to the seating surface.
- the seating surface is provided with a screw hole for screwing a screw 75, which will be described later.
- the covering tool 1 is located in the pocket 73 of the holder 70 and is attached to the holder 70 by the screw 75. That is, the screw 75 is inserted into the through hole 5 of the covering tool 1, and the tip of the screw 75 is inserted into the screw hole formed on the seating surface of the pocket 73 to screw the screw portions together. As a result, the covering tool 1 is attached to the holder 70 so that the cutting edge 8 (see FIG. 1) protrudes outward from the holder 70.
- the TiN raw material powder 72% by volume or more and 82% by volume or less of the TiN raw material powder, 13% by volume or more and 23% by volume or less of the Al raw material powder, and 1 % by volume or more and 11% by volume or less of the Al2O3 raw material powder are prepared.
- an organic solvent is added to each of the prepared raw material powders.
- alcohols such as acetone and isopropyl alcohol (IPA) can be used.
- IPA isopropyl alcohol
- it is pulverized and mixed for 20 hours or more and 24 hours or less. After grinding and mixing, the solvent is evaporated to give the first mixed powder.
- the upper surface (rake surface) of the chip is covered with a jig.
- the rake face is in contact with the jig, and a film is not formed on the rake face.
- the jig is located on the upper part of the third surface 9 with a gap in between.
- the film thickness formed on the third surface 9 is thinner than the film thickness formed on the second surface 7.
- a coating film is formed on the surface of the chip by the physical vapor deposition (PVD) method.
- PVD physical vapor deposition
- the covering tool 1 has been described as being used for cutting, but the covering tool according to the present application can be applied to other than cutting tools such as excavation tools and blades.
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Abstract
本開示による被覆工具（１）は、基体（１０）と、基体（１０）の上に位置する被覆膜（２０）とを有する被覆工具である。被覆工具（１）は、第１面（６）と、第２面（７）と、第１面（６）および第２面（７）との間に位置し、Ｃ面またはＲ面である第３面（９）とを有する。基体（１０）は、複数の立方晶型窒化硼素粒子を含有する窒化硼素質焼結体からなる。基体（１０）は、第１面（６）において露出している。被覆膜（２０）は、第２面（７）の上に位置している。
Description
本開示は、被覆工具および切削工具に関する。
旋削加工や転削加工等の切削加工に用いられる工具として、超硬合金、サーメット、セラミックス等の基体の表面を被覆膜でコーティングすることによって耐摩耗性等を向上させた被覆工具が知られている（特許文献１参照）。また、被覆膜の一部を除去して、基体の一部を露出させた被覆工具が知られている（特許文献２参照）。
本開示の一態様による被覆工具は、基体と、基体の上に位置する被覆膜とを有する被覆工具である。被覆工具は、第１面と、第２面と、第１面および第２面との間に位置し、Ｃ面またはＲ面である第３面とを有する。基体は、複数の立方晶型窒化硼素粒子を含有する窒化硼素質焼結体からなる。基体は、第１面において露出している。被覆膜は、第２面の上に位置している。
本開示の一態様による切削工具は、端部にポケットを有する棒状のホルダと、ポケット内に位置する上述の被覆工具とを有する。
以下に、本開示による被覆工具および切削工具を実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示による被覆工具および切削工具が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。
また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。
超硬合金、サーメット、セラミックス等の基体の表面を被覆膜でコーティングすることによって耐摩耗性等を向上させた被覆工具が知られている。この種の被覆工具には、耐久性を向上させるという点で更なる改善の余地がある。
＜被覆工具＞
図１は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す斜視図である。図１に示すように、実施形態に係る被覆工具１は、チップ本体２と、切刃部３とを有する。実施形態に係る被覆工具１は、たとえば、上面および下面（図１に示すＺ軸と交わる面）の形状が平行四辺形である六面体形状を有する。
図１は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す斜視図である。図１に示すように、実施形態に係る被覆工具１は、チップ本体２と、切刃部３とを有する。実施形態に係る被覆工具１は、たとえば、上面および下面（図１に示すＺ軸と交わる面）の形状が平行四辺形である六面体形状を有する。
（チップ本体２）
チップ本体２は、たとえば超硬合金で形成される。超硬合金は、Ｗ（タングステン）、具体的には、ＷＣ（炭化タングステン）を含有する。また、超硬合金は、Ｎｉ（ニッケル）およびＣｏ（コバルト）の少なくとも一方を含有していてもよい。また、チップ本体２は、サーメットで形成されてもよい。サーメットは、たとえばＴｉ（チタン）、具体的には、ＴｉＣ（炭化チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）を含有する。また、サーメットは、ＮｉやＣｏを含有していてもよい。
チップ本体２は、たとえば超硬合金で形成される。超硬合金は、Ｗ（タングステン）、具体的には、ＷＣ（炭化タングステン）を含有する。また、超硬合金は、Ｎｉ（ニッケル）およびＣｏ（コバルト）の少なくとも一方を含有していてもよい。また、チップ本体２は、サーメットで形成されてもよい。サーメットは、たとえばＴｉ（チタン）、具体的には、ＴｉＣ（炭化チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）を含有する。また、サーメットは、ＮｉやＣｏを含有していてもよい。
チップ本体２のコーナー部には、切刃部３を取り付けるための座面４が位置する。また、チップ本体２の中央部には、チップ本体２を上下に貫通する貫通孔５が位置する。貫通孔５には、後述するホルダ７０に被覆工具１を取り付けるためのネジ７５が挿入される（図６参照）。
（切刃部３）
切刃部３は、チップ本体２の座面４に取り付けられることによってチップ本体２と一体化されている。
切刃部３は、チップ本体２の座面４に取り付けられることによってチップ本体２と一体化されている。
切刃部３は、第１面６（ここでは、上面）と、第１面６に連接する第２面７（ここでは、側面）とを有する。実施形態において、第１面６は切削により生じた切屑をすくい取る「すくい面」として機能し、第２面７は「逃げ面」として機能する。第１面６と第２面７とが交わる稜部の少なくとも一部には、切刃８が位置している。被覆工具１は、切刃８を被削材に当てることによって被削材を切削する。
かかる切刃部３の構成について図２を参照して説明する。図２は、実施形態に係る被覆工具１の一例を示す側断面図である。図２に示すように、切刃部３は、基体１０と、被覆膜２０とを有する。
（基体１０）
基体１０は、複数の窒化硼素粒子を含有する。実施形態において、基体１０は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）質焼結体であり、複数の立方晶型窒化硼素粒子を含有する窒化硼素質焼結体からなる。基体１０は、複数の窒化硼素粒子の間に、ＴｉＮ、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３等を含有する結合相を有していてもよい。複数の窒化硼素粒子は、かかる結合相によって強固に結合される。なお、基体１０は、必ずしも結合相を有することを要しない。
基体１０は、複数の窒化硼素粒子を含有する。実施形態において、基体１０は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）質焼結体であり、複数の立方晶型窒化硼素粒子を含有する窒化硼素質焼結体からなる。基体１０は、複数の窒化硼素粒子の間に、ＴｉＮ、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３等を含有する結合相を有していてもよい。複数の窒化硼素粒子は、かかる結合相によって強固に結合される。なお、基体１０は、必ずしも結合相を有することを要しない。
切刃８は、第１面６と第２面７とに連続する第３面９を有する。第３面９は、たとえば、第１面６と第２面７との角部を斜め且つ直線的に削ったＣ面（チャンファー面）である。これに限らず、第３面９は、第１面６と第２面７との角部を丸めたＲ面（ラウンド面）であってもよい。
基体１０の下面には、たとえば超硬合金またはサーメットからなる基板３０が位置していてもよい。この場合、基体１０は、基板３０および接合材４０を介してチップ本体２の座面４に接合している。接合材４０は、たとえばロウ材である。チップ本体２の座面４以外の部分では、基体１０は接合材４０を介してチップ本体２と接合していてもよい。
（被覆膜２０）
被覆膜２０は、例えば、切刃部３の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として基体１０に被覆される。図２の例では、被覆膜２０がチップ本体２および切刃部３の両方に位置しているが、被覆膜２０は、少なくとも基体１０の上に位置していればよい。被覆膜２０が切刃部３の第２面７に相当する基体１０の側面に位置する場合、第２面７の耐摩耗性、耐熱性が高い。
被覆膜２０は、例えば、切刃部３の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として基体１０に被覆される。図２の例では、被覆膜２０がチップ本体２および切刃部３の両方に位置しているが、被覆膜２０は、少なくとも基体１０の上に位置していればよい。被覆膜２０が切刃部３の第２面７に相当する基体１０の側面に位置する場合、第２面７の耐摩耗性、耐熱性が高い。
図３は、図２に示すＩＩＩ部の模式的な拡大図である。図３に示すように、実施形態に係る被覆工具１において、基体１０は、第１面６において露出している。言い換えれば、被覆膜２０は、第１面６の上には存在しない。実施形態に係る被覆工具１において、被覆膜２０は、第２面７および第３面９の上に位置している。
本願発明者は、鋭意研究の結果、すくい面に相当する第１面６の上に被覆膜２０を設けた場合と比較して、第１面６の上に被覆膜２０を設けない場合の方が、被覆工具１の耐久性が向上することを明らかにした。この理由としては、たとえば、被覆膜２０が破壊される際に、母材である基体１０ごと損傷することが考えられる。
そこで、実施形態に係る被覆工具１では、逃げ面に相当する第２面７および切刃８に相当する第３面９を被覆膜２０で覆いつつ、すくい面に相当する第１面６を露出させることとした。このような構成を有する被覆工具１は、耐久性が高い。
また、実施形態に係る被覆工具１は、逃げ面に相当する第２面７および切刃８に相当する第３面９の上に被覆膜２０を有する。このような構成を有する被覆工具１は、耐摩耗性、耐熱性が高い。なお、被覆工具１は、少なくとも第２面７の上に被覆膜２０を有していればよい。
第３面９における被覆膜２０の厚みは、第２面７における被覆膜２０の厚みよりも薄くてもよい。第２面７における被覆膜２０の厚みを薄くすると、被覆膜２０が破壊された際に基体１０ごと損傷することが抑制される。したがって、このような構成を有する被覆工具１は、耐久性がさらに高い。たとえば、第２面７における被覆膜２０の厚みは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であってもよい。また、第３面９における被覆膜２０の厚みは、０．０１μｍ以上５．０μｍ未満であってもよい。
第３面９における被覆膜２０の厚みは、第１面６に近い領域において、第２面７に近い領域よりも薄くてもよい。たとえば、第３面９の上に位置する被覆膜２０の厚みは、第１面６から第２面７に向かって漸次厚くなってもよい。このような構成を有する被覆工具１は、耐欠損性、耐摩耗性、耐熱性のバランスが良い。
（被覆膜２０の具体的な構成）
次に、被覆膜２０の具体的な構成について図４を参照して説明する。図４は、図３に示すＩＶ部の模式的な拡大図である。
次に、被覆膜２０の具体的な構成について図４を参照して説明する。図４は、図３に示すＩＶ部の模式的な拡大図である。
図４に示すように、被覆膜２０は、少なくとも硬質層２１を有する。硬質層２１は、１層以上の金属窒化物層を有する。硬質層２１は１層であってもよい。また、図４に示すように複数の金属窒化物層が重なっていてもよい。また、硬質層２１は、複数の金属窒化物層が積層された積層部２３と、積層部２３の上に位置する第３金属窒化物層２４とを有していてもよい。かかる硬質層２１の構成については後述する。
（金属層２２）
また、被覆膜２０は、金属層２２を有していてもよい。金属層２２は、基体１０と硬質層２１との間に位置する。具体的には、金属層２２は、一方の面（ここでは下面）において基体１０の上面に接し、且つ、他方の面（ここでは上面）において硬質層２１の下面に接する。
また、被覆膜２０は、金属層２２を有していてもよい。金属層２２は、基体１０と硬質層２１との間に位置する。具体的には、金属層２２は、一方の面（ここでは下面）において基体１０の上面に接し、且つ、他方の面（ここでは上面）において硬質層２１の下面に接する。
金属層２２は、基体１０との密着性が硬質層２１と比べて高い。このような特性を有する金属元素としては、たとえば、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙが挙げられる。金属層２２は、上記金属元素のうち少なくとも１種以上の金属元素を含有する。
なお、Ｔｉの単体、Ｚｒの単体、Ｖの単体、Ｃｒの単体およびＡｌの単体は、金属層２２としては用いられない。これらはいずれも融点が低く、耐酸化性が低いことから、切削工具への使用に適さないためである。また、Ｈｆの単体、Ｎｂの単体、Ｔａの単体、Ｍｏの単体は基体１０との密着性が低い。ただし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ａｌを含む合金については、この限りではない。
金属層２２は、Ａｌ－Ｃｒ合金を含有するＡｌ－Ｃｒ合金層であってもよい。かかる金属層２２は、基体１０との密着性が特に高いことから、基体１０と被覆膜２０との密着性を向上させる効果が高い。
金属層２２がＡｌ－Ｃｒ合金層である場合、金属層２２におけるＡｌの含有量は、金属層２２におけるＣｒの含有量よりも多くてもよい。たとえば、金属層２２におけるＡｌとＣｒとの組成比（原子％）は、７０：３０であってもよい。このような組成比率とすることで、基体１０と金属層２２との密着性はより高い。
金属層２２は、上記金属元素（Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ）以外の成分を含有していてもよい。ただし、基体１０との密着性の観点から、金属層２２は、上記金属元素を合量で少なくとも９５原子％以上含有していてもよい。より好ましくは、金属層２２は、上記金属元素を合量で９８原子％以上含有してもよい。たとえば、金属層２２がＡｌ－Ｃｒ合金層である場合、金属層２２は、少なくとも、ＡｌおよびＣｒを合量で９５原子％以上含有していてもよい。さらに金属層２２は、少なくとも、ＡｌおよびＣｒを合量で９８原子％以上含有していてもよい。なお、金属層２２における金属成分の割合は、たとえば、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いた分析により特定可能である。
また、Ｔｉは実施形態に係る基体１０との濡れ性が悪いため、基体１０との密着性向上の観点から、金属層２２は、Ｔｉを極力含有していないことが好ましい。具体的には、金属層２２におけるＴｉの含有量は、１５原子％以下であってもよい。
このように、実施形態に係る被覆工具１では、基体１０との濡れ性が硬質層２１と比べて高い金属層２２を基体１０と硬質層２１との間に設けることにより、基体１０と被覆膜２０との密着性を向上させることができる。なお、金属層２２は、硬質層２１との密着性も高いため、硬質層２１が金属層２２から剥離するといったことも生じにくい。
また、基体１０として用いられるｃＢＮは、絶縁体である。絶縁体であるｃＢＮには、ＰＶＤ法（物理蒸着）により形成される膜との密着性に改善の余地があった。これに対し、実施形態に係る被覆工具１では、導電性を有する金属層２２を基体１０の表面に設けることで、ＰＶＤにより形成される硬質層２１と金属層２２との密着性が高い。
（硬質層２１）
次に、硬質層２１の構成について図５を参照して説明する。図５は、図４に示すＶ部の模式的な拡大図である。
次に、硬質層２１の構成について図５を参照して説明する。図５は、図４に示すＶ部の模式的な拡大図である。
図５に示すように、硬質層２１は、金属層２２の上に位置する積層部２３と、積層部２３の上に位置する第３金属窒化物層２４とを有する。
積層部２３は、複数の第１金属窒化物層２３ａと複数の第２金属窒化物層２３ｂとを有する。積層部２３は、第１金属窒化物層２３ａと第２金属窒化物層２３ｂとが交互に積層された構成を有している。
第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの厚みは、それぞれ５０ｎｍ以下としてもよい。このように、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂを薄く形成することで、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの残留応力が小さい。これにより、たとえば、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの剥離やクラック等が生じ難くなることから、被覆膜２０の耐久性が高い。
第１金属窒化物層２３ａは、金属層２２に接する層であり、第２金属窒化物層２３ｂは、第１金属窒化物層２３ａ上に形成される。
第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂは、金属層２２に含まれる金属を含有していてもよい。
たとえば、金属層２２に２種類の金属（ここでは、「第１の金属」、「第２の金属」とする）が含まれているとする。この場合、第１金属窒化物層２３ａは、第１の金属および第３の金属の窒化物を含有する。第３の金属は、金属層２２に含まれない金属である。また、第２金属窒化物層２３ｂは、第１の金属および第２の金属の窒化物を含有する。
たとえば、実施形態において、金属層２２は、ＡｌおよびＣｒを含有してもよい。この場合、第１金属窒化物層２３ａは、Ａｌを含有してもよい。具体的には、第１金属窒化物層２３ａは、ＡｌおよびＴｉの窒化物であるＡｌＴｉＮを含有するＡｌＴｉＮ層であってもよい。また、第２金属窒化物層２３ｂは、ＡｌおよびＣｒの窒化物であるＡｌＣｒＮを含有するＡｌＣｒＮ層であってもよい。
このように、金属層２２に含まれる金属を含有する第１金属窒化物層２３ａを金属層２２の上に位置させることで、金属層２２と硬質層２１との密着性が高い。これにより、硬質層２１が金属層２２から剥離し難くなるため、被覆膜２０の耐久性が高い。
第１金属窒化物層２３ａすなわちＡｌＴｉＮ層は、上述した金属層２２との密着性の他、たとえば耐摩耗性に優れる。また、第２金属窒化物層２３ｂすなわちＡｌＣｒＮ層は、たとえば耐熱性、耐酸化性に優れる。このように、被覆膜２０は、互いに異なる組成の第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂを含むことで、硬質層２１の耐摩耗性や耐熱性等の特性を制御することができる。これにより、被覆工具１の工具寿命を延ばすことができる。たとえば、実施形態に係る硬質層２１においては、ＡｌＣｒＮが持つ優れた耐熱性を維持しつつ、金属層２２との密着性や耐摩耗性といった機械的性質を向上させることができる。
なお、積層部２３は、たとえばアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により成膜してもよい。ＡＩＰ法は、真空雰囲気でアーク放電を利用してターゲット金属（ここでは、ＡｌＴｉターゲットおよびＡｌＣｒターゲット）を蒸発させ、Ｎ２ガスと結合することによって金属窒化物（ここでは、ＡｌＴｉＮとＡｌＣｒＮ）を成膜する方法である。なお、金属層２２もＡＩＰ法により成膜してもよい。
第３金属窒化物層２４は、積層部２３の上に位置してもよい。具体的には、第３金属窒化物層２４は、積層部２３のうち第２金属窒化物層２３ｂと接する。第３金属窒化物層２４は、たとえば、第１金属窒化物層２３ａと同様、ＴｉおよびＡｌを含有する金属窒化物層（ＡｌＴｉＮ層）である。
第３金属窒化物層２４の厚みは、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの各厚みよりも厚くてもよい。具体的には、上述したように第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの厚みは５０ｎｍ以下とした場合、第３金属窒化物層２４の厚みは、１μｍ以上としてもよい。たとえば、第３金属窒化物層２４の厚みは、１．２μｍであってもよい。
これにより、たとえば、第３金属窒化物層２４の摩擦係数が低い場合には、被覆工具１の耐溶着性を向上させることができる。また、たとえば、第３金属窒化物層２４の硬度が高い場合には、被覆工具１の耐摩耗性を向上させることができる。また、たとえば、第３金属窒化物層２４の酸化開始温度が高い場合には、被覆工具１の耐酸化性を向上させることができる。
また、第３金属窒化物層２４の厚みは、積層部２３の厚みよりも厚くてもよい。具体的には、実施形態において、積層部２３の厚みは０．５μｍ以下とした場合、第３金属窒化物層２４の厚みは、１μｍ以上であってもよい。たとえば、積層部２３の厚みが０．３μｍである場合、第３金属窒化物層２４の厚みは１．２μｍであってもよい。このように、第３金属窒化物層２４を積層部２３よりも厚くすることで、上述した耐溶着性、耐摩耗性等を向上させる効果がさらに高い。
なお、金属層２２の厚みは、たとえば０．１μｍ以上、０．６μｍ未満であってもよい。すなわち、金属層２２は、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの各々よりも厚く、且つ、積層部２３よりも薄くてもよい。
硬質層２１は、立方晶結晶を含有していてもよい。ここで、立方晶結晶における（２００）面のＸ線強度をＩ（２００）とし、（１１１）面のＸ線強度をＩ（１１１）とする。この場合、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は、５．３以上であってもよい。このような構成を有する被覆工具１は、耐衝撃性に優れるとともに、硬質層２１が剥離しにくい。
＜切削工具＞
次に、上述した被覆工具１を備えた切削工具の構成について図６を参照して説明する。図６は、実施形態に係る切削工具の一例を示す正面図である。
次に、上述した被覆工具１を備えた切削工具の構成について図６を参照して説明する。図６は、実施形態に係る切削工具の一例を示す正面図である。
図６に示すように、実施形態に係る切削工具１００は、被覆工具１と、被覆工具１を固定するためのホルダ７０とを有する。
ホルダ７０は、第１端（図６における上端）から第２端（図６における下端）に向かって伸びる棒状の部材である。ホルダ７０は、たとえば、鋼、鋳鉄製である。特に、これらの部材の中で靱性の高い鋼が用いられることが好ましい。
ホルダ７０は、第１端側の端部にポケット７３を有する。ポケット７３は、被覆工具１が装着される部分であり、被削材の回転方向と交わる着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有する。着座面には、後述するネジ７５を螺合させるネジ孔が設けられている。
被覆工具１は、ホルダ７０のポケット７３に位置し、ネジ７５によってホルダ７０に装着される。すなわち、被覆工具１の貫通孔５にネジ７５を挿入し、このネジ７５の先端をポケット７３の着座面に形成されたネジ孔に挿入してネジ部同士を螺合させる。これにより、被覆工具１は、切刃８（図１参照）がホルダ７０から外方に突出するようにホルダ７０に装着される。
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が挙げられる。なお、切削工具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被覆工具１を用いてもよい。
たとえば、被削材の切削加工は、（１）被削材を回転させる工程、（２）回転する被削材に被覆工具１の切刃８を接触させて被削材を切削する工程、および、（３）被覆工具１を被削材から離す工程を含む。なお、被削材の材質の代表例としては、炭素鋼、合金鋼、ステンレス、鋳鉄、または非鉄金属などが挙げられる。
以下、本開示の実施例を説明する。なお、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
まず、ＴｉＮ原料粉末７２体積％以上８２体積％以下と、Ａｌ原料粉末１３体積％以上２３体積％以下と、Ａｌ２Ｏ３原料粉末１体積％以上１１体積％以下とを準備する。そして、準備した各原料粉末に有機溶媒を添加する。有機溶媒としては、アセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等のアルコール類が用いられ得る。その後、ボールミルにて、２０時間以上２４時間以下、粉砕および混合する。粉砕および混合後、溶媒を蒸発させることにより、第１混合粉末が得られる。
次に、平均粒径が２．５μｍ以上４．５μｍ以下であるｃＢＮ粉末と、平均粒径が０．５μｍ１．５μｍ以下であるｃＢＮ粉末とを、体積比で８以上９以下：１以上２以下の割合で調合する。さらに、有機溶媒を添加する。有機溶媒としては、アセトン、ＩＰＡ等のアルコール類が用いられ得る。その後、ボールミルにて、２０時間以上２４時間以下、粉砕および混合する。粉砕および混合後、溶媒を蒸発させることにより、第２混合粉末が得られる。
次に、得られた第１混合粉末と第２混合粉末とを、体積比で６８以上７８以下：２２以上３２以下の割合で調合する。調合した粉末に有機溶媒と有機バインダとを添加する。有機溶媒としては、アセトン、ＩＰＡ等のアルコール類が用いられ得る。また、有機バインダとしては、パラフィン、アクリル系樹脂等が用いられ得る。その後、ボールミルにて２０時間以上２４時間以下粉砕混合し、さらにその後、有機溶媒を蒸発させることにより、第３混合粉末が得られる。なお、ボールミルを用いた工程では必要に応じて分散剤を添加しても良い。
そして、この第３混合粉末を所定形状に成形することによって成形体が得られる。成形には、一軸加圧プレス、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）等の既知の方法が使用され得る。この成形体を５００℃以上１０００℃以下の範囲内の所定の温度にて加熱し、有機バインダを蒸発除去する。
次に、成形体を超高圧加熱装置に装入し、４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下の圧力下において１２００℃以上１５００℃以下で１５分以上３０分以下加熱する。これにより、実施形態に係る立方晶窒化硼素質焼結体が得られる。そして、得られた立方晶窒化硼素質焼結体を、超硬合金からなるチップ本体の座面に接合材を介して取り付ける。これにより、実施例に係るチップが得られる。
次に、得られたチップと同サイズの治具をチップの上面（すくい面）に位置させる。すなわち、チップの上面（すくい面）を治具で覆う。その結果、すくい面は治具と接触しており、すくい面には製膜されない。また、治具は、第３面９の上部に隙間を挟んで位置している。その結果、第３面９に製膜される膜厚は、第２面７に製膜される膜厚よりも薄くなる。この状態で、物理気相蒸着（ＰＶＤ）法によってチップの表面に被覆膜を製膜する。これにより、逃げ面およびチャンファー面が被覆膜によって覆われ、すくい面が露出した実施例に係る被覆工具が得られる。
チップのチャンファー面の近傍には上述した治具が位置している。このため、チャンファー面への蒸着は、上述した治具によって抑制される。この結果、チャンファー面上に位置する被覆膜の厚みは、逃げ面上に位置する被覆膜の厚みと比べて薄くなる。
比較例１として、上述の治具を用いずに基体の全面に被覆膜を製膜した試料を作製した。また、比較例２として、上述の比較例１に係る被覆工具の第３面９から被覆膜を除去した試料を作製した。
（断続評価）
次に、実施例に係る被覆工具と、すくい面を含むすべての面が被覆膜で覆われた比較例に係る被覆工具とについて、以下の切削条件にて断続評価を行った。
＜切削条件＞
切削方法：旋削加工
被削材 ：ＳＣＭ４１５ ８ヶ穴
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：切刃が欠損するまでの衝撃回数
次に、実施例に係る被覆工具と、すくい面を含むすべての面が被覆膜で覆われた比較例に係る被覆工具とについて、以下の切削条件にて断続評価を行った。
＜切削条件＞
切削方法：旋削加工
被削材 ：ＳＣＭ４１５ ８ヶ穴
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：切刃が欠損するまでの衝撃回数
断続評価の結果、実施例に係る切削工具が最も長い寿命を達成した。また、比較例１に係る切削工具が、最も寿命が短かった。
実施例に係る被覆工具において切刃が欠損するまでの衝撃回数は、比較例に係る被覆工具において切刃が欠損するまでの衝撃回数と比較して、２倍以上多い結果となった。この結果から明らかなように、すくい面を露出させることにより、耐久性が向上し、工具寿命が長くなることがわかる。
上述した実施形態では、被覆工具１の上面および下面の形状が平行四辺形である場合の例を示したが、被覆工具１の上面および下面の形状は、ひし形や正方形等であってもよい。また、被覆工具１の上面および下面の形状は、三角形、五角形、六角形等であってもよい。
また、被覆工具１の形状は、ポジティブ型であってもよいしネガティブ型であってもよい。ポジティブ型は、被覆工具１の上面の中心および下面の中心を通る中心軸に対して側面が傾斜しているタイプであり、ネガティブ型は、上記中心軸に対して側面が平行なタイプである。
上述した実施形態では、基体１０が立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の粒子を含有する場合の例について説明した。これに限らず、本願の開示する基体は、たとえば、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）、菱面体晶窒化硼素（ｒＢＮ）、ウルツ鉱窒化硼素（ｗＢＮ）等の粒子を含有していてもよい。また、基体１０は、窒化硼素に限らず、たとえば超硬合金およびサーメット等であってもよい。超硬合金は、Ｗ（タングステン）、具体的には、ＷＣ（炭化タングステン）を含有する。また、超硬合金は、Ｎｉ（ニッケル）やＣｏ（コバルト）を含有していてもよい。また、サーメットは、たとえばＴｉ（チタン）、具体的には、ＴｉＣ（炭化チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）を含有する。また、サーメットは、ＮｉやＣｏを含有していてもよい。
上述した実施形態では、被覆工具１が切削加工に用いられるものとして説明したが、本願による被覆工具は、たとえば掘削用の工具や刃物など、切削工具以外への適用も可能である。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 被覆工具
２ チップ本体
３ 切刃部
４ 座面
５ 貫通孔
６ 第１面
７ 第２面
８ 切刃
９ 第３面
１０ 基体
２０ 被覆膜
２１ 硬質層
２２ 金属層
２３ 積層部
２３ａ 第１金属窒化物層
２３ｂ 第２金属窒化物層
２４ 第３金属窒化物層
３０ 基板
４０ 接合材
７０ ホルダ
７３ ポケット
７５ ネジ
１００ 切削工具
２ チップ本体
３ 切刃部
４ 座面
５ 貫通孔
６ 第１面
７ 第２面
８ 切刃
９ 第３面
１０ 基体
２０ 被覆膜
２１ 硬質層
２２ 金属層
２３ 積層部
２３ａ 第１金属窒化物層
２３ｂ 第２金属窒化物層
２４ 第３金属窒化物層
３０ 基板
４０ 接合材
７０ ホルダ
７３ ポケット
７５ ネジ
１００ 切削工具
Claims (19)
- 基体と、
前記基体の上に位置する被覆膜と、を有する被覆工具であって、
前記被覆工具は、
第１面と、
第２面と、
前記第１面および前記第２面との間に位置し、Ｃ面またはＲ面である第３面とを有し、
前記基体は、複数の立方晶型窒化硼素粒子を含有する窒化硼素質焼結体からなり、
前記基体は、前記第１面において露出しており、
前記被覆膜は、前記第２面の上に位置している、被覆工具。 - 前記被覆膜は、前記第２面および前記第３面の上に位置している、請求項１に記載の被覆工具。
- 前記第３面における前記被覆膜の厚みは、前記第２面における前記被覆膜の厚みよりも薄い、請求項２に記載の被覆工具。
- 前記第３面における前記被覆膜の厚みは、前記第１面に近い領域において、前記第２面に近い領域よりも薄い、請求項２または３に記載の被覆工具。
- 前記第２面における前記被覆膜の厚みは、０．５μｍ以上５．０μｍ以下であり、前記第３面における前記被覆膜の厚みは、０．０１μｍ以上５．０μｍ未満である、請求項２～４のいずれか一つに記載の被覆工具。
- 前記被覆膜は、
硬質層と、
前記基体と前記硬質層との間に位置する、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ａｌの単体以外の金属層と
を含む、請求項１～５のいずれか一つに記載の被覆工具。 - 前記金属層は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙのうち少なくとも一種以上の元素を含有する、請求項６に記載の被覆工具。
- 前記金属層は、前記元素を９５原子％以上含有する、請求項７に記載の被覆工具。
- 前記金属層は、ＡｌおよびＣｒを合量で９５原子％以上含有する、請求項６～８のいずれか一つに記載の被覆工具。
- 前記金属層におけるＴｉ含有量は、１５原子％以下である、請求項６～９のいずれか一つに記載の被覆工具。
- 前記基体は、前記立方晶型窒化硼素粒子の間に結合相を有する、請求項６～１０のいずれか一つに記載の被覆工具。
- 前記硬質層は、１層以上の金属窒化物層を有し、前記金属層と接する前記金属窒化物層は、前記金属層に含まれる金属を含有する、請求項６～１１のいずれか一つに記載の被覆工具。
- 前記金属窒化物層は、
第１金属窒化物層と、
前記第１金属窒化物層と異なる組成を有する第２金属窒化物層と
を含む、請求項１２に記載の被覆工具。 - 前記第１金属窒化物層および前記第２金属窒化物層の各厚みは、５０ｎｍ以下である、請求項１３に記載の被覆工具。
- 前記金属層は、第１の金属および第２の金属を含有し、
前記第１金属窒化物層は、前記第１の金属および第３の金属の窒化物を含有し、
前記第２金属窒化物層は、前記第１の金属および前記第２の金属の窒化物を含有する、請求項１３または１４に記載の被覆工具。 - 前記第１金属窒化物層は、ＴｉとＡｌとを含有し、
前記第２金属窒化物層は、ＡｌとＣｒとを含有する、請求項１５に記載の被覆工具。 - 前記硬質層は、
複数の前記第１金属窒化物層と複数の前記第２金属窒化物層とを含み、前記第１金属窒化物層と前記第２金属窒化物層とが交互に積層された積層部と、
前記積層部よりも前記基体から離れた位置に位置する第３金属窒化物層と
を有し、
前記第３金属窒化物層の厚みは、
前記第１金属窒化物層および前記第２金属窒化物層の各厚みよりも厚い、請求項１３～１６のいずれか一つに記載の被覆工具。 - 前記硬質層は、立方晶結晶を含有し、
前記立方晶結晶における（２００）面のＸ線強度をＩ（２００）とし、（１１１）面のＸ線強度をＩ（１１１）とした場合、
前記Ｉ（２００）／前記Ｉ（１１１）は、５．３以上である、請求項６～１７のいずれか一つに記載の被覆工具。 - 端部にポケットを有する棒状のホルダと、
前記ポケット内に位置する、請求項１～１８のいずれか一つに記載の被覆工具と
を有する、切削工具。
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