JP2011005583A

JP2011005583A - 切削工具

Info

Publication number: JP2011005583A
Application number: JP2009150613A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Ishikawa; 和範石川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: JP5349164B2

Abstract

【課題】切刃稜線部における被覆層が剥離しにくく、切刃における耐欠損性が高い長寿命な切削工具を提供する。
【解決手段】基体８の表面に下層９Ｌと上層９Ｕとを含む複数の被覆層９を被覆したスローアウェイチップ１において、下層９Ｌは切刃稜線部４において略Ｖ字状の下層欠如部１０が存在しているとともに、少なくとも下層９Ｌの下層欠如部１０の表面を上層９Ｕが被覆しているスローアウェイチップ１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成された切削工具に関する。

従来から、基体の表面に被覆層をコーティングした切削工具が知られており、その切刃における被覆層の状態が検討されている。例えば、特許文献１ではアークイオンプレーティング法によって被覆層を成膜する際に、二次スパッタによって切刃稜線部のみの被覆層を除去したドリルが開示され、切削初期における欠損や膜剥離を防止できることが記載されている。また、同号の図４では、被覆層を２層成膜した構成において上層のみが切刃稜線部で除去され、下層にはほとんど影響がない構成となっていることが記載されている。

また、特許文献２では、ダイヤモンドまたはｃＢＮを主体とする第１硬質膜（下層）を被覆した後、切れ刃稜（切刃稜線部）において母材（基体）が露出するようにホーニングし、その後、改めて第２硬質膜（上層）を成膜した切削工具が開示され、切刃稜線部において硬質膜の剥離や被削材の融着が抑制されることが記載されている。

特開２０００−５２１１８号公報特開平０８−１７４３０９号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２のような被覆層の構成においても、切刃稜線部における被覆層の耐剥離性および耐欠損性は不十分であり、耐欠損性の更なる向上が求められていた。

本発明は、上記従来の課題を改善して、切刃稜線部における被覆層の耐剥離性および耐欠損性が高く、長寿命の切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体の表面に下層と上層とを含む複数の被覆層を被覆しており、切刃稜線部に直交する断面にて観察した際に、前記下層は切刃稜線部において略Ｖ字状の下層欠如部が存在しているとともに、少なくとも前記下層の前記下層欠如部の表面を前記上層が被覆しているものである。

ここで、すくい面の中央部において、前記下層の厚みｔ_Ｌが１〜３μｍ、前記上層の厚みｔ_Ｕが２〜５μｍであり、前記厚みｔ_Ｌと前記厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｕ／ｔ_Ｌ）が１．５〜３であることが望ましい。

また、前記略Ｖ字状の下層欠如部の深さが０．５〜３μｍであることが望ましい。

さらに、前記下層欠如部における前記上層の厚みｔ_Ｅと前記厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｅ／ｔ_Ｕ）が１．２〜１．５であることが望ましい。

本発明の切削工具によれば、切刃稜線部に直交する断面にて観察した際に、切刃稜線部において下層に略Ｖ字状の下層欠如部が存在しているとともに、前記下層欠如部の表面を前記上層が被覆している構成からなることによって、上層に下層欠如部が存在する構成や、切刃稜線部における下層を基体が露出するまでホーニングした後に改めて上層を被覆した構成に比べて、切刃稜線部における耐欠損性が高いことが判明した。

ここで、すくい面の中央部において、前記下層の厚みｔ_Ｌが１〜３μｍ、前記上層の厚みｔ_Ｕが２〜５μｍであり、前記厚みｔ_Ｌと前記厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｕ／ｔ_Ｌ）が１．５〜３である構成において、切刃稜線部における耐欠損性が高くなる。

また、前記略Ｖ字状の下層欠如部の深さが０．５〜３μｍである場合に、特に切刃稜線部における耐欠損性が高くなる。

さらに、前記下層欠如部における前記上層の厚みｔ_Ｅと前記厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｅ／ｔ_Ｕ）が１．２〜１．５であることが、切刃稜線部における耐欠損性が高いとともに、耐摩耗性も向上する点で望ましい。

本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップの一例を示す概略斜視図である。図１のスローアウェイチップの切刃についての断面図である。図１のスローアウェイチップの切刃稜線部に直交する断面にて観察した模式図である。本発明の切削工具の他の実施態様におけるスローアウェイチップの切刃稜線部に直交する断面にて観察した模式図である。

本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップについて、その一例についての概略斜視図である図１、側面図である図２および切刃稜線部に直交する断面にて観察した模式図である図３を基に説明する。

図１によれば、スローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、主面２が多角形形状の略平板状をなして、一方の主面がすくい面２ａを、側面が逃げ面３を、すくい面２ａと逃げ面３との切刃稜線部４のうちノーズ部５を含んで切刃６が形成されている。なお、すくい面２ａとは反対の主面は図２に示すように着座面２ｂをなしている。

チップ１は、図２および図３に示すように、基体８の表面に下層９Ｌと上層９Ｕを含む複数層からなる被覆層９が少なくともすくい面２ａから逃げ面３にわたって被着形成されている。なお、図２によれば、すくい面２ａの中央部には着座面２ｂにわたって貫通するネジ穴７が設けられている。

ここで、図３によれば、チップ１において、下層９Ｌは切刃稜線部４において略Ｖ字状の下層欠如部１０が存在しているとともに、下層９Ｌの下層欠如部１０の表面を上層９Ｕが被覆している。この構成によって切刃稜線部４における耐欠損性が高くなる。なお、この構成において、切刃稜線部４の耐欠損性が向上する理由は不明であるが、上層９Ｕの切刃稜線部４における結晶成長状態が複雑になって、成長した上層９Ｕに存在する残留応力が最適化されるためではないかと推察される。

なお、下層９Ｌの下層欠如部（以下、下層欠如部と略す。）１０の断面形状が図３に示すように少なくとも１つの折れ曲り部１１を有し、さらには階段状をなすことが、切刃６における被覆層９の残留応力を効率よく有効に低減して大きなチッピングや欠損を抑制できるとともに、すくい面２ａおよび逃げ面３における被覆層９の耐摩耗性をともに維持できることができる点で望ましい。なお、本発明によれば、下層欠如部１０の断面形状としては、図４のように上に凸状の折れ曲り部１１を持たない曲線状であってもよく、また、階段状としては図3のように上に凸の折れ曲り部１１が１つのみであってもよいが、図４（ｂ）のように複数の上に凸状の折れ曲り部１１を有する多段の階段状であってもよい。

ここで、すくい面２ａの中央部において、下層９Ｌの厚みｔ_Ｌが１〜３μｍであること、上層９Ｕの厚みｔ_Ｕが２〜５μｍであり、厚みｔ_Ｌと厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｕ／ｔ_Ｌ）が１．５〜３、特に２〜３である構成において、切刃稜線部４における耐欠損性が高くなる。

また、略Ｖ字状の下層欠如部１０の深さ（図３のｄ_１とｄ_２の平均値ｄ）が０．５〜３μｍ、特に１．５〜２．５μｍである場合に、特に切刃稜線部４における耐欠損性が高くなる。なお、下層欠如部１０の開口部の幅ｗが２〜５μｍであることが、切刃稜線部における耐欠損性および耐摩耗性のバランスを保つ点で望ましい。

さらに、下層欠如部１０における上層９Ｕの厚みｔ_Ｅとすくい面２ａの中央部における厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｅ／ｔ_Ｕ）が１．２〜１．５であることが、切刃稜線部４における耐欠損性が高いとともに、耐摩耗性も向上する点で望ましい。

なお、被覆層９は、周期表４、５、６族金属、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、窒化硼素（ｃＢＮ）の少なくとも１層からなる。上記構成においては、下層９Ｌおよび上層９Uが同じ材種からなるものであってもよく、または下層がＴｉＣＮ層からなり、上層９Ｕが（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなるように、異なる材種からなる構成であってもよい。

ここで、本発明によれば、上記のような下層欠如部１０を形成するには、切刃稜線部４がシャープエッジ、すなわち切刃６断面の曲率半径Ｒ_ｒが１０μｍ以下の状態にした基体に対して、被覆層９をアークイオンプレーティング法やスパッタ法等のバイアス電圧を印加して成膜する方法によって被覆層を成膜する。このとき、下層を成膜するときは、バイアス電圧を定常成膜条件の１．５倍以上に高めて成膜し、その後、上層を成膜する際のバイアス電圧は下層を成膜するときのバイアス電圧に比べて低くして定常成膜条件に戻す方法で作製することができる。

さらに、切刃６はことが、下層欠如部１０を確実に形成できるとともに、切刃６の切れ味の向上の点で望ましい。なお、切刃６断面の曲率半径Ｒ_ｒは５μｍ以下、さらに３μｍ以下であることが望ましい。

また、本発明においては、図２に示すように、チップ１の切刃６からすくい面２ａ側に凹状または凸状のブレーカ部１２を形成してもよく、これによって切り屑の排出性が向上して切れ味を高めることができ、かつびびり発生の抑制および加工面粗度の向上を図ることができるとともに、特に凹状のブレーカ部１２は切刃６をよりシャープにして下層欠如部１０を確実に形成することができる。

さらに、本発明によれば、すくい面２ａおよび逃げ面４の算術平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下、特に０．５μｍ以下であることが加工面粗度の向上および切れ味の向上の点で望ましい。

材種Ａ：表１に示す平均粒径のＷＣ粉末に対して、平均粒径１．５μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末を０．６質量％、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末を０．３質量％、平均粒径０．５μｍのＣｏ粉末を表１に示す割合で添加、
材種Ｂ：表１に示す平均粒径のＴｉＣＮ粉末に対して、平均粒径２μｍのＴｉＮ粉末を１５質量％、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末を３質量％、平均粒径２μｍのＮｂＣ粉末を２質量％、平均粒径１μｍのＣｏ粉末およびＮｉ粉末を合計で表１に示す割合で添加、
混合して、ＴＭＭＧチップ形状に成形、焼成した後、すくい面および逃げ面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下となるように研磨加工を行った。なお、切刃は断面で見た曲率半径が表１に示す値となるように加工した。なお、ノーズ部の先端角度θは６０°、切刃のポジ角αは１１°とした。

そして、上記母材に対して、アルカリ洗浄を行い、１×１０^−２Ｐａで真空排気を行った後、炉内を５５０℃に加熱してアークイオンプレーティング法にて下層および上層とも（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる被覆層を表１に示す条件にて成膜してスローアウェイチップを作製した。なお、表中、試料Ｎｏ．５については、下層を成膜した後で一旦取り出して切刃部にホーニング加工を施し、その後、再び成膜装置内に戻して上層を成膜した。

得られたチップについて、切刃の断面形状を確認するためにノーズ先端を含む断面をＦＩＢ加工（収束イオンビーム加工）によってカットし、その断面を走査型電子顕微鏡により観察することによって切刃の断面形状および被覆層の下層欠如部との境界における膜厚すくい面側ｔ_ｐ、逃げ面側ｔ_ｓを測定し、その平均値を算出した。なお、下層欠如部を持たない試料については切刃における膜厚を括弧書きで表記した。また、チップの上斜め方向から角度を変えながら下層欠如部を顕微鏡観察して下層欠如部の最大幅を測定した。

また、上記条件にて作製したチップに対して、下記条件で切削加工を行い、３００個の定数加工を行った時点でのチッピングおよび欠損の状態を確認して耐欠損性として表記するとともに、被削材の算術平均表面粗さ（Ｒａ）が０．１０μｍを超えた時点を寿命としてワークの加工数を測定した。
切削条件
被削材ＳＵＳ４３０Ｆ
加工形態 Φ８ｍｍ外径端面仕上げ切削
切削速度Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み０．０３ｍｍ
送り０．０３ｍｍ／ｒｅｖ
切削状態湿式
結果は表１に示した。

表１の結果から明らかなように、下層欠如部がない試料Ｎｏ．５では、切刃にチッピングや欠損が発生して耐欠損性が低いものであった。下層欠如部がなくて上層欠如部が存在する試料Ｎｏ．６でも、耐欠損性が悪くてチッピングした。さらに、下層も上層も欠如した試料Ｎｏ．７では、摩耗の進行が早くて加工数が少なかった。

これに対して、切刃に下層欠如部が存在するとともにその表面を上層が被覆する形態の試料Ｎｏ．１〜４については、いずれも耐欠損性が高く、長寿命なチップとなった。

１スローアウェイチップ
２主面
２ａすくい面
２ｂ着座面
３逃げ面
４切刃稜線部
５ノーズ部
６切刃
７ネジ穴
８基体
９被覆層
１０下層欠如部
１１凸状の折れ曲がり部
１２ブレーカ部
ｔ_Ｌ：すくい面の中央部における下層の厚み
ｔ_Ｕ：すくい面の中央部における上層の厚み
ｔ_Ｅ：切刃稜線部における上層の厚み
ｄ_１：略Ｖ字状の下層欠如部のすくい面側の深さ
ｄ_２：略Ｖ字状の下層欠如部の逃げ面側の深さ

Claims

基体の表面に下層と上層とを含む複数の被覆層を被覆した切削工具であって、切刃稜線部に直交する断面にて観察した際に、前記下層は切刃稜線部において略Ｖ字状の下層欠如部が存在しているとともに、少なくとも前記下層の前記下層欠如部の表面を前記上層が被覆している切削工具。
すくい面の中央部において、前記下層の厚みｔ_Ｌが１〜３μｍ、前記上層の厚みｔ_Ｕが２〜５μｍであり、前記厚みｔ_Ｌと前記厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｕ／ｔ_Ｌ）が１．５〜３である請求項１記載の切削工具。
前記略Ｖ字状の下層欠如部の深さが０．５〜３μｍである請求項１または２記載の切削工具。
前記下層欠如部における前記上層の厚みｔ_Ｅと前記厚みｔ_Ｕとの比率（ｔ_Ｅ／ｔ_Ｕ）が１．２〜１．５である請求項３記載の切削工具。