JP2017189847A - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、実施形態について説明する。以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても、本発明の範囲を逸脱するものではない。
基材は、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。たとえば、超硬合金(たとえば、WC基超硬合金、WCのほか、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nbなどの炭窒化物を添加したものも含む)、サーメット(TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化ホウ素焼結体、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。
本実施形態において被膜は、硬質層を含む。この硬質層は、当該被膜中に1層または2層以上含まれることができる。また硬質層以外の他の層を含んでもよいことはいうまでもない。
(結晶粒の結晶構造)
硬質層は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する複数の結晶粒を含む。硬質層に含まれる結晶粒が塩化ナトリウム型の結晶構造を有していることは、X線回折装置、SEM−EBSD装置、TEM分析装置などを用いて確認することができる。
硬質層に含まれる結晶粒は、AlxTi1-xの窒化物または炭窒化物からなる第1層と、AlyTi1-yの窒化物または炭窒化物(ただし、x≠y)からなる第2層とが交互に1層以上積層された積層構造を有している。第1層および第2層の組成は、窒化物または炭窒化物のいずれでもよい。ただし、第1層の組成が窒化物となる場合、第2層の組成も窒化物となる。第1層の組成が炭窒化物となる場合、第2層の組成も炭窒化物となる。
本実施形態において、隣り合う第1層と第2層との厚みの合計(以下、「積層周期」とも称する)は、3〜40nmである。このような厚みで第1層と第2層とからなる積層構造を有することにより、結晶粒は高硬度となり、かつ靱性が向上する。この厚みが40nmを超えると、結晶粒がウルツ鉱型結晶構造へ相転移することにより硬度が低下する傾向があり、耐摩耗性に悪影響が及ぶ。隣り合う第1層と第2層との厚みの合計は、好ましくは7〜38nmである。
硬質層において、硬質層のうち基材の表面に平行な面に対し、電子線後方散乱回折(EBSD:Electron Back Scatter Diffraction)装置を用いて複数の結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、結晶粒の結晶面である(111)面に対する法線方向と基材の表面に対する法線方向との交差角を測定した場合に、交差角が0度以上10度未満となる結晶粒の面積比率が40%以上である。硬質層がこれを満たす場合に、硬質層は硬度に特に優れることとなり、もって表面被覆切削工具の優れた耐摩耗性に寄与することができる。上記面積比率の上限値は特に限定されず、硬度の向上の観点からは100%が好ましい。
グループ2:交差角が5度以上10度未満
グループ3:交差角が10度以上15度未満
グループ4:交差角が15度以上20度未満
グループ5:交差角が20度以上25度未満
グループ6:交差角が25度以上30度未満
グループ7:交差角が30度以上35度未満
グループ8:交差角が35度以上40度未満
グループ9:交差角が40度以上45度未満
グループ10:交差角が45度以上50度未満
グループ11:交差角が50度以上55度未満
グループ12:交差角が55度以上60度未満
グループ13:交差角が60度以上65度未満
グループ14:交差角が65度以上70度未満
グループ15:交差角が70度以上75度未満
グループ16:交差角が75度以上80度未満
グループ17:交差角が80度以上85度未満
グループ18:交差角が85度以上90度未満。
硬質層に含まれる複数の結晶粒間には、結晶粒の粒界である「結晶粒界」が存在する。特に、硬質層に含まれる結晶粒の結晶粒界は、CSL粒界(対応格子結晶粒界)と一般粒界とを含み、CSL粒界のうちΣ3型結晶粒界の長さは、CSL粒界を構成するΣ3型結晶粒界、Σ5型結晶粒界、Σ7型結晶粒界、Σ9型結晶粒界、Σ11型結晶粒界、Σ13型結晶粒界、Σ15型結晶粒界、Σ17型結晶粒界、Σ19型結晶粒界、Σ21型結晶粒界、Σ23型結晶粒界、Σ25型結晶粒界、Σ27型結晶粒界およびΣ29型結晶粒界のそれぞれの長さの総計であるΣ3−29型結晶粒界の長さの50%未満であることが好ましい。
硬質層に含まれる結晶粒は、1μm以下の粒径を有することが好ましい。これにより、硬質層の硬度をさらに向上させることができる。硬質層の結晶粒の粒径は、上述の交差角の度数分布の算出方法を利用して、求めることができる。
本実施形態において硬質層に含まれる結晶粒は、平均アスペクト比Aが2以上であることが好ましい。本実施形態では、個々の結晶粒において結晶の成長方向に垂直な方向となる幅のうち最大のものを粒子幅wとし、この粒子幅wに対して垂直な方向となる長さのうち最大のものを粒子長さlとし、wとlとの比(l/w)を個々の結晶粒のアスペクト比αとする。さらに、個々の結晶粒について求めたアスペクト比αの平均値を平均アスペクト比A、個々の結晶粒について求めた粒子幅wの平均値を平均粒子幅Wとする。このとき、硬質層に含まれる結晶粒は、平均アスペクト比Aが2以上であり、かつ平均粒子幅Wが0.5μm以下であることがより好ましい。
硬質層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが30〜40GPaであることが好ましい。より好ましくは、32〜38GPaである。硬質層のナノインデンテーション法による押し込み硬さが上記範囲であることにより、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、耐摩耗性が向上する。特に、耐熱合金などの難削材の切削加工を行う際に優れた性能を発揮することができる。
硬質層は、圧縮残留応力を有することが好ましく、該残留応力は、その絶対値が0.5GPa以上3.0GPa以下であることが好ましい。すなわち硬質層が圧縮残留応力を有する場合、その絶対値は3.0GPa以下であることが好ましい。硬質層の圧縮残留応力の絶対値が上記範囲であることにより、硬質層の靱性を飛躍的に向上させることができる。一方、圧縮残留応力の絶対値が3.0GPaを超えると、組織破壊に伴い耐摩耗性が低下する傾向がある。また圧縮残留応力の絶対値が0.5GPa下回ると、チッピングが起きやすくなる傾向がある。靱性が低下する傾向がある。硬質層の圧縮残留応力は、硬質層に含まれる結晶粒内における第1層と第2層との積層周期を調節することによって制御することができる。
硬質層は、1〜15μmの厚みを有することが好ましい。硬質層の厚みが上記範囲であることにより、高い耐チッピング性を示しつつ、特に高い耐摩耗性を示す効果を顕著に示すことができる。硬質層の厚みが1μm未満であると靱性が十分ではなく、15μmを超えるとチッピングが起きやすくなる傾向がある。硬質層の厚みは、その特性を向上させる観点から3.5〜7.0μmであることがさらに好ましい。
硬質層は、本実施形態の作用効果に影響を及ぼさない限り、塩素(Cl)、酸素(O)、硼素(B)、コバルト(Co)、タングステン(W)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、炭素(C)などを含んでいてもよい。すなわち硬質層は、不可避不純物などの不純物を含んで形成されることが許容される。
本実施形態において被膜は、硬質層以外の層を含んでいてもよい。たとえば、基材と被膜との接合強度を高くすることが可能な下地層を含むことができる。そのような層として、たとえば、TiN層、TiCN層、TiN層とTiCN層とからなる複合層などを挙げることができる。下地層は、従来公知の製造方法を使用することにより製造することができる。
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、たとえば、鋳鉄の連続切削、特に乾式のフライス加工などに用いた場合であっても、チッピング、欠損、剥離などの発生が抑えられつつ、極めて高い硬度に基づく高い耐摩耗性を発揮する。したがって、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、高い耐チッピング性を示しつつ、特に高い耐摩耗性を示すことができ、もって長寿命を実現することができる。
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する第1工程と、硬質層をCVD法を用いて形成する第2工程とを含む。特に、第2工程は、AlCl3ガスおよびTiCl4ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させる工程を含む。これにより、上記の構成および効果を有する表面被覆切削工具を製造することができる。
第1工程では基材を準備する。基材は、市販のものを用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。たとえば、基材として超硬合金基材を一般的な粉末冶金法で製造する場合、ボールミルなどによってWC粉末とCo粉末などとを混合して混合粉末を得ることができる。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC−Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理などの所定の刃先加工を施すことにより、WC−Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。第1工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものをいずれも準備可能である。
第2工程では、CVD装置100を用いたCVD法により、基材上に硬質層を形成する。具体的には、まずCVD装置100の反応容器22内に、基材10として任意の形状のチップを基材保持治具21に装着する。続いて調温装置23を使って基材保持治具21に設置した基材10の温度を750〜850℃に上昇させる。さらに反応容器22の内部の圧力を1.5〜2.5kPaとする。
基材の表面の法線方向に平行な断面に基づく測定対象面は、次のようにして作製された。まず、基材の表面の法線方向に平行な断面を作製した。次に、該断面を上述のとおり耐水研磨紙で研磨し、引続き、Arイオンによるイオンミーリング処理によりさらに平滑化し、これを測定対象面とした。イオンミーリング装置とその処理の条件は以下のとおりである。
加速電圧:6kV
照射角度:基材表面の法線方向から0°
照射時間:6時間。
加速電圧:30kV
イオン :ガリウム(Ga)イオン
加工範囲:20μm×20μm
加工深さ:0.1〜0.5μm(除去される硬質層の厚さ)
照射角度:5°
照射時間:1時間。
第1工程として、基材Aおよび基材Bを準備した。具体的には、表1に記載の配合組成(重量%)からなる原料粉末を均一に混合した。なお表1中の「残り」とは、WCが配合組成(質量%)の残部を占めることを示す。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1500℃で1〜2時間焼結することにより、超硬合金からなる基材A(形状:CNMG120408NUX)および基材B(形状:SEET13T3AGSN−G)を得た。これらの形状は、いずれも住友電工ハードメタル株式会社製のものであり、基材AであるCNMG120408NUXは、旋削用の刃先交換型切削チップの形状であり、基材BであるSEET13T3AGSN−Gは、転削(フライス)用の刃先交換型切削チップの形状である。
第2工程として、基材Aおよび基材Bの表面上に表2に示す組成の下地層(TiN、試料によってはTiNおよびTiCN)を、表9に示すとおりの厚みで形成した。下地層上に後述する硬質層を表9に示すとおりの厚みで形成した。そのほか表9に示すとおり、試料によっては表面被覆層(Al2O3)も形成した。下地層は基材の表面と直接接する層である。表面被覆層は、硬質層上に形成される層であって切削工具の表面を構成する。
硬質層の形成は、図6に示すようなCVD装置100を用い、表3〜表5に示す形成条件1A〜1H、2A〜2H、XおよびYのいずれかの条件で行なった。
上述のように準備された基材Aまたは基材Bを、上記のような方法で形成した被膜により被覆し、表9に示すとおりの試料No.1〜32の切削工具を作製した。本実施例において試料No.1〜28の切削工具が実施例であり、試料No.29〜32の切削工具が比較例である。
上記のようにして作製した試料No.1〜32の切削工具を用いて、以下の2種の切削試験を行った。
試料No.1〜7、15〜21、29および30の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表10に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として、高速切削であっても長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。
被削材 : FCD600丸棒
周速 : 300m/min
送り速度: 0.15mm/rev
切込み量: 1.0mm
切削液 : 有り。
試料No.8〜14、22〜28、31および32の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mmとなるまでの切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表11に示す。切削距離が長いほど耐チッピング性に優れる切削工具として、被削材の種類に関わらず長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。
被削材 : SKDブロック材
周速 : 200m/min
送り速度: 0.3mm/s
切込み量: 2.0mm
切削液 : なし
カッタ : WGC4160R(住友電工ハードメタル株式会社製)。
表10によれば、試料No.1〜7、15〜21の切削工具は、試料No.29および30の切削工具と比べて長寿命であることが確認された。特に、試料No.20および30の切削工具は、チッピングが確認されて高速切削に対して性能が劣ることが確認された。
20 被膜、
21 基材保持治具、
22 反応容器、
23 調温装置、
24 第1ガス導入管、
25 第2ガス導入管、
26 軸、
27 ガス排気管、
28 ガス排気口、
100 CVD装置。
Claims (7)
- 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、硬質層を含み、
前記硬質層は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する複数の結晶粒を含み、
前記結晶粒は、AlxTi1-xの窒化物または炭窒化物からなる第1層と、AlyTi1-yの窒化物または炭窒化物(ただしx≠y)からなる第2層とが交互に積層された積層構造を有し、
隣り合う前記第1層と前記第2層との厚みの合計は、3nm以上40nm以下であり、
前記硬質層のうち前記基材の表面に平行な面に対し、電子線後方散乱回折装置を用いて前記複数の結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、前記結晶粒の結晶面である(111)面に対する法線方向と前記基材の表面に対する法線方向との交差角を測定した場合に、前記交差角が0度以上10度未満となる前記結晶粒の面積比率が40%以上である、表面被覆切削工具。 - 前記結晶粒の粒界は、CSL粒界と、一般粒界とを含み、CSL粒界のうちΣ3型結晶粒界の長さは、CSL粒界を構成するΣ3型結晶粒界、Σ5型結晶粒界、Σ7型結晶粒界、Σ9型結晶粒界、Σ11型結晶粒界、Σ13型結晶粒界、Σ15型結晶粒界、Σ17型結晶粒界、Σ19型結晶粒界、Σ21型結晶粒界、Σ23型結晶粒界、Σ25型結晶粒界、Σ27型結晶粒界およびΣ29型結晶粒界のそれぞれの長さの総計であるΣ3−29型結晶粒界の長さの50%未満である、請求項1に記載の表面被覆切削工具。
- 前記結晶粒は1μm以下の粒径を有する、請求項1または請求項2に記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質層は、1μm以上15μm以下の厚みを有する、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。
- 前記硬質層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが30GPa以上40GPa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。
- 前記硬質層は、圧縮残留応力の絶対値が0.5GPa以上3.0GPa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。
- 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の製造方法であって、
前記基材を準備する第1工程と、
前記硬質層を化学蒸着法を用いて形成する第2工程とを含み、
前記第2工程は、AlCl3ガスおよびTiCl4ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させながら前記結晶粒を成長させる工程を含む、表面被覆切削工具の製造方法。
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