JP4084678B2

JP4084678B2 - 表面被覆切削工具およびその製造方法

Info

Publication number: JP4084678B2
Application number: JP2003047006A
Authority: JP
Inventors: 剛深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP2004255488A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼、鋳鉄等を切削加工する表面被覆切削工具およびその製造方法に関し、特に切刃強度を高めた表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鋼、鋳鉄等を切削加工する際に、ＷＣ基超硬合金や、ＴｉＣＮ基サーメット等の母材に、Ｔｉの窒化物、炭化物、または炭窒化物や、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＴｉとＡｌの固溶体の窒化物、炭化物、炭窒化物、または炭酸化物等の硬質膜を被覆した表面被覆切削工具（以下、被覆切削工具と呼ぶ）を用いられており、工具寿命の改善が行われている。
【０００３】
また、切削工具の切刃部にホーニング加工、または、チャンファ加工等の刃先処理を施すことによって刃先強度を高め、工具寿命を高める方法も行われている。
【０００４】
一方、特許文献１や特許文献２では、前記被覆切削工具の刃先処理部の硬質膜にラッピング等の機械研磨を施して切刃表面を除去して薄くしたり、または表面を平滑化することで、切刃における硬質膜の靭性、耐衝撃性を高めて工具寿命を向上させることが記載されている。
【０００５】
〔特許文献１〕
特開平２−２１８５２２
〔特許文献２〕
特開昭６４−１６３０２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１および特許文献２の機械研磨によって切刃の硬質膜を除去する方法では、研磨した切刃部分に研摩痕がのこってしまい、研磨痕に応力集中が生じて結果的に切刃の耐欠損性が不十分で工具寿命の延命効果に限界があった。
【０００７】
本発明は上記の問題を解決するものであって、その目的は、切刃の耐欠損性をより高めて、より工具寿命の長い表面被覆切削工具を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題に対して検討した結果、硬質膜を被覆した切削工具の切刃を機械研磨することなく、すなわち、前記刃先処理部において、プラズマを用いたボンバード処理法にて研磨する方法のように研磨による研磨痕をなくすように除去することによって、局所的な応力集中を抑制して切刃強度を高め、耐欠損性が向上することを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、母材の表面に、硬質膜を少なくとも１層被覆するとともに、すくい面と逃げ面の交差稜を切刃とする表面被覆切削工具において、前記切刃における硬質膜の表面部分は、イオンボンバード処理により研磨されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【００１０】
また、前記母材の主面がすくい面、側面が逃げ面をなすとともに、前記すくい面が多角形の略平板形状をなし、該すくい面と隣接する２つの逃げ面とが交わるコーナー部に切刃を形成してなることが望ましい。
【００１２】
また、前記切刃における硬質膜の膜厚が、前記切刃以外の部位における膜厚よりも薄くなっていることが望ましい。
【００１３】
さらに、前記硬質膜の前記イオンボンバード処理により研磨された表面部分はＡｒ、Ｎ、Ｏ、ＴｉおよびＡｌのいずれかの濃度が前記硬質膜の内部よりも高くなっていることが望ましい。
【００１４】
請求項６に記載の表面被覆切削工具の製造方法は、母材のすくい面と逃げ面の交差稜に切刃を形成するとともに、表面に硬質膜を少なくとも１層被覆する表面被覆切削工具の製造方法において、前記硬質膜の少なくとも前記切刃部を含む領域の表面部分をイオンボンバード処理して除去することを特徴とする。
【００１５】
上記表面被覆切削工具の製造方法では、前記硬質膜の少なくとも前記切刃部を含む領域の表面部分にＡｒ、Ｎ、Ｏ、ＴｉおよびＡｌの群から選ばれるいずれか一種以上のイオンを照射して前記イオンボンバード処理してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の被覆切削工具についてその一例であるスローアウェイチップの概略斜視図である図１、図１のスローアウェイチップのコーナー部を拡大した概略斜視図である図３、図１における切刃部付近（Ａ部）の金属顕微鏡（×２５０）写真である図２（ａ）、図１のスローアウェイチップの切刃部付近の拡大断面模式図である図２（ｂ）を用いて説明する。
【００１７】
本発明の被覆切削工具は、母材５の表面に、硬質膜６を少なくとも１層被覆するとともに、すくい面２と逃げ面３の交差稜を切刃４とする表面被覆切削工具１において、硬質膜６の少なくとも切刃４を含む領域の表面部分を研磨痕７が残らないように除去したことを特徴とする表面被覆切削工具であり、図１の表面被覆切削工具は多角形状をなす主面（正方形）にすくい面２および着座面、側面に逃げ面３をそれぞれ有した略平板形状をなし、すくい面２と隣接する２つの逃げ面３とが交わるコーナーに切刃４を設けている。
【００１８】
また、図１の表面被覆切削工具１によれば、図２の断面模式図に示すように、母材５の表面に硬質膜６を少なくとも１層被覆しており、図２の表面被覆切削工具１では、３つの層からなる多層膜にて硬質膜６を形成している。
【００１９】
本発明の被覆切削工具１では、図３に示すように、少なくとも切刃４を含む領域における硬質膜６の表面部分を研磨痕７が残らないように除去することを大きな特徴とするものである。すなわち、切刃４を含む領域における硬質膜６の表面部分のみを除去することによって、切刃４を含む硬質膜６の除去部９における硬質膜６の残留応力を開放することができるため、切刃４の強度を高めることができ、被覆切削工具１の耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができるとともに、図４（ａ）に示すような切刃４上の硬質膜６の表面を機械研磨加工にて除去する際に生じる研磨痕２０をなくすことによって、研磨痕２０に応力集中が生じてクラックが発生することがなくなり、被覆切削工具１の耐欠損性がより向上する。すなわち、機械研磨加工にて硬質膜６の表面を除去すると、耐チッピング性は向上するが、クラックの進展などによる欠損に対する耐性は向上しない。ここで本発明における研磨痕２０とは、図４（ａ）に示されるような金属顕微鏡にて観察できる筋状の傷のことを指す。
【００２０】
本発明において硬質膜６の研磨痕が残らないように硬質膜６を除去するには、例えば、イオンを照射して硬質膜６の表面をボンバード処理する方法が好適に採用でき、特に、ボンバード処理を行う方法としては、プラズマを用いて物理蒸着を行う装置内にてＡｒ，ＮおよびＯの群から選ばれるいずれか１種以上のガスを導入し、タングステンフィラメントを加熱することにより炉内をプラズマ状態とし、該プラズマ内に硬質膜６を被覆した工具を載置して、Ａｒ，ＮおよびＯの群から選ばれるいずれか１種以上のイオンを硬質膜６の表面にバイアス電圧をかけて衝突させる方法が、より確実に、かつ、より均一にボンバード処理ができるとともに、硬質膜６の除去量を制御できる点で望ましい。
【００２１】
また、アークイオンプレーティングなどでは、ターゲットにＴｉまたはＴｉＡｌを使用しアーク放電を発生させ、ＴｉイオンおよびまたはＡｌイオンを硬質膜６の表面にバイアス電圧をかけ衝突させる方法も望ましい。また、ターゲット材種には金属及びそれらの合金、例えばＴｉ、ＴｉＡｌ、ＴｉＣｒ、ＴｉＳｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌまたはそれらに微量な金属（例えばＹ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｖ，Ｎｂのうちのいずれか一種の元素）を添加したものなどでも同様の効果が期待できる。
【００２２】
さらに、切刃４上の硬質膜６の表面におけるＡｒ、Ｔｉ、Ｎ、ＯおよびＡｌのいずれかの濃度が硬質膜６の内部と比較して高くなっていることにより、切削の際に被削材との反応による溶着が起こりにくくなり、チッピングおよび刃先の欠損を防ぐことができるため望ましい。
【００２３】
また、切刃４以外の部位での硬質膜６の膜厚ａと比較して、切刃４の硬質膜の膜厚ｂが薄くなっていることが望ましい。硬質膜６の膜厚を薄くすることにより耐欠損性を向上させることができるが、耐摩耗性が低下してしまう。よって、切刃４の硬質膜のみを薄くし、耐摩耗性に関与する逃げ面の膜厚を厚くしておくことで、耐摩耗性を保持したまま切刃４の耐欠損性を改善できる。
【００２４】
さらに、図４（ｂ）に示すように、硬質膜６の除去量が切刃４からすくい面２および逃げ面３の中央部に向かって暫減しており、硬質膜６の除去部と非除去部の境界２１を持たないことが、図４（ｂ）の機械研磨により硬質膜６を除去した従来の研磨方法を施したチップの断面模式図に示すように、硬質膜６を除去した部分と非除去の部分との境界２１の発生による段差や加工不良（図４（ａ））をなくすことができるため、境界２１での応力集中の発生による工具損傷を防ぐことができる点で望ましい。ここで、硬質膜６の除去量は、硬質膜６が単層の場合は硬質膜６の表面の一部のみ、硬質膜６が複層の場合は、最外層の厚み程度で硬質膜６が所望の厚みで残存するように制御するのがよい。
【００２５】
なお、本発明において、母材５としては、ＷＣを主体とし、Ｃｏ等の鉄族金属を主体とする結合相からなる超硬合金や、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを主体とし、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄族金属を主体とする結合相からなるサーメット等が好適である。
【００２６】
上述した硬質膜６としては、化学蒸着法や、イオンプレーティング、スパッタリング法、蒸着等の物理蒸着法によって、母材表面にＴｉ等の４ａ、５ａ、６ａ族金属、ＳｉおよびＡｌの群から選ばれる少なくとも１種の窒化物、炭化物、炭窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物、酸化物、酸窒化物の単層または二層以上の複層からなる高硬度で耐溶着性に優れるとともに耐欠損性の高い膜からなる。
【００２７】
また、図２（ｂ）に示すように、さらに、母材５の切刃４に砥石やブラシ等を用いてホーニングやチャンファ等の機械加工にて刃先処理を施すことで切刃強度を高め、切削性能を向上させることもできるが、本発明によれば、かかる母材５表面に生じた研磨痕は硬質膜６を成膜することによって埋めることができる。
【００２８】
一方、本発明の表面被覆切削工具を作成するには、まず所定形状に成形、焼成した母材５のコーナー部（切刃部４）にホーニングやチャンファ等の刃先処理を機械研磨加工によって施した後、母材５表面に上述した方法にて硬質膜６を成膜する。そして、硬質膜６の除去を、プラズマを用いて物理蒸着または化学蒸着を行う装置内にて前記硬質膜表面にイオンボンバード処理によって行い、硬質膜６の表面部分を研磨痕が残らないように除去することにより、本発明の表面被覆切削工具１を作成できる。
【００２９】
なお、ボンバード処理の具体的な条件としては、例えばイオンプレーティング、アークイオンプレーティング等のＰＶＤ炉内にて、Ａｒ、Ｎ_２、Ｏ_２ガスを用いて炉内をそれらの１種及び２種以上の雰囲気でタングステンフィラメントを加熱することにより炉内をプラズマ状態として、炉内圧力０．５Ｐａ〜１０Ｐａ、炉内温度２００〜９００℃、バイアス電圧−１００〜−１０００Ｖ、処理時間２ｍｉｎ〜２４０ｍｉｎの条件が好適である。また、アークイオンプレーティングにて、ターゲットにＴｉ、ＴｉＡｌを用いて、アーク放電電流１５０Ａにてアーク放電を発生させ、Ａｒガスを用いて炉内を炉内圧力０．５Ｐａ〜１０Ｐａ、炉内温度２００〜９００℃、バイアス電圧−１００〜−１０００Ｖ、処理時間２ｍｉｎ〜２４０ｍｉｎの条件が好適である。
【００３０】
ここで、上記ボンバードによる硬質膜６の除去方法では、ボンバード処理を行う際にプラズマが被処理物のエッジに集中しやすいため、エッジが中央部よりもプラズマによって除去されやすいために、容易に上述した硬質膜６の構成を作製することができる。
【００３１】
【実施例】
（実施例）
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）を添加、混合して、プレス成形によりスローアウェイチップ形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００℃を越えると３℃／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して炭化タングステン基超硬合金基体を作製した。
【００３２】
得られた炭化タングステン基超硬合金基体の切刃部分をブラシ加工にて半径８０μｍのＲ面ホーニング加工を施した後、ＣＶＤ法により母材側よりＴｉＣＮ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＮの膜構成からなる硬質膜を順次成膜した。
【００３３】
そして、アークイオンプレーティング装置内に上記スローアウェイチップを載置して、タングステンフィラメントを加熱し、バイアス電圧５００Ｖ、炉内温度５００℃、表１に示すガスを炉内圧３Ｐａで、表１に示す時間ボンバード処理を施し、硬質膜表面の除去を行った。（試料Ｎｏ．１〜３）
また、アークイオンプレーティング装置内に上記スローアウェイチップを載置して、バイアス電圧８００Ｖ、炉内温度５００℃、表１に示すガスを炉内圧３Ｐａで、アーク放電電流１５０Ａにてボンバード処理を施し、硬質膜表面の除去を行った。（試料Ｎｏ．４、５）
また、試料Ｎｏ.６は硬質膜の除去を行わず、試料Ｎｏ.７はボンバード処理ではなく、ブラシ加工によって切刃の硬質膜を除去した試料である。
【００３４】
上記方法にて作製した試料Ｎｏ．１〜７の切刃（コーナー部）表面について、切刃の研磨痕の有無を金属顕微鏡にて確認した。また、各試料の断面について金属顕微鏡観察を行い、切刃（コーナー部）での最も薄い膜厚およびすくい面中央での膜厚、および切刃の断面形状より、硬質膜の除去部と非除去部の境界の有無を観察した。結果は表１に示した。
【００３５】
さらに、試料Ｎｏ．１〜７の硬質膜の切刃部分の断面についてＡｒ、Ｏ、Ｎ、Ｔｉ、Ａｌの濃度分布をＥＰＭＡにて分析を行った結果、それぞれの試料について、表１に示される検出元素が硬質膜の内部よりも硬質膜を除去した部分の表面に特に多く検出された。
【００３６】
また試料Ｎｏ．１〜７にて下記の条件で切削試験を行い、耐欠損性および耐チッピング性の評価を行った。結果は表１に示した。
【００３７】
切削条件
耐欠損性試験
切削方法：旋削
被削材：ＳＣＭ４４０溝入れ
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２ｍｍ
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切削状態：湿式
試料が損傷するまでの切削時間を測定。
【００３８】
耐チッピング性試験
切削方法：旋削
被削材：ＳＣＭ４４０溝入れ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２ｍｍ
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削状態：乾式
耐チッピング性試験：試料をそれぞれ１０個ずつ試験し、５分間切削した後に刃先の状態をチェックし、１０個中何個にチッピングが発生したかを確認する。
【００３９】
【表１】

表１より、ボンバードで刃先処理を行った試料Ｎｏ.１〜５では、切削試験において、耐欠損性試験による工具寿命も長く、チッピングの発生もほとんど見られなかった。
【００４０】
一方、刃先処理を行わなかった試料Ｎｏ.６では、刃先のチッピングが発生し耐欠損性も悪かった。
【００４１】
また、刃先処理をブラシで行い、研磨痕が残っている試料Ｎｏ.７では、チッピングの発生はある程度抑えられていたが、耐欠損性においては十分な性能ではなかった。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の表面被覆切削工具によれば、前記切刃における硬質膜の表面部分が、イオンボンバード処理により研磨されていることによって、刃先強度を高めて耐チッピング性を向上させるとともに、研磨痕に発生する応力集中をなくし、耐欠損性を向上させることができる。
【００４３】
また、本発明の表面被覆切削工具の製造方法によれば、少なくとも切刃部を含む領域の硬質膜の表面部分をイオンボンバード処理して除去することから、刃先強度を高めて耐チッピング性を容易に向上させることができるとともに、研磨痕に発生する応力集中をなくして耐欠損性を容易に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である。
【図２】（ａ）本発明の表面被覆切削工具の図１におけるＡ部の金属顕微鏡写真（×２５０）である。
（ｂ）本発明の表面被覆切削工具の切刃付近における断面拡大模式図である。
【図３】本発明の被覆切削工具の図１におけるＡ部の拡大概略図である。
【図４】（ａ）本発明の範囲外の表面被覆切削工具の図１におけるＡ部の金属顕微鏡写真（×２５０）である。
（ｂ）本発明の範囲外の表面被覆切削工具の切刃付近における断面拡大模式図である。
【符号の説明】
１：表面被覆切削工具
２：すくい面
３：逃げ面
４：切刃
５：母材
６：硬質膜
９：硬質膜の除去部
２０：研磨痕
２１：境界
ａ：切刃以外の硬質膜の膜厚
ｂ：切刃の硬質膜の膜厚

Claims

母材の表面に、硬質膜を少なくとも１層被覆するとともに、すくい面と逃げ面の交差稜を切刃とする表面被覆切削工具において、
前記切刃における硬質膜の表面部分は、イオンボンバード処理により研磨されていることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記母材の主面がすくい面、側面が逃げ面をなすとともに、前記すくい面が多角形の略平板形状をなし、該すくい面と隣接する２つの逃げ面とが交わるコーナー部に切刃を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
前記切刃における硬質膜の膜厚が、前記切刃以外の部位における膜厚よりも薄くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面被覆切削工具。
前記硬質膜の前記イオンボンバード処理により研磨された表面部分はＡｒ、Ｎ、Ｏ、ＴｉおよびＡｌのいずれかの濃度が前記硬質膜の内部よりも高くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
母材のすくい面と逃げ面の交差稜に切刃を形成するとともに、表面に硬質膜を少なくとも１層被覆する表面被覆切削工具の製造方法において、
前記硬質膜の少なくとも前記切刃部を含む領域の表面部分をイオンボンバード処理して除去することを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
前記硬質膜の少なくとも前記切刃部を含む領域の表面部分にＡｒ、Ｎ、Ｏ、ＴｉおよびＡｌの群から選ばれるいずれか一種以上のイオンを照射して前記イオンボンバード処理することを特徴とする請求項５に記載の表面被覆切削工具の製造方法。