JP4891515B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は耐摩耗性に優れた硬質被覆層を形成した被覆切削工具に関するものである。
背景技術
超硬合金切削工具において、ＷＣ基超硬合金やサーメット基材の表面に炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンあるいは酸化アルミニウム等の被覆層を蒸着させることにより耐欠損性と耐摩耗性を向上させ、工具寿命を向上させることが行われている。
これらの被覆切削工具を用いて加工を行った場合、特に溶着しやすい被削材の加工において、溶着や凝着から被覆層の剥離が生じ、さらに基材の欠損が進行することにより工具寿命の低下が発生していた。
これらの課題を解決するために、特許第２１０５３９６号や第２８２５６９３号等には工具切れ刃の稜線部における被覆層の表面を機械的に研磨して表面粗さを改善することにより被削物の溶着や凝着を抑え、耐摩耗性や靭性を改善させる技術が開示されている。
しかし、これらの技術では、特にダクタイル鋳鉄、ステンレス、インコネル等、溶着・凝着を起こしやすい被削材の切削においては、すくい面側の膜剥離や逃げ面側の膜のチッピング等からの摩耗が進行することによる工具寿命の低下を抑えるのには十分ではない。
また、被削物表面の粗さが劣化することから、加工精度の要求される仕上げ加工においては所望の仕上げ面粗さが得られない等の問題が発生していた。最近、環境問題から切削油を用いない加工（乾式加工）が増加して来ているが、この場合切削油の潤滑効果が失われることにより、被削物の溶着・凝着が加速され、寿命低下、仕上げ面粗さの悪化等が問題となってきている。
従って、本発明の主目的は、耐欠損性と耐摩耗性を両立させ、工具寿命を向上させるとともに被削物仕上げ面粗さを改善した被覆切削工具を提供することにある。
発明の開示
本発明者等は、上記の問題点に対し検討を加えた結果、刃先稜線部、および同稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に少なくとも２００μｍの範囲、および同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも５０μｍの範囲の硬質被覆層を平滑にすることにより、上記の問題点を解決できることを見い出した。
即ち、本発明被覆切削工具は、基材上に硬質被覆層を具える被覆切削工具であって、前記基材は、１種類以上の鉄族金属を含む結合相と、周期律表ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、酸化物およびそれらの固溶体よりなる群から選択される１種類以上の物質を含む硬質相とからなる。そして、刃先稜線部、および同稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に少なくとも２００μｍの範囲および、同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも５０μｍの範囲の硬質被覆層が実質的に表面粗さ（Ｒｍａｘ）が０．２μｍ以下（基準長さ５μｍとする）の平滑面で構成されていることを特徴とする。
ダクタイル鋳鉄、ステンレス、インコネル等、溶着・凝着の起こしやすい被削材の切削においては、刃先稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に２００μｍの範囲では、被覆層に切り屑の溶着・凝着が発生し、溶着物の離脱時に当該被覆層も剥離し、基材の損傷に至る。また、同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも５０μｍの範囲においても被覆層のマイクロチッピングから切り屑の溶着が発生し異常摩耗が進行したり、被覆層の表面の凹凸や溶着物が被削物に転写され被削物の仕上げ面粗さを悪化させる。
従って、刃先稜線部、および同稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に少なくとも２００μｍの範囲、および同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも５０μｍの範囲の硬質被覆層が実質的に表面粗さ（Ｒｍａｘ）が０．２μｍ以下（基準長さ５μｍとする）で構成することにより、被削物の溶着・凝着および被削物への転写を抑え、耐欠損性と耐摩耗性を両立させ、工具寿命を向上させるとともに被削物仕上げ面粗さを改善することができる。特に、乾式切削においてこの効果が一段と発揮される。硬質被覆層は周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族、Ａｌ及びＳｉより選択される１種以上の金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物及びそれらの固溶体よりなる群から選択される１種類以上の物質からなることが望ましい。
硬質被覆層の表面粗さが実質的に平滑面であるとは、上記規定範囲の全体が所定の表面粗さになっている必要はなく、約５０％以上の面積比率範囲において所定の表面粗さになっていれば良いことを示す。
基材の逃げ面が焼結肌である無研磨タイプの工具の場合には本発明工具の効果が一層発揮される。近年製造コストの低減から、工具逃げ面側表面を焼結肌とした無研磨タイプの工具が広く普及しているが、この場合は工具表面の凹凸が被削材に転写されたり、溶着・凝着が発生し異常摩耗や被削材面粗さの悪化の原因になることが多いからである。
平滑面とする範囲は、刃先稜線部からすくい面側においては切り屑の擦過によるクレータ摩擦、凝着が発生する範囲とする。刃先稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に少なくとも２００μｍの範囲は必須であるが、被削材や切削条件にもよっては刃先稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に５００μｍまでの範囲を平滑にすることがさらに望ましい。
また、逃げ面側においては、被覆層のマイクロチッピングから切り屑の溶着が発生して異常摩耗が進行したり、被覆層表面の凹凸や溶着物が被削物に転写されて被削物の仕上げ面粗さを悪化させるおそれのある範囲とする。刃先稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも５０μｍの範囲は必須である。この範囲を刃先稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に２００μｍまで広げることがさらに望ましい。
平滑面の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を０．２μｍ以下（基準長さ５μｍとする）としたのは、これより大きければ所望の効果が得られないためである。これより表面粗さが小さければ小さいほど好ましい。
表面粗さの測定方法は、例えば走査型電子顕微鏡写真による硬質被覆層の断面から観察することにより行えば良い。基準長さを５μｍとしたのは、超硬合金やサーメットの硬質相粒子は一般に３〜５μｍの範囲にあり、これが表面に突出して５〜７μｍの幅で２〜３μｍの高さのうねりが生じているため、このうねりの影響を排除して表面粗さを特定するためである。
硬質被覆層は単層でも良いが積層構造としても良い。積層構造とする場合、Ｔｉ（ＣｗＢｘＮｙＯｚ）（ここでｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）の少なくとも１層以上からなる内層と、酸化アルミニウム層からなる中間層およびＴｉＣｘＮｙＯ_{１−ｘ−ｙ}あるいはＺｒＣｘＮｙＯ_{１−ｘ−ｙ}（０≦ｘ，ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる外層を具えることが望ましい。
内層は硬度が高く、こすり摩耗に強いＴｉ（ＣｗＢｘＮｙＯｚ）（ここでｗ＋ｘ＋ｙ＋Ｚ＝１，ｗ，ｘ，ｙ，ｚ，≧０）の少なくとも１層以上からなることにより、高い耐摩耗性を得ることができる。特に、柱状晶組織を有する２〜２０μｍの膜厚の炭窒化チタンを内層に配置した場合は、耐摩耗性と耐チッピング性を両立でき、断続切削や部品加工などの切削において、外層の酸化アルミニウムからの損傷を防ぐことができる。その上、内層における膜の破壊を防止しつつ、高い耐摩耗性を得ることができ、工具性能を飛躍的に向上させることができる。炭窒化チタンの膜厚が２μｍ未満であれば耐摩耗性が不足し、２０μｍを越えれば被覆層の強度が劣化する。
さらには基材と接する最内層が粒状組織を有する０．２〜３μｍの膜厚の窒化チタンである場合、内層と基材の密着強度を改善することにより、さらに工具性能を向上させることができる。この膜厚が０．２μｍ未満では膜の密着力改善の効果が少なく、３μｍを越えれば耐摩耗性が低下してしまう。
上記平滑面は実質的に酸化アルミニウムで構成することで一層効果が向上する。酸化アルミニウムはＴｉ（ＣｗＢｘＮｙＯｚ）に比べ化学的に安定であり、被削物との溶着・凝着性が低く、酸化摩耗や拡散摩耗に強いという特徴があるためである。また、酸化アルミニウム層がα型結晶構造を取る場合に一層、本発明合金の効果が増大する。α型酸化アルミニウムは高温安定型の結晶構造であり、強度、耐熱性が高く被削物と直接接する最外層の被膜としては有効である。酸化アルミニウムの膜厚は、０．５〜１５μｍが好ましい。膜厚が０．５μｍ未満の場合は酸化アルミニウムの効果がでず、１５μｍを越えると被覆層の強度が低下する。
酸化アルミニウムは一般的に黒色または褐色を呈するため、被覆層の最外層に全面的に配置すると、切削加工現場において使用済みのコーナーが識別困難になるという問題がある。このような問題を解決するために、酸化アルミニウムが露出する範囲を限定し、局部的に酸化アルミニウムを最外層とすることが好ましい。すなわち、酸化アルミニウムの上に識別層として金色のＴｉＮ，ＺｒＮやピンク色、橙色を呈するＴｉＣＮ，ＺｒＣＮを被覆することが有効である。酸化アルミニウム層を最外層にする範囲としては、稜線部のすくい面側境界部からすくい面側には２０００μｍ以下、逃げ面側境界部から逃げ面側に４００μｍ以下が望ましい。これを越えると使用済みコーナーの識別が困難になる。そして、この範囲以外の個所に識別層を設けておくことが好ましい。
硬質被覆層の表面を所定の面粗さに制御する方法としては、バフ、ブラシ、バレルや弾性砥石等による研磨が好ましい。他にはマイクロブラスト、イオンビーム照射による表面改質も適用できる。
硬質被覆層の形成方法は、公知の物理的蒸着法（ＰＶＤ）や化学的蒸着法（ＣＶＤ）を利用することができる。各蒸着法における温度、圧力などの成膜条件も公知のものが利用できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明工具を図１、２を用いて具体的に説明する。いずれも工具の刃先稜線部付近における断面図である。超硬合金やサーメットで構成される基材１の上に硬質被覆層２が形成されている。
刃先稜線部３を挟んで水平方向につながる面がすくい面側の平滑面４、垂直方向につながる面が逃げ面側の平滑面５である。本発明工具では、刃先量線部３、すくい面側の平滑面４および逃げ面側の平滑面５の範囲において硬質被覆層２の表面粗さを制御する。刃先量線部３とすくい面側の平滑面４との境界部が刃先稜線部のすくい面側境界部６であり、刃先量線部３と逃げ面側の平滑面５との境界部が刃先稜線の逃げ面側境界部７である。
刃先稜線部３は、刃先のチッピング等を防止するために施されるエッジホーニング部を含む。エッジホーニングには、丸ホーニング（図１）やチャンファーホーニング（図２）がある。
図１，２において、硬質被覆層が２層の個所と３層の個所があるが、２層の個所は、例えば外層が酸化アルミニウムであり、３層の個所は、例えば外層を識別層となるＴｉＮで構成している。２層の個所は３層目を研磨などで部分的に除去することで形成する。
（実験例１）
８７％ＷＣ−２％ＴｉＣＮ−３％ＴａＮｂＣ−８％Ｃｏ（いずれも重量％）からなる組成の超硬合金にて、型番ＳＮＭＧ１２０４０８の形状の切削チップを作製した。次に、切刃部全体に刃先処理として、すくい面側から見て０．０５ｍｍ幅のホーニング処理を施して基材とした。この基材の逃げ面は焼結肌である。
この基材表面に通常のＣＶＤ法（化学蒸着法）によりＴｉＮ（０．５μｍ）、ＴｉＣＮ（１０μｍ），α−Ａｌ_２Ｏ_３（３μｍ）、ＴｉＮ（１．０μｍ）を被覆した。次に、刃先稜線部および同稜線部からすくい面側および逃げ面側において、４種類の硬さの人工ブラシを用いて研磨・ラッピング処理を施した後、基準長さ５μｍに対する面粗さ（Ｒｍａｘ）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定した。その結果を表１に示す。
なお、上記膜構造ではＴｉＮ（１．０μｍ）が最外層になるが、刃先稜線部および同稜線部からすくい面側および逃げ面側においては研磨されているため、サンプルチップによっては他の層が最外層として露出している。また、本発明品におけるＴｉＣＮは全て柱状晶であり、ＴｉＮは全て粒状晶である。これらのことは後述する他の実験例においても同様である。
このようにして作製した切削用サンプルチップを用いて下記に示す条件にて切削を行い耐摩耗性および被削材仕上げ面粗さの評価を行った。評価結果も表１に示す。
（切削条件）
被削材 ：ＳＣＭ４１５
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：０．５ｍｍ
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：３０分
切削油 ：乾式切削

表１に示すように、刃先稜線部、および同稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に少なくとも２００μｍの範囲および、同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも５０μｍの範囲の硬質被覆層を基準長さに対しＲｍａｘ≦０．２μｍにした場合、耐摩耗性と被削物の仕上げ面粗さが著しく向上することがわかる。特に、硬質被覆層の平滑面が広い方がその効果が大きいことがわかる。また、硬質被覆層の最外層は酸化アルミニウムがより好ましいことがわかる。
（実験例２）
８８％ＷＣ−３％ＺｒＣＮ−４％ＴａＮｂＣ−５％Ｃｏ（いずれも重量％）からなる組成の超硬合金にて、型番ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の切削チップを作製した。次に、切刃部全体に刃先処理として、すくい面側から見て０．０５ｍｍ幅のホーニング処理を施して基材とした。この基材の逃げ面は焼結肌である。
この基材表面に通常のＣＶＤ法（化学蒸着法）によりＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＺｒＣＮ，Ａｌ_２Ｏ_３等を各種被覆した切削用サンプルチップを製作した。次に、刃先稜線部および同稜線部からすくい面側および逃げ面側において、弾性砥石を用いて研磨・ラッピング処理を施した後、基準長さ５μｍに対する面粗さ（Ｒｍａｘ）をチップ断面の走査電子顕徹鏡写真により測定した。その結果を表２に示す。
このようにして作製した切削用サンプルチップを用いて下記に示す条件にて切削を行い耐摩耗性および被削材仕上げ面粗さの評価を行った。評価結果も表２に示す。
（切削条件）
被削材 ：ＦＣＤ７００
切削速度：２００ｍ／分
切り込み：０．５ｍｍ
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：２０分
切削油 ：水溶性

表２より、下地のＴｉＮ層が０．２μｍ未満（Ｎｏ．２−６）では膜の密着強度が低下し膜剥離を生じてしまい、３μｍ越えると（Ｎｏ．２−７）耐摩耗性が幾分低下する。前者では被削物の仕上げ面粗さが悪化することがわかる。
また、ＴｉＣＮ層が２０μｍを越えた場合（Ｎｏ．２−８）やＡｌ_２Ｏ_３層が１５μｍを越える（Ｎｏ．２−１０）と微少チッピングが生じ、被削物の仕上げ面粗さも若干低下する。一方、Ａｌ_２Ｏ_３層の厚みが０．５μｍ未満では耐摩耗性が幾分低下することが判る（Ｎｏ．２−９）。
（実験例３）
８１％ＷＣ−５％ＴｉＣＮ−４％ＴａＮｂＣ−１０％Ｃｏ（いずれも重量％）からなる組成の超硬合金にて、型番ＳＤＫＮ１２０３の形状の切削チップを作製した。次に、切刃部全体に刃先処理として、すくい面側から見て０．１０ｍｍ幅のチャンファーホーニング処理を施して基材とした。この基材は表面の一部が焼結肌で、一部が研磨肌となっている。
この基材表面に通常のＣＶＤ法（化学蒸着法）およびＰＶＤ法（物理蒸着法：ここではアークイオンプレーティング法）によりＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３等を各種被覆した切削用サンプルチップを製作した。次に、刃先稜線部およびすくい面側および逃げ面側において、ブラシを用いて研磨・ラッピング処理を施した後、基準長さ５μｍに対する面粗さ（Ｒｍａｘ）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定した。その結果を表３に示す。
このようにして作製した切削用サンプルチップを用いて下記に示す条件にてフライス切削を行い耐摩耗性および被削材仕上げ面粗さの評価を行った。評価結果も表３に示す。
（切削条件）
カッタ ：ＦＰＧ４１６０Ｒ
被削材 ：ＳＣＭ４３５
切削速度：２５０ｍ／分
切り込み：０．８ｍｍ
送り ：０．２５ｍｍ／刃
切削時間：３０分

表３より、鋼のフライス切削においても本発明工具は耐摩耗性、仕上げ面品位が優れることが判る。
（実験例４）
１２％ＷＣ−６５％ＴｉＣＮ−６％ＴａＮｂＣ−３％ＭＯ２Ｃ−７％Ｃｏ−７％Ｎｉ（いずれも重量％）からなる組成のサーメット合金にて、型番ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の切削チップを作製した。次に、切刃部全体に刃先処理として、すくい面側から見て０．０６ｍｍ幅のホーニング処理を施して基材とした。この基材の逃げ面は焼結肌である。
この基材表面に通常のＣＶＤ法（化学蒸着法）およびＰＶＤ法（物理蒸着法：ここではアークイオンプレーティング法）によりＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３等を各種被覆した切削用サンプルチップを製作した。次に刃先稜線部およびすくい面側および逃げ面側において、弾性砥石を用いて研磨・ラッピング処理を施した後、基準長さ５μｍに対する面粗さ（Ｒｍａｘ）をチップ断面の走査型電子顕微鏡写真により測定した。その結果を表４に示す。
このようにして作製した切削用サンプルチップを用いて下記に示す条件にて切削を行い耐摩耗性および被削材仕上げ面粗さの評価を行った。評価結果も表４に示す。
（切削条件）
被削材 ：ＳＣＭ４１５
切削速度：３００ｍ／分
切り込み：０．５ｍｍ
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：１５分
切削油 ：乾式切削

表４より、サーメットを基材とした本発明工具も鋼の仕上げ加工において耐摩耗性、仕上げ面品位が優れることが判る。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明被覆切削工具によれば、切削加工において被削物との溶着が起こり難く、耐欠損性と耐摩耗性を両立させて工具寿命を向上させることができる。特に、乾式切削において効果的である。さらに、被削物の仕上げ面品位も優れ、高精度加工に適する。
【図面の簡単な説明】
図１は、丸ホーニングを施した本発明工具の部分断面図である。
図２は、チャンファーホーニングを施した本発明工具の部分断面図である。

Claims (10)

1. 基材上に硬質被覆層を具える被覆切削工具であって、
   前記基材は、１種類以上の鉄族金属を含む結合相と、周期律表ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、酸化物およびそれらの固溶体よりなる群から選択される１種類以上の物質を含む硬質相とからなり、
   前記被覆層のうち、刃先稜線部、および同稜線部のすくい面側境界部からすくい面側に２０００μｍ以下の範囲内において、すくい面側境界部から少なくとも２００μｍの範囲、ならびに同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に４００μｍ以下の範囲内において、逃げ面側境界部から少なくとも５０μｍの範囲が実質的に表面粗さ（Ｒｍａｘ）０．２μｍ以下（基準長さ５μｍとする）の平滑面で構成されていることを特徴とする被覆切削工具。
2. 基材の逃げ面が焼結肌を持つことを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 硬質被覆層が周期律表ＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族，ＡｌおよびＳｉより選択される１種以上の金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、酸化物およびそれらの固溶体よりなる群から選択される１種類以上の物質からなることを特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具。
4. 硬質被覆層がＴｉ（ＣｗＢｘＮｙＯｚ）（ここでｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｗ，ｘ，ｙ，ｚ≧０）の少なくとも１層以上からなる内層と、酸化アルミニウム層からなる中間層、およびＴｉＣｘＮｙＯ_{１−ｘ−ｙ}あるいはＺｒＣｘＮｙＯ_{１−ｘ−ｙ}（０≦ｘ，ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる外層とを具えることを特徴とする請求項３に記載の被覆切削工具。
5. 平滑面が酸化アルミニウム層で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の被覆切削工具。
6. 平滑面とする範囲が、刃先稜線部、および同稜線部のすくい面側境界部からすくい両側に少なくとも５００μｍの範囲、ならびに同稜線部の逃げ面側境界部から逃げ面側に少なくとも２００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の被覆切削工具。
7. 内層が柱状晶組織を有する２〜２０μｍの膜厚の炭窒化チタンからなることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の被覆切削工具。
8. 硬質被覆層のうち、基材と接する最内層が粒状組織を有する０．２〜３μｍの膜厚の窒化チタンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の被覆切削工具。
9. 酸化アルミニウムが０．５〜１５μｍの膜厚のα型酸化アルミニウムで構成されることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の被覆切削工具。
10. 基材がサーメットからなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の被覆切削工具。

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