JP7024168B1 - 切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
前記被膜は、α-Al2O3層を含み、
前記α-Al2O3層は、複数のα-Al2O3の結晶粒を含み、かつ、配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超え、
前記α-Al2O3層の800℃における塑性変形量hpは0nm以上100nm以下である、切削工具である。
近年、より高効率な切削加工においても、工具寿命の長い切削工具が求められている。特に、炭素工具鋼鋼材の低速高送り加工においても、長い工具寿命を有する工具が求められている。
本開示の切削工具は、特に炭素工具鋼鋼材の低速高送り加工においても、長い工具寿命を有することができる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備えた切削工具であって、
前記被膜は、α-Al2O3層を含み、
前記α-Al2O3層は、複数のα-Al2O3の結晶粒を含み、かつ、配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超え、
前記α-Al2O3層の800℃における塑性変形量hpは0nm以上100nm以下である、切削工具である。
本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
本開示の切削工具は、基材と、該基材上に配置された被膜と、を備えた切削工具であって、該被膜は、α-Al2O3層を含み、該α-Al2O3層は、複数のα-Al2O3の結晶粒を含み、かつ、配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超え、該α-Al2O3層の800℃における塑性変形量hpは0nm以上100nm以下である、切削工具である。
図1に示されるように、本実施形態の切削工具1は、基材10と、該基材10上に配置された被膜15とを備え、該被膜15は、α-Al2O3層11を含む。被膜15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、本開示の範囲を逸脱するものではない。
本開示の切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル(例えば、ボールエンドミル)、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等であり得る。
被膜は、α-Al2O3層を含む。たとえば被膜は、α-Al2O3層を1層以上含み、さらに他の層を含んだ複数の層から構成することができる。
(α-Al2O3層の構成)
本開示において、α-Al2O3層は、複数のα-Al2O3(結晶構造がα型である酸化アルミニウム)の結晶粒を含む層である。すなわち、α-Al2O3層は、多結晶のα-Al2O3により構成される。α-Al2O3の結晶粒の平均粒径は、100~2000nmが好ましい。
本開示において、α-Al2O3層は、下記式(1)で示される配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超える。
管電圧: 45kV
管電流: 200mA
フィルター: 多層ミラー
光学系: 集中法
X線回折法: θ-2θ法
X線回折装置を用いるに際して、切削工具のすくい面にX線を照射する。通常、すくい面には凹凸が形成され、これに対して逃げ面は平坦になっていることから、外乱因子を排除するため、X線を逃げ面に照射することが好ましい。特に、刃先稜線部から2~4mm程度の範囲に広がる逃げ面上の箇所にX線を照射する。これによると、結果の再現性が高くなる。
本開示において、α-Al2O3層の800℃における塑性変形量hp(以下、「高温塑性変形量hp」とも記す。)は0nm以上100nm以下であることが好ましい。これによると、切削工具の高温時の耐塑性変形性が向上し、切削工具の工具寿命が更に向上する。
α-Al2O3層の平均厚さは2μm以上15μm以下が好ましい。これによると、耐摩耗性と耐チッピング性とを両立させることができる。α-Al2O3層の平均厚さの下限は、2μm以上、3.5μm以上、5μm以上とすることができる。α-Al2O3層の平均厚さの上限は、15μm以下、13μm以下、11μm以下とすることができる。α-Al2O3層の平均厚さは、2μm以上15μm以下、3.5μm以上13μm以下、5μm以上11μm以下とすることができる。
被膜は上述のとおり、α-Al2O3層以外に他の層を含むことができる。図2~図4に示されるように、他の層としては、下地層12、表面層13、中間層14等が挙げられる。
下地層は、基材とα-Al2O3層との間に配置される。下地層としては、例えば、TiN層を挙げることができる。TiN層は、平均厚さが0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。これによると、被膜は優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することができる。
表面層としては、例えば、Ti(チタン)の炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とすることが好ましい。表面層は、被膜において最も表面側に配置される層である。ただし、刃先稜線部においては形成されない場合もある。表面層は、たとえば、α-Al2O3層上に他の層が形成されていない場合、α-Al2O3層の直上に配置される。
中間層は、下地層とα-Al2O3層との間に配置される。中間層としては、例えば、TiCN層を挙げることができる。TiCN層は耐摩耗性に優れるため、被膜により好適な耐摩耗性を付与することができる。中間層は、平均厚さが1μm以上20μm以下であることが好ましい。
実施形態1の切削工具は、基材上に被膜を化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により形成することによって製造することができる。被膜のうち、α-Al2O3層以外の他の層が形成される場合、他の層は化学気相蒸着装置を用いて従来公知の条件で形成することができる。一方、α-Al2O3層は、例えば、以下のようにして形成することができる。なお、実施形態1の切削工具は、下記の製造方法で作製されたものに限定されず、他の製造方法で作製されてもよい。
本開示の切削工具において、α-Al2O3層のTC(006)は7超8以下が好ましい。
本開示の切削工具において、被膜全体の平均厚さは、3μm以上35μm以下が好ましい。
本開示の切削工具において、被膜全体の平均厚さは、5μm以上20μm以下が好ましい。
本開示の切削工具において、α-Al2O3層の塑性変形量hpは0nm以上99nm以下であることが好ましい。
本開示の切削工具において、α-Al2O3層の塑性変形量hpは0nm以上98nm以下であることが好ましい。
本開示の切削工具において、α-Al2O3層の平均厚さは2μm以上15μm以下とすることができる。
本開示の切削工具において、α-Al2O3層の平均厚さは3.5μm以上13μm以下とすることができる。
本開示の切削工具において、α-Al2O3層の平均厚さは5μm以上11μm以下とすることができる。
本開示の切削工具において、被膜は、基材とα-Al2O3層との間に配置された下地層を含むことが好ましい。
前記下地層はTiN層からなることが好ましい。
前記下地層の平均厚さは0.1μm以上20μm以下が好ましい。
本開示の切削工具において、被膜は、その最も表面側に配置された表面層を含むことが好ましい。
前記表面層は、TiN層からなることが好ましい。
前記表面層の平均厚さは0.05μm以上1μm以下が好ましい。
本開示の切削工具において、被膜は、下地層とα-Al2O3層との間に配置される中間層を含むことが好ましい。
前記中間層は、TiCN層からなることが好ましい。
前記中間層の平均厚さは1μm以上20μm以下が好ましい。
<基材の調製>
表1に記載の配合組成からなる原料粉末を均一に混合し、所定の形状に加圧成形した後、1300~1500℃で1~2時間焼結することにより、超硬合金製(型番CNMG120408N-GU(住友電工ハードメタル製))の基材を得た。
上記で得られた各基材に対してその表面に被膜を形成して切削工具を作製した。具体的には、基材を化学気相蒸着装置内にセットすることにより、基材上に化学気相蒸着法により被膜を形成した。被膜は、TiN層(下地層)、TiCN層(中間層)、α-Al2O3層、TiN層(表面層)を含む。
基材上にTiN層(下地層)及びTiCN層(中間層)を前記の順で形成した。TiN層及びTiCN層の成膜条件を表2に示す。
次に、TiCN層上にα-Al2O3層を形成した。各試料の成膜条件を表3に示す。α-Al2O3層の形成において、原料ガスの導入速度は2m/secとし、基材を固定しつつ、原料ガスを噴出させるためのガス管を2rpmで回転させた。
次に、α-Al2O3層上にTiN層(表面層)を形成した。形成条件は、表2に示される通りである。
各試料の被膜の構成を表4に示す。表4に関し、各被膜の組成および厚みは、SEM-EDX(走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光)により確認した。
各試料のα-Al2O3層について、TC(006)及び高温(800℃)塑性性変形量hpを測定した。これらの測定方法は、実施形態1に示されるとおりであるため、その説明は繰り返さない。結果を表5の「TC(006)」、「hp(nm)」欄に示す。
上記で得られた切削工具を用いて、下記の切削条件で切削試験を行い、Vb摩耗量(逃げ面摩耗量)が0.3mmとなるまでの切削時間を測定した。結果を表6に示す。切削時間が長いもの程、工具寿命が長いことを示す。
被削材:SK5
加工:丸棒外径旋削
切削速度vc:100m/min
送り速度f:0.7mm/rev
切込み量ap:2.0mm
切削液:なし
上記の切削条件は、炭素工具鋼鋼材の低速高送り加工に該当する。
試料1~試料4の切削工具は実施例に該当する。試料5~試料7の切削工具は比較例に該当する。試料1~試料4は、試料5~試料7に比べて工具寿命が長いことが確認された。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Claims (6)
- 基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備えた切削工具であって、
前記被膜は、α-Al2O3層を含み、
前記α-Al2O3層は、複数のα-Al2O3の結晶粒からなり、かつ、配向性指数TC(hkl)においてTC(006)が5を超え、
前記α-Al2O3層の800℃における塑性変形量hpは92nm以上100nm以下であり、
前記塑性変形量hpは、800℃のアルゴン雰囲気下での前記切削工具の表面に対する圧子の押し込み試験前の前記切削工具の表面と、前記押し込み試験後の前記切削工具の表面との深さ方向の差の最大値であり、
前記押し込み試験では、前記切削工具の表面に対して、三角錐形状の圧子の頂点を8mNの荷重で2秒間押し込み、押し込んだ状態で1秒間保持し、2秒かけて前記圧子を除荷する、切削工具。 - 前記塑性変形量hpは92nm以上99nm以下である、請求項1に記載の切削工具。
- 前記塑性変形量hpは92nm以上98nm以下である、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。
- 前記TC(006)は5超8以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記TC(006)は6超8以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記α-Al2O3層の平均膜厚は、2μm以上15μm以下である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の切削工具。
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