JPWO2007122859A1 - 切削工具及びその製造方法、並びに切削方法 - Google Patents
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Abstract
Description
窒化チタン(TiN)層10は基体2と炭窒化チタン(TiCN)層11との間に存在して、炭窒化チタン(TiCN)層11の付着力を向上させるとともに基体2成分の拡散により被覆層8の耐摩耗性が低下することを防ぐため、層厚0.1〜1μmの範囲で形成されることが好ましい。結晶組織の形態は粒状、米粒状、柱状のいずれであってもよい。上記範囲内で形成することにより、基体2の成分の必要以上の拡散を抑制するとともに、被覆層8の靭性を向上させることができる。
炭窒化チタン(TiCN)層11は、被覆層8が受ける衝撃を吸収して被覆層8の耐欠損性を向上させるため、平均層厚1.0〜4μmの範囲で形成されることが好ましい。また、前記炭窒化チタン(TiCN)層11は、基体2表面に対して略垂直な方向に伸びる結晶組織であることが好ましい。これにより被覆層8の靭性を向上させることができる。
中間層12は、炭酸化チタン(TiCO)、酸窒化チタン(TiNO)、炭窒酸化チタン(TiCNO)及び酸化チタン(Ti2O3,TiO2)の群から選ばれる少なくとも1種にて構成される。前記中間層12は、炭窒化チタン(TiCN)層11(b)と後述する酸化アルミニウム(Al2O3)層14(d)との間に存在して、酸化アルミニウム(Al2O3)層14の結晶をα−酸化アルミニウム(α−Al2O3)の結晶構造とする効果がある。
酸化アルミニウム(Al2O3)層14はα型結晶構造の酸化アルミニウム(α−Al2O3)からなり、平均層厚0.1〜0.45μmで存在することが好ましい。また、結晶組織としては粒状結晶組織であることが好ましい。
表面層15は、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)及び窒化ハフニウム(HfN)の群から選ばれる少なくとも1種からなり、0.1〜2μmの平均層厚で構成される。被覆層表面の摺動性、外観等の調整が可能となる。すなわち、表面層15を形成することによって、工具が金色を呈するため、切削インサート1を使用したときに表層が摩耗して使用済みかどうかの判別がつきやすく、また、摩耗の進行を容易に確認できる。
また、本発明の切削工具の一例である上述した切削インサート1を製造する方法について説明する。
平均粒径1.4μmの炭化タングステン(WC)粉末を90wt%、平均粒径1.6μmの金属コバルト(Co)粉末を8wt%、平均粒径1.5μmの炭化チタン(TiC)粉末を0.3wt%、平均粒径1.4μmのTaC粉末を1.2wt%、平均粒径1.5μmのNbC粉末を0.5wt%の配合組成で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状(CNMG120408)に成形した後、脱バインダ処理を施し、0.01Paの真空中において1500℃で1時間焼成して超硬合金を作製した。
(1)耐摩耗性試験
被削材 :SUS304 円柱材
工具形状:CNMG120408
切込速度:200m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1.5mm
切削時間:20分
切削状態:湿式切削
(2)耐欠損性試験
被削材 :SUS304 円柱材(溝付き)
工具形状:CNMG120408
切込速度:170m/分
送り速度:0.3mm/rev
切り込み:1.5mm
切削状態:湿式切削
平均粒径1.5μmの炭化タングステン(WC)粉末に対して、平均粒径1.2μmの金属コバルト(Co)粉末を6質量%、平均粒径2.0μmの炭化チタン(TiC)粉末を0.5質量%、炭化タンタル(TaC)粉末を5質量%の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状(CNMG120408)に成形した後、脱バインダ処理を施し、0.01Paの真空中、1500℃で1時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にてすくい面より刃先処理(ホーニングR)を施した。得られた基体の逃げ面においてJISB0601−2001に準じた算術平均粗さ(Ra)は1.1μm、すくい面における算術平均粗さ(Ra)は0.4μmであった。
被削材 :ステンレス鋼(SUS304)
工具形状:CNMG120408
切削速度:120m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1.5mm
切削時間:30分
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
(断続切削条件)
被削材 :ステンレス鋼4本溝付(SUS304)
工具形状:CNMG120408
切削速度:170m/分
送り速度:0.2mm/rev
切り込み:1.0mm
その他 :水溶性切削液使用
評価項目:欠損に至る衝撃回数
衝撃回数1000回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察
また、本発明は、酸化アルミニウム層中に含まれるコバルト(Co)粒子の組成は、合計を100wt%とした場合、コバルトを92〜98wt%、チタンを1〜4wt%、残部がその他の物質で構成されていることが好ましい。
形成された炭窒化チタン層と、該炭窒化チタン層の表面に形成された中間層と、該中間層の表面に形成された酸化アルミニウム層とを含み、前記中間層は、少なくとも酸素およびチタンを含み、前記酸化アルミニウム層中には、コバルトを主成分とする粒子を含むことを特徴とする。
[0012]
また、本発明のその他の実施形態における切削工具は、基体と、該基体の表面に形成された被覆層とを備える切削工具であって、前記被覆層は、少なくとも前記基体の表面に形成された窒化チタン層と、該窒化チタン層の表面に形成された炭窒化チタン層と、該炭窒化チタン層の表面に形成された中間層と、該中間層の表面に形成された酸化アルミニウム層とを含み、前記中間層から前記酸化アルミニウム層に向かって、0.05〜0.4μmの平均結晶高さで、炭酸化チタン、酸窒化チタン、炭窒酸化チタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種にて構成された突出粒子が点在して、前記酸化アルミニウム層の内部に食い込んでいることを特徴とする。
[0013]
また、本発明の他の実施形態における切削工具の製造方法は、基体と、該基体の表面に被覆層とを備え、前記被覆層は、少なくとも前記基体の表面に形成された窒化チタン層と、該窒化チタン層の表面に形成された炭窒化チタン層と、該炭窒化チタン層の表面に形成された中間層と、該中間層の表面に形成された酸化アルミニウム層とを含む、切削工具の製造方法であって、CVD炉内において、H2を50〜75vol%、N2を25〜50vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、前記導入するガスの常温常圧での体積(流量)をVg(L/min)、前記CVD炉内の体積をVr(L)としたときのVg/Vr(1/min)が0.1〜0.3(1/min)になるように制御し、前記基体をCVD炉内に保持する前処理工程と、前記基体の表面に窒化チタン層を形成する窒化チタン層成膜工程と、前記CVD炉内において、H2を50〜75vol%、N2を25〜50vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、前記Vg/Vr(1/min)が0.1〜0.3(1/min)となるように制御し、窒化チタン層が形成された基体をCVD炉内に保持する中間処理工程と、窒化チタン層上に、炭窒化チタン層、中間層を順次形成する炭窒化チタン層及び中間層成膜工程と、中間層が形成された基体を、AlCl3を1〜15vol%、H2を85〜99vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入して保持する後処理工程と、中間層上に、酸化
[0058]
そして、基体2の表面に例えば化学気相蒸着(CVD)法によって被覆層8を成膜する。
[0059]
まず、前処理工程として、CVD炉内において、水素(H2)を50〜75vol%、窒素(N2)を25〜50vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、前記導入するガスの常温常圧での体積(流量)をVg(L/min)、前記CVD炉内の体積をVr(L)としたときのVg/Vr(1/min)が0.1〜0.3(1/min)になるように制御し、前記基体をCVD炉内に保持する。この前処理工程によって、基体表面の不純物や汚れを除去してコバルト(Co)が被覆層8に拡散しやすい状態を作り出すことができる。
[0060]
次に、窒化チタン(TiN)層10成膜工程として、前記CVD炉内において、例えば塩化チタン(TiCl4)が0.3〜1.2vol%、水素(H2)が35〜65vol%、窒素(N2)が35〜65vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、一定の圧力で前記Vg/Vr(1/min)が0.7〜1.1(1/min)に制御し、CVD法により前記基体2上に窒化チタン(TiN)層10を形成する。
[0061]
その後、中間処理工程として、前記CVD炉内において、水素(H2)を50〜75vol%、窒素(N2)を25〜50vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、前記Vg/Vr(1/min)が0.1〜0.3(1/min)となるように制御し、窒化チタン層が形成された基体をCVD炉内に保持する。なお、前記処理時間は10〜60分程度、CVD炉内の圧力は10〜30kPa、処理温度は800〜900℃で行なうことが好ましい。
[0062]
この中間処理工程により、窒化チタン(TiN)層10の表面の不純物や汚れを除去してコバルト(Co)が前記窒化チタン(TiN)層10より上層に拡散しやすい状態を作り出すことができる。
[0063]
次に、炭窒化チタン(TiCN)層11成膜工程として、前記CVD炉内において、例えば塩化チタン(TiCl4)が0.5〜5vol%、アセトニトリル(CH3CN)が0.3〜1.5vol%、窒素(N2)が10〜40vol%、残りが水素(H2)にて構成され、合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、CVD法により前記窒化チタン(TiN)層10上に炭窒化チタン(TiCN)層11を形成する。
[0064]
ここで、上記成膜条件のうち、ガス中のアセトニトリルガスの割合が上記範囲内に調
Claims (18)
- 基体と、該基体の表面に形成された被覆層とを備える切削工具であって、
前記基体は、少なくともコバルトを含んでおり、
前記被覆層は、少なくとも前記基体の表面に形成された窒化チタン層と、該窒化チタン層の表面に形成された炭窒化チタン層と、該炭窒化チタン層の表面に形成された中間層と、該中間層の表面に形成された酸化アルミニウム層とを含み、
前記中間層は、少なくとも酸素およびチタンを含み、
前記酸化アルミニウム層中には、コバルトを主成分とする粒子を含むことを特徴とする切削工具。 - 前記被覆層は、窒化チタン層の平均層厚が0.1〜1μm、
炭窒化チタン層の平均層厚が1.0〜6μm、
中間層の平均層厚が0.05〜0.4μm、
酸化アルミニウム層の平均層厚が0.1〜0.45μmであることを特徴とする請求項1に記載の切削工具。 - 前記コバルトを主成分とする粒子は、酸化アルミニウム層中に複数個存在し、
前記コバルトを主成分とする粒子の平均粒径は0.05〜0.4μmであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の切削工具。 - 前記中間層と前記酸化アルミニウム層との界面と平行な基準長さ10μmに含まれる前記酸化アルミニウム層中のコバルトを主成分とする粒子の数が3〜20個であ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切削工具。
- 前記酸化アルミニウム層中に含まれるコバルトを主成分とする粒子の組成は、コバルトを92〜98wt%、チタンを1〜4wt%、残部が不可避不純物であり、合計が100wt%となることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の切削工具。
- 前記酸化アルミニウム層がα型結晶構造を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の切削工具。
- 前記酸化アルミニウム層上には、表面層が形成されており、
前記表面層は、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムの群から選ばれる少なくとも1種からなり、
平均層厚が0.1〜2μmの表面層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の切削工具。 - 前記被覆層の全体の平均層厚が1.5〜7μmであることを特徴とする請求項2乃至7のいずれかに記載の切削工具。
- 前記基体が、炭化タングステンを主成分とすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の切削工具
- 基体と、該基体の表面に形成された被覆層とを備える切削工具であって、
前記被覆層は、少なくとも前記基体の表面に形成された窒化チタン層と、該窒化チタン層の表面に形成された炭窒化チタン層と、該炭窒化チタン層の表面に形成された中間層と、該中間層の表面に形成された酸化アルミニウム層とを含み、
前記中間層から前記酸化アルミニウム層に向かって、0.05〜0.4μmの平均結晶高さで、炭酸化チタン、酸窒化チタン、炭窒酸化チタン、酸化チタンの群から選ばれる少なくとも1種にて構成された突出粒子が点在しており、
前記突出粒子は、前記酸化アルミニウム層の内部に食い込んでいることを特徴とする切削工具。 - 前記中間層および前記突出粒子の少なくとも一方が酸化チタン(Ti2O3)を含有し、前記被覆層の表面におけるX線回折パターンにおいて、前記酸化アルミニウム層の(012)面のピーク強度IAl2O3と、前記酸化チタンの(012)面のピーク強度ITi2O3との比率(ITi2O3/IAl2O3)が0.1〜0.7の範囲にあることを特徴とする請求項10に記載の切削工具。
- 前記酸化アルミニウム層の前記基体側の界面において、基準長さ5μmに対する最大高さRzが0.1〜0.5μmであって、かつ基準長さ5μmにおける最も高い位置と最も低い位置との中点を通る基準線に対して、該基準線よりも上に突き出している部分を1つの凸部と規定したとき、前記基準長さ5μmにおける前記凸部の数が4〜15個であることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の切削工具。
- 前記基体は、主面がすくい面をなし、側面が逃げ面をなす平板状であり、前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に切刃が形成されており、
前記切刃における前記被覆層は、少なくとも前記表面層が研磨されて薄くなっているか、または前記表面層が除去されて前記酸化アルミニウム層が露出していることを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の切削工具。 - 基体と、該基体の表面に形成された被覆層とを備え、
前記被覆層は、少なくとも前記基体の表面に形成された窒化チタン層と、該窒化チタン層の表面に形成された炭窒化チタン層と、該炭窒化チタン層の表面に形成された中間層と、該中間層の表面に形成された酸化アルミニウム層とを含む、切削工具の製造方法であって、
CVD炉内において、H2を50〜75vol%、N2を25〜50vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、前記導入するガスの常温常圧での体積(流量)をVg、前記CVD炉内の体積をVrとしたときのVg/Vrが0.1〜0.3になるように制御し、前記基体をCVD炉内に保持する前処理工程と、
前記基体の表面に窒化チタン層を形成する窒化チタン層成膜工程と、
前記CVD炉内において、H2を50〜75vol%、N2を25〜50vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入し、前記Vg/Vrが0.1〜0.3となるように制御し、窒化チタン層が形成された基体をCVD炉内に保持する中間処理工程と、
窒化チタン層上に、炭窒化チタン層、中間層を順次形成する炭窒化チタン層及び中間層成膜工程と、
中間層が形成された基体を、AlCl3を1〜15vol%、H2を85〜99vol%の範囲内でそれぞれ含み合計が100vol%になるように混合したガスを導入して保持する後処理工程と、
中間層上に、酸化アルミニウム層を形成する酸化アルミニウム層成膜工程とを
具えることを特徴とする切削工具の製造方法。 - 前記前処理工程における処理時間が10〜60分であることを特徴とする請求項14に記載の切削工具の製造方法。
- 前記中間処理工程における処理時間が10〜60分であることを特徴とする請求項14又は請求項15に記載の切削工具の製造方法。
- 前記後処理工程における処理時間が15〜60分であることを特徴とする請求項14乃至16のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
- 請求項13に記載の切削工具を用いて被削材を切削する切削方法であって、
前記切削工具の切刃と前記被削材を相対的に近づける近接工程と、
前記切削工具および前記被削材の少なくとも一方を回転させ、前記切刃を被削材の表面に接触させて、被削材の表面を切削する切削工程と、
前記被削材と前記切刃とを相対的に遠ざける退避工程とを、備えることを特徴とする切削方法。
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