JP5582926B2

JP5582926B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5582926B2
Application number: JP2010191959A
Authority: JP
Inventors: 謙二野田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: JP2012045686A

Description

本発明はｃＢＮ基体の表面に被覆層が形成されている切削工具に関する。

現在、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素質焼結体（ｃＢＮ）等の高硬度焼結体からなる基体の表面に被覆層を成膜した切削工具が用いられている。中でも、超硬合金やサーメットでは加工が難しい高速加工や難削材、特に焼入れ鋼の加工には、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、かつ鉄との反応も生じにくいｃＢＮが用いられている。

例えば、特許文献１では、ｃＢＮ基体の表面にＴｉＡｌＮ被膜を成膜した切削工具が開示され、焼入れ鋼等の高硬度難削材の切削において長寿命となることが記載されている。また、特許文献２では、切刃にネガランドを形成したｃＢＮ基体の表面に被覆層を成膜した後、ネガランド部の被覆層を除去することによりネガランド部に発生しやすいチッピングを抑制できることが記載されている。

特開平８−１１９７７４号公報特開平８−３２３５０６号公報

しかしながら、特許文献１のようにｃＢＮ基体の表面に被覆層を成膜した構成では、断続加工の際、切刃において被覆層がチッピングする際にｃＢＮ基体の一部も引き連れてチッピングしてしまうので、チッピングが進行しやすいという問題があった。また、特許文献２のようにネガランドの表面の被覆層を除去する方法でも、難削材の加工や高速切削のような切刃が高温になる切削条件では切削性能が不十分な場合があり、さらなる性能向上が求められていた。

特に、被覆層を形成したｃＢＮ基切削工具を焼入れ鋼の加工に用いた場合には、下記理由により工具寿命を延ばすことができないという問題があった。すなわち、焼入れ鋼の切削においては被削材は強度が高く、また表面は高硬度であるために切削抵抗が大きくて切刃付近が高温になる。特に、切削された切屑の通り道であるネガランド表面では切削時に非常に高温になる。そのため被覆層の酸化が急激に進行し、酸化された被覆層は脆化層となり、摩耗しやすいので工具の切刃にはクレータ摩耗が進行する傾向がある。一方、断続切削においては、最も衝撃がかかる切刃にて被覆層の剥離やチッピングが発生する。そのため、例えば連続加工と断続加工が交互に繰り返される軽断続加工においては、連続切削時にクレータ摩耗が進行し、断続部に差し掛かったときに進行したクレータ摩耗部から欠損やチッピングが発生してしまう危険性が高く、工具性能は不十分であった。一方、逃げ面においては高硬度な被削材中に含まれる硬質粒子がこすれることによって酸化摩耗よりも機械的な摩耗が進行しやすく、被覆層を高硬度化することが求められていた。

そこで、本発明の切削工具は、ｃＢＮ焼結体を基体として、さらに長寿命な切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、立方晶窒化硼素質焼結体の基体からなり、切刃にはすくい面側からチャンファホーニングおよびＲホーニングが順に形成されており、前記すくい面および前記チャンファホーニングの表面には、前記すくい面における被覆層の厚みが２．５〜６μｍ、前記チャンファホーニングにおける被覆層の厚みが２．９〜８μｍで、前記チャンファホーニングにおける被覆層の厚みが前記すくい面における被覆層の厚みよりも厚い被覆層が形成されており、前記Ｒホーニングの表面では前記基体が露出している焼入れ鋼加工用として用いるものである。

ここで、上記構成において、逃げ面における被覆層の厚みが２．１〜５μｍであってもよい。

また、上記構成において、前記チャンファホーニングの幅は５０〜５００μｍ、前記Ｒホーニングの幅は５〜３０μｍであってもよい。

さらに、被覆層の構成は、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}、Ｍ_Ｉａ、Ｍ_ＩＩｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍ_ＩはＡｌおよびＳｉの１種以上、Ｍ_ＩＩはＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．４、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される組成からなる被覆層を含むものであってもよい。

ｃＢＮ焼結体を基体とする切削工具が主として用いられる焼入れ鋼等の高硬度な被削材を切削加工すると、切刃および切削された切屑の通り道である切刃のすくい面側表面が高温となって酸化摩耗が進行しクレータ摩耗が進行する傾向がある。しかしながら、本発明においては、切刃のうちの温度が高くなりやすいチャンファホーニングおよびすくい面を被覆層で被覆することにより、これらの領域におけるｃＢＮ基体の酸化を抑制できる。そして、Ｒホーニングにおいては被覆層で覆わずに基体が露出した状態であることによって、断続切削によって最も衝撃を受けるＲホーニングにおける被覆層の剥離やチッピングに伴って生じる基体のチッピングや欠損を抑制できる。

本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図および（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

本発明の切削工具の一例について、図１の（ａ）概略斜視図および（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図を基に説明する。

図１（ａ）（ｂ）のように、本発明の切削工具（以下、単に工具と略す。）１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線が切刃４である形状をなし、かつ図１（ｂ）に示すように、立方晶窒化硼素質焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体と略す。）からなる基体６の表面に被覆層７を成膜した構成となっている。なお、基体６はチップ本体１１の先端に裏打ち板１２を介してロウ付けされた構造からなる。また、図１（ａ）によれば、切刃４にはすくい面２側からチャンファホーニング９およびＲホーニング１０が順に形成されており、すくい面２およびチャンファホーニング９の表面には被覆層７が形成されており、Ｒホーニング１０の表面では基体６が露出している。

これによって、切刃４のうちの温度が高くなりやすいチャンファホーニング９およびすくい面２は被覆層７で被覆されているので基体６の酸化を抑制できる。その結果、クレータ摩耗の進行を抑制できる。また、Ｒホーニング１０においては被覆層７がなくて基体６が露出した状態であることによって、断続切削によって最も衝撃を受けるＲホーニング１０において被覆層７が存在して剥離やチッピングすることに伴って基体にもチッピングや欠損が発生することを抑制できる。

ここで、すくい面２における被覆層７の厚みが２．５〜６μｍ、チャンファホーニング９における被覆層７の厚みが２．９〜８μｍであることが重要であり、逃げ面３における被覆層７の厚みが２．１〜５μｍであることが、熱的摩耗と膜剥離性とのバランスの点で望ましい。また、チャンファホーニング９の幅ｗ_１は５０〜５００μｍ、Ｒホーニング１０の幅ｗ_２は５〜３０μｍであることが、機械的摩耗と耐チッピング性、耐欠損性とのバランスの点で望ましい。

また、被覆層７は、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}、Ｍ_Ｉａ、Ｍ_ＩＩｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍ_ＩはＡｌおよびＳｉの１種以上、Ｍ_ＩＩはＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．４、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される複合Ｔｉ系被覆層８を含んでいることが望ましい。この組成範囲であれば、耐摩耗性および耐酸化性に優れている。なお、複合Ｔｉ系被覆層８の非金属成分のうちＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、複合Ｔｉ系被覆層８の表面に発生するドロップレット（粗大粒子）を抑制するために、ｘ（Ｎ組成比）の特に望ましい範囲は０．５≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記複合Ｔｉ系被覆層８の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

さらに、被覆層７は、複合Ｔｉ系被覆層８に加えて、ＡｌＮ、周期表第４、５および６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のうち１つから選ばれる他の被覆層１３との２層以上の多層構成とすることもできる。なお、チャンファホーニング９における被覆層７の膜厚（複合Ｔｉ系被覆層８と他の被覆層１３との総膜厚）が２．９〜８．０μｍであることが、被覆層７の膜剥離やチッピングを抑制し、十分な耐摩耗性を維持することができるため重要である。なお、焼入れ鋼加工用の切削工具として用いるので、チャンファホーニング９における被覆層７の厚みが２．９μｍ〜８μｍであることが重要である。

一方、基体６をなすｃＢＮ焼結体は、硬質相をなすｃＢＮ粒子の周囲を連続した結合相マトリックス（以下、結合相と略す。）にて結合したものであって、ｃＢＮ粒子と結合相の間にはｃＢＮ粒子と結合相を密着させる中間相が形成された構造からなる。ここで、結合相は周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる１種または２種以上の元素の炭化物（以下、炭化物と略す。）と、周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる１種または２種以上の元素の窒化物（以下、窒化物と略す。）の両方が共存して存在した、すなわち結合相マトリックス中で炭化物と窒化物の各々がそれぞれ個々に独立して存在している組織をなしていても良く、特に、炭化物として炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化物として窒化チタン（ＴｉＮ）をｃＢＮ焼結体（基体６）中にそれぞれ存在させることがｃＢＮ焼結体（基体６）の靭性を高める点で望ましい。

なお、ｃＢＮ焼結体（基体６）中の炭化物と窒化物の存在は、ｃＢＮ焼結体（基体６）を鏡面研磨し、その研磨面を金属顕微鏡で倍率１００〜１０００倍にて観察することで確認できる。その際、ＴｉＮとＴｉＣが存在する場合には、最も明るく見える部分がＴｉＮであり、最も暗く見える部分がｃＢＮ粒子であり、２つの中間の明るさを持つ部分がＴｉＣである、という様に確認することができる。また、その他の方法として、成分分析のマッピングを行うことで確認することもできる。例えば、ＥＰＭＡ（電子プローブ微小分析）分析のＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分析）でマッピングを行う際には、炭素、窒素、硼素、金属元素成分でそれぞれマッピングを行うことで確認することができる。さらに、上記面積比率の算出は、金属顕微鏡像を画像解析することで容易に算出できる。

また、ｃＢＮ粒子の粒径は、耐摩耗性、強度の点から０．２〜５．０μｍ、特に望ましくは０．５〜３．０μｍの範囲にあることが望ましい。なお、ｃＢＮ粒子の粒径の測定は
、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。さらに、ｃＢＮ粒子の外周部には、周期表第４、５および６族金属、鉄族金属およびＡｌの群から選ばれる１種または２種以上の元素の金属間化合物、炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、硼炭化物、硼窒化物、酸化物からなる中間相が存在することが、ｃＢＮ粒子を強固に保持することができるため望ましい。

（製造方法）
次に、上述した工具の製造方法について説明する。

例えば、原料粉末として０．２〜５μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するｃＢＮ原料粉末、平均粒径０．２〜３μｍの周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種または２種以上の元素の炭化物粉末や窒化物粉末、および必要により平均粒径０．５〜５μｍのＡｌあるいは鉄族金属の内の少なくとも一種の原料粉末を特定の組成に秤量し１０〜７２時間ボールミルにて粉砕混合する。その後、必要があれば、所定形状に成形する。成形には、プレス成形、射出成形、鋳込み成形、押し出し成形等の周知の成形手段を用いることができる。

ついでこれを別途用意した超硬合金製裏打ち支持体と共に超高圧焼結装置に装入し、１２００〜１６００℃の範囲内の所定の温度に４〜６ＧＰａの圧力下で１０〜３０分保持することによってｃＢＮ焼結体を得る。

得られたｃＢＮ焼結体に対して放電加工や砥石を用いて所定のサイズに加工した後、切刃付近にチャンファホーニング加工とＲホーニング加工を行い、所定の切刃形状とする。具体的な条件としては、Ｃ面加工は、ダイヤモンド砥石を用いて、所定の形状に研削加工する。Ｒホーニング加工は、ブラシ研磨またはブラスト処理にて加工する。

次に、加工した基体の表面に被覆層を成膜する。複合Ｔｉ系被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細として、複合Ｔｉ系被覆層をイオンプレーティング法で作製する場合について説明すると、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属シリコン（Ｓｉ）、金属Ｍ（ＭはＷ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させて成膜する。また、成膜雰囲気として窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを総量で１〜１０Ｐａの割合で導入することによって、複合Ｔｉ系被覆層の基体に対する密着力と硬度が向上する。

なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で複合Ｔｉ系被覆層を成膜する際には、複合Ｔｉ系被覆層の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層を作製できるとともに、基体との密着性を高めるために、成膜時に３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。さらに、他の被覆層についても複合Ｔｉ系被覆層の成膜と同じ成膜装置を用いて所定のターゲットを用いて成膜することができる。

また、本発明によれば、被覆層を成膜する前の基体のＲホーニングの表面に、有機溶剤等のマスク剤を塗布してから被覆層を成膜すると、Ｒホーニングにおける被覆層のみを選択的に除去することが容易となる。

その後、本発明においては、切刃における被覆層の表面からブラシ研磨またはブラスト処理にてＲホーニング加工をする。

平均粒径０．８μｍのｃＢＮ原料粉末５０体積％、平均粒径１．２μｍのＴｉＮ原料粉末４０体積％、１．５μｍの金属Ａｌ原料粉末１０体積％を調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで１５時間混合した。次に混合した粉体を圧力９８ＭＰａで加圧成形した。この成形体を、超高圧装置を用いて、５０℃／分で昇温し、圧力５．０ＧＰａで、１５００℃で１５分保持することにより焼成した後、５０℃／分で降温することにより焼成してｃＢＮ質焼結体を得た。また、作製した焼結体からワイヤ放電加工によって所定の寸法に切り出し、超硬合金基体の切刃先端部に形成した切り込み段部にろう付けした。そして、このｃＢＮ焼結体の切刃に対して、表１に示すチャンファホーニング加工およびＲホーニング加工を施した。チャンファホーニングは、＃１０００のダイヤモンド砥石を用いて研削加工した。Ｒホーニングは、ダイヤモンド砥粒の付いたブラシにて加工した。また、試料Ｎｏ．１、２については、Ｒホーニングの表面にＢＮ微粉末を含有するイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液を塗布して乾燥させておいた。

このようにして作製した基体（ＪＩＳ・ＣＮＧＡ１２０４０８のスローアウェイチップ形状）に対してアークイオンプレーティング法により被覆層の成膜を行った。具体的な成膜方法は、上記基体をアークイオンプレーティング装置にセットし５００℃に加熱した後、窒素ガスを圧力２．５Ｐａ導入した雰囲気中、アーク電流１００Ａ、バイアス電圧５０Ｖ、加熱温度５００℃として表１に示す組成、厚み（すくい面にて測定）の被覆層を成膜した。なお、被覆層の組成は、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（ＶＥ８８００）を用いて倍率５００倍にて観察を行い、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（ＡＭＥＴＥＫＥＤＡＸ−ＶＥ９８００）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）法の一種であるＺＡＦ法により特定した。また、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Ｑｕａｎｔｕｍ２０００）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行って定量化した。

そして、切刃のＲホーニング面の表面に、弾性のあるメディアを照射することにより、ブラスト処理して被覆層を除去して、表２に示す構成の切削工具を得た。

次に、得られた溝入切削工具形状のスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
切削方法：軽断続端面加工
被削材：ＳＣＭ４３５（浸炭焼入れ鋼：ｃスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）５８〜６２）、４個穴付き
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：肩切り込み０．２ｍｍ、深さ切り込み０．４ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：欠損に至るまでの衝撃回数

表１〜３に示されるように、チャンファホーニングおよびＲホーニングに被覆層が存在せず基体が露出した試料Ｎｏ．６ではクレータ摩耗が進行しやすかった。また、チャンファホーニングおよびＲホーニングのいずれにも被覆層が形成された試料Ｎｏ．７およびＲホーニングに被覆層が残存する試料Ｎｏ．８では欠損が激しかった。さらに、基体が露出するＲホーニングは存在するがチャンファホーニングが存在しない試料Ｎｏ．９では早期に欠損した。

これに対し、切刃にチャンファホーニングおよびＲホーニングが存在するとともにＲホーニングでは基体が露出した形態の本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１、２、４、５では、クレータ摩耗の進行も遅く、かつ耐欠損性も良好であり、その結果、工具寿命が長いものであった。なお、試料Ｎｏ．３は参考試料を示す。

１切削工具（切削工具）
２すくい面
３逃げ面
４切刃
６基体（ｃＢＮ焼結体）
７被覆層
８複合Ｔｉ系被覆層
９チャンファホーニング
１０Ｒホーニング
１１チップ本体
１２裏打ち板
１３他の被覆層

Claims

立方晶窒化硼素質焼結体の基体からなり、切刃にはすくい面側からチャンファホーニングおよびＲホーニングが順に形成されており、前記すくい面および前記チャンファホーニングの表面には、前記すくい面における被覆層の厚みが２．５〜６μｍ、前記チャンファホーニングにおける被覆層の厚みが２．９〜８μｍで、前記チャンファホーニングにおける被覆層の厚みが前記すくい面における被覆層の厚みよりも厚い被覆層が形成されており、前記Ｒホーニングの表面では前記基体が露出している焼入れ鋼加工用として用いる切削工具。
逃げ面における被覆層の厚みが２．１〜５μｍである請求項１記載の切削工具。
前記チャンファホーニングの幅は５０〜５００μｍ、前記Ｒホーニングの幅は５〜３０μｍである請求項１または２記載の切削工具。
被覆層が（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}、Ｍ_Ｉａ、Ｍ_ＩＩｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍ_ＩはＡｌおよびＳｉの１種以上、Ｍ_ＩＩはＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．４５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．４、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される組成からなる請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。