JP7370543B2

JP7370543B2 - 被覆工具

Info

Publication number: JP7370543B2
Application number: JP2021572718A
Authority: JP
Inventors: 栄仁谷渕; 隼人久保; 幸浩霜垣; 健百瀬; 桃子出浦
Original assignee: Kyocera Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Kyocera Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2023-10-30
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: US20230058739A1; US12427581B2; WO2021149636A1; DE112021000632T5; KR102731821B1; KR20220110274A; CN114981029A; CN114981029B; JPWO2021149636A1

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２０年１月２０日に出願された日本国特許出願２０２０－００６８８５号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本開示は、被覆工具に関する。

被覆工具として、例えば、特開２０１３－１５８８６８号公報（特許文献１）に記載の表面被覆切削工具が知られている。特許文献１に記載の表面被覆切削工具（被覆工具）は、工具基体の表面にＡｌとＣｒの複合窒化物層からなる硬質被覆層が蒸着形成されている。硬質被覆層の蒸着形成は、物理蒸着（ＰＶＤ）法の１種であるアークイオンプレーティング法で行われている。

本開示の限定されない一例の被覆工具は、基体と、該基体の上に位置する被覆膜とを有している。前記被覆工具は、第１面と、該第１面と隣り合う第２面と、前記第１面と前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃とを備えている。前記被覆膜は、ＴｉとＡｌとＮを含有するＡｌＴｉＮ膜を具備している。そして、前記第１面において、前記切刃から０．１ｍｍの位置におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第１Ａｌ比とし、前記切刃から０．２ｍｍの位置におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第２Ａｌ比としたとき、前記第１Ａｌ比および前記第２Ａｌ比は、０．７以上であり、前記第２Ａｌ比は前記第１Ａｌ比よりも大きい。

本開示の限定されない実施形態の被覆工具を示す斜視図である。図１に示す被覆工具におけるＩＩ－ＩＩ断面を拡大した図である。図２に示す被覆工具における切刃の周辺を拡大した図である。

＜被覆工具＞
以下、本開示の限定されない実施形態の被覆工具について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な構成のみを簡略化して示したものである。したがって、被覆工具は、参照する図に示されていない任意の構成を備え得る。また、図中の構成の寸法は、実際の構成の寸法および寸法比率などを忠実に表したものではない。

図１～図３に例示されている被覆工具１は、被削材を切削加工するときに使用される切削工具（切削インサート）である。被覆工具１は、切削工具の他、例えば、摺動部品や金型などの耐摩部品、掘削工具、刃物などの工具、耐衝撃部品などにも適用できる。なお、被覆工具１の用途は、例示したものに限定されない。

被覆工具１は、基体２と、基体２の上に位置する被覆膜３とを有していてもよい。

基体２の材質としては、例えば、硬質合金、セラミックスおよび金属などが挙げられ得る。硬質合金としては、例えば、ＷＣ（炭化タングステン）と、所望により、ＷＣ以外の周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種とからなる硬質相を、Ｃｏ（コバルト）やＮｉ（ニッケル）などの鉄属金属からなる結合相で結合させた超硬合金などが挙げられ得る。また、他の硬質合金として、Ｔｉ基サーメットなども挙げられ得る。セラミックスとしては、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化珪素）、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ダイヤモンドおよびｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などが挙げられ得る。金属としては、例えば、炭素鋼、高速度鋼および合金鋼などが挙げられ得る。なお、基体２の材質は、例示したものに限定されない。

被覆膜３は、基体２の表面４の全面を覆ってもよく、また、一部のみを覆ってもよい。被覆膜３が基体２の表面４の一部のみを被覆しているときは、被覆膜３は、基体２の上の少なくとも一部に位置していると言うことができる。

図１～図３に例示されている被覆膜３は、化学蒸着（ＣＶＤ）法で成膜されていてもよい。言い換えれば、図１～図３に例示されている被覆膜３は、ＣＶＤ膜であってもよい。

被覆膜３の厚みは、例えば、１～２０μｍに設定してもよい。被覆膜３の厚みは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などを用いた断面測定によって測定することができる。

被覆工具１は、第１面５（上面）と、第１面５と隣り合う第２面６（側面）と、第１面５と第２面６の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃７とを備えていてもよい。切刃７は、稜線部の一部に位置してもよく、また、稜線部の全部に位置してもよい。

第１面５は、すくい面であってもよい。第１面５は、その全面がすくい面であってもよく、また、その一部がすくい面であってもよい。例えば、第１面５のうち切刃７に沿った領域が、すくい面であってもよい。

第２面６は、逃げ面であってもよい。第２面６は、その全面が逃げ面であってもよく、また、その一部が逃げ面であってもよい。例えば、第２面６のうち切刃７に沿った領域が、逃げ面であってもよい。

なお、図１に例示されている被覆工具１は四角板形状であるが、被覆工具１の形状としてはこのような形状に限定されない。例えば、図１に例示されている第１面５は四角形であるが、第１面５が四角形ではなく、三角形または六角形などであっても何ら問題ない。

被覆工具１の大きさは、特に限定されない。例えば、図１に例示されている被覆工具１では、第１面５の一辺の長さを１～２０ｍｍ程度に設定できる。また、第１面５から第１面５の反対側に位置する面（下面）までの高さを５～２０ｍｍ程度に設定できる。

ここで、被覆膜３は、Ｔｉ（チタン）とＡｌ（アルミニウム）とＮ（窒素）を含有するＡｌＴｉＮ（窒化チタンアルミニウム）膜を具備していてもよい。そして、被覆膜３は、図３に示す限定されない一例のように、第１面５において、切刃７から０．１ｍｍの位置Ｐ１におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第１Ａｌ比とし、切刃７から０．２ｍｍの位置Ｐ２におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第２Ａｌ比としたとき、第１Ａｌ比および第２Ａｌ比が、０．７以上であってもよい。さらに、第２Ａｌ比は、第１Ａｌ比よりも大きくてもよい。

上述した構成によれば、切刃７に近い位置Ｐ１における部分では、相対的にＡｌ量が少ないため、靭性に優れる。また、位置Ｐ１よりも切刃７から離れた位置Ｐ２における部分では、相対的にＡｌ量が多いため、高硬度かつ耐酸化性が高い。それゆえ、これらの構成を有する被覆工具１は、寿命が長い。

第２面６において、切刃７から０．１ｍｍの位置Ｐ３におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第３Ａｌ比とし、切刃７から０．２ｍｍの位置Ｐ４におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第４Ａｌ比としたとき、第３Ａｌ比および第４Ａｌ比は、０．７以上であってもよい。また、第４Ａｌ比は、第３Ａｌ比よりも大きくてもよい。これらの構成を満たすときは、第１面５に加えて第２面６においても第１面５と同様の効果が得られることから、被覆工具１の寿命がより長い。

第１Ａｌ比は、第３Ａｌ比よりも大きくてもよい。また、第２Ａｌ比は、第４Ａｌ比よりも大きくてもよい。言い換えれば、第２Ａｌ比＞第１Ａｌ比＞第４Ａｌ比＞第３Ａｌ比であってもよい。これらの構成を満たすときは、クレーター摩耗および逃げ面間摩耗の両方の抑制効果が得られ易い。

第１Ａｌ比および第２Ａｌ比は、０．７以上０．９５以下であってもよい。また、第３Ａｌ比および第４Ａｌ比は、０．７以上０．９５以下であってもよい。第１Ａｌ比および第２Ａｌ比が、０．８５以上０．９５以下であり、第３Ａｌ比および第４Ａｌ比が、０．８５以上０．９５以下である場合には、被覆工具１の寿命がより長い。第１～第４Ａｌ比は、ＡｌおよびＴｉの総和に対するＡｌの原子比での含有比率であってもよい。第１～第４Ａｌ比は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）分析法によって測定することができる。

ＡｌＴｉＮ膜の厚みは、例えば、１～２０μｍに設定してもよい。なお、被覆膜３は、ＡｌＴｉＮ膜以外の他の膜を具備してもよい。

＜被覆工具の製造方法＞
次に、本開示の限定されない実施形態の被覆工具の製造方法について、被覆工具１を製造する場合を例に挙げて説明する。

基体２として、硬質合金からなる基体２を作製する場合を例に挙げて説明する。まず、焼成によって基体２を形成できる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物などの無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末などを適宜添加して混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形などの公知の成形方法によって所定の工具形状に成形してもよい。その後、得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中で焼成することによって硬質合金からなる基体２を得てもよい。基体２の表面４には、研磨加工やホーニング加工を施してもよい。

次に、得られた基体２の表面４にＣＶＤ法によって被覆膜３を成膜し、被覆工具１を得てもよい。ＡｌＴｉＮ膜を具備する被覆膜３の成膜条件としては、例えば、混合ガスの組成として、ＴｉＣｌ₄（四塩化チタン）ガスを０．０５～０．５体積％、ＡｌＣｌ₃（三塩化アルミニウム）ガスを０．２～２．０体積％、ＮＨ₃（アンモニア）ガスを３～１０体積％の比率で含み、残りがＨ₂（水素）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７００～９００℃、圧力を１～１０ｋＰａとする条件などが挙げられる。

ここで、成膜時における混合ガスの流速を一般的な流速よりも高くすると、被覆膜３（ＡｌＴｉＮ膜）に組成差を発生させることができ、結果として上述した構成の被覆膜３が成膜され易い。例えば、成膜時における混合ガスの流速を、５～５０ｍ／ｓに設定してもよい。

なお、得られた被覆工具１において、切刃７を含む領域に研磨加工を施してもよい。これにより、切刃７を含む領域が平滑になり、その結果、被削材の溶着が抑制され、切刃７の耐欠損性が向上する。

以下、実施例を挙げて本開示を詳細に説明するが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。

［試料Ｎｏ．１～７］
＜被覆工具の作製＞
まず、基体を作製した。具体的には、平均粒径１．２μｍのＷＣ粉末に対して、平均粒径１．５μｍの金属Ｃｏ粉末を６質量％、ＴｉＣ（炭化チタン）粉末を２．０質量％、Ｃｒ₃Ｃ₂（炭化クロム）粉末を０．２質量％の比率で添加して混合し、プレス成形により切削工具形状（ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ）に成形した。得られた成形体について、脱バインダ処理を施し、０．５～１００Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金からなる基体を作製した。さらに、作製した基体のすくい面（第１面）側にブラシ加工で刃先処理（Ｒホーニング）を施した。

次に、得られた基体の上にＣＶＤ法により厚み１～２０μｍの被覆膜（ＡｌＴｉＮ膜）を成膜し、表１に示す被覆工具を得た。なお、成膜条件は、表１に示すとおりである。被覆膜の厚みは、ＳＥＭによる断面測定で得た値である。なお、流速はＶ＝（Ｓ／Ｌ）×（Ｔ’／Ｐ’）にて求める。Ｖは流速、Ｓは炉内の断面積（ｍ²）、Ｌは流量、Ｔ’は製膜温度（Ｋ）／３００Ｋ、Ｐ’は炉内圧力（ｋＰａ）／１０１．３２５ｋＰａである。炉内の断面積はガス噴出口に対して垂直な面の断面積にて求める。炉内の断面積が位置によって変化する場合には、例えば、最大の断面積を炉内の断面積とするとよい。

＜評価＞
得られた被覆工具について、第１～第４Ａｌ比および断続切削試験を行った。各測定方法を以下に示すとともに、結果を表２に示す。

（第１～第４Ａｌ比）
ＥＤＳ分析法によって測定した。

（断続切削試験：乾式フライスセンターカット加工）
被削材：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
評価項目：欠損に至るまでの時間（切削時間）

表２に示すとおり、第１Ａｌ比および第２Ａｌ比が０．７以上であり、第２Ａｌ比が第１Ａｌ比よりも大きい試料Ｎｏ．１～４は、長寿命であった。一方、第１Ａｌ比および第２Ａｌ比が０．７以上でないか、第２Ａｌ比が第１Ａｌ比よりも大きくない試料Ｎｏ．５～７は、短寿命であった。

１・・・被覆工具
２・・・基体
３・・・被覆膜
４・・・表面
５・・・第１面
６・・・第２面
７・・・切刃
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４・・・位置

Claims

基体と、該基体の上に位置する被覆膜とを有する被覆工具であって、
前記被覆工具は、第１面と、該第１面と隣り合う第２面と、前記第１面と前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃とを備え、
前記第１面はすくい面であり、前記第２面は逃げ面であり、
前記被覆膜は、ＴｉとＡｌとＮを含有するＡｌＴｉＮ膜を具備しており、
前記第１面において、前記切刃から０．１ｍｍの位置におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第１Ａｌ比とし、前記切刃から０．２ｍｍの位置におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第２Ａｌ比としたとき、前記第１Ａｌ比および前記第２Ａｌ比は、０．７以上であり、
前記第２Ａｌ比は前記第１Ａｌ比よりも大きく、
前記第２面において、前記切刃から０．１ｍｍの位置におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第３Ａｌ比とし、前記切刃から０．２ｍｍの位置におけるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）を第４Ａｌ比としたとき、前記第３Ａｌ比および前記第４Ａｌ比は、０．７以上であり、
前記第４Ａｌ比は前記第３Ａｌ比よりも大きく、
前記第１Ａｌ比は、前記第３Ａｌ比よりも大きく、前記第２Ａｌ比は、前記第４Ａｌ比よりも大きい、被覆工具。
前記第１Ａｌ比は、前記第４Ａｌ比よりも大きい、請求項１に記載の被覆工具。
前記第２Ａｌ比および前記第４Ａｌ比は、０．９５以下である、請求項１又は２に記載の被覆工具。
前記基体における前記切刃に対応する部位にＲホーニングが施され、
前記被覆膜における前記切刃に対応する部位に研磨加工が施された、請求項１～３のいずれかに記載の被覆工具。