(57)【要約】【課題】近年、切削加工の高能率化とともに、被覆切削チップは、高速、高送り、高切り込みという過酷な切削条件で使用され、被加工物の難削材化も進んでいる。こうした過酷な切削条件で切削加工または難削材の切削加工を行うと溶着を起こしやすい。そこで、本発明は溶着を起こしにくく耐欠損性に優れた被覆切削チップの提供を目的とする。【解決手段】硬質材料からなる切削チップ基材と、その表面に被覆された厚さ３〜３０μｍの被覆層とから構成され、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．１５μｍ以下であり、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層に存在するクラックの幅は０．１０μｍ以下である被覆切削チップは、耐溶着性、耐欠損性に優れる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質材料からなる切削チップ基材と、その表面に被覆された厚さ３〜３０μｍの被覆層とから構成され、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．１５μｍ以下であり、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層に存在するクラックの幅は０．１０μｍ以下である被覆切削チップ。
【請求項２】
被覆層の最外層は、ＴｉとＣ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種とからなるチタン化合物である請求項１に記載の被覆切削チップ。
【請求項３】
切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層に存在するクラックの平均クラック間隔は、１００μｍ以下である請求項１または２に記載の被覆切削チップ。
【請求項４】
硬質材料は、超硬合金である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質材料からなる切削チップ基材の表面に被覆層を被覆した被覆切削チップに関する。その中でも、特にダクタイル鋳鉄や低炭素鋼など切削中に溶着を生じやすい被削材を切削加工する被覆切削チップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削チップ基材の表面に被覆層を被覆した被覆切削チップは広く用いられている。被覆切削チップの表面が粗いと溶着を起こしやすい。表面を平滑化した切削工具インサートとして、アルミナ粉末によるブラスト処理により被膜を平滑にした切削工具インサートがある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この切削工具インサートは耐欠損性が低いという問題があった。また、粗いアルミナ粉末によるブラスト処理であるため、耐火層の表面の平滑性向上に限界があった。また、粗粒のメディアを強く投射するため、すくい面および切れ刃稜線部の最外層が除去される。そのため、すくい面および切れ刃稜線部の表面材質と、逃げ面の表面材質が異なり美観を損ねていた。
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−０５２６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
切削チップ基材の表面に被覆層を被覆した被覆切削チップは広く用いられている。近年、切削加工の高能率化が求められ、従来よりも高速、高送り、高切り込みという過酷な切削加工を行うようになった。また、被加工物の高性能化、軽量化とともに被加工物の難削材化も進んでいる。こうした過酷な切削条件で切削加工、または、難削材の切削加工を行うと溶着を起こしやすい。そこで、本発明は溶着を起こしにくく耐欠損性に優れた被覆切削チップの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上述の問題の解決を図るべく研究を行った結果、溶着が生じやすい被覆切削チップの切れ刃稜線部とすくい面を、微粒の硬質セラミックス粉末を使用した湿式ブラスト処理を行うことにより、被覆層に存在するクラックを拡大させずに表面を平滑にすることができるという知見を得た。本発明によれば、被覆層に存在するクラックを拡げないため耐欠損性を低下させず、表面を平滑にすることにより溶着を減少させて、すくい面と切れ刃稜線部の圧着分離損傷や微小欠損を抑制して、工具寿命を延長させることが可能となった。
【０００６】
従来の被覆切削チップの被覆層には、高温で被覆層を被覆した後に冷却して生じるクーリングクラックなどのクラックが存在する。従来の被覆切削チップの被覆層の表面には、被覆層の結晶成長により生じたミクロンオーダーの凹凸が存在する。このミクロンオーダーの凹凸が溶着などの原因となるため、従来、ブラスト処理などによる除去が行われてきた。ブラスト処理について詳しく研究したところと、ブラスト処理の投射粒子に１５０メッシュ以下の粗粒のアルミナ粒子を用いると被覆層のクラックの幅を拡げることが分かった。さらに、この被覆切削チップを切削加工に用いると、拡がったクラックに被削材が入り込み、クラックを進展させ、被覆切削チップの耐欠損性を低下させることが分かった。そこで、本発明者はブラスト処理について研究を重ねたところ、メディアに微粒な硬質セラミクス粉末を使用してブラスト処理を行うと、被覆層をよりいっそう平滑化できるとともに、被覆層に存在するクラックの幅を拡げないことを見出した。
【０００７】
すなわち、本発明の被覆切削チップは、硬質材料からなる切削チップ基材と、その表面に被覆された厚さ３〜３０μｍの被覆層とから構成され、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層表面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは０．１５μｍ以下であり、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層に存在するクラックの幅は０．１０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の被覆切削チップは、硬質材料からなる切削チップ基材と、その表面に被覆された厚さ３〜３０μｍの被覆層とから構成される。本発明の硬質材料とは、従来から被覆切削チップの基材として用いられている材種で、具体的には超硬合金、サーメット、セラミックス、超高圧焼結体などを挙げることができる。その中でも超硬合金は、耐摩耗性と耐欠損性のバランスがよく、本発明の被覆切削チップの基材として特に好ましい。
【０００９】
本発明の硬質材料からなる切削チップ基材の表面には、厚さ３〜３０μｍの被覆層が被覆される。本発明の被覆層とは、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、Ａｌ2Ｏ3などを挙げることができる。被覆層の厚さは、３μｍ未満になると耐摩耗性が低下し、３０μｍを超えると耐欠損性が低下するため、３〜３０μｍと定めた。その中でも５〜２５μｍが好ましく、その中でも１０〜２０μｍがさらに好ましい。
【００１０】
本発明の被覆層の最外層以外の内層として厚さ０．５〜２０μｍのα型Ａｌ2Ｏ3層を含むと好ましい。α型Ａｌ2Ｏ3層の好ましい厚さを０．５〜２０μｍとした理由は、０．５μｍ以上になると耐酸化性が向上してすくい面の耐クレーター摩耗性が改善され、２０μｍを超えると切れ刃の耐欠損性が低下するためである。
【００１１】
本発明の被覆切削チップは、すくい面、逃げ面、切れ刃稜線部を有する。切れ刃稜線部として、具体的にはすくい面と逃げ面との交線の一部または全部に設けられた丸ホーニング、チャンファーホーニング、複合ホーニングなどのホーニング部分を挙げることができる。すくい面として、具体的には切れ刃稜線部につながるすくい面側のランド、ブレーカー、ボス面などを挙げることができる。逃げ面として、具体的には切れ刃稜線部につながる逃げ面側の側面などを挙げることができる。
【００１２】
微粒な硬質セラミックス粒子を用いて、ブラスト圧力、ブラスト時間などのブラスト処理条件を調節することで、すくい面と切れ刃稜線部の最外層を残すことが可能である。すなわち、本発明の被覆切削チップのすくい面および切れ刃稜線部の表面材質と、逃げ面の表面材質とを同一物質にすることが可能となる。その中でも、本発明の被覆層の最外層は、ＴｉとＣ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種とからなるチタン化合物であると、明るい色調の外観を呈するとともに切削チップとして使用／未使用コーナーの識別が容易となるため、特に好ましい。ＴｉとＣ、Ｎ、Ｏの中から選ばれた少なくとも１種とからなるチタン化合物として、具体的にはＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを挙げることができる。その中でも黄金色を示すＴｉＮがさらに好ましい。
【００１３】
本発明の被覆切削チップの切れ刃稜線部およびすくい面の基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａを０．１５μｍ以下としたのは、Ｒａが０．１５μｍを超えると凹凸により被削材が溶着して圧着分離損傷や微小傷欠損を生じやすいためである。しかしながら、Ｒａが０．０５μｍ未満になると被膜表面と被削材が密接して工具刃先の温度を上昇させクレーター摩耗を促進する傾向を示すため、Ｒａは０．０５〜０．１５μｍが好ましい。なお、基準長さ５μｍに対する算術平均粗さＲａは、すくい面および切れ刃稜線部の被覆層断面組織をＳＥＭ観察して得られた被覆層の表面粗さ曲線から画像解析装置を用いて測定することができる。
【００１４】
本発明の被覆切削チップにおいて、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層に存在するクラックの幅を０．１μｍ以下としたのは、０．１μｍを超えると溶着した被削材がクラック中に進入しやすくなり、被覆切削チップの耐欠損性を低下させるためである。なお、クラックの幅は小さいほど好ましいが、現在の製造技術では０．００５μｍ未満にすることは難しいため、クラックの幅は０．００５μｍが下限になる。なお、すくい面および切れ刃稜線部の被覆層に存在するクラックの幅は、すくい面および切れ刃稜線部の表面をＳＥＭ観察して測定することができる。
【００１５】
本発明の被覆切削チップにおいて、切れ刃稜線部およびすくい面の被覆層に存在するクラックの平均クラック間隔は１００μｍ以下であると好ましい。本発明の被覆切削チップにおいて平均クラック間隔とは、一つのクラックとそれに隣接するクラックとの平均間隔を意味する。平均クラック間隔が１００μｍ以下になると、さらに耐欠損性が向上するため、好ましい。しかしながら現在の製造技術では平均クラック間隔を１０μｍ未満にすることは難しいため、実用上、平均クラック間隔は１０〜１００μｍの範囲が好ましく、その中でも１０〜６０μｍが、さらに好ましい。なお、すくい面および切れ刃稜線部の被覆層に存在するクラックの平均クラック間隔は、すくい面および切れ刃稜線部の被覆層表面をフッ硝酸などによりエッチング処理してクラックを観察しやすくし、エッチングした被覆層表面を光学顕微鏡で５０倍に拡大し、基準長さ２ｍｍの直線を横切るクラックの本数を測定することで求めることができる。
【００１６】
本発明被覆切削チップの製造方法の一つとして、切削チップ基材の表面に厚さ３〜３０μｍの被覆層を被覆した被覆切削チップを用意し、その表面を微粒な硬質セラミックス粒子によるブラスト処理する方法を挙げることができる。具体的には、硬質材料からなる切削チップ基材を用意し、その表面に化学蒸着法および／または物理蒸着法によって厚さ３〜３０μｍの被覆層を被覆する。化学蒸着法の場合、被覆温度が低いほど平均クラック間隔は狭くなる。得られた被覆切削チップのすくい面と切れ刃稜線部に表面に８００メッシュ以上の微粒なアルミナ粒子を投射する湿式ブラスト処理を行う方法を挙げることができる。なお、ブラスト圧力、ブラスト時間などのブラスト処理条件を調節してすくい面、切れ刃稜線部および逃げ面の最外層を同一物質とすることができる。また、湿式ブラスト処理の方が、乾式ブラスト処理よりも均一にメディアが投射されるため処理後の被覆層厚さのばらつきが少なく、好ましい。
【００１７】
本発明の被覆切削チップは、溶着が生じやすい切削加工において効果が高い。その中でも、特にダクタイル鋳鉄や低炭素鋼などの切削中に溶着を生じやすい被削材を、高速切削、あるいは、高送り高切り込みなどの重切削をした場合に、優れた耐溶着性を示す。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の被覆切削チップは、表面が平滑であるため溶着が少ない。また、被覆層に存在するクラックの幅が狭いため、切削加工中にクラック中への被削材の進入を防ぐことができ、クラックの進展が抑制される。このような作用効果により、本発明の被覆切削チップは長時間に亘り優れた切削性能を発揮し長い工具寿命を実現する。
【実施例】
【００１９】
基材としてＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８形状の９１．５ＷＣ−０．５ＴｉＣ−１．８ＴａＣ−０．２ＮｂＣ−６．０Ｃｏ系超硬合金（以上重量％）を用意した。この基材の切れ刃稜線部にＳｉＣブラシにより丸ホーニングを施した後、基材表面を洗浄した。発明品１〜３および比較品１〜７については、外熱式化学蒸着装置を用い、反応ガスに９９．５体積％以上の高純度ガスを使用し、表１に示す被覆条件１で、超硬合金基材の表面に、基材側から厚さが１．０μｍ最内層ＴｉＮ−９．０μｍ柱状晶ＴｉＣＮ−０．５μｍＴｉＡｌＣＮＯ−５．０μｍα型Ａｌ2Ｏ3−０．５μｍ最外層ＴｉＮとなる被覆層を被覆した。また、発明品４、５については、外熱式化学蒸着装置を用い、反応ガスに９９．５体積％以上の高純度ガスを使用し、表２に示す被覆条件２で、超硬合金基材の表面に、基材側から厚さが１．０μｍ最内層ＴｉＮ−９．０μｍ粒状晶ＴｉＣＮ−０．５μｍＴｉＡｌＣＮＯ−５．０μｍα型Ａｌ2Ｏ3−０．５μｍ最外層ＴｉＮとなる被覆層を被覆した。
【００２０】
【表１】
2006026814.tif 000002
【００２１】
【表２】
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【００２２】
発明品１〜５および比較品２〜７の被覆超硬合金に対して、表３に示した条件で研磨加工処理を行い発明品１〜３および比較品２〜７の被覆切削チップを得た。なお、比較品１の被覆超硬合金には何も研摩処理を行わず、比較品１の被覆切削チップとした。
【００２３】
【表３】
2006026814.tif 000004
【００２４】
発明品１〜５および比較品１〜７の被覆切削チップについて、切れ刃稜線部とすくい面の表面の算術平均粗さＲａ、切れ刃稜線部とすくい面の被覆層に存在するクラックの幅、切れ刃稜線部、すくい面および逃げ面の表面材質、切れ刃稜線部とすくい面の平均クラック間隔を測定し、それらの結果を表４に示した。なお、各部分の表面の算術平均粗さＲａは、各部分の研磨断面を走査型電子顕微鏡により１００００倍に拡大して表面粗さ曲線を測定し画像処理装置を用いて算出した。また、各部分の被覆層に存在するクラックの幅は、各部分の表面を走査型電子顕微鏡により５００００倍に拡大して測定した。各部分の平均クラック間隔は、各部分の被覆層表面をフッ硝酸によりエッチング処理して、被覆層表面を光学顕微鏡により５０倍に拡大し、基準長さ２ｍｍの直線を横切るクラックの本数を測定して求めた。また、各部分の表面材質は表面観察と断面組織観察から特定した。
【００２５】
【表４】
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【００２６】
発明品１〜５および比較品１〜７の被覆切削チップについて、円筒形にＶ型の４本の溝を設けたＦＣＤ７００（硬さ：ＨＢ２４０）を被削材に用いて、切削速度：Ｖｃ＝２５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み：ａｐ＝２ｍｍ、送り：ｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖ、水溶性切削油使用という条件で断続切削試験を行い、切削試験後のコーナー摩耗が０．４ｍｍに達するまで、または、刃先が欠損に至るまでの切削パス数の５回の平均値を測定し、切削試験後の損傷状態を観察し、その結果を表５に示した。
【００２７】
【表５】
2006026814.tif 000006
【００２８】
表５に示される結果から、切れ刃稜線部およびすくい面のＲａが０．０５〜０．１４μｍ、および、クラックの幅が０．０６〜０．１０μｍの発明品１〜５の被覆切削チップは、切削パス数が８５〜１２３と工具寿命が長いことが分かる。その中でも、平均クラック間隔が４５〜６１μｍの発明品１〜３は、耐欠損性に優れていることが分かる。また、発明品１〜５の被覆切削チップは、切れ刃稜線部、すくい面および逃げ面を含むチップ全体の外観がＴｉＮ（黄金色）であり、コーナーの使用／未使用の判別が容易である。
【００２９】
比較品１，６は、切れ刃稜線部およびすくい面のＲａが０．２０〜０．６４μｍであるため短寿命であり、比較品２〜５，７は、切れ刃稜線部およびすくい面のクラックの幅が０．１８〜０．８４μｍであるため短寿命である。