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JP2018030205A - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

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JP2018030205A JP2016164780A JP2016164780A JP2018030205A JP 2018030205 A JP2018030205 A JP 2018030205A JP 2016164780 A JP2016164780 A JP 2016164780A JP 2016164780 A JP2016164780 A JP 2016164780A JP 2018030205 A JP2018030205 A JP 2018030205A
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Shinya Imamura
晋也 今村
秀明 金岡
Hideaki Kaneoka
秀明 金岡
アノンサック パサート
Paseuth Anongsack
アノンサック パサート
聡 小野
Satoshi Ono
聡 小野
光平 吉村
Kohei Yoshimura
光平 吉村
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Abstract

【課題】長寿命化された切削工具を提供する。
【解決手段】基材を備える切削工具であって、基材は、超硬合金またはサーメットであり、基材の表面は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面を繋ぐ刃先面とを含み、基材において、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が1原子%以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、切削工具およびその製造方法に関する。
従来より、切削工具の長寿命化を目的として、種々の検討がなされている。たとえば、特開平5−237707号公報(特許文献1)および特開2013−244549号公報(特許文献2)には、基材と、基材の表面に形成されている被膜とを備える切削工具が開示されている。いずれの開示も、基材の表面に硬質な被膜を設けることによって、切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的としている。
特開平5−237707号公報 特開2013−244549号公報
上記のような被膜を有する切削工具においては、被膜と基材との密着力の不足に伴う被膜の剥離(すなわち工具の欠損)という問題に対処する必要がある。たとえば特許文献1においては、基材の成分であるWCおよびCoの被膜中への拡散を抑制することによって、安定した密着力を発揮し得るとされている。また特許文献2においては、基材の表面の欠陥密度を制御することによって、安定した密着力を発揮し得るとされている。
しかし、切削工具への要求は多種多様となっている。たとえば、低コスト等の観点から、被膜を有さない切削工具(「non-coated切削工具」ともいう)が求められる場合がある。また、被膜を有する切削工具(「coated切削工具」ともいう)に対する要求も益々厳しくなっている。このような状況下、いずれのタイプの切削工具においても、総じて長寿命化が求められている。
以上の点に鑑み、本開示では、長寿命化された切削工具およびその製造方法の提供を目的とする。
本開示の一態様に係る切削工具は、基材を備える切削工具であって、基材は、超硬合金またはサーメットであり、基材の表面は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面を繋ぐ刃先面とを含み、基材において、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度は1原子%以下である。
本開示の一態様に係る切削工具の製造方法は、上記の切削工具を製造する方法であって、基材前駆体を準備する工程と、基材前駆体の表面を機械加工処理して基材を作製する工程と、を備え、機械加工処理は、湿式研削処理と乾式研削処理とが交互に繰り返される第1研削処理、低送り低切込みの湿式研削処理が実施される第2研削処理、または、乾式研削処理が実施される第3研削処理のいずれかである。
上記によれば、長寿命化された切削工具およびその製造方法が提供される。
図1は、切削工具の一態様を例示する斜視図である。 図2は、図1のX−X線矢視断面図である。 図3は、図2の部分拡大図である。 図4は、刃先面の他の形状を例示する図である。 図5は、刃先面のさらに他の形状を例示する図である。 図6は、刃先面のさらに他の形状を例示する図である。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。なお、本明細書において「A〜B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。
〔1〕本開示の一態様に係る切削工具は、基材を備える切削工具であって、基材は、超硬合金またはサーメットであり、基材の表面は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面を繋ぐ刃先面とを含み、基材において、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度は1原子%以下である。このような切削工具は、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、もって長寿命を有することができる。
〔2〕上記切削工具の基材において、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度は10原子%以下である。これにより、切削工具はさらに長寿命を有することができる。
〔3〕上記切削工具の基材において、刃先面における歪みは0.07以下である。これにより、切削工具はさらに長寿命を有することができる。
〔4〕上記切削工具は、基材上に設けられた被膜をさらに備える。これにより、さらに切削工具としての特性に優れる。
〔5〕上記切削工具において、被膜は、周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、Al、SiおよびBからなる群より選択される1種以上の第1元素と、B、C、N、およびOからなる群より選択される1種以上の第2元素とからなる化合物層を含む。このような被膜は、切削工具の特性を向上させることができる。
〔6〕本開示の一態様に係る切削工具の製造方法は、上記切削工具を製造する方法であって、基材前駆体を準備する工程と、基材前駆体の表面を機械加工処理して基材を作製する工程と、を備え、機械加工処理は、湿式研削処理と乾式研削処理とが交互に繰り返される第1研削処理、低送り低切込みの湿式研削処理が実施される第2研削処理、または、乾式研削処理が実施される第3研削処理のいずれかである。これにより、長寿命を有する上記切削工具を製造することができる。
〔7〕上記製造方法は、基材の表面に被膜を形成する工程をさらに備える。これにより、被膜を有する切削工具を製造することができる。
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明者らはまず、種々のcoated切削工具に関して耐摩耗性試験を実施し、試験後のcoated切削工具の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。観察の結果、被膜の剥離のみならず、基材の刃先面から深さ方向に亀裂が伸展していたり、基材に含まれる硬質粒子が脱落していたりすることが確認された。本発明者らは、上記現象の原因を追究すべく、従来のナノレベルの観察ではなく、原子レベルの観察を実施することとした。
具体的には、X線光電子分光法(XPS)を用いて、耐摩耗性試験前後のcoated切削工具を観察し、該観察結果と耐摩耗性試験との結果とを照らし合わせて検討を重ねた。そして、coated切削工具の基材内に意図しない酸素原子が入り込んでおり、この酸素原子の存在が上記の現象に関与していることを見出した。
coated切削工具においては、化学蒸着法等により基材の表面に被膜を作製するという、比較的厳しい環境下での処理が実施される。このため当初、基材上に被膜を形成する工程を経ることによって、基材の内部に酸素原子が供給されることが想定された。しかし、non-coated切削工具の諸検討においても、酸素原子の入り込みが見られたことから、上記想定は覆されることとなった。
そこで、本発明者らは、基材前駆体に対する機械加工処理に着眼した。「基材前駆体」とは、機械加工処理によってその表面が面取りされ、切れ刃が形成されることによって「基材」となるものである。すなわち、機械加工処理は、焼結体等の基材前駆体に対して切削工具の基材としての適性を付与するために実施される処理である。硬質な基材前駆体を機械加工処理する場合には、処理時の発熱を抑制し、または加工品位を向上させるために、工業的に、高送り高切込みの湿式研削処理が実施される。本発明者らは、この湿式研削処理に使用される水が上記酸素原子の供給源であることを知見した。
続いて、本発明者らは、機械加工処理の各種方法による基材内への酸素原子の侵入の態様の差異について鋭意検討を重ねた。そして、従来とは異なる機械加工処理の方法を採用することによって、coated切削工具およびnon-coated切削工具のいずれの耐摩耗性をも向上させることに成功した。本発明は、このようにして完成されたものである。
以下、本発明の一実施形態(以下「本実施形態」と記す)について説明する。ただし、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。また、本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されるものではない。たとえば「TiCN」と記載されている場合、TiCNを構成する原子数の比はTi:C:N=1:0.5:0.5に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。
〈切削工具〉
本実施形態の切削工具は、基材を備える。切削工具の形状および用途等は特に限定されない。本実施形態の切削工具は、たとえば、ドリル、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。
《基材》
基材は、超硬合金またはサーメットである。超硬合金としては、WC基超硬合金(WCのほか、Coを含み、あるいはTi、Ta、Nbなどの炭窒化物を添加したものも含む)が挙げられる。サーメットとしては、TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするものが挙げられ、なかでも、TiCN基サーメットが好ましい。
また基材は、表面を有し、該表面は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面を繋ぐ刃先面とを有する。刃先面は、切削工具の切れ刃を構成する面である。基材のうち、いずれの領域が刃先面となるかは、基材の形状によって決定される。これについて図1〜3を用いて説明する。
図1は、切削工具の一態様を例示する斜視図であり、図2は、図1のX−X線矢視断面図である。このような形状の切削工具は、旋削加工用刃先交換型切削チップとして用いられる。
図1および図2に示される切削工具10は、上面、下面および4つの側面を含む表面を有しており、全体として、上下方向にやや薄い四角柱形状である。また、切削工具10には上下面を貫通する貫通孔が形成されており、4つの側面の境界部分においては、隣り合う側面同士が円弧面で繋がれている。
上記切削工具10では、上面および下面がすくい面1aを成し、4つの側面(およびこれらを相互に繋ぐ円弧面)が逃げ面1bを成し、すくい面1aと逃げ面1bとを繋ぐ円弧面が刃先面1cを成す。
図3は、図2の部分拡大図である。図3においては、すくい面1aを含む仮想平面A、すくい面1aと仮想平面Aとの乖離の境界となる仮想境界線AA、逃げ面1bを含む仮想平面B、および逃げ面1bと仮想平面Bとの乖離の境界となる仮想境界線BBとが示されている。なお図3において、各仮想平面A,Bは線状に示されており、各仮想境界線AA,BBは点状に示されている。図3において、仮想境界線AAおよび仮想境界線BBに挟まれる領域内の表面が、刃先面1cとなる。
このように、刃先面1cは、一般的に、基材1の表面であって、交差する面の稜に対して機械加工処理が施されることによって形成される面である。換言すれば、基材1は、焼結体等からなる基材前駆体の表面の少なくとも一部に対して機械加工処理が施されてなるものであり、刃先面1cは、機械加工処理による面取りを経て形成された面である。
図1〜図3においては、刃先面1cが円弧面である場合について示したが、刃先面1cの形状はこれに限られない。たとえば、図4に示されるように、平面の形状を有している場合もある。また、図5に示されるように、平面と円弧面とが混在する形状を有している場合もある。
上記のように基材1が図3〜図5に示されるような形状を有する場合、刃先面1cは、その形状のみから容易に決定することができる。この場合の刃先面1cは、仮想平面Aおよび仮想平面Bのいずれにも含まれず、すくい面1aおよび逃げ面1bとの目視による区別が容易だからである。
一方、基材1が図6に示されるようなシャープエッジ形状を有する場合、その形状のみから機械加工処理により形成された刃先面1cを決定することは難しい。この場合の刃先面1cは、仮想平面Aおよび/または仮想平面Bに含まれるため、すくい面1aおよび逃げ面1bとの目視による区別が難しいためである。
そこで本明細書において、基材1がシャープエッジ形状を有する場合、刃先面1cは、すくい面1aと逃げ面1bとが交差して成る稜線ABからの距離dが100μm以内の領域に含まれる面とする。この領域に含まれる基材1が、切削工具10の切れ刃として機能し得るためである。
(酸素濃度)
本実施形態の基材は、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が1原子%以下である。この酸素濃度はXPSに適用可能なXPS分析装置を用いて測定することができる。
XPSにおいては、Ar等のイオンによって測定対象物の表面をエッチングしながら、測定対象物の任意の深さ位置における任意の原子の割合を測定することができる。このため、XPSによって、基材の表面である刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度を決定することができる。このときのエッチング面積は、500〜50000μm2とすることができる。測定は真空下で実施される。
なお、刃先面がシャープエッジ形状を有する場合、刃先面は、すくい面側に位置する刃先面と、逃げ面側に位置する刃先面とがある。この場合、「基材の表面である刃先面から0.4μmの深さ位置」とは、いずれか一方の刃先面から0.4μmの深さ位置であり、かつ他方の刃先面からは0.4μm以上の深さ位置に当たる位置を意味する。
また、基材の表面が切削工具の最表面を構成していない場合、たとえば基材の表面に被膜等の他の部材が設けられている場合には、次のようにして基材の表面が決定される。まずXPSにより、基材の刃先面に対応する切削工具の最表面からエッチングしていく。そして、基材の材料に特有の元素(たとえば基材中の結合相を構成する元素)が測定された深さ位置を、基材の刃先面とする。
上記酸素濃度は平均値とすることができる。すなわち、基材の刃先面のうち任意の3つの測定箇所を決定し、該測定箇所から0.4μmの深さ位置での酸素濃度をそれぞれ測定する。そして、これらの平均値を上記酸素濃度とすることができる。
また本発明者らは、刃先面の複数の測定箇所における酸素濃度の測定を実施したところ、個々の測定値と平均値とで有意な差がないことを確認している。このため、刃先面のうちの任意の1箇所を測定し、その結果を上記酸素濃度としてもよい。ただし、明らかに異常値と認識される結果は除外されるべきである。このときの1箇所は、刃先面の中央部分で決定されることが好ましい。切削工具の特性に大きく関与する部分であり、切削工具の特性評価の対象部位として適切なためである。
本実施形態の切削工具によれば、基材において、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が1原子%以下であることにより、耐摩耗性に優れ、もって長寿命を有することができる。
ここで、本発明者らは本開示に関する検討によって以下(a)〜(c)のことを知見している。
(a)切削工具用の基材の刃先面には、意図しない酸素原子が入り込んでおり、かつその酸素原子に由来する酸素濃度は、刃先面近傍において最も高く、基材の内部に向かうに連れて減少している;
(b)刃先面近傍の酸素濃度が高いほど、基材の内部深くまで酸素原子が入り込んでいる傾向がある;
(c)刃先面から基材の内部深くにまで酸素原子が入り込んでいる基材においては、刃先面から内部に向かって亀裂が伝播し易く、また基材を構成する硬質粒子が脱落し易い傾向がある。
本発明者らは、上記知見を踏まえ、本実施形態の切削工具が長寿命を有する理由を次のように推察する。すなわち、従来の切削工具の基材においては、刃先面と、該刃先面から内部に向かうある程度の深さ位置との間の領域に、意図しない酸素原子が存在していた。基材の物性に影響を与え得る高い濃度で上記の酸素原子が存在する領域(「高酸素領域」ともいう)では、基材の脆化が起こる。このため、刃先面で発生した亀裂は、刃先面から内部(基材の深さ方向)に拡がる高酸素領域内を伝播し易い。
特に、従来の切削工具においては、高酸素領域の幅(刃先面から基材内の内部方向に直進する深さ)が比較的大きい。このために、結果として大きな(長い)亀裂が形成される。また、高酸素領域に内包される硬質粒子や、その大部分が高酸素領域に位置するような硬質粒子は、脱落し易くなる。
一方、本実施形態の切削工具においては、基材において、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が1原子%以下であり、従来の切削工具と比して高酸素領域の幅が小さい、または存在しない。このため、第1に、脆化が起こり得る領域が従来と比して小さい、または存在しないため、従来の切削工具と比して硬度に優れることとなる。第2に、亀裂の起点が発生したとしても、その伝播は従来よりも抑制されることとなる。
特に、0.4μmの深さ位置での酸素濃度が1原子%以下である場合、高酸素領域の幅が、基材の表面に位置する硬質粒子の粒径よりも小さくなり易い。このため、高酸素領域の全域に亀裂が伝播したとしても、その長さは基材の最表面に位置する硬質粒子の粒径よりも小さくなり易く、結果的に硬質粒子の脱落が抑制される。したがって、本実施形態の切削工具は、高い耐摩耗性と高い耐欠損性を有することができ、もって長寿命を有することができる。
本実施形態の切削工具において、基材は、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度が10原子%以下であることが好ましい。この場合、さらに亀裂の伝播を抑制することができ、また硬質粒子の脱落を抑制することができるため、切削工具のさらなる長寿命化が可能となる。なお、理論上、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度、および刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度は、それぞれ0原子%であることが好ましい。
(歪み)
本実施形態の切削工具において、基材は、刃先面における歪みが0.07以下であることが好ましい。刃先面における歪は、X線回折法を適用することにより求めることができる。なお、放射光のような高輝度のX線は、高精度に測定できる点で好ましいが、通常のX線装置を使用してもよいことはいうまでもない。
X線回折法により得られるX線の回折角(2θ)と回折強度との回折プロファイルにおいては、結晶子サイズおよび歪みのそれぞれに依存して、回折ピークが拡がる(ブロードになる)ことが知られている。結晶子サイズに依存する回折ピークおよび歪みに依存する回折ピークのそれぞれをローレンツ関数で近似すると、回折ピークの積分幅βは下記式(1)で表すことができる。βsizeは、結晶子サイズに依存する回折プロファイルにおける積分幅であり、βstrainは、歪みに依存する回折プロファイルにおける積分幅である。
β=βsize+βstrain・・・(1)。
βsizeおよびβstrainは、下記式(2)および下記式(3)で表される。λはX線の波長であり、εは結晶子サイズであり、θはX線の入射角であり、ηは歪み(不均一格子歪み)であり、θ0はブラッグ角である。さらに、下記式(2)および下記式(3)を上記式(1)に代入することにより、下記式(4)が得られる。
βsize=λ/(εcosθ0)・・・(2)
βstrain=ηtanθ0・・・(3)
βcosθ0/λ=1/ε+ηsinθ0/λ・・・(4)。
縦軸をβcosθ0/λとし、横軸をsinθ0/λとする2軸グラフにおいて、2θの値が異なる複数の回折プロファイルから求められる値をプロットし、このプロットを線形回帰する。得られた回帰直線において、その傾きが歪み(不均一格子歪み)であり、該回帰直線の切片の逆数が結晶子サイズとなる。
上記歪みは平均値とすることができる。すなわち、基材の刃先面のうち任意の3つの測定箇所における回折プロファイル(入射角の異なる複数の回折プロファイル)を得て、各測定箇所におけるηの値をそれぞれ算出する。そして、これらの平均値を上記歪みとする。上記測定箇所は、基材の刃先面から深さ方向に対して、その厚みが1.5μmとなる領域に位置する基材である。すなわち、各測定箇所における歪みは、刃先面から深さ1.5μmまでの領域における基材の歪みの積算値として、各測定箇所において測定される。
また本発明者らは、刃先面の複数の測定箇所におけるηの値の算出を実施したところ、個々の値と平均値とで有意な差がないことを確認している。このため、刃先面のうちの任意の1箇所を測定し、その結果を上記歪みとしてもよい。ただし、明らかに異常値と認識される結果は除外されるべきである。このときの1箇所は、刃先面の中央部分で決定されることが好ましい。切削工具の特性に大きく関与する部分であり、切削工具の特性評価の対象部位として適切なためである。
上記歪みが「0.07以下」と十分に小さい場合、切削工具のさらなる長寿命化が可能となる。このような位置での歪みが小さいことにより、基材上に後述する被膜を設けた場合に、被膜の耐剥離性が向上するためである。また上記歪みは、0.05以下であることがより好ましい。この場合、さらなる切削工具の長寿命化が可能となる。なお理論上、上記歪みは0であることが最も好ましい。
《被膜》
本実施形態の切削工具は、基材上に設けられた被膜をさらに備えることができる。このような被膜は、基材の表面を被覆することにより、切削工具の耐摩耗性、靱性などの諸特性を向上させる作用を有するものである。特に本実施形態の切削工具によれば、基材と被膜との密着性に優れることから、被膜の剥離に依拠する工具寿命の低下を抑制することができる。このため、本実施形態の切削工具がさらに被膜を備える場合、切削工具自体の耐摩耗性の向上に加え、基材と被膜との密着性の向上が可能となり、もって顕著な長寿命化が可能となる。
本実施形態の切削工具において、基材と被膜との密着性が優れる理由は、次のように推察される。基材内の酸素濃度が高いと、基材の硬度が低下したり、基材の構造が不均一となったりする。このような基材の劣化に伴い、基材と被膜との密着性は低下する傾向がある。これに対し本実施形態の切削工具は、上述のように高酸素領域の幅が比較的小さく、故に、従来と比して刃先面近傍の酸素濃度が低い。このことは上記(a)〜(c)の知見から理解される。これにより、本実施形態の切削工具においては、上述の基材の劣化が抑制されることとなり、結果的に基材と被膜との密着性が向上する。
ここで、被膜には、物理蒸着(PVD)法により形成される物理蒸着層と、化学蒸着(CVD)法により形成される化学蒸着層とがある。物理蒸着層は、通常、イオンによるエッチング処理が施された基材上に設けられる。一方、化学蒸着層は、通常、上記エッチング処理が施されていない基材上に設けられる。このため、上記被膜が化学蒸着法により形成された化学蒸着層である場合には、本実施形態の切削工具の効果がさらに顕著なものとなる。物理蒸着層と化学蒸着層とは、これらの表面をSEM観察することにより明確に区別される。
被膜は、0.3〜15μmの厚みを有することが好ましい。被膜の厚みが0.3μm以上であれば、被膜の特性を十分に発揮することができ、15μm以下であれば、被膜が厚すぎることによる被膜の剥離を抑制することができる。
被膜の厚みは次のようにして求められる。まず、基材の表面の法線方向に平行な断面を含む測定試料を作製する。次に、該断面を走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscopy)で観察し、観察画像に被膜の厚み方向の全域が含まれるように倍率を調整する。そして、その厚みを5点以上測定し、その平均値を厚みとする。
被膜は、1層からなる単層構造であってもよく、2層以上が積層された積層構造であってもよい。また被膜は、基材の表面の一部(たとえば刃先面)に形成されていても良いし、全面に形成されていても良い。
上記層としては、周期表の第4族元素(Ti、Zr、Hf)、第5族元素(V、Nb、Ta)、第6族元素(Cr、Mo、W)、AlおよびSiからなる群より選択される1種以上の第1元素と、B、C、N、およびOからなる群より選択される1種以上の第2元素とからなる化合物層を挙げることができる。このような化合物層は、切削工具の被膜として好適である。
化合物層の具体例として、TiCNO層、TiBN層、TiC層、TiN層、TiAlN層、TiSiN層、AlCrN層、AlCrON層、AlCrO層、TiAlSiN層、TiAlON層、AlCrSiCN層、TiCN層、TiSiC層、CrSiN層、AlTiSiCO層、TiSiCN層、ZrO2層、Al23層などが挙げられる。硬度に特に優れる点からは、Tiを含む層(たとえばTiCN層、TiN層)が好ましく、耐酸化性に特に優れる点からは、Alを含む層(たとえばAl23層)が好ましい。
中でも、基材側から順に、TiN層、TiCN層およびAl23層が積層された多層構造を有する被膜が好ましい。このような多層構造は、各層の相乗効果によって、切削工具の耐摩耗性、耐酸化性、耐熱安定性および耐チッピング性を顕著に向上させることができる。
〈切削工具の製造方法〉
本実施形態の切削工具の製造方法は、基材前駆体を準備する工程と、基材前駆体の表面を機械加工処理して基材を作製する工程とを備える。以下、各工程について詳述する。
《基材前駆体を準備する工程》
本工程では、基材前駆体が準備される。基材前駆体としては、上述の超硬合金またはサーメットを挙げることができる。また基材前駆体とは、その表面に対して下記に詳述する機械加工処理が施されて刃先面が形成されることによって「基材」となるものである。したがって基材前駆体の形状は、刃先面を未だ有していない以外は、基材の形状に類似している。
《基材を作製する工程》
本工程では、基材前駆体の表面が機械加工処理される。機械加工処理は湿式研削処理と乾式研削処理とが交互に繰り返される第1研削処理、低送り低切込みの湿式研削処理が実施される第2研削処理、または、乾式研削処理が実施される第3研削処理のいずれかである。これにより、切削工具の基材が作製される。なお切削工具が基材のみからなる場合には、これにより切削工具が作製されることとなる。
基材前駆体のうち機械加工処理される表面は、基材前駆体における第1面と第2面とが交差して成る稜線と、該稜線の近傍とを含む稜線近傍部である。基材前駆体の第1面および第2面は、基材のすくい面および逃げ面となる部分であり、基材前駆体の稜線近傍部は、基材の刃先面となる部分である。
たとえば、稜線近傍部を円弧状に機械加工処理した場合は図3に示すような刃先面が形成され、稜線近傍部を平面状に機械加工処理した場合は図4に示すような刃先面が形成される。すなわち機械加工処理とは、基材前駆体の稜線近傍部に対する面取り処理である。
(第1研削処理)
第1研削処理における湿式研削処理(処理時に水を使用する処理)としては、湿式ブラシ処理、湿式バレル処理、湿式ブラスト処理が挙げられる。この湿式研削処理の条件は特に限定されず、たとえば高送り高切込みでもよく、低送り低切込みでもよい。
第1研削処理における乾式研削処理(処理時に水を使用しない処理)としては、乾式ブラシ処理、乾式バレル処理、乾式ブラスト処理が挙げられる。この乾式研削処理の条件は特に限定されず、たとえば高送り高切込みでもよく、低送り低切込みでもよい。
第1研削処理により、上述の酸素濃度の低い切削工具を製造することができる理由は次のとおりである。従来、基材前駆体を機械加工処理して基材とするに当たっては、高送り高切込みの湿式研削処理が実施されていた。第1には、高送り高切込みの湿式研削処理が生産性に優れているためである。第2には、乾式研削処理では、研削時の発熱により基材表面が酸化すると考えられていたためである。第3には、低送り低切込みの湿式研削処理では、生産性が悪いと考えられていたためである。
しかし、この高送り高切込みの湿式研削処理によって基材の刃先面から内部方向への酸素の侵入が発生し、結果的に、基材自体の硬度の低下や基材と被膜との密着性の低下が引き起こされていた。
これに対し、本実施形態の製造方法によれば、従来の高送り高切込みの湿式研削処理からなる機械加工処理に代えて、湿式研削処理と乾式研削処理とが繰り返される機械加工処理が実施される。このような機械加工処理によれば、処理面(刃先面)において次のようなことが起こる。
1回の湿式研削処理によって、基材前駆体の面取りが実施されるとともに、基材前駆体の表面から酸素が侵入していく。この湿式研削処理が実施される時間は従来と比して短くできる。このため、1回の湿式研削処理後の高酸素領域の幅は従来よりも小さくなる。さらに、湿式研削処理後の乾式研削処理においては、基材前駆体に酸素が侵入することがない。このため、乾式研削処理においては、先の湿式研削処理によって形成された高酸素領域が除去されながら、面取りが実施されることとなる。
したがって、結果的に高酸素領域の幅が従来と比して十分に小さくなり、または、基材の物性に影響を与え得る高酸素領域が存在しなくなる。これによって、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が1原子%以下である、上記基材が作製される。
湿式研削処理と乾式研削処理との繰り返しの回数は特に制限されないが、少なくとも各処理は1回ずつ実施される。また各処理は交互に3回以上ずつ繰り返されることが好ましい。これにより、各湿式研削処理時に形成される高酸素領域の幅をさらに小さくすることができる。このため、最終的な高酸素領域の幅もさらに小さくすることができる。また、高酸素領域における酸素濃度自体も低くすることができる。
また、機械加工処理の最初の処理を湿式研削処理とし、最後の処理を乾式研削処理とすることが好ましい。最初の処理を湿式研削処理とすることにより、生産性を向上させることができ、最後の処理を乾式研削処理とすることにより、最終的に得られる基材における高酸素領域の幅を十分に小さく制御することができる。
(第2研削処理)
第2研削処理における低送り低切込みの湿式研削処理としては、第1研削処理と同様に、湿式ブラシ処理、湿式バレル処理、湿式ブラスト処理が挙げられる。第2研削処理により、従来の高送り高切込みの湿式研削処理による基材内への酸素の入り込みが抑制されるため、上述の酸素濃度の低い切削工具を製造することができる。
なお本明細書において、湿式研削処理における低送り低切込みとは、研削処理の種類によって異なるが、たとえばブラシ処理の場合には、送り量が200mm/sec以下であり、かつ切り込み量が1.5mm以下であることを意味する。また本明細書において、湿式研削処理における高送り高切込みとは、たとえばブラシ処理の場合には、送り量が300mm/sec以上であり、かつ切り込み量が3mm以上であることを意味する。
また第2研削処理における湿式研削処理は、連続処理ではなく、インターバルを有することが好ましい。つまり、湿式研削処理を任意の時間実施した後、任意の時間研削処理を中断し、さらに湿式研削処理を任意の時間実施する、という工程を繰り返すことが好ましい。これにより、酸素の入り込みの抑制効果を高めることができる。
(第3研削処理)
第3研削処理における乾式研削処理としては、第1研削処理と同様に、乾式ブラシ処理、乾式バレル処理、乾式ブラスト処理が挙げられる。第3研削処理における乾式研削処理の条件は特に限定されず、たとえば高送り高切込みでもよく、低送り低切込みでもよい。第3研削処理により、従来の高送り高切込みの湿式研削処理による基材内への酸素の入り込みが抑制されるため、上述の酸素濃度の低い切削工具を製造することができる。
以上、第1研削処理、第2研削処理および第3研削処理について説明したが、機械加工処理は、第1研削処理であることが好ましい。この場合、高い生産性を維持したまま、上述の酸素濃度の低い切削工具を製造することができる。
《被膜を形成する工程》
本実施形態の切削工具の製造方法は、基材の表面に被膜を形成する工程をさらに備えていても良い。これにより、基材の表面に被膜が形成された切削工具を製造することができる。
被膜を形成する方法として、物理蒸着(PVD)法または化学蒸着(CVD)法が挙げられるが、本実施形態においては、CVD法を用いることが好ましい。CVD法を用いると、成膜温度が800〜1200℃となる。この温度は物理蒸着法と比較して高く、これにより基材と被膜の密着性が向上する。CVD法としては従来公知の方法を用いることができる。
以上により、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度は1原子%以下である基材を備える、上述の切削工具を製造することができる。この切削工具は、長寿命を有するものである。
なお、上記基材の刃先面における歪は、上述の機械加工処理の条件を調整することにより小さく制御することができる。
《その他の工程》
被膜を形成した後に、必要に応じてブラシ処理、またはサンドブラスト処理、ウエットブラスト処理、ショットピーニング処理などのブラスト処理、あるいはPVDのボンバード処理などの各種手法を用いて被膜表面処理をすることができる。これにより被膜に対して圧縮応力を付与することができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〈検討1:non-coated切削工具〉
試料No.1A、1B、1C、1D、1aおよび1bのnon-coated切削工具を作製し、これらの特性を評価した。試料No.1A〜1Dが実施例であり、試料No.1aおよびNo.1bが比較例である。
《試料No.1Aの切削工具の作製》
以下のようにして、試料No.1Aの切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。この切削工具は以下の仕様の基材からなる。
チップ型番:CNMG120408N−UX(住友電工ハードメタル社製)
材質 :超硬合金 JIS B4120(2013)規格。
まず、2.0質量%のTaCと、1.0質量%のNbCと、6質量%のCoと、残部のWC(ただし、不可避不純物を含む)とからなる組成比で配合した原料粉末を、所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1500℃で1〜2時間焼結した。これにより基材前駆体を得た。
次に、基材前駆体の稜線近傍部に対し、以下の湿式研削処理および乾式研削処理をこの順に交互に5回ずつ繰り返して実施した。すなわち第1研削処理を実施した。これにより、基材前駆体の稜線近傍部に対して、刃先面の円弧に関し、R=0.03mmとなるように機械加工処理が施された。このようにして、試料No.1Aの基材、すなわち試料No.1Aの切削工具が作製された。
(湿式研削処理)
処理種類:バレル処理
メディア:プラスチック
処理液 :水
時間 :5分。
(乾式研削処理)
処理種類:ブラシ処理
ブラシ :ナイロン
回転数 :100rpm
切込み量 :1.5mm
送り量 :150mm/sec
処理液 :無
時間 :1分
ペースト:平均粒径10μm以下のダイヤモンドペースト
(ただし、ペーストに含まれる液体成分は固形油脂)。
《試料No.1Bの切削工具の作製》
基材前駆体に対する機械加工処理として、以下の低送り低切込みの湿式研削処理、すなわち第2研削処理を実施した以外は、試料No.1Aと同様にして試料No.1Bの切削工具を作製した。
(湿式研削処理)
処理種類:バレル処理
メディア:プラスチック
処理液 :水
時間 :3分。
《試料No.1Cの切削工具の作成》
基材前駆体に対する機械加工処理として、以下の乾式研削処理、すなわち第3研削処理を実施した以外は、試料No.1Aと同様にして試料No.1Cの切削工具を作製した。
(乾式研削処理)
処理種類:ブラシ処理
ブラシ :ナイロン
回転数 :100rpm
切込み量 :1.5mm
送り量 :150mm/sec
処理液 :無
時間 :1分
ペースト:平均粒径10μm以下のダイヤモンドペースト
(ただし、ペーストに含まれる液体成分は固形油脂)。
《試料No.1Dの切削工具の作製》
以下のようにして、試料No.1Dの切削工具(刃先交換型切削チップ)を作製した。この切削工具は以下の仕様の基材からなる。
チップ型番:CNMG120408N−UX(住友電工ハードメタル社製)
材質 :P20グレードサーメット。
まず、7質量%のNbCと、7質量%のMo2Cと、10質量%のCoと、5質量%のNiと、20質量%のWCと、残部のTiCN(ただし、不可避不純物を含む)とからなる組成比で配合した原料粉末を、所定の形状に加圧成形した後に、1300〜1650℃で1〜2時間焼結した。これにより基材前駆体を得た。
次に、基材前駆体の稜線近傍部に対し、上記の湿式研削処理および乾式研削処理の各処理時間および繰り返し回数を変更した以外は、試料No.1Aと同様にして機械加工処理を行った。これにより、基材前駆体の稜線近傍部に対して、刃先面の円弧に関し、R=0.03mmとなるように機械加工処理が施された。このようにして、試料No.1Dの切削工具が作製された。
《試料No.1aの切削工具の作製》
基材前駆体に対する機械加工処理として、上記の乾式研削処理を実施せず、かつ以下の高送り高切り込みの湿式研削処理を実施した以外は、試料No.1Aと同様にして試料No.1aの切削工具を作製した。
(湿式研削処理)
処理種類:バレル処理
メディア:プラスチック
処理液 :水
時間 :3分。
《試料No.1bの切削工具の作製》
基材前駆体に対する機械加工処理として、上記の乾式研削処理を実施せず、かつ試料No.1aと同様の湿式研削処理を実施した以外は、試料No.1Dと同様にして試料No.1bの切削工具を作製した。
《各種特性評価》
各切削工具に関し、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度、および刃先面における歪みのそれぞれを、上述の方法に従って測定した。
各酸素濃度および歪みは、それぞれ刃先面(R=0.3mmのホーニング加工が施された面)のうち任意の3つの測定箇所にて測定した。ただし3つの測定箇所のうちの1箇所は、刃先面の中央部分とした。各結果を表2に示す。
なお各種装置として以下の装置を用いた。
XPS分析装置(酸素濃度の測定):日本電子株式会社製、「JPS−9030」
X線装置(歪みの測定) :公益財団法人高輝度光科学研究センター、「SPring 8」
X線回折法による歪の測定において利用したSPring−8の放射光(高輝度X線)の条件は以下のとおりである。
ビームライン:BL16XU
入射X線エネルギー:10.012keV(波長λ:1.2385Å)
走査範囲:2θで20°〜120°。
Figure 2018030205
表1において、「0.4酸素濃度(原子%)」の欄には、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が示される。「0.2酸素濃度(原子%)」の欄には、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度が示される。また各酸素濃度および歪みの値は、3点の測定箇所の平均値とした。
《試験1:耐欠損性試験》
各切削工具について、以下の切削条件下での切削を実施した。そして、切削時間20分経過後の逃げ面側の平均摩耗量Vb(mm)を測定した。各結果を表1に示す。当該試験では、低合金鋼の低速切削が実施されるため、切削工具への被削材の溶着が起こり易い。切削工具に溶着した成分が脱落する際には、硬質粒子の脱落が引き起こされ易く、その結果、摩耗量が増大することとなる。したがって、当該試験により、切削工具の耐欠損性を評価することができる。具体的には、Vb(mm)の値が小さいほど、耐欠損性に優れることとなる。また表中の「欠損」とは、刃先が大きく欠け、摩耗量が測定不能であったことを意味する。
(切削条件)
被削材:SCM415
切削速度:100m/min.
送り量:0.2mm/rev.
切り込み量:2.0mm
切削液:水溶性切削油。
《試験2:耐摩耗性試験》
各切削工具について、以下の切削条件下での切削を実施した。そして、切削時間15分経過後の逃げ面側の平均摩耗量Vb(mm)を測定した。各結果を表1に示す。Vb(mm)の値が小さいほど、耐摩耗性に優れることとなる。また表中の「欠損」とは、刃先が大きく欠け、摩耗量が測定不能であったことを意味する。
(切削条件)
被削材:FCD700
切削速度:200m/min.
送り量:0.2mm/rev.
切り込み量:2.0mm
切削液:水溶性切削油。
表1に示されるように、試料No.1A〜1Dの切削工具は、試料No.1aおよび1bの切削工具と比して、高い耐欠損性と高い耐摩耗性を示した。このことから、実施例の切削工具は、比較例の切削工具よりも長寿命化されていることが確認された。
〈検討2:coated切削工具〉
試料No.2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I、2J、2K、2L、2a、2b、2c、2dおよび2eのcoated切削工具を作製し、これらの特性を評価した。試料No.2A〜2Lが実施例であり、試料No.2a〜2eが比較例である。
《試料No.2A〜2Lおよび2a〜2eの切削工具の作製》
試料No.2A〜2Kの基材は、次のようにして作製した。まず、試料No.1Aと同様にして超硬合金からなる基材前駆体を得た。そして、基材前駆体に対する機械加工処理として、上記の湿式研削処理および乾式研削処理の各処理時間および繰り返し回数を適宜変更した以外は、試料No.1Aと同様にして試料No.2A〜2Kの基材を作製した。
試料No.2Lの基材は、次のようにして作製した。まず、試料No.1Dと同様にしてサーメットからなる基材前駆体を得た。そして、基材前駆体に対する機械加工処理として、上記の湿式研削処理および乾式研削処理の各処理時間および繰り返し回数を適宜変更した以外は、試料No.1Dと同様にして試料No.2Lの基材を作製した。
試料No.2a〜2eの基材は、次のようにして作製した。まず、試料No.1Aと同様にして超硬合金からなる基材前駆体を得た。そして、基材前駆体に対する機械加工処理として、上記の乾式研削処理を実施せず、かつ以下の高送り高切込みの湿式研削処理を実施した以外は、試料No.1Aと同様にして試料No.2a〜2eの基材を作製した。
(湿式研削処理)
処理種類:バレル処理
メディア:プラスチック
処理液 :水
時間 :3分。
次に、CVD装置を用いて、各基材の表面全面に対し、MT−CVD法により表2に示す被膜を作製した。たとえばNo.2Aの「基材/TiN(0.4)/TiCN(6.5)/Al23(3.5)/TiN(0.7)」は、基材の表面から順に、TiN層、TiCN層、Al23層、TiN層が積層された被膜が作製されたことを示す。また、各層の組成の後に続く括弧内には、各層の厚み(μm)を示す。なおMT−CVD法とは、850〜950℃という比較的マイルドな温度環境下で成膜する方法である。
Figure 2018030205
次に、各基材の表面に形成された被膜の全面に対し、ブラスト処理を実施した。たとえばNo.2Aの基材に関し、基材を100rpmで回転させながら、すくい面を含む仮想平面と、逃げ面を含む仮想平面との仮想稜線の45°方向から、すくい面、逃げ面、および刃先面に均等に、平均粒径50μmの酸化アルミニウム製のボールを0.10MPaの圧縮空気(投射圧)で5秒間衝突させた。No.2B〜2L、2a〜2eの基材に関し、投射圧および処理時間を適宜変更することにより、試料No.2A〜2Lおよび2a〜2eの切削工具を得た。
《各種特性評価》
各切削工具に関し、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度、および刃先面における歪みのそれぞれを、上述の方法に従って測定した。
各酸素濃度および歪みは、それぞれ刃先面のうち任意の3つの測定箇所にて測定した。ただし3つの測定箇所のうちの1箇所は、刃先面の中央部分とした。各結果を表3に示す。各値の測定に用いた装置は、上記と同様である。
Figure 2018030205
表3において、「0.4酸素濃度(原子%)」の欄には、刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度が示される。「0.2酸素濃度(原子%)」の欄には、刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度が示される。また各酸素濃度および歪みの値は、3点の測定箇所の平均値とした。
《試験3:耐欠損性試験》
各切削工具について、以下の切削条件下での切削を実施した。そして、切削時間20分経過後の逃げ面側の平均摩耗量Vb(mm)を測定した。各結果を表3に示す。当該試験では、低合金鋼の低速切削が実施されるため、切削工具への被削材の溶着が起こり易い。切削工具に溶着した成分が脱落する際には、被膜の剥離が引き起こされ易く、その結果、摩耗量が増大することとなる。したがって、当該試験により、切削工具の耐欠損性を評価することができる。具体的には、Vb(mm)の値が小さいほど、耐欠損性に優れることとなる。
(切削条件)
被削材:SCM415
切削速度:100m/min.
送り量:0.2mm/rev.
切り込み量:2.0mm
切削液:水溶性切削油。
《試験4:耐摩耗性試験》
各切削工具について、以下の切削条件下での切削を実施した。そして、切削時間15分経過後の逃げ面側の平均摩耗量Vb(mm)を測定した。各結果を表3に示す。Vb(mm)の値が小さいほど、耐摩耗性に優れることとなる。
(切削条件)
被削材:FCD700
切削速度:200m/min.
送り量:0.2mm/rev.
切り込み量:2.0mm
切削液:水溶性切削油。
表3に示されるように、試料No.2A〜2Lの切削工具は、試料No.2a〜2eの切削工具と比して、高い耐欠損性と高い耐摩耗性を示した。このことから、実施例の切削工具は、比較例の切削工具よりも長寿命化されていることが確認された。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。
10 切削工具、
1 基材、
1a すくい面、
1b 逃げ面、
1c 刃先面。

Claims (7)

  1. 基材を備える切削工具であって、
    前記基材は、超硬合金またはサーメットであり、
    前記基材の表面は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面を繋ぐ刃先面とを含み、
    前記基材において、前記刃先面から0.4μmの深さ位置での酸素濃度は1原子%以下である、切削工具。
  2. 前記基材において、前記刃先面から0.2μmの深さ位置での酸素濃度は10原子%以下である、請求項1に記載の切削工具。
  3. 前記基材において、前記刃先面における歪みは0.07以下である、請求項1または請求項2に記載の切削工具。
  4. 前記基材上に設けられた被膜をさらに備える、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。
  5. 前記被膜は、周期表の第4族元素、第5族元素、第6族元素、AlおよびSiからなる群より選択される1種以上の第1元素と、B、C、N、およびOからなる群より選択される1種以上の第2元素とからなる化合物層を含む、請求項4に記載の切削工具。
  6. 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を製造する方法であって、
    基材前駆体を準備する工程と、
    前記基材前駆体の表面を機械加工処理して基材を作製する工程と、を備え、
    前記機械加工処理は、
    湿式研削処理と乾式研削処理とが交互に繰り返される第1研削処理、
    低送り低切込みの湿式研削処理が実施される第2研削処理、または、
    乾式研削処理が実施される第3研削処理のいずれかである、切削工具の製造方法。
  7. 前記基材の表面に被膜を形成する工程をさらに備える、請求項6に記載の切削工具の製造方法。
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