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公開番号2021000667
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210107
出願番号2019113961
出願日20190619
発明の名称表面被覆切削工具
出願人住友電気工業株式会社
代理人特許業務法人深見特許事務所
主分類B23B 27/14 20060101AFI20201204BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】優れた耐欠損性を有しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供すること。
【解決手段】基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、上記被膜は、タングステンと炭素とからなるWC層と上記WC層の直上に設けられたチタンを含むTi層とを含み、上記Ti層は、最表面層であり、上記Ti層は、X線回折スペクトルにおいて、2θ=40.18〜40.22゜の位置に最大ピークを有し、上記最大ピークの半価幅は、0.1〜0.118°であり、上記最大ピークは、(101)面に由来する、表面被覆切削工具。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
基材と、前記基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、 前記被膜は、タングステンと炭素とからなるWC層と前記WC層の直上に設けられたチタンを含むTi層とを含み、
前記Ti層は、最表面層であり、
前記Ti層は、X線回折スペクトルにおいて、2θ=40.18〜40.22゜の位置に最大ピークを有し、
前記最大ピークの半価幅は、0.1〜0.118°であり、
前記最大ピークは、(101)面に由来する、
表面被覆切削工具。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記WC層は、その厚さが0.5μm以上2.5μm以下であり、
前記Ti層は、その厚さが0.5μm以上1.5μm以下である、
請求項1に記載の表面被覆切削工具。
【請求項3】
前記被膜は、前記基材と前記WC層との間に設けられた少なくとも一層の硬質被膜層を更に含み、
前記硬質被膜層は、前記WC層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、Al及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる、
請求項1又は請求項2に記載の表面被覆切削工具。
【請求項4】
前記第一単位層は、Ti、Cr、Al、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる、請求項3に記載の表面被覆切削工具。
【請求項5】
前記硬質被膜層は、前記WC層及び前記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含み、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、Al及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる、請求項3又は請求項4に記載の表面被覆切削工具。
【請求項6】
前記第二単位層は、Ti、Cr、Al、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる、請求項5に記載の表面被覆切削工具。
【請求項7】
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成している、請求項5又は請求項6に記載の表面被覆切削工具。
【請求項8】
前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、表面被覆切削工具に関する。
続きを表示(約 6,600 文字)【背景技術】
【0002】
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。例えば、特開2013−146778号公報(特許文献1)には、基材の表面に、Ti、Zr及びHfのいずれか一種の金属層からなる厚さ1〜5μmの下地層と、該下地層の表面に、TiとAlの複合窒化物層からなる層厚1〜20μmの表面層とが被覆形成されている複合部材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2013−146778号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載の複合部材を含む表面被覆切削工具を用いて難削材(例えば、チタン、インコネル(登録商標)、SUS等)を加工した場合、複合窒化物層と被削材とが溶着し、結果として耐欠損性に改善の余地が生じる懸念がある。
【0005】
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた耐欠損性を有しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるWC層と上記WC層の直上に設けられたチタンを含むTi層とを含み、
上記Ti層は、最表面層であり、
上記Ti層は、X線回折スペクトルにおいて、2θ=40.18〜40.22゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、0.1〜0.118°であり、
上記最大ピークは、(101)面に由来する。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、優れた耐欠損性を有しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1は、表面被覆切削工具の一態様を例示する斜視図である。
図2は、本実施形態の一態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。
図3は、本実施形態の他の態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。
図4は、本実施形態の別の他の態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。
図5は、本開示の一態様に係るTi層のX線回折スペクトルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[1]本開示に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるWC層と上記WC層の直上に設けられたチタンを含むTi層とを含み、
上記Ti層は、最表面層であり、
上記Ti層は、X線回折スペクトルにおいて、2θ=40.18〜40.22゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、0.1〜0.118°であり、
上記最大ピークは、(101)面に由来する。
【0010】
上記表面被覆切削工具は、上述のような構成を備えることによって、優れた靱性(すなわち、優れた耐欠損性)、耐反応性、及び耐摩耗性を有すると考えられる。
【0011】
[2]上記WC層は、その厚さが0.5μm以上2.5μm以下であり、
上記Ti層は、その厚さが0.5μm以上1.5μm以下である。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
【0012】
[3]上記被膜は、上記基材と上記WC層との間に設けられた少なくとも一層の硬質被膜層を更に含み、
上記硬質被膜層は、上記WC層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
上記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、Al及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
【0013】
[4]上記第一単位層は、Ti、Cr、Al、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
【0014】
[5]上記硬質被膜層は、上記WC層及び上記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含み、
上記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、Al及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
【0015】
[6]上記第二単位層は、Ti、Cr、Al、及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
【0016】
[7]上記第一単位層及び上記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成している。これにより、優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性に加えて、優れた耐亀裂進展性を有する表面被覆切削工具となる。
【0017】
[8]上記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。これにより、高温における硬度と強度とに優れる表面被覆切削工具となる。
【0018】
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。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。さらに、本明細書において、例えば「TiN」等のように、構成元素の比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比(元素比)を含むものとする。このとき化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「TiN」の化学式には、化学量論組成「Ti



」のみならず、例えば「Ti


0.8
」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「TiN」以外の化合物の記載、例えば「WC」についても同様である。
【0019】
≪表面被覆切削工具≫
本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるWC層と上記WC層の直上に設けられたチタンを含むTi層とを含み、
上記Ti層は、最表面層であり、
上記Ti層は、X線回折スペクトルにおいて、2θ=40.18〜40.22゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、0.1〜0.118°であり、
上記最大ピークは、(101)面に由来する。
【0020】
本実施形態の表面被覆切削工具(以下、単に「切削工具」という場合がある。)は、基材と、上記基材上に設けられた被膜とを備える。上記切削工具は、例えば、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。
【0021】
図1は、表面被覆切削工具の一態様を例示する斜視図である。このような形状の表面被覆切削工具は、例えば、刃先交換型切削チップとして用いられる。上記表面被覆切削工具100は、すくい面1と、逃げ面2と、すくい面1と逃げ面2とが交差する刃先稜線部3とを有する。すなわち、すくい面1と逃げ面2とは、刃先稜線部3を挟んで繋がる面である。刃先稜線部3は、表面被覆切削工具100の切刃先端部を構成する。このような表面被覆切削工具100の形状は、上記表面被覆切削工具の基材の形状と把握することもできる。すなわち、上記基材は、すくい面と、逃げ面と、すくい面及び逃げ面を繋ぐ刃先稜線部とを有する。
【0022】
<基材>
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金(例えば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、WCの他にCoを含む超硬合金、WCの他にCr、Ti、Ta、Nb等の炭窒化物を添加した超硬合金等)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等)、立方晶窒化硼素焼結体(cBN焼結体)及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びcBN焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。
【0023】
なお、基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素又はη相と呼ばれる異常相を含んでいても本実施形態の効果は示される。なお、本実施形態で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。例えば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本実施形態の効果は示される。
【0024】
表面被覆切削工具が、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等)である場合、基材は、チップブレーカーを有するものも、有さないものも含まれる。刃先の稜線部分の形状は、シャープエッジ(すくい面と逃げ面とが交差する稜)、ホーニング(シャープエッジに対してアールを付与したもの)、ネガランド(面取りをしたもの)、ホーニングとネガランドを組み合わせたものの中で、いずれのものも含まれる。
【0025】
<被膜>
本実施形態に係る「被膜」は、タングステンと炭素とからなるWC層とWC層の直上に設けられたチタンを含むTi層とを含む。本実施形態に係る「被膜」は、上記基材上の少なくとも一部(例えば、切削加工時に被削材と接する部分や切り屑と接する部分)に設けられることで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。上記被膜は、上記基材上の全面に設けられてもよい。なお、上記基材上の一部に上記被膜が設けられていない場合や、被膜の構成が部分的に異なる場合においても、本実施形態の範囲を逸脱するものではない。なお、被膜は、後述の硬質被膜層(第一単位層、第二単位層)等の他の層を更に含んでいてもよい。
【0026】
上記被膜は、その厚さが1μm以上14μm以下であることが好ましく、1.2μm以上7μm以下であることがより好ましく、1.4μm以上4.1μm以下であることが更に好ましい。上記厚さが1μm未満である場合、耐摩耗性が低下する傾向がある。上記厚さが14μmを超えると、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に被膜の剥離又は破壊が高頻度に発生する傾向にある。ここで、被膜の厚さとは、後述するWC層、Ti層、及び硬質被膜層等の被膜を構成する層それぞれの厚さの総和を意味する。
【0027】
上記被膜の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の3点を測定し、測定された3点の厚さの平均値をとることで求めることが可能である。WC層、Ti層、及び硬質被膜層(第一単位層、第二単位層)それぞれの厚さを測定する場合も同様である。透過型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製の球面収差補正装置、JEM−2100F(商品名)が挙げられる。
【0028】
(WC層)
上記被膜は、WCで示される化合物からなるWC層を含む。本実施形態に係る「WC層」は、タングステン(W)と炭素(C)とからなる層である。ここで、「WC」には、例えば「WC」及び「W

C」のような化学量論組成も含まれるし、「WC
1−X
」のような非化学量論組成も含まれる。上記WC層は、本実施形態に係る表面被覆切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。上記不可避不純物の含有割合は、WC層の全質量に対して0質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。後述する「Ti層」及び「硬質被膜層」についても同様に、本実施形態に係る表面被覆切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。
【0029】
WCがWC
1−x
で示される化合物である場合、xの値はWC
1−x
層において基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを得て、この断面サンプルに現われた結晶粒に対して走査型電子顕微鏡(SEM)又はTEMに付帯のエネルギー分散型X線分析(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)装置を用いて分析することにより、求めることが可能である。具体的には、上記断面サンプルのWC
1−x
層における任意の3点それぞれを測定して上記xの値を求め、求められた3点の値の平均値を上記断面サンプルのWC
1−x
層におけるxとする。ここで当該「任意の3点」は、WC
1−x
層中の任意の30nm×30nmの領域を3か所選択するものとする。上記EDX装置としては、例えば、日本電子株式会社製のシリコンドリフト検出器、JED−2200(商品名)が挙げられる。
【0030】
表面被覆切削工具がWC層を含むことにより、上記WC層の直上に設けられているTi層と相まって、優れた靱性(すなわち、優れた耐欠損性)、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。上記WC層は、その厚さが0.5μm以上2.5μm以下であることが好ましく、0.6μm以上2μm以下であることがより好ましく、0.7μm以上1.4μm以下であることが更に好ましい。WC層の厚さが0.5μm未満の場合、耐摩耗性が低下する傾向にある。WC層の厚さが2.5μmを超える場合、微細なチッピングが発生しやすくなる傾向にある。
(【0031】以降は省略されています)

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