特許 7457336 被覆工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-19

(45)【発行日】2024-03-28

(54)【発明の名称】被覆工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240321BHJP

   B23C 5/16 20060101ALI20240321BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20240321BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20240321BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

B23C5/16

C23C14/06 A

C23C16/34

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021572723

(86)(22)【出願日】2021-01-18

(86)【国際出願番号】 JP2021001489

(87)【国際公開番号】W WO2021149642

(87)【国際公開日】2021-07-29

【審査請求日】2022-07-08

(31)【優先権主張番号】P 2020006886

(32)【優先日】2020-01-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003029

【氏名又は名称】弁理士法人ブナ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久保 隼人

(72)【発明者】

【氏名】谷渕 栄仁

(72)【発明者】

【氏名】霜垣 幸浩

(72)【発明者】

【氏名】百瀬 健

(72)【発明者】

【氏名】出浦 桃子

【審査官】中川 康文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１８３８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９４６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５９０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７８８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２６４５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０４８５０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１１／０１６４８８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｂ ２７／００－２９／３４

Ｂ２３Ｂ ５１／００－５１／１４

Ｂ２３Ｃ １／００－９／００

Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８

Ｃ２３Ｃ １６／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
該被覆工具は、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、
前記被覆膜は、ＡｌＴｉＮ膜を具備し、
前記被覆膜は、前記基体の表面に平行で、前記切刃における１つの切刃と９０°の角度で交わる第１方向の第１圧縮応力σ１１と、前記第１方向と９０°の角度で交わる第２方向の第２圧縮応力σ２２とを有し、
前記第１圧縮応力σ１１は、前記第２圧縮応力σ２２よりも大きい、被覆工具。

【請求項2】

前記第１圧縮応力σ１１は、前記第２圧縮応力σ２２の１．０５倍以上である、請求項１に記載の被覆工具。

【請求項3】

前記第１圧縮応力σ１１は、２００～２０００ＭＰａであり、前記第２圧縮応力σ２２は、１００～１５００ＭＰａである、請求項１または２に記載の被覆工具。

【請求項4】

前記ＡｌＴｉＮ膜は、Ａｌ_xＴｉ_1-xＮとしたとき、ｘは、０．７～０．９である、請求項１～３のいずれかに記載の被覆工具。

【請求項5】

前記第１面は、すくい面であり、前記第２面は、逃げ面である、請求項１～４のいずれかに記載の被覆工具。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は、２０２０年１月２０日に出願された日本国特許出願２０２０－００６８８６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。

【技術分野】

【0002】

本開示は、被覆工具に関する。

【背景技術】

【0003】

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。そして、すくい面と逃げ面の交差稜線部から所定の範囲内における逃げ面の複合窒化物層について、２Ｄ法により残留応力を測定した場合、交差稜線部と平行な方向の圧縮残留応力σ１１と、σ１１と直交する方向の圧縮残留応力σ２２とが、所定の関係を満足する。

【発明の概要】

【0004】

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。該被覆工具は、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、ＡｌＴｉＮ膜を具備している。前記被覆膜は、前記基体の表面に平行で、前記切刃と９０°の角度で交わる第１方向の第１圧縮応力σ１１と、前記第１方向と９０°の角度で交わる第２方向の第２圧縮応力σ２２とを有している。そして、前記第１圧縮応力σ１１は、前記第２圧縮応力σ２２と異なる。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】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2】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3】図１に示す被覆工具の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

＜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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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３～２０ｍｍ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。

【0018】

ここで、被覆膜３は、ＡｌＴｉＮ（窒化チタンアルミニウム）膜を具備していてもよい。また、被覆膜３は、図２および図３に示す限定されない一例のように、基体２の表面４に平行で、切刃７と９０°の角度で交わる第１方向Ｘの第１圧縮応力（圧縮残留応力）σ１１と、第１方向Ｘと９０°の角度で交わる第２方向Ｙの第２圧縮応力（圧縮残留応力）σ２２とを有していてもよい。そして、第１圧縮応力σ１１は、第２圧縮応力σ２２と異なっていてもよい。これらの構成を有する被覆工具１は、寿命が長い。

【0019】

なお、被覆膜の成膜方法には、ＰＶＤ法とＣＶＤ法がある。ＰＶＤ法では、成膜時の磁力を制御することで、被覆膜の残留応力に異方性を持たせることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

【0020】

ＣＶＤ法では、被覆膜に異方性を持たせる手段がなく、σ１１とσ２２とは、ほぼ同じ値であった。また、残留応力の異方性を有するＡｌＴｉＮ膜についての先行技術は知られていない。

【0021】

第１方向Ｘおよび第２方向Ｙは、基体２の表面４に実質的に平行であればよく、例えば、±５°程度の誤差を含むものであっても構わない。また、第１方向Ｘは、実質的に切刃７と９０°の角度で交わればよく、例えば、±５°程度の誤差を含むものであっても構わない。第２方向Ｙは、実質的に第１方向Ｘと９０°の角度で交わればよく、例えば、±５°程度の誤差を含むものであっても構わない。

【0022】

第１圧縮応力σ１１は、第２圧縮応力σ２２の０．９５倍以下または１．０５倍以上であってもよい。このような構成を満たすときに、第１圧縮応力σ１１が第２圧縮応力σ２２と異なると判断してもよい。

【0023】

第１圧縮応力σ１１は、第２圧縮応力σ２２よりも大きくてもよい。このような構成を満たすときは、被覆工具１の寿命がより長い。具体的には、亀裂（クラック）の進展が抑制され、切刃７の耐欠損性が向上する。

【0024】

第１圧縮応力σ１１は、２００～２０００ＭＰａであってもよい。また、第２圧縮応力σ２２は、１００～１５００ＭＰａであってもよい。これらの構成を満たすときは、被覆工具１の寿命がより長い。第１圧縮応力σ１１および第２圧縮応力σ２２は、例えば、２Ｄ法によって測定することができる。

【0025】

ＡｌＴｉＮ膜は、Ａｌ_xＴｉ_1-xＮとしたとき、ｘが０．７～０．９であってもよい。このような構成を満たすときは、被覆工具１の寿命がより長い。具体的には、耐摩耗性及び耐チッピング性に優れる。ｘは、例えば、ＳＥＭ－ＥＤＳによって測定することができる。

【0026】

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。

【0027】

＜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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

ここで、成膜時に切刃７に対して略直角に交わる方向あるいは略平行な方向に、特定の流量（速度）で混合ガスを供給すると、上述した構成の被覆膜３が成膜され易い。例えば、切刃７に対して略直角に交わる方向に混合ガスを供給する場合には、速度を５～５０ｍ／ｓに設定してもよい。また、切刃７に対して略平行な方向に混合ガスを供給する場合には、流量を１０～１００Ｌ／ｍｉｎ、速度を５～５０ｍ／ｓに設定してもよい。なお、角度が「略」の表現を含む場合には、±１０°程度のズレを含んでもよいことを意味する。

【0031】

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。

【0032】

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。

【実施例】

【0033】

［試料Ｎｏ．１～１９］
＜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。

【0034】

次に、得られた基体の上にＣＶＤ法により厚み４μｍの被覆膜（ＡｌＴｉＮ膜）を成膜し、表１に示す被覆工具を得た。なお、被覆膜の厚みは、ＳＥＭによる断面測定で得た値である。

【0035】

成膜条件は、表１に示したＡｌＴｉＮ膜の組成ごとに以下に示した。

【0036】

試料Ｎｏ．１、１７の成膜時の混合ガスの組成
Ａｌ_0.65Ｔｉ_0.35Ｎ
ＴｉＣｌ₄ガス：０．３５体積％
ＡｌＣｌ₃ガス：０．６５体積％
ＮＨ₃ガス ：７．０体積％
Ｈ₂ガス ：残部

【0037】

試料Ｎｏ．１８の成膜時の混合ガスの組成
Ａｌ_0.8Ｔｉ_0.2Ｎ
ＴｉＣｌ₄ガス：０．２体積％
ＡｌＣｌ₃ガス：０．８体積％
ＮＨ₃ガス ：７．０体積％
Ｈ₂ガス ：残部

【0038】

試料Ｎｏ．２～１６の成膜時の混合ガスの組成
Ａｌ_0.9Ｔｉ_0.1Ｎ
ＴｉＣｌ₄ガス：０．１体積％
ＡｌＣｌ₃ガス：０．９体積％
ＮＨ₃ガス ：７．０体積％
Ｈ₂ガス ：残部

【0039】

試料Ｎｏ．１９の成膜時の混合ガスの組成
Ａｌ_0.95Ｔｉ_0.05Ｎ
ＴｉＣｌ₄ガス：０．０５体積％
ＡｌＣｌ₃ガス：０．９５体積％
ＮＨ₃ガス ：７．０体積％
Ｈ₂ガス ：残部

【0040】

（成膜温度、圧力および速度などの条件）
成膜温度：７３０℃～９００℃（表１には、「温度」と省略して示す。）
設置角度：０°、４５°、９０°
圧力 ：５．０ｋＰａ

【0041】

表１において、設置角度が９０°と記載した試料は、切刃に対して略直角に交わる方向に以下の速度で混合ガスを供給した。また、設置角度が４５°と記載した試料は、切刃に対して略４５°に交わる方向に以下の速度で混合ガスを供給した。
速度：５ｍ／ｓ～５０ｍ／ｓ

【0042】

表１において、設置角度が０°と記載した試料Ｎｏ．５は、切刃に対して略平行な方向に以下の流量および速度で混合ガスを供給した。なお、ガスを供給する速度はＶ＝（Ｓ／Ｌ）×（Ｔ’／Ｐ’）にて求める。Ｖは速度、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。
流量：１０Ｌ／ｍｉｎ
速度：５ｍ／ｓ

【0043】

＜評価＞
得られた被覆工具について、第１圧縮応力σ１１および第２圧縮応力σ２２の測定、ＡｌＴｉＮ膜の組成の測定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１に示す。

【0044】

（第１圧縮応力σ１１および第２圧縮応力σ２２）
２Ｄ法によって測定した。残留応力の測定には、ＡｌＴｉＮ（２００）面又はＡｌＴｉＮ（１１１）面のピークを用いた。

【0045】

（ＡｌＴｉＮ膜の組成）
Ａｌ_xＴｉ_1-xＮとしたときのｘをＳＥＭ－ＥＤＳによって測定した。ＳＥＭ－ＥＤＳにより任意の５点を測定し、Ｔｉの平均値とＡｌの平均値よりＡｌ比率を求めた。

【0046】

（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：寿命に至る切削時間

【0047】

【表1】

【0048】

表１に示すように、σ１１とσ２２とが等しい、試料Ｎｏ．１、２、３は、寿命に至る切削時間が短かった。本開示の被覆工具は、寿命に至る切削時間が長かった。

【符号の説明】

【0049】

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
Ｘ・・・第１方向
Ｙ・・・第２方向

【図1】

【図2】

【図3】