JPWO2018123980A1 - 切削インサート - Google Patents
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Abstract
本開示の切削インサートは、基体と、基体の上に位置する被覆層とを備えた切削インサートであって、被覆層は、基体の上に位置して、チタン化合物を含有する第１層と、第１層の上に位置して、アルミナを含有する第２層と、第２層の上に位置して、チタン化合物を含有する第３層とを有している。被覆層には、被覆層の表面から前記基体に向かって延びたクラックが存在している。クラックは、少なくとも３層と第２層に存在している。被覆層の表面に直交する断面において、３層のクラックの幅は１μｍ以上であり、第２層の上面におけるクラックの幅は、第３層のクラックの幅よりも狭く、０．５μｍ以上である。第２層の上面よりも基体に近い位置に、クラックの幅が０．２μｍ以下の部分を有している。
Description
本開示は、切削加工に用いられる切削インサートに関する。
被削材の切削加工において用いられる切削インサートとしては、例えば、特許文献１−３に記載の切削インサートが知られている。これらの特許文献に記載された切削インサートは、ＷＣなどを含む基体と、この基体の表面に設けられた被覆層とを備え、被覆層にクラックが形成された構成となっている。被覆層としては、例えば、チタン化合物を含有する層及びアルミナを含有する層を含む複数の積層構造が記載されている。これらの特許文献では、被覆層にクラックを設けるために、乾式ブラストにより、直径が３００μｍの鋼球や、直径が１６０μｍのアルミナやジルコニアを被覆層の表面に衝突させることが行われている。
本開示の切削インサートは、基体と、該基体の上に位置する被覆層とを備えた切削インサートであって、前記被覆層は、基体の上に位置して、チタン化合物を含有する第１層と、該第１層の上に位置して、アルミナを含有する第２層と、該第２層の上に位置して、チタン化合物を含有する第３層と、を有し、前記被覆層は、該被覆層の表面から前記基体に向かって延びたクラックが存在し、該クラックは、少なくとも前記３層と前記第２層に存在し、前記被覆層の表面に直交する断面において、前記第３層のクラックの幅は１μｍ以上であり、前記第２層の上面におけるクラックの幅は、前記第３層のクラックの幅よりも狭く、０．５μｍ以上であり、前記第２層の上面よりも前記基体に近い位置に、クラックの幅が０．２μｍ以下の部分を有している。
以下、本開示の切削インサート（以下、インサートともいう）について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、各実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明の切削インサートは、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
本実施形態のインサート１は、図１、２、３に示すように、基体３と、この基体３の表面に位置する被覆層５とを備えている。被覆層５は、インサート１の耐摩耗性を向上させるために用いられる。また、本実施形態のインサート１は、図４に示すように、被覆層５の表面から基体３に向かって延びたクラック７を有している。
基体３は、第１面９を備えており、図１に示すように本実施形態における基体３は、多角板形状であって上方に位置する面が第１面９に相当している。また、基体３は、第１面９に隣接する第２面１１を備えており、図１においては側面が第２面１１に相当している。被覆層５は、基体３の上に位置している。本実施形態における被覆層５は、基体３の第１面９及び第２面１１に位置しており、これらの面を被覆している。
基体３の大きさは特に限定されるものではないが、本実施形態の基体３は、図２に示すように、第１面９が四角形である。基体３の上面の一辺の長さが３〜２０ｍｍ程度に設定される。また、上面（第１面９）から下面までの高さは５〜２０ｍｍ程度に設定される。
本実施形態における被覆層５は、図４に示すように、基体３の上に位置して、チタン化合物を含有する第１層１３と、第１層１３の上に位置して、アルミナを含有する第２層１５と、第２層１５の上に位置して、チタン化合物を含有する第３層１７とを有している。第２層１５は表面側に位置する上面１９と、基体３側に位置する下面２１とを有している。本実施形態においては、第２層１５の上面１９が第３層１７に接しており、第２層１５の下面２１が第１層１３に接している。なお、第３層１７は、組成の異なるチタン化合物を含有する層が複数、積層されたものでもよく、その場合にはチタン化合物を含有する複数の層を第３層１７とする。また、第１層１３も、組成の異なるチタン化合物を含有する層が複数、積層されたものでもよく、その場合にはチタン化合物を含有する複数の層を第１層１３とする。
第１層１３の厚みＴ１としては、例えば、６〜１３μｍに設定される。第２層１５の厚みＴ２としては、例えば、１〜１５μｍに設定される。第３層１７の厚みＴ３としては、例えば、０．１〜３μｍに設定される。なお、上記した第１層１３〜第３層１７の厚みは、あくまで例示であって、これらの数値範囲に限定されるものではない。
既に示したように、本実施形態のインサート１は、被覆層５の表面から基体３に向かって延びたクラック７を有している。言い換えると、少なくとも被覆層５の第３層および第２層にクラック７が存在している。インサート１が、被覆層５の表面から少なくとも第２層１５にかけて延びたクラック７を有していることによって、少なくともクラック７の近くにおいて第３層１７に残留する応力の一部が解放される。これにより、インサート１の耐欠損性が高まる。
そして、クラック７は、被覆層５の表面に直交する断面において、第３層１７のクラック幅が１μｍ以上である。また、第２層１５の上面１９は、第３層１７のクラック幅よりも狭く、クラック幅が０．５μｍ以上である。また、クラック７は、第２層１５の上面１９よりも基体３に近い位置に、幅が０．２μｍ以下の部分（図４におけるクラック７（２９））を有している。
なお、被覆層５の表面に直交する断面とは、被覆層５の表面に直交するとともに、被覆層５を平面視したときに観察されるクラック７の最も長さの長い長手方向に直交する断面のことである。
第３層１７のクラック７の幅が１μｍ以上であるとは、部分的に第３層１７のクラック７の幅が１μｍを下回る部分があるものを排除するものではない。第３層１７のクラック７の幅が１μｍ以上であるとは、断面において第３層１７のクラック７の幅の平均値が１μｍ以上であればよい。なお、平均値は、例えば、図４に示すような断面において、第３層１７の上中下の３か所を測定箇所として算出すればよい。
本開示のインサート１は、上記の構成を有することで、第３層１７および第２層１５の上面１９に存在するクラック７の周辺の応力が解放され、第２層１５及び第３層１７の境界に加わる残留応力が小さくなり、第３層１７が第２層１５から剥離するおそれが小さくなる。
クラック７の有無は、インサート１を平面視することによって容易に視認できる。クラック７の深さ、すなわち第１面９に直交する方向の長さＬは、クラック７の長手方向と直交するとともに被覆層５の表面に直交する断面において、電子顕微鏡写真（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真又は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真）を観察することにより、測定することが可能である。
このとき、インサート１を平面視した場合におけるクラック７の長手方向に直交するとともに被覆層５の表面に直交する断面を観察することで、クラック７の状態を容易に評価できる。図３及び図４は、クラック７の進行方向に直交するとともに被覆層５の表面に直交する断面を示したものである。
本実施形態における基体３の第１面９は、四角形であるが、このような形状に限定されるものではない。基体３の形状の一例として、多角板形状であることが既に示されていることから明らかであるように、第１面９は、例えば、三角形、五角形又は六角形であってもよい。また、上面が円形であってもよい。
上記のように基体３が多角板形状であるときには、インサート１もまた多角板形状である。多角板形状であるインサート１における、第１面９に相当する面と第２面１１に相当する面とが交差する部分の少なくとも一部には切刃２３が位置している。このとき、第１面９に相当する面及び第２面１１に相当する面の一方がすくい面として機能し、もう一方が逃げ面として機能する。
本実施形態の基体３は、第１面９において開口する貫通孔２５を有している。貫通孔２５は、例えば、インサート１を切削工具のホルダにネジ止め固定する際に用いられる。そのため、被覆層５は、貫通孔２５の表面にあっても無くてもいずれであってもよい。
基体３の材質としては、例えば、超硬合金、サーメット或いはセラミックスなどが挙げられる。超硬合金の組成としては、例えば、ＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ及びＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏが挙げられる。ＷＣ−Ｃｏは、炭化タングステン（ＷＣ）にコバルト（Ｃｏ）の粉末を加えて焼結して生成される。ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏは、ＷＣ−Ｃｏに炭化チタン（ＴｉＣ）を添加したものである。ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏは、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏに炭化タンタル（ＴａＣ）を添加したものである。
また、サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料である。具体的には、サーメットとして、炭化チタン（ＴｉＣ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）などのチタン化合物を主成分としたものが一例として挙げられる。
また、セラミックスの組成としては、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）が挙げられる。
チタン化合物を含有する第１層１３の材質としては、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）及び炭酸窒化チタン（ＴｉＣＮＯ）などが挙げられる。第１層１３は、これらの材質を主成分として含んでいる。第１層１３は、これらの材質の１つのみによって構成されていてもよく、また、これらの材質のうち複数によって構成されていてもよい。第１層１３は、基体３と第２層１５との接合性を高めるために用いられる場合があり、このような場合には、下地層とも呼ばれる。
第１層１３は一つの層のみによって構成されていてもよく、複数の層が積層された構成であってもよい。なお、第１層１３が、複数の層が積層された構成である場合においては、各層がチタン化合物を含有する。
第２層１５はアルミナを主成分として含有している。アルミナの構成は特に限定されるものではなく、例えばκ型結晶構造のアルミナ及びα型結晶構造のアルミナのいずれであってもよい。第２層１５は、第１層１３と同様に、一つの層のみによって構成されていてもよく、複数の層が積層された構成であってもよい。例えば、第２層１５が、κ型結晶構造のアルミナを含有する層と、α型結晶構造のアルミナを含有する層とが積層された構成であってもよい。
チタン化合物を含有する第３層１７の材質としては、例えば、第１層１３の材質として上記したものが挙げられる。第３層１７が被覆層５の最も外側に位置する場合には、切削加工時の切屑の流れを円滑にするため、第３層１７が炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主成分として含有していることが好ましい。
なお、上記における「主成分」とは、対象となる層を構成する材質のうち質量％が最も大きいことを意味する。例えば、第３層１７が炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主成分として含有しているとは、第３層１７を構成する材質のうち炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）の質量％が最も大きいことを意味する。
第１層１３〜第３層１７の材質としては、上記の材質に限定されるものではない。たとえば、第１層１３及び第３層１７がアルミナを含有していてもよい。ただし、この場合においては、第１層１３及び第３層１７のそれぞれにおけるアルミナの含有比率は、第２層１５におけるアルミナの含有比率よりも小さいものとする。第１層１３及び第３層１７がアルミナを含有している場合には、第１層１３及び第３層１７と、第２層１５との接合性が高まる。
また、第２層１５がチタン化合物を含有していてもよい。ただし、この場合においては、第２層１５におけるチタン化合物の含有比率は、第１層１３及び第３層１７のそれぞれにおけるチタン化合物の含有比率よりも小さいものとする。第２層１５がチタン化合物を含有している場合にも、第１層１３及び第３層１７と、第２層１５との接合性が高まる。
クラック７は、被覆層５の表面から第２層１５にかけて延びているが、このとき、クラック７のうち第２層１５に位置する部分が、上面１９の側に位置して、上面１９から離れるにしたがって幅が狭くなる第１領域２７と、第１領域２７よりも第１層１３の側に位置して、幅が一定である第２領域２９とを有している場合には、第３層１７が第２層１５から剥離するおそれを小さくしつつ、耐摩耗性が高められる。
これは、以下の２つの理由による。第１の理由は、クラック７のうち第２層１５に位置する部分が第２領域２９のみによって構成されている場合と比較して、第２層１５及び第３層１７の境界に加わる残留応力を小さくすることができるため第３層１７が第２層１５から剥離するおそれが小さくなることである。第２の理由は、クラック７のうち第２層１５に位置する部分が第１領域２７のみによって構成されている場合と比較して、上面１９の側におけるクラック７の幅を狭くできるとともに、切削加工時に切屑がクラック７内の深くに入り込みにくくなるため、第２層１５の耐欠損性が低下するおそれが小さくなることであるである。
このとき、被覆層５の表面に直交する断面において、第１面９に直交する方向での第１領域２７の長さＬ１よりも第１面９に直交する方向での第２領域２９の長さＬ２が長い場合には、第３層１７が第２層１５から剥離するおそれが一層小さくなるとともに、第２層１５の耐欠損性が低下するおそれが一層小さくなる。
なお、上記の第２領域２９においてクラック７の幅が一定であるとは、厳密に一定であることを要求するものではない。被覆層５の表面に直交する断面において、クラック７が線状に延びていることを意図するものであり、被覆層５の表面に直交する断面における第１面９に直交する方向で示されるクラック７の長さＬに対して５％程度のばらつきがあってもよい。第２領域２９においてクラック７の幅は、０．２μｍ以下である。
クラック７が被覆層５の表面から第２層１５にかけて延びていることから、被覆層５の表面に直交する断面において、クラック７の先端は第２層１５に位置していてもよいが、図５に示すように、クラック７の先端が第１層１３に位置しており、クラック７が第１層１３にかけて延びていてもよい。クラック７が被覆層５の表面から第１層１３にかけて延びている場合には、第１層１３及び第２層１５の境界に加わる残留応力が小さくなるため、第２層１５が第１層１３から剥離するおそれが小さくなる。
このとき、被覆層５の表面に直交する断面において、第１層１３におけるクラック７の幅が、一定であるとともに、第２領域２９におけるクラック７の幅と同じである場合には、第１層１３及び第２層１５におけるクラック７の幅が狭くなり、第１層１３及び第２層１５の耐欠損性が低下するおそれが小さくなる。
なお、第１層１３におけるクラック７の幅が一定であるとは、厳密に一定であることを要求するものではない。被覆層５の表面に直交する断面における第１面９に直交する方向で示されるクラック７の長さＬに対して５％程度のばらつきがあってもよい。
クラック７の先端は、図６に示すように基体３に位置していてもよい。すなわち、クラック７が被覆層５の表面から基体３にかけて延びていてもよい。クラック７が基体３にかけて延びている場合には、基体３及び第１層１３の境界に加わる残留応力が小さくなるため、第１層１３が基体３から剥離するおそれが小さくなる。
以下の説明にあたり、図４に示すような断面において、第２層１５の上面１９におけるクラック７の部分を離間部１９Ａ、第３層１７のクラック幅と、第２層１５の上面１９のクラック幅との差異により、第２層１５の上に第３層１７が位置していない部分を露出部分１９Ｂと記載して説明する。
図４に示すように、被覆層５の表面に直交する断面において、上面１９に第３層１７に覆われていない露出部分１９Ｂを有し、露出部分１９Ｂの幅Ｗ２が、第２層１５における離間部１９Ａの幅Ｗ１よりも大きい場合には、上面１９における露出して応力が解放される領域が広い。そのため、第２層１５及び第３層１７の境界に加わる残留応力が小さくなる一方で、上面１９での離間部１９Ａの幅Ｗ１が露出部分１９Ｂの幅Ｗ２よりも相対的に小さいことによって第２層１５の耐欠損性が低下するおそれが小さくなる。
また、被覆層５の表面に直交する断面において、上面１９の露出部分１９Ｂの幅Ｗ２が第３層１７の厚みＴ３よりも大きい場合には、第３層１７が第２層１５から剥離するおそれがさらに小さくなる。これは、第３層１７の厚みＴ３が大きい程に第２層１５及び第３層１７の境界に加わる残留応力が大きくなるが、離間部１９Ａの幅Ｗ２が第３層１７の厚みＴ３よりも大きい場合には、上面１９における露出して応力が解放される露出部分１９Ｂの領域が広いため、第２層１５及び第３層１７の境界に加わる残留応力がさらに小さくなるからである。
本開示の切削インサートを作製するには、例えば、以下の工程を用いるとよい。
まず、基体の上に第１層、第２層、第３層を備えた被覆層を有するインサートを準備する。
次に、水と平均粒径が５０μｍ以下のセラミック粒子とを混合した液体をいわゆるウェットブラストで被覆層の表面側から吹きつける。この吹きつける速度は、インサートのクラックの状態を見ながら１０〜１００ｍ／秒の範囲で適宜、調整するとよい。セラミック粒子としては、アルミナやジルコニアを好適に用いることができる。このようなセラミック粒子は、鋼球に比べ比重が小さいために、セラミック粒子が被覆層に衝突する際のエネルギーは小さくなる。また、５０μｍ以下の直径のセラミック粒子を用いることで、セラミック粒子が被覆層に衝突する際のエネルギーは小さくなる。
例えば、セラミック粒子としてアルミナを用いた場合、鋼球に比べて比重は半分以下になる。また、粒径を１／４にすると体積は、１／６４になり、重さも１／６４になる。つまり、ある大きさの鋼球に換えて、粒径が１／４のアルミナ粒子を用いると１つ当たりのアルミナ粒子の重さは、鋼球の１／１００以下になる。
このように、鋼球に換えて、比較的小さな粒径のセラミック粒子を用いると、セラミック粒子１つ当たりの衝突エネルギーが小さくなる。一方、硬度の観点で見ると、鋼球よりもセラミック粒子の方が高い硬度を有している。
このように比較的小さな粒径のセラミック粒子を用いると、被覆膜の表面に比較的エネルギーは小さく、比較的、研磨力が高い衝突が繰り返し起こる。最初に、小さなクラックが被覆膜の表面にでき、時間の経過とともに、クラックは徐々に深さを増す。また、被覆層の表面側ではクラックの周辺領域が徐々に欠けていき、クラックの幅が広がっていく。
このような過程を経て、被覆層の表面に直交する断面において、第３層のクラックの幅は１μｍ以上であり、第２層の上面におけるクラック幅は０．５μｍ以上であり、第２層にクラックの幅が０．２μｍ以下の部分を有するインサートを製造することができる。
用いるセラミック粒子の平均粒径は４０μｍ以下としてもよい。さらに３０μｍ以下としてもよい。
一方、直径が５０μｍを越える鋼球やセラミック粒子を用いた場合には、衝撃が大きいため、クラックが発生すると同時に、被覆層の全面がほぼ均一に削れていくため、本開示のインサートとは異なる構造のクラックとなる。
なお、製膜時あるいは熱処理により、予め、幅が０．２μｍ以下のクラックを設けたインサートに、上記のブラスト処理を施してもよい。
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。
１・・・切削インサート（インサート）
３・・・基体
５・・・被覆層
７・・・クラック
９・・・第１面
１１・・・第２面
１３・・・第１層
１５・・・第２層
１７・・・第３層
１９・・・上面
１９Ａ・・離間部
１９Ｂ・・露出部分
２１・・・下面
２３・・・切刃
２５・・・貫通孔
２７・・・第１領域
２９・・・第２領域
３・・・基体
５・・・被覆層
７・・・クラック
９・・・第１面
１１・・・第２面
１３・・・第１層
１５・・・第２層
１７・・・第３層
１９・・・上面
１９Ａ・・離間部
１９Ｂ・・露出部分
２１・・・下面
２３・・・切刃
２５・・・貫通孔
２７・・・第１領域
２９・・・第２領域
Claims (7)
- 基体と、該基体の上に位置する被覆層とを備えた切削インサートであって、
前記被覆層は、
基体の上に位置して、チタン化合物を含有する第１層と、
該第１層の上に位置して、アルミナを含有する第２層と、
該第２層の上に位置して、チタン化合物を含有する第３層と、
を有し、
前記被覆層は、該被覆層の表面から前記基体に向かって延びたクラックが存在し、
該クラックは、
少なくとも前記３層と前記第２層に存在し、
前記被覆層の表面に直交する断面において、
前記第３層のクラックの幅は１μｍ以上であり、
前記第２層の上面におけるクラックの幅は、前記第３層のクラックの幅よりも狭く、０．５μｍ以上であり、
前記第２層の上面よりも前記基体に近い位置に、クラックの幅が０．２μｍ以下の部分を有している、切削インサート。 - 前記断面において、前記クラックのうち前記第２層に位置する部分は、前記上面の側に位置して、前記上面から離れるにしたがって幅が狭くなる第１領域と、該第１領域よりも前記第１層の側に位置して、幅が一定である第２領域とを有している、請求項１に記載の切削インサート。
- 前記断面において、前記第１領域よりも前記第２領域における前記被覆層の表面に直交する方向の長さが長い、請求項２に記載の切削インサート。
- 前記クラックは、前記被覆層の表面から少なくとも前記第１層にかけて延びており、
前記断面において、前記第１層における前記クラックの幅は、一定であって、かつ、前記第２領域における前記クラックの幅と同じである、請求項２又は３に記載の切削インサート。 - 前記クラックは、前記被覆層の表面から前記基体にかけて延びている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の切削インサート。
- 前記断面において、前記上面は、前記第３層に覆われていない露出部分を有し、該露出部分の幅は、前記第２層の上面におけるクラックの幅よりも大きい、請求項１〜５のいずれか１つに記載の切削インサート。
- 前記露出部分の幅は、前記第３層の厚みよりも大きい、請求項６に記載の切削インサート。
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