JP2021142575A - Diamond-coated cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ダイヤモンド被覆切削工具に関する。 The present disclosure relates to diamond coated cutting tools.
基材の表面上に多結晶ダイヤモンド層(被膜)を被覆した構造のダイヤモンド被覆切削工具が特許文献1に開示されている。
このダイヤモンド被覆切削工具は、基材の面粗度、及びダイヤモンド層の界面における空隙数をそれぞれ特定範囲に限定している。なお、ここで、基材の面粗度とは、基材の表面の算術平均粗さRa、基材の表面の粗さ曲線要素の平均長さRSmを意味する。
このダイヤモンド被覆切削工具は、面粗度を特定範囲内とすることで、アンカー効果により基材に対するダイヤモンド層の密着性を向上している。
また、このダイヤモンド被覆切削工具は、空隙の個数を特定範囲内とすることで、基材とダイヤモンド層との熱膨張係数差に起因する残留応力を緩和し、基材に対するダイヤモンド層の密着性を向上している。
このように、特許文献1のダイヤモンド被覆切削工具は、面粗度と空隙の個数を調整することで基材に対するダイヤモンド層の密着性を向上させている。
In this diamond-coated cutting tool, the surface roughness of the base material and the number of voids at the interface of the diamond layer are each limited to a specific range. Here, the surface roughness of the base material means the arithmetic average roughness Ra of the surface of the base material and the average length RSm of the roughness curve elements on the surface of the base material.
This diamond-coated cutting tool improves the adhesion of the diamond layer to the base material by the anchor effect by setting the surface roughness within a specific range.
In addition, this diamond-coated cutting tool reduces the residual stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the base material and the diamond layer by setting the number of voids within a specific range, and improves the adhesion of the diamond layer to the base material. It is improving.
As described above, the diamond-coated cutting tool of
特許文献1のダイヤモンド被覆切削工具において、空隙の個数は、1×103個/cm以上1×106個/cm以下とされている。この範囲では、ダイヤモンド層と基材の界面の残留応力が緩和されると記載されている。
しかし、上記範囲では、ダイヤモンド層と基材の界面の空隙の間隔が狭く、空隙の個数が多いので、ダイヤモンド層と基材との実質的な接触面積が小さくなってしまう。そのため、耐剥離性が不十分であるおそれがあった。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、基材に対するダイヤモンド層の密着性が高いダイヤモンド被覆切削工具を提供することを目的とする。本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
In the diamond-coated cutting tool of
However, in the above range, the distance between the voids at the interface between the diamond layer and the base material is narrow and the number of voids is large, so that the substantial contact area between the diamond layer and the base material becomes small. Therefore, there is a possibility that the peel resistance is insufficient.
The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a diamond-coated cutting tool having high adhesion of a diamond layer to a base material. The present disclosure can be realized in the following forms.
〔1〕基材と、前記基材の表面を被覆したダイヤモンド層と、を備えたダイヤモンド被覆切削工具であって、
前記基材は25℃から600℃における平均熱膨張係数xが、
3.1×10−6/K≦x≦4.0×10−6/K
を満たし、かつ
前記ダイヤモンド層は、前記基材と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有し、
前記ダイヤモンド被覆切削工具を前記基材と前記ダイヤモンド層とを含む面で切断して得られる切断面において、隣り合う各前記空隙の中心間の平均間隔は、12μm以上1000μm以下である、ダイヤモンド被覆切削工具。
[1] A diamond-coated cutting tool comprising a base material and a diamond layer covering the surface of the base material.
The base material has an average coefficient of thermal expansion x at 25 ° C to 600 ° C.
3.1 × 10 -6 /K≦x≦4.0×10 -6 / K
The diamond layer has a plurality of voids extending in the crystal growth direction from the portion in contact with the base material.
In a cut surface obtained by cutting the diamond-coated cutting tool on a surface including the base material and the diamond layer, the average distance between the centers of the adjacent voids is 12 μm or more and 1000 μm or less. tool.
〔2〕前記基材は、窒化珪素焼結体又はサイアロン焼結体から構成されている、〔1〕に記載のダイヤモンド被覆切削工具。 [2] The diamond-coated cutting tool according to [1], wherein the base material is composed of a silicon nitride sintered body or a sialon sintered body.
〔3〕前記サイアロン焼結体は、Alを酸化物換算で2質量%以上35質量%以下含有する、〔2〕に記載のダイヤモンド被覆切削工具。 [3] The diamond-coated cutting tool according to [2], wherein the Sialon sintered body contains Al in an oxide equivalent of 2% by mass or more and 35% by mass or less.
〔4〕前記窒化珪素焼結体は、Tiの窒化物、炭窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも1種を、合計で5質量%以上20質量%以下含有し、
前記サイアロン焼結体は、Tiの窒化物、炭窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも1種を、合計で5質量%以上20質量%以下含有する、〔2〕又は〔3〕に記載のダイヤモンド被覆切削工具。
[4] The silicon nitride sintered body contains at least one selected from Ti nitrides, carbonitrides, and carbides in a total amount of 5% by mass or more and 20% by mass or less.
The diamond according to [2] or [3], wherein the Sialon sintered body contains at least one selected from Ti nitrides, carbonitrides, and carbides in a total amount of 5% by mass or more and 20% by mass or less. Coating cutting tool.
〔5〕前記サイアロン焼結体は、ポリタイプの結晶相を含む、〔2〕から〔4〕のいずれか一項に記載のダイヤモンド被覆切削工具。 [5] The diamond-coated cutting tool according to any one of [2] to [4], wherein the Sialon sintered body contains a polytype crystal phase.
本開示のダイヤモンド被覆切削工具は、基材の熱膨張係数を特定範囲とし、かつ隣り合う各空隙の中心の間の平均間隔を特定範囲にすることで、基材に対するダイヤモンド層の密着性を向上でき、耐剥離性が向上する。
更に、基材を特定の組成を有する焼結体とすることで、耐剥離性がより向上する。
基材がポリタイプの結晶相を含むサイアロン焼結体から構成される場合には、特に耐剥離性が優れる。
The diamond-coated cutting tool of the present disclosure improves the adhesion of the diamond layer to the base material by setting the coefficient of thermal expansion of the base material in a specific range and setting the average distance between the centers of adjacent voids in a specific range. It can be done and the peeling resistance is improved.
Further, by using a sintered body having a specific composition as the base material, the peel resistance is further improved.
When the base material is composed of a Sialon sintered body containing a polytype crystal phase, the peel resistance is particularly excellent.
以下、本発明を詳しく説明する。なお、本明細書において、数値範囲について「〜」を用いた記載では、特に断りがない限り、下限値及び上限値を含むものとする。例えば、「10〜20」という記載では、下限値である「10」、上限値である「20」のいずれも含むものとする。すなわち、「10〜20」は、「10以上20以下」と同じ意味である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. In this specification, the description using "~" for the numerical range shall include the lower limit value and the upper limit value unless otherwise specified. For example, in the description of "10 to 20", both the lower limit value "10" and the upper limit value "20" are included. That is, "10 to 20" has the same meaning as "10 or more and 20 or less".
1.ダイヤモンド被覆切削工具1
(1)ダイヤモンド被覆切削工具1の構成
ダイヤモンド被覆切削工具1は、基材3と、基材3の表面3Aを被覆したダイヤモンド層5と、を備える。基材3は25℃から600℃における平均熱膨張係数xが、以下の関係式1を満たす。
3.1×10−6/K≦x≦4.0×10−6/K ・・・関係式1
更に、ダイヤモンド層5は、基材3と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙9を複数有する。そして、ダイヤモンド被覆切削工具1を基材3とダイヤモンド層5とを含む面で切断して得られる切断面において、隣り合う各空隙9の中心9Aの間の平均間隔は、12μm以上1000μm以下である。
1. 1. Diamond coated
(1) Configuration of Diamond-Coated
3.1 × 10 -6 /K≦x≦4.0×10 -6 / K ···
Further, the
(2)基材3
(2.1)基材3の平均熱膨張係数x
上述のように、基材3の25℃から600℃における平均熱膨張係数xは、基材3に対するダイヤモンド層5の密着性を向上させる観点から、上記関係式1を満たすことが好ましく、下記関係式2を満たすことがより好ましく、下記関係式3を満たすことが更に好ましい。なお、平均熱膨張係数xは、TMA(Thermo Mechanical Analysis)を用いて測定できる。
3.1×10−6/K≦x≦3.7×10−6/K ・・・関係式2
3.1×10−6/K≦x≦3.4×10−6/K ・・・関係式3
(2)
(2.1) Average coefficient of thermal expansion x of
As described above, the average coefficient of thermal expansion x of the
3.1 × 10 -6 /K≦x≦3.7×10 -6 / K ··· equation 2
3.1 × 10 -6 /K≦x≦3.4×10 -6 / K ···
(2.2)基材3の好ましい構成例
基材3は、耐剥離性を更に向上させる観点より、窒化珪素焼結体又はサイアロン焼結体から構成されていることが好ましい。窒化珪素焼結体における窒化珪素(Si3N4)は、Si(ケイ素)、N(窒素)よりなるセラミックスの結晶粒子であり、原料となる窒化珪素に焼結助剤等を加えて焼結される。窒化珪素は、等軸状の粒子形状を有したα相と針状の粒子形状を有したβ相が存在し、これらの構成比率によって靱性や硬度の特性を制御できる。β−窒化珪素は針状組織が絡み合った組織となるため、高靭性であり、α−窒化珪素は等軸状の粒子形状であるため、β−窒化珪素と比較して低靭性ではあるが、硬度が高い。窒化珪素焼結体に含まれる窒化珪素において、これらの結晶相種及び構成比率は、特に限定されない。
(2.2) Preferable Configuration Example of
窒化珪素焼結体は、周期表における4族元素、希土類元素及びMg(マグネシウム)よりなる群から選択される少なくとも一種以上の元素(以下において、「特定の元素」と称することがある。)を含有していてもよい。含有割合は特に限定されず、例えば、窒化珪素焼結体に対して、酸化物換算で0.5モル%以上かつ2.6モル%未満の範囲で含有してもよい。なお、ここでいう周期表は、「無機化学命名法−IUPAC1990年勧告−」G.J.Leich編、山崎一雄訳・著、1993年3月26日発行、株式会社東京化学同人発行の第43頁に記載された表I−3.2の「周期表の族の指定」による。 The silicon nitride sintered body refers to at least one or more elements (hereinafter, may be referred to as "specific elements") selected from the group consisting of Group 4 elements, rare earth elements and Mg (magnesium) in the periodic table. It may be contained. The content ratio is not particularly limited, and for example, it may be contained in the range of 0.5 mol% or more and less than 2.6 mol% in terms of oxide with respect to the silicon nitride sintered body. The periodic table referred to here is "Inorganic Chemistry Nomenclature-IUPAC 1990 Recommendation-" G.M. J. Edited by Leich, translated by Kazuo Yamasaki, published on March 26, 1993, published by Tokyo Kagaku Dojin Co., Ltd., according to Table I-3.2 "Designation of Group of Periodic Table".
前記特定の元素の一つである周期表の4族元素として、例えばチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等を好適例として挙げることができる。希土類元素としては、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド及びアクチノイドを挙げることができる。このランタノイドとしては、セリウム族元素とイットリウム族元素とを挙げることができ、前記セリウム族元素としては、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、及びサマリウム(Sm)を挙げることができ、イットリウム族元素としては、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)を挙げることができる。前記アクチノイドとしてはアクチニウム(Ac)、トリウム(Th)等を挙げることができる。なお、酸化物換算とは元素を酸化させるか酸素と結合した酸化物に換算することをいう。 As the Group 4 element of the periodic table, which is one of the specific elements, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf) and the like can be mentioned as preferable examples. Examples of rare earth elements include scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanoids and actinides. Examples of the lantanoid include cerium group elements and ytterbium group elements, and examples of the cerium group elements include lanthanum (La), cerium (Ce), placeodium (Pr), neodymium (Nd), and promethium (Pm). , And cerium (Sm), and examples of ytterbium group elements include lutetium (Eu), gadrinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), formium (Ho), erbium (Er), and turium (Er). Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) can be mentioned. Examples of the actinide include actinium (Ac) and thorium (Th). In addition, oxide conversion means to oxidize an element or convert it into an oxide bonded to oxygen.
前記特定の元素はその一種単独が窒化珪素焼結体中に含まれていてもよく、また前記特定の元素のうちの複数種類の元素が窒化珪素焼結体中に含まれていてもよい。 One of the specific elements may be contained in the silicon nitride sintered body, or a plurality of types of the specific elements may be contained in the silicon nitride sintered body.
窒化珪素焼結体は、以下の観点から、Ti(チタン)の窒化物、炭窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも1種を、合計で5質量%以上20質量%以下含有することが好ましく、合計で5質量%以上15質量%以下含有することがより好ましく、合計で5質量%以上10質量%以下含有することが更に好ましい。窒化珪素焼結体がTi(チタン)の上記化合物を上記範囲内で含有することで、更なる耐剥離性が見込める。すなわち、ダイヤモンド層5より熱膨張係数が小さいマトリックスの窒化珪素(α−窒化珪素、β−窒化珪素)と、ダイヤモンド層5より熱膨張が大きいTi(チタン)の上記化合物と、が複合化することで、引張応力と圧縮応力がランダムにかかり応力が相殺されながら、焼結体全体の熱膨張が上記関係式1の範囲内になり、更なる耐剥離性が見込める。
Ti(チタン)の窒化物、炭窒化物、及び炭化物の好適な例としては、TiCxN(1−x) (0≦X≦1)が挙げられる。
From the following viewpoints, the silicon nitride sintered body preferably contains at least one selected from Ti (titanium) nitrides, carbonitrides, and carbides in a total amount of 5% by mass or more and 20% by mass or less. It is more preferable to contain 5% by mass or more and 15% by mass or less in total, and further preferably 5% by mass or more and 10% by mass or less in total. Further peeling resistance can be expected when the silicon nitride sintered body contains the above compound of Ti (titanium) within the above range. That is, the matrix silicon nitride (α-silicon nitride, β-silicon nitride) having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the
Preferable examples of Ti (titanium) nitrides, carbonitrides, and carbides include TiC x N (1-x) (0 ≦ X ≦ 1).
サイアロン焼結体におけるサイアロン(SiAlON)は、Si(ケイ素)、Al(アルミニウム)、O(酸素)、N(窒素)よりなるセラミックスの結晶粒子である。サイアロンは原料となる窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、シリカ等のSi、Al、O、Nといった構成元素を含む原料粉末に焼結助剤等を加えて焼結して成る。サイアロン粒子には組成式Si6−ZAlZOZN8−Z(0<Z≦4.2)で表されるβ−サイアロンと、組成式Mx(Si,Al)12(O,N)16(0<X≦2、MはMg,Ca,Sc,Y,Dy,Er,Yb,Lu等の、侵入型となって固溶する元素を示す。)で示されるα−サイアロン等が存在している。β−サイアロンは窒化珪素と同様に針状組織が絡み合った組織となるため、高靭性であり、α−サイアロンは等軸状の粒子形状であるため、β−サイアロンと比較して低靭性ではあるが、硬度が高い。サイアロンにおいて、α−サイアロンとβ−サイアロンとの比率は、特に限定されない。 Sialon (SiAlON) in the Sialon sintered body is a crystal particle of ceramics composed of Si (silicon), Al (aluminum), O (oxygen), and N (nitrogen). Sialon is formed by adding a sintering aid or the like to a raw material powder containing constituent elements such as Si, Al, O, and N such as silicon nitride, alumina, aluminum nitride, and silica, which are raw materials, and sintering the mixture. The sialon particles include β-sialon represented by the composition formula Si 6-Z Al ZO Z N 8-Z (0 <Z ≦ 4.2) and the composition formula Mx (Si, Al) 12 (O, N). 16 (0 <X ≦ 2, M indicates an element such as Mg, Ca, Sc, Y, Dy, Er, Yb, Lu, etc. that becomes an intrusive type and dissolves solidly) exists, such as α-sialon. doing. Like silicon nitride, β-sialon has a structure in which needle-like structures are entangled, so it has high toughness, and α-sialon has an equiaxed particle shape, so it has lower toughness than β-sialon. However, the hardness is high. In Sialon, the ratio of α-Sialon to β-Sialon is not particularly limited.
サイアロン焼結体は、焼結助剤として用いられる希土類元素、例えば、Sc、Y、Dy、Yb、Er、Ce及びLuから成る群より選択される少なくとも一種の元素を酸化物換算で1質量%〜7質量%含有していてもよい。 The sialon sintered body contains 1% by mass of rare earth elements used as a sintering aid, for example, at least one element selected from the group consisting of Sc, Y, Dy, Yb, Er, Ce and Lu in terms of oxide. It may contain ~ 7% by mass.
サイアロン焼結体は、ダイヤモンド層5の耐剥離性をより向上させる観点から、Al(アルミニウム)を酸化物換算で2質量%以上35質量%以下含有することが好ましく、5質量%以上30質量%以下含有することがより好ましく、15質量%以上25質量%以下含有することが更に好ましい。
From the viewpoint of further improving the peel resistance of the
サイアロン焼結体は、以下の観点から、Ti(チタン)の窒化物、炭窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも1種を、合計で5質量%以上20質量%以下含有することが好ましく、合計で5質量%以上15質量%以下含有することがより好ましく、合計で5質量%以上10質量%以下含有することが更に好ましい。サイアロン焼結体がTi(チタン)の上記化合物を上記範囲内で含有することで、更なる耐剥離性が見込める。すなわち、ダイヤモンド層5より熱膨張係数が小さいマトリックスのサイアロン焼結体と、ダイヤモンド層5より熱膨張が大きいTi(チタン)の上記化合物と、が複合化することで、引張応力と圧縮応力がランダムにかかり応力が相殺されながら、焼結体全体の熱膨張が上記関係式1の範囲内になり、更なる耐剥離性が見込める。
Ti(チタン)の窒化物、炭窒化物、及び炭化物の好適な例としては、TiCxN(1−x) (0≦X≦1)が挙げられる。
From the following viewpoints, the sialon sintered body preferably contains at least one selected from Ti (titanium) nitrides, carbonitrides, and carbides in a total amount of 5% by mass or more and 20% by mass or less. It is more preferable to contain 5% by mass or more and 15% by mass or less, and it is further preferable to contain 5% by mass or more and 10% by mass or less in total. Further peeling resistance can be expected when the Sialon sintered body contains the above compound of Ti (titanium) within the above range. That is, the tensile stress and the compressive stress are random by combining the Sialon sintered body of the matrix having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the
Preferable examples of Ti (titanium) nitrides, carbonitrides, and carbides include TiC x N (1-x) (0 ≦ X ≦ 1).
サイアロン焼結体は、耐剥離性を更に向上させる観点より、ポリタイプの結晶相を含むことが好ましい。ポリタイプとしては、12H、15R、及び21Rからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。すなわち、サイアロン焼結体は、12H−サイアロン(一般式:SiAl5O2N5)、15R−サイアロン(一般式:SiAl4O2N4)、及び21R−サイアロン(一般式:SiAl6O2N6)からなる群より選択される少なくとも一種のポリタイプサイアロンを含むことが好ましい。
サイアロン焼結体がポリタイプの結晶相を含むことで、更なる耐剥離性が見込める。すなわち、ダイヤモンド層5より熱膨張係数が小さいマトリックスのサイアロン(α−サイアロン、β−サイアロン)と、ダイヤモンド層5より熱膨張が大きいポリタイプサイアロンと、が複合化することで、引張応力と圧縮応力がランダムにかかり応力が相殺されながら、焼結体全体の熱膨張が上記関係式1の範囲内になり、更なる耐剥離性が見込める。
サイアロン焼結体に含有されるポリタイプの結晶相は、焼結体をX線回折分析することにより同定できる。
The sialon sintered body preferably contains a polytype crystal phase from the viewpoint of further improving the peel resistance. The polytype is preferably at least one selected from the group consisting of 12H, 15R, and 21R. That is, the Sialon sintered body includes 12H-Sialon (general formula: SiAl 5 O 2 N 5 ), 15R-Sialon (general formula: SiAl 4 O 2 N 4 ), and 21R-Sialon (general formula: SiAl 6 O 2). It preferably contains at least one polytype sialon selected from the group consisting of N 6).
Further peeling resistance can be expected because the Sialon sintered body contains a polytype crystal phase. That is, tensile stress and compressive stress are formed by combining a matrix sialon (α-sialon, β-sialon) having a coefficient of thermal expansion smaller than that of the
The polytype crystal phase contained in the Sialon sintered body can be identified by X-ray diffraction analysis of the sintered body.
(3)ダイヤモンド層5
ダイヤモンド層5は、図1に模式的に示すように、基材3と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙9を複数有する。ここで、「結晶成長方向」とは、基材3の表面3Aの特定の点を基点としたときに、その基点からダイヤモンド層5の表面に到達する距離が最短となるベクトル方向のことをいい、図1の上方向を意味する。なお、図1は、ダイヤモンド被覆切削工具1の切断面をSEM(Scanning Electron Microscope,走査型電子顕微鏡)で観察したSEM画像を概念的に示したものであり、実際のSEM画像を正確に示したものではない。図1は、基材3の表面3Aに垂直な方向に切断した切断面のSEM画像の概念図である。SEMで空隙9を観察する場合、ダイヤモンド被覆切削工具1をダイヤモンド層5も含めて基材3とともに切断し、当該切断面に対し市販の断面試料作製装置を用いてSEM観察用の試料を作製する。そして、当該試料の基材3とダイヤモンド層5との界面近傍をSEMで拡大観察することにより、空隙9を観察することができる。
(3)
As schematically shown in FIG. 1, the
本開示における空隙9は、切断面において、結晶成長方向に対し垂直方向(基材3の表面3Aに沿った方向、図1,2における横方向)の幅Wが100nm以上500nm以下であり、かつ、結晶成長方向に沿った方向(基材3の表面3Aに垂直方向、図1,2における縦方向)の長さLPが100nm以上1μm以下のものと定義する。なお、幅Wは、空隙9の前記垂直方向(図1,2における横方向)における最も一端側から最も他端側までの前記垂直方向(図1,2における横方向)に沿った長さである。長さLPは、空隙9の結晶成長方向(図1,2における縦方向)における最も一端側から最も他端側までの結晶成長方向(図1,2における縦方向)に沿った長さである。図1,2に示された空隙9とは形状の異なる場合を図3に例示し、この図3の場合の幅W、長さLPを図示する。なお、図1〜3に示された空隙9の形状は、いずれも実際の形状を正確に示すとは限らない。
本開示のダイヤモンド被覆切削工具1では、ダイヤモンド被覆切削工具1を基材3とダイヤモンド層5とを含む面で切断して得られる切断面において、隣り合う各空隙9の中心9A同士の間隔Lの平均(平均間隔)は、12μm以上1000μm以下であり、12μm以上500μm以下が好ましく、14μm以上100μm以下がより好ましい。なお、空隙9の中心9Aは、前記垂直方向(図1,2,3における横方向)における中心である。間隔Lは隣り合う各空隙9の中心9A同士の前記垂直方向における距離である。
平均間隔は、例えば次のように求められる。ダイヤモンド被覆切削工具1の刃先の位置から、刃先から遠ざかる方向にむかって、連続して複数枚(例えば、50枚)のSEM画像(例えば、5000倍)を得る。つまり、複数枚のSEM画像をつなげば、基材3とダイヤモンド層5との界面を観察することができる。各SEM画像の視野は、例えばそれぞれ18μm×24μmとすることができるが、要するにダイヤモンド被覆切削工具1の刃先の位置から少なくとも1000μmの界面を観察して平均間隔を特定できればよい。得られた複数枚のSEM画像をWinRoof(画像解析・計測ソフトウェア三谷商事株式会社)にて解析し、隣り合う空隙9の中心9A同士の各間隔Lを求める。求められた各間隔Lを平均(算術平均)して平均間隔とする。
The void 9 in the present disclosure has a width W of 100 nm or more and 500 nm or less in the direction perpendicular to the crystal growth direction (direction along the
In the diamond-coated
The average interval is calculated as follows, for example. A plurality of (for example, 50) SEM images (for example, 5000 times) are continuously obtained from the position of the cutting edge of the diamond-coated
ダイヤモンド層5は、膜の表面粗さを小さくし、高い皮膜靭性を備えさせるために、多層構造を有することが好ましい。ダイヤモンド層5は、多結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。ここで、多結晶ダイヤモンドとは、ダイヤモンド微粒子が固く結合したものである。ダイヤモンド層5は、ホウ素、窒素、珪素等の異種原子、これらの元素以外の不可避不純物を含んでいてもよい。
The
ダイヤモンド層5の形成方法は、特に限定されない。ダイヤモンド層5の形成方法は、CVD法(chemical vapor deposition)が好ましい。CVD法としては、マイクロ波プラズマCVD法、ホットフィラメントCVD法、高周波プラズマCVD法等が例示される。これらのCVD法の中でも、結晶粒径を細かく、表面粗さの小さい膜を得やすいマイクロ波プラズマCVD法が好適に用いられる。
The method for forming the
ダイヤモンド層5の厚みは、特に限定されない。ダイヤモンド層5の厚みは、8μm以上20μm以下が好ましい。8μm以上では密着性が向上し、20μm以下では刃先を鋭くしやすいので切削性能が向上する。
The thickness of the
(4)本開示の構成により、基材3に対するダイヤモンド層5の密着性が高まり、耐剥離性が向上する推測理由
ダイヤモンド層5(ダイヤモンド被膜)の熱膨張係数は3.1×10−6/Kであり、残留応力を減らすためには、ダイヤモンド層5と基材3の熱膨張係数をできるだけ近づける必要がある。しかし、ダイヤモンド層5よりも基材3の熱膨張係数が小さい場合、ダイヤモンド層5に引張応力がかかり、基材3に対するダイヤモンド層5の密着性が低下してしまう。そこで、基材3の熱膨張係数はダイヤモンド層5の熱膨張係数に近く、かつ大きくする必要がある。基材3の平均熱膨張係数xを上記関係式1に示す特定範囲とすることで、ダイヤモンド層5と基材3の熱膨張係数が近づき、かつダイヤモンド層5にかかる引張応力が抑制されて、基材3に対するダイヤモンド層5の密着性が向上すると推測される。
更に、以下の理由から本開示のダイヤモンド被覆切削工具1では、耐剥離性が向上すると推測される。基材3の界面の空隙9の間隔が狭いとダイヤモンド層5と基材3との接触面積が小さくなり、基材3に対するダイヤモンド層5の密着性が低下する。他方、空隙9の間隔が広すぎても、界面に残留応力が溜まり、密着性が低下する。本開示のダイヤモンド被覆切削工具1では、隣り合う各空隙9の中心9Aの間の平均間隔が12μm以上1000μm以下に調整されることで、剥離の起点が少なくなり、かつ界面の残留応力も抑制されて、耐剥離性が向上すると推測される。
そして、耐剥離性が向上することにより、切削初期だけではなく、切削加工を長時間継続する際も剥離が生じにくくなり、工具の寿命が伸びると推測される。また、本開示のダイヤモンド被覆切削工具1は、より厳しい条件下で使用できるため、切削能率を上げることが可能である。
(4) Reason for presuming that the structure of the present disclosure enhances the adhesion of the
Further, it is presumed that the diamond-coated
It is presumed that the improved peeling resistance makes it difficult for peeling to occur not only at the initial stage of cutting but also when the cutting process is continued for a long time, and the life of the tool is extended. Further, since the diamond-coated
2.ダイヤモンド被覆切削工具1の製造方法
ダイヤモンド被覆切削工具1の製造方法は特に限定されない。ダイヤモンド被覆切削工具1の製造方法の一例を以下に示す。
2. Manufacturing Method of Diamond-Coated
(1)原料
原料として例えば次の原料粉末を使用する。
・主成分 α−Si3N4粉末
・焼結助剤 Y2O3(酸化イットリウム)、Yb2O3(酸化イッテルビウム)、La2O3(酸化ランタン)、CeO2(酸化セリウム(IV))、Er2O3(酸化エルビウム)、Dy2O3(酸化ジスプロシウム)、MgO(酸化マグネシウム)、MgCO3(炭酸マグネシウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)、AlN(窒化アルミニウム)、ZrO2(酸化ジルコニウム)、TiN(窒化チタン)、TiC(炭化チタン)から選択
(1) Raw material For example, the following raw material powder is used as a raw material.
・ Main component α-Si 3 N 4 powder ・ Sintering aid Y 2 O 3 (yttrium oxide), Yb 2 O 3 (ytterbium oxide), La 2 O 3 (lantern oxide), CeO 2 (cerium oxide (IV)) ), Er 2 O 3 (erbium oxide), Dy 2 O 3 (disprocium oxide), MgO (magnesium oxide), MgCO 3 (magnesium carbonate), Al 2 O 3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), ZrO 2 Select from (zirconium oxide), TiN (titanium nitride), TiC (titanium carbide)
(2)基材3の作製
原料粉末と、溶媒に溶解した有機バインダと、溶媒とを、ボールを用い湿式混合してスラリーを得る。スラリーを乾燥させ、所望(工具)の形状にプレス成形して成形体を得る。成形体を加熱装置内において、所定雰囲気下、例えば400℃〜800℃にて、60分間〜120分間の脱脂処理を施す。更に、脱脂した成形体を容器内に配置し、所定雰囲気下、例えば1700℃〜1900℃で120分間〜360分間にわたり加熱することにより、焼結体を得る。焼結体の理論密度が99%未満の場合は、更に例えば1000気圧の所定雰囲気下、例えば1500℃〜1700℃で120分間〜240分間のHIP処理(熱間等方圧加圧法:Hot Isostatic Pressing)を行い、理論密度で99%以上の緻密体とする。このようにして作製された焼結体又は緻密体が基材3に相当する。
(2) Preparation of
(3)コーティング前処理
ダイヤモンド層5のコーティング前にコーティング前処理を行ってもよい。コーティング前処理は、ダイヤモンド層5の基材3への密着性を高めるために行う。具体的には、基材3の表面3Aの粗面化処理等が例示される。粗面化処理には、例えば電解研磨等の化学的腐食、SiC等の砥粒等によるサンドブラストが用いられる。
(3) Coating pretreatment A coating pretreatment may be performed before coating the
(4)ダイヤモンド層5のコーティング(ダイヤモンド層5の形成)
ダイヤモンド層5のコーティングには、例えば、マイクロ波プラズマCVD法を用いることができる。原料ガスとして例えばメタン(CH4)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)等を供給しコーティングする。コーティング処理は、例えば、以下2つの工程を繰り返し行う。設定膜厚になるまで下記核生成工程、及び結晶成長工程を繰り返し、多層構造のダイヤモンド層5を基材3の表面3Aにコーティングする。
ダイヤモンド層5の隣り合う空隙9の中心9A間の平均間隔は、基材3の25℃から600℃における平均熱膨張係数を調整することによって制御できる。このように制御できる理由は定かではないが、次のように推測される。コーティング処理の際に基材3の表面3Aは加熱され、コーティング処理後に冷却される。ダイヤモンド層5の平均熱膨張係数と基材3の平均熱膨張係数とは相違するため、冷却の際に基材3上に形成されたダイヤモンド層5に引張応力又は圧縮応力がかかって空隙9が生ずるものと考えられる。従って、基材3の平均熱膨張係数を調整すると、上記引張応力又は圧縮応力が制御され、隣り合う空隙9の中心9A間の平均間隔が制御できるものと推測される。また、コーティング前処理によって基材5の表面粗さを調整することによっても制御できる。表面粗さによってもダイヤモンド層5にかかる引張応力又は圧縮応力が制御されるからだと推測される。
(4.1)核生成工程
メタンの濃度が10%〜30%の範囲内で定められた設定値となるようにメタン及び水素の流量調節を行う。この際、基材3の表面温度が700℃〜900℃の範囲内で定められた設定温度で、反応炉内のガス圧が2.5×102Pa〜3.0×103Paの範囲内で定められた設定圧で、その状態を0.1時間〜2時間継続する。
(4.2)結晶成長工程
メタンの濃度が1%〜4%の範囲内で定められた設定値になるようにメタン及び水素の流量調節を行う。この際、基材3の表面温度が800℃〜900℃の範囲内で定められた設定温度で、反応炉内のガス圧が1.0×103Pa〜7.0×103Paの範囲内で定められた設定圧で、結晶成長させる。
(4) Coating of diamond layer 5 (formation of diamond layer 5)
For the coating of the
The average spacing between the
(4.1) Nucleation step The flow rate of methane and hydrogen is adjusted so that the concentration of methane becomes a set value set within the range of 10% to 30%. At this time, the surface temperature of the
(4.2) Crystal growth step The flow rate of methane and hydrogen is adjusted so that the concentration of methane becomes a set value defined within the range of 1% to 4%. In this case, at a set temperature which the surface temperature of the
以下、実施例により更に具体的に説明する。
なお、実験例1〜10は実施例であり、実験例11〜18は比較例である。
表1において、「11*」のように、「*」が付されている場合には、比較例であることを示している。
Hereinafter, a more specific description will be given with reference to Examples.
Experimental Examples 1 to 10 are Examples, and Experimental Examples 11 to 18 are Comparative Examples.
In Table 1, when "*" is attached like "11 *", it indicates that it is a comparative example.
1.ダイヤモンド被覆切削工具の作製
(1)基材の作製
平均粒径が1.0μm以下であるα−Si3N4粉末、及び焼結助剤であるY2O3(酸化イットリウム)、Yb2O3(酸化イッテルビウム)、La2O3(酸化ランタン)、CeO2(酸化セリウム(IV))、Er2O3(酸化エルビウム)、Dy2O3(酸化ジスプロシウム)、MgO(酸化マグネシウム)、MgCO3(炭酸マグネシウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)、AlN(窒化アルミニウム)、ZrO2(酸化ジルコニウム)、TiN(窒化チタン)、TiC(炭化チタン)を、表1に記載の配合となるように秤量して原料粉末とした。
原料粉末と、エタノールに溶解したマイクロワックス系の有機バインダと、エタノールとを、Si3N4製のボールを用いボールミルで湿式混合してスラリーを得た。スラリーを乾燥させ、ISO規格でSPGN422の形状にプレス成形して成形体を得た。
成形体を加熱装置内において、1気圧の窒素雰囲気下、400℃〜800℃にて、60分間〜120分間の脱脂処理を施した。更に、脱脂した成形体をSi3N4製の容器内に配置し、窒素雰囲気下、1700℃〜1900℃で120分間〜360分間にわたり加熱することにより、焼結体を得た。焼結体の理論密度が99%未満の場合は、更に1000気圧の窒素雰囲気下、1500℃〜1700℃で120分間〜240分間のHIP処理を行い、理論密度で99%以上の緻密体とした。このようにして作製された焼結体又は緻密体を基材とした。
1. 1. Fabrication of diamond-coated cutting tool (1) Fabrication of base material α-Si 3 N 4 powder having an average particle size of 1.0 μm or less, and Y 2 O 3 (yttrium oxide) and Yb 2 O as sintering aids. 3 (yttrium oxide), La 2 O 3 (lantern oxide), CeO 2 (cerium oxide (IV)), Er 2 O 3 (erbium oxide), Dy 2 O 3 (disprocium oxide), MgO (magnesium oxide), MgCO 3 (magnesium carbonate), Al 2 O 3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), ZrO 2 (zirconium oxide), TiN (titanium nitride), TiC (titanium carbide) are blended as shown in Table 1. Weighed into raw material powder.
The raw material powder, an organic binder micro wax dissolved in ethanol, and ethanol to give a slurry by wet mixing in a ball mill with Si 3 N 4 balls made of. The slurry was dried and press-molded into the shape of SPGN422 according to the ISO standard to obtain a molded product.
The molded product was degreased in a heating device at 400 ° C. to 800 ° C. for 60 minutes to 120 minutes under a nitrogen atmosphere of 1 atm. Further, the degreased compact was placed into Si 3 N 4 manufactured in the vessel, under a nitrogen atmosphere, by heating over 1700 ° C. to 1900 ° C. for 120 minutes to 360 minutes to obtain a sintered body. When the theoretical density of the sintered body was less than 99%, HIP treatment was further performed at 1500 ° C. to 1700 ° C. for 120 minutes to 240 minutes in a nitrogen atmosphere of 1000 atm to obtain a dense body having a theoretical density of 99% or more. .. The sintered body or compact body thus produced was used as a base material.
(2)コーティング
ダイヤモンド層のコーティングには、マイクロ波プラズマCVD法を用いた。原料ガスとしてメタン(CH4)、水素(H2)、一酸化炭素(CO)等を用いた。コーティング処理は、設定膜厚(12μm)になるまで(4.1)の欄で記載した核生成工程、及び(4.2)の欄で記載したの結晶成長工程を繰り返し、多層構造のダイヤモンド層を基材の表面にコーティングした。
(2) Coating A microwave plasma CVD method was used to coat the diamond layer. Methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), etc. were used as the raw material gas. In the coating treatment, the nucleation step described in the column (4.1) and the crystal growth step described in the column (4.2) are repeated until the set film thickness (12 μm) is reached, and the diamond layer having a multi-layer structure is formed. Was coated on the surface of the substrate.
2.ダイヤモンド被覆切削工具の測定方法等
(1)Alの酸化物換算での含有率、Tiの化合物の含有率の算出方法
Alの酸化物換算での含有率及びTiの化合物の含有率は、基材において蛍光X線(X−ray Fluorescence Spectrometry)を測定して算出した。
なお、ここでTiの化合物とは、Tiの窒化物、炭窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも1種を意味する。
2. Measurement method of diamond-coated cutting tool, etc. (1) Calculation method of Al oxide content and Ti compound content Al oxide content and Ti compound content are the base materials. Fluorescent X-ray (X-ray Fluorescence Compound) was measured and calculated in.
Here, the Ti compound means at least one selected from Ti nitrides, carbonitrides, and carbides.
(2)結晶相同定方法
焼結体に含有されるポリタイプサイアロンは、基材をX線回折分析することにより同定した。ここで、ポリタイプサイアロンとは、12H−サイアロン(一般式:SiAl5O2N5)、15R−サイアロン(一般式:SiAl4O2N4)、及び21R−サイアロン(一般式:SiAl6O2N6)からなる群より選択される少なくとも一種である。
(2) Crystal phase identification method The polytype sialon contained in the sintered body was identified by X-ray diffraction analysis of the base material. Here, the polytype sialons are 12H-sialon (general formula: SiAl 5 O 2 N 5 ), 15R-sialon (general formula: SiAl 4 O 2 N 4 ), and 21R-sialon (general formula: SiAl 6 O). It is at least one selected from the group consisting of 2 N 6).
(3)熱膨張率測定方法
各基材においてTMA(Thermo Mechanical Analysis)を用いて測定した。測定条件は、R.T(25℃)〜1000℃、Ar雰囲気下、10℃/minとした。
(3) Method for measuring the coefficient of thermal expansion Each base material was measured using TMA (Thermo Mechanical Analysis). The measurement conditions are R.M. The temperature was 10 ° C./min at T (25 ° C.) to 1000 ° C. under an Ar atmosphere.
(4)空隙の観察方法
走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)によって観察した。詳細には、ダイヤモンド被覆切削工具を、ダイヤモンド層を含めて基材ごと切断し、ダイヤモンド層と基材の界面をイオンミリングにより研磨し、SEM観察用の試料を作製した。そして、界面近傍をSEMで拡大観察することで、空隙の有無、空隙の間隔を測定した。この際、ダイヤモンド被覆切削工具の刃先の位置から、刃先から遠ざかる方向にむかって、連続して50枚のSEM画像(5000倍)を得た。各SEM画像の視野は、それぞれ18μm×24μmとした。得られた50枚のSEM画像をWinRoof(画像解析・計測ソフトウェア三谷商事株式会社)にて解析し、隣り合う各空隙の中心同士の間隔を求めた。そして、求められた間隔を平均して平均間隔とした。
なお、平均間隔を測定する際の空隙は、切断面において、結晶成長方向に対し垂直方向の幅が100nm以上500nm以下であり、かつ、結晶成長方向に沿った方向の長さが100nm以上1μm以下の空隙を用いた。言い換えれば、この要件を満たさない空隙は、間隔の測定には用いなかった。
(4) Method of observing voids Observation was performed with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, a diamond-coated cutting tool was cut together with the base material including the diamond layer, and the interface between the diamond layer and the base material was polished by ion milling to prepare a sample for SEM observation. Then, the presence or absence of voids and the spacing between voids were measured by magnifying and observing the vicinity of the interface with SEM. At this time, 50 SEM images (5000 times) were continuously obtained from the position of the cutting edge of the diamond-coated cutting tool toward the direction away from the cutting edge. The field of view of each SEM image was 18 μm × 24 μm. The obtained 50 SEM images were analyzed by WinLoof (image analysis / measurement software Mitani Corporation), and the distance between the centers of adjacent voids was determined. Then, the obtained intervals were averaged to obtain an average interval.
The voids when measuring the average interval have a width of 100 nm or more and 500 nm or less in the direction perpendicular to the crystal growth direction and a length of 100 nm or more and 1 μm or less in the direction along the crystal growth direction on the cut surface. The voids of were used. In other words, voids that did not meet this requirement were not used to measure the spacing.
3.ダイヤモンド被覆切削工具の切削試験
(1)試験方法
各ダイヤモンド被覆切削工具を用いて、切削試験を行った。試験条件は下記の通りである。切削試験では、ダイヤモンド被覆切削工具からダイヤモンド層が剥離するまでのパス数を測定した。パス数が多いほど、評価が高い。評価は以下のようにした。
<試験条件>
・被削材:アルミ材(AC4A−T6)
・切削速度:300m/min
・切込み量:1.0mm
・送り量:0.25mm/rev.
・1パス(1pass)あたりの長さ:200mm
・切削環境:冷却水あり
<評価>
「A」…1400パス以上
「B」…1000パス以上1400パス未満
「C」…900パス以上1000パス未満
「D」…900パス未満
3. 3. Cutting test of diamond-coated cutting tool (1) Test method A cutting test was conducted using each diamond-coated cutting tool. The test conditions are as follows. In the cutting test, the number of passes from the diamond-coated cutting tool to the peeling of the diamond layer was measured. The higher the number of passes, the higher the evaluation. The evaluation was as follows.
<Test conditions>
-Work material: Aluminum material (AC4A-T6)
・ Cutting speed: 300m / min
・ Cut amount: 1.0 mm
-Feed amount: 0.25 mm / rev.
-Length per pass (1 pass): 200 mm
・ Cutting environment: With cooling water
<Evaluation>
"A" ... 1400 passes or more "B" ... 1000 passes or more and less than 1400 passes "C" ... 900 passes or more and less than 1000 passes "D" ... less than 900 passes
(2)試験結果
試験結果を表1に示す。
平均熱膨張係数xが、3.1×10−6/K≦x≦4.0×10−6/Kを満たし、かつ隣り合う各前記空隙の中心間の平均間隔が12μm以上1000μm以下である実験例1〜10は、いずれも「C」以上の良好な評価であった。これに対して、平均熱膨張係数xが、3.1×10−6/K≦x≦4.0×10−6/Kではない、または、隣り合う各前記空隙の中心間の平均間隔が12μm以上1000μm以下ではない実験例11〜17は、いずれも「D」という良好ではない評価であった。より具体的には、実験例1〜10は、剥離までのパス数が少なくとも900回であるのに対し、実験例11〜17は、剥離までのパス数が多くても600回であり、耐剥離性は大きく異なっていた。
実験例1,2,3を比較すると、Alを酸化物換算で2質量%以上35質量%以下含有する実験例3は、この範囲外の実験例1,2よりも評価が高かった。
実験例1,2,4を比較すると、Tiの窒化物(TiN)が5質量%以上20質量%以下含有する実験例4は、この範囲外の実験例1,2よりも評価が高かった。
実験例3,5,6,7,8を比較すると、ポリタイプの結晶相を含む実験例5,6,7,8は、ポリタイプの結晶相を含まない実験例3よりも評価が高かった。
(2) Test results Table 1 shows the test results.
Average thermal expansion coefficient x is satisfies 3.1 × 10 -6 /K≦x≦4.0×10 -6 / K , and the average distance between the centers of each of said voids adjacent is 12μm or more 1000μm or less All of Experimental Examples 1 to 10 had a good evaluation of "C" or higher. In contrast, the average thermal expansion coefficient x is not a 3.1 × 10 -6 /K≦x≦4.0×10 -6 / K , or the average distance between the centers of each of said voids adjacent Experimental Examples 11 to 17 which were not 12 μm or more and 1000 μm or less were all evaluated as “D”, which was not good. More specifically, Experimental Examples 1 to 10 have at least 900 passes to peel off, whereas Experimental Examples 11 to 17 have at most 600 passes to peel off, which is tolerable. The peelability was significantly different.
Comparing Experimental Examples 1, 2 and 3, Experimental Example 3 containing Al in an oxide equivalent of 2% by mass or more and 35% by mass or less was evaluated higher than Experimental Examples 1 and 2 outside this range.
Comparing Experimental Examples 1, 2 and 4, Experimental Example 4 containing 5% by mass or more and 20% by mass or less of Ti nitride (TiN) was evaluated higher than Experimental Examples 1 and 2 outside this range.
Comparing Experimental Examples 3, 5, 6, 7, and 8, Experimental Examples 5, 6, 7, and 8 containing a polytype crystal phase were evaluated higher than Experimental Example 3 not containing a polytype crystal phase. ..
本開示は上記で詳述した実施形態に限定されず、本開示の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。 The present disclosure is not limited to the embodiments detailed above, and various modifications or changes can be made within the scope of the claims of the present disclosure.
1 …ダイヤモンド被覆切削工具
3 …基材
3A…表面
5 …ダイヤモンド層
9 …空隙
9A…中心
1 ... Diamond-coated
Claims (5)
前記基材は25℃から600℃における平均熱膨張係数xが、
3.1×10−6/K≦x≦4.0×10−6/K
を満たし、かつ
前記ダイヤモンド層は、前記基材と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有し、
前記ダイヤモンド被覆切削工具を前記基材と前記ダイヤモンド層とを含む面で切断して得られる切断面において、隣り合う各前記空隙の中心間の平均間隔は、12μm以上1000μm以下である、ダイヤモンド被覆切削工具。 A diamond-coated cutting tool comprising a base material and a diamond layer covering the surface of the base material.
The base material has an average coefficient of thermal expansion x at 25 ° C to 600 ° C.
3.1 × 10 -6 /K≦x≦4.0×10 -6 / K
The diamond layer has a plurality of voids extending in the crystal growth direction from the portion in contact with the base material.
In a cut surface obtained by cutting the diamond-coated cutting tool on a surface including the base material and the diamond layer, the average distance between the centers of the adjacent voids is 12 μm or more and 1000 μm or less. tool.
前記サイアロン焼結体は、Tiの窒化物、炭窒化物、及び炭化物から選ばれる少なくとも1種を、合計で5質量%以上20質量%以下含有する、請求項2又は3に記載のダイヤモンド被覆切削工具。 The silicon nitride sintered body contains at least one selected from Ti nitrides, carbonitrides, and carbides in a total amount of 5% by mass or more and 20% by mass or less.
The diamond-coated cutting according to claim 2 or 3, wherein the Sialon sintered body contains at least one selected from Ti nitrides, carbonitrides, and carbides in a total amount of 5% by mass or more and 20% by mass or less. tool.
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