JP2000334608A - 切削インサート及びその製造方法 - Google Patents

切削インサート及びその製造方法

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JP2000334608A JP2000113257A JP2000113257A JP2000334608A JP 2000334608 A JP2000334608 A JP 2000334608A JP 2000113257 A JP2000113257 A JP 2000113257A JP 2000113257 A JP2000113257 A JP 2000113257A JP 2000334608 A JP2000334608 A JP 2000334608A
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レナンダー アンダース
Mikael Lindholm
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、超硬合金本体と被膜とを含む鋼の
機械加工用の切削インサートに関する。 【解決手段】 超硬合金本体は、WCと、５〜12質量％の
Coと、３〜11質量％のTa,Ti 及びＷの立方晶炭化物とを
含む。Nbの含有量は0.1 質量％以下であり、比Ta／Tiは
1.0 〜4.0 である。Co結合相は、0.75〜0.95のCW比を有
して高くＷで合金化され、超硬合金本体は、厚みが５〜
50μm の結合相富化し本質的にガンマ相を含まない表面
領域を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に鋼又はステン
レス鋼の旋削作業に有用で、とりわけインサートの靭性
特性に関する要求が高い作業に適している、被覆超硬合
金切削インサートに関する。超硬合金インサートは、優
れた靭性特性と良好な塑性変形耐性とを同時に生じる、
バルク組成と異なる元素組成を有する表面領域を有す
る。
【０００２】
【従来の技術】昨今の高性能な切削工具は、高い耐摩耗
性、高い靭性特性及び良好な組成変形耐性を有する必要
がある。切削インサートの靭性挙動を改善することは、
WC結晶粒サイズを増加する及び／又は全体の結合相含有
量を高めることにより成し遂げることができるが、その
ような変更は組成変形耐性の著しい損失を同時に生じ
る。
【０００３】いわゆる勾配焼結技術によりインサートに
約20〜40μm の厚みを有する本質的にガンマ相を含ま
ず、結合相を富化した表面領域の厚みを導入することに
より、靭性挙動を改善する方法は、例えば米国特許第4,
277,283 号、第4,497,874 号、第4,548,786 号、第4,64
0,931 号、第5,484,468 号、第5,549,980 号、第5,649,
279 号、第5,729,823 号などで知られている。これらの
特許の特徴は、表面領域にガンマ相がなく、結合相が富
化されていることである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】TaとTiとの比を特定の
範囲に保ち、高くＷが合金化された結合相を保つことに
より、最適化したガンマ相の組成、すなわちWCに加えて
本質的にTaC 及びTiC のみからなるガンマ相により、勾
配焼結した切削インサートの靭性特性が、組成変形耐性
の損失なしに著しく改善できることが明らかになってい
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によると、厚み５
〜50μm 、好ましくは10〜30μm の、本質的にガンマ相
を含まず、バルクの結合相含有量の1.2 〜2.0 倍の範囲
の平均結合相含有量（体積割合で）を有する、結合相富
化した表面領域を含む、被覆超硬合金インサートを提供
する。ガンマ相は、本質的にTaC 及びTiC と、ある程度
の焼結中にガンマ相に溶解したWCからなる。比Ta/Ti は
1.0 〜4.0 、好ましくは2.0 〜3.0 である。
【０００６】
【発明の実施の形態】結合相は高くＷが合金化されてい
る。結合相中のＷ含有量は CW比＝ MS /((Co の質量％) ×0.0161) として表すことができ、ここで MS はkA/mにおける超硬
合金本体の測定した飽和磁化であり、Coの質量％は超硬
合金中のCoの質量割合である。CW比は１以下の値をと
り、CW比が小さいほど結合相中のＷ含有量は高い。CW比
が0.75〜0.95、好ましくは0.80〜0.85の範囲であれば、
切削性能が改善されることが本発明により明らかになっ
ている。
【０００７】本発明は、５〜12、好ましくは９〜11質量
％のCoからなる結合相と、３〜11、好ましくは７〜10質
量％のTaC ＋TiC と、WCの残部との組成を有する超硬合
金に適用できる。Nb含有量は0.1 質量％を超えるべきで
ない。質量比Ta/Ti は1.0 〜4.0 、好ましくは2.0 〜3.
0 であるべきである。WCは、1.0 〜4.0 μm 、好ましく
は1.5 〜3.0 μm の平均結晶粒サイズを有する。超硬合
金本体は少量、１体積％未満のη相(M6C) を含んでもよ
い。
【０００８】本発明によるインサートは更に基本的に、
例えば米国特許第5,766,782 号、第5,654,035 号、第5,
674,564 号、第5,702,808 号のいずれかに従って堆積し
た３〜12μm の柱状組織のTiCN層と、それに続く１〜８
μm の厚みのAl2O3 層とを含む被膜を備え、好ましくは
κ-Al2O3層と好ましくはTiN の最外の薄い層を有し、そ
のTiN 層は好ましくはブラッシング又はブラスティング
により刃先において取り除かれている。
【０００９】本発明により超硬合金本体上に様々な厚み
を有する被膜を付与することにより、被覆インサートの
特性を特定の切削条件に合うように最適化できる。１つ
の実施態様においては、本発明に従って作製された超硬
合金インサートは、６μm のTiCN、５μm のAl2O3 及び
１μm のTiN からなる被膜を備えている。この被覆イン
サートは、特に鋼での作業に適している。別の実施態様
においては、本発明に従って作製された超硬合金インサ
ートは、４μm のTiCN、２μm のAl2O3 及び１μm のTi
N からなる被膜を備えている。この被膜は特にステンレ
ス鋼での切削作業に適している。
【００１０】本発明は、本質的にガンマ相を含まない結
合相富化した表面領域を有するCoの結合相、WC、及びTa
とTiの元素のガンマ相からなる超硬合金基板と、被膜と
を含む切削インサートの製造方法にも関する。５〜12、
好ましくは９〜11質量％のCoからなる結合相と、３〜1
1、好ましくは７〜10質量％のTaC ＋TiC と、1.0 〜4.0
、好ましくは1.5 〜3.0 μm の平均結晶粒サイズを有
するWCの残部とを含む粉末混合物を準備する。Nb含有量
は0.1 質量％を超えるべきでない。質量比Ta/Tiは1.0
〜4.0 、好ましくは2.0 〜3.0 であるべきである。十分
に制御された量の窒素を、炭窒化物の粉末により添加す
る、及び／又は焼結ガス雰囲気を通して焼結工程の際に
添加する必要がある。添加する窒素量は、焼結工程の際
の立方晶相の溶解速度を決定し、従って凝固後の超硬合
金における元素の全体的な分布を決定する。添加する窒
素の最適量は、超硬合金の組成、特に立方晶相の量に依
存し、Ti及びTa元素の質量の0.6 〜2.0 ％の間を変化す
る。正確な条件は、使用する焼結装置の設計にもある程
度依存する。要求される超硬合金の表面領域が得られた
かどうかを決定し、所望の結果を得るために本発明に従
って窒素添加及び焼結条件を変更することは、熟練技術
者が行うことである。
【００１１】原材料は、所望のCW比が得られるように圧
縮成形剤と任意にＷと混合され、その混合物を、所望の
特性を有する粉末材料を得るためにミル混合し、スプレ
ー乾燥する。次に、その粉末材料を成形し、焼結する。
焼結は、約５×103Pa(50mbar) の制御した雰囲気におい
て1300〜1500℃の温度で行われ、その後冷却される。切
れ刃の丸めを含む従来の焼結後処理の後に、先の説明に
従った硬質の耐摩耗性被膜を、CVD 又はMT-CVD（中間温
度(medium temperature) CVD）法により堆積させる。
【００１２】
【実施例】実施例１ Ａ）9.9 質量％のCo、6.0 質量％のTaC 、2.5 質量％の
TiC 、0.1 質量％未満のNbC 、及び0.3 質量％のTiN
と、平均結晶粒サイズが2.0 μm のWCの残部との組成を
有する、CNMG 120408-PM及びSNMG 120412-PR型の超硬合
金旋削インサートを、本発明に従って作製した。窒素を
TiCNとして超硬合金粉末に添加した。焼結を約５×103
Paの全圧でArからなる雰囲気において1450℃で行った。
【００１３】金属組織観察により、作製したインサート
が15μm のガンマ相を含まない領域を有することが明ら
かになった。図１は、画像解析技術により測定した表面
近傍のCo富化のグラフを示している。Coは、バルクの含
有量の1.3 倍のピーク濃度まで富化していた。飽和磁化
を測定し、CW値を計算するのに用いた。0.81の平均CW値
を得た。
【００１４】切れ刃のホーニング、洗浄などのような従
来の被覆前処理の後に、MTCVD 技術（プロセス温度850
℃、炭素／窒素源としてCH3CN ）を用いて、第１のTiN
の１μm 未満の薄い層、それに続く柱状結晶粒のTiCNの
６μm の厚い層を含んで、インサートをCVD 法で被覆し
た。同じ被覆工程のその後の製造工程において、米国特
許第5,674,564 号に従って５μm の厚みのκ-Al2O3層を
堆積させた。κ-Al2O3層の上側に、1.0 μm のTiN 層を
堆積させた。被覆インサートをブラッシングし、刃先か
らTiN 被膜を円滑に除去した。
【００１５】Ｂ）10.0質量％のCo、2.9 質量％のTaC 、
3.4 質量％のTiC 、0.5 質量％のNbC 、及び0.2 質量％
のTiN と、平均結晶粒サイズが2.1 μm のWCの残部との
組成を有する、CNMG 120408-PM及びSNMG 120412-PR型の
超硬合金旋削インサートを作製した。インサートはＡと
同様の処理で焼結した。金属組織観察により、作製した
インサートが15μm のガンマ相を含まない領域を有する
ことが示された。飽和磁化値を測定し、CW値を計算する
のに用いた。0.81の平均CW値を得た。インサートをＡと
同じ被覆前処理にかけ、同様の被覆処理で被覆し、Ａと
同様にブラッシングした。
【００１６】Ｃ）10.0質量％のCo、3.0 質量％のTaC 、
6.3 質量％のZrC と、平均結晶粒サイズが2.5 μm のWC
の残部との組成を有する、CNMG 120408-PM及びSNMG 120
412-PR型の超硬合金旋削インサートを作製した。金属組
織観察により、作製したインサートが12μm のガンマ相
を含まない領域を有することが示された。飽和磁化値を
測定し、CW値を計算するのに用いた。0.79の平均CW値を
得た。インサートをＡと同じ被覆前処理にかけ、同様の
被覆処理で被覆し、Ａと同様にブラッシングした。 実施例２ Ａ、Ｂ及びＣのインサートを、断続切削での長手方向旋
削作業において、靭性に関して評価した。
【００１７】 材料： 炭素鋼 SS1312 切削データ： 切削速度 130 m/分 切削深さ 1.5 mm 送り 0.15mmで開始し、刃が破損するまで0.10 mm/分 で増加 ８個の各切れ刃を評価 インサート形状：CNMG 120408-PM 結果： 破損時の平均送り インサートＡ 0.31 mm/回転 インサートＢ 0.22 mm/回転 インサートＣ 0.22 mm/回転 実施例３ Ａ、Ｂ及びＣのインサートを、合金鋼(AISI 4340) の長
手方向旋削作業において、塑性変形耐性に関して評価し
た。
【００１８】 塑性変形はインサートの先端部(nose)での切れ刃の窪み
として測定した。
【００１９】 結果： 切れ刃の窪み（μm) インサートＡ 49 インサートＢ 63 インサートＣ 62 実施例４ トラック用の後部シャフトの製造作業においてテストを
行った。Ａ及びＣのインサートを、断続切削のため靭性
に対する要求が高い３種類の旋削作業において評価し
た。インサートは切れ刃が破損するまで使用した。SNMG
120412-PR型のインサートを使用した。
【００２０】 結果 加工した部品の数 作業 １ ２ ３ インサートＡ 172 219 119 インサートＢ 20 11 50 実施例２、３及び４は、従来技術によるインサートＢ及
びＣと比較して、本発明によるインサートＡが、いくら
か改善された組成変形耐性と共に、著しく良好な靭性を
示すことを示している。
【００２１】
【発明の効果】本発明により、勾配焼結した切削インサ
ートの靭性特性が、組成変形耐性の損失なしに著しく改
善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、画像解析技術により測定した表面近傍
のCo富化のグラフを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｈ 29/08 29/08 Ｃ２３Ｃ 16/36 Ｃ２３Ｃ 16/36 16/40 16/40

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超硬合金本体と被膜とを含む鋼の機械加
    工用の切削インサートにおいて、 上記本体が、WCと、５〜12質量％のCoと、３〜11質量％
    のTa,Ti 及びＷの立方晶炭化物とを含み、Nbの含有量が
    0.1 質量％以下であり、比Ta／Tiが1.0 〜4.0であり、C
    o結合相が0.75〜0.95のCW比を有するようにＷで高く合
    金化され、上記超硬合金本体が、５〜50μm の厚みの結
    合相富化した本質的にガンマ相を含まない表面領域を有
    することを特徴とする切削インサート。
  2. 【請求項２】 前記表面領域の厚みが10〜30μm である
    ことを特徴とする、請求項１に記載の切削インサート。
  3. 【請求項３】 前記Coの含有量が９〜11質量％であるこ
    とを特徴とする、請求項１又は２に記載の切削インサー
    ト。
  4. 【請求項４】 TiC 及びTaC の含有量が７〜10質量％で
    あることを特徴とする、請求項１又は３に記載の切削イ
    ンサート。
  5. 【請求項５】 上記被膜が、３〜12μm の柱状組織のTi
    CN層と、それに続く１〜８μm のAl2O3 層とを含むこと
    を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の
    切削インサート。
  6. 【請求項６】 上記Al2O3 層がκ-Al2O3であることを特
    徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の切削
    インサート。
  7. 【請求項７】 上記被膜がTiN の最外層を含むことを特
    徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の切削
    インサート。
  8. 【請求項８】 ブラッシング又はブラスティングによ
    り、刃先において前記TiN 層が取り除かれていることを
    特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の切
    削インサート。
  9. 【請求項９】 平均WC結晶粒サイズが1.0 〜4.0 μm で
    あることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項
    に記載の切削インサート。
  10. 【請求項１０】 結合相富化した表面領域を有する超硬
    合金基板と被膜とを含む切削インサートの製造方法であ
    って、上記基板がCoの結合相とWCと立方晶炭窒化物相と
    からなり、上記結合相富化した表面領域が、本質的に上
    記立方晶炭窒化物相を含まず、インサートの周囲に渡っ
    て本質的に一定の厚みである切削インサートの製造方法
    において、 WCと、５〜12、好ましくは９〜11質量％のCoと、３〜1
    1、好ましくは７〜10質量％のTa及びTiの立方晶炭化物
    とを含む粉末混合物を作製し、ここで、前記Ta及びTiの
    質量の0.6 〜2.0 ％の量で窒素を添加し、 所望のCW比が得られるように、上記粉末に圧縮成形剤と
    任意にＷとを混合し、 前記混合物を所望の特性を有する粉末材料にミル混合
    し、そしてスプレー乾燥し、 成形し、そして約５×103 Paの制御された雰囲気におい
    て、前記粉末材料を1300〜1500℃の温度で焼結し、その
    後冷却し、 切れ刃の丸めを含む従来の焼結後処理を施し、 CVD 又はMTCVD 法により硬質の耐摩耗性被膜を施すこと
    を特徴とする、切削インサートの製造方法。
JP2000113257A 1999-04-08 2000-04-10 切削インサート及びその製造方法 Pending JP2000334608A (ja)

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