JP2009090461A - フライス加工用のコーティングした切削工具インサート - Google Patents

フライス加工用のコーティングした切削工具インサート Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、特に高速切削速度での鋼の湿式または乾式フライス加工、硬化鋼のフライス加工、および工具鋼の高速送りの倣いフライス加工に有用な、コーティングした超硬合金インサート（切削工具）に関係する。
【解決手段】この切削工具インサートは、ＷＣ、ＮｂＣおよびＴａＣを含む超硬合金本体、Ｗ合金Ｃｏバインダー相、ならびに等軸粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの最内層、柱状粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの層およびα−Ａｌ２Ｏ３の層を含むコーティング、によって特徴づけられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に高速切削速度での鋼の湿式または乾式フライス加工、硬化鋼のフライス加工、および工具鋼の高速送りの倣いフライス加工に有用な、コーティングした超硬合金インサート（切削工具）に関係する。
超硬合金工具で低および中合金化鋼および硬化鋼を機械加工するとき、切削端（cutting edge）は、種々の摩耗メカニズム、例えば化学摩耗、研磨摩耗、付着摩耗によって、および切削端に沿って形成されたクラックによって引き起こされた刃の切り欠けによって摩耗する。いずれかの摩耗メカニズムのうち支配的なものは、用途によって決まり、機械加工される材料の特性、適用される切削パラメータ、および工具材料の特性次第である。一般に、全ての工具特性を同時に改善することは非常に難しく、そして市販の超硬合金グレードは通常上述の摩耗タイプの一つまたはいくつかに対して最適化されており、そして結果として特定の用途範囲に対して最適化されている。
欧州特許ＥＰ１４９３８４５号は、ステンレス鋼および超合金のフライス加工、および靱性が要求される用途における鋼のフライス加工でも特に有用な、コーティングされた超硬合金インサート（切削工具）に関係する。この切削工具インサートは、ＷＣ、ＮｂＣおよびＴａＣを含む超硬合金本体、Ｗ合金化Ｃｏバインダー相、ならびに等軸粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの最内層、柱状粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの層およびα−Ａｌ２Ｏ３の層を含むコーティングによって特徴づけられる。
国際公開ＷＯ ２００７／０６９９７３号は、未加工の表面ゾーンを有するかまたは有さない、低および中合金化鋼、ステンレス鋼における、乾式および湿式機械加工、好ましくはフライス加工に特に有用な、コーティングされた切削工具を開示する。このインサートは、Ｗ合金化Ｃｏバインダー相を伴うＷＣ−ＴａＣ−ＮｂＣ−Ｃｏ超硬合金、および柱状粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの最内層と少なくともレーキ面上に滑らかなα−Ａｌ２Ｏ３の最上層とを含むコーティングによって特徴づけられる。
国際公開ＷＯ ０１／１６３８９号は、高速切削速度での乾式または湿式条件の間の研磨表面ゾーンを有するかまたは有さない低および中合金化鋼におけるフライス加工に特に有用な、コーティングされたフライス加工インサートを開示する。このインサートは、低含有量の立方炭化物および高度なＷ合金化Ｃｏバインダー相を伴うＷＣ−Ｃｏ超硬合金、ならびに柱状粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの最内層とＴｉＮの最上層とκ−Ａｌ２Ｏ３の内側層とを含むコーティングによって特徴づけられる。
欧州特許ＥＰ１３５２６９７号は、鋼における高速切削速度でのフライス加工および硬化鋼におけるフライス加工に特に有用な、コーティングされた超硬合金インサート（切削工具）を開示する。このインサートは、ＮｂＣおよびＴａＣを含むＷＣ−Ｃｏ超硬合金、およびＷ合金化Ｃｏバインダー相、および等軸粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの最内層と柱状粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚの層と本質的にκ−相からなる少なくとも一つのＡｌ２Ｏ３の層とを含むコーティングによって特徴づけられる。
本発明の目的は、鋼、硬化鋼および工具鋼のフライス加工のための強化された性能を有するコーティングされた切削工具を提供することである。
本発明による切削工具インサートは、比較的少量の立方炭化物、Ｗで高度に合金化するためのバインダー相媒体、および微細から中程度のＷＣ粒子サイズを有する超硬合金基材を含む。この基材は、等軸ＴｉＣｘＮｙＯｚ層、柱状ＴｉＣｘＮｙＯｚ層、およびα−Ａｌ２Ｏ３層を含む耐摩耗性コーティングを備える。
本発明によれば、コーティングされた切削工具インサートは超硬合金本体を備え、該超硬合金本体は７．５〜８．６ｗｔ％のＣｏ、好ましくは７．７〜８．４ｗｔ％のＣｏ、最も好ましくは７．８〜８．３ｗｔ％のＣｏ；金属Ｔｉ、ＮｂおよびＴａの総量が０．５〜２．５ｗｔ％、好ましくは０．８〜２．０ｗｔ％、最も好ましくは１．０〜１．６ｗｔ％および残余分がＷＣ、の組成物を有する。Ｔｉ、Ｔａおよび／またはＮｂは、周期表のＩＶｂ、ＶｂまたはＶＩｂ族の他の元素で置換することもできる。Ｔｉの含有量は好ましくは技術的不純物に相当するレベルである。
好ましい実施態様では、ＴａおよびＮｂの質量濃度の比が７．０〜１２．０、好ましくは７．６〜１１．４、最も好ましくは８．２〜１０．５である。
別の好ましい実施態様では、ＴａおよびＮｂの質量濃度の比が１．０〜５．０、好ましくは１．５〜４．５である。
コバルトバインダー相は、タングステンと高度に合金化するための媒体である。バインダー相中のＷ含有量は、Ｓ−値＝σ／１６．１として表現することができ、ここでσはバインダー相の磁気モーメントであり、単位はμＴｍ３ｋｇ−１である。Ｓ−値は、バインダー相中のタングステン含有量によって決まり、タングステン含有量が減ると増加する。したがって、純粋なコバルトの場合、すなわち炭素で飽和した超硬合金中のバインダーの場合、Ｓ＝１であり、η−相の形成に対する境界線に相当する量のＷを含有するバインダー相の場合、Ｓ＝０．７８である。
超硬合金本体は、０．８１〜０．９５、好ましくは０．８２〜０．９３、最も好ましくは０．８５〜０．９０のＳ−値を有する。
超硬合金本体は、１２．０〜１５．５、好ましくは１２．５〜１５．０、最も好ましくは１２．８〜１４．８ｋＡ／ｍの保磁力（Ｈｃ）を有する。
コーティングは：
・０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．５、より好ましくはｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、最も好ましくはｙ＞０．７で、等軸粒子を伴い、および総厚みが＜１μｍ、好ましくは＞０．１μｍである、ＴｉＣｘＮｙＯｚの第一（最内）層；
・０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．２、ｘ＞０．３且つｙ＞０．２であり、最も好ましくはｘ＞０．４であり、および厚みが１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍ、最も好ましくは２〜４μｍであり、柱状粒子を伴う、ＴｉＣｘＮｙＯｚの層；および
・α−相からなる、Ａｌ２Ｏ３の層、
を含む。このＡｌ２Ｏ３層は、１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍ、最も好ましくは２〜４μｍの厚みを有する。
好ましい実施態様によれば、Ａｌ２Ｏ３層が、
アルミナ層に関する組織係数（ＴＣ）は以下の式によって決定される：
ここで、
Ｉ（ｈｋｉｌ）＝（ｈｉｋｌ）反射の測定強度
Ｉ０（ｈｋｉｌ）＝ＪＣＰＤＳカード番号４６−１２１２による標準強度
ｎ＝計算で使用した反射数
したがって、ｎ＝６であり、組織係数の最大値は６である。
別の実施態様では、Ａｌ２Ｏ３層が、１．２より大きく、好ましくは１．４〜４．３である組織係数ＴＣ（０００６）を伴って（０００６）方向に、強く組織される。
別の実施態様では、Ａｌ２Ｏ３層が、
さらに別の実施態様では、α−Ａｌ２Ｏ３層上に１μｍ未満の厚さの薄いＴｉＮ最上層がある。
本発明は、粉末冶金技術、粉末を湿式ミル加工して硬質の構成要素とバインダー相を形成すること、ミル加工した混合物を圧縮して望ましい形状およびサイズの物体にすること、および焼結することによって、超硬合金基材とコーティングを含んでなる切削インサートを作製する方法にも関係する。この方法により、基材が、７．５〜８．６ｗｔ％のＣｏ、好ましくは７．７〜８．４ｗｔ％のＣｏ、最も好ましくは７．８〜８．３ｗｔ％のＣｏ；金属Ｔｉ、ＮｂおよびＴａの総量が０．５〜２．５ｗｔ％、好ましくは０．８〜２．０ｗｔ％、最も好ましくは１．０〜１．６ｗｔ％および残余分がＷＣ、の組成物を備える。Ｔｉ、Ｔａおよび／またはＮｂは、周期表のＩＶｂ、ＶｂまたはＶＩｂ族の他の元素で置換することもできる。Ｔｉの含有量は好ましくは技術的不純物に相当するレベルである。
好ましい実施態様では、ＴａおよびＮｂの質量濃度の比が７．０〜１２．０、好ましくは７．６〜１１．４、最も好ましくは８．２〜１０．５である。
別の好ましい実施態様では、ＴａおよびＮｂの質量濃度の比が１．０〜５．０、好ましくは１．５〜４．５である。
保磁力は、出発する粉末の粒子サイズおよびミル加工および焼結条件によって決まり、実験によって決定されるはずである。望ましいＳ−値は、出発する粉末および焼結条件によって決まり、これも実験によって決定されるはずである。
基材には以下が堆積される：
・既知のＣＶＤ技術による、０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．５、より好ましくはｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、最も好ましくはｙ＞０．７で、等軸粒子を伴い、および総厚みが＜１μｍ、好ましくは＞０．１μｍである、ＴｉＣｘＮｙＯｚの第一（最内）層、
・７００〜９５０℃の温度範囲で、層を形成するための炭素および窒素源としてアセトニトリルを用いて、超硬合金へのＭＴＣＶＤ技術による、０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．２、ｘ＞０．３且つｙ＞０．２であり、最も好ましくはｘ＞０．４であり、厚みが１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍ、最も好ましくは２〜４μｍであり、柱状粒子を伴う、ＴｉＣｘＮｙＯｚの層；
・既知のＣＶＤ技術による、α−相からなる、１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍおよび最も好ましくは２〜４μｍの厚みを伴う、Ａｌ２Ｏ３の層；および
・場合により既知の技術を用いて、該α−Ａｌ２Ｏ３層上に薄いＴｉＮ最上層。
別の実施態様では、既知の技術を用いてα−Ａｌ２Ｏ３層上に１μｍ未満の厚さの薄いＴｉＮ最上層を堆積させる。
さらに好ましい実施態様では、上述した切削工具インサートは、コーティングされた工具の表面品質が改善されるように、コーティングの後で湿式ブラスト処理またはブラッシング処理操作で処理される。
本発明は、１００〜５００ｍ／分、好ましくは１５０〜４５０ｍ／分の切削速度で、切削速度およびインサート形状に応じた、０．０８〜０．５５ｍｍ、好ましくは０．１〜０．４５ｍｍの１刃あたり平均送り量で、鋼を、
もしくは、５０〜３００ｍ／分、好ましくは７５〜２５０ｍ／分の切削速度で、切削速度およびインサート形状に応じた、０．０５〜０．４ｍｍ、好ましくは０．８〜０．３５ｍｍの１刃あたり平均送り量で、硬化鋼を、湿式または乾式フライス加工するための、
または、工具鋼において、高速送りフライス加工カッターを用いて、７５〜５００ｍ／分、好ましくは１００〜４００ｍ／分の切削速度で、切削速度およびインサート形状に応じた、０．３〜３．０ｍｍの１刃あたり平均送り量で、倣いフライス加工するための、
上記の切削工具インサートの使用にも関係する。
例１：
グレードＡ：Ｃｏ８．１ｗｔ％、Ｔａ１．０ｗｔ％、Ｎｂ０．２ｗｔ％および残余分がＷＣの組成物を伴い、０．８８のＳ−値に相当するＷで合金化されたバインダー相を伴う、本発明による超硬合金基材を、従来型の粉末ミル加工、圧粉体の圧縮、および続く１４３０℃での焼結によって作製した。この超硬合金のＨｃ値は１３．９ｋＡ／ｍであり、これは約０．７μｍの平均インターセプト距離を示唆している。この基材を、等軸粒子を有する、０．１μｍ厚さのＴｉＮの層、おおよそ炭素対窒素比ｘ／ｙ＝１．５を、ｚ＜０．１を伴って生じる、炭素および窒素源としてアセトニトリルを用いて８３５〜８５０℃で堆積した３．１μｍ厚さの柱状ＴｉＣｘＮｙＯｚの層、および約１０００℃で堆積した３．０μｍの厚さのα−Ａｌ２Ｏ３の層でコーティングした。
この切削工具インサートを、コーティング後に湿式ブラスト処理操作で処理した。図１は、コーティングした超硬合金の破断断面の２００００倍の走査電子顕微鏡写真を示す。
グレードＢ：グレードＡの超硬合金基材を、おおよそ炭素対窒素比ｘ／ｙ＝１．５を生じる、炭素および窒素源としてアセトニトリルを用いて８３５〜８５０℃で堆積した４．１μｍ厚さの柱状ＴｉＣｘＮｙＯｚの層、１．６μｍのκ−Ａｌ２Ｏ３の層、および薄いＴｉＮの層と組み合わせた。
工具鋼での正面フライス加工でグレードＡおよびＢを試験した。
二つのグレードについて同じ最大側面摩耗で試験を停止した。本発明によるグレードを用いると耐摩耗性が大幅に改善し、より滑らかな摩耗が観察された。
例２：
グレードＣ：ＥＰ１３４７０７６による、Ｃｏ８．０ｗｔ％、Ｔａ１．０ｗｔ％、Ｎｂ０．１ｗｔ％および残余分がＷＣの組成物を伴い、０．９０のＳ−値に相当するＷで合金化されたバインダー相、および１５．５ｋＡ／ｍのＨｃ値を伴う、グレードを、ｘ／ｙ＝０．５５を伴う３．４μｍ厚さのＴｉｘＡｌｙＮの層、続く０．２μｍ厚さのＴｉＮ層からなるコーティングと組み合わせた。
鋼での怒り肩（square shoulder）形状のフライス加工でグレードＡ、ＢおよびＣを試験した。
三つのグレードについて同じ最大側面摩耗で試験を停止した。グレードＢおよびＣのインサートは耐摩耗性の欠如に苦しんだ。
例３：
グレードＡ、ＢおよびＣのインサートを、工具鋼での高速送りの倣いフライス加工操作で試験した。
同じ最大側面摩耗で試験を停止した。グレードＢおよびＣは、刃の切り欠けと組み合わさった耐摩耗性の欠如に苦しんだ。
本発明の超硬合金インサートの破断断面の２００００倍の走査電子顕微鏡写真を示す。
符号の説明
１ 超硬合金本体
２ ＴｉＣｘＮｙＯｚ最内層
３ 柱状粒子を伴うＴｉＣｘＮｙＯｚ層
４ α−Ａｌ２Ｏ３層

Claims (8)

  1. 超硬合金本体およびコーティングを含んでなる、特に高速切削速度での鋼の湿式または乾式フライス加工、硬化鋼のフライス加工、および工具鋼の高速送りの倣いフライス加工に有用な、切削工具インサートであって、
    前記超硬合金本体が、７．５〜８．６ｗｔ％のＣｏ、好ましくは７．７〜８．４ｗｔ％のＣｏ；金属Ｔｉ、ＮｂおよびＴａの総量が０．５〜２．５ｗｔ％、好ましくは０．８〜２．０ｗｔ％、および残余分がＷＣ、の組成物を有し、１２．０〜１５．５、好ましくは１２．５〜１５．０ｋＡ／ｍの保磁力を伴い、０．８１〜０．９５、好ましくは０．８２〜０．９３のＳ−値に相当するＷで合金化されたバインダー相を伴い、および
    前記コーティングが、
    ・０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．５、より好ましくはｙ＞ｘ且つｚ＜０．２で、等軸粒子を伴い、および総厚みが＜１μｍ、好ましくは＞０．１μｍである、ＴｉＣｘＮｙＯｚの第一（最内）層；
    ・０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．２、ｘ＞０．３且つｙ＞０．２であり、最も好ましくはｘ＞０．４であり、および厚みが１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍであり、柱状粒子を伴う、ＴｉＣｘＮｙＯｚの層；
    ・α−相からなる、１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍの厚みを伴う、Ａｌ２Ｏ３の層、を含んでなる、
    ことを特徴とする切削工具インサート。
  2. Ａｌ２Ｏ３層が、
    組織係数（ＴＣ）は以下の式によって決定され、
    ここで、
    Ｉ（ｈｋｉｌ）＝（ｈｉｋｌ）反射の測定強度
    Ｉ０（ｈｋｉｌ）＝ＪＣＰＤＳカード番号４６−１２１２による標準強度
    ｎ＝計算で使用した反射数
    ことを特徴とする請求項１に記載の切削工具インサート。
  3. ＴａおよびＮｂの質量濃度の比が７．０〜１２．０、好ましくは７．６〜１１．４であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具インサート。
  4. ＴａおよびＮｂの質量濃度の比が１．０〜５．０、好ましくは１．５〜４．５であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具インサート。
  5. Ｔｉ含有率が技術的不純物のレベルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
  6. α−Ａｌ２Ｏ３層上に薄いＴｉＮ最上層があることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
  7. 超硬合金本体およびコーティングを含んでなる切削工具インサートを作製する方法であって、
    ・７．５〜８．６ｗｔ％のＣｏ、好ましくは７．７〜８．４ｗｔ％のＣｏ；金属Ｔｉ、ＮｂおよびＴａの総量が０．５〜２．５ｗｔ％、好ましくは０．８〜２．０ｗｔ％、および残余分がＷＣ、の組成物を有し、１２．０〜１５．５、好ましくは１２．５〜１５．０ｋＡ／ｍの保磁力を伴い、０．８１〜０．９５、好ましくは０．８２〜０．９３のＳ−値に相当するＷで合金化されたバインダー相を伴う、超硬合金本体を従来型の粉末冶金技術によって調製すること、および
    ・該超硬合金本体を以下でコーティングすること
    ・既知のＣＶＤ技術を用いる、０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．５、より好ましくはｙ＞ｘ且つｚ＜０．２で、等軸粒子を伴い、および総厚みが＜１μｍ、好ましくは＞０．１μｍである、ＴｉＣｘＮｙＯｚの第一（最内）層、
    ・７００〜９５０℃の温度範囲で、層を形成するための炭素および窒素源としてアセトニトリルを伴う、ＭＴＣＶＤ技術を用いる、０．７≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１、好ましくはｚ＜０．２、ｘ＞０．３且つｙ＞０．２であり、最も好ましくはｘ＞０．４であり、および厚みが１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍであり、柱状粒子を伴う、ＴｉＣｘＮｙＯｚの層、
    ・既知のＣＶＤ技術を用いる、α−相からなる、１〜５μｍ、好ましくは１．５〜４．５μｍの厚みを伴う、Ａｌ２Ｏ３の層、
    ・場合により既知の技術を用いて、該α−Ａｌ２Ｏ３層上に薄いＴｉＮ最上層を堆積させること、
    を特徴とする方法。
  8. １００〜５００ｍ／分、好ましくは１５０〜４５０ｍ／分の切削速度で、切削速度およびインサート形状に応じた、０．０８〜０．５５ｍｍ、好ましくは０．１〜０．４５ｍｍの１刃あたり平均送り量で、鋼を、
    もしくは、５０〜３００ｍ／分、好ましくは７５〜２５０ｍ／分の切削速度で、切削速度およびインサート形状に応じた、０．０５〜０．４ｍｍ、好ましくは０．８〜０．３５ｍｍの１刃あたり平均送り量で、硬化鋼を、湿式または乾式フライス加工するための、
    または、高速送りフライス加工カッターを用いて、７５〜５００ｍ／分、好ましくは１００〜４００ｍ／分の切削速度で、切削速度およびインサート形状に応じた、０．３〜３．０ｍｍの１刃あたり平均送り量で、倣いフライス加工するための、
    請求項１〜５に記載の切削工具インサートの使用。
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