JP2000517252A - 被覆された切削植刃 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、特に鋳鉄材料の切削に対して有益である被覆された切削植刃を開示する。この植刃は、高W合金化Coバインダー相を含む生のWC−Co超硬合金本体(A)、十分に規定された表面Co含有量、及び柱状晶粒のTiCXNYOZの最外側層(C)と微細粒で集合組織のαAl2O3の層(E)と切れ刃線に沿って除去されるTiCXNYOZの頂部相(F)とを含む被膜を特徴とする。
Description
【発明の詳細な説明】
被覆された切削植刃
本発明は、旋削加工による鋳鉄部品の機械加工に特に有益である被覆された切
削工具(超硬合金植刃)に関する。
鋳鉄材料は主に二つの範疇に入る鼠鋳鉄とノジュラー鋳鉄とに分けられる。一
般的に鋳鉄材料は、砂、錆、他の不純物の種々の介在物をほとんど含有する鋳肌
外層となり、またこの材料の錆よりも脱炭されフェライト領域を大量に含有する
。
Al2O3被覆切削工具で鼠鋳鉄材料を機械加工する場合、摩耗は化学的摩耗が
支配的となり、それは凝着摩耗と呼ばれる。切削工具を化学的摩耗から保護する
ために、可能な限り厚いAl2O3層を用いることが望ましい。このことは凝着摩
耗に係わる特性によって否定され、すなわち、この種の層に通常備わる凝着摩耗
は再研磨される。この層の断片または個々の粒が形成された工作物の切粉によっ
て切れ刃から引き剥がされるときに、凝着摩耗は発生する。特に、大量のフェラ
イトが存在する表面領域では、被膜の粘着特性に関する要求が厳しく見積もられ
、且つ工作物の鋳肌のそれぞれの介在物の組合せにより、主切れ刃の切り込み深
さに切り欠け摩耗を発生させる。
鼠鋳鉄の機械加工における他の臨界因子は、超硬合金植刃と被膜との間の界面
における過剰Coバインダー相に対する感受性である。過剰Coバインダー相が
被膜と超硬合金との間の粘着性を低下させ、且つ機械加工の際に被膜の剥離をも
たらす。
スウェーデン特許願書9502640−7号は超硬合金本体からなる被覆切削
植刃を開示し、超硬合金本体は5〜11wt%のCo
、10%未満好ましくは1.5〜7.5wt%のTi、Ta及び/またはNbの
金属立方晶炭化物、及び残部WCの組成であり、特に低合金鋼構成材を旋削加工
により機械加工するのに適している。
次の特徴を組み合わせることによって、すなわち、高W合金バインダー相を有
する超硬合金本体と、低含有量の立方晶炭化物および特別な焼結処理から得られ
る十分に規定された表面組成と、柱状晶TiCXNYOZ層と、集合組織のαAl2
O3層と、TiN層と、使用した刃先を簡単に識別する要求を満足することと、
ブラシ掛けによる被覆切れ刃の後処理と、鋳鉄材料特に鼠鋳鉄の機械加工用に優
れた切削工具と、が得られる驚くべきことが判明した。
図1は、本発明にしたがう被覆植刃の倍率2000×の顕微鏡写真であり、
A:超硬合金本体
B:等軸粒のTiCXNYOZ層
C:柱状晶粒のTiCXNYOZ層
D:等軸粒または針状粒のTiCXNYOZ層
E:柱状晶状粒を有する集合組織ののαAl2O3層
F:TiN層
である。
本発明にしたがい、切削工具植刃は、5〜10wt%のCo、好ましくは5〜
8wt%のCo、2%未満好ましくは0.5未満の最も好ましくは0wt%のT
i、Ta及び/またはNbの金属の立方晶炭化物、及び残部WCの組成である。
WCの粒径は1〜2.5μmの範囲にある。コバルトバインダー相は大量のWで
合金化される。バインダー相中のW含有量は、
CW比=MS/(wt%Co・0.0161)
として表示することができ、
この式においてMSは、超硬合金本体の測定された飽和磁場であり、kA/m
で示される、且つ
wt%Coは超硬合金中のCoの重量%である。低CW値は、バインダー相中
の高W含有量に相当する。
超硬合金本体が0.75〜0.93好ましくは0.80〜0.90のCW比を
有する場合に、改良された切削性能を達成できることが本発明にしたがいここで
明らかになった。超硬合金本体は、いずれの悪影響もなく少量の1体積%未満の
イータ相(M6C)を含有することができる。
超硬合金植刃の表面組成は明瞭に限定され、表面のCo含有量は公称含有量の
−4wt%〜+4wt%内にある。
代わりに、本発明にしたがう超硬合金はWC及びCoを含み、且つ約100〜
350μm好ましくは150〜300μmの幅のバインダー相の枯渇した表面を
有し、バインダー相含有量が超硬合金本体の内部の公称含有量まで最大に達する
ことなく単調に無段階状態に増加する。50μmの表面相の平均バインダー相含
有量は、公称バインダー相含有量の25〜75%、好ましくは40〜60%であ
る。
被膜は、次の層を含む。
* x+y+z=1、好ましくはy>x及びz<0.1、最も好ましくはy>
0.8及びz=0である0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの第1の層(最
内層)で、且つ大きさが0.5μm未満の等軸粒を有する。代わりの実施態様に
おいては、TiCXNYOZ層は,好ましくはz<0.5でy<0.1、最も好ま
しくは0.1<z<0.5でy=0である。
* x+y+z=1、好ましくはz=0及びx>0.3及びy>0.3、最も
好ましくはx>0.5であり、4〜12μm好ましく
は5〜10μm最も好ましくは6〜9μmの厚みのTiCXNYOZの層であり、
且つ5μm未満好ましくは2μm未満の直径の柱状晶粒を有する。
* x+y+z=1、z<0.5、好ましくはx>y、最も好ましくはx>0
.5及び0.1<z<0.4であり、0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの
層であり、0.5μm未満の等軸粒または針状粒を有し、この層は最外層と同一
かまたは相違する。
* 集合組織で微細粒(0.5〜2μmの平均粒径を有する)のαAl2O3の
層で、3〜8μm好ましくは3〜6μmの厚みを有する。そして、
* TiCXNYOZの外側層。このTiCXNYOZの層はx+y+z=1、z<
0.05好ましくはy>xの組成を有する1層またはそれ以上の層からなりる。
代わりに、この外側層は、1層または数層の連続層中にTiN/TiC/TiN
の多層とすることができ、合計厚さは0.5〜3μm好ましくは1〜2μmであ
る。この層は1μm未満の粒径を示す。
機械加工に適切で滑らかな切れ刃線を得るために、スウェーデン特許願書94
02543−4号に記載される方法にしたがって、被覆植刃の刃は10μmの長
さに渡って表面粗さRMAX≦0.4を付与するブラシ掛け処理を施す。この処理
はTiCXNYOZの頂部の層を切れ刃線に沿って除去する。また、表面を湿式ブ
ラシ掛け処理によって滑らかにすることは本発明の範囲内である。
さらに、米国特許第5,654,035号またはスウェーデン特許願書930
4283−6号または9400089−0号に開示されるように、αAl2O3層
は、X線回折装置(XRD)で測定されるように、(104)方向、(012)
方向または(110)方向のいずれかの方向に、好ましくは(012)方向に優
先結晶成長
方位を持っている。集合組織係数、TCは次のように定義される。すなわち、
TC(hkl)=[I(hkl)/I0(hkl)]×{[(1/N)Σ[I(hkl)/I0(hkl)]}-1
I(hkl)はこの(hkl)反射の測定強度
I0(hkl)はASTMの標準粉末の標準強度
パターンの回折試料
nは計算に使用した反射数
(hkl):使用した反射は(012)、(104)、(110)、(113)
、(024)、(116)である。
(012)、(104)また(110)の結晶面の組のTCは、1.3より大
きく、好ましくは1.5より大きくするのが当然である。
本発明の方法にしたがう上記のCW比を有する高W合金化バインダー層を含む
WC−Co基超硬合金本体は焼結工程が施され、且つ米国特許第5,380,4
08号に開示するようにエッチングによって表面コバルトを除去した。代わりの
WC−Coからなる超硬合金に対しては、少なくとも1200℃以下までの冷却
が、スウェーデン特許願書9602750−3号の開示のように、圧力0.4〜
0.9の水素雰囲気中で実施してもよい。
植刃は次のように被覆される。すなわち、
* x+y+z=1、好ましくはy>x及びz<0.1、最も好ましくはy>
0.8及びz=0である0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの第1の層(最
内層)であり、且つ大きさが0.5μm未満である等軸粒を有する。代わりの実
施態様においては、TiCXNYOZ層は,好ましくはz<0.5及びy<0.1
、最も好ましくは0.1<z<0.5及びy=0を有する。
* x+y+z=1、好ましくはz=0及びx>0.3及びy>0.3、最も
好ましくはx>0.5である4〜12μm好ましくは5〜10μmの厚みのTi
CXNYOZの層であり、且つ5μm未満好ましくは2μm未満の直径の柱状晶粒
を有し、好ましくはMTCVD法によって蒸着される(700〜900℃の温度
範囲でこの層を形成するために炭素及び窒素の源としてアセトニトリルを使用す
る)。しかしながら、正確な条件は使用する装置の仕様に大きく依存する。
* x+y+z=1、z<0.5、好ましくはx>y、最も好ましくはx>0
.5及び0.1<z<0.4であり、0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの
層であり、且つ0.5μm未満の大きさの等軸粒または針状粒であり、既知のC
VD法を使用してこの層は最内層と同一かまたは相違させる。
* 米国特許第5,654,035号またはスウェーデン特許願書93042
38−6号または9400089−0号にしたがう滑らかで集合組織のαAl2
O3の中間層で、3〜8μm好ましくは3〜6μmの厚みを有する。
* TiCXNYOZの外側層は、x+y+z=1、z<0.05、好ましくは
y>xである組成の1層または数層の連続層からなる。代わりに、この外側層は
1層または数層の連続層中にTiN/TiC/TiNの多層とすることができる
。合計被膜厚さは、0.5〜3.0μm好ましくは0.5〜2.0μmである。
この外側層の粒径は1μm未満である。
植刃の刃線は、例えば、スウェーデン特許願書9402543−4号に開示す
るように、刃をブラシ掛けすることによって滑らかにされる。
z>0のTiCXNYOZ層が望ましい場合、CO2及びCOの
少なくとも一方が反応混合ガスに添加される。実施例1
A. 6.0wt%のCoと残部WCの組成の型式CNMG120412−K
Mの超硬合金切削工具植刃は、1410℃の慣用の方法で焼結され0.6バール
のH2で1200℃以下に冷却される。この植刃は、0.85のCW比に相当す
る大量のWで合金化されたバインダー層を有し、且つエネルギ分散分光器で測定
したときに表面に7wt%に相当するCo含有量を有した。慣用のER処理のあ
と、植刃は、約0.2μmの平均粒径で且つx=0.1、y=0.9、z=0で
0.5μmの等軸のTiCXNYOZ層で被覆し、引き続き2.5μmの平均粒径
の柱状晶粒を有するx=0.55、y=0.45である0.8μmの厚みのTi
CXNYの層で被覆し、MTCVD法(処理温度850℃炭素/窒素の源としてC
H3CN)を使用した。同一被覆サイクルの際のその後の処理工程において、等
軸粒で0.2μmの平均粒径の1μm厚さのTiCXNYOZ層が蒸着され、引き
続き約1.2μm平均粒径を有する(012)集合組織のαAl2O3の5.0μ
mの厚さの層が米国特許第5,654,035号で与えられる条件でしたがって
蒸着された。αAl2O3層の頂部に、TiN/TiC/TiN/TiC/TiN
が、1.5μmの合計被膜厚さの多層構造で且つそれぞれの個々の層に0.3μ
m未満の平均粒径で蒸着された。最後に植刃は、切れ刃線を研削材料のようなS
iCを含有する320メッシュのブラシで滑らかにするブラシ掛け処理を施して
、外側のTiN/TiC多層が切れ刃線に沿ってブラシ掛け処理によって除去さ
れた。
B. 6.0wt%のCoと残部WCの組成の型式CNMG120412−K
Mの超硬合金切削工具植刃は、Aに記載されるような方法で被覆された。植刃は
0.88のCW比を有し且つそれらは冷
却工程の際にH2無しで慣用の焼結が施された。被覆処理の前に、この植刃は、
米国特許第5,380,408号にしたがう電解エッチング処理を含む表面洗浄
処理が成された。植刃表面のCo含有量は、エネルギ分散分光器で測定したとき
に約5wt%であった。超硬合金は、約250mymの幅のバインダー相枯渇表
面領域を有し、その表面領域のバインダー相含有量は、超硬合金本体の内部の公
称含有量まで最大なしに単調に無段階状態に増加した。25mymの表面領域の
平均バインダー相含有量は3wt%であった。この植刃は、Aと同一の最終ブラ
シ掛け処理が施された。
C. Aと同一バッチの型式CNMG120412−KMの超硬合金切削工具
植刃は、先行技術にしたがい2.0μm未満の粒径である4μmの等軸のTiC
層で被覆され、引き続き先行技術にしたがい6μmの厚みのαAl2O3層が被覆
された。、XRD分析はAl2O3の層が約60/40の比率のαAl2O3とκA
l2O3との混合物からなることを示した。XRDで測定した場合このαAl2O3
は優先成長方位を示さなかった。κAl2O3の粒径は2.0μmであったが、一
方αAl2O3は5.5μm以下の粒であった。
D. Cと同一バッチの超硬合金切削工具植刃、この植刃は被覆後にブラシ処
理が施された。
E. Aと同一バッチの型式CNMG120412−KMの超硬合金切削工具
植刃が、平均結晶粒径が0.2μmである2μmの等軸のTiCXNYの層で被覆
され、引き続き先行技術にしたがい、Aのような同一処理条件にしたがい蒸着す
る約3.0μmの平均粒径と6μm厚さの(012)の集合組織のαAl2O3の
層と共に8μm厚みの柱状晶TiCNが蒸着された。この植刃はAのような同一
のブラシ掛け処理が成された。
F. 6wt%のCoと4wt%の立方晶炭化物と残部WCとの組成の型式C
NMG120412−KMの超硬合金切削工具植刃は、Aのような同一の被覆処
理が成された。この植刃のCW比は0.88であり、それらは冷却段階の際にH2
を使用する焼結工程が成され、表面のCo含有量はエネルギ分散分光器によっ
て測定した場合に9%であった。この植刃はAのような同一のブラシ掛け処理が
成された。
G. 6.0wt%のCo残部WCとの組成の型式CNMG120412−K
Mの超硬合金切削工具植刃は、植刃Eに記載される手順のもとで被覆された。超
硬合金は0.98のCW比を有し、この植刃は冷却段階の際にH2を使用しない
慣用の焼結工程が成された。この植刃はER処理され且つ慣用の方法で洗浄され
た。被覆する前の表面のCo含有量は、エネルギ分散分光器で測定した場合に3
0wt%であった。この植刃はAのような同一のブラシ掛け処理が成された。
この植刃は正面削り作業で試験された。工作物材料はノジュラー鋳鉄、SS7
17であった。工作物の形状が各回転ごとに中断切削条件を与える。切削速度は
250m/minであり、送りは0.10mm/回転であり、切り込み深さは2
.0mmであった。この作業は冷却剤が使用された。
この種の作業は、一般的に連続的な切削剥離を生じる。被膜が植刃を断片状に
引き剥がした。摩耗は被膜が剥離した刃先線の部分として測定することができ、
この切削作業において使用された刃先線の合計長さを比較する。
植刃の種類 剥離した刃先線の%
A 5未満
B 5未満
C 100
D 70
E 25
F 20
G 50実施例2
上記実施例1のA、B、D及びEのタイプの植刃が、中断削り作業において鼠
鋳鉄SS0125で試験された。この切削条件は、被膜の耐剥離性並びに被膜の
化学的な凝着摩耗耐性に関する高い要求を評価することができる。工作物の形状
は、各回転に対して、工作物に二つの入口が中断切削条件を与えるようになって
いる。切削速度は300m/minであり、切削送りは0.25mm/回転であ
り、切り込み深さは2.0mmであった。機械加工は冷却剤を使用せずに行った
。
植刃の種類 刃先が摩耗する前の通過回数
A 60
B 55
D 48
E 48実施例3
実施例2と同一の切削条件及び実施例1と同一のバッチからのタイプA、B、
C、D及びFの植刃。この試験において、機械加工の際に冷却剤が使用された。
植刃の種類 通過回数 刃の状態
A 60 刃先線の重要でないチッピング
摩耗無し
B 55 刃先線の損傷無し、摩耗無し
C 48 切れ刃の破壊、植刃の摩耗
D 24 切れ刃の破壊、植刃の摩耗
F 24 切れ刃の破壊、植刃の摩耗実施例4
上記実施例1のタイプA、B及びGの超硬合金植刃が、被膜の剥離をもたらす
切れ刃の変形を発生し且つ植刃の摩耗を促進する旋削加工試験で試験された。試
験は、長手方向切削作業において送りと切り込み深さとの所定の組合せで、ノジ
ュラー鋳鉄SS00737で実施された。超硬合金の変形の発生する前の最も高
くできる切削速度が求められた。
植刃の種類 最も高くできる切削速度、m/min
A 475
B 450
G 400
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 リュングベルウ,ビョールン
スウェーデン国,エス―122 44 エンス
ケーデ,クルステタルベーゲン 96
(72)発明者 レナンデル,アンデルス
スウェーデン国,エス―135 53 テレス
ェ,ソフィーベルスベーゲン 33 アー
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.被膜と超硬合金本体とを含む切削工具植刃であって、 超硬合金本体が、WCと、5〜10wt%のCoと、周期律表のIVb、Vb またはVIb族の金属の炭化物を0.5wt%未満とを含み、高W合金化バイン ダー相を含み、0.8〜0.9のCW比を有し、且つ前記超硬合金本体の表面組 成が明瞭に限定され該表面のCo含有量が公称Co含有量の−4wt%〜+4w t%内にあり、 前記被膜が、 * 0.5μm未満の大きさの等軸粒を有し、且つx+y+z=1、y>x及 びz<0.1であり0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの第1の層(最内層 )、 * 2μm未満の直径の柱状晶粒を有し、且つx+y+z=1、z=0、x> 0.3及びy>0.3であり5〜10μmの厚みのTiCXNYOZの層、 * 0.5μm未満の大きさの等軸粒または針状粒を有し、且つx+y+z= 1、z<0.5及びx>yであり0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの層、 * 3〜6μmの厚みを有し滑らかで集合組織の微細粒(0.5〜2μm)で あるαAl2O3の層、及び * 1μm未満の粒径を有し、且つx+y+z=1、z<0.05であり0. 5〜3μmの厚みのTiCXNYOZの外側層、 を含んでなり、且つ 外側被膜層が少なくとも切れ刃線において除去されるので、Al2O3層が切れ 刃線に沿う頂部にあり、且つTiCXNYOZの外側層が逃げ側の頂部層である、 ことを特徴とする切削工具植刃。 2.前記αAl2O3の層が、(012)方向の集合組織と、1.3より大きな 集合組織係数TC(012)とを有することを特徴とする請求項1記載の切削工 具植刃。 3.TiCXNYOZの第1の層(最内層)がz<0.5及びy<0.1の組成 を有することを特徴とする先行請求項のいずれか1項に記載の切削工具植刃。 4.TiCXNYOZの外側層は1層または数層の連続層にTiN/TiC/T iNの多層を含むことを特徴とする先行請求項のいずれか1項に記載の切削工具 植刃。 5.WC−Co基超硬合金本体に、 * 少なくとも1200℃以下まで0.4〜0.9バールの圧力の水素雰囲気 で実施される冷却工程を含んでなる焼結工程を施し、且つその後、 * 既知のCVD法を使用して0.5μm未満の大きさの等軸粒を有し、0. 1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの第1の層(最内層)、 * 850〜900℃の所望の温度範囲においてこの層を形成するために炭素 源及び窒素源としてアセトニトリルを使用し、MTCVD法によって蒸着した柱 状晶粒及び5μm未満の直径を有し、4〜12μmの厚みのTiCXNYOZの層 、 * 既知のCVD法を使用して0.5μm未満の大きさの等軸粒または針状粒 を有し、0.1〜2μmの厚みのTiCXNYOZの層、 * 既知のCVD法を使用して3〜8μmの厚みを有し、(012)、(10 4)または(110)方向に集合組織となる滑らかで集合組織のαAl2O3の層 、及び * 既知のCVD法を使用して0.5〜3μmの厚みのTiCXNYOZの外側 層、 を被覆し及びさらに、 * TiCXNYOZの外側層がブラシ掛けまたはブラスト処理によって少なく とも切れ刃線で除去されるので、Al2O3層が切れ刃線に沿う頂部にあり、且つ TiCXNYOZの外側層が切削植刃の逃げ側の頂部層にある、 ことを特徴とする切削工具植刃の製造方法。
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