JP2001506929A - 立方晶窒化ホウ素切削工具 - Google Patents

立方晶窒化ホウ素切削工具

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Abstract

(57)【要約】 本発明は少なくとも１個の焼結接合埋込物(3)を有する超硬合金ボディ(2)を含む多層被覆切削工具に関し、埋込物は少なくとも１個の切れ刃(4)を形成する多結晶立方晶窒化ホウ素を含む。本発明は工具と加工部材／切りくず材の間の化学的相互作用を低減することによって、工具のすくい面のクレータ摩耗を低減し、スローアウェイチップの使用済みの刃を見分ける問題も軽減する。工具は以下のものを含む多層タイプの熱CVDにより被覆(5)を備え、Ti CxNyOzの第一の最内層で、ここでx+y+z=1、y>x及びz<0.2であり、サイズが0.5μm未満の等軸結晶粒で全厚みが1.5μm未満の層、Ti CxNyOzの第二の層で、x+y+z=1、好ましくはz=0、及びx>0.3、より好ましくはx>0.5であり、1〜8μmの厚みを有し、柱状結晶粒を有する層、α-若しくはκ-Al2O3、若しくはそれらの混合物の円滑で微細結晶粒（約1μmの結晶粒）の第三の層で、2〜10μmの厚みを有する層を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 立方晶窒化ホウ素切削工具 本発明は被覆切削工具に関し、より明確には多層被覆多結晶立方晶窒化ホウ素 工具に関し、及びその製造方法に関する。 例えば多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)製の切れ刃を有するインデキシャブルイ ンサート（スローアウェイチップ(indexable insert)）の形態の切削工具は、長 年に渡り鉄系材料の切りくず形成機械加工に使用されてきた。PcBNの魅力的な特 性には、高い靭性、良好な高温硬度、比較的高い化学的不活性を含む。 通常、切削工具に使用するPcBNは、他の硬質成分及び／若しくは金属結合剤と 混合した立方晶窒化ホウ素(cBN)からなる混合物である。混合物は多くの場合超 硬合金(cemented carbide)支持体と共に、高温、高圧の処理において焼結する。 現在のところ２種類の主要なタイプのPcBN材料が工具に使われている。 ある種類のPcBN材料は80重量％以上のcBNを含み、残部は金属結合相からなり 、通常工具の超硬合金部分に生じる通常Coである。そのような材料の実施例は米 国特許第5,326,380号において開示されている。この種類のいわゆる高cBN含有量 のPcBN材料で製造した工具は、多くの場合鋳鉄の機械加工に使用される。 もう一種類のPcBN材料はcBNをより少なく含み、それは約60重量％であり、残 部は周期律表のIVa〜VIa族金属で、通常Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物 、ホウ化物のような他の硬質及び耐摩耗成分である。そのような材料の実施例は 米国特許出願番号第08/440,773号に記載されている。この種類の低cBN含有量のP cBN材料は、焼き入れ鋼(hardened steel)及び他の硬質材料の機械加工用に設 計した切削工具に主に使用する。 従来、PcBN工具は超硬合金ボディ(body)のポケット(pocket)にろう付けしたPc BN埋込物(inlay)からなるものであって、このようにして形成した切削工具はそ の後適当な規格最終寸法に研削する。ろう付け(brazing)に一般的に使用するろ う(solder)は、600〜840℃の範囲の溶融点を有し、その温度が機械加工作業にお ける熱負荷の上限を定める。cBN／超硬合金ボディの接合部における温度が、ろ うの溶融点近傍若しくは溶融点を越える温度まで上昇すると、埋込物は滑り、工 具が作動しない原因となる。 PcBNの改良の概念は米国特許出願番号第08/446,490号に開示されていて、その 中で超硬合金ボディ、及び多結晶ダイヤモンド(PCD)若しくはPcBNのような超硬 質研磨材料の少なくとも１個のボディを含む金属切削インサートについて記載さ れていて、それは前記ボディの端面(edge surface)に接合し、その一方の側面か ら他方の側面に延びている。前記ボディの各々の角に配置した多数の超硬質ボデ ィが存在しうる。研磨材料はコンテナ内でボディに施し、その後上昇する圧力／ 温度工程において焼結し、同時にボディに接合する。例えばコンテナ内でセパレ ーター(separator)を使用する若しくは使用せずに、インサートを棒状の形態で すなわち一体で製造し、その後横断面でスライスし薄いインサートにするか、若 しくはインサートを分離した形で製造することができる。 PcBN工具で機械加工する際、PcBN相のクレータ摩耗の問題がしばしば起きる。 原因はアブレシブ摩耗(abrasive wear)と切りくずへの工具材料の化学的溶解(ch emical dissolution)の組合せであり、徐々に切れ刃を弱くし、その進行が最終 的に刃(edge)の破損をもたらす。化学的摩耗(chemical wear)は切削領域で引き 起こされる温度上昇による、工具材料と加工部材との間での化学的反応が原因で ある。PcBNを使用した典型的な機械加工作業において、逃げ面(flank)での工具 摩耗は通常小さい若しくは非常に小さい。このことは、使用した刃を未使用の刃 と区別することを困難にしている。インサート逃げ面の小さな摩耗跡(wear mark )を裸眼で観察することは困難である。 本発明の目的は耐摩耗切削工具及びその製造方法を提供することである。その 工具は例えば焼き入れ鋼や鋳鉄のような機械加工が困難な材料の切りくず形成機 械加工用であるということを意味する。本発明はすくい面(rake face)上の工具 材料の化学的溶解に関連した問題、クレータ摩耗を低減し、従って耐用期間を長 期化する。またインデキシャブル工具の使用済みの刃を見分ける問題も解決する 。 工具の概念は、少なくとも１個の切れ刃における焼結接合PcBN埋込物(sintere d-on PcBN inlay)を含む超硬合金ボディで形成した支持基板(substrate)からな り、前記埋込物は少なくとも40重量％のcBNを有し、前記支持基板は大容量反応 炉で高温CVD法を使用して堆積した多層耐摩耗被覆を備えている。 根本的に多層被覆は第一、第二及び第三の層から構成され、各々優れた付着性 、耐摩耗性及び化学的安定性を有する。更に付着性を高め拡散を抑制する中間層 や、使用済みの切れ刃を容易に見分けるための黒色でない外側被覆層を任意に選 択して使用する。 ろう接合がないため、発明の工具は経済的製造規模の装置において高温CVD法 を使用して被覆しても良い。そのように被覆した工具は焼結超硬質埋込物と被覆 の間で好ましい化学反応度を有して優れた被覆付着性を示す。超硬質埋込物から 被覆への結合相成分の外方拡散(out-diffusion)を中間層の形成により制御して も良く、この層はまたその高い比表面積により２つの引き続く被覆層の間で付着 性の改良をもたらすという有益な効果を有する。本発明により、高温CVD法の使 用により酸化アルミニウムの堆積をも可能にし、PcBN工具の酸化及びクレータ摩 耗耐性を著しく増加させる。高温CVD被覆の組合せにより、現在のPcBN工具の技 術的適用領域を拡大する魅力的な特性を有したPcBN工具を提供する。工具の実用 的な使用において、容易に使用済みの刃を識別するため、透明でなく、黒色でな い表面層を堆積することで更に改良できる。 図１は、切れ刃(4)を形成する焼結接合埋込物(3)を有した超硬合金ボディ(2) を含む被覆PcBN切削工具(1)の上面図である。 図２は被覆PcBN切削工具の対角断面図を示し、(5)は被覆、(6)は一方の側面(7 )から他方の側面(8)へ延びる端面である。 図３は多層被覆PcBN工具の詳細な断面図を示し、第一の層(9)、第二の層(10) 、第三の層(11)、及び外側の黒色でない任意な層(12)を示す。 本発明の切削工具は、１個若しくは複数の切れ刃、例えばドリル、エンドミル 、インデキシャブルインサート、好ましくは米国特許出願番号第08/446,490号に 従って製造した複数コーナータイプのインサートにおいて、超硬質研磨材料の焼 結接合埋込物を有した超硬合金ボディを含むあらゆる形状でありえる。開示した 工具の好ましい実施態様について概略の上面図を図１に示す。インデキシャブル インサート(1)は超硬合金ボディ(2)、及び前記ボディ(2)の端面(6)に接合し、図 ２の前記インサート(1)の対角線に沿った概略の断面図に示したように、好まし くはその一方の側面(7)から他方の側面(8)へ延びている少なくとも１個のPCD若 しくはPcBNのような超硬質研磨材料の焼結接合埋込物(3)とを含む。前記ボディ( 2)の他の端面に配置し、少なくとも１個の切れ刃(4)を与える多数の超硬質埋込 物(3)があり得る。超硬質研磨材料埋込物(3)は、その未 焼結の状態の粉末としてコンテナ内でボディ(2)に施し、その後上昇する圧力／ 温度工程で焼結し、同時に前記ボディ(3)に接合する。例えばコンテナ内でセパ レーターを使用する若しくは使用せずに、工具を棒状の形態ですなわち一体で製 造し、それを好ましい実施態様においては横断面でスライスし薄いインサートに するか、若しくはインサートを分離した形で製造することができる。 超硬合金ボディ(2)は好ましくは10〜20重量％、より好ましくは15〜17重量％ のCoを有するWC-Coである。 PcBN埋込物(3)は40重量％以上のcBNを含み、前述したようなPcBN材料の所望の 種類に依存して、１つの好ましい実施態様においては50〜70重量％のcBNを、若 しくは他の好ましい実施態様においては80重量％以上のcBNを含む。残部はCoの ような金属結合剤、及び技術上周知となっているような周期律表のIVa〜VIa族金 属の、好ましくはTiの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、ホウ化物のような硬 質及び耐摩耗セラミック成分である。１つの好ましい実施態様においては結合剤 はセラミックタイプのものであり、他の好ましい実施態様においては結合剤は金 属である。 図２において断面図で示した被覆(5)は、ここでMを周期律表のIVaからVIa族の 金属として、M(N,C,O)及びAl2O3の少なくとも３層で任意の数の層の組み合わせ を含む多層タイプのものである。図３は断面図をより詳細に示したものである。 １つの実施態様において被覆は以下のものを含む。 ・Ti CxNyOzの第一の最内部の層(9)で、ここでx+y+z=1、好ましくはy>x及びz< 0.2、より好ましくはy>0.8及びz=0であり、サイズが0.5μm未満の等軸結晶粒で 全厚みが1.5μｍ未満で好ましくは0.1μmを超えるもの。 ・Ti CxNyOzの第二の層(10)で、x+y+z=1、好ましくはz=0 、x>0.3、より好ましくはx>0.5であり、1〜8μm、好ましくは3〜7μmの厚みを有 し、平均直径5μm未満、好ましくは0.1〜2μmの柱状結晶粒(columnar grain)を 有するもの。第二の層(10)を従来の熱CVD(thermal CVD)若しくは好ましくはMT-C VD技術により堆積しても良い。 ・α-若しくはκ-Al2O3、若しくはそれらの混合物の円滑で微細な結晶粒（約1 μmの結晶粒）の第三の層(11)で、2〜10μm、好ましくは3〜6μmの厚みを有する もの。好ましくはAl2O3の第三の層(11)は最外部の層であるが、使用済みの刃を 容易に見分けるための例えばTiNのような好ましくは黒色でない薄い層（2μm未 満、好ましくは0.01〜0.5μm）が更に続いても良い。 ・任意に選択して、第一及び第二のTi CxNyOz層についてz=0の場合、１層若し くはそれ以上の中間Ti CxNyOz層があっても良く、ここでx+y+z=1、0.1<z<0.5（ 好ましくはx=0.6、y=0.2、及びz=0.2）で、0.1〜2.0μm、好ましくは0.1〜0.5μ mの厚みで、サイズが0.5μm未満の等軸若しくは好ましくは針状(needlelike)結 晶粒で、第一の層に代えて、若しくは第一の層の前に、若しくは第二の層の前の 第一の層上に等、工具(1)上に堆積させる。好ましくは中間層は、第一及び第二 の層の間、及び／若しくは第二の層(10)及び第三の層(11)の間にある。そのよう な中間層は多層構造において２つの引き続く被覆の間の付着性を高める有益な特 性を有し、その下にある超硬合金ボディ若しくはcBN埋込物からの結合層の外方 拡散を本質的に制限する。 そのように被覆したインサートを機械的に処理しても良く、そうすることで更 に工具性能を改良できる。そのような後処理の例は、ブラッシ仕上げ(brushing) 若しくは噴射加工(blasting)であり、それによってインサートをより円滑で光沢 のあるものにするだけでな く、加工部材材料への親和性(affinity)を低減し、被覆の応力状態を変化させる 。特に刃の外形(edge line)の性能が機械的処理により改良されており、そのた め刃の外形はより円滑になり、剥離(flaking)を被りにくくなる。このことを行 う際には、外側のTiN層(12)は部分的に若しくは完全に取り除いても良く、下に あるAl2O3層(11)は切れ刃に沿って部分的に若しくは完全に取り除く。 本発明はまた熱活性(thermally activated)化学気相成長(CVD)処理を使用した 多層被覆の堆積方法にも関し、生産規模の円筒形の高温壁体CVD炉(hot-wall CVD reactor)、好ましくは中央の回転ガス分配管を備えていて、ここでプロセスガ ス(process gas)は放射状に流れるようになっているもので行われる。その方法 は以下のものを850℃を超える温度において本質的に公知のCVD法を使用した堆積 方法により実行できる。 ・0.1〜2μmの厚みを有し、サイズが0.5μm未満の等軸結晶粒を有するTi CxNy Ozの第一の層。 ・好ましくは850〜900℃の温度で、層を形成するための炭素及び窒素源として アセトニトリル(acetonitrile)を用いるMTCVD技術を使用した、2〜15μmの厚み を有し、直径5μm未満の柱状結晶粒を有するTi CxNyOzの第二の層。 ・2〜10μmの厚みを有するα-若しくはκ-Al2O3層の円滑な第三の層。 ・2μm未満、好ましくは0.01〜0.5μmの厚みの、例えばTiNの透明でなく、黒 色でない任意選択の外側層。 好ましい実施態様において、少なくとも１層のTi CxNyOzの中間層を、公知のC VD法を使用して、0.1〜2μmの厚みを有し、サイズが0.5μm未満の等軸若しくは 針状結晶粒を有して堆積し、z>0の場合においてはプロセスガスにCO2若しくはCO を添加するこ とで酸素を導入する。 更に好ましい実施態様においては外側の層及び第三の層は、機械的ブラッシ仕 上げ若しくはグリットブラスティング(grit blasting)により切れ刃に沿った領 域から、部分的に若しくは完全に取り除く。 実施例１ 15重量％Co及び85重量％WCの組成を有する超硬合金ボディからなるインデキシ ャブル多コーナーインサート(Indexable multi-corner insert)は、cBN含有量60 重量％及び40重量％のTi(C,N)を有する焼結接合PcBN埋込物を備えている。イン サートはCNGN 120408 S01020の形状で、上述及びより詳細に米国特許出願番号第 08/446,490号において記載されたように、埋込物は堅く超硬合金ボディに焼結し ている。インサートは以下により詳細に記載したように、その後熱CVD法を使用 して被覆した。 上述のように被覆処理は、中央の回転ガス分配管を備えガス流れが半径方向に なっている生産規模の円筒形の高温壁体CVD炉で行った。工具を以下のように多 層で被覆し、それは0.5μmの等軸の第一TiCN層と、引き続くMTCVD技術を使用し た（処理温度850℃、炭素／窒素源としてCH3CNを使用）明白な柱状結晶粒を有す る厚み4μmの第二TiCN層である。その後の同じ被覆サイクルの処理工程において 、針状結晶粒を有する厚み1μmのTi CxNyOz中間層（約x=0.6、y=0.2、及びz=0.2 ）を堆積させた。スウェーデン特許第501 527号において与えられた条件に従っ て、1020℃の温度で堆積させた厚み5.5μmのα-Al2O3層である第三の層を成長さ せた。最後に0.3μmのTiN外側層を、使用済みの切れ刃を容易に見分けられるよ うにもする装飾層として施した。 多層被覆は超硬合金ボディ及びPcBN埋込物に対して優れた付着性 を示した。冷却き裂の網状模様(Net-work of cooling crack)をSEMにより発見し た。また、研磨した断面において光学顕微鏡により、第二の層と中間層の界面に 位置したサイズが0.5〜1.0μmの金属Coのスポットが見られた。CoはPcBN埋込物 に起因し、被覆処理において第一及び第二の層を通って外方に拡散した。しかし ながら中間層は更なる外方拡散を妨げ、Coをその下に捕集した。このようにして 、望ましくないCoを含む層の形成により、第三のアルミナ層及び付着性の劣化(d egradation)を妨げることを可能にしている。 実施例２ 第三の層がκ-アルミナからなることを除いて、実施例１に記載したように工 具を作成し、その表面はα-アルミナのものと比較してより円滑な外観を有して いた。 実施例３ 160メッシュのアルミナグリット及び2.2バールの噴射圧力(blasting pressure )を使用した被覆後機械的処理の噴射加工を工具に行ったことを除いて、実施例 １に記載したように工具を作成した。その処理は工具表面を円滑な外観にした。 実施例４ 針状結晶粒を有する厚み0.5μmのTi CxNyOz（約x=0.6、y=0.2、及びz=0.2）の 追加の中間層を、第一及び第二の層の間に堆積させたことを除いて、実施例１に 記載したように工具を作成した。これによってCoが超硬合金若しくはcBNから外 方拡散するのを更に制限することができた。 実施例５ 実施例１による被覆インサートを旋削テストにおいて同様のタイプの未被覆参 照インサートと比較した。テストのパラメータを以下のようにした。 加工部材材料 硬度60HRCの焼き入れ軸受鋼DIN 100CrMo6 切削速度 100m/min 送り 0.20mm/rev 切込み深さ 0.15mm 作業タイプ 正面削り 切削液 あり 工具寿命の判定基準 刃の破損(edge breakage) 被覆切削工具は破損するまで95回のパス(pass)に耐え、一方未被覆の参照試料 はわずか60回のパス後に破損した。被覆工具は未被覆の参照試料と比較して逃げ 面の摩耗が非常に少なかった。しかしながら刃の性能において主要な違いは、同 一の機械加工時間の後に被覆工具は未被覆の参照試料よりクレータ摩耗が著しく 少ないということである。両方の場合において工具の破損はクレータ摩耗により 起こり、その過程は工具材料が徐々に切りくず中に溶解し、従って工具表面から 材料が取り除かれることによる。クレータのサイズ及び深さが大きくなるにつれ て、切れ刃は徐々に弱くなり、突然の破損という結果になる。この溶解の進展は 、未被覆のものと比較して被覆した工具において程度が著しく少ない。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．超硬合金ボディの端面に少なくとも１個の焼結接合埋込物を有する超硬合 金ボディを含み、前記埋込物は40重量％以上の多結晶立方晶窒化ホウ素を含み、 少なくとも１個の切れ刃を形成している多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)工具にお いて、Mを周期律表のIVaからVIa族の金属として、M(N,C,O)及びAl2O3の任意の数 の層の組み合わせからなる多層被覆をその全厚みが5〜14μmの範囲で有すること を特徴とする多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)工具。 ２．前記多層被覆が少なくとも第一、第二、及び第三の層、すなわち Ti CxNyOzの前記第一の層であって、x+y+z=1、y>X及びz<0.2、好ましくはy>0. 8及びz=0であり、サイズが0.5μm未満の等軸結晶粒で全厚みが1.5μm未満、好ま しくは0.5μm未満の層、 Ti CxNyOzの前記第二の層であって、x+y+z=1、好ましくはz=0、及びX>0.3、よ り好ましくはx>0.5であり、1〜8μm、好ましくは3〜7μmの厚みを有し、平均直 径5μm未満、好ましくは0.1〜2μmの柱状結晶粒を有する層、 α-若しくはκ-Al2O3、若しくはそれらの混合物の円滑で微細な結晶粒（約1μ mの結晶粒）の前記第三の層であって、２〜10μm、好ましくは3〜6μmの厚みを 有する層 を含むことを特徴とする請求項１記載の工具。 ３．多層被覆が更に1.0μm未満、好ましくは0.1〜0.5μmの厚みの少なくとも １層の中間Ti CxNyOz層を含み、ここでx+y+z=1、y<0.1、0.1<z<0.5で、サイズが 0.5μm未満の等軸若しくは好ましくは針状結晶粒で、前記中間層は以下の場所、 前記超硬合金若しくは多結晶立方晶窒化ホウ素と前記第一の層の間、 前記第一の層と前記第二の層の間、若しくは 前記第二の層と前記第三の層の間 の少なくとも１カ所に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の工 具。 ４．前記中間層が前記第二の層と前記第三の層の間にあることを特徴とする請 求項３記載の工具。 ５．前記中間層が前記第一の層と前記第二の層の間、及び前記第二の層と前記 第三の層の間にあることを特徴とする請求項３記載の工具。 ６．前記超硬合金ボディが10〜20重量％Co、好ましくは15〜17重量％Coを有す るWC-Coからなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の工具。 ７．前記多層被覆が前記切れ刃に沿った領域から部分的に取り除かれているこ とを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の工具。 ８． 850℃を超える温度において本質的に公知のCVD法を使用して、前記工具 は以下の層、 0.1〜2μmの厚みを有し、サイズが0.5μm未満の等軸結晶粒を有するTi CxNyOz の第一の層、 2〜15μmの厚みを有し、直径5μm未満の柱状結晶粒を有するTi CxNyOzの第二 の層であって、好ましくは850〜900℃の温度範囲で、前記層を形成するための炭 素及び窒素源としてアセトニトリルを用いるMTCVD技術を使用した層、 2〜10μmの厚みを有する円滑なα-若しくはκ-Al2O3の第三の層、 2μm未満、好ましくは0.01〜0.5μmの厚みの、例えばTiNの透明でなく、黒色 でない任意選択の外側層 で被覆されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の前記PcBN工具 の製造方法。 ９．少なくとも１層のTi CxNyOzの中間層は0.1〜2μmの厚みを有し、サイズが 0.5μm未満の等軸若しくは針状結晶粒を有して堆積し、公知のCVD法を使用して 成長させ、z>0の場合においてはプロセスガスにCO2若しくはCOを添加することで 酸素を導入することを特徴とする請求項８記載の方法。 １０．前記外側層及び前記第三の層を、機械的ブラッシ仕上げ若しくはグリッ トブラスティングにより前記切れ刃に沿った領域から部分的に若しくは完全に取 り除くことを特徴とする請求項８又は９記載の方法。
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