JP2009090452A - 耐熱超合金の一般旋削のための被覆切削工具 - Google Patents

耐熱超合金の一般旋削のための被覆切削工具 Download PDF

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Abstract

【課題】超合金の一般旋削に有用な被覆超硬合金インサートを提供する。
【解決手段】インサートは、ＷＣ、５．０〜７．０重量％のＣｏ、０．２２〜０．４３重量％のＣｒの超硬合金の組成および１９〜２８ｋＡ／ｍの保磁力（ＨＣ）により特徴づけられる。被膜は、（ＴｉxＡｌ1-x）Ｎの単層からなり、ｘが０．２５〜０．５０であり、ＮａＣｌタイプの結晶構造を持ち、全厚さが３．０〜５．０μｍであり、（２００）配向を持ち、２．５×１０-3〜５．０×１０-3の圧縮残留歪みを持ち、ＴｉＮの最外層がさらに堆積されることもある。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に耐熱超合金の一般旋削に有用な、超硬合金基材および被膜からなる切削工具インサートに関する。微粒基材と組み合わせた残留歪みのレベルが低い厚いＰＶＤ被膜により、耐摩耗性が大きく向上する。
超合金は、高温での並はずれた機械的性質および化学的性質が要求される用途のために特に開発された、ニッケル、鉄およびコバルトを主成分とする広範囲の合金である。これらの合金の典型的な利用は、航空機エンジンおよび陸上タービンの熱端である。高温特性を向上させるためになされた冶金学的変化はほとんど全て、これらの合金の機械加工をより困難にする。
高温強度が増大するにつれ、合金は切削温度でより硬く堅くなる。これは、機械加工の間の切削抵抗を増加させ、刃先の摩耗を増大させる。
強度の高い材料ほどチップ形成の間に多量の熱を発生しこれらの合金の熱伝導率は比較的低いため、非常に高い切削温度が発生し、これも刃先での摩耗の増大の一因となる。
より悪いことに、鋳造したままの性質または溶体化処理後の性質を変えるために合金が熱処理されると、摩耗性の炭化物析出物などの第２相粒子がしばしば形成する。これらの粒子も刃先の急速な摩耗を起こす。
本発明の目的は、超合金の一般的な湿式機械加工のための、向上した耐摩耗性を持つ被覆超硬合金を提供することである。
驚くべきことに、低Ｃｏ含量およびサブミクロンＷＣ粒径を有し、物理蒸着を利用して成長した（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ単層により被覆された超硬合金が、湿潤条件下で超合金の一般旋削における生産性を著しく向上させることが見いだされた。
本発明によると、基材および被膜からなる被覆切削工具インサートが提供される。前記基材は、ＷＣと、５．０〜７．０、好ましくは５．５〜６．５、最も好ましくは５．８〜６．２重量％のＣｏと、０．２２〜０．４３、好ましくは０．２４〜０．３３、最も好ましくは０．２６〜０．２９重量％のＣｒとからなり、保磁力（Ｈｃ）が１９〜２８、好ましくは２１〜２７、最も好ましくは２２．５〜２６．５ｋＡ／ｍである。好ましくは、被覆前のインサートの刃先半径は１５〜３０μｍである。
被膜は（ＴｉxＡｌ1-x）Ｎの単層からなり、ｘは０．２５〜０．５０、好ましくは０．３０〜０．４０、最も好ましくは０．３３〜０．３５である。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の結晶構造はＮａＣｌタイプである。層の全厚さは３．０〜５．０μｍであり、好ましくは３．５〜４．５μｍである。この厚さは、逃げ面の中央で測定される。
上記の層は、（２００）方向に強く配向しており、配向係数(texture coefficient)ＴＣ（２００）が１．６〜２．１である。
配向係数（ＴＣ）は以下のように定義される。
上式において、
Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の強度、
Ｉ0（ｈｋｌ）＝ＪＣＰＤＳカード３８−１４２０番による標準強度、
ｎ＝計算に利用した反射の数、
使用した（ｈｋｌ）反射は、（１１１）、（２００）、（２２０）
である。
前記層は、２．５×１０-3〜５．０×１０-3、好ましくは３．０×１０-3〜４．０×１０-3の歪みをもつ圧縮残留応力の状態にある。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの上に、厚さが０．１〜０．５μｍのＴｉＮ層を堆積してもよい。
本発明は、基材および被膜からなる被覆切削工具インサートを製造する方法にも関する。基材は、混練、加圧成形および焼結の従来の粉末冶金法により製造される。基材は、ＷＣと、５．０〜７．０、好ましくは５．５〜６．５、最も好ましくは５．８〜６．２重量％のＣｏと、０．２２〜０．４３、好ましくは０．２４〜０．３３、最も好ましくは０．２６〜０．２９重量％のＣｒとから成る組成を持ち、保磁力（Ｈｃ）が１９〜２８、好ましくは２１〜２７、最も好ましくは２２．５〜２６．５ｋＡ／ｍである。
被覆の前に、インサートはウェットブラスト法により、好ましくは１５〜３０μｍの刃先半径にエッジホーニングされる。
層の成長に利用される方法は、以下の条件での合金化カソードまたは複合カソードのアーク蒸発に基づく：Ｔｉ＋Ａｌカソード組成が２５〜５０原子％のＴｉ、好ましくは３０〜４０原子％のＴｉ、最も好ましくは３３〜３５原子％のＴｉである。
被覆の前に、好ましくはソフトイオンエッチング(soft ion etching)により、表面を清浄化する。このイオンエッチングは、Ａｒ雰囲気またはＡｒ＋Ｈ2混合雰囲気中で実施される。
蒸発電流は、カソードの大きさおよびカソード材料により５０Ａ〜２００Ａである。直径６３ｍｍのカソードを使用する場合、蒸発電流は好ましくは６０Ａ〜１００Ａである。基材バイアスは−２０Ｖ〜−３５Ｖである。堆積温度は４００℃〜７００℃であり、好ましくは５００℃〜６００℃である。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、０〜５０体積％のＡｒ、好ましくは０〜２０体積％のＡｒからなるＡｒ＋Ｎ2雰囲気中で、全圧１．０Ｐａ〜７．０Ｐａ、好ましくは３．０Ｐａ〜５．５Ｐａで成長させる。
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の上に、厚さが０．１〜０．５μｍのＴｉＮ層を、公知のアーク蒸発により堆積してもよい。
本発明は、インコネル７１８、インコネル６２５、ナイモニック８１、ワスパロイまたはＴｉ６Ａｌ４Ｖなどの超合金を、切削速度２０〜７５ｍ／分、切り込み深さ０．２〜２．５ｍｍおよび送り０．０５〜０．３０ｍｍ／ｒｅｖで湿式機械加工するための上述のインサートの使用にも関する。
〔実施例１〕
基材および被膜からなるCNMG120412-MR3およびCNMG120408-MF1のタイプの超硬合金切削工具インサートを調製した。基材は、混練、加圧成形および焼結により製造した。組成は、５．９重量％のＣｏ、０．２７重量％のＣｒ、残部ＷＣであった。保磁力は２４．０ｋＡ／ｍであり、約０．８０μｍの平均ＷＣ粒径に相当する。
前記インサートをウェットブラストし、２５μｍの刃先半径にした。
前記被膜を、直径６３ｍｍのＴｉ0.34Ａｌ0.66カソードのアーク蒸発を利用して成長させた。堆積は、純度９９．９９５％のＮ2雰囲気中で全圧４．５Ｐａで、基材バイアス−３０Ｖを利用し６０分間実施した。堆積温度は約５３０℃であった。層の厚さは、逃げ面の中央で３．８μｍであった。Ｘ線回折は、（ＴＣ）＝１．８の強い（００２）配向を示し、残留歪みは３．５×１０-3であった。
図１はインサートの破断面を示す。
〔実施例２〕
実施例１のCNMG120412-MR3タイプの被覆インサートを、以下の条件で長手方向に沿った中荒旋削(medium-rough turning)で耐摩耗性に関して試験した。
被加工材： 丸棒
材料： インコネル７１８
切削速度： ５０ｍ／分
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ： ２．０ｍｍ
備考： フラッドクーラント(flood coolant)
基準： セコＣＰ２００
結果
工具寿命の基準は、切削速度５０ｍ／分で逃げ面摩耗０．２ｍｍを与える最長切削時間（分）とした。結果を表１に示す。
この試験は、本発明によるインサートがセコＣＰ２００よりも約４０％長い工具寿命を得ることを示している。
〔実施例３〕
実施例１のCNMG120408-MF1タイプの被覆インサートを、以下の条件で長手方向に沿った精密旋削で耐摩耗性に関して試験した。
被加工材： 丸棒
材料： インコネル７１８
切削速度： ５５、７０ｍ／分
送り： ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ： ０．５ｍｍ
備考： フラッドクーラント
基準： セコＣＰ２００
結果
逃げ面摩耗０．２ｍｍになる時間を分で測定した。結果を表２に示す。
この試験は、本発明によるインサートがセコＣＰ２００に比べ工具寿命生産性を４０％増大させることを示している。
〔実施例４〕
実施例１のCNMG120412-MR3タイプの被覆インサートを、以下の条件で中荒穿孔(medium-rough boring)操作で工具寿命に関して試験した。
被加工材： 特殊材
材料： インコネル７１８
切削速度： ３７ｍ／分
送り： ０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ： ３．２ｍｍ
備考： フラッドクーラント
基準： 競合他社の材質(competitor grade)
結果
機械加工された基準材質は、７分４０秒後に完全な工具寿命に達した。本発明によるインサートは、１１分５０秒後に完全な工具寿命に達した。
この試験は、本発明によるインサートが工具寿命を最大５０％増大させることを示している。
図１は、１）超硬合金ボディおよび２）（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ単層から成る本発明による被覆超硬合金基材の破断面を示す。

Claims (7)

  1. 特に超合金の一般旋削に有用な、超硬合金ボディおよび被膜を含んでなる切削工具インサートであって、
    ＷＣ、５．０〜７．０、好ましくは５．５〜６．５重量％のＣｏ、０．２２〜０．４３、好ましくは０．２４〜０．３３重量％のＣｒの超硬合金の組成および１９〜２８、好ましくは２１〜２７ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃ
    ならびに
    （Ｔｉ1-xＡｌx）Ｎの単層の被膜であって、ｘが０．２５〜０．５０、好ましくは０．３０〜０．４０であり、ＮａＣｌタイプの結晶構造を持ち、逃げ面の中央で測定して全厚さが３．０〜５．０μｍ、好ましくは３．５〜４．５μｍであり、
    ２．５×１０-3〜５．０×１０-3、好ましくは３．０×１０-3〜４．０×１０-3の圧縮残留歪みを持ち、
    １．６〜２．１の配向係数ＴＣ（２００）を持つが、
    前記配向係数（ＴＣ）が以下のように定義され、
    上式において、
    Ｉ(hkl)＝(hkl)反射の強度、
    Ｉ0(hkl)＝ＪＣＰＤＳカード３８−１４２０番による標準強度、
    ｎ＝計算に利用した反射の数、
    使用した(hkl)反射が(111)、(200)、(220)である被膜
    を特徴とする、切削工具インサート。
  2. 厚さが０．１〜０．５μｍのＴｉＮ最外層を特徴とする、請求項１に記載の切削工具インサート。
  3. １５〜３０μｍの刃先半径を特徴とする、請求項１または２に記載の切削工具インサート。
  4. 特に超合金の一般旋削に有用な、超硬合金ボディおよび被膜を含んでなる切削工具インサートを製造する方法であって、
    ＷＣ、５．０〜７．０、好ましくは５．５〜６．５重量％のＣｏ、０．２２〜０．４３、好ましくは０．２４〜０．３３重量％のＣｒの組成および１９〜２８、好ましくは２１〜２７ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃを持つ基材を、混練、加圧成形および焼結の従来の粉末冶金法により提供する工程、および（ＴｉxＡｌ1-x）Ｎの単層を堆積させる工程
    を特徴とし、
    該堆積させる工程は、
    ｘが０．２５〜０．５０、好ましくは０．３０〜０．４０であり、前記層がＮａＣｌタイプの結晶構造を持ち、逃げ面の中央で測定して全厚さが３．０〜５．０μｍ、好ましくは３．５〜４．５μｍであり、
    ２．５×１０-3〜５．０×１０-3、好ましくは３．０×１０-3〜４．０×１０-3の圧縮残留歪みを持ち、
    １．６〜２．１の配向係数ＴＣ（２００）を持つが、
    前記配向係数（ＴＣ）が以下のように定義され、
    上式において、
    Ｉ(hkl)＝(hkl)反射の強度、
    Ｉ0(hkl)＝ＪＣＰＤＳカード３８−１４２０番による標準強度、
    ｎ＝計算に利用した反射の数、
    使用した(hkl)反射が(111)、(200)、（220）である単層を、
    合金化カソードまたは２５〜５０原子％のＴｉ、好ましくは３０〜４０原子％のＴｉの組成のＴｉ＋Ａｌ複合カソードのアーク蒸発であって、カソードの大きさおよびカソード材料により５０Ａ〜２００Ａの電流、−２０Ｖ〜−３５Ｖの基材バイアス、４００℃〜７００℃の堆積温度で、０〜５０体積％のＡｒ、好ましくは０〜２０体積％のＡｒからなるＡｒ＋Ｎ2雰囲気中で、全圧１．０Ｐａ〜７．０Ｐａで成長させるアーク蒸発を利用して堆積させる工程
    である、切削工具インサートの製造方法。
  5. アーク蒸発を利用する厚さが０．１〜０．５μｍのＴｉＮ最外層の堆積を特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記インサートが、被覆前に、好ましくは１５〜３０μｍの刃先半径にウェットブラスト法によりエッジホーニングされることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
  7. インコネル７１８、インコネル６２５、ナイモニック８１、ワスパロイまたはＴｉ６Ａｌ４Ｖなどの超合金を、切削速度２０〜７５ｍ／分、切り込み深さ０．２〜２．５ｍｍおよび送り０．０５〜０．３０ｍｍ／ｒｅｖで一般機械加工するための請求項１から３に記載のインサートの使用。
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