JP2022545909A - 被覆切削工具を処理する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、レーザ・ショック・ピーニング(LSP)を使用して被覆切削工具を処理する方法に関し、被覆切削工具は、母材及びコーティングからなり、母材は超硬合金又はサーメット、好ましくは超硬合金であり、コーティングはCVD層及び/又はPVD層を含む。この方法は、LSPを切削工具の少なくとも一部に施す工程を含み、LSPエネルギー密度は、0.4~1.6J/mm2の範囲内であり、LSPは、切削工具の少なくとも一部にレーザパルスを適用することを含む。【選択図】図1

Description

本発明は、サーメット又は超硬合金の母材とCVD及び/又はPVDによって作製された層を含むコーティングとを有する被覆切削工具の、レーザ・ショック・ピーニングに関する。
サーメット及び超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分で構成される材料である。これらの材料は、高硬度、高耐摩耗性、高靱性などの特性を有する切削工具における一般的な母材である。これらの母材は、通常、例えばTiCN及びアルミナの層のCVDコーティングや、例えばTiN及びTiAlNの層でのPVDコーティングなどの耐摩耗性コーティングで被覆される。
被覆切削工具は、通常、切削におけるその寿命をさらに改善するために表面処理加工される。一般的な表面処理は、外面を滑らかにするためのブラッシング又は刃先の成形、表面を滑らかにし且つ超硬合金の表面領域又はコーティングの残留応力レベルに影響を及ぼすためのショットブラストである。
レーザ・ショック・ピーニングは、レーザを使用して表面ゾーンの特性に影響を及ぼす方法である。短時間且つ高強度のレーザパルスが表面上で走査される。各レーザパルスは、表面上に形成される局所プラズマを生成し、それにより、処理される対象物内に伝播する衝撃波が生成される。この衝撃波は、材料の表面ゾーンに影響を及ぼし、硬度、靭性の増加、及び残留応力レベルの変化が生じる。
国際公開第2018/215996号は、超硬合金の切削工具をレーザ・ショック・ピーニングで処理する方法を開示している。
サーメット又は超硬合金の母材を含む被覆切削工具を処理する改善された方法を提供することが、本発明の目的である。
これらの目的の少なくとも1つは、請求項1に記載の方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属項に列挙されている。
本発明は、レーザ・ショック・ピーニング(LSP)を使用して被覆切削工具を処理する方法に関し、被覆切削工具は、母材とコーティングとからなり、母材は超硬合金又はサーメット、好ましくは超硬合金のものであり、コーティングはCVD層及び/又はPVD層を含み、前記方法は、切削工具の少なくとも一部にLSPを施す工程を含み、LSPエネルギー密度は、0.4~1.6J/mm以内、好ましくは0.9~1.4J/mm以内、より好ましくは1.1~1.3J/mm以内である。
驚くべきことに、LSPエネルギー密度を0.4~1.6J/mm以内、好ましくは0.9~1.4J/mm以内に設定してレーザ・ショック・ピーニングを実施すれば、切削工具の性能に最適であることが分かった。LSPエネルギー密度が低すぎる場合、LSPからの衝撃が低すぎて、改善されたエッジライン靭性又は耐摩耗性をもたらすことができない。LSPエネルギー密度が高すぎると、表面領域の応力が低下し、それによってエッジラインの耐チッピング性が低下するリスクが高くなる。
本発明の一実施形態では、LSPは、切削工具の少なくとも一部にレーザパルスを適用することを含み、レーザ・パルス・エネルギー密度は、0.04~1.0J/mm、好ましくは0.04~0.5J/mm、より好ましくは0.04~0.1J/mm、さらにより好ましくは0.05~0.07J/mmである。
本発明の一実施形態では、LSPを施す前に、黒い塗料又は黒いテープが被覆切削工具に施用される。黒い塗料又は黒いテープを使用する利点は、厚みの減少又は外観の変化なしに下のコーティングを維持できることである。
本発明の一実施形態では、コーティングは、TiN、TiCN、TiC、TiB、ZrCN、TiAlN又はTiSiNのうち一つ又は複数の外層を含む。これらの層は、塗料やテープの代わりに吸収層として用いることができる。これらの層の利点は、CVD又はPVDコーティングの一部として蒸着させることができ、したがって、黒いテープ又は黒い塗料をあてがうといった余分な工程を省くことができることである。さらなる利点は、これらの層を使用すると、母材の表面領域においてより高レベルの残留応力を誘発し、LSPの効果がより顕著に見えることである。
本発明の一実施形態では、外層の厚みは、好ましくは2~5μmである。外層の厚みが薄くなると、その下の耐摩耗層の厚みがLSP中に減少する。厚みが5μmを超える場合、母材内の誘導残留応力はより小さく、したがってLSPによる工具寿命の向上はあまり顕著にならない。
本発明の一実施形態では、被覆切削工具は、母材と外層との間に位置するAlの層をさらに含む。このAlの層は、好ましくはα-Al層である。これは、非常に耐摩耗性の層であるという点で有利である。
本発明の一実施形態では、被覆切削工具は、母材と外層との間に位置するTiCNの層をさらに含む。
本発明の一実施形態では、被覆切削工具は、母材と外層との間に位置するTiAlNの層をさらに含む。
本発明の一実施形態では、コーティングの総厚は、2~20μmである。本発明の一実施形態では、コーティングの総厚は、2~10μmである。
本発明の一実施形態では、切削工具はすくい面と逃げ面とそれらの間の刃先とを含み、刃先の一部及びすくい面の少なくとも一部にLSPが施される。
本発明の一実施形態では、LSP工程の後に、ブラスト、研磨及び/又はブラッシング工程、好ましくはショットブラストなどのブラスト工程が続く。ブラスト、研磨及びブラッシングによる利点は、切削工具の表面をこれらの技術のいずれかによって仕上げることができ、それによって切削工具の切削性能を向上させることができることである。ショットブラストは、コーティングの表面の粗さ及び残留応力レベルの両方に影響を及ぼすことができるので、コーティングの表面の粗さの低下及び引張応力レベルの低下又はより高い圧縮応力レベルを達成することができ、それによって切削工具の寿命を延ばすことができる、という点で有利である。
本発明の一実施形態では、切削工具はすくい面と逃げ面とそれらの間の刃先とを含み、切削工具の刃先の一部並びにすくい面及び/又は逃げ面の一部にのみLSPが施され、前記領域の幅(b)は刃先から最大5mmであり、好ましくは前記領域の幅(b)は刃先から1~5mmである。少なくとも切断に関与する領域にLSPを施すことが有利である。エッジからすくい面への広がり部分(extension)は、適用時に少なくとも切削深さaでなければならない。
本発明の一実施形態では、LSPは、切削工具の刃先全体に沿って施される。
本発明の一実施形態では、LSPは、切削工具のすくい面全体に施される。
本発明の一実施形態では、LSPは、切削工具のすくい面全体、刃先全体、及び逃げ面全体にも施される。
本発明の一実施形態では、LSP工程中のレーザの波長は、1,000~1,100nm以内、好ましくは1,050nm~1,070nm以内、より好ましくは約1,064nmである。
本発明の一実施形態では、LSP工程中のレーザの周波数は、150,000~250,000Hz以内、好ましくは約200,000Hzである。
本発明の一実施形態では、LSP工程中のレーザのパルス持続時間は、0.005~0.02ns以内、好ましくは約0.01~0.02nsである。
本発明の一実施形態では、LSP工程中のレーザの平均効果は、13~16W以内、好ましくは約15Wである。
本発明の一実施形態では、LSP工程中のレーザのスポットサイズは、0.03~0.05mm以内、好ましくは約0.04mmである。
本発明の一実施形態では、LSP工程中のレーザのピークパワー密度は、3~7GW/mm以内、好ましくは約6GW/mmである。このレベルのピークパワー密度は、周波数、パルス長、レーザの効果、又はスポットサイズのいずれかを変更することによって変えることができる。ピークパワー密度が3~7GW/mm以内であると、得られるピーク圧力が高くなって切削工具の寿命が向上する、という利点がある。
本発明の一実施形態では、LSPは、被覆切削工具が水中に浸漬されたときに被覆切削工具に対して施される。
本発明のさらに他の目的及び特徴は、添付の図面と併せて考察される以下の実施例から明らかになるであろう。
本発明によって処理することができる切削工具(1)の図であり、すくい面(2)、逃げ面(4)及び刃先(3)が示されている。切削工具の幾何学的形状は、以下の実施例で使用される幾何学的形状に対応する。 切削工具(1)のすくい面(2)及び刃先(3)を示す、本発明の一実施形態によるLSP領域の位置及び広がり部分の概略図である。 一定の領域にわたってパルスステップ長xで走査されたレーザパルス(円)の概略図である。パルスは、領域全体若しくは部分がLSPで処理されるように、互いに重なり合う。
定義
「切削工具」とは、本明細書では、インサート、エンドミル、又はドリルなどの金属切削用途のための切削工具を意味する。適用分野は、例えば、旋削加工、フライス加工又は穿孔加工などがあり得る。
「超硬合金」とは、本明細書では、少なくとも50重量%のWC、場合によっては超硬合金の製造技術分野で一般的な他の硬質成分、並びに好ましくはFe、Co及びNiのうち一つ又は複数から選択される金属バインダー相を含む材料を意味する。
「サーメット」とは、本明細書では、硬質成分が、炭窒化チタン、炭化チタン及び窒化チタンのうち一つ又は複数である硬質成分と金属バインダー相とを含む材料を意味する。サーメット中の金属バインダー相は、好ましくはFe、Co及びNiのうち一つ又は複数から選択され、好ましくはCoである。サーメットの技術分野で一般的な他の硬質成分は、Ti、Ta、Nb、Zr、V及びCrの炭化物、窒化物又は炭窒化物から選択される。サーメット材料は、遊離六方晶WCを含まない。炭窒化チタンに基づくサーメット材料は、今日の最も一般的なサーメット材料である。
「LSPエネルギー密度」は、本明細書では、切削工具のLSP処理される部分又は領域に施される平均エネルギー密度を指す。パルスオーバーラップの増加又はレーザ・パルス・エネルギー密度の増加は、LSPエネルギー密度の増加をもたらす。
「レーザ・パルス・エネルギー密度」は、本明細書では、1つの単一レーザパルスの平均エネルギー密度を示す。パルス持続時間の増加又は効果の増加は、レーザ・パルス・エネルギー密度の増加をもたらす。
「ショットブラスト」は、本明細書では、砥粒を使用するプロセスを指し、典型的には、研磨摩耗によって処理表面から物質が除去される。ショットブラストは、切削工具の分野において周知であり、例えば、切削工具上のコーティングに残留応力を生じさせることが知られている。
ここで、本発明の例示的な実施形態をより詳細に開示し、比較実施形態と比較する。被覆切削工具(インサート)を準備し、切削試験で分析及び評価した。
母材
粉砕用のISO型R390-11T308M-PMの超硬合金母材を製造した(図1参照)。
2つの異なる超硬合金組成物を製造した。母材Aは、約13.50重量%Co、0.57重量%Cr及び残部WCの組成を有する粉末混合物から製造された。母材Bは、約9.14重量%のCo、1.15重量%Ta、0.27重量%Nb、0.05重量%Ti及び残部WCの組成を有する粉末混合物から製造された。粉末混合物を粉砕し、乾燥させ、グリーン体にプレスし、1,450°Cで焼結して焼結超硬合金母材を形成した。
コーティング
CVDコーティングを2つの超硬合金組成物上に蒸着させた。CVDコーティングは、厚み0.5μmの内側のTiN層、続く厚み3.5μmの耐摩耗性TiCN層、及びその上の厚み3μmの耐摩耗性α-Al層から構成された。その後、外側のTiN層を2μmの厚みで蒸着させた。総コーティング厚は約9μmであった。
LSP処理
被覆切削工具のエッジにも広がるすくい面の領域に、LSPを施した。切削工具の刃先から垂直に測定したこの領域の幅bは約3mmであった。主刃先に沿った広がり部分aは約6mm、及び補助刃先に沿った広がり部分cは約3mmであった。図2のLSPの領域の概略図を参照されたい。
表面上に6mmの水がある状態でLSPプロセスを施した。LSPプロセス中、切削工具を水に浸した。
LSP中のレーザの設定は以下の通りであった。
波長:1,064nm
周波数:200kHz
パルス持続時間:0.01ns
パルス直径、d:0.04mm
レーザパワー:14.8W
ピークパワー密度:5.89GW/mm
レーザ・パルス・エネルギー密度は0.059J/mmであり、以下のように計算した。
レーザ・パルス・エネルギー密度[J/mm]=レーザ・パルス・エネルギー/パルス面積
レーザ・パルス・エネルギー[J]=レーザパワー/周波数
パルス面積[mm]=πd/4
LSPエネルギー密度は、パルス距離、すなわちパルスステップ長xを変更してパルスオーバーラップを変化させることによって、つまりパルス距離を小さくしてパルスオーバーラップを大きくすることによって、より高いLSPエネルギー密度をもたらすようにして、調整される。レーザ・パルス・オーバーラップは、パルスステップ長x及びパルス直径dに関する。
レーザ・パルス・オーバーラップ=d-x/d
試料のLSPエネルギー密度を表1に示す。
LSPエネルギー密度[J/mm]=レーザ・パルス・エネルギー×1mm当たりのパルス数
1mm当たりのパルス数=1/x
Figure 2022545909000002
ショット・ブラスト・プロセス
LSPに続いて、切削工具をショットブラストにかけて外側のTiN層を除去した。ショットブラストの時間をわずかに調整して、LSPで処理されたすくい面の領域からすべてのTiNを除去した。ショットブラストは、アルミナ研磨材及び2.1バールの空気圧で行った。また、試料A0及びB0をショットブラスト処理にかけた。
切削性能1
次に、母材Aを有するインサートを、以下のパラメータでフライス加工で試験した。
被削材:Dievar未硬化、PL129 200x200x100、MC P3.0.Z.AN、CMC03.11、
チャージ:M10205
=200m/分
=0.15mm
=12mm
=3.0
z=1
カットの長さ=12mm
切削液は使用しなかった。
インサートタイプR390-11T308M-PM
工具寿命の判定基準は、エッジライン少なくとも0.5mmのチッピングとした。工具寿命は、この判定基準を達成するためのカットエントランスの平均回数として提示される。平均工具寿命を表2に示しており、工具寿命は平均切削回数であり、8並列切削試験の平均である。
Figure 2022545909000003
切削性能2
次いで、母材Bを有するインサートを、以下のパラメータでフライス加工で試験した。
被削材:Dievar未硬化、PL129 200x200x100、MC P3.0.Z.AN、CMC03.11、
チャージ:M10205
=160m/分
=0.2mm
=12mm
=3.0
z=1
カットの長さ=12mm
切削液は使用しなかった。
インサートタイプR390-11T308M-PM
工具寿命の判定基準は、エッジライン少なくとも0.5mmのチッピングとした。工具寿命は、この判定基準を達成するためのカットエントランスの平均回数として提示される。平均工具寿命を表3に示しており、工具寿命は平均切削回数であり、8並列切削試験の平均である。
Figure 2022545909000004
本発明を様々な例示的な実施形態に関連して説明したが、本発明は開示された例示的な実施形態に限定されるものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲内の様々な修正及び均等な構成を網羅することが意図されていることを理解されたい。さらに、本発明の任意の開示された形態又は実施形態は、設計選択の一般的な事項として、任意の他の開示若しくは記載若しくは示唆された形態又は実施形態に組み込まれてもよいことが認識されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図されている。

Claims (15)

  1. レーザ・ショック・ピーニング(LSP)を使用して被覆切削工具(1)を処理する方法であって、被覆切削工具は母材及びコーティングからなり、母材は超硬合金又はサーメット、好ましくは超硬合金のものであり、コーティングはCVD層及び/又はPVD層を含み、前記方法は、切削工具(1)の少なくとも一部にLSPを施す工程を含み、LSPエネルギー密度は、0.4~1.6J/mm以内、好ましくは0.9~1.4J/mm以内、より好ましくは1.1~1.3J/mm以内である方法。
  2. LSPが切削工具の少なくとも一部にレーザパルスを適用することを含み、レーザ・パルス・エネルギー密度が0.04~1.0J/mm、好ましくは0.04~0.1J/mm、より好ましくは0.05~0.07J/mmである、請求項1に記載の方法。
  3. LSP工程中のレーザの波長が、1,000~1,100nm、好ましくは1,050~1,070nmである、請求項1又は2に記載の方法。
  4. LSPを施す前に、黒い塗料又は黒いテープが被覆切削工具(1)に施用される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. コーティングが、TiN、TiCN、TiC、TiB、ZrCN、TiAlN又はTiSiNのうち一つ又は複数の外層を含み、外層の厚みが、好ましくは2~20μm、より好ましくは2~5μmである、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 被覆切削工具(1)が、母材と外層との間に位置するAlの層をさらに含む、請求項5に記載の方法。
  7. 被覆切削工具(1)が、母材と外層との間に位置するTiCNの層をさらに含む、請求項5又は6に記載の方法。
  8. 被覆切削工具(1)が、母材と外層との間に位置するTiAlNの層をさらに含む、請求項5から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. コーティングの総厚が2~20μmである、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 切削工具(1)が、すくい面(2)と逃げ面とそれらの間の刃先(3)とを含み、刃先(3)の一部及びすくい面(2)の少なくとも一部にLSPが施される、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. LSP工程の後に、ブラスト、研磨、及び/又はブラッシング工程、好ましくはショットブラストなどのブラスト工程が続く、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 切削工具(1)が、すくい面(2)と逃げ面とそれらの間の刃先(3)とを含み、切削工具(1)の刃先(3)の一部並びにすくい面(2)及び/又は逃げ面(4)の一部にのみLSPが施され、前記領域の幅(b)がエッジから最大5mmであり、好ましくは前記領域の幅(b)が刃先(3)から1~5mmである、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. LSP工程中のレーザの周波数が、150,000~250,000Hz以内、好ましくは約200,000Hzである、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. LSP工程中のレーザの平均効果が、13~16W以内、好ましくは約15Wである、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. LSP工程中のレーザのピークパワー密度が、3~7GW/mm以内、好ましくは約6GW/mmである、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
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