JP5105466B2 - 切り欠け及び切刃破断に優れた耐性を有する立方晶窒化物切削工具インサート - Google Patents

Description

本発明は、硬化鋼及び同様材料のような硬質材料を機械加工する場合、切り欠け及び切刃破断に優れた耐性を有する立方晶窒化物を含む切削工具インサートに関する。

高圧力および高温度で焼結された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）基セラミックスは、既知である。

一般的に、硬質部品を機械加工するためのｃＢＮ基材料は、硬く分布した相としてのｃＢＮからなる。体積で４０〜８０％のｃＢＮを含むｃＢＮ切削工具インサートのセラミック−バインダ相は、通常、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌの少量のほう化物、またはそれらの固溶体、アルミナ、及び他の不可避反応生成物を含むＴｉの窒化物、炭窒化物または炭化物よりなる。この構成物の相対量を変化させることにより、ｃＢＮ工具は、例えば、連続切削または断続切削の種々の適用に最適な性能を意図することができる。比較的多いｃＢＮ含有量のｃＢＮ工具は、高断続切削適用の断続に推奨され、一方、高セラミックバインダ含有量は、連続切削に対して高い摩耗抵抗を備える。断続切削における厳しい条件が、一般的に切刃破損の原因となり、すなわち、ノッチ摩耗またはクレータ摩耗のような他の摩耗様式よりもさらに工具の寿命を決める。連続適用においてであっても、機械の不安定性が、初期の切刃破損を引き起こす断続的挙動の原因となる。特に、チタンの窒化物、炭窒化物または炭化物より構成される体積で４０〜８０％範囲のｃＢＮ含有量の上述するｃＢＮ切削工具は、高要求の耐摩耗性を備える連続用のものと、高要求の破損抵抗を備える断続用のものまでにわたる広い範囲の切削適用に通常使用される。上記のｃＢＮ切削工具において、切刃破損及び耐摩耗性の双方を達成することは非常に関心がもたれる。

従来は、切り欠け抵抗を増加するために、セラミックバインダと硬質の所望の相との間に中間物の接着層を使用することが提案されてきた（欧州特許第Ａ−１４９８１９９号）。また、ｃＢＮ粒を囲む結合相が、直接のｃＢＮ−ｃＢＮ接触を避けるために提案されている（欧州特許第Ａ−９７４５６６号）。この結合相は、ｃＢＮまたはｃＢＮ粒を被覆するＢ_２Ｏ_３残留物、及びＴｉＢ_２を形成するセラミックバインダとの間の化学反応によって形成される。さらに、ｃＢＮ粒は、ｃＢＮ粒を取り囲む強化リムを増加させるために、ＰＶＤ処理によってＴｉとＡｌの窒化物またはほう化物によって前被覆されていた（米国特許第６，２６５，３３７号）。

セラミックバインダ相と硬質の所望のｃＢＮ相との間の中間物層が、強靭化、具体的には割れの隔たりのための非常に重要な機構を最小化するために、インサート材料の切刃靭性を減少させることが現在判明した。この材料の種々の相の間の結合があまりにも強いときは、形成された割れは、低い値の破壊靭性をもたらす非常に真っ直ぐな状態でこの材料を通って容易に伝播できる。この結合があまりにも小さいと、著しく減少した耐摩耗性を意味することになる。しかしながら、この結合が釣り合うならば、それは粒の本来備わる強度よりも低いことを意味し、この割れはより高い靭性を意味する粒界に沿って好ましく伝播するであろう。ｃＢＮ粒とセラミックバインダとの望ましい結合強度が、焼結温度と原材料の反応性とを注意深く制御することにより、達成することができる。

米国特許第４，３４３，６５１号は、約８０ｗｔ％のｃＢＮ濃度を有する焼結加圧を開示し、ＴｉＢ_２は、Ｃｕ及び／またはＦｅの添加によって最小にすることができる。

価格を抑えてより高生産性が工業会から要求されるので、さらに改良されたｃＢＮ基工具が必要である。このことは、一般的にはより速い切削速度、具体的には、断続切削での組み合せのさらに深い切り込み深さと送り速度を示す。結果として、機械加工工業会からの要求に適合させるために、摩耗性と切刃破損抵抗の双方の改良が望まれている。

すなわち、本発明の目的は、改良された摩耗性と切刃破損抵抗との双方を備えたｃＢＮ基工具を提供することである。
さらに、本発明の目的は、異なる相の間で釣り合った結合を備えるｃＢＮ基工具を提供することである。
さらに、本発明の目的は、実質的にＦｅ及びＣｕを含まないｃＢＮ基工具を提供することである。

本発明のこれらの目的及び他の目的は、ｃＢＮ相、及びチタン炭窒化物とＴｉＢ_２相とからなるバインダ相、を含む複合材料からなる切削工具インサートによって達成され、ＣｕＫａ輻射を用いる複合材料からのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンにおいて、最も強い（１０１）ＴｉＢ_２ピークと最も強いｃＢＮ（１１１）ピークとのピーク高さ比が、約０．０６より小さく、前記ＸＲＤパターンにおけるチタン炭窒化物相からの（２２０）ピークが、ＴｉＣ（ＰＤＦ３２−１３８３、回折データのための国際センター（ＩＣＤＤ）による粉末回折ファイル（Powder Diffraction File）３２−１３８３）とＴｉＮ（ＰＤＦ３８-１４２０、回折データのための国際センター（ＩＣＤＤ）による粉末回折ファイル（Powder Diffraction File）３８−１４２０）とのＰＤＦの線の双方の垂直線と交差し、最も低く交差する点の高さが、セラミックバインダ相の最大（２２０）ピーク高さの少なくとも０．１５である。

本発明は、硬化鋼、熱間加工と冷間加工の工具鋼、鍛造鋼、型硬化鋼、高速度鋼、ダクタイル鼠鋳鉄を機械加工するための切削工具インサートに関する。この切削工具インサートは、ｃＢＮ工具、または超硬合金基材に結合されたｃＢＮに関する。これはｃＢＮ相とバインダ相とを含む被覆または非被覆複合材料からなり、バインダ相は炭窒化物チタン相とＴｉＢ_２相からなる。好ましくは、この複合材料は、５μｍ未満好ましくは１〜４μｍの平均粒径を備える４０〜８０最も好ましくは５５〜７０ｖｏｌ％のｃＢＮを含み、好ましくは０．１〜１μｍで１０ｖｏｌ％の一つの比及び２〜５μｍで＞１０ｖｏｌ％の他の比を含む。ＣｕΚα照射を用いた複合材料からのＸＲＤパターンにおいて、最も強いＴｉＢ_２のピークともっとも強いｃＢＮのピークとのピーク高さ比が、≦０．０６好ましくは≦０．０４５最も好ましくは≦０．０３である。この比は、最も強いＴｉＢ_２（ＰＤＦ３５−０７４１）のピーク（１０１）と、最も強いｃＢＮ（ＰＤＦ３５−１３６５）のピーク（１１１）と間の最も高い比であり、即ちＩ_{ＴｉＢ２（１０１）}／Ｉ_{ｃＢＮ（１１１）}である。さらに、ＴｉＢ２を除くＴｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌ、及びそれらの組み合せ物のいずれかのほう化物の最も強いピークと、最も強いｃＢＮピークからのピーク高さ比が０．０６以下である。

さらに、本発明の特徴は、ＸＲＤパターン中のチタン炭窒化物からの（２２０）ピークが、Ｔｉｃ（ＰＤＦ３２−１３８３）とＴｉＮ（ＰＤＦ３８−１４２０）と双方の垂直な線と交差し、且つ最も低く交差する点の高さが、図３に図示されるセラミックバインダ相の最大２２０ピーク高さの少なくとも０．１５好ましくは少なくとも０．２０である。これは、ＴｉＣからＴｉＮまでのＴｉＣ_１−ｘＮ_ｘの広い組成範囲を示す。これは、点焦点を使用して決定され、この点焦点は、超硬合金基材にロウ付けされた小さな試料を特徴とするために、基材からの交差する回折ノイズを捕らえることなく好ましい。この特別な角度間２Θ、５９〜６２°で交差する他のピークがないので、２２０ピークが使用される。

本発明にしたがう材料は、超硬合金の球と混連する５ｗｔ％以下の炭化タングステンと、Ａｌと原材料中の不可避的な酸素との間の反応から形成されるアルミナと、をさらに含んでも良い。本発明のしたがう材料中のＣｕ及びＦｅの量は、技術的不純物の範囲内である。Ｃｕ及び／またはＦｅの合計量は、好ましくは１ｗｔ％以下最も好ましくは０．５ｗｔ％以下である。

本発明にしたがうｃＢＮ切削工具インサートは、粉砕加工、加圧成形及び圧力を上昇させた焼結のような従来の粉末冶金技術を用いて作られる。セラミックバインダ相Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）と、化学量論的または亜化学量論的金属バインダ相Ａｌとの粉末は、摩砕機粉砕加工において非常に微細な粉末に予備粉砕加工される。摩砕粉砕加工された粉末は、その後乾燥され、且つｃＢＮ粉末原材料と互いに粉砕加工される。粉砕加工した後に、この粉末は、乾燥されて、且つグリーン円形成形体を形成するために加圧成形される。このグリーン成形体は、その後９００〜１２５０℃の温度で１時間の予備焼結をする。

このグリーン予備焼結成形体は、その後それ自体または超硬合金板の上で、超高温圧力焼結装置において５Ｇｐａの圧力で、１３００℃の温度範囲で焼結される。完全な焼結工程が多孔性に関して達成され、しかし、セラミックバインダと硬質ｃＢＮ相との間の化学反応を最小にするために、過度の温度と時間を回避するように、この焼結温度及び時間を選択する必要がある。この最適焼結温度は、この化学組成と、セラミックバインダ相と全ての原材料との化学量論と、に依存する。当業者の装置を用いて所望の微細組織を達成するために必要な条件を実験によって決定することは、当業者の予見内である。この温度は、一般的に１２００〜１３２５℃の範囲内である。

その後、この焼結したボディは、頂部と底の研削加工後に、所望の形状にアーク放電ワイヤー切断を用いて切断する。この焼結されたｃＢＮ成形体部品は、超硬合金基材上にロウ付けされ、且つ、例えば、国際出願第２００４／１０５９８３号の技術で既知なように、所望の形と寸法に研削加工される。その他の実施態様において、この焼結したｃＢＮ成形体部品は、超硬合金基材にロウ付けすることなく研削加工される（固溶体ｃＢＮ）。研削加工されたインサートは、さらに耐摩耗性のＰＶＤ及びＣＶＤの層を既知の技術のように被覆することができ、例えば、ＴｉＮ、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ及びＡｌ_２Ｏ_３である。

さらに、本発明を、本発明の実例として考慮される次の実施態様にしたがって説明する。しかしながら、本発明はこの実施例の具体的な詳細に限定されるものでないことを理解すべきである。

実施例１
本発明にしたがうｃＢＮボディは、０．２〜０．６μｍのｃＢＮ粒を３０ｖｏｌ％、及び非化学両論的なセラミックバインダ相Ｔｉ（Ｃ_０．３Ｎ_０．７）_０．８とともに２〜４μｍである残部、及び６ｗｔ％のＡｌバインダ相を含む二峰性粒子径分布を備える６５ｖｏｌ％のｃＢＮ、の粉末を粉砕加工することにより準備された。このバインダ及びセラミックバインダは、微細粒で本質的にそれとの混合物を作るために、ｃＢＮとボール粉砕加工する前に、磨砕機粉砕加工が成された。

ボール粉砕加工した後、この粉末は、乾燥されて４０ｍｍの直径を有するグリーンの円盤を形成するために加圧成形された。この円盤は、約９００℃の温度で１時間予備焼結された。

予備焼結された成形他は、その後超高圧力焼結装置において５ＧＰａの圧力と１３００℃の温度で焼結された。
このｃＢＮ材料は、Bruker D8 Discover回折装置において次の条件で分析した。

表１
一般的回折装置の準備 回折パターンの操作
４０ｋＶ及び１００ｍＡ バックグランドの削除
一次側 ピークのΚα片
ＣｕΚα輻射 ｃＢＮのＰＤＦファイル35-1365に向かって２θ補正
平らなグラファイト−
モノクロメータ
２次側
ＰＳＤ検出器
検出器と試料との距離
ホルダは１６ｃｍ

この結果は、図１ａに示される。比較のために、先行技術にしたがう商業的ｃＢＮ材料が分析され、その結果を図１ｂに示す。先行技術にしたがうｃＢＮ材料は、約２〜５μｍの粒径を有する約６０ｖｏｌ％のｃＢＮと、チタン炭物の残部と、約５ｗｔ％の含有量のＡｌとを含む。
さらに、この二つの材料のセラミックバインダ相は、表１の条件を用いて、分析され、その結果は本発明を図３ａに、及び先行技術を図３ｂに示す。

図１ａと図１ｂから、これらのインサートの間の主な相違は、ほう化物反応層の欠乏であり、特にＴｉＢ_２、またはＴｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌまたはこれらの組み合わせ物であることは明確である。上述のＴｉＢ_２からインサートの最も強いピークが、図１の中の選択された２θ領域に見られることが予想される。最も強いＴｉＢ_２からピークと最も強いｃＢＮピークとのピーク高さ比は０であるのに対して、先行技術インサートのそれは０．２３倍である。

図３ａは、セラミックバインダが本発明のインサート内のＴｉＣ_１−ｘＮ_ｘの広い組成範囲を含むことを示す。図３ｂは、先行技術のインサートにおいて、主セラミックバインダ層を構成する比較的狭いＴｉ（Ｃ、Ｎ）ピークが存在することを示す。干渉するピークの重なり合いを回避するため、５９〜６４度の２θ間隔が、バインダ相の記載のために選ばれ、それらは図３ａ及び図３ｂに図示され、ＴｉＣ_１−ｘＮ_ｘの（２２０）の回折ピークは、ＴｉＮ及びＴｉＣの双方のＰＤＦの線、すなわち図３ａのＢで交差することを示す。この最も低い交差する点の高さは、ＴｉＮの高さであり、このバインダ相の最大２２０ピーク高さの０．２４倍である。逆に図３ｂにおいて、先行技術は、ＴｉＣＮを含み、この場合、ＴｉＮの一つの線のみと交差する。交差の最も低い点は、ＴｉＣであり０である。

実施例２
実施例１の焼結されたボディは、その後、上部と底部が記号ＣＮＧＡ１２０４０８のインサートへと研削加工した後、アーク放電線切断を使用してＳａｆｅ−Ｌｏｋ概念にしたがう形に切断された。このインサートは、断続重旋削加工操作において次の条件で、靭性に関して試験された。

加工部品材料 ：硬化軸受鋼、ＨＲＣ５６
切削速度 ：１２０ｍ／分
送り速度 ：０．１〜０．６ｍｍ／回転
切り込み深さ（ＤＯＣ） ：０．１〜０．６ｍｍ
乾式切削

その後、加工は１０ｍｍの溝を有する円形物の正面切削加工であった。送り速度とＤＯＣは、切り欠けまたは破損するまで、０．０２ｍｍの間隔で増加させた。
参照として、実施例１の先行技術が用いられた。
各試験は４回繰り返された。送り速度とＤＯＣとの平均値は表２に示される。

表２
最大送り速度ｍｍ／回転に対するＤＯＣｍｍ
先行技術 ０．４７
本発明 ０．６２

本発明にしたがうインサートは、同一時間及び同一摩耗の従来技術に相当するインサートと比較して破壊及び切り欠け抵抗が３０％優れて機能した。

実施例１の本発明にしたがって得られた切削インサートは、Ｓａｆｅ−Ｌｏｋ概念にしたがう超硬合金ボディにロウ付けされ、さらに、記号ＣＮＧＡ１２０４０８の切削工具インサートを形成するために、処理された。このインサートは、連続旋削加工操作において、次の条件の基で、耐摩耗性に関する試験をした。

加工部材 ：型硬化鋼、ＨＲＣ５２
加工速度 ：２００ｍ／分
送り速度 ：０．２ｍｍ／回転
切り込み深さ（ＤＯＣ）：０．１５ｍｍ
乾式切削
参照として、実施例１の先行技術が用いられた。
０．１２ｍｍの側面摩耗に達するまでの時間を測定した。４回の試験後の平均値を表３に示す。

表３
時間（分）
先行技術 ２８
本発明 ３０
本発明にしたがう材料は、先行技術に比較して少し改良された。

図１ａは、本発明にしたがう、点焦点、２Θ補正、バックグランド除去法、及びｃＢＮからのΚα放出を用いしたＸＲＤパターンを示す。垂直線は、公開ＰＤＦ−データベース（回折データのための国際センター（ＩＣＤＤ）による粉末回折ファイル(Powder Diffraction File : PDF）から取り寄せた組織情報に相当し且つ関連する化合物を示し、さらに、各々の化合物の名前とミラー指数は、各々の線に相当する。 図１ｂは、先行技術にしたがう、点焦点、２Θ補正、バックグランド除去法、及びｃＢＮからのΚα放出を用いしたＸＲＤパターンを示す。垂直線は、公開ＰＤＦ−データベース（回折データのための国際センター（ＩＣＤＤ）による粉末回折ファイル(Powder Diffraction File : PDF）から取り寄せた組織情報に相当し且つ関連する化合物を示し、さらに、各々の化合物の名前とミラー指数は、各々の線に相当する。 図２ａは、本発明にしたがうｃＢＮ材料中の典型的な割れの偏向（Ｄ）を、５０００倍のＳＥＭの背面散乱像を示す。暗い粒はｃＢＮであり且つおよび明るい粒はセラミックバインダ相である。 図２ｂは、先行技術にしたがうｃＢＮ工具中の典型的に真っ直ぐな割れを示す。 本発明の図３ａは、工具のＴｉＣ_１−ｘＮ_ｘの２２０ピークからのＸＲＤパターンを示す。このパターンは、点焦点、２Θ補正、バックグランド除去法、及びΚα放出を使用して得られ、且つ、図３ａは、チタン炭窒化物層からの２２０ピークと、Ｂ点であるＴｉｃとＴｉＮとのＰＤＦの線の交差する点を図示する。 先行技術の図３ｂは、工具のＴｉＣ_１−ｘＮ_ｘの２２０ピークからのＸＲＤパターンを示す。このパターンは、点焦点、２Θ補正、バックグランド除去法、及びΚα放出を使用して得られた。

Claims (7)

1. ｃＢＮ相と、チタン炭窒化物とＴｉＢ_２相よりなるバインダ相と、を含む複合材料からなり、硬化鋼、熱間加工用および冷間加工用の工具鋼、ダイス鋼、表面硬化鋼、高速度鋼、ダクタイル鼠鋳鉄を機械加工するための切削工具インサートであって、
   ＣｕＫａ放射を用いた複合材料からのＸＲＤパターンにおいて、最も強い（１０１）ＴｉＢ_２ピークと最も強いｃＢＮ（１１１）ピークとのピーク高さ比が０．０６より小さく、
   前記ＸＲＤパターンのチタン炭窒化物相からの（２２０）ピークが、ＴｉＣ（ＰＤＦ３２-１３８３）とＴｉＮ（ＰＤＦ３８-１４２０）の垂直な各ＰＤＦ線の両方と交差し、
   最も低く交差する点の高さが、セラミックバインダ相の最大（２２０）ピーク高さの少なくとも０．１５倍であり、
   体積で少なくとも１０％の０．１〜１μｍと、体積で少なくとも１０％の２〜５μｍとからなる二峰性のｃＢＮ粒子径分布を有する
   ことを特徴とする切削工具インサート。
2. ＸＲＤによって測定した、最も強いＴｉＢ_２ピークと最も強いｃＢＮピークとの前記ピーク高さ比が０．０４５未満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。
3. ＸＲＤによって測定した、最も強いＴｉＢ_２ピークと最も強いｃＢＮピークとの前記ピーク高さ比が０．０３未満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. 前記複合材料が、４０〜８０ｖｏｌ％のｃＢＮを含む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. ＸＲＤによって測定した、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌおよびそれらの組み合せ物のいずれかのほう化物の最も強いピークと、最も強いｃＢＮピークとの前記ピーク高さ比が０．０６より小さい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。
6. 前記ｃＢＮの焼結材料が更にタングステン炭化物及び／またはアルミナを含む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. ＣｕおよびＦｅの合計含有量が０．５ｗｔ％未満であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具インサート。