JP5442923B2 - 被覆超硬合金切削工具インサート - Google Patents

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Description

本発明は、高い耐摩耗性並びに切刃の大きな靭性挙動が必要とされる一般的な場合に、鋼を切削するための被覆超硬合金の金属切削工具に関する。この工具は、ステンレス鋼の旋削加工用に特に適切である。
超硬合金切削工具を種々鋼の機械加工に使用する場合、工具は、付着摩耗と化学的摩耗、切刃の削り取り及び破壊などのような種々の機構によって摩耗される。耐摩耗性の炭化物、窒化物、炭窒化物、及び種々の蒸着技術によって形成される酸化化合物の薄い表面層を通常有する被覆工具に対しては、この被膜が耐摩耗性を増加することに寄与する。また、これは、切削表面から下層の超硬合金物質への熱拡散の熱的バリヤーとしても振舞う。高切削力と組み合わされた切刃領域の高温度とが、影響をうけた基材の表面領域内にクリープ変形を増加させ、且つ切刃を塑性変形させる。
ステンレス鋼の切削は、特に困難な機械加工作業であると考えられるのは、上述の摩耗機構に加えて、付着摩耗及び塑性変形も顕著な因子となるからである。付着摩耗は、切削作業の際にステンレス鋼のような付着材料が切刃に連続的に付着し且つ切刃から材料を剥離するときに生じる。このために、ステンレス鋼を機械加工する際に、工具寿命が短くなることが度々起こる、さらに、オーステナイトいわゆる2相ステンレス鋼は、強い変形硬化を示し、この硬化が、例えば切屑と工具表面との間で高接着力を生じさせる。高切削速度でこのような加工物材料を切削する場合に、かなりの熱エネルギが切刃に伝播され、且つ高切削力と組み合わさって、工具の切刃は部分的に或いは全体的に塑性変形する。基材の表面領域の特性によって主に制御される切刃の変形は、大きな切削力となり、すなわち工具寿命を減少する。耐塑性変形の大きな要求は、切刃靭性の大きな要求とは違いが明確である。
切刃靭性は、工具と加工物との間の直接接触範囲の外側の機械的に誘起される切刃損傷に耐えるためにも必要である。このことは、インサートで使用できる切刃の個数を少なくし、すなわち工具の生産性を減少する。通常は切屑打撃及び切屑詰まりを意味するこの種の損傷は、インサートの使用中の切刃面において適切な微細形状(micro geometry)を選択することにより部分的又は全体的に回避することができるが、いくつかの場合には、この可能性は十分でない。
米国特許第5,786,069号は、ステンレス鋼鍛造品の旋削加工用に適切である被覆旋削加工用インサートを開示する。このインサートは、周期律表のIVb、Vb、及び/またはVIb族の2〜10wt%立方晶炭化物(γ相)と、5〜11wt%のコバルトバインダーと、残部タングステン炭化物(WC)と、を含有する超硬合金の基材を有する。この基材は、高タングステン合金化バインダ相を含み、且つ一つの実施例においては、焼結まま顕微鏡組織が、γ相がなくて15〜35μm深さのCo豊富表面区域を示した。この被膜は、柱状粒のTi(C、N、O)内層と、微細粒κAl頂部層とからなる。しかしながら、超硬合金の基材に関しては、バインダ相と、高濃度ピークのγ相によって特徴付けられる区域によって引き継がれる厚いγ相の枯渇した表面域と、高い公称含有量のバインダ層との組合せは、相対的な観点からみて全てが、組成変形に対する耐性に当てにならない。これらは、高切削速度でのオーステナイト2相ステンレス鋼の機械加工に対して、急激な磨耗と、短い工具寿命をもたらすだろう。
基材上に交互に積層された種々の材料の第1と第2の層からなる多層被膜は、第1の層の各々が第1の厚みを有し、且つ第2の層の各々が第2の厚みを有することが知られている。この二つの層は、異なる結晶組織及び/または少なくとも異なる格子間隔を有するべきである。一つの例は、Alの成長が、短いTiN蒸着工程によって周期的に中断され、(Al+TiN)多層構造に現れる場合であって、これは、第12回ヨーロッパCVD会議の会議録の前頁8〜349頁を参照する。イギリス特許第2048960A号は、異なる組成の硬質材料から成り0.02〜0.1μmの交互に層が重なる多層被膜を開示する。Bryant等の米国特許第4,984,940号には、6.1〜6.5wt%のコバルトの超硬合金基材からなる切削インサートが開示されていって、被膜は、多層化された被膜が後に続いているチタニウム炭窒化物の基層を含む。この被膜は、チタニウム窒化物のようなIVb族金属窒化物によって相互に区分けされ且つ接合された複数のアルミナ層からなる。
6〜8のアルミナ層を含む被膜を有する超硬合金基材が、米国特許第5,700,569号にも請求されている。ヨーロッパ特許第1103635−A号は、9.0〜10.9wt%のコバルトを有する超硬合金基板と、中間温度CVD(MTCVD)で蒸着されたTiCN層を含む被膜と、全体的に7〜41層のαAlとTiNまたはTi(C,N)を含む多層と、から成る切削工具を開示する。
と問えば、工具と加工物との間の摩擦を最小化するために、機械的後処理によって比較を平滑化することが、ヨーロッパ特許第1217416−A号、ヨーロッパ特許第298729−A号、ヨーロッパ特許第693574−A号及びヨーロッパ特許第683244−A号に開示される。
米国特許第2003180241−A号は、ステンレス鋼の一般的な旋削加工に対して特に適切な耐摩耗性と靭性挙動とに大きな要求を備えた被覆超硬合金切削工具インサートが開示される。一つの実施例において、この基材は、5〜50μmの深さにいたるまで、γ相が枯渇し且つバインダ相の富んだ表面区域を有する。この基材の化学組成は、7、0〜10.5wt%のCoと、周期律表のIVb、VbまたはVIb族の元素好ましくはNb、Ta及び/またはTiの元素の4.0〜9.0wt%の立方晶炭化物と、0.01〜0.1wt%の窒素含有物と、残部タングステン炭化物WCとである。この被膜は、3層までのTiC(x+y+z≦1)の最内層系と、AlとTiC(x+y+z≦1)の5〜31の交互の層好ましくはκAlとTiNの11〜15の交互の層第2の多層系と、1層またはそれ以上のTiC(x+y≦1)または連続するTiN−TiC−TiNの3層またはそれらの組合せの最外層系と、を含有する。さらに、この被覆されたインサートの最外層は、この多層及び部分的な最内層系が刃線に沿って曝されるために、機械的に後処理される。
この技術状態からみて、一般的に高速度で鋼、特にステンレス鋼を機械加工するために、切削工具インサートが必要である。これは、研磨材、付着磨耗、塑性変形、切屑打撃、及び切屑詰まりの損傷に対する改良された耐性を示す切削インサートを特に言及する。
米国特許第5,786,069号 イギリス特許第2048960−A号 米国特許第4,984,940号 米国特許第5,700,569号 ヨーロッパ特許第1103635−A号 ヨーロッパ特許第1217416−A号 ヨーロッパ特許第298729−A号 ヨーロッパ特許第693574−A号 ヨーロッパ特許第683244−A号 米国特許第2003180241−A号
第12回ヨーロッパCVD会議の会議録、前頁8〜349頁
本発明の目的は、上記磨耗様式の全てに同時に耐えることができる切削工具インサートを提供することである。
さらに、本発明の目的は、先行技術の工具製品に伴う課題を回避または軽減すること、高い切削速度で高い性能工具を提供することである。
本発明のさらにその上の目的は、要求の厳しいステンレス鋼の旋削加工作業において、優れた切削性能を備える工具を提供することである。
比較的低濃度のコバルト及び立方晶炭化物と、枯渇した狭いγ相と、バインダ相の富んだ表面区域と、を含む基材を有する超硬合金切削インサートが、これらの要求に適合することが、驚くべきことに判明した。代わりに、この多層は、機械的に後処理されたαまたはκAl層で置き換えることができる。このインサートは、塑性変形に対して優れた耐性と、高い刃靭性挙動と、また高速度でのオーステナイト2相ステンレス鋼の旋削加工の際の付着磨耗に対する十分な耐性と、を示す。
さらに具体的には、本発明は、γ相が枯渇し且つバインダ相の富んだ表面区域と、規定サイズのWC粒子と、規定の化学組成範囲のWC+Coと、規定のTi/(Ti+Ta+Nb)の比率と、を有する追加の立方晶炭化物を含むWC+Co基超硬合金基材、及び柱状粒のTiC層と、等軸のTiCの薄い層と、が後に続けられる等軸のTiCの薄い層からなる最内層系を含んでいるこの超硬合金基材上の被膜、に関する。この最内層系は、少なくとも二つのTiC(x+y+z≦1)層を含む必要がある。この層の上に、TiC(x+y+z≦1)とAlとの層、及びTiC(x+y≦1)の最外層を周期的に変化させた多層が、蒸着される。少なくとも、切刃の周囲の加工物から材料が直接付着する範囲の非酸化物最外層は、欠落される。
超硬合金基材の化学組成は、5.0wt%以上8.0wt%未満のCo好ましくは5.0wt%以上7.0wt%未満のCo、及び3.0〜8.0wt%の立方晶炭化物好ましくはTi,Ta及びNb金属の4.0〜7.0wt%の立方晶炭化物場合によっては炭化物周期律表のIVb、Vb及びVIb族の他金属の炭化物を含む。WCの平均粒径は、1.5〜3.5μm好ましくは2.0〜3.0μmである。種々の元素が形成する添加立方晶炭化物は、Ti/(Ti+Ta+Nb)の比率は、0.05〜0.3好ましくは0.1〜0.25にする必要がある。区域Zの深さは、5〜30μm好ましくは5〜25μmにすべきである。上記立方晶炭化物はいくらかの量のNとOとを含むことができ、Nの量は0.01〜0.2wt%にする必要がある。
本発明の超硬合金基材に蒸着される硬質の耐磨耗性耐熱被膜は、次の層を含む。
TiCの第1の最内層(A)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0.1μmを超え好ましくは0.1〜0.6μmの合計厚みを有する。
TiCの第2の最内層(B)は、x+y+z≦1であり、好ましくはz=0、x>0.3及びy>0.3であり、最も好ましくはx>0.5であり、且つ0.4〜4.9μm好ましくは柱状粒の1.5〜4.0μmの厚みである。
TiCの第3の最内層(C)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0.1μmを超え好ましくは0.2〜0.8μmの合計厚みを有する。
層A+B+Cの合計厚みは、0.7〜5.5μm好ましくは1.2〜5.0μmである。好ましくは層A及びCは各々層Bより薄い。
多層(D)は、相互のAlとTiC(x+y+z≦1)との層、好ましくはκAlとTiNとの層の複数層からなる。連続する多層の最内層及び最外層はAlである。Al層とTiC層との双方を含む層の合計数は、5〜31の間、好ましくは11〜15の層である。Al層は、0.6μm未満好ましくは0.2〜0.5μmの厚みである個々の層を有する。TiC層は、0.01〜0.2μm好ましくは0.02〜0.15μmの厚みである個々の層を有する。多層の合計厚みは、1.0〜5.0μm好ましくは1.5〜4.0μmである。各々のAl層の粒径はこの層の厚みに等しいか或いは未満である。
最外層系(E)は、連続するTiC(x+y≦1)の1層または数層、好ましくは連続するTiN、TiC及びTiNの3層〜5層から成る。合計厚みは、2.0μm未満で0.1μmを超え好ましくは0.5〜1.5μmである。
層A+B+C+D+Eの合計厚みは、2.0〜9.0μm好ましくは4.0〜8.0μmである。
代わりの実施例において、本発明の超硬合金基材に蒸着された硬質の耐摩耗性の耐熱被膜は、次の層を含む。
TiCの第1の最内層(A)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0.1μmを超え好ましくは0.1〜1.2μmの合計厚みを有する。
TiCの第2の最内層(B)は、x+y+z≦1であり、好ましくはz=0、x>0.3及びy>0.3であり、最も好ましくはx>0.5であり、且つ1.0〜5.0μm好ましくは柱状粒の2.0〜4.5μmの厚みである。
TiCの第3の最内層(C)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0・1μmを超え好ましくは0.2〜0.8μmの合計厚みを有する。
層A+B+Cの合計厚みは、1.5〜6.5μm好ましくは2.0〜5.5μmである。好ましくは層A及びCは各々層Bより薄い。
αAl層またはκAl層(D)は1.5〜5.0μm好ましくは1.5〜4.0μmの合計厚みを有する。
最外層系(E)は、一つの均一層のような、または連続するTiN+TiCの形のような、いずれかのTiC(x+y≦1)から成る。合計厚みは、2.0μm未満で0.1μmを超え好ましくは0.5〜1.5μmである。
層A+B+C+D+Eの合計厚みは、3.0〜11.0μm好ましくは4.5〜9.5μmである。
被膜の最外層部分は、すくい面の切屑接触と逃げ面上の加工物の接触とに相当する範囲内の切刃周囲で欠落する。最も好ましいは、見なし範囲は、すくい面の1次ランドに相当すし、この場合は1次ランドは、すくい面「a」及び逃げ面「b」上のインサートフェース面と透視図的に垂直である図2―2に規定される点からの距離で被膜が欠落されるようなすぐ先の形状に存在する。これらの距離は、種々のインサート形状及びすくい面のインサートの大きさなどに依存し、好ましくは0.03<a<0.9及び0.02<b<0.2mmに相当し、1次ランドの存在の有無に係わらず、a>b好ましくはa>1.5bである。一つの実施態様において、層Eだけが欠落する。もう一つの実施態様において、層D及び層Bの双方が其の両駅において部分的に欠落する。
代わりの実施態様において、被膜の最外層は、切刃及びすくい面の切り屑接触面に相当する範囲に相当する。この見なし範囲は、最も好ましくは切刃及び1次ランドが形状に存在するならば逃げ面の1次ランドに相当する範囲である。さらに、最外層は、また逃げ面で欠落または部分的欠落をする。
また、本発明は、好ましく超硬合金基材を含む上述の被覆切削インサートの製造方法に関し、この基材は、被覆前の窒素の少量添加の後で、表面近くの立方晶炭化物が枯渇し且つバインダ相が富んだ区域が真空焼結によって得られるような方法で作られる。この超硬合金基材の化学組成は、5.0wt%以上8.0wt%未満のコバルトと、3.0〜8.0wt%の立方晶炭化物とを含み、且つ残部がタングステン炭化物(WC)である。平均WC粒径は、1.5〜3.5μmの範囲にあることが判明した。立方晶炭化物を形成する元素の添加は、Ti/(Ti+Ta+Nb)の比率が、0.05〜0.3好ましくは0.1〜0.25であるようにすべきである。Z区域の深さは、5〜30μm好ましくは5〜25μmにすべきである。上記立方晶炭化物は、少量のNとOとを含んでもよく、且つNの量は0.01〜0.2wt%にすべきである。これらの微細組織の構造物は、例えば炭窒化物及びオキシ炭窒化物と呼ぶことができる。この超硬合金ボディは、主に粉末混合、ボール混練(ball milling)、スプレー乾燥、慣用の方法に従う焼結がその後続けられる加圧成形法、及び切刃半径を形成し且つ被覆前の洗浄などの前処理、によって製造される。
その後、このボディは、次の被覆がなされる。
TiCの第1(最内)の層(A)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0.1μmを超える合計厚みを有し、既知の化学蒸着CVD法を使用する。
TiCの層(B)は、x+y+z≦1であり、好ましくはz=0、x>0.3及びy>0.3であり、且つ0.4〜4.9μm好ましくは柱状粒の1.5〜4.0μmの厚みであり、好ましくは中温CVD、MTCVD技術を使用する(700〜900℃の温度範囲においてこの層を形成するために炭素と窒素の源としてアセトニトリルを使用する)。正確な条件は用いる装置形状の大きさに依存する。
TiCの層(C)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0・1μmを超える合計厚みを有し、既知のCVD法を使用する。この層(C)は、脱落する第2の実施態様として存在する。
層A+B+Cの合計厚みは、0.7〜5.5μm好ましくは1.2〜5.0μmである。好ましくは層A及びCは各々層Bより薄い。
多層(D)は、相互のAlとTiC(x+y+z≦1)との層、好ましくはκAlとTiNとの層の複数層からなり、既知のCVD法を使用する。連続する多層の最内層及び最外層はAlである。Al層とTiC層との双方を含む層の合計数は、5〜31の間、好ましくは11〜15の層である。Al層は、0.6μm未満好ましくは0.2〜0.5μmの厚みである個々の層を有する。TiC層は、0.01〜0.2μm好ましくは0.02〜0.15μmの厚みである個々の層を有する。多層の合計厚みは、1.0〜5.0μm好ましくは1.5〜4.0μmである。このAl層の粒径はこのAl層の厚みに等しいか或いは未満である。
好ましくは、最外層系(E)は、連続するTiC(x+y≦1)の1層または数層、好ましくは連続するTiN、TiC及びTiNの3層〜5層から成り、既知のCVD法を使用する。合計厚みは、2.0μm未満である。層A+B+C+D+Eの合計厚みは、2.0〜9.0μmである。
代わりのボディは、次の被覆がなされる。
TiCの第1の(最内)層(A)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0.1μmを超える合計厚みを有し、既知の化学蒸着CVD法を使用する。
TiCの層(B)は、x+y+z≦1であり、好ましくはz=0、x>0.3及びy>0.3であり、且つ1.0〜5.0μm好ましくは柱状粒の2.0〜4.5μmの厚みであり、好ましくは中温CVD、MTCVD技術を使用する(700〜900℃の温度範囲においてこの層を形成するために炭素と窒素の源としてアセトニトリルを使用する)。正確な条件は用いる装置形状の大きさに依存する。
TiCの層(C)は、x+y+z≦1であり、好ましくはy>x及びz<0.2であり、最も好ましくはy>0.8及びz=0であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0・1μmを超える合計厚みを有し、既知のCVD法を使用する。この層(C)は、脱落する第2の実施態様として存在する。
層A+B+Cの合計厚みは、1.5〜6.5μm好ましくは2.0〜5.5μmである。好ましくは層A及びCは各々層Bより薄い。
αAl層またはκAl層(D)は1.5〜5.0μm好ましくは1.5〜4.0μmの合計厚みを有する。
好ましくは、最外層系(E)は、連続するTiC(x+y≦1)に1層または複数層から成り、既知のCVD法を使用する。合計厚みは、2.0μm未満である。
層A+B+C+D+Eの合計厚みは、3.0〜11.0μmである。
この被膜は、ブラシがけ作業、吹き付け作業、研削加工作業、或いはそれらの組合せによって機械的に後処理され、切り屑と加工物の接触するすくい面と逃げ面との区域が処理されるように、切刃ラインに沿って多層またはAl層が露出される。
好ましい実施態様においては、SiC粒を含んでいる二つのブラシが、取り付け及びインサートの位置だしに使用され、一方のブラシはすくい面をブラシ掛けし、もう一方が逃げ面をブラシ掛けして、このインサートの逃げ面とすくい面との所望の性能を達成する。
切刃ラインでの最外層(E)の除去は、切刃ラインに沿ってAl層を露出させる。この切刃ラインは、切削工具インサートの切刃磨き部として規定される。処理されなかった切刃ラインを図2−1に図示し、且つ処理された切刃ラインを図2−2と図2−3に図示する。非酸化物の頂部層及び多層の一部のみが除去される。TiCの層(A+B+C)は、しかしながら切刃ラインの重要でない部分に見えてもよい(図2−3)。
もう一つの方法は、この被膜が、ブラシがけ作業、吹き付け作業、研削加工作業、或いはそれらの組合せによって機械的に後処理され、切り屑と加工物の接触するすくい面の区域が処理されるように、切刃ラインに沿ってAl層が露出される。好ましい方法では、もう一つの被膜に対して、Al粒を含む吹き付け作業が、取り付け及びインサートの位置だし使用され、吹き付け作業は主にすくい面に施される。すくい面での最外層(E)の除去は、特に全体的或いは部分的にすくい面内の切刃上のAl層を露出させる。
次に示すインサート及び実施例は、本発明の利点を例示するために選ばれた。例示するインサートは各実施例における同一の条件で試験された。
インサートA1
本発明の超硬合金の旋削加工インサートは、6.0wt%のCoと、1.0wt%のTiと、0.4wt%のNbと、3.3wt%のTaと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.21)であって、)、0.05wt%のNと、及びWCから作られた残部とを含み、さらに2.8μmの平均粒径を有し且つバインダ相が富んでいて立方晶炭化物が枯渇した深さ15μmの区域が、0.5μmのTiN(最内層)と、2.2μmの柱状晶のTi(C、N)と0.5μmの等軸のTiNと、2.2μmの(κ+Al+TiN)κAlの多層と、0.5μmのTiN+TiC+TiNの最外層で被覆された。
この被膜は、SiC粒を含むナイロンブラシで切刃ラインに沿って後処理された。この最外層は、すくい面と逃げ面に向かってa=0.1mm、b=0.05mm除去された。
インサートA2
本発明の超硬合金の旋削加工インサートは、6.0wt%のCoと、1.0wt%のTiと、0.4wt%のNbと、3.3wt%のTaと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.21)であって、)、0.05wt%のNと、及びWCから作られた残部とを含み、さらに2.8μmの平均粒径を有し且つバインダ相が富んでいて立方晶炭化物が枯渇した表面から15μmの区域が、0.5μmのTiN(最内層)と、3.7μmの柱状晶のTi(C、N)と0.4μmの等軸のTi(C、N)と、2.2μmのαAlの層と、0.8μmの連続したTiN+TiCの最外層で被覆された。
この被膜は、すくい面特に切刃に沿ってAl粒で吹き付け加工された。
インサートB1
本発明の超硬合金の旋削加工インサートは、6.0wt%のCoと、1.0wt%のTiと、0.4wt%のNbと、3.3wt%のTaと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.21)であって、)、0.05wt%のNと、及びWCから作られた残部とを含み、さらに2.3μmの平均粒径を有し且つバインダ相が富んでいて立方晶炭化物が枯渇した表面から15μmの区域が、0.5μmのTiN(最内層)と、2.2μmの柱状晶のTi(C、N)と0.5μmの等軸のTiNと、2.2μmの(κ+Al+TiN)κAlの多層と、0.5μmのTiN+TiC+TiNの最外層で被覆された。
この被膜は、SiC粒を含むナイロンブラシで切刃ラインに沿って後処理された。この最外層は、すくい面と逃げ面に向かってa=0.1mm、b=0.05mm除去された。
インサートB2
本発明の超硬合金の旋削加工インサートは、6.0wt%のCoと、1.0wt%のTiと、0.4wt%のNbと、3.3wt%のTaと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.21)であって、)、0.05wt%のNと、及びWCから作られた残部とを含み、さらに2.3μmの平均粒径を有し且つバインダ相が富んでいて立方晶炭化物が枯渇した表面から15μmの区域が、0.5μmのTiN(最内層)と、3.7μmの柱状晶のTi(C、N)と0.4μmの等軸のTiNと、2.2μmのαAl層と、0.8μmの連続したTiN+TiCの最外層で被覆された。
この被膜は、すくい面特に切刃に沿ってAl粒で吹き付け加工された。
インサートC
市販の超硬合金の旋削加工インサートは、6.2wt%のCoと、2.3wt%のTiと、2.0wt%のNbと、0.1wt%のTaと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.52)であって、)、0.14wt%のNと、及びWCから作られた残部とである化学組成の基材を有する。平均WCの粒径は2.7μmであり、さらに基材は、バインダ相が富みγ相の枯渇した区域を含み、この区域は表面から26μmの深さまで延在する。この被膜は、0.1μmのTiNの最内層と、4.0μmの柱状晶のTi(C、N)と、0.3μmの等軸のTiNと、1.9μmのκAl層と0.3μmのTiNの最外層からなる。
インサートD
市販の超硬合金の旋削加工インサートは、6.0wt%のCoと、2.1wt%のTiと、0.4wt%のNbと、3.3wt%のTaと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.36)であって、)、0.09wt%のNと、及びWCから作られた残部とである化学組成の基材を有する。平均WCの粒径は2.4μmであり、さらに基材は、バインダ相が富みγ相の枯渇した区域を含み、この区域は表面から13μmの深さまで延在する。この被膜は、0.5μmのTiNの最内層と、3.0μmの柱状晶のTi(C、N)と、0.3μmの等軸のTiNと、1.7μmのκAl層と0.3μmのTiNの最外層からなる。
インサートE
市販の超硬合金の旋削加工インサートは、7.5wt%のCoと、2.72wt%のTaと、0.44wt%のNbと、1.8wt%のTiと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0.37)であって、)、0.09wt%のNと、及びWCから作られた残部とを有し、さらに2.4μmの平均粒径を有し、バインダ相が富み立方晶の炭化物の枯渇した表面から26μmの区域が、0.5μmのTiN(最内層)と、7.5μmの柱状晶のTi(C、N)と、1.2μmのα+κAl層と1.0μmのTiNの最外層で被覆された。
この被膜は、SiC粒を含むナイロンブラシで切刃ラインに沿って後処理された。この最外層は、逃げ面に向かってb=0.1mm除去された。
インサートF
市販の超硬合金の旋削加工インサートは、8.75wt%のCoと、1.15wt%のTaと、0.27wt%のNbと、((Ti/(Ti+Ta+Nb)=0)であって、)、0.09wt%のNと、及びWCから作られた残部とを有し、さらに2.0μmの平均粒径を有し、0.5μmのTiN(最内層)と、2.2μmの柱状晶のTi(C、N)と、0.5μmの等軸のTiNと、2.2μmの(κ+Al+TiN)κAlの多層と、0.5μmのTiN+TiC+TiNの最外層で被覆された。
この被膜は、SiC粒を含むナイロンブラシで切刃ラインに沿って後処理された。この最外層は、すくい面と逃げ面に向かってa=0.1mm、b=0.05mm除去された。
実施例1
A1、A2及びEからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:棒材の外径加工及び正面加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:270m/min
送り速度:0.3mm/回転
切り込み深さ:2mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:合計寿命
インサートA1:(本発明)9min
インサートA2:(本発明)9min
インサートE:(従来技術)5min
評価:工具寿命は切刃ラインの0.3mmの最大逃げ面磨耗であった。この磨耗は、局所的塑性変形のための不規則に発達した。この実施例は、本発明のインサートに対して塑性変形抵抗の改良が示された。
実施例2
B1、B2及びEからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:棒材の軸方向加工及び正面加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:290m/min
送り速度:0.2mm/回転
切り込み深さ:2mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:合計寿命
インサートB1:(本発明)17min
インサートB2:(本発明)17min
インサートE:(従来技術)8min
評価:工具寿命は切刃ラインの0.3mmの最大逃げ面磨耗であった。この磨耗は、局所的塑性変形のための不規則に発達した。この実施例は、本発明のインサートに対して塑性変形抵抗の改良が示された。
実施例3
B1、D及びEからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:肩部に対する軸方向加工及び正面加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:270m/min
送り速度:0.3mm/回転
切り込み深さ:2mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:切刃の損傷
インサートB1:(本発明)0.2mm/min
インサートD:(従来技術)0.9mm/min
インサートE:(従来技術)0.2mm/min
評価:この試験は、一般的に切屑打撃及び切屑詰まりといわれる工具と加工物との間の直接接触面外側の切刃の誘起損傷に焦点を絞った。このような損傷耐性は、切刃の靭性に直接関係する。
本発明のインサートは、これらの事項において改良が示された。切刃靭性は増加し(インサートB1及びD)、または維持された(インサートBI及びE)。一方塑性変形抵抗は、増加した(実施例2)。
実施例4
A1及びCからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:中心に向かう正面加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:180m/min
送り速度:0.30〜0.15mm/回転
切込み深さ:1mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:工具寿命
インサートA1:(本発明)5min
インサートC:(従来技術)3min
評価:これは切刃靱性を要求する作業であり、且つこの試験は従来技術のインサートに比較して本発明のインサートの改良が明確に示された。しかしながら、この実施例においては、一つの単一臨界摩耗を識別するために困難ではあるが、しかし削り取り、すくい面の被覆、及び付着摩耗のために、摩耗の組合せとして記載することができる。
実施例5
B1、B2及びEからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:車軸の倣い加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:200m/min
送り速度:0.25mm/回転
切り込み深さ:3mm
インサート形式:TNMG160408−MM
結果:工具寿命
インサートB1:(本発明)14本
インサートB2:(本発明)15本
インサートE:(従来技術)9本
評価:この試験は、従来技術のインサートに比較して本発明のインサートの改良が明確に示された。切刃ラインの削り取り及びノッチ磨耗が、従来技術のインサートでより早く生じた。
実施例6
A1、E及びFからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:車軸の正面加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:180m/min
送り速度:0.30〜0.15mm/回転
切込み深さ:1mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:工具寿命
インサートA1:(本発明)6.5min
インサートE:(従来技術)2.5min
インサート:(従来技術)5.5min
評価:この実施例は、本発明が切刃靱性を改良したことが示された。この実施例においては、一つの単一臨界摩耗を識別することは難しかったが、しかし削り取り、すくい面の被覆、及び付着摩耗のために、摩耗の組み合わせとして記載することができる。
実施例7
B1、及びEからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:細い棒材の長手方向と正面加工の組合せ
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:250m/min
送り速度:0.4mm/回転
切り込み深さ:2mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:工具寿命
インサートB1:(本発明)8min
インサートE:(従来技術)4min
評価:主な磨耗機構は塑性変形と付着磨耗である。この実施例は、従来技術のインサートに比較して本発明のインサートに対してこれらの両方の機構に関する耐性の改良が示された。
実施例8
B1、及びEからのインサートを、旋削作業で試験した。
作業:鍛造製品の連続切削加工
加工物材料:オーステナイトステンレス鋼、AISI304L
切削速度:200m/min
送り速度:0.17〜0.27mm/回転
切り込み深さ:0.1〜1.3mm
インサート形式:CNMG120408−MM
結果:工具寿命
インサートB1:(本発明)1500個
インサートE:(従来技術)200個
評価:臨界摩耗基準は、剥離、構成切刃及び削り取りである。本発明のインサートは、従来技術に比較してこれらの摩耗形式に対して改良されて耐性を示した。
要するに、上記に示した実施例の結果から、所定の組成を有する超硬合金の基材と、特別な厚みと特別な切刃処理とを有する多層またはAlの被膜の選択と、が組み合わせることによって、工具インサートは、優れた切削性能を備えて作り出されことが明らかにされ、この序文に示した矛盾する性質となると考えられている多くのことが組み合わされた。
図1は、本発明に従う基材と被膜との表面範囲の横断面の操作型電子顕微鏡写真であり、Zは基材のγ相が枯渇し且つバインダ相が富んだ表面範囲であり、AはTiN層であり、Bは柱状Ti(C、N)層であり、CはTiNであり、Dは多層(AlAlであり、且つEはTiC層である。 図2−1は、後処理をしない切刃の横断面の模式図である。 図2−2は、最外層Eが取り除かれた本発明にしたがう後処理がされた切刃の横断面の模式図を示す。 図2−3は、最外層E及び多層(AlAlが取り除かれた本発明にしたがう後処理がされた切刃の横断面の模式図を示す。 図3は、本発明に従う基材と被膜との表面範囲の横断面の操作型電子顕微鏡写真であり、Zは基材のγ相が枯渇し且つバインダ相が富んだ表面範囲であり、AはTiN層であり、Bは柱状Ti(C、N)層であり、CはTiNであり、DはαまたはκのAlであり、且つEはTiC層である。

Claims (17)

  1. ステンレス鋼旋削加工用の被覆超硬合金切削工具インサートであって、基材と被膜とを備えており、前記基材は、
    5.0wt%以上8.0wt%未満のCoと、
    3.0〜8.0wt%のTi、Ta及びNb金属の立方晶炭化物であって、
    立方晶炭化物形成元素の添加量はTi/(Ti+Ta+Nb)の比率が0.05〜0.3である立方晶炭化物と、
    0.01〜0.2wt%のNと、
    残部のタングステン炭化物(WC)を含む化学組成を有する超硬合金であり、焼結ままの状態で1.5〜3.5μmの粒径を有し且つγ相が枯渇しバインダ相が富む5〜30μmの深さを有する表面区域を有しており、
    前記皮膜は、
    x+y+z≦1であるTiCの少なくとも二層からなる最内層系の第1部分と、
    Al3とx+y+z≦1であるTiCとの5層〜31層の交互の層を有し、前記Al3層は各々<0.6μmの層厚みを有し、前記TiC層は各々0.01〜0.2μmの層厚みを有し、合計厚みが1.0〜5.0μmを有する多層系である第2部分とを有し、
    且つ、前記多層系が切刃ラインに沿いかつすくい面と逃げ面に向かって露出され、すくい面(a)上の露出部が0.03mmより大きく0.9mm未満であり、かつ逃げ面(b)上の露出部が0.02mmより大きく0.2mm未満であり、かつa>bである、ことを特徴とするステンレス鋼旋削加工用の被覆超硬合金切削工具インサート。
  2. 前記基材は、
    5.0wt%以上7.0wt%未満のCoと、
    4.0〜7.0wt%のTi、Ta及びNb金属の立方晶炭化物と、
    ただし、立方晶炭化物形成元素の添加量はTi/(Ti+Ta+Nb)の比率が0.1〜0.25であり、
    0.01〜0.2wt%のNと、
    残部のタングステン炭化物(WC)を含む化学組成を有する超硬合金であり、焼結ままの状態で2.0〜3.0μmの粒径を有し且つγ相が枯渇しバインダ相が富む5〜25μmの深さを有する表面区域を有することを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  3. 前記第2部分の多層系は、前記Al3がκ−Al3で、前記TiCがTiNであり、該κ−Al3と該TiNとの11〜15の交互の層を有し、κ−Al3層は個々の厚み0.2〜0.5μmを有し、TiN層は個々の厚さが0.02〜0.15μmであって、合計厚みが1.5〜4.0μmであることを特徴とする請求項1または2に記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  4. 前記被膜の最内層系は、
    x+y+z≦1であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ合計厚みが1.5μm未満であり0.1μmを超えるTiCの第1の層と、
    x+y+z≦1であり、且つ0.4〜4.9μmの厚みで、柱状粒を有するTiCの第2の層を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  5. 前記被膜の最内層系は、
    x+y+z≦1であり、かつ、y>x及びz<0.2であるTiCの第1の層と、
    z=0、x>0.3及びy>0.3であるTiCの第2の層を有することを特徴とする請求項4に記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  6. 前記被膜の最内層系は、
    y>0.8及びz=0であるTiCの第1の層を有することを特徴とする請求項4に記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  7. 前記被膜の最内層系は、
    x+y+z≦1であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ合計厚みが1.5μm未満であり0.1μmを超えるTiCの第3の層を有することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  8. 前記被膜の最内層系は、
    x+y+z≦1であり、かつ、y>x及びz<0.2であるTiCの第3の層を有することを特徴とする請求項7に記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  9. 前記被膜の最内層系は、
    x+y+z≦1であり、かつ、y>0.8及びz=0であるTiCの第3の層を有することを特徴とする請求項7に記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  10. 前記被膜の最内層系の合計厚みが、0.7〜5.5μmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  11. 前記多層系の頂部上にTiC(x+y≦1)の1層以上の最外層系を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  12. 前記多層系の頂部にTiN、TiC及びTiNの順で3層〜5層の最外層系を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  13. 前記被膜の合計厚みが2.0〜9.0μmであることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  14. 前記多層系及び部分的に前記TiC最内層系が切刃ラインに沿って露出されることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の切削工具インサート。
  15. ステンレス鋼旋削加工用の被覆超硬合金切削工具インサートの製造方法であって、基材を準備する工程と基材を被覆する工程を有し、前記基材を準備する工程は、
    5.0wt%以上8.0wt%未満のCoと、
    3.0〜8.0wt%のTi、Ta及びNb金属の立方晶炭化物であって、
    立方晶炭化物形成元素の添加量はTi/(Ti+Ta+Nb)の比率が0.05〜0.3である立方晶炭化物と、
    0.01〜0.2wt%のNと、
    残部のタングステン炭化物(WC)を含む化学組成を有し、焼結ままの状態で1.5〜3.5μmの粒径を有し、且つ少量の窒素の添加後に真空中焼結によって得られたγ相が枯渇しバインダ相が富み、5〜30μmの深さを有する表面区域を有する超硬合金を準備する工程であり、
    前記基材を被覆する工程は、次の層、
    x+y+z≦1であり、0.5μm未満の大きさの等軸粒と、1.5μm未満であり0.1μmを超える合計厚みとを有し、既知の化学蒸着CVD法を用いるTiCの第1の最内層(A)、
    x+y+z≦1であり、且つ0.4〜4.9μmの厚みと、柱状粒を有し、既知のCVD法を使用するTiCの層(B)、
    x+y+z≦1であり、大きさ0.5μm未満の等軸粒を有し、且つ1.5μm未満であり0.1μmを超える合計厚みを有し、既知のCVD法を使用するTiCの層(C)、但し、A+B+C層の合計厚みは、0.7〜5.5μm、及び、
    一連の多層系の最内層と最外層とがAl3であり、Al3層とTiC層との双方を含む層の合計は、5層〜31層であり、Al3層が0.6μm未満の個々の層厚を有し、TiC層が0.01〜0.2μmの個々の層厚を有し、多層系の合計厚みが1.0〜5.0μmを有し、Al3層の粒径がAl3層の厚みに等しいか或いはそれ未満である、Al3とTiC(x+y+z≦1)との交互の複数の層からなり、既知のCVD法を使用する多層系(D)、で基材を被覆する工程であることを特徴とするステンレス鋼旋削加工用の被覆超硬合金切削工具インサートの製造方法。
  16. 一連のTiC(x+y≦1)の1層または数層から成り、合計厚みが2.0μm未満である最外層系(E)を既知のCVD法を使用して被覆し、これにより、層A+B+C+D+Eの合計厚みを2.0〜9.0μmとする工程、および、切り屑と加工物との接触するすくい面及び逃げ面上の範囲が処理されるように、ブラシがけ、吹き付け、研削作業またはそれらの組合わせによって切刃ラインに沿って多層を露出するために被膜を後処理する工程、を有することを特徴とする請求項15に記載のステンレス鋼旋削加工用の被覆超硬合金切削工具インサートの製造方法。
  17. 前記多層系(D)の交互のAl3層とTiC層が、κ-Al3層とTiN層であり、Al3層とTiC層の両方を含めた層数が11層 〜15層であることを特徴とする請求項15〜16のいずれか1つに記載のステンレス鋼旋削加工用の被覆超硬合金切削工具インサートの製造方法。
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