JP2000308916A - 切削インサート及びその製造方法 - Google Patents

切削インサート及びその製造方法

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JP2000308916A JP2000087368A JP2000087368A JP2000308916A JP 2000308916 A JP2000308916 A JP 2000308916A JP 2000087368 A JP2000087368 A JP 2000087368A JP 2000087368 A JP2000087368 A JP 2000087368A JP 2000308916 A JP2000308916 A JP 2000308916A
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Leif Aakesson
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Rickard Sundtroem
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Ake Ostlund
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、様々な組成及び微細組織のステン
レス鋼を特に高速の切削速度で湿式又は乾式機械加工す
るため、及び低炭素鋼及び低合金及び中合金鋼などの非
ステンレス鋼をフライス加工するための被覆超硬合金切
削工具（スローアウェイチップ）に関する。 【解決手段】 WC-Co を基とする超硬合金インサート
は、あらゆる立方晶炭化物を含まず特定の組成範囲のWC
-Co 、Ｗの合金化が低いCo結合相、狭い範囲で決まる平
均WC粒子サイズにより特徴づけられ、硬質かつ耐摩耗性
の被膜は、Ti／Al比が繰り返し変化しながら組成 (Tix
Al1-x )Nのサブ層の多層構造を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、オーステナイト系
ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、２相ステン
レス鋼、オーステナイト系スーパーステンレス鋼、及び
析出硬化ステンレス鋼などの、様々な組成及び微細組織
のステンレス鋼を、特に高速でフライス加工するため、
及び低炭素鋼、及び低合金鋼及び中合金鋼などの非ステ
ンレス鋼をフライス加工するための、被覆超硬合金切削
工具（スローアウェイチップ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】鋼の機械加工に用いられる超硬合金切削
工具について、化学的摩耗及びアブレシブ摩耗などの様
々な摩耗機構により切れ刃が摩損し、工具の切れ刃は激
しい断続的な切削負荷のもとで破損する可能性があり、
いわゆる切れ刃の欠け(chipping)を生じ、その欠けは通
常切れ刃に垂直に形成される割れ(crack) から発生する
ことがよく知られている。この種類の割れをくし状の割
れ(comb crack)という。その上、切削速度、切削深さ、
切削送り速度などの様々な切削条件、及び乾式又は湿式
の機械加工、加工部材の激しい振動などの外的な条件に
より、多くの様々な切れ刃の特性が必要となっている。
例えば、加工部材の表面がいわゆる鋳肌に覆われている
非ステンレス鋼又はステンレス鋼の加工部材のフライス
加工において超硬合金切削インサートを適用する際、又
は加工部材の振動が激しいなどの困難な外的条件下でフ
ライス加工する際には、インサートが靭性のあるグレー
ドの超硬合金の基板を含み、その基板表面上には硬質で
耐摩耗性の耐熱被膜が堆積している被覆超硬合金インサ
ートを使用する必要がある。被膜は基板に付着接合し、
インサートの機能部分を全て覆っているべきである。加
えて、ステンレス鋼をフライス加工する際には、凝着摩
耗と呼ばれる更に別の摩耗機構が発生し、その凝着摩耗
はステンレス鋼の切りくずと切れ刃材料との間の凝着力
(adhesive force)により引き起こされる。凝着力が十分
に大きくなると、切れ刃での上記のくし状の割れの近傍
における切れ刃の欠けが発生し、従って工具寿命は短く
なる。
【０００３】高速の切削速度（ステンレス鋼の組成によ
り150 〜300 ｍ／分）でステンレス鋼をフライス加工す
るための超硬合金切削工具を使用する際には、切れ刃に
生じる熱エネルギーは著しく、工具切れ刃の全体が塑性
変形する可能性がある。この種類の摩耗機構は組成変形
摩耗として知られており、従って高速の切削速度で使用
する際の、被覆超硬合金インサートの更に別の要件は、
塑性変形に対して高い耐性を示す切れ刃を生じる超硬合
金の組成と被膜材料の選択である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ステンレス鋼の機械加
工に適した市販超硬合金工具、及び特にステンレス鋼の
フライス加工に適した超硬合金工具は通常、耐摩耗性か
つ付着接合した被膜で被覆した靭性のある超硬合金基板
の上記の要求される工具特性、すなわち化学的摩耗、ア
ブレシブ摩耗、凝着摩耗及び塑性変形摩耗に対する高い
耐性の１つ又は２つに対して最適化されているのみであ
る。
【０００５】WO 97/20083 は、高度の切れ刃の靭性が要
求される機械加工作業において、研磨面領域を含む又は
含まずに、低合金鋼及び中合金鋼又はステンレス鋼の加
工部材を湿式及び乾式でフライス加工するために特に設
計された被覆超硬合金切削工具について開示している。
外的な切削条件は、加工部材の複雑な形状、振動、切り
くず打撃(chip hammering)、切りくずの再切削などによ
り特徴づけられる。記載された切削インサートは、立方
晶炭化物と共に1.7 μm の平均結晶粒サイズを有するWC
及び11〜12質量％のCoを含む被覆超硬合金基板と、柱状
結晶粒組織を有するTi C x N y O zの層、円滑で微細結
晶粒のκ-Al2O3の第２の層、及びTiN の最外の第３の層
を含む被膜とを含む。
【０００６】WO 97/20081 は、低合金鋼及び中合金鋼を
湿式及び乾式でフライス加工するために特に設計された
被覆超硬合金切削工具について開示している。記載され
た切削インサートは、WC、立方晶炭化物及びCoを含む被
覆超硬合金基板と、柱状結晶粒組織を有するTi C x N y
O zの層、円滑で微細結晶粒のκ-Al2O3の第２の層、及
びTiN の最外の第３の層を含む被膜とを含む。
【０００７】WO 97/20082 は、高度の超硬合金切れ刃の
靭性が要求される機械加工作業において、ステンレス鋼
部品の湿式旋削加工用に特に設計された被覆超硬合金切
削工具について開示している。記載された切削インサー
トは、Ｗを富化したコバルト結合相を含む被覆超硬合金
基板と、柱状結晶粒組織を有するTi C x N y O zの層、
κ-Al2O3の第２の層、及びTiN の最外の第３の層を含む
被膜とを含む。非常に円滑な切れ刃表面を、例えばSiC
を主とするブラッシで工具の切れ刃をブラッシ仕上げす
ることにより任意に選択して得る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】高速の切削速度でステン
レス鋼をフライス加工する際の優れた切削性能は、あら
ゆる立方晶炭化物の添加物を含まず、特定の結晶粒サイ
ズのWC結晶粒で、特定の組成範囲のWC-Co を有する、WC
-Co を主成分とする基板と、最内の非常に薄いTiN 層、
基板／被膜界面に垂直にTi／Al比の周期的な変化を有す
るTiAlN の第２の層、最外のTiN 層を含む被膜とを含
む、被覆超硬合金体で得られることが明らかになってい
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明によると、少量のCrを含
み、10〜12質量％のCo、好ましくは10〜11質量％のCo、
最も好ましくは10.2〜10.8質量％のCoと、0.3 〜0.6 質
量％のCr、好ましくは0.4 〜0.5 質量％のCrと、WCから
なる残部とのWC-Co 組成を有する、WC-Co を主成分とす
る超硬合金体を含む、高速の切削速度でステンレス鋼を
フライス加工するための被覆切削工具インサートが提供
される。平均WC結晶粒サイズは、1.0 〜1.6 μm 、好ま
しくは1.1 〜1.4 μm 、最も好ましくは1.15〜1.3 μm
の範囲にある。WCの結晶粒サイズはCr濃度により著しく
影響を受ける。コバルト結合相は少量のＷで合金化さ
れ、結合相中のＷ濃度はCW比(CW= MS ／(Co(質量％)×
0.0161))として表すことができ、ここで MS はkA/mにお
ける超硬合金体の測定した飽和磁化であり、Co (質量
％) は超硬合金中のCoの質量割合である。飽和磁化は、
結合相中のＷの濃度に依存し、従ってCW値はCo結合相中
のＷ含有量の関数でもある。CW値が大きいことは、結合
相中でのＷ含有量が低いことに対応する。本発明による
と、切削性能を改善するには、超硬合金基板は、0.87〜
0.96、好ましくは0.88〜0.95、最も好ましくは0.89〜0.
93のCW比を有するべきである。超硬合金基板はあらゆる
遊離黒鉛(free graphite) を含むべきでない。
【００１０】本発明により超硬合金基板上に堆積する硬
質かつ耐摩耗性の耐熱被膜は、以下のものを含む。 ・第１の（最内の）薄い0.1 〜0.5 μm のTiN 接合層。 ・ｘが２つの範囲0.45<x<0.55 と0.70<x<0.80 との間を
繰り返し変化する、組成 (Tix Al1-x )Nのサブ層の多層
構造を含む第２の層。0.45<x<0.55 のｘ値を有するTiN
接合層に隣接する第１の (Tix Al1-x )Nサブ層、0.70<x
<0.80 のｘ値を有する第２の (Tix Al1-x )Nサブ層と、
0.45<x<0.55 のｘ値を有する第３のサブ層などが、12〜
25のサブ層、好ましくは22〜24のサブ層が生成するまで
繰り返される。多層のサブ層構造を備えたこの第２の層
の厚みは、全被膜厚みの75〜95％を構成する。各 (Tix
Al1-x )Nのサブ層は、本質的に同一の厚みであるが、そ
れらの厚みは規則的に又は不規則的に変化してもよく、
そのサブ層の厚みは0.05〜0.2 μm の範囲にある。
【００１１】・0.45<x<0.55 のｘ値を有する第３の薄い
0.1 〜0.5 μm の (Tix Al1-x )N層。 ・第４の（最外の）薄い0.1 〜0.2 μm のTiN 層。 本発明による超硬合金基板に堆積した被膜の全厚みは、
１〜８μm 、好ましくは２〜５μm で変化してもよい。
先に説明した層の厚み、サブ層の厚み、及び被膜厚み
は、切れ刃近傍で行った測定にあてはまり、すなわち切
削工具の機能部分である。
【００１２】本発明は、少量のCrを含み、10〜12質量％
のCo、好ましくは10〜11質量％のCo、最も好ましくは1
0.2〜10.8質量％のCoと、0.3 〜0.6 質量％のCr、好ま
しくは0.4 〜0.5 質量％のCrと、WCからなる残部とのWC
-Co 組成を有する、WC-Co を主成分とする超硬合金体を
含む、高速の切削速度でステンレス鋼をフライス加工す
るための被覆切削工具インサートの製造方法にも関す
る。平均WC結晶粒サイズは、1.0 〜1.6 μm 、好ましく
は1.1 〜1.4 μm 、最も好ましくは1.15〜1.3 μmの範
囲にある。
【００１３】硬質かつ耐摩耗性の耐熱被膜は、従来のPV
D 法 (物理蒸着法) 又はCVD 法 (化学蒸着法) を適用す
ることにより超硬合金基板上に堆積され、本発明による
と、その被膜は以下のものを含む。 ・第１の（最内の）薄い0.1 〜0.5 μm のTiN 接合層。 ・ｘが２つの範囲0.45<x<0.55 と0.70<x<0.80 との間を
繰り返し変化する、組成 (Tix Al1-x )Nのサブ層の多層
構造を含む第２の層。0.45<x<0.55 のｘ値を有するTiN
接合層に隣接する第１の (Tix Al1-x )Nサブ層、0.70<x
<0.80 のｘ値を有する第２の (Tix Al1-x )Nサブ層と、
0.45<x<0.55 のｘ値を有する第３のサブ層などが、12〜
25のサブ層、好ましくは22〜24のサブ層が生成するまで
繰り返される。多層のサブ層構造を備えたこの第２の層
の厚みは、全被膜厚みの75〜95％を構成する。各 (Tix
Al1-x )Nのサブ層は、本質的に同一の厚みであるが、そ
れらの厚みは規則的に又は不規則的に変化してもよく、
そのサブ層の厚みは0.05〜0.2 μm の範囲にある。
【００１４】・0.45<x<0.55 のｘ値を有する第３の薄い
0.1 〜0.5 μm の (Tix Al1-x )N層。 ・第４の（最外の）薄い0.1 〜0.2 μm のTiN 層。
【００１５】
【実施例】実施例１ Ａ．10.5質量％のCo、0.44質量％のCr、及びWCからなる
残部の組成を有し、1.25μm の平均WC結晶粒サイズを有
し、0.91のCW比に対応するＷを合金化した結合相を有す
る、本発明による超硬合金フライスインサートを、従来
のPVD 陰極アーク(cathodic arc)法を適用し、４μm の
厚みの被膜で被覆した。その被膜は、第１の（最内の）
0.2 μm のTiN 層、それに続くｘが0.50と0.75の間を交
互に変わる23の交互の (Tix Al1-x )Nサブ層を含む3.2
μm の厚みの第２の層、x=0.50の第３の0.2 μm の (Ti
x Al1-x )N層、及び最後に最外の0.4 μm のTiN 層を含
む。
【００１６】Ｂ．11.5質量％のCo、1.25質量％のTaC 、
0.30質量％のNbC 及びWCからなる残部の組成を有し、1.
7 μm の平均WC結晶粒サイズを有し、0.93のCW比に対応
するＷを合金化した結合相を有する超硬合金フライスイ
ンサートを、MTCVD 法（中間温度(medium temperature)
CVD）を適用することにより、0.5 μm の等軸状のTiC
0.05N0.95層（0.05の推定C/N 比に対応する高い窒素含
有量を有する）、それに続き柱状の微細組織を有する４
μm の厚みのTiC0.54N0.46層で被覆した。その後、従来
のCVD 法を適用することによりTiC0.54N0.46層の上に、
1.0 μm の厚みのAl2O3 層、それに続いて0.3 μm の厚
みのTiN 層を堆積させた。外側のTiN 層とほとんど全て
のAl2O3 層はブラッシ仕上げにより刃先に沿って取り除
かれた。
【００１７】Ｃ．8.9 質量％のCo、0.1 質量％のTiC 、
0.5 質量％のTaC 、0.1 質量％のNbC 及びWCからなる残
部の組成を有し、CW比が0.97であるグレードの超硬合金
の市販超硬合金インサート。平均WC結晶粒サイズは2.5
μm であった。インサートは、4.5 μm のTiN ＋TiCN＋
TiC 層を含む、従来のCVD 被膜で被覆されている。 作業 正面フライス、荒削り（乾式フライス加
工） カッタ直径 80mm 加工部材 直径15mmの複数の穴を有する寸法200 ×
250 ×400mm の棒材 材料 オーステナイト系ステンレス鋼、SS234
3、硬さ180HB 切削速度 168 m/分 送り速度／刃 0.25 mm/刃 切削深さ ３mm インサート型 SEKN 1203 結果 フライス加工長さ（ｍ） インサートＡ（本発明） 1.2 インサートＢ（従来技術） 0.3 インサートＣ（従来技術） 0.4 工具寿命の特徴は、その後に工具の破損が起こる、刃先
の欠けであった。 実施例２ Ｄ．9.3 質量％のCo、0.5 質量％のTaC 、0.1 質量％の
NbC 及びWCからなる残部の組成を有し、CW比が0.93であ
るグレードの超硬合金の市販超硬合金インサート。平均
WC結晶粒サイズは2.0 μm であった。インサートは、５
μm のTiC ＋TiCN＋TiN 層を含む、従来のCVD 被膜で被
覆されている。
【００１８】Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤのインサートをフライス
加工作業で評価した。 作業 正面フライス（乾式フライス加工、軽度
の振動） カッタ直径 100mm 加工部材 滑動レール(skidrail) 材料 少量の鋳肌を有するオーステナイト系ス
テンレス鋼(W.No.1.4825) 切削速度 160 m/分 送り速度／刃 0.27 mm/刃 切削深さ ３〜５mm インサート型 SEKR 1203 結果 工具寿命（分） インサートＡ（本発明） 36 インサートＢ（従来技術） 15 インサートＣ（従来技術） 10 インサートＤ（従来技術） 20 工具寿命の特徴は、刃先の欠けと切れ刃の逃げ面摩耗で
あった。インサートＣとＤにはすくい面に薄片状破損(s
lice fracture)も生じていた。 実施例３ Ｅ．インサートＡ（本発明）に類似して、9.8 質量％の
Co、0.43質量％のCr、及びWCからなる残部の組成を有
し、0.8 μm の平均WC結晶粒サイズを有し、0.85のCW比
に対応するＷを合金化した結合相を有する超硬合金フラ
イスインサートを、公知のPVD 法により、３μm の厚み
のTiCN層で被覆した。
【００１９】Ａ、Ｂ及びＥのインサートをフライス加工
作業で評価した。 作業 正面フライス、中仕上げ（乾式フライス
加工、鋳肌なし） カッタ直径 32mm 加工部材 直径97mmの棒材 材料 析出硬化フェライト／マルテンサイト系
鋼(AISI 17-4 PH) 切削速度 179 m/分 送り速度／刃 0.16 mm/刃 切削深さ ２mm インサート型 R390-11T308 結果 工具寿命（分） インサートＡ（本発明） 3.3 インサートＢ（従来技術） 1.4 インサートＥ（従来技術） 2.0 工具寿命の特徴は切れ刃の欠けであった。 実施例４ Ｆ．12.5質量％のCo、1.7 質量％のTaC 、0.2 質量％の
NbC 及びWCからなる残部の組成を有し、CW比が0.85であ
るグレードの超硬合金の市販超硬合金インサート。平均
WC結晶粒サイズは1.2 μm であった。インサートは、３
μm のTiCN層を含むPVD 被膜で被覆されている。Ａ、Ｄ
及びＦのインサートをフライス加工作業で評価した。
【００２０】 作業 正面フライス、仕上げ（乾式フライス加
工） カッタ直径 100mm 加工部材 棒材、80×152mm 材料 オーステナイト系ステンレス鋼、AISI 3
04 切削速度 264 m/分 送り速度／刃 0.15 mm/刃 切削深さ ２mm インサート型 R245-12T308E（インサートＦについては
SEKT1204AFR ） 結果 工具寿命（分） インサートＡ（本発明） 12 インサートＥ（従来技術） 5 インサートＦ（従来技術） 6 工具寿命の特徴は、その後に刃先の欠けが起こる、くし
状の割れの形成であった。 実施例５ Ａ、Ｄ、Ｅ及びＦのインサートをフライス加工作業で評
価した。
【００２１】 作業 側面フライス、仕上げ（乾式フライス加
工、鋳肌なし） カッタ直径 32mm 加工部材 バルブ部品の一部 材料 オーステナイト系ステンレス鋼、AISI 3
16 切削速度 120 及び264 m/分 送り速度／刃 0.10 mm/刃 切削深さ ５mm インサート型 R390-12T308 結果 工具寿命（分） 切削速度 120 m/分 264 m/分 インサートＡ（本発明） 30 17 インサートＢ（従来技術） 20 4 インサートＥ（従来技術） 22 13 インサートＦ（従来技術） 24 9 低速の切削速度での工具寿命の特徴は、工具の切れ刃に
おける構成刃先の形成とその後の刃先の欠けであり、高
速の切削速度での工具寿命の特徴は、主切れ刃の逃げ面
摩耗と工具の切れ刃の破損につながるくし状の割れの形
成であった。
【００２２】
【発明の効果】本発明による被覆超硬合金により、高速
の切削速度でステンレス鋼をフライス加工する際に優れ
た切削性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による被覆インサートの研磨断
面の顕微鏡写真を示す図である。
【符号の説明】
Ａ…超硬合金体 Ｂ…最内のTiN 層 Ｃ…複数のTiAlN サブ層 Ｄ…TiAlN 層 Ｅ…最外のTiN 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リカルド スンドストローム スウェーデン国，エス−121 54 ヨハッ ンネショブ，１ テーエル，フィールケッ プスベーゲン 85 (72)発明者 オーケ オェーストルンド スウェーデン国，エス−129 32 ヘーゲ ルステン，セデルベーゲン 12

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 様々な組成及び微細組織のステンレス鋼
    及び低合金及び中合金の非ステンレス鋼を、特に高速の
    切削速度で湿式又は乾式機械加工するための被覆超硬合
    金切削工具であって、WC-Co を主成分とする超硬合金本
    体を含み、上記超硬合金本体上には硬質かつ耐摩耗性被
    膜が被着している被覆超硬合金切削工具において、上記
    超硬合金本体は、10〜12質量％のCoのWC-Co 組成と、0.
    3 〜0.6 質量％のCrと、1.0 〜1.6 μm の平均WC結晶粒
    サイズと、0.87〜0.96のCW比を有する少量のＷを合金化
    した結合相とを含み、上記被膜は以下の層、 ・第１の薄いTiN 層、 ・ｘが２つの範囲0.45<x<0.55 と0.70<x<0.80 との間を
    繰り返し変化する、組成 (Tix Al1-x )Nで0.05〜0.2 μ
    m の厚みを有するサブ層の多層構造を含む第２の層であ
    って、0.45<x<0.55 のｘ値を有するTiN 接合層に隣接し
    た (Tix Al1-x)Nの第１のサブ層と、0.70<x<0.80 のｘ
    値を有する (Tix Al1-x )Nの第２のサブ層と、0.45<x<
    0.55 のｘ値を有する第３のサブ層とが順次積層され
    て、12〜25のサブ層が生成されている第２の層、 ・0.45<x<0.55 のｘ値を有する (Tix Al1-x )Nの0.1 〜
    0.5 μm の厚みを有する第３の層、 ・第４の薄いTiN 層を含み、ここで、全被膜厚みが１〜
    ８μm で変化し、前記第２の層の厚みが前記全被膜厚み
    の75〜95％を構成することを特徴とする被覆超硬合金切
    削工具。
  2. 【請求項２】 上記超硬合金体が、好ましくは10.0〜1
    1.0質量％のCoのWC-Co 組成と、0.4 〜0.5 質量％のCr
    と、1.1 〜1.4 μm の平均WC結晶粒サイズと、0.88〜0.
    95のCW比と、２〜５μm の全被膜厚みとを含むことを特
    徴とする、請求項１に記載の切削インサート。
  3. 【請求項３】 前記超硬合金体が黒鉛を含まないことを
    特徴とする、請求項１又は２に記載の切削インサート。
  4. 【請求項４】 WC-Co を主成分とする超硬合金本体と、
    硬質かつ耐摩耗性被膜とを含む被覆超硬合金切削工具イ
    ンサートを製造する、公知のPVD 又はCVD 法に基づく方
    法において、10〜12質量％のCoのWC-Co 組成と、0.3 〜
    0.6 質量％のCrと、1.0 〜1.6 μm の平均WC結晶粒サイ
    ズと、0.87〜0.96のCW比を有する少量のＷを合金化した
    結合相とを含む超硬合金体上に堆積させ、被膜は以下の
    層、 ・第１の薄いTiN 層、 ・ｘが２つの範囲0.45<x<0.55 と0.70<x<0.80 との間を
    繰り返し変化する、組成 (Tix Al1-x )Nで0.05〜0.2 μ
    m の厚みを有するサブ層の多層構造を含む第２の層であ
    って、0.45<x<0.55 のｘ値を有するTiN 接合層に隣接し
    た (Tix Al1-x)Nの第１のサブ層と、0.70<x<0.80 のｘ
    値を有する (Tix Al1-x )Nの第２のサブ層と、0.45<x<
    0.55 のｘ値を有する第３のサブ層とが順次積層され
    て、12〜25のサブ層が生成されている第２の層、 ・0.45<x<0.55 のｘ値を有する (Tix Al1-x )Nの0.1 〜
    0.5 μm の厚みを有する第３の層、 ・第４の薄いTiN 層を含み、ここで、切れ刃近傍での全
    被膜厚みを１〜８μm で変化するようにし、前記第２の
    層の厚みが前記全被膜厚みの75〜95％を構成することを
    特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 上記超硬合金体が、好ましくは10.0〜1
    1.0質量％のCoのWC-Co 組成と、0.4 〜0.5 質量％のCr
    と、1.1 〜1.4 μm の平均WC結晶粒サイズと、0.88〜0.
    95のCW比と、切れ刃近傍での２〜５μm の全被膜厚みと
    を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１
    項に記載の方法。
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