JP2000326109A - 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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レナンデル アンドレス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、超硬合金本体と被膜とを含む鋼の
機械加工用の切削インサートに関する。 【解決手段】 超硬合金本体は、WCと、５〜12質量％の
Coと、３〜11質量％のTa,Ti 及びＷの立方晶炭化物とを
含む。Nbの含有量は0.1 質量％以下であるべきである。
比Ta／Tiは１〜４である。Co結合相は、0.75〜0.95のCW
比を有して高くＷで合金化されている。超硬合金本体
は、厚みが５〜50μm の結合相富化し本質的にガンマ相
を含まない表面領域を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に鋼又はステン
レス鋼の旋削作業に有用で、とりわけインサートの靭性
及び耐摩耗特性に関する要求がいずれも高い作業に適し
ている、被覆超硬合金切削インサートに関する。超硬合
金インサートは、優れた靭性特性と良好な塑性変形耐性
とを同時に生じる、バルク組成と異なる元素組成を有す
る表面領域を有する。
【０００２】
【従来の技術】昨今の高性能な切削工具は、高い耐摩耗
性、高い靭性特性及び良好な組成変形耐性を有する必要
がある。切削インサートの靭性挙動を改善することは、
WC結晶粒サイズを増加する及び／又は全体の結合相含有
量を高めることにより成し遂げることができるが、その
ような変更は組成変形耐性の著しい損失を同時に生じ
る。
【０００３】いわゆる勾配焼結技術によりインサートに
約20〜40μm の厚みを有する本質的にガンマ相を含ま
ず、結合相を富化した表面領域の厚みを導入することに
より、靭性挙動を改善する方法は、例えば米国特許第4,
277,283 号、第4,497,874 号、第4,548,786 号、第4,64
0,931 号、第5,484,468 号、第5,549,980 号、第5,649,
279 号、第5,729,823 号などで知られている。これらの
特許の特徴は、表面領域にガンマ相がなく、結合相が富
化されていることである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】TaとTiとの比を特定の
範囲に保ち、高くＷが合金化された結合相を保つことに
より、最適化したガンマ相の組成、すなわちWCに加えて
本質的にTaC 及びTiC のみからなるガンマ相により、勾
配焼結した切削インサートの靭性特性が、組成変形耐性
の損失なしに著しく改善できることが明らかになってい
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によると、厚み５
〜50μm 、好ましくは10〜40μm の、本質的にガンマ相
を含まず、バルクの結合相含有量の1.2 〜2.0 倍の範囲
の平均結合相含有量（体積割合で）を有する、結合相富
化した表面領域を含む、被覆超硬合金インサートを提供
する。ガンマ相は、本質的にTaC 及びTiC と、ある程度
の焼結中にガンマ相に溶解したWCからなる。比Ta/Ti は
1.0 〜4.0 である。
【０００６】
【発明の実施の形態】結合相は高くＷが合金化されてい
る。結合相中のＷ含有量は CW比＝ MS / ((Coの質量％) ×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
合金本体の測定した飽和磁化であり、Coの質量％は超硬
合金中のCoの質量割合である。CW比は１以下の値をと
り、CW比が小さいほど結合相中のＷ含有量は高い。CW比
が0.75〜0.95の範囲であれば、切削性能が改善されるこ
とが本発明により明らかになっている。
【０００７】本発明は、５〜12、好ましくは６〜8.9 質
量％のCoからなる結合相と、３〜11、好ましくは４〜6.
9 質量％のTaC ＋TiC と、WCの残部との組成を有する超
硬合金に適用できる。Nb含有量は0.1 質量％を超えるべ
きでない。質量比Ta/Ti は1.0 〜4.0 であるべきであ
る。WCは、1.0 〜4.0 μm 、好ましくは1.5 〜3.0 μm
の平均結晶粒サイズを有する。超硬合金本体は少量、１
体積％未満のη相(M6C)を含んでもよい。
【０００８】本発明によるインサートは更に基本的に、
例えば米国特許第5,766,782 号、第5,654,035 号、第5,
674,564 号、第5,702,808 号のいずれかに従って堆積し
た３〜12μm の柱状組織のTiCN層と、それに続く１〜８
μm の厚みのAl2O3 層とを含む被膜を備え、好ましくは
κ-Al2O3層と好ましくはTiN の最外の薄い層を有し、そ
のTiN 層は好ましくはブラッシング又はブラスティング
により刃先において取り除かれている。
【０００９】本発明により超硬合金本体上に様々な厚み
を有する被膜を付与することにより、被覆インサートの
特性を特定の切削条件に合うように最適化できる。１つ
の実施態様においては、本発明に従って作製された超硬
合金インサートは、６μm のTiCN、５μm のAl2O3 及び
１μm のTiN からなる被膜を備えている。この被覆イン
サートは、特に鋼での作業に適している。別の実施態様
においては、本発明に従って作製された超硬合金インサ
ートは、８μm のTiCN、２μm のAl2O3 及び１μm のTi
N からなる被膜を備えている。この被膜は特にステンレ
ス鋼での切削作業に適している。
【００１０】本発明は、本質的にガンマ相を含まない結
合相富化した表面領域を有するCoの結合相、WC、及びTa
とTiの元素のガンマ相からなる超硬合金基板と、被膜と
を含む切削インサートの製造方法にも関する。５〜12、
好ましくは６〜8.9 質量％のCoからなる結合相と、３〜
11、好ましくは４〜6.9 質量％のTaC ＋TiC と、1.0〜
4.0 、好ましくは1.5 〜3.0 μm の平均結晶粒サイズを
有するWCの残部とを含む粉末混合物を準備する。Nb含有
量は0.1 質量％を超えるべきでない。質量比Ta/Ti は1.
0 〜4.0 であるべきである。十分に制御された量の窒素
を、炭窒化物の粉末により添加する、及び／又は焼結ガ
ス雰囲気を通して焼結工程の際に添加する必要がある。
添加する窒素量は、焼結工程の際の立方晶相の溶解速度
を決定し、従って凝固後の超硬合金における元素の全体
的な分布を決定する。添加する窒素の最適量は、超硬合
金の組成、特に立方晶相の量に依存し、Ti及びTa元素の
質量の0.6 〜2.0 ％の間を変化する。正確な条件は、使
用する焼結装置の設計にもある程度依存する。要求され
る超硬合金の表面領域が得られたかどうかを決定し、所
望の結果を得るために本発明に従って窒素添加及び焼結
条件を変更することは、熟練技術者が行うことである。
【００１１】原材料は、所望のCW比が得られるように圧
縮成形剤と任意にＷと混合され、その混合物を、所望の
特性を有する粉末材料を得るためにミル混合し、スプレ
ー乾燥する。次に、その粉末材料を成形し、焼結する。
焼結は、約５×103Pa(50mbar) の制御した雰囲気におい
て1300〜1500℃の温度で行われ、その後冷却される。切
れ刃の丸めを含む従来の焼結後処理の後に、先の説明に
従った硬質の耐摩耗性被膜を、CVD 又はMT-CVD（中間温
度(medium temperature) CVD）法により堆積させる。
【００１２】
【実施例】実施例１ Ａ）7.5 質量％のCo、3.8 質量％のTaC 、1.9 質量％の
TiC 、及び0.40質量％のTiN と、平均結晶粒サイズが2.
0 μm のWCの残部との組成を有する、CNMG 120408-PM型
の超硬合金旋削インサートを、本発明に従って作製し
た。窒素をTiCNとして超硬合金粉末に添加した。焼結を
約５×103 Paの全圧でArからなる雰囲気において1450℃
で行った。
【００１３】金属組織観察により、作製したインサート
が25μm の立方晶炭化物を含まない領域を有することが
明らかになった。図１は、画像解析技術により測定した
表面近傍のCo富化のグラフを示している。Coは、バルク
の含有量の1.3 倍のピーク濃度まで富化していた。飽和
磁化を測定し、CW値を計算するのに用いた。0.89の平均
CW値を得た。
【００１４】切れ刃のホーニング、洗浄などのような従
来の被覆前処理の後に、MTCVD 技術（プロセス温度850
℃、炭素／窒素源としてCH3CN ）を用いて、第１のTiN
の１μm 未満の薄い層、それに続く柱状結晶粒のTiCNの
６μm の厚い層を含んで、インサートをCVD 法で被覆し
た。同じ被覆工程のその後の製造工程において、米国特
許第5,644,564 号に従って５μm の厚みのκ-Al2O3層を
堆積させた。κ-Al2O3層の上側に、1.0 μm のTiN 層を
堆積させた。被覆インサートをブラッシングし、刃先か
らTiN 被膜を円滑に除去した。
【００１５】Ｂ）7.5 質量％のCo、2.9 質量％のTaC 、
1.9 質量％のTiC 、0.5 質量％のNbC 、及び0.40質量％
のTiN と、平均結晶粒サイズが2.0 μm のWCの残部との
組成を有する、CNMG 120408-PM型の超硬合金旋削インサ
ートを作製した。インサートはＡと同様の処理で焼結し
た。金属組織観察により、作製したインサートが25μm
の立方晶炭化物を含まない領域を有することが示され
た。飽和磁化値を測定し、CW値を計算するのに用いた。
0.89の平均CW値を得た。インサートをＡと同じ被覆前処
理にかけ、同様の被覆処理で被覆し、Ａと同様にブラッ
シングした。 実施例２ Ａのインサートを評価し、断続切削での長手方向旋削作
業において、靭性に関してＢのインサートと比較した。
【００１６】 材料： 炭素鋼 SS1312 切削データ： 切削速度 120 m/分 切削深さ 1.5 mm 送り 0.15mmで開始し、刃が破損するまで0.10 mm/分 で増加 10個の各切れ刃を評価 インサート形状：CNMG 120408-PM 結果： 破損時の平均送り インサートＡ 0.51 mm/回転 インサートＢ 0.25 mm/回転 実施例３ Ａ及びＢのインサートを、合金鋼(AISI 4340) の長手方
向旋削作業において、塑性変形耐性に関して評価した。
【００１７】 塑性変形はインサートの先端部(nose)での切れ刃の窪み
として測定した。
【００１８】 結果： 切れ刃の窪み（μm) インサートＡ 61 インサートＢ 61 実施例２及び３は、従来技術によるインサートＢと比較
して、本発明によるインサートＡが、同程度の組成変形
耐性と共に、著しく良好な靭性を示すことを示してい
る。
【００１９】
【発明の効果】本発明により、勾配焼結した切削インサ
ートの靭性特性が、組成変形耐性の損失なしに著しく改
善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、画像解析技術により測定した表面近傍
のCo富化のグラフを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 29/08 Ｃ２２Ｃ 29/08

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超硬合金本体と被膜とを含む鋼の機械加
    工用の切削インサートにおいて、上記本体が、WCと、５
    〜12、好ましくは６〜8.9 質量％のCoと、３〜11、好ま
    しくは４〜6.9 質量％のTa,Ti 及びＷの立方晶炭化物と
    を含み、Nbの含有量が0.1質量％以下であり、比Ta／Ti
    が１〜４であり、Co結合相が0.75〜0.95のCW比を有する
    ようにＷで高く合金化され、上記超硬合金本体が、５〜
    50μm の厚みの結合相富化した本質的にガンマ相を含ま
    ない表面領域を有することを特徴とする切削インサー
    ト。
  2. 【請求項２】 前記表面領域の厚みが10〜40μm である
    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】 上記被膜が、３〜12μm の柱状組織のTi
    CN層と、それに続く１〜８μm のAl2O3 層とを含むこと
    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】 上記Al2O3 層がκ-Al2O3であることを特
    徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の切削
    インサート。
  5. 【請求項５】 上記被膜がTiN の最外層を含むことを特
    徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の切削
    インサート。
  6. 【請求項６】 ブラッシング又はブラスティングによ
    り、刃先において前記TiN 層が取り除かれていることを
    特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の切
    削インサート。
  7. 【請求項７】 平均WC結晶粒サイズが1.0 〜4.0 μm で
    あることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項
    に記載の切削インサート。
  8. 【請求項８】 結合相富化した表面領域を有する超硬合
    金基板と被膜とを含む切削インサートの製造方法であっ
    て、上記基板がCoの結合相とWCと立方晶炭窒化物相とか
    らなり、上記結合相富化した表面領域が、本質的に上記
    立方晶炭窒化物相を含まず、インサートの周囲に渡って
    本質的に一定の厚みである切削インサートの製造方法に
    おいて、 WCと、５〜12、好ましくは６〜8.9 質量％のCoと、３〜
    11、好ましくは４〜6.9 質量％のTa及びTiの立方晶炭化
    物とを含む粉末混合物を作製し、ここで、前記Ta及びTi
    の質量の0.6 〜2.0 ％の量で窒素を添加し、 所望のCW比が得られるように、上記粉末に圧縮成形剤と
    任意にＷとを混合し、 前記混合物を所望の特性を有する粉末材料にミル混合
    し、そしてスプレー乾燥し、 成形し、そして約５×103 Paの制御された雰囲気におい
    て、前記粉末材料を1300〜1500℃の温度で焼結し、その
    後冷却し、 切れ刃の丸めを含む従来の焼結後処理を施し、 CVD 又はMTCVD 法により硬質の耐摩耗性被膜を施すこと
    を特徴とする、切削インサートの製造方法。
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