JP2000515588A - 被覆された旋削用植刃及びその製造方法 - Google Patents
被覆された旋削用植刃及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、ステンレス鋼の旋削加工に特に有効である被覆された旋削用植刃を開示する。植刃は、高W合金化Co結合材相を有するWC−Co基超硬合金基材と、柱状粒を有するTiCXNYOZの層とその後の微細粒のκ−Al2O3の層とTiNの最表層を含む被膜と、を特徴とする。この層はCVD法を使用して蒸着される。
Description
【発明の詳細な説明】
被覆された旋削用植刃及びその製造方法
本発明は、鋳肌、鍛造肌、熱間または冷間の圧延肌のような粗製面、または予
備機械加工をした表面を有し、角棒、フランジ及び管のような靭性を必要とする
ステンレス鋼部品の湿式旋削加工に特に有効である被覆された切削工具(超硬合
金植刃(insert))に関する。
超硬合金工具でステンレス鋼を旋削加工する場合、切削刃先は、凝着摩耗、化
学摩耗、アブレシブ摩耗のような種々の摩耗機構によって摩耗し、そして刃先チ
ッピングによって櫛状割れと呼ばれる切削刃先に沿って形成された割れを生じる
。
異なる切削条件は、種々の性質を有する切削植刃を必要とする。例えば、粗製
面領域を有する鋼を切削する場合、被覆された超硬合金植刃は、強靱な炭化物か
らなる必要がありかつ非常に良好な被膜接合性を備えなければならない。ステン
レス鋼を機械加工する場合、凝着摩耗が一般的に支配的な摩耗形式である。
特別な摩耗形式については切削性能を改良するために、種々の対策をとること
ができる。しかしながら、そのような手段のほとんどが他の摩耗特性に逆効果を
もたらす。
これまでは、全ての工具特性を同時に改良することは非常に困難であった。し
たがって、市販の各種超硬合金では、この摩耗形式の一つ或いは幾つかについて
、すなわち特定の用途範囲内で最適化されていた。
スウェーデン特許出願第9503056−5号は、熱間及び冷間の鍛造した低
合金鋼部品の旋削加工に特に有効である被覆された旋
削用植刃を開示する。この植刃は、立方晶炭化物を枯渇した15〜35μmの薄
い表面領域を有するCo−WCと立方晶炭化物とからなる超硬合金基材と、柱状
粒を有するTiCxNyOzの層と滑らかで微細粒のκ−Al2O3の層と好ましく
はTiNの外層とを含む被膜、を特徴とする。
スウェーデン特許出願第9504304−8号は、低合金鋼及び中合金鋼の湿
式及び乾式のフライス加工に特に有効である被覆された切削植刃を開示する。こ
の植刃は、WC−Co及び立方晶炭化物からなる超硬合金基材と、柱状粒を有す
るTiCxNyOzの層と滑らかで微細粒なκ−Al2O3の層と好ましくはTiN
の外層とを含む被膜と、を特徴とする。
上記特許出願に記載される基材と被膜の組合せは、ステンレス鋼の旋削加工に
おいて、優れた切削性能をもたらす。特許出願第9503056−5号にしたが
う被膜と組み合わされれた立方晶炭化物を枯渇した表面領域を有する超硬合金基
材は、旋削機械加工性を改良した304Lのように、通常のステンレス鋼の高速
度旋削加工に特に適切であることが判明した。316−Tiのようなさらに困難
な加工材料において、及び角材の旋削加工のようにかなりの熱サイクルを伴う作
業においては、特許出願第9504304−8号に記載される形式の混ぜ物のな
いWC−Co基材が最も適切であった。
鋼の切削に有用な本発明に従う旋削用植刃は、高W合金化結合材を有し、且つ
十分に平衡な化学組成と結晶粒径のWCとを有する超硬合金基材、柱状TiCX
NYOZ層、κ−Al2O3層、TiN層からなり、且つ例えばSiC基ブラシで刃
先をブラシ仕上げすることによって切削刃先の平滑化が任意にその後続けられる
。
コバルト結合材相はWで高合金化される。結合材相中のW含有量はCW比=Ms
/(wt%Co・0.0161)として表すことが
でき、この式においてMsは超硬合金基材の測定飽和磁場でありkA/mで示し
、且つwt%Coは超硬合金中のCoの重量パーセントである。CW値は、Co
結合材相中のW含有量の関数である。低CW値は、Co結合材相中の高W含有量
に相当する。本発明にしたがい改良された切削性能は、超硬合金基材が0.78
〜0.93のCW比を有する場合に達成される。
本発明にしたがい、困難なステンレス鋼の旋削加工に特に有効性を与える旋削
用工具植刃は、6〜15wt%のCo好ましくは9〜2wt%のCo最も好まし
くは10〜11wt%のCo、0.2〜1.8wt%の立方晶炭化物好ましくは
0.4〜1.8wt%の立方晶炭化物最も好ましくは0.5〜1.7wt%のT
a、Nb及びTiの金属の立方晶炭化物、及び残余WCの組成を有する超硬合金
基材で与えられる。超硬合金は、周期律表のIVb、VbまたはVIb族の元素
のからなる他の炭化物を含有することができる。Ti含有量は、好ましくは技術
的不純物に相当する水準にある。WCの好ましい平均粒径は結合材相の含有量に
依存する。10〜11wt%の好ましいCo組成で、好ましい粒子径は1.5〜
2μm最も好ましくは約1.7μmである。CW比は、0.78〜0.93好ま
しくは0.80〜0.91最も好ましくは0.82〜0.90とする必要がある
。超硬合金は、いずれの悪影響もなく少量の<1体積%のη相(M6C)を含有
することができる。このCW値から、本実施例に従う超硬合金基材中には遊離グ
ラファイトが許容されないことになる。
被膜が次の層を含んでなる。
− 等軸粒で<0.5μm大きさを有し、且つ<1.5μm好ましくは>0.
1μmの合計厚さを有し、x+y+z=1で好ましくはz<0.5のTiCXNY
OZの第1(最内)層。
− 柱状粒で且つ約<5μm好ましくは0.1〜2μmの平均直径を有し、且
つ1〜15μm好ましくは2〜8μmの厚みを有し、x+y+z=1で好ましく
はz=0、x>0.3及びy>0.3であるTiCXNYOZの層。TiCXNYOZ
の層の最も好ましい厚さは、Ti安定化ステンレス鋼のような加工材に要求され
る極端な刃先ライン靭性に対しては、特に2〜5μmである。
− 本質的にκ相からなる滑らかで、微細粒(粒径約0.5〜2μm)なAl2
O3の層。しかしながら、この層は、XRD測定法で決定されるような、θ相ま
たはα相を少量の1〜3体積%を含有できる。Al2O3の層は、0.5〜6μm
好ましくは0.5〜3μm且つ最も好ましくは0.5〜2μmの厚みを有する。
好ましくは、このAl2O3の層は、TiN層(<1μm、好ましくは0.1〜0
.5μmの厚さ)をさらに後に続けられるが、このAl2O3の層は最外層とする
ことができる。この最外層、Al2O3またはTiNは、10μmの長さに渡り表
面荒さRmax<0.4μmを有する。このTiN層が存在する場合には、切削刃
先に沿って好ましく除去される。
本発明の方法にしたがって、WC−Co基超硬合金基板は、0.78〜0.9
3好ましくは0.80〜0.91且つ最も好ましくは0.82〜0.90のCW
比を有する高W合金化結合材相と、0.2〜1.8wt%好ましくは0.4〜1
.8wt%の立方晶炭化物の含有量で最も好ましくは0.5〜1.7wt%のT
a、Nb及びTi金属の立方晶炭化物含有量と、6〜15wt%のCo好ましく
は9〜12wt%のCo最も好ましくは10〜11wt%のCoとともに作られ
、そのCo含有量で、1.2〜2μm最も好ましくは約1.7μmのWC粒径を
有する。このボディーは、次の層で被膜される。
− 既知のCVD方法を使用して、<1.5μmの厚みを有し、且つ等軸粒で
<0.5μmの大きさを有し、x+y+z=1で好ましくはz<0.5であるT
iCXNYOZの第1(最内)層。
− MTCVD法を好ましく使用し(700〜900℃の温度範囲で層を形成
するために炭素及び窒素源としてアセトニトリルを使用して)、1〜13μm好
ましくは2〜8μmの厚み有し、且つ柱状粒を有し約<5μmの直径を有し、x
+y+z=1で好ましくはz=0、x>0.3及びy>0.3であるTiCXNY
OZの層。しかしながら、正確な条件は使用する装置構造にある程度依存する。
− κ−Al2O3から本質的になる滑らかなAl2O3の層は、例えば、ヨーロ
ッパ特許第A−523 021号に開示される条件で蒸着される。このAl2O3
の層は、0.5〜6μm好ましくは0.5〜3μm且つ最も好ましくは0.5〜
2μmの厚さを有する。好ましくは、TiNの層(<1μm、好ましくは0.1
〜0.5μmの厚み)がさらに蒸着されるが、このAl2O3の層は、最外層とす
ることができる。この最外層、Al2O3またはTiNは、10μmの長さに渡っ
て表面荒さRmax<0.4μmを有する。この滑らかな被覆された表面は、微細
粒(400〜150メッシュ)アルミナ粉末でこの被覆された表面を穏やかに湿
式ブラストすることによって、または、例えばスウェーデン特許出願第9402
543−4号に開示されるようなSiC基のブラシで刃先をブラシ仕上げするこ
と(TiN最表層が存在する場合は好ましく使用される)によって得ることがで
きる。TiN層が存在する場合には、切削刃先に沿って好ましく除去する。実施例1
A.10.5wt%のCoと1.16wt%のTaと0.28wt%のNbと
残余WCの組成を有し、且つ0.87のCW比に相当するWで高合金化された結
合材層を有し、型式CNMG120408−MMの超硬合金の旋削用植刃は、0
.05の見積もりC/N比に相当する高窒素含有量を有する0.5μmの等軸T
iCN最外層で被覆され、引き続き、MT−CVD法を使用して柱状TiCNの
4.3μmの厚い層が蒸着された。同一被膜工程中のその後の段階で、1.1μ
mのAl2O3の層は、ヨーロッパ特許第A−523 021号に開示される方法
にしたがって純κ−相を含んでいた。薄い0.5μmのTiNの相が、同一サイ
クルの際に、Al2O3の層の最表部に蒸着された。被覆された植刃は、被覆され
た後SiCを含むナイロンストローブラシでブラシ掛けされ、刃先の外側TiN
相がブラシ除去される。
B.型式CNMG120408−MMの超硬合金の旋削用植刃は、7.5wt
%のCoと1.8wt%のTiCと3.0wt%のTaCと0.4Wt%のNb
Cと残余WCの組成、及び0.88のCW比を有した。超硬合金は、約25μm
の厚い立方晶炭化物が枯渇した表面領域を有した。植刃は、0.05の見積もり
C/N比に相当する高窒素含有量を有する0.5μmの等軸TiCN相で被覆さ
れ、MT−CVD法を使用し蒸着された柱状TiCNの7.2μmの厚い層が引
き続けられた。同一被膜工程中のその後の段階で、1.2μmのAl2O3の層は
、ヨーロッパ特許第A−523 021号に開示される方法にしたがって純κ−
相を含んでいた。薄い0.5μmのTiNの相が、同一サイクル中に、Al2O3
の層の最表部に蒸着した。被覆された植刃は、被覆された後SiCを含むナイロ
ンストローブラシでブラシ掛けされ、刃先の外側TiN相がブラシ除去された。
C.外部の先導的超硬合金製造者から型式CNMG120408の競合超硬合
金旋削用工具植刃が、旋削加工試験の比較のために選ばれた。炭化物は、9.0
wt%のCoと、0.2wt%のTiCと、1.7wt%のTaCと、0.2w
t%のNbC、残余WCの組成、及び0.90のCW比を有した。植刃は、1.
0pmのTiCと、0.8μmのTiNと、1.0μmのTiCと、0.8μm
のTiN最外層からなる被膜を有した。光学顕微鏡による検査が、被膜にその後
の刃先処理がなされてないことを示した。
D.外部の先導的超硬合金製造者から型式CNMG120408の競合超硬合
金旋削用工具植刃が、旋削用加工試験の比較のために選ばれた。超硬合金は、5
.9wt%のCoと、3.1wt%のTiCと、5.6wt%のTaCと、0.
1wt%のNbC、残余WCの組成、及び0.95のCW比を有する。超硬合金
は、Co含有量が高い約30μmの厚い表面領域を有した。植刃は、5.3μm
のTiCと、3.6μmのTiCNと、2.0μmのTiNの最外層からなる被
膜を有した。光学顕微鏡による検査が、被膜にその後の刃先処理がなされてない
ことを示した。
E.外部の先導的超硬合金製造者から型式CNMG120408の競合超硬合
金旋削用工具植刃が、旋削加工試験の比較のために選ばれた。炭化物は、8.9
wt%のCoと、残余WCの組成、及び0.84のCW比を有した。植刃は、1
.9μmのTiCと、1.2μmのTiNと、30.1μmの厚いTiN層と0
.8μmのTiNの最外層とでラミネートされた1. 5μmのAl2O3と、か
らなる被膜を有した。光学顕微鏡による検査は、被膜にその後の刃先処理が成さ
れてないことを示した。
F.外部の先導的超硬合金製造者から型式CNMG120408の競合超硬合
金の旋削用工具植刃が、旋削加工試験の比較のために
選ばれた。超硬合金は、5.4wt%のCoと、2.7wt%のTiCと、3.
5wt%のTaCと、2.3wt%のNbC、残余WCの組成、及び0.94の
CW比を有した。超硬合金は、Co濃度が高い約40μmの厚い表面領域を有し
た。植刃は、5.3μmのTiCと、3.6μmのTiCNと、2.0μmのT
iNの最外層からなる被膜を有した。光学顕微鏡による検査が、被膜にその後の
刃先処理がなされてないことを示した。
A、B、C、D、E及びFからの植刃が、4LR60材料の二つの対面する平
側部(厚み120mm)を有する直径180の丸棒の正面削りで比較された。送
りは0.25mm/rev、速度は180m/minおよび切り込み深さは2.
0mmであった。
この試験の摩耗機構は刃先のチッピングである。勾配基材を有する植刃(B、
E及びF)は、3回の切断後は良好であったが、ほぼ4回の後突然破断した。
植刃 切削回数
A(本発明に従う) 15
B(発明外) 5
C(外部品位) 9
D(外部品位) 9
E(外部品位) 4
F(外部品位) 4実施例2
上記から植刃A及びBが、旋削加工試験用すなわち切削加工性改良AIS30
4Lステンレス鋼の長手方向及び正面削り用に選ばれた。
切削速度は250m/min、送りは0.3mm/rev且つ切り込み深さは
2mmであった。切削時間は1min/サイクルであ
った。摩耗機構は塑性変形であった。
植刃 サイクル回数
A(発明外) 7
B(本発明に従う) 4実施例3
G.上記Aに従う組成と被膜とを有する形状寸法TNMG160408の植刃
。
H.上記Bに従う組成と被膜とを有する形状寸法TNMG160408の植刃
。
I.上記Cに従う組成と被膜とを有する形状寸法TNMG160408の植刃
。
植刃G、H及びIが、2相ステンレス鋼のシャフトの長手方向乾式旋削加工で
試験された。送りは0.3mm/revで、速度は140m/minで且つ切り
込み深さは2mmであった。部品当たりの合計切削時間は12分であった。
植刃GとIが塑性変形であったのに対し植刃Hは少しノッチ摩耗を示した。
植刃Gの2個の刃が1個の部品を作るために摩耗したのに対して、植刃Hの1
個の刃で1この部品が完成し、且つ植刃Iを使用して1個の部品を仕上げるため
に4個の刃が必要であった。
植刃 部品当たりの刃の数
H(発明外) 1
G(本発明に従う) 2
I(外部品位) 4実施例4
上記から植刃A及びBが、旋削加工試験に、すなわち主に鋳造AISI316
ステンレス鋼で作られたカバー回転子ケースにおける
正面削りに選ばれた。切削が部品構造により断続であった。
切削速度は180mm/minであり、送りは0.2mm/min及び切削深
さは0〜2mm(不規則な鋳物形状)であった。切削時間は部品当たり10.5
分であった。
摩耗機構は刃先チッピングと塑性変形の組合せであった。
植刃 部品当たりの数
A(本発明に従う) 2
E(外部品位) 1実施例5
A、B、C及びDに従う植刃が、旋削加工試験に選ばれた。AISI304ス
テンレス鋼のバルブ基材の内側旋削加工。切削速度は130m/minで且つ送
りは0.4mm/revであった。ボウリングバーのために安定性が劣った。
摩耗は植刃D及びBに対しては刃先のチッピングであるのに対して、植刃A及
びBは塑性変形となった。
植刃 部品当たりの数
A(本発明に従う) 9
D(外部品位) 7
C(外部品位) 5
B(発明外) 2実施例6
上記からの植刃A及びCが、旋削加工試験に、すなわち、AISI316Ti
ステンレス鋼の角棒の荒削り用に選ばれた。切削は部品構造のために断続した。
切削速度は142mm/minであり、送りは0.2mm/min、切削深さ
は4mm、及び切削時間は部品当たり0.13分であった。
摩耗機構は刃先チッピングであった。
植刃 部品当たりの数
A(本発明に従う) 25
C(外部品位) 15
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(51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考)
C23C 16/40 C23C 16/40
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),BR,CN,IL,J
P,KR,US
(72)発明者 ユングベルグ,ビヨルン
スウェーデン国,エス―122 44 エンス
ケーデ,クルステータルベーゲン 96
(72)発明者 オェーストルンド,オーケ
スウェーデン国,エス―129 32 ヘゲル
ステン,セデルベーゲン 12
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.超硬合金ボディーと被膜とを含んでなり、特に鋼の旋削加工用の切削工具 植刃において、 前記超硬合金ボディーが、 WCと、 6〜15wt%好ましくは9〜12wt%のCoと、 0.2〜1.8wt%のTi、Ta及び/またはNbの立方晶炭化物と、 0.78〜0.93好ましくは0.80〜0.91のCW比の高W合金化結合 材相と、 からなり、且つ 前記被膜が、 − 等軸粒で<0.5μmの大きさを有し、且つ<1.5μmの厚みを有する TiCXNYOZの第1(最内)層と、 − 柱状粒で<5μmの平均直径を有し、2〜5μmの厚みを有00TiCX NYOZの層と、 − 0.5〜6μmの厚みの滑らかで微細粒(0.5〜2μm)のκ−Al2 O3の外側層と、 を含んでなることを特徴とする切削工具植刃。 2.最外層が、薄い0.1〜1μmのTiNの層であること特徴とする請求項 1記載の切削植刃。 3.TiNの最外層が、切削刃先に沿って取り除かれていることを特徴とする 請求項2記載の切削植刃。 4.超硬合金ボディーと被膜とを含んでなり、旋削用植刃の製造方法において 、 0.78〜0.93のCW比を有し、高W合金化結合材相を有す るWC−Co基超硬合金ボディーが、 − 既知のCVD方法を使用して、等軸粒で<0. 5μmの大きさのを有し 、0.1〜1.5μmの厚みで、x+y+z=1で好ましくはz<0.5である TiCXNYOZの第1(最内)層と、 − 850〜900℃の好ましい温度範囲で前記層を形成するために炭素及び 窒素源としてアセトニトリルを使用するMTCVD法によって蒸着され、柱状粒 で約<5μmの直径を有し、2〜8μmの厚みを有し、x+y+z=1で好まし くはz=0、x>0.3及びy>0.3であるTiCXNYOZの層と、 − 0.5〜6μmの厚みの滑らかでなκ−Al2O3の層と、 − 好ましくは<1μmの厚さのTiN層と、 で被覆することを特徴とする旋削用植刃の製造方法。 5.前記超硬合金ボディーが、コバルト含有量が9〜12wt%であって、T a及びNbの立方晶炭化物を0.4〜1.8wt%有することを特徴とする請求 項4記載の製造方法。 6.前記超硬合金ボディーが、コバルト含有量が10〜11wt%であること 特徴とする請求項4または5項に記載の製造方法。 7.0.82〜0.90のCW比を特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に 記載の製造方法。 8.TiNの最外層が存在する場合には、切削刃先に沿って取り除くことを特 徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の製造方法。
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