JP2001001203A - 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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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、高速で旋削加工、フライス加工又
はドリル加工することにより鋳鉄部品を機械加工するの
に特に有効な、耐摩耗性被膜と超硬合金本体とを含む切
削工具インサートに関する。 【解決手段】 超硬合金本体は、WCと、3.5 〜９質量％
のCoと、２質量％未満のTa,Ti 及びNbの炭化物とからな
る。また超硬合金本体は、微細に分布したイータ相の島
状部を含むコアと、本質的にイータ相を含まず公称Co含
有量を有する厚み50〜250 μm の中間領域とを有し、そ
れにより中間領域での結合相が、小さい元の島状部と、
元のイータ相から変態した大きい島状部として存在して
いる。従って、大きい島状部は、本質的にコアのイータ
相と同じサイズ及び分布を有する。Co含有量が公称Co含
有量より低くイータ層を含まない薄い表面領域があって
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速で鋳鉄を機械
加工するための切削工具として特に有効な被覆超硬合金
インサートに関する。
【０００２】
【従来の技術】鋳鉄材料は、ねずみ鋳鉄と球状鋳鉄の２
種類の主要な分類に分けることができる。機械加工性の
観点から、これらの２種類の材料はかなり異なるもので
ある。この点に関して中間の性質を有する、新規に開発
されたCV黒鉛鋳鉄(compact graphite iron) などの他の
鋳鉄材料も多数存在する。
【０００３】ねずみ鋳鉄は、微細組織中に黒鉛薄片が十
分に分布し、比較的機械加工しやすい。これらの薄片
は、短い切り粉を形成させ、切削領域で滑らかにする効
果を与える。高速の切削速度において、超硬合金インサ
ートは主にアブレシブ摩耗と拡散摩耗を受ける。球状鋳
鉄は長い切り粉を形成する材料であり、高い耐変形性に
よりインサートの切削領域を高温にする。このことが、
クリープによる切れ刃の塑性変形により過度の摩耗を生
じる。
【０００４】米国特許第5,945,207 号は旋削加工による
鋳鉄部品の機械加工に特に有効な被覆切削インサートに
ついて開示している。それは、ねずみ鋳鉄及び球状鋳鉄
を0.4mm/回転の送りで、それぞれ200 〜300 m/分及び15
0 〜200 m/分で旋削加工するような用途及び推奨切削速
度での、超硬合金を基とする工具の従来技術を示してい
る。
【０００５】高速で鋳鉄を機械加工するには、Si3N4 を
基とするセラミック工具を通常使用する。先に説明した
ものと同じ送りでこのセラミック材料の工具を使用する
ときの推奨切削速度は、ねずみ鋳鉄の旋削加工について
400 〜700 m/分、球状鋳鉄について200 〜300 m/分であ
る。しかしながら、そのような工具は脆性を欠点として
有し、類似の被覆超硬合金工具より製造コストが高い。
従って、従来技術と比較して高速で鋳鉄部品を機械加
工、旋削加工又はフライス加工するのに超硬合金インサ
ートを使用することができれば、コストに対してより有
効である。その上、セラミックを基とするインサートの
代わりに超硬合金を基とするインサートを使用すること
は、早期に破損する危険性を低減し、従って工具の予測
可能な寿命を安定させる可能性を高める。
【０００６】米国特許第4,843,039 号は、通常のアルフ
ァ(WC)＋ベータ（Co結合相）に埋め込まれたイータ相、
M6C(Co3W3C) 及び／又はM12C(Co6W6C)を含むコアを有す
る、切り粉形成機械加工に適した超硬合金本体の製造方
法を開示し、そのコアはアルファ相及びベータ相を含む
表面領域により囲まれている。その表面領域は、イータ
相を含まず、また焼結体中の結合相の公称含有量より結
合相含有量が低い。コアに最近接にある表面領域の内側
部分は、焼結体中の結合相の公称含有量より結合相含有
量が高い。従って、超硬合金本体は、比較的Co含有量が
低い表面領域を有し、すなわちクリープ変形抵抗が高
く、次に高い延性を有するCo含有量が高い領域を有する
ように形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高速
で旋削加工、フライス加工又はドリル加工により鋳鉄部
品を高速で機械加工するのに特に有効な被覆切削工具を
提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によると、耐摩耗
性被膜と超硬合金本体とを含む切削工具インサートを提
供する。超硬合金本体は、3.5 〜９質量％、好ましくは
５〜８質量％のCoと、２質量％未満、好ましくは0.5 質
量％未満、最も好ましくは０質量％のTi、Ta及び／又は
Nb金属の炭化物と、残部WCとの組成を有する。焼結した
状態でのWCの平均結晶粒サイズは１〜４μm 、好ましく
は1.5 〜３μm である。その本体は、イータ相、WC、Co
結合相及びおそらくガンマ相（立方晶炭化物）を含むコ
アと、イータ相を本質的に含まない中間領域と、イータ
相を含まない表面領域とからなる。コア中のイータ相
は、１〜15μm 、好ましくは３〜10μm のサイズで微細
に分布し、その含有量は少なくとも10体積％で、かつ最
大でも35体積％である。コア中のイータ相の量は、公称
Co含有量に依存し、公称Co含有量の少なくとも20％、好
ましくは40〜80％は、Co結合相として存在すべきであ
り、Coの残りはイータ相の形態である。
【０００９】公称Co含有量よりいくらか低いCo含有量を
有する厚み25μm 未満の表面領域がある。中間領域は、
公称Co含有量と同じCo含有量を有し、厚み50〜350 μm
である。この領域での結合相は、小さいサイズと大きい
サイズの島状部を含む２相(bimodal) 組織を有する。大
きいサイズのCo島状部はイータ相から変態している。小
さいサイズのCo島状部は、大部分が浸炭処理前にCo相の
形態の組織に存在していたものを含む。大きいCo島状部
の空間分布は、コア中のイータ相のものと本質的に同じ
であり、コア中のイータ相のものよりいくらか小さい最
大サイズで不均一な形状であることがよくある。
【００１０】
【発明の実施の形態】１つの好ましい実施態様において
は、被膜は以下の層、 ・Ti C x N yの層で、ここでx+y=1 、x>0.3 及びy>0.3
であり、厚みが５〜10μm で、２μm 未満のサイズの直
径を有する柱状結晶粒の層を備える。
【００１１】別の好ましい実施態様においては、耐摩耗
性被膜は以下の層、 ・円滑なα-Al2O3及び／又はκ-Al2O3の層で、0.5 〜２
μm の結晶粒サイズを有し、３〜６μm の厚みの層を備
える。最も好ましい実施態様においては、耐摩耗性被膜
は以下の層、 ・第１の最内のTi C x N y O z層で、ここでx+y+z=1 、
y>x 及びz<0.1 であり、厚みが0.1 〜２μm で、0.5 μ
m 未満のサイズを有する等軸結晶粒の層、 ・第２のTi C x N yの層で、ここでx+y=1 、x>0.3 及び
y>0.3 であり、厚みが５〜10μm で、２μm 未満の直径
を有する柱状結晶粒の層、 ・第３のTi C x N y O z層で、ここでx+y+z=1 、z<0.5
及びx>y であり、厚みが0.1 〜２μm で、0.5 μm 未満
のサイズを有する等軸又は針状結晶粒の層、 ・第４の円滑なα-Al2O3の層で、0.5 〜２μm の結晶粒
サイズを有し、３〜６μm の厚みの層、及び ・最外のTi C x N y O zの層で、ここでx+y+z=1 、z<0.
05であり、厚みが0.5〜３μm で、１μm 未満の結晶粒
サイズを有する層を備える。好ましくは、この最外層は
少なくとも刃先において取り除かれ、Al2O 3 層が刃先に
沿って最上部にあり、Ti C x N y O zの外側層は逃げ面
側で最上部の層である。
【００１２】本発明の方法によると、化学量論組成以下
の炭素含有量(substoichiometric carbon content)を有
する上記に従った組成を有する超硬合金本体は、イータ
相を含む組織が得られるように焼結され、ここでそのイ
ータ相は、１〜15μm 、好ましくは３〜10μm のサイズ
で微細に分布し、少なくとも10体積％で最大でも35体積
％の含有量である。コア中のイータ相の量は、公称Co含
有量に依存し、公称Co含有量の少なくとも20％、好まし
くは40〜80％は、Co結合相として存在すべきであり、Co
の残りの部分はイータ相の形態である。炭素含有量が化
学量論炭素含有量に非常に近ければ、少量の著しく粗大
な結晶粒のイータ相が形成される。炭素含有量が著しく
低ければ、かなり多くのイータ相が形成される。既存の
装置を使用して所望の微細組織を得るのに必要な条件を
実験により決定することは、熟練技術者の行うところで
ある。
【００１３】焼結後、超硬合金は、表面領域を除きコア
に含まれるイータ相中のCo含有量と本質的に同じに保ち
ながら、中間領域と表面領域でのイータ相がWC+Co に変
態するように、軽く再浸炭(recarburisation) にかけ
る。再浸炭は、好ましくはH2+CH4混合気体のような浸炭
雰囲気において0.5 〜３時間に渡り1250〜1350℃で行わ
れる。しかしながら正確な条件は、使用する炉、特に炉
のカーボンポテンシャルに著しく依存する。既存の装置
を使用して所望の微細組織を得るのに必要な条件を実験
により決定することは熟練技術者の行うところである。
【００１４】得られた本体は、技術上知られているよう
なPVD,CVD 又はMTCVD 法を使用して耐摩耗層で被覆され
る。本発明によるインサートに見られた改善の理由とし
ては、組成変形抵抗の損失なしに靭性の向上をもたらし
た独特なCo分布にあると考えられ、送りが大きくても破
損しない。大きなCo島状部(island)を含むCo分布を有す
る超硬合金は、４〜10μm の結晶粒サイズを有する粗大
な結晶粒のWCを使用しても得ることができる。しかしな
がらそのような超硬合金は、高い靭性を示すが、高速機
械加工で切削作業する際の塑性変形抵抗が著しく低い。
本発明によるインサートの大きなCo島状部の間にあるWC
スケルトン(skeleton)は、従来技術によるものより強い
と考えられる。従って本発明によるインサートは、高速
の機械加工の際に十分な組成変形抵抗を有すると共に靭
性が改善されている。
【００１５】
【実施例】実施例１ 被覆インサートを以下のように作製した。 Ａ．鋳鉄の旋削加工用のCNMA 120412-KR型の超硬合金切
削工具インサートを、0.18％の化学量論組成以下の炭素
含有量を有し、約2.5 μm の平均WC結晶粒サイズを有す
るWC-6質量％Co粉末から圧縮成型した。圧縮成型したブ
ランクを次に焼結温度で１時間保持し真空下において14
50℃で標準的な焼結を行った。通常の表面研削、切れ刃
の丸め、及び洗浄処理の後に、インサートを1330℃の軽
度な浸炭条件下で１時間に渡り再焼結した。インサート
は、通常のWC+Co 組織中に埋め込まれた７μm 以下のサ
イズを有する約20体積％のイータ相を含むコアと、引き
続く公称Co含有量を有する150 μm の厚みの中間領域
と、最後の約３質量％のCo含有量を有する10μm の表面
領域とからなる微細組織を有していた（図１及び図2(a)
参照）。中間領域における結合相は、小さいサイズの島
状部(1.5μm 以下) と大きいサイズの不規則なCo島状部
(5μm 以下) とを含む２相組織を有していた。
【００１６】そのように処理したインサートを次にMTCV
D 法（処理温度850 ℃、炭素／窒素源としてCH3CN を使
用）により、平均結晶粒サイズが0.2 μm の0.5 μm の
等軸TiC0.1N0.9層と、引き続く2.5 μm の平均結晶粒サ
イズの柱状結晶粒を有する厚み8.0 μm のTiC0.55N0.45
層で被覆した。同じ被覆サイクルの後の工程において、
等軸結晶粒を有し0.2 μm の平均結晶粒サイズの厚み１
μm のTiC0.6N0.2O0.2層を形成し、引き続き米国特許第
5,654,035 号に記載の条件に従って形成した約1.2 μm
の平均結晶粒サイズを有する厚み5.0 μm の(012) に集
合組織化したα-Al2O3層を形成した。α-Al2O3層の上部
に、全被膜厚みが1.5 μm で、各層での平均結晶粒サイ
ズが0.3 μm 未満の多層構造でTiN/TiC/TiN/TiC/TiN を
形成した。最後にインサートを回転ブラッシング処理に
かけ、320 メッシュのSiC 研磨粒子を含むナイロンブラ
シで刃先を円滑した。この処理により、外側のTiN/TiC
多層は刃先に沿って除去される。
【００１７】Ｂ．6.0 質量％のCo及び残部WCの組成を有
するCNMA 120412-KR型のインサートを、1410℃で従来の
方法で焼結し、６×104Pa(0.6bar) のH2中で1200℃まで
冷却し、約1.3 μm のWC結晶粒サイズを有し、Ｗで高く
合金化された結合相及び６質量％に相当する表面でのCo
含有量を有するインサートを生じた。インサートを次に
インサートＡと同様に、研削、切れ刃の丸め処理、洗
浄、被覆、及びブラッシングを行った。Ｂの種類はWO 9
8/10119 による従来技術に対応する。
【００１８】Ｃ．3.7 質量％のCo、2.0 質量％の立方晶
炭化物及び残部WCの組成を有するCNMA 120412-KR型のイ
ンサートを、1520℃で従来の方法で焼結し、約1.0 μm
のWC結晶粒サイズを生じた。焼結したインサートブラン
クを次に、インサートＢと同じ処理にかけた。 Ｄ．被膜中のTiCN及びAl2O3 層の厚みがそれぞれ4.0 μ
m 、10.0μm である点を除いてインサートＢと同じ。
【００１９】Ｅ．市販されているグレード（サンドビッ
クCC690 ）で、CNMA 120412-KRに類似した型のSi3N4 セ
ラミックインサート。切れ刃を強化し早期の破損を回避
するために、T02520強化食い付き部(chamfer) を全切れ
刃に沿って研削した。 Ｆ．6.0 質量％のCo及び残部WCの組成を有するCNMA 120
412-KR型のインサートを、1410℃で従来の方法で焼結
し、６×104Pa(0.6bar) のH2中で1200℃まで冷却し、約
2.6 μm のサイズのWC結晶粒、高くＷが合金化されてい
る結合相、及び６質量％に相当する表面でのCo含有量を
有するインサートを生じた。インサートを次にインサー
トＡと同様に、研削、切れ刃の丸め処理、洗浄、被覆、
及びブラッシングを行った。
【００２０】それらのインサートを冷却液を使用した長
手方向の旋削作業で評価した。加工部材は、球状鋳鉄SS
0727の平板からなり、それらを圧縮成型することで、多
量の鋳鉄鋳肌を形成し、すなわちアブレシブ摩耗を生
じ、各々の切削の間にある程度の断続性を与えた。切削
速度は400 m/分、送り0.40 mm/回転、及び切削深さ2.0m
mであった。各種類について３個の切れ刃を評価し、寿
命を以下の基準により決定した。
【００２１】・逃げ面摩耗(VB)0.50mm以上 ・破損、切れ刃の割れ ・幅切れ刃における著しい摩耗 ・切削深さにおける著しい摩耗 結果は以下のようであった。
【００２２】 インサートＢ、Ｃ及びＤにおいて、従来技術の切れ刃は
評価した刃の10〜30％で割れが発生した。インサートＦ
では、切れ刃の塑性変形と剥離が生じた。
【００２３】次の評価において、切削速度を750 m/分に
増加し、他の条件は一定に保った。以下の結果が得られ
た。 連続切削での評価は、球状鋳鉄の機械加工での高い生産
性において、従来技術より良好な性能を有することを示
している。
【００２４】これらの評価の後に、断続切削も行った。
切削速度と送りを変えて同じ切削条件を使用した。工具
寿命の基準はインサートの割れとした。 実施例２ 更に評価するために、以下のインサートを用意し、実施
例１のインサートＡと比較した。
【００２５】Ｇ．WC-6質量％Coで1.0 μm のWC結晶粒サ
イズの従来の基材を有するCNMA 120412 型インサート。
被膜はＡの種類のものと類似し、α-Al2O3層がいくらか
薄く1.2 μm であった。 Ｈ．Ｂの種類と同じ基材（実施例１参照）、及びPVD に
より形成した厚み４μm のTiAlN 層からなる被膜を有す
るCNMA 120412 型のインサート。
【００２６】Ｉ．Ｇの種類と同じ基材、及びPVD により
形成した厚み４μm のTiCN層からなる被膜を有するCNMA
120412 型のインサート。 Ｊ．Ｇの種類と同じ基材、及びPVD により形成した厚み
４μm のTiCN/TiN層からなる被膜を有するCNMA 120412
型の超硬合金切削工具インサート。評価の条件は、 加工部材 100 ％パーライト系CV黒鉛鋳鉄(CGI) 、鋳
造した管状ブランクDy =145mm及び Di =98mm 切削速度 300 m/分 送り 0.20 mm/回転 切削深さ 0.5 mm 切れ込み角 95° 冷却水使用せず インサートの寿命は逃げ面摩耗(VB)が0.3 mmの深さに達
するまでの切削数で決定した。そのようにして得られた
結果は以下のようであった。
【００２７】 インサート 工具寿命（切削数） Ａ（本発明） 160 Ｇ 110 Ｈ 110 Ｉ 60 Ｊ 30 実施例３ 光学画像解析を使用し、インサートＡの中間領域におけ
る微細組織を、従来の方法で作成した類似したインサー
トＦと比較した。インサートＦは、本質的にインサート
Ａと同じWC結晶粒サイズ、インサートＡと同じ公称Co含
有量を有するWC-Co 超硬合金からなるが、イータ相を生
じない化学量論炭素含有量であった。2000倍で、インサ
ートＡの中間領域内の50×50μm のサイズの領域を、Qu
antimet570(Cambridge Instruments)を使用して解析
し、インサートＦの同じ領域と比較した。解析した結果
は、領域のサイズの関数として、０〜100 ％の間の、20
％ごとに領域の割合分布として得られた。その領域を、
同じ面積を有する円の直径に対応する代表サイズに再計
算した後で、分布は以下のようになった。
【００２８】 領域の割合（％） Ａ（本発明） Ｆ（従来技術） （Co島状部のサイズ（μm)) ０〜20 0〜0.5 0 〜0.35 20〜40 0.5〜0.8 0.35〜0.5 40〜60 0.8〜1.6 0.5 〜0.75 60〜80 1.6〜2.3 0.75〜1.0 80〜100 2.3〜5.0 1.0 〜2.0 その表は、本発明によるインサートＡが、従来技術のイ
ンサートＦより広いCo島状部の分布を有することを示し
ている。
【００２９】
【発明の効果】本発明により、特に鋳鉄部品を高速で機
械加工するのに有効な被覆切削工具を提供される。
【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微細組
織の特徴を示す、40倍でのインサートの断面を示す顕微
鏡写真図である。
【図２】図２は1200倍の顕微鏡写真図で、(a) は、本発
明によるインサートの中間領域(X2)、表面領域(X3)及び
被膜(X4)の微細組織を示し、(b) は、化学量論炭素含有
量を含む(a) と同じ超硬合金の微細組織を示す。
【符号の説明】
X1…WC、結合相及びイータ相(M6C) を含む超硬合金本体
の中央部 X2…WCと結合相を含む中間領域 X3…WCと低含有量の結合相を含む超硬合金本体の表面領
域 X4…被膜
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 1/05 Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｈ 29/08 29/08 Ｃ２３Ｃ 8/30 Ｃ２３Ｃ 8/30 14/06 14/06 Ｈ Ｐ 14/08 14/08 Ａ 16/30 16/30 16/36 16/36 16/40 16/40 28/04 28/04 (72)発明者 マリアン ミクス スウェーデン国，エス−127 30 スケル ホルメン，オルグリテベーゲン 226

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 耐摩耗性被膜と超硬合金本体とを含む切
    削インサートにおいて、上記超硬合金本体が、１〜４μ
    m の平均結晶粒サイズを有するWCと、3.5 〜９質量％の
    Coと、２質量％未満のTa,Ti 及びNbの炭化物とからな
    り、上記本体が更に、１〜15μm のサイズで少なくとも
    10体積％かつ最大でも35体積％の微細に分布したイータ
    相島状部、WC、Co結合相、及び任意にガンマ相を含むコ
    アと、本質的にイータ相を含まず、公称Co含有量を有す
    る厚み50〜250 μm の中間領域と、イータ相を含まず、
    公称Co含有量より低いCo含有量を有する厚み０〜25μm
    の表面領域とからなり、ここで、中間領域における結合
    相が、もとからの小さい島状部、及びもとのイータ相か
    ら変態し、前記コアのイータ相と本質的に同じサイズと
    分布を有する大きい島状部として存在することを特徴と
    する切削インサート。
  2. 【請求項２】 上記被膜がTi C x N yの層を備え、ここ
    でx+y=1 、x>0.3 かつy>0.3 で、５〜10μm の厚みを有
    し、２μm 未満の直径の柱状結晶粒を有することを特徴
    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、厚み３〜６μm で、0.5 〜
    ２μm の結晶粒サイズを有する、円滑なα-Al2O3及び／
    又はκ-Al2O3の層を備えることを特徴とする、請求項１
    に記載の切削インサート。
  4. 【請求項４】 上記被膜が、以下の層、第１の最内のTi
    C x N y O zの層であって、ここでx+y+z=1 、y>x かつ
    z<0.1で、0.1 〜２μm の厚みで、0.5 μm 未満のサイ
    ズを有する等軸結晶粒の層、 第２のTi C x N yの層であって、ここでx+y=1 、x>0.3
    及びy>0.3 で、５〜10μm の厚みで、２μm 未満のサイ
    ズの直径を有する柱状結晶粒の層、 第３のTi C x N y O zの層であって、ここでx+y+z=1 、
    z<0.5 かつx>y で、0.1 〜２μm の厚みで、0.5 μm 未
    満のサイズを有する等軸又は針状結晶粒の層、 第４の円滑なα-Al2O3の層であって、３〜６μm の厚み
    で、0.5 〜２μm の結晶粒サイズを有する層、及び最外
    のTi C x N y O zの層であって、ここでx+y+z=1 かつz<
    0.05で、0.5 〜３μm の厚みで、１μm 未満の結晶粒サ
    イズを有する層を備えることを特徴とする、請求項１に
    記載の切削インサート。
  5. 【請求項５】 上記最外層が少なくとも刃先から取り除
    かれ、Al2O3 層が刃先に沿って最上部にあり、Ti C x N
    y O zの外側層が逃げ面側で最上部の層であることを特
    徴とする、請求項４に記載の切削インサート。
  6. 【請求項６】 超硬合金本体と被膜とを含む切削インサ
    ートの製造方法において、１〜４μm の平均結晶粒サイ
    ズを有するWCと、3.5 〜９質量％のCoと、２質量％未満
    のTa,Ti 及びNbの炭化物と、化学量論組成以下の炭素含
    有量とを有する超硬合金を、イータ相を含む組織を有す
    る本体が得られるように焼結し、ここでイータ相は、１
    〜15μm のサイズで少なくとも10体積％かつ最大でも35
    体積％の含有量で微細に分布し、その後前記超硬合金本
    体を軽度な再浸炭にかけ、50〜350 μm の幅の中間領域
    でのイータ相が、そのCo含有量が変化することなくWC+C
    o に変態することを特徴とする製造方法。
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