JP2005231027A - バイメタル機械加工用の切削工具インサート - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、鋳鉄と、アルミニウム及び／またはマグネシウムを含む合金と、を含んで成るエンジンブロックの正面フライス削りに特に有用な中切削速度での湿潤条件のもとでバイメタルの機械加工用の被覆超硬合金の切削工具インサートに関する。
【解決手段】 インサートは、基材がＷＣと９〜１１ｗｔ％のＣｏと１μｍ未満の平均ＷＣ粒径を得るために適量の通常の粒微細化剤とを含み、且つ被膜がｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｙ＞ｘ及びｚ＜０．２であって０．５μｍ未満の大きさの等軸粒で且つ０．１〜１．５μｍの総計厚みであるＴｉＣ_ＸＮ_ＹＯ_Ｚの第１の最内層、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であって５μｍ未満の平均直径の柱状粒を有する厚みが１〜４μｍを有するＴｉＣ_ＸＮ_Ｙの層、１〜２．５μｍの厚みを有する０．５〜２μｍのκＡｌ_２Ｏ_３の滑らかで微細粒の層、及び１μｍ未満の厚みを有するＴｉＮの外側層、を含む超硬合金本体である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、被覆超硬合金切削工具インサートに関し、アルミニウム及び／またはマグネシウムの合金と鋳鉄と含んで成るエンジンブロックの正面フライス削りに、特に有効な中間切削速度で湿潤条件の下でのバイメタル機械加工用のインサートである。

最近の自動車に於いては、エンジンブロックは、最も重い単一構成物である。アルミニウム合金と組み合わせて鋳鉄スリーブをシリンダー穴に配置するようなバイメタル方式のブロックを製作することは、従来の鋳鉄ブロックに比較して重量を実質的に減量する。このアルミニウム合金は、一般的に５〜１０ｗｔ％のＳｉ並びに少量のその他の添加物を含む。この鋳鉄はねずみ鋳鉄であるが、パーライト鋳鉄も使用される。鋳物のようなブロックの最終形状及び寸法までの機械加工は、トランスファーラインまたはフレキシブルマシニングセンタで行なわれ、且つ非常に時間に追われる。エンジンブロックの製造過程での重要な工程は、シリンダーヘッドと嵌め合わすため平らな上面のブロックを提供することである。この作業が、たびたびこの製造において障害となる。従来の単一金属のエンジンブロック（例えば、鋳鉄）の機械加工は、フライス盤のヘッドに取付ける窒化珪素を被覆した超硬合金インサートのようなセラミックインサートを用い、高速度フライス削りのような普通の機械加工過程によって達成される。単一金属のブロックに使用する場合は満足できるが、この取り組み法は、一つが軟質の例えばより速い切削速度を必要とする通常のアルミニウムであり、他方が脆くて例えば被覆した超硬合金を使用するより遅い切削速度を必要とする通常の鋳鉄であるような二つの材料を組合せたブロックに用いる場合、望ましくない結果をもたらす傾向がある。アルミニウムの機械加工には、多結晶のダイヤモンド（ＰＣＤ）が一般的に使用される。このような工具は比較的高価であり、鋳鉄のような鉄を含有する材料では急激に磨耗する。さらにそのうえに、軟質材料用と脆い材料用の最適フライス削りは相反する。例えば、アルミニウムのような軟質材料用に作られた最も高速用のフライスカッタは、鋳鉄のようなより硬い材料に使用されるものより実質的に大きなすくい角で非常に効果的に操作される。逃げ角、または歯のチップからカッタまでの正接は加工材の種類に依存する。鋳鉄は典型的に４から７度の値を必要とし、一方マグネシウム、アルミニウム及び黄銅のような軟質材料は１０から１２度の逃げ角が効果的である。

狭いピッチのフライスカッタが使用されてインサートが磨耗した場合は、約３０〜４０個が交換される。一つの一般的な磨耗機構は、悪い面仕上げもたらす切刃と、急激な磨耗をもたらす切刃の欠損と、を形成する。工具の交換の主な理由は面仕上げであり、且つその要求がたびたび工具の交換を非常に多くする。

湿潤フライス削りは面仕上げと切屑排出のために用いられる。機械加工に用いる乳剤は環境及び健康に問題があり、高い費用を必要とする。

欧州特許第Ａ１３３５８０７号は、アルミニウムと鋳鉄とを含む材料のフライス削り方法に関する。１０００ｍ／分以上の切削速度で、窒化珪素基の切削工具インサートを使用することによって、工具寿命に予期せぬ増加が達成された。しかしながら、トランスファーラインまたはフレキシブルマシニングセンタは、６００ｍ／分以上の速度性能を達成できない。

欧州特許第Ａ１２０５５６９号は、鋳物肌の有無に関わらず低速及び中速の切削速度で湿潤条件のもとでのねずみ鋳鉄のフライス削り、及び鋳物肌の有無に関わらず中速の切削速度で湿潤条件のもとでのノジュラー鋳鉄(nodular cast iron)とＣＶ黒鉛鋳鉄(compacted vermicular graphite cast iron)のフライス削りに特に有用な被覆フライス削り用のインサートを開示する。このインサートは、低濃度の立方晶炭化物を有するＷＣ−Ｃｏ超硬合金と、高Ｗ合金化バインダ相と、柱状粒のＴｉＣ_ＸＮ_Ｙの内層とそれに続くκＡｌ_２Ｏ_３とＴｉＮの表面層とを含む被膜と、によって特徴づけされる。

長い工具寿命と頻繁な工具交換のない工具化学組成を改良することは、極めて高い要求である。

本発明の目的は、バイメタル材料の機械加工に特に有用な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、たびたびの工具交換を必要とすることのない長い工具寿命を備えるバイメタル材料の改良した機械加工方法を提供することである。

バイメタル材料を機械加工する場合の改良した性能は、次の化学組成含んで成る被覆切削インサートで達成されることが驚くことに判明した。すなわち、
基材が、次の化学組成、ＷＣと、９〜１１好ましくは１０ｗｔ％のＣｏと、１μｍ未満の平均ＷＣ粒径を得るために、ＣｒまたはＶ好ましくは０．５ｗｔ％未満のＣｒのような適量の通常の粒微細化剤と、を含み、且つ、
被膜が、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｙ＞ｘ及びｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．５μｍ未満の大きさの等軸粒で、且つ０．１〜１．５μｍ未満好ましくは０．１μｍ以上の総計厚みであるＴｉＣ_ＸＮ_ＹＯ_Ｚの第１の最内層、
ｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３、好ましくはｘ≧０．５であり、５μｍ未満好ましくは０．１〜２μｍの平均直径の柱状粒を有し、厚みが１〜４μｍ好ましくは２〜２．７μｍを有するＴｉＣ_ＸＮ_Ｙの層、
実質的にκ相を含んで成るＡｌ_２Ｏ_３で約０．５〜２μｍの滑らかで微細粒の粒径の層あり、しかしながら、この層は、ＸＲＤ測定法によって決定されるθまたはαの相のような他の相を少量（５ｖｏｌ％未満）含み、このＡｌ_２Ｏ_３層は、１〜２．５μｍ好ましくは１．２〜１．７μｍの厚みを有する層、
さらに、１μｍ未満好ましくは０．５〜１．０μｍの厚みのＴｉＮ層、
含んで成る。

ＴｉＮのこの最外層は、長さが１０μｍを超えて、表面粗さがＲｍａｘ≦０．４μｍを有する。このインサートは、１０〜２５μｍ好ましくは１５μｍの切刃半径と、すくい面上の５０〜９０％の厚みまで切刃線を覆う厚みを減少したＴｉＮ層と、を有する。

また、本発明は、次の化学組成を有する超硬合金ボディを含んで成る被覆切削工具インサートを製造する方法に関し、すなわち化学組成は、ＷＣと、９〜１１好ましくは１０ｗｔ％のＣｏと、１μｍ未満の平均ＷＣ粒径を得るために、ＣｒまたはＶ好ましくは０．５ｗｔ％未満のＣｒのような適量の通常の粒微細化剤と、を含む。このインサートは、刃先研ぎあげが１０〜２５μｍ好ましくは１５μｍまで周辺を研磨する。

超硬合金ボディ上には、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．５μｍ未満の大きさの等軸粒で且つ既知のＣＶＤ法を用いた１．５μｍ未満好ましくは０．１μｍ以上の総計厚みであるＴｉＣ_ＸＮ_ＹＯ_Ｚの第１の最内層と、
ｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３、好ましくはｘ≧０．５であり、７００〜９００℃の温度範囲でこの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、ＭＴＣＶＤ技術を好ましく用いて、５μｍ未満好ましくは０．１〜２μｍの平均直径の柱状粒を有する１〜４μｍ好ましくは２〜２．７μｍの厚みを有するＴｉＣ_ＸＮ_Ｙの層と、
米国特許第５，６７４，５６４号に開示される条件のもとで堆積された１〜２．５μｍ好ましくは１．２〜１．７μｍの厚みを有するκＡｌ_２Ｏ_３を実質的に含んで成る滑らかなＡｌ_２Ｏ_３の層と、
長さ１０μｍに渡って表面粗さＲｍａｘ≦０．４μｍを備え、１μｍ未満好ましくは０．５〜１．０μｍの厚みを有するＴｉＮの層、
が堆積される。

この滑らかな被膜面は、微細粒アルミナ粉末（４００〜１５０メッシュ）で被覆面を穏やかな湿潤ブラスト法によって、または例えば米国特許第５，８６１，２１０号に開示するような例えばＳｉＣを基本とするブラシで切刃をブラシがけすることによって、達成され、且つ１０〜２５μｍ好ましくは１５μｍの切刃半径と、すくい面の５０〜９０％の厚みまで切刃線を覆う厚みに減少したＴｉＮ層とが達成される。

また、本発明は、ねずみ鋳鉄と、ＣＶ黒鉛鋳鉄(compacted vermicular graphite cast iron)と、ノジュラー鋳鉄と、特にねずみ鋳鉄のような鋳鉄と、アルミニウム及び／またはマグネシウムの合金と、を含んで成るバイメタルボディを、切削速度とインサート形状に依存して２００〜５００ｍ／分の切削速度と０．１〜０．４ｍｍ／歯の送り速度で、機械加工特にフライス削りのために、上述のような切削工具インサートの使用に関する。

実施例１
０．９μｍの平均粒径と１５μｍの切刃研ぎあげを備え、１０ｗｔ％のＣｏと０．４ｗｔ％のＣｒと残部ＷＣの化学組成を有する超硬合金の機械加工用インサートが、０．５μｍの等軸ＴｉＣ_０．０５Ｎ_０．９５−層（見積もりで０．０５のＣ／Ｎ比に相当する高窒素含有量であって、）に続いて、ＭＴＣＶＤ技術（温度８５０〜８８５℃及び炭素／窒素源としてＣＨ_３ＣＮ）を使用することによって柱状粒を備えた２．０μｍの厚みのＴｉＣ_０．５４Ｎ_０．４６−層で被覆された。その後の工程においては、同一被覆サイクルの際には、１．５μｍの厚みのκＡｌ_２Ｏ_３層が、米国特許第５，６７４，５６４号に開示するように、９７０℃の温度と０．４％Ｈ_２Ｓドーパント濃度で堆積した。０．５μｍのＴｉＮ層が既知のＣＶＤ技術に従って最上部に最終的に堆積され、ＸＲＤ測定では、Ａｌ_２Ｏ_３層が１００％κ相であることを示した。

この被覆したインサートは、ＳｉＣ粒を含むナイロンストローブラシを用いてブラシがけされた。光学顕微鏡によるブラシがけされたインサートの検査は、最外層のＴｉＮ層が幾分減少したことを示した。切刃半径は約１５μｍであった。

実施例２
エンジンブロックの正面フライス削りは、次の条件で実施した。
作業：湿潤条件での正面フライス削り、仕上げ削り、
加工物：アルミニウムと８％Ｓｉを含んで成る４〜６個のシリンダーエンジンブロック、及び約１０ｃｍの直径と約１０ｍｍ壁厚みを有するパーライトねずみ鋳鉄のシリンダーライナー、
フライスカッタ：直径２５０ｍｍのオートＦ２６０．４２、
切削速度：３６０ｍｍ／分
送り速度／歯：０．２４ｍｍ、
切り込み深さ：０．５ｍｍ、
インサート形式：２８ｐｃｓのＳＢＥＸ１２０３ＺＺ−１１、及び４ｐｃｓのＳＢＥＮ１２０３ＺＺ、
グレード１：本発明（ＮＡＢ）、
グレード２：サンドビック商用グレードＫ２０Ｗ、
工具寿命基準：粉砕された構成物を含む容認できない面仕上げ、
結果：（ブロック中のシリンダー個数が変化するため、この結果はユニット例えばシリンダー個数で表わす。）
グレード１ グレード２
工具寿命 本発明 比較例
４５００ユニット ３０００ユニット

実施例３
台板の正面フライス削りは、次の条件で実施した。
作業：湿潤条件での正面フライス削り、仕上げ削り、
加工物：アルミニウムと８％Ｓｉを含んで成る台板、及び約１５〜３０ｍｍの四角形のノジュラー鋳鉄インゴット、
フライスカッタ：直径３１５ｍｍのサンドビックＲ２６０．８−１４５−１２、
切削速度：３５０ｍｍ／分
送り速度／歯：０．１７ｍｍ、
切り込み深さ：０．７ｍｍ、
インサート形式：Ｒ２４５−１２Ｔ３Ｅ−ＰＬ、
グレード１：本発明（ＮＡＴ）、
グレード２：サンドビック商用グレードＫ２０Ｗ（被覆した）、
工具寿命基準：粉砕された構成物を含む容認できない面仕上げ、
結果：（ブロック中のシリンダー個数が変化するため、この結果はユニット例えばシリンダー個数で表わす。）
グレード１ グレード２
工具寿命 本発明 比較例
１３００ユニット ９００〜１０００ユニット

Claims (10)

1. アルミニウム及びマグネシウムの少なくとも１種を含む合金と鋳鉄とを含んで成るバイメタルボディを、中切削速度での湿潤条件のもとで機械加工に特に有用な、超硬合金ボディと被膜とを含んで成る切削工具インサートであって、
   基材が、次の化学組成、ＷＣと、９〜１１ｗｔ％のＣｏと、１μｍ未満の平均ＷＣ粒径を得るために適量の通常の粒微細化剤と、を含み、且つ、
   被膜が、
   ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｙ＞ｘ及びｚ＜０．２であり、０．５μｍ未満の大きさの等軸粒で、且つ０．１〜１．５μｍの総計厚みであるＴｉＣ_ＸＮ_ＹＯ_Ｚの第１の最内層、
   ｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、５μｍ未満の平均直径の柱状粒を有し、厚みが１〜４μｍを有するＴｉＣ_ＸＮ_Ｙの層、
   １〜２．５μｍの厚みを有する０．５〜２μｍのκＡｌ_２Ｏ_３の滑らかで微細粒の層、及び
   １μｍ未満の厚みを有するＴｉＮの外側層を含む
   超硬合金ボディと被膜とを含んで成るバイメタル機械加工用の切削工具インサート。
2. 前記粒微細化剤が、ＣｒまたはＶを含むことを特徴とする請求項１記載の切削工具インサート。
3. 前記ＴｉＮの最外層が、切刃に沿う厚みで減少することを特徴とする請求項１または２に記載の切削工具インサート。
4. 前記インサートがフライス削り用のインサートであることを特徴とする切削工具インサート。
5. アルミニウム及びマグネシウムの少なくとも１種を含む合金と鋳鉄とを含んで成るバイメタルボディを、中切削速度での湿潤条件のもとで機械加工に特に有用な、超硬合金ボディと被膜とを含んで成る切削工具インサートの製造方法であって、
   ＷＣと、９〜１１ｗｔ％のＣｏと、１μｍ未満の平均ＷＣ粒径を得るために適量の通常の粒微細化剤と、を含み、次の化学組成を有する基材が、
   ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２であり、０．５μｍ未満の大きさの等軸粒で且つ既知のＣＶＤ法を用いた０．１〜１．５μｍの総計厚みであるＴｉＣ_ＸＮ_ＹＯ_Ｚの第１の最内層、
   ｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、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、ＭＴＣＶＤ技術によって堆積させた５μｍ未満の平均直径で柱状粒を有し１〜４μｍの厚みを有するＴｉＣ_ＸＮ_Ｙの層、
   １〜２．５μｍの厚みを有する滑らかなＣＶＤ−κＡｌ_２Ｏ_３の層、及び
   １μｍ未満の厚みを有するＣＶＤ−ＴｉＮの層を含む
   超硬合金ボディと被膜とを含んで成るバイメタル機械加工用の切削工具インサートの製造方法。
6. 前記粒微細化剤が、ＣｒまたはＶを含むことを特徴とする請求項５記載の製造方法。
7. 前記ＴｉＮの最外層が、切刃に沿う厚みで減少することを特徴とする請求項５または６に記載の製造方法。
8. アルミニウム及びマグネシウムの少なくとも１種を含む合金と鋳鉄とを含んで成るバイメタルボディを、中切削速度で湿潤条件のもとで機械加工するための請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
9. 前記機械加工するための作業が、フライス削りであることを特徴とする請求項８記載の切削工具インサート。
10. 前記ボディが、エンジンブロックまたは台板であることを特徴とする請求項８記載の切削工具インサート。