JP2007001007A - 硬化鋼の仕上げ用複合被膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】基材と被膜を含む切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルを提供する。
【解決手段】被膜は、耐火化合物の1つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも1つの層は立方晶の(Me,Si)X相を含み、式中、Meは元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びAlのうちの1つ又は複数であり、Xは元素N、C、O又はBのうちの1つ又は複数である。c−MeSiX相の比R(Xの割合/Meの割合)は0.5〜1.0であり、XはO+Bを30原子%よりも少ない量で含む。本発明は、切りくず厚さが小さく、被削材が硬質である金属機械加工用途、例えば、ソリッドエンドミルを用いた倣いフライス削り、インサートフライス又は硬化鋼のボーリングにおいて特に有用である。
【選択図】図4
【解決手段】被膜は、耐火化合物の1つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも1つの層は立方晶の(Me,Si)X相を含み、式中、Meは元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びAlのうちの1つ又は複数であり、Xは元素N、C、O又はBのうちの1つ又は複数である。c−MeSiX相の比R(Xの割合/Meの割合)は0.5〜1.0であり、XはO+Bを30原子%よりも少ない量で含む。本発明は、切りくず厚さが小さく、被削材が硬質である金属機械加工用途、例えば、ソリッドエンドミルを用いた倣いフライス削り、インサートフライス又は硬化鋼のボーリングにおいて特に有用である。
【選択図】図4
Description
本発明は、立方晶窒化ホウ素系材料の基材と硬質でかつ耐摩耗性の耐火被膜とからなり、該耐火被膜の少なくとも1つの層が、堆積の際に単相として形成されるか又は他の相とともに若しくは同じ相を異なる化学組成で共堆積することによって形成されるMe−Si−X相を含む、切りくずを取り除くことによって機械加工するための切削工具に関する。本発明による工具は、切りくず厚さが小さく、被削材が硬質である金属切削用途、例えば、硬化鋼の仕上げにおいて特に有用である。
立方晶窒化ホウ素cBNは、ダイヤモンドに次ぐ硬さと熱伝導性を有し、鉄金属との反応性がダイヤモンドよりも低いような優れた特性を有する。多結晶立方晶窒化ホウ素PcBNを用いた切削工具、例えば、cBNを含有する焼結体は、硬化鋼、鋳鉄及びニッケル系合金を機械加工するときに、作業効率を改善するため、超硬合金又はサーメットからなる工具の代わりに用いられる。
切削工具のためのPcBN焼結体はcBN粒子と結合剤を含む。それらは以下の2つのグループに一般に分類される。
・主としてTiタイプのセラミック、例えば、TiN、TiC、Ti(C,N)などからなる結合剤によって結合された30〜80vol%のcBN粒子を含む、硬化鋼に関して主として用いられる耐摩耗性及び強度においてバランスのとれた焼結体
・直接結合された80〜90vol%のcBN粒子を含み、残りが一般にAl化合物又はCo化合物からなる結合剤である、鋳鉄に関して主として用いられる熱伝導性及び強度において優れた焼結体
・主としてTiタイプのセラミック、例えば、TiN、TiC、Ti(C,N)などからなる結合剤によって結合された30〜80vol%のcBN粒子を含む、硬化鋼に関して主として用いられる耐摩耗性及び強度においてバランスのとれた焼結体
・直接結合された80〜90vol%のcBN粒子を含み、残りが一般にAl化合物又はCo化合物からなる結合剤である、鋳鉄に関して主として用いられる熱伝導性及び強度において優れた焼結体
しかしながら、cBN粒子は、鉄金属に関するそれらの親和性がTiN、TiC、Ti(C,N)結合剤よりも大きいという不利を有する。したがって、cBNを用いる切削工具は、熱摩耗によって寿命が短くなることがあり、最終的には工具のエッジが破損する。PcBN工具の耐摩耗性と破壊強度をさらに改善するために、例えば、米国特許第5,853,873号明細書(特許文献1)及び同第6,737,178号明細書(特許文献2)においてPcBN工具をTiN、Ti(C,N)、(Ti,Al)Nなどの層でコーティングすることが提案されている。
しかしながら、コーティングされたPcBN工具は、思いも寄らない層の剥離が生じる場合があるという問題を有する。
特開平1−96083号公報(特許文献3)又は特開平1−96084号公報(特許文献4)は、0.05〜0.3μmの平均厚さを有する金属質のTi層を介してチタンの窒化物、炭化物又は炭窒化物からなる層でコーティングされたPcBN工具の接着強度を改善することを開示している。
米国特許第5,583,873号明細書(特許文献1)は、(Ti,Al)N被膜をcBN基材に高い接着強度で以って結合するための、cBN基材と(Ti,Al)N被膜間の中間層としてTiN層を開示している。
米国特許第6,737,178号明細書(特許文献2)は、TiN、Ti(C,N)、(Ti,Al)N、Al2O3、ZrN、ZrC、CrN、VN、HfN、HfC及びHf(C,N)の層を開示している。
米国特許第6,620,491号明細書(特許文献5)は、硬質のコーティング層と、周期表の4a、5a及び6a族から選択される少なくとも1つの元素からなる中間層とを有し、最大1μmの厚さを有する表面被覆窒化ホウ素工具を開示している。この硬質被膜は、4a、5a、6a族元素、Al、B、Si及びYからなる群より選択される少なくとも1つの元素と、C、N及びOからなる群より選択される少なくとも1つの元素とを含有し、厚さが0.5〜10μmの少なくとも1つの層を含む。中間層は、元素Cr、Zr及びVのうち少なくとも1つを含有する。
米国特許第6,811,580号明細書(特許文献6)及び同第6,382,951号明細書(特許文献7)は、Al2O3でコーティングされた立方晶窒化ホウ素インサートを開示している。
米国特許第5,853,873号明細書
米国特許第6,737,178号明細書
特開平1−96083号公報
特開平1−96084号公報
米国特許第6,620,491号明細書
米国特許第6,811,580号明細書
米国特許第6,382,951号明細書
本発明の目的は、硬化鋼又は鋳鉄の切りくずを取り除くことによって機械加工するための接着強度の優れた被膜を有するcBNなどの高圧相タイプの窒化ホウ素を含む焼結体に基づく改善された切削工具を提供することである。
本発明の更なる目的は、硬化鋼又は鋳鉄の切りくずを取り除くことによって機械加工するための接着強度の優れたPcBNに基づく切削工具上に被膜を堆積するための方法を提供することである。
コーティングされた工具の潤滑特性は、最適化された特性を有する被膜を適用してPcBN系切削工具の上に処理することによって有意に改善できることが見出された。化学組成、熱エネルギーの量、及び成長の際のイオン誘起表面活性の度合いをバランスさせることにより、(Me,Si)X相を含む層を得ることができ、この層は、従来技術と比べて、硬化鋼の金属切削において向上した性能を示す。層の接着は、最適化された前処理及び堆積条件のために優れている。1つ又は複数の層は、他の相の粒子の共存に関係なく(Me,Si)Xの粒子を含む。1つ又は複数の層は、PVD法、好ましくはアーク蒸着によって堆積される。
本発明は、耐摩耗性被膜が堆積される多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)系材料体を含む切りくずを取り除くことによって機械加工するための切削工具を提供する。この被膜は、好ましくは物理気相成長(PVD)によって成長された(Me,Si)X相の結晶からなる少なくとも1つの層を含む耐火化合物の1つ又は複数の層から構成される。追加の層は、周期表の4〜6族からの窒化物、炭化物及び/又は酸化物から構成される。本発明による工具は、機械加工された部分の表面粗さによって工具寿命が制限される場合がある硬化鋼又はねずみ鋳鉄の仕上げの金属切削用途において特に有用である。
1つ又は複数の(Me,Si)X層は、Me1-aSiaXb相の結晶であって、式中、Meが元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr及びAl、好ましくはTi、Cr、Zr及びAlのうちの1つ又は複数であり、aが0.05〜0.4、好ましくは0.1〜0.3であり、XがN、C、O及びBのうちの1つ又は複数であり、bが0.5〜1.1、好ましくは0.8〜1.05である結晶を含む。
結晶性のMe1-aSiaXb相の存在は、θ−2θ及び/又は斜入射配置におけるCuKα線を用いたX線回折(XRD)によって検出され、以下の特徴のうち1つ又は複数を示す。
・約36°2θにおけるTi1-xSixNに関する(Me,Si)X(111)ピーク
・約42°2θにおけるTi1-xSixNに関する(Me,Si)X(200)ピーク
・約61°2θにおけるTi1-xSixNに関する(Me,Si)X(220)ピーク
・MeがTiでないか又はMeとSiの相対量が異なる場合には、ピーク位置がシフトする場合がある。
・(Me,Si)Xの構造はNaCl型であることが好ましい。
・θ−2θ配置のX線回折パターンにおけるMe1-aSiaXb(111)ピーク(A(Me1-aSiaXb)111)の面積とMe1-aSiaXb(200)ピーク(A(Me1-aSiaXb)200)の面積の比K、即ち、K=A(Me1-aSiaXb)111/A(Me1-aSiaXb)200)として規定される性質は、0.0〜1.0、好ましくは0.0〜0.3であり、及び/又はMe1-aSiaXb(200)ピークに関するピークとバックグラウンドの比(ピーク最大値におけるカウント数をピーク付近の平均バックグラウンドカウント数で割ったもの)は、2よりも大きく、好ましくは4よりも大きい。
・この層のピークの広がりのFWHM(半値全幅)値は、主としてその小さい粒子サイズの効果である(計器からの寄与は2θ=0.05°程度であるため、これらの計算においては無視することができる)。
・(Me,Si)X(111)ピークのFWHMは、0.4〜1.5°2θであり、及び/又は
・(Me,Si)X(200)ピークのFWHMは、0.4〜1.5°2θである。
・Xは、30原子%未満のO及び/又はBと、残りがN及び/又はCとからなる。窒化物が炭窒化物及び炭化物よりも好ましい。(Me,Si)X中のXは15原子%未満がCである。1〜10原子%のOを加えると、微粒子構造の成長が促進され、耐酸化性が改善されるが、これによって、非導電性被膜のチャンバーになる危険性が高くなり、それによって生産上の問題が生じる。
・アモルファス相は、2θ=36°〜38°に位置するブロードピーク(FWHM=4°〜6°)として同定される。アモルファスピークの屈折強度Aaと結晶(200)ピークの強度Acを評価するアモルファス相と結晶相の比は、典型的には0≦Aa/Ac<0.20である。
・約36°2θにおけるTi1-xSixNに関する(Me,Si)X(111)ピーク
・約42°2θにおけるTi1-xSixNに関する(Me,Si)X(200)ピーク
・約61°2θにおけるTi1-xSixNに関する(Me,Si)X(220)ピーク
・MeがTiでないか又はMeとSiの相対量が異なる場合には、ピーク位置がシフトする場合がある。
・(Me,Si)Xの構造はNaCl型であることが好ましい。
・θ−2θ配置のX線回折パターンにおけるMe1-aSiaXb(111)ピーク(A(Me1-aSiaXb)111)の面積とMe1-aSiaXb(200)ピーク(A(Me1-aSiaXb)200)の面積の比K、即ち、K=A(Me1-aSiaXb)111/A(Me1-aSiaXb)200)として規定される性質は、0.0〜1.0、好ましくは0.0〜0.3であり、及び/又はMe1-aSiaXb(200)ピークに関するピークとバックグラウンドの比(ピーク最大値におけるカウント数をピーク付近の平均バックグラウンドカウント数で割ったもの)は、2よりも大きく、好ましくは4よりも大きい。
・この層のピークの広がりのFWHM(半値全幅)値は、主としてその小さい粒子サイズの効果である(計器からの寄与は2θ=0.05°程度であるため、これらの計算においては無視することができる)。
・(Me,Si)X(111)ピークのFWHMは、0.4〜1.5°2θであり、及び/又は
・(Me,Si)X(200)ピークのFWHMは、0.4〜1.5°2θである。
・Xは、30原子%未満のO及び/又はBと、残りがN及び/又はCとからなる。窒化物が炭窒化物及び炭化物よりも好ましい。(Me,Si)X中のXは15原子%未満がCである。1〜10原子%のOを加えると、微粒子構造の成長が促進され、耐酸化性が改善されるが、これによって、非導電性被膜のチャンバーになる危険性が高くなり、それによって生産上の問題が生じる。
・アモルファス相は、2θ=36°〜38°に位置するブロードピーク(FWHM=4°〜6°)として同定される。アモルファスピークの屈折強度Aaと結晶(200)ピークの強度Acを評価するアモルファス相と結晶相の比は、典型的には0≦Aa/Ac<0.20である。
(Me,Si)Xを含む層は、NaCl型のTi1-yAlyN構造の立方晶単相の層と比べて相当に向上した硬さを有する。系Ti1-xSixN及びTi1-yAlyNによって示される例1を参照されたい。
本発明による1つ又は複数の(Me,Si)X含有層が1つ又は複数の他の層と組み合わせられた場合に、被膜の合計厚さは0.1〜5μm、好ましくは0.1〜3μmであり、1つ又は複数の(Me,Si)X含有層以外の厚さは0.1〜3μmである。仕上げ用途に関しては、被膜の厚さは2μm未満、好ましくは1.2μm未満である。
1つの実施態様においては、0.1〜2μm厚さの1つ又は複数の(Me,Si)X含有層は、個々に2〜100、好ましくは5〜50の層からなる0.5〜5μm厚さの多層被膜における最大5つの異なる材料のうちの1つである。
1つの好ましい実施態様においては、MeはTiであり、組成は(Ti0.9-0.7Si0.10-0.30)N、最も好ましくは(Ti0.85-0.75Si0.15-0.25)Nである。
別の好ましい実施態様においては、MeはTi及びAlであり、組成は(Ti0.6-0.35Al0.20-0.40Si0.15-0.30)N、最も好ましくは(Ti0.6-0.35Al0.25-0.35Si0.15-0.30)Nである。
さらに好ましい実施態様においては、TiN及び/又はCrN及び/又はZrN又はそれらの混合物の上層が最も外側に堆積される。
PcBNは、硬化鋼の機械加工に関して30〜80vol%、鋳鉄の機械加工に関して80〜90vol%の立方晶窒化ホウ素(cBN)含有量を有し、好ましくは、硬化鋼の機械加工に関して、Ti(C,N)NaCl型の結合剤相中に粒子サイズが0.5〜2μmのcBNを35〜60vol%有する。
本発明による層の組成は、その単位格子パラメータが、エピタキシャル成長の量を増大させかつ最大の接着強度を得るために、NaCl相構造の結合剤相の単位格子パラメータの±2%、最も好ましくは±1%以内にあるようにすることが好ましい。NaCl構造の結合剤相の単位格子パラメータは、試料の研磨断面に関してX線回折を用いて測定される。層の単位格子パラメータは、コーティングされた試料に関してX線回折を用いて測定される。この層は、基材と直接接触していることが好ましい。このような単位格子が適合した組成物の例は、(Ti0.85-0.75Si0.15-0.25)N及び(Ti0.37Al0.25Zr0.18Si0.20)Nである。あるいはまた、それらの間に、単位格子が適合していない0.3μm未満の1つ又は複数の中間層があってもよい。
本発明はまた、PcBN基材上に(Me,Si)X相を含む層を成長させる方法に関する。
第一に、最適化された表面状態は、好ましくは弱いArイオンエッチングを適用することによって得られ、選択的なスパッタリングによって結合剤相の表面含有量を減少させることなく、cBN粒子及び結合剤相の良好なエッチング及び洗浄を可能にする。結合剤相の表面含有量は、バルクと等しいか又はそれよりも多い。ArイオンエッチングはAr雰囲気又はArとH2の混合ガス中で行われ、ArとH2の混合ガスの場合には、物理的なスパッタリングと化学的なエッチングの複合効果が、衝突イオンの平均エネルギーがVs<−500Vの基材バイアスで始まって連続的に減少し、Vs>−150Vで終わる2つ以上の一連の工程で達成される。もしあれば、1つ又は複数の中間の工程は、−500V<Vs<−150VのVsを使用する。最も好ましくは、印加される基材バイアスは、5kHzを超える周波数でパルスされ、バイポーラ電圧が印加される。負パルスは好ましくは80%よりも大きく、正の放電パルスが続く。
図3は、コーティング前の通常のイオンエッチング後のNaCl型構造の結合剤相を有するPcBN材料の構造を示すSEM写真であり、図4は、コーティング前の本発明によるイオンエッチング後のものである。図3と図4を比較するとわかるように、通常のイオンエッチングによって、かなりの結合剤相が除去され、したがってcBN粒子が露出している。cBNの露出表面積分率AcBNをcBNの体積分率VcBNで割ったものとして規定される比L(L=AcBN/VcBN)は、堆積前において1.15未満、好ましくは1.0未満である。図3におけるcBNの表面含有量は59%(L=1.18)であり、図4ではバルクの体積分率50%と比べて49%(L=0.98)である。
最適な表面は、堆積の前に及び/又は堆積系におけるその場プロセスと組み合わせて、化学的な処理及び/又は機械的な処理、例えば、光ブラストによって得ることもできる。
本発明による層の好ましい構造を得るためには、幾つかの堆積パラメータを微調整しなければならない。堆積に影響する因子は、衝突イオンのエネルギーと相関する温度であり、それは、基材バイアス、陰極と基材の距離、及びN2分圧PN2によって変化させることができる。
本明細書で系Ti1-xSixNによって例示される本発明の(Me,Si)X相を含む層を成長させるのに用いられる方法は、以下の条件下における合金陰極又は複合陰極のアーク蒸着に基づいている。
Ti+Si陰極の組成は、Tiが60〜90原子%、好ましくは70〜90原子%であり、残りがSiである。
蒸着電流は、陰極のサイズ及び材料に応じて50A〜200Aである。直径63mmの陰極を使用する場合には、蒸着電流は、60A〜120Aであることが好ましい。
基材バイアスは、−10V〜−150V、好ましくは−40V〜−70Vである。
堆積温度は、400℃〜700℃、好ましくは500℃〜700℃である。
(Me,Si)X(式中、XはNである)を含有する1つ又は複数の層を成長させる場合には、0.5Pa〜9.0Pa、好ましくは1.5Pa〜5.0Paの全圧で0〜50vol%、好ましくは0〜20vol%のArからなるAr+N2雰囲気が用いられる。
(Me,Si)X(式中、XはC及びOを含む)を成長させるためには、C及び/又はO含有ガスが、N2及び/又はAr+N2雰囲気に添加されなければならない(例えば、C2H2、CH4、CO、CO2、O2)。XがBも含む場合には、ターゲットをBと合金化するか又はB含有ガスをその雰囲気に添加することによってBを加えることができる。
正確なプロセスパラメータは、用いられるコーティング装置の設計及び条件に依存している。必要な構造が得られたか否かを決定すること、及び本明細書に従った堆積条件を変更することは当業者の能力の範囲内である。
(Me,Si)X相を含有する1つ又は複数の層を成長させると、鋭い刃先が用いられる場合及び/又は良好な接着に関する要求が最も重要である場合には、圧縮残留応力が非常に高くなり、機械加工用途において性能に負の影響を及ぼす恐れがある。残留応力は、Ar及び/又はN2雰囲気中600℃〜1100℃の温度で20〜600分間アニーリングすることによって低減することができる。
さらには、刃先の表面粗さを改善する後処理を追加することによって強化される。これは湿式ブラストによって行うことができる。さらには、砥粒を埋め込んだナイロンブラシを使用することもできる。別の方法は、コーティングされたPcBN工具を研磨媒体に通して移動させること、例えば、タンブリング又は引きずり仕上げ(dragfinishing)である。
本発明は、アーク蒸着を用いて堆積された(Me,Si)X相を含有する1つ又は複数の層に関して説明された。(Me,Si)X相を含有する1つ又は複数の層がまた、他のPVD法、例えば、マグネトロンスパッタリングを用いて製造できることは明らかである。
[例1]
1μmの平均粒子サイズを有する体積分率50%のcBNと、Ti(C,N)からなる結合剤相とを有するタイプRCGN0803M0Sの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートを、アルカリ溶液とアルコールを用いた超音波浴において洗浄し、続いて、3倍回転の固定具を用いたPVD系に置いた。陰極と基材の最短距離は160mmであった。系を2.0×10-3Pa未満の圧力に排気した後、インサートをArイオンでスパッタ洗浄した。バイポーラパルスプロセスを使用し、20kHzの周波数で以ってある期間にわたり基材バイアスを−Vs(80%)〜+50V(20%)の間で変化させた。Vsは、プロセスの開始では−550Vであり、続いて段階的に下げられて最後に−120Vとなった。図4はこのプロセスを用いたエッチング後のPcBN表面の外観を示している。
1μmの平均粒子サイズを有する体積分率50%のcBNと、Ti(C,N)からなる結合剤相とを有するタイプRCGN0803M0Sの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートを、アルカリ溶液とアルコールを用いた超音波浴において洗浄し、続いて、3倍回転の固定具を用いたPVD系に置いた。陰極と基材の最短距離は160mmであった。系を2.0×10-3Pa未満の圧力に排気した後、インサートをArイオンでスパッタ洗浄した。バイポーラパルスプロセスを使用し、20kHzの周波数で以ってある期間にわたり基材バイアスを−Vs(80%)〜+50V(20%)の間で変化させた。Vsは、プロセスの開始では−550Vであり、続いて段階的に下げられて最後に−120Vとなった。図4はこのプロセスを用いたエッチング後のPcBN表面の外観を示している。
直径63mmのTi0.75Si0.25陰極のアーク蒸着により変形体Aを成長させ、Ti0.80Si0.20陰極を用いて変形体Bを成長させた。堆積は、99.995%の純粋なN2雰囲気中、基材バイアス−110Vによって全圧4.0Paで60分間実施した。堆積温度は約530℃であった。堆積後直ちにチャンバーを乾燥したN2でベントした。参照標準として、最先端のコーティングTi0.34Al0.66Nを使用し、コーティングしていない変形体を使用した。
堆積されたままのTi1-xSixN層+TiN層のX線回折パターンを図1と図2に示す。PcBN基材に対応するピークを除いて、見られるピークは、(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)、(422)及び(511)ピークの同定により確認される立方晶NaCl型Ti1-xSixN相と立方晶NaCl型TiN相に対応するピークだけである。(Me,Si)X(111)ピークの面積と(Me,Si)X(200)ピークの面積の比(K)として規定される性質は、この変形体に関して0.28である。(Me,Si)X(111)ピークのFWHMは1.30°2θであり、(Me,Si)X(200)ピークのFWHMは1.44°2θである。
堆積されたままの状態のTi1-xSixN相の同定は、被膜に由来するピークを増幅するために、一次ビームと試料表面の間で1°の一定の斜入射角を用いて検出器を走査するX線回折により行った。図2を参照されたい。Ti1-xSixNの存在は、NaCl型構造における回折パターンの指標付けによって確認される。
Ti1-xSixN(200)ピークに関するピークとバックグラウンドの比は24であった。
刃先の厚さは、断面に関して走査型電子顕微鏡(SEM)を使用してTi1-xSixN層が1.0μmであった。
(Ti0.77Si0.23)Nの単位格子パラメータは4.29Åであり、Ti(C,N)相からなるPcBN結合剤相が4.30Å、Ti0.34Al0.66Nが4.14Åであった。
層のビッカース硬さは、約200nmの最大侵入深さが得られる25mNの最大荷重を用いて、研磨したテーパ断面に関してNano Indenter(商標)II計器を用いたナノインデンテーションによって測定した。硬さは表1に報告される。Ti1-yAlyNの変形体と比べてSiが層中に存在すると、硬さが劇的に向上することを表1から知ることができる。
[例2]
タイプRCGN0803M0Sの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートからなる例1からのコーティングされた切削工具インサートを、硬化したギアホイールの場合に関する仕上げ操作において試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料:SAE 5120(20MnCr5)、59−61 HRC
・vf=190m/分
・ap=0.10mm
・fn=0.07mm/回転
タイプRCGN0803M0Sの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートからなる例1からのコーティングされた切削工具インサートを、硬化したギアホイールの場合に関する仕上げ操作において試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料:SAE 5120(20MnCr5)、59−61 HRC
・vf=190m/分
・ap=0.10mm
・fn=0.07mm/回転
工具寿命の基準は、機械加工された部品に関して75%の最小浮力レベルを与える機械加工されたギアホイールの数であった。結果を表2に示す。
この試験は、変形体A及びB(本発明)が最も多くの部品を機械加工でき、変形体Cがその後に続くことを示している。
[例3]
タイプCNGA120408S−L1−WZの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートからなる例1の場合と同様にコーティングされたワイパー型の切削工具インサートを、硬化したギアシャフトの場合の仕上げ操作において試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料:SAE 5115(16MnCrS5)、58 HRC
・vf=190m/分
・ap=0.15/0.35mm
・fn=0.3mm/回転
タイプCNGA120408S−L1−WZの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートからなる例1の場合と同様にコーティングされたワイパー型の切削工具インサートを、硬化したギアシャフトの場合の仕上げ操作において試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料:SAE 5115(16MnCrS5)、58 HRC
・vf=190m/分
・ap=0.15/0.35mm
・fn=0.3mm/回転
工具寿命の基準は、最大表面粗さを与える機械加工されたギアシャフトの数であった。結果を表3に示す。
この試験は、変形体A(本発明)が最も多くの部品を機械加工できることを示している。
[例4]
タイプCNGA120408S−L0−Bの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートからなる例1の場合と同様にコーティングされた切削工具インサートを、硬化したソケットに関して試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料:SAE 52100(100Cr6)、63 HRC
・vf=220m/分
・ap=0.11/0.15mm
・fn=0.3mm/回転
タイプCNGA120408S−L0−Bの多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)インサートからなる例1の場合と同様にコーティングされた切削工具インサートを、硬化したソケットに関して試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料:SAE 52100(100Cr6)、63 HRC
・vf=220m/分
・ap=0.11/0.15mm
・fn=0.3mm/回転
工具寿命の基準は、最大表面粗さを与える機械加工されたソケットの数であった。結果を表4に示す。
この試験は、変形体B(本発明)が最も多くの部品を機械加工できることを示している。
Claims (11)
- 多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)系材料の基材と被膜を含む切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルであって、該被膜が耐火化合物の1つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも1つの層が組成Me1-aSiaXb(式中、Meは元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr及びAl、好ましくはTi、Cr、Zr及びAlのうちの1つ又は複数であり、aは0.05〜0.4、好ましくは0.1〜0.3であり、Xは元素N、C、O及びBのうちの1つ又は複数であり、bは0.5〜1.1、好ましくは0.8〜1.05であり、XはO+Bを30原子%よりも少ない量で含む)で表される(Me,Si)X相を含むことを特徴とする、切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリル。
- 前記Me1-aSiaXbの構造がNaCl型であることを特徴とする、請求項1に記載の切削工具インサート。
- 結晶立方晶相(Me,Si)Xの層中の存在が、以下の特徴、即ち、
(Me,Si)X(111)ピーク
(Me,Si)X(200)ピーク
(Me,Si)X(220)ピーク
のうちの1つ又は複数を示すθ−2θ及び/又は斜入射配置におけるX線回折によって検出されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の切削工具インサート。 - 前記層からのθ−2θ配置のX線回折パターンにおけるMe1-aSiaXb(111)ピーク(A(Me1-aSiaXb)111)の面積とMe1-aSiaXb(200)ピーク(A(Me1-aSiaXb)200)の面積の比K、即ち、K=A(Me1-aSiaXb)111/A(Me1-aSiaXb)200)が、0.0〜1.0、好ましくは0.0〜0.3であり、及び/又はMe1-aSiaXb(200)ピークに関するピークとバックグラウンドの比(最大ピーク高さにおけるカウント数をピーク付近の平均バックグラウンドカウント数で割ったもの)が、2よりも大きく、好ましくは4よりも大きいことを特徴とする、請求項3に記載の切削工具インサート。
- 前記層からのθ−2θ配置のX線回折パターンにおけるMe1-aSiaXb(111)ピークのFWHM(半値全幅)値が0.4〜1.5°2θであり、Me1-aSiaXb(200)ピークのFWHM値が0.4〜1.5°2θであることを特徴とする、請求項3又は4に記載の切削工具インサート。
- 前記PcBNが、硬化鋼の機械加工に関して30〜90vol%、鋳鉄の機械加工に関して80〜90vol%の立方晶窒化ホウ素(cBN)含有量を有し、好ましくは、硬化鋼の機械加工に関して、Ti(C,N)NaCl型の結合剤相中に粒子サイズが0.5〜2μmのcBNを35〜60vol%有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の切削工具インサート。
- 前記層の単位格子パラメータが、NaCl型構造の結合剤相が存在する場合には、その単位格子パラメータの±2%、好ましくは±1%以内にあり、該層が好ましくは前記基材と直接接触しているか又はそれらの間に0.3μm未満の1つ又は複数の中間層があることを特徴とする、請求項6に記載の切削工具インサート。
- XがNであり、組成が(Me0.9-0.7Si0.10-0.30)Nであることを特徴とする、請求項7に記載の切削工具インサート。
- MeがTiであり、組成が(Ti0.85-0.75Si0.15-0.25)Nであることを特徴とする、請求項8に記載の切削工具インサート。
- MeがTi及びAlであり、組成が(Ti0.6-0.35Al0.20-0.40Si0.15-0.30)N、好ましくは(Ti0.6-0.35Al0.25-0.35Si0.15-0.30)Nであることを特徴とする、請求項7に記載の切削工具インサート。
- 多結晶立方晶窒化ホウ素(PcBN)系材料の基材と被膜を含むコーティングされた切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルを製造する方法であって、耐火化合物の1つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも1つの層が組成Me1-aSiaXb(式中、Meは元素Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びAlのうちの1つ又は複数であり、aは0.05〜0.4、好ましくは0.1〜0.3であり、Xは元素N、C、O及びBのうちの1つ又は複数であり、bは0.5〜1.1、好ましくは0.8〜1.05であり、XはO+Bを30原子%よりも少ない量で含む)で表されるMe1-aSiaXb相を含む被膜が、アーク蒸着法により蒸着電流50〜200A、基材バイアス−10〜−150V、温度400〜700℃、全圧0.5〜9Paで堆積され、コーティングされるべき表面が、cBNの体積分率と比べてcBN相のより低い露出表面積分率を有する表面を得るようにVs<−500Vの基材バイアスで始まってVs>−150Vで終わる2つ以上の一連の工程で行われるArイオンエッチングにより前処理され、cBNの露出表面積分率AcBNをcBNの体積分率VcBNで割ったものとして規定される比L(L=AcBN/VcBN)が、堆積前において1.15未満、好ましくは1.0未満であることを特徴とする、コーティングされた切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルを製造する方法。
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