JP2007181915A

JP2007181915A - 深穴穿孔用の被覆インサート

Info

Publication number: JP2007181915A
Application number: JP2006351463A
Authority: JP
Inventors: Ingemar Hessman; ヘスマンインゲマル
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2007-07-19
Also published as: EP1803835A1; SE0502959L; CN1990230A; US20070160844A1; IL180061A0; SE529857C2; KR20070072390A

Abstract

【課題】本発明は、超硬合金ボディと被膜を含む深穴穿孔用切削工具インサートである。
【解決手段】超硬合金ボディは、ＷＣと８〜１１ｗｔ％のＣｏと０．１〜０．５ｗｔ％のＣｒとを含み且つ１８〜２２ｋＡ／ｍのＨｃＪ値と０．７８〜０．９０のＣＷ比を有する。前記被膜は、ｘ＋ｙ＋ｚ＝であってｙ＞ｘ及びｚ＜０．２であり且つ等軸粒であって＜０．５μｍの大きさの０．１〜１．５μｍの合計厚みを有するＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの第１の最内層、ｘ＋ｙ＝１であってｘ＞０．３及びｙ＞０．３であり且つ２〜３μｍの厚みを有し柱状粒を有し＜５μｍの平均直径を有するＴｉＣ_xＮ_yの層、１〜２．５μｍの厚みを有し滑らかで微細流の０．５〜２μｍのκ−Ａｌ₂Ｏ₃の層、０．５〜１．０μｍの厚さのＴｉＮの最外層であって前記ＴｉＮの最外層が切れ刃に沿って除かれ好ましくは下層にあるアルミナの層が切れ刃に沿って部分的または完全に除かれる。
【選択図】なし

Description

本発明は、排出装置方式（Ejector、登録商標）に基づく工具で、特に深穴を穿孔するための被覆超硬合金切削工具インサートに関する。

金属の穿孔は、具体的には深い穴の穿孔と浅い穴の穿孔との二つの形式で操作される。浅い穴の穿孔では、ドリルの計の３〜５倍の深さまで穿孔することを意味する。

浅い穴の穿孔では、その要求はそんなに大きくなくて、したがって、中実超硬合金、または中実工具鋼あるいは超硬合金インサートを備えた工具鋼のようないずれか一方の単なる捩れドリルが使用される。

しかしながら、深い穴の穿孔は、良好な切屑破断、潤滑剤、冷却剤について大きな要求が成されが、少なくとも切屑の移送ではない。これらの必要要件は、特別に開発した穿孔方法によって達成され、この穿孔方法は、これらの必要要件を実現できるドリルのロッドに接続する特別に設計されたドリルヘッドを備える。穿孔ヘッドは、中実の超硬合金でも良いが、一般的に工具鋼または鋳鋼であり、インサートが所望の切れ刃を互いに形成するように配置された多数のインサートを備える。

米国特許第５，９４５，２０７号は、特に鋳鉄材料の切削に特に有益な被覆切削インサートを開示する。このインサートは、真っ直ぐなＷＣ−Ｃｏ超硬合金ボディが、高Ｗ合金化Ｃｏ結合相及び十分に規定されたＣｏの表面含有量を有し、且つ被膜が、柱状粒を備えるＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの最内層と、微細粒に組織したＡｌ₂Ｏ₃の層と、切刃線に沿って除去されるＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの頂部層とを含むことを特徴とする。

米国特許第６，６３８，６０９号は、特に鋳肌を備えるか備えない鼠鋳鉄を、湿潤条件で低速または中速の切削速度でフライス加工するための、及び鋳肌を備えるか備えないノジュラー鋳鉄及び加圧グラファイト鋳鉄を、湿潤条件で中速の切削速度でフライス加工するための、被覆ライス加工インサートを開示する。このインサートは、低含有量の立方晶炭化物と高Ｗ合金化結合相と被膜とを有するＷＣ−Ｃｏ超硬合金を特徴とし、この被膜は、柱状粒のＹｉＣｘＮｙの内側層と、その後引き続いてκ−Ａｌ₂Ｏ₃の層及びＴｉＮの頂部層を含む。

本発明は、駆動軸の深い穴を穿孔するために特に有効な被覆超硬合金切削工具インサートを提供することを目的とする。

被覆切削工具インサートを使用することにより、駆動軸の深い穴を穿孔するために実質的に二倍の工具寿命が達成できることが驚くことに分かった。この被覆切削工具インサートは、比較的高くＷを合金化した結合層を有し、良く釣り合いの取れた化学組成と粒径とのＷＣと柱状のＴｉＣ_xＮ_yの層とκ−Ａｌ₂Ｏ₃の層とＴｉＮの層とを有し、且つ任意に滑らかな切れ刃を備える。

本発明にしたがい、被覆工具インサートは、８〜１１ｗｔ％好ましくは９．５〜１０．５ｗｔ％最も好ましくは９．９〜１０．１ｗｔ％のＣｏと、０．１〜０．５ｗｔ％好ましくは０．３８〜０．４０ｗｔ％のＣｒと、残部ＷＣとの組成を有する超硬合金ボディを備える。この超硬合金ボディは、また、技術的不純物に相当するレベル量の他の元素を含有しても良い。ＩＥＣ標準６０４０４−７にしたがい測定された分極飽和保磁力ＨｃＪは、ある程度の間接的なＷＣ粒径を表し、１８〜２２ｋＡ／ｍさらに好ましくは１９〜２１ｋＡ／ｍ最も好ましくは１９．８〜２０．２ｋＡ／ｍの値を備える必要がある。コバルト結合相は、所定のＷとＣｒで合金化されて、発明された超硬合金切削インサートすなわちインサートに所望の性質を与える。結合相中のＷ及びＣｒは、コバルトの磁気的性質に影響を及ぼし、したがってＣＷ値に関係することができ、次のように定義される。
ＣＷ＝磁性Ｃｏ％／Ｃｏｗｔ％
磁性Ｃｏ％は、試料中の磁性材料の重量パーセントであり、且つＣｏｗｔ％は試料中のＣｏの重量パーセントである。

ＣＷ値は、結合相中の合金化程度に依存する。低いＣＷ値は、高いＷ及びＣｒの含有量に相当し、且つＣＷ＝１は特に結合相中にＷ及びＣｒの不在に相当する。

ＣＷ値は、合金化の程度に依存して１〜約０．７５の間で変化することができる。低いＣＷ値は、高いＷ及びＣｒの含有量に相当し、且つＣＷ＝１は特に結合相中にＷ及びＣｒの不在に相当する。

改良された切削性能は、超硬合金ボディが０．７８〜０．９０好ましくは０．８０〜０．８９最も好ましくは０．８３〜０．８７のＣＷ値を有するときに達成されることが本発明にしたがい判明した。また、超硬合金は、いずれの不利な影響もなく少量の＜１ｖｏｌ％のη−相（Ｍ₆Ｃ）を含有しても良い。特定のＣＷ値（＜１）から、また、本発明にしたがう超硬合金ボディ中にグラファイトが存在しないことが分かる。

被覆しない切れ刃の半径は５〜３０μｍ好ましくは約１０〜２０μｍである。
被膜は、
− ｘ＋ｙ＋ｚ＝であってｙ＞ｘ及びｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８及びｚ＝０であり、且つ＜０．５μｍの大きさと＜１．５μｍ好ましくは＞０．１μｍの合計厚みとを有する等軸粒のＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの第１の最内層、
− ｘ＋ｙ＝１であってｘ＞０．３及びｙ＞０．３、好ましくはｘ≧０．５であり、且つ２〜３μｍの厚みを有し、柱状粒を有し、＜５μｍ好ましくは０．１〜２μｍの平均直径を有するＴｉＣ_xＮ_yの層、
− κ−層から実質的になる滑らかで微細なＡｌ₂Ｏ₃の層（約０．５〜２μｍの平均粒径）。しかしながら、この層はＸＲＤ測定法で決定されるようなθ−またはα−の相のような他の相を少量（＜５ｖｏｌ％）含有しても良い。このＡｌ₂Ｏ₃−層は、１〜２μｍ好ましくは１．２〜１．７μｍの厚みを有する。そして、
− さらに、０．１〜１．０のＴｉＮの厚い層。このＴｉＮの最外層は、切れ刃の作用部分上の少なくとも１０μｍの長さに渡って、表面粗さＲｍａｘ≦０．４μｍを有する。ＴｉＮの層が切れ刃に沿って好ましく除去され、且つ下層にあるアルミナの層が切れ刃に沿って部分的または完全に除去される。

本発明は、超硬合金ボディと被膜を含んでなる深穴を穿孔するための特に切削工具インサートを製造する方法に関する。超硬合金ボディは、ＷＣと、８〜１１ｗｔ％さらに好ましくは９．５〜１０．５ｗｔ％最も好ましくは９．９〜１０．１ｗｔ％のＣｏと、０．１〜０．５ｗｔ％さらに好ましくは０．３８〜０．４０ｗｔ％のＣｒと、を含み、且つ１８〜２２ｋＡ／ｍさらに好ましくは１９〜２１ｋＡ／ｍ最も好ましくは１９．８〜２０．２ｋＡ／ｍのＨｃＪと、０．７８〜０．９０好ましくは０．８０〜０．８９最も好ましくは０．８３〜０．８７のＣＷ比と、を有する。

被覆しない切れ刃は、５〜３０μｍ好ましくは約１０〜２０μｍの刃の半径を備える。
被膜は、以下の層を含む。
− ｘ＋ｙ＋ｚ＝であってｙ＞ｘ及びｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８及びｚ＝０であり、且つ等軸粒であって＜０．５μｍの大きさをと、＜１．５μｍ好ましくは＞０．１の合計厚みとを有し、既知のＣＶＤ方法を使用するＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの第１の（最内）層。
− ｘ＋ｙ＝１であってｘ＞０．３及びｙ＞０．３、好ましくはｘ＞０．５であり、且つ１〜３μｍ好ましくは２〜２．７μｍの厚みを有し、柱状粒で＜５μｍ好ましくは０．１〜２μｍの平均直径を有するＴｉＣ_xＮ_yの層であって、（７００〜９００℃の温度範囲において前記層を形成するために、炭素と窒素との源としてアセトニトリルを使用する）ＭＴＣＶＤ技術を好ましく使用するＴｉＣ_xＮ_yの層。しかしながら、正確な条件は、使用する装置の設計所定範囲に依存する。
− κ−Ａｌ₂Ｏ₃からなる実質的に滑らかなＡｌ₂Ｏ₃の層は、例えば、米国特許第５，６７４，５６４号に記載の条件を基に堆積される。このＡｌ₂Ｏ₃の層は、０．５〜２．５μｍ好ましくは１〜２．５μｍの厚みを有する。
− 切れ刃の作用部分の少なくとも１０μｍに渡って表面粗さＲｍａｘ≦０．４を有する０．５〜１．０μｍのＴｉＮの厚い層。

滑らかな被膜表面は、微細粒の（４００〜１５０メッシュ）アルミナ粉末で被膜表面を穏やかな湿式噴射加工によって、または米国特許第５，８６１，２１０号に開示されるような、例えばＳｉＣを基本とするブラシで切れ刃のブラシ掛けによって得られる。このＴｉＮの層は、切れ刃に沿って除去され、且つ下層にあるアルミナの層が切れ刃に沿って部分的または完全に除去しても良い。

また、本発明は、８０〜１６０ｍ／分の切削速度、０．１〜０．３ｍｍ／回転の送り、１６〜６５ｍｍの穴径、及び＜１５００ｍｍの穴長さで、鋼の駆動軸の深穴を穿孔するため、上記にしたがう切削工具インサートの使用に関する。

本発明は、次の実施例に関連してさらに説明されるが、それは本発明の実施例として考慮される。しかしながら、本発明はこの実施例の具体的な詳細に限定されるものでないと理解すべきである。

実施例１
Foerster Instruments Inc．のFORESTER KOERZIMAT CS 1.096において測定された２０．２ｋＡ／ｍのＨｃＪ値と０．８５のＣＷ値とを有する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インサートが、従来のＥＲ処理の後、０．５μｍの等軸のＴｉＣ_0.05Ｎ_0.95の層（０．０５の見積もりＣ／Ｎに相当する高窒素含有量）で、続いてＭＴＣＶＤ技術（温度８５０〜８８５℃、及び炭素と窒素の源としてＣＨ₃ＣＮ）を使用して柱状粒で２．６μｍの厚いＴｉＣ_0.54Ｎ_0.46の層で、被覆して１５μｍの刃半径にした。同一被覆工程の際のその後の工程において、１．３μｍのＡｌ₂Ｏ₃の厚い層が、米国特許第５，６７４，５６４号に開示するような温度９７０℃及び０．４％の濃度のＨ₂Ｓドーパントを使用して堆積した。ＴｉＮの厚い層（０．５μｍ）が、既知のＣＶＤ技術にしたがって頂部に堆積された。ＸＲＤ測定が、Ａｌ₂Ｏ₃−層が１００％のκ−相からなることを示した。

被覆インサートが、ＳｉＣ粒から成るナイロンストローのブラシを用いてブラシ掛けされた。光学顕微鏡によるブラシ掛けされたインサートの検査は、最外層の厚いＴｉＮとＡｌ₂Ｏ₃の層の一部が切れ刃に沿ってのみブラシ掛けされ、滑らかなＡｌ₂Ｏ₃の表面が残存していることを明らかにした。ブラシ掛けされたインサートの横断面上の被膜厚み測定は、最外層のＴｉＮの層とほぼ半分のＡｌ₂Ｏ₃の層とが、切れ刃線に沿って除去されていることを示した。

実施例２
本発明にしたがうインサートが、Ｏｖａｋａ５２８Ｅの鋼の軸の深穴穿孔において試験された。
工具：Sandvik Coromantの排出装置(Ejector)ドリル800.20−03D
判定基準：逃げ面摩耗、表面仕上げ
参照：等級GC1025のインサート800−06038H−P−Gを備えたSandvik
Coromantの排出装置(Ejector)ドリル800.20−03D

切削試料
切削速度：Ｖｃ＝１１２ｍ／分
一回転当りの送り：ｆｎ＝０．２２ｍｍ
穴の直径：２５．５ｍｍ
穴の長さ：１１６０ｍｍ
冷却剤：乳化剤
参照例の工具寿命：１５個の軸
本願の工具寿命：３５個の軸
平均４個の試験
本発明にしたがう工具は、改良された表面仕上げを備え、逃げ面摩耗の減少、及び１３３％の工具寿命の増加を示した。

実施例３
本発明にしたがうインサートが、Ｏｖａｋａ５２８Ｅの鋼の軸の深穴穿孔において試験された。
工具：Sandvik Coromantの排出装置(Ejector)ドリル800.20−03D
判定基準：逃げ面摩耗、表面仕上げ
参照：等級GC1025のインサート800−06038H−P−Gを備えたSandvik
Coromantの排出装置(Ejector)ドリル800.20−03D

切削試料
切削速度：Ｖｃ＝１３７ｍ／分
一回転当りの送り：ｆｎ＝０．２６ｍｍ
穴の直径：２５．５ｍｍ
穴の長さ：１１６０ｍｍ
冷却剤：乳化剤
参照例の工具寿命：１３個の軸
本願の工具寿命：３５個の軸
平均４個の試験
本発明にしたがう工具は、改良された表面仕上げを備え、逃げ面摩耗の減少、及び１６９％の工具寿命の増加を示した。

本発明は好ましい実施態様に関して記載したが、具体的に記載されたことを本発明の精神及び範囲から離脱することなく、追加、削除、改変及び置き換えをすることができることは当業者によって認められる。

Claims

超硬合金ボディ及び被膜を含む切削工具インサートであって、
前記超硬合金ボディが、
ＷＣと、８〜１１ｗｔ％さらに好ましくは９．５〜１０．５ｗｔ％最も好ましくは９．９〜１０．１ｗｔ％のＣｏと、０．１〜０．５ｗｔ％さらに好ましくは０．３８〜０．４０ｗｔ％のＣｒとを含み、且つ
１８〜２２ｋＡ／ｍさらに好ましくは１９〜２１ｋＡ／ｍ最も好ましくは１９．８〜２０．２ｋＡ／ｍの分極飽和保持力ＨｃＪと、０．７８〜０．９０好ましくは０．８０〜０．８９最も好ましくは０．８３〜０．８７のＣＷ比と、を有し、
前記被膜が、
− ｘ＋ｙ＋ｚ＝であってｙ＞ｘ及びｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８及びｚ＝０であり、且つ等軸粒であって＜０．５μｍの大きさをと、０．１〜１．５μｍの合計厚みとを有するＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの第１の最内層、
− ｘ＋ｙ＝１であってｘ＞０．３及びｙ＞０．３、好ましくはｘ＞０．５であり、且つ２〜３μｍの厚みを有し、柱状粒を有し、＜５μｍの平均直径を有するＴｉＣ_xＮ_yの層、
− １〜２．５μｍの厚みを有し、滑らかで微細流の０．５〜２μｍのκ−Ａｌ₂Ｏ₃の層、及び
− ０．５〜１．０μｍの厚さのＴｉＮの最外層であり、前記ＴｉＮの最外層が切れ刃に沿って除かれ、且つ好ましくは下層にあるアルミナの層が切れ刃に沿って部分的または完全に除かれること、
を特徴とする超硬合金ボディ及び被膜を含む切削工具インサート。
前記ＴｉＮの最外層が、切れ刃の作用部分上の少なくとも１０μｍの長さに渡って、表面粗さＲｍａｘ≦０．４μｍを有す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。
超硬合金ボディ及び被膜を含む切削工具インサートを製造する方法であって、
前記超硬合金ボディが、
ＷＣと、８〜１１ｗｔ％さらに好ましくは９．５〜１０．５ｗｔ％最も好ましくは９．９〜１０．１ｗｔ％のＣｏと、０．１〜０．５ｗｔ％さらに好ましくは０．３８〜０．４０ｗｔ％のＣｒと、を含み、
１８〜２２ｋＡ／ｍさらに好ましくは１９〜２１ｋＡ／ｍ最も好ましくは１９．８〜２０．２ｋＡ／ｍの分極飽和保持力ＨｃＪと、０．７８〜０．９０好ましくは０．８０〜０．８９最も好ましくは０．８３〜０．８７のＣＷ比と、を有し、且つ
− ｘ＋ｙ＋ｚ＝であってｙ＞ｘ及びｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８及びｚ＝０であり、且つ等軸粒であって＜０．５μｍの大きさをと、０．１〜１．５μｍの合計厚みとを有し、既知のＣＶＤ方法を使用するＴｉＣ_xＮ_yＯ_zの第１の最内層、
− ｘ＋ｙ＝１であってｘ＞０．３及びｙ＞０．３、好ましくはｘ＞０．５であり、且つ２〜３μｍの厚みを有し、柱状粒で＜５μｍ好ましくは０．１〜２μｍの平均直径を有するＴｉＣ_xＮ_yの層であって、７００〜９００℃の温度範囲において前記ＴｉＣ_xＮ_yの層を形成するために、炭素と窒素との源としてアセトニトリルを備えるＭＴＣＶＤ技術を好ましく使用するＴｉＣ_xＮ_yの層、
− κ−Ａｌ₂Ｏ₃からなる実質的に滑らかなＡｌ₂Ｏ₃の層を既知のＣＶＤ方法を使用して堆積する１〜２．５の厚みを有する前記Ａｌ₂Ｏ₃の層、及び
− さらに、既知のＣＶＤ方法またはＰＶＤ方法を使用する０．５〜１．０μｍの厚さを有するＴｉＮの最外層であり、前記ＴｉＮの最外層が切れ刃に沿って除去され、且つ好ましくは下層のアルミナ層が切れ刃に沿って部分的または完全に除かれること、
を特徴とする超硬合金ボディ及び被膜を含む切削工具インサートを製造する方法。
微細粒の４００〜１５０メッシュアルミナ粉末で前記被膜表面を穏やかな湿式噴射加工して、または、例えばＳｉＣを基本とするブラシで切れ刃をブラシ掛けして、切れ刃の作用部分の少なくとも１０μｍに渡って表面粗さＲｍａｘ≦０．４を得る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を製造する方法。
８０〜１６０ｍ／分の切削速度、０．１〜０．３ｍｍ／回転の送り、１６〜６５ｍｍの穴径、及び１５００ｍｍの穴長さで、鋼の熱交換器用の駆動軸の深穴を穿孔するための請求項１または２に記載の切削工具インサートの用途。