JP2007331103A - 鋳鉄フライス加工用インサート - Google Patents

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Abstract

【課題】非金属介在物や鋳肌による耐摩耗性を持つ鋳鉄のフライス加工に適した被膜付き超硬合金インサートを提供する。
【解決手段】高い耐摩耗性と、優れた耐熱亀裂性とが必要な、ノジュラー鋳鉄(NCI)、ねずみ鋳鉄(GCI)、オーステンパー済ダクタイル鋳鉄(ADI)、コンパクト黒鉛鋳鉄(CGI)などの鋳鉄を乾式または湿式で機械加工するための被膜付き超硬合金インサートであって、 5〜7wt%のCo、140〜250ppmのTi+Ta、および残部WCを含み、重量比Ti/Taが0.8〜1.3である基材、および x=0.50〜0.70、厚さ1μm〜10μmのAlTi1−XNから成るPVD層を備えている。切削工具インサートの作製方法にも関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、高い耐摩耗性と、優れた耐熱亀裂性とが必要な、ノジュラー鋳鉄(NCI)、ねずみ鋳鉄(GCI)、オーステンパー済ダクタイル鋳鉄(ADI)、コンパクト黒鉛鋳鉄(CGI)などの鋳鉄を乾式または湿式で機械加工するための被膜付き超硬合金インサートに関する。
鋳鉄の被削性は、種々のグループ間で大きく異なるばかりでなく、同じグループ内でも異なる。同じ材料でも、化学組成やミクロ組織の僅かな変動で工具寿命に大きな影響がある。このような変動は、鋳造方法に関係があり、冷却条件などと関係している。多くの場合、鋳鉄の機械加工は何らかの冷却剤を用いて被膜付き超硬合金インサートで行なうが、インサートがワークに出入りすることによる熱サイクルによって、刃先に刃先ラインに直角の熱起因の亀裂、いわゆる櫛の歯状亀裂が発生する。この櫛の歯状亀裂が成長して基材に進入すると最終的にはチッピングや刃先の破損を生ずる。
鋳鉄はまた、非金属介在物や鋳肌によって耐摩耗性を持つと、非常に加工が困難になるので、CVD被覆したインサートを用いるのが普通である(例えばアメリカ合衆国特許第5,912,051号、同第5,942,318号、同第6,767,583号を参照)。
WO2006/043421には、硬質相として平均粒径0.3μm以下のWCと、結合相として5.5〜15wt%の少なくとも1種の鉄族金属とを含み、更に、0.005〜0.06wt%のTiと、結合相に対して重量比で0.04〜0.2のCrとを含み、残部が不可避不純物である、超硬合金が開示されている。特に、この超硬合金はTaを含まない。
非金属介在物や鋳肌による耐摩耗性を持つ鋳鉄のフライス加工に適した被膜付き超硬合金インサートを提供することを目的とする。
驚くべき発見として、結合相にW添加し、化学組成のバランスを良く調和させ、WCの粒径を選定し、特定のAlとTiの比率のPVD被覆した(Al,Ti)N層と組み合わせた超硬合金ボディを用いた切削工具インサートを用いると、上述の切削加工で生ずる種々のタイプの摩耗に対して特性が向上した切削工具インサートが得られる。
本発明によれば、被膜付き切削工具インサートは超硬合金ボディと被膜とを備えている。
超硬合金ボディは、組成が、5〜7、望ましくは5.5〜6.5、最も望ましくは5.8〜6.2wt%のCoと、140〜250、望ましくは160〜225、最も望ましくは175〜200ppmのTi+Taと、残部のWCとから成る。Ti/Taの重量比は、0.8〜1.3、望ましくは0.9〜1.2である。超硬合金ボディは更に、他の元素を少量含有しても良いが、技術的に不可避な不純物のレベルとする。保磁力Hは15.5〜19.5kA/m、望ましくは17.0〜18.7kA/mである。
Co結合相に所定量のWを添加すると、超硬合金切削インサートに望ましい性質を付与できる。結合相中のWは、Coの磁気的性質に影響を及ぼすので、下記で定義するCW比と関係付けられる。
CW比=磁性%Co/wt%Co
ここで、磁性%Coは磁性Coのwt%、wt%Coは超硬合金中のCoのwt%である。
CW比は、W添加量に応じて1〜0.75の値をとる。CW比が低いことは高W量に対応し、CW比=1は結合相中のWが事実上ゼロであることと対応する。
本発明によれば、切削性能を高めるために、超硬合金ボディのCW比を0.81〜0.95、望ましくは0.85〜0.92、最も望ましくは0.86〜0.89とする。超硬合金ボディは更に、η相(M6C)を少量すなわち1vol%未満含有しても悪影響はない。本発明の超硬合金ボディには遊離黒鉛が存在してはならない。
本発明のインサートは、すくい面上に0.5〜15μm、望ましくは1〜10μm、より望ましくは1〜5μmの、逃げ面上に2〜7μmの、それぞれ(Al,Ti)N層を備えている。任意の内部結合層および外部色彩層を含めて、全ての層の化学量論比は、マイクロプローブやEDSで測定した値で、AlTi1−XNにおいて、xは0.5〜0.7、望ましくは0.6〜0.7である。望ましい実施形態においては、外部TiAl1−bN層を備え、ここでb=0.8〜0.9、望ましくは0.82〜0.85であり、目視で均一なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは厚さ0.1〜1μmである。
本発明は更に、硬質成分用粉末と結合相用粉末を湿式混練する工程、得られた混合物を加圧成形して望みの形状および寸法のボディにする工程、および焼結工程を含む、粉末冶金法により切削インサートを作製する方法にも関する。本発明の方法によれば、基材は、5〜7、望ましくは5.5〜6.5、最も望ましくは5.8〜6.2wt%のCoと、140〜250、望ましくは160〜225、最も望ましくは175〜200ppmのTi+Taと、残部のWCとを具備する。Ti/Taの重量比は0.8〜1.3、望ましくは0.9〜1.2である。製造条件の選択により、焼結したままの組織状態において、保磁力Hcを15.5〜19.5kA/m、望ましくは17.0〜18.7kA/mとし、CW比を0.81〜0.95、望ましくは0.85〜0.92、最も望ましくは0.86〜0.89とする。超硬合金ボディは更に、他の元素を少量含有して良いが、技術的に不可避な不純物のレベルとする。
上述の基材上に被着させる被膜は均質なAlTi1−xN層であり、x=0.5〜0.7、望ましくは0.6〜0.7、全厚さは、すくい面上で0.5〜15μm、望ましくは1〜10μm、最も望ましくは1〜5μm、逃げ面上で2〜7μmである。この層を陰極アーク蒸着法で被着させる際に、純Tiおよび/またはTiAl合金(1種または複数種)からなるアーク源を2対または3対用い、NガスまたはN+Ar混合ガスの雰囲気中で行なう。望ましい実施形態においては、外部TiAl1−bN層でb=0.8〜0.9、望ましくは0.82〜0.85、目視で均質なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは0.1〜1μmの厚さを有する層を被着させる。
本発明は更に、ねずみ鋳鉄、ノジュラー鋳鉄、オーステンパー済ダクタイル鋳鉄およびコンパクト黒鉛鋳鉄を、湿式および乾式の条件で、Vc=100〜400m/min、fz=0.05〜0.4mm/刃の切削条件でフライス加工するのに上記の切削工具インサートを使用することにも関する。
〔実施例1〕(本発明例)
型式R390-170408M-KM、R290-12T308M-KM、R245-12T3M-KH、R245-12T3E-KL、R300-1648M-KHの超硬合金フライス用材を、組成が6.0wt%Co、190ppmTi+Ta、Ti/Ta比(重量比)1.06、残部WCである粉末から加圧成形し、通常の方法で1410℃で焼結した。得られた焼結ままのインサートは、Hc値が18.1kA/mであり、この値は平均WC粒径1.7μmに対応し、磁性Co含有量が5.3wt%であり、この含有量はFOERSTER KOERZIMAT CS1.096(Foerster Intruments Inc.)で測定したCW比0.88に対応している。従来法によりインサートの刃先を丸めて半径35μm程度にした後、下記のように被覆処理を行なった。
陰極アーク蒸着法により(Ti,Al)N層を被着した。被着にはTi33Al67ターゲットを用い、3軸回転式基材テーブルにインサートを載置した。アーク蒸着はN雰囲気中で行なった。被膜全厚さは、すくい面上の刃先ラインから0.3mm以内の領域で3.3μm、クリアランス面上に4.2μmであった。更にこのインサートに、最終外部層として厚さ0.2μmのTi0.84Al0.16N層を被覆し、ブロンズ色を呈するようにした。
〔実施例2〕(比較例)
表1に示した組成の超硬合金フライスインサートを従来方法で製造し、または、市販の他社製品を購入した。
Figure 2007331103
<実施例3〜10の説明>
以下の金属切削試験において、下記の用語を共通して用いる。
Vc(m/min):切削速度
fz(mm/刃): 1刃当たりの送り
z(個数): カッターに取り付けたインサートの個数
(mm): 半径方向の切削深さ
(mm): 軸方向の切削深さ
D(mm): カッターの直径
〔実施例3〕
実施例1にて作製した本発明のインサートを試験し、比較品Aおよび同じ用途の他社の市販品1と比較した。本発明インサートおよび比較品Aは形状R390-170408-KMであり、市販品1は同じ用途領域に適した類似の形状であった。いずれのインサートも直径50mmのカッターに取り付けて用いた。試験はねずみ鋳鉄(GCI)製のギアボックスの粗仕上げ正面フライス加工で行ない、Vc=314m/min、fz=0.06〜0.09mm/刃、a=4〜5mm、z=5、湿式条件であった。この使用で本発明のインサートの寿命は158分であったが、比較品Aは108分に過ぎず、同一用途用である市販品1は100分であった。支配的な摩耗のタイプは二次刃先のチッピングであり、そのためワークの仕上がり表面は悪かった。
〔実施例4〕
実施例1にて作製した本発明のインサートを試験し、比較品Bおよび同じ用途の他社の市販品1と比較した。本発明インサートおよび比較品Bは形状R290-12T308M-KMであり、市販品1は同じ用途領域に適した類似の形状であった。いずれのインサートも直径80mmのカッターに取り付けて用いた。試験はノジュラー鋳鉄(NCI)GGG40製のブレーキスパイダーの仕上げおよび半仕上げ正面フライス加工で行ない、湿式条件であった。クランプ(締め付け)の安定性が悪かった。切削条件は、Vc=226m/min、fz=0.16mm/刃、z=8であった。寿命は、比較品Bが170分、市販品1が233分、本発明のインサートが403分であった。支配的な摩耗のタイプは、比較品Bが刃先の櫛の歯状亀裂によるチッピングであり、市販品1が0.5を超える大きくて不規則な逃げ面摩耗であったのに対し、本発明のインサートは均一な逃げ面摩耗であり、チッピングは生じなかった。工具交換の原因は、仕上がり表面の悪化および/またはワークのバリ(まくれ)であった。
〔実施例5〕
実施例1のインサートを比較品A(形状R300-1648M-KH)と比較した。直径63mmのカッターを用いてノジュラー鋳鉄(NCI)製のポンプボディの粗仕上げ正面フライスを行なった。切削条件は、Vc=316m/min、z=6、fz=0.32mm/刃、a=2mm、a=60mm、冷却剤使用、であった。28min経過後、比較品Aのインサートは被膜のフレーキングとその後の刃先ラインのチッピングにより破損したのに対して、実施例1の本発明のインサートはほとんど何にも摩耗が認められなかった。
〔実施例6〕
実施例1のインサートを比較品BおよびC(いずれも形状R245-12T3M-KH)および同じ用途の他社の市販品2(類似形状)と比較した。これらのインサートを、ねずみ鋳鉄(GCI)製のモーターハウスの半仕上げ正面フライス加工により、湿式条件で、カッター直径125mmにて試験した。切削条件は、392m/min、z=6、fz=0.10mm/刃、a=4.5mm、a=67mmであった。寿命は、比較品Bが354min、比較品Cが111min、市販品2が335min、実施例1の本発明のインサートが422minであった。摩耗のタイプは、比較品B、市販品2、実施例1のインサートが逃げ面摩耗であったのに対して、比較品Cは被膜のフレーキングおよび刃先ラインのチッピングであった。工具交換の原因は、チッピングとワーク仕上げ表面の悪化であり、これらは逃げ面摩耗が約0.4mmを超えると起きた。
〔実施例7〕
実施例1のインサートを同じ用途の他社の市販品3と比較した。各インサートによりNCI(SS0727)製のバルブボディの仕上げ正面フライス加工を乾式条件にて行なった。切削条件は、Vc=251m/min、z=8、fz=0.125mm/刃、a=0.3mm、a=60〜65mmであり、カッター直径80mmであった。形状はR245-12T3E-KLであった。実施例1の本発明のインサートは2回の加工でそれぞれ370個、400個を加工したのに対して、市販品3のインサートは平均で200個に過ぎなかった。どちらのインサートについても、摩耗タイプは逃げ面摩耗であり、工具交換の原因は仕上げ表面の悪化であった。
〔実施例8〕
実施例1のインサート(形状R290-12T308M-KM)を同じ形状の比較品Bと比較した。各インサートを用いてNCI(SS0727)製のバルブボディの粗仕上げ正面フライス加工を乾式条件で行なった。切削条件は、Vc=195m/min、z=5、fz=0.16mm/刃、a=45mm、a=2.5mmであり、カッター直径50mmであった。どちらのインサートも100個を加工でき、逃げ面摩耗が比較品Bでは0.38mm、実施例1の本発明品では0.15mmであった。
〔実施例9〕
実施例1のインサート(形状R290-12T308M-KM)を同じ形状の比較品A、B、Dと比較した。各インサートを用いてコンパクト黒鉛鋳鉄(CGI)製の実験室試験用の特別部品の粗仕上げ正面フライス加工を行なった。試験は乾式条件で行ない、Vc=300m/min、z=6、fz=0.15mm/刃、a=50mm、a=3mmであり、カッター直径80mmであった。工具寿命の判定基準は、逃げ面摩耗が0.3mm超、チッピングまたは不均等逃げ面摩耗が0.4mm超として。
工具寿命は、比較品A、B、Dはそれぞれ13、17、18minであったのに対して、本発明のインサートは22minであった。
〔実施例10〕
実施例1のインサート(形状R245-12T3M-KH)を同じ形状の比較品A、Bと比較した。各インサートを用いてオーステンパーしたダクタイル鋳鉄(ADI)製で実験室試験に適した直径92mmの円柱棒の粗仕上げ正面フライス加工を行なった。試験は乾式条件で行ない、Vc=160m/min、z=2、fz=0.30mm/刃、a=3.5mm、a=45mm、カッター直径63mmであった。工具寿命の判定基準はチッピングまたは大きな逃げ面摩耗によるインサートの破断とした。
工具寿命は、比較品A、Bがそれぞれ3.3min、1.7minであったのに対して、本発明のインサートは14.2minであった。
実施例3〜10により明らかなように、本発明のインサートは従来のインサートよりも切削性能が大幅に向上している。主な利点は、櫛の歯状亀裂が低減したことで耐チッピング性が向上したこと、および耐逃げ面摩耗性が向上したことである。

Claims (5)

  1. 超硬合金基材と被膜とを有する切削工具インサートであって、
    上記基材は、5〜7wt%、望ましくは5.5〜6.5wt%のCo、140〜250ppm、望ましくは160〜225ppmのTi+Ta、および残部WCを含み、重量比Ti/Taが0.8〜1.3、望ましくは0.9〜1.2、保磁力Hcが15.5〜19.5kA/m、望ましくは17.0〜18.7kA/m、CW比が0.81〜0.95、望ましくは0.85〜0.92であり、かつ
    上記被膜は、均質なAlTi1−XN層を含み、x=0.5〜0.7、望ましくは0.6〜0.7であり、全厚さが、すくい面上で0.5μm〜15μm、望ましくは1μm〜10μm、より望ましくは1μm〜5μm、逃げ面上で2μm〜7μmである
    ことを特徴とする切削工具インサート。
  2. 請求項1において、外部TiAl1−bN層を備え、b=0.8〜0.9、望ましくは0.82〜0.85であり、目視で均質なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは0.1〜1μmの厚さであることを特徴とする切削工具インサート。
  3. 超硬合金基材と被膜とを有する切削工具インサートの製造方法であって、
    上記基材として、5〜7wt%、望ましくは5.5〜6.5wt%のCo、140〜250ppm、望ましくは160〜225ppmのTi+Ta、および残部WCを含み、重量比Ti/Taが0.8〜1.3、望ましくは0.9〜1.2、保磁力Hcが15.5〜19.5kA/m、望ましくは17.0〜18.7kA/m、CW比が0.81〜0.95、望ましくは0.85〜0.92である基材を用意し、そして
    上記被膜として、上記被膜は、均質なAlTi1−XN層を含み、x=0.5〜0.7、望ましくは0.6〜0.7であり、全厚さが、すくい面上で0.5μm〜15μm、望ましくは1μm〜10μm、より望ましくは1μm〜5μm、逃げ面上で2μm〜7μmである被膜を、陰極アーク蒸着法により、純チタンおよび/またはTiAl合金からなる2対以上のアーク源を用い、NまたはN+Arガス雰囲気中にて被着する
    ことを特徴とする方法。
  4. 請求項4において、b=0.8〜0.9、望ましくは0.82〜0.85であり、目視で均質なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは0.1〜1μmの厚さである外部TiAl1−bN層を被着することを特徴とする方法。
  5. 鋳鉄、ねずみ鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄またはノジュラー鋳鉄を、湿式および乾式条件で、切削条件Vc=100〜400m/min、fz=0.05〜0.4mm/刃にてフライス加工における請求項1〜2に記載の切削工具インサートの使用。
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