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ＡｌＸＴｉ１−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ＨＣ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、ＡｌＸＴｉ１−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ＴｉｂＡｌ１−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ＡｌｘＴｉ１−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、Ｎ２ガスまたはＮ２＋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ＴｉｂＡｌ１−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Ｎ２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
ａｅ（ｍｍ）： 半径方向の切削深さ
ａｐ（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、ａｐ＝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、ａｐ＝２ｍｍ、ａｅ＝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、ａｐ＝４．５ｍｍ、ａｅ＝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、ａｐ＝０．３ｍｍ、ａｅ＝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、ａｅ＝４５ｍｍ、ａｐ＝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、ａｅ＝５０ｍｍ、ａｐ＝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、ａｐ＝３．５ｍｍ、ａｅ＝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ＡｌＸＴｉ１−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ＴｉｂＡｌ１−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ＡｌＸＴｉ１−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、Ｎ２またはＮ２＋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ＴｉｂＡｌ１−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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