JP2008000885A - フライス切削加工のための被覆インサート - Google Patents

フライス切削加工のための被覆インサート Download PDF

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Abstract

【課題】乾燥条件下での荒フライス削りのために特に有用である被覆超硬合金フライス切削加工インサートを提供する。
【解決手段】乾燥条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のないねずみ鋳鉄、高合金ねずみ鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）の荒フライス削りのために特に有用である被覆フライス切削加工インサートを開示する。このインサートは、低含量の立方晶カーバイドを含むＷＣ−Ｃｏ超硬合金と、Ｗ合金結合相と、柱状結晶粒を有するＴｉＣｘＮｙ内側層と、続いてすくい面上に湿式ブラストされたα−Ａｌ2Ｏ3層と、クリアランスサイドに着色した最上層を含む被覆、及びその作製方法を特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、被覆した超硬合金フライス切削インサートに関係し、特に乾燥条件下で鋳肌のある又は鋳肌のない、ネズミ鋳鉄、高合金ネズミ鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）を荒フライス切削加工で半仕上げするために有用であるインサートに関係する。
鋳鉄の機械加工に超硬合金の切削工具インサートを使用する場合、刃先が化学的摩耗または引っかき摩耗のような様々な摩耗機構によって摩耗する。また、この刃先はほとんどの場合いわゆる櫛形クラック形成も被り、このクラックは刃先に対して垂直方向に形成され、この機構及び熱負荷の繰返しの結果もたらされるものである。この櫛形クラックが超硬合金本体に深く広がると、この刃先はチッピングや破砕をし始める。
鋳鉄成分の一般的な特徴はその硬質表面領域にあり、その構造はバルク構造とはかなりかけ離れたものとなる。この表面領域は概して硬質介在物及び鋳型からの砂を含む。このことにより鋳鉄の切削が強く要求される。刃先インサートはまた、種々の切削速度、切り込みの深さ、送り速度のような広い切削条件に対処し、さらに被加工物の振動のような外部要因にも対応することも可能でなければならない。
これらのあらゆる要因が、この切削工具インサートの複数の特性を必要とする。鋳鉄をフライス切削加工するための市販の超硬合金工具インサートは、通常前述の摩耗タイプの一又は二に対して最適化されている。
米国特許第５，９１２，０５１号は、ねずみ鋳鉄の乾式フライス加工に特に有効な被覆切削工具インサートを開示する。
米国特許第６，０６２，７７６号には、高い靭性の超硬刃先を必要とする機械加工作業において、引っかき摩耗表面領域の有無を問わず低合金鋼及び中合金鋼またはステンレス鋼の被加工物を湿式フライス加工及び乾式フライス加工をするように特に設計されている被覆超硬合金の切削工具が開示されている。外部切削条件は、被加工物の複雑な形状、振動、切屑の打撃、切屑の再切削等によって特徴付けられている。
米国特許第６，１７７，１７８号では、低合金鋼及び中合金鋼の湿式フライス加工及び乾式フライス加工のために特に設計された被覆超硬合金の切削工具が開示されている。
国際公開第０１／１６３８８号は、高切削速度において乾燥条件または湿潤条件下で引っかき摩耗表面領域の有無を問わずに低合金鋼及び中合金鋼をフライス加工するために、及び高切削速度で硬化鋼をフライス加工するために特に有効な被覆インサートを開示する。
米国特許第６，６３８，６０９号が、低速の切削速度と中速の切削速度とにおける湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のないねずみ鋳鉄のフライス切削加工と、中速の切削速度における湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のないノジュラー鋳鉄とコンパクト黒鉛鋳鉄とのフライス切削加工に特に有用である、被覆フライス切削加工インサートを開示する。
米国特許出願第２００６／０１１５６８３号が、望ましくはかなり高速の切削速度における乾燥条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のないねずみ鋳鉄のフライス切削加工と、かなり高速の切削速度における乾燥条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のないノジュラー鋳鉄とコンパクト黒鉛鋳鉄とのフライス切削加工に特に有用である、被覆フライス切削加工インサートを開示する。このインサートは、低含量の立方晶カーバイドを含むＷＣ−Ｃｏ超硬合金と、高Ｗ合金結合相と、柱状結晶粒を有するＴｉＣｘＮｙ内側層と、続いて湿式ブラストされたα−Ａｌ2Ｏ3層と、によって特徴づけられる。
米国特許第５，９１２，０５１号明細書 米国特許第６，０６２，７７６号明細書 米国特許第６，１７７，１７８号明細書 国際公開第０１／１６３８８号明細書 米国特許第６，６３８，６０９号明細書 米国特許出願第２００６／０１１５６８３号明細書
本発明の対象は、対応する先行技術のインサートから大幅に改善した切削特性を有する被覆超硬合金切削工具インサートであって、かなり高速の切削速度におけるねずみ鋳鉄、高合金ねずみ鋳鉄、及びコンパクト黒鉛鋳鉄を乾燥条件下で荒フライス切削加工するのに特に有用なインサート、を提供することである。
このインサートが、Ｗ−合金結合相と、良好にバランスのとれた化学組成物とＷＣの特定の粒子サイズとを有する超硬合金本体と、柱状ＴｉＣｘＮｙ−層及び次に処理したα−Ａｌ２Ｏ３最上層を含む場合に：上述した切削操作において広く行き渡っている種々の摩耗タイプに関して、フライス切削加工工具インサートの改善した特性が得られることが、意外にも判明した。
本発明により、７．３〜７．９質量％のＣｏ、好ましく７．５〜７．７質量％のＣｏ、１．０〜２．０質量％、好ましくは１．３〜１．７質量％の金属Ｔｉ、ＴａとＮｂの立法晶カーバイド及び残余のＷＣ、好ましくは９０．６〜９１．２質量％のＷＣ、の組成物を有する超硬合金本体を含む被覆切削工具インサートが提供される。Ｔｉ含有率は好ましくは、技術的な不純物レベルであるか又は０である。その保磁力Ｈｃは、１３．８〜１５．７ｋＡ／ｍの範囲であるか、好ましくは１４．２〜１５．２ｋＡ／ｍでなければならない。
コバルトの結合相は高い割合のＷが混合された合金である。結合相中のＷの含量は次式で表されることが可能であり、
ＣＷ比＝磁性Ｃｏの％／Ｃｏの質量％
ここで磁性Ｃｏの％は磁性Ｃｏの質量％であり、Ｃｏの質量％は超硬合金中のＣｏの質量％である。
ＣＷ値はＣｏ結合相中のＷ含量の関数である。０．７５〜０．８のＣＷ値は結合相中の非常に高いＷ含量に対応し、ＣＷ比が１とは原理的にＷ合金化が無いことに相当する。
以下の場合に、本発明によって、改善した切削性能が得られる：
Ａ）超硬合金本体が、ＣＷ比０．８５〜０．９４、好ましくは０．８８〜０．９２に相当するＷを伴って合金化したコバルト結合を有すること、
Ｂ）インサートが、コーティング前に２５〜５０μｍの端縁丸みを有すること、
Ｃ）コーティングが、
ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第一の層であって、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．１〜１．５μｍ、好ましくは０．４μｍ超の総厚みを有する、第一の層と、
ＴｉＣｘＮｙの第二の層であって、ここでｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、４．５〜９．５μｍ、好ましくは５〜７．５μｍの厚みを有し、柱状結晶粒を有する、第二の層と、
ＴｉＣｘＮｙＯｚの第三の層であって、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｘ＞０．３、ｚ＞０．３、０≦ｙ＜０．２であり、０．３〜１．５μｍの厚みを有する、第三の層と、
平滑なα−Ａｌ２Ｏ３の第四の層であって、９〜１５μｍ、好ましくは１０〜１２μｍの厚みを有し、且つ切削領域における表面粗さＲａが１０μｍの長さにわたって０．４μｍ未満である、第四の層と、
好ましくは１．３〜２．４である、α−Ａｌ２Ｏ３の第四の層とＴｉＣｘＮｙの第二の層の層の厚みの比率と、
クリアランスサイド上の０．１〜２μｍ厚みの着色した最上層であって、好ましくはＴｉＮ又はＺｒＮの最上層と、
を有することとを、特徴とする切削工具インサート。
本発明はまた、７．３〜７．９質量％のＣｏ、好ましく７．５〜７．７質量％のＣｏ、１．０〜２．０質量％、好ましくは１．３〜１．７質量％の金属Ｔｉ、ＴａとＮｂの立法晶カーバイド及び残余のＷＣ、好ましくは９０．６〜９１．２質量％のＷＣ、の組成物を有する超硬合金本体で構成される被覆切削工具インサートの作製方法にも関係する。Ｔｉ含有率は好ましくは、技術的な不純物レベルであるか又は０まで低減している。その製造条件は、１３．８〜１５．７ｋＡ／ｍ、好ましくは１４．２〜１５．２ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃ、及び上記で画定したＣＷ比０．８５〜０．９４、好ましくは０．８８〜０．９２に相当するＷを伴って合金化したコバルト結合相を有する焼結構造を得るように、選択される。このインサートを湿式ブラストして２５〜５０μｍの端縁丸みづけ処理した後で、以下の層を有する被覆が堆積される：
既知のＣＶＤ法を使用する、ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第一の層であって、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．１〜１．５μｍ、好ましくは０．４μｍ超の総厚みを有する、第一の層と、
ＭＴＣＶＤ技術を使用する（ここで該ＭＴＣＶＤ技術は７００〜９００℃の温度範囲で層の形成のために炭素及び窒素源としてアセトニトリルを使用するが、正確な条件は使用する装置の設計上の所定の範囲によって決まる）、ＴｉＣｘＮｙの第二の層であって、ここでｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、好ましくはｘ＞０．５であり、４．５〜９．５μｍ、好ましくは５〜７．５μｍの厚みを有し、柱状結晶粒を有する、第二の層と、
反応混合物ＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｈ２又はＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｈ２、Ｎ２を使用するＣＶＤによって製造する、ＴｉＣｘＮｙＯｚの第三の層であって、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｘ＞０．３、ｚ＞０．３、０≦ｙ＜０．２であり、０．３〜１．５μｍの厚みを有する、第三の層と、
既知のＣＶＤ法を使用する、平滑なα−Ａｌ２Ｏ３の第四の層であって、９〜１５μｍ、好ましくは１０〜１２μｍの厚みを有し、且つ切削領域における表面粗さＲａが１０μｍの長さにわたって０．４μｍ未満である、第四の層と、
α−Ａｌ２Ｏ３の第四の層とＴｉＣｘＮｙの第二の層の層の厚みの比率が、好ましくは１．３〜２．４であって、
ＣＶＤ又はＰＶＤ技術を使用する、０．１〜２μｍ厚みの着色した最上層であって、好ましくはＴｉＮ又はＺｒＮの最上層。
最終的に、このすくい面上にあって刃先ラインに沿ったＡｌ２Ｏ３の層が、強度の湿式ブラスト操作を受けて、平滑な表面仕上げを得て、好ましくは水とＡｌ２Ｏ３グリットを含むスラリーを使用して、切削領域での表面粗さＲａが１０μｍの長さにわたって０．４μｍ未満となる。あるいは、着色最上層をクリアランス面に堆積させる前に、この湿式ブラスト工程が実施されてもよい。
本発明はまた、１５０〜３７５ｍ／分の切削速度と、切削速度とインサートの形状寸法に応じた０．１〜０．３５ｍｍ／歯の送りで、ネズミ鋳鉄、高合金ネズミ鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄のような鋳鉄を乾式フライス切削加工するために、上述の切削工具インサートを使用することにも関係する。
例１（発明）
超硬合金フライス切削加工ブランク試験片は、Ｒ２４５−１２Ｔ３Ｍ−ＫＭ、Ｒ２９０−１２Ｔ３０８Ｍ−ＫＭ及びＳＰＫＮ１２０４ＥＤＲの型で、７．６質量％Ｃｏ、１．２５質量％ＴａＣ、０．３０質量％ＮｂＣ及び残余のＷＣの組成の粉末からプレスし、そして１４．７ｋＡ／ｍのＨｃ値及びＣＷ比０．９０に相当する６．８５質量％の磁性Ｃｏ含有率を有するインサートが焼結されるように１４１０℃で通常の技術を用いて焼結させた。このインサートは、湿式ブラスト法を使用して３５μｍの半径まで端縁を丸み処理し、そしてそれから約９．５のｙ値に相当する高窒素含有率の第一の０．５μｍの厚みのＴｉＣｘＮｙ−層で被覆した。次にＭＴＣＶＤ技術（温度８５０〜８８５℃且つ炭素／窒素源としてＣＨ３ＣＮ）を使用して柱状結晶粒構造を有し且つ約０．５５のｘ値を有する、第二の６μｍの厚みのＴｉＣｘＮｙ−層で被覆した。同じ被覆サイクルの中での次の工程で、第三の１μｍ厚みのＴｉ（Ｃ，Ｏ）−層を堆積させ、次に第四の１１μｍ厚みのα−Ａｌ２Ｏ３の層を堆積させ、そして１μｍ厚みのＴｉＮの最上層を堆積させた。
インサートの最上面のＴｉＮ層を除去し、そして露出したＡｌ２Ｏ３層が約１０μｍの長さにわたってＲａ＝０．２μｍの平滑な表面仕上げを得るために、アルミナグリットを用いて、このインサートをすくい面上で湿式ブラストした。
例２（先行技術）
例１と同じインサートを用いた、表１による、超硬合金フライス切削加工インサートは、既知の技術に従って製造した。
Figure 2008000885
例３
本発明による例１に由来したインサートで、高合金化したねずみ鋳鉄のシリンダーヘッドを正面フライスする試験をした。
工具：Ｒ２４５−１２Ｔ３Ｍ−ＫＭ
切削機中のインサート数：２４
基準：表面仕上げ及び被加工品の破砕
参照：Ｒ２４５−１２Ｔ３Ｍ−ＫＭ、例２の参照Ａの先行技術。
切削データ
切削速度： Ｖｃ＝３５０ｍ／分
送り速度： Ｆｚ＝０．１５ｍｍ／歯
切り込み深さ： Ａｐ＝０．５ｍｍ
乾燥条件
この参照Ａの工具の寿命は１７４シリンダーヘッドであり、そして本発明によるインサートの場合２１５シリンダーヘッドと測定された。
結果：工具寿命は２３％伸びたそして本発明によるインサートを用いて表面仕上げは改善した。
例４
本発明による例１に由来したインサートで、高合金化したねずみ鋳鉄の中心ブロックを正面フライスする試験をした。
工具：Ｒ２４５−１２Ｔ３Ｍ−ＫＭ
切削機中のインサート数：１０
基準：表面仕上げ及び被加工品の破砕
参照：Ｒ２４５−１２Ｔ３Ｍ−ＫＭ、例２の参照Ａの先行技術。
切削データ
切削速度： Ｖｃ＝２５１ｍ／分
送り速度： Ｆｚ＝０．２４ｍｍ／歯
切り込み深さ： Ａｐ＝２〜３ｍｍ
乾燥条件
２回の試験の平均の工具寿命は、参照Ａの場合に５０分であり、そして本発明によるインサートの場合８０分であった。
例５
本発明による例１に由来したインサートで、ねずみ鋳鉄で造られた発電機用のハブ軸受けを正面フライスする試験をした。
工具：ＳＰＫＮ１２０４ ＥＤＲ
切削機中のインサート数：８
基準：表面仕上げ及び被加工品の破砕
参照：ＳＰＫＮ１２０４ ＥＤＲ、例２の参照Ｂの先行技術。
切削データ
切削速度： Ｖｃ＝３５０ｍ／分
送り速度： Ｆｚ＝０．１９ｍｍ／歯
切り込み深さ： Ａｐ＝３〜４ｍｍ
乾燥条件
参照Ｂ及び本発明によるインサートの工具寿命は、それぞれ３８分及び５６分であった。
例６
本発明による例１に由来したインサートで、コンパクト黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）のシリンダーヘッドを正面フライスする試験をした。
工具：Ｒ２９０−１２Ｔ３０８Ｍ−ＫＭ
切削機中のインサート数：６
基準：表面仕上げ及び被加工品の破砕
参照：Ｒ２９０−１２Ｔ３０８Ｍ−ＫＭ、例２の参照Ａの先行技術。
切削データ
切削速度： Ｖｃ＝３００ｍ／分
送り速度： Ｆｚ＝０．１５ｍｍ／歯
切り込み深さ： Ａｐ＝３．０ｍｍ
乾燥条件
参照Ａ及び本発明によるインサートの工具寿命は、それぞれ６０シリンダーヘッド及び８５シリンダーヘッドであった。
例３〜６から、本発明によるインサートは先行技術によるインサートよりもかなり良好な切削性能を示すことが明らかとなった。主要な利点は側面摩耗及びクレーター摩耗の成長が遅いことであり、これは非常に大きな総被覆厚みを伴った超硬合金本体の良好なバランスの組成物によるものである。

Claims (7)

  1. 鋳肌のある又は鋳肌のない、ネズミ鋳鉄、高合金ネズミ鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄（ＣＧＩ）を乾燥条件下でフライス切削加工するための、被覆を有する超硬合金本体を含む切削工具インサートであって、
    前記超硬合金本体が、２５〜５０μｍの刃半径を有し、ＷＣ、７．３〜７．９質量％のＣｏ及び１．０〜２．０質量％の金属Ｔｉ、ＴａとＮｂの立法晶カーバイドを含み、ＣＷ比が０．８５〜０．９４であり、保磁力Ｈｃが１３．８〜１５．７ｋＡ／ｍであることと、
    前記被覆が、
    ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第一の層であって、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２且つ０．１〜１．５μｍの総厚みを有する、第一の層と、
    ＴｉＣｘＮｙの第二の層であって、ここでｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、４．５〜９．５μｍの厚みを有し、柱状結晶粒を有する、第二の層と、
    ＴｉＣｘＮｙＯｚの第三の層であって、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｘ＞０．３、ｚ＞０．３、０≦ｙ＜０．２であり、０．３〜１．５μｍの厚みを有する、第三の層と、
    平滑なα−Ａｌ２Ｏ３の第四の層であって、９〜１５μｍの厚みを有し、好ましくは切削領域における表面粗さＲａが１０μｍの長さにわたって０．４μｍ未満である、第四の層、並びに
    クリアランスサイド上の０．１〜２μｍ厚みの着色した最上層であって、好ましくはＴｉＮ又はＺｒＮの最上層、
    を含むこととを、特徴とする切削工具インサート。
  2. Ｔｉ含有率が、技術的な不純物レベルであるかまたはそれより小さいことを特徴とする、請求項１に記載されたフライス切削加工のための切削工具インサート。
  3. 超硬合金本体が、Ｔａ及びＮｂのカーバイドを１．３〜１．７質量％含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載されたフライス切削加工のための切削工具インサート。
  4. 超硬合金本体と被覆を有するフライス切削工具インサートを作製する方法であって、
    ＷＣ、７．３〜７．９質量％のＣｏ、１．０〜２．０質量％の金属Ｔｉ、ＴａとＮｂの立法晶カーバイド、ＣＷ比が０．８５〜０．９４であるＷ−合金結合相、並びに１３．８〜１５．７ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃを含む、超硬合金本体を提供することと、
    インサートを湿式ブラストして２５〜５０μｍの端縁丸みづけ処理することと、
    ＣＶＤ法により、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２であり、０．１〜１．５μｍの厚みを有する、ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第一の層を堆積させることと、
    ＭＴＣＶＤ技術により（ここで該ＭＴＣＶＤ技術は７００〜９００℃の温度範囲で層の形成のために炭素及び窒素源としてアセトニトリルを使用する）、ｘ＋ｙ＝１、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、４．５〜９．５μｍの厚みを有し、柱状結晶粒構造を有する、ＴｉＣｘＮｙの第二の層を堆積させることと、
    ＣＶＤ法により、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞０．３、ｚ＞０．３、０≦ｙ＜０．２であり、０．３〜１．５μｍの厚みを有する、ＴｉＣｘＮｙＯｚの第三の層を堆積させることと、
    既知のＣＶＤ法を使用して、９〜１５μｍの厚みを有する、α−Ａｌ２Ｏ３の第四の層を堆積させることと、
    ＣＶＤ又はＰＶＤ技術を使用して、クリアランスサイド上の０．１〜２μｍ厚みの着色した最上層であり、好ましくはＴｉＮ又はＺｒＮの最上層を堆積させること、並びに
    水中にＡｌ２Ｏ３グリットを含むスラリーを使用して、すくい面上で且つ刃先のラインに沿って該Ａｌ２Ｏ３の層を湿式ブラストして、平滑な表面仕上げを得て、好ましくは切削領域における表面粗さＲａが１０μｍの長さにわたって０．４μｍ未満とすることと、を特徴とする、超硬合金本体と被覆を有するフライス切削工具インサートを作製する方法。
  5. Ｔｉ含有率が、技術的な不純物レベルであるかまたは０であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 超硬合金本体が、Ｔａ及びＮｂのカーバイドを１．３〜１．７質量％含むことを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
  7. １５０〜３７５ｍ／分の切削速度と、切削速度とインサートの形状寸法に応じた０．１〜０．３５ｍｍ／歯の送りで、ネズミ鋳鉄、高合金ネズミ鋳鉄、コンパクト黒鉛鋳鉄のような鋳鉄を乾式フライス切削加工するために、請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具インサートを使用する方法。
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