JP2008512262A - 靭性を要する短穴ドリル加工用超硬合金インサート - Google Patents

Abstract

本発明は、低合金鋼およびステンレス鋼に短穴をドリル加工する、靭性を要する使用に適した被膜付き切削工具インサートおよびその製造方法に関する。このインサートは基材と被膜とを含む。基材は、ＷＣと、８〜１１wt％のＣｏと、０．２〜０．５wt％のＣｒとから成り、ＷＣの平均粒径が０．５〜１．５μｍ、ＣＷ比が０．８０〜０．９０である。被膜は、多結晶であって形態が非反復性であるＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮの多層構造を有し、ｘ＝０．４〜０．６であり、個々のＴｉＮ層およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層の厚さが１〜３０ｎｍでほぼランダムに変動しており、該多層被膜の全厚が１〜５μｍある。個々の層はアーク蒸着法を用いて被着する。

Description

本発明は、低合金鋼およびステンレス鋼に短穴をドリル加工する、靭性を要する使用に適した被膜付き切削工具インサートに関する。多層被膜によって、ドリル加工された穴の中心近傍の低速で、かつ、高送りでの耐摩耗性および耐塑性変形性が同時に向上する。

金属のドリル加工には、大別して長穴ドリル加工と短穴ドリル加工の２つのタイプがある。短穴ドリル加工とは、一般にドリル径の３〜５倍までの深さのドリル加工を指す。

長穴ドリル加工に必要なのは、良好なチップ生成、潤滑、冷却、チップ排出である。そのために開発されたドリル加工システムは、特別に設計されたドリルヘッドをドリルロッドに固定して上記の要求を満たすようにしてある。

短穴ドリル加工の場合は、上記の必要性はさほど大きくないので、単純な螺旋ドリルを用いることができ、この螺旋ドリルは、超硬合金単体や工具鋼単体で形成されているものもあり、あるいは、工具鋼に多数の超硬合金切削インサートを配設して全体として所要の切れ刃を構成したものもある。ヘッドの中心部に高靭性のインサートを用い、周縁部に高耐摩耗性のインサートを用いる場合がある。切削インサートはロウ付けされるか機械的にクランプされる。

本発明の目的は、靭性を要する鋼短穴ドリル加工用の被膜付き切削工具インサートを提供することである。

アメリカ合衆国特許6,103,357には、焼結した超硬合金、サーメット、セラミクス、または高速度鋼のボディの表面の少なくとも１つの機能部分に、薄くて密着性がある硬質の耐摩耗被膜を形成した切削工具が開示されている。この被膜は、多結晶の耐火化合物の層が積層した多層構造であり、ＭＸ＋ＮＸ＋ＭＸ＋ＮＸであって形態が非反復性であり、交番する層ＭＸと層ＮＸは金属の窒化物または炭化物であり、金属元素ＭおよびＮはＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＷから成る群から選択される。個々の層の厚さの推移は多層構造全体に亘ってほぼ非周期的であり、各層の厚さは０．１ｎｍより大で３０ｎｍより小、望ましくは２０ｎｍより小である。多層被膜の全厚は０．５μｍより大で２０μｍより小である。

本発明の超硬合金インサートは、低合金鋼およびステンレス鋼に短穴をドリル加工するという靭性を要する使用に特に適しており、ＷＣと、８〜１１wt％Ｃｏ、望ましくは９．５〜１０．５wt％Ｃｏと、０．２〜０．５wt％Ｃｒとから成る。ＷＣ粒子は平均粒径が０．５〜１．５μｍである。

結合相中のＷ固溶量はカーボンブラックまたは純タングステンの粉末を少量添加して炭素含有量を調整することにより制御される。結合相中のＷ含有量は、下記で定義される「ＣＷ比」で表わせる。

ＣＷ比＝Ｍｓ／（wt％Ｃｏ×０．０１６１）
ここでＭｓは焼結した超硬合金ボディの飽和磁化実測値（単位ｈＡｍ^２／ｋｇ）であり、wt％Ｃｏは超硬合金中のＣｏ含有量（単位wt％）である。本発明のインサートはＣＷ比を０．８０〜０．９０とする。

本発明の被膜は、多結晶の耐火化合物の層が積層した多層構造であり、ＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮであって形態が非反復性であり、ｘ＝０．４〜０．６、望ましくはｘ＝０．５である。この被膜は、個々の層の厚さの推移には反復周期が無く、多層構造全体に亘ってほぼ非周期的である。個々のＴｉＮ層およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層の厚さは１ｎｍより大で３０ｎｍより小、望ましくは２０ｎｍより小であって、ほぼランダムに変動する。多層構造の全厚は１μｍより大、望ましくは２μｍより大であり、５μｍより小、望ましくは４μｍより小である。

一実施形態においては、多層被膜の表面に、厚さ０．２〜１μｍ、望ましくは０．３〜０．６μｍの黒色のＴｉ１−ｘＡｌｘＮ層を付加する。

別の実施形態においては、多層被膜の表面に、厚さ約０．２〜０．５μｍ、望ましくは０．３μｍのブロンズ色の均質なＴｉ_０．８４Ａｌ_０．１６Ｎ層を付加する。

本発明は更に、低合金鋼およびステンレス鋼に短穴をドリル加工するという靭性を要する用途に特に有用な優れた靭性を備えた被膜付き超硬合金インサートを製造する方法をも提供する。この超硬合金は、ＷＣと、８〜１１wt％のＣｏ、望ましくは０．５〜１０．５wt％のＣｏと、０．２〜０．５wt％のＣｒとから成る。ＷＣ粒子は平均粒径が０．５〜１．５μｍである。原料粉末を加圧媒体、少量のカーボンブラックまたは純タングステンの粉末と一緒に湿式混練して、焼結後のインサートのＣＷ比が０．８０〜０．９０になるようにする。湿式混練した後、得られたスラリーを乾燥して粉末とし、加圧成形および焼結する。従来からの焼結後処理の後に、多結晶の耐火化合物の層が積層したＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮの非反復性形態であり、ｘ＝０．４〜０．６、望ましくはｘ＝０．５である多層構造の被膜を、純ＴｉおよびＴｉＡｌ合金からなる２対のアーク源を用い、それぞれＮ_２ガス雰囲気中でカソードアーク蒸着法により被着させる。得られた被膜は、個々の層の厚さの推移に反復周期性は無く、多層構造全体に亘ってほぼ非周期的である。個々のＴｉＮ層およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層の各厚さは１ｎｍより大で、３０ｎｍより小、望ましくは２０ｎｍより小であり、ほぼランダムに変動している。多層被膜の全厚は１μｍより大、望ましくは２μｍより大であり、５μｍより小、望ましくは４μｍより小である。

一実施形態においては、多層被膜の最表層として、黒色で厚さ０．２〜１μｍ、望ましくは０．３〜０．６μｍのＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層を、ＴｉＡｌ合金から成る１対のアーク源を用いてＮ_２雰囲気中でカソードアーク蒸着によって被着する。

別の実施形態においては、多層被膜の最表層として、ブロンズ色で厚さ約０．２〜０．５μｍ、望ましくは０．３μｍの均質なＴｉ_０．８４Ａｌ_０．１６Ｎ層を、Ｔｉ_０．８４Ａｌ_０．１６合金から成るアーク源からのアークを用いてＡｒ＝４００ｓｃｃｍ、Ｎ_２＝８００ｓｃｃｍの雰囲気中で被着する。

〔実施例１〕
組成がＷＣ＋１０wt％Ｃｏ、ＷＣ平均粒径が１．０μｍ、ＣＷ比が０．８６である超硬合金製のドリルインサートの表面に、カソードアーク蒸着法により、非周期的な多層を被着した。被着は、それぞれＴｉＮおよびＴｉＡｌ合金から成る２対のアーク源を用いて行なった。アーク蒸着はＮ_２ガス雰囲気中で行なった。得られた被膜は、全厚が３．０μｍであり、ＴｉＮ＋Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５Ｎの多層構造から成り、個々の層の推移は非周期的、すなわち厚さが非反復的であった。断面を透過電子顕微鏡で観察した結果、個々の窒化物層の厚さは２〜１５ｎｍの範囲内であり、合計層数は約４００層であった。

半数のインサートには最表層として、厚さ約０．３〜０．６μｍで黒色のＴｉ_０．５Ａｌ_０．５Ｎ層を更に被着した。

残りの半数のインサートには最表層として、厚さ約０．３μｍで均質なＴｉ_０．８４Ａｌ_０．１６Ｎ層を更に被着した。この層の被着は、Ｔｉ_０．８４Ａｌ_０．１６合金から成るアーク源からのアーク蒸着を用い、Ａｒ＝４００ｓｃｃｍ、Ｎ_２＝８００ｓｃｃｍの雰囲気中で行なった。その結果、各インサート間でも各処理バッチ間でも変動無く安定したブロンズ色が得られた。

〔実施例２〕
実施例１で作製したブロンズ色のインサートについて、短穴ドリル加工での靭性を試験し、サンドビック市販品１０２０のインサートと比較した。供試インサートはドリルヘッドの中心部に機械的にクランプした。周縁部には、スエーデン特許ＳＥ０５００２３５−７に従ったインサートを用いた。工具寿命判定基準：クレータ摩耗、塑性変形、逃げ面摩耗、欠け（チッピング）のどれかが０．２５ｍｍより大。

材質：低合金鋼ＳＳ２５４１−０３、ＨＢ２８５
エマルジョン：Ｂｌａｓｏｃｕｔ ＢＣ２５、７％
加工形態：貫通穴、４８ｍｍ
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１０ｍｍ／ｒ
ドリル：直径２３ｍｍ、３ＸＤ
インサートスタイル：ＣｏｒｏＤｒｉｌｌ ８８０， ＵＳ０８０２Ｃ−ＧＭ
結果：
クレータ摩耗に対する耐性について工具寿命が顕著に異なることが観察された。本発明のインサートは比較材のインサートに比べて耐クレータ摩耗性が大幅に向上した。工具寿命でのドリル加工長さは下記のとおりであった。

本発明のインサート： ４０ｍより大
比較材のインサート： ３０ｍで工具破損
〔実施例３〕
実施例１で作製した黒色インサートについて、短穴ドリル加工での靭性を試験し、サンドビック市販品１０２０のインサートと比較した。供試インサートはドリルヘッドの周縁部に機械的にクランプした。中心部には、実施例１のブロンズ色のインサートを用いた。工具寿命判定基準：クレータ摩耗、塑性変形、逃げ面摩耗、欠け（チッピング）のどれかが０．２５ｍｍより大。

材質：低合金鋼ＳＳ２５４１−０３、ＨＢ２７０〜２８５
エマルジョン：Ｂｌａｓｏｃｕｔ ＢＣ２５、７％
加工形態：貫通穴、５０ｍｍ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒ
ドリル：直径２４ｍｍ、３ＸＤ
インサートスタイル：ＣｏｒｏＤｒｉｌｌ ８８０， ＵＳ０８０７Ｐ−ＧＭ
結果：
工具寿命でのドリル加工長さは下記のとおりであった。

本発明のインサート： ２０ｍより大
比較材のインサート： １３．３ｍ
〔実施例４〕
実施例１で作製したブロンズ色インサートについて、短穴ドリル加工での靭性を試験し、サンドビック市販品１０２０のインサートと比較した。供試インサートはドリルヘッドの中心部に機械的にクランプした。周縁部には、実施例１の黒色のインサートを用いた。工具寿命判定基準：クレータ摩耗、塑性変形、逃げ面摩耗、欠け（チッピング）のどれかが０．２５ｍｍより大。

材質：低合金鋼ＳＳ２５４１−０３、ＨＢ３００
エマルジョン：Syntilo XPS, 6.5%, 10bar
加工形態：貫通穴、４０ｍｍ
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２０ｍｍ／ｒ
ドリル：直径２４ｍｍ、３ＸＤ
インサートスタイル：ＣｏｒｏＤｒｉｌｌ ８８０， ＵＳ０８０２Ｃ−ＧＭ
結果：
高送りと穴の中心部付近での低速度との組み合わせに対して、本発明のインサートは比較材のインサートに比べて、耐摩耗性および耐塑性変形性が顕著に向上していた。

工具寿命でのドリル加工長さは下記のとおりであった。

本発明のインサート： １３．５ｍ
比較材のインサート： ２．３ｍ

Claims (6)

1. 低合金鋼およびステンレス鋼に短穴をドリル加工するという靭性を要する使用に特に適した高靭性を有し、基材と被膜とを含む切削インサートにおいて、
   上記基材は、ＷＣと、８〜１１wt％のＣｏ、望ましくは９．５〜１０．５wt％のＣｏと、０．２〜０．５wt％のＣｒとから成り、ＷＣの平均粒径が０．５〜１．５μｍ、ＣＷ比が０．８０〜０．９０であり、
   上記被膜は、多結晶であって形態が非反復性のＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮの多層構造を有し、ｘ＝０．４〜０．６、望ましくはｘ＝０．５であり、個々のＴｉＮ層およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層の厚さが１〜３０ｎｍ、望ましくは１〜２０ｎｍであり、該多層被膜の全厚が１〜５μｍ、望ましくは２〜４μｍである
   ことを特徴とする切削インサート。
2. 請求項１において、上記多層被膜の上に、厚さが０．２〜１μｍ、望ましくは０．３〜０．６μｍで黒色のＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層を更に備えたことを特徴とする切削インサート。
3. 請求項１において、上記多層被膜の上に、厚さが約０．２〜０．５μｍ、望ましくは０．３μｍでブロンズ色の均質なＴｉ_０．８４Ａｌ_０．１６Ｎ層を更に備えたことを特徴とする切削インサート。
4. 超硬合金基材と被膜とを含む切削インサートの製造方法において、
   ＷＣと、８〜１１wt％のＣｏ、望ましくは９．５〜１０．５wt％のＣｏと、０．２〜０．５wt％のＣｒとから成り、ＷＣの平均粒径が０．５〜１．５μｍ、ＣＷ比が０．８０〜０．９０である上記基材の表面に、多結晶であって形態が非反復性のＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮの多層構造を有し、ｘ＝０．４〜０．６、望ましくはｘ＝０．５であり、個々のＴｉＮ層およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層の厚さが１〜３０ｎｍ、望ましくは１〜２０ｎｍでほぼランダムに変動しており、全厚が１〜５μｍ、望ましくは２〜４μｍである多層被膜を、それぞれ純ＴｉおよびＴｉＡｌ合金から成る２対のソース源を用い、Ｎ_２ガス雰囲気中でカソードアーク蒸着により被着することを特徴とする切削インサートの製造方法。
5. 請求項４において、最表層として、厚さ０．２〜１μｍ、望ましくは０．３〜０．６μｍで黒色のＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層を、ＴｉＡｌ合金から成る１対のアーク源を用いＮ_２ガス雰囲気中でカソードアーク蒸着法により被着することを特徴とする方法。
6. 請求項４において、最表層として、厚さ約０．２〜０．５μｍ、望ましくは０．３μｍでブロンズ色の均質なＴｉ_０．８４Ａｌ_０．１６Ｎ層を、Ｔｉ_０．８４Ａｌ_０．１６合金から成るアーク源を用いＡｒ＝４００ｓｃｃｍ、Ｎ_２＝８００ｓｃｃｍの雰囲気中でアーク蒸着を用いて被着することを特徴とする方法。