JP2010523355A

JP2010523355A - 工具

Info

Publication number: JP2010523355A
Application number: JP2010502495A
Authority: JP
Inventors: プラカッシュレオ
Original assignee: HC Starck GmbH
Current assignee: HC Starck GmbH
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2010-07-15
Also published as: RU2009141366A; DE102007017306A1; EP2137331A1; CN101652490A; AU2008238015A1; ZA200906369B; WO2008125525A1; US20100054871A1; KR20090130075A

Abstract

本発明の対象は、材料のドリル加工またはフライス加工に適している超硬合金工具である。

Description

これは、超硬合金から成る工具が、材料加工に際して同時に回転軸となる縦軸、および円形で覆われている、該縦軸に垂直な断面を有することを特徴とする工具形状に関係する。工具の直径ｄ（被覆円の直径に相当）は、工具の長さよりｌ／ｄ比だけ小さく、その際、ｌは回転軸の長さである。ドリル加工の場合、縦軸を中心に回転する工具が、ドリルされるべき材料に対して押しつけられる。材料の端部の切刃によって切り屑が発生し、該切り屑は、ドリル孔がある一定の深さに達するのと同時に、工具の円筒表面に存在する１つ以上の螺旋状または直線状の細長い溝を介して搬出される。比ｌ／ｄは５〜２０の間であってよく、しかし電子工業におけるプリント回路基板を加工するためのミニチュアドリルの場合、該比は必ず係数２００に達する。フライス加工の場合、工具は付加的に、端部のみならず、円筒表面の側方にも切削作用のある溝が存在するように構成されており、切り屑を搬送する該溝は、全体的または部分的に省くことが出来る。

ドリリングの場合、工具の断面は、切削力ならびに溝中の切り屑の搬送力とから成る、ある一定のトルクを伝達することが出来なければならない。切り屑が詰まる場合、ピーク負荷が生じる。溝は負荷に耐え得る横断面積の減少を意味し、かつ工具破断につながる破局的な亀裂成長の考えられ得る出発点である。

小型化への傾向が継続することによって、工具の直径が低下する場合、切削力は直線的にしか落ちない一方で、伝達トルクは二乗で減少する。加工の信頼性は、工具破断の蓋然性が高まることによって減少する。この場合、殊に、電子工業におけるプリント回路基板のドリリングおよびフライス削り、ならびに深孔加工用ドリルに影響が及ぶ。

フライス加工の場合、ドリル加工の箇所で記載した負荷のみならず、側方負荷、すなわち回転軸に対して垂直に働く力も生ずる。工具の予定より早い破断または想定され得ない破断によって、該工具は摩耗限界に達する前に、スクラップおよび想定外の中断時間ならびに切換時間の形で経済的な損失が発生する。

最大限に伝達されるべき工具の力は、超硬合金材料の材料特性に依存し、かつ一般的に慣用の機械的特性値、例えば曲げ破断強度、または破壊靭性値（Ｋ_1C）によって突きとめることが出来る。該破壊靭性値は、超硬合金工業において、通常、Ｓｈｅｔｔｙの公式に従ったビッカース−硬度押し込みの亀裂長さ、硬度および負荷から算出される。曲げ破断強度は、破断を引き起こす欠陥を含んだ実際の主要部を表す一方で、Ｋ_1C値は材料それ自体の亀裂靭性、ひいては完全に欠陥を有さない場合の材料の強度ポテンシャルの特徴を成し、それゆえ構造の品質に関係なく材料の体系的な比較のためにより適している。材料の耐摩耗性は、硬度とおよそ正の相関を示す。しかし硬度および強度は、そのつど他の特性を犠牲にした上でしか改善することが出来ない。それゆえ、記載された工具に望ましいとされる点は、例えば硬度を失わずに強度を高めること、または強度を失わずに硬度を高めることである。

超硬合金、すなわち一方ではバインダー（"バインダー相"）としての鉄族の金属および他方では硬質物質（炭化物、窒化物、"硬質物質相"）からの複合材料が、例えば金属、石および複合材料を加工するための材料として、他の材料種と比べてはるかに優れた特性に基づき有機的／無機的に用いられている。この要因は殊に、高い弾性率と結び付いた、炭化タングステンの高い強度および摩耗強度である。金属バインダーとして、主としてコバルトが用いられる。焼結プロセスによって、これは例えば炭化クロムが硬質物質として使用される限りにおいて、Ｗ、Ｃの他に、場合によりＣｒ割合も含有する。場合によっては、金属バインダーはＦｅおよびＮｉも含有してよい。ＥＰ１００７７５１Ａ１の中では、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉを含有するバインダーの使用によって、焼結後の純オーステナイト系バインダー相に起因するものとみなされる、より良好な塑性を有する超硬合金が得られることが記載されている。ＷＯ９９／１０５５０は、ドリル加工およびフライス加工するためのオーステナイト系バインダー相を有する工具を記載しており、その際、金属バインダーは、Ｃｏ４０〜９０質量％、およびＮｉもしくはＦｅそれぞれ４〜３６質量％を含有し、その際、ＦｅおよびＮｉは１．５対１〜１：１．５の比である。

超硬合金の金属バインダー相中でのＦｅ：Ｃｏ：Ｎｉの比率を変化させることによって相組成物を非常に幅広く変化出来ることが公知である。純粋にＣｏが結合した超硬合金中の金属バインダー相は焼結後にオーステナイト系であり、かつ負荷に際して六方晶形になり得る一方で、ＷＯ９９／１０５５０は、焼結後のＦｅＣｏＮｉ−バインダー合金のオーステナイト安定性の格子状態の利点を示す。該バインダー合金は、Ｃｏ９０〜６０質量％を含有し、加えて１００質量％となる残分はＦｅおよびＮｉであり、その際、Ｆｅ対Ｎｉの比は、およそ１＋／−０．５である。そのような純オーステナイト系バインダー相は、その安定した格子型に基づき融点までの全温度で利点を提供する。とりわけ目を引くのは、Ｗｉｔｔｍａｎの学位論文における合金系ＦｅＮｉについての研究であり、該論文中では、純オーステナイト系バインダー相（ＦｅＮｉ８０／２０）から二相領域（ＦｅＮｉ８５／１５）への移行により硬度が高まり、かつ亀裂長さの合計が大きく低下する。同様に２相分域（オーステナイト／マルテンサイト）の形にあるバインダー系ＦｅＣＯＮｉ７０／１０／２０を有する、調べられた超硬合金の亀裂長さの合計は、純粋にコバルトが結合した超硬合金より低い。所望される、強度を失わずに硬度を高めること、もしくはその逆のことが、オーステナイト系バインダー相と比較して、つまりオーステナイト系／マルテンサイト系バインダー相により可能である。しかし本発明者らによるＷｉｔｔｍａｎｎの論文のより正確な評価、およびデータ、例えば硬度、亀裂長さおよび負荷量からのＫ_1C値の算出によって、マルテンサイト系相割合の存在が、高いＫ_1C値のための必要条件ではないことが明らかとなる。このことは、例えば炭素含量に、およびラジオグラフィーによって特定されたマルテンサイトの含量に依存する、ＦｅＮｉ８５／１５が結合した超硬合金の特性およびそのＫ_1C値の推移から読み取ることが出来る。むしろ、同じ硬度のコバルト結合超硬合金と比較してＫ_1C値の増大は、Ｎｉ：Ｃｏの高い比を有する高鉄含量のバインダー合金の特性として現れ、かつ必要条件としてのマルテンサイト相の存在と主に結び付いていないように見える。それゆえ有利なのは、本発明により５０〜９０質量％のＦｅ含量であり、とりわけ有利なのは６５〜９０質量％の範囲である。

本発明の説明
本発明の課題は、超硬合金からのフライス加工工具およびドリル加工工具の強度の増大、ひいてはプロセス信頼性を高める該工具の耐荷力の増大である。同時に、硬度は比較可能であることが望ましい。この課題は、Ｆｅ５０〜９０質量％、および１より小さいＣｏ：Ｎｉの条件を満たす、任意に二相（オーステナイト系／マルテンサイト系）のバインダー相を有するフライス加工工具およびドリル加工工具により解決される。金属バインダー相は、好ましくは高温硬度の増大のために、さらに別の合金添加物、例えばＣｒを含有していてよい。

重要な点は、該工具の機能領域が超硬合金から成ることである。該工具はまた鋼シャンクであってよく、すなわち本来の工具のみが超硬合金から成り、かつ工具機械への移行部がその他の材料、例えば鋼から成る。該移行部は、例えば焼ばめといった接合プロセスによって、または、はんだ付けによっても行うことが出来る。

それゆえ本発明は、材料を切削加工するための、その縦軸を中心に回転し、２〜２００のｌ／ｄ比（長さ対直径の比）を有する、少なくとも二相のオーステナイト系／マルテンサイト系バインダー相および硬質物質を含有する超硬合金工具に関する。

殊に本発明は、材料を切削加工するための、その縦軸を中心に回転し、２〜２００のｌ／ｄ比（長さ対直径の比）を有する、バインダー相および硬質物質を含有する超硬合金工具に関し、その際、該バインダー相は、バインダー主成分の鉄、ニッケルおよびコバルトを有する超硬合金−バインダー相から成り、かつ鉄含量は５０〜９０質量％であり、ニッケル含量は１０〜３０質量％であり、かつコバルト含量は最大３０質量％である。そのためコバルト含量は、０〜３０質量％または５〜３０質量％である。

好ましくは、バインダー成分の含量は、Ｆｅ７０質量％〜９０質量％、殊に７５質量％〜８５質量％または７０質量％〜８０質量％、Ｎｉ１０質量％〜２０質量％、殊に１５質量％〜２０質量％または１８質量％〜２０質量％および任意にコバルトが４〜１５質量％、または５〜１２質量％の量である。

Ｃｏ：Ｎｉ比は、有利には１より小さいか、または１に等しく、とりわけ有利には０．５〜ゼロであり、その際、該比は、質量パーセント（質量％）で記載される、バインダー中でのこれらの金属の量に対するものである。

殊に好ましいバインダー組成物は、Ｆｅ７０質量％〜９０質量％、Ｃｏ０質量％〜３０質量％、Ｎｉ１０質量％〜２０質量％；または
Ｆｅ７５質量％〜８５質量％、Ｎｉ１５質量％〜２０質量％；または
Ｆｅ７５質量％〜８５質量％、Ｃｏ４〜１５質量％、Ｎｉ１５質量％〜２０質量％；または
Ｆｅ７０質量％〜８０質量％、Ｃｏ５〜１２質量％、Ｎｉ１８質量％〜２０質量％である。

該比Ｃｏ：Ｎｉが１より小さいか、または１に等しく、または０〜０．５である場合に、これらのバインダー組成物は極めて好ましい。

とりわけ有利な個々のバインダー組成物は、例えばＦｅＮｉ８５／１５、８２／１８および８０／２０、ＦｅＣｏＮｉ７０／１２／１８、ＦｅＣｏＮｉ８０／５／１５、７０／１０／２０、６５／２０／１５および７５／５／２０である。

バインダー成分の含量は、該バインダーの組成物に対して質量パーセントで記載されている。１より小さいか、または１に等しい、もしくは０．５より小さいコバルト対ニッケルの上記比は、質量％記載のこれらの金属の量に対するものである。

本発明のこの実施態様において、バインダーは、不可避の不純物を除いて、上記以外のさらに別の成分を有さない。

本発明のさらなる一実施態様において、バインダーは、元素のＣ、Ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｌａを単独でもそれらを互いに組み合わせたものとしても含有してよい。これらの元素の存在は、相応する窒化物、炭化物、炭窒化物の使用の結果生じるものか、または元素粉末の使用の結果生じるものであってよい。これらの元素は、バインダー相全体に対して、全体的に１０質量パーセントまでの量で存在していてよい。これらの元素の添加は、場合により、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−バインダーの多相、またはそれに該バインダーの単相を生じさせることにも適している。好ましくは、これらの元素は０．０５〜１０質量％、殊に０．１〜５質量％の量でバインダー中に存在していてよい。本発明のこの実施態様において、バインダーは、不可避の不純物を除いて、上記以外のさらに別の成分を有さない。

使用されるバインダーのさらに別の成分は、依然として不可避の不純物、例えば酸素、窒素、銅およびマンガンであってよい。これらは焼結後に全体的または部分的にバインダー相中に存在していてよい。

本発明による工具を成り立たせる超硬合金のバインダー含量は、３〜５０質量パーセント、とりわけ有利には５〜２５質量％である。

バインダー相は、本発明により焼結後に任意には二相性である。これは、バインダー相が焼結直後に二相性または多相性であるか、または一方で使用中にこれとなることを意味する。

バインダーの単相、二相または多相は、付加的な熱処理、つまり、例えば付加的な熱処理工程によっても得られ、その際、工具は、例えば焼きなましされる。そのような熱処理プロセス、冷却プロセスならびに焼もどしプロセスは、冶金学および鉄基合金のプロセス工学から当業者によく知られている。しかし熱処理は、その他の方法工程によっても必然的にもたらされ得、その際、工具は加熱されるか、または例えば摩擦熱によって、あるいは、はんだ付けに際して必然的に熱量変化が発生する。

加えて工具は、酸化物、窒化物、炭化物または金属間相の群からの、強度を上昇させ、かつ微細に分散した１つ以上の第三の相を含有する硬質物質を任意に含有する。適した硬質物質は当業者に公知であり、ここでは単に例示的に、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化クロム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブまたは窒化チタンまたはそれらの混合相が挙げられる。

工具には１つ以上のコーティング、例えばダイヤモンド、酸化アルミニウムまたは窒化チタン、または窒化チタンアルミニウムが備え付けられていてもよい。これらのコーティングは、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法によってのみならず、それらの組み合わせによっても施与されていてよく、場合によっては交互に施与されていてもよい。

工具は、縦軸に沿った種々のバインダー層割合、および該工具の縦軸に対して横向きの半径方向において種々の相組成物および／または縦軸および／または横軸に沿ったバインダーの種々の体積割合も有してよい。

任意に工具は、チップ形成における切刃にクーラントを供給するための軸に沿った空洞部を有してよい。

殊に本発明による工具は、複合材料、プリント回路基板、鉄基金属材料もしくは非鉄基金属材料、木質材料、岩石材料（例えば石造りの建築材料および土壌）またはそれらの組み合わせ物の加工のために使用することが出来る。加工はドリリングおよび／またはフライス削りによって行うことが出来る。それゆえ本発明は、ドリリングまたはフライス削りによる材料の加工のための本発明による工具の使用にも関する。

従って、それ以外に本発明は、材料（殊に上記の材料）を加工するための、本発明による材料を有する装置にも関する。

1. ０．８μｍの粒度ＦＳＳＳ（ＡＳＴＭＢ３３０）を有するＷＣ粉末９０質量％、および予合金化された７０Ｆｅ１２Ｃｏ１８Ｎｉ粉末（合金元素の質量パーセント記載における量）から成る１０質量％のバインダー金属含量とから成る超硬合金粉末混合物を、アトライター中で湿式粉砕によって作製し、かつ慣例の噴霧乾燥器中で顆粒へと処理した。噴霧乾燥前に、湿式粉砕からミルボールの取り出し後に得られる懸濁液にパラフィンワックスのエマルジョンを、噴霧乾燥された顆粒のワックス含量が２質量％となるように攪拌を繰り返しながら添加した。該混合物の炭素含量はカーボンブラックの添加により、超硬合金が焼結後に遊離炭素または炭素欠乏炭化物（"イータ相"）のような有害な第三の相を含有しないように調整した。超硬合金の丸棒を押出によって（このために予め有機可塑剤を用いて混練した）のみならず軸向き乾式プレスによっても作製し、引き続き有機可塑成分もしくはワックスを排除した後にグラファイト焼結炉内で１４５０℃にて１時間のあいだ真空中で焼結した。超硬合金半製品の金属組織試験により、該超硬合金が約０．８マイクロメートルのＷＣ粒度を有する一様な構造の特徴を成していることが示された。バインダー分散は良好であり、かつ３μｍまでのまたはそれを上回る粒度の粗粒は非常にごく僅かにしか見られなかった。超硬金属の硬度は１７２０ＨＶ１０であり、かつ放射線透過試験により、バインダーがマルテンサイトおよびオーステナイトとから成っていることがわかった。超硬合金ブランク材を、金属処理のための長さＤ＝１０ｍｍ（ＤＩＮ６５２７と同様の構造寸法）を有する三つの刃のあるフライス加工工具へと表面加工し、引き続き工業的慣用のＴｉＡｌＮを基礎とするＰＶＤコーティングを備え付けた。工具寿命距離試験を、２５０ｍ／分の切断速度による倣いフライス削りに際して４２ＣｒＭｏ４型の低合金鋼を用いて実施した。慣例の比較可能なＷＣ−Ｃｏ超硬金属の工具寿命距離は７０部であり、ＷＣ−ＦｅＣｏＮｉ超硬金属により同じ機械加工条件下で１００部の工具寿命距離に達した。

2. ０．６μｍの粒度ＦＳＳＳを有するＷＣ９２質量％、および予合金化された８５Ｆｅ１５Ｎｉから成る８質量％のバインダー含量とから成る超硬合金粉末混合物を、実施例１と同じように作製し、かつ適したプラスチックバインダーとラム押出機中で混練した後に３．２５ｍｍの直径を有する超硬金属ブランク材へと焼結により形作った。ＨＩＰ法により焼結された超硬金属の硬度は１９００ＨＶ１０であった。構造は＞２μｍのＷＣ粗粒を含まず非常に一様であった。ブランク材を１．５ｍｍの直径を有する超硬金属フライスに加工した。これらの工具を工業的に慣例の使用条件下（これは基材、ドリル支持部、ドリルパッド、ＣＮＣ機、吸引装置ならびに試験パラメータの送りおよび回転数に関する）で電子工業におけるプリント回路基板の加工のために使用した。ＷＣ−Ｃｏからの比較フライスは１０．１ｍの工具寿命距離を示し、ＦｅＮｉバインダーを有するフライスは破断挙動試験において１３．５ｍｍの工具寿命距離を示した。ＷＣ−８５Ｆｅ１５Ｎｉ超硬金属は、プリント回路基板用の直径＜０．３ｍｍのドリルとしても試験した。標準ドリルの平均摩耗は１１単位であり、ＷＣ−ＦｅＮｉドリルの場合は８．５単位でしかなかった。ドリルの工具寿命に関して、標準ドリルは３５００のドリル孔の工具寿命に達し、それに対してＷＣ−ＦｅＮｉドリルは４５００のドリル孔の工具寿命に達した。慣用のＷＣ−Ｃｏ−ドリルは、ＷＣ−ＦｅＮｉドリルと比べて主切刃破断リスクが高まることを示した。

Claims

材料をドリル加工またはフライス加工するための、その縦軸を中心に回転し、２〜２００のｌ／ｄ比を有する超硬合金工具であって、その際、前記超硬合金工具は、硬質物質相とバインダー相とから成り、その際、バインダー主成分は、鉄、ニッケルおよびコバルトであり、鉄含量は５０〜９０質量％、ニッケル含量は１０〜３０質量％、コバルト含量は最大３０質量％であり、かつ質量％に対するコバルト対ニッケルの比Ｃｏ：Ｎｉは、１より小さいか、または１に等しい超硬合金工具。
前記超硬合金のバインダー含量は３〜５０質量パーセントである、請求項１記載の工具。
前記バインダー相は焼結後に二相性または多相性であるか、または使用中に二相性または多相性となることを特徴とする、請求項２記載の工具。
前記バインダーの二相または多相は熱処理によって達成されることを特徴とする、請求項３記載の工具。
前記バインダーの多相は、バインダー相全体に対して全体的に１０質量％までの元素、例えばＣ、Ｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｃｅ、およびＬａ単独または組み合わせ物により影響を及ぼされることを特徴とする、請求項３記載の工具。
多相性のＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−バインダーは、酸化物、窒化物、炭化物または金属間相の群からの、強度を上昇させ、かつ微細に分散した１つ以上の第三の相を含有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の工具。
前記工具に１つ以上のコーティングが備え付けられていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の工具。
前記工具は縦軸に沿って種々のバインダー相割合を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の工具。
前記工具は、工具の縦軸に対して横向きに、半径方向において種々の相組成物を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の工具。
前記工具は縦軸および／または横軸に沿って種々の体積割合のバインダーを有することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の工具。
前記工具の機能領域のみが超硬合金から成ることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の工具。
金属切削のための切刃にクーラントを供給するための軸に沿った空洞部が存在していることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の工具。
殊に複合材料；プリント回路基板、鉄基金属材料もしくは非鉄基金属材料、木質材料、岩石材料（例えば石造りの建築材料および土壌）またはそれらの組み合わせ物を、好ましくはドリリングおよび／またはフライス削りによって加工するための、請求項１から１２までのいずれか１項記載の工具。
ドリリングまたはフライス削りによって材料を加工するための、請求項１から１３までのいずれか１項記載の工具の使用。
材料を加工するための装置であって、その際、前記装置が、請求項１から１３までのいずれか１項記載の工具を有する装置。