JP2012511437A - 高い寸法精度が必要とされている切削工具インサートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、硬い構成要素を形成している粉末とバインダー相を製粉して混合し、粉末混合物から所望の形状の物体を形成し、該形成された物体を焼結し、該焼結された物体を高精度で研磨して、所望の形状及び寸法を有するインサートを形成し、所望により、刃先に丸みを付け、そして対摩耗性非ダイアモンド又は非ダイアモンドに類似するコーティングを該研磨されたインサートに提供することにより、高い寸法精度が必要とされている切削工具インサートを製造する方法に関する。本方法によれば、該コーティング操作前に、該研磨されたインサートは、表面領域のミクロ構造が有意な寸法変化を起こすことなく再構成されるような時間に亘って、不活性雰囲気又は真空又は他の保護的な雰囲気において、バインダー相の固相線を下回って熱処理される。このようにして、工具寿命及び寸法精度が予想外に向上したインサート類が得られた。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、金属切削用途のために高い寸法精度が必要とされている工具の表面及び刃の強度を向上させる方法に関する。通常は、そのようなインサート類は所望の寸法へ研磨される。ねじ切りのためのインサート類が一例であるが、本方法は金属切削用途の種類に限定されない。インサート類を最終形態及び寸法へ研磨した後にそれらを熱処理することにより、工具寿命が予想外に延びた。
今日では、コーティングされた超硬合金又はサーメット工具を使用することによる金属切削は、現在の金属工業において最も一般的な構成要素である。それは、適切な形状の刃先を有する刃先交換式インサートの使用によって、高生産性を維持しながら行われる。ねじ切りインサートの一例が図１に示される。圧縮及び焼結、それに続く高精度研磨、刃部ホーニング、そして最終的な対摩耗性コーティングにより、ねじ山の複雑な形状と耐性への高需要が満たされる。しかしながら、研磨及び刃部ホーニングは、破砕した超硬物の粒、ひび割れ、及び形の崩れたバインダー相について、微視的規模に表面の欠陥を起こすものである。これらの欠陥は、弱い表面密着力、及び金属切削中の刃先が割れる危険性の増加につながる。
米国特許第５，０６８，１４８号明細書には、炭化タングステン系超硬合金基材及びその上に堆積しているダイアモンドコーティングを含む工具インサートが開示されている。インサートを製造するために、最初に成形体が、炭化タングステン系超硬合金基材を提供するために焼結される。その後に、その基材は、破砕され、次に真空又は非酸化雰囲気において１０００℃〜１６００℃の温度で熱処理される。その後に、真空蒸着法により、その基材上にダイアモンドコーティングが形成される。
米国特許第５，７０１，５７８号明細書には、金属バインダーにより接合している硬い粒を含む焼結型基材を提供する工程、該焼結型基材から材料を除去して、研磨されたままの基材を形成する工程、該基材における残留応力を低減する工程、該基材を再焼結する工程、及びその上にダイアモンド層を堆積させる工程を含む、コーティングされたインサートの製造方法が開示されている。
米国特許第５，０６６，５５３号明細書には、炭化タングステン系超硬合金基材及びその上に形成されたハードコーティングを有する、表面コーティングされた工具インサートが開示されている。このコーティングは１つ以上の層を有してよい。その表面からの深さが２μｍの表面部分における基材中のコバルト含有率は、前記表面からの深さが約１００μｍの内部におけるものより少なくとも１０％の差で低い。それは、下記工程：
従来の手法により炭化タングステン系超硬合金基材を調製する工程、
前記基材を研磨して、前記基材の表面付近の炭化タングステン粒に応力を掛けて、該炭化タングステン粒を部分的に粉砕して、より小さな粒にする工程、
ＷＣ−Ｃｏ共晶温度以上の温度で前記超硬合金を加熱処理して、炭化タングステン粒を再結晶化する工程、及び
化学蒸着（化学気相成長法）により前記基材上にハードコーティングを形成する工程
により形成される。
従来の手法により炭化タングステン系超硬合金基材を調製する工程、
前記基材を研磨して、前記基材の表面付近の炭化タングステン粒に応力を掛けて、該炭化タングステン粒を部分的に粉砕して、より小さな粒にする工程、
ＷＣ−Ｃｏ共晶温度以上の温度で前記超硬合金を加熱処理して、炭化タングステン粒を再結晶化する工程、及び
化学蒸着（化学気相成長法）により前記基材上にハードコーティングを形成する工程
により形成される。
欧州特許第１２４７８７９号明細書において、チタンの旋削のための未コーティングインサートが提供されている。従来技術と比べて、主要な領域の長さを減らしたインサート類を使用することにより、工具寿命及び生産性が予想外に向上した。最終形状及び寸法への研磨後に、インサートを追加の加熱処理に供することにより、前記の良好な結果はさらに向上した。
本発明の課題は、性能を向上させた、高い寸法精度が必要とされているインサートを提供することである。
研磨処理後にインサート類がバインダーの固相線を下回る熱処理に供されるならば、工具寿命が予想外に延び、そして有意な形態歪みが起こらないことが分かった。
したがって、本発明は：
硬い構成要素を形成している粉末とバインダー相を製粉することにより混合し、
該粉末混合物から所望の形状の物体を形成し、
該形成された物体を焼結し、
該焼結された物体を高精度で研磨して、所望の形状及び寸法を有するインサートを形成し、
所望により、刃先に丸みを付け、
表面領域のミクロ構造が有意な寸法変化を起こすことなく再構成されるような時間に亘って、不活性雰囲気又は真空又は他の保護的な雰囲気において、バインダー相の固相線を下回って、好ましくは１０５０〜１２５０℃の温度で、最も好ましくは１１５０℃〜１２５０℃の温度で、そして好ましくは、３０〜１２０分間、最も好ましくは６０〜９０分間に亘って、該研磨されたインサートを熱処理し、
非ダイアモンド又は非ダイアモンドに類似する対摩耗性コーティングを該研磨及び熱処理されたインサートに提供することによって、
硬い構成要素及びバインダー相を含む、高い寸法精度が必要とされている超硬合金又はサーメットインサート（例えば、ねじ切りインサートなど）を製造する方法に関する。
硬い構成要素を形成している粉末とバインダー相を製粉することにより混合し、
該粉末混合物から所望の形状の物体を形成し、
該形成された物体を焼結し、
該焼結された物体を高精度で研磨して、所望の形状及び寸法を有するインサートを形成し、
所望により、刃先に丸みを付け、
表面領域のミクロ構造が有意な寸法変化を起こすことなく再構成されるような時間に亘って、不活性雰囲気又は真空又は他の保護的な雰囲気において、バインダー相の固相線を下回って、好ましくは１０５０〜１２５０℃の温度で、最も好ましくは１１５０℃〜１２５０℃の温度で、そして好ましくは、３０〜１２０分間、最も好ましくは６０〜９０分間に亘って、該研磨されたインサートを熱処理し、
非ダイアモンド又は非ダイアモンドに類似する対摩耗性コーティングを該研磨及び熱処理されたインサートに提供することによって、
硬い構成要素及びバインダー相を含む、高い寸法精度が必要とされている超硬合金又はサーメットインサート（例えば、ねじ切りインサートなど）を製造する方法に関する。
本発明の方法は、超硬合金又はサーメットの全種類に提供されることができる。特にそれは、３〜１５質量％、好ましくは５〜１３質量％のＣｏ、及び２５質量％以下、好ましくは０〜１５質量％の、周期表のＩＶｂ族、Ｖｂ族及びＶＩｂ族に由来する元素（好ましくは、Ｔｉ、Ｎｂ及び／又はＴａ）から形成されている１つ以上の立方晶炭化物から成る組成を有する超硬合金に有用である。
対摩耗性コーティングは、当技術分野で知られているような物理気相成長法（ＰＶＤ）又は化学気相成長法（ＣＶＤ）のいずれかで、好ましくはアーク蒸発ＰＶＤ技術により、堆積させられることができる。一実施形態では、そのコーティングは、１〜５μｍの厚さを有する（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ｛式中、０．４＜ｘ＜０．７｝の少なくとも１つの層を含む。別の実施形態では、そのコーティングは、１〜１５μｍの厚さを有するＡｌ２Ｏ３（好ましくは、そのα相）の少なくとも１つの層を含む。好ましい実施形態では、そのコーティングは、ＴｉＣｘＮｙＯｚの形態の立方晶炭窒化物の層、及びＡｌ２Ｏ３の形態の金属酸化物の層を含み、２〜２５μｍの全コーティング厚を有する。
本発明によって形成されたインサート類は、高い寸法精度が必要とされている機械加工操作の全種類、好ましくは、ねじ切り操作に有用である。それは、石油・ガスの適用のためにガス密閉パイプにねじ切りを行うという需要の高い操作に特に有用である。
例１
基材及びコーティングから成るＳｅｃｏ Ｔｏｏｌｓ５−１１１３型（図１参照）の超硬合金ねじ切りインサートを調製した。製粉、圧縮及び焼結によりその基材を形成した。その組成は、５．９質量％のＣｏ、２．３質量％のＮｂＣ、３．６質量％のＴａＣ、２．５質量％のＴｉＣ及び残分としてＷＣであった。平均ＷＣ粒径は約１μｍであった。このインサートを適切な形状に研磨して、７０μｍの刃半径まで磨いた。
基材及びコーティングから成るＳｅｃｏ Ｔｏｏｌｓ５−１１１３型（図１参照）の超硬合金ねじ切りインサートを調製した。製粉、圧縮及び焼結によりその基材を形成した。その組成は、５．９質量％のＣｏ、２．３質量％のＮｂＣ、３．６質量％のＴａＣ、２．５質量％のＴｉＣ及び残分としてＷＣであった。平均ＷＣ粒径は約１μｍであった。このインサートを適切な形状に研磨して、７０μｍの刃半径まで磨いた。
例２
本発明に従って、１０００ｍｂａｒ（約１ａｔｍ）でアルゴン雰囲気において１．４時間に亘って１２００℃で、例１のインサートを熱処理した。
本発明に従って、１０００ｍｂａｒ（約１ａｔｍ）でアルゴン雰囲気において１．４時間に亘って１２００℃で、例１のインサートを熱処理した。
４．０Ｐａの全圧で反応性Ｎ２雰囲気におけるＴｉＡｌカソードのアーク蒸発を用いて、２μｍ厚の（Ｔｉ０．３４Ａｌ０．６６）Ｎ層を堆積させた。堆積中に、そのインサートを−１１０Ｖで負にバイアスした。その堆積温度は約４００℃であった。図２に、そのインサートの断面のＳＥＭ像を示す。
例３
本発明に従って、真空下で１時間に亘って１２４０℃で、例１のインサートを熱処理した。
本発明に従って、真空下で１時間に亘って１２４０℃で、例１のインサートを熱処理した。
４μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）＋３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層から成るＣＶＤコーティングを堆積させた。堆積温度は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の堆積中に約８５０℃であり、Ａｌ２Ｏ３の堆積中に１０３０℃であった。
例４
４．０Ｐａの全圧で反応性Ｎ２雰囲気においてＴｉＡｌカソードのアーク蒸発を用いて、２μｍ厚の（Ｔｉ０．３４Ａｌ０．６６）Ｎ層を例１のインサート上に堆積させた。堆積中に、そのインサートを−１１０Ｖで負にバイアスした。堆積温度は約４００℃であった。図３に、そのインサートの断面のＳＥＭ像を示す。
４．０Ｐａの全圧で反応性Ｎ２雰囲気においてＴｉＡｌカソードのアーク蒸発を用いて、２μｍ厚の（Ｔｉ０．３４Ａｌ０．６６）Ｎ層を例１のインサート上に堆積させた。堆積中に、そのインサートを−１１０Ｖで負にバイアスした。堆積温度は約４００℃であった。図３に、そのインサートの断面のＳＥＭ像を示す。
例５
４０ｍｂａｒでアルゴン雰囲気において１時間に亘って１４００℃で、例１のインサートを熱処理した。その熱処理によって、そのインサートは幾何公差から外れた。
４０ｍｂａｒでアルゴン雰囲気において１時間に亘って１４００℃で、例１のインサートを熱処理した。その熱処理によって、そのインサートは幾何公差から外れた。
例６
ロックウェルＡ押し込み試験により、例２及び４のインサートのコーティングと基材の接着力を決定した。図４には、例２によるインサートに関する結果を示す。図５には、例４によるインサートに関する結果を示す。本発明によるインサートは、基材とコーティングの接着力に優れることが明らかである。
ロックウェルＡ押し込み試験により、例２及び４のインサートのコーティングと基材の接着力を決定した。図４には、例２によるインサートに関する結果を示す。図５には、例４によるインサートに関する結果を示す。本発明によるインサートは、基材とコーティングの接着力に優れることが明らかである。
例７
下記条件で工具寿命について例２、３及び４のコーティングされたインサートを試験した。例４は従来技術の現状であり、対照品としての役割を果たす。
切削データ：
回転速度：ｎ＝３８０回転／分
切削速度：ｖｃ＝２３３ｍ／分
送り速度：ｆ＝５，０８０ｍｍ／回転
用途： 外部ねじ切り
工具： Ｓｅｃｏ５−１１１３
加工対象物：
直径：Φ１９２，８７〜Φ１９６，４０ｍｍ
長さ：Ｌ＝２５４，５０ｍｍ
材料：Ｌ８０−１（ＡＰＩ−標準）
硬度：７５０Ｎ／ｍｍ２
下記条件で工具寿命について例２、３及び４のコーティングされたインサートを試験した。例４は従来技術の現状であり、対照品としての役割を果たす。
切削データ：
回転速度：ｎ＝３８０回転／分
切削速度：ｖｃ＝２３３ｍ／分
送り速度：ｆ＝５，０８０ｍｍ／回転
用途： 外部ねじ切り
工具： Ｓｅｃｏ５−１１１３
加工対象物：
直径：Φ１９２，８７〜Φ１９６，４０ｍｍ
長さ：Ｌ＝２５４，５０ｍｍ
材料：Ｌ８０−１（ＡＰＩ−標準）
硬度：７５０Ｎ／ｍｍ２
結果：
工具寿命基準は、２３３ｍ／分の切削速度での切削における最大時間（分単位）であり、刀部のチッピング又は破損が失敗の典型的な原因であった。
例２（ＰＶＤコーティングされている）：平均インサート寿命：（６個のインサートを試験して）３１個の部品
例３（ＣＶＤコーティングされている）：平均インサート寿命：（４個のインサートを試験して）２９個の部品
例４（ＰＶＤコーティングされている対照品）：平均インサート寿命：（６個のインサートを試験して）９個の部品
工具寿命基準は、２３３ｍ／分の切削速度での切削における最大時間（分単位）であり、刀部のチッピング又は破損が失敗の典型的な原因であった。
例２（ＰＶＤコーティングされている）：平均インサート寿命：（６個のインサートを試験して）３１個の部品
例３（ＣＶＤコーティングされている）：平均インサート寿命：（４個のインサートを試験して）２９個の部品
例４（ＰＶＤコーティングされている対照品）：平均インサート寿命：（６個のインサートを試験して）９個の部品
この試験では、本発明によるインサートは、従来技術の現状品と比べて工具寿命を３倍以上にすることができると示される。
Claims (5)
- 硬い構成要素を形成している粉末とバインダー相を製粉することにより混合し、
該粉末混合物から所望の形状の物体を形成し、
該形成された物体を焼結し、
該焼結された物体を高精度で研磨して、所望の形状及び寸法を有するインサートにし、
所望により、刃先に丸みを付け、そして
表面領域のミクロ構造が有意な寸法変化を起こすことなく再構成されるような時間に亘って、不活性雰囲気又は真空又は他の保護的な雰囲気において、バインダー相の固相線を下回って、該研磨されたインサートを熱処理した後に、コーティング操作を行って、対摩耗性非ダイアモンド又は非ダイアモンドに類似するコーティングを該研磨されたインサートに提供することによって、
硬い構成要素及びバインダー相を含む、高い寸法精度が必要とされている超硬合金又はサーメットインサート、好ましくは、ねじ切りインサートを製造する方法。 - １０５０℃〜１２５０℃、好ましくは１１５０℃〜１２５０℃の温度で、３０〜１２０分間、好ましくは６０〜９０分間に亘って熱処理することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記超硬合金は、３〜１５質量％、好ましくは５〜１３質量％のＣｏ、及び２５質量％以下、好ましくは０〜１５質量％の、周期表のＩＶｂ族、Ｖｂ族及びＶＩｂ族に由来する元素、好ましくはＴｉ、Ｎｂ及び／又はＴａから形成されている１つ以上の立方晶炭化物から成る組成を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記コーティングは、物理気相成長法（ＰＶＤ）により堆積させられた１〜５μｍの厚さを有する（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ｛式中、０．４＜ｘ＜０．７｝の少なくとも１つの層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記コーティングは、化学気相成長法（ＣＶＤ）により堆積させられた１〜１５μｍの厚さを有するＡｌ２Ｏ３（好ましくは、そのα相）の少なくとも１つの層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
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