JP2020082349A - 難削材用切削インサート - Google Patents

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Abstract

【課題】難削材の加工時に切削インサートの刃先部位で発生するセラミック薄膜の塑性変形を抑制することによって、セラミック薄膜の千切れまたは潰れを遅延させることができる切削インサートを提供する。【解決手段】本発明は、インコネルやチタンのように熱伝導度の低い難削材の加工に適合に使われ得るＰＶＤ薄膜コーテイング切削インサートに関する。本発明に係る切削インサートは、下記の［式１］によって求められるＳＭＳ値が５０〜８０である超硬合金母材と、前記超硬合金母材上に形成された厚さ０．４〜１．５μｍのセラミック薄膜を含むことを特徴とする。［式１］ＳＭＳ＝焼結体の飽和磁化値×１００／ＴＭＳ（ＴＭＳ＝２０１０×Ｃｏの質量比）【選択図】図１

Description

本発明は、インコネルやチタンのように熱伝導度の低い難削材の加工に適合に使われ得るＰＶＤセラミック薄膜コーテイング切削インサートに関する。
金属の切削加工に使われる耐摩耗性の工具や切削工具の母材としては、主に超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金）、ＴｉＣやＴｉ（Ｃ、Ｎ）等を硬質材として使用し、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅをバインダーに使ったサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、その他セラミックまたは高速度鋼などが使われる。
このうち超硬合金は、硬質のタングステン炭化物（ＷＣ）粒子が靭性が優秀なコバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）または鉄（Ｆｅ）のようなバインダー金属に分散されている複合材料であって、硬度が高く靭性が強いため切削工具用母材として広く使われている。このような切削工具用母材の耐摩耗性、靭性、高温特性のような機械的物性を向上させるために、炭化バナジウム（ＶＣ）のような結晶粒成長抑制物質を添加して微粒組織を得るか、焼結体の表面にバインダー金属の濃度を減少させたり富化させるような微細組織の制御が多く使われてきた。
ＩＳＯ被削材の分類上Ｓ領域に該当するインコネル、チタン（Ｔｉ）合金などは、硬度と引張強度が高いだけでなく熱伝導度が低いため加工が難しい難削材に該当する。一般に、難削材の加工においては切削工具の切れ味を向上させる鋭い刃線の形態を適用するが、この構成は高い硬度を有するとともに溶着性がある難削材の低速加工で構成刃線を最小化するための選択である。
ところが、実際熱伝導度が非常に低い難削材の切削加工では、鋭い切削インサートの刃先に加工熱が集中するため、溶着による刃先の破壊を効果的に防ぐことが非常に難しいのが実情である。このような理由により、通常、難削材加工用切削インサートに、切削加工時の熱遮断効果、耐摩耗性向上効果、超硬合金母材との溶着を防ぐために、セラミック物質をコーティングする。
一方、セラミック物質がコーティングされた切削インサートを難削材の加工に使った後、刃先の損傷部位を詳察すると、セラミック薄膜の千切れとと潰れ損傷が発生して母材との溶着および急速摩耗が進行されることを確認することができる。したがって、難削材用切削インサートの寿命を増加させるためには、切削加工時に発生するセラミック薄膜の千切れと潰れ損傷を抑制できることが重要である。
大韓民国登録特許公報第１０−１８５９６４４号
本発明が解決しようとする課題は、難削材の加工時に切削インサートの刃先部位で発生するセラミック薄膜の塑性変形を抑制することによって、セラミック薄膜の千切れまたは潰れを遅延させることができる切削インサートを提供することである。
前記課題を解決するための手段として、本発明は下記の［式１］によって求められるＳＭＳ値が５０〜８０％である超硬合金母材と、前記超硬合金母材上に形成された厚さ０．４〜１．５μｍのセラミック薄膜を含む、難削材用切削インサートを提供する。
［式１］
ＳＭＳ＝焼結体の飽和磁化値×１００／ＴＭＳ
（ＴＭＳ＝２０１０×Ｃｏの質量比）
本発明に係る切削インサートは、耐塑性変形性が向上した母材と密着度と硬度が強化された薄いセラミック薄膜の組み合わせを通じて、高温、高圧下の切削インサートの刃先で発生するセラミック薄膜の千切れおよび潰れを抑制することによって、難削材の加工に使われる時に切削インサートの寿命を大きく向上させることができる。
本発明の実施例および比較例に係る切削インサートの切削試験後の状態を示したものである。 図１の切削試験後の刃線部についての拡大イメージである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、下記に例示する本発明の実施例は多様な他の形態に変形され得、本発明の範囲は下記の実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は当業界で平均の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
本発明者等は難削材の加工時に、高温、高圧下の切削インサートの刃先で微細な塑性変形が発生し、このような微細な塑性変形によってセラミック薄膜が潰れ、これにより露出した母材部分で急激な溶着が発生して大きな溶着の脱落につながり、その結果、刃線の損傷を招くという点を究明した。これを通じて、前記微細な塑性変形を抑制する場合、難削材の加工時に切削インサートの寿命を顕著に向上させることができることを確認し、本発明に達することになった。
本発明に係る難削材用切削インサートは、下記の［式１］によって求められるＳＭＳ値が５０〜８０％である超硬合金母材と、前記超硬合金母材上に形成された厚さ０．４〜１．５μｍのセラミック薄膜を含むことを特徴とする。
［式１］
ＳＭＳ＝焼結体の飽和磁化値×１００／ＴＭＳ
（ＴＭＳ＝２０１０×Ｃｏの質量比）
本発明に係る切削インサートは、母材としてＳＭＳを５０〜８０％水準の超硬合金を使うことによって耐塑性変形性を向上させ、同時に母材に形成されるセラミック薄膜の厚さを薄く形成することによって、高温、高圧下の切削インサートの刃先で微細な塑性変形が発生することを抑制する。
前記ＳＭＳが５０〜８０％範囲内にない場合、母材の微細組織内にデルタとフリーカーボンのような異常組織が生成したり、耐塑性変形性が不足し得るため好ましくない。耐塑性変形性の側面で、より好ましいＳＭＳ範囲は５０〜７０％である。
前記セラミック薄膜の厚さが０．４μｍ未満の場合は切削加工に要求される耐摩耗性などが得られず、１．５μｍを超過する場合は微細塑性変形が発生して切削インサートの寿命が低下するため０．４〜１．５μｍが好ましく、より好ましいセラミック薄膜の厚さは０．４〜１．０μｍである。
また、前記超硬合金母材は、好ましくは、Ｃｏ ４〜８重量％、タングステン（Ｗ）を除いた、周期表のうち４族、５族、６族金属で選択される１種以上の金属炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物、またはこれらの混合物を含む粒成長抑制剤５重量％以下、残りのＷＣを含むことができる。
前記Ｃｏは主硬質相であるＷＣを固定するバインダーの役割をするものであって、Ｃｏ含量が増加するにつれて靭性が増加し、その含量が減少するにつれて靭性が減少する傾向を見せる。Ｃｏ含量が４重量％未満の場合は母材の靭性が足りなくなり、Ｃｏ含量が８重量％を超過する場合は耐塑性変形性が低くなるため、４〜８重量％が好ましい。
前記粒成長抑制剤は５重量％を超過する場合、ＷＣとバインダーとの結合力が低下して外部から受ける衝撃によって、ＷＣとバインダー間の亀裂が容易に発生して工具の寿命を低下させ得るため、粒成長抑制剤は５重量％以下で含むことが好ましい。また、粒成長抑制剤の含量が０．１重量％未満の場合は粒成長抑制効果の減少と高温耐塑性変形性が減少し得るため、０．１重量％以上で含むことがより好ましい。
前記超硬合金には、耐塑性変形性を増加させるために固溶強化効果を有するようにする希土類元素を１種以上さらに含むことができ、この場合、粒成長抑制剤と希土類元素の合計が５重量％以下となるようにすることができる。希土類元素としては例えばＲｕ、Ｇｄ、Ｒｅなどが使われてもよい。
前記超硬合金母材は、機械的物性を低下させるデルタ（δ）相んとフリーカーボン（ｆｒｅｅ ｃａｒｂｏｎ）相のような異常組織を実質的に含まないことが好ましい。
本発明に係る切削インサートは、特に切削速度（Ｖｃ）２０〜１００ｍｍ／ｍｉｎの条件で優秀な特性を示すため、好ましくは、前記のような切削条件で使われ得る。
前記超硬合金母材とセラミック薄膜間の密着度はスクラッチテスターで７５Ｎ以上を維持することが好ましい。密着度は前記範囲以上であれば本発明で目的とする効果を達成できるため、その上限値は特に制限しない。
前記セラミック薄膜の硬度は、切削加工時に微細塑性変形を抑制するために、３０ＧＰａ以上であることが好ましい。
前記セラミック薄膜は、ＰＶＤ法で形成されるＴｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｅｂＮ（ＭｅはＳｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙの中で選択される少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１）を含む１層以上の多層構造で形成され得る。
［実施例］
本発明の実施例に係る切削工具に使われた母材である超硬合金は次のような工程を通じて製造したし、本発明の実施例に係る母材との比較のために、多様な組成および工程による超硬合金を共に製造した。
このために、まず下記の表１の組成を有するように超硬合金製造用原料粉末を製造した。
Figure 2020082349
前記のように準備された原料粉末に超硬ボールと有機溶媒を添加して１３時間混合して粉砕した後、乾燥して混合粉末を得た。得られた混合粉末をＣＮＭＡ１２０４０８（韓国冶金）の型番の金型で２ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力でプレスを遂行して成形体を製造した。
次いで、６００℃で脱脂（ｄｅｗａｘｉｎｇ）工程を遂行し、成形体の製造過程に投入された有機バインダー成分を除去した後、不活性ガスの雰囲気で焼結温度１４５０℃、焼結時間１〜２時間の条件で焼結を進行し、６００℃まで不活性ガスの雰囲気で前記表１のような冷却速度で冷却させた後、自然冷却させる方法で焼結工程を遂行した。
以上のように製造された超硬合金焼結体のＳＭＳを測定した結果、前記表１のような結果を得た。表１に示された通り、超硬合金焼結体のＳＭＳは母材に含まれる成分と冷却速度の差を通じて多様に調節が可能である。
このように製造された超硬合金母材の表面に、商用化されたＰＶＤ法を使って、０．３μｍ、０．５μｍ、１．２μｍ、１．９μｍに厚さを変化させてＴｉ０．４６Ａｌ０．５２Ｓｉ０．０２Ｎの薄膜をコーティングし、切削インサートを製造した。
切削性能の評価
以上のようにセラミック薄膜が形成された切削インサートを次のような条件で耐摩耗性を評価したし、その結果を下記の表２に整理した。
−被削材：Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８Φ１００
−Ｖｃ（切削速度）：５０ｍｍ／ｍｉｎ
−ｆｎ（移送速度）：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
−ａｐ（切り込み深さ）：２．０ｍｍ
−乾／湿式：湿式（ｗｅｔ）
Figure 2020082349
前記表２で確認されるように、ＳＭＳ５０〜８０％を示す超硬合金母材に、セラミック薄膜の厚さが０．５〜１．２μｍを満足する切削インサートがこのような条件を満足しない切削インサートに比べて優秀な切削寿命を示す。
本発明の実施例（試片番号３−２、４−２、４−３、５−２、５−３）の中では、ＳＭＳが５０〜７０％と低く、セラミック薄膜の厚さが０．４〜０．８μｍ程度とさらに薄いもの（試片番号４−２、５−２）が、さらに優秀な切削寿命を示すためより好ましいと言える。
図１は、本発明の実施例および比較例に係る切削インサートの切削試験後の状態を示したものである。図１で確認されるように、比較例に係る切削インサートの場合、４分間の切削加工を遂行する場合、刃線部に顕著な損傷が観察される。
これに比べ、本発明の実施例に係る切削インサートは、４分間の切削加工にも刃線部が良好な状態を示し、６分程度切削加工を遂行した後にも比較例に比べて良好な状態を示すため、難削材加工用として非常に優秀な特性を示すことが分かる。
図２は、図１の切削試験後の刃線部についての拡大イメージである。図２で確認されるように、比較例２−３に係る切削インサートの場合、６０秒間の切削加工後に刃線部に比較的大きな薄膜脱落が観察されたし、比較例３−１に係る切削インサートは刃線部に比較的小さい薄膜脱落が観察された。これに比べ、本発明の実施例４−２に係る切削インサートの場合、薄膜脱落現象が観察されなかった。すなわち、表２のような切削性能の差は、切削加工の初期に薄膜脱落が生成されるかどうかに大きな影響を受けることが分かる。
薄膜密着度の評価
切削インサートに形成された薄膜の密着強度が切削工具に及ぼす影響を確認するために、表１のＮｏ．４の超硬合金母材を使って、超硬合金母材に下記の表３のように多様な金属結合層を形成して適用した後、ＰＶＤ ＴｉＡｌＮコーティングを遂行して切削インサートを製造し、前記方法と同じ方法で切削性能を評価した。
Figure 2020082349
前記表３で確認されるように、超硬合金母材上に形成されるＴｉＡｌＮ薄膜と母材との密着度が７５Ｎ以上の場合がそうでない場合に比べて優秀な切削加工寿命を示すことを確認した。
一方、セラミック薄膜の密着度を向上させる方式は、前処理方式、結合層適用方式、応力制御方式などの公知とされている多様な方式が適用され得、その方式に制限されず７５Ｎ以上（より好ましくは８０Ｎ以上）の密着度を有するのであれば、本発明で目的とする物性を達成することができる。本出願は、韓国産業技術評価管理院を通じた産業通商資源部の未来成長動力事業（技術開発）（１００６７０６５、航空エネルギープラント高硬度耐熱合金加工用コーティング超硬/cBN/セラミックス工具の開発）によってサポートされた。

Claims (8)

  1. 下記の［式１］によって求められるＳＭＳ値が５０〜８０％である超硬合金母材と、
    前記超硬合金母材上に形成された厚さ０．４〜１．５μｍのセラミック薄膜を含む、難削材用切削インサート。
    ［式１］
    ＳＭＳ＝焼結体の飽和磁化値×１００／ＴＭＳ
    （ＴＭＳ＝２０１０×Ｃｏの質量比）
  2. 前記超硬合金母材は、Ｃｏ ４〜８重量％、タングステン（Ｗ）を除いた、周期表のうち４族、５族、６族金属で選択される１種以上の金属炭化物、炭窒化物、炭酸窒化物、またはこれらの混合物を含む粒成長抑制剤５重量％以下、残りのＷＣを含む超硬合金である、請求項１に記載の難削材用切削インサート。
  3. 前記超硬合金母材はさらに希土類元素１種以上を含み、
    前記粒成長抑制剤と希土類元素の合計が５重量％以下である、請求項２に記載の難削材用切削インサート。
  4. 前記切削インサートは、切削速度（Ｖｃ）２０〜１００ｍｍ／ｍｉｎの条件用である、請求項１に記載の難削材用切削インサート。
  5. 前記超硬合金母材は、デルタまたはフリーカーボンのような異常組織がない、請求項１に記載の難削材用切削インサート。
  6. 前記超硬合金母材とセラミック薄膜間の密着度はスクラッチテスターで７５Ｎ以上である、請求項１に記載の難削材用切削インサート。
  7. 前記セラミック薄膜の硬度は３０ＧＰａ以上である、請求項１に記載の難削材用切削インサート。
  8. 前記セラミック薄膜は、ＰＶＤ法で形成されるＴｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｅｂＮ（ＭｅはＳｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙの中で選択される少なくとも１種、０．３≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１）を含む１層以上で形成される、請求項１に記載の難削材用切削インサート。

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