JP2020508884A - Ｔｉ、Ｔｉ合金及びＮｉ基合金を機械加工する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、極低温状態下でＴｉ、Ｔｉ合金及びＮｉ基合金を機械加工するときの、ＷＣ及び少量の結合相を含む超硬合金切削工具の使用に関する。本発明は、著しく延長した工具寿命をもたらす。【選択図】なし

Description

本発明は、極低温状態下でＴｉ、Ｔｉ合金及びＮｉ基合金を機械加工するときの、ＷＣ及び少量の結合相を含む超硬合金切削工具の使用に関する。

超硬合金製の切削工具は、ＩｎｃｏｎｅｌのようなＴｉ合金及びＮｉ合金の機械加工に関する技術分野でよく知られている。これらの材料は、機械加工するのが困難であると知られている。これらの種類の被加工材料を機械加工するときに生じ得る問題の一つは、摩耗である。

化学的摩耗は、Ｔｉ合金の機械加工には一般的である。したがって、Ｔｉ合金を機械加工するためのインサートを選択するときには、被加工材料との溶解性及び反応性が非常に重要であることがわかっている。Ｔｉの極めて低い熱伝導性は、インサートへの熱伝導及び化学的反応性の拡大を引き起こす。

機械加工の分野では、温度を下げるためにある種の冷却を使用することが有益であることもよく知られている。

多くの用途において、冷却剤はこれを達成するために使用される。しかしながら、従来の冷却剤は、常に環境にやさしいとは限らず、処理が必要である。冷却剤の再利用は、被加工材料からの切れ端を含有するため、困難である。大きな切れ端は当然除去することができるが、数マイクロメートルの範囲の小さなものは残存するであろう。これらの小さな断片は、冷却剤が再使用される場合に、被加工材料へ損傷を与えることがある。

また、エマルション又はＭＱＬ（最小量潤滑）のような従来の冷却剤の使用は、ある航空宇宙用途では、切れ端を再利用する可能性を制限することがある。例えば、ある航空宇宙用途では、再利用された切れ端は、冷却剤エマルション又は潤滑剤の混入により、新たな合金を製造するときには使用することができない。

いくつかの用途について、従来の冷却剤（エマルション）により達成される冷却効果は十分ではない。極低温機械工は、より効率的な冷却効果を達成するための一つの代替形である。極低温冷却は、非毒性であるため、環境上の理由から従来の冷却剤に対する良好な代替形でもある。

本発明の一目的は、Ｔｉ、Ｔｉ合金及びＮｉ基合金を機械加工するときの工具寿命を改善することである。

本発明は、ＷＣと、１から５ｗｔ％の含有量の結合相とを含み、１．２から８μｍの平均ＷＣ粒子サイズを有する超硬合金基材を含む切削工具の使用に関する。切削工具は、極低温冷却剤と一緒に、Ｔｉ、Ｔｉ合金又はＮｉ基合金の機械加工に使用される。

極低温の定義は、長年にわたって多少変化してきている。科学的な定義は、温度は−１５３℃未満であるべきである。しかしながら、近年、定義は多少広くなってきており、より最近の出版物では、例えば−８０℃の温度を有するＣＯ_２が含まれている。

極低温冷却とは、本明細書では、冷却剤が−５０℃未満の温度を有することを意味する。適切には、冷却剤は液体窒素及び／又はＣＯ_２である。

本発明の一実施態様では、冷却剤は液体窒素である。

本発明の別の実施態様では、冷却剤は液体ＣＯ_２である。ＣＯ_２は、液体（超臨界）、気体又は液体／気体の混合のいずれかの形態であり得る。

本発明の一実施態様では、極低温冷却剤は、ＭＱＬ（最小量潤滑）と組み合わされる。

本発明の別の実施態様では、極低温冷却剤は、圧縮空気と組み合わされる。これは、時には、切削面積から切れ端を除去するのを助けるのに有益である。

本発明の一実施態様では、極低温冷却剤は、圧縮空気とＭＱＬ（最小量潤滑）との両方と組み合わされる。

冷却剤の流れは、正確な用途及び設定に依拠するが、適切には０．０５から１ｋｇ／分である。冷却剤の圧力も、正確な用途及び設定に依拠して変化するが、適切には３から１００Ｂａｒである。

冷却剤は、機械加工作業の種類及び工具の種類等に依拠する異なる方法で適用することができる。

本発明の一実施態様では、冷却剤は外部冷却により提供される。それは、冷却剤が、機械加工が生じる部分、つまり工具及び被加工材料が接触する部分に向けられている一又は複数の別個のノズルにより提供されることを意味する。

本発明の一実施態様では、冷却剤は工具ホルダを通る内部冷却により提供される。これは、冷却剤が、切削工具に冷却剤を直接適用する工具ホルダ中のチャネルによって提供されることを意味する。

本発明の一実施態様では、冷却剤は工具ホルダ及び切削工具、すなわち閉ループを通る外部冷却により提供される。これは、冷却剤が、冷却剤を工具ホルダに通し、切削工具に通し、その後工具ホルダを通して閉ループに戻すチャネルを通じて提供されることを意味する。冷却剤は、したがって、再使用することができる。

本発明の一実施態様では、冷却剤は、工具ホルダ及び切削工具を通る内部冷却によって、且つ冷却剤が切削工具から出ているところ、すなわち閉ループがないところで提供される。この実施態様は、例えばドリルには一般的である。

本発明の一実施態様では、冷却剤は、上に開示されるような少なくとも二種類の冷却方法、すなわち、外部冷却、工具ホルダを通る内部冷却、並びに閉ループの有無を問わず、工具ホルダ及び切削工具を通る内部冷却の組み合わせによって提供され得る。

本発明に一実施態様では、機械加工の方法は、適切には旋削操作である。適切には、機械加工パラメータは、３０から２００ｍ／分、好ましくは３０から１２０ｍ／分、より好ましくは１００から１２０ｍ／分のＶ_ｃ、０．１から５ｍｍ、好ましくは０．３から２ｍｍのａ_ｐである。供給速度ｆ_ｚは、適切には０．０５から０．４ｍｍ／ｒｅｖ、好ましくは０．０５から０．３ｍｍ／ｒｅｖである。

本発明による超硬合金の基材を含む切削工具は、非鉄合金の機械加工に適しており、Ｔｉ又はＴｉ合金及び／又はＮｉ基合金に最も適しており、さらにＴｉ又はＴｉ合金に最も適している。Ｔｉ及びＴｉ合金は、適切にはα、β及びγ合金、例えばα−Ｔｉ及びα合金、例えばＴｉ_５Ａｌ_２．５Ｓｎ、ｎｅａｒα合金、例えばＴｉ_６Ａｌ_２Ｓｎ_４Ｚｒ_２Ｍｏ、α＋β合金、例えばＴｉ_６Ａｌ_２Ｓｎ_４Ｚｒ_６Ｍｏ及びＴｉ_６Ａｌ_４Ｖである。Ｎｉ基合金の例は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８、Ｗａｓｐａｌｏｙ及びＨａｙｎｅｓ ２８２合金である。

切削工具は、平均ＷＣ粒子サイズが適切には１．２から８μｍであるＷＣ及び含有量が１から５ｗｔ％である結合相を含む超硬合金を含む。

本発明による超硬合金中のＷＣは、適切には、１．２から８μｍ、好ましくは２から５μｍ、より好ましくは３から４μｍの平均粒子サイズを有する。ＷＣ粒子サイズは、好ましくは、走査型電子顕微鏡画像上でラインインターセプト法を使用して測定される。製造等においては、保磁力測定から粒子サイズを推定することができる。

ＷＣ及び結合相に加えて、超硬合金は、超硬合金の作製の分野で一般的な他の構成要素、例えばＮｂ、Ｔａ、Ｔｉ及びＣｒも含み得る。これらの要素の量は、超硬合金の合計の２０重量ｐｐｍから５ｗｔ％の間で変化し得る。

本発明の一実施態様では、追加の、すなわちＷＣに加えての構成要素の量は、超硬合金の総重量の２０重量ｐｐｍから１ｗｔ％、好ましくは２０から２５０重量ｐｐｍである。

本発明の別の実施態様では、ＷＣは存在する唯一の硬い構成要素である。

超硬合金は、当該技術分野で一般的な少量の他の要素、例えばレアアース、酸化物、アルミニウム化物及びホウ化物も含み得る。

超硬合金の基材を含む切削工具中の結合相の含有量は、適切には、１から５ｗｔ％、好ましくは２から４ｗｔ％である。

結合相は、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅの一又は複数を含み得る。

本発明の一実施態様では、結合相は、主にＣｏを含む。本明細書では、これは、結合相のための原料として、Ｃｏのみが添加されることを意味する。しかしながら、製造中、他の要素がＣｏ中に部分的に溶解することがある。

超硬合金は、適切には、エータ相を含まず、グラファイトを含まない。好ましくは、超硬合金は、わずかに化学量論を超える炭素含有量を有する。

本発明の一実施態様では、超硬合金は、ＷＣ及びＣｏと、不可避の不純物からなる。

当該技術分野では、工具寿命を増加させるために、超硬合金工具にコーティングを提供することは一般的である。本発明による超硬合金は、コーティングされていなくても、コーティング、適切には当該技術分野で知られるＣＶＤ又はＰＶＤコーティングが提供されていてもよい。

本発明の一実施態様では、本発明による切削工具は、適切にはコーティングされていない。

本発明の一実施態様では、超硬合金体には、摩耗検出に有用なコーティング、例えば厚さ０．２〜３μｍのＴｉＮが提供される。

本発明の別の実施態様では、超硬合金体には、炭素を含むコーティング、例えば厚さ０．２〜３μｍの、例えばＣＶＤにより堆積されるＤＬＣコーティングが施される。

本発明の別の実施態様では、超硬合金には、０．５から１５μｍの厚さを有するダイアモンドを含むコーティングが施される。

本発明の別の実施態様では、超硬合金には、ＣＶＤ堆積による０．２〜３μｍの厚さを有するＺｒＣ単層を含むコーティングが施される。

本明細書では、切削工具とは、インサート、ドリル又はエンドミルを意味する。

本発明の一実施態様では、切削工具は旋削インサートである。

さらに、本発明は、上記のような１．２から８μｍの平均粒子サイズを有するＷＣ及び１から５ｗｔ％の含有量の結合相を含む超硬合金基材を含む切削工具の使用と、極低温冷却剤の使用とによる、Ｔｉ、Ｔｉ合金又はＮｉ基合金を機械加工する方法にも関する。

実施例１（発明）
平均粒子サイズを有するＷＣ及び３ｗｔ％のＣｏでできた混合物を混合し、１８時間ブレンドし、加圧し、減圧条件下で１時間にわたって１４１０℃で焼結した。焼結後、超硬合金は、Ｃｏ金属結合相中に組み込まれたＷＣからなる。焼結された一片を、その後、１時間にわたって１４１０℃で第２の焼結工程に供した。

得られた超硬合金は、保磁力から計算した３．４μｍ、及びＤＩＮ ＩＳＯ ３３２６に従ってＦｏｅｒｓｔｅｒ Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ ＣＳ１．０９６を使用して測定された１６．５ｋＡ／ｍのＷＣ粒子サイズを有した。

この超硬合金体を試料１と呼ぶ。

実施例２（参照）
ＷＣ、６ｗｔ％のＣｏ及び追加の余剰の炭素でできた混合物を混合し、１８時間ブレンドし、加圧し、減圧条件下で１時間にわたって１４１０℃で焼結した。焼結後、超硬合金は、Ｃｏ金属結合相中に組み込まれたＷＣを含んだ。保磁力は、ＤＩＮ ＩＳＯ ３３２６に従ってＦｏｅｒｓｔｅｒ Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ ＣＳ１．０９６を使用して測定して１８ｋＡ／ｍであった。

ＷＣ平均粒子サイズは、ラインインターセプト法を使用して測定して０．７６μｍであった。

この超硬合金体を試料２と呼ぶ。

実施例３（作業例）
実施例１及び２に記載のインサートを、以下の条件を使用して、Ｔｉ_６Ａｌ_４Ｖ合金中の旋削操作で試験した：

工具寿命の基準は、側面摩耗（ＶＢ＝０．３ｍｍ）、ノッチ（ＶＢ_ｎ＝０．４ｍｍ）又は端部破壊であった。

結果は表１で見ることができ、各結果は二つの試験、すなわち二つのインサートの平均である。

実施例４（作業例）
実施例１及び２に記載のインサートを、以下の条件を使用して、Ｔｉ_６Ａｌ_４Ｖ合金中の旋削操作で試験した：

工具寿命の基準は、側面摩耗（ＶＢ＝０．３ｍｍ）、ノッチ（ＶＢ_ｎ＝０．４ｍｍ）又は端部破壊であった。

結果は表２で見ることができ、各結果は二つの試験、すなわち二つのインサートの平均である。

Claims (12)

1. 極低温冷却剤が使用される、Ｔｉ、Ｔｉ合金又はＮｉ基合金における機械加工のための、ＷＣと、１から５ｗｔ％の含有量の結合相とを含み、１．２から８μｍの平均ＷＣ粒子サイズを有する超硬合金基材を含む切削工具の使用。
2. 冷却剤が液体窒素であることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具の使用。
3. 冷却剤が液体ＣＯ_２であることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具の使用。
4. 旋削操作が、３０から２００ｍ／分のＶ_ｃ、０．１から５ｍｍのａｐ及び０．０５から０．４ｍｍ／ｒｅｖ供給速度で操作されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
5. 冷却剤が外部冷却を通して提供されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
6. 冷却剤が、工具ホルダを通る内部冷却を通して提供されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
7. 冷却剤が、工具ホルダ及び切削工具を通る内部冷却を通して提供されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
8. 超硬合金中のＷＣの平均粒子サイズが２から５μｍであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
9. 結合相が２から４ｗｔ％の量のコバルトであることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
10. 切削工具がコーティングされていないことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
11. 切削工具にコーティングが施されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の切削工具の使用。
12. − ＷＣと、１から５ｗｔ％の含有量の結合相とを含み、１．２から８μｍの平均ＷＣ粒子サイズを有する超硬合金基材を含む切削工具の使用、並びに
    − 極低温冷却剤の使用
    を含む、Ｔｉ、Ｔｉ合金及びＮｉ基合金を機械加工する方法。