JP2023511489A - 切削工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、超硬合金基材を含む切削工具であって、超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分からなる切削工具に関する。硬質成分はＷＣを含み、超硬合金中のＷＣ含有量は、８０～９３重量％である。超硬合金はＮｉおよびＡｌを含み、Ｎｉ含有量が３～１３重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．３３、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．２５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．２５、および重量比が０．０２＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．１である。耐クラック性Ｗは、ビッカース硬度圧痕に適用される荷重とビッカース硬度圧痕のコーナーに形成される亀裂の亀裂長さの合計との比率と定義される。すくい面の硬度Ｈ（ｒａｋｅ）とすくい面の耐クラック性Ｗ（ｒａｋｅ）との積は、Ｈ（ｒａｋｅ）×Ｗ（ｒａｋｅ）＞５０００ＨＶ１００×Ｎ／μｍである。【選択図】図１

Description

本発明は、超硬合金の切削工具に関し、超硬合金は、金属バインダーおよびＷＣを含む硬質成分を含む。切削工具の表面領域の耐クラック性は、切削工具のバルク領域の耐クラック性より高い。

金属切削用途用の切削工具は、一般的には超硬合金の基材を含む。超硬合金は、高硬度および高靭性の両方を示す材料であり、切削用途における性能は数十年間成功を収めている。切削工具の性能をさらに向上させるために、耐摩耗性コーティングで工具をコーティングすることが知られている。ウェットブラスト、ドライブラスト、エッジブラシおよび／または研磨などのステップを含むポスト処理と呼ばれるプロセスで切削工具を処理することも知られている。これらのポスト処理プロセスは、典型的には、切削工具の表面粗さおよび／または切削工具の表面領域における残留応力を変化させる。

超硬合金のショットピーニングの影響は、Ｗａｎｇらによる「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｈｏｔ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ９５、２０１６年、１５９～１６４頁に記載されている。ＣｏおよびＷＣの両方において、表層において圧縮残留応力が引き起こされることが示されている。

製造で時間を節約し、破損した切削工具による不具合の危険性を低減するために、切削工具の寿命および性能を向上させる連続するニーズがある。超硬合金中のＣｏの量を低減し、金属切削性能において従来のＣｏ含有超硬合金と競合することができる代替の超硬合金を発見するニーズがさらにある。

本発明は、金属切削用途での向上した耐摩耗性を備えた切削工具を提供することを目的とし、それを製造する方法を提供することも目的とする。本発明は、切れ刃でのコーティングの欠損に対して高抵抗を備えた切削工具を提供することもさらなる目的とする。本発明は、切れ刃の欠損および／または切削工具の破損に対して高抵抗を備えた旋削工具を提供することを別の目的とする。

これらの目的の少なくとも１つは、請求項１に記載の切削工具、および請求項１４に記載の方法で達成される。好ましい実施形態は、従属クレームにおいて挙げられる。

本発明は、超硬合金基材を含む切削工具であって、超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分からなり、硬質成分はＷＣを含み、超硬合金中のＷＣ含有量は、８０～９３重量％であり、超硬合金はＮｉおよびＡｌを含み、超硬合金は、Ｎｉ含有量が３～１３重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．３３、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．２５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．２５、および重量比が０．０２＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．１であり、切削工具は、すくい面、逃げ面、およびそれらの間の切れ刃を含み、耐クラック性Ｗは、

と定義され、
Ｐは、ビッカース硬度圧痕の荷重１００×９．８１Ｎであり、

ビッカース硬度圧痕のコーナーに形成される各亀裂の平均亀裂長さ［μｍ］であり、すくい面の硬度Ｈ（ｒａｋｅ）とすくい面の耐クラック性との積は、Ｈ（ｒａｋｅ）×Ｗ（ｒａｋｅ）＞５０００ＨＶ１００×Ｎ／μｍ、好ましくは＞１００００ＨＶ１００×Ｎ／μｍ、より好ましくは＞１５０００ＨＶ１００×Ｎ／μｍである、切削工具に関する。

通常、大抵の技術的な複合材料、例えば、超硬合金材料について、靭性の向上は、硬度の減少に関係している。切削工具用途の靭性と耐塑性変形性（つまり、硬度）との組み合わせを示す１つの方法は、硬度Ｈと耐クラック性Ｗとの積、つまり、Ｈ×Ｗをもたらすことによる。Ｈ×Ｗがより高いと、切削工具は、クラック形成および塑性変形の両方により耐性がある。維持または向上した硬度と組み合わせた非常に高い耐クラック性を発明のプロセスで達成することができることが意外にも分かった。これらの特性は、それらが金属切削工具の耐摩耗性の向上に寄与するので、金属切削工具に有利である。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金は、ｘ重量％のＮｉ、ｙ重量％のＦｅ、およびｚ重量％のＣｏを含み、５＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１０である。バインダー含有量がこの範囲内の超硬合金には切削工具用途用の靭性と塑性変形抵抗性との良好な組み合わせを有する。金属切削用途によって、バインダーの量は当業者によって最適化され得る。

本発明の１つの実施形態において、金属バインダーはガンマプライム相を含む。ガンマプライム相の空間群は、好ましくはＰｍ－３ｍ、好ましくはＬ１_２結晶構造を備える。純Ｎｉの高いクリープ速度を克服するために、Ａｌの添加目標を設定してガンマプライム相を析出させる。これは、靭性と塑性変形抵抗性との組み合わせを向上させると分かった。無秩序な金属バインダーにおける転位は、バーガースベクトルの長さの差により金属間ガンマプライム相にピン止めされるであろう。ガンマプライム相は立方構造である。ガンマプライム相またはガンマプライム粒子またはガンマプライム析出物は、ＳＥＭ顕微鏡写真において見られる。

本発明の１つの実施形態において、ガンマプライム相の平均粒子サイズは、直径が１０～１０００ｎｍであり、好ましくは１５～６００ｎｍである。粒子サイズは、平均線形切片法を使用して、基材の断面の画像において測定される。転位ピン止め効果が材料を強化するように、ガンマプライム相の粒子サイズが選択された。欠陥の生成と消滅との間の最適条件はこの範囲において得られる。この結果から利益を得るために、相のサイズは当業者によって最適化することができる。ガンマプライム相のサイズは、いくつかの別な方法で、例えば、サイズを低減するＣｒを添加して調整することができる。また、サイズは焼結後の超硬合金の冷却に依存する。非常に速い冷却は、非常に小さなガンマプライム相をもたらすことができる。ガンマプライム相のサイズは、長すぎる冷却時間がサイズを変更しないように飽和状態とされる。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金中の金属バインダーは、好ましくは１０～７５体積％、より好ましくは１５～３５体積％のガンマプライム相を含む。ガンマプライム相の量または割合は、Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）比率を、より高い比率がより高い量または割合のガンマプライム相をもたらすように変更して調整することができる。

本発明の１つの実施形態において、ガンマプライム相はＮｉ_３Ａｌを含む。好ましくは、ガンマプライムは、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕなどの元素が溶解したＮｉ_３Ａｌを含む。さらなる元素は、ガンマプライム相のサイズ、形態、および特性を調整するために使用することができる。各元素の影響は当業者によって評価され、特定の用途に最適化されることができる。

本発明の１つの実施形態において、切削工具のすくい面の硬度はＨ（ｒａｋｅ）であり、切削工具のバルク領域の硬度はＨ（ｂｕｌｋ）であり、０．９０＜Ｈ（ｒａｋｅ）／Ｈ（ｂｕｌｋ）＜１．１０である。表面の高い耐クラック性は、硬度を低下させることによって達成することができるが、これは、塑性変形抵抗性を低下させ、切削工具の寿命にマイナスであろう。切削工具のバルクおよびすくい面が高度に一致する硬度を有することは有利である。

本発明の１つの実施形態では、切削工具のすくい面で測定される耐クラック性ＷはＷ（ｒａｋｅ）であり、切削工具の逃げ面で測定されるＷはＷ（ｆｌａｎｋ）であり、Ｗ（ｒａｋｅ）／Ｗ（ｆｌａｎｋ）＞５、好ましくは＞８、より好ましくは＞１０である。金属切削の間に生じる亀裂は、通常、切削工具のすくい面側で起こり、したがって、すくい面の良好な耐クラック性は、金属切削用途に有利である。さらに、すくい面のみがショットピーニングされ、逃げ面側はわずかに重要性が低い場合、切削工具製造プロセスは比較的単純になる。

本発明の１つの実施形態において、切削工具のすくい面で測定される耐クラック性ＷはＷ（ｒａｋｅ）であり、切削工具のバルク領域で測定されるＷはＷ（ｂｕｌｋ）であり、Ｗ（ｒａｋｅ）／Ｗ（ｂｕｌｋ）＞５、好ましくは＞８、より好ましくは＞１０である。金属切削の間に生じる亀裂は、通常、切削工具のすくい面側に起こり、したがって、すくい面の良好な耐クラック性は、金属切削用途に有利である。亀裂は、通常、バルクにではなく切削工具の表面に現れ、したがって、表面領域における高い耐クラック性は有利である。

本発明の１つの実施形態において、切削工具のすくい面上の表面領域で測定される圧縮残留応力は、＞１５００ＭＰａ、好ましくは＞２０００ＭＰａ、より好ましくは＞２２００ＭＰａであり、応力測定は、Ｘ線回折およびＷＣの（２１１）反射を使用するｓｉｎ^２Ψ法でなされる。圧縮残留応力は、亀裂の形成を抑制する。したがって、すくい面の圧縮残留応力を向上させると、金属切削用途での切削工具の工具寿命は長くなるであろう。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金は、Ｎｉ含有量が８～１２重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．０２、および重量比が０．０４＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．０７である。これらの組成は、適切な硬度と組み合わせて高い靭性を要求する金属切削用途に適している。

１つの実施形態において、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．０２である。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金は、Ｎｉ含有量が８～１２重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．０８、および重量比が０．０４＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．０７である。これらの組成は、適切な硬度と組み合わせて高い靭性を要求する用途に適している。

本発明の１つの実施形態では、超硬合金中のＷＣの平均粒子サイズは０．２～１０μｍ、好ましくは０．３～５μｍ、より好ましくは０．５～２μｍである。この範囲のＷＣ粒子サイズは、金属切削インサート向けの超硬合金に最適である。粒子サイズは、平均線形切片法を使用して基材の断面の画像において測定される。金属切削用途によって、ＷＣ粒子サイズは、当業者によって最適化することができる。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕの１つ以上を含む。これらの元素は、さらなる固溶体または粒子強化に使用することができる。

本発明は、超硬合金基材を含む切削工具を処理する方法であって、超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分からなり、硬質成分はＷＣを含み、超硬合金中のＷＣ含有量は、８０～９３重量％であり、超硬合金はＮｉおよびＡｌを含み、超硬合金は、Ｎｉ含有量が３～１３重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．３３、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．２５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．２５、および重量比が０．０２＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．１であり、切削工具（１）は、すくい面（２）、逃げ面（３）、およびそれらの間の切れ刃を含み、ショットピーニングは、少なくともすくい面（２）上で行われ、方法は、切削工具のすくい面をショットピーニングするステップを含む、方法に関する。ショットピーニングは、硬度が維持されながら表面の耐クラック性を向上し、それによって、硬度と耐クラック性との組み合わせを向上する。

本発明の１つの実施形態において、ショットピーニングは、１００～６００℃、好ましくは２００～５５０℃、より好ましくは３００～５００℃の温度で行われる。本発明のショットピーニングは、１つの実施形態において高温で行われ、この温度は、ショットピーニングされる材料（切削工具の一部）がショットピーニングの間の温度として本明細書において定義される。いくつかの方法、例えば、誘導加熱、抵抗加熱、高温面／オーブン上の予熱、レーザー加熱などを使用して、切削工具の一部の高温を生じることができる。切削工具は、あるいはショットピーニングステップの前に別個のステップで加熱することができる。

温度は、温度を測定するのに適切な任意の方法によって基材上で適切に測定される。好ましくは、赤外線温度測定装置が使用される。

基材の一部は、前記温度でショットピーニングを受ける。切削工具が加熱される場合にショットピーニングで切削工具を処理することによって、切削工具の寿命を向上させるための重要な特性である表面領域におけるその耐クラック性が向上することが意外にも分かった。

本発明の１つの実施形態において、前記切れ刃の少なくとも一部の縁の丸みＥＲは、１０μｍ～５０μｍ、好ましくは２０μｍ～４０μｍである。本方法によって作製された切削工具は、このＥＲを備えた切削工具で優良に機能することが驚くべきことに分かった。

切削工具インサート１の全体図であり、切削工具インサート１は、すくい面２、逃げ面３、およびそれらの間に設けられた切れ刃を備える。 切れ刃の断面の全体図であり、縁の丸みＥＲが示され、さらに切れ刃の幅Ａが概略的に示されている。 発明１の切削工具の超硬合金の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。ガンマプライム相は、バインダー相中で灰色の正方形のように見える。 発明１の切削工具の超硬合金の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。ガンマプライム相は、バインダー相中で灰色の正方形のように見える。 発明２の切削工具の超硬合金の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。ガンマプライム相は、バインダー相中で灰色の正方形のように見える。 発明２の切削工具の超硬合金の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。ガンマプライム相は、バインダー相中で灰色の正方形のように見える。 図５の複製であるが、ガンマプライム相は黒色でマークアップされている。 図６の複製であるが、ガンマプライム相は黒色でマークアップされている。

定義
「超硬合金」は、連続金属バインダーに分散された、または連続金属バインダーに埋め込まれた骨格を形成する硬質成分を含む材料である。硬質成分は主としてＷＣを含む。この種の材料は、金属バインダーからの高靭性と硬質成分からの高硬度を組み合わせた特性を有しており、金属切削工具用の基材材料として適切である。

超硬合金「の組成」または超硬合金「中の含有量」は、本明細書において超硬合金基材中の平均組成または平均含有量を意味する。例えば、切削工具が少なくとも数ｍｍの大きさであるので、表面領域での傾斜、例えば基材の表面からバルクへの１５～３０μｍは、局所的により高い金属バインダー含有量で、切削工具の超硬合金基材の平均組成を変化させない。

超硬合金の「金属バインダー」は、焼結中に金属バインダーに溶解される元素、例えばＷＣから生じるＷおよびＣを含むことができる。どのようなタイプの硬質成分が存在するかに依存して、他の元素をバインダーに溶解することもできる。

「切削工具」は、本明細書において、金属切削用途、例えばインサート、エンドミル、またはドリル用の切削工具を意味する。適用分野は、旋削、フライス加工、または削孔とすることができる。

「ＥＲ」は、縁の鋭さを示すことを意図する縁の丸みの値である。ＥＲのより大きな値は切れ刃のより粗い形状を表し、一方、ＥＲのより小さな値は鋭い切れ刃を表す。

ＥＲは、下記に従って算出される値として本明細書に定義される：
－ 切削工具をその座面上の平坦面または切削工具の対応面上に載せる。
－ 縁に接して、前記平坦面に垂直な切削工具の側に沿って第１の面を整列させ、例えば、切削工具１の逃げ面３に沿って測定する。
－ 前記平坦面と平行に、交点で前記第１の面と交差して第２の面を整列させ、前記第２の面は、縁に接して接点で測定し、例えば、前記第２の面は、切削工具１のすくい面２に沿って整列される。

値「ＥＲ」は、第１の面と第２の面との交点と、第１の面と縁に近い切削工具との接点との距離に等しく、図２を参照されたい。

「ショットブラスト」は、本明細書において、砥粒を使用するプロセスを意味し、材料は、典型的に磨損によって処理面から取り除かれる。ショットブラストは、切削工具の分野で周知であり、例えば、切削工具上のコーティングにおいて残留応力を導入することが知られている。

「ショットピーニング」は、本明細書において、切削工具の表面が、粒子、例えば、非研磨性であり、典型的には円形であるビーズを含む媒体を受けることを意味する。媒体は、硬質材料、例えば、酸化物、鋼、または超硬合金のビーズとすることができる。

用語「バルク」は、本明細書において、切削工具の最奥部（中心）を意味する。

用語「表面領域」は、本明細書において、本明細書に開示したショットピーニングプロセスによって影響を受ける基材の外側部分を意味する。

発明のさらなる実施形態
本発明の１つの実施形態において、ショットピーニングは、セラミックビーズ、好ましくはＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、およびＡｌ_２Ｏ_３を含むビーズで行われる。

本発明の１つの実施形態において、ショットピーニングは、直径が約５０～２００μｍのビーズで行われる。ビーズがあまりにも大きい場合、切れ刃を破損する危険性が高まる。ビーズが小さすぎる場合、媒体から基材に供給されるエネルギーおよび衝撃はほとんど顕著ではなくなる。ショットピーニング時のビーズからの衝撃またはエネルギーは、これが切削工具の表面および切れ刃を破損する危険性を増すので、高すぎるべきではない。ビーズからの衝撃またはエネルギーは低すぎるべきではなく、技術的効果がその時達成されないからである。ビーズがあまりにも大きい場合、切れ刃を破損する危険性が高まる。ビーズが小さすぎる場合、媒体から基材に供給されるエネルギーおよび衝撃はほとんど顕著ではなくなる。ビーズの適切なサイズはビーズの材質と関連し、当業者によって選択される。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金は、さらに、ガンマ相と呼ばれることがある立方相を含み、それは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、およびＣｒから選択される１つ以上の元素の立方晶炭化物および／または炭窒化物の固溶体である。立方相の量は、面積％で、適切には２～２５％、好ましくは３～１５％である。これは、異なる方法で測定することができるが、１つの方法は、基材の断面の光光学顕微鏡像または走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真のいずれかの画像解析を行ってガンマ相の平均的な割合を算出することである。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金は、立方相と、立方相を含まないバインダー相の豊富な表面ゾーンとを含む。表面ゾーンの厚さは、適切には２～１００μｍ、好ましくは３～７０μｍ、より好ましくは８～３５μｍである。厚さは、基材の断面のＳＥＭまたはＬＯＭ画像上での測定によって決定される。それらの測定は、真の値を得るために、基材表面が適度に平坦な、つまり、縁に近くない、切れ刃またはノーズなどから少なくとも０．３ｍｍの領域で行われるべきである。表面ゾーンとバルクとの境界は、ＳＥＭまたはＬＯＭ画像中の基材の断面を観察する場合に、通常全く異なる立方相の有無によって決定される。厚さは、表面と、表面ゾーンとバルクとの境界との距離によって決定される。「バインダーの豊富な」は、本明細書において、表面ゾーンでのバインダー相の含有量は、バルク中のバインダー相の含有量の、適切には１．０５～１．６５倍、好ましくは１．１～１．５倍であることを意味する。表面ゾーンでのバインダー相の含有量は、表面ゾーンの総厚み／深さの半分の深さで適切に測定される。バルクで行われた測定はすべて、表面ゾーンに近すぎない領域で行われるべきである。これは、本明細書において、バルクの微構造に対してなされるいずれの測定も、表面から少なくとも２００μｍの深さで行われるべきであることを意味する。

立方相を含まない表面ゾーンは、本明細書において、表面ゾーンが立方相粒子を含まない、または非常に少ない、つまり０．５面積％未満の立方相粒子を含むことを意味する。

本発明の１つの実施形態において、切削工具は、コーティングを備えている。コーティングは、色層または耐摩耗性コーティングとすることができる。

本発明の１つの実施形態において、コーティングの厚さは２～２０μｍ、好ましくは５～１０μｍである。

本発明の１つの実施形態において、コーティングは、ＣＶＤコーティングまたはＰＶＤコーティングであり、好ましくは、前記コーティングは、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＺｒＣＮから選択された１つ以上の層を含む。コーティングは、ＴｉＣＮ層およびＡｌ_２Ｏ_３層を含むＣＶＤコーティングであることが好ましい。

本発明の１つの実施形態において、超硬合金基材は、耐摩耗性ＰＶＤコーティングを備えており、それは、適切には窒化物、酸化物、炭化物、またはそれらとＡｌ、Ｓｉ、および周期表における４、５、および６族から選択された元素の１つ以上との混合物である。

本発明の１つの実施形態において、切削工具は、すくい面、逃げ面、およびそれらの間の切れ刃を含み、前記ショットピーニングは少なくともすくい面で行われる。すくい面ピーニングは、作業材料が切削操作の間に切削工具に衝突し、したがって、基材に影響を及ぼすピーニングの間の機構が、基材の関連領域または体積で適用されるすくい面で行われるという点で有利である。多くの切削工具の形状について、これは、いくつかの切れ刃を同時に処理することを意味するので、すくい面でショットピーニングを適用することはさらに有利である。

本発明の１つの実施形態において、ショットピーニングは、加熱された切削工具で行われ、方法は、ショットピーニング前のステップを含み、前記切削工具が加熱される。

本発明の１つの実施形態において、方法は、さらに少なくとも切削工具の一部をショットブラストするステップを含む。好ましくは、一部は、少なくとも切れ刃の部分または切れ刃に近い領域を含む。

本発明の１つの実施形態において、ショットブラストするステップは、ショットピーニング後に行われる。ショットピーニングの間の加熱は、ショットブラストからのそれなりのプラスの効果、例えば、コーティングにおける残留応力の誘導を弱める可能性があり、したがって、ショットブラスト前にショットピーニングを行うことを選択することによって、両方のプラスの効果を維持することができる。

本発明の１つの実施形態において、ショットブラストおよびショットピーニングは、切削工具の同じ部分で行われる。これは、例えば、切削工具のより効果的な装填によって大規模な生産の間に有利である。

本発明の１つの実施形態において、ピーニングは、切削工具の表面に垂直なショット方向に行われる。垂直のショットピーニングは、加熱ショットピーニングがこの方向である場合に、影響される基材の深さが最大である点で有利である。

本発明の１つの実施形態において、切削工具１は、インサート、好ましくはフライスインサートである。

本発明によるショットピーニングプロセスは、例えば、ブラッシング、研磨、ウェットブラスト、ドライブラストなどの切削工具を作製する技術において公知の他のプロセスステップと組み合わせることもできる。

以下に、本発明の例示的な実施形態を、参照実施形態と比較してより詳細に開示する。切削工具（インサート）を準備し、分析した。

試料調製
超硬合金の切削工具を、表１による原料から基材を形成することによって調製した。９３．９重量％のＮｉおよび５．３重量％のＡｌからなる前合金化ＮｉＡｌ粉末を使用した。ＷＣの平均粒子サイズ（ＦＳＳＳ）は５．５～６．３μｍであった。各原料の量は全体乾燥粉末重量に基づいた。混合、フライス加工、噴霧乾燥、プレス、および焼結を含む従来の方法に従って基材を製造した。フライス加工は、Ｃｏ含有フライス加工体を用いてミル内で行い、粉末中にＣｏを残し、焼結超硬合金中のＣｏ含有量は約０．０２重量％であった。インサートタイプのＣＮＭＧ１２０４０８－ＰＭの切削工具を形成した。

ガンマプライム相の析出物のサイズを、ＳＥＭ顕微鏡写真において平均線形切片法によって測定した。発明１でのガンマプライム相の析出物のサイズが平均で１５０ｎｍであり、発明２では、７５ｎｍであった。個々のガンマプライム相のサイズの測定は、円相当法を使用してなされた。ガンマプライム相の体積分率を、ＳＥＭ顕微鏡写真において分析した。図７を参照して、発明１については、金属バインダー中の体積分率は２３体積％であり、３０ｎｍより大きい相をすべて数えた。図８を参照して、発明２については、金属バインダー中の体積分率は１７体積％であり、３０ｎｍより大きい相をすべて数えた。

焼結後に、２つのタイプの切削工具を５００℃でショットピーニングを施して発明１－２を形成した。

ショットピーニングを、ＡＵＥＲマニュアルブラストキャビネットＳＴ７００ＰＳ装置で行った。球形状で平均直径が約１００μｍのセラミックビーズのブラスト媒体（媒体Ｍｉｃｒｏｂｌａｓｔ（登録商標）Ｂ１２０）を用いた。セラミックビーズの粒子サイズは６３～１２５μｍであった。セラミックビーズは、６０～７０％のＺｒＯ_２、２８～３３％のＳｉＯ_２、および＜１０％のＡｌ_２Ｏ_３の組成を有する。ショットガン圧を５バールに設定し、作業時間を２０秒に設定し、ノズル直径は８ｍｍであり、離間距離は１００ｍｍであった。切削工具のすくい面に垂直にピーニングを適用した。加熱ショットピーニングの場合には、切削工具をショットピーニング前に誘導コイルヒーターで加熱し、切削工具の温度を温度センサーで測定した。誘導ヒーターは、１．５ｋＷのＲｉｍａｃ誘導ヒーターであった。

これらの後処理後の切削工具の切れ刃は、ＥＲが約４０μｍであった。

ビッカースの測定
ビッカース圧痕を、切削工具のすくい面および切削工具の断面に行った。ビッカース圧痕を逃げ面側でも行うことができる。

試料のすくい面を徐々に研磨して、亀裂長さの測定に適切な表面を達成した。試料は、紙上の０．２５μｍのダイヤモンドペーストを使用して研磨し、および手でまたは中速および荷重３５ｇでＧａｔａｎ社のディンプルグラインダーモデル６５６を使用して、２０ｍｍ直径のフェルトホイール上の０．２５μｍのダイヤモンドペーストを使用して研磨した。後の亀裂長さの測定用の十分に研磨された領域を示す表面を達成するまで研磨を行った。

バルク試料を、ダイヤモンドホイールを使用してすくい面に垂直にインサートを切断し、続いて、紙上の油に分散した９μｍのダイヤモンド、次いで油に分散した１μｍのダイヤモンドを使用して研磨することによって調製した。

研磨された試料のビッカース硬度を、プログラム可能硬度試験機（ＫＢ Ｐｒｕｆｔｅｃｈｎｉｋ社によるＫＢ３０Ｓ）を使用して測定した。測定をＥｕｒｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（英国）に由来のテストブロックを使用してＨＶ１００に対して調整した。ビッカース硬度をＩＳＯ ＥＮ６５０７に従って測定した。

ビッカース硬度測定を、硬度試験機をプログラムしてある位置で圧痕を行うことによって行った。その後、圧痕を、特定荷重を使用して行う。少なくとも２つの平行ＨＶ１００圧痕を少なくとも１．５ｍｍの互いに離れた距離でなし、示された結果は平均値である。

ビッカース窪みの各コーナーの亀裂の長さを分析し、カメラおよびコンピューターを備えたオリンパスＢＸ５１Ｍ光光学顕微鏡で測定した。ビッカース窪みの対角線がコンピュータースクリーン上に水平で垂直であるように、試験片およびカメラを配列した。少なくとも１００倍の倍率を使用した。亀裂の先端を見つけるのが困難である場合、より高い倍率を適用して測定前の亀裂の先端を見つけた。各窪みの２つの対角線を測定し、亀裂を、それぞれの窪みのコーナーから亀裂の先端への窪みの延長した対角線への投影として測定した。

硬度、亀裂長さ、および耐クラック性を表２に示す。

２つの発明でのバルクの耐クラック性は、発明１について２．０８であり、発明２について１．３６であった。したがって、２つの発明についてのＷ（ｒａｋｅ）／Ｗ（ｂｕｌｋ）は、発明１について１５．２、発明２について１０．４である。

残留応力測定
Ｘ線回折を使用していわゆるｓｉｎ^２Ψ法によって前述の試料の残留応力を決定した。この方法において、格子面間隔ｄ（したがって歪み）のずれを、試料傾斜角Ψの関数として測定する。残留応力を、歪み対ｓｉｎ^２Ψ曲線の直線勾配から得る。残留応力を、Ｘ線弾性定数を使用することによって歪み値から変換する。

ＸＲＤ測定を、ＩμＳ微小焦点放射源（ＣｕＫ_α放射線、λ＝１．５４１８オングストローム）、Ｖａｎｔｅｃ－５００領域検出器および１／４オイラークレードルを装備したＤａｖｉｎｃｉ設計のＢｒｕｋｅｒ ＤｉｓｃｏｖｅｒＤ８回折計で行った。１１７．３２°２θに位置するＷＣの（２１１）反射を、歪み測定に使用した。残留応力測定を１～４の角度方向：Φ：０°、９０°、１８０°、２７０°で行い、各Φ方向について１０等距離のΨ角度（０°～５０°）を測定時間４００ｓで測定した。直径が１．０ｍｍのコリメーターをすべての測定において使用した。

結果の残留応力を、ＷＣについてのＸ線弾性定数、ブラッグピーク（２１１）を使用することによって、歪みデータから得た。Ｘ線弾性定数をポアソン比ν＝０．１９１およびヤング率＝７１７．３６０ＧＰａから算出した。

試料をサンプルホルダに接着テープで取り付けた。

ＸＲＤデータを、ソフトウェアＤＩＦＦＲＡＣ ＥＶＡ（Ｂｒｕｋｅｒ）およびＨｉｇｈ Ｓｃｏｒｅ Ｐｌｕｓ（Ｍａｌｖｅｒｎ Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ）で分析した。ソフトウェアＬＥＰＴＯＳ７（Ｂｒｕｋｅｒ）を残留応力分析において使用した。

残留応力を表３に示す。

本発明を様々な例示の実施形態に関連して記載しているが、本発明が開示した例示の実施形態に限定されず、これに対して添付の請求の範囲内で様々な変更および同等の配置を包含することを意図することが理解される。さらに、本発明の任意の開示した形態または実施形態は、一般的な設計事項の選択として、任意の他の開示または記載または示唆された形態または実施形態に組み込まれ得ることが認識されるべきである。したがって、本明細書に添付された添付の特許請求の範囲によって示される内容によってのみ発明は限定される。

Claims (15)

1. 超硬合金基材を含む切削工具であって、超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分からなり、硬質成分はＷＣを含み、超硬合金中のＷＣ含有量は、８０～９３重量％であり、超硬合金はＮｉおよびＡｌを含み、超硬合金は、Ｎｉ含有量が３～１３重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．３３、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．２５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．２５、および重量比が０．０２＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．１であり、切削工具（１）は、すくい面（２）、逃げ面（３）、およびそれらの間の切れ刃を含み、耐クラック性Ｗは、
   

   

   と定義され、
   Ｐは、ビッカース硬度圧痕の荷重１００×９．８１Ｎであり、
   

   

   は、ビッカース硬度圧痕のコーナーに形成される各亀裂の平均亀裂長さ［μｍ］であり、すくい面の硬度Ｈ（ｒａｋｅ）とすくい面の耐クラック性との積は、Ｈ（ｒａｋｅ）×Ｗ（ｒａｋｅ）＞５０００ＨＶ１００×Ｎ／μｍ、好ましくは＞１００００ＨＶ１００×Ｎ／μｍ、より好ましくは＞１５０００ＨＶ１００×Ｎ／μｍである、切削工具。
2. 超硬合金は、ｘ重量％のＮｉ、ｙ重量％のＦｅ、およびｚ重量％のＣｏを含み、５＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１０である、請求項１に記載の切削工具。
3. 金属バインダーはガンマプライム相を含み、好ましくは、ガンマプライム相の平均粒子サイズは、直径が１０～１０００ｎｍであり、より好ましくは、ガンマプライム相の平均粒子サイズは１５～６００ｎｍである、請求項１または２に記載の切削工具。
4. ガンマプライム相はＮｉ_３Ａｌを含む、請求項３に記載の切削工具。
5. 切削工具のすくい面の硬度はＨ（ｒａｋｅ）であり、切削工具のバルク領域の硬度はＨ（ｂｕｌｋ）であり、０．９０＜Ｈ（ｒａｋｅ）／Ｈ（ｂｕｌｋ）＜１．１０である、請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。
6. 切削工具のすくい面で測定される耐クラック性ＷはＷ（ｒａｋｅ）であり、切削工具の逃げ面で測定されるＷはＷ（ｆｌａｎｋ）であり、Ｗ（ｒａｋｅ）／Ｗ（ｆｌａｎｋ）＞５、好ましくは＞８、より好ましくは＞１０である、請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具。
7. 切削工具のすくい面で測定される耐クラック性ＷはＷ（ｒａｋｅ）であり、切削工具のバルク領域で測定されるＷはＷ（ｂｕｌｋ）であり、Ｗ（ｒａｋｅ）／Ｗ（ｂｕｌｋ）＞５、好ましくは＞８、より好ましくは＞１０である、請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具。
8. 切削工具のすくい面上の表面領域で測定される圧縮残留応力は、＞１５００ＭＰａ、好ましくは＞２０００ＭＰａ、より好ましくは＞２２００ＭＰａであり、応力測定は、Ｘ線回折およびＷＣの（２１１）反射を使用するｓｉｎ^２Ψ法でなされる、請求項１から７のいずれか一項に記載の切削工具。
9. 超硬合金は、Ｎｉ含有量が８～１２重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．０２、および重量比が０．０４＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．０７である、請求項１から８のいずれか一項に記載の切削工具。
10. 超硬合金は、Ｎｉ含有量が８～１２重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．０５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．０８、および重量比が０．０４＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．０７である、請求項１から９のいずれか一項に記載の切削工具。
11. 超硬合金中のＷＣの平均粒子サイズは０．２～１０μｍ、好ましくは０．２～５μｍである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の切削工具。
12. 超硬合金は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕの１つ以上を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の切削工具。
13. 前記切れ刃の少なくとも一部の縁半径ＥＲは、１０μｍ～５０μｍ、好ましくは２０μｍ～４０μｍである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の切削工具。
14. 超硬合金基材を含む切削工具を処理する方法であって、
    超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分からなり、硬質成分はＷＣを含み、超硬合金中のＷＣ含有量は、８０～９３重量％であり、超硬合金はＮｉおよびＡｌを含み、超硬合金は、Ｎｉ含有量が３～１３重量％、重量比がＣｏ／Ｎｉ＜０．３３、重量比がＦｅ／Ｎｉ＜０．２５、重量比がＣｒ／Ｎｉ＜０．２５、および重量比が０．０２＜Ａｌ／（Ｎｉ＋Ｃｏ＋Ｆｅ）＜０．１であり、切削工具（１）は、すくい面（２）、逃げ面（３）、およびそれらの間の切れ刃を含み、ショットピーニングは、少なくともすくい面（２）上で行われ、方法は、切削工具のすくい面をショットピーニングするステップを含む、方法。
15. ショットピーニングは１００～６００℃の温度で行われる、請求項１４に記載の方法。
    

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