JP5087736B2 - 金属切削工具の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、靭性と、耐摩耗性と、被膜の層状剥離に対する抵抗力とに関して顕著な性能を有する金属切削工具の製造方法に関する。
金属を切削するための現代の工具は、摩耗、チッピング、破壊に対する最大限の抵抗力と、塑性変形に対する最大限の抵抗力を組み合わせなければならない。物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、プラズマ活性化化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）法いずれかの手段によって耐摩耗性被膜を付着させることにより、被覆されていないインサートと比べて耐摩耗性を劇的に向上させることができる。被覆されたインサートの耐摩耗性は、被膜の厚さに明らかに依存することがしばしばあるため、加工の大半の用途では、被膜を厚くすることで耐摩耗性を大きく向上させることができる。しかし被膜を厚くすることのプラスの効果を得るための重要な前提条件は、被膜の表面が十分に滑らかで工作物の材料が被膜に固着しないことである。
基材の表面に被膜を堆積させることにより、多くの用途において性能が向上するだけでなく、いくつかの性質にマイナスの影響が及ぶ可能性もある。例えば被膜を厚くするのに必要な長時間かかるＣＶＤ法で、インサートを長時間にわたって高温に曝露すると、インサートの靭性が大きな影響を受ける可能性がある。より厚い被膜の別の問題は、しばしば粒径が大きな粗い表面になることである。その場合には、加工作業の間に工作物の材料がインサートの表面に固着する危険性が大きくなろう。この場合、この種のインサートは、特に要求が非常に厳しい用途において、より薄い被膜と比べて層状に剥離しやすくなる。靭性の低下に加えて被膜の層状剥離の危険性が増大すると、インサートは工作物の形状の影響をより受けやすくなり、比較的早い破損が起こりやすくなり、また、致命的な破損さえ起こりうる。
切削工具のさまざまな性質を釣り合わせることは、難しい作業であるが、市場でさまざまな工具を入手できることを説明される。
被覆されたインサートが突然に破損する危険性を小さくするため、特に、厚い被膜を有するインサートを、コバルトを豊富にした表面領域を持つ基材と組み合わせ、変形耐性の低下を最少にして靭性を大きくすることがしばしばである。
被覆する方法のマイナス効果をカバーするため、及び、被膜そのものの性質をさらに向上させるため、多くの方法がこれまでに利用され、且つ、文献に記載されてきた。しかしそのうちのどれもが、要求の非常に厳しい金属切削という用途で、所望の性質のインサートを実現するのに必要な条件を十分に満たしたことはない。
アメリカ合衆国特許第４，６４３，６２０号には、切削エッジに沿って被膜を薄くすることによって靭性を改善できることが教示されている。
ヨーロッパ特許公開第６９３５７４号には、エッジライン上のＴｉＣＮＯ最上層またはインサート最上部を除去して細かい粒状Ａｌ２Ｏ３層を露出させることにより、エッジでの剥離を劇的に減らしうることが教示されている。また、より滑らかな表面にしても、外側の層として細かい粒状Ａｌ２Ｏ３と組み合わせるのでなければ剥離耐性を向上させるのに十分ではないことも結論されている。
さまざまなブラスト条件が上記特許に詳述されており、ブラスト圧力が１．０〜２．０バール、グリットのサイズが１５０〜３２５メッシュが挙げられている。現在、より高い圧力と、正しい濃度のブラスト用グリットと水を用いることによってブラスト法を最適化すると、インサートの性能を並外れた水準に向上させうることが見いだされた。
本発明の目的は、ＣＶＤで被覆されたインサートを、水とアルミニウム酸化物粉末の混合物を用いて所定の条件にてブラスト／ショットピーニング操作によって処理し、且つさまざまな性質の組み合わせが絶対的に優れたインサートを製造する方法を教示することである。
ブラスト効果は多数の因子の影響を受ける。その因子をいくつか例示すると、粒径、圧力、パルプの濃度、インサートとノズルの距離、曝露時間、組み合わせの数などがある。優れた結果になるあらゆる組み合わせを決めることを試みるのではなく、アメリカ合衆国特許第２，３５０，４４０号に記載されているアルメン試験と呼ばれている方法を利用するほうが簡単である。この試験は、薄い金属ストリップ材をブラスト／ピーニング・ジェットに曝す操作を含んでいる。粒子の衝突によって残留応力の水準が変化し、それが金属ストリップ材を一方向に屈曲させる。屈曲の量を測定すると、ブラスト条件の値と、表面応力に対するその条件の影響がわかる。
本発明によれば、金属切削用の被覆された削工具を製造するため、アルメン値が０．５〜１となる条件下で、ブラスト媒体を混合した水流にその被覆された切削工具を曝す方法が提供される。被膜の最も外側の層はＡｌ２Ｏ３であることが好ましい。ブラスト媒体はＡｌ２Ｏ３またはＳｉＣだが、Ａｌ２Ｏ３が好ましい。ブラスト媒体の平均濃度は１５体積％よりも多いが３５体積％未満であることと、平均粒径は７５μｍであることが好ましい。
実施例１
６μｍのＴｉＣＮと４．５μｍのα-アルミニウム酸化物と０．５μｍのＴｉＮで上面を被覆した超硬合金インサートを、本発明に従い、表１に示したさまざまな圧力曝露時間にてブラスト処理した。切削を中断するという過酷な金属切削作業によってすべてのインサートを試験した。それぞれの種類について１０個のインサートを用意し、破壊が起こるまで使用して時間を記録した。
表１．さまざまな圧力と曝露時間にしたときに破壊するまでの時間
時間＼圧力 P=2.0バール P=2.2バール P=2.4バール
0秒（処理せず） 50秒 − −
15秒 86秒 100秒 123秒
30秒 110秒 − 164秒
明確に示されたように、破壊耐性の向上は、最大の圧力で最も長時間にわたってブラスト処理したインサートにおいては約３倍である。
実施例２
最も薄い種類の測定用ストリップ材であるＮ−ストリップ材グレード１−Ｓをインサートのブラスト処理のための典型的な条件で処理した。粒径、パルプ密度、ノズルの距離、時間といった因子を同じにして圧力だけを代えた。結果を表２に示す。
表２．さまざまな圧力におけるストリップ材のたわみ
P=1.8バール P=2.0バール P=2.2バール P=2.4バール P=2.6バール
たわみの 0.011 0.016 0.021 0.028 0.033
大きさ(mm)
アルメン 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
値
最大の圧力を加えたインサートは、エッジラインの被膜が剥がれやすいが、実際の製造における値として２．６バールやアルメン値が１．１というのは大きすぎる。

Claims (3)

  1. 被膜を被覆された金属切削工具を製造する方法であって、アルメン値が０．５〜１となる条件下で、ブラスト媒体を混合した水流に、前記被覆された金属切削工具を曝し、該ブラスト媒体の平均濃度が１５体積％よりも多いが３５体積％未満であり、該被膜の最も外側の層がＡｌ ２ Ｏ ３ であることを特徴とする方法。
  2. 上記ブラスト媒体がアルミニウム酸化物またはＳｉＣであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 上記ブラスト媒体の平均粒径が７５μｍであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
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