JP5087743B2 - 被覆切削工具インサート - Google Patents
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Description
本発明は、刃先の堅牢性を犠牲とすることなしに高温度に耐える能力を備え、かつ高い切削速度における湿潤条件及び乾燥条件での仕上げ削りから荒削りの範囲内における低合金鋼と炭素鋼と強靱鋼との旋削のために特に有用である高性能の被覆切削工具インサートに関する。このインサートは、ＷＣと、立方晶炭化物と、塑性変形に対する卓越した耐久性と高い靭性性能とを切削インサートに与えるコバルト富化表面区域を有するＣｏバインダ相と、を主成分としている。さらに、この被膜は、幾つかの耐摩耗性の層を備え、驚くほど改良された切削性能を工具インサートに与える表面後処理にさらされる。
今日の切削工具の大半が、ＴｉＣ、ＴｉＣxＮy、ＴｉＮ、ＴｉＣxＮyＯz、及びＡｌ2Ｏ3のような幾つかの硬質層によって被覆されている超硬合金インサートに基づいている。個々の層の順序と厚さが、様々な切削用途分野と被加工物材料とに適合するように慎重に選択される。最も頻繁に使用される被覆方法が化学気相成長法（ＣＶＤ）と物理気相成長法（ＰＶＤ）である。ＣＶＤ被覆インサートは、特に、非被覆インサートに比べて、逃げ面及びクレータの耐摩耗性に関して顕著な利点を有する。
ＣＶＤ法は、９５０℃から１０５０℃の非常に高い温度範囲で行われる。この高い蒸着温度と、溶着させられる被覆材料と超硬合金工具インサートとの間の熱膨張係数の不整合とのために、ＣＶＤは、冷却亀裂と高い引張応力（時として１０００ＭＰａまで）とを有する被膜を結果的に生じさせる可能性がある。この高い引張応力は、特定の切削条件下においては、冷却亀裂が超硬合金本体の中にさらに伝搬することを引き起こして刃先の破損の原因となることがあるので、不利である可能性がある。
金属切削産業においては、切削条件限界、すなわち、低速度での断続切削中の破損または剥離に耐える能力を犠牲することなしに、より高い切削速度に耐える能力を増大させることに常に努力が払われている。
応用範囲における重要な改良が、バインダ相富化表面区域と最適化されたより厚い被膜とをインサートに組み合わせることによって実現されている。
しかし、被膜厚さの増大に伴って、被膜の層間剥離の可能性の増大と切削工具の信頼性を低下させる靭性の低下との形でのマイナスの効果の増大が、耐摩耗性に対するプラスの効果を上回る。このことが、特に、低炭素鋼とステンレス鋼とのようなより柔らかい被加工物材料に対して、及び被膜厚さが５−１０μｍを超える時に、当てはまる。さらに、厚い被膜は、一般的に、低炭素鋼とステンレス鋼とのようなスミアリング材料を切削する時にはマイナスの特徴である、より不均一な表面を有する。解決策が、例えば欧州特許第０２９８７２９号と欧州特許第１３０６１５０号と欧州特許第０７３６６１５号のような幾つかの特許に開示されているように、ブラシ研磨または湿式ブラストによる被膜の後からの平滑化作業を加えることであることが可能である。米国特許第５，８６１，２１０号では、その目的が、例えば、滑らかな刃先を実現することと、すくい面上の最も外側の層としてＡｌ2Ｏ3を露出させて、摩耗検出層として使用される逃げ側面上のＴｉＮを残すこととであった。剥離に対する高い耐久性を有する被膜が得られる。
例えば湿式ブラスト法または乾式ブラスト法のような、例えば被膜表面のような表面を機械的衝撃に対して曝すあらゆる後処理方法が、被膜の表面仕上げと応力状態（σ）に対して何らかの影響を与える。
強烈なブラスト衝撃が、ＣＶＤ被覆における引張応力を低下させることがあるが、このことは、冷却亀裂に沿った溝の形成による被膜表面仕上げの逸失という代償を伴うか、または、被膜の層間剥離さえも生じさせる可能性がある。
非常に強烈な処理が、さらには、応力状態の大きな変化、例えば、乾式ブラスト法が使用されている欧州特許第Ａ−１３１１７１２号に開示されているような高度の引張り状態から高度の圧縮状態への応力状態の変化を生じさせることがある。
現在では、特定の超硬合金基体組成と特定の被膜構造及び厚さとの組み合わせを有し、かつ、調整された条件下で湿式ブラスト法によって後処理された切削工具インサートが、従来技術の切削工具インサートの場合よりも広範囲の用途において卓越した切削特性を実現するということが、驚くべきことに発見されている。
コバルトバインダ相がＷと共に高合金化される。このバインダ相中のＷの含有量はＣＷ比として表されることが可能である。
ＣＷ比＝Ｍs／（ｗｔ−％Ｃｏ＊０．０１６１）
前式中で、Ｍs＝測定された飽和磁化（ｈＡｍ2／ｋｇ単位）であり、ｗｔ−％Ｃｏは超硬合金中のコバルト含有量である。低いＣＷ比は、Ｃｏバインダ相中の高Ｗ含有量に対応する。使用される後処理が、被膜に対して適切な引張応力レベルをもたらし、Ａｌ2Ｏ3層に特定の重要な結晶学的な特徴を与え、且つ卓越した表面仕上げを伴う頂部表面を実現する。
ＣＷ比＝Ｍs／（ｗｔ−％Ｃｏ＊０．０１６１）
前式中で、Ｍs＝測定された飽和磁化（ｈＡｍ2／ｋｇ単位）であり、ｗｔ−％Ｃｏは超硬合金中のコバルト含有量である。低いＣＷ比は、Ｃｏバインダ相中の高Ｗ含有量に対応する。使用される後処理が、被膜に対して適切な引張応力レベルをもたらし、Ａｌ2Ｏ3層に特定の重要な結晶学的な特徴を与え、且つ卓越した表面仕上げを伴う頂部表面を実現する。
ブラスト技術との上述の組み合わせは、性能を犠牲にせずに適用されることが可能な被膜厚さの限界を効果的に拡大する。本発明の結果として、他の追従を許さない広さの応用範囲が実現可能である。靭性挙動と被膜接着とに関して実現されたこの大きな改善は驚くべきものであった。
ブラストによって被膜の応力状態を大きく変化させるために、例えばＡｌ2Ｏ3グリットのようなブラスト媒体が、強い衝撃を伴って被膜表面に衝突しなければならない。この衝撃力は、例えば、ブラストパルプ圧力（湿式ブラスト法）と、ブラストノズルと被膜表面との間の距離と、ブラスト媒体の粒度と、ブラスト媒体の濃度と、ブラストジェットの衝突角とによって、調整されることが可能である。
本発明の目的は、刃先の堅牢性または靭性を犠牲とすることなしに高温度に耐える能力を有する、向上した靭性特性を持つＣＶＤ被覆工具インサートを提供することである。
図１は、Ｘ線測定による残留応力の評価のためのゴニオメータ機構を示し、この機構では、
Ｅ＝オイラー １／４クレードル、
Ｓ＝試料、
Ｉ＝入射Ｘ線ビーム、
Ｄ＝回折Ｘ線ビーム、
θ＝回折角、
ω＝θ、
ψ＝オイラー １／４クレードルに沿った傾斜角、
φ＝試料軸線を中心とした回転角。
Ｅ＝オイラー １／４クレードル、
Ｓ＝試料、
Ｉ＝入射Ｘ線ビーム、
Ｄ＝回折Ｘ線ビーム、
θ＝回折角、
ω＝θ、
ψ＝オイラー １／４クレードルに沿った傾斜角、
φ＝試料軸線を中心とした回転角。
したがって、本発明は、被膜と炭化物基体とを備える、少なくとも１つのすくい面と少なくとも１つの逃げ面とを有する、概ね多角形または円形の本体を備える、被覆切削工具インサートに関する。この本体は、４．４−６．６ｗｔ％のＣｏ、好ましくは５．０−６．０ｗｔ％のＣｏ、最も好ましくは５．０−５．８ｗｔ％のＣｏと、４−８．５ｗｔ％の立方晶炭化物と、残分のＷＣ、好ましくは８５−９１ｗｔ％のＷＣ、最も好ましくは８７−９０ｗｔ％のＷＣという組成を有し、且つ好ましくは１−４μｍの平均粒度と、０．７８−０．９２の範囲内のＣＷ比と、立方晶炭化物ＴｉＣ、ＴａＣ及び／またはＮｂＣが枯渇した表面区域とを有する。
立方晶炭化物が枯渇した上記の表面区域は、１０μｍから、代わりとして１５μｍから、または代わりとして２０μｍから、４０μｍまでの、代わりとして３５μｍまでの、代わりとして３０μｍまでの、または代わりとして２５μｍまでの厚さを有する。
この被膜は、少なくとも１つのＴｉＣｘＮｙ層と、１００％のα−Ａｌ2Ｏ3の高結晶性の層とを含む。こうしたα−Ａｌ2Ｏ3層の１つが、すくい面上のかつ刃先線に沿った最も外側の可視的な層であり、且つこの層は、Ａｌ2Ｏ3層とＴｉＣxＮy層の両方における引張応力の緩和を生じさせるために、十分に高いエネルギーで強烈に湿式ブラストされることが可能である。最も外側のＡｌ2Ｏ3層は、少なくともすくい面上の削屑接触区域内においては、非常に滑らかな表面を有する。
概ね多角形または円形の本体を備える被覆切削工具インサートが少なくとも１つのすくい面と少なくとも１つの逃げ面とを有する場合に、著しい向上した靱性性能が実現されることが可能であるということが、驚くべきことに発見されており、上記インサートは、
− ３μｍから、好ましくは４μｍから、より好ましくは５μｍから、最も好ましくは６μｍから、１５μｍまでの、好ましくは１３μｍまでの、最も好ましくは１０μｍまでの厚さを有し、且つＭＴＣＶＤによって生産されることが好ましく、且つ５０−５００ＭＰａの引張応力、好ましくは５０−４５０ＭＰａの引張応力、最も好ましくは５０−４００ＭＰａの引張応力を有し、且つｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１である、最後から２番目のＴｉＣxＮy層と、
− ３μｍから、好ましくは３．５μｍから、最も好ましくは４μｍから、１２μｍまでの、好ましくは１１μｍまでの、最も好ましくは１０μｍまでの厚さを有し、原子間力顕微鏡検査（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの区域全体にわたって測定された、少なくともすくい面の削屑接触区域内における、平均粗度Ｒａ＜０．１２μｍ、好ましくはＲａ≦０．１０μｍを有し、且つＩ（０１２）／Ｉ（０２４）≧１．３の、好ましくは≧１．５のＸＲＤ回折強度（ピーク高さからバックグラウンドを差し引く）比を有する、すくい面上のかつ刃先線に沿った最も外側の層である、外側α−Ａｌ2Ｏ3層、
という特徴を有するように、少なくとも部分的に被覆されて、生産される。
− ３μｍから、好ましくは４μｍから、より好ましくは５μｍから、最も好ましくは６μｍから、１５μｍまでの、好ましくは１３μｍまでの、最も好ましくは１０μｍまでの厚さを有し、且つＭＴＣＶＤによって生産されることが好ましく、且つ５０−５００ＭＰａの引張応力、好ましくは５０−４５０ＭＰａの引張応力、最も好ましくは５０−４００ＭＰａの引張応力を有し、且つｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１である、最後から２番目のＴｉＣxＮy層と、
− ３μｍから、好ましくは３．５μｍから、最も好ましくは４μｍから、１２μｍまでの、好ましくは１１μｍまでの、最も好ましくは１０μｍまでの厚さを有し、原子間力顕微鏡検査（ＡＦＭ）によって１０μｍ×１０μｍの区域全体にわたって測定された、少なくともすくい面の削屑接触区域内における、平均粗度Ｒａ＜０．１２μｍ、好ましくはＲａ≦０．１０μｍを有し、且つＩ（０１２）／Ｉ（０２４）≧１．３の、好ましくは≧１．５のＸＲＤ回折強度（ピーク高さからバックグラウンドを差し引く）比を有する、すくい面上のかつ刃先線に沿った最も外側の層である、外側α−Ａｌ2Ｏ3層、
という特徴を有するように、少なくとも部分的に被覆されて、生産される。
ＴｉＣｘＮｙ層とα−Ａｌ2Ｏ3層との間に薄い０．２−２μｍのＴｉＣxＮyＯz結合層が存在し、ｘ≧０、ｚ＞０且つｙ≧０であることが好ましい。これらの２つの層の合計厚さが２５μｍ以下である。
さらに、本発明によって、５μｍ未満の合計被膜厚さに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｗ及びＡｌから選択される金属元素を有する金属窒化物及び／または炭化物及び／または酸化物で構成されている追加の層が、基体と上記の層との間の被膜構造の中に組み入れられることが可能である。
ＴｉＣxＮy層内に多少の引張応力を残すことが好ましいが、これは、こうした生じさせられた圧縮応力が、依然として存在している多少の引張応力を被膜が有する場合に比較して、切削動作中に生じる温度上昇に関して安定していなかったということが発見されたからである。さらに、圧縮応力がブラストによって生じさせられる場合には、非常に大きなブラスト衝撃力が必要とされ、且つこうした条件の下では、その被膜の剥離が刃先に沿って頻繁に発生するということも発見された。
内側ＴｉＣxＮy層の残留応力σは、Ｉ．Ｃ．Ｎｏｙａｎ，Ｊ．Ｂ．Ｃｏｈｅｎ，Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８７（ｐｐ．１１７−１３０）によって説明されている公知のｓｉｎ2ψ法を使用してＸＲＤ測定によって求められる。この測定は、図１に示されているゴニオメータ機構を用いたＴｉＣxＮy（４２２）反射上のＣｕＫα放射線を使用して行われる。この測定は、可能な限り平坦な表面上で行われる。０−０．５のｓｉｎ2ψ範囲（ψ＝４５°）内の等距離の６個から１１個のψ角に関して側斜法（ψジオメトリ）を使用することが推奨される。９０°のφセクタ内のφ角の等距離分布も好ましい。２軸応力状態を確認するために、試料は、ψに傾斜されられると同時にφ＝０°且つ９０°に回転させられるだろう。剪断応力の存在の可能性を調査することが推奨され、且つしたがって、正及び負のψ角の両方が測定されるだろう。オイラー １／４クレードルの場合には、これは、異なるψ角に関してφ＝１８０°及び２７０°においても試料を測定することによって実現される。このｓｉｎ2ψ法は、好ましくは、ＭＴＣＶＤ Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の場合に定数ヤング係数Ｅ＝４８０ＧＰａ及びポアゾン比ν＝０．２０を用いてＢｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製のＤＩＦＦＲＡＣPlus Ｓｔｒｅｓｓ３２ ｖ．１．０４のような何らかの市販のソフトウェアを使用し、且つ疑似フォークト関数（Ｐｓｅｕｄｏ−Ｖｏｉｇｔ−Ｆｉｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を使用して反射を発見することによって、残留応力を評価するために使用される。次の場合には、Ｅ係数＝４８０ＧＰａ及びポアゾン比ｖ＝０．２０というパラメータが使用される。２軸応力状態の場合には、引張応力は、得られた２軸応力の平均として算出される。
α−Ａｌ2Ｏ3の場合には、必要とされる高い２θ角ＸＲＤ反射が過剰に弱い場合が多いので、ｓｉｎ2ψ法を使用することが一般的に不可能である。しかし、α−Ａｌ2Ｏ3の状態を切削性能に関係付ける有効な別の測定が発見されている。
α−Ａｌ2Ｏ3粉末の場合には、回折強度比Ｉ（０１２）／Ｉ（０２４）は１．５に近い。粉末回折ファイルＪＣＰＤＳ Ｎｏ．４３−１４８４が強度Ｉ0（０１２）＝７２且つＩ0（０２４）＝４８を示している。超硬合金上の引張応力（σ約＞３５０ＭＰａ）ＣＶＤ α−Ａｌ2Ｏ3層の場合には、強度比Ｉ（０１２）／Ｉ（０２４）は、驚くべきことに、期待値１．５よりも著しく低く、多くの場合には１未満である。これは、引張応力によって生じさせられる結晶格子の何らかの不規則性を原因とするだろう。こうした層が、例えば強烈なブラスト作業によって応力緩和される時に、または、基体からすでに完全に取り除かれて粉末化されている場合には、回折強度比Ｉ（０１２）／Ｉ（０２４）は１．５により近くなるか、１．５に等しくなるか、または、さらには１．５よりも大きくなるということが発見されている。加えられるブラスト力が大きければ大きいほど、この回折強度比は高いだろう。したがって、この強度比はα−Ａｌ2Ｏ3層の重要な状態特徴として使用されることが可能である。
本発明によって、切削工具インサートが、最後から２番目のＴｉＣxＮy層と外側のα−Ａｌ2Ｏ3層とを含むＣＶＤ被膜を備える。このＡｌ2Ｏ3は、組織係数ＴＣ（０１２）＞１．３、好ましくは＞１．５を有する０１２方向における結晶組織をＡｌ2Ｏ3層に与える欧州特許第６０３１４４号によって形成されることが可能であり、または、組織係数ＴＣ（１１０）＞１．５を有する１１０方向における組織を与える米国特許第５，８５１，６８７号と同第５，７０２，８０８号とにしたがって形成されることが可能である。高度の表面平滑性と低い引張応力レベルとを得るために、その被膜は、約１０−２０秒／インサートの場合に、２．２−２．６バールの空気圧において、水中のＡｌ2Ｏ3のＦ１５０グリット（ＦＥＰＡ規格）から成るスラリーを用いる湿式ブラスト作業を受ける。スプレーガンが９０°の噴霧角を伴ってインサートから約１００ｍｍの距離に配置される。インサートは、黒いすくい面とは異なる色を逃げ側面に有する。ＴｉＮ（黄色）、ＴｉＣxＮy（灰色またはブロンズ色）、ＺｒＣxＮy（赤みがかった色またはブロンズ色）（この場合にｘ≧０、ｙ≧０、かつ、ｘ＋ｙ＝１）、または、ＴｉＣ（灰色）の、最も外側の０．１−２．０μｍの薄い着色層が溶着させられることが好ましい。その次に、そのインサートはブラストされ、最上部の層を取り除いて黒色のＡｌ2Ｏ3層を露出させる。すくい面上の被膜は、低い望ましい引張応力５０−５００ＭＰａを有し、一方、逃げ側面は５００−７００ＭＰａの範囲内の高い引張応力を有し、且つすくい面上の引張応力は、被膜の選択と、使用される超硬合金インサートの熱膨張係数（ＣＴＥ）とに応じて、逃げ面上の引張応力よりも低い。本発明の別の実施形態では、被覆されたインサートがすくい面と逃げ側面との両方においてブラストされ、且つ使用される刃先を識別する可能性を得るために、着色耐熱性塗料が逃げ側面上に噴霧されるか、または、着色ＰＶＤ層が逃げ側面上に溶着させられる。
実施例１
次の試料が調製された。
Ａ）約２μｍの平均粒度を有し、かつ、立方晶炭化物が枯渇した厚さ約２９μｍの表面区域を有する、５．５ｗｔ％のＣｏと、２．９ｗｔ％のＴａＣと、０．５ｗｔ％のＮｂＣと、１．４ｗｔ％のＴｉＣと、０．９ｗｔ％のＴｉＮと、残分のＷＣという組成を有する超硬合金切削インサート。
Ｂ）約２μｍの平均粒度を有し、かつ、立方晶炭化物が枯渇した厚さ約１８μｍの表面区域を有する、５．５ｗｔ％のＣｏと、２．９ｗｔ％のＴａＣと、０．５ｗｔ％のＮｂＣと、１．９ｗｔ％のＴｉＣと、０．４ｗｔ％のＴｉＮと、残分のＷＣという組成を有する超硬合金切削インサート。
Ｃ）約２μｍの平均粒度を有し、かつ、立方晶炭化物が枯渇した厚さ約２３μｍの表面区域を有する、５．５ｗｔ％のＣｏと、２．９ｗｔ％のＴａＣと、０．５ｗｔ％のＮｂＣと、１．６ｗｔ％のＴｉＣと、０．７ｗｔ％のＴｉＮと、残分のＷＣという組成を有する超硬合金切削インサート。
次の試料が調製された。
Ａ）約２μｍの平均粒度を有し、かつ、立方晶炭化物が枯渇した厚さ約２９μｍの表面区域を有する、５．５ｗｔ％のＣｏと、２．９ｗｔ％のＴａＣと、０．５ｗｔ％のＮｂＣと、１．４ｗｔ％のＴｉＣと、０．９ｗｔ％のＴｉＮと、残分のＷＣという組成を有する超硬合金切削インサート。
Ｂ）約２μｍの平均粒度を有し、かつ、立方晶炭化物が枯渇した厚さ約１８μｍの表面区域を有する、５．５ｗｔ％のＣｏと、２．９ｗｔ％のＴａＣと、０．５ｗｔ％のＮｂＣと、１．９ｗｔ％のＴｉＣと、０．４ｗｔ％のＴｉＮと、残分のＷＣという組成を有する超硬合金切削インサート。
Ｃ）約２μｍの平均粒度を有し、かつ、立方晶炭化物が枯渇した厚さ約２３μｍの表面区域を有する、５．５ｗｔ％のＣｏと、２．９ｗｔ％のＴａＣと、０．５ｗｔ％のＮｂＣと、１．６ｗｔ％のＴｉＣと、０．７ｗｔ％のＴｉＮと、残分のＷＣという組成を有する超硬合金切削インサート。
Ａ）からＣ）に関する飽和磁化Ｍsが、０．８７のＣＷ比の場合に、０．０７７ｈＡｍ2／ｋｇであることが測定された。Ａ）からＣ）のインサートは、９３０℃において従来通りのＣＶＤ法を使用して０．５μｍ厚のＴｉＮ層で被覆され、且つその次に、８８５℃の温度において処理ガスとしてＴｉＣｌ4、Ｈ2、Ｎ2、及びＣＨ3ＣＮを使用するＭＴＣＶＤ法を使用して７μｍのＴｉＣxＮy層で被覆された。同じ被覆サイクル中の後続の処理段階では、厚さ約０．５μｍのＴｉＣxＯz層が、ＴｉＣｌ4、ＣＯ、及びＨ2を使用して１０００℃で溶着させられ、且つその次に、Ａｌ2Ｏ3処理が厚さ７μｍのα−Ａｌ2Ｏ3層が溶着させられる前に、２％のＣＯ2と３．２％のＨＣｌと９４．８％のＨ2との混合物によって２分間にわたって反応器をフラッシュすることによって凝視された。最上部には厚さ約０．５μｍの薄いＴｉＮ層が溶着させられた。この溶着段階中の処理条件は次の通りである。
TiN TiCxNy TiCxOz Al2O3開始 Al2O3
段階 1及び6 2 3 4 5
TiCl4 1.5% 1.4% 2%
N2 38% 38%
CO2 2% 4%
CO 6%
AlCl3 3.2%
H2S − 0.3%
HCl 3.2% 3.2%
H2 残部 残部 残部 残部 残部
CH3CN − 0.6%
圧力 160mbar 60mbar 60mbar 60mbar 70mbar
温度 930℃ 885℃ 1000℃ 1000℃ 1000℃
時間 30分 4.5時間 20分 2分 7時間
段階 1及び6 2 3 4 5
TiCl4 1.5% 1.4% 2%
N2 38% 38%
CO2 2% 4%
CO 6%
AlCl3 3.2%
H2S − 0.3%
HCl 3.2% 3.2%
H2 残部 残部 残部 残部 残部
CH3CN − 0.6%
圧力 160mbar 60mbar 60mbar 60mbar 70mbar
温度 930℃ 885℃ 1000℃ 1000℃ 1000℃
時間 30分 4.5時間 20分 2分 7時間
追加のインサートが次の通りである。
Ｄ）ＴｉＣxＮy層の厚さが６μｍでありかつα−Ａｌ2Ｏ3層の厚さが１０μｍであるということだけが異なる、Ａ）の場合と同一のタイプの超硬合金切削インサートが、ＴｉＣxＮy溶着時間が４時間でありかつＡｌ2Ｏ3層の溶着時間が１０時間であるということを除いて同一の処理条件を使用して製造された。
Ｅ）ＴｉＣxＮy層の厚さが６μｍでありかつα−Ａｌ2Ｏ3層の厚さが１０μｍであるということだけが異なる、Ｂ）の場合と同一のタイプの超硬合金切削インサートが、ＴｉＣxＮy溶着時間が４時間でありかつＡｌ2Ｏ3層の溶着時間が１０時間であるということを除いて同一の処理条件を使用して製造された。
Ｆ）ＴｉＣxＮy層の厚さが６μｍでありかつα−Ａｌ2Ｏ3層の厚さが１０μｍであるということだけが異なる、Ｃ）の場合と同一のタイプの超硬合金切削インサートが、ＴｉＣxＮy溶着時間が４時間でありかつＡｌ2Ｏ3溶着時間が１０時間であるということを除いて同一の処理条件を使用して製造された。
Ｄ）ＴｉＣxＮy層の厚さが６μｍでありかつα−Ａｌ2Ｏ3層の厚さが１０μｍであるということだけが異なる、Ａ）の場合と同一のタイプの超硬合金切削インサートが、ＴｉＣxＮy溶着時間が４時間でありかつＡｌ2Ｏ3層の溶着時間が１０時間であるということを除いて同一の処理条件を使用して製造された。
Ｅ）ＴｉＣxＮy層の厚さが６μｍでありかつα−Ａｌ2Ｏ3層の厚さが１０μｍであるということだけが異なる、Ｂ）の場合と同一のタイプの超硬合金切削インサートが、ＴｉＣxＮy溶着時間が４時間でありかつＡｌ2Ｏ3層の溶着時間が１０時間であるということを除いて同一の処理条件を使用して製造された。
Ｆ）ＴｉＣxＮy層の厚さが６μｍでありかつα−Ａｌ2Ｏ3層の厚さが１０μｍであるということだけが異なる、Ｃ）の場合と同一のタイプの超硬合金切削インサートが、ＴｉＣxＮy溶着時間が４時間でありかつＡｌ2Ｏ3溶着時間が１０時間であるということを除いて同一の処理条件を使用して製造された。
Ａ）からＦ）によるインサートの溶着Ａｌ2Ｏ3層のＸＲＤ分析が、このＡｌ2Ｏ3層が、次の通りに定義される組織係数ＴＣ（０１２）＝１．６を有するα相だけから成るということを示した。
ＴＣ（０１２）＝（（Ｉ（０１２）／Ｉ０（０１２））｛１／ｎΣ（Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ））｝−１
前式中で、
Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の測定された強度、
Ｉｏ（ｈｋｌ）＝粉末回折ファイルＪＣＰＤＳ Ｎｏ４３−１４８４の標準強度、
ｎ＝計算に使用された反射の数、
使用された（ｈｋｌ）反射は、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）である。
Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の測定された強度、
Ｉｏ（ｈｋｌ）＝粉末回折ファイルＪＣＰＤＳ Ｎｏ４３−１４８４の標準強度、
ｎ＝計算に使用された反射の数、
使用された（ｈｋｌ）反射は、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）である。
Ａ）からＦ）による被覆インサートは、２．４バールのブラスト圧力と２０秒の露出時間とを使用してそのインサートのすくい面をブラストする、上述のブラスト法によって後処理された。
公知の粗度値Ｒａとして表されている被膜表面の平滑性が、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＡＧ（ＳＩＳ）製の装置上においてＡＦＭによって測定された。この粗度は、すくい面上の削屑接触区域内の１０個のランダムに選択された平面表面区域（１０μｍ×１０μｍ）上で測定された。これら１０個のＲａ値から結果的に得られた平均値ＭＲａが０．１１μｍだった。
ブラッグ−ブレンターノ回折計（Ｂｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）であるＳｉｅｍｅｎｓ Ｄ５０００を使用したＸ線回折分析が、Ｃｕ Ｋα放射線を使用してＩ（０１２）／Ｉ（０２４）比を求めるために使用された。
逃げ側面上で得られたＩ（０１２）／Ｉ（０２４）比が約１．４だった。すくい面上の対応する測定が、得られたＩ（０１２）／Ｉ（０２４）比が約２．２であることを示した。
レーザビデオ位置決めと、オイラー １／４クレードルと、Ｘ線源（ＣｕＫα放射線）としての回転アノードと、エリア検出器（Ｈｉ−ｓｔａｒ）とを備えている、Ｘ線回折計であるＢｒｕｋｅｒ Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ−ＧＡＤＤＳ上のψジオメトリを使用して、残留応力が求められた。サイズ０．５ｍｍのコリメータが、ビームを集束させるために使用された。分析が、２θ＝１２６°、ω＝６３°、及びφ＝０°、９０°、１８０°、２７０°というゴニオメータ設定を使用して、ＴｉＣxＮy（４２２）反射に対して行われた。０°から７０°の間の８つのψチルトが、各々のφ角に関して行われた。ｓｉｎ2ψ法が、定数ヤング係数Ｅ＝４８０ＧＰａ及びポアゾン比ν＝０．２０を用いてＢｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製のＤＩＦＦＲＡＣPlus Ｓｔｒｅｓｓ３２ ｖ．１．０４ソフトウェアを使用し、且つ疑似フォークト関数を使用して反射を発見することによって、残留応力を評価するために使用された。２軸応力状態が確認され、且つその平均値が残留応力値として使用された。測定がすくい面と逃げ側面の両方上で行われた。逃げ側面上で得られた引張応力が、Ａ）からＦ）によるインサートに関して約６３０ＭＰａだった。すくい面上での対応する測定が、約３７０ＭＰａの引張応力がＡ）からＣ）によるインサートに関して得られ、且つ約３９０ＭＰａの引張応力がＤ）からＦ）によるインサートに関して得られたことを示した。
実施例２
断続切削を伴う縦方向の旋削作業における靭性に関して、実施例１からのインサートＡ）を試験し、ブラストされていない市販インサート（Ｐ１５エリア内における高性能インサート）に対して比較した。
断続切削を伴う縦方向の旋削作業における靭性に関して、実施例１からのインサートＡ）を試験し、ブラストされていない市販インサート（Ｐ１５エリア内における高性能インサート）に対して比較した。
材料：炭素鋼ＳＳ１３１２
切削データ：
切削速度＝１２０ｍ／分
切削深さ＝１．５ｍｍ
送り ＝０．１５ｍｍで開始し、刃先の破損まで０．０８ｍｍ／分ずつ段階的に増大させた。
各々の変型の１０個の刃先を試験した。
インサート型式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
結果： 破損時の平均送り
市販インサート ０．２４４ｍｍ／回転
実施例１からのインサートＡ） ０．２７５ｍｍ／回転
切削データ：
切削速度＝１２０ｍ／分
切削深さ＝１．５ｍｍ
送り ＝０．１５ｍｍで開始し、刃先の破損まで０．０８ｍｍ／分ずつ段階的に増大させた。
各々の変型の１０個の刃先を試験した。
インサート型式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
結果： 破損時の平均送り
市販インサート ０．２４４ｍｍ／回転
実施例１からのインサートＡ） ０．２７５ｍｍ／回転
実施例３
断続切削を伴う縦方向の旋削作業における靭性に関して、実施例１からのインサートＤ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
断続切削を伴う縦方向の旋削作業における靭性に関して、実施例１からのインサートＤ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
材料：炭素鋼ＳＳ１３１２
切削データ：
切削速度＝ １４０ｍ／分
切削深さ＝ １．５ｍｍ
送り＝ ０．１５ｍｍで開始し、刃先の破損まで０．０８ｍｍ／分ずつ段階的に増大させた。
各々の変型の１０個の刃先を試験した。
インサート型式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
結果： 破損時の平均送り
市販インサート ０．２３２ｍｍ／回転
実施例１からのインサートＤ） ０．３１５ｍｍ／回転
切削データ：
切削速度＝ １４０ｍ／分
切削深さ＝ １．５ｍｍ
送り＝ ０．１５ｍｍで開始し、刃先の破損まで０．０８ｍｍ／分ずつ段階的に増大させた。
各々の変型の１０個の刃先を試験した。
インサート型式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
結果： 破損時の平均送り
市販インサート ０．２３２ｍｍ／回転
実施例１からのインサートＤ） ０．３１５ｍｍ／回転
実施例４
ＳＳ２５４１の面削り作業における総塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＡ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
ＳＳ２５４１の面削り作業における総塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＡ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
切削データ：
切削速度＝ ２２０ｍ／分
送り＝ ０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝ ２ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．５ｍｍ
結果： 工具寿命に達するのに要した機械加工サイクル数
市販インサート ６５
実施例１からのインサートＡ） ８５
切削速度＝ ２２０ｍ／分
送り＝ ０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝ ２ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．５ｍｍ
結果： 工具寿命に達するのに要した機械加工サイクル数
市販インサート ６５
実施例１からのインサートＡ） ８５
実施例５
ＳＳ２２４４−０５の旋削における刃先付近の塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＡ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
ＳＳ２２４４−０５の旋削における刃先付近の塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＡ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
切削データ
切削速度＝２００ｍ／分
送り ＝０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝２．５ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．４ｍｍ
結果
工具寿命に達するのに要した機械加工サイクル数
市販インサート １９
実施例１からのインサートＡ） ２７＊
＊インサートＡ）対する試験は、規定された工具寿命判定基準に依然として達しないまま、２７サイクル後に時期尚早に終了させられた。
切削速度＝２００ｍ／分
送り ＝０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝２．５ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．４ｍｍ
結果
工具寿命に達するのに要した機械加工サイクル数
市販インサート １９
実施例１からのインサートＡ） ２７＊
＊インサートＡ）対する試験は、規定された工具寿命判定基準に依然として達しないまま、２７サイクル後に時期尚早に終了させられた。
実施例３から実施例５は、本発明による実施例１からのインサートＡ）とインサートＤ）とが、従来技術によるインサートに比較して、より優れた靭性挙動と組み合わされた、著しくより優れた塑性変形に対する耐久性を有するということを示す。
実施例６
断続切削を伴う縦方向の旋削作業における靭性に関して、実施例１からのインサートＢ）、Ｃ）、Ｅ）、Ｆ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
断続切削を伴う縦方向の旋削作業における靭性に関して、実施例１からのインサートＢ）、Ｃ）、Ｅ）、Ｆ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
材料：炭素鋼ＳＳ１３１２
切削データ
切削速度＝１５０ｍ／分
切削深さ＝１．５ｍｍ
送り ＝０．１５ｍｍで開始し、刃先の破損まで０．０８ｍｍ／分ずつ段階的に増大させた。
各々の変型の１０個の刃先を試験した。
インサート型式： ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
切削データ
切削速度＝１５０ｍ／分
切削深さ＝１．５ｍｍ
送り ＝０．１５ｍｍで開始し、刃先の破損まで０．０８ｍｍ／分ずつ段階的に増大させた。
各々の変型の１０個の刃先を試験した。
インサート型式： ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
結果
破損時の平均送り（ｍｍ／回転）
市販インサート ０．２０６
Ｂ） ０．２７０
Ｃ） ０．２５９
Ｅ） ０．２３０
Ｆ） ０．２１６
破損時の平均送り（ｍｍ／回転）
市販インサート ０．２０６
Ｂ） ０．２７０
Ｃ） ０．２５９
Ｅ） ０．２３０
Ｆ） ０．２１６
実施例７
ＳＳ２５４１の面削り作業における総塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＢ）及びＣ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
ＳＳ２５４１の面削り作業における総塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＢ）及びＣ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。
切削データ
切削速度＝２００ｍ／分
送り ＝０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝２ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．５ｍｍ
インサート型式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
切削速度＝２００ｍ／分
送り ＝０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝２ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．５ｍｍ
インサート型式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
結果
工具寿命に達するのに要した機械加工のサイクル数
市販インサート ５９．５
Ｂ） ６１
Ｃ） ６３
工具寿命に達するのに要した機械加工のサイクル数
市販インサート ５９．５
Ｂ） ６１
Ｃ） ６３
実施例８
ＳＳ２５４１の面削り作業における総塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＢ）、Ｃ）、Ｅ）、Ｆ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。この試験は、２つの異なるインサートスタイル、すなわち、ＣＮＭＧ１６０６１２−ＰＲ（刃長＝１６ｍｍ）とＣＮＭＧ１９０６１２−ＰＲ（刃長＝１９ｍｍ）とによって代表される、２つの異なるインサートサイズを含んだ。
ＳＳ２５４１の面削り作業における総塑性変形に対する耐久性に関して、実施例１からのインサートＢ）、Ｃ）、Ｅ）、Ｆ）を試験し、実施例２の市販インサートと同じ市販インサートに対して比較した。この試験は、２つの異なるインサートスタイル、すなわち、ＣＮＭＧ１６０６１２−ＰＲ（刃長＝１６ｍｍ）とＣＮＭＧ１９０６１２−ＰＲ（刃長＝１９ｍｍ）とによって代表される、２つの異なるインサートサイズを含んだ。
切削データ：
切削速度＝ ２２０ｍ／分
送り＝ ０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝ ３ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．５ｍｍ
切削速度＝ ２２０ｍ／分
送り＝ ０．３５ｍｍ／回転
切削深さ＝ ３ｍｍ
工具寿命の判定基準：逃げ面摩耗＞＝０．５ｍｍ
結果
工具寿命に達するのに要した機械加工のサイクル数
ＣＮＭＧ１６０６１２−ＰＲ ＣＮＭＧ１９０６１２−ＰＲ
市販インサート ３６ ５０
Ｂ） ５２ ７０
Ｃ） ４５ ５２
Ｅ） ５１ ７７
Ｆ） ５１ ５８
工具寿命に達するのに要した機械加工のサイクル数
ＣＮＭＧ１６０６１２−ＰＲ ＣＮＭＧ１９０６１２−ＰＲ
市販インサート ３６ ５０
Ｂ） ５２ ７０
Ｃ） ４５ ５２
Ｅ） ５１ ７７
Ｆ） ５１ ５８
Ｅ オイラー １／４クレードル
Ｓ 試料
Ｉ 入射Ｘ線ビーム
Ｄ 回折Ｘ線ビーム
θ 回折角
ω θ
ψ オイラー １／４クレードルに沿った傾斜角
φ 試料軸線を中心とした回転角
Ｓ 試料
Ｉ 入射Ｘ線ビーム
Ｄ 回折Ｘ線ビーム
θ 回折角
ω θ
ψ オイラー １／４クレードルに沿った傾斜角
φ 試料軸線を中心とした回転角
Claims (6)
- 少なくとも１つのすくい面と少なくとも１つの逃げ面とを有し、且つ通常は多角形または円形の本体を備える超硬合金の被覆切削工具インサートであって、
前記被覆切削工具インサートは、４．４−６．６ｗｔ％のＣｏと、４−８．５ｗｔ％の立方晶炭化物と、残分のＷＣと、の組成を有し、且つ０．７８−０．９２の範囲内のＣＷ比と、立方晶炭化物ＴｉＣ、ＴａＣ及びＮｂＣが枯渇した厚さ１０−４０μｍの表面区域と、を有し、
前記被覆切削工具インサートは、ｘ≧０、ｙ≧０且つｘ＋ｙ＝１である少なくとも１つのＴｉＣxＮy層を含む厚さ１０−２５μｍの被膜で少なくとも部分的に被覆されており、且つ
α−Ａｌ2Ｏ3層が少なくとも前記すくい面上の外側層であり、且つ
少なくとも１つの前記すくい面上において、
− 前記ＴｉＣxＮy層は、３μｍから１５μｍまでの厚さを有し、且つ、５０−５００ＭＰａの引張応力レベルを有し、
− 前記α−Ａｌ2Ｏ3層は、３μｍから１２μｍまでの厚さを有し、且つ、Ｉ（０１２）／Ｉ（０２４）≧１．３のＸＲＤ回折強度比を有し、且つ少なくともすくい面上の削屑接触区域内における、平均Ｒａ値がＭＲａ＜０．１２μｍを有する最も外側の層であり、且つ
前記少なくとも１つの逃げ面上において、
− 前記ＴｉＣxＮy層は、５００−７００ＭＰａの範囲内の引張応力を有し、
− 前記α−Ａｌ2Ｏ3層は、Ｉ（０１２）／Ｉ（０２４）＜１．５のＸＲＤ回折強度比を有する、
ことを特徴とする被覆切削工具インサート。 - 前記ＴｉＣxＮy層と前記Ａｌ2Ｏ3層との間に、薄い０．２−２μｍのＴｉＣxＮyＯz結合層を有し、ｘ≧０、ｚ＞０、ｙ≧０であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具インサート。
- 前記α−Ａｌ2Ｏ3層は、組織係数ＴＣ（０１２）＞１．３を有する０１２方向の組織を有することを特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具インサート。
- 前記α−Ａｌ2Ｏ3層は、組織係数ＴＣ（１１０）＞１．５を有する１１０方向の組織を有することを特徴とする請求項１−３のいずれか１に記載の被覆切削工具インサート。
- 前記被覆は、５μｍ未満の合計層厚さに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｗ、及びＡｌから選択される金属元素を有する金属窒化物、炭化物及び酸化物の少なくとも一つで構成されている追加の層を含むことを特徴とする請求項１−４のいずれか１に記載の被覆切削工具インサート。
- 前記立方晶炭化物が枯渇した前記表面区域は、１５μｍから３５μｍまでの厚さを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の被覆切削工具インサート。
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-
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- 2007-06-05 EP EP07109583A patent/EP1867755B1/en not_active Revoked
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