JP5608269B2 - 複合材料品 - Google Patents

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Description

本発明は、概して、複合材料品、例えば、工具素材、切削工具インサート、スペードドリルインサート、およびボールノーズエンドミル等の異なる複合材料の領域を含む複合構造体を有する複合材料品に関する。
本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態は、少なくとも第１の複合材料および第２の複合材料を含み、第１のおよび第２の複合材料の各々は、個々に、結合剤中に硬質粒子を含み、第１の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度は、第２の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度と異なる。また、本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態において、第１複合材料のおよび第２の複合材料のうちの一方が、結合剤中にルテニウムを含み、第１の複合材料および第２の複合材料のうちの他方は、ルテニウムを含まないか、または偶発的濃度以下のルテニウムを結合剤中に含む。本開示による複合材料品の実施例は、例えば、ターニング加工、フライス加工、ねじ切り加工、溝彫り加工、ドリル加工、リーマ加工、座繰り加工、カウンターボア加工、およびエンドミル加工等の切削作業に使用される超硬合金工具を含むが、これらに限定されない。
金属および金属系（すなわち、金属含有）合金の機械加工に使用される切削工具インサートは、一般に複合材料から製造される。複合材料は、工具鋼およびセラミクス等の一部の他の工具材料と比較して、強度、靭性、および磨耗抵抗等の機械的特性の魅力的な組み合わせを提供する。超硬合金等の複合材料から作製された従来の切削工具インサートは、「一体」構造に基づいており、これは単一等級の超硬合金から製造されていることを意味する。したがって、従来の一体型切削工具は、工具全体にわたるすべての場所で、実質的に同一の機械的および化学的特性を有する。
超硬合金材料、またはより単純に「炭化材料」または「炭化物」は、少なくとも２つの相、つまり少なくとも１つの硬質粒子状セラミック成分と、金属結合剤のより柔らかい基質とを含む。硬質セラミック成分は、例えば、いかなる炭化物形成元素、例えば、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、タンタル、タングステン、およびニオブ等の炭化物であってもよい。一般的な、非限定的な実施例は、タングステンカーバイドである。結合剤は、金属または金属合金であってもよく、典型的にはコバルト、ニッケル、鉄、またはこれらの金属のいずれかの合金であってもよい。結合剤は、三次元に相互接続された連続な基質中でセラミック成分を「固化」する。当技術分野において知られているように、超硬合金は、少なくとも１つの粉末セラミック成分および少なくとも１つの粉末金属結合材料を含む粉末を統合することにより製造され得る。
超硬合金の物理的および化学的特性は、材料を生成するために使用される冶金粉末の個々の構成要素に一部依存する。特定の超硬合金の特性は、例えば、セラミック成分の化学組成、セラミック成分の粒子サイズ、結合剤の化学組成、およびセラミック成分に対する結合剤の重量比または体積比により決定される。冶金粉末の構成成分を変化させることにより、特定の切削用途に適合した独特の特性を有する切削工具、例えばインデックス式インサートを含む切削工具インサート、ドリル、およびエンドミル等を生成することができる。
現代の金属材料の機械加工に関与する用途において、所望の品質および生産性要件を達成するために、強化グレードの炭化物がしばしば利用される。しかしながら、より高いグレードの超硬合金からなる一体構造炭化物構造を有する切削工具インサートは、主に材料費が高いために、製造費用が高価である。加えて、インサートの種々の領域に課される異なる要求に適合するために、単一グレードの炭化物材料からなる従来のインデックス式一体構造切削インサートの組成を最適化することが困難である。
２つ以上の異なる炭化物材料またはグレードで作製された複合材料回転工具が、米国特許第６，５１１，２６５号に記載されている。この時点では、複合炭化物切削工具インサートは、回転切削工具より製造が困難である。例えば、切削インサートは、典型的には、回転切削工具よりずっと小さい。また、現在の切削工具インサートの幾何学形状、特に、刃先およびチップブレーカー構成は、本質的に複雑である。切削工具インサートについては、最終製品は、加圧および焼結プロセスにより生成され、該プロセスはまた、後続の研削作業を含んでもよい。
１９８３年に発行された米国特許第４，３８９，９５２号は、第１に炭化物粉末および液体溶媒の混合物を含有するスラリーの製造、次いで、異なる炭化物の圧粉成形体上への混合物の表面層の塗布またはスプレーによる、複合超硬合金工具の革新的作製方法を記載している。このようにして作製された複合炭化物工具は、コア領域と表面層との間で異なる明確な機械的特性を有する。この方法の記載されている用途は、岩に穴あけを行う工具、採鉱工具、および金属機械加工用インデックス式切削工具インサートの製造を含む。しかしながら、米国特許第４，３８９，９５２号に記載されるスラリーによる方法は、チップブレーカー幾何学形状を有さないか、またはせいぜい非常に単純なチップブレーカー幾何学形状を有するインデックス式切削インサートの作製にのみ適用可能である。これは、スラリーの厚い層が、インサートのチップブレーカー幾何学形状を改変するためである。広範に使用されているインデックス式切削インサートは特に、種々の被削材料の機械加工の増え続ける需要を満たすために、複雑なチップブレーカー幾何学形状を有さなければならない。加えて、複合材料工具およびインサートのスラリーによる生成方法を実行するには、特殊化された製造作業および生産装置への実質的により大きな投資が必要である。
ルテニウム（Ｒｕ）は、白金族の一要素であり、約２，５００℃の融点を有する硬い光沢のある白色金属である。ルテニウムは室温では変色せず、極めて耐摩耗性の高い合金を形成する効果的な硬化剤として使用することができる。切削工具または切削工具インサートに使用される超硬合金中のコバルト結合剤中にルテニウムを含有させることにより、熱亀裂に対する抵抗を改善し、切削工具または切削工具インサートの刃に沿った亀裂伝播、および本体内部への亀裂伝播を大きく低減することが見出された。典型的な市販の切削工具および切削工具インサートは、約３％から３０％のルテニウムを含む結合剤相を有する超硬合金基材を含んでいてもよい。しかしながら、ルテニウム添加の大きな不利点は、それが比較的に高価な合金構成成分であることである。
超硬合金基材を含む切削工具インサートは、切削性能を高めるために基材表面に１つ以上のコーティング層を備えることができる。超硬合金切削工具のコーティングのための方法は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、物理的気相蒸着（ＰＶＤ）、およびダイヤモンドコーティングを含む。金属および金属合金の機械加工用途のための効率が改善された、安価な切削工具インサートの開発が必要とされている。
本発明は、複合材料品、例えば、工具素材、切削工具インサート、スペードドリルインサート、およびボールノーズエンドミル等の異なる複合材料の領域を含む複合構造体を有する複合材料品を提供することを目的とする。
本開示の一態様によれば、第１の複合材料および第２の複合材料を含む複合材料品が提供される。第１の複合材料および第２の複合材料は、個々に、結合剤中に硬質粒子を含み、第１の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度は、第２の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度と異なる。
本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態において、第１の複合材料の結合剤は、１重量パーセントから３０重量パーセント、３重量パーセントから２５重量パーセント、または８重量パーセントから２０重量パーセントのルテニウムを含む。また、本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態において、第２の複合材料の結合剤は、ルテニウムを含まないか、または偶発的濃度のルテニウムのみを含む。加えて、本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態において、第１の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度および第２の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度は、少なくとも１重量パーセント、少なくとも５重量パーセント、または少なくとも１０重量パーセント異なる。
一部の非限定的な実施形態において、本開示による複合材料品は、切削工具および切削工具インサートのうちの１つである。例えば、本開示による複合材料品の実施形態は、ボールノーズエンドミル、ボールノーズ切削インサート、フライスインサート、スペードドリルインサート、ドリルインサート、ターニング切削インサート、溝彫りインサート、ねじ切りインサート、切断インサート、およびボーリングインサートから選択されてもよい。
別段に指定されない限り、本明細書および請求項において使用される構成成分、時間、温度等の量を表す数はすべて、いかなる場合でも「約」という用語で修飾されると理解されたい。最低限でも、また均等論の適用を特許請求の範囲に限定しようとするものではないものとして、各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の桁数を考慮して、また通常の丸め技術を適用することにより解釈されるべきである。
本発明の広い範囲を示す数値範囲およびパラメータは近似であるにもかかわらず、特定の実施例に示される数値は、可能な限り正確に報告されている。しかしながら、いかなる数値も、そのそれぞれの試験測定において見出される標準偏差から必然的にもたらされる一部の特定の誤差を本質的に含み得る。
読者は、本発明のいくつかの非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を考慮した上で、本発明の前述の詳細および利点、ならびにその他の詳細および利点を理解するであろう。読者はまた、本発明に含まれる実施形態を作製および／または使用した上で、本発明のそのような追加の詳細および利点を理解し得る。
図１ａ〜１ｄは、複合材料の３つの領域を含む本開示による正方形インデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図２ａ〜２ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示による正方形インデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図３ａ〜３ｃは、複合材料の３つの領域を含む本開示による菱形インデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図４ａ〜４ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示による正方形インデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図５ａ〜５ｄは、複合材料の５つの領域を含む本開示による菱形インデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図６ａ〜６ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示によるインデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図７ａ〜７ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示による円形インデックス式切削インサートの実施形態を表す図である。
図８ａ〜８ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示による円形インデックス式切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図９ａ〜９ｃは、複合材料の３つの領域を含む本開示による溝彫りまたは切削インサートの実施形態を表す図である。
図１０ａ〜１０ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示によるスペードドリルインサートの実施形態を表す図である。
図１１ａ〜１１ｃは、図１０ａに表される設計を有するが、複合材料の２つの領域を含む異なる複合構造を有する、スペードドリルインサートの実施形態を表す図である。
図１２は、図１１ａから１１ｃの複合構造を有する、製造されたスペードドリルインサートサンプルの写真である。
図１３ａ〜１３ｃは、複合材料の２つの領域を含む本開示によるボールノーズ切削工具インサートの実施形態を表す図である。
図１４は、図１３ａから１３ｃの複合構造を有する、製造されたボールノーズ切削インサートサンプルの写真である。
図１５ａおよび１５ｂは、正方形形状および４つの丸い角部を有し、複合材料の２つの領域を含む、本開示によるフライス切削インサートの実施形態を表す図である。
図１６ａおよび１６ｂは、図１５における複合構造を有し、上部領域にＸ４４基材を備えるルテニウムを装備した炭化物を、および下部領域にＨ９１基材を備えるルテニウムを装備しない炭化物を含む、複合材料切削工具インサートサンプルの、それぞれ写真および断面図である。
本開示は、例えば、複合材料切削工具インサート、回転切削工具インサート、ドリル加工インサート、フライス加工インサート、スペードドリル、スペードドリルインサート、およびボールノーズインサート等の、独特の複合材料品について説明する。本開示による複合材料品の実施形態は、第１の複合材料および第２の複合材料を含む。本開示による一部の実施形態において、各複合材料は、個々に、結合剤中に硬質粒子を含み、第１の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度は、第２の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度と異なる。一部の非限定的な実施形態において、本開示による複合材料品は、結合剤中にルテニウムを含む第１の複合材料、および、結合剤中にルテニウムを含まないか、または偶発的濃度以下のルテニウムを含む結合剤を含む第２の複合材料を含む。
提示される本開示による複合材料品は、複合炭化物回転工具に関する２００３年１月発行の米国特許番号第６，５１１，２６５号、および複合炭化物切削インサートの製造の方法に関する係属中の米国特許出願整理番号第１１／２０６，３６８号の主題と対比され得る。本開示による一部の複合材料品は、少なくとも、本開示は少なくとも第１の複合材料および第２の複合材料を含む独特の複合材料体構造であって、各複合材料は、個々に、結合剤中に硬質粒子を含み、第１の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度は、第２の複合材料の結合剤中のルテニウム濃度と異なる複合材料体構造について説明しているという理由で、米国特許第６，５１１，２６５号および米国特許出願第１１／２０６，３６８号の主題とは異なる。
超硬合金の結合剤相中にルテニウムを含有させることは、機械加工作業中の切削工具および切削工具インサートにおける熱亀裂に対する改善された抵抗、刃先に沿った、およびそれを超える亀裂伝播の低減、基材中への亀裂伝播の低減、ならびにその他の効果を提供することが見出されている。ルテニウムを含む結合剤中の固化された硬質粒子は、本明細書において、「ルテニウム特性炭化物」と称される。ルテニウムは、切削工具、切削工具インサート、または他の物品の特性に有益な効果を有するために効果的な任意の量で存在し得る。結合剤中の有用なルテニウム濃度の実施例は、例えば、結合剤の総重量を基準として１重量％から３０重量％である。一部の実施形態において、結合剤中のルテニウム濃度は、すべて結合剤の総重量を基準として、３重量％から２５重量％、または８重量％から２０重量％であってもよい。
ルテニウムの添加は著しい効果を提供し得るが、前述のように、これは高価な合金構成成分である。それに関して、本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態、例えば、切削工具および切削工具インサート等は、ルテニウムの存在が切削作業に提供する利点から利益が得られる物品のそれらの領域のみの結合剤中にルテニウムを含み得る。該物品の他の領域、つまりそれらの領域の結合剤中のルテニウムの存在から著しい利益を得ない領域中のルテニウム濃度はゼロであってもよく、またはその他の領域に比べ低減されてもよい。故に、例えば、本開示は、その領域の結合剤中に様々な濃度のルテニウムを有する超硬合金の異なる領域を含む複合材料品を包含する。ルテニウムは、好ましくは、その領域におけるルテニウムの存在により提供される改善された特性から利益を得る物品の当該領域の結合剤中に、比較的に高い濃度で含まれる。ルテニウムは、好ましくは、その領域におけるルテニウムの存在により提供される改善された特性から著しい利益を得ない物品の当該領域の結合剤中には、存在しないか、偶発的量でのみ存在するか、または比較的に低い濃度で存在する。
本開示による複合材料品の一部の非限定的な実施形態において、第１の複合材料の結合剤のルテニウム濃度および第２の複合材料の結合剤のルテニウム濃度は、少なくとも１重量パーセント、少なくとも５重量パーセント、または少なくとも１０重量パーセント異なり、そのような差は、より高いルテニウム濃度からより低いルテニウム濃度を差し引くことにより決定される。結合剤の様々なルテニウム濃度を有する領域から製造された複合材料切削工具および切削工具インサートの一部の実施形態は、例えば、ルテニウムの濃度が物品にわたり均一である一体構造品と比較して、ルテニウムの使用を４０％から９０％（重量）削減することができる。したがって、本開示による、切削工具および切削工具インサート等の複合材料品の構築は、所望の切削特性を犠牲にすることなく、そのような物品を生成するための費用を著しく削減することができる。
本開示による複合材料品の実施形態、例えば、複合材料インサートは、物品の上面および下面の片方または両方にチップ形成幾何学形状を含み得る。複合材料品のチップ形成幾何学形状は、例えば、複雑なチップ形成幾何学形状であってもよい。複雑なチップ形成幾何学形状は、工具すくい面上に種々の構成を有する任意の幾何学形状、例えば瘤、隆起、うね、溝、ランド、後壁、またはそれらの形状の２つ以上の組み合わせ等であってよい。
本明細書で使用される場合、「複合材料品」または「複合材料切削工具」とは、物理的特性、化学的特性、化学組成、および微細構造から選択される１つ以上の特徴において異なる複合材料の別個の領域を有する、物品または切削工具を指す。この定義のために、物品、切削工具、または切削工具インサートに施されるコーティングは、単独で「領域」を構成するものとみなされない。また、本明細書で使用される場合、「複合材料」は、２つ以上の実質的に均質に分布した相を含む材料である。複合材料の実施例は、結合剤中に粒子状セラミック材料を含む超硬合金である。本開示による一部の実施形態において、複合材料の第１の領域は、結合剤中にルテニウムを含み（「ルテニウムを装備した複合材料」）、複合材料の第２の領域は、ルテニウムを含まない（「ルテニウムを装備しない複合材料」）。本開示による複合材料品の一部の実施形態において、別個の領域の間で異なる特徴は、硬度、引張強度、磨耗抵抗、破壊靱性、弾性率、腐食抵抗、熱膨張率、および熱伝導率のうちの少なくとも１つである。
本開示に示されるように構築され得る複合材料インサートは、例えば、材料のターニング加工、ねじ切り加工、溝彫り加工、フライス加工、スロットフライス加工、エンドミル加工、フェイスミル加工、ドリル加工、リーマ加工、座繰り加工、カウンターボア加工、およびタップ加工のためのインサートを含む。１つ以上の特徴において異なるそのような物品の領域の間の境界が存在してもよい。しかしながら、領域間の境界は、典型的には、製造プロセスおよび粉末化金属の本質に起因して、明確な別個の平面境界ではない。本開示による複合材料品を形成するために使用され得るある方法による、ダイまたはモールド中への粉末添加中、例えば、グレード間の界面領域近傍で粉末化金属グレードのある程度の混合があってもよい。したがって、本明細書において使用される場合、複合材料の２つの領域間の「境界」という言及は、２つの領域間の概略的な境界領域を指し、２つの領域は、一方または他方の複合材料を主に構成する。さらに、２つ以上の領域を備える焼結前の成形体の焼結中、領域間で材料のある程度の拡散が生じ得る。
本開示による一部の非限定的な実施形態は、例えば、少なくとも１つの刃先、および複合材料の少なくとも１つの特徴に関して異なる少なくとも２つの領域を含む、複合切削工具インサート等の複合材料品に関する。本開示による複合材料インサートの一部の実施形態は、インデックス式であってもよく、かつ／またはチップ形成幾何学形状を備えてもよい。複合材料の２つ以上の領域の異なる特徴は、少なくとも、２つの領域に含まれる結合剤相中のルテニウム濃度の差に起因するが、また、化学組成（ルテニウム濃度に加えて）および微細構造における変動等、領域の他の特徴における変動に起因し得る。特定の領域の化学組成は、例えば、該領域のセラミック成分および／または結合剤の化学組成、ならびに該領域の炭化物対結合剤の比率の関数である。
本開示による複合材料品は、複合材料を生成するいかなる既知の方法によっても生成することができる。そのような方法の実施例は、参照することによって全体として本明細書に組み入れられる、米国特許出願番号第１１／２０６，３６８号に記載の複合材料品の生成方法を含む。
本開示による物品中に含まれる第１のおよび第２の複合材料の実施例は、個々に、結合剤中に硬質粒子を含む。複合材料の各々における硬質粒子は、独立して、例えば、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらのうちの２つ以上の固体溶液のうちの少なくとも１つを含んでもよく、また結合材料は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、およびこれらの金属の合金のうちの少なくとも１つを含んでもよい。一部の非限定的な実施形態において、硬質粒子は、金属炭化物を含んでもよく、該金属炭化物の金属は、任意の炭化物形成元素、例えば、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、タンタル、タングステン、およびニオブ等から選択される。また、一部の非限定的な実施形態において、第１の複合材料の金属炭化物は、化学組成および平均的粒子サイズのうちの少なくとも１つにおいて、第２の複合材料の金属炭化物と異なる。第１の複合材料の結合材料および第２の複合材料の結合剤は、各々、個々に、例えば、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、および鉄合金のうちの１つ以上の物質を含む。一部の実施形態において、第１の複合材料および第２の複合材料は、個々に、材料の総重量を基準として、２重量パーセントから４０重量パーセントの結合剤、および６０重量パーセントから９８重量パーセントの金属炭化物を含み得る。第１の炭化物グレードの結合剤と、第２の炭化物グレードの結合剤は、結合剤中のルテニウム濃度において異なっていてもよく、また、例えば化学組成、炭化物材料中の結合剤の重量パーセンテージ、金属グレード、またはその両方等他の態様のものにおいても異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、第１の材料は、第２の材料中のルテニウム濃度よりも１重量パーセントから１０重量パーセント、または５重量パーセントから２０重量パーセント高い濃度でルテニウムを含む。本開示による特定の物品中の２種以上の粉末超硬合金グレードは、結合剤中にルテニウムを含んでもよいが、ルテニウムを装備する複合材料の複数の領域を備える実施形態においては、１つの領域の結合剤中のルテニウム濃度は、異なる領域におけるルテニウム濃度と異なることができるものの、他の領域におけるルテニウム濃度と実質的に同様であってもよい。
必然的に限定された数の本開示による複合材料品の実施例を以下に示す。当技術分野において、本開示による実施形態の以下の説明は、複雑な幾何学的構造および／または２つを超える領域の複合材料を有する複合材料インサートの製造に適用され得ることが、当業者に明らかである。例えば、本開示による複合材料品の一部の実施形態は、３つ、４つ、５つ、６つ、またはそれを超える領域の複合材料を有してもよく、各領域は、物品の少なくとも１つの他の領域と、少なくとも１つの特徴において異なる。一部の実施形態の以下の説明は、本発明を制限することを意図せず、一部の可能な実施形態を例示することのみを意図する。
切削工具インサートの実施形態等の本開示による複合材料品の実施形態は、従来の物品よりも低費用で生成することができる可能性がある。費用削減は、物品が使用される際にルテニウムの存在から利益を得る物品の領域中にルテニウムを提供し、一方物品が使用される際にルテニウムの効果が著しい利点を引き出し得ない他の領域中のルテニウムを排除または濃度を制限することにより得ることができる。一部の複合材料切削工具インサート等の、本開示による複合材料品の一部の実施形態の別の利点は、工具設計者が、物品を特定の切削用途に適応するように複合材料品の異なる領域の特徴を調整して作成するのに利用可能な柔軟性である。例えば、本開示による切削インサートの１つの領域における個々の超硬合金材料のサイズ、位置、厚さ、幾何学形状、および／または物理的特性を、具体的な機械加工用途に適合するように選択することができる。
本明細書で使用される場合、切削工具インサートの形態の複合材料品の「コア領域」は、概してインサートの中心部を含むインサートの一部を指す。本明細書で使用される場合、ドリルインサートの形態の複合材料品の「コア領域」は、典型的には回転軸に最も近い刃先である、最も低い切削速度を受ける刃先を含むコア部分を指す。本明細書で使用される場合、切削工具インサートの「表面領域」は、インサートの表面のすべてまたは一部を含む。本明細書で使用される場合、ドリルインサートの「表面領域」は、典型的には回転軸から比較的遠い刃先である、より高い切削速度を受ける刃先の表面を含む。一部のインサートの実施形態において、コア領域は、一部、インサートの表面を含む。
本開示による複合材料インサートの一部の非制限的実施形態は、改善された磨耗抵抗を持つ表面領域を提供するために結合剤中にルテニウムを含む、炭化物材料の表面領域と、コア領域の衝突または衝撃抵抗を増すための比較的に強靭な炭化物材料のコア領域とを有し得る。そのような実施形態において、コア領域は、ルテニウムを含む結合剤を含んでも含まなくてもよく、コア領域にルテニウムが存在する場合は、コア領域の結合剤中のルテニウム濃度は、表面領域中のルテニウム濃度と異なる。このようにして、本開示によるインサートの異なる領域の特徴は、材料を機械材料に対してインサートを使用する間に領域が受ける条件に対応するように最適化され得る。したがって、例えば、本開示により作製される複合材料インデックス式炭化物切削工具インサートは、削減された製造費（一体型インサートと比較した全体のルテニウム含有量の削減による）および改善された機械加工性能（例えば、コアおよび表面領域の１つ以上の特徴を調整することによる）の目的を達成するように設計することができる。
本開示による切削工具および切削工具インサートの一部の実施形態は、例えば、ＰＶＤおよび／またはＣＶＤ方法により施されるコーティングを含んでもよい。コーティングの実施形態は、例えば、周期表のＩＩＩＡ、ＩＶＢ、ＶＢ、およびＶＩＢ族から選択される金属の金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、および金属酸化物のうちの少なくとも１種を含み得る。例えば、本開示による切削工具および切削工具インサート上に含まれ得るコーティングのより具体的な非制限的実施例は、ハフニウム炭素窒化物を含み、また、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムおよび炭素（ＴｉＡｌＮ＋Ｃ）、窒化アルミニウムチタン（ＡｌＴｉＮ）、窒化アルミニウムチタンおよび炭素（ＡｌＴｉＮ＋Ｃ）、窒化チタンアルミニウムおよびタングステンカーバイド／炭素（ＴｉＡｌＮ＋ＷＣ／Ｃ）、窒化アルミニウムチタン（ＡｌＴｉＮ）、窒化アルミニウムチタンおよび炭素（ＡｌＴｉＮ＋Ｃ）、窒化アルミニウムチタンおよびタングステンカーバイド／炭素（ＡｌＴｉＮ＋ＷＣ／Ｃ）、酸化アルミニウム（ＡＩ２Ｏ３）、α−酸化アルミナ、二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、タングステンカーバイド／炭素（ＷＣ／Ｃ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、炭窒化ハフニウム（ＨｆＣＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、炭窒化ジルコニウム（ＺｒＣＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、および炭窒化ホウ素（ＢＣＮ）のうちの１つ以上の物質を含み得る。
本開示による切削工具インサートの一実施形態の実施例を、図１ａから１ｄに示す。切削工具インサート１は、８つ（各側に４つ）のインデックス可能位置を有する。図１ａは、切削工具インサート１の実施形態の三次元図である。上部領域２および下部領域３は、個々に、各領域の結合剤中にルテニウムを含む超硬合金を備える。領域２および３の超硬合金は、同一でも異なっていてもよい。中央領域４は、上部領域２および下部領域３における超硬合金材料とは異なるグレードの超硬合金材料であり、ルテニウムを含まないか、または比較的低い濃度のルテニウムを含む結合剤を含む。切削工具インサート１は、一部の切削条件下で特定の材料群の機械加工を改善するように設計され得る、組込み式または圧入式のチップブレーカー幾何学形状５を有する。図１ｂは、切削工具インサート１の正面図、図１ｃは、切削工具インサート１の上面図、および図１ｄは、切削工具インサート１の断面図である。切削工具インサート１は、直立側壁６および中心孔７を有するインサートの一種である。中心孔７は、切削工具インサート１を切削工具ホルダに固定するために使用することができる。領域２、３、および４は、中心孔７の中心軸Ａに略垂直である境界８および９を有するように示されている。しかしながら、そのような領域は、切削工具設計者が所望するいかなる幾何学形状であってもよい。切削工具インサート１の生成において、炭化物プレス装置の上面および下面のパンチは、軸Ａに実質的に平行な方向に共に移動することができる。
図２ａから２ｃは、上面側の組込み式チップブレーカー１２、４つの刃先１３、４つの丸型刃先１４、および中心孔１５を備えた正方形形状を有する本開示による複合材料インデックス式切削工具インサート１１を示す。切削インサート１１は、４回インデックス可能である。図２ａは、切削工具インサート１１の三次元図であり、上面領域１８は第１の炭化物グレードを含み、下面領域１９は第２の炭化物グレードを含み、第１の炭化物グレードおよび第２の炭化物グレードは、それぞれの結合剤中のルテニウム濃度が異なる。組込み式または圧入式チップブレーカー幾何学形状１２は、一部の切削条件下での特定の材料群の機械加工を改善するように設計される。図２ｂは、切削工具インサート１１の断面図、図２ｃは、切削工具インサート１１の上面図である。そのような切削工具インサートは、角度付き側壁１７を有してもよい。領域１８および１９は、中心孔１５の中心軸Ａに略垂直である共通の境界１０を有するように示されている。しかしながら、そのような領域は、切削工具設計者が所望するいかなる幾何学形状であってもよい。
複合炭化物インデックス式切削工具インサートの実施形態は、図１ａ〜ｄおよび２ａ〜ｃに示される切削工具インサート１および１１に制限されない。以下の図３ａから５ｄにおいて、本開示による可能な複合超硬合金切削インサートのさらなる非制限的実施例を示す。本明細書において示される本開示による実施形態はいずれも、異なる領域に異なる複合材料を含み得る。
図３ａから３ｃは、上面側および下面側の両方に組込み式チップブレーカー２５を備える複合材料インデックス式切削工具インサート２１の態様を表している。該切削工具インサート２１は、菱形形状を有し、４回インデックス可能である（各側で２回）。図３ａはインサート２１の斜視図であり、１つの角部領域全体２２および別の角部領域全体２３は、結合剤中にルテニウムを含む超硬合金材料を備え、中心領域２４は、結合剤中にルテニウムを有さないか、または実質的により低い濃度のルテニウムを有する第２の超硬合金材料を備える。切削工具インサート２１は、一部の切削条件下で特定の金属材料群を機械加工するように設計される組込み式または圧入式チップブレーカー幾何学形状２５を有する。図３ｂは、切削インサート２１の断面図であり、図３ｃは、切削インサート２１の上面図である。この種の切削インサートは、直立側壁２６および中心孔２７を有する。中心孔２７の軸線Ａに実質的に平行と表現し得る２つの境界２８および２９が、中心領域２４と角部領域２３および２５との間に存在する。
本開示による切削工具インサートのさらなる実施形態を、図４ａから４ｃに示す。複合材料インデックス式切削インサート３１は、中心孔を有さないが、その上面上に組込み式チップブレーカー３２を含む。切削工具インサート３１は、４回インデックス可能である。図４ａは、切削インサート３１の斜視図である。縁辺部近傍の部分的な上部領域３３は、結合剤中にルテニウムを含む第１の複合材料を備える。切削インサート本体領域の残部３４（上部中心部分から下部領域全体まで）は、結合剤中にルテニウムを含まない第２の複合材料を含有する。図４ｂは、切削工具インサート３１の正面図、図４ｃは、切削工具インサート３１の上面図である。この種の切削インサートは、角度付き側壁３５を有してもよい。この実施形態における境界３６は、軸線３８に実質的に垂直であり、境界３７は軸線３８に実質的に平行である。
図５ａから５ｄは、上面側および下面側の両方に組込み式チップブレーカーを備える、本開示による複合材料インデックス式切削工具インサートのさらなる実施形態を表している。切削インサート４１は、菱形形状を有し、４回インデックス可能である（各側で２回）。図５ａに示されるように、切削インサートは、４つの角部領域４２、４３、４４および４５の刃先部において実質的に同一のルテニウムを装備した炭化物複合材料を、また本体領域４６において結合剤中に異なる濃度のルテニウムを有する第２の炭化物複合材料を含むことができる。切削工具インサート４１は、一部の切削条件下で特定の材料群を機械加工するように設計され得る、組込み式または圧入式のチップブレーカー幾何学形状４７を有する。図５ｂは、切削インサート４１の正面図、図５ｃは、切削工具インサート４１の上面図、および図５ｄは、切削工具インサート４１の断面図である。切削工具インサート４１は、直立側壁４８および中心孔４９を有する。
本開示によるインデックス式切削工具インサートの形状は、それらの当業者に既知のいかなる積極的または消極的な幾何学様式であってもよく、任意により、いかなる所望のチップ形成幾何学形状をも含み得ることが強調されるべきである。図６ａから９ｃは、本開示により生成され得る切削工具インサートの異なる幾何学形状のさらなる非制限的実施例を示す。
図６ａから６ｃは、２つの異なる複合材料、つまりルテニウムを装備した炭化物材料５２およびルテニウムを装備しない炭化物材料５３を含む、本開示による不規則形状フライスインサート５１を示す。切削工具インサート５１は、組込み式または圧入式チップブレーカー幾何学形状５４を有する。ルテニウムを装備した炭化物材料５２とルテニウムを装備しない炭化物材料５３との間の境界５５は、インサート５１を形成する際の粉末グレードの加圧軸５６に略垂直である。
図７ａから７ｃは、２つの異なる炭化物材料６７および６８を有する丸形汎用切削工具インサート６１を示す。切削インサート６１は、平坦な上面６２を有する。図７ｂは、図７ｃに示される上面図の断面Ｅ−Ｅから見た切削インサート６１の横断面図である。切削インサート６１は、加えて、下面６５および角度付き側壁６６を備える。概略的境界６９が、ルテニウムを装備した炭化物材料６７とルテニウムを装備しない炭化物材料６８との間に存在する。境界６９の一貫性は、製造プロセスに依存し、本発明には重要ではない。しかしながら、境界６９は、加圧焼成技術によるインサート６１の製造中の粉末化材料の加圧軸Ａに概して垂直である。
図８ａから８ｃは、２つの領域７７および７８を有する、本開示による丸形汎用切削工具インサート７１を示す。切削インサート７１は、組込み式または圧入式チップブレーカー幾何学形状７２、刃先７３、中心孔７４、下面７５、および角度付き壁７６を有する。領域７７は、ルテニウムを装備した炭化物材料を含み、領域７８は、ルテニウムを装備しない炭化物材料を含む。境界７９は、軸線Ａに垂直となるように示されている。しかしながら、領域７７と７８との間には、例えば、境界７９における混合および／または拡散に起因して、明確で一貫した境界はない場合があることを理解されたい。
図９ａから９ｃは、ルテニウムを装備した炭化物８２およびルテニウムを装備しない炭化物８３を含む、本開示による複合材料溝彫りまたは切断切削工具インサート８１を示す。切削工具インサート８１は、組込み式または圧入式チップブレーカー幾何学形状８４を有する。ルテニウムを装備した炭化物材料とルテニウムを装備しない炭化物材料との間には境界８５がある。この実施形態において、境界８５は、炭化物粉末プレス技術において使用される上面および下面のパンチの動きと同一方向にある。
本開示による複合構造の実施形態は、異なる超硬合金材料の領域間の複数の境界を備える、比較的複雑な複合構造を含み得る。境界のいくつかは、物品の加圧の軸線に実質的に垂直であってもよいが、一方他の境界は、プレス軸線に実質的に平行であってもよい。
図１０ａから１０ｃは、本開示による複合材料スペードドリルインサート９０の実施形態を示す。インサート９０は、領域９２および９３におけるルテニウムを装備した炭化物材料と、領域９１におけるルテニウムの装備が異なる炭化物材料またはルテニウムを装備しない炭化物材料との複合構造を有する。複合材料切削工具インサート９０は、通常スペードドリルインサートと称されるドリル加工インサートの形状および幾何学形状を有する。図１０ａの斜視図に示される複合材料ドリル加工インサートは、両面型であり、組込み式チップブレーカー９５が各面にあり、２つの位置決め穴９４がある。図１０ｂの上面図および図１０ｃの断面図に示される境界９６および９７は、それぞれ、領域９１と９２との間の境界および領域９１と９３との間の境界である。図１０ｃに示されるように、境界９６および９７は、粉末加圧方向９８に実質的に平行である。
複合材料ドリル加工インサートは、特定のドリル用途に応じて異なる様式で構築され得る。図１１ａから１１ｃに示されるのは、図１０ａから１０ｃの実施形態とは異なる、本開示によるドリル加工インサート１００の実施形態である。スペードドリルインサート１００は、２つの位置決め穴１０１および両面に組込み式チップブレーカー１０４を有する。図１０ａ〜ｃの実施形態と比較して、インサート１００の複合構造は、ルテニウムを装備した炭化物材料を含む工具刃先領域１０２と、ルテニウムを装備しない炭化物材料を含む領域１０３とを二分する唯一の境界１０５を有する。図１１ｃの断面に示されるように、境界１０５は、粉末加圧方向１０６に実質的に平行である。図１２は、概して図１１ａ〜ｃに示される複合構造を有する、製造されたスペードドリルのサンプルの写真である。
図１３ａから１３ｃは、複合材料の２つの領域を備える、本開示によるボールノーズ切削インサートの実施形態を表す。ボールノーズ切削インサート１１０は、ルテニウムを装備した炭化物を含む領域１１３、およびルテニウムを装備しない炭化物を含む領域１１４を含む。ボールノーズインサート１１０は、中心孔１１２およびチップブレーカー１１１を含む。境界１１５は、領域１１３および領域１１４を二分し、中心孔１１２の軸線Ａに実質的に平行と表現し得る。図１４は、概して図１３ａ〜ｃに示される複合構造を有する、製造されたボールノーズ切削インサートのサンプルの写真である。
図１５ａおよび１５ｂは、異なる複合材料の２つの領域を備える、正方形形状を有する本開示によるフライス加工切削インサートの実施形態を表す。切削工具インサート１２１は、４つの丸形角部１２２、角度付き壁１２７、および組込み式チップブレーカー１２８を有する。境界１２５は、Ｘ４４基材を備えるルテニウムを装備した炭化物を含む上部領域１２３と、Ｈ９１基材を備えるルテニウムを装備しない炭化物を含む下部領域１２４とを二分している。図１５ｂの横断面において示されるように、境界１２５は、粉末加圧方向１２６に実質的に垂直であると表現し得る。図１６ａは、概して図１５ａ−ｃに示される複合構造を有する複合材料切削工具インサートのサンプルの写真、図１６ｂはその断面である。図１６ｂの断面図に示されるように、インサートは、上部にＸ４４基材を備えるルテニウムを装備した炭化物を、また下部にＨ９１基材を備えるルテニウムを装備しない炭化物を含む。以下の実施例は、概して図１５ａ〜ｃおよび１６ａ〜ｂに示される複合材料切削工具インサートの製造の詳細を示す。
炭化物切削工具材料の基材グレードのＩＳＯ標準によれば、Ｘ４４はＰ２５からＰ５０までの間の強靭度グレードに近い。Ｘ４４の粉末構成成分（総粉末重量の重量パーセント）を表１に示す。主な構成成分は、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＣｏおよびＲｕを含む。焼結されたＸ４４タングステンカーバイドのある典型的な機械的特性もまた、表１に列挙されている。
ルテニウムを装備しない炭化物Ｈ９１は、強靭なフライス加工グレードである。Ｈ９１の粉末構成成分を表２に示す。Ｈ９１は、ルテニウムを含まない炭化物基材である。焼結されたＨ９１タングステンカーバイドのある機械的特性もまた、表２に列挙されている。
複合材料切削工具インサートは、インサートの上部がＸ４４基材を備え、下部がＨ９１基材を備える、図１５ａおよび１５ｂに示されている複合構造に従い、ルテニウムを装備した炭化物Ｘ４４およびルテニウムを装備しない炭化物Ｈ９１を組み合わせて製造することができる。第１にＨ９１材料の炭化物粉末をダイの空洞の一部に導入し、次いで、Ｘ４４材料の炭化物粉末を空洞に導入してダイの空洞の残りを満たす。次いで、粉末加圧プロセスまたは粉末射出プロセスにより、粉末化炭化物基材の２つの部分を統合して複合材料圧粉成形体を形成することができる。成形体の焼結により、ルテニウムを装備した炭化物Ｘ４４を備える上部領域およびルテニウムを装備しない炭化物Ｈ９１を備える下部領域を有する、冶金的に結合された複合材料品が形成される。異なる炭化物材料の明確な領域は、異なる特徴を有し、これは、インサートの意図される用途に基づき選択することができる。
本明細書は、本発明の明確な理解に関わる本発明のそれらの態様を例示していることを理解されたい。それらの当技術分野において当業者に明らかであり、したがって本発明のより良い理解を補助しない本発明の一部の態様は、本明細書を単純化するために提示されていない。限られた数の本発明の実施形態のみが必然的に本明細書で説明されているが、当技術分野において、当業者は、前述の明細書を考慮した上で、本発明の多くの改造および変型を使用し得ることを理解するであろう。そのような本発明の変型および改造はすべて、前述の説明および以下の特許請求の範囲に含まれることが意図される。

Claims (15)

  1. 第１の複合材料からなる第１の領域と、
    第２の複合材料からなる第２の領域と、を含む複合材料品であって、
    前記第１の複合材料および前記第２の複合材料は、個々に、結合剤中に硬質粒子を含み、前記第１の複合材料の前記結合剤は、８重量パーセントから２０重量パーセントのルテニウムを含み、前記第１の複合材料の前記結合剤中のルテニウム濃度は前記第２の複合材料の前記結合剤中のルテニウム濃度と異なっている、複合材料品。
  2. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第１の複合材料の前記結合剤中のルテニウム濃度と前記第２の複合材料の前記結合剤中のルテニウム濃度とは、少なくとも５重量パーセント異なっている、複合材料品。
  3. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第１の複合材料の前記結合剤中のルテニウム濃度と前記第２の複合材料の前記結合剤中のルテニウム濃度とは、少なくとも１０重量パーセント異なっている、複合材料品。
  4. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第２の複合材料の前記結合剤は、ルテニウムを含んでいない、複合材料品。
  5. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第１の複合材料および前記第２の複合材料の各々における前記硬質粒子は、独立して、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固体溶液のうちの少なくとも１つを含み、前記第１の複合材料および前記第２の複合材料の前記結合剤は、独立して、コバルト、ニッケル、鉄、ルテニウム、パラジウム、およびこれらの合金のうちの少なくとも１つを含んでいる、複合材料品。
  6. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第１の複合材料と前記第２の複合材料とは、組成、粒子サイズ、弾性率、硬度、磨耗抵抗、破壊靭性、引張強度、腐食抵抗、熱膨張率、および熱伝導率からなる群から選択される少なくとも１つの特性において異なる、複合材料品。
  7. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第１の複合材料の前記硬質粒子および前記第２の複合材料の前記硬質粒子は、個々に、炭化チタン、炭化クロム、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化モリブデン、炭化タンタル、タングステンカーバイド、および炭化ニオブから選択されたものである、複合材料品。
  8. 請求項１に記載の複合材料品において、前記第１の複合材料の前記結合剤および前記第２の複合材料の前記結合剤が、各々、個々に、コバルト、ニッケル、ルテニウム、パラジウム、および鉄からなる群から選択された少なくとも１つの金属を含んでいる、複合材料品。
  9. 請求項１に記載の複合材料品において、前記複合材料品が、ボールノーズエンドミル、ボールノーズ切削インサート、フライス切削インサート、スペードドリルインサート、ドリル加工インサート、ターニング切削インサート、溝彫り加工インサート、ねじ切りインサート、切断インサート、およびボーリングインサートからなる群から選択される、複合材料品。
  10. 請求項９に記載の複合材料品において、前記複合材料品が、インデックス式切削工具インサートおよび非インデックス式切削工具インサートのうちの１つである、複合材料品。
  11. 請求項１に記載の複合材料品において、該複合材料品は、前記第１の複合材料と前記第２の複合材料との間の境界を更に備えている、複合材料品。
  12. 請求項１１に記載の複合材料品において、前記複合材料品は、概して垂直の境界、概して水平の境界、および湾曲した境界のうちの少なくとも１つを含む、前記第１の複合材料と前記第２の複合材料との間の境界を備えている、複合材料品。
  13. 請求項１に記載の複合材料品において、前記複合材料品は、前記第１の複合材料および前記第２の複合材料のうちの少なくとも一方からなる２つ以上の領域を含んでいる、複合材料品。
  14. 請求項１に記載の複合材料品において、前記複合材料品がコーティングされていない、複合材料品。
  15. 請求項１に記載の複合材料品において、前記複合材料の表面の少なくとも１つの領域が、ＣＶＤコーティング、ＰＶＤコーティング、ダイヤモンドコーティング、レーザベースコーティング、およびナノテクノロジーに基づくコーティングからなる群から選択された少なくとも１種のコーティングでコーティングされている、複合材料品。
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