(57)【要約】【課題】機械的衝撃及び熱的衝撃に耐え得る能力の改善された、被覆切削インサートを提供する。【解決手段】基体（１８、３４）及び被覆（２４、３０、４０、４６、５２）を備えるクロム含有の被覆セメンテッドタングステンカーバイドの切削インサート（１０、３２）を提供する。前記基体は、約１０．４乃至約１２．７重量％のコバルト及び約０．２乃至約１．２重量％のクロムを含む。【選択図】図１
2014000674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
すくい表面と逃げ表面とを有し、前記すくい表面と前記逃げ表面とが交差して切削エッジが形成されると共に、１０．４重量％乃至１２．７重量％のコバルトと、０．２重量％乃至１．２重量％のクロム、タングステン及び炭素とを含むタングステンカーバイド系基体と、
前記基体上の被覆と、
を備える被覆切削インサートであって、
前記被覆が、
前記タングステンカーバイド系基体に化学蒸着により施された窒化チタンの基礎層と、
化学蒸着により施されたアルミナの外側層と、
前記基礎層と前記外側層との間に位置する、中温化学蒸着により施された炭窒化チタンの第１の中間層、及び中温化学蒸着ではない化学蒸着により施された炭窒化チタンの第２の中間層と、
を含むことを特徴とする被覆切削インサート。
【請求項２】
前記第１の中間層は、前記基礎層に施され、前記第２の中間層は、前記第１の中間層に施されたことを特徴とする請求項１に記載の被覆切削インサート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、切削インサートであり、クロム含有のセメンテッドタングステンカーバイド体に関する。出願人は、他の応用をも考慮しているが、これらの切削インサートはチタンとチタン合金、鋼合金及び鋳鉄合金を含む種々の金属のミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）に適当であるが、これらの金属に制限されない。
【背景技術】
【０００２】
チタン金属及び種々のチタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｚｒ−２Ｍｏ及びＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ）は、並はずれた耐食性だけでなく、高温における高い強度−重量比を有する。このような非常に好ましい特性から、チタン及びその合金を航空宇宙産業における機体及びエンジン構成要素のような特殊の用途として使用することができる。また、チタン及びチタン合金は、医療部品、蒸気タービン翼、超伝導体、ミサイル、潜水艦の船体、化学処理装置及び耐食性が重要な他の製品に活用される。
【０００３】
チタン及びチタン合金は、ミリング作業を困難にする物理的特性を有する。このような特殊な障害から、チタン及びチタン合金のミリングに使用される切削インサートの選択に細心の注意が必要となる。
【０００４】
金属切削の中で、ミリングが、切削インサートにおいて一番要求されている作業である。切削インサートは、工作物に入り込んで切削してから抜けるのを繰り返して行っているため、繰り返される機械的かつ熱的な衝撃をこうむるようになる。熱的衝撃及び機械的衝撃のそれぞれは、切削インサートの切削エッジのマイクロチッピングを発生するようになる。
【０００５】
チタン及びチタン合金は、熱伝導性が低いため、工作物に熱を伝達する能力が一層悪い。チップと切削インサートとの界面における温度は、約１１００℃になり得る。約５００℃を上回る界面の温度において、チタン及びチタン合金は、空気中の窒素及び酸素だけでなく、一部の切削インサート材料と化学的に反応する。高温と高い化学反応性との組合わせは、切削インサートからチップへの成分の発散を招来して切削インサートのクレータリング（ｃｒａｔｅｒｉｎｇ）の原因となる。
【０００６】
また、前記切削インサートとチップとの界面は、高圧下に置かれることもある。例えば、１．３８〜２．０７ギガパスカルの圧力範囲の下に置かれることがある。切削エッジにおけるこのような高圧は、切削エッジの変形及び割れをもたらす。
【０００７】
参照により本願に含まれるＢｒｙａｎｔらの米国特許第５，７５０，２４７号には、ミリング作業についてさらに記述している。参照により本願に含まれるＢｒｙａｎｔの米国特許第５，９８４，５９３号には、チタン及びチタン合金のミリングについてさらに記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既存の被覆切削インサートが満足な性能を有するが、ミリングのような加工における機械的衝撃及び熱的衝撃に耐え得る能力の改善された、被覆切削インサートの提供が求められている。また、切削インサートとチップとの界面における高温と高圧によるクレータリング、変形及び割れに対する抵抗の向上された、被覆切削インサートの提供も要求されている。これらの被覆切削インサートは、通常、金属切削にも使用され得るが、チタンとチタン合金、鋼合金及び鋳鉄合金のミリングのような特別の応用を有することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一形態によれば、本発明は、すくい表面及び逃げ表面を有するタングステンカーバイド系基体からなる、被覆切削インサートであって、前記すくい表面と逃げ表面とが交差して基体の切削エッジを形成する。前記基体は、約１０．４重量％乃至約１２．７重量％のコバルトと、約０．２重量％乃至約１．２重量％のクロム、タングステン及び炭素とを含む。当該基体上には被覆が施される。好ましくは、基体の約０．３〜０．８重量％のクロムが含まれる。
【００１０】
本発明の他の形態によれば、本発明は、すくい表面及び逃げ表面を有するタングステンカーバイド系基体からなる、被覆切削インサートであって、前記すくい表面と逃げ表面とが交差して基体の切削エッジを形成する。前記基体は、実質的に約１０．５重量％より多量のコバルトと、約０．４重量％より多量のクロムと、約８９．１重量％より少量のタングステン及び炭素とを含む。当該基体上には、被覆が施される。
【００１１】
本発明のまた他の形態によれば、本発明は、すくい表面及び逃げ表面を有するタングステンカーバイド系基体からなる、被覆切削インサートであって、前記すくい表面と逃げ表面とが交差して基体の切削エッジを形成する。前記タングステンカーバイド系基体は、約１０．４重量％乃至約１２．７重量％のコバルトと、約０．２重量％乃至約１．２重量％のクロムとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、切削インサートの一実施形態を示す等角図である。
【図２】図２は、図１の切削インサートの２−２線による横断面図である。
【図３】図３は、基礎被覆層、中間被覆層及び外側被覆層を有する被覆組織を示す切削インサートの第２実施形態を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面において、図１及び図２は、概して１０で称される切削インサートの第１実施形態を示している。切削インサートは、通常の粉末冶金技術で製造される。一例として、工程が、粉末成分を粉末混合物にボールミリング（又はブレンディング）し、該粉末混合物を生の圧粉体（ｇｒｅｅｎ ｃｏｍｐａｃｔ）にプレスし、かつ、焼結されたままの基体を形成するように生の圧粉体を焼結するステップで構成される。
【００１４】
本発明において出発粉末の代表的な成分は、タングステンカーバイド、コバルト及びクロムカーバイドを含む。１つの選択仕様として、全般的な炭素含有量を調整するために炭素が出発粉末混合物の成分となることもできる。また、他の選択仕様として、例えば、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ及びタンタルのような固溶体カーバイド形成要素が出発粉末に存在し得る。さらに、バナジウムも出発粉末に存在し得る
切削インサート１０は、すくい面１２と逃げ面１４とを有する。すくい面１２と逃げ面１４とが交差して切削エッジ１６を形成する。切削インサート１０は、すくい表面２０及び逃げ表面２２を有する基体１８をさらに含む。すくい表面２０と逃げ表面２２とが交差して基体の切削エッジ２３を形成する。
【００１５】
基体の構成において、一例として前記基体は、約１０．４重量％乃至約１２．７重量％のコバルト、約０．２重量％乃至約１．２重量％のクロム、タングステン及び炭素を含む。基体は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル及びバナジウム等の他の成分を含むことができる。他の例として基体は、約１１重量％乃至約１２重量％のコバルト、約０．３重量％乃至約０．８重量％のクロム、タングステン及び炭素を含んでもよい。基体は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル及びバナジウム等の成分を含むことができる。
【００１６】
図１に示された実施形態においては、基体は、約１１．５重量％のコバルト、約０．４重量％のクロム及び約８８．１重量％のタングステンと炭素を、少量の不純物と共に含む。このような図１に示された基体の実施形態では、以下の物理的特性を有する：約１５９エルステッド（Ｏｅ）の保磁力（Ｈｃ）、約１４１ガウス・キュービックセンチメートル・パー・グラムコバルト（ｇａｕｓｓ−ｃｍ３／ｇｍ）（１７８マイクロ・テスラ・キュービックメーター・パー・キログラムコバルト（μＴ−ｍ３／ｋｇ））。
【００１７】
切削インサート１０は、基礎被覆層２４を含む被覆組織（ｃｏａｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）を有している。基礎被覆層２４は、基体１８の表面、すなわち基体１８のすくい表面２０と逃げ表面２２とに施される。外側被覆３０は、基礎被覆層２４の表面に施される。
【００１８】
本発明の一実施形態において、基礎被覆層２４は、従来の化学蒸着（ＣＶＤ）によって約２．０μｍの厚さに施される炭窒化チタンで、外側被覆３０は、従来のＣＶＤによって２．３μｍの厚さに施されるアルミナである。従来のＣＶＤ技術は、公知の技術であって、通常約９００℃〜１０５０℃で行われる。
【００１９】
本発明の他の実施形態において、本出願人は、基礎被覆層が、チタン、ハフニウム及びジルコニウムの窒化物、炭化物及び炭窒化物のいずれか１つを含んでもよく、付加の被覆層には１つ又はそれ以上のアルミナ及びチタン、ハフニウム及びジルコニウムの硼化物、炭化物、窒化物及び炭窒化物が含まれてもよいと考えている。窒化チタンアルミニウムもまた、被覆層として単独又は前述の被覆層と共に使用することができる。これらの被覆層は、ＣＶＤ、物理蒸着（ＰＶＤ）又は中温化学蒸着（ＭＴＣＶＤ：ｍｏｄｅｒａｔｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のいずれか１つ又はそれらの組合わせで施されてもよい。 Ｌｅｙｅｎｄｅｃｋｅｒらの米国特許第５，２７２，０１４号及びＢｅｈｌらの米国特許第４，４４８，８０２号にはＰＶＤ技術が開示されている。Ｂｉｔｚｅｒらの米国特許第４，０２８，１４２号及びＢｉｔｚｅｒらの米国特許第４，１９６，２３３号のそれぞれには、通常、５００〜８５０℃の温度で行われるＭＴＣＶＤ技術が開示されている。。
【００２０】
発明者らは、全てのクロムは、実質的にバインダー内にあり、好ましくは、ＣＶＤ被覆作業中、基体からのクロムが基礎被覆層に拡散すると確信している。前記基礎被覆層は、好ましくは、チタン、ハフニウム又はジルコニウムの窒化物、炭化物及び炭窒化物のいずれか１つである。ＣＶＤ被覆作業中においてコバルトも基礎被覆層に拡散するが、このとき、基礎被覆層中のクロム対コバルトの原子百分率における割合（Ｃｒ／Ｃｏ比）が、基体内のＣｒ／Ｃｏ比より大きい。発明者らは、ＣＶＤ被覆の際（＞９００℃）において基体から基礎層被覆へのクロムの拡散は、金属切削時の被覆付着性を強化し、かつ、改善された耐摩耗性及び付着性を有する基礎層材料（例えば、炭窒化チタンクロム又は炭窒化チタンタングステンクロム）でクロム固溶体を形成すると確信した。
【００２１】
本出願人は、本願と同日付で出願されて共に継続中の『クロム含有セメンテッドカーバイド体（ＣＨＲＯＭＩＵＭ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ ＣＥＭＥＮＴＥＤ ＣＡＲＢＩＤＥ ＢＯＤＹ）』という米国特許出願（ケンナメタル社、事件番号：Ｋ−１７０６、米国出願番号：０９／６３８，０４８）の譲受人でもある。この共に継続中の出願は、濃縮バインダー合金（ｂｉｎｄｅｒ ａｌｌｏｙ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ）の表面領域を有するクロム含有のセメンテッドカーバイド体（例えば、タングステンカーバイド系セメンテッドカーバイド体）に関するものである。
【００２２】
本出願人は、また、本願と同日付で出願されて共に継続中の『クロム含有セメンテッドタングステンカーバイド体（ＣＨＲＯＭＩＵＭ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ ＣＥＭＥＮＴＥＤ ＴＵＮＧＳＴＥＮ ＣＡＲＢＩＤＥ ＢＯＤＹ）』という米国特許出願（ケンナメタル社、事件番号：Ｋ−１６９５Ａ、米国出願番号：０９／６３７，７６２）の譲受人でもある。この共に継続中の出願は、約５．７重量％乃至約６．４重量％のコバルト、約０．２重量％乃至約０．８重量％のクロム、タングステン及び炭素を含む基体を有するクロム含有のセメンテッドカーバイド体（例えば、タングステンカーバイド系セメンテッドカーバイド体）に関するものである。基体上には被覆が施される。
【００２３】
図３は、概して３２で称される切削インサートの第２実施形態の横断面図を示している。切削インサート３２は、すくい表面３６と逃げ表面３８とを有する基体３４を備える。前記すくい表面３６と逃げ表面３８とが交差して基体の切削エッジ３９を形成する。第２実施形態の切削インサートの基体組成は、第１実施形態の切削インサートの基体組成と同様である。
【００２４】
切削インサート３２は、被覆組織を有する。被覆組織は、基体３４の表面に施された基礎被覆層４０、基礎被覆層４０に施された中間被覆層４６及び中間被覆層４６に施された外側被覆層５２を含む。切削インサート３２は交差して切削エッジ５８を形成するすくい面５４と逃げ面５６とを有する。
【００２５】
図３の切削インサートの実施形態において、基礎被覆層４０は、従来のＣＶＤによって約０．７μｍの厚さに施された窒化チタン層を備え、中間被覆層４６は、ＭＴＣＶＤによって約２．２μｍの厚さに施された炭窒化チタン層を備え、かつ、従来のＣＶＤによって約１．５μｍの厚さに施されたアルミナの外側被覆層５２を備える。本出願人は、第１実施形態（図１及び図２）と共に述べられる分野（ｌｉｎｅ）に沿った他の被覆組織が第２実施形態においても使用に適すると考えている。
【００２６】
金属切削応用の一例として、これらの切削インサートは、チタンとチタン合金の粗削り（ｒｏｕｇｈ ｍｉｌｌｉｎｇ）に適している。代表的な作業パラメータは、約２００サーフェイス・フィート・パー・ミニット（ｓｆｍ：ｓｕｒｆａｃｅ ｆｅｅｔ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）の速度；０．００６〜０．００８インチ・パー・トゥース（ｉｐｔ：ｉｎｃｈｅｓ ｐｅｒ ｔｏｏｔｈ）の送り；０．２００〜０．４００インチの軸方向切込み深さ（ａ．ｄｏｃ）及び０．０５０〜１．５００インチの半径方向切込み深さ（ｒ．ｄｏｃ）である。金属切削応用の他の例は、鋼の粗削りである。鋼のミリングにおける代表的な作業パラメータは、５００ｓｆｍの速度、０．０１０ｉｐｔの送り、０．１００インチの軸方向切込み深さ（ａ．ｄｏｃ）及び３．０インチの半径方向切込み深さ（ｒ．ｄｏｃ）を含む。
【００２７】
例１〜６は、本発明の切削インサートの実施形態である。例１〜６は、１５６５０  ペンシルベニア州  ラトローブ（米国）のケンナメタル社によってＫＣ９９４Ｍの名称で販売され、商業的に入手可能な切削インサートに対し、フライカット表面ミリング（ｆｌｙｃｕｔ ｆａｃｅ ｍｉｌｌｉｎｇ）テストで比較された。例１〜６の全てにおける基体の組成及び物理的特性は：約１１．５重量％のコバルト、約０．４重量％のクロム及び約８９．１重量％のタングステンと炭素；約１５９エルステッド（Ｏｅ）の保磁力（Ｈｃ）、約８８％の磁気飽和であり、ここで、１００％の磁気飽和は、２０２マイクロ・テスラ・キュービックメーター・パー・キログラム（μＴ−ｍ３／ｋｇ）のコバルトに等しいとみなされる。
【００２８】
被覆組織として、例１及び例４においては、約３．０μｍの厚さにＰＶＤによって基体に施された炭窒化チタンの単層を有した。例２及び例５においては、従来のＣＶＤによって約２．０μｍの厚さに基体に施された炭窒化チタンの基礎層と、基礎層に約２．３μｍの厚さに従来のＣＶＤによって施されたアルミナの外側層とを有した。例３及び例６においては、従来のＣＶＤによって約０．７μｍの厚さに基体に施された窒化チタンの基礎層、ＭＴＣＶＤによって約２．２μｍの厚さに基礎層に施された炭窒化チタンの中間層及び従来のＣＶＤによって約１．５μｍの厚さに中間層に施されたアルミナの外側層を有した。
【００２９】
ケンナメタルＫＣ９９４Ｍの切削インサートは、約１１．５重量％のコバルト、約１．９重量％のタンタル、約０．４重量％のニオブ及び残分にタングステンと炭素及び少量の不純物で構成される基体を有した。このＫＣ９９４Ｍの被覆組織は、従来のＣＶＤによって約２．０μｍの厚さに基体に施された炭窒化チタンの基礎層と、従来のＣＶＤによって約１．５μｍの厚さに基礎層に施されたアルミナの外側層とを有した。
【００３０】
チタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）及び鋼合金（４１４０鋼）のフライカット表面ミリングテストにおける試験パラメータが、下記の表１に示されている。使用された切削インサートの形態は、ＳＥＨＷ−４３Ａ６である。
【００３１】
【表１】
2014000674.tif 000003
【００３２】
下記の表２は、上記の表１に記載の試験パラメータ当りのＴｉ６Ａｌ４Ｖチタン合金の表面ミリングにおけるＫＣ９９４Ｍ切削インサートに対する例１〜例３の相対工具寿命（％）を示している。下記の表３は、上記の表１に記載の試験パラメータ当りの４１４０鋼合金の表面ミリングにおけるＫＣ９９４Ｍ切削インサートに対する例４〜例６の相対工具寿命（％）を示している。
【００３３】
【表２】
2014000674.tif 000004
【００３４】
【表３】
2014000674.tif 000005
【００３５】
全般的に、チタン合金の表面ミリングにおいて、例２は、市販の切削インサートだけでなく他の例に比べても優れた工具寿命を有した。鋼合金の表面ミリングにおいて、例４〜例６のそれぞれは、市販の切削インサートより一層良い工具寿命を有したが、例４及び例６は、市販の切削インサートに比べて優れた工具寿命を有した。
【００３６】
ここで述べた特許及び他の文献は、参照により本発明に含まれる。
【００３７】
ここに開示された本発明の詳記又は実例を考察することで当業者には本発明の他の実施形態が明らかとなるであろう。上記の詳記及び例は、単に説明のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の真の範囲及び精神は、添付の特許請求の範囲に提示されている。
【図１】
2014000674.tif 000006
【図２】
2014000674.tif 000007
【図３】
2014000674.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月6日(2013.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
すくい表面と逃げ表面とを有し、前記すくい表面と前記逃げ表面とが交差して切削エッジが形成されると共に、１１．０重量％乃至１２．０重量％のコバルトと、０．３重量％乃至０．５重量％のクロム、タングステン及び炭素とを含むタングステンカーバイド系基体と、
前記基体上の被覆と、
を備える被覆切削インサートであって、
前記被覆が、
前記タングステンカーバイド系基体に化学蒸着により施された窒化チタンの基礎層と、
化学蒸着により施されたアルミナの外側層と、
前記基礎層と前記外側層との間に位置する、中温化学蒸着により施された炭窒化チタンの第１の中間層、及び中温化学蒸着ではない化学蒸着により施された炭窒化チタンの第２の中間層と、
を含むことを特徴とする被覆切削インサート。
【請求項２】
前記第１の中間層は、前記基礎層に施され、前記第２の中間層は、前記第１の中間層に施されたことを特徴とする請求項１に記載の被覆切削インサート。