(57)【要約】      （修正有）【課題】湿潤条件下での荒フライス切削加工のためにも特に有用である被覆超硬合金切削工具インサートを提供する。【解決手段】被覆フライス切削加工インサートは、好ましくはかなり高速の切削速度における湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のない高合金ねずみ鋳鉄のフライス切削加工と、中速の切削速度における湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のない球状鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄のフライス切削加工と、に特に有用である。このインサートは、低含量の立方晶炭化物と高Ｗ合金結合相とを有するＷＣ−Ｃｏ超硬合金と、柱状結晶粒を有するＴｉＣｘＹｙ内側層とκ−Ａｌ2Ｏ3層とＴｉＮ最上層とを含む被覆とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
好ましくはかなり高速の切削速度、及び低速と中速の切削速度における湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のない高合金ねずみ鋳鉄のフライス切削加工用と、中速の切削速度における湿潤条件下での球状鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄のフライス切削加工用であって、超硬合金本体と被覆とを備える切削工具インサートにおいて、
前記超硬合金本体は、平均結晶粒度１〜２．５μｍのＷＣと、５〜８ｗｔ％好ましくは５〜７ｗｔ％のＣｏと、０．５ｗｔ％未満の金属Ｔａ、Ｔｉ及び／またはＮｂの立方晶炭化物と、１体積パーセント未満のイータ相を有するＣＷ比率０．７５〜０．９３の高Ｗ合金結合相とから成り、且つ
前記被覆は、
ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層であって、前式中でｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．５μｍ未満の粒度の等軸結晶粒と、０．１〜１．５μｍの全厚とを有するＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層と、
ＴｉＣｘＮｙ層であって、前式中でｘ＋ｙ＝１であり、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり好ましくはｘが０．５以上であり、厚さ２〜３μｍであり、平均直径が５μｍ未満である柱状結晶粒を有するＴｉＣｘＮｙ層と、
平滑で微細結晶粒の０．５〜２μｍのκ−Ａｌ2Ｏ3層であって、厚さが１〜２．５μｍであるκ−Ａｌ2Ｏ3層と、
厚さ０．５〜１．０μｍのＴｉＮ外側層と、
を含むことを特徴とするフライス切削工具インサート。
【請求項２】
前記超硬合金本体の表面の組成が明確に限定されており、前記表面上のＣｏの量が公称Ｃｏ含量の−２ｗｔ％から＋４ｗｔ％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のフライス切削工具インサート。
【請求項３】
前記ＴｉＮ最外層が、切刃に沿って除去されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフライス切削工具インサート。
【請求項４】
前記被覆されていない切刃の半径が、３５〜６５μｍ、好ましくは約４５〜約５５μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフライス切削工具インサート。
【請求項５】
超硬合金本体と被覆とを備えるフライス切削工具インサートを作る方法であって、
平均結晶粒度１〜２．５μｍのＷＣと、５〜８ｗｔ％好ましくは５〜７ｗｔ％のＣｏと、０．５ｗｔ％未満の金属Ｔａ、Ｔｉ及び／またはＮｂの立方晶炭化物と、１体積パーセント未満のイータ相を有するＣＷ比率０．７５〜０．９３の高Ｗ合金結合相とから成る超硬合金本体を準備し、且つ
前記方法が、
ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層であって、前式中でｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２であり、０．５μｍ未満の粒度の等軸結晶構造を有し、及び０．１〜１．５μｍの全厚を有するＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層を、ＣＶＤ法によって溶着させる段階と、
ＴｉＣｘＮｙ層であって、前式中でｘ＋ｙ＝１であり、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、厚さ１〜４μｍであり、平均直径が５μｍ未満である柱状結晶構造を有するＴｉＣｘＮｙ層を、ＭＴＣＶＤ法によって溶着させる段階であって、前記ＭＴＣＶＤ法は、７００〜９００℃の温度範囲内において層を形成するために炭素及び窒素の供給源としてアセトニトリルを使用する段階と、
厚さ１〜２．５μｍの平滑なκ−Ａｌ2Ｏ3層を溶着させる段階と、
厚さ０．５〜１．０μｍのＴｉＮ外側層を溶着させる段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
前記超硬合金本体の表面組成が明確に限定されており、前記表面上のＣｏの量が公称Ｃｏ含量の−２ｗｔ％から＋４ｗｔ％の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＴｉＮ最外層を切刃に沿って除去することを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記被覆されていない切刃に、３５〜６５μｍ、好ましくは約４５〜約５５μｍの半径を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項９】
１１０〜２７０ｍ／分及び０．１５〜０．３５ｍｍ／歯の送りでの、鋳肌のあるまたは鋳肌のない合金ねずみ鋳鉄の、流体冷却材を使用する湿式フライス切削加工のための、または、７０〜２３０ｍ／分の切削速度と、切削速度及びインサート形状寸法に応じた及び０．１５〜０．３５ｍｍ／歯の送りとにおいて、鋳肌のあるまたは鋳肌のないコンパクト黒鉛鋳鉄及び球状鋳鉄との、流体冷却剤を使用する湿式フライス切削加工のための、請求項１〜３のいずれか１に記載の切削工具インサートの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好ましくはかなり高速の切削速度における、湿潤条件下での、鋳肌のあるまたは鋳肌のない高合金ねずみ鋳鉄の荒フライス切削加工のためだけでなく、中速の切削速度における、湿潤条件下での、鋳肌のあるまたは鋳肌のない球状鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄の荒フライス切削加工のためにも特に有用である、被覆超硬合金切削工具インサートに関する。その極小形状寸法(microgeometry)は、機械加工用途からの荷重に適合するように下地と被覆とにバランスさせられている。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第５，９４５，２０７号は、鋳鉄材料を切削するために特に有用な被覆切削インサートを開示する。このインサートは、高Ｗ合金Ｃｏ結合相を有する直線状のＷＣ−Ｃｏ超硬合金本体と、明確に限定されたＣｏ表面含量と、柱状結晶粒を有するＴｉＣｘＮｙＯｚの最内層と、微細結晶粒であり且つ非平滑であるＡｌ2Ｏ3層と、切刃線(cutting edge line)に沿って取り除かれているＴｉＣｘＮｙＯｚの最上層とを含む被覆とによって特徴付けられている。
【０００３】
米国特許第６，６３８，６０９号は、低切削速度と中切削速度とおける湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のないねずみ鋳鉄のフライス切削加工と、中切削速度における湿潤条件下での鋳肌のあるまたは鋳肌のない球状鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄のフライス切削加工とに特に有用である被覆フライス切削加工インサートを開示する。このインサートは、低含量の立方晶炭化物と高Ｗ合金結合相とを有するＷＣ−Ｃｏ超硬合金と、柱状結晶粒を有するＴｉＣｘＮｙの内側層とκ−Ａｌ2Ｏ3層とＴｉＮ最上層とを含む被覆とによって特徴付けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、好ましくはかなり高速の切削速度における、湿潤条件下での、鋳肌のあるまたは鋳肌のない合金ねずみ鋳鉄のフライス切削加工のためだけでなく、かなり高速の切削速度における、湿潤条件下での、鋳肌のあるまたは鋳肌のない球状鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄のフライス切削加工のためにも特に有用である、被覆超硬合金切削工具インサートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
驚くべきことに、数多くの異なる特徴を組み合わせることによって、好ましくはかなり高い切削速度における流体冷却材を使用する鋳肌のあるまたは鋳肌のないねずみ鋳鉄のフライス切削加工と、鋳肌があるまたは鋳肌のない鋳鉄品における好ましくは中速の切削速度での流体冷却材を使用する球状鋳鉄及びコンパクト黒鉛鋳鉄のフライス切削加工とにおいて優れた切削性能を有する、切削工具（好ましくはフライス切削加工用の切削工具）が得られることが可能であるということが、現在において発見されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明による切削工具インサートは、上述の切削条件において生じる様々な摩耗タイプに対して、改善された特性を示す。
【０００７】
本発明による切削工具インサートは、比較的に高Ｗ合金の結合相とＷＣの適切にバランスがとれた化学組成及び結晶粒度とを有する超硬合金本体と、柱状ＴｉＣｘＮｙ層とκ−Ａｌ2Ｏ3層とＴｉＮ層と、採用随意に平滑にされた切刃とから成る。
【０００８】
本発明によって、５〜８ｗｔ％のＣｏ、好ましくは５〜７ｗｔ％のＣｏと、０．５ｗｔ％未満、好ましくは０ｗｔ％の金属Ｔｉ、Ｔａ及び／またはＮｂの立方晶炭化物と、残分のＷＣという組成の超硬合金本体を有する切削工具インサートが提供される。ＷＣの平均結晶粒度は１〜２．５μｍの範囲内である。コバルト結合相は高含量のＷと混合されて合金にされている。結合相中のＷの含量は次式によって表現されることが可能であり、
ＣＷ比率＝Ｍｓ／（Ｃｏｗｔ％・０．０１６１）
前式中で、Ｍｓは、超硬合金本体の測定された飽和磁化（ｋＡ／ｍ単位）であり、Ｃｏｗｔ％はその超硬合金中のＣｏのｗｔ％である。ＣＷ値は、Ｃｏ結合相中のＷ含量の関数である。低いＣｏ値は結合相中の高いＷ含量に相当する。
【０００９】
本発明によって、超硬合金本体が、０．７５〜０．９３の、好ましくは０．８０〜０．９０のＣＷ比率を有する場合に、改善された切削性能が得られる。この超硬合金本体は、有害な影響なしに、少量（１体積パーセント未満）のイータ相Ｍ6Ｃを含んでもよい。
【００１０】
この超硬合金インサートの表面組成が適切に限定されており、及び表面上のＣｏの量が公称含量の−２ｗｔ％から＋４ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。
【００１１】
被覆されていない切刃が、３５〜６０μｍ、好ましくは約４５〜５５μｍの半径を有する。
【００１２】
この被覆は、以下の層を含む。
−  ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層であって、前式中でｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．５μｍ未満の粒度の等軸結晶粒と、１．５μｍ未満且つ好ましくは０．１μｍよりも大きい全厚とを有するＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層と、
−  ＴｉＣｘＮｙ層であって、前式中でｘ＋ｙ＝１であり、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、好ましくはｘが０．５以上であり、厚さ２〜３μｍであり、平均直径が５μｍ未満、好ましくは０．１〜２μｍである柱状結晶粒であるＴｉＣxＮy層と、
−  平滑で微細結晶粒であり、平均結晶粒度が約０．５〜２μｍである、基本的にκ相から成るＡｌ2Ｏ3層で、しかし、この層は、ＸＲＤ測定によって測定した場合にθ相またはα相のような他の相を少量（５体積パーセント未満）含んでもよい。このＡｌ2Ｏ3層は１〜２μｍ、好ましくは１．２〜１．７μｍの厚さを有する微細結晶粒と、
−  さらに、厚さ０．１〜１．０μｍのＴｉＮ層で、このＴｉＮ最外層は、少なくとも切刃の作用部分上において１０μｍの長さにわたって０．４μｍ以下の表面粗さＲmaxを有し、このＴｉＮ層は切刃に沿って取り除かれることが好ましく、及びその下にあるアルミナ層が切刃に沿って部分的または完全に取り除かれてもよいＴｉＮ層と、
を含む。
【００１３】
本発明は、さらに、５〜８ｗｔ％、好ましくは５〜７ｗｔ％のＣｏと、０．５ｗｔ％未満、好ましくは０ｗｔ％の金属Ｔｉ、Ｔａ及び／またはＮｂの立方晶炭化物と、残分のＷＣという組成の被覆超硬合金本体を形成する方法にも関する。ＷＣの平均結晶粒度は１〜２．５μｍの範囲内である。コバルト結合相は高含量のＷと混合して合金化している。ＣＷ比率として表される結合相中のＷの含量は０．７５〜０．９３であり、好ましくは０．８０〜０．９０である。
【００１４】
被覆されていない切刃には、３５〜６０μｍ、好ましくは約４５〜５５μｍの端縁半径(edge radius)が設けられている。
【００１５】
この被覆は、
−  ＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層であって、前式中でｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、ｙ＞ｘ且つｚ＜０．２、好ましくはｙ＞０．８且つｚ＝０であり、０．５μｍ未満の粒度の等軸結晶粒と、１．５μｍ未満且つ好ましくは０．１μｍ未満の全厚とを有し、及び公知のＣＶＤ法を使用するＴｉＣｘＮｙＯｚの最も内側の第１の層と、
−  ＴｉＣｘＮｙ層であって、前式中でｘ＋ｙ＝１であり、ｘ＞０．３且つｙ＞０．３であり、好ましくはｘが０．５以上であり、厚さが２〜３μｍであり、好ましくは２〜２．７μｍであり、及び平均直径が５μｍ未満、好ましくは０．１〜２μｍである柱状結晶粒であり、好ましくはＭＴＣＶＤ法を使用し、７００〜９００℃の温度範囲内でこの層を形成するために炭素及び窒素の供給源としてアセトニトリルを使用するＴｉＣｘＮｙ層であり、しかし、この正確な条件は使用装置の設計にある程度依存しているＴｉＣｘＮｙ層と、
−  基本的にκ−Ａｌ2Ｏ3から成る平滑なＡｌ2Ｏ3層が、例えば米国特許第５，６７４，５６４号に開示されている条件下で溶着させられ、０．５〜２．５μｍ、好ましくは１〜２μｍの厚さを有するこのＡｌ2Ｏ3層と、
−  少なくとも切刃の作用部分上において１０μｍの長さにわたって０．４μｍ以下の表面粗さＲmaxを有する厚さ０．５〜１．０μｍのＴｉＮ層と、
を含む。
【００１６】
この平滑な被覆表面は、微細結晶粒（４００〜１５０メッシュ）のアルミナ粉末で被覆表面を穏やかに湿式ブラストすることによって、または、例えば米国特許第５，８６１，２１０号に開示されているように、例えばＳｉＣを主成分とするブラシで端縁をブラッシングすることによって得られる。好ましくは、ＴｉＮ層が切刃に沿って取り除かれ、及びその下にあるアルミナ層が切刃に沿って部分的または完全に取り除かれてよい。
【００１７】
本発明は、さらに、１１０〜２７０ｍ／分及び０．１５〜０．３５ｍｍ／歯の送りでの、流体冷却材を使用する合金ねずみ鋳鉄の湿式フライス切削加工のための、上述の切削工具インサートの使用にも関する。さらに、本発明は、７０〜２３０ｍ／分の切削速度と、切削速度及びインサート形状寸法に応じた０．１５〜０．３５ｍｍ／歯の送りとにおける、コンパクト黒鉛鋳鉄と球状鋳鉄との湿式フライス切削加工のための上述の切削工具インサートの使用にも関する。
【００１８】
実施例１
６．０ｗｔ％のＣｏと残分のＷＣという組成を有する本発明による超硬合金フライス切削加工インサートが従来の方法で１４１０℃で焼結され、及び０．６バールのＨ2中で１２００℃に冷却され、０．９のＣＷ比率に相当するＷと混合されて合金化された結合相を有するインサートが得られた。平均ＷＣ結晶粒度が１．３μｍだった。従来通りのＥＲ処理によって５０μｍの端縁半径にした後に、そのインサートは、８５０〜８８５℃の温度における、及び炭素＋窒素源としてＣＨ3ＣＮを使用するＭＴＣＶＤ法を使用することによって、０．０５の推定Ｃ／Ｎ比率に相当する高い窒素含量を有する０．５μｍの等軸結晶ＴｉＣ0.05Ｎ0.95層によって、その次に、柱状結晶粒を有する厚さ２．６μｍのＴｉＣ0.54Ｎ0.46層によって被覆された。同じ被覆サイクル中の後続の段階では、厚さ１．３μｍのＡｌ2Ｏ3層が、米国特許第５，６７４，５６４号に開示されている通りに、温度９７０℃と０．４％のＨ2Ｓドーパント濃度とを使用して溶着させられた。０．５μｍのＴｉＮ薄層が公知のＣＶＤ法によって最上部に溶着させられた。ＸＲＤ測定が、そのＡｌ2Ｏ3層が１００％のκ相から成ることを示した。
【００１９】
被覆されたインサートが、ＳｉＣ結晶粒を含むナイロン製ストローブラシを使用してブラッシングされた。ブラッシングされたインサートの光学顕微鏡検査によって、最も内側のＴｉＮ薄層とＡｌ2Ｏ3層の一部分とが切刃に沿ってブラッシングによって除去されており、その結果として平滑なＡｌ2Ｏ3表面がそこに残されているということが明らかになった。ブラッシングされたインサートの横断面における被覆厚さ測定によって、最も外側のＴｉＮ層と約半分のＡｌ2Ｏ3層とが端縁線(edge line)に沿って除去されたということが明らかになった。
【００２０】
実施例２
本発明によるインサートを、合金ねずみ鋳鉄におけるシリンダヘッドの正面フライス削りで試験した。
工具：サンドビック  コロマント  Ｒ２６０．３１−２５０、
インサート数：４０個、
判定基準：表面仕上げ、及び被加工物の薄切り加工(fritting)、
基準：サンドビック  コロマント  Ｋ２０Ｗ等級のＴＮＥＦ  １２０４ＡＮ−ＣＡ、
切削データ
切削速度：Ｖｃ＝１１８ｍ／分、
送り量：Ｆｚ＝０．２３ｍｍ／歯、
切込み：Ａｐ＝３ｍｍ、
湿潤条件、
基準（従来技術）の工具寿命  ５２３個のシリンダヘッド  標準生産、
本発明の工具寿命  １０２７個のシリンダヘッド、５回の試験の平均、
表面仕上げと生産性との改善を伴う工具寿命の９６％の増大。
【００２１】
実施例３
本発明によるインサートを、合金ねずみ鋳鉄におけるシリンダヘッドの正面フライス削りで試験した。
工具：サンドビック  コロマント  Ｒ２６０．３１−２５０、
インサート数：４０個、
判定基準：表面仕上げ、及び被加工物の薄切り加工(fritting)、
基準：サンドビック  コロマント  Ｋ２０Ｗ等級のＴＮＥＦ  １２０４ＡＮ−６５、
切削データ
切削速度：Ｖｃ＝１５６ｍ／分、
送り量：Ｆｚ＝０．２９ｍｍ／歯、
切込み：Ａｐ＝３．５ｍｍ、
湿潤条件、
基準（従来技術）の工具寿命  ６８３個のシリンダヘッド  標準生産、
本発明の工具寿命  １４３５個のシリンダヘッド、５回の試験の平均、
表面仕上げの改善を伴う工具寿命の１１０％の増大。
【００２２】
実施例４
合金ねずみ鋳鉄におけるシリンダブロックの正面フライス削り。
工具：サンドビック  コロマント  Ｒ２６０．３１−３１５、
インサート数：５０個、
判定基準：被加工物の薄切り加工(fritting)、
基準：サンドビック  コロマント  ＧＣ４０４０等級のＴＮＥＦ  １２０４ＡＮ−ＣＡ、
切削データ
切削速度：Ｖｃ＝１８０ｍ／分、
送り量：Ｆｚ＝０．１５ｍｍ／歯、
切込み：Ａｐ＝４ｍｍ、
湿潤条件、
基準の工具寿命  標準生産からの７８４個のエンジンブロック、
本発明の工具寿命  １５８３個のエンジンブロック、５回の試験の平均、
表面仕上げの改善を伴う工具寿命の１００％の増大。
【外国語明細書】
2006136998000001.pdf