(57)【要約】【課題】本発明は、湿潤条件下で中速の切削速度でコンパクト黒鉛鉄の切削に特に役立ち、超硬合金本体と被膜を含む被覆された切削用インサートに関する。【解決手段】超硬合金本体は、WCと、Coを7.3〜7.9重量％と、金属TaとNbの立方晶炭化物を1.0〜1.8重量％と、CW比が0.86〜0.94であるW合金が多い結合剤相とを含んでいて、被覆されていない切削エッジの半径は25〜45μmであり、被膜は、−超硬合金に隣接していて1μm未満のTiCxNyOzからなり組成がx+y=1、x≧0、z=0である第1の層と、−1〜2μmのTiCxNyOzからなり組成がx>0.4、y>0.4、0≦z<0.1である第2の層と、−1μm未満のTiCxNyOzからなり組成がx+y+z≧1、z>0である第3の層と、−厚さが2.1〜3.3μmのα- Al2O3層と−厚さが0.1〜2.5μmのTiNからなりエッジ・ラインに沿って削除されているさらに別の層を含んでいる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾燥条件または湿潤条件にて中速から高速の切削速度でコンパクト黒鉛鉄を切削するための、超硬合金本体と被膜を含む切削用インサートであって、
前記超硬合金本体が、ＷＣと、７．３〜７．９重量％のＣｏと、１．０〜１．８重量％のＴａ及びＮｂの立方晶炭化物と、ＣＷ比が０．８６〜０．９４である高Ｗ結合相とを含み、被覆されていない切削エッジの半径が２５〜４５μｍであること、且つ
前記被膜が、
・前記超硬合金に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＝１、ｘ≧０好ましくはｘ<０．２、ｚ＝０である第1の層と、
・１〜２μｍのＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ>０．４、ｙ>０．４、０≦ｚ<０．１好ましくはｚ＝０である第２の層と、
・１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＋ｚ≧１好ましくはｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｚ>０好ましくはｚ>０．２、好ましくはｙ<０．２である第３の層と、
・厚さが２．１〜３．３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層と、
・厚さが０．１〜２．５μｍ好ましくは１．２μｍのＴｉＮからなるさらに別の層を含んでいる、
ことを特徴とする切削用インサート。
【請求項２】
前記超硬合金が、１．４〜１．７重量％のＴａとＮｂの炭化物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削用インサート。
【請求項３】
最も外側の前記ＴｉＮ層が、切削エッジに沿って削除されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の切削用インサート。
【請求項４】
湿潤条件または乾燥条件にて中速から高速の切削速度でコンパクト黒鉛鉄を切削するための、超硬合金本体と被膜を含む切削用インサートの製造方法であって、
ＷＣ−Ｃｏをベースとした前記超硬合金本体が、ＷＣと、７．３〜７．９重量％のＣｏと、１．０〜１．８重量％のＴａとＮｂの立方晶炭化物と、ＣＷ比が０．８６〜０．９４であるＷ合金が多い結合剤相とを含んでいて、
切削用インサートの製造方法が、
・前記インサートを処理してエッジの半径を２５〜４５μｍにするステップと、
・前記超硬合金に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＝１、ｘ≧０好ましくはｘ<０．２、ｚ＝０である第１の層をＣＶＤ法によって堆積させるステップと、
・１〜２μｍのＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ>０．４、ｙ>０．４、０≦ｚ<０．１好ましくはｚ＝０である第２の層を、この層を形成するための炭素源と窒素源としてアセトニトリルを使用し、ＭＴＣＶＤを利用して７００〜９００℃の温度範囲で堆積させるステップと、
・１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＋ｚ≧１好ましくはｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｚ>０好ましくはｚ>０．２、好ましくはｙ<０．２である第３の層を堆積させるステップと、
・厚さが２．１〜３．３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層を公知のＣＶＤ法を利用して堆積させるステップと、
・厚さが０．１〜２．５μｍ好ましくは１．２μｍのＴｉＮからなるさらに別の層を公知のＣＶＤ法を利用して堆積させるステップを含むこと、
を特徴とする切削用インサートの製造方法。
【請求項５】
前記超硬合金本体が、１．４〜１．７重量％のＴａとＮｂの炭化物を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
切削エッジに沿ってＳｉＣブラシでブラシングすることによって最も外側の前記ＴｉＮ層を除去することを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削用インサートを利用し、乾式切削または流体クーラントを用いた湿式切削により、噛み合わせの長さに応じて切削速度を８０〜２８０ｍ／分にし、切削速度とインサートの形状に応じて送り速度を０．１〜０．３５ｍｍ／刃にしてコンパクト黒鉛鉄を切削する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンパクト黒鉛鉄（ＣＧＩ）を湿潤条件下と乾燥条件下で中速から高速の切削速度で切削するのに特に役立つ被覆された超硬合金製切削工具用インサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
バーミキュラ鉄と呼ばれることもあるコンパクト黒鉛鉄（ＣＧＩ）は、環境上の理由でエンジンの製造においてますます興味深い材料になっている。ＣＧＩは、合金化されたねずみ鋳鉄と比べて引張強さが７５％大きく、剛性が約４５％大きいため、排気をよりクリーンにする上でより大きな内部動作圧が要求されるディーゼル・エンジン・ブロックやシリンダ・ヘッドなどの力学的負荷および／または熱負荷を受ける複合工作物に特に適している。ＣＧＩにより、より軽くてより強いエンジン・ブロックとシリンダ・ヘッドを開発できる。
【０００３】
ＣＧＩエンジンの開発における最近のトレンドも、エンジン設計におけるパワー密度を大きくする方向に向かっている。材料を、全体的なコストとサイクル時間がねずみ鋳鉄やアルミニウムからなる工作物に対する作業と同程度の加工プロセスを利用して素早くかつ効率的に加工できるのであれば、これはまさしく製造者が望んでいることである。
【０００４】
ＣＧＩはコラル構造とも呼ばれる独自の形態を持っているため、コンパクト黒鉛と鉄マトリックスの間に強力な接着特性が生じる。そのため材料にクラックが発生して伝播することが抑制され、合金化されたねずみ鋳鉄と比べて力学的特性が向上し、熱伝導率がダクタイル鉄よりも大きくなる。要するに、それが理由で力学的特性が向上し、ねずみ鋳鉄の２倍強い材料になる。
【０００５】
ＣＧＩは、望む用途に合うよう、パーライトの含有量がさまざまなものを製造できる。これは、加工プロセスにとっていろいろな意味がある。より詳細には、エンジン・ブロックとシリンダ・ヘッドのためのＣＧＩは、通常は、パーライトの含有量が約９０体積％で、球状化率が約２０体積％となるようにする。
【０００６】
より大きな切削力、すなわちより高い温度がＣＧＩの加工に要求されるようになるにつれ、ＣＧＩの独自の粒子構造が、工具の寿命に特に影響を与えている。合金化されたねずみ鋳鉄の場合と同じ条件下で加工することは難しい。パーライトの含有量は、工具の寿命に影響を与える主要な因子である。また、炭化物の量も工具の寿命に影響を与えるが、その程度はより小さい。
【０００７】
ＣＧＩを加工する際の１つの大きな問題は、バリの形成であり、それによって工具の寿命が短くなる。
【０００８】
ＣＧＩを切削する際に一般に推奨されるのは、加工と工作物1個当たりのコスト（工具の寿命）だけを考えるのであれば、乾燥条件下で切削を実施することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし機械の信頼性を考慮するのであれば、加工工具の製造者は、乾燥条件下で使用する場合には高温になり、切り屑、埃などが発生するため工具の性能を保証しないことがわかるであろう。高温と、熱い切り屑と、埃は、工具と工作物に影響を与える可能性がある。
【００１０】
これらの理由により、ＣＧＩの切削は、工作物1個当たりのコストが上昇したとしても、たいていはクーラントを用いた湿式切削として実施される。
【００１１】
本発明の１つの目的は、中速から高速でのＣＧＩの切削において特に有用で、合金化されたねずみ鋳鉄に対する作業と同程度のサイクル時間とコストで乾燥条件下と湿潤条件下にてこのような切削を実施できる切削用インサートを提供することである。
【００１２】
驚くべきことに、本体の特性と被膜の特性を切削の用途における負荷に合うようバランスさせることにより、中速から高速の切削速度で流体クーラントを用いてコンパクト黒鉛鉄を湿式切削するとき、または乾燥条件下でコンパクト黒鉛鉄を切削するとき、優れた切削性能の切削用インサートが得られることが見いだされた。
【００１３】
本発明の切削用インサートにより、工具の寿命が改善される。ＣＧＩを切削する際の評価基準は、通常は、工作物の表面仕上げ、バリなどであり、熱クラックとフランク摩耗の存在に依存する。驚くべきことに、熱クラックの数が減少し、工具の寿命が延びることが見いだされた。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の切削用インサートは、Ｗ合金が多い結合剤相を含むとともに、化学組成と粒径がバランスしたＷＣと、ＴｉＣｘＮｙ層と、α−Ａｌ２Ｏ３層と、ＴｉＮ層を含んでいて、エッジをブラシングすることによって切削エッジが滑らかになった超硬合金からなる本体を有する。
【００１５】
本発明によれば、７．３〜７．９重量％のＣｏ（好ましくは７．６重量％のＣｏ）と、１．０〜１．８重量％のＴａ及びＮｂの立方晶炭化物（好ましくは１．４〜１．７重量％の立方晶炭化物）と、残りがＷＣである組成の超硬合金本体からなる被覆された切削用インサートが提供される。ＷＣの平均粒径は１．５〜２．５μｍだが、約１．８μｍであることが好ましい。
【００１６】
コバルト結合剤相は、かなりの割合がＷとの合金である。結合剤相に含まれるＷの量は、
ＣＷ比＝磁性−％Ｃｏ／ｗｔ％Ｃｏ
で表わされる。ただし、磁性−％Ｃｏは、超硬合金に含まれる磁性Ｃｏの重量％であり、ｗｔ％Ｃｏは、超硬合金に含まれるＣｏの重量％である。ＣＷ比は、Ｃｏ結合剤相に含まれるＷの量の関数である。ＣＷ比が約１というのは、結合剤相に含まれるＷの量が少ないことに対応し、ＣＷ比が約０．７５〜０．８というのは、結合剤相に含まれるＷの量が多いことに対応する。
【００１７】
本発明によれば、向上した切削性能は、超硬合金本体のＣＷ比が０．８６〜０．９４のときに実現される。
【００１８】
被覆されていない切削エッジの半径は、２５〜４５μｍである。
【００１９】
超硬合金製インサートは、少なくとも一部が、少なくとも３つのＴｉＣｘＮｙＯｚ層を含む４．７〜６．８μｍの厚さの被膜で覆われている。ＴｉＣｘＮｙＯｚ層の厚さの合計は２．１〜３．３μｍであり、以下の層を含んでいる。
−超硬合金に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＝１、ｘ≧０（好ましくはｘ<０．２）、ｚ＝０である第１の層と、
−１〜２μｍのＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ>０．４、ｙ>０．４、０≦ｚ<０．１（好ましくはｚ＝０）である第２の層と、
−α−Ａｌ２Ｏ３層に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＋ｚ≧１（好ましくはｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、ｚ>０（好ましくはｚ>０．２、好ましくはｙ<０．２）である第３の層と、
−厚さが２．１〜３．３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層と、
−厚さが０．１〜２．５μｍ（好ましくは１．２μｍ）のＴｉＮからなるさらに別の層（好ましくは切削エッジに沿って除去されていること）。下にあるアルミナ層も、切削エッジに沿って一部が除去されていてもよい。
【００２０】
本発明は、Ｃｏが７．３〜７．９重量％（好ましくはＣｏは７．６重量％）と、金属ＴａとＮｂの立方晶炭化物が１．０〜１．８重量％（好ましくは１．４〜１．７重量％の立方晶炭化物）と、残りがＷＣである組成の超硬合金本体からなる被覆された切削用インサートの製造方法にも関する。ＷＣの平均粒径は１．５〜２．５μｍだが、約１．８μｍであることが好ましい。
【００２１】
このインサートをブラスト処理してエッジの半径を２５〜４５μｍにした後、以下の被膜を堆積させる。
−超硬合金に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＝１、ｘ≧０（好ましくはｘ<０．２）、ｚ＝０である第１の層。公知のＣＶＤ法を利用して堆積させる。
−１〜２μｍのＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ>０．４、ｙ>０．４、０≦ｚ<０．１（好ましくはｚ＝０）である第２の層。この層を形成するための炭素源と窒素源としてアセトニトリルを使用し、好ましくはＭＴＣＶＤを利用して７００〜９００℃で堆積させる。しかし正確な条件は、使用する装置の設計にある程度依存する。
−α−Ａｌ２Ｏ３層に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＋ｚ≧１（好ましくはｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、ｚ>０（好ましくはｚ>０．２、好ましくはｙ<０．２）である第３の層。
−厚さが２．１〜３．３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層。公知のＣＶＤ法を利用して堆積させる。
−厚さが０．１〜２．５μｍ（好ましくは１．２μｍ）のＴｉＮからなるさらに別の層。
【００２２】
エッジ・ラインは、例えばアメリカ合衆国特許第５，８６１，２１０号に開示されているＳｉＣをベースとしたブラシを用いてブラシングする。ＴｉＮ層は、切削エッジに沿って除去することが好ましく、アルミナ層は、切削エッジに沿って一部を除去することができる。
【００２３】
本発明は、上記切削用インサートを利用し、乾式切削または流体クーラントを用いた湿式切削により、噛み合わせの長さに応じて切削速度を８０〜２８０ｍ／分にし、切削速度とインサートの形状に応じて送り速度を０．１〜０．３５ｍｍ／刃にしてコンパクト黒鉛鉄を切削する方法にも関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施例１
Ａ．７．６重量％のＣｏと、１．２５重量％のＴａＣと、０．３０重量％のＮｂＣと、平均粒径１．８μｍの残部ＷＣと、いう組成で、ＣＷ比が０．９に対応するＷ合金になった結合剤相を含む本発明によるＴＮＥＦ １２０４ＡＮ−ＫＸというタイプの超硬合金製切削用インサートを、ブラストによってエッジの半径を３５μｍにした後、以下のように被覆した。
ＴｉＣｌ４と、Ｈ２と、Ｎ２とからなる反応混合物を用い、公知のＣＶＤ法を利用して堆積させた、０．５μｍのＴｉＣ０．０５Ｎ０．９５からなる第１の層、
炭素／窒素源がＣＨ３ＣＮであり、温度を８８５〜８５０℃にしてよく知られたＭＴＣＶＤ法を利用して堆積させた、ＴｉＣ０．５５Ｎ０．４５から成る１．７μｍの柱状の第２の層、
針状の粒子を含む０．５μｍのＴｉＣ０．５Ｏ０．５からなる結合用の第３の層、
２．７μｍのα−Ａｌ２Ｏ３からなる第４の層、最後は、公知のＣＶＤ法を利用して堆積させた、約１．３μｍのＴｉＮからなる最上層。ＸＲＤ測定により、Ａｌ２Ｏ３層が１００％のα相からなることを確認した。
【００２５】
この被膜・サイクルの後、インサートのエッジ・ラインに対し、ＳｉＣブラシを用いてブラシング操作を行なった。
【００２６】
Ｂ．サンドヴィックＧＣ４０２０市販グレード、
【００２７】
Ｃ．Ｃｏが６％で残りがＷＣである組成物を含んでいて、エッジの半径が５０μｍであるＴＮＥＦ・１２０４ＡＮ−ＫＸのタイプの超硬合金製切削用インサート、
をＡと同じ被膜で被覆した。
【００２８】
実施例２
インサートＡ、Ｂ、Ｃに対して以下の性能試験を行なった。
作業：面切削−荒削り
工作物：ディーゼル・エンジン・ブロックの上面
材料：ＣＧＩ  パーライトが８５％で球状化率が２３％
工具：サンドヴィック・コロマント  Ｒ２６０．３１−３１５
評価基準：表面仕上げ（バリの形成）。
【００２９】
切削データ
切削速度：Ｖｃ＝２００ｍ／分
送り速度／刃：Ｆｚ＝０．２０ｍｍ／回転
切削深度：Ａｐ＝４ｍｍ
乾燥条件
【００３０】
結果：工具の寿命、                    エンジン・ブロックの数
グレードＡ：（本発明）                      ８７４
グレードＢ：サンドヴィックＧＣ４０２０      ６９５
グレードＣ：対照                            ４５６
【００３１】
実施例３
インサートＡ、Ｂ、Ｃに対して以下の性能試験を行なった。
作業：面切削−荒削り
工作物：シリンダ・ヘッド
材料：ＣＧＩ  パーライトが９０％で球状化率が１７％
工具：サンドヴィック・コロマント  Ｒ２６０．３１−２５０
評価基準：表面仕上げ（バリの形成）
【００３２】
切削データ
切削速度：Ｖｃ＝１７８ｍ／分
送り速度／刃：Ｆｚ＝０．１８ｍｍ／回転
切削深度：Ａｐ＝３．５ｍｍ
湿潤条件
【００３３】
インサートのタイプ：ＴＮＥＦ １２０４ＡＮ−ＫＸ
結果：工具の寿命、                      シリンダ・ヘッドの数
グレードＡ：（本発明）                        ７４８
グレードＢ：サンドヴィック  ＧＣ４０２０      ５７６
グレードＣ：対照                              ４８７
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【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】
乾燥条件または湿潤条件にて中速から高速の切削速度でコンパクト黒鉛鉄を切削するための、超硬合金本体と被膜を含む切削用インサートであって、
前記超硬合金本体が、ＷＣと、７．３〜７．９重量％のＣｏと、１．０〜１．８重量％のＴａ及びＮｂの立方晶炭化物と、ＣＷ比が０．８６〜０．９４である高Ｗ結合相とを含み、被覆されていない切削エッジの半径が２５〜４５μｍであること、且つ
前記被膜が、
・前記超硬合金に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＝１、ｘ≧０である第1の層と、
・１〜２μｍのＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ>０．４、ｙ>０．４、０≦ｚ<０．１である第２の層と、
・１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＋ｚ≧１、ｚ>０である第３の層と、
・厚さが２．１〜３．３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層と、
・厚さが０．１〜２．５μｍのＴｉＮからなるさらに別の層を含んでいる、
ことを特徴とする切削用インサート。
【請求項２】
前記超硬合金が、１．４〜１．７重量％のＴａとＮｂの炭化物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削用インサート。
【請求項３】
最も外側の前記ＴｉＮ層が、切削エッジに沿って削除されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の切削用インサート。
【請求項４】
湿潤条件または乾燥条件にて中速から高速の切削速度でコンパクト黒鉛鉄を切削するための、超硬合金本体と被膜を含む切削用インサートの製造方法であって、
ＷＣ−Ｃｏをベースとした前記超硬合金本体が、ＷＣと、７．３〜７．９重量％のＣｏと、１．０〜１．８重量％のＴａとＮｂの立方晶炭化物と、ＣＷ比が０．８６〜０．９４であるＷ合金が多い結合剤相とを含んでいて、
切削用インサートの製造方法が、
・前記インサートを処理してエッジの半径を２５〜４５μｍにするステップと、
・前記超硬合金に隣接していて、１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＝１、ｘ≧０である第１の層をＣＶＤ法によって堆積させるステップと、
・１〜２μｍのＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ>０．４、ｙ>０．４、０≦ｚ<０．１である第２の層を、この層を形成するための炭素源と窒素源としてアセトニトリルを使用し、ＭＴＣＶＤを利用して７００〜９００℃の温度範囲で堆積させるステップと、
・１μｍ未満のＴｉＣｘＮｙＯｚからなり、組成が、ｘ＋ｙ＋ｚ≧１、ｚ>０である第３の層を堆積させるステップと、
・厚さが２．１〜３．３μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層を公知のＣＶＤ法を利用して堆積させるステップと、
・厚さが０．１〜２．５μｍのＴｉＮからなるさらに別の層を公知のＣＶＤ法を利用して堆積させるステップを含むこと、
を特徴とする切削用インサートの製造方法。
【請求項５】
前記超硬合金本体が、１．４〜１．７重量％のＴａとＮｂの炭化物を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
切削エッジに沿ってＳｉＣブラシでブラシングすることによって最も外側の前記ＴｉＮ層を除去することを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削用インサートを利用し、乾式切削または流体クーラントを用いた湿式切削により、噛み合わせの長さに応じて切削速度を８０〜２８０ｍ／分にし、切削速度とインサートの形状に応じて送り速度を０．１〜０．３５ｍｍ／刃にしてコンパクト黒鉛鉄を切削する方法。
【外国語明細書】
2008126403000001.pdf