(57)【要約】【課題】本発明は、硬化鋼、熱間加工と冷間加工の工具鋼、ダイス鋼、肌焼き鋼、高速度鋼、ダクタイル鼠鋳鉄を機械加工するための切削工具インサートを提供する。【解決手段】30〜60vol%のcBN相並びにチタン炭窒化物相及びTiB2相を含むバインダ相を含む複合材料から構成される切削工具インサート。本発明により、CuKα-輻射を用いた複合材料からのXRDパターンにおいて、最も強いTiB2ピークと最も強いcBNピークとのピーク高さ比が、0.02より小さくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬化鋼、熱間加工と冷間加工の工具鋼、ダイス鋼、肌焼き鋼、高速度鋼、およびダクタイル鼠鋳鉄を機械加工するための切削工具インサートであって、該インサートはｃＢＮ相、及びチタン炭窒化物相とＴｉＢ２相を含むバインダ相、を含む複合材料から構成されていて、該ｃＢＮ含有率は３０以上、６０未満vol％であって、ＣｕＫα輻射を用いる複合材料からのＸＲＤパターンにおいて、最も強い（１０１）ＴｉＢ２ピークと最も強いｃＢＮ（１１１）ピークとのピーク高さ比が、０．０２未満であって、チタン炭窒化物相からの（２００）ピークが、ＴｉＮのＰＤＦ線、ＰＤＦ３８-１４２０、の垂直線と交差し、交差する点の高さは、セラミックバインダ相の最大（２００）ピーク高さの０．１０よりも小さいことを特徴とする、切削工具インサート。
【請求項２】
複合材料が３５以上、５０未満vol％のｃＢＮを含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削工具インサート。
【請求項３】
複合材料が３５以上、４８未満vol％のｃＢＮを含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削工具インサート。
【請求項４】
複合材料が３５以上、４５未満vol％のｃＢＮを含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削工具インサート。
【請求項５】
ＸＲＤパターンにおいて、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌ、及びそれらの組み合せ物のいずれかのホウ化物の最も強いピークと、最も強いｃＢＮピークからのピーク高さ比が、０．０６未満であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
【請求項６】
インサートが、０．１〜１μｍの第一の粒子サイズ部が１０vol％超であり、２〜５μｍの第二の粒子サイズ部が１０vol％超である二モード性ｃＢＮ粒子サイズ分布を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具。
【請求項７】
複合材料中に、タングステンカーバイドおよび／またはアルミナをさらに含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
【請求項８】
チタン炭窒化物相からの（２００）ピークは、ＴｉＣのＰＤＦ線、ＰＤＦ３２−１３８３、の垂直線と交差し、且つ交差する点の高さは、セラミックバインダ相の最大（２００）ピーク高さの少なくとも０．１０、好ましくは少なくとも０．１５であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
【請求項９】
チタン炭窒化物相からの（２００）ピークが、ＴｉＮのＰＤＦ線、ＰＤＦ３８−１４２０、の垂直線と交差し、且つ交差する点の高さは、セラミックバインダ相の最大（２００）ピーク高さの０．０５未満であり、好ましくは、チタン炭窒化物相からの（２００）ピークが、ＴｉＮのＰＤＦ線、ＰＤＦ３８−１４２０、の垂直線と交差しないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
【請求項１０】
最も強い（１０１）ＴｉＢ２のピークと最も強いｃＢＮ（１１１）のピークとのピーク高さ比が、実質的に０であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬化鋼及び類似の材料のような硬質材料を機械加工する場合、切り欠け及び切刃破断に対して優れた耐摩耗性および持続する耐性を有する、立方晶窒化ホウ素を含む切削インサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧力および高温度で焼結された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）系セラミックスは、既知である。
【０００３】
一般的に、硬質部品を機械加工するためのｃＢＮ系材料は、硬質分散相としてのｃＢＮおよびセラミック−バインダ相を有し、焼結硬質切削工具を形成する。切削工具用のｃＢＮ材料は４０〜９０vol％のｃＢＮ含有率を有し、そしてセラミック−バインダ相は、概して、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌの少量のホウ化物、またはそれらの固溶体、アルミナ、及び他の不可避的な反応生成物を含むＴｉの窒化物、炭窒化物または炭化物からなる。この構成物の相対量を変化させることにより、ｃＢＮ工具は、例えば連続切削または断続切削のような、種々の用途での最適な性能に合わせて設計することができる。ｃＢＮ含有量の比較的高いｃＢＮ工具は、激しい断続切削用途に対して靱性が必要とされる場合に推奨され、一方、高セラミックバインダ含有量は、連続切削において必要な高い摩耗抵抗を与える。
【０００４】
したがって、切削速度が速く、切り込み深さが浅く、送り速度が連続的なものから僅かに断続的なものまでの範囲で実施する、耐摩耗性を必要とする用途では、低ｃＢＮ含有率が選択される。しかしながら、価格を抑え、より高い生産性が産業界から要求されており、さらに改良されたｃＢＮ系工具が必要である。このことは、一般的にはより速い切削速度、具体的には、より深い切り込み深さとより速い送り速度を暗示している。しかしながら、連続的な機械加工の間に、インサートのエントランスとエグジットが切刃に突然余分な負荷を生じて、そして機械の不安定性が間欠的な挙動を示すことがある。この両方の影響が、容認できない切刃の破損をもたらす。結果として、機械加工産業界からの要求に合致させるために、耐摩耗性を改善しつつ、切刃破損抵抗性を失わない切削工具が望まれている。
【０００５】
従来は、切り欠け抵抗を増加するために、セラミックバインダと硬質の所望の相との間に中間物の接着相を使用することが提案されてきた（米国特許第７，１１２，２３５号）。また、ｃＢＮ粒を囲む結合相が、直接のｃＢＮ−ｃＢＮ接触を避けるために提案されている（米国特許第６，３１６，０９４号）。この結合相は、ｃＢＮまたはｃＢＮ粒を被覆するＢ２Ｏ３残留物と、ＴｉＢ２を形成するセラミックバインダとの間の化学反応によって形成される。さらに、ｃＢＮ粒は、ｃＢＮ粒を取り囲む強化リムを増進させるために、ＰＶＤ処理によってＴｉとＡｌの窒化物またはホウ化物によって予め被覆されていた（米国特許第６，２６５，３３７号）。米国特許第４，９１１，７５６号は、５０〜７０vol％のｃＢＮと、２５〜５０ｗｔ％のＡｌ、一以上のＴｉ化合物、およびＷまたは一以上のＷ化合物を含むバインダとを含む焼結体を開示し、ここでバインダのＷ含有率は４〜４０ｗｔ％である。
【０００６】
ＷＯ２００６／０４６１２５号は、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮおよび混合物の第二の硬質相を有するｃＢＮ成形体と固溶体を開示する。この公報に記載された測定技術を用いて、ＴｉＢ２ピーク高さ（ｃＢＮピーク高さに対するパーセンテージとして測定される）は、２．５〜１２％未満であることが開示される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、高い耐摩耗性と持続する切刃破損抵抗性を備えたｃＢＮ系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】
【０００８】
本発明は、ｃＢＮ相、及びチタン炭窒化物相とＴｉＢ２相を含むバインダ相、を含む複合材料から構成される切削工具インサートを提供する。ここで、ｃＢＮ含有率は約３０以上、約６０未満vol％であって、ＣｕＫα輻射を用いる複合材料からのＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンにおいて、最も強い（１０１）ＴｉＢ２ピークと最も強いｃＢＮ（１１１）ピークとのピーク高さ比が、約０．０２未満であって、チタン炭窒化物相からの（２００）ピークが、ＴｉＮのＰＤＦ線、ＰＤＦ３８-１４２０、の垂直線と交差し、交差する点の高さは、セラミックバインダ相の最大（２００）ピーク高さの約０．１０よりも小さい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
セラミックバインダ相と硬質分散ｃＢＮ相との間の中間物相が、強靭化に関する非常に重要な機構、すなわち亀裂たわみ（crack  deflection）、が最小化されるために、インサート材料の切刃の靱性を実際に減少させることが現在判明している。この材料の種々の相の間の結合があまりにも強いときは、形成された亀裂は、非常に真っ直ぐな状態でこの材料を通って容易に伝播し、低い値の破壊靭性をもたらす。この結合があまりにも小さいと、著しく減少した耐摩耗性を意味することになる。しかしながら、この結合が釣り合う場合、それ（結合）が粒の本来備わる強度よりも低くなることを意味し、その亀裂は粒界に沿って好ましく伝播し、これはより高い靭性を意味する。ｃＢＮ粒とセラミックバインダとの望ましい結合強度が、焼結温度と原材料の反応性とを注意深く制御することにより、達成することができる。
【００１０】
本発明は、硬化鋼、熱間加工と冷間加工の工具鋼、ダイス鋼、肌焼き鋼、高速度鋼、ダクタイル鼠鋳鉄を、高度な連続操業で機械加工するための切削工具インサートに関する。この切削工具インサートは、固体ｃＢＮ工具、または超硬合金基材に取り付けた(attach)ｃＢＮ成形体に関する。これはｃＢＮ相とバインダ相とを含む被覆または非被覆複合材料から構成され、バインダ相は炭窒化物チタン相とＴｉＢ２相を含む。好ましくは、この複合材料は、３０以上、６０未満、好ましくは３５以上、５０未満、より好ましくは３５以上、４８未満、最も好ましくは３５以上、４５未満vol％のｃＢＮを含み、平均粒子サイズが５μｍ未満好ましくは１〜４μｍであって、好ましくは、０．１〜１μｍの第一の粒子サイズ部が１０vol％超であり、２〜５μｍの第二の粒子サイズ部が１０vol％超である二モード性ｃＢＮ粒子サイズ分布を有する。ＣｕΚα照射、およびバックグラウンド除去とピークのＫα２帯も用いた複合材料からのＸＲＤパターンにおいて、最も強いＴｉＢ２のピークと最も強いｃＢＮのピークとのピーク高さ比が、＜０．０３好ましくは＜０．０２より好ましくは実質的に０である。この比は、最も強いＴｉＢ２（ＰＤＦ３５−０７４１）のピーク（１０１）と、最も強いｃＢＮ（ＰＤＦ３５−１３６５）のピーク（１１１）との間のピーク高さ比として測定され、即ちＩＴｉＢ２（１０１）／ＩｃＢＮ（１１１）である。さらに、ＴｉＢ２を除くＴｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌ、及びそれらの組み合せ物のいずれかのホウ化物の最も強いピークと、最も強いｃＢＮピークからのピーク高さ比が、本発明の一実施態様では、０．０６未満である。
【００１１】
本発明の一実施態様における、さらなる特徴は、ＸＲＤパターンにおいてチタン炭窒化物相からの少なくとも一つのピークが存在することであり、ここでそのチタン炭窒化物相からの（２００）ピークは、前述のＴｉＣのＰＤＦ線（ＰＤＦ３２−１３８３）の垂直線と交差し、且つ交差する点の高さは、セラミックバインダ相の最大（２００）ピーク高さの少なくとも０．１０、好ましくは少なくとも０．１５である。本発明のさらなる特徴は、チタン炭窒化物相からの（２００）ピークが前述のＴｉＮのＰＤＦ線（ＰＤＦ３８−１４２０）の垂直線と交差し、且つ交差する点の高さは、セラミックバインダ相の最大（２００）ピーク高さの０．１０未満、好ましくは０．０５未満であり、最も好ましいのは、チタン炭窒化物相からの（２００）ピークが、前述のＴｉＮのＰＤＦ線（ＰＤＦ３８−１４２０）の垂直線と交差しないことである。これは、ＴｉＣからＴｉＮまでのＴｉＣ１−ｘＮｘの狭い組成範囲を示唆する。これは、点焦点を使用して決定され、この点焦点は、超硬合金基材にロウ付けされた小さな試料を基材からの干渉回折ノイズを捕らえることなく特性評価するために、好ましい。
【００１２】
本発明による材料は、超硬合金の球で粉砕（milling）された５ｗｔ％までのタングステンカーバイドと、Ａｌと原材料中の不可避的な酸素との間の反応から形成されるアルミナと、をさらに含んでも良い。
【００１３】
本発明によるｃＢＮ切削工具インサートは、粉砕加工、加圧成形及び圧力を上昇させた焼結のような従来の粉末冶金技術を用いて作られる。本発明の方法により、セラミックバインダ相Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）と、化学量論的または好ましくは亜化学量論的な金属バインダ相Ａｌの粉末は、摩砕機粉砕加工において予備粉砕加工され、非常に微細な粉末になる。摩砕粉砕加工された粉末は、次にｃＢＮ粉末原材料と混合され、一緒に粉砕加工される。粉砕加工した後に、この粉末は乾燥され、成形されて円形成形体を形成する。次に、この成形体は、８５０〜１２５０℃の温度で１時間の予備焼結をする。
【００１４】
次に、予備焼結成形体は、それだけでまたは超硬合金基材の上で、超高圧力焼結装置において５Ｇｐａの圧力で、１２００〜１３２５℃の温度範囲で、好ましくは１３００℃で、１５〜３０分間焼結される。多孔性の点で完全な焼結工程が達成され、しかし、セラミックバインダと硬質ｃＢＮ相との間の化学反応を最小にするために、過度の温度と時間を回避するように、この焼結温度及び時間が選択される。この最適焼結温度は、この化学組成、セラミックバインダ相の化学量論、および全ての原材料の粒子サイズに依存する。当業者の装置を用いて所望の微細組織を得るために必要な条件を実験によって決定することは、当業者の活動範囲内である。この温度は、一般的に１２００〜１３２５℃の範囲内である。
【００１５】
一実施態様において、次に、この焼結成形体は、頂部と底部の研削加工後に、所望の形状にアーク放電ワイヤー切断を用いて切断する。次に、この焼結されたｃＢＮ成形体のピースは、例えば、米国特許第２００５／０１５２８０４号（SafeLok コンセプト）の技術で既知なように、超硬合金基材上にロウ付けされ、および、所望の形と寸法に研削加工される。
【００１６】
その他の実施態様において、この焼結したｃＢＮ成形体は、超硬合金基材にロウ付けすることなく、所望の形状と寸法に仕上げ研削加工される（固体ｃＢＮ）。
【００１７】
この研削加工されたインサートは、例えば、ＴｉＮ、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ及びＡｌ２Ｏ３のような技術的に既知の、耐摩耗性のＰＶＤ及びＣＶＤの層でさらに被覆されてもよい。
【実施例】
【００１８】
例１
本発明によるｃＢＮインサートは、３７．７ｗｔ％のｃＢＮ粒、６．１ｗｔ％のＡｌバインダ相、および残りの非化学両論的なセラミックバインダ相のＴｉ（Ｃ０．７Ｎ０．３）０．８の粉末をボール粉砕加工することにより調製した。ここで、前記ｃＢＮ粒は３０ｖｏｌ％が０．２〜０．６μｍの粒子サイズであり、７０ｖｏｌ％が２〜４μｍの粒子サイズである二モード性粒子分布を有する。このバインダ及びセラミックバインダは、ｃＢＮとボール粉砕加工する前に、磨砕機粉砕加工し、それらの微細粒完全混合物を作製した。
【００１９】
ボール粉砕加工した後、この粉末を、乾燥し、成形体加工して、５３ｍｍの直径を有する円盤を形成した。この円盤は、約９００℃の温度で１時間予備焼結した。
【００２０】
次に、予備焼結された円盤を、超高圧力焼結装置において５ＧＰａの圧力と１３００℃の温度で２０分間焼結した。
【００２１】
このｃＢＮインサートを、Bruker D8 Discover回折計測器において次の条件で分析した。
【００２２】
【表１】
2008272929.tif 000003
【００２３】
この分析結果は、図２に示される。比較のために、先行技術のｃＢＮ４５vol％であるｃＢＮ材料を、表１の条件で分析し、結果を図３に示した。
【００２４】
図２と図３から、これらのインサートの間の主な相違は、ホウ化物反応相、特にＴｉＢ２、またはＴｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ａｌもしくはこれらの組み合わせの任意のホウ化物、の欠乏であることは明確である。上述のＴｉＢ２からの興味ある最も強いピークが、図２の中の選択された２θ領域に見られることが予想される。本発明によるインサートでの最も強いＴｉＢ２ピークと最も強いｃＢＮピークとのピーク高さ比は０であるのに対して、先行技術インサートのそれは０．２３である。
【００２５】
本発明によるｃＢＮインサートをさらに、金属組織（metallographically）分析した。ｃＢＮ材料の研磨した断面のＳＥＭイメージを準備し、イメージ分析（Leica Qwin）を用いて分析した。ｃＢＮ含有率は３９．４ｖｏｌ％と測定された。ｃＢＮ粒子は二モード性粒子サイズ分布を有していた。図１を参照のこと。
【００２６】
例２
本発明により例１から得られた切削インサートを、Ｓａｆｅ−Ｌｏｋコンセプトにより超硬合金体にロウづけし、ＣＮＧＡ１２０４０８の称号を有する切削工具インサートを形成するようにさらに処理をした。このインサートは、以下の条件で、耐摩耗性に関して、連続旋削加工操作において試験した。
被加工品材料：              高周波焼き入れ鋼、ＨＲＣ６０
切削速度：                  ２５０ｍ／分
送り速度：                  ０．１ｍｍ／回転
切り込み深さ（ＤＯＣ）：    ０．１ｍｍ
注釈：                      乾式切削
【００２７】
参照として、例１の先行技術インサートを用いた。
切削８分後の最大側面摩耗（Ｖｂ）を達成度の尺度として使用した。
【００２８】
【表２】
2008272929.tif 000004
【００２９】
例３
本発明により例１から得られた切削インサートを、Ｓａｆｅ−Ｌｏｋコンセプトにより超硬合金体にロウづけし、ＣＮＧＡ１２０４０８の称号を有する切削工具インサートを形成するようにさらに処理をした。このインサートは、以下の条件で、耐摩耗性および切刃靭性に関して、連続旋削加工操作において試験した。
被加工品材料：              肌焼き鋼、ＨＲＣ５８
切削速度：                  ２００ｍ／分
送り速度：                  ０．２ｍｍ／回転
切り込み深さ（ＤＯＣ）：    ０．１５ｍｍ
注釈：                      乾式切削
【００３０】
参照として、例１の先行技術インサートを用いた。
【００３１】
【表３】
2008272929.tif 000005
【００３２】
例４
本発明により例１から得られた切削インサートを、Ｓａｆｅ−Ｌｏｋコンセプトにより超硬合金体にロウづけし、ＣＮＧＡ１２０４０８の称号を有する切削工具インサートを形成するようにさらに処理をした。このインサートは、以下の条件で、激しい断続旋削加工操作において、靱性に関して、試験した。
被加工品材料：              硬化軸受鋼、ＨＲＣ５６
切削速度：                  １２０ｍ／分
送り速度：                  ０．１〜０．６ｍｍ／回転
切り込み深さ（ＤＯＣ）：    ０．１〜０．６ｍｍ
注釈：                      乾式切削
【００３３】
操作は１０ｍｍの溝を有するリングの正面切削加工であった。送り速度とＤＯＣは、切り欠けまたは破断するまで、０．０２ｍｍの間隔で増加させた。
【００３４】
参照として、例１の先行技術インサートを用いた。本発明を、スウェーデン特許出願０５０２３９１−６号によるｃＢＮ材料のインサートとも比較した。それは、本発明によるｃＢＮ材料と同様の低ＴｉＢ２含有率を有するが、６５vol％のｃＢＮ含有率を有する。
【００３５】
【表４】
2008272929.tif 000006
【００３６】
本発明によるインサートは、先行技術のインサートに比べて破断／切り欠け抵抗において３０％良好な性能を発揮し、そして６５vol％のｃＢＮ材料を含むインサートよりもやや低い靱性を有する。
【００３７】
例５
本発明により例１から得られた切削インサートを、Ｓａｆｅ−Ｌｏｋコンセプトにより超硬合金体にロウづけし、ＣＮＧＡ１２０４０８の称号を有する切削工具インサートを形成するようにさらに処理をした。このインサートは、以下の条件で、耐摩耗性に関して、連続旋削加工操作において試験した。
被加工品材料：              肌焼き鋼、ＨＲＣ６０
切削速度：                  ２５０ｍ／分
送り速度：                  ０．１ｍｍ／回転
切り込み深さ（ＤＯＣ）：    ０．１ｍｍ
注釈：                      乾式切削
【００３８】
参照として、例１の先行技術インサートを用いた。本発明を、米国特許出願２００７／００９９０３０号によるｃＢＮ材料のインサートとも比較した。それは、本発明によるｃＢＮ材料と同様の低ＴｉＢ２含有率を有するが、６５vol％のｃＢＮ含有率を有する。
【００３９】
【表５】
2008272929.tif 000007
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明によるｃＢＮ材料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【図２】本発明によるｃＢＮ材料のＸＲＤパターンを示す。
【図３】先行技術によるｃＢＮ材料のＸＲＤパターンを示す。
【図２】
2008272929.tif 000008
【図３】
2008272929.tif 000009
【図１】
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【外国語明細書】
2008272929000001.pdf