(57)【要約】【課題】鋼のフライス加工のような断続的な加工に典型的である摩耗機構に対して耐え得る切削工具インサートを提供する。【解決手段】超硬合金基材と被膜とを含む切削インサートであって、  上記基材は、ＷＣと、８〜１１wt％Ｃｏと、０．１〜０．５wt％Ｃｒとを含み、保磁力が１８〜２２ｋＡ／ｍであり、ＣＷ比が０．７８〜０．９０であり、  上記被膜は、Ａ＋Ｂ＋Ａ＋Ｂ＋・・・という多層構造を備え、ここでＡおよびＢはそれぞれＡｌｘＴｉ１−ｙＮおよびＴｉｙＡｌ１−ｙＮで表わされる多結晶体で非反復形態であり、ｘ＝０．４〜０．７、ｙ＝０．６〜１、ｘ＜ｙであり、一組のＡ＋Ｂサブ層対の平均厚さが３０〜３００ｎｍでほぼランダムに変動しており、該多層構造被膜の全厚さが、０．５μｍ〜１５μｍであることを特徴とする切削インサート。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金基材と被膜とを含む切削インサートであって、
上記基材は、ＷＣと、８〜１１wt％Ｃｏ、より望ましくは９．９〜１０．５wt％Ｃｏ、最も望ましくは９．９〜１０．１wt％Ｃｏと、０．１〜０．５wt％Ｃｒ、より望ましくは０．３８〜０．４０wt％Ｃｒとを含み、保磁力が１８〜２２ｋＡ／ｍ、より望ましくは１９〜２１ｋＡ／ｍ、最も望ましくは１９．８〜２０．２ｋＡ／ｍであり、ＣＷ比が０．７８〜０．９０、望ましくは０．８０〜０．８９、最も望ましくは０．８３〜０．８７であり、
上記被膜は、Ａ＋Ｂ＋Ａ＋Ｂ＋・・・という多層構造を備え、ここでＡおよびＢはそれぞれＡｌｘＴｉ１−ｙＮおよびＴｉｙＡｌ１−ｙＮで表わされる多結晶体であって形態が非反復性であり、ｘ＝０．４〜０．７、望ましくは０．５〜０．６７、ｙ＝０．６〜１、望ましくは０．７５〜１、ｘ＜ｙであり、一組のＡ＋Ｂサブ層対の平均厚さが３０〜３００ｎｍ、望ましくは６０〜１２０ｎｍでほぼランダムに変動しており、該多層構造被膜の全厚さが、０．５μｍ〜１５μｍ、望ましくは１μｍ〜１０μｍ、より望ましくはすくい面側で１μｍ〜５μｍ、逃げ面側で２〜８μｍである
ことを特徴とする切削インサート。
【請求項２】
請求項１において、ＴｉｂＡｌ１−ｂＮ、ｂ＝０．８〜０．９、望ましくは０．８２〜０．８５である外層が、目視で均一なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは０．１〜１μｍの厚さを有することを特徴とする切削インサート。
【請求項３】
請求項１または２において、被膜全体の平均組成がＴｉｚＡｌ１−ｚＮ、ｚ＝０．４〜０．７であることを特徴とする切削インサート。
【請求項４】
超硬合金基材と被膜とを含む切削インサートを製造する方法であって、
ＷＣと、８〜１１wt％Ｃｏ、望ましくは９．９〜１０．５wt％Ｃｏと、０．１〜０．５wt％Ｃｒとを含み、保磁力が１８〜２２ｋＡ／ｍであり、ＣＷ比が０．７８〜０．９０である基材を用意し、
Ａ＋Ｂ＋Ａ＋Ｂ＋・・・という多層構造を備え、ここでＡおよびＢはそれぞれＡｌｘＴｉ１−ｙＮおよびＴｉｙＡｌ１−ｙＮで表わされる多結晶体であって形態が非反復性であり、ｘ＝０．４〜０．７、望ましくは０．５〜０．６７、ｙ＝０．６〜１、望ましくは０．７５〜１、一組のＡ＋Ｂサブ層対の平均厚さが３０〜３００ｎｍ、望ましくは６０〜１２０ｎｍでほぼランダムに変動しており、該多層構造被膜の全厚さが、０．５μｍ〜１５μｍ、望ましくは１μｍ〜１０μｍ、より望ましくはすくい面側で１μｍ〜５μｍ、逃げ面側で２〜８μｍである被膜を、カソードアーク蒸着法により、純チタンおよび／またはＴｉＡｌ合金（単一または複数の合金）から成る２対または３対のアーク源を用い、Ｎ２ガスまたはＮ２＋Ａｒ混合ガスの雰囲気中で被着する
ことを特徴とする切削インサートの製造方法。
【請求項５】
請求項４において、ＴｉｂＡｌ１−ｂＮ、ｂ＝０．８〜０．９、望ましくは０．８２〜０．８５であり、目視で均一なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは０．１〜１μｍの厚さを有する外層を被着することを特徴とする切削インサートの製造方法。
【請求項６】
鋼およびステンレス鋼を乾式条件でフライス加工する際の、請求項１から３に記載の切削工具インサートの使用であって、切削速度および送り速度が下記：
◆  切込角度９０°のフライス加工の場合は、Ｖｃ＝２５〜３５０ｍ／ｍｉｎ、望ましくは５０〜２５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．０４〜０．４ｍｍ／刃、または
◆  切込角度４５〜７５°の正面フライス加工の場合は、Ｖｃ＝２５〜３５０ｍ／ｍｉｎ、望ましくは５０〜２５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．０５〜０．７ｍｍ／刃、または
◆  高送りフライス加工の場合は、Ｖｃ＝２５〜３５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．３０〜３．０ｍｍ／刃、望ましくは０．３〜１．８ｍｍ／刃
であることを特徴とする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、高耐摩耗性と高刃先靭性とが必要な鋼およびステンレス鋼の機械加工用の被膜付き超硬合金インサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なフライス加工においては、インサートに対する熱的な負荷は時間に伴って変化し、多くの場合、熱的な引張を伴い、その結果として被膜に熱起因の亀裂が生ずる。これは特に、乾式加工に比べて温度変化が顕著な冷却式／湿式の加工に関係している。
【０００３】
フライス加工に共通する摩耗機構は、亀裂発生後の欠け（チッピング）であり、これは刃先の本体から小片が脱落する現象である。したがって、工具寿命の向上にとって、刃先靭性の向上が非常に重要である。熱起因の亀裂発生や他に起因する亀裂発生の危険性を低減するための一つの解決策は、多層被膜を用いることである。多層被膜は、発生した亀裂が被膜中を進行する際にサブ層境界で向きが変わることによる亀裂阻止機能を発揮すると期待されている。多層被膜のもう一つの利点は、硬質の耐摩耗層間に軟質のサブ層を介在させた場合に得られる。軟質層によって衝撃を吸収し、亀裂が被膜全体に浸透するのを阻止する。
【０００４】
ＷＯ９８／４８０７２には、焼結した超硬合金、セラミクス、または高速度鋼のボディの表面の少なくとも機能部分に、薄くて密着性があり硬質の耐摩耗被膜を付与した切削工具が開示されている。この被膜は耐火性化合物を多結晶状態の非反復形態でＭＸ＋ＮＸ＋ＭＸ＋ＮＸ・・・と積層した多層構造であり、交互に存在するＭＸ層およびＮＸ層は金属の窒化物または炭化物から成る。多層構造全体に亘って個々の層の厚さに周期性がなく、すなわち多層構造全体として非反復形態である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、鋼のフライス加工のような断続的な加工に典型的である摩耗機構に対して耐え得る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】
【０００６】
高Ａｌの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの耐摩耗層同士の間にこれよりも軟質で高Ｔｉの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの薄層を介在させた薄い多層構造により、断続的な加工における亀裂発生に対する耐性が高まることが見出された。
【０００７】
図１は、本発明の被膜の個々の層全てを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。図２は、被膜の個々の層の測定箇所の詳細を示すＳＥＭ像であり、層構造が本質的に非周期的であることが分かる。
【０００８】
本発明によれば、被膜付き切削工具インサートは、８〜１１wt％Ｃｏ、望ましくは９．９〜１０．５wt％Ｃｏ、最も望ましくは９．９〜１０．１wt％Ｃｏと、０．１〜０．５wt％Ｃｒ、望ましくは０．３８〜０．４０wt％Ｃｒと、残部のＷＣとから成る組成を有する超硬合金ボディを備えている。この超硬合金ボディは、不純物レベルの少量の他の元素を含んでいても良い。保磁力は１８〜２２ｋＡ／ｍ、より望ましくは１９〜２１ｋＡ／ｍ、最も望ましくは１９．８〜２０．２ｋＡ／ｍである。コバルト結合相に所定量のＷおよびＣｒを添加したことにより、本発明の超硬合金に所望の特性を付与した。結合相中のＷとＣｒはコバルトの磁気的性質に影響を及ぼすので、ＣＷ比と下記の関係がある。
【０００９】
ＣＷ比＝磁性％Ｃｏ／wt％Ｃｏ
ここで、磁性％Ｃｏはボディ中の磁性材料の実測wt％であり、wt％Ｃｏはボディ中のＣｏのwt％である。
【００１０】
ＣＷ比は結合相中の合金添加量に応じて１〜約０．７５の範囲で変わる。ＣＷ比が低くなるほど、ＷおよびＣｒの含有量が高くなり、ＣＷ比＝１であれば結合相中にＷおよびＣｒが実用上存在しないことになる。
【００１１】
本発明における新規な知見として、超硬合金ボディのＣＷ比が０．７８〜０．９０、望ましくは０．８０〜０．８９、最も望ましくは０．８３〜０．８７の範囲内であれば、切削性能が向上する。超硬合金中に、η相（Ｍ６Ｃ）が少量、１vol％未満存在しても、致命的な影響はない。本発明においては、ＣＷ比を規定した（＜１）ことにより、超硬合金ボディ中に遊離グラファイトの存在は許容されない。
【００１２】
本発明のインサートは、２種類のサブ層Ａ、Ｂが被膜全厚に亘ってＡ＋Ｂ＋Ａ＋Ｂ・・・と交互に積層して成る非周期的なＴｉＡｌＮの多層被膜を備えている。ここで、1対のサブ層から成るＡ＋Ｂをサブ層対と呼ぶ。被膜が非周期的であるため、このサブ層対の厚さは変動しているが、平均厚さは３０〜３００μｍ、望ましくは６０〜１２０μｍである。サブ層Ａは、ＡｌｘＴｉ１−ｘＮであり、ｘは０．４０〜０．７、望ましくは０．５〜０．６７である。サブ層Ｂは、ＴｉｙＡｌ１−ｙＮであり、ｙは０．６〜１、望ましくは０．７５〜１である。マイクロプローブまたはＥＤＳで測定した被膜全体の組成は、ＴｉｚＡｌ１−ｚＮ、ｚ＝０．４０〜０．７、望ましくはｚ＝０．４５〜０．６である。多層被膜の全体厚さは、０．５μｍ〜１５μｍ、望ましくは１μｍ〜１０μｍであり、より望ましくは、すくい面側が１〜５μｍ、逃げ面側が２〜８である。望ましくは実施形態においては、ＴｉｂＡｌ１−ｂＮ、ｂ＝０．８〜０．９、望ましくはｂ＝０．８２〜０．８５である外層を、目視で均一なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは０．１〜１μｍの厚さに設ける。
【００１３】
本発明は、超硬合金基材と被膜とを含む切削インサートの製造方法をも提供する。本発明の方法によれば、ＷＣと、８〜１１wt％Ｃｏ、望ましくは９．９〜１０．５wt％Ｃｏと、０．１〜０．５wt％Ｃｒとを含み、保磁力が１８〜２２ｋＡ／ｍであり、ＣＷ比が０．７８〜０．９０である基材を用いる。この基材の表面に、Ａ＋Ｂ＋Ａ＋Ｂ＋・・・という多層構造を備え、ここでＡおよびＢはそれぞれＡｌｘＴｉ１−ｙＮおよびＴｉｙＡｌ１−ｙＮで表わされる多結晶体で非反復形態（サブ層厚さに反復性がない形態）であり、ｘ＝０．４〜０．７、望ましくは０．５〜０．６７、ｙ＝０．６〜１、望ましくは０．７５〜１、一組のＡ＋Ｂサブ層対の平均厚さが３０〜３００ｎｍ、望ましくは６０〜１２０ｎｍでほぼランダムに変動しており、該多層構造被膜の全厚さが、０．５μｍ〜１５μｍ、望ましくは１μｍ〜１０μｍ、より望ましくはすくい面側で１μｍ〜５μｍ、逃げ面側で２〜８μｍである被膜を被着する。多層被膜の全厚は０．５〜１５μｍ、望ましくは１〜１０μｍ、より望ましくはすくい面側で１〜５μｍ、逃げ面側で２〜８μｍである。被膜の被着は、カソードアーク蒸着法により、純チタンおよび／またはＴｉＡｌ合金（単一または複数の合金）から成る２対または３対のアーク源を用い、Ｎ２ガスまたはＮ２＋Ａｒ混合ガスの雰囲気中で行なう。望ましい実施形態においては、ＴｉｂＡｌ１−ｂＮ、ｂ＝０．８〜０．９、望ましくは０．８２〜０．８５であり、目視で均一なブロンズ色を呈するのに十分な厚さ、望ましくは０．１〜１μｍの厚さを有する外層を被着する。
【００１４】
本発明は更に、鋼およびステンレス鋼を乾式条件でフライス加工する際の、上記の切削工具インサートの使用であって、切削速度および送り速度が下記：
◆  切込角度９０°のフライス加工の場合は、Ｖｃ＝２５〜３５０ｍ／ｍｉｎ、望ましくは５０〜２５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．０４〜０．４ｍｍ／刃、または
◆  切込角度４５〜７５°の正面フライス加工の場合は、Ｖｃ＝２５〜３５０ｍ／ｍｉｎ、望ましくは５０〜２５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．０５〜０．７ｍｍ／刃、または
◆  高送りフライス加工の場合は、Ｖｃ＝２５〜３５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．３０〜３．０ｍｍ／刃、望ましくは０．３〜１．８ｍｍ／刃
である切削工具インサートの使用をも提供する。
【実施例】
【００１５】
〔実施例１〕
基材として、組成が１０wt％Ｃｏ、０．４wt％Ｃｒ、残部ＷＣであり、保磁力が２０．２ｋＡ／ｍ、ＣＷ比が０．８５（Forester Instruments Inc.製FORESTER KOERZIMAT CSにて測定）である超硬合金フライスインサートを用い、その表面に非周期的な多層被膜をカソードアーク蒸着により被着した。この多層被膜の被着は、1対のＴｉ８４Ａｌ１６ターゲットと２対のＴｉ３３Ａｌ６７ターゲットを用い、非周期的な構造を得るために上記インサートを３軸回転式基材テーブルに固定して行なった。アーク蒸着はＮ２ガス雰囲気中で行なった。被膜全厚は２〜９μｍの範囲でバッチ間、インサート間、インサート表面部位で変動していた。得られた被膜は２種類のサブ層から成るＡ＋Ｂ＋Ａ＋Ｂ・・・の非周期的な、すなわちサブ層間で厚さが非反復的である多層被膜であるが、Ａ＋Ｂサブ層対の平均厚さは６０〜１２０μｍであった。このインサートにＴｉ８４Ａｌ１６Ｎの最外層を被覆してブロンズ色にした。
【００１６】
この被膜の断面のＳＥＭ像を図１、２に示す。図２から非周期的な形態が分かる。ここのサブ層が波打っているのは、少なくとも一部は基材の粗さに起因する。
【００１７】
被膜の平均組成ＴｉｚＡｌ１−ｚＮは２種類のサブ層Ａ、Ｂの組成の中間であった。平均組成はマイクロプローブにより逃げ面側の中心で測定した。Ｔｉ０．５Ａｌ０．５Ｎに対応する組成が得られた。
【００１８】
〔実施例２〜７の解説〕
下記の表現および用語は金属切削分野で通常用いられているものであり、下記の意味を持つ。
【００１９】
Ｖｃ（ｍ／ｍｉｎ）       切削速度
ｆｚ（ｍｍ／刃）         送り速度
ｚ（個数）               カッターの刃数
ａｅ（ｍｍ）             半径方向の切削深さ
ａｐ（ｍｍ）             軸方向の切削深さ
Ｄ（ｍｍ）               カッターの直径
〔実施例２〕
実施例１で作製したインサートを試験し、これと同一基材上に同一厚さのＴｉ３３Ａｌ６７Ｎ均質層を被着した比較サンプルＡと比較した。どちらのインサートも形状はＲ３９０−１１Ｔ０３０８Ｍ−ＰＭであった。試験は、低合金鋼をワークとし、Ｖｃ＝１５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．１５ｍｍ／刃、ａｅ＝２５ｍｍ、ａｐ＝３ｍｍ、ｚ＝３、Ｄ＝２５ｍｍの条件で、冷却剤としてエマルジョンを用いて行なった。実施例１のインサートは耐久時間が５６分であったのに対して、比較サンプルＡのインサートは耐久時間が２９分であった。このように工具寿命が増加した決定的な摩耗タイプの違いは、刃先のチッピング（欠け）が減少したことである。
【００２０】
〔実施例３〕
実施例１で作製したインサートを試験し、比較サンプルＡ（Ｔｉ３３Ａｌ６７Ｎ均質被膜）および比較サンプルＢ（層間にＴｉＣＮを介在させ最外層にこれより厚いＴｉＣＮＴｉＮを設けたＴｉＮ多層被膜）と比較した。いずれも形状はＮ３３１Ａ−１４５００８Ｈ−ＷＬであった。ワークは非合金鋼で、乾式条件とした。切削条件はＶｃ＝４６６ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．２２ｍｍ／刃であった。比較例サンプルＢは耐久時間が２．３分、比較サンプルＡは耐久時間が９分であった。これに対して実施例１の多層被膜インサートは、２つの比較サンプルが激しく損傷して使用不能状態になった後も、僅かに摩耗の徴候が認められただけで使用可能な状態を維持していた。このように工具寿命が増加した決定的な摩耗タイプの違いは、刃先のチッピング（欠け）が減少したことである。
【００２１】
〔実施例４〕
実施例１と同一基材、同一被膜で形状をＲ３００−１６４８Ｍ−ＰＨにしたインサートを試験し、同一バッチの基材表面に同一厚さでＴｉ３３Ａｌ６７Ｎ均質被膜を備えた比較サンプルａと比較した。本実施例においては、ワーク材として硬さＨＲＣ４８の工具鋼を用いた。切削条件は、Ｖｃ＝３５ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．５ｍｍ／刃、ｚ＝６、ａｐ＝１．５ｍｍ、Ｄ＝６３ｍｍ、ａｅ＝３０〜６４ｍｍであった。冷却材としてエアブローを用いた。試験結果は、本発明サンプルは工具寿命が１７分であり、これに対して比較サンプルＡは１２分に過ぎなかった。本発明サンプルは寿命が４２％増加した。このように工具寿命が増加した決定的な摩耗タイプの違いは、切欠き耐摩耗性が向上したことである。
【００２２】
〔実施例５〕
実施例１で作製したインサートを試験し、比較サンプルＡおよび比較サンプルＢと比較した。いずれも形状はＲ３９０−１１Ｔ０３０８Ｍ−ＰＭであった。ワーク材は硬さＨＲＢ２２０の合金鋼であった。切削条件は、Ｖｃ＝９４ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．０５５ｍｍ／刃、乾式条件であった。比較サンプルＢは２６個のワークを切削でき、比較サンプルＡは２４個であったのに対して、実施例１のインサートは４０個のワークを切削できた。このように工具寿命が増加した決定的な摩耗タイプの違いは、切欠き耐摩耗性が向上したことである。
【００２３】
〔実施例６〕
実施例１で作製したインサートを試験し、比較サンプルＡおよび比較サンプルＢと比較した。いずれも形状はＣＭ２４５−１２Ｔ３Ｅ−ＰＬであった。ワーク材はオーステナイトステンレス鋼であった。切削条件は、Ｖｃ＝２５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．０９ｍｍ／刃、ａｐ＝２ｍｍ、ａｅ＝５０ｍｍ、ｚ＝１、乾式条件であった。この試験において、実施例１のインサートは耐久長さ６ｍ、比較サンプルＡが耐久長さ３．５ｍ、比較サンプルＢが耐久長さ３ｍであった。実施例１の多層被膜インサートは、２つの比較サンプルに対して明らかに優れた性能を発揮した。このように工具寿命が増加した決定的な摩耗タイプの違いは、刃先靭性が向上したことである（亀裂発生なし、刃先脱落なし）。
【００２４】
〔実施例７〕
実施例１で作製したインサートを試験し、国際出願ＷＯ０１／１６３８９の実施例１による比較サンプルＣと比較した。いずれも形状はＲ２１０−１４０５１２Ｍ−ＰＭであった。ワーク材は硬さＨＲＣ４５の工具鋼であった。切削条件は、Ｖｃ＝９０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ＝０．５８ｍｍ／刃、ａｐ＝１ｍｍ、ａｅ＝３８．６ｍｍ、ｚ＝１、Ｄ＝６６ｍｍ、乾式条件であった。この試験においては、実施例１のインサートは耐久時間が３４ｍｉｎであったのに対して、比較サンプルＣは１４ｍｉｎであった。このように工具寿命が増加した決定的な摩耗タイプの違いは、切欠き耐摩耗性が向上したことである。
【００２５】
結論として、本発明のインサートは、全てのタイプの摩耗に対して他の比較インサートよりも耐久性が高く、刃先挙動の予測可能性が高く、不安定条件での信頼性が高い。これにより切削性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の被膜の個々の層全てを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。
【図２】図２は、被膜の個々の層の測定箇所の詳細を示すＳＥＭ像であり、層構造が本質的に非周期的であることが分かる。
【図１】
2007196365.tif 000003
【図２】
2007196365.tif 000004
【外国語明細書】
2007196365000001.pdf