(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金基材及び被膜かならなる被覆切削工具インサートであって、  前記超硬合金基材がＷＣと、バインダ相と、立方晶炭化物相とを含んでなり、立方晶炭化物相の無いバインダ相の豊富な表面領域を有する被覆切削工具インサートにおいて、
前記超硬合金基材が７３〜９３ｗｔ％のＷＣと、５〜９ｗｔ％のコバルトと、０．５〜５ｗｔ％のチタンと、１〜１０ｗｔ％のニオブを含む周期律表のIVｂ族とＶｂ族の群からの元素の立方晶炭化物の残部とからなり、不可避的不純物としてのタンタル含有量が０．３ｗｔ％未満である被覆切削工具インサート。
【請求項２】
前記超硬合金基材が３〜１２ｗｔ％の立方晶形成元素のチタンおよびニオブを含んでなる請求項１記載の被覆切削工具インサート。
【請求項３】
２５〜６０ｗｔ％の前記超硬合金基板のニオブ含有量がジルコニウムに取り替えられる請求項１又は２に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項４】
前記超硬合金基材が４〜１５ｗｔ％の立方晶形成元素のチタン、ニオブ及びハフニウムを含んでなる請求項１記載の被覆切削工具インサート。
【請求項５】
前記超硬合金基材のチタン含有量が０．５〜４ｗｔ％であり、且つハフニウム含有量が１〜９ｗｔ％である請求項４記載の被覆切削工具インサート。
【請求項６】
前記超硬合金基材のＳ値が０．８６〜０．９６の範囲内である請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項７】
前記超硬合金基材内のＷＣの平均中断長さが０．５〜０．９μｍである請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削インサート。
【請求項８】
前記バインダ相の豊富な表面領域の深さが１０〜７５μｍであり、且つ前記バインダ相の豊富な表面領域のバインダ相含有量が標準バインダ含有量の最大１．２〜３倍である請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削インサート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バインダ相豊富表面領域を有する被覆超硬合金インサートに関する。具体的には、本発明は、タンタル炭化物の添加なしにまたは少量の添加だけで好ましい刃強度と耐熱衝撃性を達成されるように、立方晶炭化物相が最適化された被覆インサートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バインダ相の豊富な表面領域を有する被覆超硬合金インサートは、今日では鋼及びステンレス鋼の機械加工用に非常に広範囲に使用されている。このバインダ相の豊富な表面領域によって、広範囲の適用が達成される。ＷＣ、立方晶炭化物相及びバインダ相を含んでいるバインダ相の豊富な表面領域を生成する方法は、勾配焼結法として知られており、かねてから例えば、TobioKa（米国特許第４，２７７，２８３号）、Nemeth（米国特許第４，２７７，２８３号）及びYohe（米国特許第４，５４８，７８６号）によって既に知られている。
【０００３】
TobioKa、Nemeth及びYoheによる特許は、インサート表面近くの立方晶炭化物相の分解によって、バインダ相を豊富することを達成する方法を記載する。この方法では、立方晶炭化物相の焼結温度での分解が、立方晶炭化物相がいくらかの窒素を含有することを必要とするのは、ボディを焼結雰囲気内の窒素の分圧を越えて焼結する範囲の窒素分圧を必要とするからである。窒素は、焼結工程の際に、粉末及び／または炉雰囲気によって添加することができる。立方晶の分解は少量であり、所望の豊富なバインダ相を与えるバインダ相に充填される。結果として、本質的にＷＣとバインダ相からなる一般的に約２５μｍの表面領域が達成される。立方晶炭化物は本質的に炭窒化物層であるとはいえ、ここでは超硬合金としてみなす。
【０００４】
立方晶炭化物相の分解によって形成された豊富なバインダ相を有する超硬合金は、一般的には、タンタル、チタン及びニオブの元素から形成された立方晶炭化物を含有する。ヨーロッパ特許第Ａ−２６３７４７号が、コバルトの豊富な表面層を好ましく有する被覆超硬合金を開示し、この表面において超硬合金は、ＷＣと、(Ｔｉ、Ｗ)ＣＮ、(Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ)ＣＮ、(Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ)ＣＮ及び(Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ)ＣＮ及びコバルトからなる群から選択された硬質分散層と、からなる。ニオブの量が０．１ｗｔ％以下に維持されるときは、機械的性質にプラスの効果が得られることがヨーロッパ特許第Ａ−１０４３４１６号に開示する。さらに、ヨーロッパ特許第Ａ−０５６０２１２号及びヨーロッパ特許第Ａ−０５６９６９号は、ハフニウム及びジルコン添加用途を開示する。これらの元素の合計または相対量が超硬合金インサートの性質にわずかな相違を生じる。例えばタンタルが、タングステン炭化物粒の粒成長を抑制し、且つインサートの靭性挙動を有利にすることを示す。ニオブが、勾配組織化超硬合金内のバインダ豊富表面領域の直下にさらに著しいバインダ枯渇区域を形成することが分かり（Frykholm et al, Int. J. of Refractroy Metals & Hard Materials, Volume 19 (2001) pp 527-538）、それはさらに脆くなる。タンタルは立方晶炭化物相内の豊富領域にさらに均一分布のバインダ相を与える。
【０００５】
意外にも、タンタルを除くIVｂ及びＶｂ族の群からの元素の立方晶炭化物を含むインサートが、タンタルを含有するインサートより切削試験において優れた性能を示すことが今判明した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するための手段】
本発明にしたがい、７５μｍ好ましくは１０〜５０μｍ厚みのバインダ相の豊富な表面領域有する超硬合金が提供される。この領域は立方晶炭化物相が本質的に存在しない。このバインダ相の豊富な表面の下に、立方晶炭化物が豊富に存在する。この豊富な量は立方晶炭化物を形成する元素に依存する。バインダ相豊富表面領域のバインダ相含有量は、内部における標準バインダ含有量の最大１．２〜３倍である。
【０００７】
本発明は、バインダ相及び立方晶炭化物相が変化する超硬合金に適用される。バインダ相は、好ましくコバルトを含有し、且つタングステン、チタン及びニオブのような炭化物形成元素を分解する。しかしながら、ことを信用する理由がなくて、それは、ニッケルまたは鉄の意図的または意図的でない添加が、感知できる結果に影響を与えるものでなく、バインダ相を有する金属間相を形成することができる金属の少量添加でもなく、または感知する結果に影響を与える他の分散物形成の少量添加でもない。被覆切削工具インサートは超硬合金基材と被膜とからなり、この基材は、ＷＣと、バインダ相と、立方晶炭化物を含み、本質的に立方晶炭化物相の無いバインダ相の豊富な表面領域を有する。
【０００８】
この基材は、７３〜９３ｗｔ％のＷＣと、５〜９好ましくは５〜８ｗｔ％のコバルトと、０．３ｗｔ％以上のチタンと０．５ｗｔ％以上のニオブを含む周期律表のIVｂ族とＶｂ族の群からの元素の立方晶炭化物の残部とからなり、不可避的不純物としてのタンタル含有量が０．３ｗｔ％未満好ましくは０．１ｗｔ％未満である。
バインダ相中のタングステン含有量は、Ｓ値＝σ／１６．１として表され、σは、測定されたバインダ相の磁気モーメントμＴｍ３Ｋｇ−１である。Ｓ値は、バインダ相中のタングステン含有量に依存し且つタングステン含有量の増加とともに増加する。すなわち、炭素と飽和する純コバルトまたはバインダに対しては、Ｓ＝１であり、少量のタングステンを含有するバインダ相に対しては、それはη相の形成に対するボーダーラインに対応し、S=０．７８である。
【０００９】
超硬合金ボディが、０．８６〜０．９６好ましくは０．８９〜０．９３のＳ値を有するとき、改良された切削性能が達成されることが、本発明に従って解明された。
【００１０】
さらにその上に、研磨され磨かれて表わされた横断面上で測定されたタングステン炭化物層の平均中断長さは、０．５〜０．９μｍの範囲内である。立方晶炭化物相の平均中断長さは、タングステン炭化物と本質的に同一である。中断長さは、１００００Ｘ倍率の顕微鏡写真の像解析によって測定され、ほぼ１０００個の中断長さの絶対値平均値として計算した。
【００１１】
第１の好ましい実施態様においては、立方晶炭化物の量は、好ましくは４〜８ｗｔ％のチタンおよびニオブの元素が形成する３〜１２ｗｔ％の立方晶炭化物に相当する。チタン含有量は０．５〜５ｗｔ％好ましくは１〜４ｗｔ％である。ニオブ含有量は１〜１０ｗｔ％好ましくは２〜６ｗｔ％である。
【００１２】
第２の実施態様において、６０ｗｔ％以上のニオブが好ましくは２５〜５０ｗｔ％のジルコニウムで置き換えられる。
【００１３】
第３の実施態様においては、立方晶炭化物の量は、好ましくは６〜１０ｗｔ％のチタン、ニオブ及びハフニウムの元素が形成する４〜１５ｗｔ％の立方晶炭化物に相当する。チタン含有量は０．５〜５ｗｔ％好ましくは１〜４ｗｔ％である。ニオブ含有量は０．５〜６ｗｔ％好ましくは１〜４ｗｔ％である。チタン含有量は０．５〜５ｗｔ％好ましくは１〜４ｗｔ％である。ハフニウム含有量は１〜９ｗｔ％好ましくは１〜６ｗｔ％である。
【００１４】
窒素含有量は、粉末によって、または焼結工程によってまたはそれらの組合せによって添加され、焼結の際、立方晶炭化物相の分解速度を決定する。窒素の最小量は立方晶炭化物相の量と種類の依存し、且つチタン、ニオブ、ジルコニウム及びハフニウムのｗｔ％当たりで０．１〜８ｗｔ％の間で変化できる。
【００１５】
本発明の超硬合金の製造は、二つの方法またはそれらの組合せによって行なわれ、すなわち、（１）窒化物または炭窒化物を含み、予備焼結または加圧したボディを、米国特許第４，６１０，９３１号に記載されるように不活性雰囲気中または真空中で焼結することによって、または（２）米国特許第４，５４８，７８６号に記載するように加圧してボディを窒化し、引き続きする不活性雰囲気中または真空中で焼結することによって行われる。
【００１６】
本発明の超硬合金は、それ自体が既知のものであるＣＶＤ−、ＭＴＣＶＤ−またはＰＶＤ−技術、或いはＣＶＤ及びＭＴＣＶＤの組合せで、薄い耐摩耗性被膜で好まく被覆される。好ましくは、炭化物、窒化物及び／または炭窒化物、好ましくはチタンの最内被膜を堆積させる。次の層は、炭化物、窒化物及び／または炭窒化物、好ましくはチタン、ジルコニウム及び／またはハフニウム、及び／またはアルミニウム及び／またはジルコニウムからなる。
【００１７】
【発明の実施の形態及び実施例】
実施例１
旋削インサートＣＮＭＧ１２０４０８及びフライスインサートＳＥＫＮ１２０３ＡＦＴＮは、２．０ｗｔ％のＴｉと、３．８ｗｔ％のＮｂと、５．９ｗｔ％のＣｏと、６．２０ｗｔ％のＣと、残部Ｗの組成物を有する(Ｔｉ、Ｗ)Ｃと、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）と、ＮｂＣと、ＷＣと、Ｃｏとからなる粉末混合物を慣用のミリングを行い、加圧し且つ焼結することによって作られた。このインサートは、脱脂するために４００℃以上でＨ２中で、さらに１２６０℃で真空中で焼結された。１２６０℃から１３５０℃でこのインサートはＮ２雰囲気中で、その後１４６０℃のＡｒの保護雰囲気中で１時間窒化された。
【００１８】
このインサートの表面領域は、本質的に立方晶炭化物相のない２０μｍの厚いバインダ層の豊富な部分からなっていた。この部分の最大コバルト含有量は、約１２ｗｔ％であった。このインサートのＳ値は０．９０であり、且つ０．７μｍのタングステン炭化物相の平均中断長さであった。ＣＮＭＧ１２０４０８インサートは、既知のＣＶＤ技術にしたがい６μｍのＴｉ（Ｃ、Ｎ）と、８μｍのＡｌ２Ｏ３と３μｍのＴｉＮとからなる被膜で被覆する。ＳＥＫＮ１２０３ＡＦＴＮインサートは、既知のＣＶＤ技術にしたがい４μｍのＴｉ（Ｃ、Ｎ）と、３μｍのＡｌ２Ｏ３とからなる被膜で被覆する。
【００１９】
実施例２
実施例１が繰り返されるが、しかし３．８ｗｔ％のＮｂを２．０ｗｔ％のＮｂと３．２ｗｔ％のＨｆとによって取り替えた。粉末は６．１０ｗｔ％のＣを含有していた。
【００２０】
このインサートの表面領域は、本質的に立方晶炭化物相のない２０μｍの厚いバインダ層の豊富な部分からなっていた。この部分の最大コバルト含有量は、約１２ｗｔ％であった。このインサートのＳ値は０．９１であり、０．７μｍのタングステン炭化物相の平均中断長さであった。このインサートは実施例１にしたがう被覆であった。
【００２１】
実施例３、比較例
実施例１が繰り返されるが、しかし３．８ｗｔ％のＮｂを２．０ｗｔ％のＮｂと３．４ｗｔ％のＴａとによって取り替えた。粉末は６．０９ｗｔ％のＣを含有していた。
【００２２】
このインサートの表面領域は、本質的に立方晶炭化物相のない２０μｍの厚いバインダ層の豊富な部分からなっていた。この部分の最大コバルト含有量は、約１２ｗｔ％であった。このインサートのＳ値は０．９０であり、０．７μｍのタングステン炭化物相の平均中断長さであった。このインサートは実施例１にしたがう被覆であった。
【００２３】
実施例４
旋削インサートＣＮＭＧ１２０４０８及びフライスインサートＳＥＫＮ１２０３ＡＦＴＮは、２．０ｗｔ％のＴｉと、２．１ｗｔ％のＮｂと、１．６ｗｔ％のＺｒ、６．３ｗｔ％のＣｏと、６．１５ｗｔ％のＣと、残部Ｗの組成物を有する(Ｔｉ、Ｗ)Ｃと、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）と、ＮｂＣと、ＷＣと、Ｃｏとからなる粉末混合物を慣用のミリングを行い、加圧し且つ焼結することによって作られた。このインサートは、脱脂するために４００℃以上のＨ２中で、さらに１２６０℃の真空中で焼結された。１２６０℃から１３５０℃でこのインサートはＮ２雰囲気中で、その後１４６０℃のＡｒの保護雰囲気中で１時間窒化された。
【００２４】
このインサートの表面領域は、本質的に立方晶炭化物相のない２０μｍの厚いバインダ層の豊富な部分からなっていた。この部分の最大コバルト含有量は、約１２ｗｔ％であった。このインサートのＳ値は０．８６であり、且つ０．８５μｍの立方晶炭化物相の平均中断長さであった。ＣＮＭＧ１２０４０８インサートは、既知のＣＶＤ技術にしたがい８μｍのＴｉ（Ｃ、Ｎ）と、２μｍのＡｌ２Ｏ３と１μｍのＴｉＮとからなる被膜で被覆する。ＳＥＫＮ１２０３ＡＦＴＮインサートは、既知のＣＶＤ技術にしたがい４μｍのＴｉ（Ｃ、Ｎ）と、３μｍのＡｌ２Ｏ３とからなる被膜で被覆する。
【００２５】
実施例５比較例
実施例４が繰り返されるが、しかしＺｒを３．４ｗｔ％のＴａによって取り替えた。粉末は６．０７ｗｔ％のＣを含有していた。
【００２６】
このインサートの表面領域は、本質的に立方晶炭化物相のない２０μｍの厚いバインダ層の豊富な部分からなっていた。この部分の最大コバルト含有量は、約１２ｗｔ％であった。このＳ値は０．８７であり、且つ０．８μｍの立方晶炭化物相の平均中断長さであった。このインサートは実施例４にしたがう被覆であった。
【００２７】
実施例６
実施例の１、２、３、４及び５のＣＮＭＧ１２０４０８インサートについて、ＳＳ１６７２の鋼加工物の中断旋削操作を行なう試験が、次の切削条件で実施された。
速度：１４０ｍ／ｍｉｎ（実施例１、２及び３）
速度：８０ｍ／ｍｉｎ（実施例４及び５）
送り：０．１〜０．８ｍｍ／回転
切り込み深さ：２ｍｍ
各々の変型種につき１０個の刃が、０．８ｍｍ／回転まで送りを増加させて試験した。それぞれの送りで損傷されていない刃の数を以下の表に示す。
【００２８】
送り      実施例１  実施例２  実施例３  実施例４  実施例５
(mm/rev)  本発明    本発明    比較例    本発明    比較例
0.10        10        10        10        10        10
0.14        10        10         9        10         9
0.16        10        10         8         9         9
0.20         9         9         6         8         7
0.25         8         7         3         6         5
0.32         8         7         3         6         4
0.40         7         7         3         6         4
0.50         7         6         3         6         3
0.63         3         2         0         4         1
0.80         1         0         0         1         0
実施例７
実施例の１、２、３、４及び５のＳＥＫＮ１２０３ＡＦＴＮインサートを、ＳＳ２５４１の鋼加工物で冷却剤を用いて正面フライス削操作で試験した。次の切削条件を使用した。
【００２９】
切削直径：１２５ｍｍ
速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
一つの刃当たりの送り：０．２ｍｍ／回転
切削深さ：２．５ｍｍ
切削幅：２６ｍｍ
切削長さ：６００、１２００、１５００及び１８００ｍｍ
この操作は、インサートの切刃の櫛状割れに結びつく。逃げ面の最大櫛状割れ長さ（ｍｍ）は、各実施例１〜５の５個の刃について測定され、次の結果が得られた。
【００３０】
切断長さ      実施例１  実施例２  実施例３  実施例４  実施例５
(mm)        本発明    本発明    比較例    本発明    比較例
600           0.10      0.11      0.15      0.12      0.18
1200           0.18      0.23    0.28      0.22      0.18
1500           0.18      0.21    0.28      0.23     刃破損
1800           0.22      0.23     刃破損     0.25     刃破損
【００３１】
【発明の効果】
実施例６及び７から、本発明にしたがうインサート、実施例１、２及び４は、比較例にしたがうインサートの刃がより優れた靭性を示す。さらに、実施例１、２及び４の本発明にしたがうインサートは、比較例にしたがうインサートより機械的衝撃及び熱的衝撃に対して優れた耐性を示す。特に、実施例１にしたがうインサートが、本発明にしたがう三つの中で最も優れた性質を示す。本発明が、切削工具の改良された刃強度並びに改良された機械的衝撃及び熱衝撃特性をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にしたがうインサートのバインダ相の豊富な表面領域の顕微鏡組織を１０００ｘで示す図である。
【図２】図２は、本発明にしたがうインサートの表面区域のコバルト分布を示す。
【図１】
0004373074.tif 000002
【図２】
0004373074.tif 000003