JP6438653B2

JP6438653B2 - 被覆切削工具

Info

Publication number: JP6438653B2
Application number: JP2013513620A
Authority: JP
Inventors: ペッテションマリエ; ヘディンアンドレアス; リュングレンロベルト; ゲンバドアクセル; リュングベルグアン−ブリット; グスタフソンラルス
Original assignee: サンドビックインテレクチュアルプロパティーアクティエボラーグ
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102985583B; KR20130088027A; US9157143B2; EP2576854B1; WO2011154291A1; EP2392688A1; US20130202896A1; EP2576854A1; JP2013534870A; CN102985583A

Description

本発明は、ステンレス鋼の転削に適した被覆切削工具に関する。本被覆切削工具は、基材及びPVDコーティングを含む。

PVD被覆切削工具は本技術分野においてよく知られている。PVDコーティングは通常、高い硬度を有し、その高耐摩耗性、例えば逃げ面及びクレータ摩耗に対する高い耐性が求められている。しかしながら、このようなコーティングは脆弱になる可能性があり、高い靱性を有する基材の上、及び鋭い形状を有する基材の上に堆積させた際に、剥離などのような問題を引き起こす可能性がある。

高い靱性を有する超硬合金基材は一般的に、コバルト高含有の超硬合金である。コバルト含量が増加すると、超硬合金の靱性は向上するが、硬度は低下する。より微粒子の基材を適用することにより、超硬合金の硬度を向上させることができる。

PVDコーティングを有する微粒子超硬合金基材は本技術分野において知られている。

欧州特許出願公開第1 803 830号は、平均粒子径が0.3μmよりも小さいWCを含む超硬合金を開示している。この超硬合金は印刷回路基板用に使われるマイクロドリルに特に適している。欧州特許出願公開第1 803 830号はコーティングを開示していない。

国際公開第2010/002344号は、基材及びコーティングを含む、スチール旋削用の切削工具インサートを開示しており、基材はWC、8.5-11.5質量％のCo、0.8-1.2質量％のCrを含んでおり、保磁力は19-23kA/mで、コーティングは内側の（Al,Ti）N-層及び（Al,Cr）O-層を含んでいる。

しかしながら、多くの用途において、12質量％を超えるコバルト含量は高すぎるために、高い靱性を持ちながら、PVDコーティングで被覆されるのに十分な硬度を有する基材を実現することができないと、なお考えられている。

本発明の目的は、高い靱性を有する基材の上に堆積された硬質なコーティングを有する被覆切削工具を得ることである。

本発明のさらにもう一つの目的は、エッジラインの靱性を向上させる被覆切削工具を得ることである。

上記の目的は、コバルト含量が12.5-17質量％の高さで、Cr含量がCr/Co質量比が0.05-0.15になる量、Ti含量が50から300質量ppmである微粒子の超硬合金基材と、PVDコーティングとを合わせることにより、達成できるということが分かってきた。

本発明の実施形態は、次のとおりである。
〈１〉基材がWC、12.5-17質量％のCo、Cr/Co質量比が0.05-0.15になる量のCrを含み、Ti含量が50から300質量ppmであることを特徴とする、基材及びPVDコーティングを含む切削工具。
〈２〉超硬合金基材が0.80-0.97のCW-Cr比及び13から20kA/mの保磁力を有することを特徴とする、〈１〉項に記載の切削工具。
〈３〉Co含量が13-16質量％、Cr含量がCr/Co質量比が0.08-0.12になる量、及びTi含量が50から250ppmであることを特徴とする、〈１〉または〈２〉項に記載の切削工具。
〈４〉PVDコーティングが、均質なPVDコーティングであることを特徴とする、〈１〉〜〈３〉項のいずれか１項に記載の切削工具。
〈５〉PVDコーティングが、IVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち1または複数の元素の、均質な窒化物コーティングであることを特徴とする、〈１〉〜〈４〉項のいずれか１項に記載の切削工具。
〈６〉PVDコーティングが、Ti及びAl元素の均質な窒化物コーティングであることを特徴とする、〈１〉〜〈５〉項のいずれか１項に記載の切削工具。
〈７〉PVDコーティングが、非周期多層構造A/B/A/B/A/B...を含み、交互に堆積する副層A及びBがコーティング全体に渡り繰り返されていて、A及びBの組成が各々で異なっており、副層A及びBがIVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち１又は複数の元素の適切な窒化物であることを特徴とする、〈１〉項に記載の切削工具。
〈８〉PVDコーティングが、Ti及び/又はAlの、副層A及びBが交互に堆積する多層構造を含むことを特徴とする、〈７〉項に記載の切削工具。
また、本発明は、超硬合金基材及びPVDコーティングを含む、ステンレス鋼の転削に適した被覆切削工具に関する。この超硬合金基材は、WC、12.5-17質量％のCo、Cr/Coの質量比が0.05-0.15になる量のCr、及び50から300質量ppmのTiを含む。

コバルト含量は、12.5-17.0質量％、好ましくは13-16質量％、最も好ましくは13.3-15.5質量％が適切である。Cr含量は、Cr/Co質量比が0.05-0.15、好ましくは0.08-0.12、最も好ましくは0.09-0.11が適切である。

Ti含量は50から300質量ppm、好ましくは50から250質量ppm、より好ましくは100から175質量ppmが適切である。保磁力は13から20kA/m、好ましくは15.5から19kA/mが適切である。

Co結合層は、結合層の磁気特性に影響を与え、それ故にCW_Cr比の値に関係しうる、W及びCrと共に合金にされる。CW_Cr比は以下のように定義される。
〔式１〕
CW_Cr＝（Co磁性％＋1.13*Cr質量％）/Co質量％

ここで、Co磁性％は磁性Coの質量パーセントであり、Cr質量％は超硬合金中のCrの質量パーセントであり、Co質量％は超硬合金中のCoの質量パーセントである。CW_Cr比は、0.80-0.97、好ましくは0.85-0.95が適切である。

ここでPVDコーティングは、PVD技術、例えばカソードアーク蒸着、マグネトロンスパッタ、高電力パルスマグネトロンスパッタ（HPPMS）、イオンプレーティング等により、好ましくはカソードアーク蒸着又はマグネトロンスパッタにより堆積されたコーティングを意味する。レーザービデオポジショニング、オイラー（Euler）1/4クレイドル、X線源（CuK_α放射）としての回転アノード、及びエリア検出器（Hi-star）を備えたX線回折装置Bruker D8 Discover-GADDSにおける、ψ-ジオメトリーを用いたXRDにより測定されるように、本発明のPVDコーティングは、20から50GPaの適切な硬度を有していること及び圧縮応力を含んでいることにより特徴づけられる。ビームの焦点を合わせるために0.5mmサイズのコリメーターを使用した。この分析を、2θ＝50°、ω＝25°及びφ＝0°、90°、180°、270°のゴニオメーター設定を用いて、TiAlN（200）反射において実施した。それぞれのφ角について、0°から70°の8段階のψチルトが実施された。定数であるヤング率（E＝480 GPa）及びポアソン比（ν＝0.20）を用い、疑似ヴォイト（Voit）フィット関数を用いて反射の位置決めを行って、Bruker AXSのソフトウェアDIFFRAC^Plus Stress32 v. 1.04を使用し、sin²ψ法を用いて残留応力を評価した。

PVDコーティングは、単一の均質なコーティングでも、異なる厚さ及び異なる組成を持ついくつかの異なる層を含んでいても可能である。このPVDコーティングは、窒化物、酸化物若しくは炭化物又はこれらの任意の混合物が可能である。

本発明の一実施形態において、PVDコーティングの厚さは0.5-20μmが適切で、2から10μmが好ましい。

ここで与えられる厚さの全ては、ターゲットからまっすぐの位置にある、適度に平らな表面において行われた測定値を参照している。インサートについては、堆積の際にスティックにマウントされるが、これは厚さが、ターゲットに直接対向している面の中央において測定されるということを意味している。不規則な表面、例えばドリル及びエンドミルなどの表面については、ここで与えられる厚さは、任意の適度に平らな表面又は比較的大きい湾曲を持つ表面において、どのエッジ又は角からも少し遠い場所で測定された厚さを参照している。例えば、ドリルにおいては、外周において測定が実施され、エンドミルにおいては、逃げ面において測定が実施される。

本発明の一実施形態において、PVDコーティングは、IVb族、Vb族、VIb族、Al、Y、及びSiのうち1または複数の元素を含む、均質な窒化物、炭化物、酸化物、ホウ化物又はこれらの混合物を含む。コーティングは、IVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち1または複数の元素の、好ましくはTi、Al、Si及びCrのうち1または複数の元素の、最も好ましくはTi及びAlの、均質な窒化物コーティングが適切である。

本発明の一実施形態において、PVDコーティングは、交互に堆積する副層A及びBがコーティング全体に渡って繰り返されていて、A及びBの組成がそれぞれ異なる、多層構造A/B/A/B/A/B...を含む非周期多層を含む。副層A及びBは、IVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち、1または複数の元素の、好ましくはTi、Al、Si及びCrのうち1又は複数の元素の、さらに好ましくはTi及び/又はAlの窒化物が適切である。非周期であることによって、多層構造中のある特定の個別層の厚さは、その特定の個別層のすぐ真下又は上の個別層の厚さと何ら関係ないことが理解される。この多層構造は一連の、少なくとも10の隣接した個別層において、反復周期を有しない。多層構造はここでは、少なくとも5つの個別層を含む構造を意味する。しかしながら、それは最大数千の個別層を含むことができる。

多層構造中のそれぞれの個別層の組成は、その厚さが薄いため、隣接層の寄与なしには簡単に測定することはできない。測定できるものは多層構造全体の平均組成である。ただし、それぞれの個別層の組成を、使用したターゲットの組成から見積もることはできるが、正確な組成を得ることはできない。より厚い層が堆積し、分析するのに十分に厚い場合は、堆積層の組成が、ターゲット材料の組成と比較して数パーセント異なる可能性があることが示されている。この事実に起因して、本明細書で後に述べる本発明の、多層構造中の個別層のいかなる組成も、堆積の際に用いたターゲットの組成からの概算である。

非周期多層構造における任意の個別層の厚さは、1nmよりも大きいが100nmよりも小さく、好ましくは2nmよりも大きくて50nmよりも小さく、最も好ましくは3nmよりも大きくて30nmよりも小さい。多層構造における、任意の隣接した10層の合計は300nmよりも小さい。

本発明の一実施形態において、コーティングは少なくとも2つ、好ましくは少なくとも5つの、様々なTiN及び（Ti,Al）N層の非周期多層構造を有する。ここでこの非周期多層構造は、（Ti,Al）Nの均質層と繰り返し交互に堆積している。この均質層の組成は、（Ti_yAl_1-y）Nで、ここでyは0.35<y<0.65、好ましくは0.40<y<0.60である。そして多層構造の平均組成は（Ti_zAl_1-z）Nで、ここでzは0.50<z<0.90、好ましくは0.70<z<0.90である。このコーティングの厚さは3-6μm、好ましくは3.5-4.5μmが適切である。

本発明の別の一実施形態において、コーティングは、A/B/A/B/A/B....という形の多層構造を有する非周期多層を含むが、ここで、EDSで測定されるように、副層AはTiNで、層Bは（Ti_mAl_1-m）N層であり、mは0.1から0.7、好ましくは0.3から0.6、最も好ましくは0.4から0.6が適切であり、結果、コーティングの平均組成は（Ti_1-z Al_z）Nで、zが0.05から0.35、好ましくは0.10から0.3、最も好ましくは0.12から0.25が適切である。このコーティングは3-6μm、好ましくは3.5-4.5μmの厚さが適切である。

本発明の別の一実施形態において、コーティングは、A/B/A/B/A/B....という形の多層構造を有する非周期多層を含み、副層Aは（Ti_xAl_1-x）N層の窒化物で、xは0.25-0.40であり、好ましくは0.3-0.35である。層Bは（Ti_yAl_1-y）Nを含み、ここでyは0.6-1で、好ましくは0.75-1である。この（Ti,Al）Nコーティングは次いで、平均組成が（Ti_1-z Al_z）Nとなり、ここでzは、EDSにより測定されるように、0.3-0.8で、好ましくは0.4-0.6が適切である。このコーティングは2-7μm、好ましくは3-5μmの厚さが適切である。

本発明の別の一実施形態において、PVDコーティングは内側の（Ti,Al）N層及び外側の（Al,Cr）O層を有する。一実施形態において、内側の（Ti,Al）N層は、均質な（Ti,Al）N層である。別の一実施形態において、内側の（Ti,Al）N層は、（Al_zTi_1-z）N及び（Al_vTi_1-v）Nが交互に堆積している層を含む非周期多層構造を有しており、z ≠ vである。この交互に堆積する層の組成は、好ましくはz＝0.1-0.4、最も好ましくはz＝0.20-0.30であり、好ましくはv＝0.50-0.70、最も好ましくはv＝0.6-0.7である。EDSにより測定されるように、非周期多層構造の平均組成は、（Al_ｙTi_1-ｙ）Nであり、ここでy＝0.2-0.6で、好ましくは0.4-0.5である。

（Al,Cr）O層は、（Al_xCr_1-x）₂O₃の組成が適切であり、ここでx＝0.5-0.9で、好ましくはx＝0.6-0.8である。この（Al,Cr）O層の厚さは0.2-10μm、好ましくは0.4-4μmが適切である。コーティング全体の厚さは1.5-11μmであり、好ましくは2から7μmが適切である。

本発明の一実施形態において、この切削工具は、Co含量が適切な13-14.5質量％（好ましくは13.3から14質量％）、Cr含量がCr/Co質量比0.09-0.11の量、Ti含量が100から175質量ppmであって、適切な保磁力が16から19kA/m、好ましくは16.5から18.9kA/m、最も好ましくは17から18kA/mである、基材を含む。さらに、この切削工具は、均質な（Al_zTi_1-z）NのPVDコーティングを含み、ここでzは0.6-0.7である。CW_Cr比は0.85-0.95が適切である。

この切削工具は、インサート、エンドミル又はドリルの形状をとることができる。

例１（発明） 13.5質量％のCo、1.35質量％のCr、0.015質量％のTi及び残りのWCより成る超硬合金粉末から、超硬合金ブランクを45度転削インサート形状に圧縮し、摂氏1410度の温度にて焼結して、DIN IEC 60404-7に従ってFoerster Koerzimat CS1.096を用いて測定した保磁力の値が17.7kA/m、Co磁性％の値が10.38のインサートを得た。このインサートは、ウェットブラスト法により周囲部分が研磨されエッジが丸みづけられ、切削刃半径が15μmでPVDコーティングにより被覆されている。

コーティングは、TiAl及びAlCrの金属ターゲットを用い、アーク蒸着によるPVDにより堆積させた。コーティングは、窒素雰囲気下でAl_0.67Ti_0.33及びAl_0.25Ti_0.75ターゲットから形成された非周期多層である内層TiAlN、及び酸素雰囲気下でAl_0.7Cr_0.3ターゲットから形成されたAlCrOの外層より成る。

例２（発明）例１と同様の超硬合金粉末から、超硬合金ブランクを45度転削インサート形状に圧縮し、例１と同様の方法で焼結して、同様の保磁力及びCo磁性％の値を得た。

このインサートは、ウェットブラスト法により周囲部分が研磨されエッジが丸みづけられ、切削刃半径が15μmで、例１とは異なるPVDコーティングにより被覆されている。

コーティングは、TiAl金属ターゲットを用いてアーク蒸着によるPVDにより堆積させた。このコーティングは、Al_0.67Ti_0.33Nの組成を有する単層より成る。

例３（発明） 15質量％のCo、1.5質量％のCr、0.015質量％のTi及び残りのWCより成る超硬合金粉末から、超硬合金ブランクを45度転削インサート形状に圧縮し、例１及び例２と同様に焼結し、保磁力の値が15.95kA/m、Co磁性％の値が11.47のインサートを得た。このインサートは、ウェットブラスト法により周囲部分が研磨されエッジが丸みづけられ、切削刃半径が15μmで、例１及び例２とは異なるPVDコーティングにより被覆されている。

コーティングは、TiAl金属ターゲットを用いてアーク蒸着によるPVDにより堆積させた。このコーティングは、TiN層及び（Ti_0.50Al_0.50）N層が交互に堆積する多層より成る。

例４（先行技術） 10質量％のCo、1.0質量％のCr、0.01質量％のTi、0.01質量％のTa、及び残りのWCより成る超硬合金粉末から、超硬合金ブランクを45度転削インサート形状に圧縮し、例１及び例２と同様に焼結し、保磁力の値が20.95kA/m、Co磁性％の値が7.74のインサートを得た。このインサートは、ウェットブラスト法により周囲部分が研磨されエッジが丸みづけられ、切削刃半径が15μmで、例１と同様のコーティング処理で堆積させたPVDコーティングにより被覆されている。

例５作成した45度転削形状のインサートは、直径80mmのフライスを用いて、ステンレス鋼（SS2343-28 PRODEC（登録商標）（PRODEC 316L））の正面フライス加工において試験した。
切削データ：
切削速度： 80 m/分
送り量： 0.24 mm
切削幅（a_e）: 66 mm
軸方向切削深さ： 2 mm
クーラント：あり

各変数は２試行で試験した。表１は２試行の平均結果を示している。摩耗を決定づける工具寿命は、エッジラインの破損又はチッピングであった。

例６例１及び例３のインサートは、例５に記述したものと同様のアプリケーション下で同様の切削条件にて試験した。

各変数は２試行で試験した。表２は２試行の平均結果を示している。摩耗を決定づける工具寿命は、エッジラインの破損又はチッピングであった。

Claims

基材及びコーティングを含み、
前記基材がWC、12.5-17質量％のCo、Cr/Co質量比が0.05-0.15になる量のCrを含み、Ti含量が50から300質量ppmであり、
前記コーティングが、IVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち1または複数の元素の、均質な窒化物コーティングであり、
前記コーティングが、非周期多層構造A/B/A/B/A/B...を含み、交互に堆積する副層A及びBがコーティング全体に渡り繰り返されていて、AとBの組成が相異なっており、副層A及びBがIVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち１又は複数の元素の適切な窒化物であることを特徴とする、
切削工具。
超硬合金基材が0.80-0.97のCW-Cr比及び13から20kA/mの保磁力を有することを特徴とする、請求項１記載の切削工具。
Co含量が13-16質量％、Cr含量がCr/Co質量比が0.08-0.12になる量、及びTi含量が50から250ppmであることを特徴とする、請求項１または２に記載の切削工具。
前記コーティングが、Ti及びAl元素の均質な窒化物コーティングであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削工具。
前記コーティングが、Ti及び/又はAlの窒化物の、副層A及びBが交互に堆積する多層構造を含むことを特徴とする、請求項１記載の切削工具。
WC、12.5-17質量％のCo、Cr/Co質量比が0.05-0.15になる量のCrを含み、Ti含量が50から300質量ppmである基材にPVDでコーティングを堆積することを含むことを特徴とする、切削工具の製造方法。
超硬合金基材が0.80-0.97のCW-Cr比及び13から20kA/mの保磁力を有することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
Co含量が13-16質量％、Cr含量がCr/Co質量比が0.08-0.12になる量、及びTi含量が50から250ppmであることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
前記コーティングが、Ti及びAl元素の均質な窒化物コーティングであることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
前記コーティングが、非周期多層構造A/B/A/B/A/B...を含み、交互に堆積する副層A及びBがコーティング全体に渡り繰り返されていて、AとBの組成が相異なっており、副層A及びBがIVb族、Vb族、VIb族、Al、Y及びSiのうち１又は複数の元素の適切な窒化物であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記コーティングが、Ti及び/又はAlの窒化物の、副層A及びBが交互に堆積する多層構造を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。