特許 7564867 被覆切削工具を処理する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-01

(45)【発行日】2024-10-09

(54)【発明の名称】被覆切削工具を処理する方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/356 20140101AFI20241002BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20241002BHJP

   B23P 15/28 20060101ALI20241002BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

B23K26/356

B23B27/14 A

B23P15/28 A

C23C14/06 H

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2022513121

(86)(22)【出願日】2020-08-27

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-01

(86)【国際出願番号】 EP2020073911

(87)【国際公開番号】W WO2021037947

(87)【国際公開日】2021-03-04

【審査請求日】2023-06-28

(31)【優先権主張番号】19194612.8

(32)【優先日】2019-08-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】520333435

【氏名又は名称】エービー サンドビック コロマント

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】スライワ， ワルカ

(72)【発明者】

【氏名】ユセフィアン， ニマ ザリフ

(72)【発明者】

【氏名】パウルスルド， ガブリエル

【審査官】杉田 隼一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２７２９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２２３８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２１５９９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１０７１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９３１１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／３５６

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｂ２３Ｐ １５／２８

Ｃ２３Ｃ １４／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ・ショック・ピーニング（ＬＳＰ）を使用して被覆切削工具（１）を処理する方法であって、前記被覆切削工具は母材及びコーティングからなり、前記母材は超硬合金又はサーメットであり、前記コーティングはＣＶＤ層及び／又はＰＶＤ層を含み、前記方法は、前記被覆切削工具（１）の少なくとも一部にＬＳＰを施す工程を含み、ＬＳＰエネルギー密度は、０．４～１．６Ｊ／ｍｍ^２以内であり、
前記被覆切削工具（１）が、すくい面（２）と逃げ面とそれらの間の刃先（３）とを含み、前記刃先（３）の一部及び前記すくい面（２）の少なくとも一部に前記ＬＳＰが施される、方法。

【請求項2】

前記ＬＳＰが前記被覆切削工具の少なくとも一部にレーザパルスを適用することを含み、レーザ・パルス・エネルギー密度が０．０４～１．０Ｊ／ｍｍ ^２ である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ＬＳＰを施す工程中のレーザの波長が、１，０００～１，１００ｎｍである、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

ＬＳＰを施す前に、黒い塗料又は黒いテープが前記被覆切削工具（１）に施用される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記コーティングが、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、ＺｒＣＮ、ＴｉＡｌＮ又はＴｉＳｉＮのうち一つ又は複数の外層を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記被覆切削工具（１）が、前記母材と前記外層との間に位置するＡｌ_２Ｏ_３の層をさらに含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記被覆切削工具（１）が、前記母材と前記外層との間に位置するＴｉＣＮの層をさらに含む、請求項５又は６に記載の方法。

【請求項8】

前記被覆切削工具（１）が、前記母材と前記外層との間に位置するＴｉＡｌＮの層をさらに含む、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記コーティングの総厚が２～２０μｍである、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記ＬＳＰを施す工程の後に、ブラスト、研磨、及び／又はブラッシング工程が続く、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記被覆切削工具（１）が、すくい面（２）と逃げ面（４）とそれらの間の刃先（３）とを含み、前記被覆切削工具（１）の前記刃先（３）の一部並びに前記すくい面（２）及び／又は前記逃げ面（４）の一部にのみ前記ＬＳＰが施され、領域の幅（ｂ）がエッジから最大５ｍｍである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記ＬＳＰを施す工程中のレーザの周波数が、１５０，０００～２５０，０００Ｈｚ以内である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記ＬＳＰを施す工程中のレーザのピークパワー密度が、３～７ＧＷ／ｍｍ^２以内である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記ＬＳＰエネルギー密度は、０．４～１．４Ｊ／ｍｍ ^２ 以内である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

前記ＬＳＰエネルギー密度は、０．９～１．４Ｊ／ｍｍ ^２ 以内である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記ＬＳＰエネルギー密度は、１．１～１．３Ｊ／ｍｍ ^２ 以内である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、サーメット又は超硬合金の母材とＣＶＤ及び／又はＰＶＤによって作製された層を含むコーティングとを有する被覆切削工具の、レーザ・ショック・ピーニングに関する。

【背景技術】

【0002】

サーメット及び超硬合金は、金属バインダー中の硬質成分で構成される材料である。これらの材料は、高硬度、高耐摩耗性、高靱性などの特性を有する切削工具における一般的な母材である。これらの母材は、通常、例えばＴｉＣＮ及びアルミナの層のＣＶＤコーティングや、例えばＴｉＮ及びＴｉＡｌＮの層でのＰＶＤコーティングなどの耐摩耗性コーティングで被覆される。

【0003】

被覆切削工具は、通常、切削におけるその寿命をさらに改善するために表面処理加工される。一般的な表面処理は、外面を滑らかにするためのブラッシング又は刃先の成形、表面を滑らかにし且つ超硬合金の表面領域又はコーティングの残留応力レベルに影響を及ぼすためのショットブラストである。

【0004】

レーザ・ショック・ピーニングは、レーザを使用して表面ゾーンの特性に影響を及ぼす方法である。短時間且つ高強度のレーザパルスが表面上で走査される。各レーザパルスは、表面上に形成される局所プラズマを生成し、それにより、処理される対象物内に伝播する衝撃波が生成される。この衝撃波は、材料の表面ゾーンに影響を及ぼし、硬度、靭性の増加、及び残留応力レベルの変化が生じる。

【0005】

国際公開第２０１８／２１５９９６号は、超硬合金の切削工具をレーザ・ショック・ピーニングで処理する方法を開示している。

【発明の概要】

【0006】

サーメット又は超硬合金の母材を含む被覆切削工具を処理する改善された方法を提供することが、本発明の目的である。

【0007】

これらの目的の少なくとも１つは、請求項１に記載の方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属項に列挙されている。

【0008】

本発明は、レーザ・ショック・ピーニング（ＬＳＰ）を使用して被覆切削工具を処理する方法に関し、被覆切削工具は、母材とコーティングとからなり、母材は超硬合金又はサーメット、好ましくは超硬合金のものであり、コーティングはＣＶＤ層及び／又はＰＶＤ層を含み、前記方法は、切削工具の少なくとも一部にＬＳＰを施す工程を含み、ＬＳＰエネルギー密度は、０．４～１．６Ｊ／ｍｍ^２以内、好ましくは０．９～１．４Ｊ／ｍｍ^２以内、より好ましくは１．１～１．３Ｊ／ｍｍ^２以内である。

【0009】

驚くべきことに、ＬＳＰエネルギー密度を０．４～１．６Ｊ／ｍｍ^２以内、好ましくは０．９～１．４Ｊ／ｍｍ^２以内に設定してレーザ・ショック・ピーニングを実施すれば、切削工具の性能に最適であることが分かった。ＬＳＰエネルギー密度が低すぎる場合、ＬＳＰからの衝撃が低すぎて、改善されたエッジライン靭性又は耐摩耗性をもたらすことができない。ＬＳＰエネルギー密度が高すぎると、表面領域の応力が低下し、それによってエッジラインの耐チッピング性が低下するリスクが高くなる。

【0010】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰは、切削工具の少なくとも一部にレーザパルスを適用することを含み、レーザ・パルス・エネルギー密度は、０．０４～１．０Ｊ／ｍｍ^２、好ましくは０．０４～０．５Ｊ／ｍｍ^２、より好ましくは０．０４～０．１Ｊ／ｍｍ^２、さらにより好ましくは０．０５～０．０７Ｊ／ｍｍ^２である。

【0011】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰを施す前に、黒い塗料又は黒いテープが被覆切削工具に施用される。黒い塗料又は黒いテープを使用する利点は、厚みの減少又は外観の変化なしに下のコーティングを維持できることである。

【0012】

本発明の一実施形態では、コーティングは、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、ＺｒＣＮ、ＴｉＡｌＮ又はＴｉＳｉＮのうち一つ又は複数の外層を含む。これらの層は、塗料やテープの代わりに吸収層として用いることができる。これらの層の利点は、ＣＶＤ又はＰＶＤコーティングの一部として蒸着させることができ、したがって、黒いテープ又は黒い塗料をあてがうといった余分な工程を省くことができることである。さらなる利点は、これらの層を使用すると、母材の表面領域においてより高レベルの残留応力を誘発し、ＬＳＰの効果がより顕著に見えることである。

【0013】

本発明の一実施形態では、外層の厚みは、好ましくは２～５μｍである。外層の厚みが薄くなると、その下の耐摩耗層の厚みがＬＳＰ中に減少する。厚みが５μｍを超える場合、母材内の誘導残留応力はより小さく、したがってＬＳＰによる工具寿命の向上はあまり顕著にならない。

【0014】

本発明の一実施形態では、被覆切削工具は、母材と外層との間に位置するＡｌ_２Ｏ_３の層をさらに含む。このＡｌ_２Ｏ_３の層は、好ましくはα－Ａｌ_２Ｏ_３層である。これは、非常に耐摩耗性の層であるという点で有利である。

【0015】

本発明の一実施形態では、被覆切削工具は、母材と外層との間に位置するＴｉＣＮの層をさらに含む。

【0016】

本発明の一実施形態では、被覆切削工具は、母材と外層との間に位置するＴｉＡｌＮの層をさらに含む。

【0017】

本発明の一実施形態では、コーティングの総厚は、２～２０μｍである。本発明の一実施形態では、コーティングの総厚は、２～１０μｍである。

【0018】

本発明の一実施形態では、切削工具はすくい面と逃げ面とそれらの間の刃先とを含み、刃先の一部及びすくい面の少なくとも一部にＬＳＰが施される。

【0019】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程の後に、ブラスト、研磨及び／又はブラッシング工程、好ましくはショットブラストなどのブラスト工程が続く。ブラスト、研磨及びブラッシングによる利点は、切削工具の表面をこれらの技術のいずれかによって仕上げることができ、それによって切削工具の切削性能を向上させることができることである。ショットブラストは、コーティングの表面の粗さ及び残留応力レベルの両方に影響を及ぼすことができるので、コーティングの表面の粗さの低下及び引張応力レベルの低下又はより高い圧縮応力レベルを達成することができ、それによって切削工具の寿命を延ばすことができる、という点で有利である。

【0020】

本発明の一実施形態では、切削工具はすくい面と逃げ面とそれらの間の刃先とを含み、切削工具の刃先の一部並びにすくい面及び／又は逃げ面の一部にのみＬＳＰが施され、前記領域の幅（ｂ）は刃先から最大５ｍｍであり、好ましくは前記領域の幅（ｂ）は刃先から１～５ｍｍである。少なくとも切断に関与する領域にＬＳＰを施すことが有利である。エッジからすくい面への広がり部分（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）は、適用時に少なくとも切削深さａ_ｐでなければならない。

【0021】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰは、切削工具の刃先全体に沿って施される。

【0022】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰは、切削工具のすくい面全体に施される。

【0023】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰは、切削工具のすくい面全体、刃先全体、及び逃げ面全体にも施される。

【0024】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程中のレーザの波長は、１，０００～１，１００ｎｍ以内、好ましくは１，０５０ｎｍ～１，０７０ｎｍ以内、より好ましくは約１，０６４ｎｍである。

【0025】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程中のレーザの周波数は、１５０，０００～２５０，０００Ｈｚ以内、好ましくは約２００，０００Ｈｚである。

【0026】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程中のレーザのパルス持続時間は、０．００５～０．０２ｎｓ以内、好ましくは約０．０１～０．０２ｎｓである。

【0027】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程中のレーザの平均効果は、１３～１６Ｗ以内、好ましくは約１５Ｗである。

【0028】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程中のレーザのスポットサイズは、０．０３～０．０５ｍｍ以内、好ましくは約０．０４ｍｍである。

【0029】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰ工程中のレーザのピークパワー密度は、３～７ＧＷ／ｍｍ^２以内、好ましくは約６ＧＷ／ｍｍ^２である。このレベルのピークパワー密度は、周波数、パルス長、レーザの効果、又はスポットサイズのいずれかを変更することによって変えることができる。ピークパワー密度が３～７ＧＷ／ｍｍ^２以内であると、得られるピーク圧力が高くなって切削工具の寿命が向上する、という利点がある。

【0030】

本発明の一実施形態では、ＬＳＰは、被覆切削工具が水中に浸漬されたときに被覆切削工具に対して施される。

【0031】

本発明のさらに他の目的及び特徴は、添付の図面と併せて考察される以下の実施例から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明によって処理することができる切削工具（１）の図であり、すくい面（２）、逃げ面（４）及び刃先（３）が示されている。切削工具の幾何学的形状は、以下の実施例で使用される幾何学的形状に対応する。

【図2】切削工具（１）のすくい面（２）及び刃先（３）を示す、本発明の一実施形態によるＬＳＰ領域の位置及び広がり部分の概略図である。

【図3】一定の領域にわたってパルスステップ長ｘで走査されたレーザパルス（円）の概略図である。パルスは、領域全体若しくは部分がＬＳＰで処理されるように、互いに重なり合う。

【発明を実施するための形態】

【0033】

定義
「切削工具」とは、本明細書では、インサート、エンドミル、又はドリルなどの金属切削用途のための切削工具を意味する。適用分野は、例えば、旋削加工、フライス加工又は穿孔加工などがあり得る。

【0034】

「超硬合金」とは、本明細書では、少なくとも５０重量％のＷＣ、場合によっては超硬合金の製造技術分野で一般的な他の硬質成分、並びに好ましくはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち一つ又は複数から選択される金属バインダー相を含む材料を意味する。

【0035】

「サーメット」とは、本明細書では、硬質成分が、炭窒化チタン、炭化チタン及び窒化チタンのうち一つ又は複数である硬質成分と金属バインダー相とを含む材料を意味する。サーメット中の金属バインダー相は、好ましくはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち一つ又は複数から選択され、好ましくはＣｏである。サーメットの技術分野で一般的な他の硬質成分は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ及びＣｒの炭化物、窒化物又は炭窒化物から選択される。サーメット材料は、遊離六方晶ＷＣを含まない。炭窒化チタンに基づくサーメット材料は、今日の最も一般的なサーメット材料である。

【0036】

「ＬＳＰエネルギー密度」は、本明細書では、切削工具のＬＳＰ処理される部分又は領域に施される平均エネルギー密度を指す。パルスオーバーラップの増加又はレーザ・パルス・エネルギー密度の増加は、ＬＳＰエネルギー密度の増加をもたらす。

【0037】

「レーザ・パルス・エネルギー密度」は、本明細書では、１つの単一レーザパルスの平均エネルギー密度を示す。パルス持続時間の増加又は効果の増加は、レーザ・パルス・エネルギー密度の増加をもたらす。

【0038】

「ショットブラスト」は、本明細書では、砥粒を使用するプロセスを指し、典型的には、研磨摩耗によって処理表面から物質が除去される。ショットブラストは、切削工具の分野において周知であり、例えば、切削工具上のコーティングに残留応力を生じさせることが知られている。

【実施例】

【0039】

ここで、本発明の例示的な実施形態をより詳細に開示し、比較実施形態と比較する。被覆切削工具（インサート）を準備し、切削試験で分析及び評価した。

【0040】

母材
粉砕用のＩＳＯ型Ｒ３９０－１１Ｔ３０８Ｍ－ＰＭの超硬合金母材を製造した（図１参照）。

【0041】

２つの異なる超硬合金組成物を製造した。母材Ａは、約１３．５０重量％Ｃｏ、０．５７重量％Ｃｒ及び残部ＷＣの組成を有する粉末混合物から製造された。母材Ｂは、約９．１４重量％のＣｏ、１．１５重量％Ｔａ、０．２７重量％Ｎｂ、０．０５重量％Ｔｉ及び残部ＷＣの組成を有する粉末混合物から製造された。粉末混合物を粉砕し、乾燥させ、グリーン体にプレスし、１，４５０°Ｃで焼結して焼結超硬合金母材を形成した。

【0042】

コーティング
ＣＶＤコーティングを２つの超硬合金組成物上に蒸着させた。ＣＶＤコーティングは、厚み０．５μｍの内側のＴｉＮ層、続く厚み３．５μｍの耐摩耗性ＴｉＣＮ層、及びその上の厚み３μｍの耐摩耗性α－Ａｌ_２Ｏ_３層から構成された。その後、外側のＴｉＮ層を２μｍの厚みで蒸着させた。総コーティング厚は約９μｍであった。

【0043】

ＬＳＰ処理
被覆切削工具のエッジにも広がるすくい面の領域に、ＬＳＰを施した。切削工具の刃先から垂直に測定したこの領域の幅ｂは約３ｍｍであった。主刃先に沿った広がり部分ａは約６ｍｍ、及び補助刃先に沿った広がり部分ｃは約３ｍｍであった。図２のＬＳＰの領域の概略図を参照されたい。

【0044】

表面上に６ｍｍの水がある状態でＬＳＰプロセスを施した。ＬＳＰプロセス中、切削工具を水に浸した。

【0045】

ＬＳＰ中のレーザの設定は以下の通りであった。
波長：１，０６４ｎｍ
周波数：２００ｋＨｚ
パルス持続時間：０．０１ｎｓ
パルス直径、ｄ：０．０４ｍｍ
レーザパワー：１４．８Ｗ
ピークパワー密度：５．８９ＧＷ／ｍｍ^２

【0046】

レーザ・パルス・エネルギー密度は０．０５９Ｊ／ｍｍ^２であり、以下のように計算した。
レーザ・パルス・エネルギー密度［Ｊ／ｍｍ^２］＝レーザ・パルス・エネルギー／パルス面積
レーザ・パルス・エネルギー［Ｊ］＝レーザパワー／周波数
パルス面積［ｍｍ^２］＝πｄ^２／４

【0047】

ＬＳＰエネルギー密度は、パルス距離、すなわちパルスステップ長ｘを変更してパルスオーバーラップを変化させることによって、つまりパルス距離を小さくしてパルスオーバーラップを大きくすることによって、より高いＬＳＰエネルギー密度をもたらすようにして、調整される。レーザ・パルス・オーバーラップは、パルスステップ長ｘ及びパルス直径ｄに関する。
レーザ・パルス・オーバーラップ＝ｄ－ｘ／ｄ

【0048】

試料のＬＳＰエネルギー密度を表１に示す。
ＬＳＰエネルギー密度［Ｊ／ｍｍ^２］＝レーザ・パルス・エネルギー×１ｍｍ^２当たりのパルス数
１ｍｍ^２当たりのパルス数＝１／ｘ^２

【0049】

【0050】

ショット・ブラスト・プロセス
ＬＳＰに続いて、切削工具をショットブラストにかけて外側のＴｉＮ層を除去した。ショットブラストの時間をわずかに調整して、ＬＳＰで処理されたすくい面の領域からすべてのＴｉＮを除去した。ショットブラストは、アルミナ研磨材及び２．１バールの空気圧で行った。また、試料Ａ０及びＢ０をショットブラスト処理にかけた。

【0051】

切削性能１
次に、母材Ａを有するインサートを、以下のパラメータでフライス加工で試験した。
被削材：Ｄｉｅｖａｒ未硬化、ＰＬ１２９ ２００ｘ２００ｘ１００、ＭＣ Ｐ３．０．Ｚ．ＡＮ、ＣＭＣ０３．１１、
チャージ：Ｍ１０２０５
ｖ_ｃ＝２００ｍ／分
ｆ_ｚ＝０．１５ｍｍ
ａ_ｅ＝１２ｍｍ
ａ_ｐ＝３．０
ｚ＝１
カットの長さ＝１２ｍｍ
切削液は使用しなかった。
インサートタイプＲ３９０－１１Ｔ３０８Ｍ－ＰＭ

【0052】

工具寿命の判定基準は、エッジライン少なくとも０．５ｍｍのチッピングとした。工具寿命は、この判定基準を達成するためのカットエントランスの平均回数として提示される。平均工具寿命を表２に示しており、工具寿命は平均切削回数であり、８並列切削試験の平均である。

【0053】

【0054】

切削性能２
次いで、母材Ｂを有するインサートを、以下のパラメータでフライス加工で試験した。
被削材：Ｄｉｅｖａｒ未硬化、ＰＬ１２９ ２００ｘ２００ｘ１００、ＭＣ Ｐ３．０．Ｚ．ＡＮ、ＣＭＣ０３．１１、
チャージ：Ｍ１０２０５
ｖ_ｃ＝１６０ｍ／分
ｆ_ｚ＝０．２ｍｍ
ａ_ｅ＝１２ｍｍ
ａ_ｐ＝３．０
ｚ＝１
カットの長さ＝１２ｍｍ
切削液は使用しなかった。
インサートタイプＲ３９０－１１Ｔ３０８Ｍ－ＰＭ

【0055】

工具寿命の判定基準は、エッジライン少なくとも０．５ｍｍのチッピングとした。工具寿命は、この判定基準を達成するためのカットエントランスの平均回数として提示される。平均工具寿命を表３に示しており、工具寿命は平均切削回数であり、８並列切削試験の平均である。

【0056】

【0057】

本発明を様々な例示的な実施形態に関連して説明したが、本発明は開示された例示的な実施形態に限定されるものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲内の様々な修正及び均等な構成を網羅することが意図されていることを理解されたい。さらに、本発明の任意の開示された形態又は実施形態は、設計選択の一般的な事項として、任意の他の開示若しくは記載若しくは示唆された形態又は実施形態に組み込まれてもよいことが認識されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】