JP2000296401A

JP2000296401A - 複合材製バイト

Info

Publication number: JP2000296401A
Application number: JP10557099A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】表面が硬く耐摩耗性を有する一方、内部が高靱
性を有する複合材製バイトを提供することを可能にす
る。【解決手段】バイト１０のバイト内部に金属リッチな金
属部２０が設けられ、バイト表面にセラミックスリッチ
なセラミックス部２２が設けられ、これらの間にバイト
内部からバイト表面に向かうに従って金属成分の割合が
漸減する傾斜部２４が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス成分
と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製バイト
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種の機械加工分野において、
切削用バイトを用いた種々の加工が行われている。この
種の切削加工作業中には、バイトに対して種々の応力が
作用している。例えば、被削材に押し付け力を付与する
際の圧縮応力、食い付き部や切削部に作用する引っ張り
応力、さらにシャンクに取り付けられた状態で加工を行
う部分と加工に使用されない部分との間に発生する引っ
張り応力等が挙げられる。このため、バイトによる切削
加工が、実際上、不安定となり易く、刃先チッピングや
欠損、折損、あるいは、加工部位の寸法精度の低下が惹
起されるおそれがあり、高硬度、高強度および高靱性を
有するバイトが要求されている。そこで、通常、バイト
の材質として、高速度鋼や超硬等が広く採用されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速度
鋼は、高強度および高靱性を有するものの、耐摩耗性や
圧縮強度および剛性に問題がある一方、超硬は、高剛
性、高硬度および高圧縮強度を有するものの、靱性に問
題がある。言い換えれば、剛性や耐摩耗性を向上させよ
うとすると靱性や強度が劣化する一方、強度や靱性を向
上させようとすると剛性や硬度が低下してしまい、特に
高速加工および高負荷に耐え得るバイトを製作すること
は、現実的には極めて困難なものとなっている。

【０００４】その際、超硬材や高速度鋼に硬質皮膜コー
ティング等の表面処理を施す工夫がなされているが、バ
イト刃先の精度が低下するとともに、高負荷応力下や高
温下では皮膜の剥がれ等が惹起してしまい、実用に供す
ることができなかった。

【０００５】そこで、実際に切削加工を行うバイト表層
近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、バイト
内部が高強度を有するバイトの開発を検討したところ、
本出願人による特許第２５９３３５４号や特開平８−１
２７８０７号公報等に開示されている「セラミックス粉
末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複合材」を応用
することを見い出した。

【０００６】すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部
に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機
能を有する複合材製バイトを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る複合材製バ
イトでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複合材
で構成されるとともに、バイト内部からバイト表面に向
かうに従って、前記複合材中の前記金属成分の割合が漸
減している。ここで、複合材中の金属成分の割合と硬
度、強度および靱性とには相関があり、金属成分の割合
が少なくなってセラミックス成分の割合が多くなると、
硬度、耐摩耗性および剛性等が向上するものの脆くなっ
てしまう。一方、この脆さを改善するために、金属成分
の割合を多くすると、強度および靱性は向上するもの
の、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。

【０００８】そこで、実際に加工を行うバイト表面側を
高硬度で耐摩耗性を有する物性とし、バイト内部を高靱
性で高強度を有する物性とするとともに、前記表面側と
前記内部側との間の組成や物性が緩やかに変化するよう
にすれば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を備えつ
つ、寸法精度の高い鋭利な刃先を有するバイトを得るこ
とができる。

【０００９】このため、バイト表面近傍のセラミックス
粒子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ内部
に向かうに従って小さくなり、金属成分がこの粒成長に
伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従って、
実際に加工を行うバイト表面部分の組成がセラミックス
リッチで高耐摩耗性を有し、バイト内部が金属リッチで
高強度および高靱性を有するとともに、バイト内部にお
ける応力集中を有効に減少させることが可能になる。

【００１０】また、実際に切削加工を行うバイト表面近
傍をセラミックスリッチとし、粒子を粗大化しているた
めに、切削加工時にこのバイト表面近傍に発生する熱の
伝達および拡散性が向上する。従って、熱に伴うマイク
ロクラックの発生を防止して、これにより生ずるチッピ
ングや構成刃先を改善したため、切削性能が大きく向上
することになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る複合材製バイト１０の概略斜視説明図であり、図
２は、前記バイト１０の縦断面図である。

【００１２】バイト１０は、平面視略正方形状に構成さ
れており、一方の端面側に切刃部１２が形成されてい
る。このバイト１０の厚さ方向には、切刃部１２から後
方に向かって内方に傾斜する逃げ部１４が設けられてい
る。バイト１０は、セラミックス成分と金属成分とを含
む複合材で構成されており、バイト内部に金属リッチな
金属部２０が設けられるとともに、バイト表面にはセラ
ミックスリッチなセラミックス部２２が設けられる。金
属部２０とセラミックス部２２との間には、バイト内部
からバイト表面に向かうに従って金属成分の割合が漸減
する傾斜部２４が設けられている。

【００１３】金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄
（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の
中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じ
てクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍ
ｎ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）等
が混入される。複合材中の金属成分の割合は、２ｗｔ％
〜１２ｗｔ％、より好ましくは３ｗｔ％〜１０ｗｔ％の
範囲内に設定される。

【００１４】金属成分が２ｗｔ％未満では、金属量が少
なくなり過ぎてバイト１０が脆くなり、現実的に使用す
ることができないものとなってしまう。金属成分が２ｗ
ｔ％以上であると、バイト１０の表面側の金属成分の割
合を１ｗｔ％以下とすることができ、バイト内部には相
対的に７ｗｔ％程度の金属成分を集積することが可能に
なり、実用に供することができる。なお、素材を焼結し
た後、刃付け等の加工を施してバイト１０を製造する際
には、その刃先強度をも考慮する必要があり、金属成分
の割合が３ｗｔ％以上であることが望ましい。

【００１５】ここで、セラミックス粒子として２μｍ前
後の粉末原料を用いた場合、バイト表面近傍の粒子は、
添加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲気等
により変化し、例えば、３倍〜３０倍程度に成長する。
バイト１０において、切刃１８の強度が要求される際に
は、３倍〜６倍程度まで成長させる一方、主に耐摩耗性
が要求される際には、１０倍〜２０倍程度まで成長させ
る。このとき、バイト１０の表面近傍の金属成分の割合
は１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度であり、このバイト１０の内
部の金属成分の割合は成長度合いや傾斜部２４の厚み等
により変化し、例えば、表面近傍で５ｗｔ％の場合、内
部で８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程度乃至はそれ以上となる。

【００１６】金属成分の割合は、上限が１２ｗｔ％、よ
り好ましくは１０ｗｔ％に設定される。長尺なシャンク
部にバイト１０が取り付けられると、このバイト１０に
は、高剛性と高強度が要求されるとともに、特に、大き
な引っ張り強度が要求される。この場合、含有する金属
成分の量を増加して折損等を回避しようとする際、金属
成分の割合が１２ｗｔ％以上になると、耐摩耗性が劣化
するおそれがある。

【００１７】また、金属成分の割合が１２ｗｔ％に設定
され、表面近傍で金属成分が５ｗｔ％程度のバイト１０
において、ＨＲＡ９３程度の硬度を確保しようとした場
合、前記バイト１０が２５ｍｍ×２５ｍｍ×１００ｍｍ
程度のシャンク一体型であれば、バイト中央部の金属成
分が２０ｗｔ％以上程度となって、高速度鋼に近い靱性
を有して機能的には十分である。

【００１８】なお、１０ｍｍ〜２０ｍｍ×１０ｍｍ〜２
０ｍｍ×１００ｍｍ程度のバイト１０において、上記の
ようにバイト中央部の金属成分の量を２０ｗｔ％以上程
度にするためには、複合材中の前記金属成分の割合を１
０ｗｔ％に設定すればよく、これ以上の割合で金属成分
を添加しても強度や靱性に寄与することがなく、バイト
１０全体の剛性が低下してしまう。

【００１９】バイト１０の傾斜部２４の厚さは、数１０
０μｍ、好ましくは０．３ｍｍ以上に設定される。バイ
ト１０では、金属成分の量と熱伝導および粒子の大きさ
と熱伝導に相関があり、発生する熱応力が熱伝達の勾配
になるため、傾斜部２４の厚さが変化することにより熱
応力そのものが変化する。傾斜部２４の厚さが数μｍ〜
数１０μｍでは、発生する熱応力や加工時の応力の緩和
量が小さく、金属成分の割合を好適にコントロールした
としても所望の効果を得ることができない。

【００２０】一方、傾斜部２４の厚さを大きく設定する
ことが考えられるが、バイト１０が大径なものとなって
しまう。実用上のバイト１０の直径が２５ｍｍ×２５ｍ
ｍ×８ｍｍ程度以下であるため、傾斜部２４の厚さの上
限を１０ｍｍに設定する。

【００２１】バイト１０を構成する複合材中のセラミッ
クス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン
（ＴｉＣ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ₂Ｃ）、炭化タン
タル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム
（Ｃｒ₃Ｃ₂）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から
選択される少なくとも一種以上を主体とするものであ
り、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種
々のものをその一部に添加してもよい。

【００２２】セラミックス量は、８８ｗｔ％≦ＷＣ＋Ｔ
ｉＣ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦
９８ｗｔ％に設定される。これらのセラミックス成分
は、バイト１０による切削時に実際に切削を行う切刃１
８を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐蝕性等の
性質を備えている。セラミックス量が９８ｗｔ％を超え
ると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は十分
であるものの、強度および靱性が低くなって実用に供す
ることが難しい。

【００２３】一方、セラミックス成分が８８ｗｔ％未満
では、金属成分が多くなりすぎ、バイト１０のドレス後
の使用等においては、耐摩耗性が著しく劣化する場合が
ある。バイト１０の表面硬度は、ＨＲＡ９０以上であ
る。この値未満では、バイト１０の切刃部１２に金属成
分の露出割合が多くなり、被削材との摩擦係数（μ）が
高くなって発熱の増大を招き、前記被削材の加工表面が
粗くなるとともに、前記バイト１０の切刃部１２自体の
損耗が大きくなってしまう。

【００２４】このように、第１の実施形態に係るバイト
１０では、高速度鋼に比べて物性的にも有利であり、加
工精度および加工面が有効に向上することになる。しか
も、バイト１０の交換頻度が少なくなり、長期間にわた
って良好に使用することが可能になる。また、バイト１
０では、粒成長剤を適宜選択することにより、例えば、
金属成分としてニッケルが使用される場合、前記バイト
１０の表面硬度がＨＲＡ９４、さらにＨＲＡ９８にな
り、硬質セラミックス皮膜コーティングを施した以上の
値が得られる。

【００２５】図３は、本発明の第２の実施形態に係る複
合材製バイト１０ａの概略斜視説明図であり、図４は、
前記バイト１０ａの縦断面図である。また、図５は、本
発明の第３の実施形態に係る複合材製バイト１０ｂの概
略斜視説明図であり、図６は、前記バイト１０ｂの縦断
面図である。さらに、図７は、本発明の第４の実施形態
に係る複合材製バイト１０ｃの概略斜視説明図であり、
図８は、前記バイト１０ｃの縦断面図である。なお、上
述した第１の実施形態に係るバイト１０と同一の構成要
素には同一の参照数字に符号ａ〜ｃを付して、その詳細
な説明は省略する。

【００２６】バイト１０ａは平面視リング形状を有して
おり、その中央部にボルト用挿通孔１６ａが形成される
とともに、一端側に切刃部１２ａが設けられて前記切刃
部１２ａから前記バイト１０ａの厚さ方向に向かって逃
げ部１４ａが形成されている。

【００２７】バイト１０ｂ、１０ｃは、平面視略三角形
状を有しており、それぞれの中央部にはボルト用挿通孔
１６ｂ、１６ｃが形成されるとともに、切刃部１２ｂ、
１２ｃと逃げ部１４ｂ、１４ｃとが設けられている。バ
イト１０ａ、１０ｂおよび１０ｃは、セラミックス成分
と金属成分とを含む複合材で構成されている。

【００２８】このように構成されるバイト１０ａ〜１０
ｃでは、高速度鋼や超硬で構成されるバイトに比べ、高
速加工が容易に遂行される等、第１の実施形態に係るバ
イト１０と同様の効果が得られる。実施例１実施例１では、平均結晶粒径が２．２μｍの炭化タング
ステン（ＷＣ）粉末を９０ｗｔ％、平均粒径が２μｍの
炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末を２ｗｔ％、平均粒径が２．
４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１ｗｔ％、およ
び平均粒径が０．８μｍのコバルト（Ｃｏ）粉末を７ｗ
ｔ％の割合で、有機溶媒を媒液としてボールミルを用い
て７２時間十分に混合した。これは、ＪＩＳ分類におけ
るＫ−１０相当材であり、以下、試料Ａという。

【００２９】一方、上記と同様の粉末の他に、平均粒径
が１．５μｍの炭化チタンおよび平均粒径が１．２μｍ
の窒化チタンを用意し、炭化タングステン粉末を５１ｗ
ｔ％、炭化チタン粉末を３５ｗｔ％、窒化チタン粉末を
５ｗｔ％、炭化タンタル粉末を３ｗｔ％、コバルト粉末
を６ｗｔ％の割合で、上記と同様にボールミルを用いて
同一時間だけ十分に混合した。これは、ＪＩＳ分類にお
けるＰ−１０組成に近いものであり、以下、試料Ｂとい
う。

【００３０】次いで、これらの混合物を液分が９％にな
るように調製した後、成形用バインダの影響を回避する
ためにバインダレスで、金型内静水圧加圧成形法により
１００ＭＰａの成形圧力にて、焼成後の寸法が内接円φ
１２．７ｍｍ、厚さ４．７６ｍｍに近似するように成形
体を成形した。加工取り代は、片面で０．１ｍｍ程度に
設定した。

【００３１】成形後、窒素ガスを流通させながら５０Ｐ
ａで成形体に残存するヘキサンを除去した後、９００℃
で３０×６０秒間の仮焼成を行い、成形体の含浸時にお
ける崩壊を防止した。次に、１０％濃度のＮｉ塩水溶液
中に仮焼成体を浸漬し、その後、１３０℃の排気型熱風
乾燥炉により乾燥処理を施し、仮焼成体内におけるＮｉ
濃度の傾斜化を図った。

【００３２】さらに、表面層の影響を除去するために、
片面で０．１ｍｍ程度除去することにより、ポジティブ
バイトを得た。このバイトの表面均質相体は、０．２ｍ
ｍ程度であり、その表面硬度が試料ＡでＨＲＡ９３、試
料ＢでＨＲＡ９５という値であり、それぞれのＪＩＳ品
や市販品の値を大きく凌ぎ、硬質セラミックスコーティ
ングを施したものと同等、あるいはそれ以上の値となっ
た。

【００３３】これらのバイトの表面からの距離と硬度と
の関係、すなわち、内部硬度変化が図９に示されてい
る。これにより、硬度の値は、バイト内部に向かうに従
って金属量の増加とともに漸減しており、試料Ａおよび
試料Ｂのそれぞれの傾斜層の厚さが２ｍｍおよび１．５
ｍｍとなっていた。

【００３４】そこで、試料Ａおよび試料Ｂについて、窒
素ガスを流通せながら、５０Ｐａで１４００℃の温度に
１時間保持して焼結処理を施した。そして、それぞれの
断面を顕微鏡により観察して粒子の大きさを測定したと
ころ、それぞれの表面近くでは、初めの状態から表面近
傍粒子が試料Ａで３〜４倍程度、試料Ｂで５〜８倍程度
に大きさに成長していた。

【００３５】比較例として、試料Ａに対し市販品のＫ−
１０相当品および超微粒子超硬品を用意する一方、試料
Ｂに対し市販品のＰ−１０相当品およびＣＶＤによるア
ルミナ皮膜、ＴｉＮ皮膜、ＴｉＣＮ皮膜およびＴｉＣ皮
膜の４層コーティング品を選択し、それぞれ切削性の試
験を行った。被削材として、Ｋ−１０相当品や試料Ａ系
列では高シリコン含有のＡＣ８Ｂ相当品を用いる一方、
Ｐ−１０相当品や試料Ｂ系列ではＳＣＭ４３５を用い
た。その結果が図１０および図１１に示されている。

【００３６】なお、市販品のＪＩＳＫ−１０相当品や超
微粒子超硬品は、最も一般的に用いられるバイト組成で
あり、アルミナ合金、銅合金あるいは耐熱合金等の切削
に広く用いられている。また、Ｐ−１０組成相当品は、
鉄系の切削に用いられるものである。さらに、鉄系の切
削では、耐熱性や耐摩耗性の観点からＣＶＤやＰＶＤ等
によるセラミックスコーティングが行われ、皮膜の密着
安定性の観点から多層コーティングするものが一般的で
ある。

【００３７】図１０に示されているように、試料Ａは、
Ｋ−１０相当品や超微粒子超硬品に比べて１．５〜３倍
以上の耐久性が得られ、より過酷な条件での切削等にも
有効に適応し得るという結果が得られた。試験後の試料
刃先を確認したところ、Ｋ−１０相当品や超微粒子超硬
品には、切削に伴う構成刃先の形成が見られていたが、
試料Ａには構成刃先は全く存在しておらず、被削材の表
面も平滑であって比較バイトに見られた毟れや表面荒れ
等が全く観測されなかった。

【００３８】一方、図１１に示すように、多層コーティ
ング品は、市販品のＰ−１０相当品に比べて耐久性の向
上がみられるものの、試料Ｂでは、この多層コーティン
グ品に比べて、さらに２〜３倍以上の耐久性が得られ
た。試料Ｂでは、多層コーティング品に比べて密着性が
遙かに大きいこと、多層コーティング品に比べて発生す
る熱がバイトの切刃部に溜まりにくく、熱応力の発生度
合い等も改善されていること等による。

【００３９】従って、試料Ａおよび試料Ｂでは、従来品
に比べて切削性や耐久性が拡大に向上しており、種々の
被削材の切削を効率的に行うことができ、バイトとして
の性能が飛躍的に向上するという結果が得られた。

【００４０】

【発明の効果】本発明に係る複合材製バイトでは、バイ
ト内部からバイト表面に向かうに従って、複合材中の金
属成分の割合が漸減するため、実際に加工を行う切刃部
分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、バイト内部が
高靱性かつ高強度を有するとともに、この間の組成や物
性が緩やかに変化する。これにより、高速加工に適する
とともに、耐用性が大幅に向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製バイト
の概略斜視説明図である。

【図２】前記バイトの縦断面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合材製バイト
の概略斜視説明図である。

【図４】前記バイトの縦断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る複合材製バイト
の概略斜視説明図である。

【図６】前記バイトの縦断面図である。

【図７】本発明の第４の実施形態に係る複合材製バイト
の概略斜視説明図である。

【図８】前記バイトの縦断面図である。

【図９】試料Ａ、Ｂの表面からの距離と硬度との関係説
明図である。

【図１０】前記試料Ａと市販品との切削試験結果の説明
図である。

【図１１】前記試料Ｂと市販品との切削試験結果の説明
図である。

【符号の説明】

１０、１０ａ〜１０ｃ…バイト１２、１２ａ〜１
２ｃ…切刃部１４、１４ａ〜１４ｃ…逃げ部１６ａ〜１６ｃ…
挿通孔２０、２０ａ〜２０ｃ…金属部２２、２２ａ〜２２ｃ…セラミックス部２４、２４ａ〜２４ｃ…傾斜部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 29/08 Ｃ２２Ｃ 29/10 29/10 Ｃ０４Ｂ 35/56 Ｆターム(参考） 3C046 FF31 FF33 FF38 FF39 FF40 FF43 FF44 FF46 FF48 FF50 FF53 FF55 4G001 BA24 BA25 BA38 BA61 BA81 BB24 BB25 BB38 BB61 BC13 BC33 BC57 BD12 BE11 BE15 BE31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス成分と金属成分とを含む複合
材で構成されるとともに、バイト内部からバイト表面に向かうに従って、前記複合
材中の前記金属成分の割合が漸減することを特徴とする
複合材製バイト。
【請求項２】請求項１記載のバイトにおいて、前記金属
成分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．３ｍｍ〜１
０ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする複合材製
バイト。
【請求項３】請求項１または２記載のバイトにおいて、
前記複合材中の前記金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族の
Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏの中から選択される少なくとも一
種以上の金属成分であり、前記複合材中の前記セラミックス成分は、ＷＣ、Ｔｉ
Ｃ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂またはＶＣ
の中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス
成分であり、かつ、セラミックス量が、８８ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ
＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦９８ｗｔ％に設定されることを特徴とする複合材製バイト。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバ
イトにおいて、前記バイト表面の硬度がＨＲＡ９０以上
であることを特徴とする複合材製バイト。