JP2006117960A - 超硬合金部材 - Google Patents

Abstract

【課題】超硬合金部材の強度改善をはかり、しかも表面粗さの小さい超硬合金部材を提供し、工具部材等として使用した場合に著しい長寿命化を計ることである。
【解決手段】超硬合金部材の表面の残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上であり、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に基づく表面粗さ評価において、最大高さＲｙが、０．４μｍ以下である表面領域を有することを特徴とする超硬合金部材であり、表面粗さの小さい超硬合金部材を提供し、超硬合金部材の強度を高めることが可能となる。
【選択図】なし

Description

本願発明は小径ドリル、小径エンドミル、リーマー、タップ、各種剪断刃などの各種工具、パンチ、ダイスなどの各種治工具、機械部品などに用いる超硬合金部材に関する。

ＷＣ基超硬合金及びＴｉ（ＣＮ）基等のサーメット合金を含む、所謂超硬合金からなる部材は硬さが高く強度も高いため、各種切削工具、各種治工具、機械部品などに広く用いられている。超硬合金は、通常は焼結体の一部又は表面全体に加工を施して使用される。超硬合金の加工はダイヤモンド等の超硬質材砥粒を用いた研削加工によりなされることが多く、研削加工により研削面の表面に圧縮残留応力が導入される。
非特許文献１は、この残留残留応力の導入により、圧縮残留応力がない場合に比べ、強度が高くなることが記載されている。従って、超硬合金等の強度は表面の圧縮残留応力が高い程高くなるが、加工条件からみると、研削加工により圧縮残留応力を高くするためには粗い砥粒を用いた砥石を用いること等が必要になり、この場合、結果的に超硬合金部材表面の面粗度は粗くなってしまう。一方、研削によるキズも強度に影響し、超硬合金部材の使用時に作用する外部応力に対して、研削キズが切り欠きとして作用する場合には、研削キズが大きいほど、すなわち表面粗さが大きいほど、強度は低くなることも知られている。
特許文献２は、ＷＣ基超硬基体を２層構造としたＷＣ基超硬合金製チップにおいて、上下面の熱膨張率の差を利用してチップのすくい面に圧縮残留応力を存在させた超硬合金製チップの例が記載されている。
特許文献３は、表面の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上である超硬合金製ロールの例が記載されている。しかし、ロール表面に圧縮残留応力を作用させることにより、ロール表面のクラック発生を防止することが目的である。しかも特許文献２、３は、表面粗さの程度にまで言及したものではない。

鈴木、林、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金の機械的性質に及ぼす表面研削の影響、日本金属学会誌、３８（１９７４）、６０４頁 特開２０００−３０８９０４号公報 特開２００４−２４３３９９号公報

高強度の超硬合金部材を得ようとする場合、表面粗さを小さくし、且つ、表面残留圧縮応力を高くすることが必要となる。しかし、従来の加工方法では、表面粗さを小さくすると表面の残留圧縮応力も小さくなってしまうため、表面粗さを小さくし、且つ、高い残留圧縮応力を付与することは不可能であった。そこで本発明の課題は、超硬合金部材の強度改善をはかり、しかも表面粗さの小さい超硬合金部材を提供し、工具部材等として使用した場合、著しい長寿命化を計ることである。

本願発明は、超硬合金部材の表面の残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上であり、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に基づく表面粗さ評価において、最大高さＲｙが、０．４μｍ以下である表面領域を有することを特徴とする超硬合金部材である。本構成を採用することによって、高い残留圧縮応力と表面粗さの小さい超硬合金部材を提供し、超硬合金部材の強度改善をはかり、工具部材等として使用した場合に著しい長寿命化を計ることが可能である。

本発明によって、超硬合金部材の強度改善をはかり、しかも表面粗さの小さい超硬合金部材を提供し、超硬合金部材の強度を高めることが可能となり、工具部材等として使用した場合に著しい長寿命化を計ることが可能となった。特に、ドリル等の切削工具、パンチ等の治工具、機械部品等の寿命を長くすることが出来る。

本発明は、超硬合金部材において、表面の残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上であり、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に基づく表面粗さ評価において、最大高さＲｙが、０．４μｍ以下である表面領域を有することを特徴とする超硬合金部材である。ここで表面の残留圧縮応力を１０００ＭＰａ以上とするのは、１０００ＭＰａ以上で強度上昇が顕著になるからである。Ｒｙ値を０．４μｍ以下とするのは、０．４μｍ以下で強度向上が著しくなるからである。より好ましくはＲｙ値が０．２μｍ以下、更に好ましくはＲｙ値が０．１μｍ以下であることである。
Ｒｙ値を小さくし、且つ、高い残留圧縮応力を付与した超硬合金部材を得るために本発明者は種々の方法について鋭意検討した結果、例えば電解インプロセスドレッシング研削法を用いることにより、両者を両立することが可能となることを見出した。例えば段差付き円筒部材について考える。この段差付き円筒部材は、大径円筒部から小径円筒部へ移行する移行部、特に小径円筒部から大径円筒部への移行開始領域は、部材を使用する際に曲げ応力が集中する領域である。このような段差付き円筒部材の外周面加工に、電解インプロセスドレッシング研削法を用い、適切な加工条件を選択することにより、この加工領域の表面のＲｙ値を小さくすることが可能となり、しかも表面の残留圧縮応力を大きくして強度改善をはかることが可能となった。その結果、工具部材等として使用した場合に著しい長寿命化が可能となるのである。
本発明の超硬合金部材は、表面の残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上であり、Ｒｙ値が０．４μｍ以下である部分を有することを特徴とするものであるが、更に耐摩耗性、潤滑性等を付与するために物理的蒸着法、化学的蒸着法、スパッタリング法等により表面被覆することも可能である。また、部材の特性を更に改善するために、イオン注入等を実施することも可能である。以下本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
平均粒径０．８μｍのＷＣ粉末、１．２μｍのＣｏ粉末、１．２μｍのＣｒ３Ｃ２粉末を用いて、湿式混合、造粒、プレス成形、焼結による超硬合金製造の通常のプロセスにより、ＷＣ−０．８ｗｔ％Ｃｒ−１０ｗｔ％Ｃｏ合金のＪＩＳ試験片形状の焼結体を製作した。仕上げ寸法は、４ｍｍ×８ｍｍ×２５ｍｍである。これらの焼結体サンプルを用いて研削用砥石番手を変化させることにより、圧縮残留応力及びＲｙ値を種々変化させた試験片を作成した。ここで本発明例１〜３は電解インプロセスドレッシング研削を実施した。電解インプロセスドレッシング研削の条件は、電圧８０Ｖ、平均電流２０Ａの連続通電とし、研削液としてはｐＨ値が略１１、電気伝導率が２ｍＳ／ｃｍに調整した水溶性研削液を用いた。これら部材を３点曲げ試験することにより曲げ強度となる抗折力を求めた。ここで曲げ試験時の最大応力の働く面における研削加工方向はＪＩＳ試験片の長手方向及び長手方向と垂直方向とした。これら試験片の加工に用いた砥石番手、表面圧縮残留応力及び表面粗さ、曲げ強度測定結果を表１に示す。ここで曲げ強度測定の応力付加方向は試料の長手方向とした。また表面粗さはＪＩＳ−Ｂ０６０１に基づく最大高さＲｙを測定し、表面圧縮残留応力は微小部Ｘ線応力測定装置を用いて、ＷＣ相の残留応力を測定した。測定結果を表１に示す。

表１より、本発明例１〜３はいずれも電解インプロセスドレッシングを用いたものであり、圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上となり、Ｒｙ値は０．４μｍ以下となり、曲げ強度は従来例４〜１３よりも３００ＭＰａ以上高い値を示した。特に本発明例３はＲｙ値が０．１μｍ以下、曲げ強度が４５７０ＭＰａと特に高い値を示した。
従来例４〜１３は従来の研削方法であるセンタレス研削、円筒研削を用いたものであり、Ｒｙ値が小さくなる程表面の圧縮残留応力は低下し、Ｒｙ値は０．４μｍ以下で且つ、圧縮残留応力が１０００ＭＰａ以上とすることは出来ていない。また従来例４〜８は研削方向と応力付加方向が一致している。即ち、研削キズが切り欠きとして作用しない場合には、曲げ強度は圧縮残留応力が高い程高くなる傾向を示した。また従来例９〜１３より、研削方向と応力付加方向とが垂直である。この場合には、研削キズが切り欠きとして作用するため、Ｒｙ値が小さい場合に、圧縮残留応力が低くなるにもかかわらず、曲げ強度は高くなる傾向を示した。

（実施例２）
本発明例１と同じ粉末を用い、微粒超硬合金製の円筒部材の寸法として、φ４．３ｍｍ、長さ５０ｍｍのものを準備し、これより段差付き円筒部材ブランクを製作した。各部分の寸法は、小径円筒部の寸法がφ１．０ｍｍ、長さ１５ｍｍ、移行部のテーパー角度θが３５度、大径円筒部の径がφ４．０ｍｍとした。本発明例１４〜１６は、ブランク材の加工における仕上げの外周加工を＃６００のダイヤモンド砥石を用いて、電解インプロセスドレッシング研削により加工した。ここで電解インプロセスドレッシング条件は電圧７０Ｖ、平均電流１０Ａの連続通電とした。一方、従来例１７〜１９は、＃６００のダイヤモンド砥石を用い、通常の研削により加工した。次に本発明例１４〜１６、従来例１７〜１９は、ブランク材に２枚刃スクエアエンドミルの刃付け加工を行った。次に示す切削条件１にて切削評価を行い、折損に至るまでの切削距離により寿命を評価した。３本の評価を行い、３本の各値及び平均値により評価を行った。テーパー部分近傍の小径部分における圧縮残留応力、Ｒｙ値の測定結果及び切削評価結果を表２に示す。

（切削条件１）
被削材：Ｓ５０Ｃ
加工方法：Ｉ字状の等高線溝入れ加工
回転数：２００００回転／分
送り速度：７２０ｍｍ／ｍｉｎ
切込み：０．０２５ｍｍ
切削油：無し、乾式
表２より、本発明例１４〜１６は、圧縮残留応力が１４９０ＭＰａと高く、Ｒｙ値が０．１８μｍと小さいため、平均切削距離は２４．５ｍとなった。一方、従来例１７〜１９は、圧縮残留応力が７７０ＭＰａ、Ｒｙ値が０．１８μｍであり、平均切削寿命１６．９ｍであった。ここで平均切削距離を比較すると、本発明例１４〜１６は従来例１７〜１９よりも約１．５倍の優れた切削寿命を示した。

（実施例３）
本発明例１と同じ粉末を用い、微粒超硬合金製の円筒部材の寸法として、φ４．３、長さ５０ｍｍのものを準備し、これより段差付き円筒部材ブランクを製作した。各部分の寸法は、小径円筒部の寸法がφ０．９ｍｍ、長さ５ｍｍ、移行部のテーパー角度θが３０度、大径円筒部の径がφ３．１７５ｍｍとした。本発明例２０〜２２は、ブランク材の加工における仕上げの外周加工を＃８００のダイヤモンド砥石を用いて、電解インプロセスドレッシング研削により加工した。ここで電解インプロセスドレッシング条件は電圧６０Ｖ、平均電流１０Ａの連続通電とした。一方、従来例２３〜２５は、＃８００のダイヤモンド砥石を用い、通常の研削により加工した。本発明例２０〜２２、従来例２３〜２５は、ブランク材にプリント基板加工用ルーターエンドミルのダイヤ目の刃付け加工を行った。次に示す切削条件２にて切削評価を行い、折損に至るまでの切削距離により寿命を評価した。３本の評価を行い、３本の各値及び平均値により評価を行った。切削評価結果を表３に示す。

（切削条件２）
被削基板：ＦＲ４（１．６ｍｍｔ、銅箔なし、２枚重ね）
加工方法：溝入れ加工
回転数：４００００回転／分
送り速度：６００ｍｍ／ｍｉｎ
表３より、本発明の本発明例２０〜２２は圧縮残留応力が１５３０ＭＰａと高く、Ｒｙ値が０．１５μｍと小さいため、平均切削距離１６．６ｍとなった。一方、従来例２３〜２５は圧縮残留応力が７１０ＭＰａ、Ｒｙ値が０．１５μｍであり、平均切削寿命８．２ｍであった。ここで平均切削距離を比較すると、本発明例２０〜２２は従来例２３〜２５よりも約２倍の優れた切削寿命を示した。
上記の実施例２、３で示す様に、段差付き円筒部材においては、大径円筒部から小径円筒部へ移行する移行部、特に小径円筒部から大径円筒部への移行開始領域は、部材を使用する際に曲げ応力が集中する領域である。このような段差付き円筒部材の外周面加工は、センタレス研削、円筒研削による加工方法では、研削方向は円筒部材の長手方向と垂直方向となり、従って研削痕は円筒部材の長手方向と垂直方向となるため、長手方向に曲げ応力等が働くことが多く、研削痕ないし研削痕に起因する微細クラックなどが破壊の起点となったり、クラックの伝播、進展が容易となるため、好ましい結果を得ることができない。また、この領域の表面粗さを極力小さくすることが重要となる。その点で、本発明例１４〜１６、２０〜２２のように、表面の残留圧縮応力を大きくすることが出来れば、強度改善をはかることが可能となり、工具部材等として使用した場合に著しく長寿命化が可能となる。この工具長寿命化により、工具部材費用の低減、工具部材の交換段取り回数低減等をもたらすことが出来る。従って本発明の超硬合金部材を使用することは産業の発展のために極めて有用であると思われる。

（実施例４）
本発明例１と同じ粉末を用い、微粒超硬合金製の円筒部材の寸法として、φ１．６ｍｍ、長さ３０ｍｍのものを準備し、これをセンタレス加工することによりφ１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍの円筒部材を製作した。仕上の外周加工は、＃６００、＃１０００、＃２０００、＃８０００の砥石で加工した。ここで＃８０００砥石を用いた加工は、電解インプロセスインプロセスドレッシング研削加工とした。電解インプロセスドレッシング条件は電圧７０Ｖ、平均電流１０Ａの連続通電とした。これら部材についてＲｙ値、表面圧縮残留応力を測定した。その後これら部材をスパン２０ｍｍの３点曲げ試験に供し、抗折力を測定した。これらの結果を表４に示す。

表４よりＲｙ値及び圧縮残留応力が本発明の範囲にある本発明例２６は、これらの値が本発明の範囲外である従来例２７〜２９に比べ、抗折力が著しく高くなった。

Claims (1)

1. 超硬合金部材において、表面の残留圧縮応力が１０００ＭＰａ以上であり、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に基づく表面粗さ評価において、最大高さＲｙが、０．４μｍ以下である表面領域を有することを特徴とする超硬合金部材。