JP2008307622A

JP2008307622A - 耐欠損性に優れた炭窒化チタン基サーメット製切削工具

Info

Publication number: JP2008307622A
Application number: JP2007156041A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Yasumi; 智紀安見; Toshiyuki Yanai; 俊之谷内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】繰り返し大きな機械的・熱的衝撃がかかる断続重切削加工で、すぐれた耐欠損性を発揮するＴｉＣＮ基サーメット製切削工具を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃｏ：５〜１０％、Ｎｉ：５〜１０％、Ｓ：０．０２〜０．２％、および、炭化物換算値で、ＷＣ：２０〜３０％、ＴａＣおよびＮｂＣのうちの１種または２種：５〜１０％、ＴｉＣＮ：残部（ただし、５０〜６０％含有）、からなる平均組成の焼結体で構成された炭窒化チタン基サーメットにおいて、表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より内部に、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相を樹枝状に析出させ、該所定の幅より表面側は、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相がなくＳ含有量が０．０２％未満の帯域とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、鋼や鋳鉄の切削加工、特に、切刃に対し、繰り返し大きな機械的・熱的衝撃がかかる断続重切削加工においても、炭窒化チタン基サーメット（以下、ＴｉＣＮ基サーメットで示す）の内部組織中に析出する、樹枝状のＴｉおよび、ＴａおよびＮｂのうちのいずれか、または両方を含有する複合炭硫化物［以下、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳで示す］相が、ＴｉＣＮ基サーメット中に発生したクラックの伝播進展を抑制することにより、すぐれた耐摩耗性と同時にすぐれた耐欠損性を発揮するＴｉＣＮ基サーメット製切削工具に関するものである。

従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）、炭化タンタル（以下、ＴａＣで示す）および炭化ニオブ（以下、ＮｂＣで示す）のうちの１種または２種（以下、ＴａＣ／ＮｂＣで示す）、Ｃｏ、Ｎｉ、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）を成分として含有し、かつ、硬質相と結合相からなる組織を有するＴｉＣＮ基サーメット製切削工具が良く知られており、この切削工具がすぐれた耐摩耗性を発揮することが知られている。
また、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうちの１種または２種以上と、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの１種または２種以上と、Ｔｉの炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの１種または２種以上とからなるサーメットにおいて、Ｓを０．０００５〜０．０１５％含有させることにより結合相中にＳを固溶させ、あるいは、硫化物として析出させ、これによって、ＴｉＣＮ基サーメット製切削工具の靭性向上を図ることも知られている。
特開２００６−３４６７７６号公報特公昭５８−５４１８１号公報

近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに、高効率化、低コスト化の要求は強く、これに伴い、高送り、高切込み等の重切削加工が行われる傾向にあり、上記従来のＴｉＣＮ基サーメット製切削工具を用いて、鋼や鋳鉄などの通常の切削条件下での切削加工を行った場合には特段の問題は生じないが、これを、切刃部に繰り返し大きな機械的・熱的衝撃が加わる断続重切削加工に用いた場合には、切刃稜線部にクラックが発生しやすくなり、そして、これらのクラックの伝播進展が欠損やチッピングの原因となり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、ＴｉＣＮ基サーメット製切削工具を用いて断続重切削加工を行った場合にも、耐摩耗性と同時に優れた耐欠損性を発揮する切削工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。

（ａ）上記従来のＴｉＣＮ基サーメット製切削工具（特許文献１参照）においては、ＴｉＣＮ基サーメットに含有される硬質相によりすぐれた耐摩耗性が発揮されるものの、断続重切削加工条件下では、切刃稜線部に発生したクラックの伝播進展により、欠損やチッピングが発生し、工具寿命が短命であり、また、ＴｉＣＮ基サーメット焼結用原料粉末中に所定粒径のＳ粉末を配合し、これを焼結することによって、Ｓが固溶した、あるいは、焼結体全体にわたりほぼ均一に硫化物が析出した微量Ｓ含有ＴｉＣＮ基サーメットとすることにより、靭性向上を図った上記従来のＴｉＣＮ基サーメット製切削工具（特許文献２参照）においても、通常切削条件下の切削加工に用いた場合に特段の問題は生じないが、これを、切刃部に繰り返し大きな機械的・熱的衝撃が加わる断続重切削加工に用いた場合には、切刃稜線部に発生したクラックの伝播進展を抑制することができず、そのため、欠損やチッピングが発生し、切削工具の長寿命化が不十分であること。

（ｂ）しかし、ＴｉＣＮ基サーメット製切削工具を焼結により製造するにあたり、Ｓを１．５質量％以上含有した炭素が主成分のペーストを塗布した敷板に焼結体を載置して焼結し、かつ、焼結後１２００℃までの冷却速度を１．５〜３℃／ｍｉｎにコントロールすると、形成された焼結体の内部（即ち、焼結体表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より内部側）には、炭硫化物相（（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相）が樹枝状に析出した組織状態が得られ（図１参照）、一方、前記所定幅より焼結体の表面側には、炭硫化物相（（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相）の析出がなく、しかも、Ｓ含有量が０．０２％未満である帯域が形成される（図２参照）こと。

（ｃ）そして、上記ＴｉＣＮ基サーメット製切削工具は、その内部に樹枝状（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相が析出していることによって、断続重切削加工で切削工具にクラックが発生した場合であっても、クラックの伝播進展が抑制されるため、切刃稜線部の欠損、チッピングの発生を防止でき、一方、上記ＴｉＣＮ基サーメット製切削工具の表面側には、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相の析出がなく、しかも、Ｓ含有量が０．０２％未満であるために、断続重切削条件においても十分な耐摩耗性が確保されていること。

（ｄ）したがって、ＴｉＣＮ基サーメットからなる切削工具において、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相からなる樹枝状の炭硫化物を工具内部にのみ析出させた切削工具は、切刃部に対して繰り返し大きな機械的・熱的衝撃が加わる断続重切削加工に用いた場合であっても、すぐれた耐摩耗性とともにすぐれた耐欠損性を示すようになること。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（ａ）質量％で、
Ｃｏ：５〜１０％、
Ｎｉ：５〜１０％、
Ｓ：０．０２〜０．２％
および、炭化物換算値で、
炭化タングステン：２０〜３０％、
炭化タンタルおよび炭化ニオブのうちの１種または２種：５〜１０％、
炭窒化チタン：残部（ただし、５０〜６０％含有）、
からなる平均組成を有する焼結体で構成された炭窒化チタン基サーメットにおいて、
（ｂ）断面で観察して、表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より内部に、金属成分として、Ｔｉを含有し、さらに、ＴａおよびＮｂのうちのいずれかまたは両方を含有し、その金属成分と化合する非金属成分としてＣおよびＳを含有する炭硫化物相[以下、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相で示す]が、樹枝状に析出し、
（ｃ）表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より表面側は、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相がなくＳ含有量が０．０２％未満の帯域であること、
を特徴とする耐欠損性に優れた炭窒化チタン基サーメット製切削工具。」
に特徴を有するものである。

この発明の切削工具において、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの合金組成を、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ）ＷＣ
この発明の切削工具は、
（イ）まず、室温から１４００〜１４５０℃までを１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、１〜３℃／ｍｉｎの速度で昇温し、
（ロ）ついで、焼結温度である１４８０〜１５６０℃までを１〜３℃／ｍｉｎの速度で昇温し、
（ハ）ついで、真空雰囲気あるいは窒素雰囲気中で、前記焼結温度に０．５〜２時間保持し、
（ニ）その後、上記焼結温度から１２００℃までを１．５〜３℃／ｍｉｎの速度で徐冷する、
という条件で焼結するにあたり、
ＷＣの含有割合が２０％未満では結合相中のＷ含有割合が不足して、所望の高温硬さを保持することができず、一方、その配合割合が３０％を越えると結合相中のＷ成分の含有割合が高くなりすぎて、結合相自体の高温強度が急激に低下し、これが原因で欠損、チッピングが発生しやすくなることから、その含有割合を２０〜３０質量％と定めた。

（ｂ）ＴａＣ／ＮｂＣ
ＷＣと同じくＴａＣおよびＮｂＣも、焼結時に結合相形成成分であるＣｏおよびＮｉ成分中に固溶し、冷却時に析出して硬質相を形成し、前記硬質相の周辺部および一部の芯部に固溶含有して、前記硬質相の高温強度を向上させる作用を有するが、その含有割合が５％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方、その含有割合が１０％を越えると硬質相中の含有割合が高くなり過ぎ、これが硬質相の硬さ低下の原因となることから、その含有割合を５〜１０質量％と定めた。

（ｃ）Ｃｏ
Ｃｏには、焼結性を向上させ、結合相を形成して、切削工具の強度を向上させる作用があるが、その含有割合が５％未満では所望の焼結性を確保することができず、一方、その含有割合が１０％を越えると、摩耗が急激に進行するようなることから、その含有割合を５〜１０質量％に定めた。

（ｄ）Ｎｉ
Ｎｉには、焼結時にＣｏと共に結合相を形成して、結合相の耐熱性を向上させ、もって切削工具の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その含有割合が５％未満では、所望の耐熱性向上効果が得られず、一方、その含有割合が１０％を越えると、結合相の高温強度が低下し、切刃部に欠損、チッピングが発生し易くなることから、その含有割合を５〜１０質量％に定めた。

（ｅ）Ｓ
ＴｉＣＮ基サーメットの構成成分としてのＳは、工具の内部、即ち、工具表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より内部側、に（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相を樹枝状に析出させるために含有させ、そして、該炭硫化物析出相は、断続重切削加工で切削工具にクラックが発生したとしても、クラックの伝播進展を抑制するという作用を呈するが、Ｓの含有割合が０．０２％未満では樹枝状析出物を形成しないため、クラックの伝播進展を抑制する効果が少なく、一方、Ｓの含有割合が０．２％を超えると、切削工具表面側にも（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相が析出するようになり、その結果として耐摩耗性の低下を生じたり、あるいは、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相が凝集粗大化し、逆にクラック発生の起点となるので、Ｓの含有割合を０．０２〜０．２質量％と定めた。

（ｆ）ＴｉＣＮ
ＴｉＣＮには、焼結時に硬質相を形成して、切削工具の硬さを向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その含有割合が５０％未満では、所望の硬さを確保することができず、一方、その含有割合が６０％を越えると、切削工具の強度が急激に低下し、切削時に欠損、チッピングが発生し易くなることから、その含有割合を５０〜６０質量％に定めた。

この発明の切削工具は、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの内部に存在する樹枝状の（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相が、切削加工時に発生したクラックの伝播進展を抑制することと相俟って、ＴｉＣＮ基サーメットの表面側は、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相が存在せずしかもＳ含有量が０．０２質量％未満であるため、すぐれた耐摩耗性を有することから、切刃に対して繰り返し大きな機械的・熱的衝撃がかかる断続重切削加工に用いた場合においても、すぐれた耐摩耗性とともにすぐれた耐欠損性を発揮するものである。

つぎに、この発明の切削工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有する、ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５粉末、ＴｉＣ_０．３Ｎ_０．７粉末、ＴｉＣ_０．１５Ｎ_０．８５粉末（以上Ｃ／Ｎは原子比を示す）、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、Ｓを２．１質量％含有した炭素粉末をメタノールに溶いてペースト状にしたものを塗布した敷板上に載置し、以下の焼結条件、すなわち、
（ａ）室温から１４２０℃までの昇温を、１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で昇温し、
（ｂ）１４２０℃から１４８０〜１５６０℃の範囲内の所定の焼結温度までの２℃／ｍｉｎ．の速度での昇温、並びに前記焼結温度に１．５時間保持を１３００Ｐａの真空雰囲気で行い、
（ｃ）上記焼結温度から１２００℃までを２℃／ｍｉｎの速度で徐冷する、
以上（ａ）〜（ｃ）の工程からなる条件で焼結し、表２に示される合金組成をもつＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状で、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施した本発明切削工具１〜１０をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、表１で示される配合組成の圧粉体を、Ｓ含有のない敷板に載置し、上記焼結条件（ｃ）の冷却速度を５℃／ｍｉｎ以上の急冷とした以外は、上記実施例と実質的に同一の条件で、表３に示される合金組成をもつ比較切削工具１〜１０をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明切削工具１〜１０および比較切削工具１〜１０について、これを構成するＴｉＣＮ基サーメット中の炭硫化物の析出状態、表面からの炭硫化物の未析出帯域の幅および同帯域におけるＳ含有量をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）で測定し、その測定結果をそれぞれ表２、３に示した。

つぎに、上記の本発明切削工具１〜１０および比較切削工具１〜１０について、これをいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａという）での合金鋼の乾式断続高送り切削試験（通常の送りは、０．２ｍｍ／ｒｅｖ）、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｂという）での炭素鋼の乾式断続高切込み切削試験（通常の切り込みは、１．０ｍｍ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：３．０ｍｍ、
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式断続高送り・高切込み切削試験（通常の送りおよび切り込みは、それぞれ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ、２．５ｍｍ、）、
を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表４に示した。

表１〜４に示される結果から、本発明切削工具１〜１０は、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの断面で観察して、表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より内部に、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相が、樹枝状に析出し（図１）、また、表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より表面側は、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相がなくＳ含有量が０．０２％未満の帯域である（図２）ことから、切刃に対して繰り返し大きな機械的・熱的衝撃がかかる断続重切削加工においても、すぐれた耐摩耗性とともにすぐれた耐欠損性を発揮するのに対して、比較切削工具１〜１０においては、その内部にクラックの伝播進展を防止する樹枝状（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相が存在しない（図３）ため、欠損・チッピングの発生により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の切削工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、切刃に対して繰り返し大きな機械的・熱的衝撃がかかる断続重切削加工でもすぐれた耐摩耗性とともにすぐれた耐欠損性を発揮し、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

本発明切削工具４の工具内部側における樹枝状（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相の分布状況を示す金属組織写真（エッチング液：村上氏試薬、倍率：５００倍）である。本発明切削工具４の工具表面側においては樹枝状（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相が存在しないことを示す金属組織写真（エッチング液：村上氏試薬、倍率：５００倍）である。比較切削工具４の工具内部側を示す金属組織写真（エッチング液：村上氏試薬、倍率：５００倍）である。

Claims

（ａ）質量％で、
Ｃｏ：５〜１０％、
Ｎｉ：５〜１０％、
Ｓ：０．０２〜０．２％
および、炭化物換算値で、
炭化タングステン：２０〜３０％、
炭化タンタルおよび炭化ニオブのうちの１種または２種：５〜１０％、
炭窒化チタン：残部（ただし、５０〜６０％含有）、
からなる平均合金組成を有する焼結体で構成された炭窒化チタン基サーメットにおいて、
（ｂ）断面で観察して、表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より内部に、金属成分として、Ｔｉを含有し、さらに、ＴａおよびＮｂのうちのいずれかまたは両方を含有し、その金属成分と化合する非金属成分としてＣおよびＳを含有する炭硫化物相[以下、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ相で示す]が、樹枝状に析出し、
（ｃ）表面から１００〜５００μｍの範囲内の所定の幅より表面側は、（Ｔｉ，Ｔａ／Ｎｂ）ＣＳ析出相がなくＳ含有量が０．０２％未満の帯域であること、
を特徴とする耐欠損性に優れた炭窒化チタン基サーメット製切削工具。