JP2010105099A - 切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐欠損性および耐摩耗性を兼ね備えたサーメット製切削工具を提供する。
【解決手段】ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相と、Ｔｉを含んで周期表４、５および６族金属の炭窒化物からなる硬質相と、にて構成されるＴｉＣＮ基サーメットからなり、切刃と、すくい面に配置されるブレーカ６とを具備しており、ブレーカ６でのサーメットの表面は前記結合相を主成分とする溶出突起７にて覆われており、ブレーカ６の底部にてサーメットを表面から見たとき、溶出突起７が５０〜９５面積％の比率で存在している切削工具である。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｔｉ基サーメットからなり切屑排出性に優れた切削工具に関する。

従来より、切削加工用のスローアウェイチップの素材として、Ｔｉを含んで周期表４、５および６族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相にて結合したＴｉＣＮ基サーメットが知られている。

かかるＴｉＣＮ基サーメットは超硬合金に比べて熱伝導率が低いので、切削工具として用いた場合には被削材が接触する部分が局所的に高温になりやすく、突発的に欠損するおそれがあるという問題があった。

例えば、特許文献１では、窒素含有焼結硬質合金であるサーメットの表面にＮｉ、Ｃｏを主成分とする金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層を存在させて、サーメットの表面における熱発散効果を高めることが開示されている。また、特許文献２では、サーメットからなる切削工具の表面近傍に金属結合層を形成するとともに、サーメットの切刃領域においてはホーニング処理によって金属結合層を除去した構成が開示されている。
特開平０８―２２５８７７号公報 特開平０８−１５０５０２号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載されるようなシミダシ層や金属結合層を表面に具備するサーメットを切削工具として使用した場合でも、さらに耐溶着性や耐熱衝撃性を高める必要があった。

従って、本発明の目的は、優れた耐溶着性および耐熱衝撃性を兼ね備えたサーメットからなる切削工具を提供することにある。

本発明の切削工具は、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相と、Ｔｉを含んで周期表４、５および６族金属の炭窒化物からなる硬質相と、にて構成されるＴｉＣＮ基サーメットからなる切削工具であって、
該切削工具は、切刃と、すくい面に配置されるブレーカとを具備しており、
前記ブレーカの表面は前記結合相を主成分とする溶出突起にて覆われており、前記ブレーカの底部の表面において、前記溶出突起が５０〜９５面積％の比率で存在しているものである。

ここで、前記切刃の表面は、前記ブレーカの表面に比べて前記溶出突起の存在比率が小さいことが望ましい。

また、前記ブレーカの底部の表面において、前記溶出突起１つの占める平均面積が５〜３０μｍ^２の大きさで存在することが望ましい。

さらに、前記溶出突起の総面積のうちの３０％以上の面積を占める溶出突起は、隣接する溶出突起と連結した状態で存在することが望ましい。

なお、前記硬質相がＷを含むとともに、前記溶出突起がＣｏおよびＮｉの少なくとも１種を８０〜９５原子量％と、Ｗを５〜１５原子量％との割合で含有することが望ましい。

本発明の切削工具によれば、ブレーカ底部の表面が５０〜９５面積％の比率で結合相を主成分とする溶出突起にて覆われていることによって、切屑が通過する際にも過度の抵抗がかかることがないので溶着しにくく、かつ溶出突起は表面積が広いので、溶出突起にて発生した熱を効率よく放熱することが可能である。

ここで、前記切刃の表面は、前記ブレーカの表面に比べて前記溶出突起の存在比率が小さいことが、切刃の摩耗を小さくする上で望ましい。

また、前記ブレーカの底部の表面において、前記溶出突起１つの占める平均面積が５〜３０μｍ^２の大きさで存在することが、放熱の効率の点で望ましい。

さらに、前記溶出突起の総面積のうちの３０％以上の面積の占める溶出突起は、隣接する溶出突起と連結した状態で存在することが、より放熱性を高める点で望ましい。

なお、前記硬質相がＷを含むとともに、前記溶出突起がＣｏおよびＮｉの少なくとも１種を８０〜９５質量％と、Ｗを５〜１５質量％との割合で含有することが、放熱性を高めるとともに溶出突起自体の硬度を高める点で望ましい。

本発明の切削工具について、その一例についての概略斜視図である図１、図１の切削工具のブレーカの表面についての走査型電子顕微鏡写真である図２、図１の切削工具の切刃近傍の表面についての走査型電子顕微鏡写真である図３を基に説明する。

切削工具１は、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相と、Ｔｉを含んで周期表４、５および６族金属の炭窒化物からなる硬質相と、にて構成されるＴｉＣＮ基サーメット（以下、サーメットと略す。）２からなる。また、図１によれば、切削工具１は、すくい面３と逃げ面４との交差稜線部が切刃５となっており、すくい面３の端部に位置する切刃５の内側にブレーカ６が配置されている。

本発明によれば、ブレーカ６の表面は前記結合相を主成分とする溶出突起７にて覆われており、ブレーカ６の底部６ａ（図１のＸ部）においては、図２に示すように、溶出突起７が５０〜９５面積％の比率で存在していることを特徴とするものである。ここで、本発明における溶出突起７とは、焼成中に結合相がサーメット２の内部から表面に染み出す結合相を主成分とする析出物を指す。

これによって、切削工具１にて被削材を切削する際に、切刃５にて形成された切屑がブレーカ６の表面を通過する際にも過度の抵抗がかかることがないので、被削材がブレーカ６の表面に溶着しにくく、かつ溶出突起７は表面積が広いので溶出突起７にて発生した熱を効率よく放熱することが可能である。

すなわち、ブレーカ６の底部６ａにおいて表面に金属相が染み出した溶出突起７が存在しない下地部９のみの組織かまたは５０面積％より少ない被覆状態からなる組織だと、切削工具１の表面における熱伝導率が低下して突発欠損が発生しやすい状態となる。逆に、ブレーカ６の底部６ａにおいて表面の全面が結合金属の層にて覆われるかまたは９５面積％より多く被覆されると、切削抵抗が大きくなって耐溶着性が低下するとともに切削による発熱が大きくなる。しかも、結合金属の層は溶出突起７に比べて表面積が狭くなるので放熱性が低下する結果、切削工具１の切刃周辺のみが高温となって耐熱衝撃性が低下する。

ここで、切刃５の表面（図１のＹ部）は、図３に示すように、ブレーカ６の表面に比べて溶出突起７の存在比率が小さいことが、切刃５の摩耗を小さくする上で望ましい。なお、切刃５にはホーニング（図示せず。）が形成されていることが、切刃５の耐欠損性を高める点で望ましい。なお、切刃５からブレーカ６に向かう境界部分（図１のＺ部）においては、図４に示すように、ブレーカの底部６ａに向かってすじ状の研磨痕が存在することが、切屑の進行方向を安定させて切屑処理性を高めるために望ましい。

また、ブレーカ６の底部６ａにおいて、図２に示すような表面から観察した写真において、溶出突起７の１つが占める平均面積が５〜３０μｍ^２の大きさで存在することが、放熱効率を高める点で望ましい。

さらに、図２に示すように、溶出突起７の総面積のうちの３０％以上の面積を占める溶出突起７ａは、隣接する溶出突起と連結した状態で存在することが、より放熱性を高める点で望ましい。

また、前記硬質相がＷを含むとともに、溶出突起７がＣｏおよびＮｉの少なくとも１種を８０〜９５質量％と、Ｗを５〜１５質量％との割合で含有することが、切削工具１の放熱性を高めるとともに溶出突起７自体の硬度を高めて摩滅しにくい状態とする点で望ましい。

なお、切削工具１の内部において、サーメット２の硬質相の平均結晶粒径は１μｍ以下、特に０．５〜０．９μｍ、さらに０．７〜０．９μｍであることが、サーメットの強度が高くて切削工具１の耐摩耗性が高く、かつサーメット２の内部における熱伝導率を高める点で望ましい。また、サーメット２の表面の下地部９における前記硬質相の平均粒径ｄ_１は、前記サーメット内部の硬質相の平均粒径ｄ_２に比べて比率（ｄ_１／ｄ_２）が１．１〜３．０と大きいことが、サーメット２の表面における熱伝導率を高める点では望ましい。

ここで、サーメット２の構成については、Ｔｉを含む周期表４、５および６族金属からなる複合金属炭窒化物からなる硬質相が存在するが、特に、硬質相は、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｔｉ以外の周期表４、５および６族金属、とりわけ、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合炭化物、複合窒化物、複合炭窒化物の少なくとも１種からなる周辺部とから構成される２重有芯構造、または３重有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有しサーメット２が微細で均一な組織となるとともに、結合相との濡れ性に優れてサーメット２の高強度化に寄与する点で望ましい。

また、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相は５〜３０重量％の割合で含有されることが、切削工具１の耐欠損性と耐摩耗性をともに維持する点で望ましい。

さらに、本発明によれば、サーメット基体２表面に、（Ｔｉ_ｘ，Ｍ_１−ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層（以下、Ｔｉ系被覆層と略す。）、またはダイヤモンド、立方晶窒化硼素、アルミナ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上からなる他の硬質被覆層を形成することもでき、かかる表面被覆層を形成した場合においても耐摩耗性が向上するとともに耐塑性変形性、耐欠損性を維持することができる。

（製造方法）
本発明のサーメット２からなる切削工具１を製造するには、まず原料粉末として、硬質相形成成分として、平均粒径は０．５〜２μｍのＴｉＣＮ粉末と、他の周期表４、５および６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の粉末、および平均粒径が０．３〜４μｍのＮｉおよびＣｏの少なくとも１種の粉末を所定の割合で添加する。

そしてこれらの秤量された粉末をボールミルなどによって混合した後、プレス成形、押出成形、射出成形などの公知の成形手法によって所定の切削工具形状に成形した後、焼成する。

焼成にあたっては、１００Ｐａ以下の真空中で１２５０℃までの昇温速度Ｒ_１を５〜１５℃／分で昇温し、１２５０〜１４００℃までの昇温速度Ｒ_２を０．５〜３℃／分で昇温し、１４００℃で昇温速度を切り替えて１４００℃から１５２０〜１５８０℃の焼成温度までは１〜７℃／分で昇温し、焼成温度に到達した後で不活性ガスを８００Ｐａ〜２０００Ｐａ導入した雰囲気で０．５〜１．５時間の保持を行った後に冷却するパターンとする。この焼成によって、サーメット２の表面に結合相の主成分であるＣｏおよびＮｉの少なくとも１種を主成分とする溶出相が染み出す。

そして、上記の方法によって作製されたサーメット２に対して、ブラシ加工によって切刃表面およびブレーカ表面に存在する結合金属の溶出部が所定の状態となるように、そのブラシおよび砥粒の材質、研磨圧力、研磨時間等、および切削工具の向きをコントロールして表面研磨加工を行い、サーメットの表面に上述した溶出突起が存在する状態となるように制御する。さらに、この表面研磨加工に併せて、または別途切刃にホーニング加工を施して、本発明の切削工具を作製することができる。

原料粉末として、平均粒径０．５μｍのＴｉＣＮ粉末と、いずれも平均粒径が０．５〜２μｍのＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＭｏＣ粉末、ＭｎＣＯ_３粉末、および平均粒径が２μｍのＣｏ粉末、Ｎｉ粉末またはＣｏとＮｉとの合金粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで湿式混合粉砕した。なお、上記平均粒径はマイクロトラック法で測定したものである。

次に、上記混合粉末を用いて、成形圧９８ＭＰａでＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状にプレス成形し、この成形体を１００Ｐａ以下の真空中で１２５０℃まで１２．５℃／分で昇温し、１２５０〜１４００℃までを表２に示す昇温速度で昇温しＮ_２ガスを１０００Ｐａ導入した状態で１４００℃から焼成温度までは５／分で昇温し、焼成温度に到達した後で１時間の保持を行い、その後冷却する焼成パターンで焼成して、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のサーメットを作製した。次に、得られたサーメット基体に対して、表２に示すブラシ加工によりすくい面ａ／逃げ面ｂの比率が１．５〜２．０のＲホーニングを各試料に形成し切削工具とした。なお、Ｒホーニングの形状については、顕微鏡にてすくい面側および逃げ面側のホーニング量を見積もった。

得られた切削工具に対して、切刃表面およびブレーカ底部の表面について１０００倍で顕微鏡観察を行い、溶出突起の状態を観察した。なお、溶出突起のサイズ測定については、１００×１００μｍの観察領域２箇所を画像解析にて測定し、その平均値を算出した。

次に、得られた試料について、
被削材： Ｓ４５Ｃ
切削速度： ２５０ｍ／分
送り： ０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み： １．０ｍｍ
の条件で３６パス×４回のインターバル切削試験を行い、クレータ摩耗の深さを測定して耐摩耗性を評価した。
結果は表３に示した。

表１〜３から明らかなように、サーメット焼結体の表面をブラスト処理してブレーカ底部における溶出突起が存在しない試料Ｎｏ．６では、切削試験において欠損が発生した。また、ブラシ加工時のブラシの切込量が１．６〜４．５ｍｍの試料Ｎｏ．７、８では、切刃およびブレーカの表面においてともに溶出突起が除去されて、ブレーカの表面における溶出突起の存在比率が５０面積％よりも少なくなって、これらも切削試験においてチッピングが発生した。

また、昇温速度Ｒ_２が３℃／分よりも速い試料Ｎｏ．４では、溶出突起の存在比率が９５面積％よりも多いほぼ層状となって、切削試験においては摩耗量が大きくなった。さらに、焼成温度が１５８０℃よりも高い試料Ｎｏ．５では、焼成中に結合金属がサーメットの表面から揮発して溶出突起の存在比率が５０面積％よりも少なくなって、切削試験においてはチッピングが多発して結果的にクレータ摩耗量が大きくなった。

これに対して、本発明に従い、ブレーカの表面における溶出突起が５０〜９５面積％の比率で存在している試料Ｎｏ．１〜３では、いずれも切屑の流れが良くて耐摩耗性に優れたものであった。

本発明の切削工具の概略斜視図である。 図１の切削工具においてブレーカの底部（Ｘ部）の表面についての走査型電子顕微鏡写真である。 図１の切削工具において切刃近傍（Ｙ部）の表面についての走査型電子顕微鏡写真である。 図１の切削工具において切刃からブレーカに向かう境界部分（Ｚ部）の表面についての走査型電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 切削工具
２ ＴｉＣＮ基サーメット（サーメット）
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ ブレーカ
６ａ ブレーカの底部
７ 溶出突起
７ａ 連通する溶出突起
９ 下地部

Claims (5)

1. ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相と、Ｔｉを含んで周期表４、５および６族金属の炭窒化物からなる硬質相と、にて構成されるＴｉＣＮ基サーメットからなる切削工具であって、
   該切削工具は、切刃と、すくい面に配置されるブレーカとを具備しており、
   前記ブレーカの表面は前記結合相を主成分とする溶出突起にて覆われており、前記ブレーカの底部の表面において、前記溶出突起が５０〜９５面積％の比率で存在していることを特徴とする切削工具。
2. 前記切刃の表面は、前記ブレーカの表面に比べて前記溶出突起の存在比率が小さいことを特徴とする請求項１記載の切削工具。
3. 前記ブレーカの底部の表面において、前記溶出突起１つの占める平均面積が５〜３０μｍ^２の大きさで存在することを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。
4. 前記溶出突起の総面積のうちの３０％以上の面積を占める溶出突起は、隣接する溶出突起と連結した状態で存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
5. 前記硬質相がＷを含むとともに、前記溶出突起がＣｏおよびＮｉの少なくとも１種を８０〜９５原子量％と、Ｗを５〜１５原子量％との割合で含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の切削工具。