JP2010207955A - 高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサート - Google Patents

Abstract

【課題】高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサートを提供する。
【解決手段】 結合相形成成分としてＣｏ：４〜１２質量％および硬質相形成成分としての炭化タングステンを含有する超硬合金製切削インサートにおいて、
微小部Ｘ線回折装置により、インサートの切れ刃すくい面および切れ刃逃げ面を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造Ｃｏの（１１１）面ピーク強度および稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピーク強度を、それぞれ、Ｉｆｃｃ（１１１）、Ｉｈｃｐ（１０１）とした場合、ｈｃｐ変態率=Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝が、切れ刃すくい面については、ｈｃｐ変態率≧０．２、また、切れ刃逃げ面については、ｈｃｐ変態率≦０．１である超硬合金製切削インサート。
【選択図】 なし

Description

この発明は、超硬合金製切削インサートの、特に、Ｃｏを主成分とする結合相が、切れ刃部位に応じて優れた耐摩耗性と耐クラック性を有し、例えば、高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合に、切れ刃が優れた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサートに関するものである。

従来、一般に、超硬合金製切削インサートを、バイトの先端部に着脱自在に取り付けて各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工を行うのに用いたり、エンドミル本体に着脱自在に取り付けて、前記被削材の面削り加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられることは良く知られており、さらに結合相形成成分としてのＣｏを４〜１２質量％以下、単に％で示す含有し、あるいは、さらにＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜２％含有し、また、硬質相形成成分としての炭化タングステン以下、ＷＣで示すを含有した微細組織の超硬合金からなることも知られている。
さらに、上記の超硬合金製切削インサートが、原料粉末として、いずれも０．１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、炭化クロム以下、Ｃｒ_３Ｃ_２で示す粉末、炭化バナジウム以下、ＶＣで示す粉末、炭化タンタル以下、ＴａＣで示す粉末、炭化ニオブ以下、ＮｂＣで示す粉末、炭化ジルコニウム以下、ＺｒＣで示す粉末、およびＣｏ粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合割合に配合し、湿式混合し、乾燥した後、例えば、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、雰囲気圧力を１．３〜１３．３Ｐａとした真空雰囲気中、１３５０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この所定温度に１〜２時間保持後冷却して、微細組織の超硬合金を形成し、これを研削加工にて所定の形状とすることにより製造されることも知られている。

特開２００５−３３６５６５号公報 特許第４１５５７７８号明細書

一方、近年の切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、ＮＣ旋盤やマシニングセンタなどの高性能化と相俟って、切削加工は高速で行われる傾向にあるが、上記の従来超硬合金製切削インサートにおいては、これを高速切削加工に用いると、耐摩耗性および耐クラック性不足が原因で、切れ刃に欠けが発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者らは、特に、高速切削加工を行う際に発生しやすい超硬合金製切削インサートの欠損について、鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

（ａ）超硬合金製切削インサートの欠損は、まず、被削材と擦過して高温になる切れ刃逃げ面に摩耗が発生し、その結果、切削加工時の切削抵抗が高まり、その後、切れ刃すくい面に、切れ刃稜線に平行なクラックが導入・進展することにより、切れ刃先端部の一部が脱落するようにして起こること。

（ｂ）超硬合金の結合相を構成するＣｏ相は、その結晶構造として、面心立方構造以下、ｆｃｃで示すのＣｏ以下、Ｃｏ・ｆｃｃで示すおよび稠密六方構造以下、ｈｃｐで示すのＣｏ以下、Ｃｏ・ｈｃｐで示すという二つの結晶構造を有するが、超硬合金製切削インサートの切れ刃逃げ面の摩耗は、高温で結合相成分が被削材に拡散する化学的摩耗が支配的であり、この摩耗は、結合相の構成成分であるＣｏ・ｈｃｐの含有割合以下、ｈｃｐ変態率というを一定値以下に低く抑えることにより抑制され、これとは逆に、切れ刃すくい面のクラックの導入・進展はｈｃｐ変態率を一定値以上に高くコントロールすることにより抑制できること。

（ｃ）結合相のＣｏのｈｃｐ変態率は、その部位を加工する砥石の粒度、加工条件、取り代、あるいはブラスト処理等で調整できること。

（ｄ）通常、焼結後の超硬中のＣｏ相はｆｃｃ単相を示すが、これは高温準安定相であって、粗研削により表面は安定相のｈｃｐ相に変態する。
ところで、Ｃｏをｈｃｐ相に変態させることによって、圧縮残留応力が誘起されるようになり、その結果として、クラックの導入・進展が抑制され、耐クラック性が向上するようになる。

（ｅ）しかし、その一方、Ｃｏをｈｃｐ相に変態させることによって、耐熱性が劣化するようになり、高温での被削材への拡散が発生しやすくなるため、耐摩耗性の向上を図るためには、粗研削を行わない、あるいは、粗研削後に仕上げ研削を十分に行うこと等によって、ｈｃｐ相を形成させずに、ｆｃｃ相をそのまま維持することが重要である。

（ｆ）上記のとおり、ｆｃｃ相による摩耗の低減、さらに、ｈｃｐ相によるクラックの導入・進展の抑制が相俟って、超硬合金製切削インサートの耐欠損性が大幅に改善されることを新たに見出した。
以上、（ａ）〜（ｆ）に示される知見を得たのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 結合相形成成分としてＣｏ：４〜１２質量％および硬質相形成成分としての炭化タングステンを含有する超硬合金製切削インサートにおいて、
微小部Ｘ線回折装置により、インサートの切れ刃すくい面および切れ刃逃げ面を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造Ｃｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、
さらに、面心立方構造のＣｏとの含量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
ｈｃｐ変態率
=Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
で表した時に、
切れ刃すくい面については、ｈｃｐ変態率≧０．２、
また、切れ刃逃げ面については、ｈｃｐ変態率≦０．１、
をそれぞれ満たすことを特徴とする、高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサート。
（２） 前記結合相形成成分および硬質相形成成分として、
Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜２質量％さらに含有する、前記（１）記載の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサート。」
を特徴とするものである。

本発明の超硬合金製切削インサートは、例えば、以下のような処理を施すことによって、切れ刃逃げ面、切れ刃すくい面のｈｃｐ変態率が本願発明で規定する数値範囲内となるようにｈｃｐ変態率を調整することができる。

まず、上下面加工終了後でのインサートを準備する。
このインサートのすくい面全体に粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いてエアーブラスト処理を施す。
その後、逃げ面に外周加工を施すが、最終仕上げ加工にあたっては、粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を使用して、３０μｍ以上の取代を確保するようにする。
上記のような処理を行うことによって、切れ刃逃げ面については、ｈｃｐ変態率が０．１以下、また、切れ刃すくい面については、ｈｃｐ変態率が０．２以上の超硬合金製切削インサートを得ることができる。
なお、切れ刃逃げ面、切れ刃すくい面のｈｃｐ変態率は、その表面をＣｕＫα線を用いた微小部Ｘ線回折によって求めることができる。

本発明の超硬合金製切削インサートは、少なくとも切れ刃部の結合相を構成するＣｏの結晶構造を、切れ刃すくい面についてはｈｃｐ変態率が０．２以上、また、切れ刃逃げ面についてはｈｃｐ変態率が０．１以下の結晶構造のもので形成しているので、切れ刃逃げ面は耐摩耗性が高められ、また、切れ刃すくい面はクラックの導入と進展が抑えられ、長期に亘って優れた耐欠損性が発揮されるのである。

つぎに、本発明の超硬合金製切削インサートについて、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０．５〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末およびＺｒＣ粉末を、表１に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、１．３Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持して焼結後、炉冷の条件で焼結し、超硬合金素材を製造した。

これらの超硬合金素材から研削にて、それぞれ表１に示されるインサート形状およびホーニング量に加工する際に、すくい面および逃げ面に対しては、粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いたエアーブラスト処理および粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を用いた３０μｍ以上の仕上研削加工処理を行い、本発明の超硬合金製切削インサート１〜７以下、実施例１〜７というを製造した。

比較のため、前記の超硬合金素材から通常の研削にて、それぞれ表１に示されるインサート形状およびホーニング量に加工することにより、比較例の超硬合金製切削インサート１〜５以下、比較例１〜５というを製造した。

ついで、上記実施例１〜７および比較例１〜５の超硬合金製切削インサートの切れ刃逃げ面および切れ刃すくい面の結合相のＣｏに対し、ＣｕＫα線を用いて微小部Ｘ線回折を実施したところ、いずれも回折角：２θで、４４〜４５度（（１１１）面）にＣｏ・ｆｃｃを示すピークが現れると共に、４１〜４２度（（１０１）面）にもＣｏ・ｈｃｐを示すピークが現れた。
それぞれの結晶格子面のピーク強度Ｉｆｃｃ（１１１）およびＩｈｃｐ（１０１）を測定し、これらの値から、それぞれについてのｈｃｐ変態率を求めた。
この値を表２に示す。

つぎに、上記の各種切削インサートのうち、ＩＳＯ・ＳＰＧＮ１２０３０４のインサート形状を有する実施例１〜４および比較例１〜３については、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４本溝入り丸棒（直径：２００ｍｍ）、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件で合金鋼溝入丸棒の外周を、乾式でかつ高速で連続切削加工する切削試験を行い、切れ刃部における逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに達するまでの切削長を測定した。

また、ＩＳＯ・ＴＣＧＴ０６０１０２のインサート形状を有する実施例５〜７および比較例４、５については、同じく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・ＳＣｒ４２０Ｈの管材（外径：９ｍｍ×内径：５ｍｍ×長さ：２８ｍｍ）、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．５ｍｍ、
送り：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件で合金鋼管材の一方端部の内面を、湿式でかつ高速で、端面から長さ方向２０ｍｍまでを拡径（内径：６ｍｍ）する切削加工試験を行い、同じく切れ刃部における逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに達するまでの管材端部加工数を測定した。
これらの切削加工試験結果を表３に示した。

表２、表３の結果からも明らかなように、切れ刃逃げ面および切れ刃すくい面のｈｃｐ変態率が所定の数値範囲内にある本発明の超硬合金製切削インサートである実施例１〜７は、耐欠損性に非常に優れているのに対して、切れ刃逃げ面および切れ刃すくい面のｈｃｐ変態率が本発明で規定する範囲を外れる比較例１〜５は、耐欠損性に劣るものであることは明らかである。

本発明の超硬合金製切削インサートは、結合相を構成するＣｏの結晶構造を、切れ刃すくい面についてはｈｃｐ変態率が０．２以上、また、切れ刃逃げ面についてはｈｃｐ変態率が０．１以下の結晶構造のもので形成しているので、切れ刃逃げ面は耐摩耗性が高められ、また、切れ刃すくい面はクラックの導入と進展が抑えられるため、高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合にも、優れた耐欠損性を長期に亘って発揮するのであるから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応することができるものである。

Claims (2)

1. 結合相形成成分としてＣｏ：４〜１２質量％および硬質相形成成分としての炭化タングステンを含有する超硬合金製切削インサートにおいて、
   微小部Ｘ線回折装置により、インサートの切れ刃すくい面および切れ刃逃げ面を構成する超硬合金表面のＸ線回折パターンを測定した場合、面心立方構造Ｃｏの（１１１）面ピークの強度をＩｆｃｃ（１１１）とし、また、稠密六方構造のＣｏの（１０１）面ピークの強度をＩｈｃｐ（１０１）とし、
   さらに、面心立方構造のＣｏとの含量に占める稠密六方構造のＣｏの含有割合を、
   ｈｃｐ変態率
   =Ｉｈｃｐ（１０１）／｛Ｉｆｃｃ（１１１）＋Ｉｈｃｐ（１０１）｝
   で表した時に、
   切れ刃すくい面については、ｈｃｐ変態率≧０．２、
   また、切れ刃逃げ面については、ｈｃｐ変態率≦０．１、
   をそれぞれ満たすことを特徴とする、高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサート。
2. 前記結合相形成成分および硬質相形成成分として、
   Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒのうちのいずれか１種または２種以上を合計で０．１〜２質量％さらに含有する、請求項１記載の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する超硬合金製切削インサート。