JP2010274346A

JP2010274346A - 切削工具

Info

Publication number: JP2010274346A
Application number: JP2009127294A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Nonaka; 脩平野中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】高い耐欠損性と耐摩耗性を有するサーメット製の切削工具を提供する。
【解決手段】Ｔｉを主成分とし、Ｗを必須成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相４と、主としてＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相５が５〜３０質量％とから構成されてなり、断面組織観察にて、６０〜９０面積％の割合で存在している平均粒径５０〜２００μｍの凝集部２と、凝集部２の周囲を取り囲んで１０〜４０面積％の割合で存在しているマトリックス部３とを有しており、凝集部２における結合相５の含有比率ｂ_１とマトリックス部３における結合相５の含有比率ｂ_２との比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２〜０．９であるとともに、凝集部２におけるＷの含有比率Ｗ_１とマトリックス部３におけるＷの含有比率Ｗ_２との比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４〜０．９であるサーメットからなるサーメット１である。
【選択図】図１

Description

本発明はサーメット製の切削工具に関する。

現在、切削工具としてＴｉを主成分とするサーメットが広く使われている。サーメットの硬質相は芯部と周辺部とからなる有芯構造をとりやすいことが知られているが、例えば、特許文献１では、芯部の粒径が１μｍ以下の有芯構造からなる第１のＢ１型結晶（硬質相）および有芯構造でない第３のＢ１型結晶（硬質相）からなる平均粒径１０〜１５０μｍの凝集部の周囲を、芯部の粒径が１μｍよりも大きい有芯構造からなる第２のＢ１型結晶（硬質相）にて取り囲んだ硬質相の配置からなるサーメット製の切削工具が開示され、図１には凝集部における硬質相の粒径が周辺部における硬質相の粒径よりも小さい構成からなる組織のサーメットが記載されている。そして、湿式高速フライス切削加工において良好な耐欠損性を発揮できることが記載されている。

また、特許文献２では、（Ｚｒ，Ｔｉ）ＣＮの第１硬質相と（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｚｒ）ＣＮの第２硬質相とが互いに独立した粒子として存在する組織からなるサーメット製の切削工具が開示され、互いに硬質相の粒径を平均粒径０．０５〜０．５μｍと微粒にできて、硬さ、強度および靭性に優れ、かつＺｒの含有により耐溶着性に優れたサーメットとなることが記載されている。

特開平９−１７４３０６号公報特開２００８−２５００８号公報

しかしながら、凝集部の組成と周辺部の組成が同じ構成からなる特許文献１のサーメットでは、湿式高速フライス切削加工において良好な耐欠損性を発揮できるものの、例えば鋳物の高速連続切削加工等の切削条件においては耐摩耗性が低下するという問題があった。

また、特許文献２のように、（Ｚｒ，Ｔｉ）ＣＮの第１硬質相と（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｚｒ）ＣＮの第２硬質相とが互いに独立した粒子として存在したサーメットにおいても、硬質相の粒径を微粒化できて、炭素鋼の乾式断続旋削切削加工では高い耐摩耗性を示すものの、鋳物の高速切削加工等の切削条件においては耐摩耗性が低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明の切削工具は上記問題を解決するためのものであり、その目的は更なる切削性能の向上であり、特に鋳物の高速切削加工の切削条件においても、高い耐摩耗性と耐欠損性を有する切削工具を提供することである。

本発明の切削工具は、Ｔｉを主成分とし、Ｗを必須成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、主としてＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相が５〜3０質量％とから構成されてなり、断面組織観察にて、６０〜９０面積％の割合で存在している平均粒径５０〜２００μｍの凝集部と、該凝集部の周囲を取り囲んで１０〜４０面積％の割合で存在しているマトリックス部とを有しており、前記凝集部における前記結合相の含有比率ｂ_１と前記マトリックス部における前記結合相の含有比率ｂ_２との比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２〜０．９であるとともに、前記凝集部における前記Ｗの含有比率Ｗ_１と前記マトリックス部における前記Ｗの含有比率Ｗ_２との比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４〜０．９であることを特徴とする。

ここで、上記構成において、硬質相中にＭｏを含有しており、前記凝集部における前記Ｍｏの含有比率Ｍｏ_１と前記マトリックス部における前記Ｍｏの含有比率Ｍｏ_２との比（Ｍｏ_１／Ｍｏ_２）が０．９〜１．１であることが望ましい。

本発明の切削工具によれば、平均粒径５０〜２００μｍの凝集部が６０〜９０面積％の割合で存在し、その周囲をマトリックス部で取り囲んだ組織からなり、前記凝集部における前記結合相の含有比率ｂ_１と前記マトリックス部における前記結合相の含有比率ｂ_２との比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２〜０．９であるとともに、前記凝集部における前記Ｗの含有比率Ｗ_１と前記マトリックス部における前記Ｗの含有比率Ｗ_２との比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４〜０．９であることによって、鋳物の高速切削加工等の切削条件においても耐摩耗性および耐欠損性が向上することが判明した。

ここで、上記構成において、硬質相中にＭｏを含有しており、前記凝集部における前記Ｍｏの含有比率Ｍｏ_１と前記マトリックス部における前記Ｍｏの含有比率Ｍｏ_２との比（Ｍｏ_１／Ｍｏ_２）が０．９〜１．１である場合には、サーメット中にMoが均一分散することとなり、焼結性が向上し、凝集部−マトリックス部界面に発生する内部応力が緩和されてクラックが発生しにくく、切削工具の耐欠損性が向上するという効果がある。

本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）５００倍、（ｂ）３０００倍についての走査型電子顕微鏡写真である。

本発明の切削工具の一例について、その断面組織観察における、図１の（ａ）５００倍、（ｂ）３０００倍についての走査型電子顕微鏡写真を基に説明する。

本発明の切削工具をなすサーメット１は、図１（ｂ）に示すように、Ｔｉを主成分としてＷを必須成分とする周期表第４、５および６族金属の窒化物または炭窒化物からなる硬質相４と、主としてＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相５が５〜３０質量％とから構成されるサーメットからなる。また、サーメット１は、図１（ａ）に示すように、６０〜９０面積％の割合で存在している平均粒径ｄ_ｉが５０〜２００μｍの凝集部２と、凝集部２の周囲を包み込み１０〜４０面積％の割合で存在しているマトリックス部３とからなる。

そして、凝集部２における結合相５の含有比率ｂ_１とマトリックス部３における結合相５の含有比率ｂ_２との比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２〜０．９であるとともに、凝集部２におけるＷの含有比率Ｗ_１とマトリックス部３におけるＷの含有比率Ｗ_２との比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４〜０．９で構成されている。

これによって、切削工具の耐摩耗性および耐欠損性、特に鋳物の高速切削加工の切削条件においては、サーメット１の耐欠損性が向上する。

すなわち、サーメット１に凝集部２が存在しないか、または凝集部２の平均粒径ｄ_ｉが５０μｍよりも小さい場合、および凝集部２の存在比率が６０面積％よりも少ない場合には、凝集部２の存在による靭性向上効果が得られず、耐摩耗性および耐欠損性がともに低下する。逆に、凝集部２の平均粒径ｄ_ｉが２００μｍを超えると、工具の異常摩耗が発生するおそれがあり、凝集部２の存在比率が９０面積％よりも多いと、耐欠損性が低下するという不具合がある。

また、上記比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２よりも小さいと、サーメット１の靭性が低下してしまい、比（ｂ_１／ｂ_２）が０．９よりも大きいと凝集部２の存在による耐摩耗性の向上効果が小さくなる。比（ｂ_１／ｂ_２）の望ましい範囲は、０．５〜０．８である。また、上記比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４よりも小さいと、サーメット１の凝集部２の硬度が低下して凝集部２の硬度が低くなる結果、サーメット１の硬度が低下する。逆に、比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．９よりも高くなると、凝集部２の存在による耐熱衝撃性の向上効果が小さくなる。比（Ｗ_１／Ｗ_２）の望ましい範囲は、０．４〜０．８である。

ここで、上記構成において、凝集部２における結合相５の含有量がマトリックス部３における結合相５の含有量よりも少ない場合には、凝集部が高硬度化するため、耐摩耗性が向上する。本発明によれば、凝集部２における硬質相４（４ａ）の平均粒径ｄ_１とマトリックス部３における硬質相４（４ｂ）の平均粒径ｄ_２との比（ｄ_１／ｄ_２）が１．５〜５であること、すなわち、凝集部２の硬質相４ａの平均粒径ｄ_１よりもマトリックス部３の硬質相４ｂの平均粒径ｄ_２が小さいことから、毛細管効果の差によって凝集部２よりもマトリックス部３に結合相５が多く存在しやすい傾向にある。

また、硬質相４中にＭｏを含有しており、凝集部２におけるＭｏの含有比率Ｍｏ_１とマトリックス部３におけるＭｏの含有比率Ｍｏ_２との比（Ｍｏ_１／Ｍｏ_２）が０．９〜１．１であることが、ＴｉＣＮとの濡れ性のよいＭｏが凝集部２とマトリックス部３との間で拡散してサーメット１の焼結性が向上する結果、凝集部２とマトリックス部３との界面に発生する内部応力が緩和されて、サーメット１の靭性が向上するという点で望ましい。

ここで、図１の走査型電子顕微鏡写真から明らかなとおり、硬質相４は、黒色の粒子として観察される第１硬質相７と、灰白色の粒子、または白色の芯部の周辺に灰白色の周辺部が存在する有芯構造からなる粒子として観察される第２硬質相８とから構成されている。なお、上記灰白色とは、写真撮影の条件によって白色に近い色調に見えることもあり、灰色に近い色調に見えることもある。ここで、第１硬質相７はＴｉＣＮからなる黒色粒子であるがＣｏやＮｉを含有していても良い。また、第１硬質相７の外周には、灰白色の周辺部が存在して有芯構造をなしていてもよい。

なお、本発明における硬質相４の粒径の測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。この時、硬質相４が有芯構造からなる場合については、芯部と周辺部を含めた周辺部の外縁までを１つの硬質相４としてその粒径を測定する。

また、サーメット１に含有される硬質相をなすＴｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属の窒化物または炭窒化物の合計含有比率は７０〜９５質量％であることが望ましく、一方、結合相５の含有比率は５〜３０質量％であることによって、サーメット１の硬度および靭性のバランスに優れたものとなる。凝集部２においては、耐摩耗性の向上の点で、硬質相の含有比率が８５〜９５質量％、結合相の含有比率が５〜１５質量％であることが望ましい。また、マトリックス部３においては、耐欠損性の向上の点で、硬質相４の含有比率が６０〜９０質量％、結合相５の含有比率が１０〜４０質量％であることが望ましい。さらに、結合相５としては、鉄族金属の総量に対してＣｏを６５質量％以上含有することが切削工具の耐熱衝撃性を高めるために望ましい。なお、サーメット１の焼肌面が平滑な面となるようにサーメット１の良好な焼結性を維持するためには、鉄族金属としてＮｉを５〜５０質量％、特に１０〜３５質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
（製造方法）
次に、上述した切削工具の製造方法について説明する。

原料として、２種類の混合原料粉末を準備する。
第１の混合原料粉末は、平均粒径１〜３μｍ、望ましくは１．５〜２．５μｍのＴｉＣＮ粉末を５０〜７５質量％、特に５０〜７０質量％と、平均粒径０．０５〜１μｍのＷＣ粉末を０〜１２質量％、特に７〜１０質量％と、平均粒径１〜４．５μｍのＭｏ_２Ｃ粉末を０．５〜１０質量％、特に１〜１０質量％と、平均粒径０．１〜２μｍの上述した他の周期表第４、５および６族金属の炭化物粉末、窒化物粉末または炭窒化物粉末のいずれか１種（ＴｉＣＮ、ＷＣ、Ｍｏ_２Ｃ以外）を総量で１〜２０質量％、特に１０〜１５質量％と、平均粒径１．０〜３．０μｍのＣｏ粉末を０〜１０質量％、特に３〜７質量％と、平均粒径０．３〜０．８μｍのＮｉ粉末を０〜１０質量％、特に３〜５質量％と、所望により平均粒径０．５〜１０μｍのＭｎＣＯ_３粉末を３質量％以下、特に０．５〜１．０質量％との割合で混合した混合粉末とする。

一方、第２の原料粉末は、平均粒径０．６〜１μｍ、望ましくは０．８〜１．０μｍのＴｉＣＮ粉末を３０〜７０質量％、特に４０〜６５質量％と、平均粒径４〜１２μｍのＷＣ粉末を１０〜２０質量％、特に１２〜２０質量％と、平均粒径１〜４．５μｍのＭｏ_２Ｃ粉末を０〜１０質量％、特に０〜３質量％と、平均粒径０．１〜２μｍの上述した他の周期表第４、５および６族金属の炭化物粉末、窒化物粉末または炭窒化物粉末のいずれか１種（ＴｉＣＮ、ＷＣ、Ｍｏ_２Ｃ以外）を総量で１〜３０質量％、特に１０〜２０質量％と、平均粒径１．０〜３．０μｍのＣｏ粉末を０〜２０質量％、特に６〜１４質量％と、平均粒径０．３〜０．８μｍのＮｉ粉末を０〜２０質量％、特に５〜７質量％との割合で混合した混合粉末とする。
なお、上記第１および第２の原料中にＴｉＣ粉末やＴｉＮ粉末を添加することもあるが、これらの原料粉末は焼成後のサーメットにおいてＴｉＣＮを構成する。

次に、第１の原料粉末にバインダを添加して、平均粒径５０〜３００μｍの顆粒に造粒し、真空雰囲気中にて、８００〜１３００℃で０．２〜１時間熱処理する。このとき、熱処理温度が８００℃よりも低いと成形過程中に破壊されるため、所定サイズの凝集部２を形成することができず、逆に、熱処理温度が１３００℃を超えると、焼成後のサーメット中に凝集部２とマトリックス部３における収縮差によってボイド、もしくはクラックが発生してサーメット１の耐欠損性が低下する。

そして、この熱処理した第１の原料粉末と、熱処理していない第２の原料粉末とを振動ミル、回転ミル等の湿式条件にて混合し、プレス成形、押出成形、射出成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形する。

その後、本発明によれば、上記成形体を下記の条件にて焼成することにより、上述した所定組織のサーメットを作製することができる。焼成条件としては、
（ａ）１０５０〜１２５０℃まで昇温し、
（ｂ）窒素（Ｎ_２）等の不活性ガスを３０〜２０００Ｐａ充填した雰囲気で０．１〜２℃／分の昇温速度で１３００〜１４５０℃まで昇温し、
（ｃ）真空雰囲気で３〜１５℃／分の昇温速度で１４７５〜１５５０℃まで昇温するとともに、真空雰囲気のまま、または不活性ガスを充填した雰囲気で０．５〜２時間維持し、
（ｄ）６〜１５℃／分の冷却速度で冷却する工程にて焼成する。

このとき、焼成温度が１４７５℃よりも低いとＣｏ、Ｎｉ、ＷおよびＭｏの各元素が凝集部とマトリックス部との間でほとんど拡散されず、サーメット１の緻密化が十分でなくて硬度が低下する。逆に、１５５０℃を超えると、凝集部とマトリックス部との間において拡散が容易となり、ＭｏのみならずＣｏ、ＮｉおよびＷの分布も均一になってしまうために、サーメット１の凝集部２の存在による耐欠損性の向上効果が見られなくなる。

そして、所望により、サーメットの表面に被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。

マイクロトラック法による測定で表１に示す平均粒径（ｄ_５０値）のＴｉＣＮ粉末、表１に示す平均粒径のＷＣ粉末、表１に示す平均粒径のＭｏ_２Ｃ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径１．８μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．４μｍのＮｉ粉末、および平均粒径１．９μｍのＣｏ粉末を用いて、表１に示す割合で調整した第１の混合粉末をステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を添加して湿式混合し、パラフィンを３質量％添加、混合した後、スプレードライヤにて表１に示す平均粒径の顆粒とし、表１に示す条件にて熱処理を行った。

同様に、表２に示す平均粒径（ｄ_５０値）のＴｉＣＮ粉末、ＷＣ粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径１．８μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．４μｍのＮｉ粉末、および平均粒径１．９μｍのＣｏ粉末を用いて、表１に示す第２の混合原料粉末を調整し、上記熱処理を行った第１の混合原料粉末と振動ミルにて湿式条件で混合し、さらにバインダを混合して、成形用の混合粉末とした。

そして、この成形用の混合粉末を用いて、２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８の工具形状にプレス成形した。そして、（ａ）１０℃／分の昇温速度で１２００℃まで昇温し、（ｂ）窒素（Ｎ_２）を１０００Ｐａ充填した雰囲気で０．５℃／分の昇温速度で１４００℃まで昇温し、（ｃ）真空雰囲気で７℃／分の昇温速度で表２の焼成温度まで昇温するとともに、その状態で１時間維持し、（ｄ）１０℃／分の冷却速度で冷却する工程にて焼成する焼成条件で焼成した。

得られたサーメットについて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、５００倍、３０００倍、１００００倍の写真いずれかにて、任意５箇所について市販の画像解析ソフトを用いて画像解析を行い、凝集部の状態（平均粒径ｄ_ｉおよび存在比率）、凝集部およびマトリックス部における硬質相の平均粒径（ｄ_１およびｄ_２）を確認するとともに、波長分散型分光分析（ＷＤＳ分析）にて、凝集部およびマトリックス部における各金属元素の分布状態を測定し、凝集部とマトリックス部における各金属元素の比率を算出した。結果は表３に示した。

次に、得られたサーメット製の切削工具を用いて以下の切削条件にて切削試験（耐摩耗性評価試験、耐欠損性評価試験）を行った。結果は表３に併記した。
（耐摩耗性評価）
被削材：ＦＣ２５０
切削速度：３００ｍ／分
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１．０ｍｍ
切削状態：湿式（水溶性切削液使用）
評価方法：摩耗量が０．２ｍｍに達するまでの時間
（耐欠損性評価）
被削材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：９０ｍ／分
送り：０．０５〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１．０ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：各送りについて１０秒ずつ加工する条件で加工し欠損するまでの時間（秒）

表１〜３より、比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２より小さい試料Ｎｏ．１１では十分に緻密化できておらず、また、比（ｂ_１／ｂ_２）が０．９を超える試料Ｎｏ．６、１０、１２、および、比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４より小さい試料Ｎｏ．９、比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．９より大きい試料Ｎｏ．１２のいずれにおいても、耐摩耗性および耐欠損性とも低いものであった。

これに対し、本発明の範囲内の組織となったサーメットからなる試料Ｎｏ．１〜５では、優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐欠損性も良好であり、工具寿命が長いものであった。

１切削工具
２凝集部
３マトリックス部
４硬質相
４ａ凝集部中の硬質相
４ｂマトリックス部中の硬質相
５結合相
７第１硬質相
８第２硬質相

Claims

Ｔｉを主成分とし、Ｗを必須成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物からなる硬質相と、主としてＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相が５〜３０質量％とから構成されてなり、断面組織観察にて、６０〜９０面積％の割合で存在している平均粒径５０〜２００μｍの凝集部と、該凝集部の周囲を取り囲んで１０〜４０面積％の割合で存在しているマトリックス部とを有しており、前記凝集部における前記結合相の含有比率ｂ_１と前記マトリックス部における前記結合相の含有比率ｂ_２との比（ｂ_１／ｂ_２）が０．２〜０．９であるとともに、前記凝集部における前記Ｗの含有比率Ｗ_１と前記マトリックス部における前記Ｗの含有比率Ｗ_２との比（Ｗ_１／Ｗ_２）が０．４〜０．９である切削工具。
前記硬質相中にＭｏを含有しており、前記凝集部における前記Ｍｏの含有比率Ｍｏ_１と前記マトリックス部における前記Ｍｏの含有比率Ｍｏ_２との比（Ｍｏ_１／Ｍｏ_２）が０．９〜１．１である請求項１記載の切削工具。