JP2011200972A

JP2011200972A - 切削工具

Info

Publication number: JP2011200972A
Application number: JP2010070399A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tokunaga; 隆司徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP5618589B2

Abstract

【課題】耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れるとともに、焼成後の変形が小さいサーメット製の切削工具を提供する。
【解決手段】Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相５と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相６と、の硬質相７と、鉄族金属からなる結合相８と、のサーメットからなり、表面領域において、切刃部４では平坦部９に比べて第２硬質相６の含有割合が第１硬質相５の含有割合よりも高い切削工具１である。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｔｉ元素を主成分とするサーメットからなり、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れるとともに焼成による変形が小さい切削工具に関する。

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、周辺部の面積割合が多いほど、鋳鉄との耐化学反応性が向上することが開示され、周辺部の平均粒径／芯部の平均粒径の比率を３〜８としたサーメットが記載されている。また、特許文献２では、焼結硬質合金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、合金の切刃部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２００４−２８５４２１号公報特開平０８−１５０５０２号公報

しかしながら、特許文献１のように周辺部の面積比率を多くするにはサーメットの焼成温度を高くする必要があるが、焼成温度を高くすると、焼成中に生じる金属原子の移動や窒素原子の拡散の影響で、焼結体が元の成形体の形状から大きく変形してしまうという問題があった。焼結体が変形した場合、焼結体の表面を研磨加工して形状を整える方法もあるが、製造コストがかさむとともに複雑な形状の切削工具の場合には研磨加工自体が困難であった。また、特許文献２のように焼結体に対し切刃部にホーニングを施して金属結合層を除去して、切刃部の組織を焼結体の内部と同じ組織としても、サーメットの切削工具としての耐摩耗性および耐熱衝撃性には限界があった。

本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は優れた耐摩耗性および耐熱衝撃性を兼ね備えるとともに、焼結体の変形を抑制できて複雑な形状でも容易に作製可能なサーメットおよび切削工具を提供することである。

本発明の切削工具は、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相と、鉄族金属からなる結合相と、を有するサーメットからなり、該サーメットの表面領域において、切刃部では平坦部に比べて前記第２硬質相の含有割合が前記第１硬質相の含有割合よりも高いものである。

ここで、前記サーメットの表面領域において、前記切刃部における前記第２硬質相の平均粒径が前記平坦部おける前記第２硬質相の平均粒径に比べて大きいことが望ましい。

また、前記サーメットの表面領域において、前記切刃部における前記結合相の含有割合が前記平坦部における前記結合相の含有割合に比べて低いことが望ましい。

本発明の切削工具によれば、サーメットの表面領域において、切刃部では平坦部に比べて前記第２硬質相の含有割合が前記第１硬質相の含有割合よりも高いことによって、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れた組織からなるとともに、サーメット表面の平坦部では焼成による変形が小さい組織となるので焼結体全体の変形を抑制できて、複雑な形状でも容易に寸法精度の高い切削工具を作製できる。

ここで、前記サーメットの表面領域において、前記切刃部における前記第２硬質相の平均粒径が前記平坦部おける前記第２硬質相の平均粒径に比べて大きいことが、切刃部における熱伝導率を高めて耐熱衝撃性を向上させるとともに、平坦部では切屑等との接触による耐摩耗性を向上できる点で望ましい。

また、前記サーメットの表面領域において、前記切刃部における前記結合相の含有割合が前記平坦部における前記結合相の含有割合に比べて低いことが、サーメットを低温で緻密化できるとともに、切刃部における耐摩耗性を高める点で望ましい。

本発明の切削工具の一例について、（Ａ）概略斜視図、（Ｂ）（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。本発明の切削工具の一例について、サーメット断面の表面付近における、（ａ）切刃部、（ｂ）平坦部の走査型電子顕微鏡写真である。

本発明の切削工具について、その一例についての（Ａ）概略斜視図、（Ｂ）（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である図１、および図１においてサーメットの表面付近における（ａ）切刃部、（ｂ）平坦部の走査型電子顕微鏡写真である図２を基に説明する。

切削工具１は、図１に示すような概略平板形状をなし、主面がすくい面２および着座面（図示せず）を、側面が逃げ面３を、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部が切刃部４を構成している。

また、図１、２の切削工具１は、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相５と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相６と、の硬質相７と、鉄族金属からなる結合相８と、を有するサーメットからなる。

そして、図２によれば、サーメットの表面領域において、切刃部４ではすくい面２および逃げ面３の平坦部９に比べて第２硬質相６の含有割合が第１硬質相５の含有割合よりも高い構成となっている。これによって、サーメットの切刃部４では耐摩耗性および耐熱衝撃性が高い第２硬質相６の含有比率が高い組織からなるとともに、平坦部９では切刃部４に比べて第１硬質相５の含有比率が高くて焼結による変形が小さいので、焼結体全体の変形を抑制できて複雑な形状でも容易に寸法精度の高い切削工具を作製できる。なお、図２の走査型電子顕微鏡写真では、サーメットの表面端部がエッジ効果に起因するチャージアップにより本来の組織が観察できずに白く見えている。

ここで、本発明においては、図１に示すように、切刃部４とは切刃稜線からの距離が１００μｍ以内の範囲ｒを指し、平坦部９とは切刃稜線からの距離が３００μｍ以上離れた部分Ｒを指す。なお、切刃部４と平坦部９との間は両者の移行領域となっている。また、切刃部４における第２硬質相６の含有割合Ｓ_２Ｅと平坦部９における第２硬質相６の含有割合Ｓ_２Ｆとの比率Ｓ_２Ｅ／Ｓ_２Ｆの望ましい範囲は１．１〜１．３である。なお、図２に示すように、サーメットの走査型電子顕微鏡写真において、第１硬質相５は黒色粒子、
第２硬質相６は灰色粒子、結合相８は白色に観察されるので、写真中でこれらを特定してそれぞれの面積比率を求めることにより、第２硬質相６の含有割合を算出することができる。

また、硬質相７の構成については、第１硬質相５からなる芯部の外周を第２硬質相６からなる周辺部が取り囲んだ有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有してサーメットが微細で均一な組織となるとともに、結合相８との濡れ性に優れてサーメットの高強度化に寄与する点で望ましい。

ここで、サーメットの表面領域において、切刃部４における第２硬質相６の平均粒径が平坦部９における第２硬質相６の平均粒径に比べて大きいことが、切刃部４における熱伝導率を高めて耐熱衝撃性を改善するとともに、平坦部９では耐摩耗性に優れる点で望ましい。切刃部４における第２硬質相６の平均粒径ｄ_２Ｅと、平坦部９における第２硬質相６の平均粒径ｄ_２Ｆとの比（ｄ_２Ｅ／ｄ_２Ｆ）は１．３〜２．５であることが、切削性能と変形抑制とを両立できる点で望ましい。

なお、切削工具１の内部において、硬質相７の平均結晶粒径ｄは２．５μｍ以下、特に０．５〜２μｍ、さらに０．８〜１．５μｍ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、サーメットの表面領域の切刃部における第２硬質相６の平均粒径ｄ_２Ｅは、サーメット内部の硬質相の平均粒径ｄに比べて比率（ｄ_２Ｅ／ｄ）が１．５〜３．０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。さらに、第１硬質相５のサーメット内部における粒径の望ましい範囲は、焼成による変形抑制の点で０．１〜０．８μｍである。

また、サーメットの表面領域において、切刃部４における結合相８の含有割合が平坦部９における結合相８の含有割合に比べて低いことが、切刃部４における耐摩耗性を高める点で望ましい。サーメットの表面領域のうちの切刃部４における結合相含有量ｂＥと平坦部９における結合相含有量ｂＦとの比ｂＥ／ｂＦの望ましい範囲は０．７５〜０．９である。なお、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種からなる結合相８はサーメット全体に対して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、サーメットを基体として、その表面に、（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からなる切削工具を製造するには、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、ＴｉＣＮ以外の周期表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。

本発明においては、成形した焼成前の成形体に対して切刃稜線部をブラシ等にてホーニング加工してから焼成する。また、焼成条件については、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、１２５０〜１３５０℃までの昇温速度Ｒ_２を０．５〜３℃／分で昇温し、１３５０℃にて不活性ガスを０．８ｋＰａ〜１００ｋＰａ導入した雰囲気で、昇温速度を１〜７℃／分に切り替えて１４５０〜１５５０℃の焼成温度まで昇温し、０．５〜１．０時間の保持を行う。その後、真空雰囲気にして１２００℃以下まで冷却し、それから、１０℃／分以上の昇温速度にて１５５０〜１６００℃まで急速昇温し、１５〜６０分間保持後、１０℃／分以上の降温速度で室温まで急速冷却することによって、本発明の切削工具を得ることができる。

そして、上記の方法によって作製されたサーメットに対して、所望により化学蒸着法または物理蒸着法にて被覆層を成膜して、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、ブラシ加工によりすくい面側および逃げ面側の研磨量がともに０．０３ｍｍのＲホーニング加工を施し、この成形体を１００Ｐａ以下の真空中で１２５０℃まで１２．５℃／分で昇温し、１２５０〜１３５０℃までを１℃／分の昇温速度で昇温し、Ｎ_２ガスを１ｋＰａ導入した状態で１３５０℃から表２の焼成温度までは５／分で昇温し、表１の焼成温度に到達した後で１時間の保持を行い、その後、真空雰囲気にして１２００℃まで冷却した。そして、１２．５℃／分の昇温速度で表２の熱処理温度まで昇温し、表２の時間保持した後、１２．５℃にて降温する焼成パターンで焼成して、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のサーメットからなる切削工具を作製した。また、試料Ｎｏ．５については焼成後にブラシ加工によりすくい面側および逃げ面側の研磨量がともに０．０３ｍｍのＲホーニング加工を施した。

得られた切削工具に対して、サーメット表面の切刃部およびすくい面の平坦部について５０００倍で顕微鏡観察を行い、組織および結合相の含有比率を測定した。なお、各相の含有比率および平均粒径の測定については、２０×２０μｍの観察領域２箇所を画像解析にて測定し、各粒子を特定して各粒子の面積を求めて平均面積を算出し、これを円に換算して平均粒径とした。また、金属顕微鏡を用いてサーメットの側面（逃げ面）形状をトレースし、側面の中央部における膨らみ量（変形量）を算出した。

さらに、得られた切削工具について、下記条件で切削性能を評価した。
被削材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：２５０ｍ／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
結果は表３に示した。

表１〜３から明らかなように、焼成後にホーニング加工した試料Ｎｏ．５、焼成温度が１５５０℃を越える試料Ｎｏ．８、熱処理温度が１５５０℃より低い試料Ｎｏ．６、熱処理時間が６０分より長い試料Ｎｏ．７では、いずれも、平坦部に比べて切刃部における第２硬質相の含有割合が第１硬質相の含有割合以下となってしまい、焼成に伴う変形量が大きいか、または切刃部における耐熱衝撃性が低下して切削時間が短くなった。

これに対して、本発明に従う試料Ｎｏ．１〜４では、いずれも焼成に伴う変形量が小さく、かつ切削時間も長いものであった。

１切削工具
２すくい面
３逃げ面
４切刃部
５第１硬質相
６第２硬質相
７硬質相
８結合相
９平坦部

Claims

Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相と、鉄族金属からなる結合相と、のサーメットからなり、該サーメットの表面領域において、切刃部では平坦部に比べて前記第２硬質相の含有割合が前記第１硬質相の含有割合よりも高い切削工具。
前記サーメットの表面領域において、前記切刃部では前記平坦部に比べて前記第２硬質相の平均粒径が大きい請求項１記載の切削工具。
前記サーメットの表面領域において、前記切刃部では前記平坦部に比べて前記結合相の含有割合が少ない請求項１または２記載の切削工具。