JP2016068224A - 仕上げ面加工にすぐれた炭窒化チタン基サーメット製切削インサート - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性を発揮すると同時に被加工物の寸法精度・仕上げ面粗さの維持性を示す仕上げ面加工にすぐれたＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートを提供する。
【解決手段】質量％で、ＷＣ：２５〜３０％、ＴａＣおよびＮｂＣのうちの１種または２種の合計：４〜８％、Ｍｏ_２Ｃ：１〜５％、Ｃｒ_３Ｃ_２：０．５〜１．０％、ＣｏおよびＮｉの合計：８〜１４％、ＴｉＣＮ：４５〜５５％からなる配合組成を有する成形体を焼結して得られる炭窒化チタン基サーメット製切削インサートであって、ＣｏとＮｉの含有量比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９、ＣｏとＮｉに対するＣｒの含有量比Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０４〜０．０８である仕上げ面加工にすぐれた炭窒化チタン基サーメット製切削インサート。
【選択図】 なし

Description

この発明は、鋼や鋳鉄の切削加工において、前切れ刃側の境界損傷発生を抑制し得るとともに、被加工物の良好な寸法精度の維持性と仕上げ面粗さの維持性を発揮することができる仕上げ面加工にすぐれた炭窒化チタン基サーメット（以下、「ＴｉＣＮ基サーメット」で示す）製切削インサートに関するものである。

従来、切削工具としては、ＷＣ基超硬合金製切削インサート、ＴｉＣＮ基サーメット製切削インサート、ｃＢＮ製切削インサート等が良く知られている。
このうち、ＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートは、鋼に対する親和性が低く、仕上げ面粗さに優れることから、鋼の仕上げ加工用工具として使用されているが、ＷＣ-Ｃｏ系超硬合金と比較して、靱性、強度が劣るため、これらの特性を改善すべくいくつかの提案がなされている。

例えば、特許文献１には、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする金属結合相：５〜２５体積％と、ＣｒとＴｉとＮとを含有する複合化合物からなる第１硬質相：５〜７０体積％と、残りが、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗの炭化物，窒化物，炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる第２硬質相と不可避不純物とからなるクロム含有サーメットにおいて、第１硬質相は、組成式：（Ｃｒ_ａＴｉ_ｂＡ_ｃ）（Ｎ_{１−ｄ−ｅ}Ｃ_ｄＯ_ｅ）_ｚで表され、ＡはＺｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗの中の少なくとも１種を表し、ａはＣｒとＴｉとＡとの合計に対するＣｒの原子比を表し、ｂはＣｒとＴｉとＡとの合計に対するＴｉの原子比を表し、ｃはＣｒとＴｉとＡとの合計に対するＡの原子比を表し、ｄはＮとＣとＯとの合計に対するＣの原子比を表し、ｅはＮとＣとＯとの合計に対するＯの原子比を表し、ｚはＣｒとＴｉとＡとの合計に対するＮとＣとＯとの合計の原子比を表したとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．０，０．１≦ａ≦０．７，０．３≦ｂ≦０．９，０≦ｃ≦０．３，０≦ｄ≦０．３，０≦ｅ≦０．１，０．７≦ｚ≦１．０を満足するとともに、Ｃｒ含有量は、サーメット全体に対して２〜１０重量％とすることにより、硬さと強度・靱性が高く、耐溶着性が優れ、耐摩耗性，耐チッピング性が向上したクロム含有サーメットが提案されている。

また、特許文献２には、ＣｏおよびＮｉを含有するとともに、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、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の１種以上とを含有するサーメットにおいて、ＣｏとＮｉとの含有比（Ｃｏ含有量（質量％）／Ｎｉ含有量（質量％））を１．１〜４．０とするとともに、粉砕した粉末のＸ線回折測定による回折パターンにおいてＣｏに起因するピークとＮｉに起因するピークとが分かれて存在し、かつＣｏの（２２０）面のピーク強度Ｉ_Ｃｏと、Ｎｉの（２２０）面のピーク強度Ｉ_Ｎｉとの比Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉを０より大きく０．５以下とすることにより、耐欠損性と耐熱衝撃性を向上させたサーメットが提案されている。

特開２００６−２１３９７７号公報 特許第５３９３０４４号公報

自動車部品等の仕上げ加工においては、被加工物の寸法精度・仕上げ面粗さの維持性（長時間安定して、切削初期段階と同程度の寸法精度・仕上げ面粗さを維持すること）が重要視されているが、上記従来のサーメット製切削インサートにおいては、切削初期には所定の寸法精度・仕上げ面粗さで加工することができても、これを長時間の使用にわたって維持することはできなかった。
したがって、長期の使用にわたって、被加工物の寸法精度・仕上げ面粗さの維持性を備えた仕上げ面加工にすぐれたサーメット製切削インサートが望まれている。

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インサートを用いて仕上げ加工を行った場合に、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮すると同時に被加工物の寸法精度・仕上げ面粗さの維持性を示す仕上げ面加工にすぐれたＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートを得るべく鋭意研究を行ったところ、次のような知見を得た。

ＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートを用いて被加工物（例えば、ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃ）を仕上げ加工した後、寸法精度・仕上げ面粗さと刃先状況の関連性を調査したところ、逃げ面摩耗の進行ばかりでなく、前切れ刃側の境界損傷が被加工物に転写されることによって、寸法精度・仕上げ面粗さの維持性が低下することを見出した。
そこで、本発明者は、逃げ面摩耗の低減を図るとともに、前切れ刃側の境界損傷の少ないＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートを得るため、サーメットの成分組成についてさらに検討を進めたところ、サーメットの結合相成分であるＣｏ、Ｎｉの比（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））の値、また、サーメット中に含有されるＣｒ含有量および結合相成分との比（Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））の値を適正に定めることにより、前切れ刃側の境界損傷を抑制することができ、その結果、すぐれた寸法精度の維持性と仕上げ面粗さ維持性を示す仕上げ面加工にすぐれたＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートを得られることを見出したのである。

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、
炭化タングステン（ＷＣ）： ２５〜３０％、
炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）のうちの１種または２種の合計： ４〜８％、
炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）： １〜５％、
炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）： ０．５〜１．０％、
コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）の合計： ８〜１４％、
炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）： ４５〜５５％
からなる配合組成を有する成形体を焼結して得られる炭窒化チタン基サーメット製切削インサートであって、
コバルトとニッケルの含有量比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９、
コバルトとニッケルに対するクロムの含有量比Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０４〜０．０８、
であることを特徴とする炭窒化チタン基サーメット製切削インサート。」
に特徴を有するものである。

この発明のＴｉＣＮ基サーメット製切削インサートにおいて、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの原料粉末の配合組成を、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ）ＷＣ
ＴｉＣＮ基サーメット製造用原料粉末中のＷＣの含有割合が２５質量％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質量％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成分中に溶解し、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、ＴａＣおよびＮｂＣの１種または２種の合計が４質量％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８質量％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、ＴａＣおよびＮｂＣの１種または２種の合計を４〜８質量％と定めた。

（ｃ）Ｍｏ_２Ｃ
Ｍｏ_２Ｃは、硬質相の周辺部に固溶含有することで、結合相と硬質相の濡れ性を改善して切削インサートの強度を向上させる作用があるが、その含有割合が１質量％未満では所望の効果が得られず、一方その含有割合が５質量％を超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、Ｍｏ_２Ｃの含有割合を１〜５質量％と定めた。

（ｄ）Ｃｏ、Ｎｉ
Ｃｏ、Ｎｉは結合相を形成し、切削インサートに所望の強度と靭性を具備させるが、その合計含有割合が８質量％未満では焼結性を確保することができず、一方その合計含有割合が１４質量％を超えると摩耗が急激に進行するようになることから、その合計含有割合を８〜１４質量％と定めた。

（ｅ）Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）
Ｃｏ、Ｎｉは前述の通り結合相を形成し、切削インサートに所望の強度と靭性を具備させるが、ＣｏとＮｉの比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値が０．６未満では結合相の強度が低下し、所望の耐境界損傷性が得られず、一方その値が０．９を超えると硬質相との濡れ性の低下を招き、耐境界損傷性低下の原因となることから、ＣｏとＮｉの比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値を０．６〜０．９と定めた。

（ｆ）Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）およびＣｒ_３Ｃ_２
Ｃｒは結合相に固溶含有し、結合相の強度を向上させることで耐境界損傷性を改善する作用があるが、その結合相成分に対する比Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値が０．０４未満では所望の効果が得られず、一方その値が０．０８を越えると、焼結時の結合相の流動性の低下を招き、耐境界損傷性低下の原因となることから、Ｃｒの結合相成分に対する比Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値を０．０４〜０．０８、Ｃｒ_３Ｃ_２の含有割合に換算して０．５〜１．０質量％と定めた。

（ｇ）ＴｉＣＮ
ＴｉＣＮは、焼結時に硬質相を形成して、切削インサートの硬さを向上させ、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４５質量％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５５質量％を越えると、切削インサート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４５〜５５質量％に定めた。

この発明の切削インサートは、上記した配合組成からなる原料粉末をボールミルやアトライター等の混合方法にて混合し、プレス成形して成形体を作製した後、例えば、
（イ）室温から１３５０〜１４００℃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１４００〜１４８０℃までを６７〜４００Ｐａの窒素雰囲気中、１〜３℃／ｍｉｎの速度で昇温し、
（ハ）ついで、前記窒素雰囲気中で、前記焼結温度に０．５〜２時間保持し、
（ニ）その後、上記焼結温度から室温まで冷却する、
という条件で焼結することによって作製することができる。

この発明の切削インサートは、サーメットの成分組成を適正範囲に定め、特に、サーメットの結合相成分であるＣｏ、Ｎｉの比（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））の値、また、サーメット中に含有されるＣｒ含有量および結合相成分との比（Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））の値を適正に定めることにより、前切れ刃側の境界損傷の発生を抑制し、その結果、前切れ刃側の境界損傷が被加工物に転写されることによって生じる、寸法精度・仕上げ面粗さの低下を防止し、もって、長期の使用にわたって、良好な寸法精度の維持性と仕上げ面粗さ維持性を示し仕上げ面加工性にすぐれるという効果を発揮するものである。

つぎに、この発明の切削インサート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ＴｉＣＮ粉末、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２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の圧力で成形体にプレス成形し、この成形体を、結合相量に応じ以下の焼結条件で焼結した。
（ａ）室温から１３５０〜１４００℃の範囲内の所定の温度までの昇温を、１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で昇温し、
（ｂ）上記温度から１４００〜１４８０℃の範囲内の所定の焼結温度までを１３３Ｐａの窒素雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で昇温し、
（ｃ）前記窒素雰囲気中、前記焼結温度に１．５時間保持を行う、
以上（ａ）〜（ｃ）の工程からなる条件で焼結し、表２に示されるＩＳＯ・ＤＮＭＧ１５０４０４に規定する形状・寸法を有し、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施した本発明炭窒化チタン基サーメット製切削インサート（以下、「本発明切削インサート」という）１〜１０をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、表３で示される配合組成の圧粉体を、上記実施例と実質的に同一の条件で焼結し、表４に示されるＩＳＯ・ＤＮＭＧ１５０４０４に規定する形状・寸法を有し、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施した比較炭窒化チタン基サーメット製切削インサート（以下、「比較切削インサート」という）１〜１０をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の本発明切削インサート１〜１０および比較切削インサート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・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．１ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ、
加工数： ５０００個
の条件での炭素鋼の湿式切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、前切れ刃側境界損傷深さ、被加工物の寸法変化および十点平均粗さＲｚを測定した。
表２、表４に、この測定結果を示す。

なお、前切れ刃側境界損傷深さ、被加工物の寸法変化および十点平均粗さＲｚの測定は、以下の方法で行った。
（ａ）前切れ刃側境界損傷深さ：レーザーを用いた非接触式３次元形状測定装置にて切れ刃逃げ面の形状測定を行い、前切れ刃側境界損傷深さを測定した。
（ｂ）被加工物の寸法変化：マイクロメーターにて被加工物の直径を測定し、加工数１個目の直径を基準とした直径の変化量を寸法変化として測定した。
（ｃ）被加工物の十点平均粗さ：接触式表面粗さ測定装置にて、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に従いカットオフ値０．８ｍｍにおける十点平均粗さを測定した。

表２に示される結果から、本発明の配合組成からなる本発明切削インサート１〜１０は、切刃の逃げ面摩耗幅、前切れ刃側境界損傷深さ、被加工物の寸法変化および十点平均粗さＲｚのいずれもが小さく、すぐれた耐摩耗性を示すと同時に、長期の使用にわたって良好な寸法精度の維持性と仕上げ面粗さ維持性を発揮し、仕上げ面加工にすぐれた切削インサートであることが分かる。
一方、表４に示される結果から、本発明の配合組成から外れた組成を有する比較切削インサートは、被加工物の寸法精度および仕上げ面粗さの維持性のいずれもが劣るばかりか、耐摩耗性にも劣ることは明らかである。

上述のように、この発明の切削インサートは、鋼や鋳鉄などの切削加工において、長期の使用にわたって、すぐれた寸法精度の維持性と仕上げ面粗さ維持性を発揮し、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。

Claims (1)

1. 質量％で、
   炭化タングステン（ＷＣ）： ２５〜３０％、
   炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）のうちの１種または２種の合計： ４〜８％、
   炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）： １〜５％、
   炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）： ０．５〜１．０％、
   コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）の合計： ８〜１４％、
   炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）： ４５〜５５％
   からなる配合組成を有する成形体を焼結して得られる炭窒化チタン基サーメット製切削インサートであって、
   コバルトとニッケルの含有量比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９、
   コバルトとニッケルに対するクロムの含有量比Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．０４〜０．０８、
   であることを特徴とする炭窒化チタン基サーメット製切削インサート。