JP2021006356A

JP2021006356A - 切削工具およびその表面保護皮膜の形成に使用する素材

Info

Publication number: JP2021006356A
Application number: JP2019120650A
Authority: JP
Inventors: 崇中井; Takashi Nakai; 克彦森; Katsuhiko Mori
Original assignee: Diamet Corp
Current assignee: Diamet Corp
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-01-21
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: JP7227089B2; WO2020262435A1

Abstract

【課題】快削性焼結材の切削であっても、長い工具寿命を有する切削工具とその製造のための成形体を提供する。【解決手段】被削材の切削前の切削工具表面に、被削材に添加された物質に由来する耐摩耗性改善物質を含む表面保護皮膜を有することを特徴とする切削工具、および、前記耐摩耗性改善物質の原料となる物質を含むことを特徴とする成形体。【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具、特に、被削性改善添加剤を含んだ金属粉末の成形体を焼結した焼結体（快削性焼結材）を切削加工する際に用いられる切削工具、および、当該切削工具の刃先稜線近傍に表面保護皮膜の形成をするために使用される素材や成形体に関する。

金属を主とする原料粉末を圧縮して圧粉体を形成した後、この圧粉体を加熱して焼結し、所定形状の焼結体を成形する粉末冶金法が知られている。この粉末冶金法は、原料粉末を圧縮成形した後、焼結するため、製品形状の自由度が大で、比較的複雑な形状の製品を安価に製造することができる。

しかし、粉末冶金の圧縮成形のみにより複雑な形状の製品を作ることは困難である場合があり、焼結体製造後に種々の加工、例えば、切削工具を用いて切削加工を行う場合が多い。しかし、この切削工具は、摩耗が生じやすいため工具寿命が短く、そのため、製品製造のためのコストがかさんでしまう。そこで、切削工具の寿命を長くさせるために、検討がなされている。

例えば、特許文献１には、ガラス等の非金属粉末を１０体積％以下添加し、混合し、該混合粉末を焼結させたことを特徴とする快削性焼結材を切削すると、前記非金属粉末が切削時に工具表面に保護皮膜を形成し、切削工具の摩耗を抑制し、切削工具の寿命を延ばすことが記載されている。

特開昭６３−９３８４２号公報

しかし、特許文献１に記載された切削工具は、その表面の非金属粉末を含む保護皮膜（ベラーグを有する皮膜）により摩耗が抑制され、工具寿命が向上してはいるものの、本発明者の検討によれば、前記非金属粉末が添加された快削性焼結材の切削においても、さらに工具寿命が伸ばせる余地があることが判明した。

そこで、本発明は、前記非金属粉末が添加された快削性焼結材の切削であっても、より長い工具寿命を有する切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、特許文献１に記載された切削工具の工具寿命が十分に長くない理由について鋭意検討したところ、以下の知見を得た。
（１）快削性焼結材に含まれる非金属粉末に由来して形成される切削工具表面の表面保護皮膜が、切刃加工または切刃加工後表面硬化処理が施され未だ切削加工に供されたことがない新品の切削工具（被削材の切削加工前の切削工具）では、快削性焼結材の切削開始後しばらくの期間は形成されていないため、表面保護皮膜が形成されるまでの間の摩耗が無視できない量であること。

（２）前記表面保護皮膜は、保護を必要とする刃先稜線近傍に均一に形成されていないため、耐摩耗性に改善の余地があること。
（３）前記表面保護皮膜形成は、例えば、切刃加工または切刃加工後表面硬化処理が施され未だ切削加工に供されたことがない新品の切削工具（被削材の切削加工前の切削工具）によって、所定の成分を有する成形体（被削材、素材）を所定条件で切削することにより形成させることができること。

本発明は、これら知見に基づくものであって、以下のとおりである。
「（１）被削材の切削前の切削工具表面に、成形体に添加された物質に由来する耐摩耗性改善物質を含む表面保護皮膜を有することを特徴とする切削工具。
（２）前記成形体に添加された物質は、モース硬度が４以下の物質であることを特徴とする前記（１）に記載の切削工具。
（３）前記成形体に添加された物質は、含水珪酸マグネシウムであることを特徴とする前記（１）または（２）のいずれかに記載の切削工具。
（４）前記表面保護皮膜は、刃先稜線から、すくい面（Ａ）方向に１００〜６０００μｍ、逃げ面（Ｂ）方向に１０〜１０００μｍの範囲に、かつ、厚さ（Ｔ）０．００１〜２００μｍの範囲に形成されていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の切削工具。
（５）前記（１）の耐摩耗性改善物質の原料となる物質を含むことを特徴とする成形体。
（６）前記成形体が樹脂成形体であることを特徴とする前記（５）の成形体。
（７）前記樹脂成形体が樹脂圧粉体または樹脂硬化体であることを特徴とする前記（６）の成形体。
（８）前記成形体が金属成形体であることを特徴とする前記（５）の成形体。
（９）前記金属成形体が金属圧粉体または金属焼結体であることを特徴とする前記（８）の成形体。
（１０）前記（１）の耐摩耗性改善物質を含むめっき原料。」

本発明の切削工具は、切刃加工または切刃加工後表面硬化処理が施され未だ切削加工に供されたことがない新品の工具（被削材の切削加工前の切削工具）の使用を開始した時点であっても、切削工具の耐摩耗性を必要とする部位に耐摩耗性を有する表面保護皮膜が形成されているため、工具寿命が長いという優れた効果を発揮する。

本発明の切削工具において表面保護皮膜が設けられる箇所を説明する刃先の断面図である。実施例と比較例の切削工具の逃げ面の摩耗量を示す図である。

以下、本発明の切削工具、および、この切削工具の刃先稜線近傍に表面保護皮膜を形成するための素材や成形体について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「〜」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものである。

工具基体
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。一例を挙げるならば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、ｃＢＮ焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。これらの各種の基材の中でも、とりわけ、ＷＣ基超硬合金、サーメット（ＴｉＣＮ基サーメット）、ｃＢＮ焼結体を選択することが好ましい。その理由は、これらが高温における硬度と強度とのバランスに優れ、切削工具の工具基体として優れているためである。

表面保護皮膜
（１）機能
本発明の切削工具に設けられる表面保護皮膜は、工具基体に存在する耐摩耗性の低い箇所（柔らかい箇所）を保護して、切削工具として使用したときに耐摩耗性を発揮させるものである。そのため、この表面保護皮膜は、耐摩耗性を確保するために工具基体の軟らかい箇所よりも柔らかい物性を有する物質（以下、耐摩耗性改善物質と云うことがある）が所定量含まれていなければならない。
なお、表面保護皮膜には、耐摩耗性改善物質の他の成分として、耐摩耗性改善物質により改善される耐摩耗性を阻害しない物質（例えば、表面保護皮膜を形成する際に不可避的に含まれてしまう物質）を含んでよいが、その量は、耐摩耗性の改善を阻害するものであってはならない。

（２）耐摩耗性改善物質
表面保護皮膜に含まれる耐摩耗性改善物質は、切削工具の耐摩耗性を向上させる物質であれば、特段の制約がないが、例えば、ＩＵＰＡＣの１族（旧ＩＵＰＡＣの１Ａ族、アルカリ金属）、同２族（同２Ａ族、アルカリ土類金属）、同１３族（同３Ｂ族、硼素族）、同１４族（同４Ｂ族、炭素族）等の各酸化物、複合酸化物が好ましい。ただし、ここで云う酸化物、複合酸化物は従来公知のあらゆる原子比をもった酸化物、複合酸化物を含み、必ずしも化学量論的なものに限定されない。耐摩耗性改善物質としてＭｇおよびＳｉの各酸化物、並びに、これらの複合酸化物がより好ましい。また、これらの酸化物・複合酸化物は、工具基体およびその表面に形成される皮膜の成分を含まないものが存在する。

例えば、工具基体がＷＣ基超硬合金であるとき、耐摩耗性改善物質はＷＣ粉末を結合するためのＣｏ等の物質よりも柔らかい原料物質から由来することが好ましい。ここで、この柔らかさをモース硬度で表すならば、Ｃｏのモース硬度が約５〜６であるから、モース硬度が４以下である柔らかい物質に由来することが好ましい。また、モース硬度がより低い、すなわち、モース硬度が１に近い耐摩耗性改善物質がより一層好ましく例えば、モース硬度１の含水珪酸マグネシウムが最も好ましい。
また、この耐摩耗性改善物質は、表面保護皮膜中に均一に存在することが好ましい。

（３）表面保護皮膜が形成される箇所
図１に示すように、表面保護皮膜は刃先稜線から、すくい面（Ａ）方向に１００〜６０００μｍ、逃げ面（Ｂ）方向に１０〜１０００μｍの範囲に、かつ、厚さ（Ｔ）が０．００１〜２００μｍの範囲に存在することが、好ましい。
ここで、表面保護皮膜が形成される範囲をすくい面（Ａ）方向に１００〜６０００μｍとする理由は、１００μｍ未満では一般的な切込み量で使用する場合は耐摩耗性の改善が不十分であり、一方、上限は特に規定する必要はないが、６０００μｍ超えでは、一般的な切込み量で使用する場合はそれ以上の被膜範囲は不必要なため敢えて規定した。また、表面保護皮膜が形成される範囲を逃げ面（Ｂ）方向に１０〜１０００μｍとする理由は、１０μｍ未満では耐摩耗性の改善が不十分であり、一方、上限は特に規定する必要がないが、１０００μｍ超えでは、一般的な切削加工精度で使用する場合の逃げ面摩耗量の幅を超えているのでそれ以上の被膜範囲は不必要なため敢えて規定した。
さらに、表面保護皮膜の厚さ（Ｔ）を０．００１〜２００μｍの範囲とする理由は、０．００１μｍ未満では耐摩耗性の改善が不十分であり、２００μｍを超えると切削加工精度が低下するためである。

なお、刃先稜線とは、図１（切削工具刃先の断面図）に示すように、すくい面と逃げ面とをそれぞれ直線で近似したときに、当該直線が屈曲する点を結んだ領域（すなわち、硬質被覆層表面におけるすくい面の屈曲点から逃げ面の屈曲点までの領域）の中で、前記近似直線の交点から最も近い硬質被覆層表面の点（点線の矢印が示す箇所）であり、刃先稜線からすくい面側および逃げ面側への距離とは前記交点からの距離をいう。

（４）表面保護皮膜の製造方法
表面保護皮膜の製造方法は、耐摩耗性改善物質を含んだ表面保護皮膜が形成できれば、特段の制約はなく、耐摩耗性改善物質を有するめっき材料を使った表面処理を用いて形成することもできる。ここでは、一例として、な耐摩耗性改善物質を形成する成分を含んだ原料物質を有する素材を成形体（被削体）として作成し、この成形体（被削体）に対して刃先加工または切刃加工後表面硬化処理（切削工具に設けられる公知の硬質被覆層を被覆する処理）が施された未だ切削加工に供されたことがない新品の切削工具による切削加工を行って、表面保護皮膜を形成する場合について説明する。

（ａ）耐摩耗性改善物質を形成する成分を有する原料物質を含んだ成形体（被削体）の作製：
耐摩耗性改善物質を形成する成分を有する原料物質を含んだ成形体（被削体）とは、耐摩耗性改善物質を形成する成分を有する原料物質と成形素材のための母材物質を有する原料物質を含むものであればよい。

耐摩耗性改善物質を形成する成分を有する原料物質とは、切削工具の表面保護皮膜に前述の耐摩耗性改善物質を形成する物質を含むものであればよく、天然物、人工物のいずれでもよい。天然物としては鉱石を例示できる。

また、成形素材のための母材物質を有する原料物質とは、切削工具によって切削加工できる成形体（被削体）を作製できればよく、有機成形体（被削体）の原料となる樹脂、無機成形体（被削体）の原料物質となる金属を例示することができる。

さらに、成形体（被削体）の製造は、従来公知のものを適宜採用すればよく、耐摩耗性改善物質を形成する成分を有する原料物質粉と成形素材のための母材物質を有する原料物質粉とを混合して、所定時間にわたって、加熱・加圧して、または、焼結して製造することができる。ここで、各原料物質粉の粒径、混合割合、加熱・加圧または焼結温度・焼結雰囲気等は、表面保護皮膜を前述の刃先稜線から所定の範囲に形成するために、表面保護皮膜を形成する切削工具の形状、材質等を考慮して適宜決定される。

（ｂ）切削工具へ表面保護皮膜の形成：
前記（ａ）より作製した成形体を、刃先加工または切刃加工後表面硬化処理を施した未だ切削加工に供していない新品の切削工具（被削材の切削加工前の切削工具）により切削して、この切削工具に表面保護皮膜を形成する。ここで、切削条件（旋盤周速、送り、切込量等）も表面保護皮膜を前述の刃先稜線から所定の範囲に形成するために、表面保護皮膜を形成する切削工具の形状、材質等を考慮して適宜決定される。

次に、実施例について説明する。
ここでは、切削工具の具体例として、工具基体としてＷＣ基超硬合金を用いたインサート切削工具に適用したものについて述べるが、工具基体として、他の素材、例えば、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ基超高圧焼結体を用いた場合であっても同様であるし、ドリル、エンドミルに適用した場合も同様である。また、有機物の成形体（被削体）、例えば、樹脂圧粉体や、樹脂硬化体（実施例）の他に、無機の成形体（被削体）、例えば、金属圧粉体や、金属焼結体であっても同様である。

（ａ）耐摩耗性改善物質を形成する成分を含んだ原料物質を含んだ成形体（被削体）の作製：
熱硬化性メラミン樹脂粉（株式会社台和：フレアミンＺ）９０質量％と平均粒径（メディアン径ｄ５０、以下同様）１５μｍの含水珪酸マグネシウム粉１０質量％を混合機で混合し混合粉を得た。
続いて、１５０℃で予備加熱された外径φ３８の円柱金型で前記混合粉を圧縮しながら１０分間加熱し、メラミン樹脂で含水珪酸マグネシウムを固めたφ３８×３０の成形体を作製した。

（ｂ）切削工具へ表面保護皮膜の形成：
前記（ａ）で作製した成形体（被削体）を旋盤機に取り付け、未だ切削加工に供していない新品（被削材の切削加工前の切削工具）のノンコート（硬質被覆層を有していない）超硬材のインサート（三菱マテリアルＣＮＭＧ１２０４０８（材質ＵＴｉ２０Ｔ））で、その外径を次の切削加工条件により切削した。
切削加工条件：
旋盤回転数：６００ｒｐｍ
切込量：０．２５ｍｍを２回

この切削後の切削工具は、表面保護皮膜が、刃先稜線から、すくい面（Ａ）方向に３０００μｍ、逃げ面（Ｂ）方向に５００μｍの範囲に、かつ、厚さ１００μｍの範囲に存在していた。

次に、この切削工具（実施例）と同じインサートである、未だ切削加工に供していない新品（被削材の切削加工前の切削工具）のノンコート（硬質被覆層を有していない）切削工具（比較例：特許文献１に記載された切削工具に相当する）とを、次の被削材に対して同じ切削条件で切削加工に供し、逃げ面の摩耗量を比較した。図２に結果を示す。

被削材：
平均粒径７０μｍの鉄粉９７．１質量％、平均粒径４５μｍの銅粉２．０質量％、平均粒径２０μｍの黒鉛粉０．８質量％、平均粒径１５μｍの含水珪酸マグネシウム粉０．１質量％、平均粒径２５μｍのエチレンビスステアリン酸アミド０．７外質量％を混合機で混合した混合粉を用意し、外径φ５５内径φ２０のリング金型で前記混合粉を６ｔ／ｃｍ^２の圧力で圧縮成形して外径φ５５×内径φ２５×１５の成形体を作製し、１１３０℃×３０分（吸熱性還元ガス雰囲気）の焼結条件で成形体を焼結したもの。

実施例と比較例との比較のための切削条件：
（乾式切削）
旋盤周速：７５ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切込量：０．５ｍｍ

図２から明らかなように、本発明の切削工具は比較例の切削工具に対して、全切削長にわたって、逃げ面の摩耗量が少なく、切刃加工が施された切削加工に未だ供していない新品（被削材の切削加工前の切削工具）の工具の使用を開始した時点であっても、切削工具の耐摩耗性を必要とする部位に耐摩耗性を有する表面保護皮膜が形成されているため、工具寿命が長いことが確認できる。

前述のように、本発明の切削工具は、長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化及び省エネ化、さらには低コスト化に十分に満足できる対応が可能である。

Claims

被削材の切削前の切削工具表面に、成形体に添加された物質に由来する耐摩耗性改善物質を含む表面保護皮膜を有することを特徴とする切削工具。
前記成形体に添加された物質は、モース硬度が４以下の物質であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
前記成形体に添加された物質は、含水珪酸マグネシウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の切削工具。
前記表面保護皮膜は、刃先稜線から、すくい面（Ａ）方向に１００〜６０００μｍ、逃げ面（Ｂ）方向に１０〜１０００μｍの範囲に、かつ、厚さ（Ｔ）０．００１〜２００μｍの範囲に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具。
請求項１に記載の耐摩耗性改善物質の原料となる物質を含むことを特徴とする成形体。
前記成形体が樹脂成形体であることを特徴とする請求項５に記載の成形体。
前記樹脂成形体が樹脂圧粉体または樹脂硬化体であることを特徴とする請求項６に記載の成形体
前記成形体が金属成形体であることを特徴とする請求項５に記載の成形体。
前記金属成形体が金属圧粉体または金属焼結体であることを特徴とする請求項８に記載の成形体。
請求項１の耐摩耗性改善物質を含むめっき原料。