JP2022147103A

JP2022147103A - 切削工具

Info

Publication number: JP2022147103A
Application number: JP2021048219A
Authority: JP
Inventors: 龍市川; Ryo Ichikawa; 佳祐河原; Keisuke Kawahara; 誠五十嵐; Makoto Igarashi; 一樹岡田; Kazuki Okada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2022-10-06

Abstract

【課題】チタン合金やステンレス鋼等の難削材の切削加工に供しても、刃先が耐塑性変形性、耐チッピング性を有し、耐久性の優れた切削工具の提供。【解決手段】ＣｏとＮｉのいずれか１種または２種を４．０～１５．０質量％、Ｃｒ３Ｃ２を０．５質量％以下、ＶＣを０．５質量％以下、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＨｆＣのいずれか１種または２種以上を１２．０質量％以下含み、残部がＷＣおよび不可避的不純物からなり、前記ＷＣの平均粒径が０．５～４．０μｍであって、工具表面から１２μｍ離れた内部迄の領域に存在するすべての結合相のうち、多結晶結合相が占める面積割合が７０％以上である、ことを特徴とする切削工具。【選択図】図１

Description

本発明は、超硬合金（ＷＣ基焼結合金）を用いた切削工具に関するものである。

超硬合金は、機械的強度、耐熱疲労性等に優れるため、金属の切削工具として用いられている。そして、この切削工具の使用条件は、切削加工の高能率化により厳しいものとなっており、切削工具にはより一層の耐久性が求められている。

そのため、切削工具に使用される超硬合金に対して、耐久性を向上させるべく種々の提案がなされている。この提案の中には、硬度、靭性、耐折損性の向上を目的として結合相の結晶粒を制御するものがある。

例えば、特許文献１には、Ｃｏの結晶構造が０≦Ｉ（Ｃｏ・ｈｃｐ）／Ｉ（Ｃｏ・ｆｃｃ）≦０．１（Ｉ（Ｃｏ・ｈｃｐ）はｈｃｐ構造のＣｏの（１０１）面におけるＸ線回折強度で、Ｉ（Ｃｏ・ｆｃｃ）はｆｃｃ構造のＣｏの（１１１）面におけるＸ線回折強度である）を満たし、さらに、Ｃｏの格子定数が３．５７０以上である超硬合金が記載され、該超硬合金は靭性と強度、特に衝撃強度とが両立しているとされている。

また、例えば、特許文献２には、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＣＮから選択された少なくとも１種からなる硬質相と、鉄族金属からなる結合相とを具え、前記結合相が、硬質相粉末の３倍以上の平均粒径を有する結合相粉末で通電加圧焼結されて形成され、通電加圧焼結を行う焼結装置の加圧軸と平行な硬質合金の断面においてアスペクト比が５～２０となる扁平な形状で、加圧軸と垂直な方向に伸びるように配列に方向性を有している結合相組織を含む超硬合金が記載され、該超硬合金は高靱性で硬度や強度も優れているとされている。

さらに、例えば、特許文献３には、ＷＣの平均粒径が０．８μｍ以下である微粒超硬合金において、結合相粒の平均粒径が２００μｍ以下である超硬合金が記載され、該超硬合金は耐折損性が優れているとされている。

特許第４５３７５０１号公報特許第４１７７４６７号公報特開２００４－３４６３７０号公報

本発明者の検討によれば、前記特許文献１～３に記載された超硬合金を、チタン合金やステンレス鋼等の難削材の切削工具として用いたとき、耐塑性変形性、耐チッピング性が十分でないことが判明した。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであって、チタン合金やステンレス鋼等の難削材の切削加工に供しても、刃先の耐塑性変形性、耐チッピング性が向上し、耐久性の優れた切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的を達成する切削工具を得るべく、鋭意検討を行った。その結果、切削工具を構成する超硬合金において、その組成を所定のものとし、かつ、複数の結晶から構成される結合相を所定の割合で有する領域が切削工具表面の近傍に存在すると、刃先の耐塑性変形性、耐チッピング性を有し、耐久性の優れた切削工具を得ることができるとの知見を得た。

本発明は、この知見に基づくものであって、次のとおりのものである。
「（１）ＣｏとＮｉのいずれか１種または２種を４．０～１５．０質量％、
Ｃｒ_３Ｃ_２を０．５質量％以下、
ＶＣを０．５質量％以下、
ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＨｆＣのいずれか１種または２種以上を１２．０質量％以下含み、
残部がＷＣおよび不可避的不純物からなり、
前記ＷＣの平均粒径が０．５～４．０μｍであって、
表面から１２μｍ離れた内部迄の領域に存在するすべての結合相のうち、多結晶結合相が占める面積割合が７０％以上である、
ことを特徴とする切削工具。
（２）切刃に表面被覆層を有することを特徴とする前記（１）に記載の切削工具。」

本発明の切削工具は、耐塑性変形性と耐チッピング性に優れ、チタン合金やステンレス鋼等の難削材の切削加工に供しても優れた耐久性を発揮する。

観察視野内の本発明の硬質相と結合相の一例を示す模式図である。切刃の逃げ面塑性変形量の一例を示す模式図である。なお、上図（すくい面）は平面図、下図（切刃側逃げ面）は側面図である。

以下、本発明の実施形態に係る切削工具、特に、インサートとして用いられる場合を中心に説明する。
なお、明細書、特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｍ～Ｎ」（Ｍ、Ｎは共に数値）を用いて表現する場合、その範囲は上限（Ｎ）および下限（Ｍ）の数値を含むものとする。

１．組成
本実施形態の切削工具の組成は、
ＣｏとＮｉのいずれか１種または２種を４．０～１５．０質量％、
Ｃｒ_３Ｃ_２を０．５質量％以下、
ＶＣを０．５質量％以下、
ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＨｆＣのいずれか１種または２種以上を１２．０質量％以下含み、
残部がＷＣおよび不可避的不純物からなる。
以下、順に説明する。

（１）ＣｏとＮｉ
ＣｏとＮｉのいずれか１種または２種の含有割合は４．０～１５．０質量％であることが好ましい。その理由は、４．０質量％未満では、耐チッピング性や耐欠損性が十分でなく、一方、１５．０質量％以上では、耐塑性変形性および耐摩耗性が不十分となるためである。
ＣｏとＮｉは、主に結合相に存在し、結合相の主成分、すなわち、結合相を形成するすべての成分に対して、ＣｏとＮｉのいずれか１種または２種が５０質量％以上を占めている。

結合相は、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖの１種または２種以上を含んでいてもよい。これら元素が結合相中に存在するときは、結合相に固溶した状態であると推定される。さらに、結合相中には、硬質相の成分であるＷやＣ、その他の不可避的不純物が含まれていてもよい。

（２）Ｃｒ_３Ｃ_２
切削工具の耐塑性変形性を向上させるため、Ｃｒを含有させることが好ましい（Ｃｒの含有は必須ではない）。その含有割合は切削工具全体に対して、Ｃｒ_３Ｃ_２で換算して０．５質量％以下が好ましい。

（３）ＶＣ
切削工具の耐塑性変形性を向上させるため、Ｖを含有させることが好ましい（Ｖの含有は必須ではない）。その含有割合は切削工具全体に対して、ＶＣで換算して０．５質量％以下が好ましい。

（４）ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＨｆＣ
ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＨｆＣのいずれか１種または２種以上は、γ相を形成する。γ相は存在しなくてもよいが、存在する場合の含有割合は、Ｍ（金属原子）とＣが１：１で結合した炭化物と仮定して、ＭＣにより示される化合物の１種または２種以上が切削工具全体に対して、最大で１２．０質量％含まれることが好ましい。その理由は、１２．０質量％を超えると、切削工具の耐摩耗性が不十分となり、また、切削工具内部で凝集体が生じやすく、欠損発生の起点となるためである。

（５）ＷＣ
ＷＣは硬質相の主成分である。硬質相には、製造過程で不可避的に混入する不可避不純物が含まれていてもよい。

また、ＷＣの平均粒径は、０．５～４．０μｍが好ましい。その理由は、０．５μｍ未満であると、硬質相同士の滑りが生じて耐塑性変形性や耐欠損性が十分ではなく、一方、４．０μｍを超えると、十分な耐摩耗性が得られないためである。ＷＣの平均粒径は、１．０．～３．０μｍがより好ましい。

ＷＣの平均粒径は、ピクセルサイズにて観察し、画像解析によって、少なくとも３００個の各硬質相の面積を求め、その面積に等しい円の直径を算出して平均したものである。

（６）不可避的不純物
前記のように、硬質相、結合相は製造過程で不可避的に混入する不純物を含んでいてもよく、その量は切削工具全体を１００質量％として外数として０．３質量％以下が好ましい。

２．結合相の組織
図１に模式的に示すように、切削工具表面から１２μｍ離れた切削工具の内部の領域では、多結晶結合相（Ａ）、多結晶ではない結合相（Ｂ）および結合相以外の相（Ｃ）から、構成されている。
そして、前記内部の領域では、多結晶結合相（Ａ）が全ての結合相（（Ａ）と（Ｂ）の和）に占める面積割合が７０％以上であることが好ましい。
なお、前記内部の領域は、切削工具の表面から１２μｍあればよく、同３０μｍ離れた内部まで及んでいても、前述の発明が解決しようとする課題は解決される。

多結晶結合相とは、一つの結合相が２以上の結晶粒により構成されているものをいい、後述する測定方法によって、各結晶粒の結晶方位差が５度以上の粒界によって分断されているもの、および一つの結合相が異なる結晶構造を有するものをいう。そして、切削工具の前記内部の領域では、この多結晶結合相が占める面積割合、すなわち、
（多結晶結合相の占める面積）／（結合相の全面積）
が７０％以上であると、切削工具の耐塑性変形性、耐チッピング性が向上する。

ここで、前記内部の領域において、多結晶結合相の占める面積割合が７０％以上であると、切削工具の耐塑性変形性、耐チッピング性が向上する理由は定かでないところがあるが、多結晶結合相内に存在する粒界によって塑性変形の原因となる転位の滑り運動が阻害されるためと考えている。

なお、特許請求の範囲、明細書において、切削工具の表面とは、縦断面における切削工具表面の一番深い谷とその次に深い谷を結んだ線をいう。切削工具の表面から１２μｍ離れるとは、この線の垂線上に工具内部に向かって１２μｍ離れていることをいう。
縦断面とは、切削工具がインサートのとき、その表面の凹凸を無視して、切削工具の表面が水平面であると扱ったときの切削工具表面に垂直な方向の断面であって、この垂直な方向は前述の垂線の方向と必ずしも一致しない。
また、切削工具が、ドリルのような中心軸を持つものは、縦断面とは、この軸に垂直な断面をいう。

３．表面被覆層
本実施形態の切削工具は、そのままでも、前述の目的を達成することができるが、切刃を含む切削工具の表面に表面被覆層を設けてもよい。表面被覆層を設けると、より確実に前述の目的を達成することができる。なお、表面被覆層には、特段の制約はなく、公知のものを適宜用いることができる。

４．各値の測定方法
ＷＣの平均結晶粒および多結晶結合相の面積割合は、それぞれ、以下のようにして測定する。

（１）観察視野
ＥＤＳ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）とＥＢＳＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＰａｔｔｅｒｎ）を備えたＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｉｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて、１視野の大きさが２０μｍ（縦）×７０μｍ（横）、ピクセルサイズ４０ｎｍ（縦）×４０ｎｍ（横）の観察視野を設定する。

（２）観察範囲
切削工具の表面から１２μｍまでの深さの領域を断面観察したときに、当該領域にＷＣ粒子数、結合相数がそれぞれ４０００個以上となるように、かつ、１観察視野あたりに切削工具表面を６０～７０μｍ含むようにして、例えば１０００倍の倍率で複数視野（５以上）観察する。結合相およびγ相はＥＤＳの同時測定によって識別できる。

次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

１．原料粉末と配合
まず、焼結用の粉末として、表１に示す平均粒径（ｄ５０）が０．５～４．０μｍのＷＣ粉末、および、平均粒径（ｄ５０）が、いずれも、１．０～４．０μｍの範囲内のＣｏ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＨｆＣ粉末、ＶＣ粉末を用意した。

２．成形体の作成
次に、これらの粉末を、表１に示す配合組成となるように配合して、焼結用粉末を作製し、ボールミルで７２時間湿式混合し、スプレードライヤーにより乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で、ＡＮＳＩ呼び記号ＣＮＭＧ４３２ＭＳの形状を得るべくプレス成形して圧粉成形体を作製した。

３．焼結
続いて、これらの圧粉成形体を、所定の温度で所定時間保持する本焼結工程を行った。本実施例では、表２に示す条件、すなわち、０．１Ｐａ以下の真空雰囲気中、１３５０～１４５０℃の保持温度範囲まで加熱し、該保持温度で６０～１２０分保持を行った。

４．第１回ブラスト処理
砥粒として超硬造粒粉末（超硬合金の作製時に使用したものと同一の造粒粉末）を用い、表２に示す条件で処理した。表２に示す条件は、概ね次のとおりであった。
砥粒サイズ：直径１００～２００μｍ
ブラスト圧力：０．２０～０．４０ＭＰａ
投射時間：１０～２０秒
投射角度：工具表面の法線に対して３５～５５度
工具表面の法線とは、切削工具の表面の凹凸を無視して、切削工具の表面が水平面であると扱ったときの切削工具表面の法線をいい、前述の垂線とは必ずしも一致しない。

５．熱処理
０．１Ｐａ以下の真空雰囲気中で、表２に示すように７００～１０００℃で５～５０時間保持した。

６．第２回ブラスト処理
ブラスト処理液として、Ａｌ_２Ｏ_３砥粒を含んだ水を用いて、表２に示す条件で処理した。表２に示す条件は、概ね次のとおりであった。
メディア（砥粒）サイズ：１７０～５００（メッシュ）
メディア濃度：１５～６０質量％
ブラスト圧力：０．１０～０．１５ＭＰａ
投射時間：６～６０秒
投射角度：工具表面の法線に対して３５～５５度
工具表面の法線とは、切削工具の表面の凹凸を無視して、切削工具の表面が水平面であると扱ったときの切削工具表面の法線をいい、前述の垂線とは必ずしも一致しない。

７．後処理
次に、機械加工、研削加工を行い、ＣＮＭＧ４３２ＭＳの形状に整え、表３に示す切削工具１～１０（以下、実施例１～１０という）を作製した。

比較のために、比較例の切削工具１’～７’（以下、比較例１’～７’という）を製造した。
その製造工程は、実施例１～１０の製造工程において、第１回ブラスト処理工程および熱処理工程、第２回ブラスト処理工程を省略したもの（表２では、各工程条件が「－」で記載されているもの）、あるいは、前述の製造条件を外れた表２に示す第１回ブラスト処理工程、あるいは熱処理工程を行ったものである。

すなわち、表１に示す配合組成に配合した焼結用粉末を、ボールミルで７２時間湿式混合し、スプレードライヤーにより乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形してＣＮＭＧ４３２ＭＳの形状の圧粉成形体を作製し、表２に示す条件、すなわち、加熱温度：１３５０～１４５０℃、かつ、加熱保持時間：６０～１２０分、０．１Ｐａ以下の真空雰囲気の条件で本焼結し、第１回ブラスト処理を行うものは、ブラスト圧力：０．１０～０．２０ＭＰａ、投射時間：１０～２０秒、投射角度：工具表面の法線に対して３５～５５度の条件で行い、熱処理工程を行うものは、加熱温度：４００～８５０℃、かつ、加熱保持時間：１０～５０時間、０．１Ｐａ以下の真空雰囲気で行い、第２回ブラスト処理を行うものは、メディア（砥粒）：Ａｌ_２Ｏ_３砥粒、メディアサイズ：２３０～５００（メッシュ）、ブラスト圧力：０．１０～０．１５ＭＰａ、投射時間：６～６０秒、投射角度：工具表面の法線に対して３５～５５度の条件で行い、これを機械加工、研削加工し、ＣＮＭＧ４３２ＭＳインサート形状の表４に示す比較例工具１’～７’を作製した。

実施例１～１０および比較例１’～７’の切削工具について、前述の観察視野をもとに、成分組成、ＷＣの平均粒径、を求め、結果を表３、表４に示す。なお、不可避的不純物の含有割合は、前述の好ましい範囲にあったことを確認している。

次に、前記実施例１～１０および比較例１’～７’の表面に、表５に示す平均層厚の硬質被覆層をＣＶＤ法で被覆形成した。

実施例１～１０および比較例１’～７’対し、以下の切削試験を行い、切刃の逃げ面塑性変形量を測定するとともに、切れ刃の損耗状態を観察した。

以下の切削試験では、切刃の逃げ面塑性変形量として次のものを採用した。すなわち、切削前の変形していない切刃稜線を基準とし、切削によって切刃稜線が押し込まれて変形した量を切刃の逃げ面塑性変形量とした。

具体的には、図２に示すように、工具の主切刃側逃げ面（３）について、切刃から十分離れた位置で切刃（４）側逃げ面（３）とすくい面（２）が交差する稜線上に線分を引き、同線分を切刃部方向に延伸し、延伸した線分（６）と切刃部稜線間の距離（延伸した線分の垂直方向）が最も離れている部分を測定し、これを切刃の逃げ面塑性変形量（５）とした。また、切削時間終了後に切刃の損耗状態を観察した。
表６に、その切削試験の結果を示す。

Ｔｉ―６Ａｌ―４Ｖ合金丸棒の湿式外径旋削加工（直径２００ｍｍ）
被削材：Ｔｉ―６Ａｌ―４Ｖ合金
切削速度：８０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：１．０ｍｍ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５分

また、前述の被覆層を有していない前記本発明１～４、比較例１’～４’に対して、以下の切削試験を行い、切刃の逃げ面塑性変形量を測定するとともに、切れ刃の損耗状態を観察した。
表７に、その切削試験の結果を示す。

ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４丸棒の湿式外径旋削加工（直径２００ｍｍ）
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
湿式水溶性切削油使用。

表６および表７に示される試験結果によれば、実施例は、いずれも、寿命に影響を及ぼす重度のチッピングを発生することなく、優れた耐塑性変形性を発揮する。これに対して、比較例は、所定の切削時間において工具の塑性変形が大きく、一部のサンプルで刃先に欠損を生じた。すなわち、実施例は、切削工具表面から１２μｍ離れた位置までに存在する結合相のうち、多結晶結合相が占める面積割合が７０％以上であるために、高い耐塑性変形性および耐チッピング性を有する。

１切削工具の表面
２すくい面
３切刃側逃げ面
４切刃
５逃げ面の組成変形量
６逃げ面とすくい面の交差する稜線を延伸した線分
Ａ多結晶の結合相
Ｂ結合相（多結晶の結合相ではない結合相）
Ｃ結合相以外の相

Claims

ＣｏとＮｉのいずれか１種または２種を４．０～１５．０質量％、
Ｃｒ_３Ｃ_２を０．５質量％以下、
ＶＣを０．５質量％以下、
ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣおよびＨｆＣのいずれか１種または２種以上を１２．０質量％以下含み、
残部がＷＣおよび不可避的不純物からなり、
前記ＷＣの平均粒径が０．５～４．０μｍであって、
表面から１２μｍ離れた内部迄の領域に存在するすべての結合相のうち、多結晶結合相が占める面積割合が７０％以上である、
ことを特徴とする切削工具。
切刃に表面被覆層を有することを特徴とする請求項１に記載の切削工具。