JP3794234B2 - 先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性を発揮する細粒炭化タングステン基超硬合金製エンドミル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高強度および高靭性を有する細粒炭化タングステン基超硬合金（以下、細粒超硬合金と云う）で構成され、したがって特に鋼などの高切り込みおよび高送りなどの重切削条件で、先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性を発揮するエンドミル（以下、微粒超硬エンドミルと云う）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、微粒超硬エンドミルとして、例えば図１（ａ）に概略拡大正面図で、同（ｂ）に長さ方向中央部における中心線に対して直角な方向の断面（直角断面）図で示される通り先端面を切刃面とし、かつ外周刃が形成された切刃部と、シャンク部とからなる形状を有すると共に、前記切刃部およびシャンク部のうちの少なくとも切刃部が、Ｃｒ含有により粒成長が抑制され、望ましくは平均粒径で１μｍ以下に保持された微細炭化タングステン粒（以下、微細ＷＣ粒で示す）で構成され、かつ走査型電子顕微鏡による組織観察で、７５〜９５面積％を占める分散相と、残りがＣｏを主体とし、かつＣｒを固溶含有する結合相と不可避不純物からなり、前記ＣｏとＣｒの含有量が、全体に占める割合で、Ｃｏ:４〜１５質量％、Ｃｒ：０．１〜３質量％である細粒超硬合金で構成された微粒超硬エンドミルが知られている。
【０００３】
また、上記の微粒超硬エンドミルが、原料粉末として、１μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ粉末、さらにいずれも０．１〜３μｍの範囲内の平均粒径を有する炭化クロム（以下、Ｃｒ₃Ｃ₂で示す）粉末、およびＣｏ粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、ボールミルを用いて湿式混合し、乾燥した後、所定の直径を有する丸棒成形体にプレス成形し、この丸棒成形体を、例えば１０Ｐａ以上の真空度の真空雰囲気中、５〜１０℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この昇温温度に１〜２時間保持後、炉冷の条件で焼結することにより、所定の直径を有する微細ＷＣ粒の細粒超硬合金で構成された長尺状焼結体を形成し、この長尺状焼結体から図１に示される形状に研削加工することにより製造されることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削装置の高性能化と相俟って、切削加工は切削効率の向上を目的として高切り込みおよび高送りなどの重切削条件での切削が余儀なくされる傾向にあるが、上記の従来微粒超硬エンドミルにおいては、これの先端面切刃面および外周刃が十分な強度および靭性を具備するものでないために、これを高衝撃の加わる前記重切削条件での切削に用いると、シャープなエッジを含む複雑な形状に研削加工されている先端面切刃面および外周刃にチッピング（微小欠け）が発生し易くなり、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、特に高衝撃の加わる高切り込みおよび高送りなどの重切削条件での切削で先端面切刃面および外周刃にチッピング発生のない微粒超硬エンドミルを開発すべく研究を行った結果、
上記の従来微粒超硬エンドミルの製造に際して、通常のボールミルを用いて通常の条件で行われていた配合原料粉末の混合を、遊星ボールミルを用い、配合原料粉末に対する超硬合金製ボールの割合を、通常の割合、すなわち配合原料粉末：超硬合金製ボール＝質量比で、１：１〜３に比して著しく高い割合、すなわち配合原料粉末：超硬合金製ボール＝同じく質量比で、１：２５〜３５としたメカニカル・アローイング法にて行うと共に、丸棒成形体の焼結を、通常の真空焼結に代って、例えばプレス圧力などの機械的圧力を付加した加圧真空焼結、すなわち例えば真空雰囲気中、１０〜１００ＭＰａの付加圧力で、１１００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に０．５〜３時間保持後、炉冷の条件にて行うと、上記の従来微粒超硬エンドミルを構成する細粒超硬合金はじめ、その他すべての超硬合金ではみられなかった現象、すなわちエネルギー分散型Ｘ線分光装置を備えた透過型電子顕微鏡による組織観察で、微細ＷＣ粒の表面部への結合相形成成分であるＣｏおよびＣｒの拡散現象が、数１０ナノメーター以下の単位のきわめて浅い深さに亘ってではあるが起るようになり、このように微細ＷＣ粒の表面部にＣｏおよびＣｒの拡散極薄層が形成された細粒超硬合金で構成された微粒超硬エンドミルは、前記拡散極薄層によって前記微細ＷＣ粒の結合相に対する密着接合性が一段と向上し、この結果エンドミル自体が高強度および高靭性を具備するようになることから、特に強度および靭性が要求される鋼などの高切り込みおよび高送りなどの重切削条件での切削にも先端面切刃面および外周刃にチッピングの発生なく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するという研究結果を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
先端面を切刃面とし、かつ外周刃が形成された切刃部と、シャンク部とで構成され、前記切刃部およびシャンク部のうちの少なくとも切刃部が、Ｃｒ含有により粒成長が抑制された微細ＷＣ粒で構成され、かつ走査型電子顕微鏡による組織観察で、７５〜９５面積％を占める分散相と、残りがＣｏを主体とし、かつＣｒを固溶含有する結合相と不可避不純物からなり、前記ＣｏとＣｒの含有量が、全体に占める割合で、Ｃｏ:４〜１５質量％、Ｃｒ：０．１〜３質量％である細粒超硬合金で構成された微粒超硬エンドミルにおいて、
上記細粒超硬合金の分散相を構成する微細ＷＣ粒の表面部にＣｏとＣｒの拡散極薄層を形成してなる、
特に高強度および高靭性が要求される鋼などの高切り込みおよび高送りなどの重切削条件での切削に、先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性を発揮する微粒超硬エンドミルに特徴を有するものである。
【０００７】
以下に、この発明の微粒超硬エンドミルにおいて、これを構成する細粒超硬合金の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１） 分散相の割合
その割合が７５面積％未満では、相対的に軟質の結合相の割合が多くなり過ぎて、先端面切刃面および外周刃の摩耗進行が速まるようになり、一方その割合が９５面積％を越えると、靭性不足をきたし、エンドミル自体に折損が発生し易くなることから、その割合を７５〜９５面積％、望ましくは８０〜９２面積％と定めた。
【０００８】
（２） Ｃｏ成分の含有割合
Ｃｏ成分には、結合相の主成分として存在し、強度および靭性を向上させると共に、上記の通りＣｒ成分と共に微細ＷＣ粒の表面部に数１０ナノメーター以下の極く浅い深度ではあるが拡散侵入して拡散極薄層を形成し、もって前記微細ＷＣ粒の結合相に対する密着接合性を一段と向上させ、更なる強度および靭性の向上に寄与する作用があるが、その含有割合が４質量％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有割合が１５質量％を越えると、分散相の割合が相対的に低下し、摩耗進行が急激に早まるようになることから、その含有割合を４〜１５重量％、望ましくは５〜１３質量％と定めた。
【０００９】
（３） Ｃｒ成分の含有割合
Ｃｒ成分には、上記の通りＣｏと共に微細ＷＣ粒の表面部に拡散極薄層を形成して、強度および靭性の一段の向上に寄与する作用があるほか、微細ＷＣ粒の成長を抑制し、もって平均粒径で１μｍ以下の細粒に保持して、強度低下を防止する作用があるが、その含有割合が０．１質量％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有割合が３質量％を越えると、結合相中に微細なクロム炭化物として析出し、靭性を低下させることから、その含有割合を０．１〜３質量％、望ましくは０．３〜２質量％と定めた。
【００１０】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の微粒超硬エンドミルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径：０．８μｍを有するＷＣ粉末、同１．６μｍのＣｏ粉末、および同１．２μｍのＣｒ₃Ｃ₂粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される割合に配合し、この配合原料粉末をステンレス鋼製容器に超硬合金製ボールと一緒に、配合原料粉末：超硬合金製ボール＝質量比で、１：３０とした割合で装入し、前記容器内をＡｒ雰囲気とした状態で遊星ボールミルに装着し、３６時間の粉砕処理（メカニカル・アローイング処理）を施した後、１５０ＭＰａの圧力でプレス成形して、それぞれ直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を、５Ｐａの真空雰囲気中、５０ＭＰａの付加圧力下、７℃／分の昇温速度で１１５０〜１２５０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で加圧真空焼結し、さらにこれに研削加工を施して、表１に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法をもち、かついずれも図１に示される形状をもった本発明微粒超硬エンドミル（以下、本発明エンドミルと云う）１〜８それぞれを製造した。
【００１１】
また、比較の目的で、表１に示される通り、配合原料粉末の粉砕を、配合原料粉末：超硬合金製ボールの割合を質量比で、１：１．５として装入した通常のボールミルで行ない、かつ丸棒圧粉体の焼結を、５Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３８０〜１４５０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の通常の真空焼結条件で行う以外は同一の条件で従来微粒超硬エンドミル（以下、従来エンドミルと云う）１〜８それぞれを製造した。
【００１２】
この結果得られた本発明エンドミル１〜８よび従来エンドミル１〜８について、これの任意断面を走査型電子顕微鏡並びにエネルギー分散型Ｘ線分光装置を備えた透過型電子顕微鏡を用いて組織観察して、これを構成する細粒超硬合金における分散相の割合並びに微細ＷＣ粒表面部の上記拡散極薄層の有無を測定し、さらに定量分析によりＣｏ含有量およびＣｒ含有量を測定し、これらの測定結果をそれぞれ表１に示した。
【００１３】
つぎに、上記の各種エンドミルのうち、切刃部の直径が６ｍｍのものについては、
被削材：平面が１００ｍｍ×１７０ｍｍ、厚さが４００ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
回転数１６００／ｍｉｎ、
溝深さ（切り込み）：４．５ｍｍ、
テーブル送り：８０ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での炭素鋼の乾式深溝（高切り込み）加工試験、また切刃部の直径が１０ｍｍのものについては、
被削材：平面が１００ｍｍ×１５０ｍｍ、厚さが３５０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の板材、
回転数：１０００ｍ／ｍｉｎ、
溝深さ（切り込み）：５ｍｍ、
テーブル送り：１５０ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件でのステンレス鋼の湿式高送り溝加工試験、さらに切刃部の直径が２０ｍｍのものについては、
被削材：平面が１００ｍｍ×１７０ｍｍ、厚さが４００ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの板材、
回転数：５００ｍ／ｍｉｎ、
溝深さ（切り込み）：１５ｍｍ、
テーブル送り：１００ｍｍ／ｍｉｎ、
の条件での合金鋼の乾式深溝（高切り込み）加工試験
をそれぞれ行い、外周刃の先端部における最大逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至るまでの切削溝長を測定した。これらの測定結果を表１にそれぞれ試験本数：５本の平均値として示した。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【発明の効果】
表１に示される結果から、本発明エンドミル１〜８は、いずれもこれを構成する細粒超硬合金の微粒ＷＣ粒の表面部に形成されたＣｏとＣｒの拡散極薄層の存在によって、前記拡散極薄層の存在しない従来エンドミル１〜８に比して一段と高い強度と靭性をもつようになることから、高切り込みおよび高送りの重切削条件でも、先端面切刃面および外周刃にチッピングの発生がなく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮し、一方前記従来エンドミル１〜８においては、いずれも特に先端面切刃面および外周刃の強度および靭性不足が原因で、これにチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の微粒超硬エンドミルは、これの具備する高強度および高靭性が先端面切刃面および外周刃で発揮され、通常の条件での切削は勿論のこと、高切り込みおよび高送りの重切削条件でもチッピングの発生なく、すぐれた性能を長期に亘って発揮するものであるから、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することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は微粒超硬エンドミルを例示する概略拡大正面図、（ｂ）は長さ方向中央部における中心線に対して直角な方向の断面（直角断面）図である。

Claims (1)

1. 先端面を切刃面とし、かつ外周刃が形成された切刃部と、シャンク部とで構成され、前記切刃部およびシャンク部のうちの少なくとも切刃部が、Ｃｒ含有により粒成長が抑制された微細炭化タングステン粒で構成され、かつ走査型電子顕微鏡による組織観察で、７５〜９５面積％を占める分散相と、残りがＣｏを主体とし、かつＣｒを固溶含有する結合相と不可避不純物からなり、前記ＣｏとＣｒの含有量が、全体に占める割合で、Ｃｏ:４〜１５質量％、Ｃｒ：０．１〜３質量％である細粒炭化タングステン基超硬合金で構成されたエンドミルにおいて、
   上記細粒炭化タングステン基超硬合金の分散相を構成する微細炭化タングステン粒の表面部にＣｏとＣｒの拡散極薄層を形成したこと、
   を特徴とする先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性を発揮する細粒炭化タングステン基超硬合金製エンドミル。

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