JP3817422B2 - 複合材製切削用刃具の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材製切削用刃具の製造方法に関し、一層詳細には、高強度および高硬度と高靱性とを兼ね備える複合材製切削用刃具の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属とセラミックスとを含有する複合材は、種々の分野で広汎に使用されている。例えば、コバルトと炭化タングステンが焼結されてなる炭化タングステン−コバルト系超硬合金や、モリブデンと炭化チタンが焼結されてなる炭化チタン系サーメットは、チップやバイト等の切削用刃具として採用されている。
【０００３】
複合材製切削用刃具における靱性や強度、硬度等は、金属とセラミックスの組成比を選定することにより制御されている。すなわち、金属の組成比が高くなるほど靱性が高い複合材製切削用刃具となり、一方、セラミックスの組成比が高くなるほど高強度でかつ高硬度の複合材製切削用刃具となる。硬度が高いほど耐摩耗性に優れ、したがって、長寿命なものとなるので、近年では、セラミックスの組成比を高く設定する傾向にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようにセラミックスの組成比を高く設定した場合、金属の組成比は必然的に低下する。この場合、複合材製切削用刃具としては、高硬度ではあるが低靱性なものとなる。このため、この種の複合材製切削用刃具には、割れや欠けが生じ易いという不具合が顕在化している。
【０００５】
割れや欠けを生じ難くするには、金属の組成比を高くして靱性を向上させればよい。しかしながら、この場合、耐摩耗性が低下するので寿命が短い複合材製切削用刃具となるという不具合が惹起される。
【０００６】
結局、セラミックスと金属の複合材からなる複合材製切削用刃具においては、硬度の向上を試みた場合には靱性が低下し、一方、靱性の向上を試みた場合には硬度が低下するという不具合がある。すなわち、硬度および靱性がともに優れた複合材製切削用刃具を得ることは極めて困難である。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、高硬度および高強度と高靱性とを兼ね備える複合材製切削用刃具の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種をセラミックスとして含有し、かつＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、これらの中の２種以上から構成される合金、または、Ａｌと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの中の１種以上と、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの中の１種以上とから構成されるＡｌ合金の群から選択された少なくとも１種を金属として含有する複合材製切削用刃具を製造する複合材製切削用刃具の製造方法であって、
前記セラミックスの粒子と前記金属の粒子とが８５：１５〜９７：３の重量比で混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程と、
前記セラミックスの粒子の粒成長を促進する粒成長促進剤であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを含有する粒成長促進剤含有溶液を前記多孔質焼結体の内部に含浸させる含浸工程と、
前記粒成長促進剤が含浸された多孔質焼結体の表面に六方晶系窒化ホウ素を構成材料とするコーティング膜を形成する被覆工程と、
前記コーティング膜が形成された前記多孔質焼結体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程と、
を有することを特徴とする。
【０００９】
上記したセラミックスの粒子の粒成長は、前記粒成長促進剤の作用下に促進される一方で、窒素によって阻害される。したがって、粒成長促進剤の含浸量およびコーティング膜による多孔質焼結体の被覆程度を選定することにより、セラミックス粒子の粒成長の度合いを全体に亘って均一に制御することができる。このため、この複合材製切削用刃具では、応力集中やクラックの伝播が起こり難くなるので、高強度かつ高靱性の複合材製切削用刃具を得ることができる。
【００１０】
なお、セラミックスの粒子の重量比が８５重量部未満でかつ金属の粒子の重量比が１５重量部を超えると、硬度が低く、したがって、耐摩耗性が低いので寿命が短い刃具となる。また、セラミックスの粒子の重量比が９７重量部を超えかつ金属の粒子の重量比が３重量部未満であると、靱性が低い刃具となる。
【００１１】
なお、コーティング膜の構成材料は、完成品である複合材製切削用刃具の強度や靱性、硬度等を低下させることがないという点から、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂの炭化物、窒化物、炭窒化物、または炭素であることが好ましい。
【００１２】
このうち、六方晶系窒化ホウ素が特に好ましい。この場合、コーティング膜の構成成分であるホウ素がセラミックスまたは金属に固溶する。その結果、強度や靱性、硬度が特に優れた複合材製切削用刃具が得られるからである。
【００１３】
この場合、六方晶系窒化ホウ素が分散された溶媒を多孔質焼結体に噴霧することによりコーティング膜を形成することが好ましい。この方法においては、ホウ素がセラミックス中または金属中に過剰に固溶されることが回避される。このため、複合材製切削用刃具の靱性が低くなることを回避することができる。
【００１４】
粒成長促進剤であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドは、二次焼結工程においてセラミックスの窒化をも促進する。上記したセラミックスが窒化した場合、その粒子は丸みを帯びる。このため、応力集中が一層起こり難くなり、したがって、強度及び靱性が一層優れる複合材製切削用刃具を得ることができる。
【００１５】
なお、複合材製切削用刃具の具体的な例としては、チップまたはバイトを挙げることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合材製切削用刃具の製造方法につき添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本実施の形態に係る複合材製切削用刃具の製造方法のフローチャートを図１に示す。この製造方法は、成形体を得る成形工程Ｓ１と、前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程Ｓ２と、前記多孔質焼結体の内部に粒成長促進剤含有溶液を含浸する含浸工程Ｓ３と、前記多孔質焼結体の表面にコーティング膜を形成する被覆工程Ｓ４と、前記多孔質焼結体を再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程Ｓ５とを備える。
【００１８】
まず、成形工程Ｓ１において、セラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を調製する。
【００１９】
ここで、セラミックス粒子としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種（以下、非酸化物セラミックスという）の粒子が選定される。これら非酸化物セラミックス粒子は、二次焼結工程Ｓ５において、後述する粒成長促進剤の作用により粒成長が促進される。
【００２０】
なお、金属粒子としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒあるいはこれらの中の２種以上から構成される合金の群から選択された少なくとも１種の粒子が選定される。または、Ａｌと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの中の１種以上と、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの中の１種以上とから構成されるＡｌ合金であってもよい。すなわち、Ａｌ合金の場合には３元系合金が選定される。
【００２１】
混合粉末における非酸化物セラミックス粒子と金属粒子との組成比は、非酸化物セラミックス粒子：金属粒子＝８５：１５〜９７：３（重量比、以下同じ）とする。非酸化物セラミックス粒子の重量比が８５重量部未満でかつ金属粒子の重量比が１５重量部を超えると、硬度が低く、したがって、耐摩耗性が低いので寿命が短い刃具となる。また、非酸化物セラミックス粒子の重量比が９７重量部を超えかつ金属粒子の重量比が３重量部未満であると、靱性が低くなる。
【００２２】
そして、この混合粉末に成形加重を加えて成形体を作製する。この際、成形荷重は、後述する一次焼結工程Ｓ２において多孔質焼結体が得られるようにするため、金属粒子が塑性変形を起こさない程度に設定される。具体的には、成形荷重を１００〜３００ＭＰａ程度とすることが好ましい。この場合、金属粒子が塑性変形を起こすことを回避することができるので、成形体の開気孔が閉塞されることはない。
【００２３】
次いで、一次焼結工程Ｓ２において、開気孔が残留するように前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする。この時点で緻密焼結体とすると、後述する含浸工程Ｓ３で、粒成長促進剤含有溶液を多孔質焼結体の内部に含浸させることが困難となる。
【００２４】
したがって、一次焼結工程Ｓ２における焼結温度や時間は、金属粒子同士の融着が起こり、該金属粒子同士にネックが形成された状態で終了されるように設定される。すなわち、一次焼結工程Ｓ２では、非酸化物セラミックス粒子同士は融着されない。このため、成形体が多孔質焼結体になる過程においては、体積はほとんど変化しない。
【００２５】
次いで、含浸工程Ｓ３において、粒成長促進剤を含有する粒成長促進剤含有溶液を前記多孔質焼結体の内部に含浸させる。具体的には、粒成長促進剤含有溶液中に前記多孔質焼結体を浸漬する。この浸漬により、粒成長促進剤含有溶液が多孔質焼結体の開気孔を介してその内部へと浸透する。
【００２６】
なお、粒成長促進剤としては、二次焼結工程Ｓ５において非酸化物セラミックス粒子の粒成長を促進するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドが選定される。粒成長促進剤含有溶液としては、上記した金属を含有する金属塩を溶媒に溶解したものや有機金属溶液を使用すればよい。
【００２７】
この場合、粒成長促進剤は、溶媒中に分散または溶解されることにより単一分子またはイオンにまで解離される。したがって、含浸工程Ｓ３においては、単一分子またはイオンにまで解離された粒成長促進剤が多孔質焼結体の内部に均一に分散される。このため、二次焼結工程Ｓ５における非酸化物セラミックス粒子の粒成長は、多孔質焼結体の表面から内部に亘り促進される。
【００２８】
含浸工程Ｓ３を行った後には、自然放置により粒成長促進剤含有溶液を乾燥する。または、多孔質焼結体を加熱して粒成長促進剤含有溶液を乾燥するようにしてもよい。
【００２９】
次いで、被覆工程Ｓ４において、前記多孔質焼結体の表面にコーティング膜を形成する。
【００３０】
コーティング膜の構成材料の好適な例としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂの炭化物、窒化物、炭窒化物、または炭素等を挙げることができる。この場合、完成品である複合材製切削用刃具の強度や靱性、硬度等を低下させることがないからである。
【００３１】
特に、コーティング膜がｈ−ＢＮ（六方晶系窒化ホウ素）であることが好ましい。この場合、その構成成分であるＢがセラミックスまたは金属に固溶する。その結果、強度や靱性、硬度が特に優れた複合材製切削用刃具が得られるからである。
【００３２】
コーティング膜は、例えば、キシレンやトルエン、あるいはアセトン等の溶媒にｈ−ＢＮ等が分散されてなる溶液を多孔質焼結体の表面に噴霧した後、溶媒を揮散除去することにより形成することができる。または、化学的気相成長（ＣＶＤ）法や物理的気相成長（ＰＶＤ）法、メッキ法により形成するようにしてもよい。
【００３３】
なお、ｈ−ＢＮからなるコーティング膜を形成する場合には、上記した噴霧法を行うことが好ましい。ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、メッキ法ではＢが過剰に固溶されることがあり、その結果、靱性が低い複合材製切削用刃具となることがある。これに対し、噴霧法を行った場合、Ｂが過剰に、具体的には１０ｐｐｍを超えて固溶されることがない。
【００３４】
最後に、二次焼結工程Ｓ５において、コーティング膜で表面が被覆された多孔質焼結体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする。すなわち、非酸化物セラミックス粒子を粒成長させる。これにより、製品としての複合材製切削用刃具が得られるに至る。なお、刃具の具体的な例としては、図２に示すチップ１０や図３に示すバイト２０等が挙げられる。
【００３５】
この際、雰囲気ガスである窒素は、コーティング膜を介して多孔質焼結体の表面に到達し、さらに内部へと浸透して非酸化物セラミックス粒子の粒成長を阻害する。すなわち、二次焼結工程Ｓ５においては、前記粒成長促進剤の作用下に非酸化物セラミックス粒子の粒成長が促進される一方で、窒素によって粒成長が阻害される。
【００３６】
このことから諒解されるように、粒成長促進剤の含浸量およびコーティング膜による多孔質焼結体の被覆程度を選定することにより、非酸化物セラミックス粒子の粒成長の度合いを全体に亘って均一に制御することができる。すなわち、得られた複合材製切削用刃具においては、粒径が互いに略等しい。このため、この複合材製切削用刃具では、応力集中やクラックの伝播が起こり難くなる。その結果、強度に優れかつ靱性にも優れるようになる。また、非酸化物セラミックスの組成比が高いので、硬度にも優れる。
【００３７】
しかも、非酸化物セラミックスが炭化物または炭窒化物である場合、これらは上記した粒成長促進剤の作用下に窒化される。窒化された粒子は丸みを帯びる。このような粒子の端点には、応力集中が一層起こり難くなる。すなわち、靱性が一層良好な複合材製切削用刃具が得られる。
【００３８】
このように、本実施の形態に係る複合材製切削用刃具の製造方法によれば、多孔質焼結体を被覆して窒素雰囲気下で再焼結することにより、高強度および高硬度でかつ高靱性を有する複合材製切削用刃具を製造することができる。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、成形工程Ｓ１と一次焼結工程Ｓ２とを個別に行っているが、熱間等圧成形（ＨＩＰ）等のように、両工程を同時に行うようにしてもよい。
【００４０】
【実施例】
１．複合材の強度、硬度および靱性
平均粒径２．４μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粒子を８５重量部、平均粒径２μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粒子を２重量部、平均粒径２．６μｍの炭化ニオブ（ＮｂＣ）粒子を１重量部および平均粒径１．２μｍのコバルト（Ｃｏ）粒子１２重量部を、ヘキサンを用いて湿式混合して混合粉末とした。
【００４１】
次いで、この混合粉末を金型内に封入し、該金型に１３０ＭＰａの静水圧を印加して成形することにより、内接円の直径が２２ｍｍ、長さ１２０ｍｍの６角柱状体を作製した。この６角柱状体を乾燥した後、雰囲気ガスを窒素として８５０℃で３０分間保持することにより多孔質焼結体とした。
【００４２】
次いで、この多孔質焼結体を濃度７％のＭｎイオン溶液に１分間程度浸漬することにより、多孔質焼結体の内部にＮｉイオンを分散させた。９０℃で３時間保持することにより乾燥した後、ｈ−ＢＮがキシレンに分散された溶液を該多孔質焼結体の表面が覆われるまでスプレー塗布した。そして、室温にて放置してキシレンを揮散除去することによりｈ−ＢＮのコーティング膜を形成した。
【００４３】
次いで、窒素流量を１０００ｃｍ³／分、炉内圧力を６５０Ｐａとして、コーティング膜が形成された多孔質焼結体を１４２７℃で１．５時間保持することにより緻密化させ、上記した成分・組成比の緻密焼結体（複合材）を得た。
【００４４】
同様に、ＷＣ粒子の割合を８７、８９または９０重量部とし、かつＣｏ粒子の割合を１０、８または７重量部としたことを除いては上記に準拠して複合材を製造した。これを実施例とする。
【００４５】
そして、各複合材につき、シェブロンノッチ法による破壊靱性値、ＪＩＳに規定された強度測定法による抗折強度、ロックウェル硬度を測定した。また、比較のために、市販品であるＪＩＳ Ｋ−１０相当材（以下、比較例という）についても同様の測定を行った。実施例および比較例におけるＣｏ粒子の組成比と、これらの測定値との関係をグラフにして図４〜図６に示す。
【００４６】
図４〜図６から、実施例においては、Ｃｏ粒子がどのような組成比であっても破壊靱性値、抗折強度およびロックウェル硬度の全てが比較例に比して著しく高いことが諒解される。このことから、コーティング膜が形成された多孔質焼結体を緻密化することにより高硬度および高強度でかつ高靱性の複合材を得ることができることが明らかである。
【００４７】
２．複合材製切削用刃具の寿命
ＴａＣ粒子、ＮｂＣ粒子を上記した重量比とし、かつＷＣ粒子の重量比を８７、８９または９０重量部、Ｃｏ粒子の重量比を１０、８または７重量部と変化させ、上記に準拠して、内接円の直径が１５．８７５ｍｍ、厚み４．７６ｍｍおよびノーズのＲが０．８ｍｍのネガティブチップをそれぞれ製造した。また、比較のため、市販品であるＪＩＳ Ｋ−１０相当のチップを用意した。そして、各チップを使用し、送り量を０．２６ｍｍ／回転としてＪＩＳ ＡＣ８Ｂ相当のＡｌ材を種々の切削速度で切削することにより、ＶＢ摩耗量が０．３ｍｍに達するまでの時間（ネガティブチップの寿命）を調べた。切削速度と寿命との関係をグラフにして図７に示す。この図７から、Ｃｏの組成比が高い場合においても、実施例に係るネガティブチップが比較例に係るチップに比して耐摩耗性が高く、長寿命であることが明らかである。
【００４８】
また、比較例に係るチップには、切削加工が進行するにつれて、もとの刃先に切り屑が堆積、変質して固着する、いわゆる構成刃先の形成や表面荒れが認められたが、実施例に係るネガティブチップには、そのようなことも刃先チッピングの発生も認められなかった。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る複合材製切削用刃具の製造方法によれば、表面にコーティング膜が形成された多孔質焼結体を窒素雰囲気下で再焼結して緻密焼結体（複合材）とするようにしている。このため、セラミックス粒子が略均一に粒成長するので、応力集中が著しく抑制される。したがって、高硬度および高強度と高靱性とを兼ね備える複合材製切削用刃具を得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態に係る複合材製切削用刃具の製造方法のフローチャートである。
【図２】 複合材製切削用刃具であるチップの概略全体構成図である。
【図３】 複合材製切削用刃具であるバイトの概略全体構成図である。
【図４】 実施例および比較例の複合材におけるＣｏの組成比と破壊靱性値との関係を示すグラフである。
【図５】 実施例および比較例の複合材におけるＣｏの組成比と抗折強度との関係を示すグラフである。
【図６】 実施例および比較例の複合材におけるＣｏの組成比とロックウェル硬度との関係を示すグラフである。
【図７】 実施例に係るネガティブチップと比較例に係るチップの切削速度と寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…チップ ２０…バイト

Claims (3)

1. Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ランタノイドの炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選択された少なくとも１種をセラミックスとして含有し、かつＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、これらの中の２種以上から構成される合金、または、Ａｌと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの中の１種以上と、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの中の１種以上とから構成されるＡｌ合金の群から選択された少なくとも１種を金属として含有する複合材製切削用刃具を製造する複合材製切削用刃具の製造方法であって、
   前記セラミックスの粒子と前記金属の粒子とが８５：１５〜９７：３の重量比で混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
   前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程と、
   前記セラミックスの粒子の粒成長を促進する粒成長促進剤であるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを含有する粒成長促進剤含有溶液を前記多孔質焼結体の内部に含浸させる含浸工程と、
   前記粒成長促進剤が含浸された多孔質焼結体の表面に六方晶系窒化ホウ素を構成材料とするコーティング膜を形成する被覆工程と、
   前記コーティング膜が形成された前記多孔質焼結体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程と、
   を有することを特徴とする複合材製切削用刃具の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、六方晶系窒化ホウ素が分散された溶媒を多孔質焼結体に噴霧することによりコーティング膜を形成することを特徴とする複合材製切削用刃具の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法において、前記複合材製切削用刃具がチップまたはバイトであることを特徴とする複合材製切削用刃具の製造方法。

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