JP3861056B2 - 加工用刃具の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工用刃具の製造方法に関し、一層詳細には、表面から内部に指向して金属およびセラミックスの組成比が変化する傾斜複合材からなる加工用刃具の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ワークに孔部や穴部を設ける場合、まず、該ワークに対してドリルを用いた穿孔加工が行われ、次にリーマを用いた切削加工が行われている。
【0003】
ドリルまたはリーマの構成材料としては、例えば、高炭素鋼を主成分とするSK材、SKD材もしくはSKH材(いわゆる高速度工具鋼)や、ニッケル系合金もしくはコバルト系合金等の超合金材、またはセラミックスと金属との複合材である超硬材等が採用されている。また、耐摩耗性の向上を図るために、表面がTiCやTiN等、硬質セラミックスのコーティング膜で被覆される場合もある。
【0004】
これらのうち、高速度工具鋼や超合金材には、高強度および高靭性を有するものの、耐摩耗性や圧縮強度および剛性等が不足しているという不具合がある。一方、超硬材には、耐摩耗性や圧縮強度および剛性等に優れてはいるものの、靱性が不足しており、割れや欠けが生じ易いという不具合がある。すなわち、高速度工具鋼および超合金材と超硬材は、互いに相反する特性を有しており、したがって、ドリルまたはリーマの構成材料は、ワークの構成材料や、穿孔加工または切削加工が行われる際にドリルおよびリーマに作用する種々の応力、例えば、ワークに押し付け力を付与する際の圧縮応力、食い付き部や切削部に作用する引っ張り応力、さらに加工を行う部分と加工されない部分との間の引っ張り応力等の大きさが考慮された上で選定されている。
【0005】
ドリルおよびリーマは、高硬度、高強度、高靭性等をともに兼ね備えることが本来は望ましい。すなわち、高硬度であるものは耐摩耗性も高く、したがって、長寿命であるからである。また、強度が高いと、上記したような応力が作用した場合であっても変形が生じ難いからである。さらに、高靭性であるものは割れや欠けが生じ難いからである。しかしながら、これらの特性を全て兼ね備えるドリルやリーマはこれまでのところ知られていない。
【0006】
例えば、超硬材からなるドリルまたはリーマの靱性を向上させるには、金属の組成比を増加すればよい。しかしながら、この場合、硬度および強度が低下してしまう。したがって、寿命が低下することが懸念される。これに対し、金属の組成比を減少すると、硬度や強度が向上する一方で靱性が低下する。このため、割れや欠けが一層生じ易くなってしまう。
【0007】
このことから諒解されるように、超硬材からなるドリルやリーマにおいては、硬度および強度を向上しようとすると靱性が低下し、一方、靱性を向上しようとすると硬度および強度が低下するので、硬度および強度と靱性とを同時に向上させることは著しく困難である。
【0008】
【課題を解決するための手段】
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、長寿命を有しかつ変形が生じ難く、しかも、割れや欠けも生じ難い加工用刃具の製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
前記の目的を達成するために、本発明は、表面から内部に指向してセラミックスの組成比が増加するとともに金属の組成比が減少する加工用刃具の製造方法であって、
セラミックス粒子と金属粒子とが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体とする一次焼結工程と、
前記多孔質体の内部に粒成長促進剤含有溶液を含浸させる含浸工程と、
前記粒成長促進剤含有溶液が含浸された前記多孔質体を窒化ガス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、
を有し、
前記二次焼結工程では、昇温開始時から窒化ガスを導入することを特徴とする。なお、加工用刃具の好適な例としては、ドリルまたはリーマを挙げることができる。そして、加工用刃具の表面、すなわち、加工面のビッカース硬度は、1700以上であることが好ましい。該加工用刃具の長寿命化を図ることができるとともに、ワークの加工精度が向上するからである。
【0016】
この場合、二次焼結工程において、多孔質体の表面近傍に存在する金属粒子がセラミックス粒子に比して早期に粒成長を開始する。さらに、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子は、窒素等の窒化ガスにより粒成長が抑制される。窒化ガスは、一般的にセラミックス粒子の粒成長を阻害するからである。その一方で、多孔質体の内部に存在するセラミックス粒子は、窒化ガスが到達し難いので粒成長が抑制されることはない。しかも、粒成長促進剤によって粒成長が促進される。このような理由から、金属粒子が表面に集中するような再配列が起こり、その結果、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材が得られる。
【0017】
穿孔加工や切削加工に使用されるに際し、充分な硬度、強度および靱性を有する加工用刃具とするためには、セラミックス粒子を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種とし、かつ金属粒子をFe、Ni、Coまたはこれらの中の2種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも1種とすることが好ましい。さらに、金属粒子にCr、Mn、V、Tiの少なくとも1種を添加するようにしてもよい。
【0018】
この場合、セラミックスと金属との組成比は、重量比で85:15〜95:5に設定される。上記したように、金属が5重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなるからである。また、15重量部を超えると、硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくなるとともにワークの加工時に変形が生じ易くなる。
【0019】
なお、粒成長促進剤含有溶液に含有される粒成長促進剤としては、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Mo、Tiまたはランタノイドを好適な例として挙げることができる。
【0020】
また、前記窒化ガスとしては、取り扱いの容易さや反応速度を容易に制御することができる等の点から、窒素が好適である。
【0021】
上述された本発明の目的、特徴および効果は、本発明の好適な実施の形態を例示する添付図面と明細書の下記の記載からより一層明確となるであろう。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る加工用刃具の製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【0023】
まず、本発明の第1実施形態に係る加工用刃具であるドリルの一部縦断面概略全体構成図を図1に示す。このドリル10は、ツイストドリルを構成しており、刃部12とシャンク部14とを一体的に備えている。刃部12には、刃先先端16から2つの切刃18、18が所定のねじれ角を有して軸方向(矢印A方向)に設けられている。
【0024】
図1のII−II線矢視断面図である図2に示すように、ドリル10の内部には、セラミックスの組成比が比較的大きなセラミックスリッチ部20が設けられており、かつ表面には、金属の組成比が比較的大きな金属リッチ部22が設けられている。そして、これらの間には、セラミックスリッチ部20から金属リッチ部22側に指向して金属の組成比が漸増する傾斜部24が介在されている。
【0025】
すなわち、ドリル10においては、金属の組成比は加工面で最も高く、内部に指向して減少している。また、その逆に、セラミックスの組成比は加工面で最も低く、内部に指向して増加している。換言すれば、ドリル10は、表面から内部に指向して金属の組成比が減少しかつセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材により構成されている。
【0026】
ドリル10の構成材料であるセラミックスとしては、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種が好ましく、また、金属としては、Fe、Ni、Coまたはこれらの中の2種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも1種が好ましい。金属には、これらに加え、Cr、Mn、V、Tiの少なくとも1種がさらに含有されていてもよい。上記したセラミックスおよび金属を構成材料とすることにより、穿孔加工を行う上で必要な強度、硬度および靱性を有するドリル10を構成することができる。
【0027】
上記したセラミックスおよび金属をドリル10の構成材料とする場合、セラミックスと金属との組成比は、85:15〜95:5(重量比、以下同じ)に設定される。金属が5重量部未満であると、靱性が乏しくなるので割れや欠けが生じ易くなる。また、15重量部を超えると、硬度や強度が低下するので耐摩耗性が乏しくなるとともにワークの加工時に変形が生じ易くなる。
【0028】
また、ドリル10の加工面は、ビッカース硬度(Hv)が1700以上であることが好ましい。Hvが1700未満である場合、硬度が乏しいのでドリル10を長寿命化することが容易ではなくなる。しかも、この場合にはワークとドリル10との摩擦係数(μ)が高くなり、その結果、穿孔加工時における発熱や発生する応力の増大が惹起されるので、ワークに表面荒れが生じ易くなる。ワークの表面荒れを低減して加工精度を向上するとともにドリル10を確実に長寿命化するためには、Hvが1750以上であることが好ましい。
【0029】
次に、本発明の第2実施形態に係る加工用刃具であるリーマの概略全体構成図を図3に示す。このリーマ30は、刃部32とシャンク部34とを一体的に備え、このうち、刃部32には6つの切刃36が軸方向(矢印B方向)に所定の長さに亘って設けられている。
【0030】
図3のIV−IV線矢視断面図である図4に示すように、リーマ30においても、内部にセラミックスリッチ部38が設けられており、かつ表面に金属リッチ部40が設けられている。そして、これらの間には、セラミックスリッチ部38から金属リッチ部40側に指向して金属の組成比が漸増する傾斜部42が介在されている。すなわち、上記ドリル10と同様に、リーマ30も表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材から構成されている。
【0031】
リーマ30を構成するセラミックスおよび金属としては、上記したような非酸化物セラミックスおよび金属を挙げることができる。この場合においても、セラミックスと金属との組成比を85:15〜95:5に設定することにより、切削加工を行う上で必要な強度、硬度および靱性を有するリーマ30を構成することができる。そして、ドリル10と同様に、加工面のHvが1750以上であることが好ましい。
【0032】
上記したように構成されたドリル10およびリーマ30は、表面が高靱性でかつ内部が高硬度および高強度を有する。すなわち、ワークが穿孔加工または切削加工されるに際して充分な硬度、強度および靱性を兼ね備える。このため、長寿命でかつ変形が生じ難く、しかも、割れや欠けが生じ難い。
【0033】
ドリル10およびリーマ30は、その過程がフローチャートとして図5に示される製造方法により製造することができる。図5に示されるように、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体とする一次焼結工程S2と、前記多孔質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、前記多孔質体を再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程S4とを備える。
【0034】
上記した理由から、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種が好ましく、また、金属粒子としては、Fe、Ni、Coまたはこれらの中の2種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも1種が好ましい。さらに、Cr、Mn、V、Tiの少なくとも1種を添加するようにしてもよい。なお、混合粉末におけるセラミックス粒子と金属粒子との組成比は、セラミックス粒子:金属粒子=85:15〜95:5とする。
【0035】
そして、この混合粉末に成形加重を加えて、ドリル10またはリーマ30に対応する形状の成形体を作製する。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。
【0036】
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体とする。この時点で緻密焼結体とすると、含浸工程S3において粒成長促進剤含有溶液を内部に含浸させることが困難となるからである。
【0037】
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、セラミックス粒子同士は融着されない。このため、成形体が多孔質体になる過程においては、体積はほとんど変化しない。
【0038】
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体の開気孔を介してその内部へと浸透する。
【0039】
なお、粒成長促進剤は、二次焼結工程S4においてセラミックス粒子の成長を促進する物質であれば特に限定されるものではないが、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Mo、Tiまたはランタノイド等を好適な例として挙げることができる。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。
【0040】
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体の内部に均一に分散される。このため、二次焼結工程S4におけるセラミックス粒子の粒成長は、多孔質体の表面から内部に亘り促進される。
【0041】
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。
【0042】
最後に、二次焼結工程S4において、多孔質体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする。なお、雰囲気とする窒化ガスは、二次焼結工程S4の昇温開始時から導入する。これにより、セラミックスと金属との組成比が85:15〜95:5である緻密焼結体(傾斜複合材)、すなわち、製品としてのドリル10またはリーマ30が得られるに至る。
【0043】
二次焼結工程S4では、雰囲気である窒化ガスによって、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子の粒成長が阻害される。その一方で、窒化ガスは多孔質体の内部には到達し難い。このため、内部に存在するセラミックス粒子の粒成長が窒化ガスによって阻害される度合いは、表面に比して小さい。しかも、内部に存在するセラミックス粒子の粒成長は、前記粒成長促進剤によって促進される。
【0044】
結局、二次焼結工程S4においては、多孔質体の表面ではセラミックス粒子の粒成長が抑制され、内部では促進される。その結果、金属粒子が表面近傍に集中するような再配列が起こる。すなわち、表面では金属の組成比が高く、内部ではセラミックスの組成比が高い傾斜複合材が得られる。
【0045】
このように、昇温開始時から窒化ガス雰囲気を導入して二次焼結工程S4を行うことにより、粒成長促進剤含有溶液が含浸された多孔質体の内部に存在するセラミックス粒子の粒成長の度合いを表面近傍に比して大きくすることができる。これに伴って金属粒子が再配列することにより、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材(ドリル10またはリーマ30)を得ることができる。
【0046】
このようにして得られたドリル10またはリーマ30の表面に対し、寸法精度を確保するために研削加工を行う場合、これらドリル10またはリーマ30の表面における金属の組成比が比較的高いので、該表面に対し研削加工を容易に施すことができる。すなわち、研削加工が施された後のドリル10またはリーマ30においては、高硬度でかつ高強度なセラミックスリッチ部20、38の厚みが著しく大きくなる。その一方で、これらドリル10またはリーマ30の表面には金属リッチ部22、40が残存している。したがって、靱性、硬度、強度を兼ね備えるドリル10またはリーマ30を得ることができる。
【0047】
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S1、S2を同時に行うようにしてもよい。
【0048】
実施例
平均粒径1μmの炭化タングステン(WC)粉末を90重量部、平均粒径2μmの炭化タンタル(TaC)を2重量部、平均粒径3.5μmの炭化ニオブ(NbC)を1重量部、平均粒径1.4μmのコバルト(Co)を7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。次いで、この混合粉末を、金型内静水圧加圧成形法にて120MPaの加圧力でドリル10に対応する形状に成形した。そして、この成形体を900℃で30分間保持することにより多孔質体とした。
【0049】
次いで、この多孔質体を濃度10%のNiイオン溶液に3分間浸漬することにより、該多孔質体の内部にNiイオンを分散させた。さらに、多孔質体を90℃で1時間保持することにより乾燥した。
【0050】
次いで、前記多孔質体を、窒素雰囲気中において1400℃で1時間20分保持して再焼結することにより、緻密焼結体である直径12mm、全体の長さ100mm、刃部12の長さ60mmのドリル10(傾斜複合材)を得た。なお、窒素は、昇温を開始した時点から導入した。
【0051】
得られたドリル10を切断して電子顕微鏡により観察したところ、表面に存在するセラミックス粒子は丸みを帯びた微細なものであり、一方、内部に存在するセラミックス粒子は大きく粒成長していることが認められた。
【0052】
このドリル10と、原材料であるセラミックス粒子の粒径が0.6〜0.8μm程度である、市販品の超微粒子焼結体からなるドリル、および原材料であるセラミックス粒子の粒径がおよそ0.4μm以下の超超微粒子焼結体からなるドリルとを使用して、AC8B材(ハイシリコンアルミニウム合金)に対し500m/分の穿孔速度で深さ40mmの穴を連続的に設け、加工穴数とVB摩耗量との関係を調べた。結果を図6に示す。図6から、両市販品に比してドリル10の方が著しく耐摩耗性に優れ、長寿命であることが明らかである。
【0053】
また、両市販品では、加工穴数が10000個に達する以前に構成刃先が形成され、その結果、穴の寸法精度も低下した。これに対して、ドリル10では加工穴数が60000個に達した後も構成刃先の形成が認められず、精度よく穴を設けることができた。
【0054】
その一方で、上記と同様にして直径15mm、全体の長さ90mm、刃部32の長さ30mmのリーマ30(傾斜複合材)を得た。該リーマ30の切断面を電子顕微鏡で観察することにより、このリーマ30においても、表面に存在するセラミックス粒子は微細で丸みを帯びており、かつ内部に存在するセラミックス粒子は大きく粒成長していることが認められた。また、セラミックスリッチ部38は、表面から深さ5mmに亘り形成されていた。
【0055】
このリーマ30と、市販品である超微粒子焼結体からなるリーマおよび超超微粒子焼結体からなるリーマとを使用して、AC8B材に設けられた穴を切削加工して加工穴数とVB摩耗量との関係を調べた。その結果、両市販品のVB摩耗量は、加工穴数が30000個に達した時点で0.2mm以上となったが、リーマ30においては、加工穴数が60000個に達した時点でも0.15mmにも満たなかった。また、両市販品では、加工穴数が10000個に達する以前に構成刃先が形成されたが、リーマ30では加工穴数が60000個に達した後も構成刃先の形成が認められず、精度よく穴を設けることができた。
【0056】
以上のことから、ドリル10およびリーマ30が市販品に比して著しく優れた耐摩耗性を有し、したがって、長寿命であることが明らかである。
【0057】
ドリル10およびリーマ30に構成刃先の形成が認められなかった理由は、これらの加工面がセラミックスリッチ部20、38からなるためであると考えられる。すなわち、加工面における金属の組成比が小さいので、穿孔加工または切削加工時にワークであるAC8B材との相互反応が著しく抑制されたからである。
【0058】
以上説明したように、本発明によって得られる加工用刃具によれば、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する傾斜複合材からなるので、高硬度および高強度と高靱性とを兼ね備える。このため、耐摩耗性に優れるので長寿命であるとともに変形が生じ難く、また、割れや欠けが生じ難いという効果が達成される。しかも、加工精度の向上を図ることもできる。
【0059】
また、本発明に係る加工用刃具の製造方法によれば、粒成長促進剤含有溶液が含浸された多孔質体を窒素雰囲気中で再焼結して切削加工用刃具(傾斜複合材)とするようにしている。この場合、多孔質体の表面近傍に存在するセラミックス粒子は窒素により粒成長が抑制され、一方、内部に存在するセラミックス粒子は粒成長促進剤により粒成長が促進される。このために金属粒子が表面に集中するような再配列が起こり、その結果、表面から内部に指向して金属の組成比が減少するとともにセラミックスの組成比が増加する加工用刃具、すなわち、表面が高靱性でかつ内部が高硬度の加工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】 図1は、第1の実施形態に係る加工用刃具(ドリル)の一部縦断面概略全体構成図である。
【図2】 図2は、図1のII−II線矢視断面図である。
【図3】 図3は、第2の実施形態に係る加工用刃具(リーマ)の概略全体構成図である。
【図4】 図4は、図3のIV−IV線矢視断面図である。
【図5】 図5は、本実施の形態に係る加工用刃具の製造方法のフローチャートである。
【図6】 図6は、第1実施形態に係るドリルおよび市販ドリルにおける加工穴数とVB摩耗量との関係を示すグラフである。
Claims (3)
- 表面から内部に指向してセラミックスの組成比が増加するとともに金属の組成比が減少し、かつ内部に存在するセラミックス粒子の粒成長の度合いが表面近傍に存在するセラミックス粒子に比して大きい加工用刃具の製造方法であって、
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種のセラミックス粒子と、Fe、Ni、Coまたはこれらの中の2種以上で構成される合金の群から選択された少なくとも1種と、Cr、Mn、V、Tiの少なくとも1種の金属粒子とが、重量比で85:15〜95:5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体とする一次焼結工程と、
前記多孔質体の内部に粒成長促進剤含有溶液を含浸させる含浸工程と、
前記粒成長促進剤含有溶液が含浸された前記多孔質体を窒化ガス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、
を有し、
前記二次焼結工程では、昇温開始時から窒化ガスを導入することを特徴とする加工用刃具の製造方法。 - 請求項1記載の製造方法において、前記粒成長促進剤含有溶液に含有される粒成長促進剤をFe、Ni、Co、Mn、Cr、Mo、Tiまたはランタノイドとすることを特徴とする加工用刃具の製造方法。
- 請求項1または2記載の製造方法において、前記窒化ガスとして窒素を使用することを特徴とする加工用刃具の製造方法。
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