JP3968945B2 - 先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する焼結エンドミル - 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、さらにすぐれた耐熱塑性変形性を有し、特に高速切削で、先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する焼結エンドミルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、焼結エンドミルとして、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、Ｃｒ含有により望ましくは平均粒径で０．８μｍ以下に細粒化された分散相が走査型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均値で８０〜９５面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる超硬合金で構成され、さらに前記超硬合金を構成する分散相が、透過型電子顕微鏡による組織観察で、実質的に炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）の単一相からなり、同じく上記の結合相が、同じく透過型電子顕微鏡による組織観察で、ＷＣ細粒化の目的でＣｒを結合相に占める平均値で、１〜８質量％含有したＣｏ基合金単一相（焼結時にＣｒの他に微量のＷとＣ成分が固溶する）からなる焼結エンドミルが知られている。
【０００３】
また、上記の焼結エンドミルが、原料粉末として、いずれも０．１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、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、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、例えば雰囲気圧力が１．３〜１３．３Ｐａの真空中、１３５０〜１４８０℃の範囲内の所定の温度に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超硬合金で構成された長尺状の焼結体を形成し、この焼結体から図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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来焼結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せず、さらに耐熱塑性変形性の点でも不充分であるために、これを高速切削に用いると、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）が発生し易くなるばかりでなく、高い発熱によって先端面切刃面および外周刃に塑性変形が生じ、これが偏摩耗の原因になって摩耗を促進することから、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、特に高速切削で先端面切刃面および外周刃にチッピングの発生なく、かつすぐれた耐摩耗性を発揮する焼結エンドミルを開発すべく研究を行った結果、
（ａ）まず、１次原料粉末として、いずれも望ましくは１μｍ以下の平均粒径を有する金属タングステン（以下、Ｗで示す）粉末、酸化コバルト（以下、Ｃｏ₂Ｏ₅で示す）粉末、酸化クロム(以下、Ｃｒ₂Ｏ₃で示す)粉末、および黒鉛(以下、Ｃで示す)粉末を用意し、これら原料粉末を所定の割合に配合し、十分に混合した後、カーボンボートに充填し、これを水素含有雰囲気中、１３００〜１５００℃の温度に加熱保持の条件で共還元処理（前記原料粉末のＣ粉末による還元炭化処理）を施すと、ＷＣに所定割合のＣｏとＣｒが固溶含有してなるＷとＣｏとＣｒの複合炭化物固溶体［以下、（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃで示す］粉末を製造することができること。
【０００６】
（ｂ）上記の従来焼結エンドミルの製造に際して原料粉末として用いていたＷＣ粉末に代って、上記（ａ）で製造した（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ粉末を、これに固溶含有するＣｏとＣｒの含有量を、Ｃｏ：０．１〜３質量％およびＣｒ：０．１〜２質量％となるように調整した状態で原料粉末として用い、さらに原料粉末としてＶＣ粉末を、Ｖが焼結体全体に占める割合で、０．１〜１質量％含有するようになる割合で用い、これ以外の条件は、上記の従来焼結エンドミルを構成する焼結体の製造条件と同一の条件で焼結体を製造すると、
▲１▼Ｃｒ含有により細粒化、望ましくは０．８μｍ以下に細粒化された分散相が、走査型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均値（任意複数個所、望ましくは任意５ヶ所以上の測定結果の平均値、以下に示す平均値も同じ）で、実質的に８０〜９５面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる組織を有し、
▲２▼さらに上記分散相が、以下いずれも透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定で、実質的に分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜３質量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％を含有する（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ単一相からなり、
▲３▼同じく上記の結合相が、Ｃｒを結合相に占める平均値で、１〜８質量％含有するＣｏ基合金単一相（上記の従来焼結エンドミルと同様に焼結時にＣｒの他に微量のＷとＶとＣ成分が固溶する）からなり、
▲４▼かつＶを焼結体全体に占める割合で、０．１〜１質量％含有すると共に、前記Ｖが上記分散相と上記結合相の界面部に凝集した組織を有する焼結体が得られること。
【０００７】
（ｃ）上記（ｂ）の焼結体においては、特にこれの分散相を構成する（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ単一相が、上記の従来焼結エンドミルを構成する超硬合金の分散相であるＷＣ相と同等の硬さを保持したままで、前記ＷＣ相に比して一段と強靭性に富んだものとなると共に、これの結合相を構成するＣｏ基合金単一相が、Ｃｒの作用ですぐれた耐熱性を有し、高い発熱に対してすぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、しかも上記分散相と上記結合相の界面部に凝集したＶが、前記分散相および結合相のそれぞれの構成成分が焼結時に相互に拡散移動するのを抑制する、すなわち焼結前後の前記分散相の構成成分含有量に実質的変化が起らないように作用する（この結果結合相の構成成分含有量も安定する）ことから、あらかじめ原料粉末のＣｏおよびＣｒの含有量を調製して定めた特性がそのまま焼結後も保持されると共に、ＷＣ粒の成長が著しく抑制されるようになって、望ましくは平均粒径で０．８μｍ以下の微粒組織をもつようになり、したがってこの結果の焼結体で構成された焼結エンドミルは、特に高強度および高靭性、さらにすぐれた耐熱塑性変形性が要求される高速切削で、先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を長期に亘って発揮すること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
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、
シャンク部と、先端面を切刃面とし、かつ外周刃が形成された切刃部とからなる焼結エンドミルを、分散相が走査型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均値で８０〜９５面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる組織を有する焼結体で構成し、
さらに上記焼結体を構成する分散相が、以下、いずれも透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定で、実質的にＷＣにＣｏとＣｒが固溶含有し、かつその含有割合が分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜３質量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％である（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ単一相からなり、
同じく上記の結合相が、Ｃｒを結合相に占める平均値で、１〜８質量％含有するＣｏ基合金単一相（微量のＷ，Ｖ，およびＣを固溶含有する）からなり、
かつ上記焼結体は、Ｖを焼結体全体に占める割合で、０．１〜１質量％含有すると共に、前記Ｖが上記分散相と上記結合相の界面部に凝集した組織を有する、特に高速切削で、先端面切刃面および外周刃がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する焼結エンドミルに特徴を有するものである。
【０００９】
以下に、この発明の焼結エンドミルにおいて、これを構成する焼結体の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１） 焼結体の分散相の割合
その割合が平均値で８０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、一方その割合が同９５面積％を越えると、靭性不足をきたし、折損が発生し易くなることから、その割合を平均値で８０〜９５面積％、望ましくは８４〜９１面積％と定めた。
【００１０】
（２） 分散相におけるＣｏおよびＣｒ成分の含有割合
分散相に固溶含有するＣｏ成分には、分散相の強度および靭性を向上させると共に、両相相互間に共通して含有するＣｒ、Ｗ、およびＣ成分との共存において、Ｃｏ基合金の結合相との密着性を向上させる作用があるが、その含有割合が平均値で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同３質量％を越えると、分散相の硬さが低下し、摩耗進行を早める原因となることから、その含有割合を平均値で０．１〜３質量％、望ましくは０．５〜２質量％と定めた。
また、同じく分散相に固溶含有するＣｒ成分には、分散相の硬さを上記の従来焼結エンドミルを構成する超硬合金の分散相であるＷＣ相と同等の硬さに保持するほか、Ｃｏ基合金の結合相中に固溶含有するＣｒ成分のもつ分散相微細化作用を促進させる作用をもつが、その含有割合が平均値で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同２質量％を越えると、分散相中に微細なクロム炭化物として析出し、これが分散相自体の強度および靭性低下の原因となることから、その含有割合を平均値で０．１〜２質量％、望ましくは０．５〜１質量％と定めた。
【００１１】
（３） 結合相におけるＣｒ成分の含有割合
結合相に固溶含有するＣｒ成分には、上記の通り分散相中に固溶含有するＣｒ成分との共存において、分散相を望ましくは平均粒径で０．８μｍ以下に微細化し、もって上記分散相の強度向上と相俟ってエンドミルの強度を一段と向上させる作用があるが、その含有割合が平均値で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同８質量％を越えると、結合相中に微細なクロム炭化物などとして析出し、結合相のもつ靭性が損なわれるようになることから、その含有割合を平均値で１〜８質量％、望ましくは２〜６質量％と定めた。
【００１２】
（４） 分散相と結合相の界面部に凝集するＶ成分の含有割合
Ｖ成分には、分散相と結合相の界面部に凝集して、焼結時に分散相および結合相のそれぞれの構成成分が相互に拡散移動するのを抑制し、もって前記分散相および結合相に特性変化が起らないようにすると共に、前記分散相の粒成長も抑制して、その粒径を望ましくは平均粒径で０．８μｍ以下に保持する作用があるが、その含有割合がで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１質量％を越えると、微細な炭化バナジウムなどとして析出し、エンドミルの靭性を低下させる原因となることから、その含有割合をで０．１〜１質量％、望ましくは０．２〜０．５質量％と定めた。
【００１３】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の焼結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：０．５μｍを有するＷ粉末、同０．６μｍのＣｏ₂Ｏ₅粉末、同０．６μｍのＣｒ₂Ｏ₃粉末、および同０．４μｍのＣ粉末を用意し、まずこれら原料粉末のうちのＣｏ₂Ｏ₅粉末、Ｃｒ₂Ｏ₃粉末、およびＣ粉末を所定の割合に配合し、湿式ボールミルでアセトンを加えて３時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐした状態でこれに所定割合のＷ粉末を配合して、さらに１時間乾式混合し、カーボンボートに充てんした後、水素雰囲気中、１３００〜１５００℃の範囲内の所定の温度に２０分保持の条件で還元炭化処理を施し、還元炭化処理後粒度調整を行うことにより、それぞれ表１に示されるＣｏおよびＣｒ含有量にして、平均粒径を有する本発明焼結エンドミルを構成する焼結体の分散相形成用（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ粉末（以下、本発明分散相用原料粉末と云う）Ａ〜Ｌをそれぞれ製造した。
【００１４】
ついで、上記の本発明分散相用原料粉末Ａ〜Ｌのそれぞれに、平均粒径：１．２μｍのＣｏ粉末および同１．８μｍのＶＣ粉末、さらに必要に応じて同２．３μｍのＣｒ₃Ｃ₂粉末を表２に示される割合に配合し、さらにワックスと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、いずれも９８ＭＰａ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、１．３Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３８０〜１４８０℃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、炉冷の条件で焼結して、焼結体とし、さらにこれらの焼結体から研削加工にて、表２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焼結エンドミル１〜１２それぞれを製造した。
【００１５】
また、比較の目的で、原料粉末として、上記のＣｏ粉末およびＣｒ₃Ｃ₂粉末、さらに平均粒径：０．８μｍのＷＣ粉末を用い、これら原料粉末を表３に示される配合組成に配合する以外は、上記の本発明焼結エンドミル１〜１２の製造条件と同一の条件で、湿式混合し、減圧乾燥した後、丸棒圧粉体にプレスに成形し、これを真空燒結して焼結体とし、これに研削加工を施して同じく表３に示される寸法に仕上げることにより従来焼結エンドミル１〜８それぞれを製造した。
【００１６】
この結果得られた本発明焼結エンドミル１〜１２よび従来焼結エンドミル１〜８について、これの任意断面を走査型電子顕微鏡および透過型電子顕微鏡を用いて組織観察し、さらにエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて、分散相の平均粒径を測定すると共に、分散相の全体割合、Ｃｏ含有量、およびＣｒ含有量、並びに結合相のＣｒ含有量をそれぞれ任意５ヶ所について測定し、この測定結果をそれぞれ表２、３に平均値で示した。
なお、表２、３の分散相および結合相のＣｏ平均含有量およびＣｒ平均含有量はそれぞれ分散相および結合相に占める割合を示すものである。
【００１７】
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：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃ（ＨＢ２２０）、
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ、
１刃当りの送り：０．０４ｍｍ、
切り込み深さ：９ｍｍ、
切り込み幅：０．５ｍｍ、
切削形式：ダウンカット、
の条件での炭素鋼の湿式（水溶性切削油使用）高速側面切削試験、また切刃部の直径が１０ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４（ＨＢ１５０）、
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、
１刃当りの送り：０．０４ｍｍ、
切り込み深さ：１５ｍｍ、
切り込み幅：０．８ｍｍ、
切削形式：ダウンカット、
の条件でのステンレス鋼の湿式（水溶性切削油使用）高速側面切削試験、さらに切刃部の直径が２０ｍｍのものについては、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（ＨRＣ４０）、
切削速度：４５ｍ／ｍｉｎ、
１刃当りの送り：０．０３ｍｍ、
切り込み深さ：３０ｍｍ、
切り込み幅：１．５ｍｍ、
切削形式：ダウンカット、
の条件でのダイス鋼の湿式（水溶性切削油使用）高速側面切削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に至るまでの切削長を測定した。これらの測定結果を表２、３にそれぞれ試験本数：５本の平均値として示した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【表３】

【００２１】
【発明の効果】
表２、３に示される結果から、本発明焼結エンドミル１〜１２は、いずれもこれを構成する焼結体の分散相が従来焼結エンドミルを構成する超硬合金の分散相であるＷＣ単一相と同等の硬さおよび平均粒径を保持したままで、これより一段と強度および靭性に富んだ（Ｗ，Ｃｏ，Ｃｒ）Ｃ単一相からなり、また同結合相が耐熱塑性変形性のすぐれたＣｏ基合金単一相からなり、しかも前記分散相と結合相の界面部に凝集して存在するＶ成分が、前記分散相および結合相のそれぞれの構成成分が焼結時に相互に拡散移動するのを抑制するように作用し、前記分散相および結合相のもつ特性がそのまま焼結後も保持されると共に、分散相の成長が著しく抑制されるようになって、平均粒径で０．８μｍ以下の微粒組織が確保されることによって高強度および高靭性、さらにすぐれた耐熱塑性変形性を具備するようになるので、高速切削にもかかわらず、先端面切刃面および外周刃にチッピングの発生がなく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するのに対して、焼結体が同じく微粒組織を有するが、分散相がＷＣ単一相からなる従来焼結エンドミル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における強度および靭性、さらに耐熱塑性変形性の不足が原因で、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、この発明の焼結エンドミルは、これの具備する高強度および高靭性、さらにすぐれた耐熱塑性変形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、高速切削でもチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性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）は焼結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. （ａ）シャンク部と、先端面を切刃面とし、かつ外周刃が形成された切刃部とからなる焼結エンドミルを、分散相が走査型電子顕微鏡による組織観察に基づく平均値で８０〜９５面積％を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる組織を有する焼結体で構成し、
   （ｂ）上記焼結体を構成する分散相が、実質的に炭化タングステンにＣｏとＣｒが固溶含有し、かつその含有割合が分散相に占める平均値で、Ｃｏ:０．１〜３質量％、Ｃｒ：０．１〜２質量％であるＷとＣｏとＣｒの複合炭化物固溶体単一相からなり、
   （ｃ）同じく上記の結合相が、Ｃｒを結合相に占める平均値で、１〜８質量％含有するＣｏ基合金単一相からなり、
   （ｄ）さらに上記焼結体は、Ｖを焼結体全体に占める割合で、０．１〜１質量％含有すると共に、前記Ｖが上記分散相と上記結合相の界面部に凝集した組織を有し、
   （ｅ）以上の（ｂ）〜（ｄ）の成分含有量および組織はいずれも透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分析装置による測定結果のものであること、
   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および耐摩耗性を発揮する焼結エンドミル。

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