JP4028368B2 - 表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高送り連続切削、重断続切削などの苛酷な条件の切削に対して優れた切削性能を有する表面被覆超硬合金工具に関するものであり、該表面被覆工具は、インサート、エンドミル、ドリルなどの切削工具は勿論のこと、その他あらゆる切削工具を含むものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＣ基超硬合金にＣｒを添加した材料は、特開平５−３２９７０３号公報に記載されている。０．１重量％〜４重量％のＣｒを添加し基体の耐塑性変形性及び耐欠損性を向上し、その基体表面に周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、Ａｌの酸化物及びこれらの複合化合物のうち１種の単層又は２種以上の複層を被覆してなる表面被覆超硬合金が開示されている。また、Ｒｕを含有させた合金材料は、ＵＳＰ４５７４０１１号公報に記載されている。これにはＷＣ、ＴｉＣなどの炭化物を７５〜９０重量％、バインダとしてＣｏ、Ｎｉ、Ｒｕを１０〜２５重量％を含有する合金材が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年の切削機械の高性能化、高出力化は目覚しく、かつ切削加工の省力化の要求と相まって、切削工具は例えば切削速度が２００〜２２０ｍ／ｍｉｎなどの高速条件で使用され、更に溝付きの被削材を加工する例などの様に重断続切削化への傾向にある。上記のような加工条件では、従来の表面被覆超硬合金切削工具を用いた場合、特に高送り連続切削では、十分満足できる耐塑性変形性が得られず、基体の塑性変形により硬質皮膜層にクラックが発生し、硬質皮膜に発生したクラックが急速に拡大伝播して硬質皮膜層が剥離し、切刃部の欠損が発生すると考えられる。即ち、刃先部の欠損は、基体の塑性変形に起因したものであるから、耐塑性変形性の改善を行う必要がある。更に、重断続切削では一層苛酷な熱衝撃にさらされる切削となり、従来の被覆超硬工具は、このような苛酷な熱衝撃にさらされる切削では、十分満足な耐熱衝撃性を備えるものでないために、切削開始後比較的短時間で熱亀裂が発生し、これが原因で切刃部の欠損により工具が短寿命となる。従って、上述した様な高送り連続切削、重断続切削などの苛酷な条件下において耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性の全てを同時に満足することができる様な工具は得られていない。そこで、本発明の目的は、苛酷な条件下においても十分な耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性が得られる、優れた表面被覆超硬合金切削工具を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決する為の手段】
本発明者は、耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に優れたＷＣ基超硬合金を基体とする表面被覆超硬合金切削工具を開発すべく研究を行った結果、表面被覆超硬合金製切削工具において、該超硬合金は、ＷＣの平均粒径が１．０μｍ以上であるＷＣ相と、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の中から選択された１種以上の炭化物及び／又は炭窒化物とでなる硬質相と、結合相として重量％で、３≦Ｃｏ≦２５、０．０１≦Ｃｒ＜０．１、０＜Ｒｕ／Ｃｏ≦０．１、０≦Ｖ＜１及び０≦Ｍｏ≦５を含み、該超硬合金基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、Ａｌの酸化物及びこれらの化合物のうち１種の単層又は２種以上の複層を被覆してなることを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具によって、従来の結合相として３≦Ｃｏ≦２５を含む超硬合金に比べ、耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性を向上させ、更に、硬質皮膜層に対する密着性も満足する、本発明の表面被覆超硬合金製切削工具を完成させた。
【０００５】
【発明実施の形態】
本発明の基体となる超硬合金に含まれるＣｒは、Ｃｏ中に固溶体として存在しており、金属結合相を強化すると共に耐食性を付与し、粒成長抑制の効果も合わせ持っている。Ｃｒの含有量を０．０１≦Ｃｒ＜０．１に定めた理由は、Ｃｒが０．０１％未満であると、添加効果としての超硬合金の耐塑性変形性が十分に得られない為であり、また、Ｃｒが０．１％以上添加すると、ＣｒのＣｏへの固溶と同時に析出相を形成するため、結合相を脆化させる傾向にあり、刃先の強度低下の原因となるためである。一方、Ｃｒは耐食性の改善に有効であり、０．０１≦Ｃｒ＜０．１の範囲の添加量では、この耐食性を十分に得られなが、本発明の基体はＲｕの添加により、耐食性の改善が可能であることを見出した。本発明者は、Ｃｒの添加量制限による耐食性の劣化をＲｕの添加により補い、一方、Ｃｒの多量添加による結合相を脆化という不都合を回避することに成功したのである。
【０００６】
本発明の基体となる超硬合金に含まれるＲｕ量を０＜Ｒｕ／Ｃｏ≦０．１と定めた理由は、Ｒｕ／Ｃｏが０．１を超える添加は、Ｒｕの添加効果が飽和する為である。Ｒｕの添加は、結合相内にＣｏやＣｒなどよりも熱伝導率の高いＲｕを添加することにより、Ｒｕを添加していない従来の基体に比べてすぐれた耐熱衝撃性を具備し、従って、この基体で構成された被覆超硬工具は、特に加熱／冷却の激しい熱衝撃にさらされるフライス切削を、送りや切り込みを高くした状態で行っても、切刃に熱亀裂の発生するのか著しく抑制されることから、長期にわたってすぐれた切削性能を発揮するという研究結果が得られたのである。即ち、基体の熱伝導性を高めることによって、切刃部での熱の蓄積を無くし、速やかな熱の放散を図ることによって大きな熱サイクルを伴う様な切削条件においても、耐熱衝撃性を著しく改善することができたのである。更に、Ｒｕの添加は、靭性、耐食性及び耐熱性の改善に効果的である。
【０００７】
本発明の基体となる超硬合金に含まれるＶを０≦Ｖ＜１に定めた理由は、１重量％以上添加すると切刃部の耐欠損性が著しく低下してしまうことによるものである。Ｖの添加は、粒成長抑制効果を有し、Ｖを含んだ薄層としてＷＣとＣｏとの界面に存在すると、ＷＣとＣｏの界面が階段状となり、これが界面強度の向上を招き、靭性向上及び耐欠損性の改善に効果的である。本発明の基体となる超硬合金に含まれるＭｏ量を０≦Ｍｏ≦５に定めた理由は、Ｍｏが５重量％を超えて添加すると結合相を脆化させることとなり、切刃部の欠損が発生しやすくなり、工具寿命が低下するためである。Ｍｏの添加は、結合相とＷＣ粒子との濡れ性の改善に効果的であり、好ましい。Ｍｏの添加は、結合相とＷＣ粒子との界面領域における空孔、間隙など欠陥を低減させ、結合相とＷＣ粒子との接触面積を大きくして、基体の熱伝導性を改善して重断続切削などの苛酷な条件下においも耐熱衝撃性の優れた基体を得ることができる。
【０００８】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径３．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．０μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、平均粒径１．２μｍのＴａＣ粉末、及びＲｕ粉末を準備し、表１に示されるＣｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｒｕを添加した成分組成の超硬合金、Ｃｒを０．１重量％を越えて含有した成分組成の超硬合金、Ｃｒを含有しない成分組成の超硬合金を配合し、ボールミルで湿式混合、乾燥した後、１４００〜１５００℃に１時間保持して、焼結を行い、得られた焼結体を加工してＩＳＯ規格ＣＮＭＧ４３２の形状を有するインサートを作製した。これら超硬合金インサートを基体とし、その表面にＣＶＤ法により表１に示される厚さの皮膜を形成し、本発明例１〜８、比較例９〜１３、及び従来例１４をそれぞれ作製した。
【０００９】
【表１】

【００１０】
上記本発明例１〜８、比較例９〜１３、従来例１４のインサートを用い、以下の条件で切削試験を行った。
（連続切削試験）
被削材：Ｓ５３Ｃ
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：２．０ｍｍ．
切削油：あり
切削時間：１５分
以上の条件で切削し、切削後の切刃の塑性変形を含む逃げ面摩耗幅を測定し、その結果を表１に併記した。
（断続切削試験）
被削材：ＳＣＭ４３５（円柱形状で９０°毎に４本の溝付き）
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ．
送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．５ｍｍ．
切削油：あり
切削時間：５分
以上の条件で切削し、切削後の切刃部を観察し、試験インサート数に対する欠損発生インサート数の比率を欠損発生率として測定し、その結果を表１に併記した。
【００１１】
表１より、本発明例１〜８と従来例１４とを比較すると、皮膜は同じでも、本発明例は、超硬合金基体にＣｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｒｕが本発明で定めた規定範囲内で含まれることにより、超硬合金基体にＣｒを規定量以上含み、Ｒｕが含まれない従来例よりも耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に優れている結果が得られた。更に、本発明の添加元素の、耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に対する効果が現れていることが分かる。添加量の耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性に対する影響は本発明例１〜８と比較例９からも分かる。即ち、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｒｕの添加量が、それぞれ本発明で規定している添加量範囲を超えると、耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性が大幅に低下する。また、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｒｕの複合添加については、本発明例１と本発明例２、３とを比較すると、ＶやＭｏの添加によって結合相の界面強度や結合相とＷＣの濡れ性が改善することで、耐欠損性及び耐熱衝撃性が向上すること、その反面、摩耗量が若干増加していることがわかる。また、本発明例１と本発明例４とを比較すると、Ｒｕの添加により耐熱性が更に向上するために塑性変形性が改善し、更に耐欠損性及び耐熱衝撃性及び耐食性にも改善が認められた。また、本発明例１と本発明例５を比較すると、Ｖ、Ｍｏ、Ｒｕの添加により塑性変形を含む逃げ面摩耗が改善し、耐欠損性及び耐熱衝撃性も良好な結果を得た。
【００１２】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、高速切削加工及び重断続切削において超硬合金の耐塑性変形性、耐欠損性及び耐熱衝撃性が向上し、従来よりも一層苛酷な条件の切削に対して十分に対応することができ、産業上すぐれた効果を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。

Claims (1)

1. 表面被覆超硬合金製切削工具において、該超硬合金は、ＷＣの平均粒径が１．０μｍ以上であるＷＣ相と、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の中から選択された１種以上の炭化物及び／又は炭窒化物とでなる硬質相と、結合相として重量％で、３≦Ｃｏ≦２５、０．０１≦Ｃｒ＜０．１、０＜Ｒｕ／Ｃｏ≦０．１、０≦Ｖ＜１及び０≦Ｍｏ≦５を含み、該超硬合金基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、Ａｌの酸化物及びこれらの化合物のうち１種の単層又は２種以上の複層を被覆してなることを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具。