JP4134471B2 - 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組織焼結体製エンドミル - Google Patents
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Description
【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を発揮する微粒組織焼結体製エンドミル(以下、微粒組織エンドミルと云う)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般に、微粒組織エンドミルとして、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85〜98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の微粒組織焼結体で構成され、さらに前記微粒組織焼結体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重量%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)からなる微粒組織エンドミルが知られている。
【0003】
また、上記の微粒組織エンドミルが、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10-1Torr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超硬合金で構成された長尺状の微粒組織焼結体を形成し、この微粒組織焼結体から図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、上記の従来微粒組織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、特に高速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組織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、ボールミル中でアセトンを加えて湿式混合し、乾燥した後、所定の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体に、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)上記の従来微粒組織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)で製造された(W,Co,Cr)C粉末を、これに固溶含有するCoとCrの含有量を、焼結後にCo:0.1〜3重量%およびCr:0.1〜2重量%となるように調整した上で、2次原料粉末として用い、これ以外の条件は、上記の従来微粒組織エンドミルを構成する微粒組織焼結体の製造条件と同一の条件で焼結体を製造すると、
同じく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(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85〜98面積%を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる微粒組織を有し、
さらに上記分散相が、透過型電子顕微鏡による組織観察で、分散相に占める平均値で、Co:0.1〜3重量%、Cr:0.1〜2重量%を含有する(W,Co,Cr)C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、Crを結合相に占める平均値で、1〜8重量%含有するCo基合金単一相(上記の従来微粒組織エンドミルと同様に焼結時にCrの他に微量のWとC成分が固溶する)からなる微粒組織焼結体が得られること。
【0007】
(c)上記(b)の微粒組織焼結体は、特にこれの分散相を構成する(W,Co,Cr)C単一相が、上記の従来微粒組織エンドミルを構成する超硬合金の分散相であるWC相と同等の硬さおよび望ましくは平均粒径で0.8μm以下の微粒組織を保持したままで、前記WC相より一段と強度および靭性にすぐれ、かつ結合相に対する密着性にもすぐれている(これは分散相と結合相の構成成分が相互に同一、すなわち両相ともW、Co、Cr、およびCで構成されていることにあると解される)ことから、きわめて高い強度と靭性をもつようになり、したがってこの微粒組織焼結体で構成されたエンドミルは、特に高速切削でもシャープなエッジを含む複雑な形状を有する先端面切刃面および外周刃にチッピングの発生なく、すぐれた性能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エンドミルを、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85〜98面積%を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる微粒組織焼結体で構成し、
さらに上記微粒組織焼結体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、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重量%、Cr:0.1〜2重量%である(W,Co,Cr)C単一相からなり、
同じく上記の結合相が、同じく透過型電子顕微鏡による組織観察で、Crを結合相に占める平均値で、1〜8重量%含有するCo基合金単一相(微量のWおよびCを固溶含有する)からなる、
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を発揮する微粒組織エンドミルに特徴を有するものである。
【0009】
以下に、この発明の微粒組織エンドミルにおいて、これを構成する微粒組織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) 微粒組織焼結体の分散相の割合
その割合が平均値で85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98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、その割合を平均値で85〜98面積%、望ましくは86〜93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重量%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重量%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重量%、望ましくは0.5〜2重量%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微粒組織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重量%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重量%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重量%、望ましくは0.5〜1重量%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重量%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重量%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重量%、望ましくは2〜6重量%と定めた。
【0012】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の微粒組織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、ボールミルでさらに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分保持の条件で共還元処理を施し、共還元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微粒組織エンドミルを構成する微粒組織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。
【0013】
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、または前記Co粉末と平均粒径:2.3μmを有する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1ton/cm2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、0.05Torr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、微粒組織焼結体とし、さらにこれらの微粒組織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微粒組織エンドミル(以下、本発明エンドミルと云う)1〜12それぞれを製造した。
【0014】
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微粒組織焼結体とし、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微粒組織エンドミル(以下、従来エンドミルと云う)1〜8それぞれを製造した。
【0015】
この結果得られた本発明エンドミル1〜12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および透過型電子顕微鏡を用いて組織観察し、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、さらに結合相の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。
【0016】
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。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】
【発明の効果】
表2、3に示される結果から、本発明エンドミル1〜12は、いずれもこれを構成する微粒組織焼結体の(W,Co,Cr)C単一相からなる分散相が従来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すぐれ、かつ結合相に対する密着性にもすぐれていることから、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、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するのに対して、微粒組織焼結体の分散相がWC単一相からなる従来エンドミル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、この発明の微粒組織エンドミルは、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、高速切削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)は微粒組織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)
- 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エンドミルを、Cr含有により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85〜98面積%を占め、残りが結合相と不可避不純物からなる微粒組織焼結体で構成し、
さらに上記微粒組織焼結体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、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重量%、Cr:0.1〜2重量%であるWとCoとCrの複合炭化物固溶体単一相からなり、
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、Crを結合相に占める平均値で、1〜8重量%含有するCo基合金単一相からなること、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を発揮する微粒組織焼結体製エンドミル。
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