JP5093754B2 - 超硬合金部材と鋼部材との高接合強度を有する複合材料およびこの複合材料からなる切削工具用複合素材および切削工具 - Google Patents
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Description
また、拡散接合によって超硬合金部材と鋼部材との複合材料を得る方法としては、例えば、超硬合金部材と鋼部材とを摩擦圧接して両者を直接接合する拡散接合法、あるいは、超硬合金部材と鋼部材との間にニッケル、ニッケル合金からなるインサートを介在させ、インサートを介して超硬合金部材と鋼部材とを加圧加熱処理し、両者を接合する拡散接合法などが知られており、上記インサートを用いた拡散接合によれば、比較的靭性の改善された超硬合金部材と鋼部材との複合材料が得られることが知られている。
また、超硬合金部材と鋼部材との複合材料からなる切削工具としては、超硬合金部材に切刃加工を施し、鋼部材自体をシャンク部として用いるエンドミル、ドリル、あるいは、鋼部材にねじ加工を施し、該ねじ部をシャンク部材へ螺入嵌合する刃先交換型エンドミル、ドリル等が知られている。
そのため、超硬合金部材と鋼部材との複合材料、また、かかる複合材料からなるエンドミルあるいはドリル等の切削工具用丸棒複合素材、さらに、かかる複合素材から形成されたエンドミル、ドリル等の切削工具においては、より一層すぐれた接合部の接合強度を有する複合材料が求められている。
さらに、この発明の複合材料を用いて、刃先交換型エンドミルまたは刃先交換型ドリルを形成した場合、鋼部材にねじ加工を施し、該ねじ部を例えば、超硬合金製のシャンクへ螺入嵌合保持させることにより、上記切削加工時の制振/クッション効果に加えて、切削加工時の発熱による締り嵌め効果が生じ、刃先交換型工具とシャンクの強固な結合が期待でき、安全確実な切削加工を実施しえること。
「(1) 超硬合金部材と鋼部材とが、10〜200μmの層厚の接合層を介して接合された超硬合金部材と鋼部材の複合材料において、
超硬合金部材に接する側の接合層は主としてNiからなり、一方、鋼部材に接する側の接合層は主としてNi−Cu合金からなり、該接合層と鋼部材との接合面近傍には、該接合面から遠ざかるにしたがってCuの含有量が減少するCu拡散領域が形成されており、しかも、接合層と鋼部材との接合面中心におけるCuの含有量は5〜50原子%、かつ、接合層との接合面から0.001〜0.005mmに位置する鋼部材の横断面中心におけるCuの含有量は1〜30原子%、さらに、鋼部材との接合面から0.005〜0.01mmに位置する接合層の横断面中心におけるCuの含有量は0.1〜5原子%であることを特徴とする接合層を介して接合された超硬合金部材と鋼部材の複合材料。
(2) 前記(1)記載の超硬合金部材と鋼部材の複合材料からなる切削工具用丸棒複合素材。
(3) 前記(2)2記載の切削工具用丸棒複合素材において、超硬合金部材に刃付加工が施されているエンドミルまたはドリルからなる切削工具。
(4) 前記(3)記載のエンドミルまたはドリルからなる切削工具において、鋼部材にねじ加工が施され、該ねじ部がシャンクへ螺入嵌合されていることを特徴とする刃先交換型エンドミルまたは刃先交換型ドリルからなる切削工具。」
を特徴とするものである。
(a) 本発明では、超硬合金部材とステンレス鋼等の鋼部材を接合層を介して接合し、複合材料を構成するが、複合材料の製造法は、例えば、以下のとおりである。
まず、複合化する超硬合金部材、鋼部材のサイズと同径で、直径1〜30mm×厚さ10〜200μmのNi箔からなるインサート金属および直径1〜30mm×厚さ5〜30μmのCu箔からなるインサート金属を、Ni箔が超硬合金部材側になるように、また、Cu箔が鋼部材側になるように配置して、それぞれを、超硬合金部材と鋼部材との間に介挿し(図1参照)、つぎに、超硬合金部材/Ni箔インサート/Cu箔インサート/鋼部材の順で整列させた上記複合化材料を、加圧しつつ一体保持し、各接合部を、真空雰囲気、Ar雰囲気あるいは窒素雰囲気のいずれかの雰囲気中で、各接合部がCuの融点以上、かつ、Niの融点以下である1084〜1450℃の温度範囲になるように昇温加熱し、Cu箔の液相化、拡散を生じさせた後、室温にまで冷却するという熱処理を施すことにより、接合層の直径1〜30mm、長さ10〜200μmの接合部を有する超硬合金部材と鋼部材の複合材料を形成することができる。
上記調査によれば、
(イ)接合層と鋼部材との接合面中心におけるCuの含有量は5〜50原子%、かつ、
(ロ)接合層との接合面から0.001〜0.005mmに位置する鋼部材の横断面中心におけるCuの含有量は1〜30原子%、さらに、
(ハ)鋼部材との接合面から0.005〜0.01mmに位置する接合層の横断面中心におけるCuの含有量は0.1〜5原子%である。
上記(イ)〜(ハ)を満足するCu分布形状を呈する場合に、接合層は、すぐれた引張強さおよびすぐれた曲げ強さを示し、その結果、かかる接合層を介して接合された超硬合金部材と鋼部材からなる複合材料は、全体としてすぐれた接合強度、即ち、590N/mm2以上の高引張強さかつ2.0GPa以上の曲げ強さ、を示すようになることを確認した。
また、Cu分布形状が上記(ロ)の条件から外れる場合、即ち、接合層との接合面から0.001〜0.005mmに位置する鋼部材の横断面中心におけるCuの含有量が30原子%を超える場合には、Cuが固相のままの状態で接合されていてCu濃度勾配が小さく不完全な接合状態であり、また、Cu含有量が1原子%未満の場合には、接合温度が低い、もしくは、挿入したCu量の不足によりCu濃度勾配を持たない拡散不十分な状態であるから、Cu含有量は1〜30原子%にしなければならない。
さらに、Cu分布形状が上記(ハ)の条件から外れる場合、即ち、鋼部材との接合面から0.005〜0.01mmに位置する接合層の横断面中心におけるCuの含有量が5原子%を超える場合には、Cu濃度勾配が小さく不完全な接合状態であり、また、Cu含有量が0.1原子%未満の場合には、Cu濃度勾配を持たない拡散不十分な状態であるから、Cu含有量は0.1〜5原子%にしなければならない。
なお、接合層の長さ(Ni箔インサートの厚さ)は、10μm未満であると異種材料高温接合の際に生じる熱膨張係数の違いにより残留応力の緩和効果が十分に得られなくなり超硬合金部材への引張り残留応力により超硬合金部材が小さな衝撃等の外力により破壊され易くなり十分な固体強さを持つ複合化を行うことができず、一方、200μmを超えると、1固体として見かけ上は3種複合材料となり比較的強度の低いNiの材料特性が顕著に現れてしまうことから、接合層の長さ(Ni箔インサートの厚さ)は10〜200μmでなければならない。
Ni箔インサートの厚さ:10〜200μm
Cu箔インサートの厚さ:5〜30μm
加圧保持力:5〜50MPa、
加熱昇温手段:高周波誘導加熱
昇温時間:2〜60秒、
加熱保持温度:1084〜1450℃、
加熱保持時間:60秒以内、
冷却手段:真空あるいはガス冷却、
冷却条件:30〜300秒で、200℃以下の温度にまで冷却、
なお、上記製造条件において、Ni箔インサートの厚さを定めた理由は既に述べたとおりであるが、Cu箔インサートについては、その厚さが5μm未満であると、鋼部材との接合面近傍に所定Cu分布形状のCu拡散領域が形成されないため、接合が不十分となり、一方、Cu箔インサートの厚さが30μmを超えると、熱処理によるCu箔の液相化、拡散が不十分となり、接合層にCu層が残存し、これが接合部の機械特性を低下させることになるので、Cu箔インサートの厚さは5〜30μmとすることが必要である。また、加圧保持力、加熱昇温時間、加熱保持温度、加熱保持時間の各条件は、超硬合金とNi間の拡散による接合を行うとともに、Cu箔の液相化、拡散を十分に行い、接合面近傍に所定のCu分布形状を形成させて接合するために必要とされ、さらに、加熱によって生じた拡散成分が、冷却過程で粗大化しあるいは析出物として析出し、接合層、接合面近傍での機械的性質を劣化させないようにするために、冷却手段および冷却条件を上記のとおり特定した。
なお、インサート金属であるNi箔、Cu箔および接合面近傍の超硬合金部材、鋼部材の加熱手段としては、いかなる手段をも採用しえるが、急速加熱により短時間で熱処理するためには、加熱昇温手段として高周波誘導加熱を用いることが望ましい。ただ、高周波誘導加熱では表層が過熱されやすいことから、表層と内部での組織が不均一になりやすいこと、表層−内部間での残留歪み、残留内部応力が発生しやすいこと、熱影響が複合材料長手方向にも及び材質変化が生じやすいこと等があるので、加熱保持温度については上記の条件を外れてはならない。
また、本発明における接合層であるCu−Niは全率固溶体を形成し、接合温度は液相が存在する温度以上であるため、PVD、CVD等の高温条件下、即ち接合温度以下の条件で被覆層を設けたとしても、接合層からのガス発生による被覆層への悪影響、および、複合材料の接合状態に劣化はない。したがって、本発明の複合材料に、PVD、CVD等による表面被覆層を設けることによって、より一層高品質の表面被覆切削工具を製造することができる。
さらに、Ni箔インサートとCu箔インサートの位置を入れ替え、超硬合金部材/Cu箔インサート/Ni箔インサート/鋼部材の順で整列させた複合化材料に対して、表2に示される条件で処理し、表4に示される参考複合材料1〜4を製造した。
その結果を表3、4に示す。
なお、引張試験は、JIS・Z2241で規定される金属材料引張試験方法で行い、また、曲げ試験は、JIS・R1601で規定されるファインセラミックスの曲げ強さ試験方法により行った。
《切削条件A》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SKD61の板材、
切削速度: 28 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
テーブル送り: 170 mm/分、
の条件での工具鋼の乾式溝切削加工試験、
《切削条件B》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S55Cの板材、
切削速度: 100 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
切削幅: 1 mm
テーブル送り: 1100 mm/分、
の条件での炭素鋼の乾式側面切削加工試験、
そして、上記切削加工試験で、切れ刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる0.1mmに至るまでの切削溝長(あるいは工具寿命)を測定するとともに、被削材の加工精度の良否を判断するため、表面粗さRaを測定した。
この結果を表6にそれぞれ示す。
《切削条件C》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SCM440の板材、
切削速度: 75 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
テーブル送り: 450 mm/分、
の条件での合金鋼の乾式溝切削加工試験、
《切削条件D》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SCM440の板材、
切削速度: 110 m/min.、
溝深さ(切り込み): 10 mm、
切削幅: 0.75 mm、
テーブル送り: 1050 mm/分、
の条件での合金鋼の乾式側面切削加工試験、
そして、上記切削加工試験で、切れ刃部の外周刃の逃げ面摩耗幅が使用寿命の目安とされる0.1mmに至るまでの切削長(あるいは工具寿命)を測定するとともに、被削材の加工精度の良否を判断するため、表面粗さRaを測定した。
この測定結果を表7にそれぞれ示す。
《切削条件a》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S50Cの板材、
切削速度: 40 m/min.、
送り: 0.3 mm/rev、
穴深さ: 25 mm、
の条件での炭素鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
《切削条件b》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304の板材、
切削速度: 25 m/min.、
送り: 0.15 mm/rev、
穴深さ: 25 mm、
の条件でのステンレス鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
上記いずれの湿式穴あけ切削加工試験(水溶性切削油使用)でも、先端切れ刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定するとともに、被削材の加工精度の良否を判断するため、穴内壁面の表面粗さRzを測定した。
その結果を表9にそれぞれ示した。
《切削条件c》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S50Cの板材、
切削速度: 35 m/min.、
送り: 0.2 mm/rev、
穴深さ: 25 mm、
の条件での炭素鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
《切削条件d》
被削材−平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・SUS304の板材、
切削速度: 20 m/min.、
送り: 0.1 mm/rev、
穴深さ: 25 mm、
の条件でのステンレス鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
上記いずれの湿式穴あけ切削加工試験(水溶性切削油使用)でも、先端切刃れ面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定するとともに、被削材の加工精度の良否を判断するため、穴内壁面の表面粗さRzを測定した。
この測定結果を表10にそれぞれ示した。
また、本発明複合材料は高温下で接合層が形成されているため、本発明複合材料を表面被覆工具として用いるような場合、例えば、PVD、CVD等の高温条件下において、ろう付け工具ではろう層からのガス発生による被覆層への悪影響や接合精度の低下が発生し切削工具としての品質が得られなかったものが、本発明複合材料では接合温度以下の条件で表面被覆層を設けているため、被覆層への悪影響も複合材料接合状態の劣化もないことから、コーティング技術を併用することにより、より一層工具特性、工具寿命等を改善することができる。
さらに、本発明の複合材料は、希少金属の使用を低減することができ、また、工具の軽量化も図れるため、省資源、省エネ効果は非常に大きい。
Claims (4)
- 超硬合金部材と鋼部材とが、10〜200μmの層厚の接合層を介して接合された超硬合金部材と鋼部材の複合材料において、
超硬合金部材に接する側の接合層は主としてNiからなり、一方、鋼部材に接する側の接合層は主としてNi−Cu合金からなり、該接合層と鋼部材との接合面近傍には、該接合面から遠ざかるにしたがってCuの含有量が減少するCu拡散領域が形成されており、しかも、接合層と鋼部材との接合面中心におけるCuの含有量は5〜50原子%、かつ、接合層との接合面から0.001〜0.005mmに位置する鋼部材の横断面中心におけるCuの含有量は1〜30原子%、さらに、鋼部材との接合面から0.005〜0.01mmに位置する接合層の横断面中心におけるCuの含有量は0.1〜5原子%であることを特徴とする接合層を介して接合された超硬合金部材と鋼部材の複合材料。 - 請求項1記載の超硬合金部材と鋼部材の複合材料からなる切削工具用丸棒複合素材。
- 請求項2記載の切削工具用丸棒複合素材において、超硬合金部材に刃付加工が施されているエンドミルまたはドリルからなる切削工具。
- 請求項3記載のエンドミルまたはドリルからなる切削工具において、鋼部材にねじ加工が施され、該ねじ部がシャンクへ螺入嵌合されていることを特徴とする刃先交換型エンドミルまたは刃先交換型ドリルからなる切削工具。
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