JP5451507B2

JP5451507B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5451507B2
Application number: JP2010101068A
Authority: JP
Inventors: 隆司徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: JP2011230210A

Description

本発明は、Ｔｉ元素を主成分とするサーメットからなり、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れるとともに焼成による変形が小さい切削工具に関する。

現在、切削工具としてＴｉを主成分とするサーメットが広く使われている。サーメットの硬質相は芯部と周辺部とからなる有芯構造をとりやすいことが知られているが、例えば、特許文献１では、周辺部の面積割合が多いほど、鋳鉄との耐化学反応性が向上することが開示され、周辺部の平均粒径／芯部の平均粒径の比率を３〜８としたサーメットが記載されている。また、特許文献２では、焼結硬質合金からなる切削工具の表面近傍に金属結合層を形成するとともに、合金の切刃部領域においてはホーニング処理によって金属結合層を除去した構成が開示されている。

特開２００４−２８５４２１号公報特開平０８−１５０５０２号公報

しかしながら、特許文献１のように周辺部の面積比率を多くするにはサーメットの焼成温度を高くする必要があるが、焼成温度を高くすると、焼成中に生じる金属原子の移動や窒素原子の拡散の影響で、焼結体が元の成形体の形状から大きく変形してしまうという問題があった。また、サーメットの表面のみを周辺部の面積比率の高い組織とすることも考えられるが、従来の製造方法では表面領域の幅を制御することができず、製品によって切削性能にバラツキが発生していた。

また、特許文献２のように焼結体に対し、切刃部にホーニングを施して金属結合層を除去して、切刃部の組織を焼結体の内部と同じ組織としても、サーメットの切削工具としての耐摩耗性および耐熱衝撃性には限界があった。

本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は優れた耐摩耗性および耐熱衝撃性を兼ね備えるとともに、焼結体の変形を抑制できて複雑な形状でも容易に作製可能なサーメットおよび切削工具を提供することである。

本発明の切削工具は、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相と、鉄族金属からなる結合相と、のサーメットからなり、該サーメットの表面において、切刃部から平坦部に向かって、
切刃部からｒ以内の領域に存在して、前記結合相が５〜１５面積％、前記第１硬質相が２０〜５５面積％、前記第２硬質相が４０〜７０面積％の第１組織と、
前記第１組織の終端部からＭの領域に存在して、前記結合相が５面積％以下、前記第１硬質相が０〜３０面積％、前記第２硬質相が７０〜９７面積％の第２組織と、
前記第２組織の終端から平坦部にわたって存在して、前記結合相が１５〜５０面積％、前記第１硬質相が５〜２０面積％、前記第２硬質相が５０〜８０面積％の第３組織と、
を具備して、前記ｒと前記Ｍとの比（Ｍ／ｒ）が１．０〜３．２である。

ここで、上記構成において、前記第２組織では前記第１組織に比べて前記第２硬質相の面積比率が高いことが望ましい。

また、上記構成において、前記第３組織においては、前記第１硬質相および前記第２硬質相が凝集した領域と前記結合相が凝集した領域とが存在することが望ましい。

本発明の切削工具によれば、サーメットの表面領域において、切刃部から平坦部に向かって、所定の組成・組織からなる耐衝撃性に優れた第１組織、耐熱衝撃性および耐摩耗性に優れた第２組織、熱伝導性が良くてかつ金属光沢を持つ第３組織が存在する。これによって、切刃における耐チッピング性、すくい面の切屑が通過する部位および逃げ面の被削材と接触する部位における耐熱衝撃性に優れた組織からなるとともに、サーメット表面の平坦部では熱伝導がよくかつ金属光沢を持った美観に優れた組織となる。また、サーメット全体としての変形を抑制できることから、複雑な形状でも容易に寸法精度の高い切削工具を作製できる。

ここで、前記第２組織では前記第１組織に比べて前記第２硬質相の面積比率が高いことが、切刃部における耐摩耗性を高めることができるとともに、すくい面および逃げ面に続く中間領域の熱伝導率を高めて耐熱衝撃性を向上させて、大きなチッピングや欠損が発生することを抑制できる点で望ましい。

また、前記サーメットの表面領域において、前記第３組織においては、前記第１硬質相および前記第２硬質相が凝集した領域と前記結合相が凝集した領域とが存在することが、サーメットの表面の熱伝導性を改善することができるとともに、表面に金属光沢を持たせて、美観に優れるとともに未使用／使用済の判別が容易にできる点で望ましい。

本発明の切削工具の一例について、（Ａ）概略斜視図、（Ｂ）（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。本発明の切削工具の一例について、サーメット断面の表面の第１組織（切刃部）における走査型電子顕微鏡写真である。本発明の切削工具の一例について、サーメット断面の表面の第２組織（中間部）における走査型電子顕微鏡写真である。本発明の切削工具の一例について、サーメット断面の表面の第３組織（平坦部）における走査型電子顕微鏡写真である。

本発明の切削工具について、その一例についての（Ａ）概略斜視図、（Ｂ）（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である図１、サーメットの表面付近における第１組織（切刃部）の走査型電子顕微鏡写真である図２、サーメットの表面付近における第２組織（中間部）の走査型電子顕微鏡写真である図３、サーメットの表面付近における第３組織（平坦部）の走査型電子顕微鏡写真である図４を基に説明する。

切削工具１は、図１に示すような概略平板形状をなし、主面がすくい面２および着座面（図示せず）を、側面が逃げ面３を、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部が切刃部４を構成している。また、図１、２の切削工具１は、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相５と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相６と、の硬質相７と、鉄族金属からなる結合相８と、を有するサーメットからなる。

そして、図２によれば、サーメットの表面領域において、切刃部４から平坦部９に向かって、切刃部４からｒ以内の領域に存在して、結合相８が５〜１５面積％、第１硬質相５が２０〜５５面積％、第２硬質相６が４５〜７０面積％の第１組織１１と、第１組織１１の終端部からＭの領域に存在して、結合相８が５面積％以下、第１硬質相５が０〜３０面積％、第２硬質相６が７０〜９７面積％の第２組織１２と、第２組織１２の終端から平坦部９にわたって存在して、結合相８が１５〜５０面積％、第１硬質相５が５〜２０面積％、第２硬質相６が５０〜８０面積％の第３組織１３とを具備して、前記ｒと前記Ｍとの比（Ｍ／ｒ）が１．０〜３．２となっている。

これによって、切刃部４における耐チッピング性、すくい面２の切屑が通過する部位および逃げ面３の被削材と接触する部位における耐熱衝撃性に優れた組織からなるとともに、サーメット表面の平坦部９では熱伝導がよくかつ金属光沢を持った美観に優れた組織となる。また、サーメット全体としての変形を抑制できることから、複雑な形状でも容易に寸法精度の高い切削工具１を作製できる。ここで、比（Ｍ／ｒ）の望ましい範囲は、１．５〜２．５である。

なお、図２〜４に示すように、サーメットの走査型電子顕微鏡写真において、第１硬質相５は黒色粒子、第２硬質相６は灰色粒子、結合相８は白色に観察されるので、写真中でこれらを特定してそれぞれの面積比率を求めることにより、第２硬質相６の含有割合を算出することができる。また、硬質相７の構成については、第１硬質相５からなる芯部の外周を第２硬質相６からなる周辺部が取り囲んだ有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有してサーメットが微細で均一な組織となるとともに、結合相８との濡れ性に優れてサーメットの高強度化に寄与する点で望ましい。また、本発明においては、走査型電子顕微鏡写真の測定に関して、所定領域範囲内の任意領域５箇所以上について観察し、それらの測定結果の平均値を算出して特定する。

ここで、サーメットの表面領域において、第２組織１２では第１組織１１に比べて第２硬質相６の面積比率が高いことが、切刃部４における耐摩耗性を高めることができるとともに、すくい面２および逃げ面３に続く中間領域の熱伝導率を高めて耐熱衝撃性を向上させて、大きなチッピングや欠損が発生することを抑制できる点で望ましい。なお、第１組織１１における第２硬質相６の面積比率Ｓ_Ｅ２と、第２組織１２における第２硬質相６の面積比率Ｓ_Ｍ２との比（Ｓ_Ｍ２／Ｓ_Ｅ２）は１．４〜１．７であることが、切削性能と変形抑制とを両立できる点で望ましい。

ここで、切削工具１の内部において、硬質相７の平均結晶粒径ｄは２．５μｍ以下、特に０．５〜２μｍ、さらに０．８〜１．５μｍであることが、サーメットの強度が高くて切削工具１の耐摩耗性が高く、かつサーメットの内部における熱伝導率を高める点で望ましい。また、サーメットの表面領域の第１組織１１（切刃部４）における第２硬質相６の平均粒径ｄ_２Ｅは、サーメット内部の硬質相の平均粒径ｄに比べて比率（ｄ_２Ｅ／ｄ）が１．０〜１．２であることが、サーメット２の表面における耐欠損性を高める点では望ましい。さらに、第１硬質相５のサーメット内部における粒径の望ましい範囲は、焼成による変形抑制の点で０．１〜０．８μｍである。

また、第３組織１３においては、図４に示すように、第１硬質相５および第２硬質相６が凝集した領域と結合相８が凝集した領域とが存在することが、サーメットの表面の熱伝導性を改善することができるとともに、表面に金属光沢を持たせて、美観に優れるとともに未使用／使用済の判別が容易にできる点で望ましい。なお、本発明において、第１硬質相５および第２硬質相６が凝集した領域と結合相８が凝集した領域とが存在する状態とは、表面組織において第２硬質相６の平均粒径の５倍以上の範囲にわたって結合相８のみの
領域が存在するとともに、第１硬質相５および第２硬質相の存在するそれぞれの凝集領域が結合相８のマトリックスで分断された状態を指す。

さらに、本発明によれば、サーメットを基体として、その表面に、（Ｔｉ_ｘ，Ｍ_１−ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表わされる被覆層（図示せず。）、またはダイヤモンド、立方晶窒化硼素、アルミナ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上からなる他の硬質被覆層を形成することもでき、かかる表面被覆層を形成した場合においても耐摩耗性が向上するとともに耐塑性変形性、耐欠損性を維持することができる。

（製造方法）
本発明のサーメットからなる切削工具を製造するには、まず原料粉末として、硬質相形成成分として、平均粒径は０．５〜２μｍのＴｉＣＮ粉末と、ＴｉＣＮ以外の周期表４、５および６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の粉末、および平均粒径が０．３〜４μｍのＮｉおよびＣｏの少なくとも１種の粉末を所定の割合で添加する。

そしてこれらの秤量された粉末をボールミルなどによって混合した後、プレス成形、押出成形、射出成形などの公知の成形手法によって所定の切削工具形状に成形した後、焼成する。焼成条件は、１００Ｐａ以下の真空中で１２５０℃までの昇温速度Ｒ_１を５〜１５℃／分で昇温し、１２５０〜１３５０℃までの昇温速度Ｒ_２を０．５〜３℃／分で昇温し、１３５０℃にて不活性ガスを０．８ｋＰａ〜１００ｋＰａ導入した雰囲気で、昇温速度を１〜７℃／分に切り替えて１４５０〜１５５０℃の焼成温度まで昇温し、０．５〜１．０時間の保持を行った後、真空雰囲気にして冷却する条件であることが望ましい。

次に、上記焼結体に対して切刃稜線部をブラシ等にてホーニング加工する。それから、加工した試料を再び真空炉の中に入れて、１０℃／分以上の昇温速度にて１５７５〜１６００℃まで昇温し、３０〜９０分間保持後、１０℃／分以上の降温速度で室温まで冷却する。その後、切刃部および中間部のみを研磨できるホイールブラシ等を用いて、切刃のホーニング加工を施すことによって、本発明の切削工具を得ることができる。

そして、上記の方法によって作製されたサーメットに対して、所望により化学蒸着法または物理蒸着法にて被覆層を成膜して、本発明の切削工具を作製することができる。

原料粉末として、平均粒径０．５μｍのＴｉＣＮ粉末と、いずれも平均粒径が０．５〜２μｍのＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＭｏＣ粉末、ＭｎＣＯ_３粉末、および平均粒径が２μｍのＣｏ粉末、Ｎｉ粉末またはＣｏとＮｉとの合金粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで湿式混合粉砕した。なお、上記平均粒径はマイクロトラック法で測定したものである。

次に、上記混合粉末を用いて、成形圧９８ＭＰａでＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状にプレス成形し、この成形体を１００Ｐａ以下の真空中で１２５０℃まで１２．５℃／分で昇温し、１２５０〜１３５０℃までを１℃／分の昇温速度で昇温し、Ｎ_２ガスを１ｋＰａ導入した状態で１３５０℃から表２の焼成温度までは５／分で昇温し、表１の焼成温度に到達した後で１時間の保持を行い、その後、真空雰囲気にして冷却した。そして、ブラシ加工によりすくい面側および逃げ面側の研磨量がともに表２のＲホーニング加工を施し、再び、焼成炉内に試料を投入して、真空下にて１２．５℃／分の昇温速度で表２の熱処理温度まで昇温し、表２の時間保持した後、１２．５℃にて降温する焼成パタ
ーンで焼成した。その後、ホイールブラシ加工によりすくい面側および逃げ面側の研磨量がともに表２のＲホーニング加工を施し、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のサーメットからなる切削工具を作製した。

得られた切削工具に対して、サーメット表面の切刃部およびすくい面の平坦部について５０００倍で顕微鏡観察を行い、組織および結合相の含有比率を測定した。なお、各相の含有比率および平均粒径の測定については、２０×２０μｍの観察領域２箇所を画像解析にて測定し、各粒子を特定して各粒子の面積を求めて平均面積を算出し、これを円に換算して平均粒径とした。また、金属顕微鏡を用いてサーメットの側面（逃げ面）形状をトレースし、側面の中央部における膨らみ量（変形量）を算出した。

さらに、得られた切削工具について、下記条件で切削性能を評価した。
被削材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：２５０ｍ／分
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．０ｍｍ
切削状態：湿式（水溶性切削液使用）
評価方法：摩耗量が０．２ｍｍに達するまでの時間
結果は表３に示した。

表１〜３から明らかなように、焼成後のホーニング量と熱処理後のホーニング量が同じ試料Ｎｏ．５、熱処理温度が１５７５℃より低い試料Ｎｏ．７および焼成後のホーニングを施さなかった試料Ｎｏ．８では、第２組織の領域が狭く耐摩耗性が低かった。また、焼成温度が１６００℃と高い試料Ｎｏ．８では、変形量も大きくなった。さらに、熱処理後のホーニングを施さなかった試料Ｎｏ．６では、第１組織が存在せずチッピングが発生しやすかった。

これに対して、本発明に従う試料Ｎｏ．１〜４では、いずれも焼成に伴う変形量が小さく、かつ切削時間も長いものであった。

１切削工具
２すくい面
３逃げ面
４切刃部
５第１硬質相
６第２硬質相
７硬質相
８結合相
９平坦部
１１第１組織
１２第２組織
１３第３組織

Claims

Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第１硬質相と、ＴｉおよびＴｉ以外の周期表第４、５および６族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる第２硬質相と、鉄族金属からなる結合相と、のサーメットからなり、該サーメットの表面において、切刃部から平坦部に向かって、
切刃部からｒ以内の領域に存在して、前記結合相が５〜１５面積％、前記第１硬質相が２０〜５５面積％、前記第２硬質相が４０〜７０面積％の第１組織と、
前記第１組織の終端部からＭの領域に存在して、前記結合相が５面積％以下、前記第１硬質相が０〜３０面積％、前記第２硬質相が７０〜９７面積％の第２組織と、
前記第２組織の終端から平坦部にわたって存在して、前記結合相が１５〜５０面積％、前記第１硬質相が５〜２０面積％、前記第２硬質相が５０〜８０面積％の第３組織と、
を具備して、前記ｒと前記Ｍとの比（Ｍ／ｒ）が１．０〜３．２である切削工具。
前記第２組織では前記第１組織に比べて前記第２硬質相の面積比率が高い請求項１記載の切削工具。
前記第３組織においては、前記第１硬質相および前記第２硬質相が凝集した領域と前記結合相が凝集した領域とが存在する請求項１または２記載の切削工具。