JP6558633B2 - 耐塑性変形性、耐異常損傷性および耐摩耗性にすぐれたTi基サーメット切削工具 - Google Patents
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Description
Ti基サーメットは、一般的に、超硬合金に比して、硬さ、靭性が不十分であるため、Ti基サーメット切削工具の、特に、耐塑性変形性、耐摩耗性を向上させようとした場合には、耐熱衝撃性、耐機械的衝撃性の劣化が生じやすいことから、Ti基サーメット切削工具の使用寿命の延命化のためには、チッピング、欠損、偏摩耗等を発生することなしに耐摩耗性の向上を図ることが必要とされる。
しかし、上記従来のTi基サーメット切削工具においては、通常の切削条件では特に問題はないものの、切れ刃に高負荷が作用する合金鋼等の高送り、高切り込みの重切削加工条件では、耐塑性変形性、耐異常損傷性および耐摩耗性の全てを同時に満足させることは難しく、これらの特性を相兼ね備えたTi基サーメット切削工具が望まれている。
「(1) 結合相成分としてCoを含み、さらに、TiCN、Tiおよび周期律表の4a、5aおよび6a族元素のうちの1種または2種以上の炭窒化物を含むTi基サーメット切削工具において、
(a)前記Ti基サーメットは、Ti:30〜45質量%、W:15〜25質量%、TaおよびNbの1種または2種の合計量:5〜15質量%、Zr:0.5〜1.5質量%、Cr:0.5〜1.5質量%、Co:7〜15質量%、および、残部はC、Nと不可避不純物からなるTi基サーメット全体としての成分組成を有し、
(b)前記Ti基サーメットは、平均粒径が0.3〜0.7μmのTiCN相が17〜23面積%を占め、また、少なくともCrを固溶するCo主体の結合相が7〜14面積%を占め、残部は、Tiを含みNb、Ta、ZrおよびWから選ばれた1種以上の成分を含む炭窒化物相からなる組織を有し、
(c)前記Ti基サーメット全体としての飽和磁化量Ms(Tcm3/g)は、Ms≦(サーメットに含有されるCoの質量比×814(Tcm3/g))であることを特徴とするTi基サーメット切削工具。
(2) 前記(b)の結合相における金属成分の組成は、Coが65質量%以下であり、残部がWとCrとTiであることを特徴とする(1)に記載のTi基サーメット切削工具。
(3) 前記Ti基サーメット全体としての保磁力Hc(kA/m)は、10.0≦Hc≦15.0を満たすことを特徴とする(1)または(2)に記載のTi基サーメット切削工具。」
に特徴を有するものである。
この発明のTi基サーメットにおいて、結合相成分であるCoが7質量%未満である場合には、サーメット自体の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる効果があるが、その反面、硬質相成分の含有割合が高まるため、焼結性が低下し、強度の低下を招くこととなるため、Coは7質量%以上含有させることが必要である。
一方、結合相成分の合計含有量が多くなった場合には、硬質相成分の含有割合が相対的に減少するため耐摩耗性が低下することとなるが、この発明では、Ti基サーメットの構成成分として、Crを添加しており、そして、Crは、Coに固溶することによって結合相を強化する作用を有する。したがって、この発明では、Co量を増加しても、Crの固溶強化によって耐摩耗性の低下が抑えられるため、Coは15質量%まで含有させることができる。
Ti:
Tiは、焼結時に硬質相を形成して、TiCN相あるいはTiと周期律表の4a、5aおよび6a族元素のうちの1種または2種以上の炭窒化物相として、サーメット工具の硬さを向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、Tiの含有量が30質量%未満では、所望の硬さを確保することができず、一方、その含有量が45質量%を越えると、切削工具の強度が急激に低下し、切削時に欠損、チッピングが発生し易くなることから、Tiの含有量は30〜45質量%とするが、35〜45質量%とすることがさらに望ましい。
周期律表の4a族元素であるZrは、Tiと同様に炭化物、炭窒化物を形成し、あるいは、TiとZr、あるいは、さらに、TiとZrと周期律表の5a、6a族元素と複合炭窒化物を形成する硬質相形成成分であり、サーメット工具の耐摩耗性を向上させるが、その含有量が0.5質量%未満ではその効果が少なく、一方、その含有量が1.5質量%を超えると、焼結性を阻害し強度の低下を招くこととなるため、Ti基サーメットにおけるZrの含有量は0.5〜1.5質量%とする。
周期律表の5a族元素であるTaとNbは、硬質相としてTiと固溶体を形成し、Ti基サーメットの高温強度を向上させる作用を有するが、TaおよびNbの1種または2種の合計含有量が5質量%未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方、その合計含有量が15質量%を越えると硬質相の硬さ低下の原因となることから、その合計含有量を5〜15質量%と定めた。
周期律表の6a族元素であるWは、15質量%以上含有することにより結合相のCo中に固溶して、結合相の強度を高める作用を有するが、その含有割合が25質量%を越えると、六方晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相が形成されるために、耐塑性変形性が急激に低下することから、Wの含有量は15〜25質量%とする。
Crは、Wと同様に周期律表の6a族元素であり、結合相のCo中に固溶して、結合相の強度を高める作用を有するが、Wの場合に比して少量のCrの含有によって一段とすぐれた結合相の固溶強化を図ることができる。
そのためには、Cr含有量が0.5質量%以下では、固溶強化の効果が十分ではなく、一方、Cr含有量が1.5質量%を超えるとCrを含有する脆弱な炭化物相が析出し靭性を著しく低下させることから、Crの含有量は0.5〜1.5質量%と定めた。
TiCN相:
Ti基サーメットの主要硬質相であるTiCN相は、平均粒径が0.3μm未満、あるいは、その面積率が17面積%以下では、Ti基サーメットにおける硬さ向上効果が十分でなく、一方、平均粒径が0.7μmを超える場合、あるいは、その面積率が23面積%を超える場合には、硬さは向上するものの所望の靭性を確保することができず、耐欠損性が急激に低下することから、TiCN相の平均粒径は0.3〜0.7μm、また、面積率は17〜23面積%と定めた。
結合相の面積率が7面積%未満では、Ti基サーメットの焼結性が低下し、強度の低下を招くことになり、一方、面積率が14面積%を超えると、硬質相成分の含有割合が相対的に減少するため耐摩耗性が低下することから、結合相の面積率は、7〜14面積%と定めた。
なお、TiCN相、結合相の面積率は、Ti基サーメットの任意の断面のSEM画像から画像解析で求め、複数断面で測定した結果を平均した値をいう。
Ti基サーメットの結合相中に、成分元素が固溶することによって、Ti基サーメットの飽和磁化量Ms(Tcm3/g)が変化することから、飽和磁化量Ms(Tcm3/g)を測定することによって、結合相中に固溶する成分元素の量を規定することができる。
この発明では、Ti基サーメットの成分として、周期律表の4a,5a族元素を含有するが、周期律表の4a,5a族元素は殆どCo中へ固溶しないので、飽和磁化量Ms(Tcm3/g)の値は、Co中へのCr,Wの固溶量に依存する。
この発明では、特に、Co中へCrを固溶させることによって結合相の強化を図っており、そのためには、飽和磁化量Ms(Tcm3/g)の値は、Ms≦(サーメットに含有されるCoの質量比×814(Tcm3/g))を満足することが必要となる。
そして、このような場合に、結合相中へCr、Wが十分に固溶し、結合相の強化が図られる。
ここで、前記「Coの質量比」とは、Ti基サーメット全体の質量を1とした場合のCo含有量の割合をいう(即ち、(Coの質量%)/100である)。
前記したように、結合相中の固溶Cr量,W量については、前記飽和磁化Ms(Tcm3/g)の測定によって知ることができるが、Ms≦(サーメットに含有されるCoの質量比×814(Tcm3/g))を満足することは勿論であるが、さらに、結合相中のCo含有量を70質量%以下、一方、結合相中に固溶するCr量,W量の合計量は30質量%以上とすることが望ましく、これによって、さらに一段と結合相の強化が図られる。
また、Coに対するCr量の固溶限は10質量%、また、Wの固溶限は50質量%であり、特に、固溶限を超えたCrの添加は、Crを含有する脆弱な炭化物相が析出し靭性を著しく低下させることから、Ti基サーメット中へ含有させるCr量は、既に述べたように0.5〜1.5質量%としなければならない。
なお、結合相中のCr量,W量は、それぞれ、AES分析(オージェ電子分光分析)によって測定することができる。
Ti基サーメット全体としての保磁力Hc(kA/m)は、主として、Ti基サーメットに含有されるTiCN相等の硬質相の粒径に依存する。
この発明では、Ti基サーメット中に存在する粗大な硬質相形成を避けることが望ましく、そのためには、保磁力Hc(kA/m)を、10.0≦Hc≦15.0の範囲内とすることが望ましい。
この発明のTi基サーメットは、例えば、以下の方法で作製することができる。
まず、原料粉末として、例えば、TiCN粉末、NbC粉末、TaC粉末、WC粉末、ZrC粉末、Cr3C2粉末およびCo粉末を、所定の配合組成となるように原料粉末を配合し、これを、室温から1400℃までの昇温を、10Pa以下の真空雰囲気中、2℃/min.の速度で昇温し、1400℃から1480〜1530℃の範囲内の所定の焼結温度まで2℃/min.の速度で昇温し、該焼結温度で65〜200Paの真空雰囲気で1時間保持し、次いで、該焼結温度から不活性ガスとしてArガスを用い、15℃/min.以上の冷却速度で室温まで冷却することによって、この発明のTi基サーメットを作製することができる。
(a)室温から1400℃までの昇温を、10Pa以下の真空雰囲気中、2℃/min.の速度で昇温し、
(b)1400℃から1480〜1530℃の範囲内の所定の焼結温度までの2℃/min.の速度での昇温、並びに前記焼結温度に1時間保持を65〜200Paの真空雰囲気で行い、
(c)前記焼結温度から不活性ガスとしてArガスを用い、15℃/min.以上の冷却速度で室温まで冷却する。
以上、(a)〜(c)の工程からなる条件で焼結し、表2に示される成分組成、組織、磁気特性を有するISO規格・CNMG120408のインサート形状で、切刃部分にR:0.07mmのホーニング加工を施した本発明サーメット工具1、2、4〜6を製造した。
表2に、これらの結果を示す。
表2に、これらの結果を示す。
なお、飽和磁化量および保磁力は市販の磁気測定装置(例えば日本フェルスター製KOERZIMAT MS/HCJ)によって測定することができる。
表2に、これらの結果を示す。
≪切削条件A≫
被削材:JIS・SNCM439の丸棒、
切削速度: 200 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.30 mm/rev、
切削時間: 10 分、
の条件での合金鋼の高送り切削試験(通常の送りは、0.2mm/rev)、
≪切削条件B≫
被削材:JIS・SCM440の長さ方向等間隔4本縦溝入り丸棒、
切削速度: 250 m/min、
切り込み: 1.5 mm、
送り: 0.2mm/rev、
切削時間: 15 分、
の条件での合金鋼の乾式断続高切込み切削試験(通常の切り込みは、1.0mm)、
を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
表3に、この測定結果を示した。
これに対して、比較工具1〜4では、切削条件Aでは、欠損の発生により使用寿命となり、また、切削条件Bでは、欠損を発生しないものであっても逃げ面摩耗幅が大きく、いずれも短命であった。
この結果から、本発明サーメット工具1、2、4〜6は、耐塑性変形性、耐異常損傷性および耐摩耗性にすぐれるTi基サーメット切削工具であることが分かる。
Claims (3)
- 結合相成分としてCoを含み、さらに、TiCN、Tiおよび周期律表の4a、5aおよび6a族元素のうちの1種または2種以上の炭窒化物を含むTi基サーメット切削工具において、
(a)前記Ti基サーメットは、Ti:30〜45質量%、W:15〜25質量%、TaおよびNbの1種または2種の合計量:5〜15質量%、Zr:0.5〜1.5質量%、Cr:0.5〜1.5質量%、Co:7〜15質量%、および、残部はC、Nと不可避不純物からなるTi基サーメット全体としての成分組成を有し、
(b)前記Ti基サーメットは、平均粒径が0.3〜0.7μmのTiCN相が17〜23面積%を占め、また、少なくともCrを固溶するCo主体の結合相が7〜14面積%を占め、残部は、Tiを含みNb、Ta、ZrおよびWから選ばれた1種以上の成分を含む炭窒化物相からなる組織を有し、
(c)前記Ti基サーメット全体としての飽和磁化量Ms(Tcm3/g)は、Ms≦(サーメットに含有されるCoの質量比×814(Tcm3/g))であることを特徴とするTi基サーメット切削工具。 - 前記(b)の結合相における金属成分の組成は、Coが65質量%以下であり、残部がWとCrとTiであることを特徴とする請求項1に記載のTi基サーメット切削工具。
- 前記Ti基サーメット全体としての保磁力Hc(kA/m)は、10.0≦Hc≦15.0を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載のTi基サーメット切削工具。
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