JP2001179507A

JP2001179507A - 切削工具

Info

Publication number: JP2001179507A
Application number: JP36648699A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Shibata; 大輔柴田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-03
Also published as: US20010006594A1; DE10062594A1; US6872234B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ステンレス鋼等の難削材を切削する場合に、
耐摩耗性および耐塑性変形性が改善され、工具寿命を長
くすることができる切削工具を提供することである。【解決手段】ＷＣと、該ＷＣと周期律表４ａ、５ａ、
６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物から選ばれ
る化合物とからなる２種以上の固溶体と、少なくとも１
種の鉄族金属とを含有し、前記２種以上の固溶体のうち
少なくとも１種がＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体
から成ることを特徴とする切削工具である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い耐摩耗性およ
び耐塑性変形性を有し、特にステンレス鋼等の難削材の
切削に適した、炭化タングステン（ＷＣ）系の高強度で
高靱性な超硬合金からなる切削工具に関する。

【従来の技術】

【０００２】従来より、金属の切削加工に広く用いられ
ている超硬合金は、ＷＣを主体とする硬質相と、コバル
ト等の鉄族金属の結合相とからなるＷＣ−Ｃｏ系合金、
あるいはＷＣ−Ｃｏ系に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金
属の炭化物、窒化物または炭窒化物を添加した系が知ら
れている。後者の場合、ＷＣと周期律表４ａ、５ａ、６
ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物との固溶体粒子が
前記硬質相と結合相とに加わることになる。

【０００３】これらの超硬合金は、切削工具として、主
に鋳鉄や炭素鋼等の切削に利用されているが、最近では
ステンレス鋼の切削への利用も進められている。ステン
レス鋼は耐食性、耐酸化性、耐熱性に優れるといった特
性を有するため、幅広い分野で使用され、加工量も年々
増加している。

【０００４】しかし、ステンレス鋼は、加工硬化が発生
しやすく、熱伝導率が低く、工具材料との親和性が高い
等の性質を有するため難削材の代表として知られてい
る。切削工具用のＷＣ系超硬合金のうち、ステンレス鋼
の切削には、一般に、ＪＩＳＢ４０５３（１９９
６）によって、いわゆるＭ系列に分類される超硬合金が
使用される。このＭ系列には、主としてＷＣ−ＴｉＣ−
Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ−Ｃｏ系超硬合金が使用されており、靱
性を付与するためにＴｉＣおよびＴａ（Ｎｂ）Ｃは比較
的少量が添加される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ｍ系列の超硬合金製切削工具でステンレス鋼を切削した
場合においても、切削工具の摩耗が大きく、短時間で工
具寿命となり、長時間にわたって良好な切削を行うこと
が困難であるという問題があった。また、ステンレス鋼
の切削により加工硬化した加工面から受ける切削抵抗に
より一次境界部の塑性変形が激しく、このため短時間で
工具寿命となっていた。

【０００６】本発明の目的は、ステンレス鋼等の難削材
を切削する場合にも、耐摩耗性および耐塑性変形性が改
善された、工具寿命の長い切削工具を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決すべく鋭意研究を重ねた結果、ＷＣ系超硬合金の組織
内にＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体を析出・分散
させる場合には、該析出物自体が高硬度であるために、
優れた機械的強度を有すると共に、ステンレス鋼等の難
削材の切削に対しても優れた耐摩耗性、耐塑性変形性を
有する超硬合金からなる切削工具が得られるという新た
な事実を見出し、本発明を完成するに至った。

【０００８】また、従来の切削工具では、溶着が原因と
考えられる欠損が発生して被削材の加工面状態が悪化す
るが、本発明においては、ＮｂまたはＺｒの含有量が高
い固溶体を析出・分散させることにより超硬合金自体を
強化し、耐欠損性も向上させることができる。

【０００９】すなわち、本発明の切削工具は、ＷＣと、
該ＷＣと周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒
化物および炭窒化物から選ばれる化合物とからなる２種
以上の固溶体と、少なくとも１種の鉄族金属とを含有
し、前記２種以上の固溶体のうち少なくとも１種がＮｂ
またはＺｒの含有量が高い固溶体であることを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を説明
する。本発明の切削工具を構成する超硬合金は、硬質相
と結合相とから構成される。硬質相は、ＷＣと、該ＷＣ
と周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物ま
たは炭窒化物とからなる２種以上の固溶体（複合炭化物
固溶体、複合窒化物固溶体または複合炭窒化物固溶体）
とを含む。また、結合相はＣｏ等の鉄族金属を主成分と
するものであって、超硬合金中に５〜１５重量％の割合
で含有されるのがよい。この範囲よりも結合相の割合が
高いときは、硬さ、圧縮強さが低下し、耐摩耗性が低下
し工具の摩耗量が増加するおそれがある。一方、結合相
の割合が前記範囲よりも低いときは、硬質相相互の結合
が充分でないため、靭性が不足し加工中に工具欠損を引
き起こすおそれがある。

【００１１】本発明における前記２種以上の固溶体はい
ずれもＢ１型（立方晶型）であるのが好ましい。また、
２種以上の固溶体のうち少なくとも１種はＮｂまたはＺ
ｒの含有量が高い固溶体である。前記ＮｂまたはＺｒの
含有量が高い固溶体は、エネルギー分散型Ｘ線回折にお
いて、ＮｂまたはＺｒの示すピーク強度がＷの示すピー
ク強度に対して５０％より大きく、好ましくは５０〜１
２０％のものである。ＮｂまたはＺｒの示すピーク強度
がＷの示すピーク強度に対して５０％以下である場合に
は、相対的にＷの含有量が高くなり、このため合金の硬
度を高めることができず、高い耐摩耗性、耐塑性変形性
を発揮できなくなる。

【００１２】また、前記ＮｂまたはＺｒの含有量が高い
固溶体の全固溶体組織に対する面積比率は５０％以下で
あるのが好ましい。全固溶体組織に対する面積比率が５
０％を超えるときは、ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固
溶体の析出が過剰となるため、合金強度が低下し工具の
塑性変形や損傷が大きくなるおそれがある。また、前記
面積比率は０％であってはならない。全固溶体組織に対
する面積比率が０％であるときは、前記ＮｂまたはＺｒ
の含有量が高い固溶体の析出がないことになり、耐摩耗
性等が低下して工具の摩耗量が増加する。

【００１３】ここで、面積比率は以下のようにして求め
られる。まず、切削工具の任意箇所を切断し、その断面
を研削研磨して鏡面を得、この鏡面部分を電子顕微鏡
（反射電子像）により観察する。このとき、反射電子像
写真には、固溶体組成を構成する元素の原子番号及び原
子量の違いによって、ＮｂおよびＺｒの含有量が高い固
溶体とそれ以外の固溶体とが異なる色彩で撮影されてい
るので、両固溶体を識別することができる。そこで、画
像解析法を用いて任意領域（２０μｍ×２０μｍ）内に
おける両固溶体の面積を測定し、全固溶体組織に対する
ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体の面積の割合（面
積比率）を求めることが可能となる。

【００１４】一方、ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶
体以外の固溶体とは、ＮｂおよびＺｒを除く他の金属、
すなわちＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＨｆおよびＴａの１種
または２種以上とＷＣとの固溶体および含有量が低いＮ
ｂまたはＺｒとＷＣとの固溶体の一方または両方をい
う。このようにＮｂまたはＺｒを含有しないか、あるい
はそれらの含有量が低い固溶体は、エネルギー分散型Ｘ
線回折において、ＮｂまたはＺｒの示すピーク強度がＷ
の示すピーク強度に対して５０％以下、好ましくは０〜
２０％のものである。

【００１５】本発明において、２種以上の全固溶体は超
硬合金中に０．５〜１０容量％の割合で含有されている
のが好ましい。全固溶体の含有量がこの範囲を超える場
合には、固溶体は本来脆性であるために切削工具の機械
的強度が低下し、工具の損傷や塑性変形が多くなる。一
方、全固溶体の含有量が前記範囲を下回る場合には、い
わゆるＫ系列に分類される超硬合金となり、得られる切
削工具は高温での特性が低下し難削材の加工が困難とな
る。より好ましくは、２種以上の全固溶体は超硬合金に
２〜６容量％の割合で含有されているのがよい。

【００１６】固溶体相の平均粒径は５μｍ以下、好まし
くは３μｍ以下であるのがよい。ＮｂまたはＺｒの含有
量が高い固溶体も同様に平均粒径が５μｍ以下、好まし
くは３μｍ以下であるのがよい。固溶体相の平均粒径が
５μｍを超えると、析出した固溶体と結合相との濡れ性
が悪くなるため、合金全体の強度が低下するおそれがあ
る。ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体を含む前記固
溶体相の平均粒径は２μｍ以下であるのがより好まし
い。

【００１７】また、硬質相を構成するＷＣ粒子は平均粒
径が０．５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍである
のがよい。本発明の切削工具は表面に被覆層を形成して
もよく、該被覆層は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の周
期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒
化物、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃から選ば
れる少なくとも１種の単層または多層で構成される。被
覆層はＣＶＤ法、ＰＶＤ法等により約０．１〜２０μｍ
の厚さに形成されるのがよい。

【００１８】本発明の切削工具は、原料粉末としてＷＣ
粉末、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化
物および炭窒化物の１種もしくは２種以上の粉末および
Ｃｏ等の鉄族金属の粉末を秤量し、混合粉砕し、プレス
成形等の従来公知の成形方法により所望の形状に成形し
た後、焼成して製造される。焼成は１０^-1〜１０^-3Ｔｏ
ｒｒの圧力で１６２３〜１７７３Ｋの温度範囲で１０分
〜２時間行う。かくして形成された超硬合金は必要によ
り、表面に被覆層を形成する。被覆層の形成は超硬合金
の洗浄処理後に行う。

【００１９】原料粉末の各配合割合は、ＷＣ粉末７０〜
９５重量％、前記した周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属
化合物の粉末０．１〜２０重量％、鉄族金属の粉末５〜
２０重量％であり、より好ましくはＷＣ粉末８５〜９５
重量％、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属化合物の粉末
０．５〜５重量％、鉄族金属の粉末５〜１０重量％であ
る。

【００２０】Ｎｂおよび／またはＺｒの含有量が高い固
溶体の析出させるには、原料として投入される前記周期
律表４ａ、５ａまたは６ａ族金属化合物中に占めるＮｂ
および／またはＺｒの炭化物、窒化物または炭窒化物の
割合を調整すればよい。すなわち、目的とする面積比率
を得るには、これとほぼ同じ割合（重量％）となるよう
にＮｂ化合物および／またはＺｒ化合物の添加量を調整
する。

【００２１】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明の切削工具を詳
細に説明する。

【００２２】実施例原料粉末として表１に示す各無機粉末を同表に示す割合
で秤量し、それらを混合粉砕後、所定の切削工具形状
（ＣＮＭＧ４３２）にプレス成形し、ついで１０ ^-2Torr
以下の減圧下１７７３Ｋで１時間焼成した。得られた焼
結体の任意箇所を切断して、その切断面を研削研磨して
鏡面となし、電子顕微鏡により反射電子像を観察した。
そして、反射電子像写真から任意領域（２０μｍ×２０
μｍ）内のＮｂおよび／またはＺｒの含有量が高い固溶
体とそれ以外の固溶体との色彩の違いに基づいて画像解
析法により、Ｎｂおよび／またはＺｒの含有量が高い固
溶体が全固溶体面積中に占める割合（面積比率）を求め
た。また、Ｘ線マイクロアナライザー（エネルギー分散
型Ｘ線回折装置、ＥＤＡＸ社製のＰＶ９８００）を用い
てＸ線回折を行い、Ｎｂおよび／またはＺｒの含有量が
高い固溶体におけるＮｂまたはＺｒの示すピーク強度と
Ｗの示すピーク強度とを測定し、（ＮｂまたはＺｒのピ
ーク強度）×１００／（Ｗのピーク強度）＝ピーク強度
比（％）を求めた。試料Ｎｏ．４で得たＺｒ含有量の高
い固溶体のＸ線回折のグラフを図１に示す。また、試料
Ｎｏ．７で得たＮｂ含有量の高い固溶体のＸ線回折のグ
ラフを図２に示す。測定結果を表１に併せて示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】得られた各焼結体の表面をＣＶＤ法により
厚さ約５μｍの炭窒化チタン膜で被覆して、被覆超硬合
金からなる切削工具を得た。

【００２５】試験例得られた切削工具を用いて、ステンレス鋼の切削を行っ
た。そして、切削工具のフランク摩耗（加工材料が直接
工具の逃げ面を擦って生じる逃げ面摩耗）およびノーズ
（Nose）摩耗（工具の先端角部が摩耗する先端摩耗）の
いずれかが工具寿命と判定される値（すなわち、平均フ
ランク摩耗が０．２ｍｍ、平均ノーズ摩耗が０．２ｍ
ｍ）まで摩耗するのに要した切削時間を測定した。但
し、工具寿命に至らずに切削時間が８分に達したもの
は、当該８分間の切削での摩耗量を測定した。切削条件
は以下の通りである。なお、切削に際しては水溶性の切
削液を使用した。被削材：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８切削速度：２００ｍ／分送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ切り込み：２ｍｍ

【００２６】また、各切削工具の耐欠損性を評価するた
めに、高温抗折強度試験を行った。試験方法は、オリエ
ンテック社製テンシロン万能試験機ＵＣＴ３０Ｔを使用
し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠して、試験片の厚みを２．
５ｍｍに、また、３点曲げスパンを１０ｍｍに変更した
以外は同一の条件にて高温抗折強度を求めた。高温抗折
強度が９００ＭＰａ以上であれば、耐欠損性は良好であ
ると評価される。これらの試験結果を表２に示す。表２
において、各評価は、×が不可、○が良好、◎が特に良
好であることを示している。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２に示す摩耗試験結果から明らかなよう
に、試料No.1では、ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶
体が析出していないため、耐摩耗性が劣りノーズ摩耗量
が寿命に達するのも早かった。これに対して、Ｎｂまた
はＺｒの含有量が高い固溶体を有する試料No. ２、３、
４、６および７、特に試料No. ２、３、６、７では、ス
テンレス鋼の切削において高い耐摩耗性および耐塑性変
形性を発揮していた。

【００２９】一方、表２に示す高温抗折強度試験から明
らかなように、本発明に係る試料No. ２、３、４、６、
７は高い高温抗折強度を有していた。

【００３０】

【発明の効果】本発明の切削工具は、ステンレス鋼等の
難削材に対する耐摩耗性および耐塑性変形性が改善さ
れ、耐欠損性にも優れているため、切削性能が向上する
と共に、工具寿命も延ばすことができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料Ｎｏ．４で得たＺｒ含有量の高い固溶体の
Ｘ線回折のグラフである。

【図２】試料Ｎｏ．７で得たＮｂ含有量の高い固溶体の
Ｘ線回折のグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＷＣと、該ＷＣと周期律表４ａ、５ａ、６
ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物から選ばれる
化合物とからなる２種以上の固溶体と、少なくとも１種
の鉄族金属とを含有し、前記２種以上の固溶体のうち、
少なくとも１種がＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体
からなることを特徴とする切削工具。
【請求項２】前記ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体
は、エネルギー分散型Ｘ線回折において、ＮｂまたはＺ
ｒの示すピーク強度がＷの示すピーク強度に対して５０
％より大きい固溶体である請求項１記載の切削工具。
【請求項３】前記ＮｂまたはＺｒの含有量が高い固溶体
の全固溶体組織に対する面積比率が５０％以下である請
求項１記載の切削工具。
【請求項４】前記２種以上の固溶体がいずれも平均粒径
５μｍ以下である請求項１記載の切削工具。
【請求項５】切削工具はその表面に周期律表４ａ、５
ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉＡｌ
Ｎ、ＺｒＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３から選ばれる少なくとも
１種の単層または多層の被覆層を形成してなる請求項１
記載の切削工具。
【請求項６】前記被覆層がＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＣ
Ｎから選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とす
る請求項５記載の切削工具。