JP2002166306A - 切削工具 - Google Patents

切削工具

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JP2002166306A
JP2002166306A JP2000364698A JP2000364698A JP2002166306A JP 2002166306 A JP2002166306 A JP 2002166306A JP 2000364698 A JP2000364698 A JP 2000364698A JP 2000364698 A JP2000364698 A JP 2000364698A JP 2002166306 A JP2002166306 A JP 2002166306A
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Japan
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cemented carbide
cutting
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cutting tool
solid solution
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Daisuke Shibata
大輔 柴田
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Kyocera Corp
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ステンレス等の難削材の高速・高能率切削にお
ける耐摩耗性、耐塑性変形性能が大幅に改善され、工具
寿命を延長する。 【解決手段】WCと周期律表4a,5a,6a族からな
る群より選ばれた金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の1
種以上を硬質相成分とし、1種以上の鉄族金属を結合相
成分とした超硬合金母材の表面に被覆層を有する切削工
具において、該超硬合金母材の1000℃における熱伝
導率が室温における熱伝導率の70%以上であること特
徴とする超硬合金をステンレス等の難削材の高速・高能
率切削に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温においても高
い熱伝導率を有し、特に切削温度が上昇する難削材の高
速切削に適する切削工具に関するものである。
【0002】
【従来の技術】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、炭化タングステンを主体とする硬
質相と、コバルト等の鉄族金属の結合相からなるWC−
Co系合金、もしくは上記WC−Co系に周期律表4
a,5a,6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等を
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,6a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適用されているが、最近では
ステンレス鋼の切削への適用も進められている。このス
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、幅広い分野で応用され、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の発生、
低熱伝導率、工具材料との親和性が高い、という性質を
持つために難削性の代表として知られている。
【0005】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、JIS B 4053
(1996)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。
【0006】
【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。
【0007】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損傷
が激しく、このため短時間で工具寿命となっていた。
【0008】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。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
点について検討を重ねた結果、超硬合金母材の1000
℃における熱伝導率を室温における熱伝導率の70%以
上とすることにより、難削材加工時の急激な温度変化に
よる熱衝撃の影響を緩和することができ、特に工具刃先
温度の著しい変化による機械的特性の低下を抑え、また
高温における機械的強度を保持することで難削材の高速
・高能率加工に対して優れた切削性能を有する切削工具
が得られるという知見を得て、本発明に至った。
【0010】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、超硬合金母材の1000℃に
おける熱伝導率が室温における熱伝導率の70%以上と
することにより超硬合金母材自体を強化し、耐欠損性も
向上させることができる。
【0011】すなわち、本発明の切削工具は、WCと周
期律表4a,5a,6a族からなる群より選ばれた金属
の炭化物、窒化物、炭窒化物の1種以上を硬質相成分と
し、鉄族金属の1種以上を結合相成分とした超硬合金母
材の表面に被覆層を有する切削工具において、上記超硬
合金母材の1000℃における熱伝導率が室温における
熱伝導率の70%以上であること特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を説明
する。本発明の切削工具は超硬合金母材の表面に被覆層
を有するものである。この超硬合金母材は、硬質相と結
合相で構成されている。
【0013】硬質相はWCと周期律表4a,5a,6a
族からなる群より選ばれた金属の炭化物、窒化物、炭窒
化物の1種以上からなる。そして、この硬質相は、WC
と、該WCと周期律表4a,5a,6a族からなる群よ
り選ばれた金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の2種以上
の固溶体(複合炭化物固溶体あるいは複合炭窒化物固溶
体)を含むことが好ましい。
【0014】また結合相は、Co等の鉄族金属を主成分
とするもので、超硬合金中に5〜15重量%の割合で含
有されているのがよい。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恐れがある。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、靱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。
【0015】また、本発明の超硬合金では、該超硬合金
母材の1000℃における熱伝導率が室温における熱伝
導率の70%以上であることを特徴とするものである。
上記の範囲に設定したのは1000℃における熱伝導率
が70%を下回ると、難削材加工時の急激な温度変化に
よる熱衝撃の影響により、工具摩耗量や損傷が著しくな
る為である。
【0016】上記超硬合金母材には2種以上のB1型固
溶体が存在し、前記B1型(立方晶型)固溶体のうち少
なくとも1種がZrの含有量の高いB1型固溶体である
ことが好ましい。これはZrの含有量の高いB1型固溶
体は、高温での靱性及び耐塑性変形性に非常に優れるた
めである。
【0017】このZrの含有量の高いB1型固溶体は、
エネルギー分散型X線回折において、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50〜120%のものである。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。
【0018】一方、Zrの含有量が高い固溶体以外の固
溶体とは、Zrを除く他の金属、すなわちTi,V,C
r,Mo,Hf,Nb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率が低いZrとWCとの固
溶体の一方または両方をいう。このようにZrを含有し
ないか、あるいはそ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Zrの示すピーク強度がWの
示すピーク強度に対して50%未満のものである。
【0019】ここで、B1型固溶体のうちZrの含有量
が高いものとそれ以外のものの一時的な確認には以下の
方法を用いることができる。焼結体の任意断面を研削研
磨し、鏡面部を村上試薬にて食刻し、光学顕微鏡の40
0〜1000倍にて観察する。この際、B1型固溶体の
食刻の程度がZrの含有量によって異なるため、容易に
B1型固溶体を確認することができる。
【0020】なお、上記Zrの含有量が高いB1型固溶
体は、合金中に平均粒径が3μm以下の相として存在す
ることが望ましい。これは、平均粒径が3μmを超える
と、B1型固溶体が結合相との濡れが悪いために、合金
全体の強度が低下するためである。最適には平均粒径1
μm程度である。
【0021】上記超硬合金母材に被覆される被覆層は、
材質としてTiC、TiN、TiCNをはじめとする周
期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭
窒化物、およびTiAlN,ZrO2 、Al23 等が
挙げられ、これらは、0.1〜20μmの厚みでCVD
法、あるいはPVD法により形成されることが望まし
い。
【0022】本発明の超硬合金を製造するに当たって
は、原料粉末としてWC粉末、周期律表第4a、5a、
6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた2
種以上の粉末、およびCo粉末を前述した秤量後、混合
粉砕し、プレス成形などの公知の成形方法により成形
後、焼成する。
【0023】焼成は、真空度10〜10-1Paの真空中
で1623〜1823Kの温度範囲で10分〜2時間行
う。なお、本発明の特徴である超硬合金母材組織内の周
期律表4a,5a,6a族からなる群より選ばれた金属
に占めるZrの比率が超硬合金母材内部に比べて高い領
域を超硬合金母材の表面近傍に形成させるには、一次原
料のいわゆるB1型固溶体を構成する全化合物中に占め
るZr化合物の比率を調整し、さらに液相出現温度近傍
から焼結温度までの昇温速度を遅くすること等により得
ることができる。
【0024】切削工具形状に加工、洗浄処理後に、その
表面に被覆層を被覆する。原料粉末の各配合割合は、W
C粉末70〜95重量%、前記した周期律表4a,5
a,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%、周期率表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。
【0025】
【実施例】以下、本発明を次の例で説明する。表1に示
す組成の原料粉末を混合粉砕後、CNMG432形状に
成形して1Pa以下の真空中で、1773Kで1時間焼
成した。
【0026】このようにして得られた焼結体について、
JIS R1611に準じたレーザーフラッシュ法を用
いて室温(R.T.:25℃)での熱伝導率および高温
(H.T.:1000℃)での熱伝導率を測定した(真
空理工製:TC−7000)。
【0027】また、以下の方法を用いて、B1型固溶体
のうちZrの含有量が多いものとそれ以外のものとの一
次的な確認を行った。焼結体の任意断面を研削研磨し、
鏡面部を村上試薬にて食刻し、光学顕微鏡の400〜1
000倍にて観察した。この際、B1型固溶体の食刻の
程度がZrの含有量によって異なるため、容易にB1型
固溶体を確認することができた。
【0028】また、Zrの含有量の高いB1型固溶体に
ついては上記工具を平面研削盤等ですくい面側から約
2,000μmほど研削した後、その研削面を鏡面加工
したサンプルをSEM電子顕微鏡(反射電子像)観察に
おける任意領域(20μm×20μm)において確認で
きるB1型固溶体(灰色)と色彩の異なる固溶体の析出
が判別でき、かつZrの含有量についてはX線マイクロ
アナライザー(PV9800)により測定し、Zrの示
すX線ピーク強度がWの示すX線ピーク強度の50%以
上のものを上記Zrの含有量の高い固溶体とした。これ
らの結果を表1に併せて示す。
【0029】
【表1】
【0030】得られた焼結体を切削工具形状に加工後、
CVD法により約5μmのチタン系+アルミナ系複合膜
を被覆した。
【0031】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
変形量を測定した。
【0032】切削条件は以下の通りである。 〔切削条件1〕 被削材 SUS304 工具形状 CNMG120408 速度 200m/min 送り 0.2mm/rev 切込み 2mm 切削液 有(水溶性) 切削時間 1パス当り40秒を15回繰り返し(10
分) また、切削工具の耐塑性変形性と耐欠損性を評価するた
め、変形の有無、損傷の有無を確認した。
【0033】これらの結果を表2に併せて示す。
【0034】
【表2】
【0035】表2からもわかるように試料No.1,2お
よび3の本発明品は耐摩耗性に優れると同時に耐塑性変
形性能・耐欠損性能にも優れていることがわかる。な
お、上記条件の切削においてフランク摩耗が0.25m
m以下である場合に実用的な耐摩耗性を有していると判
断した。また、刃先の塑性変形量については加工物の寸
法精度に影響するとされており、0.15mm未満であ
る場合に実用的な寸法補正が必要無いものと判断した。
【0036】ただし、Zr含有量の多いB1型固溶体の
粒径が3.2μmと大きい試料No.2については切削
条件1においては優れた性能を示したものの、切削条件
1に対して切削条件の送りのみを0.3mm/revに
挙げたところチッピングを生じた。
【0037】一方、比較例品である試料No.4,5お
よび6についてはそれぞれ、耐塑性変形性能・耐欠損性
能および耐摩耗性能のいずれかに問題があった。すなわ
ち試料No.7は摩耗量が0.25mmより大きく耐摩
耗性に問題があった。試料No.4,5,6,7,は変
形量が0.15mm以上であり、耐塑性変形性に問題が
あった。試料No.4,5は耐欠損性に問題があった。
【0038】
【発明の効果】以上記述したように、本発明の被覆超硬
合金母材は、該超硬合金母材の1000℃における熱伝
導率が室温における熱伝導率の70%以上であることに
より、ステンレス鋼の高速・高能率切削における耐摩耗
性が大幅に改善され、工具寿命を延長することができ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C23C 16/30 C23C 16/30

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】WCと周期律表4a,5a,6a族からな
    る群より選ばれた金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の1
    種以上を硬質相成分とし、鉄族金属の1種以上を結合相
    成分とした超硬合金母材の表面に被覆層を有する切削工
    具において、上記超硬合金母材の1000℃における熱
    伝導率が室温における熱伝導率の70%以上であること
    特徴とする切削工具。
  2. 【請求項2】上記超硬合金母材中に2種以上のB1型固
    溶体が存在し、前記B1型固溶体のうち少なくとも1種
    がZrの含有量の高いB1型固溶体であることを特徴と
    する請求項1記載の切削工具。
  3. 【請求項3】超硬合金母材における上記Zr含有量の高
    いB1型固溶体相の平均粒径が3μm以下である請求項
    2記載の切削工具。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014005529A (ja) * 2012-05-29 2014-01-16 Sumitomo Electric Ind Ltd 超硬合金およびこれを用いた表面被覆切削工具

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