JP4069749B2 - 荒加工用切削工具 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、TiCN基サーメットからなり、荒加工用として高い切削性能を有する切削工具に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、切削加工用のスローアウェイチップの素材として炭化タングステンからなる硬質相をCoの結合相で結合した超硬合金(例えば、特許文献1、2参照)や、Tiと、Ti以外の周期律表4a、5aおよび6a族金属のうちの1種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、Coおよび/またはNiの結合相にて結合したTiCN基サーメット(例えば、特許文献3、4参照)が主として用いられている。ところで、現状では超硬合金は仕上げ加工から荒加工に至る幅広い加工領域で用いられているものの、TiCN基サーメットは高い耐摩耗性、鋼材との優れた耐反応性を生かして仕上げ加工領域で用いられているのが実状である。
【0003】
【特許文献1】
特開平8−57703号公報
【特許文献2】
特開2001−329331号公報
【特許文献3】
特開2001−277008号公報
【特許文献4】
特開平9―239605号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年、炭化タングステンの枯渇が危惧されており、TiCN基サーメットにて広範囲な加工可能領域、特に荒加工領域で高い切削性能を発揮するTiCN基サーメットが切望されている。
【0005】
しかしながら、特許文献3、4などの従来のTiCN基サーメットを荒加工に用いると、仕上げ加工よりも切削工具に加わる衝撃が大きいために、この切削時の衝撃によって工具が早期に欠損しやすく、超硬合金の切削性能には及ばないという問題があった。
【0006】
従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、荒加工領域で超硬合金と同等またはそれ以上の切削性能を発揮するTiCN基サーメットからなる荒加工用切削工具を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記荒加工用に適したサーメットの構成について検討した結果、Tiおよび結合相の含有量、硬質相の粒径を最適化することにより、荒加工領域にて超硬合金と同等またはそれ以上の高い切削性能を発揮するサーメットが得られることを知見した。
【0008】
即ち、本発明の荒加工用切削工具は、Coおよび/またはNiを主成分とする結合相と、Tiを主とする周期律表4a、5aおよび6a族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるTiCN基サーメットからなり、前記CoおよびNiを総量で15〜22質量%含有し、前記周期律表4a、5aおよび6a族金属総量に対してTiを55〜80質量%含有し、且つサーメット中心部の前記硬質相の平均結晶粒径が0.6〜0.9μmであるとともに、前記サーメットの表面から0.01〜5μmの厚みの極表面に、結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することを特徴とする。
【0009】
また、前記サーメットの極表面には、結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することによって、荒加工領域にも耐えうる耐欠損性を有し、かつ物理蒸着もしくは化学蒸着膜などを形成した場合においても工具本体との優れた密着性を維持することができる。この結合相富化領域は0.01〜5μmの厚みで存在することが重要である。
【0010】
また、前記サーメットの表面直上には、(TixM1−x)(CyN1−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)で表わされる硬質被覆層を被覆してなることによって、優れた耐磨耗性と耐欠損性を両立し発揮することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具は、Coおよび/またはNiを主成分とする結合相と、Tiを主とする周期律表4a、5aおよび6a族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるTiCN基サーメットからなるものであるが、本発明によれば、特に荒加工に適した工具に関わるものである。
【0012】
ここで、本発明における荒加工領域とは、送り0.30mm/rev(回転)以上、かつ、切込み2.0mm以上、切削速度250m/min以上で、湿式または乾式状態での加工、特に旋削加工を指す。
【0013】
この荒加工用に適した工具とする上で、本発明によれば、前記CoおよびNiを総量で15〜22質量%含有することが重要である。すなわち、結合相の含有量が15質量%未満では所望の強度および耐衝撃性を得ることができず、逆に結合相の含有量が22質量%を越えると急激に耐摩耗性が低下する結果、いずれの場合も荒加工用として用いると即時欠損および刃先の塑性変形性が悪く、摩滅してしまい優れた切削性能を得ることができない。CoおよびNiは、特に16〜20質量%、さらには17〜19.5質量%の割合で含有されることが望ましい。
【0014】
また、本発明によれば、サーメット中における前記周期律表4a、5aおよび6a族金属総量に対してTiを55〜80質量%含有することが重要である。これは、前記Ti量が55質量%より少ないと荒加工に必要な強度を確保することができず、逆に、80質量%より多いと靭性が低下して、荒加工時の耐衝撃性が低下する。特に前記Ti量は65〜77質量%であることが望ましい。
【0015】
このTiを含む周期律表4a、5aおよび6a族金属は、硬質相として複合金属炭窒化物を形成しており、特に、硬質相は、TiCNからなる芯部と、Tiと、Ti以外の周期律表4a、5aおよび6a族金属、特にW、Mo、TaおよびNbのうちの1種以上との複合炭化物、複合窒化物、複合炭窒化物の少なくとも1種からなる周辺部とから構成される2重有芯構造、または3重有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有しサーメット基体が微細で均一な組織となるとともに、結合相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。
【0016】
さらに、本発明によれば、切削工具の中心部における前記硬質相の平均結晶粒径が0.6〜0.9μm、さらに0.7〜0.9μmであることが重要である。すなわち、この硬質相の平均結晶粒径が0.6μmより小さいと硬質相の凝集が生じやすく不均一な組織となってサーメットの耐衝撃性や硬度が低下し、工具の耐欠損性および耐摩耗性が低下する。逆に、硬質相の平均結晶粒径が0.9μmを超えるとサーメットの強度が低下してチップの耐欠損性が低下する。
【0017】
また、本発明の切削工具においては、前記サーメットの極表面に結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することが重要である。このような結合相富化領域の存在によって、切削工具の切刃における熱伝導性を高めることができる結果、切刃の放熱性を増し荒加工時における過酷な切削条件での耐欠損性を高めることができる。また、これによって切刃が被削材における加工面の形状に対してわずかに変形して被削材の加工面の面粗度をなめらかにする効果も有する。前記結合相富化領域の厚みは、切削工具の中心部分の結合相量に対して、1.1倍以上の結合相量を有する領域として、最表面からの厚みが0.01〜5μm、さらに1〜3μm、さらに1〜2.5μmであることが前記熱伝導性を高めるとともに、工具切刃における過度な塑性変形を抑制するために重要である。
【0018】
また、後述する硬質被覆層との密着性、熱伝導率向上、塑性変形の抑制の点でサーメット基体の表面における硬質相の平均結晶粒径r1が、サーメット中心部における硬質相の平均結晶粒径r2よりも大きいことが望ましく、具体的にはr1=0.5〜2μmであることが望ましい。
【0019】
さらには、本発明によれば、サーメット基体表面に、(TixM1−x)(CyN1−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)で表わされる硬質被覆層(以下、Ti系被覆層と略す。)を被覆してもよく、かかる被覆層はサーメット母材の直上に形成することが重要である。さらには、高硬度や高温安定性などの耐熱性の点で、Mは、Al、Si、ZrおよびCrの群から選ばれる1種、最適にはAlであることが最も望ましい。
【0020】
また、硬質被覆層としては、上記Ti系被覆層に加えて、例えば、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る。
【0021】
本発明のTiCN基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、TiCN粉末と、周期律表4a、5aおよび6a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種の粉末を用いて、周期律表4a、5aおよび6a族金属総量に対するTi量が55〜80質量%、特に65〜77質量%となるように秤量する。また、硬質相形成成分全体における炭素(C)と窒素(N)とのN/(C+N)の比率が0.4〜0.6となるように調合する。
【0022】
また、このときに用いるTiCN粉末の平均粒径が0.4〜1.0μmの微細な粉末であることが必要である。この時のTiCN粉末の平均粒径が1.0μmよりも大きいと、サーメットにおける硬質相の前記平均結晶粒径を1μm以下にすることが困難となる。また、0.4μmよりも小さいと、硬質相の前記平均結晶粒径を0.5μm以上とすることが困難となる。
【0023】
また、周期律表4a、5aおよび6a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種の粉末の平均粒径は0.5〜2μmが適当である。
【0024】
また、結合相形成成分として、平均粒径が0.3〜4μmのNiおよび/またはCoの粉末を15〜22質量%の割合で添加する。
【0025】
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。
【0026】
焼成にあたっては、有芯構造の硬質相を形成し、また硬質相の粒成長を抑制するために、真空度0.01Torr以下で、室温から950℃付近までを10〜15℃/分で昇温し、その後、1300℃付近までを1〜5℃/分で昇温し、さらに1500℃〜1600℃までを3℃〜15℃/分で昇温し保持時間1時間以内で放冷で室温まで10℃〜15℃/分で冷却する条件で焼成することが望ましい。
【0027】
また、サーメット表面に結合相富化領域を形成するためには、上記の焼成条件において、室温から1250℃〜1350℃までを窒素ガスを0.1〜0.3kPaの窒素ガス中で処理し、1250℃〜1350℃から1500〜1600℃の昇温過程のみ真空0.01Torr以下とし、1500℃〜1600℃で焼成した後、冷却過程において真空0.01Torr以下として室温まで10℃〜15℃/分で冷却することが望ましい。
【0028】
また、上記の方法によって作製されたTiCN基サーメットを母材として、その表面に、化学気相成長法(CVD法)や、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法などの物理気相成長法(PVD法)などによって前述したような被覆層を形成すればよい。
【0029】
【実施例】
原料粉末として、表1に示す平均粒径の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、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。
【0030】
次に、上記混合粉末を用いて、成形圧98MPaでチップ形状および抗折試験片形状にプレス成形し、それぞれの成形体を0.01Torr以下の真空中で950℃まで12℃/minで昇温し、950℃から1300℃までを2℃/分で昇温し、表1の焼成温度まで5℃/分で昇温し、1時間保持した後、真空中で12℃/分で室温まで降温して、CNMG120408形状のサーメットを作製した。なお、試料No.8、9については、昇温過程で1300℃までは0.2KPaの窒素中とする以外は、上記と同様にして焼成した。
【0031】
作製したサーメットについて、JISR1601に従い、3点曲げ強度を測定するとともに、JISR1607に従い、靱性(IF法)の測定を行った。結果は表2に示した。
【0032】
さらに得られたチップ中心部の断面を電子顕微鏡観察して7×7μmの観察領域2箇所をインターセプト法で硬質相の結晶粒径を測定し、その平均結晶粒径を測定した。
【0033】
さらに、チップの表面付近における結合相のNiとCoの濃度分布をEPMA法で濃度変化を測定し、NiとCoの濃度変化の合算でNi+Coの濃度変化を観察し、表面から、中心部分の濃度に対して1.1倍以上の濃度を有する領域までの厚みを3箇所測定しその平均を求めた。
【0034】
また、得られたスローアウェイチップ各10個ずつについて、下記荒切削条件Aで切削を行い、欠損した時の送りを表1に示した。
切削条件
被削材:SCM435
被削材:4本溝入り丸棒
切削速度:250m/min
送りおよび切削時間:0.1mm/revで10秒間切削後、送りを0.05mm/revずつ上げて各10秒間ずつ切削(最大送り0.5mm/revまで)
切込み:2mm
【0035】
【表1】
【0036】
表1の結果から明らかなように、本発明の試料No.1〜3、5〜7、10、11は、いずれも高い強度、硬度を有するとともに荒加工切削においても試料No.16の超硬合金なみの優れた切削特性を示した。
【0037】
これに対して、Ni+Co含有量が15質量%より少ない試料No.13では抗折強度が低く、荒加工条件では早期に欠損が発生してしまった。また、Ni+Co含有量が22質量%を超える試料No.15では,金属冨化層が厚くなり耐酸化性および耐塑性変形性が低下し、刃先が摩滅した。
【0038】
さらに、周期律表4a、5aおよび6a族金属総量に対してTiの含有量が55質量%より少ない試料No.12ではチップの刃先が早期に欠損が発生してしまい、周期律表4a、5aおよび6a族金属総量に対してTiの含有量が80質量%を超える試料No.12では摩耗が進行して早期に切削不能となった。さらに、複合金属炭窒化物の平均粒径が1μmを超える試料No.4、14では、荒加工切削で早期に欠損が発生してしまった。
【0039】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の切削工具は、TiCN基サーメットでありながら、Tiおよび結合相の含有量、硬質相の粒径を最適化することにより、荒加工領域において超硬合金と同等またはそれ以上の高い切削性能を発揮する工具を提供することができる。
Claims (2)
- Coおよび/またはNiを主成分とする結合相と、Tiを主とする周期律表4a、5aおよび6a族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるTiCN基サーメットからなり、前記CoおよびNiを総量で15〜22質量%含有し、前記周期律表4a、5aおよび6a族金属総量に対してTiを55〜80質量%含有し、且つサーメット中心部の前記硬質相の平均結晶粒径が0.6〜0.9μmであるとともに、前記サーメットの表面から0.01〜5μmの厚みの極表面に、結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することを特徴とする荒加工用切削工具。
- 前記サーメットの表面直上に、(TixM1−x)(CyN1−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)で表わされる硬質被覆層を被覆してなることを特徴とする請求項1記載の荒加工用切削工具。
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