JP4284153B2

JP4284153B2 - 切削方法

Info

Publication number: JP4284153B2
Application number: JP2003370457A
Authority: JP
Inventors: 隆司徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: JP2005131739A

Description

本発明は、ＴｉＣＮ基サーメットからなり、耐欠損性および耐摩耗性に優れた切削工具に関する。

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、Ｔｉを含んで周期律表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基サーメットが知られている。

かかるサーメット製切削工具においては切刃の突発的なチッピングや欠損の発生が問題であり耐摩耗性の向上とともに耐欠損性の向上が求められており、また、サーメット製切削工具は優れた耐摩耗性と被削材との耐反応性とを兼ね備えることから主に仕上げ加工に用いられているために被削材の仕上げ面粗度と寸法精度が厳しく要求される。

また、特許文献１には切刃におけるすくい面側と逃げ面側のホーニング量を１．５〜４．０の範囲で制御することにより切刃における耐欠損性が向上することが記載されており、さらに、特許文献２にはサーメット製切削工具のホーニング加工面に結合相量が少ない表面硬化層を形成することによってチッピングや欠損を防止できることが記載されている。

一方、特許文献３、４等には切削工具としてサーメット同様、汎用に用いられる超硬合金について、合金中の炭化タングステン粒子の粒径を微粒化することによって合金強度が向上し、切削工具としての耐欠損性および耐摩耗性が向上することが記載されている。
特開平１０―７１５０７号公報特開平５−２１２６０５号公報特開昭６１−１２８４７号公報特開平７−１５７８３７号公報

しかしながら、上記特許文献３、４に記載されるような超硬合金の微粒化の知見をサーメットに応用して硬質相の微粒化を図ると合金強度は向上するものの切刃の突発欠損やチッピングの発生は改善されず、結果として切削工具として満足できるものではなかった。

また、上記微粒サーメット製切削工具について特許文献１、２にしたがって切刃のホーニング量を調整しても、耐欠損性は改善されるものの切刃に大きな切削抵抗がかかるような場合、切刃が塑性変形して加工する被削材の寸法精度が大きくずれてしまったり、急速に摩耗が進行してしまう恐れがあった。

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、優れた耐欠損性、耐塑性変形性および耐摩耗性を兼ね備えたサーメット製切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題について検討した結果、サーメット基体の硬質相の平均粒径を１μｍ以下に微粒化するとともに、切刃のすくい面側のホーニング量をａ、切刃の逃げ面側のホーニング量をｂとしたとき、ａ／ｂ＝１．３〜１．５のＲホーニングを施し、かつ前記Ｒホーニングのすくい面側終端部における曲率半径をＲ _ａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側終端部における曲率半径をＲ _ｂとしたとき、Ｒ _ａ／Ｒ _ｂ＝１．１〜１．３であることによって、微粒サーメットからなる切削工具の耐欠損性が大幅に改善されるとともに、耐塑性変形性が向上し、かつ耐摩耗性も向上することを知見した。

即ち、本発明の切削方法は、Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相と、Ｔｉを含んで周期律表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基サーメット基体の切刃にＲホーニングを形成し、前記サーメット基体内部における硬質相の平均粒径が１μｍ以下であるとともに、前記Ｒホーニングのすくい面側のホーニング量をａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側のホーニング量をｂとしたとき、ａ／ｂ＝１．３〜１．５であるとともに、前記Ｒホーニングのすくい面側終端部における曲率半径をＲ _ａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側終端部における曲率半径をＲ _ｂとしたとき、Ｒ _ａ／Ｒ _ｂ＝１．１〜１．３であるサーメット製切削工具を用いて被削材：Ｓ４５Ｃ、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、切込み：２．０ｍｍの条件で切削することを特徴とするものである。

ここで、前記サーメット基体の少なくともＲホーニングにおいて、前記サーメット基体表面から５０〜２００μｍの深さ範囲における前記硬質相の平均粒径が、前記サーメット基体内部の硬質相の平均粒径よりも大きい表面領域が存在すること、特に、前記サーメット基体表面から３０μｍの深さ位置における前記硬質相の平均粒径ｄ_１と、前記サーメット基体内部の硬質相の平均粒径ｄ_２との比（ｄ_１／ｄ_２）が１．１〜３．０であることが、切刃における塑性変形を抑制して切削工具としての耐摩耗性が向上するとともに、切刃における耐欠損性を維持できる。

また、前記Ｒホーニングのすくい面側終端部における曲率半径をＲ_ａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側終端部における曲率半径をＲ_ｂとしたとき、Ｒ_ａ／Ｒ_ｂ＝１．１〜１．３であることが、切刃強度を維持してチッピングや異常摩耗を防止できるとともに、切刃抵抗の増大によって切刃が欠損するということも防止できる。

上記本発明の切削方法は、サーメット基体の硬質相の平均粒径を１μｍ以下に微粒化するとともに、切刃のすくい面側のホーニング量をａ、切刃の逃げ面側のホーニング量をｂとしたとき、ａ／ｂ＝１．３〜１．５のＲホーニングを施し、かつ前記Ｒホーニングのすくい面側終端部における曲率半径をＲ _ａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側終端部における曲率半径をＲ _ｂとしたとき、Ｒ _ａ／Ｒ _ｂ＝１．１〜１．３であることによって、微粒サーメットからなる切削工具の耐欠損性が大幅に改善されるとともに、耐塑性変形性が向上して耐摩耗性も向上する。

本発明の切削方法について、これに用いられるサーメット製切削工具の要部拡大断面図である図１を基に説明する。

図１によれば、サーメット製切削工具（以下、単に工具と略す。）１は、Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相と、Ｔｉを含んで周期律表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基サーメット基体２の切刃３にＲホーニング４を形成し、サーメット基体２内部における硬質相の平均粒径が１μｍ以下であるとともに、Ｒホーニング４のすくい面５側のホーニング量をａ、Ｒホーニング４の逃げ面６側のホーニング量をｂとしたとき、ａ／ｂ＝１．３〜１．５とし、かつ前記Ｒホーニングのすくい面側終端部における曲率半径をＲ _ａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側終端部における曲率半径をＲ _ｂとしたとき、Ｒ _ａ／Ｒ _ｂ＝１．１〜１．３であることを特徴とするものである。

これによって、従来のサーメット製切削工具の最大の課題であった切刃３における突発欠損やチッピング等の発生を抑制して耐欠損性を大幅に向上させることができるとともに、切刃３における耐塑性変形性を改善させて耐摩耗性を向上させることができる。

すなわち、サーメット基体２の内部における硬質相（硬質相）の平均結晶粒径が１μｍ以下、特に０．５〜０．９μｍ、さらに０．７〜０．９μｍであることが重要であり、この硬質相の平均結晶粒径が硬質相の平均結晶粒径が１μｍ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。なお、０．５μｍ以上であるほうがサーメット基体２の焼結性を維持して切刃３の耐摩耗性を維持できるとともに、工具１の耐衝撃性や硬度、耐欠損性を維持できる点で望ましい。

なお、サーメット基体２の構成については、Ｔｉを含む周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属からなる複合金属炭窒化物が硬質相として形成されており、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。

また、Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相は、５〜３０重量％の割合で含有されることが、耐欠損性と耐摩耗性をともに維持する点で望ましい。

ここで、サーメット基体２の少なくともＲホーニング４において、サーメット基体２表面から５０〜２００μｍの深さ範囲Ａにおける前記硬質相の平均粒径が、前記サーメット基体２内部の硬質相の平均粒径よりも大きい表面領域９が存在すること、特に、サーメット基体２表面から３０μｍの深さ位置における前記硬質相の平均粒径ｄ_１と、前記サーメット基体２内部の硬質相の平均粒径ｄ_２との比（ｄ_１／ｄ_２）が１．１〜３．０であることが、切刃３における塑性変形を抑制して工具１としての耐摩耗性が向上するとともに、切刃３における耐欠損性を維持できる。

なお、Ｒホーニング４の表面領域９における硬質相の平均粒径は０．６〜２μｍであることが、切刃３の耐摩耗性および耐塑性変形性をともに満足する点で望ましい。

また、Ｒホーニング４のすくい面５側終端部における曲率半径をＲ_ａ、Ｒホーニング４の逃げ面６側終端部における曲率半径をＲ_ｂとしたとき、Ｒ_ａ／Ｒ_ｂ＝１．１〜１．３であることが、切刃３の強度を維持してチッピングや異常摩耗を防止できるとともに、切刃抵抗の増大によって切刃３が欠損するということも防止できる。

さらに、本発明によれば、サーメット基体２表面に、（Ｔｉｘ，Ｍ１−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。）、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。

また、Ｔｉ系被覆層は高硬度や高温安定性などの耐熱性の点で、（Ｔｉ，Ｍ１）Ｎ（ただし、Ｍ１はＡｌ、Ｓｉ、ＺｒおよびＣｒの群から選ばれる１種）、最適には（Ｔｉｘ，Ａｌ１−ｘ）Ｎからなることが望ましい。

（製造方法）
本発明の切削方法に用いる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。

また、このときに用いるＴｉＣＮ粉末の平均粒径が１μｍ以下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１μｍ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、ＴｉＣＮ粉末の平均粒径が０．４μｍ以上であることがサーメット基体２の焼結性が維持できるとともに硬質相の前記平均結晶粒径が小さくなりすぎず切刃における耐摩耗性を維持できる点で望ましい。

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。さらに、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以下の真空雰囲気、またはＮ_２、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ_２ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で、室温から９５０℃付近までを５〜１５℃／分で昇温し、その後、１４００℃付近までを１〜５℃／分（昇温速度ｂ）で昇温し、さらに１４００℃〜１６００℃の焼成温度まで４３℃〜１５℃／分（昇温速度C）で昇温し、保持時間１時間以内で、放冷にて室温まで１０℃〜１５℃／分で冷却する条件で焼成することが望ましい。また、上記の方法によって作製されたＴｉＣＮ基サーメット基体の切刃に、ブラシ加工、砥石加工によって、その研磨部材の材質、研磨方法、研磨圧力、研磨時間等をコントロールして、上述した寸法に制御されたＲホーニング加工を行い、本発明のサーメット製切削工具を作製することができる。

原料粉末として、表１に示す平均粒径のＴｉＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）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。

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。

次に、得られたサーメット基体に対して、ブラシ加工により表２に示す寸法のＲホーニングを各試料に形成した。なお、Ｒホーニングの形状については、顕微鏡にてすくい面側および逃げ面側のホーニング量を見積もるとともに、工具断面について形状を表面粗さ計ですくい面側および逃げ面側それぞれのホーニング終端における曲率半径を算出した。また、工具断面について鏡面研磨を行い、走査型電子顕微鏡で合金組織を撮影して平均粒径と表面領域の有無およびその深さの測定を行なった。

また、工具の断面を電子顕微鏡観察して表面領域の有無を確認するとともに、サーメット基体表面から１０００μｍ以上内部の領域にて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サーメット基体内部における硬質相の平均粒径として測定した。さらに、サーメット基体表面から３０μｍの深さ位置を中心として７×７μｍの観察領域２箇所を同様に硬質相の平均粒径を測定し、その平均結晶粒径をサーメット基体表面における硬質相の平均粒径として測定した。

次に、得られた試料について、
被削材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：２．０ｍｍ
の条件で３６パス×４回のインターバル切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗量を測定して耐摩耗性を評価した。また、顕微鏡および投影機を用いて切刃におけるホーニング量を算出した。結果は表２に示した。

表２から明らかなように、硬質相の平均粒径が１μｍを超える試料Ｎｏ．１１では耐塑性変形性が低下した。また、Ｒホーニングのａ／ｂ比が１．３より小さい試料Ｎｏ．１０では切刃でのチッピングが多数発生して結果的に逃げ面摩耗量が大きく工具寿命が短いものであった。さらに、また、Ｒホーニングのａ／ｂ比が１．５より大きい試料Ｎｏ．８、１２ではすくい面にかかる切削抵抗が大きく突発欠損が発生してしまった。また、昇温速度ｂを速くした試料Ｎｏ．９ではサーメット基体表面に結合相が噴出して焼結不良となり工具特性を評価することができなかった。

これに対して、本発明に従い、サーメット基体内部における硬質相の平均粒径が１μｍ以下であるとともに、Ｒホーニングのすくい面側のホーニング量ａと、逃げ面側のホーニング量ｂとの比ａ／ｂ＝１．３〜１．５の範囲内にある試料Ｎｏ．１〜７では、いずれも耐塑性変形性および耐欠損性に優れたものであった。

本発明の切削方法に用いるサーメット製切削工具の要部断面模式図である。

符号の説明

１サーメット製切削工具（工具）
２サーメット基体
３切刃
４Ｒホーニング
ａ：すくい面側のホーニング量
ｂ：逃げ面側のホーニング量
Ｒａ：すくい面側終端部における曲率半径
Ｒｂ：逃げ面側終端部における曲率半径
５すくい面
６逃げ面
９表面領域

Claims

Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相と、Ｔｉを含んで周期律表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基サーメット基体の切刃にＲホーニングを形成し、
前記サーメット基体内部における硬質相の平均粒径が１μｍ以下であるとともに、前記Ｒホーニングのすくい面側のホーニング量をａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側のホーニング量をｂとしたとき、ａ／ｂ＝１．３〜１．５であるとともに、
前記Ｒホーニングのすくい面側終端部における曲率半径をＲ _ａ、前記Ｒホーニングの逃げ面側終端部における曲率半径をＲ _ｂとしたとき、Ｒ _ａ／Ｒ _ｂ＝１．１〜１．３であるサーメット製切削工具を用いて
被削材：Ｓ４５Ｃ、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、切込み：２．０ｍｍの条件で切削することを特徴とする切削方法。
前記サーメット基体の少なくともＲホーニング部において、前記サーメット基体表面から５０〜２００μｍの深さ範囲における前記硬質相の平均粒径が、前記サーメット基体内部の硬質相の平均粒径よりも大きい表面領域が存在することを特徴とする請求項１記載の切削方法。
前記サーメット基体表面から３０μｍの深さ位置における前記硬質相の平均粒径ｄ_１と、前記サーメット基体内部の硬質相の平均粒径ｄ_２との比（ｄ_１／ｄ_２）が１．１〜３．０であることを特徴とする請求項２記載の切削方法。