JP4510323B2 - 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削ドリル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化タングステン基超硬合金で構成された基体(以下、超硬基体という)がすぐれた高温硬さを有し、したがって高熱発生を伴なう鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いた場合に、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削ドリル(以下、被覆超硬ドリルという)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般に、被覆超硬ドリルは、例えば図1(a)に概略正面図で、同(b)に溝形成部の概略横断面図で示される形状を有し、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の穴あけ切削加工などに用いられている。
また上記被覆超硬ドリルとして、超硬基体の表面に、TiとAlの複合窒化物[以下、(Ti,Al)Nで示す]で構成された硬質被覆層を0.5〜6μmの平均層厚で形成してなる被覆超硬ドリルも知られている。
【0003】
さらに、上記の従来被覆超硬ドリルの硬質被覆層である(Ti,Al)N層が、例えば図2に概略説明図で示される物理蒸着装置の1種であるアークイオンプレーティング装置を用い、ヒータで装置内を、例えば雰囲気を0.5Paの真空として、500℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するTi−Al合金がセットされたカソード電極(蒸発源)との間に、例えば電圧:35V、電流:90Aの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−200Vのバイアス電圧を印加する条件で形成されることも知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の穴あけ切削加工などの切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は切削機械の高性能化とも相俟って高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬ドリルにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での穴あけ切削加工に用いた場合には問題はないが、これを高速切削条件で用いると、穴あけ切削加工時に発生する高熱によって、特に切刃面を含む先端部および溝形成部の薄肉部(切刃部)の高温硬さの著しい低下をきたし、この結果摩耗進行が著しく促進されるようになることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【0005】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に上記の従来被覆超硬ドリルに着目し、これを構成する超硬基体にすぐれた高温硬さを具備せしめるべく研究を行った結果、
(a)原料粉末として、炭化タングステン(以下、WCで示す)粉末、組成式:(W1−YTiY)C(ただし、原子比で、Yは0.3〜0.5を示す)を有するWとTiの複合炭化物[以下、(W,Ti)Cで示す]粉末、炭化ニオブ(以下、NbCで示す)粉末、およびCo粉末を用いて、配合組成を、質量%で(以下、%は質量%を示す)、
Co:8〜10%、
(W,Ti)C:23〜30%、
NbC:5〜7%、
WC:残り、
としてなる圧粉体の焼結体で超硬基体を構成すると、この超硬基体は、これを構成する超硬合金が、分散相として、WC相と共に、すぐれた高温硬さを有するWとTiとNbの複合炭化物[以下、(W,Ti,Nb)Cで示す]相が共存し、かつ結合相が、焼結時にCo中へ分散相を形成するWCの一部の主にW成分が固溶し、これによってすぐれた高温強度を具備するようになるCo−W系合金で構成された組織をもつものとなることから、すぐれた高温硬さを具備するようになること。
【0006】
(b)上記(a)の超硬基体の表面に、硬質被覆層として、アークイオンプレーティング装置を用いて、組成式:(Ti1−XAlX)N(ただし、Xは、原子比で0.1〜0.6)を有する(Ti,Al)N層を形成すると、高温硬さがさらに一段と向上するようになること。
【0007】
(c)したがって、上記(a)の超硬基体の表面に上記(b)の硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬ドリルは、すぐれた高温硬さを具備するようになることから、これを高熱発生を伴なう高速穴あけ切削加工に用いても摩耗進行が著しく抑制され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果が得られたのである。
【0008】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
Co:8〜10%、
組成式:(W1−YTiY)C(ただし、原子比で、Yは0.3〜0.5を示す)を有する(W,Ti)C:23〜30%、
NbC:5〜7%
WC:残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体にして、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相が、WC相と、(W,Ti,Nb)C相とからなり、かつ結合相がCo−W系合金からなる組織を有する超硬基体の表面に、硬質被覆層として、アークイオンプレーティング装置を用いて、
組成式:(Ti1−XAlX)N(ただし、原子比で、Xは0.1〜0.6を示す)を有する平均層厚:1〜6μmの(Ti,Al)N層、
を蒸着形成してなる、高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬ドリルに特徴を有するものである。
【0009】
つぎに、この発明の被覆超硬ドリルにおいて、これを構成する超硬基体(焼結体)の配合組成、硬質被覆層のX値、さらに硬質被覆層の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
(1)超硬基体の配合組成
(a)Co
Co成分には、焼結性を向上させ、かつ焼結体の常温強度を向上させる作用があるが、その配合割合が8%未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配合割合が10%を越えると、高速切削時に偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起し易くなり、この結果摩耗進行が促進されるようになることから、その配合割合を8〜10%と定めた。
【0010】
(b)(W,Ti)C
(W,Ti)Cは、焼結時にNbCと結合して、高い高温硬さを有する(W,Ti,Nb)Cを形成し、これが分散相として存在して超硬基体の高温硬さを著しく向上させる作用をもつが、その配合割合が23%未満では、(W,Ti,Nb)C相による高温硬さ向上効果を十分に確保することができず、一方その配合割合が30%を越えると、分散相として存在する(W,Ti,Nb)C相の割合が多くなり過ぎて、切刃部に欠けやチッピング(微小欠け)が発生し易くなることから、その配合割合を23〜30%と定めた。
また、(W,Ti)CのTi成分には、焼結時における(W,Ti)CのNbCとの結合を促進し、もって分散相としてNbC相が存在しないようにする作用があるが、その割合(Y値)がW成分との合量に占める割合で、原子比で0.3未満では前記作用に所望の効果が得られず、さらに形成された(W,Ti,Nb)C相に十分な高温硬さを確保することができず、一方その割合(Y値)が同じく0.5を越えると、焼結後に形成された(W,Ti,Nb)C相自体の強度に低下傾向が現れるようになり、これが原因で切刃部に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その割合(Y値)を、原子比で0.3〜0.5と定めた。
【0011】
(c)NbC
NbCには、上記の通り焼結時に(W,Ti)Cと結合して、(W,Ti,Nb)C相を形成し、もって超硬基体の高温硬さを著しく向上させる作用があるが、その配合割合が5%未満では、形成された(W,Ti,Nb)C相に十分な高温硬さを確保することができず、一方その配合割合が7%を越えると、(W,Ti,Nb)C相におけるNb成分の割合が過剰気味になり、自体の強度に低下傾向が現れるようになり、これが原因で切刃稜線部に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その配合割合を5〜7%と定めた。
【0012】
(2)硬質被覆層のX値
(Ti,Al)N層におけるAlは常温強度の高いTiNに対して耐熱性を付与し、もってすぐれた高温硬さを具備するようにするために固溶するものであり、したがって組成式:(Ti1−XAlX)NのX値が原子比で0.1未満では所望のすぐれた高温硬さを確保することができず、一方その値が同0.6を越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、X値を原子比で0.1〜0.6と定めた。
【0013】
(3)硬質被覆層の平均層厚
硬質被覆層を構成する(Ti,Al)N層の平均層厚を、1〜6μmとしたのは、その平均層厚が1μm未満では、硬質被覆層に所望の高温硬さを安定して付与することができず、一方その平均層厚が6μmを越えると、切刃面に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由からである。
【0014】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬ドリルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径:3.0μmを有するWC粉末、同1.8μmの(W0.7Ti0.4)C粉末、同1.9μmの(W0.5Ti0.5)C粉末、同2.0μmの(W0.4Ti0.6)C粉末、同1.2μmのNbC粉末、および同1.8μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末のうちの所要の原料粉末をそれぞれ表1に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、6Paの真空雰囲気中、7℃/分の昇温速度で1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に1時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が8mm、13mm、および26mmの3種の超硬基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の3種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表1に示される組合せで、溝形成部の直径×長さがそれぞれ6mm×13mm、10mm×22mm、および20mm×45mmの寸法をもった超硬基体a,b,g,h,iをそれぞれ製造した。
【0015】
ついで、これらの超硬基体a,b,g,h,iを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図2に例示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方カソード電極(蒸発源)として種々の成分組成をもったTi−Al合金を装着し、装置内を排気して0.5Paの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を500℃に加熱した後、Arガスを装置内に導入して10PaのAr雰囲気とし、この状態で超硬基体に−800vのバイアス電圧を印加して超硬基体表面をArガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して6Paの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−200vに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体a,b,g,h,iのそれぞれの表面に、表3に示される目標組成(X値)および目標層厚の(Ti,Al)N層を硬質被覆層として形成することにより、図1(a)に概略正面図で、同(b)に溝形成部の概略横断面図で示される形状を有する本発明被覆超硬ドリル1〜5をそれぞれ製造した。
【0016】
また、比較の目的で、表2の超硬基体a’〜l’に示される通り、超硬基体の配合組成に関し、高温硬さに影響を及ぼす(W,Ti)Cの組成、さらに前記(W,Ti)CおよびNbCの配合割合のうちの少なくともいずれかがこの発明の範囲から外れた配合組成とする以外は同一の条件で、表4に示される通りの比較被覆超硬ドリル1〜12をそれぞれ製造した。
【0017】
なお、本発明被覆超硬ドリル1〜5および比較被覆超硬ドリル1〜12について、走査型電子顕微鏡およびオージェ分光分析装置を用いて、超硬基体の組織を観察したところ、いずれもWC相と、(W,Ti,Nb)C相の分散相と、Co−W系合金の結合相からなる組織を示し、さらに硬質被覆層について、その組成(厚さ方向中央部を測定)および厚さ(断面測定)を測定したところ、いずれも目標組成および目標層厚と実質的に同じ値を示した。
【0018】
つぎに、上記本発明被覆超硬ドリル1〜5および比較被覆超硬ドリル1〜12のうち、本発明被覆超硬ドリル1,2および比較被覆超硬ドリル1〜4については、
被削材:100mm×250の平面寸法、50mmの厚さを有するJIS・SCM440の板材、
切削速度:140m/min、
送り:0.2mm/rev、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ加工試験、本発明被覆超硬ドリル3,4および比較被覆超硬ドリル5〜8については、
被削材:100mm×250の平面寸法、50mmの厚さを有するJIS・SCM440の板材、
切削速度:150m/min、
送り:0.25mm/rev、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、本発明被覆超硬ドリル5および比較被覆超硬ドリル9〜12については、
被削材:100mm×250の平面寸法、50mmの厚さを有するJIS・SCM440の板材、
切削速度:160m/min、
送り:0.3mm/rev、
の条件での合金鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの湿式(水溶性切削油使用)高速穴あけ加工試験でも先端切刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定した。この測定結果を表3、4にそれぞれ示した。
【0019】
【表1】
【0020】
【表2】
【0021】
【表3】
【0022】
【表4】
【0023】
【発明の効果】
表1〜4に示される結果から、本発明被覆超硬ドリル1〜5は、いずれも超硬基体がすぐれた高温硬さを有することから、硬質被覆層の具備するすぐれた高温硬さと相俟って、鋼の穴あけ切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、すぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、比較被覆超硬ドリル1〜12に見られる通り超硬基体の配合成分である(W,Ti)Cの組成、さらに前記(W,Ti)CおよびNbCの配合割合のうちの少なくともいずれかがこの発明の範囲から低い方に外れると、十分な高温硬さが得られないことから、摩耗進行が速く、一方反対に高い方に外れると、切刃部に欠けやチッピングが発生し、いずれの場合も比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆超硬ドリルは、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に高速穴あけ切削加工においてもすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能にするものであるから、穴あけ切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は被覆超硬ドリルの概略正面図で、(b)は同溝形成部の概略横断面図である。
【図2】 アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
Claims (1)
- 質量%で、
Co:8〜10%、
組成式:(W1−YTiY)C(ただし、原子比で、Yは0.3〜0.5を示す)を有するWとTiの複合炭化物:23〜30%、
炭化ニオブ:5〜7%、
炭化タングステン:残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体にして、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相が、炭化タングステン相と、WとTiとNbの複合炭化物相とからなり、かつ結合相がCo−W系合金からなる組織を有する炭化タングステン基超硬合金で構成した基体の表面に、硬質被覆層として、アークイオンプレーティング装置を用いて、
組成式:(Ti1−XAlX)N(ただし、原子比で、Xは0.1〜0.6を示す)を有する平均層厚:1〜6μmのTiとAlの複合窒化物層、
を蒸着形成してなる、高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削ドリル。
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JP2001133910A JP4510323B2 (ja) | 2001-05-01 | 2001-05-01 | 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削ドリル |
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JP2001133910A JP4510323B2 (ja) | 2001-05-01 | 2001-05-01 | 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削ドリル |
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