JP4951958B2

JP4951958B2 - 切削工具用サーメット

Info

Publication number: JP4951958B2
Application number: JP2005367310A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: JP2007169697A

Description

本発明は、刃先交換型チップ，ドリル，エンドミルなどの切削工具に使用される切削工具用サーメットに関する。

ＴｉＣＮ−Ｍｏ−Ｎｉ系に代表されるサーメットは、鋼の切削における優れた耐摩耗性と共に仕上げ面が美麗なために多用されている。しかし、高速切削においては、塑性変形に起因する急激な摩耗が問題となる。そこで、Ｚｒ，Ｈｆの化合物を添加して耐塑性変形性を改善しようとしたサーメットがある。

硬質相の芯部が（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮからなる炭窒化チタン系サーメット製切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。このサーメットは、Ｚｒ化合物の添加によって耐塑性変形性を改善したものではあるが、焼結性が低下して巣孔を発生し易いために、耐欠損性や耐摩耗性が低下すると言う問題がある。

また、Ｚｒの酸化物を添加したサーメットとして、炭窒化チタンに１〜３０重量％の炭化クロムを混ぜたものに、ＺｒＯ₂などの酸化物を０．１〜９０重量％加え、さらにＣｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅの金属を０．１〜４０重量％添加して焼結した炭窒化チタン−炭化クロム−酸化物−金属系セラミックスがある（例えば、特許文献２参照。）。また、重量％で、ＣｏおよびＮｉのうちの１種または２種：０．２〜８％、ジルコニアおよび安定化ジルコニアのうちの１種または２種：５〜３０％、残りが炭窒化チタンからなる組成の炭窒化チタン基サーメット製切削工具がある（例えば、特許文献３参照。）。これらのＺｒＯ₂を含有したサーメットは、ＺｒＯ₂による強度，靱性の改善を狙ったものではあるが、硬さや鋼との耐反応性が低いために、摩耗し易くて寿命が短いと言う問題がある。

特開２０００−５４０５５号公報特開平２−４８４６７号公報特開平５−１０４３０９号公報

高速度鋼の切削に使用されるサーメットでは、更なる高速化対応のために耐塑性変形性の改善と耐欠損性、耐摩耗性の向上が求められている。上述のような問題を有する従来のサーメットでは、こうした要求に応えられなくなってきた。そこで、本発明は耐塑性変形性を向上させると共に、強度，靱性や耐摩耗性も改善した切削工具用サーメットの提供を目的とする。

本発明者は、ＴｉＣＮ基サーメットの耐塑性変形の改善と耐欠損性，耐摩耗性の向上について検討していた所、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物あるいは炭化物を添加した混合粉末を雰囲気制御して焼結すると、Ｂ１型構造を有するＺｒ（Ｎ，Ｏ），Ｈｆ（Ｃ，Ｏ）などの酸素含有化合物を生成すること、サーメット中に分散した酸素含有化合物は硬さ，靱性や耐摩耗性を向上させ、かつ耐塑性変形性も改善すると言う知見を得て本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の切削工具用サーメットは、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中の少なくとも１種からなるＢ１型構造を有する分散相：０．２〜５体積％と、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１方を主成分とする結合相：５〜２０体積％と、残りがＴｉを主成分とし、さらにＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を必須元素とする周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相とでなるものである。

本発明の切削工具用サーメットにおける分散相は、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中の少なくとも１種からなるものである。具体的には、Ｚｒ（Ｎ，Ｏ），Ｚｒ（Ｃ，Ｏ），Ｚｒ（Ｃ，Ｎ，Ｏ），Ｈｆ（Ｃ，Ｏ），（Ｚｒ，Ｈｆ）（Ｃ，Ｏ）などのＢ１型の立方晶化合物が挙げられる。これらの分散相は、焼結過程において混合粉末中に不可避に含有される酸素とＺｒ，Ｈｆを含む粒子が反応し、一旦はＺｒＯ₂，ＨｆＯ₂を生じた後、焼結に伴ってＺｒ（Ｎ，Ｏ），Ｈｆ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）などに変化したものである。これらの分散相は、Ｘ線回折ではサーメットの主成分である硬質相と区別できないが、透光性を有することから光学顕微鏡によって容易に判別でき、組織中に独立した黒色あるいは黒褐色粒子として観察される。

分散相の含有量は、サーメット全体に対して０．２体積％未満では硬さ，靱性や耐摩耗性の改善効果が少なく、逆に５体積％を超えて大きくなると焼結性の劣化に伴って硬さと強度が低下するために、分散相量を０．２〜５体積％と定めた。

本発明の切削工具用サーメットにおける結合相は、具体的には２０重量％以下のＭｏ，Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉなどを固溶したＣｏ合金、Ｎｉ合金などを挙げることができる。これらの固溶金属元素の中でも、ＣｒとＳｉは分散相との濡れ性が良く、焼結性を改善するので好ましい。すなわち、結合相全体に対して５〜２０重量％のＣｒを含有させると、結合相の硬さや強度，靱性が向上するので好ましい。また、結合相全体に対して２〜１０重量％のＳｉを含有させると、結合相の硬さや強度，靱性が向上するので好ましい。結合相量は、サーメット全体に対して５体積％未満では、靱性の低下により耐欠損性が劣化し、逆に２０体積％を超えて多くなると、硬さの低下により耐摩耗性や耐塑性変形性が低下するために、５〜２０体積％と定めた。

本発明の切削工具用サーメットにおける硬質相は、Ｔｉを主成分とし、さらにＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を必須元素とする周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなるものである。具体的には、芯部がＴｉＣ，Ｔｉ（ＣＮ）で周辺部が（ＴｉＭｏＺｒ）Ｃ，（ＴｉＭｏＨｆ）（ＣＮ），（ＴｉＭｏＷＴａＺｒ）（ＣＮ）などである有芯構造粒子、（ＴｉＷ）Ｃ，（ＴｉＷＴａ）（ＣＮ），（ＴｉＺｒ）（ＣＮ），（ＴｉＷＴａＨｆ）（ＣＮ）などの固溶体粒子、ＴｉＮ，Ｔｉ（ＣＮ），ＺｒＮなどの単独粒子、及びこれらの混合粒子を挙げることができる。硬質相は、硬質相全体に対してＴｉを４０重量％以上含有するもので、Ｔｉが硬質相全体に対して４０重量％未満では、耐摩耗性の低下が著しい。また、硬質相の一部または全部は、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を含有する固溶体あるいは単独粒子からなっている。

本発明の切削工具用サーメットにおける硬質相に、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物，炭窒化物を硬質相全体に対して５体積％を超えて含有させると焼結性が劣化して強度が低下する。ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物，炭窒化物として具体的には、ＺｒＮ，Ｈｆ（ＣＮ）などの単独粒子などを挙げることができる。これらは原料粉末が焼結後に残留したものである。硬質相に含まれるＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物，炭窒化物を硬質相全体に対して５体積％以下にすると、耐塑性変形性や耐溶着性が改善されて耐摩耗性が向上するので好ましい。

本発明の切削工具用サーメットの製造方法は、従来の粉末冶金法によるもので、鉄族金属からなる結合相形成粉末と、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の炭化物，窒化物，炭窒化物からなる分散相形成粉末と、主成分としてＴｉの炭化物，窒化物，炭窒化物と周期律表５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭窒化物とからなる硬質相形成粉末との混合粉末を成形、焼結する方法である。分散相形成粉末として、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ，（Ｔｉ，Ｗ，Ｈｆ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ）Ｎなどの固溶体粉末を使用しても良いが、ＺｒＮ，ＨｆＣなどの単独粉末で添加した方が分散相を形成させ易い。

製造方法において、分散相粒子を形成させるためには、雰囲気を制御して焼結する必要がある。例えば、ＺｒＮを添加した混合粉末を焼結する場合、真空加熱途中の６００〜１２００℃でアルゴン，窒素などを導入すれば、混合粉末に含有される酸素によってＺｒＮが優先的に酸化されてＺｒ（Ｎ，Ｏ）の分散相を生成する。しかし、過多に酸化させるとＺｒＯ₂を生成するので、雰囲気保持の温度，時間，分圧を十分に制御する必要がある。

本発明の切削工具用サーメットは、混合粉末の昇温過程での雰囲気保持が分散相を形成させる作用をし、焼結体に含有された分散相粒子が硬さ，靱性や耐摩耗性を改善する作用をしているものである。

本発明の切削工具用サーメットは、従来のＺｒ，Ｈｆ化合物を含有したサーメットに比べて、Ｂ１型構造を有するＺｒ，Ｈｆの酸素含有化合物が含有されているため、耐欠損性と耐摩耗性が同時に改善されると言う効果がある。

市販されている平均粒径が１．０〜１．５μｍのＴｉＣ，ＴｉＣＮ（重量比でＴｉＣ：ＴｉＮ＝５０：５０），Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏ₂Ｃ，ＷＣ，ＴａＣ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，Ｃｒ₂Ｎ，ＳｉＣの各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにヘキサン溶媒、超硬合金製ボールと外掛けで３重量％のパラフィンワックスを挿入し、４８時間の混合・粉砕を行った後、加熱・乾燥して混合粉末を得た。

これらの粉末をＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８形状用の金型に充填し、２００Ｍｐａの圧力でもってプレス成形して圧粉体を作製し、カーボン粉末を塗布したカーボン板上に設置し、表２に示す雰囲気条件と表１に併記した温度で１時間焼結して、本発明品１〜６および比較品１〜８のサーメットチップを得た。

注）＊雰囲気処理以外の昇温雰囲気は５Ｐａの真空。

得られた本発明品１〜６および比較品１〜８のサーメットチップの各１個について、＃２３０のダイヤモンド砥石で外周の１面を０．２ｍｍの深さに研磨し、平均粒径１．０μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工して組織観察用試料とした。まず、Ｘ線回折装置により成分を同定し、その結果を表３に示す。そして、光学顕微鏡と走査電子顕微鏡による観察および構成粒子の分析・同定を行った後、組織写真を撮り、画像処理装置にて、分散相（Ｂ１型酸素含有化合物），硬質相（窒化物の単独粒子は別記），結合相の体積％を求めた。その結果を表３に併記した。

表３の結果によれば、ＺｒＮ，ＨｆＮを添加したサーメット混合粉末を、昇温時に自己雰囲気あるいはガス雰囲気中で処理した後に焼結すると、Ｂ１型酸化物である分散相粒子が生成している。一方、ＺｒＮ，ＨｆＮが添加されていないか、あるいは添加されていても昇温時に真空とした場合には、分散相が生成していない。また、ＺｒＮの添加量が多く、かつ昇温時の雰囲気保持が長いと、ＺｒＯ₂を生成することが分かる。

実施例１で得た本発明品２，３，４，５と比較品３，６，７，８のサーメットチップを＃４００のダイヤモンド砥石で上下面と外周を湿式研削し、刃先部に０．１５ｍｍ×−２５°のホーニング加工を施すことによって、ＳＮＧＮ１２０４０８の切削用チップをそれぞれ得た。これらのチップを用いて、被削材：４本溝入り炭素鋼Ｓ４５Ｃ，切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．５ｍｍ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式の断続旋削試験を行った。そして、刃先が欠損，チッピングを発生するか、あるいは、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍに達するまで時間を測定した。その結果を表４に示す。

表４の結果を同一組成の試料で比較すると、比較品がチッピング、欠損を起こし易いのに対して、本発明品は正常な摩耗が進行するために、長寿命となっている。

Claims

ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物の中の少なくとも１種からなるＢ１型構造を有する分散相：０．２〜５体積％と、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１方を主成分とする結合相：５〜２０体積％と、残りがＴｉを主成分とし、さらにＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を必須元素とする周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相とでなる切削工具用サーメット。
硬質相中のＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の窒化物，炭窒化物の含有量は、硬質相全体に対して５体積％以下である請求項１に記載の切削工具用サーメット。
結合相は、結合相全体に対して５〜２０重量％のＣｒを含有する請求項１または２に記載の切削工具用サーメット。
結合相は、結合相全体に対して２〜１０重量％のＳｉを含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削工具用サーメット。