JP5279099B1 - 切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐溶着性及び耐欠損性を有し、長時間の使用に亘って安定した切削性能を発揮できる切削工具を提供する。
【解決手段】切削工具は、サーメットからなる基材を具える。サーメットは、TiとTiを除く周期表第4、5、6族から選ばれる少なくとも１種の金属と炭素及び窒素の少なくとも１種の元素とを含む化合物からなる硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相と、不可避的不純物とからなる。そして、基材のすくい面において、その表面に平均粒径が0.5μm以上5μm以下のアルミナ粒子及びジルコニア粒子の少なくとも１種の粒子が点在し、その表面におけるアルミニウム及びジルコニウムの少なくとも１種の元素の濃度が0.5原子％以上5原子％以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、サーメットからなる基材を具える切削工具に関する。特に、優れた耐溶着性及び耐欠損性を有し、長時間の使用に亘って安定した切削性能を発揮できる切削工具に関する。

従来、切削工具の基材として、炭化物や炭窒化物などの硬質粒子（硬質相）を、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）などの鉄族金属（結合相）で結合した焼結合金（例えば、サーメットや超硬合金）が利用されている。一般的に、サーメットは、炭化チタン（TiC）や炭窒化チタン（TiCN）などのTi化合物粒子を主たる硬質相とし、一方、超硬合金は、炭化タングステン（WC）粒子を主たる硬質相とする。サーメットからなる基材を具える切削工具は、超硬合金からなる基材を具える切削工具に比較して、（1）耐摩耗性に優れる、（2）鋼加工における仕上げ面が高品位である、（3）高速切削が可能である、（4）軽量である、（5）原料が豊富で安価である、といった利点がある。

焼結合金からなる切削工具の基材表面をブラスト処理して表面性状を改良する技術が、例えば特許文献１〜４に記載されている。

特許文献１〜３には、ドリルやスローアウェイチップの基材に対してコーティング処理する前に表面をブラスト処理することで、基材表面の不要物を除去して、コーティング層の密着性を向上させることが記載されている。特許文献４には、サーメットからなるチップ基材のすくい面の表面をブラスト処理して、砥粒に用いたアルミナ粒子などのセラミック粒子をすくい面の表面に埋め込んで点在させることで、耐溶着性を向上させることが記載されている。

特表２００２‐５３６１９４号公報 特開２００７‐００７７８０号公報 特開平０９‐２４１８２６号公報 特開２０１０‐１９４６６９号公報

しかしながら、上記した特許文献１〜３に記載の技術は、ブラスト処理により基材表面を洗浄してコーティングの密着性を向上させるものであり、これら文献に記載のブラスト処理条件では、基材表面の洗浄効果は得られるものの、それ以上の効果は期待できない。

一方、上記した特許文献４に記載の技術は、ブラスト処理により基材のすくい面の表面に平均粒径が5μm〜100μmのセラミック粒子を埋め込んで点在させ、表面状態を改質するものであるが、基材の硬質相を構成する硬質粒子よりも粗大なセラミック粒子が点在することで、この粗大粒子を起点として欠けが生じ易く、欠損などを誘発する虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、優れた耐溶着性及び耐欠損性を有し、長時間の使用に亘って安定した切削性能を発揮できる切削工具を提供することにある。

本発明の切削工具は、サーメットからなる基材を具える。サーメットは、TiとTiを除く周期表第4、5、6族から選ばれる少なくとも１種の金属と炭素及び窒素の少なくとも１種の元素とを含む化合物からなる硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相と、不可避的不純物とからなる。そして、基材のすくい面において、その表面に平均粒径が0.5μm以上5μm以下のアルミナ粒子及びジルコニア粒子の少なくとも１種の粒子が点在し、その表面におけるアルミニウム及びジルコニウムの少なくとも１種の元素の濃度が0.5原子％以上5原子％以下であることを特徴とする。

本発明の切削工具は、基材のすくい面の表面に所定の平均粒径を有するアルミナ粒子やジルコニア粒子（以下、単に「アルミナ粒子など」と呼ぶ場合がある）が点在し、この粒子の成分であるアルミニウムやジルコニウム（以下、単に「アルミニウムなど」と呼ぶ場合がある）の濃度が所定範囲である。このような微細なアルミナ粒子などが点在する表面状態が形成されていることで、切削時に被削材（切屑を含む）が接触するすくい面に溶着が発生することを抑制できると共に、工具の欠けや欠損を防止できる。よって、切削工具の切削性能が劣化することを防止でき、長時間の使用に亘って安定した切削性能を発揮できる。

本発明では、すくい面以外の切削時に被削材が接触する部位、例えば逃げ面などにおいても、すくい面と同じようにアルミナ粒子などが点在することで、工具への溶着をより一層抑制できる。ただし、刃先（切れ刃）の表面にアルミナ粒子などが点在する場合、被削材の仕上げ面品位に悪影響を及ぼす虞があるため、ホーニング処理などの刃先処理を施すことが望ましい。一方で、ホルダに固定するための座面や取付孔近傍などの切削に関与しない部位においては、溶着を抑制する必要がないため、その表面にアルミナ粒子などが点在していなくてもよい。つまり、刃先を除く切削性能に関与する部位において、その表面にアルミナ粒子などが点在することが望ましい。

アルミナ粒子などの平均粒径が0.5μm未満である場合、耐溶着性に対する効果が得られ難く、溶着による欠けや欠損が発生し易くなる。一方、5μm超である場合、この粒子が欠けの起点となり、切削中に欠損が生じ易くなる。また、5μm超である場合、この粒子が基材にダメージを与え、強度低下を招いたり、耐摩耗性が低下したりする。上記した平均粒径は、1μm以上4μm以下であることが望ましい。

アルミニウムなどの元素は、上記したアルミナ粒子などの成分に由来するものである。アルミニウムなどの元素濃度が0.5原子％未満である場合、耐溶着性に対する効果が得られ難く、溶着による欠けや欠損が発生し易くなる。一方、5原子％超である場合、十分な耐溶着性は得られるが、その成分が多いことで耐摩耗性が低下する傾向がある。上記した元素濃度は、1原子％以上2.5原子％以下であることが望ましい。

上記した基材（すくい面）表面のアルミナ粒子などの平均粒径、及びアルミニウムなどの元素濃度は、次のようにして求めたものである。まず、元素濃度は、基材表面の150μm×150μmの領域を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、その領域内をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）により定量分析した値とした。平均粒径は、上記した領域内のＥＤＸで検出された全てのアルミナ粒子について、各粒子の最も長い径を測定し、その平均値とした。

また、本発明の切削工具は、基材表面の焼結肌から深さ50μmまでの平均硬度が、焼結肌から深さ150μm〜200μmの範囲の平均硬度よりも10％以上高いことが望ましい。

サーメット基材の表面部の硬度が内部よりも高い場合、耐摩耗性が向上する一方で、靱性が低下する傾向がある。そのため、被削材がすくい面に溶着することにより切れ味が低下して切削抵抗が高くなると、欠損につながる可能性がある。本発明では、すくい面での溶着の発生を抑制することができ、上記構成によれば、本発明の効果を有効に発揮することができる。

ここで焼結肌とは、いわゆる黒皮面のことであり、焼結されたままの表面である。

本発明の切削工具は、基本的に、原料粉末の準備→混合・成形→焼結→ブラスト処理の各工程を経て製造することができる。

原料粉末の準備工程では、原料粉末として、TiとTiを除く周期表第4、5、6族から選ばれる少なくとも１種の金属と炭素及び窒素の少なくとも１種の元素とを含む化合物の粉末と、鉄族金属の粉末とを用意する。

上記した化合物としては、上記した金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、及びこれらの固溶体が含まれる。Tiの化合物としては、TiC、TiN、TiCNが挙げられる。また、Tiを除く周期表第4、5、6族から選ばれる少なくとも１種の金属としては、例えば、W、Mo、Cr、V、Nb、Ta、Zrなどが挙げられ、この金属の化合物としては、例えば、WC、Mo₂C、Cr₃C₂、VC、NbC、TaC、ZrCなどが挙げられる。その他、TiとTiを除く周期表第4、5、6族の金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属とを含むTi化合物であってもよく、例えば、Ti及びWを含む炭窒化物（TiWCN)）などが挙げられる。これら化合物は硬質相を構成する。本発明では、Ti化合物を硬質相の主成分（質量割合で、硬質相全体の50％以上であり、硬質相中においてTi化合物が最も多い）とするサーメットであり、硬質相はサーメット全体に対して75質量％以上95質量％以下であることが望ましい。また、上記した化合物の粉末の平均粒径は、0.5μm以上2μm以下であることが望ましい。

上記した鉄族金属としては、例えばCo、Niなどが挙げられる。鉄族金属は結合相を構成する。本発明では、鉄族金属を結合相の主成分（質量割合で、結合相全体の65％以上であり、結合相中において鉄族金属が最も多い）とする。また、上記した鉄族金属の粉末の平均粒径は、0.3μm以上4μm以下であることが望ましい。

混合・成形工程では、上記した原料粉末を混合した後、工具形状に成形して成形体を得る。混合は、例えばボールミルなどにより行うことができ、成形は、例えばプレス成形により行うことができる。

焼結工程では、上記した成形体を昇温して焼結した後、冷却してサーメットからなる基材を得る。焼結工程は、昇温工程と冷却工程とを具える。

昇温工程では、例えば、100Pa以下の真空中にて、1250℃まで5℃/min以上15℃/min以下の昇温速度で昇温（一次昇温）し、次いで、100Pa以上2000Pa以下の窒素雰囲気中にて、焼結保持温度である1450℃以上1550℃まで1℃/min以上5℃/min以下の昇温速度で昇温（二次昇温）した後、その焼結保持温度に一定時間保持する。このときの焼結保持時間は、例えば30分以上1.5時間以下とすることが挙げられる。二次昇温において、1℃/min以上5℃/min以下の低昇温速度で昇温することにより、サーメットの緻密化を図ることができる。

冷却工程では、例えば、500Pa以上500kPaの圧力としたArやCOガス雰囲気中にて冷却する。ここで、上記した昇温工程、特に二次昇温において、所定の圧力の窒素雰囲気中にて昇温・保持することで、サーメット成分中の窒素の脱離を抑制すると共に、冷却工程において、脱窒及び脱炭する条件（例えば、Arガス雰囲気中にて冷却）とすることで、表面の硬度が内部よりも高い上記したサーメット基材を得ることができる。

ブラスト処理工程では、上記したサーメット基材表面のすくい面を、アルミナ砥粒及びジルコニア砥粒の少なくとも１種の砥粒（以下、単に「アルミナ砥粒など」と呼ぶ場合がある）を用いてブラスト処理する。そして、このブラスト処理により、アルミナ砥粒などを基材（すくい面）表面に衝突させ、その一部を基材表面に残存させることで、微細なアルミナ粒子などを基材表面に点在させて、本発明における表面状態を形成する。ブラスト処理は、湿式、乾式を問わないが、湿式の方が基材表面を局部的に効率良くブラスト処理することができるので好適である。

基材（すくい面）表面の表面状態は、ブラスト処理の条件を変更することで変化させることができる。ブラスト処理の条件としては、アルミナ砥粒などの平均粒径、アルミナ砥粒などの濃度、噴射圧力、噴射角度、噴射時間などが挙げられる。これら各条件の好ましい範囲は、アルミナ砥粒などの平均粒径は10μm以上50μm、アルミナ砥粒などの濃度は5体積％以上15体積％以下、噴射圧力は0.5MPa以上2.5MPa以下、噴射角度（基材（すくい面）表面の垂直方向に対する角度）は15°以上60°以下、噴射時間は5秒以上20秒以下である。より好ましくは、アルミナ砥粒などの濃度は5体積％超、噴射圧力は2.5MPa未満、噴射時間は15秒以下である。なお、表面状態はこれら各条件が互いに影響し合うことから、ある条件が上記した好ましい範囲を外れているからといって、他の条件によっては本発明における表面状態が得られる場合もあり、上記した各条件の好ましい範囲に必ずしも限定されるものではない。

ここで、アルミナ砥粒などは球形であることが好ましく、その真球度が1.5以下であることが好ましい。より好ましい真球度は1.2以下である。ここでいう真球度とは、1個の砥粒における最大直径と最小直径との比（最大直径／最小直径）をいう。球形の砥粒の場合は、破砕され難いため、基材表面に衝突したときに、砥粒表面のごく一部が欠け、その欠片が基材表面に残存することになる。そのため、基材（すくい面）表面のアルミナ粒子などの平均粒径が小さくなり易い。これに対し、多角形の砥粒の場合は、角があるため、基材表面に突き刺さり、そのまま残存することがある。また、破砕され易いため、粒径が大きいと、基材表面に衝突したり、砥粒同士が衝突したときに、大きく破砕され、尖った破片が基材表面に突き刺さることがある。そのため、基材（すくい面）表面のアルミナ粒子などの平均粒径が大きくなり易い。

また、ブラスト処理による基材（すくい面）表面の表面状態は、アルミナ砥粒などの濃度が低いほど、基材表面に残存するアルミナ粒子などの平均粒径が小さく、アルミニウムなどの元素濃度が低くなり、アルミナ砥粒などの濃度が高いほど、基材表面に残存するアルミナ粒子などの平均粒径が大きく、アルミニウムなどの元素濃度が高くなる傾向がある。また、噴射圧力が低いほど、基材表面に残存するアルミナ粒子などの平均粒径が小さく、アルミニウムなどの元素濃度が低くなり、噴射圧力が高いほど、基材表面に残存するアルミナ粒子などの平均粒径が大きく、アルミニウムなどの元素濃度が高くなる傾向がある。また、噴射角度が小さいほど、基材表面に残存するアルミナ粒子などの平均粒径が大きく、アルミニウムなどの元素濃度が高くなり、噴射角度が大きいほど、基材表面に残存するアルミナ粒子などの平均粒径が小さく、アルミニウムなどの元素濃度が低くなる傾向がある。また、噴射時間が短いほど、アルミニウムなどの元素濃度が低くなり、噴射時間が長いほど、アルミニウムなどの元素濃度が高くなる傾向がある。

特に、噴射角度を15°以上60°以下とし、基材（すくい面）表面の垂直方向に対して傾斜角15°〜60°の斜め方向から湿式ブラスト処理することで、本発明における表面状態を得易い。また、すくい面と逃げ面とが略直交するようなスローアウェイチップの基材の場合、すくい面の垂直方向に対して刃先側に傾斜した斜め方向から、すくい面側から逃げ面側にかけてブラスト処理することで、すくい面だけでなく逃げ面にもブラスト処理することが可能である。このとき、噴射角度を45°とすれば、すくい面及び逃げ面に対して同様のブラスト処理を行うことができる。

ここで、ホルダに固定するための座面などの切削に関与しない部位は、ブラスト処理する必要がなく、焼結肌を残してもよい。これにより、製造コストの低減や製造時間の短縮を図ることができる。

また、刃先（切れ刃）の表面にアルミナ粒子などが点在する場合、被削材の仕上げ面品位に悪影響を及ぼす虞があるため、刃先の表面もブラスト処理した場合は、別途、刃先にホーニングを施して刃先処理することが望ましい。

本発明の切削工具は、すくい面の表面に微細なアルミナ粒子などが点在する表面状態が形成されていることで、優れた耐溶着性及び耐欠損性を有し、長時間の使用に亘って安定した切削性能を発揮できる。

［試験例１］
本発明の切削工具を製造し、分析及び評価を行った。

原料粉末として、平均粒径が1μmのTiCN粉末と、いずれも平均粒径が0.5μm〜2μmのWC粉末、TaC粉末、NbC粉末、ZrC粉末、Mo₂C粉末と、平均粒径が1μmのNi粉末及びCo粉末とを用意した。これら粉末を表１に示す配合組成となるように配合して原料粉末を得た。なお、ここでいう平均粒径とは、粉末を構成する粒子の体積基準での累積分布の50％に相当する粒径（D50）のことである。

上記した原料粉末をボールミルで湿式混合粉砕した後、スプレードライヤーで50μm〜100μmの球状造粒粉末を得た。次いで、この造粒粉末を98MPaの成形圧力でISO規格CNMG120408のチップ形状にプレス成形して成形体を得た。

上記した成形体を、100Pa以下の真空中にて1250℃まで5℃/min〜15℃/minの昇温速度で一次昇温し、次いで、N₂ガスを導入し、500Paの窒素雰囲気中にて1500℃（焼結保持温度）まで5℃/minの昇温速度で二次昇温した後、その温度に保持して焼結した。1時間保持後、異なる条件で冷却して、２種類のサーメット基材を得た。ここでは、冷却条件は、（A）200kPaのArガス雰囲気中にて冷却、（B）5000PaのCOガス雰囲気中にて冷却、の２条件とした。冷却条件Aとした場合のサーメット基材をサーメット基材A、冷却条件Bとした場合のサーメット基材をサーメット基材Bとした。

得られた各サーメット基材について、硬度をマイクロビッカースで測定した。具体的には、サーメット基材の厚さ方向の任意の断面において、基材表面の焼結肌から内部に向かって深さ50μmまでの平均硬度及び深さ150μm〜200μmの範囲の平均硬度を求めた。ここでは、基材表面の任意の点から深さ方向に直線を引き、同一直線上の、表面から深さ50μmの範囲及び深さ150μm〜200μmの範囲の各範囲でビッカース硬度（Hv）を3箇所測定すると共に、これを基材表面の異なる３点から深さ方向への各直線上で測定して、各範囲でのその平均値をそれぞれの平均硬度（Hv）とした。その結果、サーメット基材Aは、焼結肌から深さ50μmまでの平均硬度が19GPa、焼結肌から深さ150μm〜200μmの範囲の平均硬度が17GPaであり、表面部の硬度が内部よりも11％程度高かった。また、サーメット基材Bは、焼結肌から深さ50μmまでの平均硬度、並びに焼結肌から深さ150μm〜200μmの範囲の平均硬度が共に17GPaであった。

サーメット基材Aを1個、サーメット基材Bを10個用意し、各サーメット基材に対して、平均粒径が50μm、真球度が1.2以下の球形（初期状態）のアルミナ（Al₂O₃）砥粒を用いて、表２に示す条件でブラスト処理した。ここでは、サーメット基材表面をすくい面側から逃げ面側にかけて湿式ブラスト処理した。表２中、噴射角度は、すくい面表面の垂直方向に対して刃先側に傾けた角度とし、噴射ノズルの傾きを調整することにより設定した。

ブラスト処理後、各サーメット基材の刃先をメディアホーニングにより0.04mmのRホーニングを施して刃先処理した。また、刃先には仕上げ用ブレーカを形成した。以上のようにして、試料No.1〜11の切削工具を得た。

得られた各切削工具について、すくい面表面のAl₂O₃粒子の平均粒径、及びAlの元素濃度を測定した。具体的には、Alの元素濃度は、ブラスト処理されたすくい面表面の150μm×150μmの領域をＳＥＭにより観察し、その領域内をＥＤＸにより定量分析して求めた。また、Al₂O₃粒子の平均粒径は、上記した領域内のＥＤＸで検出された全てのAl₂O₃粒子について、各粒子の最も長い径を画像解析により測定し、その平均値を算出して求めた。その結果を表２に合わせて示す。

得られた各切削工具について、以下の条件で切削試験を行い、切削性能（耐溶着性及び耐欠損性）を評価した。その結果を表３に示す。
（切削条件）
被削材：SCM415（4本のU溝付き）
切削速度：100m/min
送り：0.15mm/rev
切込み：1.0mm
切削状態：湿式
（評価方法）
切削開始から30分後に刃先部を観察して、溶着及び欠けの有無を光学顕微鏡で確認する。また、逃げ面（Vb）摩耗量（刃先処理量0.04mmを除く）が0.10mmに達するか、欠損に至るまでの切削時間を測定する。なお、切削時間が30分に満たなかった場合は、切削終了時点での溶着及び欠けの有無を確認する。

表２、３の結果から、基材（すくい面）表面に平均粒径が0.5μm〜5μmのAl₂O₃粒子が点在し、その表面のAlの元素濃度が0.5原子％〜5原子％である試料No.1〜7では、溶着がない、或いは溶着があってもその程度が小さく、また、欠けもなくて、長時間に亘って安定した切削が可能であった。さらに、サーメット基材Bを具える試料No.1とサーメット基材Aを具える試料No.2との比較から、表面部の硬度が内部よりも10％以上高い基材（サーメット基材A）を用いた方が、耐摩耗性が向上していることが分かる。中でも、すくい面表面のAl₂O₃粒子の平均粒径が1μm以上4μm以下、Alの元素濃度が1原子％以上2.5原子％以下の試料No.2、No.6、No.7は、他の試料No.3〜No.5に比較して、耐溶着性及び耐欠損性だけでなく、耐摩耗性にも優れていることが分かる。

これに対し、試料No.8〜試料No.11はいずれも、切削時間が短かった。すくい面表面のAlの元素濃度が高い試料No.8では、溶着はなかったが、摩耗の進行が速かった。すくい面表面のAlの元素濃度が低い試料No.9では、溶着が発生すると共に、欠けや欠損が発生した。また、すくい面表面のAl₂O₃粒子の平均粒径が小さい試料No.10では、溶着が発生すると共に、欠けや欠損が発生した。すくい面表面のAl₂O₃粒子の平均粒径が大きい試料No.11では、溶着はなかったが、欠けや欠損が発生した。

なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、サーメットの組成やアルミナ粒子の平均粒径などを適宜変更することができる。

本発明の切削工具は、切削加工分野に好適に利用することができる。

Claims (4)

1. サーメットからなる基材を具える切削工具であって、
   前記サーメットは、TiとTiを除く周期表第4、5、6族から選ばれる少なくとも１種の金属と炭素及び窒素の少なくとも１種の元素とを含む化合物からなる硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相と、不可避的不純物とからなり、
   前記基材のすくい面において、その表面に平均粒径が0.5μm以上5μm以下のアルミナ粒子及びジルコニア粒子の少なくとも１種の粒子が点在し、その表面におけるアルミニウム及びジルコニウムの少なくとも１種の元素の濃度が0.5原子％以上5原子％以下であることを特徴とする切削工具。
2. 前記アルミナ粒子及びジルコニア粒子の少なくとも１種の粒子の平均粒径が、1μm以上4μm以下であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
3. 前記アルミニウム及びジルコニウムの少なくとも１種の元素の濃度が、1原子％以上2.5原子％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具。
4. 前記基材表面の焼結肌から深さ50μmまでの平均硬度が、焼結肌から深さ150μm〜200μmの範囲の平均硬度よりも10％以上高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の切削工具。