JP4553380B2 - 高熱発生を伴なう高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する炭窒化チタン基サーメット製スローアウエイチップ - Google Patents

Description

この発明は、炭窒化チタン基サーメット（以下、ＴｉＣＮ基サーメットで示す）の結合相がすぐれた高温硬さを有し、したがって、高熱発生を伴なう高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮するＴｉＣＮ基サーメット製スローアウエイチップに関するものである。

従来、例えば旋削加工に用いられる切削加工の１種としてＴｉＣＮ基サーメットで構成されたスローアウエイチップ（以下、単に切削チップという）が知られている。
また、上記切削チップが、質量％で（以下、％は質量％を示す）、
（ａ）炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）：２０〜３０％、
炭化タンタル（以下、ＴａＣで示す）および炭化ニオブ（以下、ＮｂＣで示す）のうちの１種または２種（以下、ＴａＣ／ＮｂＣで示す）：５〜１０％、
炭化ジルコニウム（以下、ＺｒＣで示す）、炭化バナジウム（以下、ＶＣで示す）、および炭化モリブデン（以下、Ｍｏ_２Ｃで示す）のうちの１種または２種以上（以下、ＺｒＣ／ＶＣ／Ｍｏ_２Ｃで示す）：１〜５％、
Ｃｏ：５〜１０％、
Ｎｉ：５〜１０％、
炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）：残り（ただし、５０〜６０％含有）、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体であるＴｉＣＮ基サーメットで構成され、
（ｂ）上記ＴｉＣＮ基サーメットは、走査型電子顕微鏡による組織観察で、
硬質相：７５〜９３面積％、
結合相および不可避不純物：残り、
からなる組織を有すると共に、上記硬質相は、走査型電子顕微鏡による組織観察結果（倍率：１万倍）を図１に模写図で示した通り、
（１）芯部がＴｉＣＮ相、周辺部がＴｉと、Ｗと、ＴａおよびＮｂのうちの１種または２種と、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏのうちの１種または２種以上の複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮで示す］相からなる有芯構造の第１硬質相、
（２）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相、
（３）ＴｉＣＮ相からなる単相構造の第３硬質相、
以上（１）〜（３）で構成され、さらに上記結合相は、結合相に占める割合で、かつ質量％で、
Ｗ：１〜１０％、
Ｎｉ：３５〜６０％、
Ｔｉと、ＴａおよびＮｂのうちの１種または２種（以下、Ｔａ／Ｎｂで示す）と、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏのうちの１種または２種以上（以下、Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏで示す）：合量で５％以下、
Ｃｏおよび不可避不純物：残り、
からなる組成を有するＣｏ−Ｎｉ系合金からなることも知られている。

さらに、上記の切削チップが、上記配合組成の圧粉体を、以下の焼結条件、すなわち、
（ａ）室温から１４００〜１４５０℃までを１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、１〜３℃／ｍｉｎ．の速度で昇温し、
（ｂ）１４００〜１４５０℃から焼結温度である１４８０〜１５６０℃までの１〜３℃／ｍｉｎ．の速度での昇温、並びに前記焼結温度に０．５〜２時間保持を５０〜４０００Ｐａの窒素雰囲気で行い、
（ｃ）上記焼結温度からの炉冷を１０Ｐａ以下の真空雰囲気中で行う、
以上（ａ）〜（ｃ）の工程からなる条件で焼結することにより製造され、各種の鋼や鋳鉄などの連続切削加工や断続切削加工に用いられることも良く知られるところである。
特開平１０−１１０２３４号公報

近年の切削装置の高性能化はめざましく、一方で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、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来切削チップを用いて、切削速度が３００ｍ／ｍｉｎ．以上の高速で、鋼や鋳鉄などの切削加工を行った場合、切削加工時に発生する高熱によって、特にこれを構成するＴｉＣＮ基サーメットのＣｏ−Ｎｉ系合金からなる結合相の摩耗進行が著しく促進し、これが原因で比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来切削チップの高速切削加工での耐摩耗性向上を図るべく、特にこれを構成するＴｉＣＮ基サーメットのＣｏ−Ｎｉ系合金からなる結合相に着目し、研究を行った結果、
（ａ）焼結時に結合相を形成するＣｏ−Ｎｉ系合金中に固溶したＷ成分は、硬質相の周辺部に析出固溶し、さらに一部は同芯部に固溶するが、上記の焼結条件で製造された従来切削チップにおいては、結合相中に含有するＷ成分の硬質相周辺部への析出固溶割合が相対的にきわめて高く、したがって、前記結合相中に残留含有するＷ成分の割合は低く、結合相に占める割合で１〜１０％であること。

（ｂ）上記の従来焼結条件の上記（ａ）の１４００〜１４５０℃への真空雰囲気での昇温途中において、１２００〜１３５０℃の温度に昇温した時点で、短時間Ａｒ雰囲気保持と短時間真空雰囲気保持を交互に繰り返し行う雰囲気交互変化処理、望ましくは１０〜６０ｋＰａのＡｒ雰囲気に１〜５分間保持の短時間Ａｒ雰囲気保持と、１０Ｐａ以下の真空雰囲気に５〜２０分間保持の短時間真空雰囲気保持とをそれぞれ２回以上、望ましくはそれぞれ３〜５回を交互に繰り返し施す雰囲気交互変化処理を施すと、焼結時におけるＷ成分の結合相から硬質相周辺部への析出固溶が著しく抑制されるようになり、この結果結合相にはＷ成分が結合相に占める割合で４０〜６０％のきわめて高い割合で含有するようになること。

（ｃ）Ｗ成分が結合相に、結合相に占める割合で４０〜６０％のきわめて高い割合で含有すると、この結果の結合相は高温硬さが一段と向上し、したがって、ＴｉＣＮ基サーメットの結合相が前記のＷを高い割合で含有する切削チップは、高熱発生を伴なう高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

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、
（ａ） ＷＣ：２０〜３０％、
ＴａＣ／ＮｂＣ：５〜１０％、
ＺｒＣ／ＶＣ／Ｍｏ_２Ｃ：１〜５％、
Ｃｏ：５〜１０％、
Ｎｉ：５〜１０％、
ＴｉＣＮ：残り（ただし、５０〜６０％含有）、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体であるＴｉＣＮ基サーメットで構成し、（ｂ）上記ＴｉＣＮ基サーメットは、走査型電子顕微鏡による組織観察で、
硬質相：７５〜９３面積％、
結合相および不可避不純物：残り、
からなる組織を有すると共に、上記硬質相は、
（１）芯部がＴｉＣＮ相、周辺部が（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮ相からなる有芯構造の第１硬質相、
（２）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相、
（３）ＴｉＣＮ相からなる単相構造の第３硬質相、
以上（１）〜（３）で構成され、さらに上記結合相は、結合相に占める割合で、
Ｃｏ：１８〜３３％、
Ｎｉ：２０〜３５％、
Ｔｉと、Ｔａ／Ｎｂと、Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ：合量で５％以下、
Ｗおよび不可避不純物：残り（ただし、Ｗ：４０〜６０％含有）、からなる組成を有するＷ−Ｃｏ−Ｎｉ系合金からなる、
高熱発生を伴なう高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する切削チップに特徴を有するものである。

また、この発明の切削チップにおいて、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの圧粉体の配合組成および結合相の成分組成を、上記の通りに数値限定した理由を以下に説明する。
（ａ）圧粉体のＷＣおよび結合相のＷ
原料粉末であるＷＣ粉末には、焼結時に結合相形成成分であるＣｏおよびＮｉ成分中に固溶し、上記の雰囲気交互変化処理で前記結合相中に残留含有して、高Ｗ含有結合相を形成し、もって結合相の高温硬さを向上させ、切削チップの高速切削での耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、ＷＣの配合割合が２０％未満では前記結合相中のＷ含有割合が、結合相に占める割合で（以下同じ）、４０％未満となってしまい、高熱発生を伴なう高速切削で所望の耐摩耗性を発揮することができず、一方、ＷＣの配合割合が３０％を越えると結合相中のＷ成分の含有割合が６０％を超えて高くなってしまい、この結果結合相自体の高温強度が急激に低下し、これが原因で切削時にチッピング（微少欠け）が発生し易くなることから、ＷＣの配合割合を２０〜３０％とし、ＴｉＣＮ基サーメットの結合相中に前記雰囲気交互変化処理で４０〜６０％のＷ成分が含有するように定めた。

（ｂ）圧粉体のＴａＣ／ＮｂＣおよびＺｒＣ／ＶＣ／Ｍｏ_２Ｃ、並びに結合相のＴａ／ＮｂおよびＺｒ／Ｖ／Ｍｏ
同じく原料粉末であるＴａＣ／ＮｂＣ粉末（以下、前者という）、およびＺｒＣ／ＶＣ／Ｍｏ_２Ｃ粉末（以下、後者という）のいずれも同じく焼結時に結合相形成成分であるＣｏおよびＮｉ成分中に固溶し、冷却時に析出して硬質相を形成し、前記硬質相の周辺部および一部の芯部に固溶含有して、前者では前記硬質相の高温強度を向上させ、また後者では結合相との濡れ性を向上させて、サーメット自体の強度を向上させる作用を有するが、その配合割合が、前者では５％未満、後者では１％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、前者では１０％、後者では５％をそれぞれ越えると、いずれの場合も硬質相中の含有割合が高くなり過ぎ、これが硬質相の硬さ低下の原因となるばかりでなく、結合相中のＴａ／Ｎｂ、およびＺｒ／Ｖ／Ｍｏの合計含有割合がＴｉとの合量に占める割合で５％を越えて高くなってしまい、この結果高温硬さが急激に低下するようになることから、その配合割合を前者では５〜１０％、後者では１〜５％とし、結合相中のＴａ／Ｎｂ、およびＺｒ／Ｖ／Ｍｏの合計含有割合がＴｉとの合量に占める割合で５％以下となるように定めた。

（ｃ）圧粉体のＣｏおよび結合相のＣｏ
原料粉末であるＣｏ粉末には、焼結性を向上させ、結合相を形成して、切削チップの強度を向上させる作用があるが、その配合割合が５％未満では、所望の焼結性を確保することができないばかりでなく、結合相中のＣｏ含有割合も１８％未満となってしまい、前記切削チップに所望の強度を確保することができず、一方、その配合割合が１０％を越えると、焼結後の結合相中のＣｏ含有割合が３３％を越えて高くなってしまい、この結果結合相の高温硬さが低下し、摩耗が急激に進行するようなることから、その配合割合を５〜１０％とし、結合相中のＣｏ含有割合が１８〜３３％となるように定めた。

（ｄ）圧粉体のＮｉおよび結合相のＮｉ
原料粉末であるＮｉには、焼結時にＣｏと共に結合相を形成して、結合相の耐熱性を向上させ、もって切削チップの耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その配合割合が５％未満では、焼結後の結合相におけるＮｉ成分の含有割合が２０％未満となってしまい、所望の耐熱性向上効果が得られず、一方、その配合割合が１０％を越えると、焼結後の結合相中のＮｉ含有割合が３５％を越えて高くなり、この結果結合相の高温強度が低下し、切刃部にチッピングが発生し易くなることから、その配合割合を５〜１０％とし、結合相中のＮｉ含有割合が２０〜３５％となるように定めた。

（ｅ）圧粉体のＴｉＣＮおよび硬質相
原料粉末であるＴｉＣＮ粉末には、焼結時に上記した通り、
（１）芯部がＴｉＣＮ相、周辺部が（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮ相からなる有芯構造の第１硬質相、
（２）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相、
（３）ＴｉＣＮ相からなる単相構造の第３硬質相、
以上（１）〜（３）で構成された硬質相を形成して、切削チップの硬さを向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その配合割合が５０％未満では、切削チップにおける硬質相の割合が７５面積％未満となってしまい、所望の硬さを確保することができず、一方、その配合割合が６０％を越えると、硬質相の割合が９３面積％を越えて高くなり、この結果切削チップの強度が急激に低下し、切削時にチッピングが発生し易くなるばかりでなく、結合相におけるＴｉのＴａ／ＮｂおよびＺｒ／Ｖ／Ｍｏとの合量に占める割合が、５％を越えて高くなってしまい、この結果結合相の高温硬さが低下し、これが高速切削での摩耗促進の原因となることから、その配合割合を５０〜６０％とし、結合相中のＴｉ含有割合がＴａ／ＮｂおよびＺｒ／Ｖ／Ｍｏとの合量に占める割合で５以下％となるように定めた。

この発明の切削チップは、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの結合相が、焼結時の昇温工程における上記の雰囲気交互変化処理によって４０〜６０％のＷ成分を含有し、この結果前記結合相の高温硬さが急激に向上するようになることから、高熱発生を伴なう高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮するものである。

つぎに、この発明の切削チップを実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有する、ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５粉末、ＴｉＣ_０．３Ｎ_０．７粉末、ＴｉＣ_０．１５Ｎ_０．８５粉末（以上Ｃ／Ｎは原子比を示す）、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、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２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、以下の焼結条件、すなわち、
（ａ）室温から１２８０℃までを１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で昇温し、
（ｂ）１２８０℃の温度に昇温した時点で、３５ｋＰａのＡｒ雰囲気に２分間保持の短時間Ａｒ雰囲気保持と、１０Ｐａ以下の真空雰囲気に１０分間保持の短時間真空雰囲気保持とをそれぞれ表１に示される回数を交互に繰り返し施す雰囲気交互変化処理を施し、
（ｃ）上記雰囲気交互変化処理後、１４２０℃までの昇温を１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で昇温し、
（ｄ）１４２０℃から１４８０〜１５６０℃の範囲内の所定の焼結温度までの２℃／ｍｉｎ．の速度での昇温、並びに前記焼結温度に１．５時間保持を１３００Ｐａの窒素雰囲気で行い、
（ｅ）上記焼結温度からの炉冷を１０Ｐａ以下の真空雰囲気中で行う、
以上（ａ）〜（ｅ）の工程からなる条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもった本発明切削チップ１〜１５をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、表２に示される通り、原料粉末であるＴｉＣＮ粉末に関し、上記のＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５粉末だけを用い、かつ焼結温度への昇温過程における上記の雰囲気交互変化処理を行わない以外は実質的に同一の条件で従来切削チップ１〜１５をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明切削チップ１〜１５および従来切削チップ１〜１５について、これを構成するＴｉＣＮ基サーメットの走査型電子顕微鏡による組織観察結果および結合相の分析結果をそれぞれ表３，４に示した。

つぎに、上記の本発明切削チップ１〜１５および従来切削チップ１〜１５について、これをいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ２０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：１０分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は２５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｂという）での合金鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ）、さらに、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：２．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は２８０ｍ／ｍｉｎ）を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表５に示した。

表１〜５に示される結果から、本発明切削チップ１〜１５は、いずれもこれを構成するＴｉＣＮ基サーメットの結合相がＷ成分を４０〜６０％の高い割合で含有することによってすぐれた高温硬さを具備するようになることから、高熱発生を伴なう高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、従来切削チップ１〜１５においては、いずれも結合相におけるＷの含有割合が１〜１０％と低く、この結果結合相にすぐれた高温硬さを期待することができないことから、特に高速切削加工での前記結合相の摩耗進行が促進するようになり、これが原因で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、この発明の切削チップは、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、高熱発生を伴なう高速切削加工でもすぐれた耐摩耗性を発揮し、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。

切削チップを構成するＴｉＣＮ基サーメットの走査型電子顕微鏡による組織観察結果（倍率：１万倍）を示す模写図である。

Claims (1)

1. （ａ）質量％で、炭化タングステン：２０〜３０％、
   炭化タンタルおよび炭化ニオブのうちの１種または２種：５〜１０％、
   炭化ジルコニウム、炭化バナジウム、および炭化モリブデンのうちの１種または２種：１〜５％、
   Ｃｏ：５〜１０％、
   Ｎｉ：５〜１０％、
   炭窒化チタン：残り（ただし、５０〜６０％含有）、
   からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体である炭窒化チタン基サーメットで構成され、
   （ｂ）上記炭窒化チタン基サーメットは、走査型電子顕微鏡による組織観察で、
   硬質相：７５〜９３面積％、
   結合相および不可避不純物：残り、
   からなる組織を有すると共に、上記硬質相は、
   （１）芯部が炭窒化チタン相、周辺部がＴｉと、Ｗと、ＴａおよびＮｂのうちの１種または２種と、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏのうちの１種または２種以上の複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮで示す］相からなる有芯構造の第１硬質相、
   （２）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ／Ｎｂ，Ｚｒ／Ｖ／Ｍｏ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相、
   （３）炭窒化チタン相からなる単相構造の第３硬質相、
   以上（１）〜（３）で構成され、さらに上記結合相は、結合相に占める割合で、かつ質量％で、
   Ｃｏ：１８〜３３％、
   Ｎｉ：２０〜３５％、
   Ｔｉと、ＴａおよびＮｂのうちの１種または２種と、Ｚｒ、Ｖ、およびＭｏのうちの１種または２種以上：合量で５％以下、
   Ｗおよび不可避不純物：残り（ただし、Ｗ：４０〜６０％含有）、
   からなる組成を有するＷ−Ｃｏ−Ｎｉ系合金からなること、
   を特徴とする高熱発生を伴なう高速切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する炭窒化チタン基サーメット製スローアウエイチップ。

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