(57)【要約】【課題】鋼や鋳鉄の高速断続切削加工において、すぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。【解決手段】  表面被覆超硬合金製切削工具において、超硬合金製工具基体の内部側であって、すくい面の法線方向に５〜５０μｍの深さ領域、かつ、逃げ面の法線方向に３０〜２００μｍの深さ領域に、切れ刃稜線に沿って脱β層からなる強靭層が形成されており、一方、上記強靭層以外の領域では、超硬合金は実質的に均一組成である表面被覆超硬合金製切削工具。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金を工具基体とし、この上に硬質被覆層を被覆した表面被覆超硬合金製切削工具において、
超硬合金の逃げ面とすくい面との交線からなる切れ刃稜線を基準として、工具基体内部側であって、すくい面の法線方向に５〜５０μｍの深さ領域、かつ、逃げ面の法線方向に３０〜２００μｍの深さ領域に、上記切れ刃稜線に沿って脱β層からなる強靭層が形成されており、一方、上記強靭層以外の領域では、超硬合金は、実質的に均一組成であることを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して衝撃的な負荷が繰り返し作用する鋼や鋳鉄等の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を示し、かつ、すぐれたすくい面摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼や鋳鉄の旋削用切削工具としては、超硬合金製工具基体に硬質被覆層を形成した表面被覆超硬合金製切削工具が広く知られており、特に、切れ刃の耐チッピング性を向上させるために、超硬合金の最表面に、結合成分の含有割合が基体内部に比して多い結合相富化層を形成した浸炭型の表面被覆超硬合金製切削工具（例えば、特許文献１）や、超硬合金の最表面に、ＷＣとＣｏのみからなる脱β層を形成した真空焼結型の表面被覆超硬合金製切削工具（例えば、特許文献２）が知られている。
さらに、この結合相富化層や脱β層が、切刃近傍では形成されにくいという欠点を補うため、ホーニング後に再焼結を行うことによって、エッジを２等分する線に沿った結合相含有量が、エッジ先端に進むに従って増大するようにした表面被覆超硬合金製切削工具（例えば、特許文献３）も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１０５６２８号公報
【特許文献２】特公昭５９−４４９８号公報
【特許文献３】特許３６１１８５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の表面強靭層を有する表面被覆超硬合金製切削工具は、鋼や鋳鉄の切削加工に使用した場合には、その表面強靭層は被削材との親和性が高いため、超硬合金製工具基体へのβ相添加による鉄との反応性抑制効果が十分でなく、特にすくい面摩耗が大きく発達する高速切削加工では、十分な耐摩耗性が発揮されないという問題があった。加えて、前記特許文献３にも示されるように、超硬合金と気相との成分濃度勾配を利用した表面強靭層の形成では、切れ刃周辺における安定的な濃度勾配の維持が難しいため、表面強靭化効果を安定して付与することも困難であった。
一方、表面強靭層を備えない表面被覆超硬合金製切削工具では、十分な刃先靭性を有さないため、これを断続切削加工に使用した場合には、チッピング、欠損の発生等により工具寿命が非常に短いという問題があった。
したがって、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に対して、衝撃的負荷が断続的に繰り返し作用する鋼や鋳鉄の高速断続切削加工においても、すぐれた靭性および耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記の課題に応えるため、表面被覆超硬合金製切削工具の工具基体の組織について鋭意研究したところ、以下の知見を得た。
【０００６】
すなわち、表面被覆超硬合金製切削工具の高速断続切削加工における耐チッピング性の向上は、脱β層からなる強靭層が切れ刃稜線近傍に存在すれば、その効果を十分に発揮することができ、また、耐摩耗性、特に、耐すくい面摩耗性、については、すくい面摩耗が顕著に発達するのは、切れ刃稜線から２５０μｍ程度離れたすくい面であることから、この領域のすくい面を鋼との反応性の低いβ相を含有する超硬合金で構成することによって、すくい面摩耗の発達を十分に抑制することができる、という知見を得たのである。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金を工具基体とし、この上に硬質被覆層を被覆した表面被覆超硬合金製切削工具において、
超硬合金の逃げ面とすくい面との交線からなる切れ刃稜線を基準として、工具基体内部側であって、すくい面の法線方向に５〜５０μｍの深さ領域、かつ、逃げ面の法線方向に３０〜２００μｍの深さ領域に、上記切れ刃稜線に沿って脱β層からなる強靭層が形成されており、一方、上記強靭層以外の領域では、超硬合金は、実質的に均一組成であることを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
【０００８】
本発明の構成について、以下に説明する。
【０００９】
通常、脱β層を形成する超硬合金を焼結した場合、脱β層は基材表層に均一な厚みで形成されることが知られている。この脱β層は、Ｃｏリッチの靭性に富んだ層であり、切削時に被削材との間に生じる衝撃を吸収し、チッピング、欠損の発生を抑制する機能を果たしているが、脱β層が厚すぎるような場合には、硬度の低下が生じるばかりか、熱塑性変形を起こし、偏摩耗の発生等により耐摩耗性を低下させる。
しかし、脱β層からなる強靭層を、切れ刃稜線近傍のみに形成し、それ以外の領域、特に、すくい面摩耗の発達しやすい領域、は、脱β層を形成せずにβ相を含有した超硬合金組成のままにしておくことによって、チッピング、欠損等の発生を防止し得るとともに、すくい面摩耗による耐摩耗性の低下を抑えることができる。
そこで、本発明では、超硬合金の逃げ面とすくい面との交線からなる切れ刃稜線を基準として、工具基体内部側であって、すくい面の法線方向に５〜５０μｍの深さ領域、かつ、逃げ面の法線方向に３０〜２００μｍの深さ領域のみに脱β層を形成し、この領域以外の領域には脱β層を形成しないこととした。
【００１０】
脱β層からなる強靭層を設ける領域を、すくい面の法線方向に５〜５０μｍの深さ領域としたのは、すくい面の法線方向に５０μｍ以上の深さの領域に脱β相を形成すると、逃げ面摩耗の主な発達域である切刃稜線から５０〜３００μｍ幅の逃げ面に、相対的に硬さの低い脱β相が形成されることとなり、十分な耐摩耗性が得られなくなってしまう。また、すくい面の法線方向に５μｍ以内の浅い位置に脱β層を形成しても、表面強靭層の形成による耐チッピング性の向上効果がほとんど得られないという理由からであり、また、逃げ面の法線方向に３０〜２００μｍの深さ領域としたのは、逃げ面の法線方向に２００μｍを超えた（例えば、２５０μｍ）位置のすくい面領域に脱β相を形成すると、切れ刃部の耐チッピング性は改善されるものの、工具のすくい面上において、すくい面摩耗が顕著に発達し工具寿命を短くし、また、逃げ面の法線方向に３０μｍ以内の浅い位置に脱β層を形成しても、切れ刃のホーニング加工によって、脱β層がほとんど除去されてしまい、切削加工時に強靭層として機能しなくなるからである。
したがって、この発明では、すくい面の法線方向に５〜５０μｍの深さ領域であって、かつ、逃げ面の法線方向に３０〜２００μｍの深さ領域のみに脱β層からなる強靭層を形成することとした。
【００１１】
上記のごとき特定の領域のみに強靭層を形成する方法は、例えば、以下のようにして行うことができる。
通常、超硬合金製切削工具（例えば、インサート）は、原料粉末として、所定粒径のＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末等を所定割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えて混合し、これを乾燥後、所定圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、所定の焼結条件で焼結して超硬合金製切削工具の素材を製造し、これを研削して、所定インサート形状およびホーニング量に加工することによって得ている。
この発明によれば、焼結に際し、脱β層の厚みが通常よりも厚くなるように焼結条件を調整して素材を製造し、その後の研削あるいは仕上げ研削において、工具素材のすくい面および逃げ面となる面の研削量を増加し、すくい面および逃げ面に形成されていた脱β層を研削により除去し、切れ刃稜線部にのみ脱β層を形成残存させることによって、切れ刃稜線近傍の特定の領域のみに強靭層を形成することができる。
【００１２】
上記の切れ刃稜線近傍の特定の領域のみに強靭層を形成した超硬合金製切削工具は、それ自体でも切削工具として使用することは可能である。
しかし、この発明では、耐摩耗性、耐チッピング性、仕上げ精度、工具寿命等の切削工具特性をより向上させるという観点から、工具基体の表面に、例えば、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等により、硬質被覆層を被覆形成し、表面被覆超硬合金製切削工具として使用する。
硬質被覆層としては、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等各種のチタン化合物層を下部層あるいは中間層として３〜２０μｍの厚さで形成し、この上に上部層として１〜１５μｍの厚さで酸化アルミニウム層等を形成したものがよく知られているが、これに限らず、あらゆる種類の硬質被覆層を被覆形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の表面被覆超硬合金製切削工具によれば、切れ刃稜線部近傍の特定領域のみに脱β層からなる強靭層が形成されていることから、高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して衝撃的な負荷が繰り返し作用する鋼や鋳鉄等の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮すると同時に、すくい面摩耗の発達が抑制され、その結果として、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の表面被覆超硬合金製切削工具の縦断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の表面被覆超硬合金製切削工具について、実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００１６】
原料粉末として、いずれも０．５〜８μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末およびＺｒＣ粉末を、表１に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤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圧粉体にプレス成形した。
このプレス成形により得た圧粉体を、表２に示す焼結条件で焼結し、本発明の超硬合金素材１〜１０を製造した。
【００１７】
これらの超硬合金素材から研削にて、それぞれのインサート形状およびホーニング量に加工する際に、表３に示される条件ですくい面および逃げ面の研削を行うことにより、本発明の超硬合金製工具基体１〜１０を製造した。
参考のために、上記本発明の超硬合金製工具基体１〜１０について、それぞれの切れ刃稜線部近傍、すくい面、逃げ面に形成された脱β層の存在する領域およびその厚さを、切刃稜線に対して直角な面となるように、ダイヤモンド砥石にて、研磨面を切刃先端から約１ｍｍの位置に作製し、その研磨面に対してＫＯＨａｑ．等のアルカリ液で３Ｖ，２０ｓｅｃ程度の電解エッチングを行い、エッチングがほとんど見られない領域を脱β層と判断し、光学顕微鏡にて測定した。
それぞれの値を表６に示す。
【００１８】
さらに、上記本発明の超硬合金製工具基体１〜１０の表面に、硬質被覆層を化学蒸着で形成し、表７に示す本発明の表面被覆超硬合金製切削インサート１〜１０以下、実施例１〜１０というを製造した。
実施例１〜１０の表面被覆超硬合金製切削インサートについて、前記と同様に、それぞれの切れ刃稜線部近傍、すくい面、逃げ面に形成された脱β層の存在する領域およびその厚さを、切刃稜線に対して直角な面となるように、ダイヤモンド砥石にて、研磨面を切刃先端から約１ｍｍの位置に作製し、その研磨面に対してＫＯＨａｑ．等のアルカリ液で３Ｖ，２０ｓｅｃ程度の電解エッチングを行い、エッチングがほとんど見られない領域を脱β層と判断し、光学顕微鏡にて測定した。
それぞれの値を表８に示す。
【００１９】
比較のため、前記のプレス成形により得た圧粉体を、表４に示す焼結条件で焼結し、比較例の超硬合金素材１〜１０を製造し、さらに、それぞれのインサート形状およびホーニング量に加工する際に、表５に示される条件ですくい面および逃げ面の研削を行うことにより、比較例の超硬合金製工具基体１〜１０を製造した。
さらに、上記比較例の超硬合金製工具基体１〜１０について、それぞれの切れ刃稜線部近傍、すくい面、逃げ面に形成された脱β層の存在する領域およびその厚さを、切刃稜線に対して直角な面となるように、ダイヤモンド砥石にて、研磨面を切刃先端から約１ｍｍの位置に作製し、その研磨面に対してＫＯＨａｑ．等のアルカリ液で３Ｖ，２０ｓｅｃ程度の電解エッチングを行い、エッチングがほとんど見られない領域を脱β層と判断し、光学顕微鏡にて測定した。
それぞれの値を表６に示す。
【００２０】
さらに、上記比較例の超硬合金製工具基体１〜１０の表面に硬質被覆層を化学蒸着で形成し、表７に示す比較例の表面被覆超硬合金製切削インサート１〜１０以下、比較例１〜１０というを製造した。
【００２１】
比較例１〜１０の表面被覆超硬合金製切削インサートについても、同様に、それぞれの切れ刃稜線部近傍、すくい面、逃げ面に形成された脱β層の存在する領域およびその厚さを、切刃稜線に対して直角な面となるように、ダイヤモンド砥石にて、研磨面を切刃先端から約１ｍｍの位置に作製し、その研磨面に対してＫＯＨａｑ．等のアルカリ液で３Ｖ，２０ｓｅｃ程度の電解エッチングを行い、エッチングがほとんど見られない領域を脱β層と判断し、光学顕微鏡にて測定した。
それぞれの値を表８に示す。
【００２２】
【表１】
2011251368.tif 000003
【００２３】
【表２】
2011251368.tif 000004
【００２４】
【表３】
2011251368.tif 000005
【００２５】
【表４】
2011251368.tif 000006
【００２６】
【表５】
2011251368.tif 000007
【００２７】
【表６】
2011251368.tif 000008
【００２８】
【表７】
2011251368.tif 000009
【００２９】
【表８】
2011251368.tif 000010
【００３０】
つぎに、上記の実施例１〜１０および比較例１〜１０について、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・ＳＣＭ４１５の４本溝入り丸棒（直径：２００ｍｍ）、
切削速度：  ４２０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  １．５  ｍｍ、
送り：  ０．２５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ８  分、
の条件（以下、切削条件１という）での合金鋼の乾式高速断続切削加工試験、および、
同じく、上記の実施例１〜１０および比較例１〜１０について、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・ＦＣＤ６００の４本溝入り丸棒（直径：２００ｍｍ）、
切削速度：  ３８０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：  ２  ｍｍ、
送り：  ０．３５  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：  ８  分、
の条件（以下、切削条件２という）でダクタイル鋳鉄の乾式高速断続切削加工試験を行い、
いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
これらの切削加工試験結果を表９に示した。
【００３１】
【表９】
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【００３２】
表６、８、９の結果からみて、本発明の表面被覆超硬合金製切削工具によれば、切れ刃稜線部近傍の特定領域のみに脱β層からなる強靭層が形成されていることによって、高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して衝撃的な負荷が繰り返し作用する鋼や鋳鉄等の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮すると同時に、すくい面摩耗の発達が抑制され、その結果として、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を維持することができるのに対して、比較例の表面被覆超硬合金製切削工具では、チッピングの発生あるいはすくい面摩耗によって、短時間で工具い寿命に至ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の表面被覆超硬合金製切削工具は、高速断続切削加工に用いられた場合、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を維持することができるばかりでなく、工具寿命の延命化も図られ、また、耐チッピング性および耐摩耗性が求められる各種被削材の切削工具として用いることが可能であることから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応することができるものである。
【図１】
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