(57)【要約】【課題】荒加工領域で超硬合金と同等またはそれ以上の切削性能を発揮するサーメットからなる荒加工用切削工具を提供する。【解決手段】Ｃｏ、Ｎｉを主成分とする結合相と、Ｔｉを主とする周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるＴｉＣＮ基サーメットからなり、前記ＣｏおよびＮｉを総量で１５〜２２質量％含有し、前記周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対してＴｉを５５〜８０質量％含有し、且つサーメット中心部の前記硬質相の平均結晶粒径が０．５〜１μｍのサーメットを荒加工用切削工具として使用する。特にサーメットの極表面に、結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が０．０１〜５μｍの厚みで存在することが望ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相と、Ｔｉを主とする周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるＴｉＣＮ基サーメットからなり、前記ＣｏおよびＮｉを総量で１５〜２２質量％含有し、前記周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対してＴｉを５５〜８０質量％含有し、且つサーメット中心部の前記硬質相の平均結晶粒径が０．５〜１μｍであることを特徴とする荒加工用切削工具。
【請求項２】
前記サーメットの極表面に、結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することを特徴とする請求項１記載の荒加工用切削工具。
【請求項３】
前記結合相富化領域が０．０１〜５μｍの厚みで存在することを特徴とする請求項２記載の荒加工用切削工具。
【請求項４】
前記サーメットの表面に、（Ｔｉｘ  Ｍ１−ｘ）（Ｃｙ  Ｎ１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層を被覆してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の荒加工用切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉＣＮ基サーメットからなり、荒加工用として高い切削性能を有する切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、切削加工用のスローアウェイチップの素材として炭化タングステンからなる硬質相をＣｏの結合相で結合した超硬合金（例えば、特許文献１、２参照）や、Ｔｉと、Ｔｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相にて結合したＴｉＣＮ基サーメット（例えば、特許文献３、４参照）が主として用いられている。ところで、現状では超硬合金は仕上げ加工から荒加工に至る幅広い加工領域で用いられているものの、ＴｉＣＮ基サーメットは高い耐摩耗性、鋼材との優れた耐反応性を生かして仕上げ加工領域で用いられているのが実状である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−５７７０３号公報
【特許文献２】
特開２００１−３２９３３１号公報
【特許文献３】
特開２００１−２７７００８号公報
【特許文献４】
特開平９―２３９６０５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年、炭化タングステンの枯渇が危惧されており、ＴｉＣＮ基サーメットにて広範囲な加工可能領域、特に荒加工領域で高い切削性能を発揮するＴｉＣＮ基サーメットが切望されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献３、４などの従来のＴｉＣＮ基サーメットを荒加工に用いると、仕上げ加工よりも切削工具に加わる衝撃が大きいために、この切削時の衝撃によって工具が早期に欠損しやすく、超硬合金の切削性能には及ばないという問題があった。
【０００６】
従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、荒加工領域で超硬合金と同等またはそれ以上の切削性能を発揮するＴｉＣＮ基サーメットからなる荒加工用切削工具を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記荒加工用に適したサーメットの構成について検討した結果、Ｔｉおよび結合相の含有量、硬質相の粒径を最適化することにより、荒加工領域にて超硬合金と同等またはそれ以上の高い切削性能を発揮するサーメットが得られることを知見した。
【０００８】
即ち、本発明の荒加工用切削工具は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相と、Ｔｉを主とする周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるＴｉＣＮ基サーメットからなり、前記ＣｏおよびＮｉを総量で１５〜２２質量％含有し、前記周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対してＴｉを５５〜８０質量％含有し、且つサーメット中心部の前記硬質相の平均結晶粒径が０．５〜１μｍであることを特徴とする。
【０００９】
また、前記サーメットの極表面には、結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することによって、荒加工領域にも耐えうる耐欠損性を有しかつ物理蒸着もしくは化学蒸着膜などを形成した場合においても工具本体との優れた密着性を維持することができる。この前記結合相富化領域は０．０１〜５μｍの厚みで存在することが望ましい。
【００１０】
また、前記サーメットの表面には、（Ｔｉｘ  Ｍ１−ｘ）（Ｃｙ  Ｎ１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層を被覆してなることによって、優れた耐磨耗性と耐欠損性を両立し発揮とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相と、Ｔｉを主とする周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相とからなるＴｉＣＮ基サーメットからなるものであるが、本発明によれば、特に荒加工に適した工具に関わるものである。
【００１２】
ここで、本発明における荒加工領域とは、送り０．３０ｍｍ／ｒｅｖ（回転）以上、かつ、切込み２．０ｍｍ以上、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ以上で、湿式または乾式状態での加工、特に旋削加工を指す。
【００１３】
この荒加工用に適した工具とする上で、本発明によれば、前記ＣｏおよびＮｉを総量で１５〜２２質量％含有することが重要である。すなわち、結合相の含有量が１５質量％未満では所望の強度および耐衝撃性を得ることができず、逆に結合相の含有量が２２質量％を越えると急激に耐摩耗性が低下する結果、いずれの場合も荒加工用として用いると即時欠損および刃先の塑性変形性が悪く、摩滅してしまい優れた切削性能を得ることができない。ＣｏおよびＮｉは、特に１６〜２０質量％、さらには１７〜１９．５質量％の割合で含有されることが望ましい。
【００１４】
また、本発明によれば、サーメット中における前記周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対してＴｉを５５〜８０質量％含有することが重要である。これは、前記Ｔｉ量が５５質量％より少ないと荒加工に必要な強度を確保することができず、逆に、８０質量％より多いと靭性が低下して、荒加工時の耐衝撃性が低下する。特に前記Ｔｉ量は６５〜７７質量％であることが望ましい。
【００１５】
このＴｉを含む周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属は、硬質相として複合金属炭窒化物を形成しており、特に、硬質相は、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｔｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、特にＷ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合炭化物、複合窒化物、複合炭窒化物の少なくとも１種からなる周辺部とから構成される２重有芯構造、または３重有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有しサーメット基体が微細で均一な組織となるとともに、結合相との濡れ性に優れてサーメットの高強度化に寄与する点で望ましい。
【００１６】
さらに、本発明によれば、切削工具の中心部における前記硬質相の平均結晶粒径が０．５〜１μｍ、特に０．６〜０．９μｍ、さらに０．７〜０．９μｍであることが重要である。すなわち、この硬質相の平均結晶粒径が０．５μｍより小さいと硬質相の凝集が生じやすく不均一な組織となってサーメットの耐衝撃性や硬度が低下し、工具の耐欠損性および耐摩耗性が低下する。逆に、硬質相の平均結晶粒径が１μｍを超えるとサーメットの強度が低下してチップの耐欠損性が低下する。
【００１７】
また、本発明の切削工具においては、前記サーメットの極表面に結合相濃度が次第に増加する結合相富化領域が存在することが望ましい。このような結合相富化領域の存在によって、切削工具の切刃における熱伝導性を高めることができる結果、切刃の放熱性を増し荒加工時における過酷な切削条件での耐欠損性を高めることができる。また、これによって切刃が被削材における加工面の形状に対してわずかに変形して被削材の加工面の面粗度をなめらかにする効果も有する。前記結合相富化領域の厚みは、切削工具の中心部分の結合相量に対して、１．１倍以上の結合相量を有する領域として、最表面からの厚みが０．０１〜５μｍ、さらに１〜３μｍ、さらに１〜２．５μｍであることが前記熱伝導性を高めるとともに、工具切刃における過度な塑性変形を抑制するために望ましい。
【００１８】
また、後述する硬質被覆層との密着性、熱伝導率向上、塑性変形の抑制の点でサーメット基体の表面における硬質相の平均結晶粒径ｒ１が、サーメット中心部における硬質相の平均結晶粒径ｒ２よりも大きいことが望ましく、具体的にはｒ１＝０．５〜２μｍであることが望ましい。
【００１９】
さらには、本発明によれば、サーメット基体表面に、（Ｔｉｘ  Ｍ１−ｘ）（Ｃｙ  Ｎ１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層（以下、Ｔｉ系被覆層と略す。）を被覆してもよく、かかる被覆層はサーメット母材の直上に形成することが望ましい。さらには、高硬度や高温安定性などの耐熱性の点で、Ｍは、Ａｌ、Ｓｉ、ＺｒおよびＣｒの群から選ばれる１種、最適にはＡｌであることが最も望ましい。
【００２０】
また、硬質被覆層としては、上記Ｔｉ系被覆層に加えて、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、アルミナ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上からなる他の硬質被覆層を形成することもできる。
【００２１】
本発明のＴｉＣＮ基サーメットからなる切削工具を製造するには、まず原料粉末として、硬質相形成成分として、ＴｉＣＮ粉末と、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の粉末を用いて、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対するＴｉ量が５５〜８０質量％、特に６５〜７７質量％となるように秤量する。また、硬質相形成成分全体における炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）とのＮ／（Ｃ＋Ｎ）の比率が０．４〜０．６となるように調合する。
【００２２】
また、このときに用いるＴｉＣＮ粉末の平均粒径が０．４〜１．０μｍの微細な粉末であることが必要である。この時のＴｉＣＮ粉末の平均粒径が１．０μｍよりも大きいと、サーメットにおける硬質相の前記平均結晶粒径を１μｍ以下にすることが困難となる。また、０．４μｍよりも小さいと、硬質相の前記平均結晶粒径を０．５μｍ以上とすることが困難となる。
【００２３】
また、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の粉末の平均粒径は０．５〜２μｍが適当である。
【００２４】
また、結合相形成成分として、平均粒径が０．３〜４μｍのＮｉおよび／またはＣｏの粉末を１５〜２２質量％の割合で添加する。
【００２５】
そしてこれらの秤量された粉末をボールミルなどによって混合した後、プレス成形、押出成形、射出成形などの公知の成形手法によって所定の切削工具形状に成形した後、焼成する。
【００２６】
焼成にあたっては、有芯構造の硬質相を形成し、また硬質相の粒成長を抑制するために、真空度０．０１Ｔｏｒｒ以下で、室温から９５０℃付近までを１０〜１５℃／分で昇温し、その後、１３００℃付近までを１〜５℃／分で昇温し、さらに１５００℃〜１６００℃までを３℃〜１５℃／分で昇温し保持時間１時間以内で放冷で室温まで１０℃〜１５℃／分で冷却する条件で焼成することが望ましい。
【００２７】
また、サーメット表面に結合相富化領域を形成するためには、上記の焼成条件において、室温から１２５０℃〜１３５０℃までを窒素ガスを０．１〜０．３ｋＰａの窒素ガス中で処理し、１２５０℃〜１３５０℃から１５００〜１６００℃の昇温過程のみ真空０．０１Ｔｏｒｒ以下とし、１５００℃〜１６００℃で焼成した後、冷却過程において真空０．０１Ｔｏｒｒ以下として室温まで１０℃〜１５℃／分で冷却することが望ましい。
【００２８】
また、上記の方法によって作製されたＴｉＣＮ基サーメットを母材として、その表面に、化学気相成長法（ＣＶＤ法）や、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法などの物理気相成長法（ＰＶＤ法）などによって前述したような被覆層を形成すればよい。
【００２９】
【実施例】
原料粉末として、表１に示す平均粒径のＴｉＣＮ粉末と、いずれも平均粒径が０．５〜２μｍのＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、および平均粒径が２μｍのＣｏ粉末、Ｎｉ粉末またはＣｏとＮｉとの合金粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで湿式混合粉砕した。なお、上記平均粒径はマイクロトラック法で測定したものである。
【００３０】
次に、上記混合粉末を用いて、成形圧９８ＭＰａでチップ形状および抗折試験片形状にプレス成形し、それぞれの成形体を０．０１Ｔｏｒｒ以下の真空中で９５０℃まで１２℃／ｍｉｎで昇温し、９５０℃から１３００℃までを２℃／分で昇温し、表１の焼成温度まで５℃／分で昇温し、１時間保持した後、真空中で１２℃／分で室温まで降温して、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のサーメットを作製した。なお、試料Ｎｏ．８、９については、昇温過程で１３００℃までは０．２ＫＰａの窒素中とする以外は、上記と同様にして焼成した。
【００３１】
作製したサーメットについて、ＪＩＳＲ１６０１に従い、３点曲げ強度を測定するとともに、ＪＩＳＲ１６０７に従い、靱性（ＩＦ法）の測定を行った。結果は表２に示した。
【００３２】
さらに得られたチップ中心部の断面を電子顕微鏡観察して７×７μｍの観察領域２箇所をインターセプト法で硬質相の結晶粒径を測定し、その平均結晶粒径を測定した。
【００３３】
さらに、チップの表面付近における結合相のＮｉとＣｏの濃度分布をＥＰＭＡ法で濃度変化を測定し、ＮｉとＣｏの濃度変化の合算でＮｉ＋Ｃｏの濃度変化を観察し、表面から、中心部分の濃度に対して１．１倍以上の濃度を有する領域までの厚みを３箇所測定しその平均を求めた。
【００３４】
また、得られたスローアウェイチップ各１０個ずつについて、下記荒切削条件Ａで切削を行い、欠損した時の送りを表１に示した。
切削条件
被削材：ＳＣＭ４３５
被削材：４本溝入り丸棒
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送りおよび切削時間：０．１ｍｍ／ｒｅｖで１０秒間切削後、送りを０．０５ｍｍ／ｒｅｖずつ上げて各１０秒間ずつ切削（最大送り０．５ｍｍ／ｒｅｖまで）
切込み：２ｍｍ
【００３５】
【表１】
2004223666.tif 000002
【００３６】
表１の結果から明らかなように、本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５〜１１は、いずれも高い強度、硬度を有するとともに荒加工切削においても試料Ｎｏ．１６の超硬合金なみの優れた切削特性を示した。
【００３７】
これに対して、Ｎｉ＋Ｃｏ含有量が１５質量％より少ない試料Ｎｏ．１３では抗折強度が低く、荒加工条件では早期に欠損が発生してしまった。また、Ｎｉ＋Ｃｏ含有量が２２質量％を超える試料Ｎｏ．１５では，金属冨化層が厚くなり耐酸化性および耐塑性変形性が低下し、刃先が摩滅した。
【００３８】
さらに、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対してＴｉの含有量が５５質量％より少ない試料Ｎｏ．１２ではチップの刃先が早期に欠損が発生してしまい、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属総量に対してＴｉの含有量が８０質量％を超える試料Ｎｏ．１２では摩耗が進行して早期に切削不能となった。さらに、複合金属炭窒化物の平均粒径が１μｍを超える試料Ｎｏ．４、１４では、荒加工切削で早期に欠損が発生してしまった。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の切削工具は、ＴｉＣＮ基サーメットでありながら、Ｔｉおよび結合相の含有量、硬質相の粒径を最適化することにより、荒加工領域において超硬合金と同等またはそれ以上の高い切削性能を発揮する工具を提供することができる。