(57)【要約】【課題】高速断続切削において十分な切削寿命を奏する耐欠損性および仕上げ面精度にすぐれたＷＣ基超硬合金製切削工具を提供する。【解決手段】ＷＣを主成分とし、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上を含む硬質分散相と、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅおよびＡｌのうち１種または２種以上からなる金属結合相とで構成されたＷＣ基超硬合金からなり、（ａ）逃げ面、すくい面のＨｖが１６００〜１８００、ホーニング部のＨｖが１９００〜２２００、（ｂ）逃げ面、すくい面の表面粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍ、ホーニング部の表面粗さＲａが０．０５〜０．２０μｍ、かつ、逃げ面およびすくい面の表面粗さＲａ＞ホーニング部の表面粗さＲａ、（ｃ）ＷＣ超硬合金中のＷＣ粒子の平均粒径が０．５〜３．０μｍ、金属結合相の含有量が４〜１２質量％であることにより前記課題を解決する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣを主成分とし、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上を含む硬質分散相と、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅおよびＡｌのうち１種または２種以上を含む金属結合相とで構成されたＷＣ基超硬合金を工具基体とするＷＣ基超硬合金製切削工具であって、
（ａ）前記ＷＣ基超硬合金製切削工具の逃げ面、すくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）が１６００〜１８００、ホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）が１９００〜２２００、かつ、
（ｂ）前記ＷＣ基超硬合金製切削工具の逃げ面、すくい面の表面粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍ、ホーニング部の表面粗さＲａが０．０５〜０．２０μｍ、かつ、逃げ面およびすくい面の表面粗さＲａ＞ホーニング部の表面粗さＲａ、かつ、
（ｃ）前記ＷＣ超硬合金中のＷＣ粒子の平均粒径が０．５〜３．０μｍであり、かつ、金属結合相の含有量が４〜１２質量％である
ことを特徴とするＷＣ基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、ＷＣ基超硬合金製切削工具に関し、さらに詳しくは、すぐれた耐欠損性を有し、合金鋼、軸受鋼などの高硬度鋼の断続切削に用いた場合にも長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するＷＣ基超硬合金製切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、切削工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルや、インサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
【０００３】
そして、切削工具の工具基体としては、従来からＷＣを主成分とし、さらに必要に応じて、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上を含む硬質分散相と、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅおよびＡｌのうち１種または２種以上からなる結合金属相とで構成されているＷＣ基超硬合金を用いることが知られており、このＷＣ基超硬合金を用いた切削工具が、鋼や鋳鉄などの荒仕上げ切削加工に用いられていることも知られている（例えば、特許文献１参考）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２３０５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工装置の自動化はめざましく、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、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、前記従来切削工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じない。しかし、これを合金鋼、軸受鋼の焼入れ材などのビッカース硬さ（Ｃスケール）５０以上の高い硬さを有する高硬度鋼の高速断続切削（以下、単に「高速切削」という）に用いた場合には、高い靱性が求められるが、靱性を向上させるとその分硬さが低下する傾向がある。特に、ホーニング部近傍では切削抵抗が大きいため、硬さが低下すると摩耗が進みやすく、刃先の欠損が生じ、仕上げ面制度が安定しない。すなわち、ＷＣ基超硬合金の耐欠損性が十分でないために、刃先に欠損が生じて、切削寿命や仕上げ面精度が低下してしまうという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、高硬度鋼の高速切削においても十分な切削寿命を奏する耐欠損性および仕上げ面精度にすぐれたＷＣ基超硬合金製切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、前述のような観点から、特に合金鋼、軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速切削加工で、ＷＣ基超硬合金がすぐれた耐欠損性を発揮する切削工具を開発すべく研究を行った結果、
（ａ）切削工具の逃げ面、すくい面、ホーニング部の硬さ、表面粗さＲａを所定の値となるように調整する。
（ｂ）ＷＣ基超硬合金を構成するＷＣ粒子の粒径を所定の値に調整する。
（ｃ）ＷＣ基超硬合金中の金属結合相の含有量を調整する。
前記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす時、ＷＣ基超硬合金は、すぐれた耐欠損性を奏することを見出した。
【０００８】
さらに、本発明者は、前記（ａ）の条件は、ＷＣ基超硬合金の刃先に所定の条件のＡｒボンバード処理を施すことにより達成できることを見出した。
【０００９】
本発明は、以上の研究成果に基づいて完成したものであって、
「  ＷＣを主成分とし、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上を含む硬質分散相と、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅおよびＡｌのうち１種または２種以上を含む金属結合相とで構成されたＷＣ基超硬合金を工具基体とするＷＣ基超硬合金製切削工具であって、
（ａ）前記ＷＣ基超硬合金製切削工具の逃げ面、すくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）が１６００〜１８００、ホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）が１９００〜２２００、かつ、
（ｂ）前記ＷＣ基超硬合金製切削工具の逃げ面、すくい面の表面粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍ、ホーニング部の表面粗さＲａが０．０５〜０．２０μｍ、かつ、逃げ面およびすくい面の表面粗さＲａ＞ホーニング部の表面粗さＲａ、かつ、
（ｃ）前記ＷＣ超硬合金中のＷＣ粒子の平均粒径が０．５〜３．０μｍであり、かつ、金属結合相の含有量が４〜１２質量％である
ことを特徴とするＷＣ基超硬合金製切削工具。」
に特徴を有するものである。
ここで、本発明における表面粗さＲａとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１で規定されている算術平均粗さＲａ、すなわち、平均線から絶対値偏差の平均値を意味している。
【００１０】
つぎに、本発明のＷＣ基超硬合金製切削工具において、これを構成するＷＣ基超硬合金の構成成分、金属結合相の含有量、ＷＣ粒子の平均粒径を限定した理由を説明する。
【００１１】
ＷＣ基超硬合金の構成成分：
本発明のＷＣ基超硬合金は、ＷＣを主成分とし、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種以上を含む硬質分散相と、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅおよびＡｌのうち１種または２種以上を含む金属結合相とから構成された焼結体である。
【００１２】
硬質分散相中の各成分の含有量：
ＷＣ基超硬合金を構成する硬質分散相に含まれる各成分の含有量は特に限定しないが、各成分の含有量を変えることによりにＷＣ基超硬合金の諸特性が変わることは言うまでもない。例えば、Ｃｒを含有させるとＷＣ粒子の粒成長を抑制する効果を有する。その際のＣｒ含有量は、０．１質量％以上、１．０質量％以下とすることが望ましい。０．１質量％未満では、含有量が少なく、ＷＣの粒成長を十分に抑制できない。一方、１．０質量％を超えて多いと、Ｃｒが過多となり、Ｃｒの炭化物等の脆性相が超硬合金中に、多量に生成し、この化合物が破壊の起点となり、強度低下を引き起こしやすい。
【００１３】
金属結合相の含有量：
金属結合相の組成は、主成分が特にＣｏであることが好ましいが、Ｃｏの一部をＮｉ、Ｆｅ等の他の鉄族元素やＡｌで置換してもよい。但し、金属結合相の含有量は、４質量％以上１２質量％以下とする。その理由は、金属結合相の含有量が４質量％未満であると、硬質分散相中のＣｒ、Ｔａ等の含有量が適量であっても、ＷＣ基超硬合金全体の靱性が低下し、耐欠損性が低下する。一方、１２質量％を超えて多いと、結合相量が多すぎるため、硬度が低下し、所望の耐摩耗性が得られない。
【００１４】
本発明のＷＣ基超硬合金は、硬質相のＷＣ平均粒径を０．５μｍ以上３．０μｍ以下に規定する。この理由は、０．５μｍ未満の場合、ＷＣ基超硬合金全体の耐熱性、耐塑性変形性が低下してしまう。一方、３．０μｍを超えるとＷＣ基超硬合金全体の硬さが低下し所望の耐摩耗性が得られないことに加え、強度の低下による抗折力の低下を引き起こし易くなるからである。
【００１５】
なお、本発明のＷＣ基超硬合金における各成分の含有量は、周知の分析方法、例えば、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて求めることができる。
【００１６】
逃げ面、すくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）とホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）：
本発明のＷＣ基超硬合金は、逃げ面、すくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）を１６００〜１８００、ホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）を１９００〜２２００とする。その理由は、逃げ面、すくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）は、１６００未満では自身の持つ耐摩耗性向上効果が得られないため好ましくなく、１８００を超えると耐摩耗性は向上するがその分靱性が低下しチッピングが発生しやすくなる。したがって、１６００〜１８００と定めた。
また、ホーニング部においては、１９００未満では所望の耐摩耗性向上効果が得られないため好ましくなく、２２００を超えると耐摩耗性は向上するが、ホーニング部近傍での靱性が低下し、刃先での欠損が発生しやすくなる。したがって、１９００〜２２００と定めた。さらに、このように逃げ面、すくい面、ホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）を定めることによって、逃げ面およびすくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）の方が、ホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）よりも小さくなるので、ホーニング部のチッピングが生じにくくなる。すなわち、逃げ面、すくい面およびホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）を前記の関係とすることにより、切削時のホーニング部での衝撃を緩和することができ、切削時に最も切削抵抗が大きくなるホーニング部での剥離を抑制することができる。
【００１７】
ＷＣ基超硬合金の表面粗さＲａ：
ＷＣ基超硬合金の表面粗さＲａは、逃げ面およびすくい面においては、０．１５μｍ未満とすることは製造コストの上昇につながるため好ましくなく、０．３０μｍを超えると皮膜表面の切削抵抗が大きくなりチッピングが発生しやすくなるため、０．１５μｍ以上０．３０μｍ以下と定めた。また、ホーニング部においては、０．０５μｍ未満とすることは製造コストの上昇につながるため好ましくなく、０．２０μｍを超えると皮膜表面の切削抵抗が大きくなりチッピングが発生しやすくなるため、０．０５μｍ以上０．２０μｍ以下と定めた。さらに、逃げ面およびすくい面の表面粗さＲａ＞ホーニング部の表面粗さＲａとすることにより、切削時のホーニング部での摩耗を緩和することができ、切削時に最も切削抵抗が大きくなるホーニング部での摩耗を抑制することができる。
【００１８】
なお、逃げ面、すくい面のビッカース硬さ（Ｈｖ）を１６００〜１８００、ホーニング部のビッカース硬さ（Ｈｖ）を１９００〜２２００とし、逃げ面、すくい面の表面粗さＲａを０．１５〜０．３０μｍ、ホーニング部の表面粗さＲａを０．０５〜０．２０μｍ、かつ、逃げ面およびすくい面の表面粗さＲａ＞ホーニング部の表面粗さＲａとするためには、例えば、表面処理方法の一つであるＡｒボンバード処理を行うことにより達成できる。
【００１９】
ここで、Ａｒボンバード処理とは、減圧状態の不活性ガス（ここでは、Ａｒガス）放電中で形成された正イオン（Ａｒ+ ）を、負に印加したＷＣ基超硬合金に衝突させ、正イオン（Ａｒ+ ）によるスパッタ効果で、表面にある付着不純物や薄い酸化皮膜層などを除去したり、表面を粗面化・活性化したり、含浸不純物（水分その他）を叩き出すために施す処理方法のことである。
【００２０】
Ａｒボンバード処理のような比較的弱い表面処理を行うと、逃げ面すくい面はそれほど大きく影響を受けないが、ホーニング部はエッジ効果により大きくボンバードの効果が現れる。よってホーニング部に選択的に圧縮応力が大きくなり、硬さが向上する。一方、逃げ面、すくい面はホーニング部よりも圧縮残留応力が小さく、硬さの向上もあまり起こらないため、比較的高い靱性が維持され、逃げ面、すくい面での耐欠損性の維持、あるいはホーニング部近傍に発生する衝撃を緩和することができる。さらにホーニング部は平面が平滑になるため切削抵抗を低減することができ、長期に亘って安定した切削と仕上げ面精度の向上につながる。
よって、前述のように切削工具の部位ごとに制御された硬さの向上および平滑性の向上の相乗効果により、高硬度鋼の高速切削において長期に亘ってすぐれた耐摩耗性、仕上げ面精度を発揮することができる。
【００２１】
また、切れ刃のホーニング形状はどのような形状であっても、例えば丸ホーニング、チャンファーホーニングであっても、表面粗さ及び硬さを所定の値にすることにより上記効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のＷＣ基超硬合金製切削工具は、ＷＣ基超硬合金のホーニング部の硬さが選択的に向上しているとともに、平滑性が向上している結果、高速断続切削においても長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するとともに、被削材のすぐれた仕上げ面精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のＡｒボンバード処理を行うためのアークイオンプレーティング装置の概略説明図であり、（ａ）が上面図であり（ｂ）が側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
つぎに、本発明のＷＣ基超硬合金製切削工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２５】
原料粉末として、０．５〜３．０μｍの範囲内の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を用意し、さらにワックスを加えて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７２時間湿式混合し、乾燥した後、圧粉体にプレス成形、ついでこの圧粉体を、１．３Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１４８０℃の範囲内の所定温度に１時間保持して焼結後、炉冷の条件で焼結し、超硬合金素材を製造した。さらにその後、砥石にて切れ刃部を所定寸法に外周加工し、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のチャンファーホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製切削工具基体Ａ〜Ｄ（以下、工具基体Ａ〜Ｄという）を形成した。
【００２６】
（ａ）ついで、前記工具基体Ａ〜Ｄのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って装着し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、１〜２Ｐａの雰囲気とする。
（ｃ）前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって切削工具表面をＡｒイオンによって３０〜６０ｓｅｃ．の間、ボンバード処理した後、３０ｓｅｃ．の未処理の時間を設ける。
（ｄ）前記（ｃ）の処理を５〜２０回繰り返す。本実施例で用いた（ｂ）〜（ｃ）のＡｒボンバード処理条件を表２に処理条件ａ〜ｃとして示す。前記Ａｒボンバード処理を行うことにより、本発明切削工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２７】
（ｅ）また、比較の目的で、前記工具基体Ａ〜Ｄのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、
（ｆ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、０．４〜０．８Ｐａまたは２．２〜３．０Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−５０Ｖまたは−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をＡｒイオンによって８０〜２００ｓｅｃ．の間、ボンバード処理した後、３０ｓｅｃ．の未処理の時間を設ける。
（ｇ）前記（ｆ）の処理を５〜２０回繰り返す。本比較例で用いた（ｅ）〜（ｆ）のＡｒボンバード処理条件を同じく表２に処理条件（ｄ）〜（ｆ）として示す。前記Ａｒボンバード処理を行うことにより、比較切削工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２８】
得られた本発明切削工具１〜１０、比較切削工具１〜１０について、逃げ面、すくい面、ホーニング部について、ビッカース硬さ（Ｈｖ）、表面粗さＲａを測定した。
【００２９】
ここで、ビッカース硬さ（Ｈｖ）の測定は、ビッカース微小硬度計を用いて、測定荷重５００ｇｆで試料の各試験面（すくい面中央、逃げ面中央、ホーニング部中央）に押込み、生じた永久くぼみの大きさから測定する。本発明においては、前記各試験面中央から直径５ｍｍの範囲で５点測定し平均値で評価した。
【００３０】
また、表面粗さＲａの測定は、レーザー顕微鏡を用いて１０μｍ×１０μｍの範囲で測定し、それを各測定箇所で１０点ずつ測定してその平均を算出した。またカットオフ値はλｓを０．２５μｍ、λｃを０．２５ｍｍとした。
【００３１】
これらの結果について、表３に示した。
【００３２】
つぎに、前記各種の切削工具を、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、本発明切削工具１〜１０および比較切削工具１〜１０について切削条件Ａ〜Ｂで高速断続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１の４本縦溝入れ丸棒、
切削速度：    ２００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：    ０．２０ｍｍ、
送り：        ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：    ４分、
の条件での高硬度鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１の４本縦溝入れ丸棒、
切削速度：    ２２０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：    ０．１５ｍｍ、
送り：        ０．１５ｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：    ４分、
の条件での高硬度鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ．）
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）と被削材の仕上げ面精度（ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１による算術平均粗さＲａ(μｍ)）を測定した。この測定結果を表４に示した。
【００３３】
【表１】
2013237120.tif 000002
【００３４】
【表２】
2013237120.tif 000003
【００３５】
【表３】
2013237120.tif 000004
【００３６】
【表４】
2013237120.tif 000005
【００３７】
表２〜４に示される結果から、本発明切削工具は、いずれも、逃げ面、すくい面、ホーニング部の表面粗さおよびビッカース硬さ（Ｈｖ）を制御しているので、合金鋼、軸受鋼の焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工でも、境界異常損傷およびチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するとともに、被削材のすぐれた仕上げ面精度を確保することができるのに対して、比較切削工具は、いずれも、本発明切削工具と異なり、逃げ面、すくい面、ホーニング部の表面粗さおよびビッカース硬さ（Ｈｖ）が制御されておらず、その結果、特に、ホーニング部の硬さが十分でないために、刃先に境界異常損傷やチッピングが発生し、被削材の仕上げ面精度を維持することができないばかりか、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３８】
前述のように、本発明のＷＣ基超硬合金製切削工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に合金鋼、軸受鋼の焼入れ材等のような高硬度鋼の、高熱発生を伴い切刃部にきわめて大きな断続的・衝撃的な機械的負荷が加わる高速断続切削であっても、ＷＣ基超硬合金がすぐれた耐欠損性を発揮し、すぐれた被削材仕上げ面精度を長期に亘って維持するとともにすぐれた耐摩耗性をも示すものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに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。
【図１】
2013237120.tif 000006