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発明の名称 サーメット製インサート及び切削工具
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−111786(P2007−111786A)
公開日 平成19年5月10日(2007.5.10)
出願番号 特願2005−303096(P2005−303096)
出願日 平成17年10月18日(2005.10.18)
代理人 【識別番号】100082500
【弁理士】
【氏名又は名称】足立 勉
発明者 新藤 知昭 / 小村 篤史 / 高島 啓彰 / 谷内 俊之 / 福村 昌史 / 高橋 慧
要約 課題
耐欠損性及び耐摩耗性に優れたサーメット製インサート及び切削工具を提供すること。

解決手段
焼結体組成として、Tiと、Nb及び/又はTaと、Wとに関し、Tiを炭窒化物換算した値と、Nb及び/又はTaを炭化物換算した値と、Wを炭化物換算した値との合計で、焼結体を構成する組織全体に対して、70〜95重量%含むとともに(そのうち、Wは炭化物換算した値で、組織全体に対して、20〜35重量%)、Co及びNiを、組織全体に対して、5〜30重量%含む。且つ、(Ti,W,Ta/Nb)CNと炭窒化チタンとのうち、少なくとも(Ti,W,Ta/Nb)CNからなる硬質相と、Wと、Co及び/又はNiとを主成分とする結合相とからなる組織を有し、全組織に含まれるWのうち、硬質相に40〜65重量%含むとともに、結合相に残部を含む。
特許請求の範囲
【請求項1】
焼結体組成として、Tiと、Nb及び/又はTaと、Wとに関し、前記Tiを炭窒化物換算した値と、前記Nb及び/又はTaを炭化物換算した値と、前記Wを炭化物換算した値との合計で、前記焼結体を構成する組織全体に対して、70〜95重量%含むとともに(そのうち、前記Wは炭化物換算した値で、組織全体に対して、20〜35重量%)、
Co及びNiを、前記組織全体に対して、5〜30重量%含むサーメット製インサートであって、
Ti及びWと、Ta及び/又はNbとの複合炭窒化物[以下、(Ti,W,Ta/Nb)CNで示す]と、炭窒化チタンとのうち、少なくとも前記(Ti,W,Ta/Nb)CNからなる硬質相と、
Wと、Co及び/又はNiとを主成分とする結合相と
からなる組織を有し、
前記全組織に含まれるWのうち、前記硬質相に40〜65重量%含むとともに、前記結合相に残部を含むことを特徴とするサーメット製インサート。
【請求項2】
前記組織全体に対して、前記Tiを炭窒化物換算した値で45〜60重量%含むとともに、前記Nb及び/又はTaを炭化物換算した値で5〜10重量%含むことを特徴とする前記請求項1に記載のサーメット製インサート。
【請求項3】
前記硬質相として、下記(1)〜(3)のうち、1種又は2種以上(但し(3)単独は除く)を備えたことを特徴とする前記請求項1又は2に記載のサーメット製インサート。
(1)芯部が炭窒化チタン相、周辺部が(Ti,W,Ta/Nb)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)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
【請求項4】
更に、前記硬質相及び/又は結合相に、Moを含むことを特徴とする前記請求項1〜3のいずれかに記載のサーメット製インサート。
【請求項5】
更に、前記結合相に、Wを前記結合相全体に対して40〜60重量%含むことを特徴とする前記請求項1〜4のいずれかに記載のサーメット製インサート。
【請求項6】
ホルダに、前記請求項1〜5のいずれかに記載のサーメット製インサートを備えたことを特徴とする切削工具。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、サーメット製インサート及び切削工具に関し、詳しくは、耐摩耗性や耐欠損性に優れたサーメット製インサート及びこのサーメット製インサートを備えた切削工具に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、鋼などの切削のために、硬質相(硬質粒子)と硬質相間に存在する結合相とからなる組織を有するサーメット製インサートが用いられており、このサーメット製インサートの性能を向上するために、各種の技術が提案されている。
【0003】
例えば下記特許文献1には、通常の有芯構造からなり、具体的には、芯部はTi等の4a族に富み、周辺部はW、Ta等の5a族、6a族に富む相(黒色相)と、芯部が、W、Ta等の5a族、6a族に富む相(白色相)との複数の相からなり、その黒色相と白色相とを最適で比率で分散させることにより、合金強度を向上させたTiCN系サーメットが提案されている。
【特許文献1】特開昭62−170452号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、前記特許文献1の技術では、上述した黒色相/白色相の構成により、合金強度をある程度は改善できるものの、耐摩耗性及び耐欠損性についての検討が必ずしも十分ではないという問題があった。
【0005】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い耐摩耗性を維持できるとともに、高い耐欠損性を実現できるサーメット製インサート及び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】
【0006】
・前記課題を解決するための請求項1の発明(サーメット製インサート)は、
焼結体組成として、Tiと、Nb及び/又はTaと、Wとに関し、前記Tiを炭窒化物換算した値と、前記Nb及び/又はTaを炭化物換算した値と、前記Wを炭化物換算した値との合計で、前記焼結体を構成する組織全体に対して、70〜95重量%含むとともに(そのうち、前記Wは炭化物換算した値で、組織全体に対して、20〜35重量%)、
Co及びNiを、前記組織全体に対して、5〜30重量%含むサーメット製インサートであって、
(Ti,W,Ta/Nb)CNと、炭窒化チタンとうち、少なくとも前記(Ti,W,Ta/Nb)CNからなる硬質相と、
Wと、Co及び/又はNiとを主成分とする結合相と
からなる組織を有し、
前記全組織に含まれるWのうち、前記硬質相に40〜65重量%含むとともに、前記結合相に残部を含むことを特徴とする。
【0007】
本発明のサーメット製インサートは、実質的に、硬質相(硬質粒子)とその周囲を覆う結合相とからなる組織によって構成されている。
本発明にて、焼結体組成として、TiとNb及び/又はTaとWとの各換算値の合計を70〜95重量%としたのは、下記の理由による。尚、TiはTiCN換算し、Nb及び/又はTaは(Nb/Ta)C換算し、WはWC換算した値である。
【0008】
まず、硬質相(硬質粒子)を形成する複合炭窒化物及び炭窒化物は、サーメットの硬さを向上させ、耐摩耗性を向上させる作用があるが、硬質相の割合がサーメット全体の95重量%を超えると相対的に結合相の割合が5重量%未満になり、靱性が低下し、耐欠損性が低下するからである。一方、硬質相の割合が70重量%未満では、相対的に結合相の割合が30重量%を超えるので、サーメットの耐摩耗性が低下するからである。
【0009】
また、Wを、組織全体に対して(WC換算で)20〜35重量%含むことにより、インサートの耐摩耗性を向上することができる。
更に、Coは、焼結性を向上させ、結合相を形成して、インサートの強度を向上させる。Niは、焼結時に結合相を形成して、結合相の耐熱性を向上させ、もって、インサートの耐摩耗性を高めることができる。つまり、Co及びNiを、合計量で5〜30重量%含有することにより、前記特性を発揮できるが、Co、Niは、それぞれ5重量%以上が好ましい。
【0010】
特に本発明では、硬質相中に、Wを炭化物換算した値で、組織全体に対して、40〜65重量%配分するとともに、Wの残部を結合相に配分している。
つまり、本発明では、全組織に含まれるWのうち、40〜65重量%を硬質相中に固溶して含むことにより、硬質相が強化されるので、耐欠損性(特に耐熱衝撃性能)が向上し、しかも、結合相にWの残部を固溶して含むことにより、結合相の硬度が高くなるので、耐摩耗性が向上する。これにより、高い耐摩耗性と耐欠損性とを共に実現できるという顕著な効果を奏する。
【0011】
尚、前記「A及び/又B」とは、A及びBの少なくとも一方の意味である(以下同様)。 また、前記「Wと、Co及び/又はNiとを主成分とする」とは、その合計量が他成分の合計量より多い状態を示し、例えばその合計量は98重量%程度に達する。
【0012】
・請求項2の発明は、前記組織全体に対して、前記Tiを炭窒化物換算した値で45〜60重量%含むとともに、前記Nb及び/又はTaを炭化物換算した値で5〜10重量%含むことを特徴とする。
【0013】
本発明は、Ti、Nb及び/又はTaの好ましい含有量を例示したものであり、Tiがこの範囲であれば耐摩耗性が高く、Nb及び/又はTaがこの範囲であれば、耐熱衝撃性が高い。
【0014】
・請求項3の発明は、前記硬質相として、下記(1)〜(3)のうち、1種又は2種以上(但し(3)単独は除く)を備えたことを特徴とする。
(1)芯部が炭窒化チタン相、周辺部が(Ti,W,Ta/Nb)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)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
本発明では、図1に例示する様に、前記硬質相として、上述した3種の硬質相から選ばれる構成とすることにより、インサートの硬さを高め、耐摩耗性を向上させることができる。
【0015】
・請求項4の発明は、更に、前記硬質相及び/又は結合相に、Moを含むことを特徴とする。
Moを含有させることにより、硬質相や結合相の濡れ性が良くなるため、焼結性を改善することができる。このMo場合は、Moは、第1硬質相の周辺部、第2硬質相、結合相に含まれる。尚、Moは、インサート全体に対して、炭化物(Mo2C)換算で、例えば20〜35重量%含有される。
【0016】
・請求項5の発明は、更に、前記結合相に、Wを前記結合相全体に対して40〜60重量%含むことを特徴とする。
本発明では、結合相にWを40〜60重量%含んでいるので、結合相の高温硬さが向上し、よって、例えば高温発生を伴う高速切削加工において、優れた耐摩耗性を発揮できる。
【0017】
・請求項6の発明(切削工具)は、ホルダに、前記請求項1〜5のいずれかに記載のサーメット製インサートを備えたことを特徴とする。
本発明の切削工具は、上述したサーメット製インサートをホルダに備えたものであるので、耐摩耗性及び耐欠損性に優れている。
【0018】
ここで、本発明の好ましい形態としては、例えば本願出願人らが既に出願した特願2005−173463に記載の様に、更に下記の構成を採用できる。
例えば、インサートとして、「炭化タングステン:20〜30質量%、炭化タンタル及び/又は炭化ニオブ:5〜10質量%、Co:5〜10質量%、Ni:5〜10質量%、炭窒化チタン:残部(ただし、50〜60質量%含有)、からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体」を採用できる。
【0019】
更に、例えば、前記焼結体として、「走査型電子顕微鏡による組織観察で、硬質相:75〜90面積%、結合相:残部、からなる組織を有する構成」を採用できる。
その上、前記結合相として、「結合相に占める割合で、Co:18〜33質量%、Ni:20〜35質量%、Ti、Ta及び/又はNb:5質量%以下、W:残部(ただし、W:40〜60質量%)を含有する構成」を採用できる。
【0020】
尚、組成の残部等には、通常、不可避不純物が含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
次に、本発明の最良の形態の例(実施例)について、すなわち、サーメット製インサート及び切削工具の実施例について説明する。
【実施例】
【0022】
a)まず、本実施例のサーメット製インサート(以下単にインサートと記す)について説明する。
図2に示す様に、本実施例のインサート1は、ISO規格:SNGN120408の形状の焼結体からなる切削チップである。
【0023】
このインサート1は、前記図1に示す様に、硬質相(硬質粒子)と、その周囲を覆うように存在する結合相とからなる組織(不可避不純物を含む)により構成されている。このうち、硬質相は、(Ti,W,Ta/Nb)CNと炭窒化チタンとからなり、結合相は、WとCo及び/又はNiとを主成分としている。
【0024】
前記インサート1の焼結体組成として、Tiと、Nb及び/又はTaと、Wとに関し、Tiを炭窒化物換算した値と、Nb及び/又はTaを炭化物換算した値と、Wを炭化物換算した値との合計で、インサート全体に対して、70〜95重量%含んでいる。尚、そのうち、Wは炭化物換算した値で、組織全体に対して、20〜35重量%含んでいる。
【0025】
また、Tiは、組織全体に対して、炭窒化物換算した値で45〜60重量%含むとともに、Nb及び/又はTaは、炭化物換算した値で5〜10重量%含んでいる。
更に、硬質相中に、Wを炭化物換算した値で、組織全体に対して、40〜65重量%含むとともに、Wの残部を結合相に含んでいる。
【0026】
その上、硬質相として、例えば下記(1)〜(3)の全ての硬質相を備えている。
(1)芯部が炭窒化チタン相、周辺部が(Ti,W,Ta/Nb)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)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
従って、本実施例のインサート1は、上述した独自の構成によって、後述する実験例で示す様に、高い耐摩耗性及び耐欠損性を共に備えている。
【0027】
また、上述したインサート1は、図3に例示する様に、例えば鋼製の柱状のホルダ3の先端に、固定治具5によって固定される。そして、このホルダ3にインサート1が固定された切削工具7を用いて、鋼等の切削が行われる。
【0028】
b)次に、本実施例のインサートの製造方法について説明する。尚、ここでは、後述する実験に供するインサートの製造方法を例に挙げて説明する。
・本実施例では、まず、原料粉末を行いて湿式混合を行った。
【0029】
具体的には、下記表1に示す様に、平均粒径0.5〜2μmのTiC0.50.5粉末、平均粒径0.5〜2μmのTiC0.30.7粉末、平均粒径1〜2μmのWC粉末、平均粒径1〜2μmのTa粉末、平均粒径1〜2μmのNbC粉末、平均粒径2〜3μmのCo粉末、平均粒径2〜3μmのNi粉末を用意し、これらの原料粉末を、下記表1に示される配合組成に配合し、A〜Dの4種類の混合粉末を調整した。
【0030】
【表1】


【0031】
次に、前記A〜Dの各混合粉末を、それぞれボールミルにて、アルコール中で、24時間湿式混合し、その後乾燥した。
次に、この乾燥した粉末を、98MPaの圧力で圧粉体にプレス成形した。
【0032】
次に、この圧粉体を、図4に示す様に、以下の焼成条件(a)〜(e)で焼成した。
(a) 室温から1200℃までを、10Pa以下の真空雰囲気(V)中にて、10℃/分の速度で昇温し、
(b) 1200℃の温度(中間温度:尚、中間温度としては1200〜1250℃を採用できる)に昇温した後、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15分間保持の短時間真空雰囲気保持とを、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、1350℃までの昇温を10Pa以下の真空雰囲気中にて、2℃/分の速度で昇温し、
(c) 1350℃から所定の焼結温度(1500℃)までの2℃/分の速度での昇温、並びに前記焼結温度に60分間保持を1.3kPaの窒素雰囲気で行い、
(e) 上記焼結温度からの炉冷を90kPa以下のAr雰囲気中で行った。
【0033】
以上(a)〜(e)の工程からなる条件で焼結し、焼結後、研磨加工を施すことにより、ISO規格:SNGN120408のチップ形状を有するインサート1を製造した。
すなわち、下記表2に示す様に、前記4種の混合粉末に対応した試料No.1〜4のインサートを、それぞれ製造した。
【0034】
また、比較の目的で、下記表2に示される通り、中間温度の違い以外実質的に同一の条件で(試料No.5〜8)、それぞれ比較例のインサートを製造した。
【0035】
【表2】


【0036】
c)次に、上述した製造方法によって製造した本発明例の試料No.1〜4のインサートと比較例の試料No.5〜8のインサートの組成分析や切削評価について説明する。
(1)組成分析
・EDS(エネルギー分散法)によって、本発明の各試料No.1〜4及び比較例の試料No.5〜8のインサート(焼結体)に含まれている成分(元素)の定量を行った。そして、その成分の化合物換算を行った。その結果を、下記表3及び表4に示す。
【0037】
【表3】


【0038】
【表4】


【0039】
・また、STEM(走査透過電子顕微鏡)を用いた分析とEDSにより、インサートの結合相の組成を分析した。その結果を、下記表5に示す。
【0040】
【表5】


【0041】
・更に、Wについて、その含有量を求めた。その結果を、下記表6に記す。
ここで、インサート全体に対する結合相中のW量、インサート全体に対する硬質相中のW量、全W量に対する結合相中のW量は、ぞれぞれ、下記式<1>〜式<3>により求めることができる。尚、W量等の算出には、換算値ではなく元素の量(重量%)を用いた。
【0042】
・結合相中のW量[重量%]
=(結合相組成中W)*(焼結体組成中Co+Ni)/(結合相組成中Co+Ni)
・・・<1>
・硬質相中のW量[重量%]
=(焼結体中W量)−(結合相中W量) ・・・<2>
・全W量に対する結合相中のW量[重量%]
=(結合相中のW量)/(全W量) ・・・<3>
【0043】
【表6】


【0044】
(2)耐欠損試験
各試料のインサートを、工具鋼製バイト(ホルダ)の先端部に、固定治具にてネジ止めして、切削工具とした。
【0045】
そして、この切削工具を用いて、下記表2の切削条件にて、合金鋼の乾式断続高速切削試験を行った。尚、耐欠損試験は、同種の20個のインサートを用いて行った。
そして、衝撃回数700回での累積欠損率(700回で欠損が発生するインサートの個数の割合)を調べた。その結果を下記表8に記す。
【0046】
(3)耐摩耗試験
各試料のインサートを、工具鋼製バイト(ホルダ)の先端部に、固定治具にてネジ止めして、切削工具とした。
【0047】
そして、この切削工具を用いて、下記表6の切削条件にて、合金鋼の乾式断続高速切削試験を行った。
そして、4min加工後の逃げ面摩耗量(VB摩耗量)を測定した。その結果を下記表8に記す。
【0048】
【表7】


【0049】
【表8】


【0050】
前記表1〜8から明らかなように、本発明例のインサートは、特にインサートに含まれるWのうち、40〜65重量%を硬質相中に含むとともに、残部を結合相に含んでいるので、高い耐摩耗性及び耐欠損性を共に実現できるという顕著な効果を有することが分かる。
【0051】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明のサーメット製インサートの断面を模式的に示す説明図である。
【図2】実施例のサーメット製インサートを示す斜視図である。
【図3】実施例の切削工具を示す説明図である。
【図4】実施例のサーメット製インサートの製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【0053】
1…インサート
3…ホルダ
5…固定治具
7…切削工具




 

 


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