超耐熱合金 Inconel718 の基本的切削特性

広島工業大学紀要研究編
第4
1巻 (
2
0
0
7
) pp.7
1
2
論
文
超耐熱合金 I
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8の基本的切削特性
越智秋雄*・和泉真澄*
板倉勝利**・小西正明***
(平成 1
8年 1
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極めて高価かつユーザーが細かな仕様を指定して溶製され
ることが一般的であるため，入手が困難で、ある O したがっ
N
i基の耐熱合金は，従来から各種航空機エンジン部品
て，系統立った研究を学校や公設試で行いにくいことが問
やタービンプレードのように高度な耐熱性が要求される箇
題である。そうした背景はあっても，早期から多くの研究
所に利用されており 1
¥ 現在では家庭用燃焼機器や一部自
.5
)。狩野他は工具
がいろいろな観点から続けられている 4
動車部品あるいは高温下で長時間稼働されるプラスチッ
i基
と特殊鋼メーカの立場を活かし極めて多岐にわたる N
ク・金属用射出成型機の押出スクリューなどにも大量に利
耐熱合金の種類や特長，あるいは切削データをまとめて公
用されるケースが増えてきている。こうした耐熱合金の被
開している 6. 他}。ここでは，これらの総括として代表的な
削性は，低熱伝導率や高い溶着性や機械的性質により，極
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7
1
8材の研究事例を表 1にまとめて紹介しておく。
めて悪いことがわかっており 2
.3
) 加工能率の向上を妨げ
これらのデータを参考にすると.この種の材料の加工に
ている。当然，様々な角度から加工の研究が行われるべ
おいては，回転型(ロータリー)工具が良好な結果を示す
きであるが，この種の材料は，被削材そのものが特殊で
ことが著者の一人によって明らかにされている 8) が，反面
本広島工業大学工学部知能機械工学科
日広島工業大学非常勤講師
キキキ広島工業大学工学部機械システム工学科
-7-
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越智秋雄・和泉真澄・板倉勝利・小西正明
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このような特殊な工具を利用する場合は，工具設計や製作，
合金を圧延や鍛造状態のまま使用することはまず無いが，
使用条件などに関して利用者にも相当の技術力が要求され
その熱処理には極めて多くの種類や条件が存在する。ここ
る。また，切削油剤の利用はまず必須と考えられており，
では熱処理の専門技術者と協議しもっとも標準的で利用
それも一般的な工具すくい面側からの給油方法ではなく，
の多い固溶化後時効処理を行うこととした。処理条件は，
中・高圧給油を逃げ面やすくい面・切りくず聞からも行う
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8
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ことが良好な結果をもたらす事がわかっているト 111 しか
の後時効処理 (
7
2
0C8時間保持後，炉内で 620Cまで冷却，
しながら，この分野においても，環境を考慮、した加工が求め
620C 8時間保持後ガス冷却， N2，炉冷)という極めて複雑
0
0
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0
られる時代となっており，ドライ切削もしくは MQLを適
なものである O 熱処理前後の組織を検鏡したが，この処理
用することが求められはじめている O しかし地道な研究 1
3
)
により微細結晶粒を確認することが出来た。また硬さは圧
が行われているものの，現状では極めて厳しい状況にある。
延時で HRC26.l，熱処理後で HRC43.6であった。引張強
本研究では，以上のような背景を考慮し今後この種の
さなどの機械的性質については，実験終了後に確認するた
合金加工が幅広く行われるようになることを想定し特別
め
， 目下の所は計測を行っていないが，標準値には十分達
な装置設備を準備することなく一般的な機械加工工場で初
していると考えられる。
めてこうした材料を加工する場合に直面する現状とその問
工 具 は ， 市 販 の 12.7mm角 イ ン サ ー ト 型 四 角 ス ロ ー
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題点について検討することとした c 工具材種は一般的に推
アウェイ工具を主に使用した c すくい角は，
奨される超硬工具を主とし実験室においては良い結果が
である。これらの工具形状記号は， SNGN12408お よ び
得られるとされる各種のセラミック工具を用いて通常のド
SPGN120308で¥ホルダーは剛性を考慮し 25mm角のも
ライ切削を行い，基本的な切削特性を切削抵抗や工具損傷
のを選択した c また，一般的な四角形状に対して丸駒型の
の面から検討した ο
性能にも注目すべき点があるため，スローアウェイ型のも
のを利用した。丸駒工具の形状は RPGW1204MOで，ホル
2
. 実験装置および方法
ダーも四角工具と同様に 25mm角とした。
工具材種は，超硬 KIOを主とし，セラミック工具も一
実験は，切削実験用無段変速高速旋盤(主軸動力
DCllKW. 振り 560mm，心間 lOOOmm. 最高主軸回転数
部試験した。セラミック工具の種類としては.TiC系 (TiC
3000rpm) による長手旋削で行った。被削材は， lnconel
添加 Ab03
)，窒化珪素系 (
S
i3
凡)および繊維強化型 (SiCウイ
718の丸棒で直径 155mm，長さ 200mmのものを使用した。
スカー強化 A1
203系)の 3種類を選択した。このうち，繊
その代表的な成分例を表 2に示す。この種の Ni基超耐熱
維強化型工具はこの種の被削材には大変適しているとされ
-8-
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ているが，この材質が戦略物資に該当するため，特に定評の
ある海外メーカの製品は入手しにくいのが現状である。
四角工具と丸駒工具を比較すると，切削抵抗の合力はそ
切削条件は，切削速度 30，50m/min， ただしセラミッ
れほど変化がないものの，主分力が 20%程度，背分力(主
ク工具にあっては 100~ 300m/min，送り量 O.
l6mm/rev
軸方向力)に至っては，最高 300%程度と著しく大きな値
としすべての工具で 30秒間の切削を行い，工具摩耗と切
を示している。逆に送り分力は 30%程度小さな値となっ
削抵抗の測定などを行い，結果を比較検討した。雰囲気は
ている。丸駒工具は切れ刃が X 軸方向(送り方向)に R
全て完全乾式とした。
状態として長く存在するため，当然このような結果が生じ
切削抵抗の測定には，高剛性かつ高い周波数応答性のあ
る。しかしこの方向の力は主軸動力や送り駆動力に関係
る水晶式圧電型 3成分動力計を使用した。出力は一旦テー
するものではなく，旋削の場合，水平方向の力として刃物
プ式のレコーダに保存し必要に応じて再生記録を行った。
台を後退させる方向に作用し
3
. 実験結果および考察
3
.
1 切削抵抗試験の結果
図 1にすくい角一
5
0および 5。の工具と丸駒工具の切
加工精度を低下させたり，
ぴびり振動を発生したりする原因となる可能性が高い。し
たがって丸駒工具を実際に使用する場合は，旋盤の X軸方
向の剛性値，それも動剛性値が確保されない場合，不測の振
動発生や工具損傷が生じやすくなることが考えられる。
削抵抗の記録波形を示す。切削抵抗の平均値としては，一
表 3はこれらの測定結果から求めた切削機構上重要な数
般的な切削加工の場合と同様に，切削速度が高い方が切削
値である。一般的な炭素鋼と比較すると，切削抵抗値，各
抵抗は小さく，またすくい角が正の方がおおむね 20から
種応力，中でもせん断応力が大きいこと，また正のすくい
30%程度抵抗値が低い。しかし各分力の変動幅に着目す
角の方が切りくず厚さ，せん断角，切削抵抗や消費動力に
ると S45Cのような普通鋼と比較して著しくその幅が大き
おいて極めて有利であることが理解できる。せん断力が減
いことがわかる。一般的に，難削性の高い被削材では，切
少しでもせん断応力が減らないのは，切りくず厚さが減少
削抵抗の絶対値にそれほどの差は生じない場合でも，各分
しせん断面積も減少することによると思われる。総じて
力特に背分力の変動幅が大きくなるのが特徴である O ひず
切削抵抗の観点からは，正のすくい角の工具が有利である
みゲージ式の動力計とベン書きの記録装置では把握しにく
ことがよく理解できる。
かった状況も，周波数応答の高い圧電型動力計と記録計を
-9-
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3.
2 超硬工具の損傷形態
図 2に各速度における正および負のすくい角の四角超硬
工具の損傷形態を示す。乾式切削であるため.工具寿命に
ついては厳しい条件であるが.それでも切削速度 30およ
び 50m/minで 30秒の切削ではそれほど摩耗は進行して
おらず，切削不可能な状態には到達していない。工具摩耗
は，すくい角によらず切削速度 30mlminでは軽微で.フ
ラ ン ク 摩 耗 幅 0.05mm程 度 で あ る 。 50m/minになると ，
こちらもすくい角によ らずフランク摩耗幅で O
.
lm m程度，
クレータ摩耗深さが 20μm程度発生している 。
(
a)Rakea
n
g
l
e5
d
e
g
r
e
e3
0mJmin
(
b)Rakea
n
g
l
e+5degree3
0mJmin
(
c)Rakea
n
g
l
e5
d
e
g
r
e
e50m
/min
(
d)Rakea
n
g
l
e+5degree5
0mJmin
Fi
g.2 Wearpattemso
ft
e
s
t
e
ds
q
u
a
r
eKIOc
a
r
b
i
d
et
o
o
l
si
nt
u
r
n
i
n
go
fl
n
c
o
n
e
l718 Deptho
fc
ut
:lmm.:
fO.
l6mm
/r
e
v
.C
u
t
t
i
n
gt
i
m
e
:305
(
a)V=30mlmin
(
b)V=50mlmin
Oc
a
r
b
i
d
et
o
o
l
si
nt
u
r
n
i
n
go
fI
nc
o
n
e
l718 Deptho
fcut
:lmm.:
fO.
l6mm
/r
e
v
.C
u
t
t
i
n
gt
i
m
e
:305
Fi
g.3 Wearp
a
t
t
e
r
n
so
ft
e
s
t
e
droundKl
-10-
超耐熱合金Inc
o
n
e
l
7
1
8の基本的切削特性
(
a)TiCaddedA
1203 c
e
r
a
m
i
ct
o
o
lV=100mJmin
(
b)S
i3N，
c
e
r
a
m
i
ct
o
o
lV=100mJmin
(
c)S
i
Cw
h
i
s
c
a
rr
e
i
n
f
o
r
c
e
dc
er
a
mict
o
o
lV=100mlmin
(
d)S
i
Cw
h
i
s
c
a
rr
e
i
n
f
o
r
c
e
dcerami
ct
o
o
lV=2
O
OmJmin
t1mm:
f0.16mmlrev C
u
t
t
i
n
gt
i
m
e
:3
0
S
F
i
g.4 Wearp
a
t
t
e
r
n
so
ft
e
s
t
e
dv
a
r
i
o
u
sc
e
r
a
m
i
ct
o
o
l
si
nt
u
r
n
i
n
go
fl
nc
o
n
el7
1
8 Deptho
fc
u:
図 3に丸駒工具の損傷形態を示すが.四角工具と比べる
被削材が高強度高級性であることも一因と考えられる 。 し
/minの場合でも逃げ面では摩耗幅が
と特に切削速度 50m
か し セ ラ ミ ック工具を利用する以上 lOOm
/min程度で
極めて少なく.すくい面上のクレ ー タもほとんど確認でき
性能が出ないのでは，本来の高温高硬度と言った工具の
ない。 この原因については.広範囲の切れ刃長にわたって
特性が発揮されているとは言えず. これより低速の加工に
加工が行われる ために切削熱が工具の局部に集中せず，横
おいてもあまり性能的には期待できない可能性が高い。今
逃げ面境界部も四角工具のように明瞭に存在しなくなるた
回の結果では.条件によらず横逃げ面終端境界部が著し
めと思われる 。 またここでは示さないが.切りくず生成に
く損傷しており.切削点温度における反応，酸化や加工硬
おいても優れているものと考えられる 。 このように丸駒工
化による機械的な損傷も考えられる 。 これを避けるには 当
具は損傷進行が大変穏やかであることから.このような低
面丸駒工具の利用がもっとも適当と考えられる 。 しかし
熱伝導率.強溶着性型の難削材加工には極めて適している
l
n
c
o
n
e
lのような希少材料においては.普通の炭素鋼では
工具 と思われる 。
十二分に行われているような基本的な切削実験とその解析
があまり行われておらず，構成刃先の生成域や加工硬化の
3.
3 セラミ ック工具の損傷形態
図 4に 3種類のセラミ ック工具の損傷形態を示す。 どの
材種， どの条件でも主として激しい境界摩耗が発生してお
り
. これによ り容易に工具が寿命に到達している ことが観
察できる 。 また，切 りくずの溶着も見られ.さらに靭性面
発生やその程度など未解決な点が多い。 この点は今後十分
検討し基本的な切削実験を積み重ねる必要があると思わ
れる 。
4.結
で優れているはずの繊維強化型セラミ ックにおいても.高
コ
E
代表的な超耐熱合金 l
n
c
o
n
e
l718の基本的乾式長手旋削
速域では切りくずの衝突によると見られるすくい面破損が
実験を行った結果.次のようなことが明らかになった。
発生した。 このように .期待されたセラミ ック工具がその
1)超硬 KlO種は， もっ と も 基 本 的 な 工 具 と し て こ の
穫の被削材加工に十分対応可能である 。
材種によらず.ほとんど良い成果を発揮できなかった原因
については.乾式で切削速度が高いことも考えられるが，
2)工具形状に関しては.正のすくい角の方が極めて良い
一 11-
越智秋雄・和泉真澄・板倉勝利・小西正明
結果を示し，工具コストを考慮しでも推奨される。また，
切削加工，精密工学会誌， 66巻 6号
， 866， (
2
0
0
0
)
丸駒工具は特に工具損傷において優れた性能を示すため
甫泰常:
9) 板倉勝利，黒田基文，土井義博，塚本頴彦，有 j
大いに利用が期待されるが，背分力が大きいことから，
超耐熱合金インコネル 7
1
8の高速切削加工
工具のすくい角や直径と言った形状面について今後さら
を用いた仕上げ加工一，精密工学会誌， 66巻 1
0号
，
に検討する必要がある。
1
6
1
1， (
2
0
0
0
)
3) セラミック工具に関しては
一様に境界部摩耗や切り
高圧注液
1
0
) 谷川義博，宮沢伸一:切削液のジ、エツト注入による工
くずに起因する溶着欠損が多く発生し，工具本来の性能
， 540，(997)
具寿命の向上，精密工学会誌， 63巻 4号
を発揮することが出来なかった。丸駒工具の利用やさら
1
1
) 山根入洲男，天野直宏，林桂，鳴瀧則彦:セラミツ
に低速域での利用と湿式切削での工具寿命延長効果を検
1
8の高速切削一境界摩耗の
ク工具によるインコネル 7
抑制一一，精密工学会誌， 59巻 1
1号
， 1
8
1
5， (
19
9
3
)
討する必要がある。
4) I
n
c
o
n
e
lのような希少材料については，従来あまり行
1
2
) 林貞男:クーラントの供給方法の違いによる超耐熱合
， 9
0
7， (
2
0
0
2
)
金の切削，精密工学会誌， 68巻 7号
われていない基本的な切削特性を今後十分検討する必要
がある。
1
3
) 狩野勝吉:難削材・新素材の切削加工ハンドブック，
工業調査会， (
2
0
0
2
)
参考文献
Waspalloy，Nimonic，I
n
c
o
n
e
lは，各社の登録商標です。
1)狩野勝吉・難削材の切削加工技術，工業調査会， (
1
9
8
9
)
謝
2) 鳴瀧則彦:難削材の切削加工，日刊工業新聞社， (
19
8
9
)
3) “難削材"の切削加工技術，機械と工具別冊， 1
9
9
8
4) 山根八洲男，関谷克彦，難削指数による難削性の評価・
， 407， (
2
0
0
4
)
精密工学会誌， 70巻 3号
0号
，
5) 帯川利之:切削四話，精密工学会誌， 6
9巻 1
1
3
9
5， (
2
0
0
3
)
本実験に使用した被削材をご提供頂いた関係各位に厚く
お礼申し上げます。また，同被削材の熱処理は有限会社神
和熱処理のご厚意により実施して頂きました。複雑な熱処
理を快くお引き受けいただいた同社の鼠家
7)狩野勝吉:超耐熱合金と高耐食 Ni基合金 2，機械と
工具， 45巻 5号
， 97， (
2
0
0
1
)
8
)板倉勝利，黒田基文，明事哲也，猪谷彦太郎，塚本頴
彦，有浦泰常:ロータリー工具による難削材の高効率
武様に厚くお
礼を申し上げます。
6) 狩野勝吉:超耐熱合金と高耐食 Ni基合金，機械と工具，
， 9
3， (
2
0
0
1
)
45巻 4号
辞
本実験は，多年にわたり広島工業大学生産加工実験室で
継続実施している難削材加工研究の一部として実施された
ものであり，熱心に実験とデータ整理を遂行された 2002
年度卒業研究生の小林喬(現株式会社シンコー)，船元
圭介(現株式会社ヒロテック)両氏に心よりお礼を申し上
げます。
-12-