JP3729463B2

JP3729463B2 - フライス切削用強靭性超硬合金および被覆超硬合金

Info

Publication number: JP3729463B2
Application number: JP20398895A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林; 修一横山
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2015-07-18
Also published as: JPH0929532A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、特定方向に配向した板状晶炭化タングステン（以下、「板状晶ＷＣ」と記す）を含有することにより高い靱性と耐熱衝撃性を兼備したフライス切削用強靱性超硬合金および強靱性被覆超硬合金に関し、特に各種の鋼，中でもステンレスのフライス切削に用いた場合に優れた耐欠損性，耐チッピング性，耐熱亀裂性，耐摩耗性を発揮するフライス切削用強靱性超硬合金および強靱性被覆超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＪＩＳ規格Ｂ４０５３の超硬合金の使用選択基準の中で分類されているＰ３０〜４０およびＭ３０〜４０に相当するＷＣー（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ−Ｃｏ系超硬合は、各種の鋼，ステンレスのフライス削りに多用される。このフライス切削用超硬合金には、耐摩耗性と同時に、耐欠損性，耐チッピング性，耐熱亀裂性の向上が求められており、超硬合金自体の靱性と耐熱衝撃性を改善することが重要となっている。
【０００３】
この改善の１つの方策として、超硬合金中に含有している炭化タングステンの結晶構造について注目したもの、具体的には、板状晶ＷＣを含有させた超硬合金およびその製造方法について提案しているものがある。その代表的なものとして、特公昭４６−２９４８４号公報，特公昭４７−２３０４９号公報，特公昭４７−２３０５０号公報，特開平２ー４７２３９号公報，特開平２ー１３８４３４号公報，特開平２ー２７４８２７号公報および特開平５ー３３９６５９号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
板状晶ＷＣを含有させた超硬合金およびその製造方法に関する先行技術の内、特公昭４６−２９４８４号公報，特公昭４７−２３０４９号公報および特公昭４７−２３０５０号公報には、多孔性の凝集体でなるコロイド状ＷＣ粉末とＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏまたはこれらの合金の粉末とからなる組成物を出発物質として板状晶ＷＣ含有超硬合金を製造する方法、およびこの方法により作製した超硬合金について記載されている。これらの公報に記載されている板状晶ＷＣ含有超硬合金およびその製造方法は、コロイド状ＷＣの調整が困難であること、全製造工程が複雑であること、これを用いて超硬合金を作製したとしても、焼結時に生成する板状晶ＷＣの含有割合が少ないこと、したがって超硬合金中に含有する板状晶ＷＣの粒径および含有量の制御が困難であること、超硬合金が高価になるという問題がある。
【０００５】
その他の板状晶ＷＣに関連する先行技術の内、特開平２ー４７２３９号公報および特開平２ー１３８４３４号公報には、炭化タングステンを過飽和に含有した（ＷＴｉＴａ）Ｃの立方晶系化合物を含む組成粉末を用いて、加熱焼結時に板状晶ＷＣを晶出させた超硬合金およびその製造方法について記載されており、かつ板状晶ＷＣを含有した超硬合金をフライス切削工具として用いていることが記載されている。これら両公報に記載されている超硬合金およびその製造方法は、晶出する板状晶ＷＣが特定方向に配向させることができないこと、立方晶系化合物である固溶体を多量に含有した組成範囲でしか板状晶ＷＣを晶出させることができないという問題があること、そして、これら両公報に記載の板状晶ＷＣ含有超硬合金をフライス切削工具として用いた場合には、板状晶ＷＣが特定方向に配向されていないこと、および組成範囲が制限されていることからその効果が弱く、用途範囲も制限されるという問題がある
【０００６】
また、特開平２ー２７４８２７号公報には、使用済の超硬合金を酸化と、還元した後、炭化して得られた組成物粉末をホットプレス焼結する異方性超硬合金の製造方法について記載されている。同公報に記載されている方法およびこの方法によって得られる超硬合金は、含有される板状晶ＷＣがホットプレス方向にやや配向しているものの、配向に伴う靱性改善は少ないこと、製造上の形状制限や高コストであるという問題がある。
【０００７】
さらに、特開平５ー３３９６５９号公報には、０．５μｍ以下のＷＣと、３〜４０重量％の立方晶系化合物と、１〜２５重量％のＣｏおよび／またはＮｉからなる混合粉末を用いて、長時間粉砕により微細で、かつ高歪量の炭化タングステンとした後、１４５０℃以上で焼結し、板状晶ＷＣを含有する超硬合金とする製造方法が記載されている。同公報に記載されている方法およびこの方法によって得られる超硬合金は、生成する板状晶ＷＣが特定方向に配向させることができないこと、板状晶ＷＣの生成割合が少ないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を解決したもので、具体的には、板状晶ＷＣを多量に含有させて、かつ板状晶ＷＣの特定結晶面を高密度に配向させることにより、高硬度，高靱性で耐摩耗性，耐塑性変形性，耐衝撃性，耐熱衝撃性および耐欠損性に優れるフライス切削用強靱性超硬合金の提供を目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、長年に亘り、フライス切削用超硬合金について、耐摩耗性と同時に、耐欠損性，耐チッピング性，耐熱亀裂性を改善することによる工具寿命の延長を検討していた所、板状晶ＷＣを多量に含有させるとその目的が達成される傾向にあること、さらに板状晶ＷＣの特定結晶面の方位を高密度に配向させると、それぞれの特性が一層向上すること、結合相のＣｏと（ＷＴｉＴａ）Ｃなどの立方晶系化合物の量と粒度を最適化すると、さらに寿命延長が可能であるという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【００１１】
本発明のフライス切削用強靱性超硬合金は、Ｃｏを主成分とする結合相：６〜１２重量％と、Ｗ元素と周期律表の４ａ，５ａ属元素の中の少なくとも１種との炭化物，炭窒化物，炭酸化物，炭窒酸化物の中の１種以上でなる立方晶系化合物の第１硬質相：１５〜５０重量％と、残りが炭化タングステンの第２硬質相と不可避不純物とからなる組成を有する多面体形状でなる超硬合金製チップであって、該超硬合金製チップのすくい面に並行な面をｐ面とし、すくい面に垂直な面をｈ面とし、該ｐ面および該ｈ面におけるＷＣ結晶の（００１）面と（１０１）面でのＸ線回折法によるピーク強度をそれぞれｐ（００１），ｐ（１０１），ｈ（００１）およびｈ（１０１）と表わしたとき、ｐ（００１）／ｐ（１０１）＞１．５×ｈ（００１）／ｈ（１０１）でなることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の超硬合金における結合相は、具体的には、例えばＣｏのみでなる場合、または５０重量％以上のＣｏと残りがＷ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｆｅの中の１種以上とからなる結合相でなる場合を挙げることができる。特に、結合相に対して１０重量％以下のＷ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖの中の１種以上を固溶したＣｏ合金でなる結合相の場合は、切削油に対する耐腐食性が良好となるので好ましい。この結合相量は、超硬合金全体に対して６重量％未満になると靱性が低下してフライス削りにおける耐欠損性，耐チッピング性が劣化し、逆に１２重量％を超えて多くなると硬さが低下して耐摩耗性，耐塑性変形性が劣化するために、６〜１２重量％と定めたものである。
【００１３】
本発明の超硬合金における第１硬質相は、具体的には、例えば立方晶系化合物の結晶構造を有する（ＷＴｉ）Ｃ，（ＷＴｉ）ＣＮ，（ＷＴｉ）ＣＯ，（ＷＴｉ）ＣＮＯ，（ＷＴｉＴａ）Ｃ，（ＷＴｉＴａＮｂ）Ｃ，（ＷＴｉＴａ）ＣＮを挙げることができる。この第１硬質相量は、超硬合金全体に対して１５重量％未満になると、被削材との反応拡散が顕著となるために耐摩耗性が劣化し、逆に５０重量％を超えて多くなると靱性および耐熱衝撃性が低下してフライス削りにおける欠損，チッピング，熱亀裂が増大するために、１５〜５０重量％と定めたものである。また、第１硬質相の平均粒子径は、超硬合金の靭性，耐欠損性，耐摩耗性をバランスよく高めるために２〜５μｍでなることが好ましい。
【００１４】
本発明の超硬合金における板状晶ＷＣを含有した第２硬質相は、板状晶ＷＣの結晶方位が特定方向に配向したもので、具体的には、超硬合金製チップのすくい面に並行な面をｐ面とし、逃げ面に並行な面をｈ面とし、ｐ面およびｈ面におけるＷＣ結晶の（００１）面と（１０１）面でのＸ線回折法によるピーク強度をそれぞれｐ（００１），ｐ（１０１），ｈ（００１）およびｈ（１０１）と表わしたとき、ｐ（００１）／ｐ（１０１）＞１．５×ｈ（００１）／ｈ（１０１）となるものである。ｐ（００１）／ｐ（１０１）≦１．５×ｈ（００１）／ｈ（１０１）では、板状ＷＣ結晶の配向効果である靱性および耐熱衝撃性の改善効果が少ない。また、第２硬質相の平均粒子径は、超硬合金の耐熱衝撃性、耐熱亀裂性，耐摩耗性をバランスよく高めるために１〜３μｍでなることが好ましい。このときの超硬合金製チップは、多面体形状でなり、具体的には、従来から用いられている刃先交換方式の切削工具であり、例えば円盤体状の３面体，三角柱体状の５面体，四角柱体状の６面体を挙げることができる。
【００１５】
以上に詳述してきた本発明の超硬合金を基体とし、この基体上に総膜厚さが１〜１５μｍでなる各種の被膜を被覆して、本発明のフライス切削用強靱性被覆超硬合金とすることもできる。この本発明の被覆超硬合金における被膜は、具体的には、例えば周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素，Ａｌ，Ｓｉの炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互固溶体，立方晶窒化硼素，硬質窒化硼素の中の１種の単層または２種以上の複層でなる構成を挙げることができる。これらの被膜の内、炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタン，炭酸化チタン，炭窒酸化チタン，窒化チタン・アルミニウム，炭窒化チタン・アルミニウム，窒酸化チタン・アルミニウム，炭窒酸化チタン・アルミニウム，酸化アルミニウムの中の１種の単層または２種以上の複層で構成された硬質膜を２〜１０μｍ膜厚さに被覆されていると、より耐摩耗性の向上と長寿命化が達成されることから好ましいことである。この被膜は、耐摩耗性，耐チッピング性，耐剥離性から総膜厚さを１〜１５μｍと定めたものである。
【００１６】
この本発明の被覆超硬合金における硬質膜は、単層として用いる場合は、例えばＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＯ，ＴｉＣＮ，ＴｉＮＯ，ＴｉＣＮＯ，（ＴｉＡｌ）Ｎ，（ＴｉＡｌ）ＮＣでなる硬質膜が好ましく、複層として用いる場合は、例えば基体側から順次ＴｉＣ−ＴｉＣＮ−ＴｉＮ，ＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＴｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＮ，ＴｉＮ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＮ，ＴｉＮ−（ＴｉＡｌ）Ｎ−ＴｉＮとする積層の硬質膜が好ましいことである。これらの硬質膜は、化学量論組成または非化学量論組成からなっている場合でもよい。
【００１７】
本発明の超硬合金は、以下の製造方法により超硬合金中に板状晶ＷＣを多量晶出し、かつ一定方向に配向させるようにする以外は従来から行われている超硬合金の製法である粉末冶金法により作製することができる。また、このようにして作製した超硬合金を基体とし、この基体の表面に従来から行われている物理蒸着法，化学蒸着法，プラズマ化学蒸着法により被膜を被覆すると本発明の被覆超硬合金を得ることができる。
【００１８】
本発明の超硬合金を作製するための特徴は、具体的には、例えば、まずＷ，Ｃｏ，Ｗ−Ｃｏ合金，ＷとＣｏを含む合金，Ｗ−Ｃｏ−Ｃの複合固溶体炭化物，ＷとＣｏとＣとを含む複合固溶体炭化物の中から選ばれた少なくとも１種の出発物質とカ−ボン，黒鉛，加熱により炭素に変換する物質の中の少なくとも１種の炭素源物質とからなる混合物質を粉末成形体工程，加熱によるＷとＣｏとＣとを含む複合固溶体炭化物の生成工程（これらの中でＷは、Ｗの一部を周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の中の１種以上と置換すること、Ｃｏは，Ｃｏの一部をＮｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅの中の１種以上と置換することも好ましい）焼結工程を経て作製することである。このとき、混合物質には、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の粉末を所定量添加すること、および／またはＮｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｗなどの少なくとも１種の粉末を所定量添加し、目的の超硬合金の組成成分を得るための成分調整とすることも好ましいことである。すなわち、本発明の超硬合金を作製するための最大の特徴は、出発物質中または焼結までの加熱工程中において、ＷとＣｏとＣとでなる複合固溶体炭化物を存在させるようにすることである。
【００１９】
【作用】
本発明の超硬合金および被覆超硬合金は、超硬合金中に多量含有された板状晶ＷＣの（００１）結晶面が多面体形状でなる超硬合金製チップのすくい面に並行に配向されて、すくい面の硬さおよび靭性を顕著に高める作用をし、フライス切削時における耐摩耗性，耐塑性変形性，耐熱衝撃性および耐欠損性を高める作用をし、かつ超硬合金製チップ全体でもってフライス切削時における断続的切削による耐衝撃性と断続的熱サイクルによる耐熱衝撃性を高める作用をしているものである。
【００２０】
【実施例】
市販されている平均粒子径の２．２μｍのＷ（表中、「Ｗ１」と記す），３．２μｍのＷ（表中、「Ｗ２」と記す），１．０μｍのＣｏ，６μｍの黒鉛（表中、「Ｇ」と記す），１．０μｍのＷＣ（表中、「ＷＣ１」と記す），３．３μｍのＷＣ（表中、「ＷＣ２」と記す），４．５μｍのＷＣ（表中、「ＷＣ３」と記す），１．０μｍの（ＷＴｉ）Ｃ炭化物（ｗｔ％でＷＣ：ＴｉＣ＝７０：３０），１．０μｍのＴａＣ，１．２μｍのＴｉＮ，１．５μｍのＮｂＣの各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボ−ルと共に挿入し、比較品３と５を１６８時間混合粉砕した以外は全て４８時間混合粉砕とした後、乾燥して混合粉末を得た。これらの混合粉末を用いて、ＪＩＳ規格Ｂ４１２０に記載のＳＰＧＮ１２０３０８形状用金型で２ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプレス成形し、得られた粉末成形体を雰囲気圧力１０Ｐａの真空中で、本発明品３，４および比較品４を１３８０℃，比較品３，５を１４８０℃とした以外は全て１４００℃の温度で１時間保持により焼結して本発明品１〜５および比較品１〜５を得た。
【００２１】
こうして得た本発明品１〜５および比較品１〜５のそれぞれの上面（すくい面に相当し、プレス方向に垂直、表中では「ｐ面」と記す）と、この面に対し垂直な切断面（表中では「ｈ面」と記す）とについて、研磨加工および１μｍのダイヤモンドペ−ストによるラップ加工を施した後、Ｃｕタ−ゲット，Ｎｉフィルタ−を用いたＸ線回折法により、各面のＷＣの（００１）結晶面と（１０１）結晶面のピ−ク強度を測定し、その結果を表２に示した。また、それぞれのｈ面について、電子顕微鏡にて組織写真を撮り、それを画像処理装置で処理し、それぞれの結合相，第１硬質相である立方晶系化合物，第２硬質相である炭化タングステンの重量割合、第１硬質相と第２硬質相の平均粒径を求めて、その結果を表２に併記した。さらに、ラップ加工後のそれぞれのｐ面，ｈ面について、ビッカ−ス圧子を用いて荷重：１９６Ｎによる破壊靭性値Ｋ_1C（ＩＭ法）およびビッカ−ス硬さ（荷重；１９６Ｎ）を求めて、その結果を表３に示した。
【００２２】
次に、本発明品１〜３および比較品１〜３の超硬合金チップを２３０＃のダイヤモンド砥石を用いて研磨加工した後，（Ａ）旋削による耐摩耗性試験として、被削材：Ｓ４８Ｃ，切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み量：１．５ｍｍ，送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ，切削時間：１０ｍｉｎの条件でもって逃げ面摩耗幅を求めて、その結果を表３に併記した。また、同様に（Ｂ）フライスによる耐欠損性および耐熱亀裂性試験として、被削材：ＳＣＭ４４０，切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み量：１．５ｍｍ，初期送り：０．３ｍｍ／刃，の条件でもって１５０×２００ｍｍ²の面積を切削し、切れ刃がチッピングまたは欠損しないときは送りを増加し、切れ刃のチッピングまたは欠損しない最大送りおよびすくい面に発生する切れ刃に垂直なクラック本数（３回試験の平均値）を求めて、その結果を表３に併記した。
【００２３】
次いで、本発明品４，５および比較品４，５の超硬合金チップを２３０＃のダイヤモンド砥石を用いて研磨加工した後，イオンプレ−ティング装置を用いて、基体側から被膜厚さおよび膜質が０．５μｍＴｉＮ，２．０μｍＴｉＣＮＯ，０．５μｍＴｉＮの合計総膜厚さ３μｍの被膜を被覆した。こうして得た表面被覆超硬合金チップを用いて、（Ｃ）フライスによる耐欠損性試験として、被削材：ＳＣＭ４４０，切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ，切込み量：２．０ｍｍ，送り：０．２５ｍｍ／刃の条件でもって、切れ刃のチッピングまたは欠損までの切削距離（３回試験の平均値）を求めた結果、本発明品４が６．５ｍ，本発明品５が５．９ｍ，比較品４が３．９ｍ，比較品５が３．１ｍでそれぞれ寿命となった。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
【表３】

【００２７】
【発明の効果】
本発明のフライス切削用強靱性超硬合金は、従来の板状晶ＷＣ含有超硬合金に比較して、炭化タングステンの（００１）結晶面がすくい面側に多く配向しており、その結果超硬合金の硬さおよび破壊靭性値が高く，耐摩耗性，耐欠損性および耐熱亀裂性が顕著の優れるという効果がある。また、本発明のフライス切削用強靱性被覆超硬合金は、従来の被覆板状晶ＷＣ含有超硬合金に比較して、フライス切削において顕著に長寿命が達成されるという効果がある。

Claims

Ｃｏを主成分とする結合相：６〜１２重量％と、Ｗ元素と周期律表の４ａ，５ａ属元素の中の少なくとも１種との炭化物，炭窒化物，炭酸化物，炭窒酸化物の中の１種以上でなる立方晶系化合物の第１硬質相：１５〜５０重量％と、残りが炭化タングステンの第２硬質相と不可避不純物とからなる組成を有する多面体形状でなる超硬合金製チップにおいて、該超硬合金製チップのすくい面に並行な面をｐ面とし、すくい面に垂直な面をｈ面とし、該ｐ面および該ｈ面におけるＷＣ結晶の（００１）面と（１０１）面でのＸ線回折法によるピーク強度をそれぞれｐ（００１），ｐ（１０１），ｈ（００１）およびｈ（１０１）と表わしたとき、ｐ（００１）／ｐ（１０１）＞１．５×ｈ（００１）／ｈ（１０１）でなることを特徴とするフライス切削用強靱性超硬合金。
上記第１硬質相の平均粒子径が１〜３μｍでなり、上記第２硬質相の平均粒子径が２〜５μｍでなることを特徴とする請求項１に記載のフライス切削用強靱性超硬合金。
請求項１または２に記載のフライス切削用強靱性超硬合金を基体とし、該基体上に、総膜厚さが１〜１５μｍでなる単層または複層で構成された被膜を被覆してなることを特徴とするフライス切削用強靱性超硬合金。
上記被膜が炭化チタン，窒化チタン，炭窒化チタン，炭酸化チタン，炭窒酸化チタン，窒化チタン・アルミニウム，炭窒化チタン・アルミニウム，窒酸化チタン・アルミニウム，炭窒酸化チタン・アルミニウム，酸化アルミニウムの中の１種の単層または２種以上の複層で構成された硬質膜でなり、かつ該硬質膜の総膜厚さが２〜１０μｍでなることを特徴とする請求項３に記載のフライス切削用強靱性被覆超硬合金。