JP5835307B2 - 超硬合金およびこれを用いた表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
まず、本願発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す)の概要を以下の(1)〜(6)に列記して説明する。
以下、本実施形態に係る超硬合金および表面被覆切削工具についてより詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
本実施形態の超硬合金は、WC粒子と、Co、NiおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を有する結合相と、を含み、当該結合相を4質量%以上7質量%未満の範囲で含有する。
ここで結晶粒内方位差とは、電子線後方散乱回折(EBSD:Electron Backscatter Diffraction)法によって測定される結晶粒の歪(ひずみ)の程度を示す指標である。EBSDとは走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)における電子線回折の一種であり、その回折パターンから結晶方位を解析することができる。
結晶粒内方位差は市販されているSEMおよびEBSD装置を用いて測定することができる。結晶粒内方位差は具体的には次のようにして測定するものとする。
測定サンプルは、超硬合金の任意の表面または断面を鏡面加工することにより作製することができる。ここで鏡面加工の方法としては、たとえば、ダイヤモンドペーストで研磨する方法、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)装置を用いる方法、クロスセクションポリッシャ(CP:Cross section Polisher)装置を用いる方法、およびこれらを組み合わせた加工方法等を挙げることができる。
EBSD法による結晶粒内方位差の測定およびデータの解析は次のようにして行なわれる。
本実施形態におけるWC粒子は、その平均粒径が0.4μm以上3.0μm以下であることが好ましい。平均粒径が0.4μm未満であると合金組織に亀裂が発生した場合に亀裂の伝播が起こりやすい傾向にあり、他方3.0μmを超えると合金組織の硬度が低下する傾向にあるからである。なおここで「平均粒径」は次のようにして測定するものとする。まず上記「測定データの解析方法」の[1]で説明した方法によって、一つの結晶粒として識別された領域(面積)に対する円相当径を求め、この円相当径をWC粒子の粒子径とする。そして視野画像内のWC粒子のそれぞれについて粒子径(円相当径)を求め、それらの算術平均値を「平均粒径」とする。
本実施形態の結合相は、合金組織内でWC粒子同士を結合している。そして結合相は、Co、NiおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を有し、超硬合金に4質量%以上7質量%未満の範囲で含有されている。結合相の含有量が4質量%未満であると焼結性が低下して、その結果、合金組織の靭性が低下する場合があり、他方結合相が7質量%以上であると結合相の厚さが増加して硬度が低下する場合がある。なお結合相の含有量は、好ましくは4.5質量%以上6.5質量%以下であり、より好ましくは5質量%以上6質量%以下である。
本実施形態の超硬合金は、周期表の第4族元素(Ti、Zr、Hf等)、第5族元素(V、Nb、Ta等)および第6族元素(Cr、Mo、W等)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とから構成される化合物の1種以上を含む化合物相または固溶体相をさらに含むことができる。
本実施形態の超硬合金は、上記に示した構成の他、組織中に局所的に遊離炭素と呼ばれる異常相を含んでいても構わない。また超硬合金は、その表面に脱β層やCo富化層や表面硬化層が形成されているものであってもよい。
本実施形態の超硬合金は優れた耐摩耗性を有するため、特に耐摩耗性が要求される切削工具への適用性が高い。そのような切削工具としては、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切り工具、リーマまたはタップを例示することができる。
(WC粉末の準備)
出発原料となるWC粉末としては高温炭化処理されたものが好ましい。ここで高温炭化処理とは、具体的には1900℃〜2150℃の温度で2時間〜8時間保持してタングステンの炭化を行なう処理を示す。さらに高温炭化処理からの冷却条件は、炭化温度(1900℃〜2150℃)から1200℃〜1500℃まで2℃/min〜8℃/mimの速度で冷却するものであることが好ましい。これにより一次粒子の結晶粒内方位差を最小化することができる。
WC粉末とその他超硬合金を構成する原料との混合は、WC粒子に強い衝撃が加わらない状態で行なうことが好ましい。強い衝撃によってWC粒子に歪が加わり結晶粒内方位差が増加する場合もあるからである。
なお上記成形体の焼結は、1390℃〜1490℃までのなるべく低い温度で行なわれることが好ましい。高温で焼結が行なわれると固溶再析出現象によって結晶粒成長が促進され、超硬合金の硬度が低下して目的の性能が得られない場合もあるからである。
<表面被覆切削工具>
本実施形態の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該基材は上記に説明した本実施形態の超硬合金により構成される。本実施形態の超硬合金を基材に用いることにより、耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具を得ることができる。
本実施形態の被膜は、基材の全面を覆うようにして形成されていてもよいし、基材の一部分のみを覆うようにして形成されていてもよいが、その形成目的が切削工具の諸特性の向上(すなわち切削性能の向上)にあることから、全面を覆うかもしくは一部分を覆う場合であっても切削性能の向上に寄与する部位の少なくとも一部分を覆うことが好ましい。なお被膜の構成は部分的に異なっていてもよい。
本実施形態の被膜は、PVD法およびCVD法の少なくともいずれかの方法により形成されることが好ましい。
本実施形態の表面被覆切削工具は、上記のように超硬合金からなる基材を得、たとえばホーニング処理等の種々の刃先加工を行なった後、該基材上に被膜を形成することにより製造することができる。
以下のようにして、超硬合金から構成される基材と該基材上に被膜とを有する表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)No.1〜14を作製した。
この表面被覆切削工具No.1の基材において、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合、および平均粒径(EBSD法によるもの)を前述の方法に従って測定した。結果を表3に示す。
表面被覆切削工具No.1〜14の切削性能を以下のようにして評価した。
刃先交換型切削チップをホルダー(型番「DCLNR2525」、住友電工ハードメタル株式会社製)にセットし、次の切削条件で難削材の旋削加工を行なった。そして逃げ面摩耗量(Vb)が0.15mm以上となるか、または境界部欠損が0.30mm以上となった場合に寿命と判定し、寿命となるまでの切削時間を評価した。結果を表3に示す。
被削材:Ni基耐熱合金(インコネル718相当品)φ200丸棒
切削速度(Vc):50m/min
送り(f):0.15mm/rev
切り込み(ap):0.35mm
クーラント:あり(湿式切削)。
(i)実施例:工具No.2、6、7および11〜13
工具No.2、6、7および11〜13はその他の工具に比べて寿命までの切削時間が顕著に長く良好であった。この理由は次のように考えることができる。合金組織中において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上であることにより、結晶性の高いWC粒子同士が連なることができ、切削時に効率的に熱を放散して刃先温度を低く維持できる。これにより加工中における工具材料の強度低下が抑制されると考えられる。そして加工中の刃先温度が低いために逃げ面摩耗の進行が抑制され、工具寿命が向上すると考えることができる。
工具No.1は、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が91.2%と非常に高いものであったにも関わらず、切削時間2分で境界欠損が0.30mm以上となり寿命と判定された。この理由は、工具No.1ではCo配合量が3.5質量%(4.0質量%未満)と少なかったため焼結性が悪く、工具材料の強度が十分ではなかったと考えられる。したがって超硬合金における結合相の含有量は4質量%以上であることを要する。
工具No.3および4は、いずれも寿命までの切削時間が短く、寿命要因は境界部欠損によるものであった。このような結果になった理由は、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が特に低い(70%未満)ことに起因していると考えることができる。すなわち、合金組織において結晶性の低いWC粒子が相対的に多くなり、これらのWC粒子が熱を拡散し難いため、切削時に刃先温度が上昇し、材料強度が低下して欠損が生じたと考えられる。
工具No.5および8〜10は、いずれも逃げ面摩耗が原因で短時間で寿命となった。これらの工具では、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が低く(いずれも80%未満)熱を逃がし難いため、刃先温度が上昇し逃げ面摩耗の進行が促進されたものと考えられる。
工具No.14は、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が91.5%と非常に高いものであったにも関わらず、切削時間3分で逃げ面摩耗が0.15mm以上となり寿命と判定された。この理由は、工具No.14ではCo配合量が7.5質量%(7.0質量%を超過)と多かったため、本切削条件のように切削時に工具温度が高くなりやすい切削では、基材の硬度が低下しやすく逃げ面摩耗の進行が早まったものと考えられる。
以下のようにして、超硬合金から構成される切削工具(刃先交換型切削チップ)No.15〜21を作製した。
この切削工具No.15において、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合、および平均粒径(EBSD法によるもの)を前述の方法に従って測定した。結果を表6に示す。
切削工具No.15〜21の切削性能を以下のようにして評価した。
刃先交換型切削チップをホルダー(型番「DCLNR2525」、住友電工ハードメタル株式会社製)にセットし、次の切削条件で難削材の旋削加工を行なった。そしてコンパレータを用いて逃げ面摩耗量と欠損量を測定し、逃げ面摩耗量または欠損量が0.30mm以上となるまでの切削時間を計測した。結果を表6に示す。
被削材:Ti合金(Ti−6Al−4V)φ250丸棒
切削速度(Vc):95m/min
送り(f):0.22mm/rev
切り込み(ap):0.60mm
クーラント:あり(湿式切削)。
(i)実施例:工具No.15
工具No.15は、合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上であり、耐摩耗性に優れていた。ただし、これと同様に合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上である工具No.16、17、19および20と比較すると寿命はやや短い結果であった。この理由は、WC粒子の平均粒径が0.4μm未満と小さいために、切削時に発生した亀裂が伝播しやすく早期に欠損を生じたものと考えることができる。
工具No.21は、合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上であり、耐欠損性に優れていた。ただし、これと同様に合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上である工具No.16、17、19および20と比較すると寿命はやや短い結果であった。この理由は、WC粒子の平均粒径が3.5μmと大きいために、硬度が低下して逃げ面摩耗が進行しやすかったものと考えることができる。
工具No.16は、合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上であり、耐摩耗性に優れていた。ただし、これと同様に合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が80%以上である工具No.17、19および20と比較すると寿命はやや短い結果であった。この理由は、工具No.16はWC粒子の平均粒径が0.4μm以上であり硬度は高く逃げ面摩耗は進行し難かったが、工具No.17、19および20と比較するとWC粒子の平均粒径が小さく亀裂の伝播を抑えるという観点からはこれらに劣り、欠損しやすいものであったと推定される。
工具No.18は寿命までの切削時間が4分であり、その他に比べ特に寿命が短かった。この理由は、合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が低い(80%未満)ことに起因していると考えることができる。前述のようにこのような合金組織は熱を放散し難いため、切削時に刃先温度が上昇し、逃げ面摩耗の進行が促進されたものと考えることができる。
以下のようにして、超硬合金から構成される基材と該基材上に被膜とを有する表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)No.22〜28を作製した。
この表面被覆切削工具No.22の基材において、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合、および平均粒径(EBSD法によるもの)を前述の方法に従って測定した。結果を表9に示す。
表面被覆切削工具No.22〜28の切削性能を以下のようにして評価した。
刃先交換型切削チップをホルダー(型番「DCLNR2525」、住友電工ハードメタル株式会社製)にセットし、次の切削条件で鋼の旋削加工を行なって逃げ面摩耗量(Vb)が0.20mm以上となる切削時間(工具寿命)を測定した。なお逃げ面摩耗量が0.20mm以上となる以前に欠損したものはその時点で寿命と判定した。結果を表9に示す。
被削材:SCM435 φ350mm丸棒
切削速度(Vc):330m/min
送り(f):0.40mm/rev
切り込み(ap):1.8mm
クーラント:あり(湿式切削)。
(i)実施例:工具No.25および26
工具No.25および26は、工具No.22〜24に比して工具寿命が長く耐摩耗性に優れていた。この理由は、工具No.25および26は合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が多いため、切削加工中に熱が放散されて刃先温度が低温となり、クレーター摩耗の進行が抑制されたものと考えることができる。
工具No.22〜24はクレーター欠損により短時間で寿命となった。この理由は、合金組織において結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合が低いため(いずれも80%未満)、前述のように切削時に熱を放散し難く、刃先温度の上昇に伴いクレーター摩耗が進行し、欠損に至ったものと考えられる。
工具No.28は、短時間でVbが0.2mm以上となり最も早く欠損に至った。この理由は、Co配合量が8質量%(7質量%以上)と多いため、本切削条件のように工具温度が上がりやすい切削では、硬度が低下しやすく逃げ面摩耗の進行が早かったものと考えられる。
工具No.27は最終的にVbが0.2mmに達し寿命と判定されたが、その工具寿命は22分と十分長いものであった。この結果は、ほぼ同等の条件で製造された工具No.28と対照的な結果である。このような違い生じる理由はCo配合量の違いにあると考えられる。すなわち工具No.28ではCo配合量が8質量%(7質量%以上)であったのに対して、工具No.27ではCo配合量が6質量%(7質量%未満)と少ないことで硬度が高まり、逃げ面摩耗の進行が抑制されたと考えることができる。
以下のようにして、超硬合金から構成される基材と該基材上に被膜とを有する表面被覆切削工具(刃先交換型切削チップ)No.29〜34を作製した。
この表面被覆切削工具No.29の基材において、結晶粒内方位差が0.75°以下であるWC粒子の割合、および平均粒径(EBSD法によるもの)を前述の方法に従って測定した。結果を表12に示す。
表面被覆切削工具No.29〜34の切削性能を以下のようにして評価した。
刃先交換型切削チップをホルダー(型番「DCLNR2525」、住友電工ハードメタル株式会社製)にセットし、次の切削条件で鋼の断続切削加工を行なった。そしてN=4として、欠損に至るまでの被削材のスリット部による平均衝撃回数を計測した。結果を表12に示す。
被削材:SCM435丸棒(丸棒に4本のスリットあり)
切削速度(Vc):310m/min
送り(f):0.21mm/rev
切り込み(ap):1.7mm
クーラント:あり(湿式切削)。
(i)実施例:工具No.29
工具No.29は、工具No.30〜33に比して平均衝撃回数が少なかった。この理由は、WC粒子の平均粒径が0.3μm(0.4μm未満)と小さく切削時に発生した亀裂が伝播しやすかったものと推定される。
工具No.34も、工具No.30〜33に比して平均衝撃回数が少なかった。この理由は、WC粒子の平均粒径が3.4μm(3.0μmを超過)と大きく、硬度が低くなり断続切削時の衝撃で基材が変形して欠損に至ったものと推定される。
2 結晶粒内方位差が0.75°〜1.0°であるWC粒子
3 結晶粒内方位差が1.0°以上であるWC粒子
4 結合相
Claims (5)
- 炭化タングステン粒子と、
コバルト、ニッケルおよび鉄からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を有する結合相と、を含み、
前記結合相を4質量%以上7質量%未満の範囲で含有し、
前記炭化タングステン粒子のうち、結晶粒内方位差が0.75°以下である炭化タングステン粒子の割合は、前記炭化タングステン粒子の全粒子数に対して80%以上である、超硬合金。 - 前記炭化タングステン粒子の平均粒径は、0.4μm以上3.0μm以下である、請求項1に記載の超硬合金。
- 前記超硬合金は、周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とから構成される化合物の1種以上を含む化合物相または固溶体相をさらに含み、
前記化合物相または前記固溶体相を、0.1質量%以上50質量%以下の範囲で含有する、請求項1または請求項2に記載の超硬合金。 - 前記超硬合金は、切削工具に用いられる、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の超硬合金。
- 基材と、前記基材上に形成された被膜とを備え、
前記基材は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の超硬合金により構成される、表面被覆切削工具。
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