JP6395053B2 - 耐欠損性と耐塑性変形性にすぐれた表面被覆ｗｃ基超硬合金製切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、耐欠損性と耐塑性変形性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。

従来、鋼や鋳鉄の切削加工用工具としては、ＷＣ基超硬合金を工具基体とし、その表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物のうち一種またはそれ以上の層、また、必要に応じて、４ａ，５ａ，６ａ族の炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの固溶体もしくは化合物並びに酸化アルミニウムから選ばれる一種もしくはそれ以上からなる単層または複層を被覆形成した被覆超硬工具が知られている。
従来の被覆超硬工具においては、高負荷の切削条件に対応するため、工具の特性改善が求められており、このような課題を解決すべく、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に示すように、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種とＣｒとを含有した３〜１５重量％の結合相と、３〜１５重量％のＺｒを含有する立方晶化合物（好ましくは、立方晶化合物全体に対してＺｒを含有する立方晶化合物は５〜５０重量％）と、残りが炭化タングステンとからなり、さらに、窒素量を０．１〜０．３重量％、酸素量を０．０１〜０．１重量％とし、特に、酸素量低減によってＺｒＣおよびＣｒ_３Ｃ_２の添加効果を高めて、強度、靱性、耐塑性変形性を向上させた被覆超硬工具が提案されている。

また、例えば、特許文献２に示すように、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末を含むとともに、Ｚｒ化合物粉末、Ｎｂ化合物粉末、Ｔａ化合物粉末、あるいは、これらの複合化合物粉末を含む原料粉末を成形、焼結したＷＣ超硬合金の基体表面に、Ｃｏ富化表面領域を形成し、該Ｃｏ富化表面領域のＣｏ含有量を超硬合金内部のＣｏ含有量の１．３０〜２．１０（質量比）とし、さらに、Ｃｏ富化表面領域のＮｂ及びＴａの合計含有量を同領域のＣｏ含有量の０．０２５〜０．０８５（質量比）とすることにより、切刃に衝撃的かつ断続的高負荷が作用する断続重切削加工における耐チッピング性、耐熱塑性変形性を向上させた被覆超硬工具が提案されている。

特開２００８−６９４２０号公報 特開２０１２−６１５３６号公報

近年の切削加工の高性能化はめざましく、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が強く、これに伴い、切削加工は一段と高速化・高能率化の傾向にあるが、前記特許文献１、２に示す従来被覆超硬工具においては、これを通常の条件下で使用した場合には特段の問題は生じないが、例えばＮｉ基合金等の耐熱合金の断続重切削加工に供した場合には、硬質被覆層の強度が十分でなく、加工硬化層との擦れによって境界損傷が発生しやすく、さらに、切刃に作用する高負荷によって、欠損、塑性変形が発生しやすいため、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで本発明者は、上述のような観点から、Ｎｉ基合金等の耐熱合金の断続重切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐欠損性、耐塑性変形性を発揮し、異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すような被覆超硬工具について鋭意研究したところ、以下の知見を得た。

すなわち、特許文献１に示される従来の被覆超硬工具においては、Ｎｉ基合金等の耐熱合金の断続重切削加工に供した場合に、ある程度の耐欠損性を発揮するものの、耐塑性変形性が十分ではないため、偏摩耗を発生しやすく、これによって被覆超硬工具の寿命が短命となる。
また、特許文献２に示される従来の被覆超硬工具においては、その靭性、耐チッピング性を向上させるために、基体表面にＣｏ富化領域を形成することが行われているが、Ｃｏ富化領域の強度が基体内部より低いことや、また成膜中あるいは切削加工中に基体表面のＣｏが被膜中へ拡散し被膜強度を低下させるため、耐熱合金の断続重切削加工のような高負荷切削においては、塑性変形や欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすくなり、被覆超硬工具の寿命が短命となる。

そこで、本発明者は、被覆超硬工具について、耐欠損性及び耐塑性変形性を向上させるための基体の構造について鋭意研究を進めたところ、ＷＣ基超硬合金焼結体からなる工具基体表面にＣｏ富化領域を形成することなく、工具基体表面近傍（基体表面から基体内部側へ１〜２ｍｍまでの範囲の領域）においては、平均酸素含有量および平均窒素含有量をそれぞれ０．２質量％以下に低減して、一方、基体表面から基体内部側へ１〜２ｍｍまでの範囲を超えたさらに基体内部領域においては、平均酸素含有量を基体表面近傍より高めて０．５質量％以上とすることにより、耐欠損性の向上とともに耐塑性変形性の向上を、同時に達成し得ることを見出したのである。
また、本発明者は、ＷＣ基超硬合金焼結体からなる工具基体表面近傍に、上記平均酸素含有量および平均窒素含有量の領域を形成し、また、基体内部に所定酸素含有量の領域を形成するためには、所定の原料粉末を配合した混合粉末に酸化処理を施し、これを圧粉体とし、所定圧力の水素雰囲気と真空雰囲気とを交互に繰り返す焼結雰囲気中でこの圧粉体を焼結すればよいこと、ついで、上記ＷＣ基超硬合金焼結体からなる工具基体の表面に、通常の化学蒸着法により硬質被覆層（例えば、Ｔｉ系化合物層、Ａｌ_２Ｏ_３層等）を蒸着形成すれば、本発明の被覆超硬工具を作製し得ることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 硬質相成分としてＷＣを含有し、さらに、結合相成分としてＣｏを含有するＷＣ基超硬合金を工具基体とし、該工具基体表面に、硬質被覆層を化学蒸着で被覆形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、
（ａ）上記工具基体表面には、該工具基体表面から工具基体内部に向かって１〜２ｍｍの深さにわたり、平均酸素含有量が０．２質量％以下、かつ、平均窒素含有量が０．２質量％以下である低酸素低窒素含有領域が形成され、
（ｂ）上記低酸素低窒素含有領域よりもさらに工具基体の内部領域においては、平均酸素含有量は、０．５質量％以上であり、
（ｃ）上記低酸素低窒素含有領域におけるＣｏの平均含有量が、上記内部領域におけるＣｏの平均含有量に対する比率で、１．００〜１．１０であることを特徴とする表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
（２） 上記ＷＣ基超硬合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちから選ばれる少なくとも１種の硬質相形成成分元素を、その合計含有量で１５質量％以下含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
（３） 上記硬質被覆層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層およびＡｌ_２Ｏ_３層のうちから選ばれる少なくとも１層であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
なお、本発明でいう「質量％」は、ＷＣ、Ｃｏ等の金属およびＣ、Ｎ等の非金属の全成分に対する割合のことをいう。

次にこの発明の被覆超硬工具について、詳細に説明する。

ＷＣ基超硬合金からなる工具基体：
図１に示すように、本発明の被覆超硬工具は、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体と、この表面に被覆形成された硬質被覆層からなる。
工具基体を構成するＷＣ基超硬合金には、硬質相成分としてＷＣ、また、結合相成分としてＣｏを少なくとも含有する。
Ｃｏ成分には、結合相を形成して基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、ＷＣ基超硬合金中のＣｏ平均含有割合が５質量％未満では、特に靭性に所望の向上効果が得られず、一方、Ｃｏ平均含有割合が１２質量％を越えると、塑性変形が起り易くなって、偏摩耗の進行が促進されるようになることから、ＷＣ基超硬合金中のＣｏの平均含有量は５〜１２質量％とすることが望ましい。
なお、従来の被覆超硬工具においては、工具基体表面にＣｏ含有量を富化した所謂Ｃｏ富化領域を形成することも行われているが、Ｃｏ富化領域を形成した場合、硬質被覆層中へＣｏが拡散し、硬質被覆層の強度が低下し、刃先に高負荷が作用するＮｉ基耐熱合金等の断続重切削加工においては、欠損・剥離が発生しやすくなるため、本発明では、Ｃｏ富化領域を形成しない。
したがって、本発明においては、工具基体中のＣｏ含有量は全体にわたってほぼ一定となる。

低酸素低窒素含有領域：
本発明では、工具基体表面からその内部に向かって１〜２ｍｍまでの深さに低酸素低窒素含有領域を形成し、該低酸素低窒素含有領域においては、平均酸素含有量が０．２質量％以下、かつ、平均窒素含有量が０．２質量％以下とする。
工具基体表面近傍に、このような低酸素低窒素含有領域が形成されるようにすることによって、ＷＣ基超硬合金の焼結に際して、焼結性が良好となり、また、焼結体中のポアの生成量も低減されるため、これを工具基体とした被覆超硬工具は、刃先に高負荷が作用するＮｉ基耐熱合金等の断続重切削加工において、すぐれた耐欠損性を示す。
また、本発明の被覆超硬工具は、工具基体表面に前記Ｃｏ富化領域を形成していないことから、硬質被覆層の強度劣化が生じることはなく、Ｎｉ基耐熱合金等の断続重切削加工において、境界損傷の発生が抑制される。
前記低酸素低窒素含有領域において、平均酸素含有量を０．２重量％以下としたのは、平均酸素含有量が０．２質量％を越えると、工具基体の強度が低下するためであり、また、平均窒素含有量を０．２質量％以下としたのは、平均窒素含有量が０．２質量％を越えると、耐摩耗性が低下するという理由による。
なお、ＷＣ基超硬合金焼結体からなる工具基体中の平均酸素含有量あるいは平均窒素含有量を、０．００１質量％以下に低減することは工業上困難であることから、前記低酸素低窒素含有領域における平均酸素含有量および平均窒素含有量は、それぞれ、０．００１〜０．２質量％の範囲内であればよい。

工具基体の内部領域：
前記低酸素低窒素含有領域よりさらに工具基体の内部側である内部領域において、平均酸素含有量を０．５質量％以上（好ましくは、０．５〜１．０質量％）に高めることにより、工具基体の耐塑性変形性が高まる。
即ち、工具基体の内部領域において酸素含有量が０．５質量％以上、好ましくは、０．５〜１．０質量％、になると、ＣｏがＷＣ粒子の周りに回り込みにくくなるために、ＷＣ粒子同士の強固な結合が形成され、その結果、耐塑性変形性が向上する。
したがって、前記低酸素低窒素含有領域における平均酸素含有量を０．２質量％以下、かつ、平均窒素含有量を０．２質量％以下とし、さらに、工具基体の内部領域における平均酸素含有量を０．５質量％以上とした工具基体表面に硬質被覆層を被覆形成した本発明の被覆超硬工具は、切れ刃に高負荷が作用するＮｉ基耐熱合金等の断続重切削加工において、すぐれた耐欠損性および耐塑性変形性を示し、その結果、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能が発揮される。

Ｃｏの平均含有量：
本発明においては、工具基体表面にＣｏ富化領域を形成せず、工具基体全体にわたってＣｏ含有量がほぼ均一となるようにする。これは、記述のようにＣｏ富化領域を形成した場合、硬質被覆層へのＣｏの拡散が生じることによって、硬質被覆層の強度が低下するからである。
本発明では、前記低酸素低窒素含有領域におけるＣｏの平均含有量が、工具基体の前記内部領域におけるＣｏの平均含有量に対して１．００〜１．１０の比率とする。この比率が１．１を超える場合は工具基体表面の強度が低下し、切削加工中に塑性変形が生じやすくなり、１．００を下回ると耐欠損性が低下するためである。

ＷＣ以外の硬質相形成成分：
本発明のＷＣ基超硬合金からなる工具基体は、硬質成分であるＷＣ以外に、硬質相形成成分として、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちから選ばれる少なくとも１種を含有することができ、これらの硬質相形成成分は工具基体中で、前記Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちから選ばれる少なくとも１種の炭化物からなる硬質相成分、あるいは、さらにこれらの相互固溶体からなる硬質相成分を形成し、ＷＣと相互固溶体を形成したり、結合相中に分布することにより、工具基体の強度、高温硬度を高め、耐摩耗性を向上させる。
しかし、これらの硬質相形成成分は、工具基体全体としての靭性及び耐チッピング性を低下させるようになることから、その含有量は合計で１５質量％以下とすることが望ましい。

工具基体の作製：
本発明のＷＣ基超硬合金からなる工具基体は、例えば、以下の手順で作製することができる。
原料粉末として、所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末およびＮｂＣ粉末を、所定の配合組成になるように配合し、混合、減圧乾燥した混合粉末を、１００ｋＰａの酸素雰囲気下において１００℃で１０分間保持することで酸化処理して混合粉末中の酸素濃度を高め、その後、所定形状の圧粉体を作製する。
ついで、この圧粉体の焼結時の昇温過程で、所定分圧（６．５ｋＰａ）の水素フローと真空（１Ｐａ）雰囲気を交互に複数回繰り返し、その後、真空（１Ｐａ）雰囲気中で所定の焼結温度で焼結することによって、焼結体を得る。
ついで、焼結体を研削加工し、所定形状のＷＣ基超硬合金からなる工具基体を作製する。
上記の手順・処理によって、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面近傍（工具基体表面から工具基体内部に向かって１ｍｍの深さの範囲）に、低酸素低窒素含有領域が形成され、また、工具基体内部側には、平均酸素含有量が０．５質量％以上である内部領域が形成され、そして、前記低酸素低窒素含有領域におけるＣｏの平均含有量が、工具基体の前記内部領域におけるＣｏの平均含有量に対して１．００〜１．１０の比率であるＷＣ基超硬合金からなる工具基体を作製することができる。

工具基体表面の硬質被覆層：
本発明では、工具基体表面に被覆する硬質被覆層としては、従来から知られている硬質被覆層、例えば、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層およびＡｌ_２Ｏ_３層のうちから選ばれる１層または２層以上の硬質被覆層を被覆形成することができる。
なお、上述した硬質被覆層ばかりでなく、従来から知られている硬質被覆層を被覆形成することを何ら妨げるものではない。

本発明の被覆超硬工具は、工具基体表面から工具基体内部に向かって１ｍｍの深さにわたり、平均酸素含有量が０．２質量％以下、かつ、平均窒素含有量が０．２質量％以下である低酸素低窒素含有領域が形成され、該低酸素低窒素含有領域よりもさらに工具基体内部側の内部領域においては、平均酸素含有量は、０．５質量％以上であり、また、工具基体全体にわたってＣｏ含有量が均一（即ち、低酸素低窒素含有領域におけるＣｏの平均含有量が、工具基体の内部領域におけるＣｏの平均含有量に対して比率で１．００〜１．１０であって、工具基体表面にＣｏ富化領域が形成されていないことによって、切刃に高負荷が作用するＮｉ基耐熱合金等の断続重切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐欠損性、耐塑性変形性を発揮し、異常損傷、偏摩耗の発生もなくすぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮することができるのである。

本発明の被覆超硬工具の縦断面模式図である。

この発明を、実施例に基づいて、以下に説明する。

（ａ） 原料粉末として、いずれも０．５〜８．０μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＺｒＣ粉末、ＺｒＮ粉末、ＴａＣ粉末およびＮｂＣ粉末を、表１に示す割合に配合し、さらに溶剤を加えて２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した混合粉末を、表２に示す酸化処理条件で酸化処理して酸素含有量を高め、ついで、この混合粉末を、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形することにより、本発明圧粉体１〜８を作製した。
（ｂ） 上記プレス成形により得た本発明圧粉体１〜８を焼結するにあたり、表３に示す条件の焼結プロセスで焼結して本発明焼結体１〜８を作製し、これを研削にて、ＣＮＭＧ１２０４０８に規定されるインサート形状に加工することによって、表５に示す本発明のＷＣ基超硬合金基体（以下、「本発明工具基体」という）１〜８を製造した。
（ｃ） 次いで、上記本発明工具基体１〜８の表面に、表７に示す硬質被覆層を化学蒸着により被覆形成することにより、表５に示される低酸素低窒素含有領域、内部領域を備え、あるいは、更にＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａを含有する本発明の被覆超硬工具（以下、「本発明工具」という）１〜８を作製した。

上記で作製した本発明工具１〜８について、工具基体表面から工具基体内部に向かって１ｍｍの深さの範囲に形成された低酸素低窒素含有領域の酸素含有量、窒素含有量、また、工具基体の内部領域の酸素含有量、さらに、低酸素低窒素含有領域と内部領域のＣｏ含有量をオージェ電子分光分析（ＡＥＳ）により１０点測定して、その平均値を、それぞれの平均含有量として求めた。
また、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちから選ばれる少なくとも１種が含有されている場合は、同様に、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）による１０点測定の平均値として、それぞれの合計含有量の平均を求めた。
表５に、各成分の平均含有量を示す。

比較のため、前記（ａ）で作製した混合粉末を、酸化処理することなく、そのまま、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形することにより、比較例圧粉体１〜８を作製した。
ついで、比較例圧粉体１〜８を、表４に示す条件で焼結して比較例焼結体１〜８を作製し、これを研削にて、ＣＮＭＧ１２０４０８に規定されるインサート形状に加工することによって、表６に示す比較例のＷＣ基超硬合金基体（以下、「比較例工具基体」という）１〜８を製造した。
次いで、上記比較例工具基体１〜８の表面に、表７に示す硬質被覆層を化学蒸着により被覆形成することにより、表６に示される平均酸素含有量、平均窒素含有量、平均Ｃｏ含有量、示す比較例の被覆超硬工具（以下、「比較例工具」という）１〜８を作製した。

上記で作製した比較例工具１〜８について、本発明工具１〜８の場合と同様に、工具基体表面から工具基体内部に向かって１ｍｍの深さの範囲における酸素含有量、窒素含有量、また、工具基体の内部領域の酸素含有量、さらに、工具基体表面から工具基体内部に向かって１ｍｍの深さの範囲の領域と内部領域のＣｏ含有量を、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）により１０点測定して、その平均値を、それぞれの平均含有量として求めた。
また、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちから選ばれる少なくとも１種が含有されている場合は、同様に、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）による１０点測定の平均値として、それぞれの合計含有量の平均を求めた。
表５、表６に、上記の各測定値を示す。

つぎに、上記本発明工具１〜８および比較例工具１〜８について、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、
被削材：Ｎｉ−１９質量％Ｃｒ−１８．５質量％Ｆｅ−５．２質量％Ｃｄ−５質量％Ｔａ−３質量％Ｍｏ−０．９質量％Ｔｉ−０．５質量％Ａｌの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：３．０ ｍｍ、
送り：０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５ 分、
の条件でのＮｉ基耐熱合金の断続重切削加工試験を行い、逃げ面摩耗量を測定するとともに、欠損の発生率を調べた。
表８に、その結果を示す。

表８の結果から、本発明工具１〜８は、切刃に高負荷が作用するＮｉ基耐熱合金の断続重切削加工に供した場合であっても、すぐれた耐欠損性、耐塑性変形性を発揮し、異常損傷、偏摩耗の発生も抑制されすぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮することができる。
これに対して、比較例工具１〜８にあっては、早期にチッピング、欠損等の異常損傷を発生し、また、偏摩耗の発生により耐摩耗性も劣り、工具寿命が短命であることは明らかである。

本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、Ｎｉ基耐熱合金の断続重切削加工ばかりでなく、Ｃｏ基耐熱合金、Ｔｉ基耐熱合金等の各種耐熱合金の断続重切削加工においても、すぐれた耐欠損性、耐塑性変形性を示し、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (3)

1. 硬質相成分としてＷＣを含有し、さらに、結合相成分としてＣｏを含有するＷＣ基超硬合金を工具基体とし、該工具基体表面に、硬質被覆層を化学蒸着で被覆形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、
   （ａ）上記工具基体表面には、該工具基体表面から工具基体内部に向かって１ｍｍの深さにわたり、平均酸素含有量が０．２質量％以下、かつ、平均窒素含有量が０．２質量％以下である低酸素低窒素含有領域が形成され、
   （ｂ）上記低酸素低窒素含有領域よりもさらに工具基体の内部領域においては、平均酸素含有量は、０．５質量％以上であり、
   （ｃ）上記低酸素低窒素含有領域におけるＣｏの平均含有量が、上記内部領域におけるＣｏの平均含有量に対する比率で１．００〜１．１０であることを特徴とする表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
2. 上記ＷＣ基超硬合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａのうちから選ばれる少なくとも１種の硬質相形成成分元素を、その合計含有量で１５質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
3. 上記硬質被覆層は、Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層、炭窒酸化物層およびＡｌ_２Ｏ_３層のうちから選ばれる少なくとも１層であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。