JP2002200503A

JP2002200503A - 高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ式切削チップ

Info

Publication number: JP2002200503A
Application number: JP2000397079A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kishino; 淳岸野; Satoshi Takahashi; 高橋　　慧; Kazuki Okada; 一樹岡田; Toshiyuki Yanai; 俊之谷内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面
被覆超硬合金製スローアウエイ式切削チップを提供す
る。【解決手段】表面被覆超硬合金製スローアウエイ式切
削チップが、質量％で、Ｃｏ：８〜１０％、組成式：
（Ｗ_1-YＴｉ_Y）Ｃ（ただし、原子比で、Ｙは０．３〜
０．６を示す）を有するＷとＴｉの複合炭化物：２０〜
３０％、炭化ニオブ：５〜１０％、炭化タングステン：
残り、からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体にし
て、この焼結体は、走査型電子顕微鏡による組織観察
で、分散相が、炭化タングステン相と、芯部がＷとＴｉ
の複合炭化物で、その周辺部がＷとＴｉとＮｂの複合炭
化物で構成された有芯構造複合炭化物相とからなり、か
つ結合相がＣｏ−Ｗ系合金からなる組織を有する炭化タ
ングステン基超硬合金基体の表面に、硬質被覆層とし
て、組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎ（ただし、原子比で、
Ｘは０．１〜０．６を示す）を有する平均層厚：０．５
〜６μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層、を形成してな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化タングステ
ン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）がすぐれた
高温硬さと耐熱塑性変形性を有し、したがって高熱発生
を伴なう鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いた場合に、
すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製スロー
アウエイ式切削チップ（以下、被覆超硬チップという）
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、被覆超硬チップは、例え
ば図１（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略縦断面図
で示される形状を有し、バイトの先端部に着脱自在に取
り付けて各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削
り加工を行なうのに用いたり、エンドミル本体に着脱自
在に取り付けて、前記被削材の面削加工や溝加工、さら
に肩加工などに用いられることは良く知られるところで
ある。また上記被覆超硬チップとして、超硬基体の表面
に、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
で示す］で構成された硬質被覆層を０．５〜６μｍの平
均層厚で形成してなる被覆超硬チップが知られている。

【０００３】さらに、上記の従来被覆超硬チップの硬質
被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層が、例えば図２に概略
説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオ
ンプレーティング装置を用い、ヒータで装置内を、例え
ば雰囲気を０．５Ｐａの真空として、５００℃の温度に
加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ
−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との
間に、例えば電圧：３５Ｖ、電流：９０Ａの条件でアー
ク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素
ガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−２００Ｖの
バイアス電圧を印加する条件で形成されることも知られ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要
求は強く、これに伴い、切削加工は切削機械の高性能化
とも相俟って高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超
硬チップにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件
での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを高
速切削条件で用いると、切削加工時に発生する高熱によ
って、特に切刃のすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部
に偏摩耗の原因となる熱塑性変形が発生するようになる
ばかりでなく、前記切刃稜線部の高温硬さの著しい低下
とも相俟って切刃の摩耗進行が促進し、この結果比較的
短時間で使用寿命に至るのが現状である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、特に上記の従来被覆超硬チップ
に着目し、これにすぐれた高温硬さと耐熱塑性変形性を
具備せしめるべく研究を行った結果、（ａ）原料粉末として、炭化タングステン（以下、ＷＣ
で示す）粉末、組成式：（Ｗ_1-YＴｉ_Y）Ｃ（ただし、原
子比で、Ｙは０．３〜０．６を示す）を有するＷとＴｉ
の複合炭化物［以下、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃで示す］粉末、炭
化ニオブ（以下、ＮｂＣで示す）粉末、およびＣｏ粉末
を用いて、配合組成を、質量％で（以下、％は質量％を
示す）、Ｃｏ：８〜１０％、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ：２０〜３
０％、ＮｂＣ：５〜１０％、ＷＣ：残り、としてなる圧
粉体の焼結体で超硬基体を構成すると、この超硬基体
は、すぐれた高温硬さを有する（Ｗ，Ｔｉ）Ｃが分散相
として存在する有芯構造複合炭化物相の芯部を構成する
ことから、同じく分散相として存在するＷＣ相との共存
において、高温硬さが著しく向上したものになり、さら
にＮｂＣが、前記有芯構造複合炭化物相の芯部を構成す
る（Ｗ，Ｔｉ）Ｃの表面部と反応してＷとＴｉとＮｂの
複合炭化物［以下、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃで示す］から
なる周辺部を形成して、前記有芯構造複合炭化物相の結
合相に対する密着性を向上させると共に、焼結時にＣｏ
中への分散相を形成するＷＣの一部の固溶を促進するこ
とから、結合相がＣｏ−Ｗ系合金で構成されるようにな
り、このＣｏ−Ｗ系合金はすぐれた高温強度をもつこと
と相俟って、すぐれた耐熱塑性変形性を具備するように
なること。

【０００６】（ｂ）上記（ａ）の超硬基体の表面に、硬
質被覆層として物理蒸着法を用いて、組成式：（Ｔｉ
_1-XＡｌ_X）Ｎ（ただし、Ｘは、原子比で０．１〜０．
６）を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を形成すると、高温硬
さがさらに一段と向上するようになること。

【０００７】（ｃ）したがって、上記（ａ）の超硬基体
の表面に上記（ｂ）の硬質被覆層を蒸着形成してなる被
覆超硬チップは、すぐれた高温硬さと耐熱塑性変形性を
具備するようになることから、これを高熱発生を伴なう
高速切削加工に用いても偏摩耗が著しく抑制され、長期
に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。以上（ａ）
〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

【０００８】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、Ｃｏ：８〜１０％、組成式：（Ｗ_1-YＴｉ_Y）Ｃ（ただし、原子比で、Ｙは
０．３〜０．６を示す）を有する（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ：２０
〜３０％、ＮｂＣ：５〜１０％ＷＣ：残り、からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体
にして、この焼結体は、走査型電子顕微鏡による組織観
察で、分散相が、ＷＣ相と、芯部が（Ｗ，Ｔｉ）Ｃで、
その周辺部が（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃで構成された有芯構
造複合炭化物相とからなり、かつ結合相がＣｏ−Ｗ系合
金からなる組織を有する超硬基体の表面に、硬質被覆層
として、組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは
０．１〜０．６を示す）を有する平均層厚：０．５〜６
μｍの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、を形成してなる、高速切削
ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬チップに特徴を
有するものである。

【０００９】つぎに、この発明の被覆超硬チップにおい
て、これを構成する超硬基体（焼結体）の配合組成、硬
質被覆層のＸ値、さらに硬質被覆層の平均層厚を上記の
通りに限定した理由を説明する。（１）超硬基体の配合組成（ａ）ＣｏＣｏ成分には、焼結性を向上させ、かつ焼結体の常温強
度を向上させる作用があるが、その配合割合が８％未満
では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その
配合割合が１０％を越えると、耐熱塑性変形性が低下
し、切刃に偏摩耗が発生し易くなり、この結果摩耗進行
が促進されるようになることから、その配合割合を８〜
１０％と定めた。

【００１０】（ｂ）（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ成分には、分散相として存在する有芯構
造複合炭化物相の芯部を形成して、自身の具備するすぐ
れた高温硬さによって超硬基体の高温硬さを向上させる
作用があるが、その配合割合が２０％未満では、所望の
すぐれた高温硬さを確保することができず、一方その配
合割合が３０％を越えると、切刃に欠けやチッピング
（微小欠け）が発生し易くなることから、その配合割合
を２０〜３０％と定めた。また、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ成分の
Ｔｉ成分には、ＷＣに固溶して高温硬さを向上させる作
用があるが、その割合（Ｙ値）がＷとの合量に占める割
合で、原子比で０．３未満ではＴｉ成分の固溶が不充分
で所望のすぐれた高温硬さを確保することができず、一
方その割合（Ｙ値）が同じく０．６を越えると、自身の
靭性が急激に低下し、これが原因で切刃に欠けやチッピ
ングが発生し易くなることから、その割合（Ｙ値）を、
原子比で０．３〜０．６と定めた。

【００１１】（ｃ）ＮｂＣＮｂＣ成分には、上記の通り（Ｗ，Ｔｉ）Ｃの表面部と
反応して（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃを形成し、有芯構造複合
炭化物相の周辺部として存在して、前記有芯構造複合炭
化物相の結合相に対する密着性を向上させると共に、焼
結時にＣｏ中への分散相を形成するＷＣの一部の固溶を
促進して、高温強度のすぐれたＣｏ−Ｗ系合金の結合相
を形成し、もって超硬基体にすぐれた耐熱塑性変形性を
具備せしめる作用があるが、その配合割合が５％未満で
は、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配
合割合が１０％を越えると、切刃に欠けやチッピングが
発生し易くなることから、その配合割合を５〜１０％と
定めた。

【００１２】（２）硬質被覆層のＸ値（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層におけるＡｌは常温強度の高いＴｉ
Ｎに対して耐熱性を付与し、もってすぐれた高温硬さを
具備するようにするために固溶するものであり、したが
って組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）ＮのＸ値が原子比で０．
１未満では所望のすぐれた高温硬さを確保することがで
きず、一方その値が同０．６を越えると、切刃に欠けや
チッピングが発生し易くなることから、Ｘ値を原子比で
０．１〜０．６と定めた。

【００１３】（３）硬質被覆層の平均層厚硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の平均層厚
を、０．５〜６μｍとしたのは、その平均層厚が０．５
μｍ未満では、硬質被覆層に所望の高温硬さを付与する
ことができず、一方その平均層厚が６μｍを越えると、
切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由か
らである。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の被覆超硬チッ
プを実施例により具体的に説明する。原料粉末として、
平均粒径：３．０μｍを有するＷＣ粉末、同１．８μｍ
の（Ｗ_0.7Ｔｉ_0.3）Ｃ粉末、同１．９μｍの（Ｗ_0.5Ｔ
ｉ_0.5）Ｃ粉末、同２．０μｍの（Ｗ_0.4Ｔｉ_0.6）Ｃ粉
末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、および同１．８μｍの
Ｃｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示
される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセ
トン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、
１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形
し、この圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の
昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度
に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結
し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０５のホーニング加工
を施してＩＳＯ規格・ＳＰＧＮ１２０３０８のチップ形
状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体ａ〜ｌをそれぞ
れ製造した。

【００１５】ついで、これらの超硬基体ａ〜ｌを、アセ
トン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図２
に例示される通常のアークイオンプレーティング装置に
装入し、一方カソード電極（蒸発源）として種々の成分
組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、装置内を排気し
て０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内
を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して
１０ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で超硬基体に−８
００ｖのバイアス電圧を印加して超硬基体表面をＡｒガ
スボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒
素ガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前
記超硬基体に印加するバイアス電圧を−２００ｖに下げ
て、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放
電を発生させ、もって前記超硬基体ａ〜ｌのそれぞれの
表面に、表３に示される目標組成（Ｘ値）および目標層
厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として形成するこ
とにより本発明被覆超硬チップ１〜１２をそれぞれ製造
した。

【００１６】また、比較の目的で、表２の超硬基体ａ’
〜ｌ’に示される通り、超硬基体の配合組成を、高温硬
さおよび耐熱塑性変形性の少なくともいずれかに影響を
及ぼす（Ｗ，Ｔｉ）ＣおよびＮｂＣのいずれかの配合割
合がこの発明の範囲から外れた配合組成とする以外は同
一の条件で、表４に示される通りの比較被覆超硬チップ
１〜１２をそれぞれ製造した。

【００１７】なお、本発明被覆超硬チップ１〜１２およ
び比較被覆超硬チップ１〜１２について、走査型電子顕
微鏡およびオージェ分光分析装置を用いて、超硬基体の
組織を観察したところ、いずれもＷＣ相と、芯部が
（Ｗ，Ｔｉ）Ｃで、その周辺部が（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ
で構成された有芯構造複合炭化物相の分散相と、Ｃｏ−
Ｗ系合金の結合相からなる組織を示し、さらに硬質被覆
層について、その組成（厚さ方向中央部を測定）および
厚さ（断面測定）を測定したところ、いずれも目標組成
および目標層厚と実質的に同じ値を示した。

【００１８】つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜１
２および比較被覆超硬チップ１〜１２について、これを
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：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：１．５ｍｍ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、切削時間：２０分、の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、切削速度：２３０ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：１．５ｍｍ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、切削時間：２０分、の条件での鋳鉄の乾式高速連続旋削加工試験、をそれぞ
れ行い、いずれの乾式高速旋削加工試験でも切刃の逃げ
面摩耗幅を測定した。この測定結果を表３、４にそれぞ
れ示した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】

【発明の効果】表１〜４に示される結果から、本発明被
覆超硬チップ１〜１２は、いずれもすぐれた高温硬さお
よび耐熱塑性変形性を有することから、鋼や鋳鉄の切削
加工を高い発熱を伴う高速で行っても、切刃に偏摩耗や
チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するの
に対して、比較被覆超硬チップ１〜１２に見られる通り
超硬基体の配合成分である（Ｗ，Ｔｉ）ＣおよびＮｂＣ
のいずれかの配合割合がこの発明の範囲から外れると、
高温硬さおよび耐熱塑性変形性のうちの少なくともいず
れかの性質が不充分となることから、切刃に偏摩耗やチ
ッピングが発生し、さらに摩耗進行が促進されるように
なって、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかで
ある。上述のように、この発明の被覆超硬チップは、各
種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこ
と、特に高速切削加工においてもすぐれた耐摩耗性を発
揮し、使用寿命の延命化を可能にするものであるから、
切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に
十分満足に対応できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図で、
（ｂ）は同概略縦断面図である。

【図２】アークイオンプレーティング装置の概略説明図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ａ (72)発明者岡田一樹茨城県結城郡石下町大字古間木1511番地三菱マテリアル株式会社筑波製作所内 (72)発明者谷内俊之茨城県結城郡石下町大字古間木1511番地三菱マテリアル株式会社筑波製作所内Ｆターム(参考） 3C046 FF03 FF10 FF13 FF25 FF32 FF38 FF39 4K018 AD06 FA24 KA16 4K029 AA04 BA58 BC02 BD05 CA03 DD06 EA01 FA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃｏ：８〜１０％、組成式：（Ｗ_1-YＴｉ_Y）Ｃ（ただし、原子比で、Ｙは
０．３〜０．６を示す）を有するＷとＴｉの複合炭化
物：２０〜３０％、炭化ニオブ：５〜１０％、炭化タングステン：残り、からなる配合組成を有する圧
粉体の焼結体にして、この焼結体は、走査型電子顕微鏡
による組織観察で、分散相が、炭化タングステン相と、
芯部がＷとＴｉの複合炭化物で、その周辺部がＷとＴｉ
とＮｂの複合炭化物で構成された有芯構造複合炭化物相
とからなり、かつ結合相がＣｏ−Ｗ系合金からなる組織
を有する炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、硬
質被覆層として、組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは
０．１〜０．６を示す）を有する平均層厚：０．５〜６
μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層、を形成してなる、高
速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金
製スローアウエイ式切削チップ。