JP2003089005A

JP2003089005A - Ｗｃ基超硬合金製積層チップおよびその製造方法

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Publication number: JP2003089005A
Application number: JP2001278468A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2003-03-25
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP4857506B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のＷＣ基超硬合金製積層チップは層間が
剥離しやすく変形が大きいという問題があった。これは
層間の熱膨張係数差に起因する残留応力の発生や層間の
結合相移動が多いためである。【解決方法】通常のコールドプレス法で製造される超
硬合金製積層チップ製造方法において、隣接した超硬合
金の層の熱膨張係数差を０．０５×１０^-6／Ｋ以下にす
るとともに層間の結合相移動がないように粒度を調整し
た混合粉末を金型に積層充填した後、プレス成形して真
空もしくは非酸化性雰囲気で焼結した。これにより作製
されたＷＣ基超硬合金製積層チップは熱膨張係数差に起
因する残留応力が層間に発生しないため層間での剥離が
なく、焼結時に層間で起こる結合相の移動が少ないため
焼結変形が防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に刃先交換型チ
ップに使用されるＷＣ基超硬合金に関し、具体的には、
２層以上の積層チップで、切れ刃を形成する層には高性
能な合金組成を、切削に不必要な層には安価で高強度な
合金組成を用いると共に、両層の熱膨張係数をほぼ同一
にすることによって層間での熱応力発生による強度低下
を防止し、かつ合金粒度を調整することによって焼結時
の結合相移動に伴うチップ変形や層間での異常層生成を
防止したＷＣ基超硬合金製積層チップとその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＳＯ規格でＰ,Ｍ,Kに分類される切削
工具用超硬合金は、WC-Co系とＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ
（ＮｂＣ）−Ｃｏ系に大別され、鋼,ステンレス,鋳物,
非鉄金属など被削材の種類によって成分を調整して使用
されている。しかし、一般的に超硬合金の成分組成に関
して、ＴｉＣ，ＴａＣの増加やＣｏ量の低減によって耐
摩耗性や耐塑性変形性を向上させると、耐欠損性や耐チ
ッピング性が逆に低下すると言う二律背反の問題があ
る。

【０００３】そこで、この二律背反問題の一解決策とし
て、積層構造が種々提案されている。すなわち、切削に
関与する部位には耐摩耗性,耐塑性変形性に優れる合金
組成を、切削に関与しない部位には強度、靱性に優れる
合金組成を適用することによって、工具全体で全ての要
求特性を満たそうとするものである。また、切削に関与
しない部位を低価格、省資源型の合金組成とすることも
可能であり、例えば、Ｔａ削減の有効手段ともなる。

【０００４】超硬合金製チップにおける積層材の先行技
術として、例えば、特開平７−２０７３９８号公報、特
開２０００−３０８９０４号公報が、その製造方法とし
ては特開平９−３０００２４号公報などが挙げられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】積層材として、特開平
７−２０７３９８号公報には、表面部には０〜５％の鉄
族金属を結合相量とする高硬度超硬合金、内部がＨＲＡ
硬さで９２以下のＷＣ基超硬合金あるいはサーメットか
らなる異なる超硬材を接合した樹脂モールド用超硬合金
部材が記載されている。同公報記載の樹脂付着を低減し
た超硬合金部材は、表面が高硬度であるために耐付着
性，耐摩耗性，耐食性などに優れるものの、表面部の靱
性が低過ぎるために切削チップとしては欠け易いと言う
問題がある。

【０００６】さらに、特開２０００−３０８９０４号公
報には、上下面は熱膨張率の小さい材質、内部は熱膨張
率の大きい材質とすることによって、上下面に圧縮残留
応力を存在させたステンレス加工用の積層チップが記載
されている。同公報記載のＷＣ基超硬合金製チップは、
表面の圧縮残留応力により熱的あるいは機械的クラック
の発生、伝播を防止して寿命を向上させたものではある
が、接合面に大きな剪断応力が生じているために逆に層
間の剥離や欠けを起こし易いと言う問題がある。

【０００７】また、積層材の製造方法に関して、上記の
特開平７−２０７３９８号公報、特開２０００−３０８
９０４号公報には、超硬合金粉末を型に積層充填し、通
電焼結，プラズマ活性化焼結などで加圧しながら焼結す
る方法が、特開平９−３０００２４号公報には、鋼板上
に溶接可能層として高結合相量の超硬合金粉末、耐摩耗
層として通常超硬合金粉末を順次充填し、温度傾斜させ
ながら加圧焼結する方法が記載されている。これらに記
載された方法は、型中で加圧焼結するために層間の結合
が容易で変形も少ないものの、層間の結合相拡散が不十
分で、かつ結合相量の差が大きいために、接合面に大き
な剪断応力が発生すると言う問題がある。さらに、切削
チップを製造する場合には、切断と研削加工を伴うため
に高コストとなり、特にブレーカ付きチップは製作困難
であると言う問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、長年に亘
り、積層チップによる工具の欠損寿命アップ，コストダ
ウン，積層プレス体の焼結変形防止などについて検討し
ていた所、各層の熱膨張係数をほぼ同一とすれば層間に
剪断応力が生じないために欠損寿命が向上し、チップの
切れ刃以外でのＴａ削減によってコストダウンでき、相
対する層の合金組成と粒度の調整により焼結変形が防止
できる、と言う知見を得て、本発明を完成するに至った
ものである。

【０００９】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップは、
鉄族金属を主成分とする結合相５〜３０体積％と、周期
律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物，炭窒
化物，炭酸化物，炭窒酸化物およびこれらの相互固溶体
の中の少なくとも１種以上からなる立方晶系化合物相６
５体積％以下と、残りが炭化タングステンと不可避不純
物とからなるＷＣ基超硬合金製チップにおいて、該チッ
プは該立方晶系化合物相の組成及び／又は含有量が異な
る２層以上の積層構造を有し、かつ各積層間の熱膨張係
数の差が０．０５×１０^-6／Ｋ以下であることを特徴と
するものである。

【００１０】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップにお
ける結合相は、具体的には、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合
金，Ｆｅ−Ｎｉ合金および２０重量％以下のＷ，Ｃｒ，
Ｍｏを固溶したＣｏ−Ｗ合金，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−
Ｎｉ−Ｗ−Ｃｒ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ合金などを挙げることができる。結合相量は、５体積
％未満では焼結が困難であり、３０体積％を超えて多く
なると切削時の摩耗が著しい。

【００１１】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップにお
ける立方晶系化合物相は、具体的には、ＴａＣ，Ｎｂ
Ｃ，ＶＣ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ，（Ｗ，Ｔ
ｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）などを挙
げることができる。立方晶系化合物相量は、６５体積％
を超えて多くなると強度低下が著しい。

【００１２】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップにお
ける２層以上は、立方晶系化合物相の組成及び／又は含
有量が異なるもので、具体的には、ＷＣ−２ＴｉＣ−４
ＴａＣ−８Ｃｏ、ＷＣ−２ＴｉＣ−２．３ＮｂＣ−９．
３Ｃｏ、ＷＣ−２ＮｂＣ−１０Ｃｏ、ＷＣ−１０．４Ｃ
ｏ（各重量％）などの組合せが挙げられる。ここで、こ
れら各層間の熱膨張係数の差は、０．０５×１０^-6／Ｋ
を超えて大きくなると、焼結後の冷却過程で各層間に過
大な熱応力が発生するために、切削時に大破も含めた欠
損やチッピングを起こして工具寿命が著しく低下する。

【００１３】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップにお
ける各層の結合相量は、熱膨張係数がほぼ同一となるよ
うに、立方晶系化合物相の組成及び／又は含有量に応じ
て増加あるいは減少させることが好ましい。具体的に
は、超硬合金成分の熱膨張係数がWC<<NbC<TiC<TaC<<Co
であることから、例えば、TaCをNbCに置換した場合はCo
量を若干増加させ、TiC,TaCを削減した場合はCo量を増
加させることにより熱膨張係数をほぼ同一にすることが
好ましい。また、立方晶系化合物相及び／又は炭化タン
グステンの粒度も結合相量に応じて変化させると、焼結
時に層間で起こる結合相の移動が阻止され、層間の熱膨
張係数安定化やチップ変形の防止ができるので好まし
い。具体的には、焼結時に層間で起こるCoの移動が毛細
管現象に基づくことから、例えば、Co量が多い層ほど炭
化物の粒度を微細にすることで焼結時のCoの層間移動が
防止されるので好ましい。

【００１４】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップにお
いて、片面をすくい面とする構造の刃先交換型積層チッ
プである場合、該すくい面に対して垂直な方向に２層を
積層すること、両面をすくい面とする構造の刃先交換型
積層チップである場合、該すくい面に対して垂直な方向
に３層を積層することは、それぞれプレス時の粉充填回
数が最小となるので好ましい。しかしながら用途や切削
条件によってはすくい面に平行な方向であり、かつ逃げ
面に対してほぼ垂直な方向に２層以上積層した積層構造
でもよい。

【００１５】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップにお
ける積層構造は、切れ刃を形成する層が立方晶系化合物
相中にタンタルを含有し、切れ刃を形成する層以外の層
がタンタルを含まないか、あるいは相対的にタンタル量
が少ないと、高価なＴａの省資源となるので好ましい。

【００１６】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップの製
造方法は、鉄族金属粉末と、周期律表の４ａ，５ａ，６
ａ族金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，炭酸化物，炭窒
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
以上の立方晶系化合物相形成粉末と、炭化タングステン
粉末とからなる２種以上の混合粉末を使用し、積層にプ
レス成形した後、無加圧で焼結する積層チップの製造方
法において、混合粉を作製する際に、結合相量と、該立
方晶系化合物相の組成及び／又は含有量と、該立方晶系
化合物相及び／又は上記炭化タングステンの粒度とを調
整することによって、各積層間の熱膨張係数の差が０．
０５×１０^-6／Ｋ以下にし、かつ焼結時の結合相移動を
防止したことを特徴とする製造方法である。

【００１７】本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップの製
造方法における熱膨張係数の調整は、組成の各成分量と
各成分単独の熱膨張係数とから推算でき、ＴｉＣ，Ｔａ
Ｃなどが添加された合金ではＣｏの増量によりほぼ同一
の熱膨張が狙える。また、粒度の調整は、結合相量が多
い合金層ほど微粒とする。

【００１８】

【実施例１】市販されている平均粒子径が４．５μｍの
ＷＣ（ＷＣ／４５と表記），３．５μｍのＷＣ（ＷＣ／
３５と表記），２．５μｍのＷＣ（ＷＣ／２５と表
記），１．０μｍのＴａＣ，１．２μｍのＮｂＣ，１．
５μｍの（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ（重量比でＷＣ／ＴｉＣ＝７０
／３０の複合炭化物），１．５μｍの（Ｗ，Ｔｉ，Ｔ
ａ）Ｃ（重量比でＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝５０／２０／
３０の複合炭化物），１．２μｍのＣｏ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ールと共に装入し、４８
時間混合粉砕後、加熱・乾燥しながら２重量％のパラフ
ィンワックスを添加してＡ−１，２，３，４，５とＢ−
１，２，３，４，５の混合粉末を得た。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、これらの粉末を金型に充填し、２ｔ
ｏｎ／ｃｍ²の圧力でもって約４×９．５×２９ｍｍの
圧粉成形体を作製し、アルミナとカーボン繊維からなる
シート上に設置し、雰囲気圧力１０Ｐａの真空中で、表
１に併記した温度でもって１時間加熱保持して、各焼結
合金を作製した。そして、切断とダイヤモンド砥石によ
る研削によって、３×３×２５ｍｍの角棒試料を得て、
室温〜５００℃までの平均熱膨張係数を測定した。その
結果を表１に併記した。

【００２１】

【実施例２】ＩＳＯ規格でＣＮＭＧ１２０４０８の金型
を用いて実施例１で得られたＡ１〜Ａ５の混合粉末を表
２に示す粉末番号と重量で順次充填し、２ｔｏｎ／ｃｍ
²の圧力でもってプレス成形した後、実施例１と同様の
方法，条件で焼結した。そして、これらチップ素材の上
下面を２３０＃のダイヤモンド砥石を用いて研削加工
し、ＩＳＯ規格でＳＮＭＮ１２０４０８の工具チップと
して本発明品１〜４および比較品１〜３を得た。ここ
で、比較品２，３では、チップの稜線部が突出（各面の
中央が凹）する焼結変形が見られたが、研削により規格
寸法に入れた。

【００２２】まず、片面を０．３μｍのダイヤモンドペ
ーストによる十分なラップ加工を施して研削応力を除去
した後、Ｘ線応力測定装置を用いてチップ表面に作用す
る残留熱応力を測定した。この結果を表２に併記した。
次に、各チップの１個について、チップ中央を切断し、
ダイヤモンド砥石による研削と０．３μｍのダイヤモン
ドペーストによるラップ加工を行って、断面観察および
分析用試料を得た。そして、実態顕微鏡を用いて各試料
での各層の厚みを測定し、また層間付近のＣｏ量を分析
電子顕微鏡にて測定した。これらの結果も表２に併記し
た。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【実施例３】ＩＳＯ規格でＳＰＧＮ１２０３０８の金型
を用いて実施例１で得られたＢ１〜Ｂ５の混合粉末を表
３に示す粉末番号と重量で順次充填し、２ｔｏｎ／ｃｍ
²の圧力でもってプレス成形した後、実施例１と同様の
方法，条件で焼結した。そして、これらチップ素材の上
下面と外周面を２３０＃のダイヤモンド砥石を用いて研
削加工し、ＩＳＯ規格でＳＰＧＮ１２０３０８の工具チ
ップとして本発明品５〜８および比較品４〜６を得た。
ここで、比較品５，６では、上面（粉末充填での最終層
に相当）の中央部が大きく突出する焼結変形が見られ、
比較品６は研削により規格寸法に入れたが、比較品４は
上面中央部で下層が露出していた。実施例２と同様の項
目と方法で測定した残留熱応力、各層の厚み、層間付近
のＣｏ量の結果を表３に併記した。ただし、比較品５で
の測定は、下層露出のない刃先周辺部とした。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【実施例４】実施例２で得られた工具チップ（ＳＮＭＮ
１２０４０８）の本発明品１〜４および比較品１〜３に
ついて、刃先部を３２０＃の炭化けい素砥粒を含有した
ナイロン製ブラシで半径０．０４ｍｍのホーニング加工
し、アセトン中で超音波洗浄した後、ＣＶＤコーティン
グ装置を用いて、母材側から１．０μｍのＴｉＮ，８．
０μｍの柱状晶ＴｉＣＮ，１．５μｍのＡｌ₂Ｏ₃，０．
５μｍのＴｉＮの計１１．０μｍを被覆して表面被覆超
硬工具チップとした。そして、これらチップの各５個を
用いて被削材：炭素鋼Ｓ４５Ｃ（４本溝入り），切削速
度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み：３．０ｍｍ，送り：
０．１０ｍｍ／ｒｅｖから段階的（各送りでの衝撃回数
は３，０００回）にアップした条件で乾式の断続旋削試
験を行った。チッピングまたは欠損が発生する時の送り
量とその割合を求めた結果を表４に示す。また、チップ
の各１個を用いて被削材：炭素鋼Ｓ４８Ｃ，切削速度：
２００ｍ／ｍｉｎ，切込み：３．０ｍｍ，送り：０．２
５ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式の連続旋削試験を行い、平
均の逃げ面摩耗幅が０．３５ｍｍを超えるまでの寿命時
間を求めた結果を表４に併記した。

【００２７】

【表４】

【００２８】次に、実施例３で得た工具チップ（ＳＰＧ
Ｎ１２０３０８）の本発明品５〜８および比較品４〜６
について、各３個を用い、被削材：ＳＣＭ４４０，切削
速度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：
０．３０ｍｍ／刃，切削距離：３ｍの条件で乾式のフラ
イス切削試験を行い、刃先が欠損，チッピングを発生す
るか、平均の逃げ面摩耗幅が０．２０ｍｍを超えるまで
の平均の切削距離を求めた。その結果を表５に示す。

【００２９】

【表５】

【００３０】

【発明の効果】上述したように本発明のＷＣ基超硬合金
製積層チップは、工具の耐欠損性あるいは耐摩耗性の向
上やＴａなどの省資源化を図るために積層構造を持たせ
た。積層構造により隣接した超硬合金の層の熱膨張係数
をほぼ同一することは、層間に生じる剪断応力を減少さ
せる作用がある。剪断応力を減少させると耐欠損性が向
上させる効果がある。また結合相量に応じて各層の合金
粒度を調整することは焼結時に層間で起こる結合相の移
動を防ぐ作用があり、焼結変形を防止する効果がある。
こうした作用および効果と積層構造を持たせた効果が相
まって、本発明のＷＣ基超硬合金製積層チップは、切削
工具、特に刃先交換型チップとして使用すると従来品に
比較して鋼の断続旋削試験においては耐チッピング性や
耐欠損性、鋼の連続旋削試験においては耐摩耗性、また
はフライス試験においては耐チッピング性、耐欠損性、
および／または耐摩耗性が高くなり、長寿命が達成され
るという顕著な効果があること、各層間における組成成
分の調整により省資源に貢献するという効果を発揮する
ものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄族金属を主成分とする結合相５〜３０
体積％と、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化
物，窒化物，炭窒化物，炭酸化物，炭窒酸化物およびこ
れらの相互固溶体の中の少なくとも１種以上からなる立
方晶系化合物相６５体積％以下と、残りが炭化タングス
テンと不可避不純物とからなるＷＣ基超硬合金製チップ
において、該チップは該立方晶系化合物相の組成及び／
又は含有量が異なる超硬合金が２種以上積層された積層
構造を有し、積層により隣接した超硬合金の層は熱膨張
係数の差が０．０５×１０^-6／Ｋ以下であることを特徴
とするＷＣ基超硬合金製積層チップ。
【請求項２】上記超硬合金の層は、各層に含有する上
記結合相量が上記立方晶系化合物相の組成及び／又は含
有量に応じて増加あるいは減少し、かつ各層に含有する
該立方晶系化合物相及び／又は上記炭化タングステンの
粒度が該結合相量に応じて増加あるいは減少することを
特徴とする請求項１記載のＷＣ基超硬合金製積層チッ
プ。
【請求項３】上記ＷＣ基超硬合金製積層チップは刃先交
換型チップであることを特徴とする請求項１または２に
記載のＷＣ基超硬合金製積層チップ。
【請求項４】上記刃先交換型チップは、片面をすくい
面とする構造でなり、該すくい面に対して垂直な方向に
２層が積層されていることを特徴とする請求項３に記載
のＷＣ基超硬合金製積層チップ。
【請求項５】上記刃先交換型チップは、両面をすくい面
とする構造でなり、該すくい面に対して垂直な方向に３
層が積層されていることを特徴とする請求項３に記載の
ＷＣ基超硬合金製積層チップ。
【請求項６】上記積層構造は、切れ刃を形成する層が
上記立方晶系化合物相中にタンタルを含有し、切れ刃を
形成する層以外の層がタンタルを含まないかあるいは相
対的にタンタル量が少ないことを特徴とする請求項１〜
５のいずれかに記載のＷＣ基超硬合金製積層チップ。
【請求項７】鉄族金属粉末と、周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，炭酸化
物，炭窒酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なく
とも１種以上の立方晶系化合物相形成粉末と、炭化タン
グステン粉末とからなる混合粉末を使用し、２種以上の
該混合粉末を積層してプレス成形した後、無加圧で焼結
する積層チップの製造方法において、該積層チップにお
ける隣接した超硬合金の層は熱膨張係数の差が０．０５
×１０^-6／Ｋ以下となるように、結合相量と、該立方晶
系化合物相の組成及び／又は含有量と、該立方晶系化合
物相及び／又は上記炭化タングステンの粒度とを調整
し、かつ焼結時の結合相移動を防止したことを特徴とす
るＷＣ基超硬合金製積層チップの製造方法。