JP2005096071A - 切削工具インサート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、タングステンあるいはタングステン合金のバインダ相中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートに関する。
【解決手段】 このインサートは、他にＷ₂Ｃを含み、Ｘ線回折パターンにおいてピーク比Ｗ₂Ｃ（１０１）／Ｗ（１１０）が０．３未満になる量である。この特定のミクロ組織は、焼結後に約１２００℃の付加的な熱処理を行うことにより得られる。
【選択図】 図４

Description

本発明は優れた高温硬度と耐摩耗性と靭性を有し、バインダ相が金属タングステンあるいはタングステン合金である金属機械加工用切削工具、及び切削工具を製造する方法に関する。本発明の切削工具は、焼入れ鋼等の高硬度の被加工体を機械加工するのに殊に有用である。

超硬合金は、既知の金属機械加工用の切削工具材料であり、バインダ相と硬質相からなる多くの合金が含まれ、バインダ相は主としてコバルトからなり、硬質相は主としてＷＣからなり、場合によっては、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣなどの立方晶炭化物あるいはこれらの混合物が添加されている。超硬合金からの切削工具の製造は、特別に準備した粉末のプレス加工を含み、コバルトが溶解する温度での焼結が続けて行われる。焼結材の性質は、靭性と硬度についてはコバルトおよび硬質相の量に依存して大きく変化させることができる。使用においては、この材料の高温硬度が塑性変形なしに曝すことが出来る温度を決定する。

金属切削の領域において、これは特に重大な制約であり、セラミックス、ＣＢＮおよび必要ならばダイアモンド等のようなより高価な材料の使用する。

高温硬度を改良する試みにおける明らかな方法は、コバルトを高融点の金属と置換することである。しかしながら、そうすると新たな問題が生じる。バインダ相を溶解するために焼結温度を非常に高くしなければならず、したがって、大量生産に対しては実用的でない。

英国特許第５０４，５２２号は、ＷあるいはＭｏにＣＯ、Ｓｉ及びＢ加えてＷＣの添加により構成される合金の製造方法を開示する。焼結はＷの融点より低い温度で実施する。１５ないし３５％のＷを含むこの特許の混合物は、１７５０℃から１９００℃の間の温度で１５分間１６．５ＭＰａの圧力をかける。この過程が、バインダとして金属タングステンを有する合金を生じると強く主張されている。

英国特許第５０３，３９７号は、同じ型のバインダ、すなわち、コバルト、シリカおよび硼素等の添加を伴うＷあるいはＭｏからなる合金を製造する方法に関し、しかしこの場合は、ＴｉＣ、ＭｏＣ及びＴａＣの立方晶炭化物を硬質相とする。この場合、提案された圧力は２３．４ＭＰａであり、提案された温度は２，５００℃である。

米国特許第３，５０７，６３１号は、硬質相として異なる窒化物からなり、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｈあるいはこれらの混合物をバインダとして用いた材料を開示する。バインダの熱膨張係数と窒化物の熱膨張係数との間の比は２未満であるべきで、特別な場合には、５０％以下の窒化物相は、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＴａを含む酸化物と珪酸化物と炭化物で置換されてよい。ＷＣは硬質相としては含まれない。１，８００℃でのホットプレス加工によりこの材料は製造される。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＭｏあるいはＷの炭化物、窒化物あるいは酸化物とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＭｏあるいはＷの一つ以上の元素からなるバインダを含む合金を製造する種々の方法について、スウェーデン国特許第８，４０６，４６１−７号は賛否両論を記載している。製造法の一例を挙げれば、粉末プレス加工、予備焼結、最終焼結、および等方プレス加工からなる。バインダ相含量は比較的高く、少なくとも２５体積％であり、７０体積％もの高い範囲にわたる。金属切削における性能が、市販で得られる対応する超硬合金グレードのそれより約５倍優れている。

Ｗのバインダ相中に１８％ＷＣを有する合金を生じさせようとして、上記英国特許第５０４，５２２号中に開示された発明に従って進めた。この特許で提案された過程条件は、低硬度の脆い材料を実際に生じさせることが特に発見された。しかしながら、この特許で提案される過程条件は、Ｗの大部分がＷ_２Ｃに変態している合金を実際に生じさせることがわかった。この特許ではこのことが述べられておらず、この発明がなされた時の実験装置の制約により、このことを示せなかったと考えるのが合理的である。

驚くことには、もし製造過程に約１２００℃での熱処理を加えるならば、硬度について妥協すること無しに、靭性を実質的に改良できることがわかった。２５体積％を越えてＷ含量を増加させると、靭性を増加させること無しに硬度を低下させるので、バインダの適当な割合を５ないし２５体積％の間にする。早期の公表において、バインダの量をこのように高く規定する理由は、バインダが最初に意図したような金属タングステンではなく、実際は、Ｗ_２Ｃからなると観察されなかったからでる。

本発明の目的は、多孔性でない、バインダが本質的に金属タングステンあるいはタングステンの合金でなる均質な合金とこの合金を製造する方法を提供することである。

本発明の切削インサートは、タングステンまたはタングステン合金のバインダ相中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートであって、切削工具インサートの表面からのＣｕΚα線によるＸ線回折パターンにおいて、ピーク比Ｗ_２Ｃ（１０１）／Ｗ（１１０）が、０．３未満好ましくは０．２未満になる量のＷ_２Ｃをさらに含有する。

また、本発明の切削インサートは、バインダ相含有量が、２〜２５ｖｏｌ％好ましくは５〜２０ｖｏｌ％である。

また、本発明の切削インサートは、平均ＷＣ粒径が５μｍ未満であり、好ましくは平均ＷＣ粒径が１〜３μｍであり、且つ最も好ましくは平均ＷＣ粒径が１μｍ未満でありかつ１．５μｍより大きい粒を実質的に含まない。

また、本発明の切削インサートは、Ｗ及びＷＣに加えて、１４００ＨＶ３以上の室温硬度を有し、好ましくはＴｉＣ、ＴａＣ及び／またはＶＣ、及び／またはそれらの混合炭化物の少なくとも一つの硬質成分を含有する。

また、本発明の切削インサートは、少なくとも一つの硬質成分の含有量が、５０ｖｏｌ％未満であり、且つ公知の耐摩耗性被膜を備える。

また、本発明の切削インサートは、焼き入れ鋼のような高硬度を有する被加工材を機械加工するための上記の切削工具インサートである。

さらに、本発明の切削インサートを製造する方法は、炭化タングステン、及び任意に他の硬質成分とタングステンの粉末を混合して、それらの混合物が１５００℃を越える温度で圧密化してＷ_２Ｃを含む半加工品とし、半加工品を所望の形状と大きさのインサートに研削することによって、タングステンまたはタングステン合金のバインダ相中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートを製造する方法であって、半加工品またはインサートに実質的に全てのＷ_２ＣをＷ及びＷＣに実質的に再変態させるのに必要な時間、不活性雰囲気または真空中で１２５０℃未満好ましくは１０００℃を越える温度で熱処理を施す。

本発明によれば、タングステンのバインダ相中あるいはタングステン合金中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートを提供する。インサートのバインダ含量は２ないし２５体積％、好ましくは５ないし２０体積％で、平均ＷＣグレンサイズは５μｍ未満である。インサートは、後に開示する熱処理後に残留量のＷ_２Ｃを含んでいてよく、その量は、Ｘ線回折パターンにおいて、ピーク比Ｗ_２Ｃ（１０１）／Ｗ（１１０）を０．３未満であり、好ましくは０．２未満であり、最も好ましくは０．１５未満とする量である。回折ピークの高さは、バックグラウンドを考慮すること無しにベースラインから測定する。

一実施態様において、平均のＷＣグレンサイズは１ないし３μｍである。

好ましい実施態様においては、平均のＷＣグレンサイズは１μｍ未満であり、１．５μｍを越える大な結晶粒は本質的に含まなくて、５％未満である。

さらなる実施態様において、インサートは二峰性のＷＣグレンサイズの分布を有している。

ＷＣの他に、室温硬度が１４００ＨＶ３以上の少なくとも一つ以上の硬質成分を含んでいてよい。この硬質成分を体積で表した量は、好ましくは５０体積％未満である。好ましくは、この硬質成分は、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ及び／あるいはＶＣおよび/あるいはこれらの炭化物の混合物である。

このインサートを、当該技術で知られる耐摩耗性の薄い被膜で、好ましくは、４−１０μmのＴｉ（Ｃ、Ｎ）と５−１３μｍのＡｌ_２Ｏ_３とで被覆することができる。

本発明はまた、炭化タングステンおよびタングステン合金の粉末をミリングにより混合し、混合物を焼結させてＷ_２Ｃを含む半加工品を形成させ、半加工品を研磨して望ましい形状と寸法のインサートとすることによりタングステンあるいはタングステン合金のバインダ相中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートを製造する方法に関する。焼結中に、当該技術で知られる方法により外圧を加えることにより、材料の固化の程度を高めることができる。本発明によれば、この半加工品を不活性雰囲気中あるいは真空中で１２５０℃未満、好ましくは１０００℃を越える温度で、本質的に全Ｗ_２ＣをＷとＷＣに再変態させるのに必要な時間熱処理する。あるいは、半加工品からインサートへの研磨の前あるいは後で、焼結サイクルにおける第二の工程として、半加工品の熱処理が同一あるいは異なる炉中で行われる。

本発明はさらに、インサートの焼入れ鋼等の高硬度を有する被加工材の機械加工への使用に関する。

実施例１（先行技術）
１８重量％のＷと、初期のＦＳＳＳグレンサイズが０．２５μｍを有する残部ＷＣとからなる粉末混合物が、超硬合金粉砕体を有するボールミル中で８時間湿式粉砕された。乾燥後、粉末をグラファイトダイス中で、真空（Ｐ＜０．１ミリバール）下、１８００℃で７０分間３０ＭＰａの機械的に圧力をかけながらホットプレスして、直径４５ｍｍ、高さ５ｍｍの円盤を得た。

実施例２（本発明）
実施例１で得られた円盤の半分をアルゴンガス中１２００℃で８時間熱処理した。

実施例３（本発明）
１０体積％のＷと、初期のＦＳＳＳグレンサイズが０．２５μｍを有する残部ＷＣとからなる粉末混合物を実施例１にしたがって処理し、実施例２にしたがって熱処理した。

実施例４
実施例１、２、３および４で得られた試験体から研磨した試料を準備し、この試料をＸ線回折と走査型電子顕微鏡により分析した。

実施例１から得られた試料のＸ線回折パターンには、Ｗ_２Ｃのピーク、ＷＣのピーク、および若干のＷのピークが図１に見られるように検出された。しかしながら、実施例２および実施例３から得られた試料の回折パターンはＷ、ＷＣをし示し、図２a（実施例３から得られた試料）および図２b（実施例３から得られた試料）中のＷ_２Ｃ（１０１）の拡大が示すように、Ｘ線ピーク比Ｗ_２Ｃ（１０１）／Ｗ（１０１）が０．１１であることを示した。

実施例１および実施例２から得られた試料のミクロ組織を１００００倍の拡大倍率でそれぞれ図３および図４に示す。以下に記号の意味を示す。
Ａ−ＷＣ
Ｂ−Ｗ_２Ｃおよび
Ｃ−Ｗ

また、ＷＣグレンサイズはインターセプト法により測定し、実施例１から得られた試料については０．５μｍであり、実施例２から得られた試料については０．８μｍであることがわかった。

なお、硬度については、室温でのＨＶ３と、９００℃でのＨＶ１と、室温でのＫ１Ｃ（押込み法による）とを測定し、つぎの結果を得た。

実施例 ＨＶ３ ９００℃でのＨＶ１ Ｋ１Ｃ、ＭＰａｍ^1/2
１ ２２５０ − ３．７（先行技術）
２ １７８９ １２６０ ６．４（本発明）
３ ２１９２ １４５０ ５．１（本発明）

実施例５
実施例３の手順を繰り返して、ＳＮＧ４３のインサートを製作した。これらのインサートは、約６μｍのＴｉ（Ｃ、Ｎ）と約５ μｍのＡｌ_２Ｏ_３からなる耐摩耗性被膜で被覆された。

比較例試料として、コバルト含量が６ｗｔ％である同じ被膜を有する超硬合金のインサートを用いた。

これらのインサートに対して、硬度が６０ＨＲＣより大きい焼入れボールベアリング鋼を用いて、切削速度を１８０ｍｍ／ｍｉｎ、送りを０．１ｍｍ／ｒｅｖおよび切削深さを０．１５ｍｍとして機械加工試験を行った。

図５は、３個の構成材に付いて機械加工後の比較例の磨耗パターンの外観を示し、図６は、１２個の構成材に付いて機械加工後の本発明のインサートの磨耗パターンの外観を示す。

実施例６（本発明）
１０体積％のＷと残部ＷＣ（最初のＦＳＳＳグレンサイズが０．２５μｍ）からなる粉末混合物と３０体積％の（Ｔｉ、Ｗ）Ｃまたは（Ｎｂ、Ｗ）Ｃとの混合物を実施例１の手順にしたがって処理し、実施例２の手順にしたがって熱処理した。ただし、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの場合は１０５０℃で、（Ｎｂ、Ｗ）Ｃの場合は１１００℃で、それぞれ８時間熱処理した。その結果は、熱処理組織のＸ線回折パターンではＷ_２Ｃ（１０１）ピークが検出されなかった。

図１は、先行技術による合金から得られたＸ線回折パターンを示す。 図２ａは、熱処置前の本発明にしたがう組成を有する合金のＸ線パターンを示し、且つ同定に使用したＪＣＰＤＳ ＰＤＦ−カードを以下に示す。ＷＣカード番号は25-1047 (Bind and McCarthy Penn State University, University Park Pennsylvania, USA JCPDS Grant-in-aid report (1973))であり、Ｗカード番号は04-0806 (Swanson and Tatge JC. Fel. Rep. NBS (1951))であり、且つＷ_２Ｃカード番号は35-0776 (Nat. Bur. Stand. (US) Monogr. 25, 21, 128 (1984))である。 図２ｂは、熱処理後の本発明にしたがう組成を有する合金のＸ線パターンを示し、且つ同定に使用したＪＣＰＤＳ ＰＤＦ−カードを以下に示す。ＷＣカード番号は25-1047 (Bind and McCarthy Penn State University, University Park Pennsylvania, USA JCPDS Grant-in-aid report (1973))であり、Ｗカード番号は04-0806 (Swanson and Tatge JC. Fel. Rep. NBS (1951))であり、且つＷ_２Ｃカード番号は35-0776 (Nat. Bur. Stand. (US) Monogr. 25, 21, 128 (1984))である。 図３は、先行技術の材料におけるミクロ組織の１００００倍の操作型電子顕微鏡像をそれぞれ示し、ＡはＷＣであり、ＢはＷとＣであり、且つＣはＷである。 図４は、本発明の材料におけるミクロ組織の１００００倍の操作型電子顕微鏡像をそれぞれ示し、ＡはＷＣであり、ＢはＷとＣであり、且つＣはＷである。 図５は、比較例の切削インサートにおける機械加工試験後の磨耗パターンを示す。 図６は、本発明の切削インサートにおける機械加工試験後の磨耗パターンを示す。

Claims (10)

1. タングステンまたはタングステン合金のバインダ相中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートであって、
   前記切削工具インサートの表面からのＣｕΚα線によるＸ線回折パターンにおいて、ピーク比Ｗ_２Ｃ（１０１）／Ｗ（１１０）が０．３未満になる量のＷ_２Ｃをさらに含有することを特徴とする切削工具インサート。
2. バインダ相含有量が、２〜２５ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１記載の切削工具インサート。
3. 平均ＷＣ粒径が、５μｍ未満であること特徴とする請求項１または２に記載の切削工具インサート。
4. 平均ＷＣ粒径が１〜３μｍであること特徴とする請求項３に記載の切削工具インサート。
5. 平均ＷＣ粒径が１μｍ未満であり、１．５μｍを越える粒を実質的に含まないこと特徴とする請求項３に記載の切削工具インサート。
6. Ｗ及びＷＣに加えて、１４００ＨＶ３以上の室温硬度を有する硬質成分を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
7. 前記少なくとも一つの硬質成分の含有量が、５０ｖｏｌ％未満であることを特徴とする請求項６に記載の切削工具インサート。
8. 前記インサートが、公知の耐摩耗性被膜を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
9. 炭化タングステン、及び任意に他の硬質成分とタングステンの粉末を混合し得られた混合物を１５００℃を越える温度で圧密化してＷ_２Ｃを含む半加工品とし、
   前記半加工品を所望の形状と大きさのインサートに研削することによって、
   タングステンまたはタングステン合金のバインダ相中に炭化タングステンを含む金属機械加工用の切削工具インサートを製造する方法であって、
   前記半加工品またはインサートに実質的に全てのＷ_２ＣをＷ及びＷＣに再変態させるのに必要な時間、不活性雰囲気または真空中で１２５０℃未満の温度の熱処理を施すことを特徴とする切削工具インサートを製造する方法。
10. 請求項１〜８に記載の切削工具インサートであって、焼き入れ鋼のような高硬度を有する被加工材を機械加工するための切削工具インサート。