JP2006328529A - バインダー相が富化された表面を備えた被覆超硬合金 - Google Patents

Abstract

【課題】
塑性変形特性が実質的に変化せず、優れた靱性を備えたバインダー相が富化された超硬合金を提供する。
【解決手段】
本発明は、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅ基のバインダー相と、γ相と、実質的にγ相のないバインダー相に富む表面領域とを有する被覆超硬合金に関する。γ相は平均粒径が１μm未満である。この手段により、優れた靭性と本質的に変わらない塑性変形抵抗性を備えたバインダー相が富化された超硬合金が得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、実質的にγ相を含まないバインダー相に富む表面領域を備えた、ＷＣと、Ｃｏ、ＮｉまたはＦｅ基の金属バインダーと、サブミクロンのγ相とを有する被覆超硬合金に関する。

金属切断用の超硬合金品は、一般に、平均粒径が１〜５μmのＷＣと、γ相と、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ及びＶＣの少なくとも１種とかなりの量の溶解したＷＣとの立方昌固溶体、および５〜１５ｗｔ％の、通常はＣｏ、バインダー相を含有している。それらの特性は、ＷＣの粒径、バインダー相及び／又はγ相の体積比率、γ相の組成を変えること、および炭素量を適切にすることにより、最適化される。

γ相は、超硬合金の熱間硬度及び耐化学磨耗性を増加させる。これは、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ及びＨｆＣのような立方昌炭化物、又は同元素の混合炭化物を超硬合金粉末に添加することによって形成される。焼成中に形成されたγ相は、溶解および析出過程によって成長し、かなりの量のタングステンを溶解し、粒径が２〜４μm程度となる。

米国特許公開２００５／０１２６３３６号は、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅ基のバインダー相、および平均粒径が１μm未満であるγ相を含む超硬合金を開示している。
この超硬合金は、Ｔｉ、Ｎｂ及びＴａ基のγ相に対して、代表的な焼結温度である１４５０℃で平衡するＷＣ含有量とγ相を形成する粉末を添加することによって達成される。

バインダー相が富化された表面領域を備えた被覆超硬合金インサートは、今日、鋼材やステンレス鋼材の加工に広く使用されている。
バインダー相が富化された表面領域により、切削工具材料の適用分野が拡大されている。

ＷＣ、立方昌相（炭窒化物）およびバインダー相が富化された表面領域を有するバインダー相を備えた超硬合金を製造する方法あるいは処理は、傾斜焼結（gradient sintering）と称される技術範疇にあり、多くの特許や特許出願により知られている。米国特許第４，２７７，２８３号および米国特許第４，６１０，９３１号によれば、窒素含有添加物が使用され、真空中で焼結が起こるが、米国特許第４，５４８，７８６号によれば、窒素がガスで添加される。
その結果、立方昌相によって占められていた体積は、その溶解後、液体のバインダー金属によって占められる。この処理によって、バインダー相が富化された表面領域が創り出される。溶解された立方昌相中の金属成分は内側に拡散し、材料中にまだ存在し、利用しうる溶解していないγ相の上に析出する。
これらの元素の含有量は、従って、バインダー相が富化された表面領域の内側の領域で増加し、同時に、相当するバインダー相の含有量が減少する。
加工中の破断頻度に決定的な影響をもつ亀裂が、この領域で容易に成長する。
この問題をなくす方法が米国特許第５，７６１，５９３号に開示されている。

本発明の目的は、塑性変形抵抗性が実質的に変化せず、優れた靭性を備えたバインダー相が富化された超硬合金を提供することである。

図１は、本発明の被覆超硬合金インサートの断面を示す図であり、
Ａ 超硬合金の内部部分、
Ｂ バインダー相が富化された表面領域、
Ｃ 被覆、である。

上述の目的は、バインダー相が富化された超硬合金がサブミクロンのγ相を含有することにより達成されることが判った。
本発明によれば、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅ基のバインダー相と、γ相と、平均粒径が１μm未満のγ相が実質的にないバインダー相が富化された表面領域を有する被覆超硬合金が提供される。

超硬合金中のバインダー相の含有量は、３〜５ｗｔ％、好ましくは６〜１２ｗｔ％であり、γ相の量は、３−２５ｖｏｌ％、好ましくは、５−１５ｖｏｌ％である。好ましい態様では、ＷＣの平均粒径は、１μｍ未満である。

本発明によれば、厚さが７０μm未満、好ましくは１０〜４０μmである立方昌炭化物が減らされ、バインダー相が富化された表面領域を有する超硬合金が提供される。超硬合金体の表面領域のバインダー相の含有量は、超硬合金体の内側位置のバインダー相の含有量の１．１超、好ましくは１．２５-３の最大含有量である。

本発明は、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅ基のバインダー相と、γ相を有する超硬合金を、硬質成分とバインダー相を形成する粉末を湿式粉砕し、乾燥プレスして、所要の形状、寸法の形体に焼成する従来の粉末冶金法により製造する方法にも関する。
本発明によれば、γ相を形成する粉末は、ＷＣのモル分率ｘ_ｗｃで与えられた量のＷＣと合金化された立方昌混合炭化物（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ）Ｃとして、ｘ_ＷＣと、ＷＣのモル分率で表された焼結温度で平衡するγ相のＷＣ含有量、xe_WCとの比、ｆ_ＷＣ＝ｘ_ＷＣ／ｘｅ_ＷＣが、０．６〜１．０、好ましくは０．８〜１．０となるように、好ましくは、サブミクロンの粒径で、添加される。
但し、焼結温度でのＷＣの溶解度は、ｘｅ_ＷＣ ＝（0.383×ｘ_ＴｉＣ＋ 0.117×ｘ_ＮｂＣ+ 0.136×ｘ_ＴａＣ）／（ｘ_ＴｉＣ＋ｘ_ＮｂＣ+ ｘ_ＴａＣ）
の関係で与えられる。

好ましい実施形態では、ＷＣ粉末もサブミクロンとする。

超硬合金インサートは、所望のバインダー相の富化を得るために、硬質成分と少量の窒素を含むバインダー相を形成する混合粉末を粉砕し、乾燥、プレスし、真空下で焼結することを含む、粉末冶金法によって製造される。
これは下記の２つの方法の何れか１つ、或いはそれらを組み合わせることによりなされる：（ｉ）米国特許第４，６１０，９３１号に開示されているように、窒化物あるいは炭窒化物を含有する予備焼結体或いは成形体を不活性雰囲気或いは真空中で焼結すること、或いは（ii）米国特許第４，５４８，７８６号に開示されているように、成形体を窒化し、次いで不活性雰囲気中或いは真空中で焼結すること。

粉末を通じて、或いは焼結過程を通じて、或いはこれらを組み合わせて添加された窒素の量は、立方昌炭化物相の焼結中の溶解速度を決定する。
窒化物の最適な量は、立方昌炭化物相の量と種類に依存し、γ相形成元素の重量パーセントで、０．１〜８ｗｔ％まで変化しうる。（ｉ）の方法の場合、窒素はＴｉＮ、又はＴｉ（Ｃ、Ｎ）として添加され、或いは、上述の混合炭化物（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ）Ｃが炭窒化物として添加される。

このインサートは、その後、従来の方法（例えば、ＣＶＤ，ＰＶＤ）により例えば、Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮなど、当業者に知られている通常の被覆材料で１層以上の被覆がなされる。

本発明の被覆超硬合金インサートの断面を示す図である。

符号の説明

Ａ 超硬合金の内部部分
Ｂ バインダー相が富化された表面領域
Ｃ 被覆

Claims (8)

1. ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅ基のバインダー相と、γ相と、実質的にγ相のないバインダー相に富む表面領域とを有する被覆超硬合金であって、γ相の平均粒径が１μm未満であることを特徴とする被覆超硬合金。
2. バインダー相の含有量が３〜１５ｗｔ％、好ましくは６〜１２ｗｔ％であることを特徴とする請求項１記載の被覆超硬合金。
3. γ相の量が３〜２５ｖｏｌ％、好ましくは５〜１５ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１または２に記載の被覆超硬合金。
4. ＷＣの平均粒径が１μm未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の被覆超硬合金。
5. ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅ基のバインダー相と、γ相と、実質的にγ相のないバインダー相に富む表面領域とを有する被覆超硬合金を粉末冶金法により製造する方法であって、γ相を形成する粉末が、ＷＣのモル分率ｘ_ＷＣで与えられた量のＷＣと合金化された立方昌混合炭化物（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ）Ｃとして、ｘ_ＷＣと、ＷＣのモル分率で表された焼結温度で平衡するγ相のＷＣ量ｘｅ_ＷＣとの比、ｆ_ＷＣ＝ｘ_ＷＣ／ｘｅ_ＷＣが０．６〜１．０、好ましくは、０．８〜１．０となるように、添加されることを特徴とする被覆超硬合金の製造方法。
   但し、焼結温度でのＷＣの溶解度は、下記の関係式で表される
   ｘｅ_ＷＣ ＝（0.383×ｘ_ＴｉＣ＋ 0.117×ｘ_ＮｂＣ+ 0.136×ｘ_ＴａＣ）／（ｘ_ＴｉＣ＋ｘ_ＮｂＣ+ ｘ_ＴａＣ）
6. γ相の粉末の粒径が1μm未満であることを特徴とする請求項５に記載の被覆超硬合金の製造方法。
7. ＷＣの粉末がサブミクロンであることを特徴とする請求項5又は６に記載の被覆超硬合金の製造方法。
8. 立方昌混合炭化物（Ｔｉ，Ｎｂ．Ｔａ、Ｗ）Ｃが窒素を含有することを特徴とする請求項５に記載の被覆超硬合金の製造方法。