JP2009102709A - Cemented carbide with laminated structure, method for producing the same, and tool formed from the cemented carbide - Google Patents

Cemented carbide with laminated structure, method for producing the same, and tool formed from the cemented carbide Download PDF

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Hideki Moriguchi
秀樹 森口
Tomoyuki Ishida
友幸 石田
Akihiko Ikegaya
明彦 池ヶ谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cemented carbide in which both the characteristics of strength and toughness can be made compatible in a well balance even if cemented carbide scrap is utilized, to provide a method for producing the same, and to provide a tool formed from the same. <P>SOLUTION: Disclosed is a cemented carbide with a laminated structure in which at least two WC based cemented carbide layers of the surface layer and the internal layer are laminated, and the content of Al in the internal layer is higher than that in the surface layer. Also disclosed are a tool for cutting using the same, a tool such as a tool for a die, and a method for producing a cemented carbide using cemented carbide recycle powder obtained from cemented carbide scrap. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、強度および靭性が共に優れる積層構造型超硬合金とその製造方法および前記超硬合金により形成された工具に関する。   The present invention relates to a laminated structure type cemented carbide excellent in both strength and toughness, a manufacturing method thereof, and a tool formed of the cemented carbide.

従来より、切削工具として、WC(炭化タングステン)を主成分とし、Co(コバルト)などの鉄族元素を結合相とした超硬合金および超硬合金の基材表面に被覆膜を具える被覆切削工具が開発されている。   Conventionally, as a cutting tool, WC (tungsten carbide) as the main component, cemented carbide with iron group elements such as Co (cobalt) as a binder phase, and a coating comprising a coating film on the surface of the cemented carbide substrate. Cutting tools have been developed.

超硬合金に求められる代表的な特性として、耐摩耗性(例えば、耐逃げ面摩耗性、耐クレーター摩耗性)、強度(例えば、耐欠損性、抗折力)、靭性(例えば、耐チッピング性、耐熱亀裂性)がある。   Typical properties required for cemented carbide include wear resistance (eg, flank wear resistance, crater wear resistance), strength (eg, fracture resistance, bending strength), and toughness (eg, chipping resistance). , Heat cracking resistance).

これらの特性のうち、強度を向上させる方法として、WC原料に微粒WCを用い、WC結晶粒を細かくする方法が知られている。また、靭性を向上させる方法として、WC原料に粗粒WCを用い、WCを粗くする方法が知られている。   Among these characteristics, as a method for improving the strength, a method is known in which fine WC is used as the WC raw material and the WC crystal grains are made finer. Further, as a method for improving toughness, a method of coarsening WC using coarse WC as a WC raw material is known.

しかしながら、これらの方法においては、強度と靱性がトレードオフの関係にあり、両特性を両立させることは難しい。強度及び靭性を両立させる方法として、粗粒に微粒を混合したWC粒子を有する超硬合金を用いる方法(たとえば、特許文献1)、平均粒径が異なるWC粒子を硬質相とするWC基超硬合金で表面層と内層とを構成し、二つの表面層で内層を挟む積層構造のWC基超硬合金を用いる方法(たとえば、特許文献2)が、提案されているが未だに充分な効果が得られていない。   However, in these methods, strength and toughness are in a trade-off relationship, and it is difficult to achieve both characteristics. As a method for achieving both strength and toughness, a method using a cemented carbide having WC particles in which fine particles are mixed into coarse particles (for example, Patent Document 1), a WC-based carbide using WC particles having different average particle sizes as a hard phase. A method of using a WC-based cemented carbide having a laminated structure in which a surface layer and an inner layer are composed of an alloy and the inner layer is sandwiched between two surface layers has been proposed (for example, Patent Document 2), but sufficient effects are still obtained. It is not done.

一方、超硬合金中の硬質相であるWCは希少資源であり、産出国が限られているため、価格の高騰を招きやすく、地球環境の保護と相俟って超硬合金のリサイクルに対する要望が一段と高まっている。   On the other hand, WC, which is a hard phase in cemented carbide, is a scarce resource and has a limited production country, so it is likely to cause a price increase, and the demand for recycling of cemented carbide combined with the protection of the global environment. Has increased further.

超硬合金スクラップのリサイクル法には、超硬合金を酸やアルカリを用いて溶解し化学的にWやCoをリサイクルする湿式法と、亜鉛や錫を用いてWC粒子を溶解せずにリサイクルする亜鉛(錫)処理法がある。   Cemented carbide scrap recycling methods include a wet method in which cemented carbide is melted using acid or alkali and chemically recycles W or Co, and a WC particle is recycled using zinc or tin without melting. There is a zinc (tin) treatment method.

前記の処理法のうち、湿式法では超硬合金は酸やアルカリを用いて溶解され、Wは何段階もの精製工程を経て一旦パラタングステン酸アンモニウム(APT)に精製されるため、鉱石から精錬されたものと同様に非常に高純度であり、高品質のWC粉末を製造することができる。
しかしながら、湿式法の場合、精製工程で酸やアルカリなどを用いるため高価な公害防止設備が必要であり、また大量のエネルギーを使用する上、大規模なプラントを用いて製造しないと製造コストを低減できないという問題がある。
Among the above-mentioned treatment methods, in the wet method, the cemented carbide is melted using acid or alkali, and W is refined from ore because it is refined to ammonium paratungstate (APT) through a number of purification steps. It is very high-purity similar to the above, and high-quality WC powder can be produced.
However, in the case of the wet method, expensive pollution prevention equipment is required because acid, alkali, etc. are used in the refining process, and a large amount of energy is used, and if it is not manufactured using a large-scale plant, the manufacturing cost is reduced. There is a problem that you can not.

これに対し、亜鉛(錫)処理法では、亜鉛や錫と超硬合金の結合相金属であるCoを不活性ガスや窒素ガスの雰囲気中で850℃程度の高温で反応させてCo−Zn、Co−Snの共晶融液からなる液相を発生させた後、さらに高温に昇温し、減圧雰囲気にすることで蒸気圧の高い亜鉛、錫を蒸発させて結合相をスポンジ状にすることにより超硬合金を脆化させる。この脆化した超硬合金はボールミルなどで簡単に粉砕でき、スクラップの原料組成およびWC粒径そのままの超硬合金のリサイクル粉末が得られる。このように比較的シンプルな設備で簡便にCoを含んだWC粉末が低コストで得られる特徴を有する。   On the other hand, in the zinc (tin) treatment method, Co, which is a binder phase metal of zinc or tin and cemented carbide, is reacted at a high temperature of about 850 ° C. in an atmosphere of inert gas or nitrogen gas, and Co—Zn, After generating a liquid phase composed of a Co-Sn eutectic melt, the temperature is further raised to a high temperature, and a low-pressure atmosphere is used to evaporate zinc and tin having a high vapor pressure to make the binder phase sponge-like. This makes the cemented carbide brittle. The embrittled cemented carbide can be easily pulverized with a ball mill or the like, and a recycled powder of cemented carbide with the raw material composition of the scrap and the WC particle size as it is can be obtained. Thus, the WC powder containing Co can be easily obtained at a low cost with a relatively simple facility.

しかし、前記亜鉛(錫)処理法の場合、超硬合金にアルミナコーティングやTiAlNコーティングされた工具をスクラップ処理した場合には、リサイクルした粉末中にAlが残存しやすく、このようなリサイクル粉末を利用した超硬合金は強度が低下したり、強度が不安定となる問題がある。このため、亜鉛(錫)処理法を用いた超硬合金のリサイクルでは、原料となるスクラップの選別を強化して、Alの混入比率が大きくならないように管理したり、リサイクル粉末を活用する場合には、Alの悪影響が出ないように通常の原料粉末への投入比率を調整して使用するなどの制限が生じ、リサイクル粉末を活用する上で問題点となっている。
特開平6−220571号公報 特開平7−197265号公報
However, in the case of the zinc (tin) treatment method, when scraping a cemented carbide tool with alumina coating or TiAlN coating, Al tends to remain in the recycled powder, and such recycled powder is used. The cemented carbide has a problem that the strength decreases or the strength becomes unstable. For this reason, in the recycling of cemented carbide using the zinc (tin) treatment method, the selection of scrap as a raw material is strengthened so that the mixing ratio of Al does not increase or when recycled powder is used. However, there is a limitation in using the recycled powder so as not to adversely affect Al, which is a problem in using recycled powder.
JP-A-6-220571 JP 7-197265 A

本発明は、上記事情を鑑みて成されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、強度と靭性が共に良好で、両特性が両立でき、さらに、アルミナコーティングされた超硬合金スクラップから得られるリサイクル粉末を有効に活用できる超硬合金とそれを用いた工具を提供することにある。
以下、各請求項の発明について説明する。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the problem to be solved by the present invention is that both strength and toughness are good, both properties are compatible, and alumina coated cemented carbide scrap It is to provide a cemented carbide capable of effectively utilizing the recycled powder obtained from the above and a tool using the same.
Hereinafter, the invention of each claim will be described.

請求項1に記載の発明は、
表面層および内層の少なくとも二層のWC基超硬合金層が積層された積層構造型超硬合金であって、内層のAl含有率が表面層のAl含有率よりも高いことを特徴とする積層構造型超硬合金である。
The invention described in claim 1
A laminated structure type cemented carbide in which at least two WC-based cemented carbide layers of a surface layer and an inner layer are laminated, wherein the inner layer has an Al content higher than the Al content of the surface layer Structural cemented carbide.

本請求項1の発明によれば、前記課題である強度と靭性が共に良好で、両特性が両立でき、さらに、アルミナコーティングされた超硬合金スクラップから得られるリサイクル粉末を有効に活用できる超硬合金を提供することができる。
以下、詳細に説明する。
According to the invention of claim 1, the strength and toughness which are the above-mentioned problems are both good, both characteristics can be compatible, and the recycled powder obtained from the alumina-coated cemented carbide scrap can be effectively utilized. Alloys can be provided.
Details will be described below.

超硬原料粉末中にAlが含まれていると、Alは容易に酸化されるため、製造工程中でAl酸化物となり易く、焼結体中ではAl酸化物(アルミナ)の形で存在し易い。Al酸化物は硬質相であるWCおよび結合相である鉄族金属との濡れ性が悪いため、Al酸化物の周辺に気孔を形成しやすく、またAl酸化物自身が破壊源となる。これらは超硬合金の機械的強度が低下する原因となる。したがって、通常、超硬合金中にはAlの量を極力少なくすることが求められる。   If Al is contained in the cemented carbide raw material powder, Al is easily oxidized, so it is likely to be an Al oxide in the manufacturing process, and is easily present in the form of Al oxide (alumina) in the sintered body. . Since the Al oxide has poor wettability with the WC that is the hard phase and the iron group metal that is the binder phase, it is easy to form pores around the Al oxide, and the Al oxide itself is a source of destruction. These cause a decrease in the mechanical strength of the cemented carbide. Therefore, it is usually required to reduce the amount of Al in the cemented carbide as much as possible.

しかしながら、本発明者らはAlの含有率の高い超硬合金は、同一組成、同一硬度のAlの含有率の低い超硬合金よりも、機械的強度には劣るが、亀裂進展の起こりにくさを表わす破壊靱性値が優れることを見出した。そして、この点に着目し、超硬合金層を少なくとも二層にし、機械的応力が必要とされる表面層にはAl含有率が低い超硬合金を配置して強度を高め、亀裂の進展抑制が必要とされる内層にはAl含有率が高い超硬合金を配置して靭性を高めることにより、全体で強度と靭性がバランスよく両立できる超硬合金とすることができることを見出した。   However, the present inventors have found that a cemented carbide having a high Al content is inferior in mechanical strength to a cemented carbide having the same composition and the same hardness but having a low Al content, but is less susceptible to crack propagation. It was found that the fracture toughness value representing Then, paying attention to this point, the cemented carbide layer is made into at least two layers, and the surface layer that requires mechanical stress is arranged with a cemented carbide with low Al content to increase the strength and suppress the progress of cracks. The present inventors have found that a cemented carbide having a high balance between strength and toughness can be obtained by arranging a cemented carbide with a high Al content in the inner layer in which the Al content is required to improve toughness.

そして、上記により従来Al含有率が高くて、適用が非常に制約されていたアルミナコーティングされた超硬合金スクラップのリサイクル粉末を有効に活用しながら、強度と靭性がバランスよく両立できる超硬合金を提供することができるようになった。
そして、リサイクル粉末として、湿式法よりも低コストの亜鉛(錫)処理法により製造された粉末を用いることができるため、上記の強度と靱性を両立させた超硬合金をより安価に提供することができ、地球環境の保護およびWCの供給リスクの回避に役立つ。
And by effectively using the recycled powder of alumina-coated cemented carbide scrap, which has a high Al content and has been very limited in application, a cemented carbide that can balance strength and toughness in a balanced manner. Can now be offered.
And since the powder manufactured by the zinc (tin) processing method of lower cost than a wet method can be used as a recycled powder, the cemented carbide which made the said intensity | strength and toughness compatible is provided more inexpensively. Can help protect the global environment and avoid the risk of supplying WC.

請求項1の発明における基材の構成としては、例えばAlの含有率の低いWC基超硬合金層を表面層とし、Alの含有率の高いWC基超硬合金層を内層とする二層構造の積層構造型超硬合金や、Alの含有率の低いWC基超硬合金層でAlの含有率の高いWC基超硬合金層を両側から挟んだ三層構造の積層構造型超硬合金とする。また、積層構造はサンドイッチ状であっても同心円状であっても良い。
そして、本発明の積層構造型超硬合金を切削工具に用いる場合には、すくい面にAlの含有率の低いWC基超硬合金層が配される。金型用工具に用いる場合には、被加工材との接触面にAlの含有率の低いWC基超硬合金層が配される。即ち、機械的応力が必要とされる側にAl含有率の低いWC基基超硬合金層が配される。そして、二層構造の場合、本発明ではこのように機械的応力が必要とされる側を表面層と呼称している。
As a structure of the base material in the invention of claim 1, for example, a two-layer structure in which a WC-based cemented carbide layer having a low Al content is used as a surface layer and a WC-based cemented carbide layer having a high Al content is used as an inner layer. Laminated structure type cemented carbide of the above, or a laminated structure type cemented carbide with a three layer structure in which a WC based cemented carbide layer with a low Al content is sandwiched from both sides with a WC based cemented carbide layer with a low Al content To do. The laminated structure may be a sandwich shape or a concentric shape.
When the laminated structure type cemented carbide of the present invention is used for a cutting tool, a WC-based cemented carbide layer having a low Al content is disposed on the rake face. When used for a tool for a mold, a WC-based cemented carbide layer having a low Al content is disposed on a contact surface with a workpiece. That is, a WC-based cemented carbide layer having a low Al content is disposed on the side where mechanical stress is required. In the case of a two-layer structure, in the present invention, the side on which mechanical stress is required is called a surface layer.

次に、基材の組成は、WCを主成分とする硬質相と、CoやNi等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなるWC基超硬合金で構成される。基材は、さらに、周期律表IVa、Va、VIa族の金属元素群から選択される1種以上の元素(a)や、同金属元素群から選択される1種以上の元素と炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群から選択される1種以上の元素とからなる化合物(固溶体)(b)を含有していてもよい。   Next, the composition of the base material is composed of a WC-based cemented carbide composed of a hard phase mainly composed of WC and a binder phase mainly composed of an iron group metal such as Co or Ni. The base material further includes one or more elements (a) selected from the group of metal elements of groups IVa, Va and VIa of the periodic table, and one or more elements selected from the group of metal elements and carbon, nitrogen. And a compound (solid solution) (b) composed of one or more elements selected from the group consisting of oxygen and boron.

具体的には、(a)の元素としてはCr、Ta、Nb、V、Tiなど、(b)の化合物としては、(Ta,Nb)C、VC、Cr、NbCなどが挙げられる。これらの元素や化合物は、焼結中においてWC粒子の粒の成長を抑制する働きをするものが多い。WC粒子が少な過ぎると、耐摩耗性や靭性が低下したり、焼結性が低下するため、WC粒子の含有量は70〜98質量%が好ましい。また、公知の組成の超硬合金を利用してもよく、表面層と内層におけるWC基超硬合金のAlの含有率を除く組成は同じであっても異なっていてもよい。 Specifically, the element (a) includes Cr, Ta, Nb, V, Ti, and the like, and the compound (b) includes (Ta, Nb) C, VC, Cr 2 C 3 , NbC, and the like. . Many of these elements and compounds function to suppress the growth of WC particles during sintering. When the amount of WC particles is too small, the wear resistance and toughness are decreased, and the sinterability is decreased. Therefore, the content of WC particles is preferably 70 to 98% by mass. Further, a cemented carbide having a known composition may be used, and the composition of the surface layer and the inner layer except for the Al content of the WC-based cemented carbide may be the same or different.

請求項2に記載の発明は、
前記内層のAl含有率が50ppm以上であることを特徴とする請求項1に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention described in claim 2
The multilayer structure type cemented carbide according to claim 1, wherein the inner layer has an Al content of 50 ppm or more.

請求項2の発明においては、内層のAl含有率が50ppm以上であるため、内層の靭性がより向上した超硬合金を提供することができる。内層のAl含有率が100ppm以上であると、より好ましい。   In the invention of claim 2, since the Al content of the inner layer is 50 ppm or more, it is possible to provide a cemented carbide with improved inner layer toughness. It is more preferable that the Al content of the inner layer is 100 ppm or more.

請求項3に記載の発明は、
前記Alが酸化物として存在することを特徴とする請求項1または2に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention according to claim 3
3. The laminated structure type cemented carbide according to claim 1, wherein the Al is present as an oxide.

前記のように、Al酸化物(以下、アルミナという)は、硬質相であるWCおよび結合相である鉄族金属との濡れ性が悪いため、アルミナの周辺には気孔が形成され、機械的強度低下の原因となる。
一方、切削中に発生する亀裂はアルミナとWCもしくは鉄族金属の界面を進展しやすく亀裂が湾曲しながら進展するため、亀裂の進展エネルギーが吸収される。さらに、前記の気孔が亀裂の進展エネルギーを吸収するため、Alが酸化物として超硬合金中に存在するときに超硬合金の靭性については向上することが分かった。
そして、両特性のバランスを考慮した場合、Alは酸化物として存在することの方が好ましいことが分かった。
As described above, since Al oxide (hereinafter referred to as alumina) has poor wettability with WC as a hard phase and iron group metal as a binder phase, pores are formed around alumina, and mechanical strength is increased. Causes a drop.
On the other hand, cracks generated during cutting easily propagate through the interface between alumina and WC or an iron group metal and progress while the cracks are curved, so that the progress energy of the cracks is absorbed. Furthermore, it has been found that the toughness of the cemented carbide is improved when Al is present in the cemented carbide as an oxide because the pores absorb the energy of crack propagation.
And when the balance of both characteristics was considered, it turned out that it is more preferable that Al exists as an oxide.

請求項4に記載の発明は、
前記酸化物がα型アルミナを含むことを特徴とする請求項3に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention according to claim 4
The laminated structure type cemented carbide according to claim 3, wherein the oxide contains α-type alumina.

アルミナにはα型、κ型、γ型、θ型など多数あるが、特にα型アルミナを含んだ場合に優れた靱性を得ることができる。これはα型アルミナは高温安定型であり、アルミナ粒子同士の結合力が高いため、亀裂がα型アルミナを迂回する形で進展しやすく、亀裂の偏向作用により亀裂進展エネルギーの吸収に有効に働くためと考えられる。   There are many types of alumina such as α-type, κ-type, γ-type, and θ-type, and excellent toughness can be obtained particularly when α-type alumina is included. This is because α-type alumina is a high-temperature stable type, and the bonding strength between alumina particles is high, so cracks tend to propagate in a form that bypasses α-type alumina, and effectively works to absorb crack growth energy by the deflection action of cracks. This is probably because of this.

請求項5に記載の発明は、
前記表面層と前記内層の各々に含まれる結合相量(体積%)が同量であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention described in claim 5
5. The laminated structure type cemented carbide according to claim 1, wherein the surface layer and the inner layer each have the same amount of binder phase (% by volume). is there.

WC基超硬合金は、焼結中に液相を生成させて緻密化を行う。このため、表面層と内層において生成する液相量が相違すると、焼結中に液相となる両層の結合相量が均衡化しようとする作用により、結合相の物質移動が生じる。   The WC-based cemented carbide is densified by generating a liquid phase during sintering. For this reason, if the amount of liquid phase produced in the surface layer and the inner layer is different, mass transfer of the binder phase occurs due to the action of balancing the amount of binder phase in both layers that become the liquid phase during sintering.

そこで、請求項5の発明においては、表面層と内層に含まれる結合相量(体積%)を同量にすることにより、結合相の物質移動を防ぎ、表面層と内層の焼結後の硬度を、単体で焼結したときの硬度と同一の硬度とする。これにより、積層構造型超硬合金の各層の硬度を狙い通りのものとして、合金構造設計を容易にし、優れた合金特性が再現性よく発現することができる。   Therefore, in the invention of claim 5, by making the amount (% by volume) of the binder phase contained in the surface layer and the inner layer equal, the mass transfer of the binder phase is prevented, and the hardness after sintering of the surface layer and the inner layer. Is the same hardness as when sintered alone. As a result, the hardness of each layer of the laminated structure type cemented carbide can be set as intended, the alloy structure design can be facilitated, and excellent alloy characteristics can be expressed with good reproducibility.

なお、ここで結合相量(体積%)が同量であるとは、両層の結合相量(体積%)の差を多い結合相量(体積%)に対する比率で表した時の値が10%以内であることを意味している。
また、互いの結合相量差(体積%)が上記範囲内にあると、液相が表面層と内層の間で移動した場合でも、焼結体硬度の変化に与える影響は小さいため、前記と同趣旨の目的を達成することができる。
Here, the amount of the binder phase (volume%) being the same amount means that the value when the difference between the binder phases (volume%) in both layers is expressed as a ratio to the amount of binder phase (volume%) is 10 It means that it is within%.
Also, if the mutual binder phase difference (% by volume) is within the above range, even when the liquid phase moves between the surface layer and the inner layer, the influence on the change in the sintered body hardness is small. The same purpose can be achieved.

請求項6に記載の発明は、
前記表面層中に含まれる結合相を構成するCo量(体積%)と前記内層中に含まれる結合層を構成するCo量(体積%)が同量であることを特徴とする請求項5に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention described in claim 6
6. The Co amount (volume%) constituting the binder phase contained in the surface layer and the Co amount (volume%) constituting the binder layer contained in the inner layer are the same amount. It is the laminated structure type cemented carbide described.

表面層と内層におけるCo量(体積%)が同量であると、Co中に固溶できるW量が、表面層と内層で同量となり、焼結時に生成した液相中のW溶質量が同等となり、溶質原子であるWの物質移動を抑制することができ好ましい。   When the amount of Co (volume%) in the surface layer and the inner layer is the same amount, the amount of W that can be dissolved in Co becomes the same amount in the surface layer and the inner layer, and the dissolved mass of W in the liquid phase generated during sintering is It becomes equivalent, and the mass transfer of W, which is a solute atom, can be suppressed.

請求項7に記載の発明は、
前記表面層の表面にさらにセラミック被覆膜を有することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention described in claim 7
The multilayer structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 6, further comprising a ceramic coating film on a surface of the surface layer.

切削用工具は、一般的に100m/min〜500m/minの切削速度で使用され、特に鋼切削の場合、刃先温度は1000℃にも達するため、このような高温に耐える高い耐熱性が求められる。このような要求に対応する方法として切削用工具の表面にセラミック膜を被覆する方法を採用することにより、耐熱性、耐摩耗性を高めることができる。
また、本発明の積層構造型超硬合金を金型用工具に利用する場合にも、セラミック膜を被覆することにより、耐摩耗性向上、潤滑性向上、耐焼き付き性を向上させることができる。
Cutting tools are generally used at a cutting speed of 100 m / min to 500 m / min. Particularly in the case of steel cutting, the cutting edge temperature reaches 1000 ° C., and thus high heat resistance that can withstand such high temperatures is required. . By adopting a method of covering the surface of the cutting tool with a ceramic film as a method for meeting such a requirement, heat resistance and wear resistance can be improved.
Moreover, also when using the laminated structure type cemented carbide of the present invention for a tool for a mold, it is possible to improve wear resistance, lubricity and seizure resistance by coating a ceramic film.

被覆用のセラミック材料としては、例えばTiN、TiAlN、Al、CrN、DLC等を適用することができ、厚すぎると耐欠損性が低下するため、被覆の厚さは0.1〜20μmとすることが好ましい。また、被覆には通常用いられるPVD、CVD、めっき等の方法を適用することができる。 As the ceramic material for coating, for example, TiN, TiAlN, Al 2 O 3 , CrN, DLC, etc. can be applied, and if it is too thick, the fracture resistance decreases, so the thickness of the coating is 0.1 to 20 μm. It is preferable that Further, PVD, CVD, plating, etc. that are usually used can be applied to the coating.

請求項8に記載の発明は、
前記内層のWC基超硬合金が、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法により製造された超硬粉末を用いて製造されていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金である。
The invention according to claim 8 provides:
The WC-based cemented carbide of the inner layer is manufactured using cemented carbide powder manufactured by a recycling method using Zn and / or Sn. It is the laminated structure type cemented carbide described in the item.

請求項8の発明によれば、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法(亜鉛(錫)処理法)により製造した超硬粉末を内層に使用して超硬合金を製造しても、強度や靭性の品質が安定して優れた超硬合金とすることができる。   According to the invention of claim 8, even if a cemented carbide is produced by using a cemented carbide powder produced by a recycling method (zinc (tin) treatment method) using Zn and / or Sn as an inner layer, strength and A cemented carbide with excellent toughness quality can be obtained.

前記のように、超硬合金のスクラップの処理法として亜鉛(錫)処理法は湿式法よりも低コストではあるが、アルミナコーティングやTiAlNコーティングをした工具をスクラップ処理した場合には、リサイクルした粉末中にAlが不純物として残存しやすく、このリサイクル粉末を利用した超硬合金は強度が低下するという問題があった。本発明の超硬合金は、このような欠点を有する亜鉛(錫)処理法により製造した超硬粉末をも有効に活用できるようになる。そして、地球環境保護、WC供給リスク回避の観点からも有益である。   As mentioned above, the zinc (tin) treatment method is a lower cost than the wet method as a method for treating cemented carbide scrap, but when scraping a tool coated with alumina or TiAlN, the recycled powder Al tends to remain as impurities therein, and the cemented carbide using the recycled powder has a problem that the strength is lowered. The cemented carbide of the present invention can effectively utilize the cemented carbide powder produced by the zinc (tin) treatment method having such drawbacks. It is also beneficial from the viewpoint of global environment protection and WC supply risk avoidance.

請求項9に記載の発明は、
請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金により形成されていることを特徴とする工具である。
The invention according to claim 9 is:
A tool characterized by being formed of the laminated structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 8.

請求項9の発明においては、前記各請求項に記載の積層構造型超硬合金により形成されているため、強度と靭性に優れた工具を提供することができる。
本発明の具体的工具としては、たとえば、切削チップ、ドリル、エンドミルなどの切削工具、金型やパンチ、ダイスなどの耐摩工具、ビットなどの鉱山土木、都市開発用工具、スリッターなどの切断工具、測定冶具などの精密工具などが挙げられる。
In invention of Claim 9, since it is formed with the laminated structure type cemented carbide as described in each said claim, the tool excellent in intensity | strength and toughness can be provided.
Specific tools of the present invention include, for example, cutting tools such as cutting tips, drills and end mills, wear-resistant tools such as dies and punches, dies, mining civil engineering such as bits, tools for urban development, cutting tools such as slitters, Examples include precision tools such as measurement jigs.

請求項10に記載の発明は、
前記工具が切削用工具であることを特徴とする請求項9に記載の工具である。
The invention according to claim 10 is:
The tool according to claim 9, wherein the tool is a cutting tool.

工具の中でも、切削用工具に本発明の積層構造型超硬合金を用いた場合には、Al含有率が高いWC基超硬合金が内層に存在しても、その影響は非常に小さい。これは、切削工具の場合、応力集中点は工具の表面近傍に存在するため、工具の強度は表面層のみで決まり、内層の超硬合金は硬さと靱性の機能を有することで、十分使用に耐えるからである。
このため、本発明の積層構造型超硬合金を切削用工具として有効に用いることができる。
Among the tools, when the laminated structure type cemented carbide of the present invention is used for a cutting tool, even if a WC-based cemented carbide having a high Al content is present in the inner layer, the influence is very small. This is because in the case of a cutting tool, the stress concentration point exists near the surface of the tool, so the strength of the tool is determined only by the surface layer, and the inner layer cemented carbide has the functions of hardness and toughness, so it can be used sufficiently. Because it will endure.
For this reason, the laminated structure type cemented carbide of the present invention can be effectively used as a cutting tool.

請求項11に記載の発明は、
前記工具が金型用工具であることを特徴とする請求項9に記載の工具である。
The invention according to claim 11
The tool according to claim 9, wherein the tool is a mold tool.

工具の中でも、金型用工具に本発明の積層構造型超硬合金を用いた場合には、Al含有率が高いWC基超硬合金が内部に存在しても、その影響は非常に小さい。これは、金型用工具の場合、表面層の面粗さ、WC粒径、組成、硬さにその性能が大きく影響され、内層の超硬合金の強度特性の影響は非常に小さいためである。
このため、本発明の積層構造型超硬合金を金型用工具として有効に用いることができる。
Among the tools, when the laminated structure type cemented carbide of the present invention is used for a tool for a mold, even if a WC-based cemented carbide having a high Al content is present inside, the influence is very small. This is because in the case of a tool for a mold, its performance is greatly influenced by the surface roughness, WC particle size, composition and hardness of the surface layer, and the influence of the strength characteristics of the inner layer cemented carbide is very small. .
For this reason, the laminated structure type cemented carbide of the present invention can be effectively used as a mold tool.

請求項12に記載の発明は、
前記切削用工具の表面層の厚さが50μm以上1500μm以下であることを特徴とする請求項10に記載の工具である。
The invention according to claim 12
The thickness of the surface layer of the said cutting tool is 50 micrometers or more and 1500 micrometers or less, It is a tool of Claim 10 characterized by the above-mentioned.

請求項12の発明においては、本発明の切削用工具の表面層の厚さが50μm以上1500μm以下であるため、切削加工時に欠損を引き起こしにくく、亀裂進展が起こりにくい切削用工具を提供することができる。
即ち、前記表面層の厚さが50μm未満であると、内層のAlの含有率の高いWC基超硬合金の機械的強度が低いことが原因で生じる切削加工時の欠損を引き起こし易くなる。また、表面層の厚さが1500μmを超えると、内層のAlの含有率の高いWC基超硬合金の特徴である優れた靭性を発揮することが困難になり易い。また、表面層の厚さが厚いため、内層の厚さが薄くなり、内層の体積が小さくなるため、リサイクル粉末を使用する量が少なく、コスト低減の効果が小さくなる。
熱亀裂の発生しやすいフライス加工や比較的弱い断続切削時には亀裂は緩やかに進展するため、亀裂長さは50μmから1500μmまで成長することがあり、この亀裂進展を抑制するためにAlの含有率の高いWC基超硬合金を表面から50μm以上1500μm以下の位置に配置することが有効であり、より好ましい厚さは100μm以上1000μm以下である。
一方、表面層にはAlの含有率の低いWC基超硬合金層を配置することで、強断続切削時の亀裂の発生を抑制できるため、亀裂が発生しにくく、亀裂進展の抑制効果に優れた切削用工具とすることができる。
In the invention of claim 12, since the thickness of the surface layer of the cutting tool of the present invention is not less than 50 μm and not more than 1500 μm, it is possible to provide a cutting tool that is less prone to chipping during cracking and less prone to crack propagation. it can.
That is, when the thickness of the surface layer is less than 50 μm, it becomes easy to cause a chipping during cutting due to the low mechanical strength of the WC-based cemented carbide having a high Al content in the inner layer. Moreover, when the thickness of the surface layer exceeds 1500 μm, it becomes difficult to exhibit the excellent toughness that is a feature of the WC-based cemented carbide having a high Al content in the inner layer. In addition, since the thickness of the surface layer is large, the thickness of the inner layer is reduced, and the volume of the inner layer is reduced. Therefore, the amount of recycled powder used is small, and the cost reduction effect is reduced.
Cracks grow slowly during milling and relatively weak interrupted cutting, where thermal cracks are likely to occur, and the crack length may grow from 50 μm to 1500 μm. It is effective to dispose a high WC-based cemented carbide at a position of 50 μm or more and 1500 μm or less from the surface, and a more preferable thickness is 100 μm or more and 1000 μm or less.
On the other hand, by arranging a WC-based cemented carbide layer with a low Al content in the surface layer, it is possible to suppress the occurrence of cracks during strongly interrupted cutting, so cracks are less likely to occur and the crack growth suppression effect is excellent. A cutting tool.

請求項13に記載の発明は、
請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金の製造方法であって、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法により製造された超硬粉末と、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法により製造された超硬粉末の含有比率が0〜50vol%の超硬粉末を用いて、同時に積層プレス成形後、焼結して前記内層と表面層が積層されたWC基超硬合金を製造することを特徴とする積層構造型超硬合金の製造方法である。
The invention according to claim 13
A method of manufacturing a laminated structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 8, wherein the cemented carbide powder is manufactured by a recycling method using Zn and / or Sn, Zn and / or Alternatively, a WC in which the inner layer and the surface layer are laminated by using a cemented carbide powder produced by a recycling method using Sn and having a content ratio of 0 to 50 vol% and simultaneously laminating press molding and sintering. A method for producing a laminated structure type cemented carbide comprising producing a base cemented carbide.

前記の通り、アルミナコーティングされた超硬合金スクラップを原料としてZnおよび/またはSnを用いたリサイクル法(亜鉛(錫)処理法)により製造された超硬粉末を内層に使用して超硬合金を製造しても、強度や靭性の品質が安定して優れた超硬合金とすることができ、さらに、環境面での負荷が小さくかつ安価にこのような超硬合金を提供することができる。   As described above, a cemented carbide alloy is produced by using cemented carbide powder produced by a recycling method (zinc (tin) treatment method) using Zn and / or Sn as a raw material for an alumina-coated cemented carbide scrap. Even if it is manufactured, it is possible to obtain a cemented carbide having a stable strength and toughness quality, and to provide such a cemented carbide with a low environmental load and at a low cost.

請求項14に記載の発明は、
前記表面層と前記内層を、結合相量(体積%)および/またはCo量(体積%)が同量である超硬粉末を用いて、同時に積層プレス成形することを特徴とする請求項13に記載の積層構造型超硬合金の製造方法である。
The invention according to claim 14
The surface layer and the inner layer are simultaneously laminated press-molded using cemented carbide powder having the same amount of binder phase (volume%) and / or amount of Co (volume%). It is a manufacturing method of the laminated structure type cemented carbide described.

請求項14の発明においては、前記表面層と前記内層に、結合相量(体積%)および/またはCo量(体積%)が同量である超硬粉末を用いるため、焼結に際して結合相やWの物質移動を抑制することができ、優れた合金特性が再現性良く発現する積層構造型超硬合金を提供することができる。また、表面層と内層を同時に積層プレス成形するため、積層構造型超硬合金を安価に提供することができる。     In the invention of claim 14, since cemented carbide powder having the same amount of binder phase (volume%) and / or amount of Co (volume%) is used for the surface layer and the inner layer, It is possible to provide a laminated structure type cemented carbide capable of suppressing mass transfer of W and exhibiting excellent alloy characteristics with good reproducibility. Moreover, since the surface layer and the inner layer are laminated and press-molded simultaneously, a laminated structure type cemented carbide can be provided at a low cost.

本発明によれば、強度と靭性が共に良好で、両特性が両立できる超硬合金とそれを用いた工具を提供することができる。また、アルミナコーティングされた超硬合金スクラップから得られる超硬のリサイクル粉末を有効に活用し、環境負荷を低減しつつ安価に優れた超硬合金を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a cemented carbide which has both good strength and toughness and can satisfy both characteristics, and a tool using the same. Further, it is possible to produce a cemented carbide excellent in cost while reducing environmental burden by effectively utilizing cemented carbide recycled powder obtained from alumina-coated cemented carbide scrap.

以下、本発明を実施するための最良の実施の形態につき、以下に示す実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。   The best mode for carrying out the present invention will be described below based on the following examples. Note that the present invention is not limited to the following embodiments. Various modifications can be made to the following embodiments within the same and equivalent scope as the present invention.

実施例1、比較例
Al含有率が各々50ppm未満、および50ppm以上となるように、超硬合金スクラップから得られる超硬のリサイクル粉末を含むWC基超硬合金の原料粉末と結合相となるCoを体積比で88:12の比率で秤量後、アルコールを溶媒として用い、ボールミルで72時間湿式混合した。特にAl含有率が50ppm以上となるようにするにはアルミナコーティングされた工具の超硬合金スクラップから得られる超硬のリサイクル粉末をそのまま用いれば容易にでき、これにリサイクルでない新粉のWC基超硬合金の原料粉末を混合すればAl含有率を調整できる。
混合終了後スプレードライを用いて乾燥造粒を行いAl含有率が10ppmの混合粉末(A)、Al含有率が400ppmの合金混合粉末(B)の2系統の混合粉末を作製した。
次に特殊プレス機を用いて焼結後の形状がISO型番SNGN120408用素材(内接円:13.1mm、厚み:5.0mm)となる表面層/内層/表面層の3層サンドイッチ構造となるようにプレス成形体を作り、さらに1400℃で1時間保持して真空焼結を行った。
Example 1 and Comparative Example Co serving as a binder phase and raw material powder of WC-based cemented carbide including cemented carbide recycled powder obtained from cemented carbide scrap so that the Al content is less than 50 ppm and 50 ppm or more, respectively. Were weighed at a volume ratio of 88:12, and then wet mixed in a ball mill for 72 hours using alcohol as a solvent. In particular, in order to achieve an Al content of 50 ppm or more, it is easy to use cemented carbide recycled powder obtained from cemented carbide scrap of an alumina-coated tool as it is. If the raw powder of the hard alloy is mixed, the Al content can be adjusted.
After completion of mixing, dry granulation was performed using spray drying to prepare two types of mixed powders, a mixed powder (A) having an Al content of 10 ppm and an alloy mixed powder (B) having an Al content of 400 ppm.
Next, using a special press machine, the shape after sintering becomes a three-layer sandwich structure of surface layer / inner layer / surface layer that becomes the material for ISO model number SNGN120408 (inscribed circle: 13.1 mm, thickness: 5.0 mm). A press-molded body was prepared as described above, and vacuum sintering was performed by holding at 1400 ° C. for 1 hour.

表1に、作製したサンドイッチ構造焼結体の表面層厚み、表面層Al含有率、内層Al含有率を示した。なお、Al含有率は、ICP(Inductively Coupled Plasma)法による発光分析により、測定した。   Table 1 shows the surface layer thickness, the surface layer Al content, and the inner layer Al content of the prepared sandwich structure sintered body. In addition, Al content rate was measured by the emission analysis by ICP (Inductively Coupled Plasma) method.

作製した焼結体に研削加工と刃先処理を施し、CVD法でTiN(0.5μm)/TiCN(6μm)/Al(3μm)/TiN(1μm)を被覆した。作製した試料の耐摩耗性、強度、靭性の評価を以下に記載の3つの切削試験により行った。
なお、強度試験の被削材としては図1に示す4溝材1、靱性試験の被削材としては図2に示す4V溝材2を用いた。
The manufactured sintered body was ground and treated with a blade edge, and coated with TiN (0.5 μm) / TiCN (6 μm) / Al 2 O 3 (3 μm) / TiN (1 μm) by a CVD method. The abrasion resistance, strength, and toughness of the prepared samples were evaluated by the three cutting tests described below.
In addition, the 4V groove material 1 shown in FIG. 1 was used as the work material for the strength test, and the 4V groove material 2 shown in FIG. 2 was used as the work material for the toughness test.

(耐摩耗性)
被削材 :SCM435
切削速度:160m/min
送り :0.3mm/rev
切込み :1.5mm
湿式、10分間
(Abrasion resistance)
Work material: SCM435
Cutting speed: 160 m / min
Feeding: 0.3mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Wet for 10 minutes

(強度)
被削材 :SCM435(4溝材)
切削速度:100m/min
切込み :2mm
乾式、30秒間
(Strength)
Work material: SCM435 (4 groove material)
Cutting speed: 100 m / min
Cutting depth: 2mm
Dry, 30 seconds

(靭性)
被削材 :SCM435(4V溝材)
切削速度:150m/min
送り :0.3mm/rev
切込み :1.5mm
湿式
(Toughness)
Work material: SCM435 (4V groove material)
Cutting speed: 150 m / min
Feeding: 0.3mm / rev
Cutting depth: 1.5mm
Wet

耐摩耗性については摩耗量、強度については欠損が生じた送り量、靭性については欠損が生じるまでに切削できた時間を表1に示した。   Table 1 shows the amount of wear for the wear resistance, the feed amount for which the chipping occurred for the strength, and the time for cutting until the chipping for the toughness.

Figure 2009102709
Figure 2009102709

実施例2
表面層厚みが異なる試料を実施例1と同様にして作製し、同様に切削試験を実施した。その結果を表2に示した。
Example 2
Samples having different surface layer thicknesses were prepared in the same manner as in Example 1, and the cutting test was performed in the same manner. The results are shown in Table 2.

Figure 2009102709
Figure 2009102709

表1、2より、本発明の範囲内にある試料は、耐摩耗性、強度および靭性がバランスよく切削性能に優れており、切削工具として寿命の長いことが分かる。   From Tables 1 and 2, it can be seen that the samples within the scope of the present invention have a good balance of wear resistance, strength and toughness and excellent cutting performance, and have a long life as a cutting tool.

図1は、強度試験に使用した被削材(SCM435:4溝材)の形状を概念的に示す図である。FIG. 1 is a diagram conceptually showing the shape of a work material (SCM435: 4 groove material) used in the strength test. 図2は、靱性試験に使用した被削材(SCM435:4V溝材)の形状を概念的に示す図である。FIG. 2 is a diagram conceptually showing the shape of the work material (SCM435: 4V groove material) used in the toughness test.

符号の説明Explanation of symbols

1: 4溝材
2: 4V溝材
1: 4 groove material 2: 4V groove material

Claims (14)

表面層および内層の少なくとも二層のWC基超硬合金層が積層された積層構造型超硬合金であって、内層のAl含有率が表面層のAl含有率よりも高いことを特徴とする積層構造型超硬合金。   A laminated structure type cemented carbide in which at least two WC-based cemented carbide layers of a surface layer and an inner layer are laminated, wherein the inner layer has an Al content higher than the Al content of the surface layer Structural cemented carbide. 前記内層のAl含有率が50ppm以上であることを特徴とする請求項1に記載の積層構造型超硬合金。   The laminated structure cemented carbide according to claim 1, wherein the inner layer has an Al content of 50 ppm or more. 前記Alが酸化物として存在することを特徴とする請求項1または2に記載の積層構造型超硬合金。   The laminated structure type cemented carbide according to claim 1, wherein the Al is present as an oxide. 前記酸化物がα型アルミナを含むことを特徴とする請求項3に記載の積層構造型超硬合金。   The laminated structure type cemented carbide according to claim 3, wherein the oxide contains α-type alumina. 前記表面層と前記内層の各々に含まれる結合相量(体積%)が同量であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金。   The laminated structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 4, wherein the amount of binder phase (% by volume) contained in each of the surface layer and the inner layer is the same. 前記表面層中に含まれる結合相を構成するCo量(体積%)と前記内層中に含まれる結合相を構成するCo量(体積%)が同量であることを特徴とする請求項5に記載の積層構造型超硬合金。   6. The Co amount (% by volume) constituting the binder phase contained in the surface layer and the Co amount (% by volume) constituting the binder phase contained in the inner layer are the same amount. The laminated structure type cemented carbide described. 前記表面層の表面にさらにセラミック被覆膜を有することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金。   The laminated structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 6, further comprising a ceramic coating film on a surface of the surface layer. 前記内層のWC基超硬合金が、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法により製造された超硬粉末を用いて製造されていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金。   The WC-based cemented carbide of the inner layer is manufactured using cemented carbide powder manufactured by a recycling method using Zn and / or Sn. The laminated structure type cemented carbide according to item. 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金により形成されていることを特徴とする工具。   A tool formed of the laminated structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 8. 前記工具が切削用工具であることを特徴とする請求項9に記載の工具。   The tool according to claim 9, wherein the tool is a cutting tool. 前記工具が金型用工具であることを特徴とする請求項9に記載の工具。   The tool according to claim 9, wherein the tool is a tool for a mold. 前記切削用工具の表面層の厚さが50μm以上1500μm以下であることを特徴とする請求項10に記載の工具。   The tool according to claim 10, wherein a thickness of a surface layer of the cutting tool is 50 μm or more and 1500 μm or less. 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の積層構造型超硬合金の製造方法であって、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法により製造された超硬粉末と、Znおよび/またはSnを用いたリサイクル法により製造された超硬粉末の含有比率が0〜50vol%の超硬粉末を用いて、同時に積層プレス成形後、焼結して前記内層と表面層が積層されたWC基超硬合金を製造することを特徴とする積層構造型超硬合金の製造方法。   A method of manufacturing a laminated structure type cemented carbide according to any one of claims 1 to 8, wherein the cemented carbide powder is manufactured by a recycling method using Zn and / or Sn, Zn and / or Alternatively, a WC in which the inner layer and the surface layer are laminated by using a cemented carbide powder produced by a recycling method using Sn and having a content ratio of 0 to 50 vol% and simultaneously laminating press molding and sintering. A method for producing a laminated structure type cemented carbide comprising producing a base cemented carbide. 前記表面層と前記内層を、結合相量(体積%)および/またはCo量(体積%)が同量である超硬粉末を用いて、同時に積層プレス成形することを特徴とする請求項13に記載の積層構造型超硬合金の製造方法。   The surface layer and the inner layer are simultaneously laminated press-molded using cemented carbide powder having the same amount of binder phase (volume%) and / or amount of Co (volume%). The manufacturing method of the laminated structure type cemented carbide as described.
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