JP2011195846A - 表面被覆ｗｃ基超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱亀裂性、耐チッピング性に優れた表面被覆超硬合金製切削工具を提供する。
【解決手段】硬質相として少なくともＷＣを含有し、結合相形成成分としてＣｏおよびＣｒを含有するＷＣ基超硬合金からなる工具基体表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆超硬合金製切削工具であって、超硬合金表面から２００μｍまでの深さの表面領域における結合相中のＣｒ含有量（Ｃｓ）と、超硬合金表面から２００μｍ以上の深さの内部領域における結合相中のＣｒ含有量（Ｃｉ）の比の値が、Ｃｓ／Ｃｉ＝１．２〜１．５を満足することにより、表面領域における耐熱亀裂性を向上させるとともに、内部領域における熱亀裂の進展を抑制し、耐チッピング性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素鋼や合金鋼などの切削加工を、切刃に熱衝撃が作用する湿式高速ミーリング条件で行った場合であっても、すぐれた耐熱亀裂性、耐チッピング性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。

従来、鋼や鋳鉄の切削工具としては、超硬合金製工具基体に硬質被覆層を形成した表面被覆超硬合金製インサートが広く知られている。
例えば、特許文献１に示されるように、ＷＣ基超硬合金からなる基体の表面に、硬質被覆層を蒸着形成した被覆超硬工具において、該ＷＣ基超硬合金の硬質成分として、ＴａＣ、（Ｔａ，Ｎｂ）ＣおよびＷＣを含有し、さらに、結合相形成成分としてＣｏ：５〜１５％、Ｃｒ：０．１〜２％を含有させるとともに、硬質相成分のスケルトン（連続相）構造を形成した被覆超硬工具が知られており、そして、この被覆超硬工具は、すぐれた耐熱衝撃性を有するため、加熱・冷却の繰り返しからなる熱衝撃が作用する切削条件において、切刃に熱亀裂に起因する切刃の欠損等が生じることはなく、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮することが知られている。

特開平１１−２１６５１号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で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、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具では、これを、通常条件の旋削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、これを、例えば、鋼等の湿式高速ミーリング加工に用いた場合には、高速切削時に発生する高熱によって一段と熱衝撃が増大するため、熱亀裂が発生しやすくなり、このため、チッピング等の異常損傷で工具寿命が短命となっている。
したがって、高速ミーリング加工に用いた場合に、耐熱亀裂性、耐チッピング性に優れた被覆超硬工具の開発が望まれている。

本発明者等は、上記の課題に応えるため、炭素鋼や合金鋼の高速ミーリング加工において、すぐれた耐熱衝撃性、耐熱亀裂性、耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具について鋭意研究したところ、次のような知見を得たのである。

すなわち、上記従来の被覆超硬工具は、ＷＣ基超硬合金の硬質相成分によるスケルトン構造を構成することにより、熱衝撃による熱亀裂の発生を抑制するものであるが、本発明では、ＷＣ基超硬合金の表面領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量（Ｃｓ）を、ＷＣ基超硬合金の内部領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量（Ｃｉ）より高く維持する（Ｃｓ／Ｃｉ＝１．２〜１．５）ことで、ＷＣ基超硬合金の強度の低下を招くことなく耐熱衝撃性を高めることができ、その結果、湿式高速ミーリング加工等の熱衝撃が作用する切削条件においても、被覆超硬工具の熱亀裂の発生・進展を抑制し、もって、耐チッピング性、耐摩耗性を向上させ得ることを見出したのである。

そして、ＷＣ基超硬合金の表面領域、内部領域における結合相中のそれぞれの平均Ｃｒ含有量の比の値Ｃｓ／Ｃｉが１．２〜１．５となる上記被覆超硬工具は、
通常条件の焼結でＷＣ基超硬合金を作製し、
次いで、ＷＣ基超硬合金表面にＣｒ濃度を富化する蒸着−熱処理（以下、Ｃｒ濃化処理という）を施した後、
通常条件で硬質被覆層を蒸着形成する
ことによって製造できることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 硬質相としてＷＣを含有し、結合相形成成分としてＣｏを５〜１５質量％およびＣｒを０．１〜２質量％含有するＷＣ基超硬合金からなる工具基体表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆超硬合金製切削工具であって、
上記ＷＣ基超硬合金の表面から２００μｍまでの深さの表面領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量（Ｃｓ）と、ＷＣ基超硬合金の表面から２００μｍ以上の深さの内部領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量（Ｃｉ）の比の値が、
Ｃｓ／Ｃｉ＝１．２〜１．５
を満足することを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具。
（２） 硬質相として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの内から選ばれる１種または２種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆超硬合金製切削工具。
（３） 硬質被覆層がＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物層、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、または、Ａｌ_２Ｏ_３層の単層、または、上記Ｔｉ化合物層とＡｌ_２Ｏ_３層との複層からなることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明の構成について、以下に説明する。

本発明の被覆超硬工具におけるＷＣ基超硬合金は、ＷＣを硬質相成分の主体として含有するが、この他に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの内から選ばれる１種または２種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することができる。
これらの硬質相成分の含有は、母材強度、高温硬度、耐摩耗性の向上に効果があるが、多量に含有した場合には、強度低下を招く恐れがあるので、これらの成分の合計含有量は５重量％以下とすることが望ましい。

本発明の被覆超硬工具におけるＷＣ基超硬合金は、結合相形成成分としてＣｏおよびＣｒを含有する。

Ｃｏ：
Ｃｏ成分には、結合相を形成して基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、ＷＣ基超硬合金中の平均Ｃｏ含有量が５質量％未満では、特に靭性に所望の向上効果が得られず、一方、平均Ｃｏ含有量が１５質量％を越えると、塑性変形が起り易くなって、偏摩耗の進行が促進されるようになることから、ＷＣ基超硬合金中の平均Ｃｏ含有量は５〜１５質量％とする。

Ｃｒ：
Ｃｒ成分には、Ｃｏ中に固溶して結合相を形成し、硬質相同志の接合を促進し、もって硬質相によるスケルトンの形成に寄与する作用があるが、ＷＣ基超硬合金中の平均Ｃｒ含有量が０．１質量％未満では、前記作用に所望の効果が得られず、一方、平均Ｃｒ含有量が２質量％を越えると、基体の強度および靭性が低下するようになることから、ＷＣ基超硬合金中の平均Ｃｒ含有量は、０．１〜２質量％とする。
なお、Ｃｒ成分の結合相中への含有は、ＷＣ基超硬合金の製造に際し、原料粉末としての金属Ｃｒ粉末あるいはＣｒ_３Ｃ_２粉末を用いて行えばよい。

そして、本発明では、ＷＣ基超硬合金におけるＣｒ含有量について、ＷＣ基超硬合金の表面から２００μｍまでの深さの表面領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量をＣｓとし、一方、ＷＣ基超硬合金の表面から２００μｍ以上の深さのＷＣ基超硬合金内部領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量Ｃｉとした場合、ＣｓとＣｉの比の値が、
Ｃｓ／Ｃｉ＝１．２〜１．５
を満足することが必要である。
Ｃｓ／Ｃｉが１．２未満の場合には、熱衝撃による熱亀裂発生・進展抑制効果が不十分であり、一方、Ｃｓ／Ｃｉが１．５を超えると、ＷＣ基超硬合金の強度が低下し、熱塑性変形による偏摩耗を発生しやすくなり耐摩耗性が低下する。
被覆超硬工具のＣｓとＣｉの比の値が１．２〜１．５を満足するときには、湿式高速ミーリング加工等による加熱・冷却の熱衝撃が作用した場合でも、超硬合金表面での熱亀裂の発生が抑制されるとともに、熱亀裂の進展を原因とするチッピング発生、欠損発生を防止することが可能となる。
ＷＣ基超硬合金の表面領域、内部領域における結合相中のＣｒ含有量は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析装置により測定することができる。

本発明の被覆超硬工具は、例えば、以下の製造法により製造することができる。
（ａ）まず、いずれも平均粒径１〜３μｍのＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、および、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの内から選ばれる１種または２種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の粉末を用意し、所定の配合組成に配合し、ボールミル混合し、乾燥後、所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空雰囲気中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持して真空焼結することにより、ＷＣ基超硬合金焼結体を得る。
（ｂ）次いで、上記焼結体をＣＶＤ装置に装入し、例えば、
処理温度：１１００〜１１５０℃、
処理圧力：８ｋＰａ、
処理雰囲気：ＣｒＣｌ_３＋Ｈ_２、
処理時間：３０分間
の条件で蒸着処理し、さらに、これを、５Ｐａの真空雰囲気中、１２００℃で３０分間熱処理するＣｒ濃化処理を施すことにより、ＷＣ基超硬合金の表面領域（表面から２００μｍまでの深さの領域）の結合相中におけるＣｒ含有量を、ＷＣ基超硬合金の内部領域におけるそれよりも高める。
（ｃ）その後、通常条件で、所定の硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明の被覆超硬工具、即ち、切刃に熱衝撃が作用する湿式高速ミーリング条件下であっても、すぐれた耐熱亀裂性、耐チッピング性を発揮する被覆超硬工具を製造することができる。

本発明でいう硬質被覆層としては、例えば、Ｔｉ化合物層の単層、または、Ａｌ_２Ｏ_３層の単層、または、Ｔｉ化合物層とＡｌ_２Ｏ_３層との複層等からなる硬質被覆層を、例えば、３〜２０μｍの平均層厚で蒸着形成すればよい。
なお、Ｔｉ化合物層とは、当業者に広く知られているように、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１層または２層以上からなる層をいう。
硬質被覆層の平均層厚が３μｍ未満では、長期の使用にわたって、耐摩耗性を発揮することができず、一方、その平均層厚が２０μｍを超えると、チッピング、欠損が発生しやすくなるので、硬質被覆層の平均層厚は３〜２０μｍとすることが望ましい。

本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具によれば、ＷＣ基超硬合金の表面領域の結合相中の平均Ｃｒ含有量Ｃｓと、合金内部領域の結合相中の平均Ｃｒ含有量Ｃｉが、
Ｃｓ／Ｃｉ＝１．２〜１．５
の関係を満足することから、加熱・冷却の熱衝撃が作用する鋼の湿式高速ミーリング加工等に用いられた場合でも、超硬合金表面での熱亀裂の発生が抑制されるとともに、熱亀裂の進展を原因とするチッピング発生、欠損発生を防止することが可能となる。

切削試験Ａ終了後のＷＣ基超硬合金基体のすくい面に平行な断面における熱亀裂発生状況を示す光学顕微鏡写真（倍率：１００倍）であり、（ａ）は比較例４、（ｂ）は実施例３、（ｃ）は比較例１０を示す。

次に、本発明の表面被覆超硬合金製切削工具（被覆超硬工具）について、実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＣｒ_３Ｃ_２粉末を、表１に示す割合に配合し、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、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形した。
このプレス成形により得た圧粉体を、表２に示す焼結条件で焼結した後、表３に示されるＣｒ濃化処理を施し、本発明のＷＣ基超硬合金１〜１０を製造した。
これらのＷＣ基超硬合金に、Ｒ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１に規定される形状の本発明工具基体１〜１０を製造した。

さらに、上記本発明の工具基体１〜１０の表面に、各種の硬質被覆層を形成し、表４に示す本発明の被覆超硬工具１〜１０以下、実施例１〜１０というを製造した。
実施例１〜１０の被覆超硬工具の縦断面について、エネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて、ＷＣ基超硬合金の表面領域の結合相における平均Ｃｒ含有量Ｃｓおよび内部領域の結合相における平均Ｃｒ含有量Ｃｉを測定し、Ｃｓ／Ｃｉの値を求めた。
これらの結果を、表４に示す。

比較のため、原料粉末を、表５に示す割合に配合し、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、９８ＭＰａ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、表２に示す焼結条件で焼結し、表６に示すＣｒ濃化処理することにより、比較例のＷＣ基超硬合金１〜１０を製造した。
これらのＷＣ基超硬合金に、Ｒ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１に規定される形状の比較例工具基体１〜１０を製造した。

さらに、上記比較例の超硬基体１〜１０の表面に、各種の硬質被覆層を形成し、表８に示す比較例の被覆超硬工具１〜１０以下、比較例１〜１０というを製造した。
比較例１〜１０の被覆超硬工具の縦断面について、エネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて、ＷＣ基超硬合金の表面領域の結合相における平均Ｃｒ含有量Ｃｓおよび内部領域の結合相における平均Ｃｒ含有量Ｃｉを測定し、Ｃｓ／Ｃｉの値を求めた。
これらの結果を、表７に示す。

つぎに、上記の実施例１〜１０および比較例１〜１０について、次の切削条件Ａ、Ｂにより、ミーリング加工試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材： ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃのブロック材
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ４．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．３０ ｍｍ／刃、
切削時間： ５ 分、
の条件での炭素鋼の湿式高速ミーリング切削試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
[切削条件Ｂ]
被削材： ＪＩＳ・ＳＳ４００のブロック材
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
一刃送り量：０．１５ ｍｍ／刃、
切削時間： ５ 分、
の条件での軟鋼の湿式高速ミーリング切削試験（通常の切削速度は、１３０ｍ／ｍｉｎ）、
そして、上記の各切削試験Ａ、Ｂにおける切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表８に示した。

また、切削試験Ａ終了後のＷＣ基超硬合金基体のすくい面に平行な断面について、熱亀裂発生状況を光学顕微鏡（倍率：１００）により観察した。
図１に、その観察結果の一例（実施例３，比較例４，１０）を図１に示す。
図１（ｂ）として示す本発明３のすくい面断面状況からもわかるように、本発明３は、加熱・冷却の熱衝撃が作用する湿式高速ミーリング加工に用いられた場合でも、超硬合金表面での熱亀裂の発生が抑制されるとともに、熱亀裂の進展を原因とするチッピング発生、欠損発生が防止されている。
これに対して、例えば、図１（ａ）に示す比較例４（結合相形成成分としてのＣｒを含有しない）では、多数の熱亀裂の発生がみられ、熱亀裂深さも深く、また、図１（ｃ）に示す比較例１０（Ｃｒ濃化処理によってＷＣ超硬合金表面領域の結合相中に過剰のＣｒを含有する）では、合金強度の低下によって激しい摩耗進行がみられる。

表４、７、８の結果および図１から、本発明の被覆超硬工具においては、加熱・冷却の熱衝撃が作用する鋼の湿式高速ミーリング加工等に用いられた場合でも、超硬合金表面での熱亀裂の発生が抑制されるとともに、熱亀裂の進展を原因とするチッピング発生、欠損発生を防止することができ、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することが分かる。
これに対して、比較例の被覆超硬工具では、熱亀裂の発生・進展によるチッピング、欠損等の発生、あるいは、耐摩耗性の低下によって、短時間で寿命に至ることは明らかである。

本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、湿式高速ミーリング加工に用いられた場合、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を維持することができるばかりでなく、工具寿命の延命化も図られ、さらに、本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、耐熱衝撃性、耐熱亀裂性、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が求められる各種被削材の切削工具として用いることが可能であり、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (3)

1. 硬質相としてＷＣを含有し、結合相形成成分としてＣｏを５〜１５質量％およびＣｒを０．１〜２質量％含有するＷＣ基超硬合金からなる工具基体表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆超硬合金製切削工具であって、
   上記ＷＣ基超硬合金の表面から２００μｍまでの深さの表面領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量（Ｃｓ）と、ＷＣ基超硬合金の表面から２００μｍ以上の深さの内部領域における結合相中の平均Ｃｒ含有量（Ｃｉ）の比の値が、
   Ｃｓ／Ｃｉ＝１．２〜１．５
   を満足することを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具。
2. 硬質相として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの内から選ばれる１種または２種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆超硬合金製切削工具。
3. 硬質被覆層がＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物層、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、または、Ａｌ_２Ｏ_３層の単層、または、上記Ｔｉ化合物層とＡｌ_２Ｏ_３層との複層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。

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