JP2012086299A - 耐熱合金の切削加工で優れた耐欠損性を発揮するwc基超硬合金製切削工具および表面被覆wc基超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】WC基超硬合金製切削工具において、結合相成分であるCoの含有量は4〜12質量%、結合相中のRe含有量は3〜20質量%であり、硬質相のWC粒内界面近傍にはReの富化領域が形成され、該富化領域は、WC粒子の表面から、その粒径の1〜10%の深さ領域にわたって形成され、かつ、該領域における平均Re含有量は0.2〜7質量%であって、また、必要に応じて、超硬合金の成分として、VC、Cr3C2、TiC、TaC、NbCを含有させ、あるいは、切削工具表面に硬質被覆層を蒸着形成する。
【選択図】 図1
Description
例えば、特許文献1には、原料粉末としてのW、C、Re等の粉末を混合・加熱処理した後、Co粉末等と混合して圧粉成形体を得て、その後焼結することにより、WC基超硬工具(従来超硬工具1という)を作製することが述べられており、この従来超硬工具1では、図2に示すように、硬質相を構成するWC粒子の粒子内部全体にわたって、0.1〜3wt%程度のReがほぼ均一に固溶しており、このような組織を備えることによって、すぐれた靭性を発揮することが知られている。
また、特許文献2には、結合相中に25wt%以上のReを含有するWC基超硬合金を固相焼結することによってWC基超硬工具を作製することが示されており、このWC基超硬工具(従来超硬工具2という)では、図3に示すように、結合相中に高融点のRe成分が存在することから、高温硬さが向上することが知られている。
しかし、これを、特に、熱伝導率が小さく、切削加工時に切れ刃が高熱となるようなNi基合金、Co基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、工具寿命の短命化が顕著となる。
つまり、例えば、従来超硬工具1では、全てのWC粒子内部にReが均一に固溶していることによって、WC粒子自体の靭性は向上するものの、その反面、WC粒子の熱伝導性が著しく低下するため、切刃部が過熱されやすくなり、その結果、熱塑性変形が発生しやすくなり、偏摩耗の発生を招きやすいという問題がある。
また、従来超硬工具2では、結合相中に多量のReが存在することから結合相の高温硬さが向上する半面、硬質相であるWC粒子と結合相との密着強度は低下し、さらに、Reが過剰に存在するような場合には、結合相自体の靭性が低下するために、チッピング、欠損を発生しやすくなるという問題が生じる。
ここで、Reの富化領域とは、WC粒子の界面から、該WC粒子の粒径の1〜10%の深さ領域にわたって平均Re含有量が0.2〜7質量%であるReを含有する領域であり、Reの富化領域以外の領域、即ち、WC粒子の内部側では平均Re含有量は0.2質量%未満となっている。
そして、WC粒内の界面近傍に上記Reの富化領域が形成されたWC粒子が含有された焼結組織を有するWC基超硬合金から作製されたWC基超硬工具(以下、本発明超硬工具という)を用いて切削加工を行ったところ、高熱発生を伴うNi基合金、Co基合金等の耐熱合金の切削加工において、切刃部の過熱が抑制されるとともに、すぐれた耐欠損性、耐熱塑性変形性を発揮し、その結果、チッピング、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
「(1) 結合相成分としてCoを含有し、添加成分としてReを含有し、残部が硬質相成分としてのWCおよび不可避不純物からなるWC基超硬合金を工具基体とするWC基超硬合金製切削工具において、
結合相成分であるCoの含有量は4〜12質量%であり、また、結合相中にはReが固溶しており、結合相中のRe含有量は3〜20質量%であり、さらに、硬質相を構成するWC粒内の界面近傍にReの富化領域が形成されたWC粒子を含有することを特徴とするWC基超硬合金製切削工具。
(2) 上記WC基超硬合金中のReは、原料粉末としてRe粉末を配合することにより添加されたものであることを特徴とする前記(1)に記載のWC基超硬合金製切削工具。
(3) 上記WC基超硬合金製切削工具基体は、さらに、WC粒内全体にReが含有されたWC粒子を含有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載のWC基超硬合金製切削工具。
(4) 上記WC粒内全体にReが含有されたWC粒子の含有量は、全WC粒子のうち30個数%以下であり、かつ、上記Re富化領域が形成されたWC粒子とWC粒内全体にReが含有されたWC粒子の合計が、上記WC基超硬合金製切削工具基体内の全WC粒子のうち90個数%以上含まれていることを特徴とする前記(3)に記載のWC基超硬合金製切削工具。
(5) 上記Reの富化領域は、WC粒子の界面から、該WC粒子の粒径の1〜10%の深さ領域にわたって形成され、かつ、該深さ領域における平均Re含有量は0.2〜7質量%であり、一方、WC粒子の内部側では、平均Re含有量は0.2質量%未満であることを特徴とする前記(1)乃至(4)のいずれかに記載のWC基超硬合金製切削工具。
(6) 上記WC基超硬合金製切削工具基体が、さらに、VC、Cr3C2、TiC、TaC、NbCのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.1〜2質量%含有することを特徴とする前記(1)乃至(5)のいずれかに記載のWC基超硬合金製切削工具。
(7) 前記(1)乃至(6)のいずれかに記載のWC基超硬合金製切削工具の表面に、硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆WC基超硬合金製切削工具。」
に特徴を有するものである。
この発明のWC基超硬工具は、例えば、WC粉末、Co粉末に加えてRe粉末を配合し、さらに、必要に応じて、VC粉末、Cr3C2粉末、TiC粉末、TaC粉末、NbC粉末を所定割合になるように配合した原料粉末を、湿式ボールミル中で混合し、所定形状にプレス成形したのち、この圧粉成形体を、1〜15Paの真空中で、1380〜1500℃の範囲内の所定の温度にて液相焼結し、次いで、例えばArガスを導入して3〜15MPaとした加圧雰囲気中で熱間静水圧プレス(HIP)成形し、その後、例えば、少なくとも900℃までを10℃/min以上の速度で冷却することによって製造することができる。
そして、上記の製造工程で作製した本発明WC基超硬工具は、結合相中に3〜20質量%のReが固溶されているとともに、WC粒子の界面から、該WC粒子の粒径の1〜10%の深さ領域にわたって、平均Re含有量が0.2〜7質量%であるReの富化領域が形成されたWC粒子を有しており、また、該Re富化領域の内側、即ち、WC粒子の内部側では平均Re含有量は0.2質量%未満となっている。
そして、このような組織が形成された本発明WC基超硬工具は、Reが主としてWC粒子界面近傍に存在することから、WC粒子の熱伝導性を大きく低下させることはなく、また、結合相中にReが固溶されていることから結合相の高温硬さが向上し、さらに、WC粒内の界面近傍に形成されているRe富化領域によって、WC粒子と結合相との密着強度が高められる。
なお、「WC粒子の粒径の1〜10%の深さ領域」を別の表現で定義すれば、後方散乱電子回折装置(EBSD)を備えた走査型電子顕微鏡(SEM)で観察されたWC粒子の結晶方位マッピング像を、同一面積の円形に近似した時の直径をWC粒径とした場合に、WC粒の界面から該WC粒径の1〜10%の深さ領域ということになる。
また、WC粒内の界面近傍にReの富化領域が形成されたWC粒子とWC粒内全体にReが含有されたWC粒子の含有量の合計が、全WC粒子のうち90個数%未満になると、WC粒と結合相の密着性向上効果が得られなくなることから、WC粒内の界面近傍にReの富化領域が形成されたWC粒子とWC粒内全体にReが含有されたWC粒子の含有量の合計は、全WC粒子のうち90個数%以上と定めた。
VC、Cr3C2、TiC、TaC、NbCのうちから選ばれる1種または2種以上の成分は、いずれも、焼結時のWCの粒成長を抑制する作用があるが、その合計含有量が0.1質量%未満では、粒成長抑制作用が小さく、一方、2質量%を越えて含有すると複合炭化物相が析出し、硬度が低下傾向を示すようになるので、VC、Cr3C2、TiC、TaC、NbCのうちから選ばれる1種または2種以上の成分の含有量は、その合計量で0.1〜2質量%と定めた。
ここで、上記硬質被覆層とは、例えば、「周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、BおよびSiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素および酸素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素とを含む化合物」からなり、また、より具体的には、例えば、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、TiとAlの複合窒化物、AlとCrの複合窒化物、TiとSiの複合窒化物、TiとAlとSiの複合窒化物のうちから選ばれる1種の単層または2種以上の複層からなる。
(b)これらの圧粉成形体を、1.3Paの真空中で表2に示される焼結温度で1時間保持し、次いで、炉内にArガスを導入して6MPaの加圧雰囲気とするとともにさらに1時間保持し、次いで、900℃までを表2で示される冷却速度で冷却するとともに、その後は室温にまで炉冷し、
(c)得られた所定直径の丸棒焼結体を、所定寸法となるように加工して、表3に示す切れ刃部寸法となるように加工して、6枚刃スクエアエンドミルからなる表5に示す本発明WC基超硬合金製切削工具(本発明超硬工具という)1〜10を作製した。
なお、本発明超硬工具3,6,10については、工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置を用いて、表4に示されるとおりの組成および平均膜厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明表面被覆WC基超硬合金製切削工具を作製した。
なお、比較例超硬工具13,16,20については、工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置を用いて、表4に示されるとおりの組成および平均膜厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較例表面被覆WC基超硬合金製切削工具を作製した。
表6には、WC粒子50個の測定結果の各平均値と、WC粒径の1〜10%の深さ領域にRe富化領域が形成されたWC粒子数、WC粒内全体にReが含有されたWC粒子数、および該Re富化領域におけるRe含有量の平均値を示した。
本発明超硬工具1〜10はいずれも、WC粒内全体にReが含有されたWC粒子の含有量は30個数%以下であり、かつ、WC粒径の1〜10%の深さ領域にRe富化領域が形成されたWC粒子と、WC粒内全体にReが含有されたWC粒子が合計で90個数%以上含有されており、該富化領域における平均Re含有量は0.2〜7質量%の範囲内であった。
図1には、一例として、本発明超硬工具3の焼結体組織の模式図を示す。
これに対して比較例超硬工具12、20は、Re粉末の配合量が多かったため、Re富化領域が形成されたものの、該富化領域における平均Re含有量は、本発明で規定する量を超えるものであり、さらに、WC粒内全体にReが含有されたWC粒子数は本発明で規定する量を超えるものであった。
また、比較例超硬工具14、17は、Re粉末の配合量が少なかったため、Re富化領域は形成されたものの、該富化領域が形成されたWC粒子数とWC粒内全体にReが含有されたWC粒子数の合計は、本発明で規定する量を下回るものであり、さらに、該富化領域における平均Re含有量は、本発明で規定する量を下回るものであった。
Ni基合金耐熱合金(Cr:18.5%,Mo:3.0%,Al:0.5%,Nb+Ta:5.1%,残部:Niおよび不可避不純物)の角材を被削材として、表3に示す各種条件で切削加工試験を行い、外周刃の先端部における逃げ面摩耗幅が使用目安の値に至るまでの切削長を測定した。
また、切削加工試験後の切れ刃の摩耗状況について、これを観察した。
この測定結果、観察結果を表5に示した。
これに対して、比較例超硬工具11〜20においては、切刃部が局部的に高温に曝されるNi基合金、Co基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、切刃部の欠損が発生し、また、耐摩耗性にも劣り、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
(b)これらの圧粉成形体を、1.3Paの真空中で表8に示される焼結温度で1時間保持し、次いで、炉内にArガスを導入して6MPaの加圧雰囲気とするとともにさらに1時間保持し、次いで、900℃までを表8で示される冷却速度で冷却するとともに、その後は炉冷し、
(c)得られた焼結体を、所定寸法となるように加工
して、APMT1604PDERのインサート形状をもった本発明超硬工具21〜28を作製した。
なお、本発明超硬工具21,23,26,28については、工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置を用いて、表4に示されるとおりの組成および平均膜厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、表9に示す本発明表面被覆WC基超硬合金製切削工具を作製した。
なお、比較例超硬工具31、33、36、38については、工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置を用いて、表4に示されるとおりの組成および平均膜厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、比較例表面被覆WC基超硬合金製切削工具を作製した。
表10には、WC粒子50個の測定結果の各平均値を示した。
本発明超硬工具21〜28はいずれも、WC粒内の界面近傍にReの富化領域が形成されたWC粒子とWC粒内全体にReが含有されたWC粒子を合計で90個数%以上含有し、該Re富化領域における平均Re含有量は0.2〜7質量%の範囲内であった。
これに対して、比較例超硬33、34、37はいずれも、WC粒内の界面近傍にReの富化領域が形成されたWC粒子数、および該Re富化領域における平均Re含有量のいずれも本発明で規定する量の範囲外であった。
被削材 :Ni基合金耐熱合金(Cr:18.5%,Mo:3.0%,Al:0.5%,Nb+Ta:5.1%,残部:Niおよび不可避不純物)の角材、
切削速度 : 40m/min、
軸歩行切込み: 5.0mm、
径方向切込み: 1.0mm、
送り : 0.15mm/刃
上記切削加工試験において、逃げ面摩耗幅が0.2mmに達するまでの切削長を測定し、また、切削加工試験後の切れ刃の摩耗状況を観察した。
この測定結果、観察結果を表9に示した。
これに対して、比較例超硬工具31〜38は、切刃部が局部的に高温に曝されるNi基合金、Co基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、切刃部の欠損が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (7)
- 結合相成分としてCoを含有し、添加成分としてReを含有し、残部が硬質相成分としてのWCおよび不可避不純物からなるWC基超硬合金を工具基体とするWC基超硬合金製切削工具において、
結合相成分であるCoの含有量は4〜12質量%であり、また、結合相中にはReが固溶しており、結合相中のRe含有量は3〜20質量%であり、さらに、硬質相を構成するWC粒内の界面近傍にReの富化領域が形成されたWC粒子を含有することを特徴とするWC基超硬合金製切削工具。 - 上記WC基超硬合金中のReは、原料粉末としてRe粉末を配合することにより添加されたものであることを特徴とする請求項1に記載のWC基超硬合金製切削工具。
- 上記WC基超硬合金製切削工具基体は、さらに、WC粒内全体にReが含有されたWC粒子を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のWC基超硬合金製切削工具。
- 上記WC粒内全体にReが含有されたWC粒子の含有量は、全WC粒子のうち30個数%以下であり、かつ、上記Re富化領域が形成されたWC粒子とWC粒内全体にReが含有されたWC粒子の合計が、上記WC基超硬合金製切削工具基体内の全WC粒子のうち90個数%以上含まれていることを特徴とする請求項3に記載のWC基超硬合金製切削工具。
- 上記Reの富化領域は、WC粒子の界面から、該WC粒子の粒径の1〜10%の深さ領域にわたって形成され、かつ、該深さ領域における平均Re含有量は0.2〜7質量%であり、一方、WC粒子の内部側では、平均Re含有量は0.2質量%未満であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のWC基超硬合金製切削工具。
- 上記WC基超硬合金製切削工具基体が、さらに、VC、Cr3C2、TiC、TaC、NbCのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.1〜2質量%含有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のWC基超硬合金製切削工具。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載のWC基超硬合金製切削工具の表面に、硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆WC基超硬合金製切削工具。
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