JP2015166123A - 耐熱亀裂性に優れた炭化タングステン基超硬合金製工具の製造方法 - Google Patents
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WC基超硬合金製切削工具の耐熱亀裂性を改善するには、超硬合金の物性としての強度を向上させることが必要であり、それを達成する製法として、各種の提案がなされている。
また、従来の他の製造法としては、例えば、図2の従来法(特許文献3)に示すように、原料粉末をアトライターと分散装置との間で循環させて合計5〜10時間混合し、得られた混合粉末を成形し、更に得られた成形体を1320〜1380℃で焼結した後、熱間静水圧プレスを施して、所定の形状のWC基超硬合金製切削工具を得ていた。
しかし、上記従来法1、2で製造したWC基超硬合金製切削工具は、耐摩耗性および耐欠損性にはすぐれるものの、急熱急冷の熱サイクルを伴う高負荷条件下の切削加工においては、耐熱亀裂性が十分でないため、工具寿命が短いものであった。
「(1)耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法であって、平均粒径1.5μm以下のコバルト粉末を6〜12質量%と、コバルトに対するクロムの質量比が4〜9質量%である平均粒径4.0μm以下のクロム含有粉末と、残部が、平均粒径0.5〜2.0μmの炭化タングステン粉末とからなる原料粉末を、アトライターで20分〜1時間解砕・混合処理しスラリー化した後、次いで、アトライターによるスラリーの粉砕処理とビーズミルによるスラリーの混合処理を循環させて1〜6時間順次繰り返し行った後、圧粉成形体とし、この圧粉成形体を焼結することを特徴とする耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法。
(2)耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法であって、平均粒径1.5μm以下のコバルト粉末を6〜12質量%と、コバルトに対するクロムの質量比が4〜9質量%である平均粒径4.0μm以下のクロム含有粉末と、コバルトに対するバナジウムの質量比が2〜3質量%である平均粒径2.0μm以下のバナジウム含有粉末と、残部が、平均粒径0.5〜2.0μmの炭化タングステン粉末とからなる原料粉末を、アトライターで20分〜1時間解砕・混合処理しスラリー化した後、次いで、アトライターによるスラリーの粉砕処理とビーズミルによるスラリーの混合処理を循環させて1〜6時間順次繰り返し行った後、圧粉成形体とし、この圧粉成形体を焼結することを特徴とする耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法。
(3)前記(1)または(2)に記載の製造方法において、圧粉成形体を焼結した後、サイズ・形状を整え、その表面に、物理蒸着法により硬質被覆層を被覆形成することを特徴とする耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法。
(4)前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の製造方法により製造された耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
コバルト粉末:
コバルト粉末は、WC基超硬合金における結合相形成成分として含有させるが、コバルト含有量が6質量%未満では所望の強度を得ることができず、一方、コバルト含有量が12質量%を超えると急激に軟化し、WC基超硬合金製切削工具として必要とされる所望の硬さが得られなくなることから、原料粉末中のコバルト粉末の含有割合を6〜12質量%と定めた。
また、コバルト粉末は、平均粒径が1.5μmを超えると混合中に凝着を起こし、混合不良を起こすため、その平均粒径は1.5μm以下と定めた。
クロム含有粉末は、クロム粉末、炭化クロム粉末の一種または二種からなり、WC基超硬合金中の結合相形成成分として含有させるが、結合相を形成するコバルト中に固溶した状態で、WC相の成長を著しく抑制して、WC相の粒径を微細化させ、WC基超硬合金を微粒組織とし、強度を高める。しかし、この作用は、コバルトに対するクロムの質量比が4質量%未満では不充分であり、一方、コバルトに対するクロムの質量比が9質量%を超えると、クロムとタングステンの複合炭化物を析出し、強度が低下するようになる。
したがって、原料粉末中のクロム含有粉末におけるコバルトに対するクロムの質量比は4〜9質量%と定めた。
なお、コバルトに対するクロムの質量比とは、クロム含有量×100/(コバルト含有量+クロム含有量)をいう。
また、クロム含有粉末の平均粒径が4.0μmを超えると、混合粉全域に均一分散されず、その結果、焼結後のWC粒子径の不均一化を招くため、クロム含有粉末の平均粒径は4.0μm以下と定めた。
バナジウム含有粉末は、バナジウム粉末、炭化バナジウム粉末の一種または二種からなり、クロムの場合と同様、バナジウムを含有させることによってWC基超硬合金を微粒組織とすることで強度を高めるが、コバルトに対するバナジウムの質量比が2質量%未満ではその効果が少なく、一方、コバルトに対するバナジウムの質量比が3質量%を超えると、WCと結合相の密着力を弱める効果が強くなり、強度を低下させるようになる。
したがって、原料粉末中のバナジウム含有粉末におけるコバルトに対するバナジウムの質量比は2〜3質量%と定めた。
なお、コバルトに対するバナジウムの質量比とは、バナジウム含有量×100/(コバルト含有量+バナジウム含有量)をいう。
また、原料粉末中に、クロム含有粉末とバナジウム含有粉末の両者を含有共存させる場合には、クロム含有粉末におけるコバルトに対するクロムの質量比とバナジウム含有粉末におけるコバルトに対するバナジウムの質量比の合計量は、自ずと、6〜12質量%となる。
また、バナジウム含有粉末の平均粒径が2.0μmを超えると混合粉全域に均一分散されず、その結果、焼結後のWC粒子径の不均一化を招くため、バナジウム含有粉末の平均粒径は2.0μm以下と定めた。
原料粉末中のWC粉末の平均粒径が小さいほど、WC基超硬合金製切削工具におけるWC粒子径も小さくなり、強度や耐摩耗性は向上するが、平均粒径が小さすぎると、焼結時の溶解再析出現象が活発化し、粒成長して粗大粒子となり易く、また、WC基超硬合金製切削工具の耐熱亀裂性が低下するので、この発明では、WC粉末の平均粒径の下限値を0.5μmとした。
一方、原料粉末中のWC粉末の平均粒径が2.0μmを超えると、粉砕処理・混合処理を行っても、WC基超硬合金中に粗大なWC粒子が残存する不均一組織となるため、強度が低下し、耐偏摩耗性も低下することから、この発明では、WC粉末の平均粒径の上限値を2.0μmとした。
この発明において定めたコバルト粉末、クロム含有粉末、バナジウム含有粉末およびWC粉末の平均粒径とは、いずれもフィッシャー法(FSSS)により求めた粒径の平均値をいう。
図3は、本発明の製造方法における粉砕・混合工程の概略フローを示す。
本工程はアトライターとビーズミルが配管によって連結されており、アトライターとビーズミル間に設けられているバルブを開閉することによって、混合スラリーの循環をON/OFFすることができる。
工程の流れを説明すると、図3に示すように、
(a)原料粉末として、所定の平均粒径のWC粉末、Co粉末、Cr3C2粉末、VC粉末を所定割合に配合する。
(b)この原料粉末を、まず、アトライターで20分〜1時間解砕・混合処理を施す。
(c)次いで、アトライターとビーズミル間のバルブを開けることで、工程(b)で得られたスラリーがビーズミルに導入され、混合処理が施され、その流れでアトライターに戻る。
(d)次いで、アトライターにて、粉砕処理が施され、その流れでビーズミルに戻る。
(e)このような、工程(c)と工程(d)の循環を、1〜6時間続けることで粉砕・混合処理を施す。
(f)次いで、得られたスラリーを乾燥後、所定形状の圧粉体にプレス成形する。
(g)次いで、所定の雰囲気中、1370〜1450℃の範囲内の所定の温度に保持してWC基超硬合金焼結体を得る。
(h)上記WC基超硬合金焼結体を所望形状・サイズに加工し、物理蒸着法により硬質被覆層を被覆形成することにより、WC基超硬合金製切削工具を製造する。
アトライターは、既によく知られているように、直径3〜15mm程度の粒状の分散粉砕媒体(メディア)を円筒容器に充填して、アームを具える撹拌軸をこの容器内で高速回転し、高速回転場でメディア同士を衝突、接触(擦過)させることで、液体に混ぜてスラリー状にした分散粉砕対象を分散、粉砕する装置である。
なお、直径3〜5mm程度の超硬合金製ボールをメディアとするアトライターにより、原料粉末を粉砕し、均粒化を促進することも行われているが、通常、10時間以上を要し、このような長時間アトライターを用いた粉砕を行った場合には、粉砕した原料粉末の再凝集、過粉砕が発生し易い。
したがって、本発明では、組織異常の発生を防止し、かつ、WC基超硬合金としての硬さと靭性のバランスを図るという観点から、アトライターによる解砕・混合処理時間の上限を1時間とした。
一方、アトライターによる解砕・混合処理の時間が20分未満であると、WCの製造工程(炭化工程)で生じる二次粒子を解砕すること、および/またはWC粒子周囲にCoを機械的に付着させることが不十分であって、組織不良や組成ズレを起こすことから、アトライターによる解砕・混合処理は少なくとも20分以上行うことが必要である。
つまり、前記工程(b)における技術的な意義は、WC周囲にCoを塗りつけることが主目的であり、そしてこれによって、混合粉段階で強固にCoが高分散状態になり(分離しにくい)、焼結工程におけるCoの均一化を助けるという働きがあります。
よって、本発明の製造方法の工程(b)における、アトライターによる解砕・混合処理時間は20分〜1時間と定めた。
ビーズミルは、粉末の分散に用いられる分散装置として知られている。ビーズミルは、前記アトライターと概ね同様の構成であるが、メディアの大きさがアトライターで用いられるものよりも小さく(直径0.03〜2mm程度)、また、撹拌軸としてはピンを具える撹拌軸が利用されるものもある。
ビーズミルのみにより、WC基超硬合金の原料粉末を分散処理した場合、分散性はよいもののWC粉末の粉砕が十分でないため、合金としての硬さが不足し耐摩耗性が低下することから、WC基超硬合金の原料粉末の混合にはあまり用いられていない。ただ、長時間をかければ、ある程度の硬さは得られるようになるものの、この場合、延性に富むCo粉末が粉砕力の弱いメディアによって押し固められて片状態となり、結果として、Coの分散性が悪くなり、得られたWC基超硬合金の耐熱亀裂性が低下する。
本発明では、ビーズミルにより主としてWC基超硬合金の原料粉末の分散・混合を行うが、後記するように、アトライターによる粉砕処理とビーズミルによる混合処理を繰り返し行うことによって、Coの過度の片状化を発生することなく、WC粉末の微細化と、Coの均一分散を達成することができる。
工程(e)における処理、即ち、工程(d)の粉砕処理と工程(c)の混合処理を循環させて順次繰り返す処理、により、原料粉末の微細化とともに、Coの均一分散化が図られる。
前記(e)の工程における処理時間が1時間未満であると、Coの分散状態が十分でなく、耐熱亀裂性の向上が見られず、一方、前記(e)工程の処理時間が6時間を超えると、WC粒子の微細化が進み過ぎ、合金としての硬さと靭性のバランスが取れなくなってしまうことから、本発明では、工程(e)における処理時間を1〜6時間と定めた。
したがって、本発明の製造方法のように、粉砕処理(工程(d))と混合処理(工程(c))を、1〜6時間にわたり、順次繰り返し行うに先立って、予め、アトライターで20分〜1時間、原料粉末の解砕・混合処理を行うことが必要である。
そして、本発明の製造方法で製造したWC基超硬合金製切削工具は、急熱急冷の熱サイクルに曝されるとともに、高負荷が作用する湿式高速フライス切削等の厳しい切削条件に供した場合でも、すぐれた耐折損性、耐摩耗性とともにすぐれた耐熱亀裂性を発揮するのである。
次いで、上記圧粉体を、実施例と同一条件で焼結、丸ホーニング加工して硬質被覆層を蒸着形成することにより、表3に示す比較例のWC基超硬合金製切削工具(以下、「比較例工具」という)1〜10を製造した。
そして、実施例と同一条件で焼結、丸ホーニング加工して硬質被覆層を被覆形成することにより、表4に示す参考例のWC基超硬合金製切削工具(以下、「参考例工具」という)1〜4,9を製造した。
また、表1に示す配合組成・平均粒径の原料粉末A〜Dを、表4に示す時間、アトライターによる粉砕とビーズミルによる混合を循環させて繰り返し行い、これを、100MPaの圧力でプレス成形して、ISO・SEEN1203AFEN1で規定する形状の圧粉体を作製し、さらに、これを、実施例と同一条件で焼結、丸ホーニング加工して硬質被覆層を被覆形成することにより、表4に示す参考例工具5〜8,10を製造した。
切削速度: 250m/min
切り込み: 2.0mm
一刃送り量:0.2mm/tooth
切削油剤: 水溶性
切削時間: 23min
図4には、ランク付けの基準となる試験後の各種刃先状況を示す。
ランク「A」は、熱亀裂本数が少なく、もっとも好ましい刃先状態を示す。
ランク「B」は、熱亀裂本数は多いが損傷が少ないため、ほぼ健全な刃先状態といえる。
ランク「C」は、熱亀裂本数が多く、損傷も大であるため、ほぼ寿命と判断される状態である。
ランク「D」は、欠損が発生したため、刃先としては使用不可の状態と言える。
以上の観点から、刃先の状態を評価し、評価結果を表5に示した。
また、同じく表5に、切刃の逃げ面摩耗幅の測定結果を示す。
これに対して、比較例工具1〜10は、耐摩耗性が劣り、かつ切れ刃の損傷状態が大きくなっていた。
また、参考例工具1〜10は、比較例よりもさらに激しく損傷しており、中には切れ刃が欠損しているものもあった。
Claims (4)
- 耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法であって、平均粒径1.5μm以下のコバルト粉末を6〜12質量%と、コバルトに対するクロムの質量比が4〜9質量%である平均粒径4.0μm以下のクロム含有粉末と、残部が、平均粒径0.5〜2.0μmの炭化タングステン粉末とからなる原料粉末を、アトライターで20分〜1時間解砕・混合処理しスラリー化した後、次いで、アトライターによるスラリーの粉砕処理とビーズミルによるスラリーを循環させて1〜6時間順次繰り返し行った後、圧粉成形体とし、この圧粉成形体を焼結することを特徴とする耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法。
- 耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法であって、平均粒径1.5μm以下のコバルト粉末を6〜12質量%と、コバルトに対するクロムの質量比が4〜9質量%である平均粒径4.0μm以下のクロム含有粉末と、コバルトに対するバナジウムの質量比が2〜3質量%である平均粒径2.0μm以下のバナジウム含有粉末と、残部が、平均粒径0.5〜2.0μmの炭化タングステン粉末とからなる原料粉末を、アトライターで20分〜1時間解砕・混合処理しスラリー化した後、次いで、アトライターによるスラリーの粉砕処理とビーズミルによるスラリーの混合処理を循環させて1〜6時間順次繰り返し行った後、圧粉成形体とし、この圧粉成形体を焼結することを特徴とする耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法。
- 請求項1または2に記載の製造方法において、圧粉成形体を焼結した後、サイズ・形状を整え、その表面に、物理蒸着法により硬質被覆層を被覆形成することを特徴とする耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具の製造方法。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の製造方法により製造された耐熱亀裂性にすぐれたWC基超硬合金製切削工具。
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