JP3525359B2 - 表面被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高硬度及び高強度の表
面被覆超硬合金製切削工具に関する。この切削工具は、
耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、連続切削及び断続切削、
特に高速切削や、高送り、高切込みなどの重切削に好適
に利用され得る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、超硬合金はサーメットとなら
び切削工具用材料として使用されており、その構成は炭
化タングステンを主とした硬質相と、コバルトやニッケ
ル等からなる結合相とからなる。また、炭化タングステ
ンの一部をＶＣやＣｒ₃Ｃ₂等の他の炭化物で置換するこ
とにより、ＷＣ結晶粒子の粒成長を抑制したものも知ら
れている（特公昭６２−５６２２４号）。

【０００３】更に、超硬合金を基体として、その表面に
セラミックスをコーティングした表面被覆超硬合金も、
基材である超硬合金の強靭さとセラミック被覆の耐摩耗
性とを兼ね備えており、注目されている（例えば特開昭
５５−８３５０７号公報、特開平４−２７５８０４号公
報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年さ
らなる切削加工の高能率化及び省力化の要望があり、一
層厳しい条件での重切削にと、対応をせまられる傾向に
あるため、上述した手法では充分な性能を維持すること
が困難となりつつあり、さらに優れた耐摩耗性と耐欠損
性を兼ね備えた炭化タングステン基超硬合金製切削工具
の開発が望まれている。

【０００５】そこで、本発明者らは、種々の実験を重ね
た結果、表面被覆炭化タングステン基超硬合金を構成す
る硬質相粒子の粒径を精密に制御し、且つその皮膜の最
内層の種類を適切に選択することで、硬さ及び強度を著
しく増大させ、かつそれらの特性が安定して得られるこ
とができることを知るに至った。

【０００６】本発明は、そのような知見に基づいてなさ
れたもので、その目的は、高硬度及び高強度で、優れた
耐摩耗性と耐欠損性を兼ね備えた表面被覆超硬合金製切
削工具を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】その目的を達成するため
に、この発明の表面被覆超硬合金製切削工具は、炭化タ
ングステンを主成分とする硬質相、鉄属金属のうち１種
又は２種以上からなる結合相及び不可避不純物からなる
基体の表面に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属及び
Ａｌの群から選んだ１種又は２種以上の金属元素の炭化
物、窒化物、酸化物、硼化物及びこれらの化合物の１種
の単層又は２種以上の複数層で構成された皮膜を設けて
なる切削工具において、上記硬質相の最大粒径が２μｍ
以下であって、硬質相中の粒径１μｍ以下の粒子の体積
百分率が基体の内部から表面に向かって増加し、且つ基
体表面から０．２ｍｍの深さまでの範囲における上記体
積百分率が９０％以上であることを特徴とする。

【０００８】このような切削工具の基体を製造する方法
としては、例えば、所定の基体組成となるように原料を
配合し、成形し、(1)焼結後、１０℃／ｍｉｎ．以上の
降温速度で急冷する、(2)窒素Ｎ₂雰囲気中で焼結し冷却
する、(3)焼結し冷却後、再び熱処理する、などが挙げ
られる。基体表面に皮膜を形成する方法としては、物理
蒸着法又は化学蒸着法が挙げられる。同じく、好ましい
のは、皮膜の最内層が窒化物、特に好ましいのは窒化チ
タンＴｉＮの場合である。更に、その最内層の厚さが
０．２μｍ以上であるとよい。

【０００９】

【作用】硬質相は、主に硬度の向上に寄与し、それによ
り耐摩耗性を向上させる。硬質相を形成する成分として
は、ＷＣの他にＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣやそれらの固溶
体が挙げられる。結合相は、難焼結性の硬質相同志を結
合させる焼結助剤として機能し、強度及び靱性を高め、
耐欠損性を向上させる。そして、皮膜は、更に耐摩耗性
を向上させる。

【００１０】硬質相の粒径は、高硬度化及び皮膜との密
着性には小さい方が有利であるが、強度に関しては１μ
ｍのときにピークとなる。そこで、硬質相中の粒径１μ
ｍ以下の粒子の体積百分率が基体の内部から表面に向か
って増加するような傾斜組織とすることにより、広い組
成域で高強度と耐磨耗性及び耐塑性変形性を同時に向上
させ、さらに皮膜の密着性を向上させたのである。特に
基体表面から０．２ｍｍの深さまでの範囲における上記
体積百分率を９０％以上としたのは、基体表面から０．
２μｍより深い部分は、工具全体の硬度や磨耗、皮膜と
の密着性にあまり影響しないからである。ただし、硬質
相に２μｍを越える粒子が存在すると、そこが起点とな
って著しい強度低下又は皮膜の剥離を招くので、硬質相
の最大粒径を２μｍ以下とした。

【００１１】一方、皮膜としては、炭化物、窒化物、酸
化物、硼化物のうち、炭化物及び窒化物が硬度の点で優
れているが、炭化物よりも窒化物のほうが、生成自由エ
ネルギーが低いので、微細で均質なものを得易い。従っ
て、皮膜の最内層を窒化物とすることにより、それを核
として上に形成される層も微細で均質となり、その結
果、表面が高硬度となる。就中、ＴｉＮは、生成自由エ
ネルギーが特に低く、安価でそれ自体高硬度であるの
で、望ましい。ただし、そのような最内層の厚さが０．
２μｍに満たないと、上記の核となる作用に乏しくなる
ので、０．２μｍ以上とした。

【００１２】

【実施例】

−実施例１− 平均粒径０．８μｍの炭化タングステン粉末（ＷＣ粉
末）と平均粒径２μｍのコバルト粉末（Ｃｏ粉末）を、
表１に示すような割合で秤量し、ステンレスポット中で
超硬球石とともに７２時間湿式混合粉砕し、加圧成形
し、真空中１３００〜１６００℃の所定温度で１時間焼
成した後、降温速度３０℃／ｍｉｎ．で１０００℃まで
冷却し、続いて室温まで放置することによって、Ｎｏ．
１〜４の焼結体を得た。得られた焼結体は、炭化タング
ステンよりなる硬質相がＣｏよりなる結合相にて強固に
結合したものであった。また、比較のために、焼結後の
１０００℃までの冷却を降温速度５℃／ｍｉｎ．で行っ
た以外は、Ｎｏ．１〜４の製造と同一条件でＮｏ．１’
〜４’の焼結体を得た。

【００１３】次に各焼結体を皮膜の厚さ方向に切断し、
その切断面を鏡面仕上げして、走査型電子顕微鏡にて観
察し、曲げ強度、ビッカース硬度、焼結体中の硬質相全
体の平均粒径及び１μｍ以下の粒子の分布割合を測定し
た。その結果を表１に示す。表１において、平均粒径及
び粒子割合の値は、各試料の組織を電子顕微鏡にて５０
００倍で観察、画像解析装置により求めた。抗折強度σ
_fは、ＪＩＳ Ｂ−４０５３に準じて、３点曲げ試験に
より求められた値である。尚、各焼結体の最大粒径は、
Ｎｏ．１〜４，１’，２’が２μｍ以下であったが、Ｎ
ｏ．３’，４’は２μｍを超えていた。

【００１４】次に切断されていない各焼結体をＩＳＯ規
格ＳＰＧＮ４３２の工具形状に研磨加工し、これを基体
として、その表面に物理蒸着（ＰＶＤ）法により４μｍ
の厚さの窒化チタンからなる皮膜を形成して切削工具チ
ップを製造した。そして、各々のチップについて、スク
ラッチテスターにて基体に対する皮膜の密着強度を測定
するとともに、次に示すような条件でフライス切削テス
トを行い切削性能を評価した。

【００１５】切削条件：切削速度Ｖ＝２４４（ｍ／ｍｉ
ｎ） 送りｆ＝０．１７（ｍｍ／ｒｅｖ） 切り込みｄ＝１．５（ｍｍ） 乾式切削 被削材 ：ＳＣＭ４２０（Ｈ_B２４０） フライス切削テストを行った後、Ｖ_B摩耗量と切削時間
との関係を打点した結果を図１に示す。

【００１６】

【表１】 表１にみられるように、本発明の表面被覆超硬合金は、
比較例の合金に比べて硬度及び曲げ強度ともに高い値を
示し、皮膜の密着強度については著しく高い価を示し
た。また、図１にみられるように、本発明表面被覆超硬
合金による切削工具は、比較例の合金による切削工具に
比べて、Ｖ_B摩耗量が少なく、しかも切削時間が長くな
るにつれてその差が顕著であった。

【００１７】よって、表１及び図１の結果を併せて考察
すると、超硬合金の化学組成の如何にかかわらず、硬質
相の１μｍ以下の粒子の分布が、機械的特性及び切削性
能に著しく影響を及ぼすことが判った。

【００１８】−実施例２− 実施例１と同一条件で得られたＮｏ．２及びＮｏ．２’
の焼結体をＩＳＯ規格ＳＰＧＮ４３２の工具形状に研磨
加工した後、これを基体としてその表面にＰＶＤ法によ
り、表２に示すような複数層の皮膜を形成して切削工具
チップを製造した。そして、各々のチップについて、ス
クラッチテスターにて基体に対する皮膜の密着強度を測
定した。その結果を表２に示す。

【００１９】

【表２】 表２にみられるように、この発明の範囲に属する切削工
具チップ（Ｎｏ．５〜９のＡ）は、基体に対する皮膜の
密着強度が高いものであった。従って、耐磨耗性に優れ
ていることが明らかだ。これに対して、例え皮膜の種類
及び厚さが本発明例と同一であっても、皮膜を形成する
焼結体（基体）中の硬質相の構造が、傾斜組織になって
いない切削工具チップ（Ｎｏ．５〜９のＢ）は、皮膜の
密着強度が劣っていた。また、皮膜を形成する焼結体が
本発明例と同一であっても、皮膜の最内層（第１層）が
本発明と異なり、窒化物でない切削工具チップ（Ｎｏ．
１０〜１４のＡ）も著しく密着性に劣っていた。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明の表面被覆超硬
合金製切削工具によれば、切削工具として高送り及び高
切込みなどの重切削に用いた場合に優れた耐摩耗性を示
し、又苛酷なフライス切削に用いた場合にも優れた耐欠
損性を示すなど、産業上優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のフライス切削テストによるＶ_B摩耗
量と切削時間との関係を打点した結果を示すグラフであ
る。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化タングステンを主成分とする硬質
   相、鉄属金属のうち１種又は２種以上からなる結合相及
   び不可避不純物からなる基体の表面に、周期律表の４
   ａ，５ａ，６ａ族金属及びＡｌの群から選んだ１種又は
   ２種以上の金属元素の炭化物、窒化物、酸化物、硼化物
   及びこれらの化合物の１種の単層又は２種以上の複数層
   で構成された皮膜を設けてなる切削工具において、上記
   硬質相の最大粒径が２μｍ以下であって、硬質相中の粒
   径１μｍ以下の粒子の体積百分率が基体の内部から表面
   に向かって増加し、且つ基体表面から０．２ｍｍの深さ
   までの範囲における上記体積百分率が９０％以上である
   ことを特徴とする表面被覆超硬合金製切削工具。
2. 【請求項２】 皮膜の最内層が窒化物である請求項１
   に記載の表面被覆超硬合金製切削工具。
3. 【請求項３】 皮膜の最内層が窒化チタンＴｉＮである
   請求項１又は２に記載の表面被覆超硬合金製切削工具。
4. 【請求項４】 最内層の厚さが０．２μｍ以上である請
   求項２又は３に記載の表面被覆超硬合金製切削工具。