JP3677406B2 - 被覆超硬合金切削工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性および耐欠損性に優れた被覆超硬合金切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属の切削加工に広く用いられている超硬合金は、炭化タングステンを主体とする硬質相と、コバルト等の鉄族金属の結合相からなるＷＣ−Ｃｏ系合金、もしくは上記ＷＣ−Ｃｏ系に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等を添加した系が知られている。さらに、化学気相蒸着法等により硬質膜を被覆することによる靭性劣化を防止するため、超硬合金の表面において軟化層や結合材富化層等を形成させることも知られている。
【０００３】
特開平１−１４７０７５は、そのような被覆超硬合金に関する発明を記載し、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上と、鉄族金属のうちの１種または２種以上と不可避不純物とからなる超硬合金母材表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、あるいはＡｌの酸化物、窒化物から選ばれる１種または２種以上の単層あるいは複層を被覆してなる被覆超硬合金において、前記超硬合金母材の前記被覆層との界面から１０〜３０μｍの深さにわたり、母材の前記界面から５００μｍの位置の硬度（Ｘ）より小さく５０％以上の硬度を有する軟化層と、該軟化層から更に２０〜４０μｍの深さにわたり、硬度（Ｘ）より大きく１２０％以下の硬度を有する硬質層が存在することを特徴とする被覆超硬合金を記載している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような方法をとっても、切削加工の条件によっては、工具切刃における塑性変形に起因する欠損や異常摩耗を引き起こすことがあり、抜本的な対策となっていない場合もあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点について検討を重ねた結果、超硬合金の焼結段階における焼成条件を制御することにより、超硬合金の硬度を制御することが可能となり、この超硬合金上に従来用いている被覆層を施すことにより、優れた耐摩耗性、耐欠損性を有する被覆超硬合金切削工具が得られることを知見し、本発明に至った。
【０００６】
即ち、本発明の被覆超硬合金切削工具は、固溶体相を含まない外層と固溶体相を含む内層を備え、外層表面から３０μm 深さ位置における硬度が５００μm 深さ位置における硬度の８０〜９０％であることを特徴とする。
【０００７】
この超硬合金は、鉄属金属から選ばれた１種または２種以上からなる結合層を１〜１５重量％含み、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上が２０重量％以下の固溶体相及び残部炭化タングステンの硬質相または不可避不純物からなり、その構造は、前記固溶体を実質的に含んでいない外層部とこれを含む内層部とから構成されている。
【０００８】
上記外層部は、炭化タングステン、鉄属金属から選ばれた１種または２種以上の結合相、および不可避不純物から構成されているのに対して、内層部は該結合相に加えて周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上の固溶体相、および不可避不純物から構成されている。
【０００９】
これら外層部、内層部ともに超硬母材の構成要素として被覆工程なしに一体形成することができる。すなわち、従来よりの超硬母材表面において軟化層や結合材富化層等を形成する技術を駆使しながら、前述の構成による被覆超硬合金工具用の母材を作製することができる。
【００１０】
図２に本発明の構成を概略図示し、対比のため前記従来技術の被覆超硬合金切削工具と並べて図示している。同図において（ａ）（ｂ）は超硬合金母材の表面部分を断面で示す略図であり、（ｃ）（ｄ）は母材表面からの深さと硬度の関係を示す線図であり、（ａ）（ｃ）が本発明のものであり、（ｂ）（ｄ）が従来技術のものでる。
【００１１】
なお、本発明において超硬合金は１０°傾斜させて研磨し、マイクロビッカース硬度計を用い硬度測定する。
【００１２】
また、本発明の被覆超硬合金切削工具は、外層部において、外から内に向かって硬度分布が減少の傾斜を示し、内層部との境界付近において硬度が最小となるピークを有することが好ましい。
【００１３】
外層部の平均厚みとしては２０〜４０μｍの範囲であることが性能上好ましい。ただし、この範囲外であっても外層部において、外から内に向かって硬度が減少する分布を示し、内層部との境界近傍において硬度が最小とすることにより性能向上が達成できる。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、超硬合金母材に内層部より硬度の低い外層部を形成し、外層部表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層部の硬度）を５００μm 深さ位置の硬度（内層部の硬度）の８０〜９０％とすることにより耐塑性変形性の劣化も抑制でき、耐摩耗性を維持し、耐欠損性、耐チッピング性の改善可能となる。
【００１５】
すなわち、母材内部の外方に硬質層を介して軟化層が存在するよう母材を構成するのではなく、母材内部（内層部）に対して固溶体相を実質的に含まない硬度の低い外層部を形成し、外層部と内層部の境界近傍において硬度の最も小さい領域を設けることにより、断続切削時の衝撃力を吸収するので耐欠損性が大幅に向上する。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を次の例で説明する。
【００１７】
超硬合金母材として、WC粉末、周期律表4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の粉末、およびCo粉末を使用する。その後、各原料粉末を所定量秤量し、混合・粉砕・造粒する。これを公知の成形方法、例えばプレス成形、射出成形、押し出し成形等により所定の形状に成形したあと、焼成する。焼成は、真空または、任意圧力のガス雰囲気中、１４００〜１６００℃の範囲で行なう。その後、任意圧力のガスにより冷却時の雰囲気を制御する。
【００１８】
被覆層は、公知の化学気相成長法等により形成することができる。例えばＴｉＣを被覆する場合は反応ガスとしてＴｉＣｌ4 とＣＨ4 およびキャリアガスとして水素等を用い、これらを反応炉内に導入するとともに炉内を４０〜８０Ｔｏｒｒの圧力に維持しつつ、９５０〜１０５０℃に加熱することでＴｉＣ膜が形成される。
【００１９】
【表１】
【００２０】
表１に作製した試料の母材組成（調合組成）、外層部と内層部の組成（重量％）および外層部の厚み（単位：μｍ）、被覆コーティング層構成およびその厚みを示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
また、前述の測定方法により、〔外層部表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層部の硬度）〕／〔５００μm 深さ位置の硬度（内層部の硬度）〕の比を得るとともに、外層部の厚みを通法に従い測定した上で、外層部と内層部の境界付近における硬度最小ピークの有無を確認した。
【００２３】
その結果を表２に示す。
【００２４】
なお、図１に本発明の範囲内にある実施例品の外層表面からの深さ位置（Ｄｅｐｔｈ ｆｒｏｍ Ｓｕｒｆａｃｅ）と硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）との関係を示す線図（深さ位置２００μm までのデータのみ）を示し、同図（ａ）が試料番号１、２の母材表面からの深さと硬度の関係を示す概略の線図であり、（ｂ）が試料番号７、８の母材表面からの深さと硬度の関係を示す概略の線図である。
【００２５】
同図に示すように、これら実施例品は内層部に対して固溶体相を実質的に含まない硬度の低い外層部を形成し、外層部において、外から内に向かって硬度分布が減少の傾斜を有する構成である。特に、（ａ）に示す試料番号１、２は外層部と内層部の境界付近において硬度の最も低い領域を設けたものとなっている。
【００２６】
これに対して、（ｂ）に示す試料番号７、８は硬度の最も低い領域が上記境界よりも若干外方となっている。
【００２７】
また、各々のサンプルについて次の切削テストを行った。
【００２８】
〔切削条件〕
被削材 ＳＣＭ４４０溝付き
工具形状 ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度 ２５０ｍ／ｍｉｎ
送り ０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ３．０ｍｍ
切削時間 ｍａｘ６０ｓｅｃ
切削液 湿式（水系）
最大６０秒まで切削を行なった結果を表２に示す。
【００２９】
表２によれば、外層表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層の硬度）が５００μm 深さ位置の硬度（内層の硬度）の７５％以下のサンプルは従来品に対し切刃の塑性変形により欠損に至った。
【００３０】
また、比率が１００％以上のサンプルについても耐欠損性が低下することにより、いずれも切削工具として適さないと判断される。
【００３１】
これに対して、外層の硬度が内層の硬度の８０〜９０％の硬度であり、外層において内層との境界付近に向かって硬度分布が減少の傾斜を有し、内層と外層の境界付近において最も最小のピークを有する本発明実施例品（試料番号１、２）の被覆超硬合金では安定した切削性能を発揮することができた。
【００３２】
また、硬度の最小ピークが若干外方に存在する比較例品（試料番号７，８）は欠損する例もあったが、総じて良好な切削性能を示した。
【００３３】
【発明の効果】
叙上のように、本発明によれば、超硬合金母材に内層部より硬度の低い外層部を形成し、外層部表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層部の硬度）を５００μm 深さ位置の硬度（内層部の硬度）の８０〜９０％とすることにより耐塑性変形性の劣化も抑制でき、耐摩耗性を維持し、耐欠損性、耐チッピング性の改善可能となる。
【００３４】
さらに、外層と内層の境界近傍において硬度最小となる分布を有することにより、鋼の切削加工において耐欠損性、耐摩耗性、耐チッピング性が大幅に改善され、安定した切削加工が可能となり、工具寿命を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は、本発明の範囲内にある実施例品の外層表面からの深さ位置と硬度との関係を示す概略線図である。
【図２】本発明の構成を概略図示し、対比のため前記従来技術の被覆超硬合金切削工具と並べて図示している。同図において（ａ）（ｂ）は超硬合金母材の表面部分を断面で示す略図であり、（ｃ）（ｄ）は母材表面からの深さと硬度の関係を示す線図であり、（ａ）（ｃ）が本発明のものであり、（ｂ）（ｄ）が従来技術のものでる。
【符号の説明】
符号なし
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性および耐欠損性に優れた被覆超硬合金切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属の切削加工に広く用いられている超硬合金は、炭化タングステンを主体とする硬質相と、コバルト等の鉄族金属の結合相からなるＷＣ−Ｃｏ系合金、もしくは上記ＷＣ−Ｃｏ系に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等を添加した系が知られている。さらに、化学気相蒸着法等により硬質膜を被覆することによる靭性劣化を防止するため、超硬合金の表面において軟化層や結合材富化層等を形成させることも知られている。
【０００３】
特開平１−１４７０７５は、そのような被覆超硬合金に関する発明を記載し、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上と、鉄族金属のうちの１種または２種以上と不可避不純物とからなる超硬合金母材表面に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、あるいはＡｌの酸化物、窒化物から選ばれる１種または２種以上の単層あるいは複層を被覆してなる被覆超硬合金において、前記超硬合金母材の前記被覆層との界面から１０〜３０μｍの深さにわたり、母材の前記界面から５００μｍの位置の硬度（Ｘ）より小さく５０％以上の硬度を有する軟化層と、該軟化層から更に２０〜４０μｍの深さにわたり、硬度（Ｘ）より大きく１２０％以下の硬度を有する硬質層が存在することを特徴とする被覆超硬合金を記載している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような方法をとっても、切削加工の条件によっては、工具切刃における塑性変形に起因する欠損や異常摩耗を引き起こすことがあり、抜本的な対策となっていない場合もあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点について検討を重ねた結果、超硬合金の焼結段階における焼成条件を制御することにより、超硬合金の硬度を制御することが可能となり、この超硬合金上に従来用いている被覆層を施すことにより、優れた耐摩耗性、耐欠損性を有する被覆超硬合金切削工具が得られることを知見し、本発明に至った。
【０００６】
即ち、本発明の被覆超硬合金切削工具は、固溶体相を含まない外層と固溶体相を含む内層を備え、外層表面から３０μm 深さ位置における硬度が５００μm 深さ位置における硬度の８０〜９０％であることを特徴とする。
【０００７】
この超硬合金は、鉄属金属から選ばれた１種または２種以上からなる結合層を１〜１５重量％含み、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上が２０重量％以下の固溶体相及び残部炭化タングステンの硬質相または不可避不純物からなり、その構造は、前記固溶体を実質的に含んでいない外層部とこれを含む内層部とから構成されている。
【０００８】
上記外層部は、炭化タングステン、鉄属金属から選ばれた１種または２種以上の結合相、および不可避不純物から構成されているのに対して、内層部は該結合相に加えて周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上の固溶体相、および不可避不純物から構成されている。
【０００９】
これら外層部、内層部ともに超硬母材の構成要素として被覆工程なしに一体形成することができる。すなわち、従来よりの超硬母材表面において軟化層や結合材富化層等を形成する技術を駆使しながら、前述の構成による被覆超硬合金工具用の母材を作製することができる。
【００１０】
図２に本発明の構成を概略図示し、対比のため前記従来技術の被覆超硬合金切削工具と並べて図示している。同図において（ａ）（ｂ）は超硬合金母材の表面部分を断面で示す略図であり、（ｃ）（ｄ）は母材表面からの深さと硬度の関係を示す線図であり、（ａ）（ｃ）が本発明のものであり、（ｂ）（ｄ）が従来技術のものでる。
【００１１】
なお、本発明において超硬合金は１０°傾斜させて研磨し、マイクロビッカース硬度計を用い硬度測定する。
【００１２】
また、本発明の被覆超硬合金切削工具は、外層部において、外から内に向かって硬度分布が減少の傾斜を示し、内層部との境界付近において硬度が最小となるピークを有することが好ましい。
【００１３】
外層部の平均厚みとしては２０〜４０μｍの範囲であることが性能上好ましい。ただし、この範囲外であっても外層部において、外から内に向かって硬度が減少する分布を示し、内層部との境界近傍において硬度が最小とすることにより性能向上が達成できる。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、超硬合金母材に内層部より硬度の低い外層部を形成し、外層部表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層部の硬度）を５００μm 深さ位置の硬度（内層部の硬度）の８０〜９０％とすることにより耐塑性変形性の劣化も抑制でき、耐摩耗性を維持し、耐欠損性、耐チッピング性の改善可能となる。
【００１５】
すなわち、母材内部の外方に硬質層を介して軟化層が存在するよう母材を構成するのではなく、母材内部（内層部）に対して固溶体相を実質的に含まない硬度の低い外層部を形成し、外層部と内層部の境界近傍において硬度の最も小さい領域を設けることにより、断続切削時の衝撃力を吸収するので耐欠損性が大幅に向上する。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を次の例で説明する。
【００１７】
超硬合金母材として、WC粉末、周期律表4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の粉末、およびCo粉末を使用する。その後、各原料粉末を所定量秤量し、混合・粉砕・造粒する。これを公知の成形方法、例えばプレス成形、射出成形、押し出し成形等により所定の形状に成形したあと、焼成する。焼成は、真空または、任意圧力のガス雰囲気中、１４００〜１６００℃の範囲で行なう。その後、任意圧力のガスにより冷却時の雰囲気を制御する。
【００１８】
被覆層は、公知の化学気相成長法等により形成することができる。例えばＴｉＣを被覆する場合は反応ガスとしてＴｉＣｌ4 とＣＨ4 およびキャリアガスとして水素等を用い、これらを反応炉内に導入するとともに炉内を４０〜８０Ｔｏｒｒの圧力に維持しつつ、９５０〜１０５０℃に加熱することでＴｉＣ膜が形成される。
【００１９】
【表１】
表１に作製した試料の母材組成（調合組成）、外層部と内層部の組成（重量％）および外層部の厚み（単位：μｍ）、被覆コーティング層構成およびその厚みを示す。
【００２１】
【表２】
また、前述の測定方法により、〔外層部表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層部の硬度）〕／〔５００μm 深さ位置の硬度（内層部の硬度）〕の比を得るとともに、外層部の厚みを通法に従い測定した上で、外層部と内層部の境界付近における硬度最小ピークの有無を確認した。
【００２３】
その結果を表２に示す。
【００２４】
なお、図１に本発明の範囲内にある実施例品の外層表面からの深さ位置（Ｄｅｐｔｈ ｆｒｏｍ Ｓｕｒｆａｃｅ）と硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）との関係を示す線図（深さ位置２００μm までのデータのみ）を示し、同図（ａ）が試料番号１、２の母材表面からの深さと硬度の関係を示す概略の線図であり、（ｂ）が試料番号７、８の母材表面からの深さと硬度の関係を示す概略の線図である。
【００２５】
同図に示すように、これら実施例品は内層部に対して固溶体相を実質的に含まない硬度の低い外層部を形成し、外層部において、外から内に向かって硬度分布が減少の傾斜を有する構成である。特に、（ａ）に示す試料番号１、２は外層部と内層部の境界付近において硬度の最も低い領域を設けたものとなっている。
【００２６】
これに対して、（ｂ）に示す試料番号７、８は硬度の最も低い領域が上記境界よりも若干外方となっている。
【００２７】
また、各々のサンプルについて次の切削テストを行った。
【００２８】
〔切削条件〕
被削材 ＳＣＭ４４０溝付き
工具形状 ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度 ２５０ｍ／ｍｉｎ
送り ０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ３．０ｍｍ
切削時間 ｍａｘ６０ｓｅｃ
切削液 湿式（水系）
最大６０秒まで切削を行なった結果を表２に示す。
【００２９】
表２によれば、外層表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層の硬度）が５００μm 深さ位置の硬度（内層の硬度）の７５％以下のサンプルは従来品に対し切刃の塑性変形により欠損に至った。
【００３０】
また、比率が１００％以上のサンプルについても耐欠損性が低下することにより、いずれも切削工具として適さないと判断される。
【００３１】
これに対して、外層の硬度が内層の硬度の８０〜９０％の硬度であり、外層において内層との境界付近に向かって硬度分布が減少の傾斜を有し、内層と外層の境界付近において最も最小のピークを有する本発明実施例品（試料番号１、２）の被覆超硬合金では安定した切削性能を発揮することができた。
【００３２】
また、硬度の最小ピークが若干外方に存在する比較例品（試料番号７，８）は欠損する例もあったが、総じて良好な切削性能を示した。
【００３３】
【発明の効果】
叙上のように、本発明によれば、超硬合金母材に内層部より硬度の低い外層部を形成し、外層部表面から３０μm 深さ位置の硬度（外層部の硬度）を５００μm 深さ位置の硬度（内層部の硬度）の８０〜９０％とすることにより耐塑性変形性の劣化も抑制でき、耐摩耗性を維持し、耐欠損性、耐チッピング性の改善可能となる。
【００３４】
さらに、外層と内層の境界近傍において硬度最小となる分布を有することにより、鋼の切削加工において耐欠損性、耐摩耗性、耐チッピング性が大幅に改善され、安定した切削加工が可能となり、工具寿命を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は、本発明の範囲内にある実施例品の外層表面からの深さ位置と硬度との関係を示す概略線図である。
【図２】本発明の構成を概略図示し、対比のため前記従来技術の被覆超硬合金切削工具と並べて図示している。同図において（ａ）（ｂ）は超硬合金母材の表面部分を断面で示す略図であり、（ｃ）（ｄ）は母材表面からの深さと硬度の関係を示す線図であり、（ａ）（ｃ）が本発明のものであり、（ｂ）（ｄ）が従来技術のものでる。
【符号の説明】
符号なし
Claims (1)
- 鉄族金属から選ばれた1種または２種以上が１〜１５重量％の結合相、周期律表の４a, 5a, 6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれた１種または２種以上が２０重量％以下の固溶体相及び残部が炭化タングステンの硬質相からなり、且つ、実質的に固溶体相の存在しない厚さ２０〜４０μｍの外層部と固溶体相の存在する内層部とを備えた超硬合金母材に硬質相を被覆してなる切削工具において、上記外層部表面から３０μｍ深さ位置における硬度が５００μｍ深さ位置における硬度の８０〜９０％であるとともに、前記外層部において、外から内に向って硬度が減少する分布を有し、且つ、前記内層部との境界近傍において最も硬度が小さいことを特徴とする超硬合金切削工具。」
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02279099A JP3677406B2 (ja) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | 被覆超硬合金切削工具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02279099A JP3677406B2 (ja) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | 被覆超硬合金切削工具 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000218408A JP2000218408A (ja) | 2000-08-08 |
| JP3677406B2 true JP3677406B2 (ja) | 2005-08-03 |
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ID=12092486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02279099A Expired - Fee Related JP3677406B2 (ja) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | 被覆超硬合金切削工具 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4446469B2 (ja) | 2004-03-12 | 2010-04-07 | 住友電工ハードメタル株式会社 | 被覆切削工具 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07122138B2 (ja) * | 1987-04-28 | 1995-12-25 | 三菱マテリアル株式会社 | 表面被覆超硬合金部材 |
| JPH04294907A (ja) * | 1991-03-25 | 1992-10-19 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質層被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具 |
-
1999
- 1999-01-29 JP JP02279099A patent/JP3677406B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000218408A (ja) | 2000-08-08 |
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