JP4132106B2

JP4132106B2 - 耐衝撃性超硬合金および表面被覆超硬合金

Info

Publication number: JP4132106B2
Application number: JP17853196A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林; 聡木下
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: JPH108182A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具，耐摩耗工具および土木建設工具に適する耐衝撃性超硬合金および表面被覆超硬合金に関し、特に切削工具におけるサーマルクラックに代表される耐熱的衝撃性と切削工具におけるチッピングや耐欠損性に代表される耐機械的衝撃性にすぐれる超硬合金および被覆超硬合金、並びに切削工具のうち鋼の断続旋削やフライス切削に用いた場合に長寿命を発揮する耐衝撃性超硬合金および表面被覆超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超硬合金製切削工具には、耐摩耗性と同時に耐欠損性，耐チッピング性、耐サーマルクラック性などの向上が求められており、特に鋼の断続旋削やフライス切削などでは、機械的および熱的な疲労クラックの発生とその進展により破損に至るため、これら耐衝撃性の改善が重要な課題となっている。
【０００３】
通常、超硬合金の耐衝撃性を改善するには、炭化タングステンを粗粒にするかＣｏ量を増加させれば良いが、硬さ低下により耐摩耗性が低下するという問題がある。そこで、耐衝撃性と耐摩耗性のバランスを保つため、粗粒と微粒を混在させたタイプの超硬合金が従来から検討されており、また新規に提案もされている。その代表的なものに、特開平７ー２５２５７９号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
粗粒と微粒を混在させたタイプの超硬合金における先行技術である特開平７ー２５２５７９号公報には、０．１〜１μｍの微粒炭化タングステンと３〜１０μｍの粗粒炭化タングステンとの断面組織上の面積比率が０．２２〜０．４５で、かつ合金炭素量を健全相域内の低炭素側に限定した超硬合金の表面に硬質被膜を被覆した切削工具用の被覆超硬合金が記載されている。この同公報に記載されている被覆超硬合金は、強度と靱性をバランス良く向上させて高速切削で長寿命化を図るため、粗細混粒化に加えて低炭素合金に限定したものであるが、耐衝撃性の低下が生じるために満足されていないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解決したもので、具体的には、粗細混粒タイプの超硬合金において、相対的に微粒を形成する炭化タングステンを板状結晶とすることにより、切削時における機械的および熱的な疲労クラックの発生とその進展を抑制した耐衝撃性にすぐれた耐衝撃性超硬合金および表面被覆超硬合金の提供を目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、粗細混粒タイプの超硬合金について、長年に亘り、耐摩耗性と耐衝撃性の同時改善に関して検討を行っていたところ、相対的に細粒を形成する炭化タングステンを板状結晶とすることにより目的が達成され、機械的および熱的な疲労クラックが発生し難く、かつその進展が粗大炭化タングステン粒子と共に板状炭化タングステン結晶によっても抑制されるため耐衝撃性の改善が著しいという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【０００７】
本発明の耐衝撃性超硬合金は、Ｃｏを主成分とする金属または合金の結合相を５〜１５重量％と、残りが炭化タングステンの硬質相と不可避不純物とからなる超硬合金において、該炭化タングステンは、該超硬合金の任意の断面組織における炭化タングステン粒子のアスペクト比が３以上でなる平均粒子径が１μｍ以上〜３μｍ未満の板状炭化タングステンと、アスペクト比が３未満で、かつ該板状炭化タングステンの平均粒子径より大きい平均粒子径が３μｍ以上〜７μｍ以下の粗大炭化タングステンとを含有し、該炭化タングステン全体に対する該板状炭化タングステンの割合が５〜５０体積％、該粗大炭化タングステンの割合が１０〜５０体積％であることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の態様】
本発明の耐衝撃性超硬合金における結合相は、実質的にＣｏでなる場合または結合相の５０重量％以上がＣｏで、他に金属または合金が含有されている場合からなり、このうち後者の場合を具体的に例示すると、１５重量％以下のＷ，Ｃｒ，Ｖ，Ｎｉを固溶したＣｏ合金を挙げることができる。この結合相量は、超硬合金全体に対して５重量％未満になると靱性の低下により耐衝撃性が劣化し、逆に１５重量％を超えて多くなると硬さの低下により耐摩耗性や耐塑性変形性が劣化するために、５〜１５重量％と定めたものである。
【０００９】
この結合相が同量の場合には、主として結合相に固溶する金属または合金により超硬合金の相対飽和磁化値が変動するのであるが、本発明の耐衝撃性超硬合金における相対飽和磁化値は、実質的にＣｏでなる結合相の７０〜９０％であると耐衝撃性や耐塑性変形性が向上するので好ましい。結合相の飽和磁化値は、固溶したＷ量すなわち合金炭素量によって変動するが、低炭素側の合金にするとＣｏ中のＷ固溶が増大して結合相が強化されることから好ましいことである。
【００１０】
本発明の耐衝撃性超硬合金における硬質相としての炭化タングステンは、板状炭化タングステン粒子（以下、「板状ＷＣ粒子」という）と、板状炭化タングステン粒子の平均粒子径より大きい粗大炭化タングステン粒子（以下、「粗大ＷＣ粒子」という）と、この両方の炭化タングステンに相当しない残りの炭化タングステン（以下、「ＷＣ」という）から構成されており、具体的には、板状ＷＣ粒子は断面組織上で棒状，針状を呈し、アスペクト比［１つの結晶の（最長径／最短径）を現す、具体的には多角形の結晶の場合、辺と辺が交わった頂点から辺までの垂直長さ，頂点から頂点までの長さにおける最長，最短から求める］が３以上でなり、また粗大ＷＣ粒子は通常、三角形状あるいは四角形状を呈し、アスペクト比が３未満、好ましくは１．５〜２からなるものである。
【００１１】
この炭化タングステン全体に対する板状ＷＣ粒子の体積割合が５％未満では、板状ＷＣ結晶による硬さと靱性の向上効果が減少するために耐摩耗性や耐衝撃性が低下し、逆に５０％を超えて多くなると、相対的に粗大ＷＣ粒子が減少するために耐衝撃性が低下することおよびアスペクト比３以上の板状ＷＣ粒子を多量に含有させることが製造上困難となるために、炭化タングステン全体に対する板状ＷＣ粒子の体積割合を５〜５０体積％と定めたものである。
【００１２】
また、炭化タングステン全体に対する粗大ＷＣ粒子の体積割合が１０％未満では、粗大ＷＣ結晶による靱性の向上効果が減少するために耐衝撃性が低下し、逆に５０％を超えて多くなると硬さ低下による耐摩耗性の劣化が顕著となるため、炭化タングステン全体に対する粗大ＷＣ粒子の体積割合を１０〜５０体積％と定めたものである。これらのうち、特に炭化タングステン全体に対する板状ＷＣの体積割合が２０〜５０％、炭化タングステン全体に対する粗大ＷＣ粒子の体積割合が２０〜４０％であること、または炭化タングステン全体に対するこれらの両方の炭化タングステン粒子の体積割合が５０％以上である場合には本発明の効果が最も発揮されるので好ましい。炭化タングステン全体に対する板状ＷＣの体積割合が２０体積％以上であると、耐摩耗性，耐衝撃性とも向上するので好ましい。さらに、板状ＷＣ粒子の平均粒子径が１μｍ以上〜３μｍ未満でなり、粗大ＷＣ粒子の平均粒子径が３μｍ以上〜７μｍ以下の範囲であると、耐摩耗性と耐衝撃性のバランスが良く、実用性能上好ましい。
【００１３】
本発明の耐衝撃性超硬合金は、実質的に上述した結合相と硬質相からなる場合と、これらの結合相と硬質相の他に立方晶系化合物が分散している場合がある。この立方晶系化合物は、具体的には、例えば（ＷＴｉ）Ｃ，（ＷＴｉＴａ）Ｃ，（ＷＴｉＺｒ）（ＣＮ），ＴａＣ，ＮｂＣなどを挙げることができる。この立方晶系化合物量は、鋼切削における耐摩耗性や耐塑性変形性を改善するが、３０重量％を超えて多くなると機械的および熱的な耐衝撃性が顕著に低下するために３０重量％以下と定めたものである。
【００１４】
これらの本発明の耐衝撃性超硬合金を基材として、この基材表面に従来からの硬質膜を被覆して耐衝撃性被覆超硬合金とすることもできる。この耐衝撃性被覆超硬合金における硬質膜は、具体的には、例えば周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物およびこれらの相互固溶体、ＴｉＡｌの化合物、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、立方晶窒化硼素、硬質窒化硼素の中から選ばれた１種の単層または２種以上の多層でなる硬質膜を挙げることができる。これらのうち、基材と硬質膜との関係から効果が高くなる組合わせがある。その中の１つである本発明の表面被覆超硬合金は、上述の耐衝撃性超硬合金の表面に硬質膜を被覆したものであり、具体的には、ＴｉＣ，Ｔｉ（ＣＮ），ＴｉＮ，ＴｉＣＯ，ＴｉＮＯ，ＴｉＣＮＯ，（ＴｉＡｌ）Ｎ，（ＴｉＡｌ）ＣＮ，Ａｌ₂Ｏ₃の中の１種でなる単層膜および２種以上の多層膜を挙げることができる。
【００１５】
これらの硬質膜のうち、さらに多層膜の具体的例示としては、化学蒸着法（以下、「ＣＶＤ法」という）によるＴｉＮーＴｉ（ＣＮ）ーＴｉＣーＡｌ₂Ｏ₃ーＴｉＮの５層を基材上に順次被覆する場合、物理蒸着法（以下、「ＰＶＤ法」という）によるＴｉＮー（ＴｉＡｌ）Ｎの２層またはＴｉＣＮーＴｉＣーＴｉＣＮの３層を基材上に順次被覆する場合などが挙げられる。単層膜または多層膜の膜厚は、用途によるが、２〜２０μｍの範囲が好ましい。
【００１６】
本発明の耐衝撃性超硬合金を作製するには、具体的には、例えば原料物質として板状ＷＣ粒子と粗大ＷＣ粒子をそれぞれ別々に準備し、その他必要な原料物質と共に所定の配合組成とし、これを従来の粉末冶金法と同様にして、混合，成形，必要ならば予備焼成をした後、非酸化性雰囲気中で焼結する方法、または原料物質として板状ＷＣ粒子が形成されるための板状ＷＣ粒子前駆体と粗大ＷＣ粒子とその他必要な原料物質とを用いて所定の配合組成とし、これを上述と同様にして作製する方法などを挙げることができる。こうして得られた耐衝撃性超硬合金を、必要に応じて表面を研磨，腐食，洗浄，乾燥などを施した後、従来から行われているＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法またはＰＶＤ法の中の１種もしくは２種以上を組合わせて、基材の表面に硬質膜を被覆することができる。
【００１７】
【作用】
本発明の耐衝撃性超硬合金は、含有される板状ＷＣ粒子が硬さと靱性を向上させて耐摩耗性と耐衝撃性を改善する作用をし、相対的に粗大ＷＣ粒子が耐衝撃性を改善する作用をし、これら板状ＷＣ粒子と粗大ＷＣ粒子との両方の作用でもって、従来では不可能であった耐衝撃性および耐熱衝撃性の改善を可能とするような大きな作用をすると共に、さらに両者により、その他の硬さ，靱性および耐摩耗性などの諸特性をも高める作用が引出されているものである。
【００１８】
【実施例１】
市販されている平均粒子径が１．５μｍ，２．５μｍ，４．５μｍおよび７．０μｍのＷＣ［表中で順にＷＣ（１５），ＷＣ（２５），ＷＣ（４５），ＷＣ（７０）と記す］と、１．３μｍおよび２．２μｍのＷ［表中で順にＷ（１３），Ｗ（２２）と記す］と、６μｍの黒鉛（表中でＧと記す）と、１．２μｍのＣｏと、１．０μｍの（ＷＴｉ）Ｃの複合炭化物（重量比でＷＣ／ＴｉＣ＝７０／３０）と、１．０μｍのＴａＣとの各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入し、４８時間混合粉砕後、乾燥して混合粉末を得た。この混合粉末を用いて、ＪＩＳ−Ｂ４１２０に記載のＳＰＧＮ１２０３０２形状用の金型でもって２ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプレス成形し、得られた粉末成形体を雰囲気圧力１０Ｐａの真空中にて、表１に併記した温度で１時間の加熱焼結により、本発明品１〜５および比較品１〜６を得た。
【００１９】
こうして得た超硬合金チップの各１個について、研削と１μｍのダイヤモンドペーストによるラップ加工を施した後、ビッカース圧子を用いた荷重：１９６Ｎでの硬さ，破壊靱性値Ｋ１Ｃ（ＩＭ法）および比較品との相対飽和磁化値を測定し、その結果を表２に示した。次に、電子顕微鏡にて組織写真を撮り、画像処理装置にて、結合相（Ｃｏ），立方晶系化合物，全ＷＣの重量割合を測定し、その結果を表２に併記した。また、同様の方法にて、アスペクト比が３以上である板状ＷＣ粒子と相対的に粗大ＷＣ粒子のＷＣ全体に対する体積割合と平均粒子径（面積相当径）を測定し、その結果を表３に示した。
【００２０】
この表３のうち、本発明品３，５および比較品３，５，６の超硬合金チップを２３０＃のダイヤモンド砥石を用いて研削加工し、ＳＰＧＮ１２０３０８の切削用チップを製作した。このチップを用いて、被削材：ＳＣＭ４４０，切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：０．４０ｍｍ／刃，切削距離：２ｍの条件で乾式フライス切削試験を行なった後、刃先部のすくい面に発生した縦クラック（逃げ面に垂直）と横クラック（逃げ面に平行）の本数と断面での深さを測定し、その結果を表４に示した。
また、それぞれの試料について３個のチップを用いて上記切削条件で試験を行い、逃げ面の最大摩耗量が０．４０ｍｍに達するか、または切刃のチッピング・破損までの平均切削距離を求め、その結果を表４に併記した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
【表３】

【００２４】
【表４】

【００２５】
【実施例２】
実施例１で得た、本発明品１，２および比較品１，２の超硬合金チップを２３０＃のダイヤモンド砥石を用いて研削加工してＳＤＫＮ４３ＺＴＮの切削用チップを製作した後、ＰＶＤコーテイング装置を用いて、母材側から順に膜厚および膜質を、０．５μｍのＴｉＮ，２．０μｍのＴｉＣＮ，０．５μｍのＴｉＮの合計３μｍを被覆し、本発明品６，７および比較品７，８をそれぞれ得た。
【００２６】
こうして得た表面被覆超硬合金製工具チップの１試料につき３個を用いて、被削材：ＳＣＭ４４０，切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：０．２５ｍｍ／刃の条件で乾式フライス切削試験を行い、切刃のチッピング・破損、または平均逃げ面摩耗幅が０．３０ｍｍとなるまでの平均切削距離を求めた。その結果、本発明品６と７が、それぞれ１０．５ｍと９，７ｍであるのに対し、比較品７，８は、それぞれ４．１ｍと３．３ｍであった。
【００２７】
【実施例３】
実施例１で得た、本発明品４および比較品４の混合粉末を用いて、ＪＩＳ−Ｂ４１２０に記載のＣＮＭＧ１２０４０８（ブレーカ付き）の金型でもって２ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプレス成形して実施例１と同様な条件で焼結し、研削加工を施した後、ＣＶＤコーテイング装置を用いて、母材側から順に膜厚および膜質を、１．０μｍのＴｉＮ，６．０μｍのＴｉＣＮ，１．０μｍのＴｉＣ，３．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃，１．０μｍのＴｉＮの計１２μｍを被覆し、本発明品８および比較品９を得た。
【００２８】
こうして得た各試料の表面被覆超硬合金製工具チップを３個づつ用いて、被削材：Ｓ４８Ｃ（４本溝入り），切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖの条件で湿式断続旋削試験を行い、切刃のチッピング・破損、または平均逃げ面摩耗幅が０．３０ｍｍとなるまでの平均寿命時間を求めた。その結果、本発明品８と比較品９は、それぞれ４３分と２５分であった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の耐衝撃性超硬合金は、細粒でなる板状ＷＣ粒子とこの板状ＷＣよりも粗粒でなる粗大ＷＣ粒子との混粒として存在しているものであり、従来の混粒炭化タングステンでなる超硬合金に対比して、同一組成成分において硬さおよび破壊靭性値が顕著に高く、切削試験における耐熱衝撃性，耐摩耗性，耐チッピング性および耐欠損性が顕著にすぐれており、長寿命になるという効果を有している。また、本発明の表面被覆超硬合金は、硬質膜と基材との耐剥離性にすぐれており、硬質膜と基材とのそれぞれの効果が最大限に発揮されるために、切削試験において長寿命になるという効果を有している。

Claims

Ｃｏを主成分とする金属または合金の結合相５〜１５重量％と、残りが炭化タングステンの硬質相と不可避不純物とからなる超硬合金において、該炭化タングステンは、該超硬合金の任意の断面組織における炭化タングステン粒子の最長径と最短径との比（以下、「アスペクト比」という）が３以上でなる平均粒子径が１μｍ以上〜３μｍ未満の板状炭化タングステンと、アスペクト比が３未満で、かつ該板状炭化タングステンの平均粒子径より大きい平均粒子径が３μｍ以上〜７μｍ以下の粗大炭化タングステンとを含有し、該炭化タングステン全体に対する該板状炭化タングステンの割合が５〜５０体積％、該粗大炭化タングステンの割合が１０〜５０体積％であることを特徴とする耐衝撃性超硬合金。
Ｃｏを主成分とする金属または合金の結合相５〜１５重量％と、ＷとＴｉの炭窒化物，炭酸化物，炭窒酸化物の中の１種以上とからなる立方晶系化合物を３０重量％以下と、残りが炭化タングステンの硬質相と不可避不純物とからなる超硬合金において、該炭化タングステンは、該超硬合金の任意の断面組織における炭化タングステン粒子の最長径と最短径との比（以下、「アスペクト比」という）が３以上でなる平均粒子径が１μｍ以上〜３μｍ未満の板状炭化タングステンと、アスペクト比が３未満で、かつ該板状炭化タングステンの平均粒子径より大きい平均粒子径が３μｍ以上〜７μｍ以下の粗大炭化タングステンとを含有し、該炭化タングステン全体に対する該板状炭化タングステンの割合が５〜５０体積％、該粗大炭化タングステンの割合が１０〜５０体積％であることを特徴とする耐衝撃性超硬合金。
上記炭化タングステン全体に対する上記板状炭化タングステンと上記粗大炭化タングステンとの合計含有量は、５０体積％以上であることを特徴とする請求項１または２記載の耐衝撃性超硬合金。
上記超硬合金は、Ｃｏからなる結合相である場合に対し、相対飽和磁化値が７０〜９０％であることを特徴とする請求項１，２または３記載の耐衝撃性超硬合金。
請求項１，２，３または４記載の耐衝撃性超硬合金の表面にチタンの炭化物，窒化物，炭窒化物，炭酸化物，窒酸化物，炭窒酸化物、チタンーアルミニウムの窒化物，炭窒化物，炭窒酸化物，酸化アルミニウムの中の１種の単層もしくは２種以上の多層を被覆してなることを特徴とする表面被覆超硬合金。