JP5517100B2 - 表面被覆ｗｃ基超硬合金製インサート - Google Patents

Description

本発明は、高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速重切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製インサート（以下、被覆超硬インサートという）に関するものである。

従来、鋼や鋳鉄の旋削用切削工具としては、超硬合金製工具基体に硬質被覆層を形成した表面被覆超硬合金製インサートが広く知られており、例えば、Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ等を含有するＷＣ基超硬合金からなる基体表面に、結合相含有割合が高い領域を形成するとともに、さらに、エッジ部のＣｏ含有量を、超硬合金内部のＣｏ含有量の０．６５〜０．７５（但し、体積比）とした超硬合金基体に、硬質被覆層を形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製インサート（従来被覆超硬インサート１という。例えば、特許文献１参照）が知られており、この従来被覆超硬インサート１が高速切削加工においてすぐれた耐摩耗性を発揮することも知られている。
一方、Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｍｏ等を含有するＷＣ基超硬合金からなる基体表面に、結合相含有割合が高い領域を形成するとともに、さらに、エッジ部のＣｏ含有量を、超硬合金内部のＣｏ含有量よりも多くした超硬合金基体に、硬質被覆層を形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製インサート（従来被覆超硬インサート２という。例えば、特許文献２参照）が知られており、この従来被覆超硬インサート２を切削加工に用いた場合には、エッジ部の破損を防止できることが知られている。

特開２００８−５２１６２８号公報 特表平８−５０６６２０号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬インサート１，２においては、これを、通常条件の切削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、例えば、高熱発生を伴うと同時に、エッジ部に高負荷が作用する高速高送り切削、高速高切込み切削等の高速重切削加工に用いた場合には、チッピング、欠損等が発生し、或いは、耐摩耗性の低下によって、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
例えば、従来被覆超硬インサート１においては、エッジ部の靭性が十分でないためにチッピングや欠損を発生しやすく、また、従来被覆超硬インサート２においては、エッジ部の耐熱塑性変形性が十分でないために偏摩耗を生じやすく、これらが原因となって、工具寿命に至るという問題点がある。
したがって、高熱発生を伴うとともに、エッジ部に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速重切削加工においても、すぐれた耐チッピング性及び耐摩耗性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製インサート（被覆超硬インサート）の開発が望まれている。

本発明者等は、上記の課題に応えるため、ＷＣ基超硬合金からなる基体の成分および焼結条件について鋭意研究したところ、以下の知見を得た。

すなわち、従来のＷＣ超硬合金製インサート（例えば、従来被覆超硬インサート１，２）は、通常、原料粉末として、所定粒径のＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末等を所定割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えて混合し、これを乾燥後、所定圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、所定の焼結条件で焼結してＷＣ超硬合金製インサートの素材を製造し、これを研削して、所定インサート形状およびホーニング量に加工することによって得ている。

本発明者等は、上記従来のＷＣ超硬合金製インサートの製法において、ＷＣ超硬合金の原料粉末として、所定粒径のＷＣ粉末、Ｃｏ粉末に、少なくともＺｒＣもしくはＺｒＣＮ粉末のうちの１種または２種を必須の粉末成分として添加し、次いで、プレス成形により圧粉体を作製し、これを例えば、昇温スピード２〜１５℃／ｍｉｎ，Ｎ_２圧力０．０６〜６．７ＫＰａにて１４００〜１５００℃の間の所定温度まで加熱昇給温し、その後、圧力を保持しながら１０〜７５％のＮ_２をＡｒで置換して、Ｎ_２／Ａｒ混合雰囲気として、１時間保持焼成後冷却するという条件下で焼結を行い、次いで、これを研削して、所定インサート形状およびホーニング量に加工し、この上に硬質被覆層を蒸着形成することにより、ＷＣ超硬合金製インサート基体の表面に、５〜３５μｍの平均厚さのＣｏ富化表面領域が形成されるとともに、ＷＣ基超硬合金製インサート基体のエッジ部のＣｏ含有量が、超硬合金内部のＣｏ含有量の０．８０〜０．９５（但し、質量比）であり、また、エッジ部のＺｒ含有量が、超硬合金内部のＺｒ含有量の１．１０〜１．４５（但し、質量比）である本発明のＷＣ超硬合金製インサートを得ることができる。
なお、ＷＣ基超硬合金製インサート基体のエッジ部の概略模式図は、図２に示すとおりである。

そして、上記所定のＣｏ質量比、Ｚｒ質量比を有するエッジ部を備えた本発明の被覆超硬インサートは、高熱発生を伴い、かつ、エッジ部に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の高速重切削加工に用いた場合にも、エッジ部はこれに満足できる靭性と耐熱塑性変形性を相兼ね備えるため、長時間の使用に亘って、すぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮することを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 原料として少なくともＷＣ粉末、Ｃｏ粉末を含むとともに、さらに、ＺｒＣ粉末およびＺｒＣＮ粉末のうちの１種または２種を含む配合原料を成型、焼結して得られるＷＣ基超硬合金を基体とし、この基体上に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆超硬合金製インサートにおいて、
上記ＷＣ基超硬合金の基体表面には、５〜３５μｍの平均厚さのＣｏ富化表面領域が形成され、かつ、上記ＷＣ基超硬合金の基体の縦直角断面において、すくい面および逃げ面からの距離が１００μｍ以内である１００μｍ四方の領域内であって、しかも、Ｃｏ富化表面領域を除外したＷＣ基超硬合金の基体エッジ部のＣｏ含有量及びＺｒ含有量は、それぞれ、超硬合金内部のＣｏ含有量の０．８０〜０．９５および超硬合金内部のＺｒ含有量の１．１０〜１．４５（但し、いずれも質量比）であることを特徴とする表面被覆超硬合金製インサート。
（２） 原料として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆの炭化物および炭窒化物のうちの１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆超硬合金製インサート。」
を特徴とするものである。
ここで、「超硬合金内部」とは、ＷＣ基超硬合金の基体の成分組成がほぼ一定となるようなＷＣ基超硬合金の基体の内部領域（例えば、基体の中心部）をいう。

本発明の構成について、以下に説明する。

本発明被覆超硬インサートの超硬合金基体は、例えば、所定粒径のＷＣ粉末、Ｃｏ粉末に少なくともＺｒＣ粉末を添加して、所定配合比の原料粉末を形成した後、バインダーと溶剤を加えて混合し、これを乾燥後、所定圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形した後、この圧粉体を、例えば、昇温スピード２〜１５℃／ｍｉｎ，Ｎ_２圧力０．０６〜６．７ＫＰａにて１４００〜１５００℃の間の所定温度まで加熱昇給温し、その後、圧力を保持しながら１０〜７５％のＮ_２をＡｒで置換して、Ｎ_２／Ａｒ混合雰囲気として、１時間保持焼成後冷却するという条件下で焼結を行い、次いで、これを研削して、所定インサート形状およびホーニング量に加工することにより得る。
原料粉末の配合比は、質量比で、
ＷＣ粉末：Ｃｏ粉末：Ｚｒ化合物粉末
＝（７３．０〜９５．５％）：（４．０〜１２．０％）：（１．０〜８．０％）
であることが望ましい。
原料粉末成分としては、従来用いられているＴｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆを添加することももちろん可能である。
本発明では、必須成分として添加される上記Ｚｒ化合物粉末に加えて、高温特性を改良する目的でＴｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆの炭化物および炭窒化物のうちの１種または２種以上をさらに含有することが望ましい。

上記の製造法で得られたＺｒ化合物（あるいは更にＴｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆの炭化物、炭窒化物等）が含有されている本発明の超硬合金基体に、当業者に広く知られている硬質被覆層（ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ａｌ_２Ｏ_３層等）を、化学蒸着によって被覆形成することにより、本発明被覆超硬インサートを作製する。
得られた本発明被覆超硬インサートの超硬基体表面と硬質被覆層との界面近傍を、光学顕微鏡を用いて観察すると、図１に示されるように、基体表面には、５〜３５μｍの平均厚さのＣｏ富化表面領域が形成されていることが観察される。
形成されるＣｏ富化表面領域の厚さは、焼結時の温度、時間、圧力等によって影響されるが、Ｃｏ富化表面領域が５μｍよりも薄くなると、高速重切削加工において、耐チッピング性、耐欠損性の向上が期待できず、一方、Ｃｏ富化表面領域が３５μｍよりも厚くなると、耐熱塑性変形性が低下し偏摩耗を生じやすくなることから、Ｃｏ富化表面領域の平均厚さは、５〜３５μｍとする。

次に、本発明被覆超硬インサートＷＣ基超硬合金基体のエッジ部とＷＣ超硬合金基体内部のＣｏ含有量及びＺｒ含有量は、以下のようにして測定する。
ここで、本発明でいう“エッジ部”とは、前記ＷＣ基超硬合金基体の縦直角断面において、すくい面および逃げ面からの距離が１００μｍ以内であることを満足する１００μｍ四方の領域内で、Ｃｏ富化表面領域を除外した領域であるとして定義する。エッジ部においては、ＷＣ基超硬合金基体の内部と比べて多くのＺｒが含有されている。
なお、エッジ部は、図２における超硬基体表面と硬質被覆層との界面近傍の概略断面模式図において斜線領域として示す。
測定は、電子線マイクロアナライザ（以下、ＥＰＭＡで示す）を用いて、前記ＷＣ基超硬合金基体の縦断面にて行った。
上記の測定によると、エッジ部のＣｏ含有量及びＺｒ含有量は、それぞれ、超硬合金内部のＣｏ含有量の０．８０〜０．９５および超硬合金内部のＺｒ含有量の１．１０〜１．４５（但し、いずれも質量比）であることがわかる。

エッジ部のＣｏ含有量及びＺｒ含有量は、焼結条件、特に、昇温時のＮ_２圧力、および、焼成時のＮ_２とＡｒの混合比によって以下のように大きく影響される。
昇温時のＮ_２圧力と、焼成時のＮ_２／Ａｒ混合ガス中のＮ_２分圧の差が大きいと、エッジ部のＣｏ含有量が相対的に低くなり、Ｚｒ含有量が相対的に高くなる。逆に、昇温時のＮ_２圧力と、焼成時のＮ_２／Ａｒ混合ガス中のＮ_２分圧の差が小さいと、エッジ部のＣｏ含有量が相対的に高くなり、Ｚｒ含有量が相対的に低くなる。
エッジ部におけるＣｏ含有量が０．８０未満であると、エッジ部の靭性が不十分であって、耐チッピング性、耐欠損性の向上を期待することはできず、一方、エッジ部におけるＣｏ含有量が０．９５を超えると、エッジ部の耐熱塑性変形性が低下傾向を示すようになるため、偏摩耗が発生しやすくなり、耐摩耗性が劣化することから、エッジ部のＣｏ含有量は、超硬合金内部のＣｏ含有量の０．８０〜０．９５（但し、質量比）と定めた。
さらに、エッジ部の耐熱塑性変形性の良否は、エッジ部に存在するＺｒ成分及びＺｒ含有量が大きな影響を与える。即ち、焼結後の超硬基体のエッジ部に、超硬基体内部に存在するＺｒ含有量の１．１０〜１．４５（但し、質量比）のＺｒが存在すると、エッジ部には、ＷＣを含む炭化物の強固なスケルトン構造が形成され、その結果として、エッジ部の耐熱塑性変形性が向上する。しかし、エッジ部のＺｒ含有量が１．１０未満の場合には、相対的に前記炭化物のスケルトン構造が所望の耐熱塑性変形性を示さなくなることから偏摩耗が発生しやすくなり、一方、エッジ部のＺｒ含有量が１．４５を超えるような場合には、相対的にエッジ部の靭性が低下するためにチッピングや欠損が発生しやすくなることから、エッジ部のＺｒ含有量は１．１０〜１．４５（但し、質量比）と定めた。

本発明被覆超硬インサートは、上記Ｚｒ化合物に加え、その成分として更に、Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆの炭化物、炭窒化物等を含有することができる。
特に、上記Ｚｒ化合物に加えて、Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆの炭化物、炭窒化物のうちの１種または２種以上をさらに含有した場合には、より刃先温度が高温となる高速加工条件下での耐摩耗性の向上が図られる。

本発明の表面被覆超硬合金製インサートによれば、特に、基体エッジ部のＣｏ含有量及びＺｒ含有量は、超硬合金内部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量の、それぞれ、０．８０〜０．９５および１．１０〜１．４５（但し、いずれも質量比）とされ、エッジ部が靭性と耐熱塑性変形性を相兼ね備えることにより、高熱発生を伴い、かつ、エッジ部に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速重切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性と耐摩耗性を発揮し、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することができる。

本発明の表面被覆超硬合金製インサート４の超硬基体表面と硬質被覆層との界面近傍の光学顕微鏡写真を示す。 本発明の表面被覆超硬合金製インサートの超硬基体表面と硬質被覆層との界面近傍の断面模式図を示す。

次に、本発明の表面被覆超硬合金製インサートについて、実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＺｒＣ粉末、ＺｒＣＮ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末を、表１に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形した。
このプレス成形により得た圧粉体を、表２に示す焼結条件で焼結し、本発明の被覆超硬インサート素材１〜１０を製造した。
これらの被覆超硬インサート素材から研削にて、ＣＮＭＧ１２０４０８（ホーニング量０．０７ｍｍ）に規定されるインサート形状およびホーニング量に加工し、本発明の被覆超硬インサート基体１〜１０を製造した。

さらに、上記本発明の被覆超硬インサート基体１〜１０の表面に、各種の硬質被覆層を形成し、表３に示す本発明の表面被覆超硬合金製インサート１〜１０以下、実施例１〜１０というを製造した。
実施例１〜１０の表面被覆超硬合金製インサートについて、それぞれの超硬インサート基体の表面のＣｏ富化表面領域の厚さを、前記超硬インサートを縦断面方向に鏡面ラップした後に光学顕微鏡観察によって求めた。
なお、図１に、本発明の表面被覆超硬合金製インサート４の超硬基体表面と硬質被覆層との界面近傍の光学顕微鏡写真を示す。
さらに、実施例１〜１０の表面被覆超硬合金製インサートの内部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量、また、エッジ部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量を、前記本発明超硬合金製インサートの縦断面における当該箇所をＥＰＭＡにより測定し、エッジ部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量と、インサートの内部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量の比の値を求めた。
これらの測定結果を、表３に示す。

比較のため、原料粉末として、いずれも０．５〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＺｒＣ粉末、ＺｒＣＮ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末を、表４に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、 このプレス成形により得た圧粉体を、表５に示す焼結条件で焼結し、比較例の被覆超硬インサート素材１〜１０を製造した。
これらの被覆超硬インサート素材から研削にて、ＣＮＭＧ１２０４０８（ホーニング量０．０７ｍｍ）に規定されるインサート形状およびホーニング量に加工し、比較例の被覆超硬インサート基体１〜１０を製造した。

さらに、上記比較例の被覆超硬インサート基体１〜１０の表面に、各種の硬質被覆層を形成し、表６に示す比較例の表面被覆超硬合金製インサート１〜１０以下、比較例１〜１０というを製造した。
比較例１〜１０の表面被覆超硬合金製インサートについて、それぞれの超硬インサート基体の表面のＣｏ富化表面領域の厚さを、前記比較超硬インサートを鏡面ラップした後に光学顕微鏡観察によって求めた。
さらに、比較例１〜１０の表面被覆超硬合金製インサートの内部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量、また、エッジ部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量を、前記比較例超硬合金製インサートの縦断面における当該箇所をＥＰＭＡにより測定し、エッジ部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量と、インサートの内部のＣｏ含有量、Ｚｒ含有量の比の値を求めた。
これらの測定結果を、表６に示す。

つぎに、上記の実施例１〜１０および比較例１〜１０について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃの１溝スリット入り丸棒、
切削速度： ４００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件（以下、切削条件１という）での炭素鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、２００ｍ／ｍｉｎ、０．３ｍｍ／ｒｅｖ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の１溝スリット入り丸棒、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．５ ｍｍ、
送り： ０．４５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
の条件（以下、切削条件２という）での合金鋼の乾式高速高送り切削加工試験（通常の切削速度および送りは、それぞれ、１８０ｍ／ｍｉｎ、０．２５ｍｍ／ｒｅｖ）、
を行い、
逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに達するまでの時間を測定した。
これらの切削加工試験結果を表７に示した。

表３，６，７の結果からみて、本発明の表面被覆超硬合金製インサートにおいては、特に、Ｃｏ含有量の質量比、Ｚｒ含有量の質量比が、それぞれ、０．８０〜０．９５および１．１０〜１．４５となっているエッジ部が形成されていることによって、高熱発生を伴い、かつ、エッジ部に高負荷が作用する鋼や鋳鉄等の高速重切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性をと耐摩耗性を発揮し、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することができるのに対して、比較例の表面被覆超硬合金製インサートでは、チッピングの発生あるいは耐摩耗性の劣化によって、短時間で寿命に至ることは明らかである。

本発明の表面被覆超硬合金製インサートは、高速重切削加工に用いられた場合、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を維持することができるばかりでなく、工具寿命の延命化も図られ、さらに、本発明の表面被覆超硬合金製インサートは、耐チッピング性および耐摩耗性が求められる各種被削材のインサートとして用いることが可能であり、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (2)

1. 原料として少なくともＷＣ粉末、Ｃｏ粉末を含むとともに、さらに、ＺｒＣ粉末およびＺｒＣＮ粉末のうちの１種または２種を含む配合原料を成型、焼結して得られるＷＣ基超硬合金を基体とし、この基体上に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆超硬合金製インサートにおいて、
   上記ＷＣ基超硬合金の基体表面には、５〜３５μｍの平均厚さのＣｏ富化表面領域が形成され、かつ、上記ＷＣ基超硬合金の基体の縦直角断面において、すくい面および逃げ面からの距離が１００μｍ以内である１００μｍ四方の領域内であって、しかも、Ｃｏ富化表面領域を除外したＷＣ基超硬合金の基体エッジ部のＣｏ含有量及びＺｒ含有量は、それぞれ、超硬合金内部のＣｏ含有量の０．８０〜０．９５および超硬合金内部のＺｒ含有量の１．１０〜１．４５（但し、いずれも質量比）であることを特徴とする表面被覆超硬合金製インサート。
2. 原料として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆの炭化物および炭窒化物のうちの１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆超硬合金製インサート。
   

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