JP5561607B2 - 表面被覆wc基超硬合金製インサート - Google Patents
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Description
また、例えば、特許文献2に示されるように、超硬合金の成分として、いずれも重量比で、4〜12%のCo、0.3%以上のTi、0.5%以上のNb、0.3%未満のTaを含有し、さらに、超硬合金表面には、Co富化率が1.20〜3.00で厚さが10〜50μmのCo富化領域が形成され、該Co富化領域には立方晶炭化物は含まれないが、Co富化領域直下には多量の立方晶炭化物を含む超硬合金を基体とする被覆超硬インサート(従来被覆超硬インサート2という)が知られ、そして、従来被覆超硬インサート2は、高い切刃強度とすぐれた耐熱衝撃性を有することが知られている。
例えば、従来被覆超硬インサート1においては、切刃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、切刃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、切刃に衝撃的かつ断続的高負荷が作用する鋼や鋳鉄の断続重切削加工においても、すぐれた耐チッピング性、耐熱塑性変形性を備え、長期の使用にわたってすぐれた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。
(a)Zr化合物粉末、Nb化合物粉末およびTa化合物粉末、
(b)NbとTaの複合化合物粉末とZr化合物粉末、
(c)NbとTaとZrの複合化合物粉末、
(d)NbとZrの複合化合物粉末とTa化合物粉末、
(e)TaとZrの複合化合物粉末とNb化合物粉末、
上記(a)〜(e)のうちの少なくともいずれか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2〜10℃/min,N2圧力0.06〜2.0KPaにて1300℃まで加熱昇温し、ついで、圧力を保持しながら35〜80%のN2をArで置換して、N2/Ar混合雰囲気として、昇温スピード10〜20℃/minにて1400〜1500℃の間の所定温度まで加熱昇温し、その後、45分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、実質的にZrを含有しない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、該Co富化表面領域のCo含有量が超硬合金内部のCo含有量の1.30〜2.10(但し、質量比)であり、また、同Co富化表面領域のNbおよびTaの合計含有量が、同Co富化表面領域のCo含有量の0.025〜0.085(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Co富化表面領域の組織写真の一例を図1に示す。
「 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、
(a)Zr化合物粉末、Nb化合物粉末およびTa化合物粉末、
(b)NbとTaの複合化合物粉末とZr化合物粉末、
(c)NbとTaとZrの複合化合物粉末、
(d)NbとZrの複合化合物粉末とTa化合物粉末、
(e)TaとZrの複合化合物粉末とNb化合物粉末、
上記(a)〜(e)のうちの少なくともいずれかを含む配合原料を成形、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、Zrを含有しない5〜35μmの平均厚さのCo富化表面領域が形成され、かつ、該Co富化表面領域におけるCo含有量は、超硬合金内部のCo含有量の1.30〜2.10(但し、質量比)を満足し、かつ、該Co富化表面領域におけるNbおよびTaの合計含有量は、前記Co富化表面領域におけるCo含有量の0.025〜0.085(但し、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。」
を特徴とするものである。
(a)Zr化合物粉末、Nb化合物粉末およびTa化合物粉末、
(b)NbとTaの複合化合物粉末とZr化合物粉末、
(c)NbとTaとZrの複合化合物粉末、
(d)NbとZrの複合化合物粉末とTa化合物粉末、
(e)TaとZrの複合化合物粉末とNb化合物粉末、
上記(a)〜(e)のうちの少なくともいずれかを必須の粉末成分として添加して、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2〜10℃/min,N2圧力0.06〜2.0KPaにて1200℃まで加熱昇温(一次昇温という)し、ついで、圧力を保持しながら35〜80%のN2をArで置換して、N2/Ar混合雰囲気として、昇温スピード10〜20℃/minで1400〜1500℃の間の所定温度まで加熱昇温(二次昇温という)し、その後、45分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。
原料粉末組成は、質量比で、
WC:Co:Zr化合物:Nb化合物:Ta化合物
=( 70.0〜94.0%):(4.0〜12.0%):(1.0〜7.0%):(0.7〜4.0%):(0.6〜6.5%)
であることが望ましい。
ここで、上記化合物とは、主として、炭化物、窒化物、炭窒化物等をいい、また、複合化合物とは、Nb,Ta,Zrの固溶体化合物をいう。
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、断続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。
Co含有量、Nb含有量およびTa含有量の測定は、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、Co富化表面領域のCo含有量は、超硬合金内部のCo含有量の1.30〜2.10であり、また、Nb含有量およびTa含有量の合計は、前記Co富化表面領域のCo含有量の0.025〜0.085(但し、いずれも質量比)であることがわかる。
一次昇温時のN2圧力と、二次昇温および焼成時のN2/Ar混合ガス中のN2分圧の差が大きいと、Co富化表面領域のCo含有量が相対的に高くなる。逆に、一次昇温時のN2圧力と、二次昇温および焼成時のN2/Ar混合ガス中のN2分圧の差が小さいと、Co富化表面領域のCo含有量が相対的に低くなる。
また、Co富化表面領域におけるNb含有量、Ta含有量は、焼結条件、特に、一次昇温時のN2圧力と、二次昇温および焼成時のN2/Ar混合ガス中のN2とArの混合比に加えて、二次昇温時の昇温スピードによって、以下のように大きく影響される。
一次昇温時のN2圧力と、二次昇温および焼成時のN2/Ar混合ガス中のN2分圧の差が大きく、二次昇温時の昇温スピードが高いと、Co富化表面領域のNb含有量、Ta含有量が相対的に高くなる。逆に、一次昇温時のN2圧力と、二次昇温および焼成時のN2/Ar混合ガス中のN2分圧の差が小さく、二次昇温時の昇温スピードが低いと、Co富化表面領域のNb含有量、Ta含有量が相対的に低くなる。
さらに、Co富化表面領域の耐熱塑性変形性の良否は、Co富化表面領域に存在するNb成分、Ta成分とNb含有量、Ta含有量が大きな影響を与える。即ち、焼結後の超硬基体のCo富化表面領域に、前記Co富化表面領域におけるCo含有量に対して0.025〜0.085(但し、質量比)のNb、Taが存在すると、Co富化表面領域の耐熱塑性変形性が向上する。しかし、前記Co富化表面領域のCo含有量に対するNb含有量、Ta含有量の合計量が0.025未満の場合には、Nb、TaによるCo強度向上の作用が不十分となり、所望のCo富化表面領域の耐熱塑性変形性を確保できなくなることから偏摩耗が発生しやすくなり、一方、Co富化表面領域のNb含有量、Ta含有量の合計量が0.085を超えるような場合には、相対的にCo富化表面領域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、Co富化表面領域のNb含有量、Ta含有量の合計量は、Co富化表面領域のCo含有量に対して0.025〜0.085(但し、質量比)と定めた。
なお、この発明の超硬合金の必須成分として含有しているZr化合物については、WCを含む炭化物の強固なスケルトン構造を形成し、その結果として、耐熱塑性変形性を向上させるが、Co富化表面領域中に多量のZrが存在すると、焼結性が低下するばかりか靭性も低下し、チッピング発生の起点となりやすい。
ただ、前記した本発明の超硬合金の焼結条件によれば、Co富化表面領域中のZr含有量は、実質的にゼロとなるため、耐チッピング性および耐熱塑性変形性に悪影響を及ぼすことはない。
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。
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5の超硬基体表面の断面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、Nb含有量、Ta含有量、Zr含有量、また、Co富化表面領域のCo含有量、Nb含有量、Ta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により測定し求めるとともに、各種の含有比率、即ち、(Co富化表面領域のCo含有量)/(超硬合金内部のCo含有量),(Co富化表面領域のNb含有量)/(Co富化表面領域のCo含有量),(Co富化表面領域のTa含有量)/(Co富化表面領域のCo含有量),((Co富化表面領域のNb含有量)+(Co富化表面領域のTa含有量))/(Co富化表面領域のCo含有量)を求めた。
これらの結果を、表3に示す。
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。
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、Nb含有量、Ta含有量、Zr含有量、また、Co富化表面領域のCo含有量、Nb含有量、Ta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により測定し求めるとともに、各種の含有比率、即ち、(Co富化表面領域のCo含有量)/(超硬合金内部のCo含有量),(Co富化表面領域のNb含有量)/(Co富化表面領域のCo含有量),(Co富化表面領域のTa含有量)/(Co富化表面領域のCo含有量),((Co富化表面領域のNb含有量)+(Co富化表面領域のTa含有量))/(Co富化表面領域のCo含有量)を求めた。
これらの結果を、表6に示す。
被削材:JIS・S45Cの2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:0.30 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断続切削加工試験(通常の切削速度は、200m/min.)、
被削材:JIS・SNCM439の2溝スリット入り丸棒、
切削速度:350 m/min.、
切り込み:3.0 mm、
送り:0.25 mm/rev.、
の条件(以下、切削条件2という)での合金鋼の乾式断続高切込み切削加工試験(通常の切り込みは、1.5mm)、
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。
Claims (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、
(a)Zr化合物粉末、Nb化合物粉末およびTa化合物粉末、
(b)NbとTaの複合化合物粉末とZr化合物粉末、
(c)NbとTaとZrの複合化合物粉末、
(d)NbとZrの複合化合物粉末とTa化合物粉末、
(e)TaとZrの複合化合物粉末とNb化合物粉末、
上記(a)〜(e)のうちの少なくともいずれかを含む配合原料を成形、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、Zrを含有しない5〜35μmの平均厚さのCo富化表面領域が形成され、かつ、該Co富化表面領域におけるCo含有量は、超硬合金内部のCo含有量の1.30〜2.10(但し、質量比)を満足し、かつ、該Co富化表面領域におけるNbおよびTaの合計含有量は、前記Co富化表面領域におけるCo含有量の0.025〜0.085(但し、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。
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