JP5811954B2 - 超硬合金からなる切削工具用基材およびこれを用いた表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
WC粒子を含む超硬合金からなる切削工具用基材であって、
いずれか1の表面に対する垂直断面において、
該WC粒子は、
a)円形度の平均値が、0.75以上であり、
b)円形度の分散が、0.010以下であることを特徴とする。
a)円形度の平均値が、0.70以上であり、
b)円形度の分散が、0.015以下であることが好ましい。
また、該超硬合金は、
i)該WC粒子と、
ii)周期律表のIVa族元素、Va族元素、およびVIa族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とから構成される化合物の1種以上からなる化合物相または固溶体相と、
iii)鉄族元素の1種以上からなる結合相と、
iv)不可避不純物と、を含み、
該化合物相または固溶体相は、0.1〜50質量%の範囲で含まれ、
該結合相は、0.2〜20質量%の範囲で含まれる、超硬合金からなる切削工具用基材であることが好ましい。さらに好ましくは、該結合相は、5質量%以上11質量%以下の範囲で含まれることが好適である。これは、結合相が5質量%未満の場合は、超硬合金の強度が低下するからであり、11質量%を超過する場合は、WC粒子同士の接合部が減少し、WC粒子と結合相との界面部が増加して、熱を効率的に逃がし難くなるからである。
i)該WC粒子と、
ii)鉄族元素の1種以上からなる結合相と、
iii)不可避不純物と、を含み、
該結合相は、0.2〜20質量%の範囲で含まれる、超硬合金からなる切削工具用基材であっても好ましい。
<超硬合金>
本発明の超硬合金からなる切削工具用基材は、WC粒子を含み、
いずれか1の表面に対する垂直断面において、
該WC粒子は、
a)円形度の平均値が、0.75以上であり、
b)円形度の分散が、0.010以下であることを特徴とする。
いずれか1の表面に対する垂直断面において、
該WC粒子は、
a)円形度の平均値が、0.75以上であり、
b)円形度の分散が、0.010以下であることを特徴としている。
ここで、円形度が、0.75未満であると、WC粒子同士の接触面積が小さくなり、熱を効率的に逃がし難くなるため好ましくない。したがって、円形度は、0.75以上であることを要する。
a)円形度の平均値が、0.70以上であり、
b)円形度の分散が、0.015以下であることが好ましい。
<WC粒子の球状化処理>
このような本発明のWC粉末を得るためには、原料となるWC粉末だけを、粉砕が発生しない状態で長時間攪拌する。このような処理を行なうことで、WC粒子同士の衝突によって、粒子各々が研磨されて、球状に近い粒子からなる原料粉末を得ることができる。すなわち、粒子断面の円形度を高めることができる。
上記のようにして得られたWCの原料粉末を、分級装置によって適宜分級することによって、円形度が低い微粒子を除去し、円形度の分散が小さい原料粉末とすることができる。
このようにして得られたWCの原料粉末は、他の原料と混合する際にも、粉砕が発生しない状態で行なうことが好ましい。すなわち、他の原料と混合する際に粉砕が発生すると、WC粒子の円形度が低下し、所望のWC粒子を含んだ超硬合金が得られないからである。
上記の球状化処理および/または分級処理を経たWC原料粉末と、その他の原料を、水、エタノール、アセトン、イソプロピルアルコールなどの溶媒とともに攪拌機に入れ、低速回転で長時間攪拌した後、得られた混合物を乾燥させて、成形し、焼結することで、目的の円形度およびその分散を備えた超硬合金からなる切削工具用基材を得ることができる。
超硬合金組織中のWC粒子の評価は、超硬合金からなる基材の任意の表面または断面を鏡面加工して、該加工面を顕微鏡で観察して行なう。
顕微鏡観察の方法としては、たとえば金属顕微鏡で750〜1500倍、SEM(走査電子顕微鏡)で80〜10000倍の倍率で観察することができる。
本発明の超硬合金からなる切削工具用基材における超硬合金の組成としては、特に限定されることなく、従来公知の組成を採用することができる。たとえば、次のような組成を有するものを採用することが好ましい。
i)該WC粒子と、
ii)周期律表のIVa族元素(Ti、Zr、Hfなど)、Va族元素(V、Nb、Taなど)、およびVIa族元素(Cr、Mo、Wなど)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とから構成される化合物の1種以上からなる化合物相または固溶体相(ただし、Cr3C2、VCは除く)と、
iii)鉄族元素(Fe、Co、Niをいい、鉄系金属ともいう)の1種以上からなる結合相と、
iv)不可避不純物と、を含み、
該化合物相または固溶体相は、0.1〜50質量%(0.1質量%以上50質量%以下)の範囲で含まれ、該結合相は、0.2〜20質量%(0.2質量%以上20質量%以下)の範囲で含まれるものを挙げることができる。
i)該WC粒子と、
ii)鉄族元素の1種以上からなる結合相と、
iii)不可避不純物と、を含み、
該結合相は、0.2〜20質量%(0.2質量%以上20質量%以下)の範囲で含まれるものを挙げることもできる。
このような本発明の超硬合金からなる切削工具用基材は、耐摩耗性をはじめとする刃先強度に優れ、特に熱的要因による損傷の発生率が極めて少ない。したがって、本発明の基材は、温度や応力の面で過酷な環境となる切削工具への適応性が高い。
本発明の超硬合金からなる基材を用いた切削工具は、該基材上に被膜が形成された表面被覆切削工具であることが好ましい。
該被膜は、切削工具の全面を覆うようにして形成されていてもよいし、切削工具の一部分のみを覆うようにして形成されていてもよいが、その形成目的が切削工具の諸特性の向上(すなわち切削性能の向上)にあることから、全面を覆うか、もしくは一部分を覆う場合であっても切削性能の向上に寄与する部位の少なくとも一部分を覆うことが好ましい。
本発明の超硬合金からなる切削工具用基材は、上記のようにWC粒子の球状化処理を実行することおよび粉砕が生じ難い方法で原料粉末の混合処理を実行することを除き、従来公知の製造方法により、特に限定されることなく製造することができる。
以下のようにして表面に被膜を有する超硬合金からなる基材を用いた切削工具(刃先交換型切削チップ)No.1〜10を作製した(ただしNo.6は、被膜を有していない)。なお、各刃先交換型切削チップにおいて、WC原料粉末のフィッシャー径、球状化条件、分級の有無および成膜の有無の組合せは、以下の表1の通りである。
このWC粉末に、以下の球状化処理を実行し、円形度が高められたWC粉末を得た。
<球状化条件(1)>
WC粉末を、アセトンともに、粉砕用ボールを入れないボールミルで5時間混合した。
WC粉末を、アセトンともに、粉砕用ボールを入れないボールミルで15時間混合した。
WC粉末を、アセトンともに、粉砕用ボールを入れないボールミルで20時間混合した。
WC粉末を、アセトンともに、粉砕用ボールを入れないボールミルで30時間混合した。
WC粉末を、アセトンともに、粉砕用ボールを入れないボールミルで40時間混合した。
次いで球状化処理を行なったWC粉末に以下の条件の分級処理を実行し、目的の円形度と円形度の分散を有するWC粉末を得た。
出発原料のフィッシャー径が3.40μmであるWC粉末に対しては、分級点を0.4μmに設定した気流分級機で、1回分級した。
まず、1.5質量%のTaCと、0.4質量%のCr3C2と、8.5質量%のCoと、上記で得られたWC粒子(残部)とからなる組成に配合した超硬合金原料粉末を準備した。
<基材の調製>
次いで、上記の造粒粉末をプレス成形し、10Pa以下の真空雰囲気下1400℃で1時間焼結した。
このようにして作製した基材の刃先部を切断して、ダイヤモンドペーストを用いて鏡面加工した後、クロスセクションポリッシャー装置を用いて、該加工面の一部をアルゴンイオンビームによってさらに研磨し、顕微鏡観察用試料とした。
続いて、このようにして得られた刃先交換型切削チップの基材に対して、以下の成膜条件で被膜を形成した。
刃先交換型切削チップの表面に、物理蒸着法である公知のイオンプレーティング法を用いて4.0μmのTiAlN層である被膜を形成した。
<耐摩耗性評価>
上記で作製した刃先交換型切削チップの耐摩耗性評価を以下のようにして行なった。
被削材には、SCM435:ブロック材(300mm×100mm)を用いた。
<耐欠損性評価>
また、以下のように評価条件を変えて、合金鋼の正面フライス加工による耐欠損性試験を行なった。本性能評価は、1つの刃先交換型切削チップのみをカッタに取り付けて行なっている。
被削材には、SCM435:ブロック材(300mm×80mm)を用いた。
以下のようにして超硬合金からなる基材を用いた切削工具(刃先交換型切削チップ)No.1〜5を作製した。なお、各刃先交換型切削チップにおいて、WC原料粉末のフィッシャー径、球状化条件、分級の有無および成膜の有無の組合せは、以下の表2の通りである。
<球状化処理>
このWC粉末を、表2に記載した作製条件によって処理し、実施例1と同様にして、円形度が高められたWC粉末を得た。
次いで球状化処理を行なったWC粉末に以下の条件の分級処理を実行し、目的の円形度と円形度の分散を有するWC粉末を得た。
分級点を0.4μmに設定した気流分級機で、1回分級した。
<超硬合金の調製>
まず、0.3質量%のCr3C2と、5.5質量%のCoと、0.1質量%のNiと、上記で得られたWC粒子(残部)とからなる組成に配合した超硬合金原料粉末を準備した以外は、実施例1と同様にして、造粒粉末を得た。
次いで、上記の造粒粉末をプレス成型し、10Pa以下の真空雰囲気下1450度で1時間焼結して、形状がSPGN120308(JIS B4120−1998)である焼結体を得た。
上記で作製した刃先交換型切削チップの超硬合金組織を、表2のNo.1〜5のすべてについて総数Nを300個とした以外は、実施例1と同様にして評価した。その結果を表2に示す。
<耐摩耗性評価>
上記で作製した刃先交換型切削チップの耐摩耗性評価を以下のようにして行なった。
以下のようにして超硬合金からなる基材を用いた切削工具(刃先交換型切削チップ)No.1〜7を作製した。なお、各刃先交換型切削チップにおいて、WC原料粉末のフィッシャー径、球状化条件、分級の有無および成膜の有無の組合せは、以下の表3の通りである。
このWC粉末を、表3に記載した作製条件によって処理し、実施例1と同様にして、円形度が高められたWC粉末を得た。
次いで、実施例1と同様にして、分級処理を実行し、目的の円形度と円形度の分散を有するWC粉末を得た。
まず、0.2質量%のTiCと、0.5質量%のTaCと、0.4質量%のCr3C2と、5.2質量%のCoと、上記で得られたWC粒子(残部)とからなる組成に配合した超硬合金原料粉末を準備した以外は、実施例1と同様にして、造粒粉末を得た。
次いで、上記の造粒粉末をプレス成形し、10Pa以下の真空雰囲気下1450℃で1時間焼結した。
上記で作製した刃先交換型切削チップの超硬合金組織を、表3のNo.1〜7のすべてについて総数Nを300個とした以外は、実施例1と同様にして評価した。その結果を表3に示す。
続いて、このようにして得られた刃先交換型切削チップの基材に対して、以下の成膜条件で被膜を形成した。
刃先交換型切削チップの表面に、化学蒸着法である公知の気相合成法を用いて、TiN層(0.2μm)とMT−TiCN層(8.0μm)とTiBN層(0.8μm)とα−Al2O3層(6.2μm)とTiN層(0.2μm)とをこの順番で積層した被膜を形成した(括弧内の数値は厚みを示す)。
<耐摩耗性評価>
上記で作製した刃先交換型切削チップの耐摩耗性評価を以下のようにして行なった。
以下のようにして超硬合金からなる基材を用いた切削工具(刃先交換型切削チップ)No.1〜8を作製した。なお、各刃先交換型切削チップにおいて、WC原料粉末のフィッシャー径、球状化条件、分級の有無、成膜の有無ならびに超硬合金の組成の組合せは、以下の表4の通りである。
<球状化処理>
このWC粉末を、表4に記載した作製条件によって処理し、実施例1と同様にして、円形度が高められたWC粉末を得た。
次いで、分級点を0.3μmに設定した気流分級機を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、分級処理を実行し、目的の円形度と円形度の分散を有するWC粉末を得た。
まず、表4に示す組成で配合した原料粉末を準備した。
次いで、上記の造粒粉末をプレス成形し、10Pa以下の真空雰囲気下1450℃で1時間焼結して、形状がSNGN120408(JIS B4120−1998)である刃先交換型切削チップの基材とした。(本実施例では、刃先への加工は行なわなかった。)
<超硬合金組織の観察>
上記で作製した刃先交換型切削チップの超硬合金組織を、表4のNo.1〜8のすべてについて総数Nを300個とした以外は、実施例1と同様にして評価した。その結果を表4に示す。
続いて、このようにして得られた刃先交換型切削チップの基材に対して、実施例1と同様にして被膜を形成した。
<耐摩耗性評価>
上記で作製した刃先交換型切削チップの耐摩耗性評価を以下のようにして行なった。
<耐初期欠損性評価>
上記で作製した刃先交換型切削チップの耐初期欠損性評価を以下のようにして行なった。
Claims (8)
- 炭化タングステン粒子を含む超硬合金からなる切削工具用基材であって、
いずれか1の表面に対する垂直断面において、
前記炭化タングステン粒子は、
a)円形度の平均値が、0.75以上であり、
b)円形度の分散が、0.010以下であり、
前記炭化タングステン粒子は、平均粒径が、0.4〜5.0μmである、超硬合金からなる切削工具用基材。 - 前記垂直断面に含まれる、
前記炭化タングステン粒子の全数に対して20%の粒子を、粒子の断面積が小さい方から選び出して粒子群Pとしたとき、前記粒子群Pに含まれる炭化タングステン粒子は、
a)円形度の平均値が、0.70以上であり、
b)円形度の分散が、0.015以下である、請求項1に記載の超硬合金からなる切削工具用基材。 - 前記超硬合金は、
i)前記炭化タングステン粒子と、
ii)周期律表のIVa族元素、Va族元素、およびVIa族元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とから構成される化合物の1種以上からなる化合物相または固溶体相と、iii)鉄族元素の1種以上からなる結合相と、
iv)不可避不純物と、を含み、
前記化合物相または固溶体相は、0.1〜50質量%の範囲で含まれ、
前記結合相は、0.2〜20質量%の範囲で含まれる、請求項1または請求項2に記載の超硬合金からなる切削工具用基材。 - 前記超硬合金は、
i)前記炭化タングステン粒子と、
ii)鉄族元素の1種以上からなる結合相と、
iii)不可避不純物と、を含み、
前記結合相は、0.2〜20質量%の範囲で含まれる、請求項1または請求項2に記載の超硬合金からなる切削工具用基材。 - 基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記基材は、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の超硬合金からなる切削工具用基材により構成される、表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、周期律表のIVa族元素、Va族元素、VIa族元素、Al、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、または該元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素との化合物からなる1層以上の層を含む、請求項5に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、物理蒸着法および/または化学蒸着法により形成される、請求項5または請求項6に記載の表面被覆切削工具。
- 前記被膜は、化学蒸着法により形成されるものであり、MT−TiCN層および/またはα−アルミナ層を含む、請求項5〜請求項7のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
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