JP5850396B2 - 靭性と耐摩耗性に優れたダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具 - Google Patents
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Description
しかしながら、WC基超硬合金を工具基体とするダイヤモンド被覆工具においては、工具基体の塑性変形はできるだけ小さい方が良いことから、WC基超硬合金の結合相主体を構成するCoについては、工具基体の耐塑性変形性を高め、ダイヤモンド膜の剥離発生を防止する同時に、工具基体に所定の靭性を有していることが必要であるが、工具基体の表層近傍においては、六方晶(hcp)構造のCoと立方晶(fcc)構造のCoを共存させることにより、耐塑性変形性を向上させつつ、靱性を確保することが可能である。
一方、工具基体表面に被覆するダイヤモンド膜については、その耐摩耗性を高めるためには、ダイヤモンド膜中には、所定の圧縮残留応力が形成されることが望まれる。
「(1) 炭化タングステンとコバルトを主成分とし、かつ、3〜14質量%のコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金を基体とし、該基体上に平均膜厚5〜30μmのダイヤモンド膜が設けられたダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具において、
上記炭化タングステン基超硬合金基体の表面から、その内部へ表面から10μmの縦断面領域にわたるコバルトの結晶構造を電子線後方散乱回折装置で測定した場合、コバルトの総占有面積に占める六方晶(hcp)構造のコバルトの占有面積割合が、0.2〜0.8の範囲内にあり、また、上記ダイヤモンド膜の刃先稜線部における断面における圧縮残留応力は、膜厚をDとし、膜厚の中央位置0.5Dの圧縮残留応力値をSmとした場合、基体界面からの距離が0.25Dの部分の圧縮残留応力値は、Smの1.2から2.0倍であり、基体界面からの距離が0.75Dの部分の圧縮残留応力値は、Smの0.5から0.8倍であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具。
(2) 上記ダイヤモンド膜の平均圧縮残留応力値が、2.2〜3GPaの範囲内にあることを特徴とする前記(1)に記載のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
Co成分には、結合相を形成して基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、WC基超硬合金中のCo含有量が3質量%未満では、特に靭性の向上が望めず、一方、Co含有量が14質量%を越えると、塑性変形が起り易くなって、偏摩耗の進行が促進されるようになることから、WC基超硬合金中のCo含有量は3〜14質量%と定める。
σ(GPa)=1.080×Δν
まず、WCとCoを主成分とし、Coを3〜14質量%含有する超硬合金焼結体からなるWC基超硬合金工具基体を作製した後、該超硬合金基体の表面近傍のCoを化学的なエッチング(硫酸+過酸化水素)によって除去し、その後、熱フィラメントCVD装置にて、ダイヤモンド膜を成膜し、成膜終了後に、真空下でフィラメントの電流値を高めて、工具基体温度を1000℃以上に上昇させ、1時間程度保持後、炉冷することによって、本発明のダイヤモンド被覆工具を製造することができる。
さらに、工具基体は、一旦、1000℃以上の高温に昇温されていたことで、炉冷時には、成膜されたダイヤモンド膜の圧縮応力が高くなるとともに、炉冷時に発生する熱応力によって、工具基体の表面近傍に拡散してきたCoの一部の結晶構造が、立方晶(fcc)構造から六方晶(hcp)構造に変態する。
このような、ダイヤモンド膜中の圧縮応力の発生、Co結晶構造の変態によって、コバルトの総占有面積に占める六方晶(hcp)構造のコバルトの占有面積割合が、0.2〜0.8の範囲内にあり、また、ダイヤモンド膜の平均圧縮残留応力値が、2.2〜3GPaの範囲内であり、またダイヤモンド膜の刃先稜線部における断面における圧縮残留応力は、膜厚をDとし、膜厚の中央位置0.5Dの圧縮残留応力値をSmとした場合、母材界面からの距離が0.25Dの部分の圧縮残留応力値は、Smの1.2から2.0倍であり、母材界面からの距離が0.75Dの部分の圧縮残留応力値は、Smの0.5から0.8倍であるダイヤモンド被覆工具を得ることができる。
なお、ここでは、ダイヤモンド被覆工具の具体例としてダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルについて述べるが、本発明はこれに限られるものではなく、ダイヤモンド被覆超硬合金製インサート、ダイヤモンド被覆超硬合金製エンドミル等、各種のダイヤモンド被覆工具に適用できるものである。
ついで、上記WC基超硬合金焼結体1〜5を、溝形成部の外径寸法が8mmとなるように研削加工することにより、WC基超硬合金製ドリル基体(以下、単に「ドリル基体」という)1〜5を製造した。
表2、3にこれらの値を示す。
X線回折装置にて、40mA、200kVの電流と電圧にてCo管球を用いて、X線を発生させ、ダイヤモンドの(311)のピークに関し、2θ−sin2ψ法により、ψ角を0から39度まで変化させることで、測定を行った。
ラマン分光装置にて、アルゴンイオンレーザーの488.0nmを用い、ビーム径を1ミクロンとし、ラマンスペクトルを得、1333cm−1付近のピークのシフト量(Δν)を求め、換算式 σ(GPa)=1.080×Δν により、応力値を計算した。
表2、3にこれらの値を示す。
切削速度: 105 m/min,
送り: 0.12 mm/rev.,
穴深さ: 20 mm,
上記の切削試験において、正常摩耗の場合は切れ刃の最大逃げ面摩耗幅が、0.3mmを超えた時点で使用寿命とし、それまでの穴あけ加工数を測定した。
また、ドリル折損等が原因で使用寿命に至った場合には、それまでの穴あけ加工数を測定した。
表4にこれらの測定結果を示す。
これに対して、WC基超硬合金基体の表面近傍の六方晶(hcp)構造のCoの占有面積割合が、同領域におけるCoの総占有面積の0.2未満であり、また、ダイヤモンド膜の平均圧縮残留応力値が、1.5〜2GPa程度である比較例ドリル1〜5は、靱性、耐摩耗性に劣ることが明らかである。
Claims (2)
- 炭化タングステンとコバルトを主成分とし、かつ、3〜14質量%のコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金を基体とし、該基体上に平均膜厚5〜30μmのダイヤモンド膜が設けられたダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具において、
上記炭化タングステン基超硬合金基体の表面から、その内部へ表面から10μmの縦断面領域にわたるコバルトの結晶構造を電子線後方散乱回折装置で測定した場合、コバルトの総占有面積に占める六方晶(hcp)構造のコバルトの占有面積割合が、0.2〜0.8の範囲内にあり、また、上記ダイヤモンド膜の刃先稜線部における断面における圧縮残留応力は、膜厚をDとし、膜厚の中央位置0.5Dの圧縮残留応力値をSmとした場合、基体界面からの距離が0.25Dの部分の圧縮残留応力値は、Smの1.2から2.0倍であり、基体界面からの距離が0.75Dの部分の圧縮残留応力値は、Smの0.5から0.8倍であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具。 - 上記ダイヤモンド膜の平均圧縮残留応力値が、2.2〜3GPaの範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具。
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