JP6956260B2 - 超硬合金、被覆工具及び切削工具 - Google Patents

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Description

本開示は、超硬合金、被覆工具及び切削工具に関する。
ＷＣを硬質相として含有する超硬合金は、耐摩耗性が要求される摺動部品や、金属などを加工するための工具用の材料として利用されている。工具に用いられる超硬合金では、固溶体相を含有する超硬合金が知られている。特許文献１では、ＴｉとＺｒとＣとを含有し、ＴｉとＺｒの含有比率が異なる２種類の固溶体相を用い、それぞれの固溶体相において、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の範囲を、それぞれ、０．４≦Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）≦０．６、０．７≦Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）≦０．９の範囲に制御することで、高温における強度および靱性を高めることができることが記載されている。摺動部品や工具においては、高温における強度や靱性が高いと、摺動速度や加工速度を高くすることができる。
特開２００３−２７７８７３号公報
本開示の超硬合金は、ＷとＣとを含有する硬質相と、ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５未満の第１固溶体相と、ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５以上の第２固溶体相と、鉄属金属を含有する結合相とを有する。本開示の超硬合金は、前記ＴｉをＴｉＣ換算で、１．０〜３．０質量％し、前記ＺｒをＺｒＣ換算で、０．７５〜２．０質量％含有している。前記ＴｉのＴｉＣ換算量は、前記ＺｒのＺｒＣ換算量よりも多く、３倍よりも少ない。前記第１固溶体相は、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．１以上、０．４未満であり、前記第２固溶体相は、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．７以上、０．９以下である。
また、本開示の被覆工具は、上記超硬合金と、超硬合金を被覆する被覆膜とを有する。また、本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、ポケットに位置する上記の被覆工具と、を備える。
本開示の被覆工具の一例を示す斜視図である。 本開示の被覆工具の表面付近を示す断面拡大図である。 本開示の切削工具の一例を示す平面図である。
本開示の超硬合金は、ＷとＣとを含有する硬質相と、ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５未満の第１固溶体相と、ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５以上の第２固溶体相と、鉄属金属を含有する結合相とを有する。本開示の超硬合金は、前記ＴｉをＴｉＣ換算で、１．０〜３．０質量％し、前記ＺｒをＺｒＣ換算で、０．７５〜２．０質量％含有している。前記ＴｉのＴｉＣ換算量は、前記ＺｒのＺｒＣ換算量よりも多く、３倍よりも少ない。前記第１固溶体相は、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．１以上、０．４未満の関係を充足し、前記第２固溶体相は、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．７以上、０．９以下の関係を充足する。
本開示の超硬合金における硬質相は、ＷとＣとを含んでおり、ＷＣを主成分とするものである。硬質相は、ＷＣ粒子からなるものであり、９０質量％以上のＷＣと、残余がその他の固溶元素を含んでいてもよい。固溶元素としては、ＡｌやＣｒ等が挙げられる。このような硬質相は、Ｘ線回折によって、ＷＣ結晶に起因するピークが検出されれば、存在すると判断できる。
本開示の超硬合金は、硬質相を、８０〜９５質量％含有していてもよい。この範囲とすると、被覆工具として用いるために適した硬度を有する。特に、硬質相を、９０〜９５質量％含有していてもよい。
また、本開示の超硬合金は、ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５未満の第１固溶体相と、ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５以上の第２固溶体相とを有している。
硬質相と、第１固溶体相および第２固溶体相とは、ＷとＣを含有する点で共通しているが、第１固溶体相および第２固溶体相が含有するＷとＣの合計量は６５質量％以下であり、ＷとＣの含有量が異なっている。
第１固溶体相は、ＴｉとＺｒとの関係において、Ｚｒが多くなっている。第２固溶体相は、第１固溶体相に比べるとＴｉの割合が多い。
第１固溶体相および第２固溶体相は、いわゆるβ相である。第１固溶体相および第２固溶体相は、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素の炭化物、窒化物および／または炭窒化物のうちの一種以上からなる。そして、上述の通り、少なくともＷとＴｉとＺｒとＣとを含有している。
第１固溶体相および第２固溶体相は、Ｘ線回折によって、ＷＣ結晶とは異なるピークを有する。
この第１固溶体相および第２固溶体相の組成は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）において、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）で測定することができる。
また、本開示の超硬合金は、さらに、ＮｉやＣｏなどの鉄属金属を含有する結合相を含有している。
これらの構成要素は、それぞれ、組成が異なるため、ＳＥＭと元素分析、元素分布分析を組み合わせることで容易に区別することができる。また、ＴＥＭを用いて、組成を測定してもよい。
このような構成を有する超硬合金は、高温における強度および靱性が高い。そのため、摺動速度を早くしても耐摩耗性に優れている。また、被覆工具として用いる場合には、加工速度を早くできる。
また、本開示の超硬合金は、ＴｉをＴｉＣ換算で、１．５〜２．５質量％、ＺｒをＺｒＣ換算で、１．０〜１．５質量％含有していてもよい。このような範囲でＴｉ及びＺｒを含有していると、高温における硬度および強度が向上し、高速切削で使用しても塑性変形せずに高寿命となる。
また、本開示の超硬合金は、超硬合金を断面視したとき、第１固溶体相の体積比率（Ｖ１）と、第２固溶体相の体積比率（Ｖ２）との総和に対する、第１固溶体相の体積比率（Ｖ１）の比率（Ｖ１／Ｖ１＋Ｖ２）は、０．０５〜０．３としてもよい。
このような範囲とすると、超硬合金は、特に高温における強度および靱性が高く、摺動速度および加工速度が高い加工において優れた耐塑性変形性を発揮する。
ここで測定する体積比率（Ｖ１、Ｖ２）は、超硬合金の断面ＳＥＭ等における、第１固溶体相の面積比率をＶ１とし、第２固溶体の面積比率をＶ２としたものである。
また、第１固溶体相及び第２固溶体相は、それぞれＴａを含有しており第１固溶体相が含有するＷとＴａの合量が、第２固溶体相が含有するＷとＴａの合量よりも多くてもよい。このような構成とすることで、第２固溶体相の高温特性が向上するため、高速加工においても塑性変形しにくくなる。
また、第１固溶体相および第２固溶体相の格子定数は、４．３８〜４．３９Åであってもよい。このような範囲とすることで、β相に固溶しているＺｒ成分が適正化され、常温硬度を落とすこと無く高温特性を向上させることができる。上記の格子定数は、リートベルト解析を用いて測定する。解析にはＣｕｂｉｃ、Ｆｍ−３ｍ、Ｎｏ．２２５の結晶相をモデルとして用いた。
本開示の被覆工具は、超硬合金の表面に位置する被覆層を有している。図１は、本開示の被覆工具の一例を示す斜視図である。本開示の被覆工具１は、図１に示す例においては、主面が概略四角形状の板状である。ただし、この形状に限定されるものではない。図１における上面はすくい面であり、図１における側面は逃げ面である。そして、上面と側面の交稜部に切刃７が形成されている。言い換えれば、すくい面と逃げ面とが交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃７を有している。
被覆工具１においては、すくい面の外周の全体が切刃７となっていてもよいが、被覆工具１はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、四角形のすくい面における一辺のみ、若しくは、部分的に切刃７を有するものであってもよい。
被覆工具１の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、すくい面の一辺の長さが３〜２０ｍｍ程度に設定される。また、被覆工具１の厚みは、例えば３〜２０ｍｍ程度に設定される。
また、図１における上面から下面にかけて、貫通孔１７を有していてもよい。
本開示の被覆工具１は、図２に示すように、本開示の超硬合金からなる基体３の表面に被覆層５を有している。基体３の表面に位置する被覆層５は、ＰＶＤやＣＶＤによって形成することができる。
被覆層５は、多層であってもよく、例えば、基体３の方から、順にＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂとを有するものであってもよい。また、被覆層５は、基体３の方から、順に、ＴｉＮ層（図示しない）とＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂとを有するものであってもよい。本開示の被覆工具１は、塑性変形が小さい超硬合金を基体３として用い、さらに被覆層５を有することで、高速加工に適している。なお、被覆層５は基体３の全面を覆う必要はなく、少なくとも基体３の表面の一部を覆っていればよい。特に、切刃７として用いる領域の表面を覆っているとよい。
本開示の切削工具について図面を用いて説明する。本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図３に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の被覆工具１とを備えている。切削工具１０１は、被覆工具１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。
ポケット１０３は、被覆工具１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。
ポケット１０３には被覆工具１が位置している。このとき、被覆工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、被覆工具１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。
被覆工具１は、すくい面及び切刃７として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、被覆工具１は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、被覆工具１の貫通孔９に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、被覆工具１がホルダ１０５に装着されている。
ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。
本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具１０１を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工などが挙げられる。なお、切削工具１０１としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態の被覆工具１を用いてもよい。
以下に、本開示の超硬合金の製造方法について説明する。
原料粉末として、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を準備する。原料粉末の平均粒径は、０．１〜１０μｍの範囲で適宜選択するとよい。
ＴｉＣ粉末は、１．０〜３．０質量％の範囲とする。また、ＺｒＣを０．７５〜２．０質量％とする。このとき、ＴｉＣ量をＺｒＣ量よりも大きくすることが必要である。
ＴａＣ粉末は、０〜５質量％とするとよい。ＷＣ粉末は、８０〜９５質量％とする。残部をＣｏ粉末とする。
これらの原料粉末を、混合して、成形した後、脱バインダ処理を行い、真空、アルゴン雰囲気および窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で、１４５０〜１６００℃の温度で３０〜１８０分間焼成することで、本開示の超硬合金が得られる。
この超硬合金を切削工具の形状とすることで、本開示の切削工具となる。
また、切削工具の形状の超硬合金に、ＣＶＤ法で被覆層を設けることで切削工具の摺動性や耐摩耗性が向上する。
ＣＶＤ法で設ける被覆層としては、超硬合金の表面に、超硬合金の方から順にＴｉＣＮ層を３〜１５μｍ、Ａｌ2Ｏ3層を１〜１５μｍ形成するとよい。
また、超硬合金の表面に、超硬合金の方から順にＴｉＮ層を０．１〜１．５μｍ、ＴｉＣＮ層を３〜１５μｍ、Ａｌ2Ｏ3層を１〜１５μｍ形成するとよい。
以下、本開示の実施例を具体的に説明する。
ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を、所定の割合で混合し、作製した成形体を、１５２０℃の温度で２時間保持して焼成し、表１に示す組成の超硬合金を作製した。
Figure 0006956260
原料粉末の平均粒径は、それぞれ、ＷＣ：３μｍ、Ｃｏ：１．５μｍ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ：１μｍであった。なお、それぞれの組成は、焼結体に含まれる元素を表１の化合物に換算して示している。得られた超硬合金を下記の条件の高温クリープ試験で評価した。
＜高温クリープ試験＞
温度：９００℃
荷重：９ｋＮ
雰囲気：アルゴン
評価方法：荷重を４時間保持した時の変位量を測定する
また、表１に示す組成で、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のサンプルを作成し、母材側から順に窒化ＴｉＮを０．５μｍ、ＴｉＣＮを７μｍ、Ａｌ2Ｏ3膜を５μｍそれぞれ成膜し、下記の条件で切削評価を行った。
＜切削試験＞
（１）耐欠損性評価
・切削条件
・加工形態：旋削
・切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
・送り ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
・切込み ：１．５ｍｍ
・被削材 ：ＳＣＭ４４０ ４本溝付きφ２００丸棒
・加工状態：ＷＥＴ
・評価項目：欠損した時の衝撃回数
（２）耐摩耗性評価
・切削条件
・加工形態：旋削
・切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
・送り ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
・切込み ：２．０ｍｍ
・被削材 ：ＳＣＭ４３５ φ２００丸棒
・加工状態：ＷＥＴ
・評価項目：逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍとなった時の切削時間
作製した試料の第２固溶体相は、全て、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．７以上、０．９以下の関係を充足していたため、表１には記載せず、省略した。本開示の構成要件を充足する試料Ｎｏ．４、７、８、１０、１５〜２１は、クリープ試験変位量が小さく、摩耗量も小さく、欠損が発生するまでの時間も長かった。この結果より、本開示の超硬合金は、高い摺動速度や加工速度で使用可能であることがわかる。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよい。
１ 被覆工具
３ 基体
５ 被覆層
５ａ ＴｉＣＮ層
５ｂ Ａｌ2Ｏ3層
１７ 貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ

Claims (7)

  1. ＷとＣとを含有する硬質相と、
    ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５未満の第１固溶体相と、
    ＷとＣとＴｉとＺｒとを含有し、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５以上の第２固溶体相と、
    鉄属金属を含有する結合相とを有する超硬合金であって、
    前記ＴｉをＴｉＣ換算で、１．０〜３．０質量％、前記ＺｒをＺｒＣ換算で、０．７５〜２．０質量％含有しており、
    前記ＴｉのＴｉＣ換算量は、前記ＺｒのＺｒＣ換算量よりも多く、３倍よりも少なく、
    前記第１固溶体相は、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．１以上、０．４未満であり、
    前記第２固溶体相は、原子比でＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）の平均値が０．７以上、０．９以下である、超硬合金。
  2. 前記ＴｉをＴｉＣ換算で、１．５〜２．５質量％、前記ＺｒをＺｒＣ換算で、０．９〜１．４質量％含有している、請求項１に記載の超硬合金。
  3. 前記超硬合金の断面における、前記第１固溶体相の体積比率（Ｖ１）と、前記第２固溶体相の体積比率（Ｖ２）との総和に対する、前記第１固溶体相の体積比率（Ｖ１）の比率（Ｖ１／Ｖ１＋Ｖ２）は、０．０５〜０．３である、請求項１または２に記載の超硬合金。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の超硬合金と、該超硬合金の表面に位置する被覆層とを有する、被覆工具。
  5. 前記被覆層は、前記超硬合金の方から、順にＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層とを有する、請求項４に記載の被覆工具。
  6. 前記被覆層は、前記超硬合金の方から、順にＴｉＮ層とＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層とを有する、請求項４に記載の被覆工具。
  7. 第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、
    前記ポケットに位置する請求項４〜６のいずれかに記載の被覆工具とを備えた、切削工具。
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