JP7099800B2 - 複合部材およびこれからなる切削工具 - Google Patents
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そこで、希少金属であるタングステンの使用量を低減し得るとともに、硬度、靱性にすぐれたWC基超硬合金と鉄鋼系材料からなる複合材料が望まれる。
また、前記WC基超硬合金層の硬さを、その厚さ方向に向かって漸次増加させることによって、WC基超硬合金層の最表面では、1500~2000HVの硬さを得られることを見出したのである。
さらに、前記WC基超硬合金層を、鉄鋼材料内部に所定の深さ侵入するように形成することにより、靱性(曲げ強度)をさらに高め得ることを見出したのである。
そして、前記複合材料によって切削工具を構成することにより、この切削工具は、硬度、靱性にすぐれるため、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を見出したのである。
「(1)鉄鋼系材料の表面の一部または全部にWC基超硬合金層が設けられている複合材料であって、
(a)前記WC基超硬合金層は、50μm以上1000μm以下の最大厚さを有し、
(b)前記WC基超硬合金層表面を含む任意の縦断面を観察した場合、WC粒子が占める面積割合は、前記WC基超硬合金層の面積の50%以上であり、
(c)前記WC基超硬合金層表面から、該層の厚さの1/5の内部深さまでの領域において縦断面を観察し、前記WC基超硬合金層におけるWC粒子について、アスペクト比が1以上2未満のWC粒子が前記観察した縦断面の面積に占める面積割合をX面積%とした場合、アスペクト比が2以上のWC粒子が前記観察した縦断面の面積に占める面積割合Y%は、0.5X≦Y≦2Xを満足することを特徴とする複合材料。
(2)前記(1)に記載の複合材料において、前記WC基超硬合金層の結合相は、Feを20原子%以上50原子%以下およびCoを50原子%以上80原子%以下含有し、
前記WC基超硬合金層の硬さは、前記鉄鋼系材料との界面側から前記WC基超硬合金層表面に向かって漸次増加する硬さプロファイルを備え、かつ、前記WC基超硬合金層の最表面におけるビッカース硬さHVは1500以上2000以下であることを特徴とする前記(1)に記載の複合材料。
(3)前記複合材料において、前記WC基超硬合金層を設ける以前の前記鉄鋼系材料の表面を基準面とした場合、前記WC基超硬合金層の最大侵入深さが前記鉄鋼系材料の基準面から内部へ20μm以上200μm以下に形成されていることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の複合材料。
(4)前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の複合材料において、鉄鋼系材料が高速度工具鋼またはダイス鋼であることを特徴とする複合材料。
(5)前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の複合材料から構成されていることを特徴とする切削工具。」
を特徴とするものである。
本発明で、WC基超硬合金層の最大厚さを、50μm以上1000μm以下としているのは、例えば、本発明の複合材料を高硬度耐摩耗性部材である切削工具として用いた場合に、WC基超硬合金層の最大厚さが薄い場合には、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができないからであり、特に、WC基超硬合金層の最大厚さが50μm未満である場合には、短寿命となる。一方、WC基超硬合金層の最大厚さが1000μmを超える場合には、すぐれた硬さを備えるものの靱性が低下し剥離・欠損等を発生しやすくなることから、WC基超硬合金層の最大厚さは、50μm以上1000μm以下とする。
鉄鋼系材料表面への上記厚さのWC基超硬合金層は、例えば、後記するレーザーを用いた肉盛法を複数回繰り返し行うことによって形成することができる。
なお、本発明の複合材料を構成する鉄鋼系材料としては、特段の制限はないが、高速度工具鋼、ダイス鋼を用いることが好適である。
したがって、高硬度とともに靱性を向上させるためには、アスペクト比が1以上2未満であるWC粒子とアスペクト比が2以上であるWC粒子の面積割合を調整することが必要であるが、WC粒子アスペクト比が1以上2未満のWC粒子が占める面積割合をX面積%とした場合、アスペクト比が2以上のWC粒子が占める面積割合Y%が0.5X未満では、WC基超硬合金層の靱性が不足し、一方、前記面積割合Yが2Xを超えると硬さが不足することから、本発明の複合材料においては、0.5X≦Y≦2Xと定めた。
まず、WC基超硬合金層の表面から、該層の厚さの1/5の内部深さまでの領域において、2000倍の走査型電子顕微鏡による縦断面の画像を取得し、この画像から、各WC粒子について面積割合とアスペクト比を求めるが、まず、アスペクト比が1以上2未満のWC粒子が前記観察した縦断面の面積に占める面積割合を合計して、その値をXとする。
ついで、アスペクト比が2以上のWC粒子が前記観察した縦断面の面積に占める面積割合を合計して、その値をY%とし、前記Xの値とYの値が、不等式0.5X≦Y≦2Xを満足するか否かを判定する。
また、前記2000倍の走査型電子顕微鏡により取得した画像全体の面積と、全てのWC粒子が占める面積を比較し、全てのWC粒子が占める面積割合を算出することにより、WC基超硬合金層に占めるWC粒子の面積割合を算出する。
また、本発明では、前記WC基超硬合金層を構成する結合相成分として、20~50原子%Feおよび50~80原子%のCoを含有させる。
結合相成分のFeが20原子%未満では、鉄鋼系材料との密着強度が不十分となり靱性が低下する恐れがあり、一方、Feの含有量が50原子%を超えると鉄系材料からなる被削材との反応性が高くなり、クレーター摩耗が発達しやすくなることから、Feの含有量20~50原子%、残部はCo(即ち、Co含有量は50~80原子%)とすることが望ましい。
まず、鉄鋼系材料とWC基超硬合金層との界面からWC基超硬合金層側に、前記界面からWC基超硬合金層表面に向けてWC基超硬合金層を10等分するように、WC基超硬合金層を設ける以前の鉄鋼系材料の表面と平行方向に9本の線を引き、同線上で線分析を行い、結合相中のFeおよびCoの含有量を測定し、前記9本の線についてそれぞれ測定したFeおよびCoの含有量を平均化することによって、WC基超硬合金層の結合相におけるFe含有量およびCo含有量をそれぞれの平均値として求めることができる。
このような硬さ分布は、例えば、後記するレーザーを用いた肉盛法を複数回繰り返し行うことによって形成することができ、本発明により得られるWC基超硬合金層の最表面におけるHV1500以上2000以下という硬さは、通常のWC基超硬合金の硬さに匹敵するものである。
つまり、レーザー照射により鉄鋼系材料を溶融させ、鉄鋼系材料表面の一部または全部に鉄鋼系材料のプールを形成するとともに、該プール内にWC基超硬合金を溶け込ませ、これを冷却することによって、WC基超硬合金付加層の最大浸入深さが鉄鋼系材料の基準面から20μm~200μmの深さとなるようWC基超硬合金層が形成されていることが望ましい。
ここで、鉄鋼系材料の基準面とは、WC基超硬合金層を設ける以前の鉄鋼系材料の表面をいう。
鉄鋼系材料の基準面からのWC基超硬合金層の最大浸入深さが20μm未満では、形成される鉄鋼系材料のプールの深さが浅く、鉄鋼系材料とWC基超硬合金との溶け込み量が少なく、鉄鋼系材料に対するWC基超硬合金層の密着効果が少ないため、複合部材に負荷が作用した場合、鉄鋼系材料とWC基超硬合金層が剥離を発生しやすい。
一方、鉄鋼系材料の基準面からのWC基超硬合金層の最大浸入深さが200μmを超える場合には、鉄鋼系材料の溶融量が大きいため、冷却時に割れを生じやすくなり、その結果、WC基超硬合金層の脱落が生じやすくなる。
したがって、鉄鋼系材料の基準面からのWC基超硬合金層の最大浸入深さは、20μm~200μmとすることが望ましい。
なお、WC基超硬合金層をそのまま切れ刃として切削加工に供することができるが、WC基超硬合金層表面に、従来から良く知られている硬質被覆層(例えば、Ti化合物層、TiAlN層、Al2O3層等)を物理蒸着あるいは化学蒸着等により被覆形成することによって、表面被覆切削工具として使用することもできる。
まず、WC基超硬合金層を形成する鉄鋼系材料の所定位置に対してレーザー照射を行い、該位置の鉄鋼系材料を溶融させてプールを形成し、該プールに向けて所定成分組成のWC基超硬合金粉末を吹きつけ、該プールにおいて溶融した鉄鋼系材料でWC基超硬合金を希釈・溶融し、その後、これを冷却し、さらにこの操作を複数回繰り返し行うことにより、本発明で規定するWC基超硬合金層(厚さ、WC粒子の面積割合、所定アスペクト比率のWC粒子、結合相成分組成、硬さプロファイル、最大浸入深さ)が、鉄鋼系材料の表面の一部または全部に設けられた、すぐれた硬さと靱性を有する複合材料を作製することができる。
なお、レーザー肉盛操作を繰り返し行う場合には、レーザー照射によって、鉄鋼系材料は溶融させず、直前に形成したWC基超硬合金層のうちの、結合相のみを溶融させることが好ましい。
なお、レーザー照射に際して、鉄鋼系材料にクラックを発生させないため、大出力、大スポット径の照射は避けるべきであって、レーザー出力100~300W、スポット径0.1~2mm程度の低エネルギー照射が望ましい。
そして、この複合材料は、そのすぐれた靱性とすぐれた硬さを生かし、切削工具として好適に使用することができる。
なお、レーザー照射条件は、いずれも、レーザー出力100~300W、スポット径0.1~2.0mm、操作速度500~2000mm/min、繰返し肉盛回数1~10回の範囲内である。
なお、本発明複合材料1の縦断面概観組織とWC基超硬合金層内の組織を図3に示す。
さらに、WC基超硬合金層の表面から、該層の厚さの1/5の内部深さまでの領域において、前記2000倍の走査型電子顕微鏡により縦断面箇所の画像を取得し、この画像から、各WC粒子についてのアスペクト比と面積割合を求め、アスペクト比が1以上2未満のWC粒子の面積割合を合計して、その値をXとし、ついで、アスペクト比が2以上のWC粒子の面積割合を合計して、その値をYとし、前記Xの値とYの値が、不等式0.5X≦Y≦2Xを満足するか否かを判定した。
なお、レーザー照射条件は、いずれも、レーザー出力50~2000W、スポット径0.05~5mm、操作速度200~3000mm/min、繰返し肉盛回数1~20回の範囲内である。
なお、比較例複合材料1の縦断面概観組織とWC基超硬合金層内の組織を、図2に示す。
表6に、これらの値を示す。
表7に、鉄鋼系材料とWC基超硬合金層との界面からWC基超硬合金層表面に向かう硬さプロファイル、WC基超硬合金層の最表面のマイクロビッカース硬さHVの値(GPa)および破壊靱性値の値(MPa・m^(1/2))を示す。
なお、硬さプロファイルについては、前記HVを測定した9本の線のうち、鉄鋼系材料とWC基超硬合金層との界面側の3本の線について求めた硬さの平均値を界面側硬さとし、WC基超硬合金層表面側の3本の線について求めた硬さの平均値を表面側硬さとし、残りの3本の線について求めた硬さの平均値を中央硬さとして、表7に記した。
また、参考のため、表1に示される高速度工具鋼A及び合金工具鋼Bから参考ドリルA、参考エンドミルA、参考ドリルB、参考エンドミルBを作製した。
これらのドリル、エンドミルを切削試験に供することによって切削性能を調査した。
[切削条件A]
被削材-平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S25Cの板材
回転速度:1600min.-1、
送り:0.14mm/rev、
穴深さ:15mm、
の条件での炭素鋼の湿式穴あけ切削加工試験を行い(水溶性切削油使用)、先端切刃面の逃げ面摩耗幅が0.3mmに至るまでの穴あけ加工数を測定した。
[切削条件B]
被削材-平面寸法:100mm×250mm、厚さ:50mmのJIS・S45Cの板材、
切削速度:28.3m/min、
回転速度:900min.-1、
切り込み: ae1.6mm、ap15mm、
送り速度(1刃当り):0.083mm/tooth、
切削長:200m、
の条件での炭素鋼の側面切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
表8に、これらの試験結果を示す。
Claims (4)
- 鉄鋼系材料の表面の一部または全部にWC基超硬合金層が設けられている複合材料であって、
(a)前記WC基超硬合金層は、50μm以上1000μm以下の最大厚さを有し、
(b)前記WC基超硬合金層表面を含む任意の縦断面を観察した場合、WC粒子が占める面積割合は、前記WC基超硬合金層の面積の50%以上であり、
(c)前記WC基超硬合金層表面から、該層の厚さの1/5の内部深さまでの領域において縦断面を観察し、前記WC基超硬合金層におけるWC粒子について、アスペクト比が1以上2未満のWC粒子が前記観察した縦断面の面積に占める面積割合をX面積%とした場合、アスペクト比が2以上のWC粒子が前記観察した縦断面の面積に占める面積割合Y%は、0.5X≦Y≦2Xを満足することを特徴とする複合材料。 - 請求項1に記載の複合材料において、前記WC基超硬合金層の結合相は、Feを20原子%以上50原子%以下含有し、
前記WC基超硬合金層の硬さは、前記鉄鋼系材料との界面側から前記WC基超硬合金層表面に向かって漸次増加する硬さプロファイルを備え、かつ、前記WC基超硬合金層の最表面におけるビッカース硬さHVは1500以上2000以下であることを特徴とする請求項1に記載の複合材料。 - 前記複合材料において、前記WC基超硬合金層を設ける以前の前記鉄鋼系材料の表面を基準面とした場合、前記WC基超硬合金層の最大侵入深さが前記鉄鋼系材料の基準面から内部へ20μm以上200μm以下に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の複合材料。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の複合材料から構成されていることを特徴とする切削工具。
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