JP7216915B2 - ダイヤモンド被覆超硬合金製工具 - Google Patents

Description

本発明は、切削刃先に高負荷が作用するＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）とＡｌ合金等からなる難削材（以下、「ＣＦＲＰ／Ａｌ材」という）等の難削材の高速高送り切削加工であっても工具寿命を改善したダイヤモンド被覆超硬合金製工具に関する。

従来、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製工具（以下、「ダイヤモンド被覆工具」ということがある）が知られており、工具としての特性を改善するために、種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、超硬合金の表面から１００μｍまでの間の結合相量を該超硬合金内部の結合相量に比較して減少させるとともに該超硬合金表面にダイヤモンド皮膜を被覆させたことを特徴とするダイヤモンド被覆工具が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、ＷＣ粒子と３～１５質量％のＣｏ結合相を含むＷＣ基超硬合金からなる工具基体表面に、平均膜厚３～３０μｍのダイヤモンド皮膜が被覆形成されたダイヤモンド被覆工具において、（ａ）前記ＷＣ粒子は、微粒ＷＣ粒子と粗粒ＷＣ粒子の混粒からなり、かつ、平均粒径は０．５～２．５μｍであり、（ｂ）前記工具の逃げ面に垂直な縦断面観察で逃げ面を１辺とする刃先の先端から５０μｍ四方の縦断面観察において、少なくとも、逃げ面のダイヤモンド皮膜と工具基体の界面から、工具基体の内部へ１～５μｍの深さ領域におけるＣｏ結合相の一部が除去され、該Ｃｏ結合相の一部が除去された領域では、ＷＣ粒子間の接合界面長がＷＣ粒子の周囲長の０．２０以上０．６０以下であることを特徴とするダイヤモンド被覆工具が記載されている。

加えて、例えば、特許文献３には、ＷＣ粒子を主体とする硬質相と、その硬質相を結合するＣｏを主体とする結合相と、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ及びＴｉから選択される１種以上の元素とを含有し、前記ＷＣ粒子は、フィッシャー法で測定される平均粒子径が０．４μｍ～０．６μｍの細粒と、フィッシャー法で測定される平均粒子径が１．２μｍ～１．４μｍの粗粒とから実質的に構成され、前記細粒および前記粗粒は、質量比が前記細粒／前記粗粒＝２５／７５～１５／８５であり、前記Ｃｏは、含有量が０．７質量％～２質量％であり、前記元素は、含有量が０．０９質量％～０．９質量％であることを特徴とするダイヤモンド被覆工具が記載されている。

特許第２５３９９２２号公報 特開２０１６－８７７２６号公報 特開２０１７－３９９５４号公報

特許文献１で記載されているダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜と工具基体との密着強度向上と強度低下抑制をバランスさせることが難しかったため、ＣＦＲＰ／Ａｌ等の難削材の高速高送り切削加工のように、刃先に短時間に繰り返し衝撃が強く作用する切削に用いた場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすく、早期に寿命に至るという問題があった。

特許文献２に記載されているダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜と工具基体との密着性が向上し長寿命を有するが、工具基体表面に存在するＣｏを珪化物にする処理を必要とし、ダイヤモンド被覆工具を形成する工程が煩雑である。

特許文献３に記載されているダイヤモンド被覆工具は、工具基体表面に存在するＣｏを珪化物にする処理を必要とせず、ダイヤモンド被覆工具を形成する工程を簡素化できるものの、ＣＦＲＰ／Ａｌ材等の難削材の高速高送り切削加工のように、刃先に短時間に繰り返し衝撃が強く作用する切削に用いた場合には、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生しやすく、早期に寿命に至るという問題があった。

本発明は、刃先に高負荷が作用するＣＦＲＰ／Ａｌ材等の難削材の高速高送り切削加工であっても、チッピング、欠損、剥離等を抑制し、優れた耐摩耗性を長期の使用にわって発揮することができるダイヤモンド被覆超硬合金製工具を提供することを目的とする。

本発明者は、ＣＦＲＰ／Ａｌ材等の難削材の高速高送り切削加工のように、切れ刃に高負荷が作用する切削条件に供した場合であっても、チッピング、欠損、剥離等を抑制し、耐摩耗性を発揮するダイヤモンド被覆超硬合金製工具を提供すべく、工具基体の組成（ＷＣ超硬合金）を検討したところ、ＷＣ超硬合金に含まれているＣｒの含有割合を従来の割合よりも大きくするとダイヤモンド皮膜と工具基体との密着性が向上という、新規な知見を得た。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＷＣを含む硬質層とＣｏを含む結合相を有し、
ＷＣ：７２．４～９３．６質量％、Ｃｏ：４．０～１２．０質量％、Ｃｒ：２．４～１５．６質量％、粒成長抑制剤：１．０質量％以下を含有し、残部が不可避的不純物である組成である工具基体に、
ダイヤモンド皮膜が被覆され、
前記工具基体にＣｏがＭｃｏ質量％、ＣｒがＭｃｒ質量％、それぞれ、含有されるとき、０．６≦Ｍｃｒ／Ｍｃｏ≦１．３であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製工具。
（２）工具刃先の任意の逃げ面に垂直な断面にて前記工具基体のすくい面と逃げ面とが交差する稜線の曲率半径が５μｍ以下であることを特徴とする前記(１)に記載されたダイヤモンド被覆超硬合金製工具。」

本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製工具は、ＣＦＲＰ／Ａｌ材等の難削材の高速高送り切削加工においても、ダイヤモンド皮膜の剥離を抑制し、工具の寿命が向上する。

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｘ～Ｙ」のように表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含む（すなわち、Ｘ以上Ｙ以下）ものとし、Ｘに単位の記載がなくＹにのみ単位の記載がなされているときは、Ｘの単位はＹの単位と同じである。

１．工具基体
まず、工具基体について説明する。
本発明において、工具基体は、ＷＣを含む硬質相とＣｏを含む結合相を含む組織を有しており、その組成について説明する。

硬質相：
硬質相を構成するＷＣの含有割合は、７２．４～９３．６質量％とする。この範囲とする理由は、ＷＣ含有量が７２．４質量％未満となると、工具基体としての硬さが不足し、一方、９３．６質量％を超えると、工具基体の靭性が低下し切削加工時にチッピングや欠損が発生するためである。ＷＣの含有割合は、７９．３～９２．０質量％がより好ましい。

結合相：
結合相を構成するＣｏの含有割合は、４．０～１２．０質量％とする。この範囲とする理由は、４．０質量％未満であると、工具基体の靭性が低下し切削加工時にチッピングや欠損が発生し、一方、１２．０質量％を超えると工具基体の硬さが不足して脆弱になるためである。Ｃｏの含有割合は、５．０～９．０質量％がより好ましい。

Ｃｒの含有割合：
従来のＣｒの含有目的は、硬質粒子（硬質相）の成長の抑制であり、そのために少量含有させているが、本発明では、工具基体とダイヤモンド皮膜との密着性を向上させるために、従来の少量含有ではなく、２．４～１５．６質量％と多量に含有させる。この多量の含有により工具基体とダイヤモンド皮膜との密着性が飛躍的に向上し、ＣＦＲＰ／Ａｌ材等の難削材の高速高送り切削加工においても、ダイヤモンド皮膜の剥離を抑制し、工具寿命が向上する。Ｃｒの含有割合は４．５～１５．０質量％がより好ましい。

さらに、前記密着性の向上は、Ｃｒの含有量がＣｏの含有量に対して所定の割合にあるとき、すなわち、ＣｏがＭｃｏ質量％、ＣｒがＭｃｒ質量％、それぞれ、工具基体に含有され、０．６≦Ｍ_Ｃｒ／Ｍ_Ｃｏ≦１．３を満足するときにより一層確実に達成される。

粒成長抑制剤の含有割合：
粒成長抑制剤とは、硬質粒子（硬質相）の成長を抑制する働きを有するものであって、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａの１種または２種以上、あるいは、これら元素の１または２以上の炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または複数種、例えば、ＮｂＣ、ＴａＣ、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ、ＴｉＣＮの１種または複数種である。粒成長抑制剤は含有しなくてもよい（すなわち、０質量％であってもよい）が、含有するときは、１質量％以下とすることにより、粒の成長を抑制できる。含有割合は、０．０５～０．９０質量％がより好ましい。

不可避的不純物：
製造工程で不可避的に混入する不純物があり、これを不可避的不純物という。この不可避的不純物は少ない方が好ましいが含まれていたとしてもＷＣ、Ｃｏ、Ｃｒおよび粒成長抑制剤の含有割合が前記の範囲にあれば、本発明が解決すべき課題は解決される。

工具基体刃先曲率：
工具基体刃先曲率は、加工面の品位を考えると、１０μｍ以下であればよいが、本発明では、加工品位を確実なものとするために５μｍ以下とする。
ダイヤモンド皮膜を成膜した工具の工具基体工具基体の刃先の曲率は次のように測定する。すなわち、すくい面と逃げ面とが交差する稜線を含む刃先近傍の任意の逃げ面に垂直な方向の断面（膜厚方向の断面である縦断面）をＣｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ Ｐｏｌｉｓｈｅｒ（ＣＰ）にて加工し、加工した断面を走査電子顕微鏡により適切な倍率（例、倍率５０００倍）にてすくい面と逃げ面とが交差する稜線を含む刃先近傍を反射電子像にて観察し、すくい面と逃げ面とが交差する稜線の曲率を画像解析により測定する。
なお、ダイヤモンド被覆工具を製造する工程中に測定する場合は、後述するダイヤモンド皮膜成膜前に実施する前処理後の刃先に対して、すくい面と逃げ面とが交差する稜線を含む刃先近傍をレーザー顕微鏡で観察し、すくい面と逃げ面とが交差する稜線に対して垂直な線分を分析する。

２．ダイヤモンド被覆層
ダイヤモンド被覆層の厚さは特に制約がないが、平均層厚が３～３０μｍのものが好ましい。その理由は、３μｍ未満では、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮できず、一方、３０μｍを超えると、チッピング、欠損、剥離を生じやすくなり、刃先が丸みを帯びて加工精度が低下するためである。
ここで、ダイヤモンド皮膜の平均層厚の測定は、工具基体に垂直な方向の断面（膜厚方向の断面である縦断面）をＣＰにて加工し、加工した断面を走査電子顕微鏡により適切な倍率（例、倍率５０００倍）で膜厚を測定し、例えば、観察視野内の５点の膜厚を測定して平均して求めることができる。

３．製造方法
本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製工具は、例えば、以下のようにして製造することができる。
（１）原料粉末の準備
原料粉末として、平均粒径が１μｍ以下のＷＣ粉末、平均粒径が１～３μｍのＣｏ粉末、Ｃｒ粉末、および、必要に応じて粒成長抑制剤を準備する。
（２）粉砕・混合
本発明で規定する組成となるように、前記原料粉末をボールミルにより粉砕・混合し、焼結体原料粉末を得る。
（３）成形、焼結、切削加工
得られた焼結体原料粉末を、所定圧力で成形して成形体を作製し、これを真空下で仮焼結し、その後、本焼結により焼結体を得る。その後、この焼結体を研削加工して所定形状の工具基体を製作する。
（４）ダイヤモンド被覆層の形成
前記工具基体上にダイヤモンド皮膜を形成する。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明に係るダイヤモンド被覆工具の実施例としてダイヤモンド被覆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、ダイヤモンド被覆合金インサート、ダイヤモンド被覆エンドミルなどの各種のダイヤモンド被覆工具に適用できることは云うまでもない。

工具基体の製造：
原料粉末として、１μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ粉末、１～３μｍの平均粒径を有するＣｏ粉末、Ｃｒ粉末、および粒成長抑制剤を用意し、これらの原料粉末を表１に示される焼結体組成（ＳＥＭ－ＥＤＳ分析値）となるように配合し、ボールミルで９６時間湿式混合して乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を仮焼結後、６Ｐａの真空中、温度：１４００～１５００℃に１時間保持の条件で本焼結し、直径が１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに、前記丸棒焼結体から、研削加工にて、直径７ｍｍのドリル形状の超硬合金製の工具基体（本発明工具基体）Ａ～Ｆを製作した。なお、表１において、各成分の組成の和が１００質量％とならないものがある理由は、不可避的不純物が存在するためである。

前処理：
引き続いて、この工具基体Ａ～Ｆの表面をエタノール中で超音波洗浄し、乾燥した後、エッチング処理を行った後、粒径１～２μｍのダイヤモンド粉末を含むイソプロピルアルコール液中で１０分間の超音波処理を行なった。

刃先曲率：
前記のとおり、工具基体Ａ～Ｆに対して、刃先曲率をレーザー顕微鏡にて測定し、５μｍ以下であることを確認した。

ダイヤモンド被覆層の形成：
前記前処理を施した工具基体Ａ～Ｆを熱フィラメントＣＶＤ装置に装入した。そして、フィラメント温度を２０００～２２００℃、ガス圧２～６Ｔｏｒｒ（２６６．６～８００．０Ｐａ）の下で、水素ガスとメタンガスとの流量比を調整し、基体温度を７５０～９００℃に所定の時間維持しダイヤモンド皮膜を成膜して、本発明のダイヤモンド被覆ドリル（以下、「本発明被覆工具」という）１～１０を作製した。
なお、表２に、前記した方法により求めたダイヤモンド皮膜の平均層厚を念のために示す。

比較のために、１μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ粉末を含む原料粉を表１に示される焼結体の組成になるように配合し工具基体（比較工具基体）ａ～ｅを前記工具基体Ａ～Ｆと同様に製作して、さらに、前記本発明のダイヤモンド被覆ドリル１～１０を製造した工程と同様の工程により、比較例のダイヤモンド被覆ドリル（以下、「比較被覆工具」という）１～１０を作製した。なお、工具基体ａ～ｅに対して、刃先曲率をレーザー顕微鏡にて測定し、５μｍ以下であることを確認した。また、前記した方法により求めたダイヤモンド皮膜の平均層厚を念のために示す。

続いて、前記本発明被覆工具１～１０および前記比較被覆工具１～１０について、次の条件で穴開け回数の評価試験を行い、工具寿命を調べた。
被削材：ＣＦＲＰ（厚さ２０ｍｍ）と
Ａｌ合金（Ａ７０７５：厚さ７ｍｍ）からなる積層材
切削速度：ＶＣ＝１００ｍ／分
送り量：ｆｒ＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ

工具寿命の判定方法：加工穴数５０毎に、ドリルの刃先とワーク（被削材）を観察し、刃先に基体の露出、欠損、チッピングが生じた時点でドリルの寿命とした。また、加工精度を保つ基準として、被削材の加工面のバリ高さが０．３ｍｍを超えない、層間剥離が加工面から１ｍｍ以内に抑えられた加工状態を合格判定とし、合格判定を満足しない加工穴数となった時点の穴数を表３に示す。

表３に示される結果から、本発明被覆工具１～１０は、本発明で規定する事項を満足する工具基体を用いているため長期にわたり安定した加工穴を得ることができた。
これに対して、本発明の規定する事項を一つでも満足しない工具基体を用いている比較被覆工具１～１０においては、いずれも、欠損・チッピングが発生するばかりか、切削長が短い（加工穴の数が少ない）、または短時間で使用寿命に至っている。

前述のとおり、本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製工具は、難削材であるＣＦＲＰ／Ａｌ材等の切削において、長期の使用にわたり優れた耐溶着性、耐摩耗性を発揮するものであるから、切削加工装置のＦＡ化、ならびに、切削加工の省力化および省エネ化、さらには、低コスト化に十分に満足できる対応ができるものである。

Claims (2)

1. ＷＣを含む硬質層とＣｏを含む結合相を有し、
   ＷＣ：７２．４～９３．６質量％、Ｃｏ：４．０～１２．０質量％、Ｃｒ：２．４～１５．６質量％、粒成長抑制剤：１．０質量％以下を含有し、残部が不可避的不純物である組成である工具基体に、
   ダイヤモンド皮膜が被覆され、
   前記工具基体にＣｏがＭｃｏ質量％、ＣｒがＭｃｒ質量％、それぞれ、含有されるとき、０．６≦Ｍｃｒ／Ｍｃｏ≦１．３であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製工具。
2. 工具刃先の任意の逃げ面に垂直な断面にて前記工具基体のすくい面と逃げ面とが交差する稜線の曲率半径が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載されたダイヤモンド被覆超硬合金製工具。