JP7467083B2

JP7467083B2 - ダイヤモンド被膜を備えた超硬合金製切削工具

Info

Publication number: JP7467083B2
Application number: JP2019213344A
Authority: JP
Inventors: 博紀吉田; 聡石井
Original assignee: 株式会社日進エンジニアリング
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2024-04-15
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: JP2021084150A

Description

本発明は、超硬合金からなる基体の表面にダイヤモンド被膜を被着した超硬合金製切削工具に関する。

従来、超硬合金製の切削工具の表面にダイヤモンドの被覆層をＣＶＤ法（化学気相成長方法）等で被膜する場合、超硬合金にバインダーとして含まれるＣｏ金属が被膜の密着性を損ねる影響を及ぼすため、通常、基体表面のＣｏ金属の低濃度化を目的とした表面処理が行われている。そのため、下記特許文献１に記載された切削工具では、ダイヤモンド被膜との界面から超硬合金製の基体を８μｍ以下の深さで化学処理によってＣｏ金属を主体とする金属結合相の一部を除去している。
これによって、ダイヤモンド被膜の結合性を高めて耐チッピング性を確保している。特許文献１では、Ｃｏ金属を主体とする金属結合相を基体表面から８μｍより深く除去すると超硬合金の靭性が低下し、耐チッピング性が低下すると記載されている。

特許第６１９５０６８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された切削工具では、Ｃｏを主体とする金属結合相の除去深さが８μｍ以下と浅いためダイヤモンド被膜の保持強度が小さく、超硬合金製の基体との密着性が小さい。そのため、切削加工時に比較的短時間でダイヤモンド被膜が剥がれ易く、工具寿命が短いという問題が残る。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、超硬合金の基体に対してダイヤモンド被膜の密着強度を高めて工具寿命をより長期化できるダイヤモンド被膜を備えた超硬合金製切削工具を提供することを目的とする。

本発明によるダイヤモンド被膜を備えた超硬合金製切削工具は、超硬合金に含まれる炭化タングステン粒子の結合相であるＣｏ主体の金属元素群のうちの少なくとも1種の金属元素を表面から深さ３０μｍ超～６０μｍの範囲内で除去して低濃度化してなる超硬合金製の基体と、この基体の表面に被着したダイヤモンド被膜と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、超硬合金製の基体の表面に深さ３０μｍ超～６０μｍの範囲で結合相であるＣｏ主体の金属元素群のうちの少なくとも1種の金属元素を除去して低濃度化したため、基体表面の硬度とヤング率は低下するが、残留応力及び衝撃が緩和するため高硬度のダイヤモンド被膜の密着性が飛躍的に高くなり切削加工を繰り返してもダイヤモンド被膜の剥離を抑制できて工具寿命が向上する。

また、１種の金属元素はＣｏであることが好ましい。
これによって、超硬合金製の基体の表面におけるダイヤモンド被膜の密着性が高まる。

本発明によるダイヤモンド被膜を備えた超硬合金製切削工具によれば、炭化タングステン粒子の結合相である少なくとも1種の金属元素を超硬合金製基体の表面から深さ３０μｍ超～６０μｍの範囲内で除去して低濃度化したため、基体の硬度とヤング率は低下するが、結合相である少なくとも1種の金属元素を除去した領域は残留応力及び切削加工における衝撃が緩和する緩和層として機能するため、高硬度のダイヤモンド被膜の基体に対する密着強度が著しく向上し、工具寿命を長期化することができる。

本発明の実施形態による超硬合金製の基体にダイヤモンド被膜を被覆した切削工具の模式図である。超硬合金製基体の表面のＣｏ金属を除去する前後の硬度の変化を示すグラフである。超硬合金製基体の表面のＣｏ金属を除去する前後のヤング率の変化を示すグラフである。切削工具の表面のＣｏを除去した低濃度層の厚さと加工可能時間との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態によるダイヤモンド被膜を備えた超硬合金製切削工具について図１～図４により説明する。
図１において、本発明の実施形態による切削工具１は例えばエンドミルであり、その刃先は超硬合金製の基体２とその表面２ａにコーティングされたダイヤモンド被膜３とを備えている。基体２の超硬合金は機械的特性に優れたＷＣ-Ｃｏ系合金であり、ＷＣ（炭化タングステン）粒子の結合相としてＣｏ主体の金属元素群が含まれ、高温で焼結することで形成されている。また、ＷＣ-Ｃｏ系合金以外に、切削工具として耐酸化性を向上させた、ＷＣ-ＴｉＣ-Ｃｏ系超硬合金、ＷＣ-ＴａＣ-Ｃｏ系超硬合金、ＷＣ-ＴｉＣ-Ｔａｃ-Ｃｏ系超硬合金等の各種の超硬合金を用いることができる。

一方、ダイヤモンド被膜３をＣＶＤ法等で形成する場合、基体２の界面である表面２ａにＣｏ金属が存在すると、基体２の界面付近にアモルファスカーボンが形成されて正常なダイヤモンド被膜の合成を阻害するとともに、密着性が著しく低下する。そのため、基体２において炭化タングステン粒子の結合相であるＣｏ主体の金属元素群のうちの少なくとも１種の元素、例えばＣｏ金属を主成分とする金属結合相の一部を、ダイヤモンド被膜３と基体２との界面である表面２ａから所定の深さＤの範囲で除去して低濃度化して低濃度領域４を形成している。
結合相としてのＣｏ金属を低濃度化する除去方法は例えば化学エッチングにより行われる。化学的エッチングとしては、一例として（硫酸＋過酸化水素）または硝酸を用いたエッチング液に超硬合金の基体２の表面２ａを所定時間浸漬してＣｏを主成分とする金属結合相の一部を表面２ａから深さＤの範囲でエッチングにより除去する。或いは、レーザービームによるレーザーエッチングによってＣｏ金属を低濃度化してもよい。

基体２の表面２ａからＣｏ金属を除去して低濃度化する深さＤの範囲は３０μｍ超～６０μｍの範囲に設定するものとする。ここで、低濃度領域４の領域の深さＤが基体２の表面２ａから３０μｍ超～６０μｍの範囲であると基体２の表面２ａの硬度とヤング率が低下する。その一方で、表面２ａにダイヤモンド被膜し、コーティングされるダイヤモンド被膜３の残留応力と共に切削加工時に加わる衝撃とを低濃度領域４で緩和する緩衝機能を発揮する。そのため、基体２の低濃度領域４とダイヤモンド被膜３とが剥がれにくくなり、密着性を飛躍的に向上させることができる。なお、低濃度領域４に関し、基体２の表面２ａからの深さＤとは表面２ａに直交する方向をいう。
また、結合相であるＣｏ金属の低濃度領域４では、結合相として寄与するＣｏ金属による結合力は損なわれるが、結合相のＣｏ粒子が関与しない粒子間結合の作用が残り、タングステン粒子同士の結合もダイヤモンド被膜３を被覆した切削工具１としての必要な強度は担保される。

一方、Ｃｏ金属の低濃度領域４の深さＤが３０μｍ以下であると粒子間の結合が緩くなり、基体２の表面２ａが脆くなる。しかも、低濃度領域４の緩衝機能が十分でないためダイヤモンド被膜３との密着性が不十分で剥離し易く、工具寿命を十分延ばすことができない。また、Ｃｏ金属の低濃度領域４の深さＤが６０μｍを超えると、低濃度領域４の脆化影響が増大することでダイヤモンド被膜３を被覆した切削工具１の基体２としての強度が低下すると共にダイヤモンド被膜３との密着性が不足する。そのため、ダイヤモンド被膜３が剥離し易く工具寿命が短くなる。

次に本実施形態による切削工具１の具体例の試験例について図２～図４により説明する。
図２及び図３はＷＣ－Ｃｏ系超硬合金の基体２について、４つのサンプルを用いて、表面２ａのＣｏ金属の除去による低濃度化を行った。このＷＣ－Ｃｏ系超硬合金の基体２では、表面２ａの処理前の炭化タングステンの粒径は０．８～２．０μｍ、Ｃｏ含有量は４．９ｗｔ％である。
ＷＣ－Ｃｏ系超硬合金の基体２において、表面２ａのＣｏ金属処理後の低濃度領域４の硬度は、図２に示すように平均でＨｖ(ビッカース硬さ)５８０減少した。図３に示す表面２ａの処理後の低濃度領域４のヤング率について、平均で１．２５６減少となった。

また、ＷＣ－Ｃｏ系超硬合金の基体２について、低濃度領域４におけるＣｏ金属を含む結合相金属元素を低濃度化する化学処理後の主な各金属元素の含有量を、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いて元素分析した。その結果は次のようになった。
即ち、Ｃｏ金属は処理前４．７９３ｗｔ％から処理後に０．１５５ｗｔ％に減少した。その減少率は９６．８％である。
Ｃｒは処理前４．７９３ｗｔ％から処理後に０．１５５ｗｔ％に減少した。その減少率は９６．８％である。

Ｔａは処理前１．２２８ｗｔ％から処理後に０．７８８ｗｔ％に減少した。その減少率は３５．８％である。
Ｖは処理前０．０８０ｗｔ％から処理後に０．０３３ｗｔ％に減少した。その減少率は５９．４％である。
なお、上述した基体２の化学処理のＣｏ等の各金属元素のＥＤＳによる検出結果は、基体２の表面２ａを観察倍率３，０００倍で視野全面（１．２×１０^-３ｍｍ^２）をスキャンした結果である。計測されたＣｏ等金属元素の濃度の測定結果にばらつきはあるが、測定データから平均値を算出した。

また、上述した基体２のＷＣ－Ｃｏ系超硬合金について、基体２の表面２ａから結合相であるＣｏ金属の低濃度領域４の層厚即ち深さＤについて０から次第に大きくした各切削工具１を製造した。切削工具１はボールエンドミルとし、これらの各切削工具１を用いて欠損に至るまでの加工時間の変化を測定した。加工機は立型マシニングセンターＶ３３(牧野フライス)として、ミスト加工を行った。
切削条件として、切削工具１の切刃の半径０．５ｍｍ、回転速度ｎ＝２００００ｍｉｎ^-１、送り速度ｆ＝２００ｍｍ／ｍｉｎ、ａｐ×ａｅ(Ｚ軸方向の切り込み量×横方向の切り込み量)＝０．０２ｍｍ×０．１ｍｍとした。

各切削工具１の試験結果は図４に示すようになった。試験結果において、超硬合金Ｅの基体２について表面２ａからＣｏ金属の低濃度領域４の深さＤが３０μｍまでは加工時間３６０分以下でダイヤモンド被膜３がチッピングや剥離等で欠損した。Ｃｏ金属の低濃度領域４の深さＤが３０μｍ超～６０μｍまでの範囲では、切削工具１の加工時間が５００分以上となり好結果が得られた。また、Ｃｏ金属の低濃度領域４の深さＤが６０μｍを超えるとやはり加工時間２６０分程度でダイヤモンド被膜３が欠損した。

上述のように本実施形態によるＷＣ－Ｃｏ系超硬合金の切削工具１によれば、超硬合金製の基体２における結合相であるＣｏ金属を主成分とする金属元素群を表面２ａから深さ３０μｍ超～６０μｍまでの範囲に亘って除去して低濃度領域４を形成することで、硬度とヤング率が低下するが、基体２の表面２ａに被着したダイヤモンド被膜３の残留応力と切削加工時の衝撃を緩和できてダイヤモンド被膜３の密着性を飛躍的に向上できる。
しかも、Ｃｏを主成分とする結合相の金属元素群の低濃度領域４ではＣｏを中心とした結合相の結合力は低減するが、結合相が関与しない粒子間結合の作用が残るため、ダイヤモンド被膜３を備えた切削工具１として必要な強度が担保される。
そのため、切削工具１の加工可能時間が著しく延びて工具寿命を長くできる。

以上、本発明の実施形態による切削工具１について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の異なる形態や態様を採用できることはいうまでもない。これらはいずれも本発明の範囲に含まれる。
次に本発明の変形例について説明するが、上述した実施形態の部分や部品と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。

例えば、上述した実施形態では、超硬合金製の基体２において、表面２ａから深さ３０μｍ超～６０μｍの範囲で結合相の金属元素のうちＣｏ金属元素を化学的エッチングまたはレーザーエッチング法によって除去して低濃度領域４を形成した。しかし、本発明では、超硬合金製の基体２の表面２ａから除去する結合相の金属元素はＣｏに限定されるものではなく、例えば他の結合相のＣｒ、Ｔａ、Ｖ等の金属元素を除去するようにしてもよい。
しかも、除去する結合相の金属元素は１種類に限定されるものではなく、適宜の組み合わせの２種類以上の金属元素でもよい。これらの場合でもダイヤモンド被膜３と超硬合金製の基体２との密着性を向上できて切削工具の寿命を長期化できる。

なお、上述した実施形態では切削工具１の実施例としてボールエンドミル等のエンドミルについて説明したが、本発明における切削工具１はエンドミルに限られない。例えばドリル等のその他の転削工具やバイト等の旋削工具等の各種の切削工具にも適用できることはいうまでもない。

１切削工具
２基体
３ダイヤモンド被膜
４低濃度領域

Claims

ＷＣ粒子と、Ｃｏ金属を含む結合相と、を有する基体と、
前記基体の表面に被着したダイヤモンド被膜と、を備え、
前記基体の表面と前記ダイヤモンド被膜との界面における前記Ｃｏ金属の濃度が０．１５５ｗｔ％以下であり、前記界面から深さ３０μｍ超～６０μｍまでの領域の前記濃度が、前記領域よりも深い領域の前記濃度よりも低いことを特徴とする、
ダイヤモンド被膜を備えた超硬合金製切削工具。