JP7486711B2 - WC-based cemented carbide and coated cutting tool using same - Google Patents

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Description

本発明は、WC基超硬合金およびこれを用いた被覆切削工具に関する。 The present invention relates to a WC-based cemented carbide and a coated cutting tool using the same.

従来、金属材料等の切削加工では、高剛性、高硬度の特性を有するWC基超硬合金を基材とし、耐摩耗性、耐酸化性に優れたセラミック硬質皮膜を被覆した切削工具が広く使用されている。被削材の高硬度化、高能率加工化に伴い、切削工具への負荷が増大する状況にあっては、硬質皮膜だけではなく基材である超硬合金についても、耐熱性や耐チッピング性の改善を図ることが求められている。例えば、特許文献1、2では、クロム(Cr)とタンタル(Ta)を複合添加したWC-Co系超硬合金について、組織を均粒化することにより、耐チッピング性の改善を図ることが提案されている。 Conventionally, cutting tools that use a WC-based cemented carbide substrate with high rigidity and hardness and coated with a ceramic hard coating with excellent wear resistance and oxidation resistance have been widely used in cutting metal materials. In a situation where the load on cutting tools increases with the hardness and high efficiency of workpiece materials, there is a demand for improving the heat resistance and chipping resistance of not only the hard coating but also the cemented carbide substrate. For example, Patent Documents 1 and 2 propose improving the chipping resistance of WC-Co-based cemented carbide with a composite addition of chromium (Cr) and tantalum (Ta) by homogenizing the structure.

特開2017-88999号公報JP 2017-88999 A 特開2013-244588号公報JP 2013-244588 A

近年、金型加工の分野においては一層の低コスト化や納期の短縮化が求められており、切削加工においても切削速度の高速化や高送り条件を用いた高能率化が進められている。
しかしながら、発明者等の検討により、従来提案の超硬合金を基材とする被覆切削工具を用いたとしても、鋼等の高速切削加工、特に、軟鋼の高速加工においては、依然として、チッピングや塑性変形が発生するため、工具寿命が十分でないとの問題点を有することが確認された。
そこで、本発明者らは、鋼等の高速切削加工、特に、軟鋼の高速加工を行った際にも、基材としてチッピングや塑性変形を生じないWC基超硬合金および前記WC基超硬合金を用いた被覆切削工具を提供することを解決すべき課題とした。
In recent years, there has been a demand for further cost reduction and shorter delivery times in the field of mold machining, and in cutting processes, efforts are being made to increase efficiency by increasing cutting speeds and using high feed conditions.
However, through investigations by the inventors, it has been confirmed that even when the conventionally proposed coated cutting tools using cemented carbide as a base material are used, chipping and plastic deformation still occur in high-speed cutting of steel and the like, particularly in high-speed cutting of mild steel, and therefore the tool life is insufficient.
Therefore, the inventors set out to provide a WC-based cemented carbide that does not cause chipping or plastic deformation as a substrate even when performing high-speed cutting of steel or the like, particularly when performing high-speed cutting of mild steel, and a coated cutting tool using the WC-based cemented carbide.

そして、本発明者らは、前記被覆切削工具の基材となるWC超硬合金において、結合相を構成するCoの含有量、前記結合相に固溶するCrの含有量、および、前記結合相に固溶、または、組織中に分散して主成分相を構成するTaの含有量を所定の範囲に調整し、さらに、残部であるWC粒子のうち、特定の円相当粒径を有する粒子について、その平均粒径の範囲、および、円相当粒径の粒度分布における面積比の積算値が90%となる粒径(D90)に対して面積比の積算値が10%となる粒径(D10)との比(D90/D10)の範囲を規定するとともに、組織中にTaの主成分相が分散することを規定することにより、鋼等の高速切削加工、特に、軟鋼の高速加工を行った際に基材に発生するチッピングや塑性変形の問題を解決できることを見出した。
また、本発明者らは、さらに、前記基材の表面に少なくとも柱状組織からなり表面側において所定の平均幅を有し、最大膜厚として含むTiCN皮膜を有する硬質皮膜を備えること、また、加えて、前記TiCN皮膜の上層にAl皮膜を備えることにより、軟鋼の高速加工を行った際に、さらに、すぐれた耐チッピング性および耐塑性変形性を有する被覆切削工具が得られることを見出したものである。
The inventors have found that by adjusting the content of Co constituting the binder phase, the content of Cr dissolved in the binder phase, and the content of Ta dissolved in the binder phase or dispersed in the structure to form the main component phase in the WC cemented carbide that serves as the base material of the coated cutting tool within predetermined ranges, and further specifying the range of the average grain size of particles having a specific circle equivalent grain size among the remaining WC grains, and the range of the ratio (D90/D10) of the grain size (D90) at which the integrated value of the area ratio in the grain size distribution of the circle equivalent grain size is 90% to the grain size (D10) at which the integrated value of the area ratio is 10%, and specifying that the main component phase of Ta is dispersed in the structure, it is possible to solve the problems of chipping and plastic deformation that occur in the base material when high-speed cutting of steel, etc., particularly high-speed cutting of mild steel, is performed.
The inventors have also discovered that by providing a hard coating having a TiCN coating on the surface of the substrate, the hard coating having at least a columnar structure and a predetermined average width on the surface side and including the maximum film thickness, and by providing an Al 2 O 3 coating on the upper layer of the TiCN coating, a coated cutting tool having even better chipping resistance and plastic deformation resistance can be obtained when performing high-speed machining of mild steel.

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「(1)質量%で、金属元素としてCoを8.5%以上9.5%以下、Crを0.3%以上1.0%以下、Taを1.0%以上3.0%以下にて含有し、残部はWCと前記金属元素に固溶もしくは化合して存在する非金属元素と不可避的不純物とからなるWC基超硬合金であって、
円相当の粒径が0.4μm以上であるWC粒子の平均粒径は、1.0μm以上2.0μm以下であり、
前記平均粒径の粒度分布において面積比の積算値が90%となる粒径D90と面積比の積算値が10%となる粒径D10との比である、D90/D10が3.2未満であり、
組織中にTaを主成分とする相が分散していることを特徴とするWC基超硬合金。
(2) (1)に記載のWC基超硬合金を基材として表面に硬質皮膜層を有する被覆切削工具。
(3) 前記硬質皮膜層は、少なくともTiCN皮膜層を含み、前記TiCN皮膜層は柱状粒子を有する柱状組織からなり、前記柱状粒子の表面側における平均幅が1.0μm以下であり、前記硬質皮膜中にて最も厚い膜厚を有する皮膜層であることを特徴とする(2)に記載の被覆切削工具。
(4) 前記硬質皮膜層は、前記TiCN皮膜層の上層にAl皮膜層を有することを特徴とする(3)に記載の被覆切削工具。」である。
The present invention has been made based on the above findings,
"(1) A WC-based cemented carbide containing, by mass%, 8.5% to 9.5% Co, 0.3% to 1.0% Cr, and 1.0% to 3.0% Ta as metallic elements, with the balance being WC, non-metallic elements present in solid solution or in combination with the metallic elements, and unavoidable impurities,
The average grain size of WC grains having a circle-equivalent grain size of 0.4 μm or more is 1.0 μm or more and 2.0 μm or less,
D90/D10, which is the ratio of a particle size D90 at which the integrated value of the area ratio in the particle size distribution of the average particle size is 90% to a particle size D10 at which the integrated value of the area ratio is 10%, is less than 3.2;
A WC-based cemented carbide characterized in that a phase mainly composed of Ta is dispersed in the structure.
(2) A coated cutting tool having a substrate made of the WC-based cemented carbide according to (1) above and a hard coating layer on the surface thereof.
(3) The coated cutting tool according to (2), wherein the hard coating layer includes at least a TiCN coating layer, the TiCN coating layer is made of a columnar structure having columnar grains, the columnar grains have an average width of 1.0 μm or less on a surface side, and the TiCN coating layer is the coating layer having the thickest thickness in the hard coating.
(4) The coated cutting tool according to (3), wherein the hard coating layer has an Al 2 O 3 coating layer on the TiCN coating layer.

本発明によれば、軟鋼の高速加工において、耐久性に優れたWC超硬合金基材およびこれを用いた被覆切削工具を提供することができる。 The present invention provides a WC cemented carbide substrate with excellent durability for high-speed machining of mild steel, and a coated cutting tool using the same.

実施例1のWC超硬合金基材の研磨断面における電子顕微鏡による組織写真(2,000倍)である。1 is an electron microscope photograph (2,000x) of the structure of a polished cross section of the WC cemented carbide substrate of Example 1. 比較例3のWC超硬合金基材の研磨断面における電子顕微鏡による組織写真(2,000倍)である。1 is an electron microscope photograph (2,000x) of the structure of a polished cross section of the WC cemented carbide substrate of Comparative Example 3.

本発明者等は、鋼等の高速加工、例えば、軟鋼の高速加工において工具寿命を大幅に改善できるWC基超硬合金の組成と組織形態、さらには、硬質皮膜の組成および組織を具体的に見出したことで本発明に到達した。以下、詳細を説明する。 The inventors arrived at the present invention by specifically discovering the composition and structure of a WC-based cemented carbide, as well as the composition and structure of a hard coating, that can significantly improve tool life in high-speed machining of steel and the like, for example, in high-speed machining of mild steel. The details are described below.

[1]WC基超硬合金の組成
<Co含有量>
Coは、硬質相であるWC粒子を繋ぎとめる結合相であり、WC基超硬合金に高い靭性を付与する元素である。
本発明においては、軟鋼の高速加工において、優れた耐久性を再現するために、Coの含有量を狭い範囲で制御する必要があり、金属元素として、8.5質量%以上9.5質量%以下(以下、「質量%」を単に「%」と表記する)にて、添加する。
Coの含有量が8.5%未満では、超硬合金の靭性が低下する。また、組織が不均一になり易く、軟鋼の高速加工においてチッピングが発生し易くなる。一方、Coの含有量が9.5%を超えると、後述するWC粒子の粒度分布を均一にしても、硬度と耐塑性変形性が低下するため、軟鋼の高速加工において、工具の耐久性が著しく低下する。
よって、Coの含有量は、8.5%以上9.5%以下と規定した。
[1] Composition of WC-based cemented carbide <Co content>
Co is a binder phase that binds together WC particles, which are a hard phase, and is an element that imparts high toughness to the WC-based cemented carbide.
In the present invention, in order to reproduce excellent durability in the high-speed machining of mild steel, the Co content needs to be controlled within a narrow range, and Co is added as a metallic element in an amount of 8.5 mass % or more and 9.5 mass % or less (hereinafter, "mass %" will be simply abbreviated as "%").
If the Co content is less than 8.5%, the toughness of the cemented carbide is reduced. In addition, the structure is easily non-uniform, and chipping is easily generated during high-speed machining of mild steel. On the other hand, if the Co content exceeds 9.5%, even if the grain size distribution of the WC particles described later is made uniform, the hardness and plastic deformation resistance are reduced, and therefore the durability of the tool is significantly reduced during high-speed machining of mild steel.
Therefore, the Co content is specified to be 8.5% or more and 9.5% or less.

<Crの含有量>
Crは、Co中に固溶し、焼結過程でのWC粒子の粒成長を抑制して組織を均一にする元素であり、金属元素として、0.3%以上1.0%以下にて添加する。
Crの含有量が0.3%未満では、WC粒子の粒成長が抑制されずに、WC粒子の粒度分布が不均一となり、チッピングが発生し易くなる。また、WC粒子の粒度分布が不均一になることでCoの分布も不均一になり、チッピングが発生し易くなる。
一方、Crの含有量が1.0%を超えると、Crを主体とする粗大な炭化物が析出して超硬合金の靭性を低下させる。
よって、Crの含有量は、0.3%以上1.0%以下とする。好ましくは、0.5%以上であり、また、好ましくは、0.8%以下である。
<Cr Content>
Cr is an element that dissolves in Co and suppresses the grain growth of WC grains during the sintering process to make the structure uniform, and is added in an amount of 0.3% to 1.0% as a metallic element.
If the Cr content is less than 0.3%, the grain growth of the WC grains is not suppressed, the grain size distribution of the WC grains becomes non-uniform, and chipping is likely to occur. In addition, the non-uniform grain size distribution of the WC grains also makes the distribution of Co non-uniform, and chipping is likely to occur.
On the other hand, if the Cr content exceeds 1.0%, coarse carbides mainly composed of Cr are precipitated, reducing the toughness of the cemented carbide.
Therefore, the Cr content is set to 0.3% or more and 1.0% or less, preferably 0.5% or more, and more preferably 0.8% or less.

<Taの含有量>
Taは、Coに固溶してWC粒子の粒成長を抑制して組織を均一化する。また、組織中にTaを主成分とする相が分散することで耐熱性を高めることができるため、金属元素として、1.0%以上3.0%以下にて添加する。
Taの含有量が1.0%未満では、WC粒子の粒度分布が不均一になるとともに、組織中に分散するTaを主成分とする相が少なく耐熱性が低下する。一方、Taの含有量が3.0%を超えると、Taを主成分とする相が多くなりすぎて超硬合金の靭性を低下させる。
よって、Taの含有量は、1.0%以上3.0%以下とする。好ましくは、2.5%以下であり、更には、2.0%以下とすることが好ましい。
<Ta Content>
Ta dissolves in Co to suppress the grain growth of WC grains and homogenize the structure. In addition, Ta is added in an amount of 1.0% to 3.0% as a metallic element because it can improve heat resistance by dispersing a phase mainly composed of Ta in the structure.
If the Ta content is less than 1.0%, the particle size distribution of the WC particles becomes non-uniform, and the amount of the phase mainly composed of Ta dispersed in the structure is small, resulting in a decrease in heat resistance.On the other hand, if the Ta content exceeds 3.0%, the amount of the phase mainly composed of Ta becomes too large, resulting in a decrease in the toughness of the cemented carbide.
Therefore, the Ta content is set to 1.0% or more and 3.0% or less, preferably 2.5% or less, and more preferably 2.0% or less.

<金属元素に固溶もしくは化合して存在する非金属元素と不可避的不純物>
WC基超硬合金の残部は、主成分であるWC、および、金属元素(Co、Cr、Ta)に固溶もしくは化合して存在する非金属元素と不可避的不純物である。
金属元素の固溶もしくは化合して存在する非金属元素とは、C、N等であり、光学顕微鏡観察にては遊離成分として確認されない量で存在する。
また、原料粉末や混合、焼結過程の不可避的不純物としてFe、Ni、Nb、Al等を微量含有する場合がある。
<Non-metallic elements that exist as solid solutions or compounds with metallic elements and unavoidable impurities>
The balance of the WC-based cemented carbide is made up of WC as the main component, nonmetallic elements present as solid solutions or compounds with the metallic elements (Co, Cr, Ta), and unavoidable impurities.
The non-metallic elements present as solid solutions or compounds with metallic elements are C, N, etc., and are present in amounts that cannot be confirmed as free components by optical microscope observation.
Furthermore, the raw material powder may contain trace amounts of Fe, Ni, Nb, Al, etc. as unavoidable impurities during the mixing and sintering process.

[2]WC基超硬合金の組織
<WC粒子の平均粒径>
WC基超硬合金の硬度と靭性はトレードオフの関係にあり、硬度が増加すると靭性が低下する傾向にあり、他方、硬度が低下すると靭性が増加する傾向にある。
そして、WC基超硬合金のCoの含有量が同等であれば、硬度と靭性はほぼWC粒子の平均粒径によって決定される。
ここでいうWC粒子の平均粒径は、円相当の粒径(「円相当径」ともいう。)の平均粒径をいう。
なお、特に、WC粒子については、円相当の粒径が0.4μm未満の微細な粒子を含めた場合には、例えば、後述するD90/D10において、組織の均一性を正確に評価できなくなるため、円相当の粒径が0.4μm以上である粒子の平均粒径について規定する。
軟鋼の高速加工において、WC粒子の平均粒径が微粒になりすぎると靭性が低下してチッピングが発生する。他方、WC粒子の平均粒径が粗大になりすぎると硬度が低下して耐摩耗性が低下する。
そこで、本発明においては、円相当の粒径が0.4μm以上のWC粒子の平均粒径を1.0μm以上2.0μm以下と規定した。好ましくは、1.2μm以上であり、また、好ましくは、1.8μm以下である。
そして、具体的には、試料を鏡面加工して、縦60μm×横30μm(1800μm)の範囲にある、円相当の粒径が0.4μm以上のWC粒子の円相当の平均粒径を求めることで、WC粒子の平均粒径を精度高く評価することができる。
WC粒子の平均粒径は、EBSD(Electron Back Scatter Diffraction:電子後方散乱回折)法を用いて測定することができる。
0.4μm未満のWC粒子の測定についてはノイズを含むため、前述のとおり、測定対象となるWC粒子の粒径を0.4μm以上のWC粒子の円相当径の平均粒径として規定することにより評価した。なお、相当径が0.4μm未満の粒子が全体に占める面積率は5%以下である。
[2] Structure of WC-based cemented carbide <Average grain size of WC particles>
There is a trade-off between the hardness and toughness of WC-based cemented carbide, with an increase in hardness tending to decrease the toughness, and conversely, a decrease in hardness tending to increase the toughness.
If the Co content of the WC-based cemented carbide is the same, the hardness and toughness are determined almost entirely by the average grain size of the WC grains.
The average grain size of WC grains referred to here means the average grain size of grains equivalent to a circle (also called the "circle equivalent diameter").
In particular, with regard to WC grains, if fine grains having a circle-equivalent grain size of less than 0.4 μm are included, the uniformity of the structure cannot be accurately evaluated, for example, using D90/D10, which will be described later, so the average grain size of grains having a circle-equivalent grain size of 0.4 μm or more is specified.
In high-speed machining of mild steel, if the average grain size of WC grains is too fine, toughness decreases and chipping occurs, whereas if the average grain size of WC grains is too coarse, hardness decreases and wear resistance decreases.
Therefore, in the present invention, the average grain size of WC grains having a circle-equivalent grain size of 0.4 μm or more is specified to be 1.0 μm or more and 2.0 μm or less, preferably 1.2 μm or more, and more preferably 1.8 μm or less.
Specifically, the sample is mirror-finished and the average circle-equivalent grain size of WC grains with a circle-equivalent grain size of 0.4 μm or more within an area of 60 μm length × 30 μm width (1,800 μm2 ) is determined, thereby enabling the average grain size of the WC grains to be evaluated with high precision.
The average grain size of the WC grains can be measured by using the EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) method.
Since the measurement of WC grains smaller than 0.4 μm includes noise, as described above, the grain size of the WC grains to be measured was evaluated by defining it as the average grain size of the circle-equivalent diameter of WC grains of 0.4 μm or more. The area ratio of grains with an equivalent diameter of less than 0.4 μm to the whole grains was 5% or less.

<WC粒子のD90/D10>
ここで、D90/D10とは、WC平均粒径の粒度分布において面積比の積算値が90%となる粒径D90に対する、面積比の積算値が10%となる粒径D10の比をいう。
本発明では、上述した組成範囲の制御に加えて、ミクロレベルの組織の均一化が重要である。上述したように、本発明のWC基超硬合金は、軟鋼の高速切削において、硬度と靭性を高いレベルで確保するため、特定の平均粒径になるよう設定している。但し、同程度の平均粒径であっても、その粒度分布が広い場合には、ミクロレベルの組織が不均一となり、チッピングが発生し易くなる。
そこで、本発明では、ミクロレベルのWC粒子の均一性を評価する指標として、さらに、平均粒径の粒度分布において面積比の積算値が90%となる粒径D90に対して、面積比の積算値が10%となる粒径D10の比、すなわち、D90/D10を用いた。この値は、仮に全ての粒子が同じ粒径であれば、D90とD10が同じ粒径となり、D90/D10の値は最小値の1となる。粒度分布が広い組織では、粒径が大きいD90の値が大きくなる一方、粒径が小さいD10の値は小さくなるので、D90/D10の値は1を超えて大きくなる。これに対して、D90/D10の値が小さいことは、粒度分布がよりシャープで均一な組織であることを示す。
但し、前述したとおり、極めて微粒なWC粒子を考慮すると、微粒なWC粒子は数が多いため、狙いとする1.0μm以上2.0μm以下のWC粒子を正確に評価できず、D90/D10により組織の均一性が正確に評価できないため、組織中に均一分散している円相当の粒径が0.4μm未満の極めて微粒なWC粒子は考慮せず、円相当径が0.4μm以上のWC粒子について、前記D90に対する前記D10の比を評価することで、組織の均一性を正確に評価できることを確認した。そして、円相当の粒径が0.4μm以上のWC粒子の平均粒径を1.0μm以上2.0μm以下とした上で、平均粒径の粒度分布において面積比の積算値が90%における粒径D90と面積比の積算値が10%における粒径D10との比であるD90/D10を3.2未満と規定することで、軟鋼の高速切削において、チッピングの発生を抑制する効果を十分に発揮できることを見出した。
好ましくは、D90/D10を3.0以下とすること、さらには、D90/D10を2.8以下とすることが好ましい。
<D90/D10 of WC particles>
Here, D90/D10 refers to the ratio of the particle size D10 where the integrated value of the area ratio is 10% to the particle size D90 where the integrated value of the area ratio is 90% in the particle size distribution of the WC average particle size.
In the present invention, in addition to controlling the composition range described above, it is important to homogenize the micro-level structure. As described above, the WC-based cemented carbide of the present invention is set to have a specific average grain size in order to ensure high levels of hardness and toughness in high-speed cutting of mild steel. However, even if the average grain size is about the same, if the grain size distribution is wide, the micro-level structure becomes non-uniform, and chipping is likely to occur.
Therefore, in the present invention, as an index for evaluating the uniformity of WC grains at the micro level, the ratio of the grain size D10 at which the integrated value of the area ratio in the grain size distribution of the average grain size is 10% to the grain size D90 at which the integrated value of the area ratio is 90%, that is, D90/D10, is used. If all grains have the same grain size, D90 and D10 will be the same grain size, and the value of D90/D10 will be the minimum value of 1. In a structure with a wide grain size distribution, the value of D90 is large for large grains, while the value of D10 is small for small grains, so the value of D90/D10 exceeds 1 and becomes large. In contrast, a small value of D90/D10 indicates a structure with a sharper grain size distribution and a more uniform grain size distribution.
However, as mentioned above, when extremely fine WC particles are taken into consideration, the number of fine WC particles is large, so that the WC particles of the target size of 1.0 μm to 2.0 μm cannot be accurately evaluated, and the uniformity of the structure cannot be accurately evaluated by D90/D10. Therefore, it was confirmed that the uniformity of the structure can be accurately evaluated by evaluating the ratio of D10 to D90 for WC particles with a circle-equivalent diameter of 0.4 μm or more, without considering the extremely fine WC particles with a circle-equivalent diameter of less than 0.4 μm that are uniformly dispersed in the structure. Then, it was found that the effect of suppressing the occurrence of chipping can be fully exhibited in high-speed cutting of mild steel by setting the average diameter of WC particles with a circle-equivalent diameter of 0.4 μm or more to 1.0 μm to 2.0 μm, and specifying D90/D10, which is the ratio of the diameter D90 at a cumulative value of 90% of the area ratio in the particle size distribution of the average diameter, to the diameter D10 at a cumulative value of 10% of the area ratio, to less than 3.2.
It is preferable that D90/D10 is 3.0 or less, and it is further preferable that D90/D10 is 2.8 or less.

<WC粗大粒子、凝集体(マクロ欠陥)>
上記では、円相当径が10μmを超えるWC粒子やWC凝集体が生成しない場合について説明を行ったが、組織の一部に円相当径が10μmを超えるWC粒子またはWC凝集体、さらには、円相当径が30μmを超えるWC粒子またはWC凝集体(マクロ欠陥)を生じる場合もあるので、以下では、これらの粗大WC粒子やWC凝集体が生じた場合における平均粒径の測定法について説明する。
特にマクロ欠陥が多くなるとチッピングが発生し易くなるため、円相当径が30μmを超えるWC粒子またはWC凝集体については、光学顕微鏡による組織観察において、350000μm(500μm×700μm)の範囲で8個以下と規定することが好ましく、さらには、5個以下、円相当径が10μmを超えるWC粒子またはWC凝集体では、8個以下とすることが好ましい。
かかる条件を満たした上で、マクロ欠陥、および、円相当径が10μmを超えるWC粒子およびWC凝集体のない平均的な組織を有する場所を選択して平均粒径を測定する。
具体的には、試料を鏡面加工して、マクロ欠陥、および、円相当径が10μmを超えるWC粒子およびWC凝集体のない1800μm(縦60μm×横30μm)の範囲にある、円相当の粒径が0.4μm以上のWC粒子の円相当の平均粒径を求めることで、WC粒子の平均粒径を精度高く評価することができる。
<Coarse WC particles and aggregates (macro defects)>
The above describes the case where WC particles or WC aggregates with an equivalent circle diameter exceeding 10 μm are not generated. However, there are also cases where WC particles or WC aggregates with an equivalent circle diameter exceeding 10 μm, and even WC particles or WC aggregates with an equivalent circle diameter exceeding 30 μm (macrodefects) are generated in part of the structure. Therefore, below, a method for measuring the average grain size when these coarse WC particles or WC aggregates are generated will be described.
In particular, since chipping is more likely to occur when there are many macro defects, it is preferable to specify that for WC grains or WC aggregates with an equivalent circle diameter exceeding 30 μm, the number be 8 or less in an area of 350,000 μm (500 μm × 700 μm) when observed by optical microscope structure, and furthermore, that the number be 5 or less, and that for WC grains or WC aggregates with an equivalent circle diameter exceeding 10 μm, the number be 8 or less.
With these conditions satisfied, a location having an average structure free of macro defects, WC grains with an equivalent circle diameter exceeding 10 μm, and WC aggregates is selected to measure the average grain size.
Specifically, the sample is mirror-finished and the average circular grain size of WC grains with a circular grain size of 0.4 μm or more within an area of 1,800 μm2 (60 μm long × 30 μm wide) that is free of macro defects, WC grains with a circular equivalent diameter exceeding 10 μm, and WC agglomerates can be determined, thereby enabling the average grain size of WC grains to be evaluated with high accuracy.

<Ta相の組織(d90/d10)>
本発明において、組織中に分散するTaを主成分とする相は、光学顕微鏡観察により確認することができる。Taを主成分とする相はTaに次いでWを多く含有しており、主に炭化物や炭窒化物として存在する。組織中に分散するTaを主成分とする相の平均粒径が小さすぎると超硬合金の耐熱性が低下し、他方、大きすぎると靭性が低下する。
そのため、組織中に分散するTaを主成分とする相は、円相当の平均粒径を1.0μm以上3.0μmとすることが好ましい。
Taを主成分とする相は、金属元素としてTaを60質量%以上で含有し、Wは1~30質量%で含有する。また、Taを主成分とする相の粒度分布において、面積比の積算値が90%における粒径をd90、面積比の積算値が10%における粒径をd10とした場合、d90/d10は6.0未満であることが好ましい。更には、d90/d10は5.0以下であることが好ましい。
<Ta phase structure (d90/d10)>
In the present invention, the phase mainly composed of Ta dispersed in the structure can be confirmed by optical microscope observation. The phase mainly composed of Ta contains W in the second largest amount after Ta, and exists mainly as carbides and carbonitrides. If the average grain size of the phase mainly composed of Ta dispersed in the structure is too small, the heat resistance of the cemented carbide is reduced, whereas if it is too large, the toughness is reduced.
Therefore, it is preferable that the phase containing Ta as a main component dispersed in the structure has an average circle-equivalent grain size of 1.0 μm to 3.0 μm.
The phase mainly composed of Ta contains 60 mass% or more of Ta as a metal element and 1 to 30 mass% of W. In addition, in the particle size distribution of the phase mainly composed of Ta, when the particle size at which the integrated value of the area ratio is 90% is d90 and the particle size at which the integrated value of the area ratio is 10% is d10, it is preferable that d90/d10 is less than 6.0. Furthermore, it is preferable that d90/d10 is 5.0 or less.

[3]WC基超硬合金を基材とする被覆切削工具
<硬質皮膜層の形成>
上述したWC基超硬合金を基材とする切削工具に、物理蒸着法や化学蒸着法を用いて硬質皮膜を被覆することにより、さらに耐久性にすぐれた被覆切削工具を得ることができる。
軟鋼の高速加工に適用する被覆切削工具において、硬質皮膜としてTiCN皮膜を少なくとも含み、TiCN皮膜を柱状組織からなり柱状粒子の表面側における平均幅を1μm以下、TiCN皮膜の膜厚を最大厚とすることが好ましい。特に、微粒組織からなるTiCN皮膜を最大厚とすることにより、皮膜破壊が抑制され易くなる。
また、TiCN皮膜の効果を発揮するためには、膜厚は5.0μm以上であることが好ましく、他方、膜厚が厚くなり過ぎると皮膜剥離が発生し易くなるので、8.0μm以下であることが好ましい。
また、TiCN皮膜の上層には耐熱性と耐摩耗性に優れるAl皮膜を設けることが好ましく、その膜厚は1.0μm以上4.0μm以下であることが好ましい。
かかる皮膜構造を適用した本発明の被覆切削工具をHRC40以下の軟鋼のミーリング加工に適用することで、特に優れた耐久性を発揮できるため好ましく、更には、切削速度200m/minで使用することが好ましい。
[3] Coated cutting tool using WC-based cemented carbide as a substrate <Formation of hard coating layer>
By coating a cutting tool having the above-mentioned WC-based cemented carbide as a substrate with a hard film by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, a coated cutting tool having even greater durability can be obtained.
In a coated cutting tool applied to high-speed machining of mild steel, it is preferable that the hard coating contains at least a TiCN coating, the TiCN coating has a columnar structure, the average width of the columnar grains on the surface side is 1 μm or less, and the film thickness of the TiCN coating is a maximum thickness. In particular, by making the TiCN coating having a fine grain structure the maximum thickness, it becomes easier to suppress the coating destruction.
In order to obtain the desired effect of the TiCN film, the film thickness is preferably 5.0 μm or more. On the other hand, if the film thickness is too large, peeling of the film is likely to occur, so the film thickness is preferably 8.0 μm or less.
In addition, it is preferable to provide an Al 2 O 3 film, which has excellent heat resistance and wear resistance, on the upper layer of the TiCN film, and the film thickness thereof is preferably 1.0 μm or more and 4.0 μm or less.
The coated cutting tool of the present invention having such a coating structure is preferably used for milling mild steel of HRC 40 or less, since it exhibits particularly excellent durability, and furthermore, it is preferably used at a cutting speed of 200 m/min.

[4]WC基超硬合金の製造方法
以下に、本発明に係るミクロ組織を有するWC基超硬合金の製造方法の一例を示すが、本発明の製造方法は以下の製造方法に限定されるものはない。
<原料粉の混合工程>
WC原料粉末の過粉砕を抑制することが有効であるため、原料粉の混合工程では、まず、WC原料粉末以外の原料粉末をまとめて混合した後、WC原料粉末を入れて混合することが好ましい。
混合条件の一例として、アトライターを用いた場合、WC原料粉末の混合は、0.5~5時間であることが好ましい。WC原料粉末以外の原料粉末の混合は、WC原料粉末の混合時間の2~5倍であることが好ましい。また、組織を均一にするとともに過粉砕を抑制するために、アトライターの回転数は80~200rpmが好ましい。
また、使用するWC原料粉末の製造時の炭化温度が低く、微粒粉末が凝集して形成されたものを使用すると、混合工程においてWC粒子が過粉砕されて組織が不均一になるため、使用するWC原料粉末は、1900℃~2200℃で炭化処理された高温炭化原料が好ましい。
他方、原料粉末の製造時の炭化温度が高く、微粒粉末の凝集が少ないWC原料粉末であっても、平均粒径が5μm以上になると、粉砕によって粒度分布が広がり組織が不均一になるため、その場合は、WC原料粉末はフィッシャー法で測定した平均粒径が2.0μm以上4.0μm以下で、微粒粉末の凝集が少ない粉末を用いることが好ましい。
<焼結体の製造工程>
焼結工程では、焼結温度を1350℃以上1450℃以下の範囲で1時間程度保持することにより、すぐれた特性を有する、WC基超硬合金を得ることができる。
[4] Manufacturing Method of WC-Based Cemented Carbide Hereinafter, an example of a manufacturing method of a WC-based cemented carbide having a microstructure according to the present invention will be described, but the manufacturing method of the present invention is not limited to the manufacturing method described below.
<Raw material powder mixing process>
Since it is effective to prevent the WC raw material powder from being excessively pulverized, in the raw material powder mixing step, it is preferable to first mix all the raw material powders other than the WC raw material powder together, and then add and mix the WC raw material powder.
As an example of mixing conditions, when an attritor is used, the mixing time of the WC raw material powder is preferably 0.5 to 5 hours. The mixing time of raw material powders other than the WC raw material powder is preferably 2 to 5 times the mixing time of the WC raw material powder. In order to homogenize the structure and prevent excessive pulverization, the rotation speed of the attritor is preferably 80 to 200 rpm.
In addition, if the carbonization temperature during production of the WC raw material powder used is low and the powder is formed by agglomeration of fine powder, the WC particles will be over-pulverized in the mixing process, resulting in a non-uniform structure. Therefore, it is preferable that the WC raw material powder used be a high-temperature carbonized raw material that has been carbonized at 1900°C to 2200°C.
On the other hand, even if the carbonization temperature during production of the raw material powder is high and the fine powder has little agglomeration, if the average particle size is 5 μm or more, the particle size distribution will widen due to grinding and the structure will become non-uniform. In that case, it is preferable to use a WC raw material powder having an average particle size of 2.0 μm or more and 4.0 μm or less as measured by the Fischer method and having little agglomeration of the fine powder.
<Manufacturing process of sintered body>
In the sintering step, the sintering temperature is maintained within the range of 1350° C. to 1450° C. for about one hour, whereby a WC-based cemented carbide having excellent properties can be obtained.

以下では、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記の実施例により限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

実施例1では、WC基超硬合金基材の具体的な製造方法を示すとともに、得られたWC基超硬合金基材について、成分組成と組織および物性値の関係を示す。
各試料毎に、使用するWC原料粉末の平均粒径、混合方法および各原料粉末の混合比率を変更し、本発明例および比較例となるWC基超硬合金基材を作製した。(表1、表2を参照。)
まず、本発明例1、2、4、5では、WC原料粉末としては、2000℃程度の高温にて炭化処理された、微粒粉末の凝集が少ないWC原料粉末を原則として用い、また、本発明例3では、炭化温度が2000℃未満であるが、凝集が少なく平均粒径が大きいWC原料粉末を使用した。
次に、本発明例1~5では、WC粉末(平均粒径2.5~8.6μm)、Co粉末(平均粒径1.2μm)、Cr粉末(平均粒径が1.0μm)、TaC粉末(平均粒径が1.5μm)およびカーボン粉末を準備し、これら全原料粉末の総質量に対し2質量%のパラフィンワックスおよびエチルアルコール(水分含有量10%未満)と、WC粉末を除く、他の原料粉末をすべて小型アトライターに装入し、回転数を192rpmとして、4時間混合した後、前記WC粉末を装入し、さらに1時間混合し、WC混合スラリーを作製した。
なお、粉末の平均粒径はフィッシャー法で測定した代表値である。
その後、前記WC混合スラリーを静置乾燥機にて乾燥しパン造粒器にて造粒粉末を得た。得られた造粒粉末により、ミーリング加工用インサート(WDNT140520-B、ブレーカを配した形状)の基材用の成形体を成形した。そして、焼結温度1400℃にて60分間加熱保持後、焼結温度から窒素ガスにより強制冷却して、中炭素組成のWC基超硬合金からなる焼結体を作製した。
これに対し、比較例1は、WC原料粉末としては、2000℃程度の高温にて炭化処理された、微粒粉末の凝集が少ないWC原料粉末を用いるものの、Ta含有粉を含むものではなく、また、比較例2~3は、WC原料粉末を高温にて炭化処理を行うものの、粒径の大きいものを用い、本発明例と同様の製造方法を用いて、WC基超硬合金からなる焼結体を作製した。
また、比較例4については、WC原料粉末を高温にて炭化処理を行うものの、粒径の大きいものを用い、WC粉末を含めて全原料粉末を同時に装入し、3時間混合したWC混合スラリーを用いて、WC基超硬合金からなる焼結体を作製した。
また、比較例5は、WC原料粉末としては、発明例2などと同じく、平均粒径2.5μmのWC原料粉末を用いるものの、本発明例1~5のように、WC原料粉末以外の原料を長時間混合後、WC原料粉末を投入し、さらに混合を行うものではなく、比較例4と同じく、WC粉末を含めて全原料粉末を同時に投入し、数時間の混合後、WC基超硬合金からなる焼結体を作製するものとした。
表1に、各試料の製造に用いたWC原料粉末とその混合方法を示す。
In Example 1, a specific method for producing a WC-based cemented carbide substrate is shown, and the relationship between the component composition, structure, and physical properties of the obtained WC-based cemented carbide substrate is shown.
For each sample, the average particle size of the WC raw material powder, the mixing method, and the mixing ratio of each raw material powder were changed to prepare WC-based cemented carbide substrates as examples of the present invention and comparative examples (see Tables 1 and 2).
First, in Examples 1, 2, 4, and 5 of the present invention, the WC raw material powder used was, as a rule, a WC raw material powder having little agglomeration of fine powder that had been carbonized at a high temperature of about 2000°C. In Example 3 of the present invention, a WC raw material powder having little agglomeration and a large average particle size was used, although the carbonization temperature was less than 2000°C.
Next, in Examples 1 to 5 of the present invention, WC powder (average particle size 2.5 to 8.6 μm), Co powder (average particle size 1.2 μm), Cr 3 C 2 powder (average particle size 1.0 μm), TaC powder (average particle size 1.5 μm) and carbon powder were prepared, and 2 mass% of paraffin wax and ethyl alcohol (water content less than 10%) based on the total mass of all these raw material powders, and all other raw material powders except for WC powder were charged into a small attritor, and mixed for 4 hours at a rotation speed of 192 rpm, and then the WC powder was charged and mixed for another 1 hour to prepare a WC mixed slurry.
The average particle size of the powder is a representative value measured by the Fischer method.
The WC mixed slurry was then dried in a static dryer and granulated in a pan granulator. The granulated powder was used to mold a molded body for the base material of a milling insert (WDNT140520-B, with a breaker). The molded body was then heated and held at a sintering temperature of 1400°C for 60 minutes, and then forcibly cooled from the sintering temperature with nitrogen gas to produce a sintered body made of a WC-based cemented carbide with a medium carbon composition.
In contrast, in Comparative Example 1, the WC raw material powder used was a WC raw material powder that had been carbonized at a high temperature of about 2000°C and had little aggregation of fine powder, but did not contain Ta-containing powder. In Comparative Examples 2 and 3, the WC raw material powder was carbonized at a high temperature, but one with a large particle size was used, and a sintered body made of a WC-based cemented carbide was produced using the same manufacturing method as in the present invention.
In addition, in Comparative Example 4, the WC raw material powder was carbonized at high temperature, but a powder with a large particle size was used, and all the raw material powders including the WC powder were charged at the same time and mixed for 3 hours to produce a sintered body made of a WC-based cemented carbide using the WC mixed slurry.
In Comparative Example 5, like Invention Example 2, a WC raw material powder having an average particle size of 2.5 μm was used as the WC raw material powder. However, unlike Invention Examples 1 to 5, in which raw materials other than the WC raw material powder were mixed for a long period of time, the WC raw material powder was added, and further mixing was not carried out. Instead, like Comparative Example 4, all raw material powders including the WC powder were added at the same time, and after mixing for several hours, a sintered body made of a WC-based cemented carbide was produced.
Table 1 shows the WC raw material powders used in the production of each sample and the mixing method thereof.

次に、作製された焼結体に鏡面加工を施すことにより得られた試料について、EPMA(JEOL製 JXA-8530F)を用いて組織観察を行った。そして、EBSD(Electron Back Scatter Diffraction:電子後方散乱回折)法を用いて、30μm×60μmの範囲にある個々のWC粒子の断面積を測定し、その値から円相当の粒径を求めた。これを3か所において測定を行い、円相当の粒径が0.4μm以上であるWC粒子について、その平均粒径と、その平均粒径の粒度分布において面積比の積算値が90%となる粒径D90と、前記面積比の積算値が10%となる粒径D10と、前記粒径D90に対する前記粒径D10の比であるD90/D10とを求め、表2として示す。
なお、ノイズを含むため計算には含めなかった円相当径が0.4μm未満の粒子が全体に占める面積率は1~2%程度であった。
次いで、表3には、作製したWC超硬合金の物性値(保磁力(Hc)、飽和磁化(4πσ)、硬度(HRA))を示す。
なお、従来例1、2は軟鋼のミーリング加工に適用されている同形状の市販されているインサートである。
Next, the sintered body was mirror-finished to obtain a sample, and the structure was observed using an EPMA (JXA-8530F manufactured by JEOL). Then, the cross-sectional area of each WC grain in the range of 30 μm × 60 μm was measured using the EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) method, and the circle-equivalent grain size was calculated from the value. This was measured at three locations, and for WC grains with a circle-equivalent grain size of 0.4 μm or more, the average grain size, the grain size D90 at which the integrated value of the area ratio in the grain size distribution of the average grain size is 90%, the grain size D10 at which the integrated value of the area ratio is 10%, and the ratio D90/D10 of the grain size D10 to the grain size D90 were calculated, and are shown in Table 2.
The area ratio of particles with a circular equivalent diameter of less than 0.4 μm, which were not included in the calculation due to noise, was about 1 to 2%.
Table 3 shows the physical properties (coercive force (Hc), saturation magnetization (4πσ), hardness (HRA)) of the produced WC cemented carbide.
Conventional examples 1 and 2 are commercially available inserts of the same shape that are used in milling of mild steel.






表2に明らかなように、所定の成分組成を有し、表1に記載された製造条件により製造された本発明例1~5は、WC相の組織において、所望の平均粒径およびシャープで均一な粒度分布(D90/D10値)を有していた。表3に示すように、本発明例1~5は、硬度は90.0~91.0HRA、保磁力は180~220(Oe)、飽和磁化は11~12の範囲にあった。
本発明例1~5では、組織中に円相当の平均粒径が1.0μm以上3.0μm以下であるTaを主成分とする相が分散し、前記Taを主成分とする相の組成は、Taが60~80質量%、Wが10~30質量%の炭化物であった。また、本発明例1において、Taを主成分とする相の粒度分布において、面積比の積算値が90%となる粒径をd90、面積比の積算値が10%となる粒径をd10とした場合、d90は6.0~8.0μm、d10は1.5~2.0μm、d90/d10は4.6~5.2であった。
本発明例1、2、4、5は、高温炭化処理された平均粒径が2~3μm程度のWC原料粉末を用いて過粉砕しないよう混合したことにより、均一な組織が得られたと推定される。また、本発明例3は高温炭化処理されたWC原料粉末を使用していないが、平均粒径が大きい原料粉末を使用して過粉砕しないよう混合したことにより、他の本発明例と同様に均一な組織が得られたと推定される。
これに対し、高温炭化処理された平均粒径が5.0~6.0μm程度のWC原料粉末を用いた比較例2、3では、WC相の組織において、D90/D10値が高く、粒度分布が広い組織となっていたため、やや硬度値が低かった。また比較例4、5では、WC原料粉末の過粉砕が進んだため、平均粒径が小さくなる一方、平均粒径が10.0μmを超える粗大な欠陥も多く発生したため、硬度および磁気特性において、安定した特性が得られなかった。
図1および図2として、本発明例1および比較例3の電子顕微鏡による組織観察写真を示す。図1より、本発明例1の組織が均一な粒径を有するWC粒子からなる均粒組織であることが確認できる。他方、図2より、比較例3の組織は多くの微粒なWC粒子中に粗大粒子が存在する混粒組織であることが確認できる。
As is clear from Table 2, Examples 1 to 5 of the present invention, which had the prescribed component composition and were produced under the production conditions shown in Table 1, had the desired average grain size and a sharp and uniform grain size distribution (D90/D10 value) in the WC phase structure. As shown in Table 3, Examples 1 to 5 of the present invention had a hardness in the range of 90.0 to 91.0 HRA, a coercive force in the range of 180 to 220 (Oe), and a saturation magnetization in the range of 11 to 12.
In Inventive Examples 1 to 5, a phase mainly composed of Ta having an average circle-equivalent grain size of 1.0 μm or more and 3.0 μm or less was dispersed in the structure, and the composition of the phase mainly composed of Ta was a carbide of 60 to 80 mass % Ta and 10 to 30 mass % W. In Inventive Example 1, when the grain size distribution of the phase mainly composed of Ta was such that the grain size at which the integrated value of the area ratio was 90% was d90 and the grain size at which the integrated value of the area ratio was 10% was d10, d90 was 6.0 to 8.0 μm, d10 was 1.5 to 2.0 μm, and d90/d10 was 4.6 to 5.2.
It is presumed that in invention examples 1, 2, 4, and 5, a uniform structure was obtained by using WC raw material powder with an average particle size of about 2 to 3 μm that had been subjected to high-temperature carbonization and mixing without excessive pulverization. Also, in invention example 3, although WC raw material powder that had been subjected to high-temperature carbonization was used, raw material powder with a large average particle size was used and mixed without excessive pulverization, and it is presumed that a uniform structure was obtained like the other invention examples.
In contrast, in Comparative Examples 2 and 3, which used WC raw material powder with an average particle size of about 5.0 to 6.0 μm that had been subjected to high-temperature carbonization, the WC phase structure had a high D90/D10 value and a wide particle size distribution, so the hardness value was somewhat low. In Comparative Examples 4 and 5, the WC raw material powder was over-pulverized, so the average particle size became small, but many coarse defects with an average particle size exceeding 10.0 μm occurred, so stable characteristics could not be obtained in terms of hardness and magnetic properties.
1 and 2 show electron microscope photographs of the structure of Example 1 of the present invention and Comparative Example 3. From Fig. 1, it can be seen that the structure of Example 1 of the present invention is a homogeneous grain structure made up of WC grains having a uniform grain size. On the other hand, from Fig. 2, it can be seen that the structure of Comparative Example 3 is a mixed grain structure in which coarse grains are present among many fine WC grains.

実施例2では本発明例1~3に硬質皮膜を形成した本発明例工具1~3、および、比較例2~4、および、従来例1、2に本発明例工具1~3と同じ硬質皮膜を形成した比較例工具2~4、および、従来例工具1、2について、軟鋼の高速加工における切削評価試験を実施した。
切削試験用のインサートには化学蒸着法により硬質皮膜を被覆した。
まず、柱状組織からなる柱状粒子の表面側に、平均幅が0.5μm~0.7μmのTiCNを6.0μm被覆し、その上に3.0μmのAlを被覆した。硬質皮膜の被覆後は、ウエットブラスト処理を行った。
なお、比較例工具2~4、および、従来例工具1、2は、作製した本発明例工具1~3と同様の皮膜構造であり、残留圧縮応力も同程度であることを確認した。
下記に切削条件を示し、切削試験の結果を表4に示す。なお、切削試験用インサートの工具寿命は逃げ面の最大摩耗幅が0.3mmを超えたとき、もしくは、チッピング(欠損)が発生し、その幅が0.3mmを超えたときまでの加工時間(min)とした。
(条件)乾式加工
・工具:高速高送り用工具
・カッター型番:ASRT5063R-4
・インサート型番:WDNT140520-B
・刃数:1
・被削材:SCM440(32HRC)
・切削方法:乾式のミーリング加工
・切り込み:軸方向、1.0mm、径方向、43mm
・切削速度:250m/min
・一刃送り量:1.5mm/刃
・突出し量:100mm
In Example 2, cutting evaluation tests were conducted in high-speed machining of mild steel for Inventive Example Tools 1 to 3, which were inventive example tools 1 to 3 with hard coatings formed thereon, Comparative Examples 2 to 4, and Conventional Example Tools 1 and 2, which were in comparative example tools 2 to 4 with the same hard coatings formed thereon as Inventive Example Tools 1 to 3, and Conventional Example Tools 1 and 2.
The inserts for the cutting tests were hard-coated by chemical vapor deposition.
First, the surface side of the columnar grains having a columnar structure was coated with 6.0 μm of TiCN having an average width of 0.5 μm to 0.7 μm, and then coated with 3.0 μm of Al 2 O 3. After coating with the hard film, wet blasting treatment was performed.
It was confirmed that the comparative example tools 2 to 4 and the conventional example tools 1 and 2 had the same coating structure as the inventive example tools 1 to 3 and had the same degree of residual compressive stress.
The cutting conditions are shown below, and the results of the cutting test are shown in Table 4. The tool life of the insert for the cutting test was defined as the machining time (min) until the maximum wear width of the flank exceeded 0.3 mm, or until chipping (fracture) occurred and its width exceeded 0.3 mm.
(Condition) Dry machining Tool: High speed, high feed tool Cutter model number: ASRT5063R-4
・Insert model number: WDNT140520-B
Number of teeth: 1
・Cutting material: SCM440 (32HRC)
Cutting method: dry milling Cutting depth: axial direction, 1.0 mm, radial direction, 43 mm
Cutting speed: 250 m/min
・Feed per blade: 1.5 mm/blade ・Protrusion: 100 mm

本発明例工具1~3は、安定した摩耗形態を示し工具寿命が最も長くなった。
比較例工具2、3は、D90/D10が大きいため、チッピングが発生して早期に工具寿命に達した。
比較例工具4は、平均粒径が小さく、チッピングが発生して早期に工具寿命に達した。
従来例工具1は、Coの含有量が多く、かつ、Taを含有していないため、組織中にTaを主成分とする相が分散しておらず、本発明例に比べて耐熱性が低く工具寿命が短くなった。
従来例工具2は、Coの含有量が多く、塑性変形を起こして早期に工具寿命に達した。
The inventive example tools 1 to 3 exhibited a stable wear pattern and had the longest tool life.
Comparative Example Tools 2 and 3 had a large D90/D10 ratio, and therefore chipping occurred, causing the tool to reach the end of its life early.
Comparative Example Tool 4 had a small average grain size, and chipping occurred, causing the tool to reach the end of its life early.
Conventional example tool 1 had a high Co content and did not contain Ta, so a phase mainly composed of Ta was not dispersed in the structure, and the heat resistance was lower and the tool life was shorter than that of the inventive example.
Conventional tool 2 had a high Co content and underwent plastic deformation, reaching the end of its tool life early.

実施例3では本発明例2、4、5に硬質皮膜を形成した本発明例工具2、4、5、および、比較例1および従来例1に本発明例工具2、4、5と同じ硬質皮膜を形成した比較例工具1および従来例工具1について、実施例2より、突き出しの長い条件での軟鋼の高速加工における切削評価試験を実施した。
切削試験用のインサートは化学蒸着法により実施例2と同じ硬質皮膜を被覆した。まず、柱状組織からなり柱状粒子の表面側における平均幅が0.5μm~0.7μmのTiCNを6.0μm被覆し、その上に3.0μmのAlを被覆した。硬質皮膜の被覆後は、ウエットブラスト処理を行った。
下記に切削条件を示し、切削試験の結果を表5に示す。なお、切削試験用インサートの工具寿命は逃げ面の最大摩耗幅が0.3mmを超えたとき、もしくは、チッピング(欠損)が発生し、その幅が0.3mmを超えたときまでの加工時間(min)とした。
(条件)乾式加工
・工具:高速高送り用工具
・カッター型番:ASRT5063R-4
・インサート型番:WDNT140520-B
・刃数:1
・被削材:SCM440(32HRC)
・切削方法:乾式のミーリング加工
・切り込み:軸方向、1.0mm、径方向、43mm
・切削速度:250m/min
・一刃送り量:1.5mm/刃
・突出し量:200mm
In Example 3, cutting evaluation tests were conducted in high-speed machining of mild steel under longer overhang conditions than in Example 2 for Inventive Example Tools 2, 4, and 5, which were formed with hard coatings as Inventive Example Tools 2, 4, and 5, and for Comparative Example Tool 1 and Conventional Example Tool 1, which were formed with the same hard coatings as Inventive Example Tools 2, 4, and 5, as Comparative Example 1 and Conventional Example Tool 1.
The inserts for the cutting test were coated by chemical vapor deposition with the same hard coating as in Example 2. First, TiCN having a columnar structure and an average width of 0.5 μm to 0.7 μm on the surface side of the columnar grains was coated with a thickness of 6.0 μm, and then Al 2 O 3 was coated with a thickness of 3.0 μm. After coating with the hard coating, wet blasting was performed.
The cutting conditions are shown below, and the results of the cutting test are shown in Table 5. The tool life of the insert for the cutting test was defined as the machining time (min) until the maximum wear width of the flank exceeded 0.3 mm, or until chipping (fracture) occurred and its width exceeded 0.3 mm.
(Condition) Dry machining Tool: High speed, high feed tool Cutter model number: ASRT5063R-4
・Insert model number: WDNT140520-B
Number of teeth: 1
・Cutting material: SCM440 (32HRC)
Cutting method: dry milling Cutting depth: axial direction, 1.0 mm, radial direction, 43 mm
Cutting speed: 250 m/min
・Feed per blade: 1.5 mm/blade ・Protrusion: 200 mm



本発明例工具2、4、5は、いずれもすぐれた工具寿命を示した。特に、Taの含有量が少ない本発明例工具5は工具損傷が安定する傾向にあった。
比較例1工具は、Taを含有していないため、本発明例工具2、4、5に比べると工具寿命が低下した。
従来例1工具は、Coの含有量が多く、早期に工具寿命に到達した。
All of the invention tools 2, 4 and 5 exhibited excellent tool life. In particular, the invention tool 5, which had a low Ta content, tended to have stable tool damage.
The tool of Comparative Example 1 did not contain Ta, and therefore had a shorter tool life than the tools of Inventive Examples 2, 4 and 5.
The tool of Conventional Example 1 had a high Co content and reached the end of its tool life early.

本発明に係るWC基超硬合金およびこれを基材として用いた被覆切削工具は、鋼等の切削加工、特に、軟鋼の高速加工を行った際に、耐チッピング性および耐塑性変形性にすぐれるため、きわめて有用である。
The WC-based cemented carbide according to the present invention and a coated cutting tool using the same as a substrate are extremely useful because they have excellent chipping resistance and plastic deformation resistance when cutting steel and the like, particularly when cutting mild steel at high speed.

Claims (4)

質量%で、金属元素としてCoを8.5%以上9.5%以下、Crを0.3%以上1.0%以下、Taを1.0%以上3.0%以下にて含有し、残部はWCと前記金属元素に固溶もしくは化合して存在する非金属元素と不可避的不純物とからなるWC基超硬合金であって、
円相当の粒径が0.4μm以上であるWC粒子の平均粒径は、1.0μm以上2.0μm以下であり、
前記平均粒径の粒度分布において面積比の積算値が90%となる粒径D90と面積比の積算値が10%となる粒径D10との比である、D90/D10が3.2未満であり、
組織中にTaを主成分とする相が分散していることを特徴とするWC基超硬合金。
A WC-based cemented carbide containing, by mass%, as metallic elements, Co of 8.5% or more and 9.5% or less, Cr of 0.3% or more and 1.0% or less, and Ta of 1.0% or more and 3.0% or less, with the balance being WC, non-metallic elements present as solid solutions or compounds with the metallic elements, and unavoidable impurities,
The average grain size of WC grains having a circle-equivalent grain size of 0.4 μm or more is 1.0 μm or more and 2.0 μm or less,
D90/D10, which is the ratio of a particle size D90 at which the integrated value of the area ratio in the particle size distribution of the average particle size is 90% to a particle size D10 at which the integrated value of the area ratio is 10%, is less than 3.2;
A WC-based cemented carbide characterized in that a phase mainly composed of Ta is dispersed in the structure.
請求項1に記載のWC基超硬合金を基材として表面に硬質皮膜層を有する被覆切削工具。 A coated cutting tool having a hard coating layer on the surface thereof, the WC-based cemented carbide according to claim 1 being used as a substrate. 前記硬質皮膜層は、少なくともTiCN皮膜層を含み、前記TiCN皮膜層は柱状粒子を有する柱状組織からなり、前記柱状粒子の表面側における平均幅が1.0μm以下であり、前記硬質皮膜中にて最も厚い膜厚を有する皮膜層であることを特徴とする請求項2に記載の被覆切削工具。 The coated cutting tool according to claim 2, characterized in that the hard coating layer includes at least a TiCN coating layer, the TiCN coating layer is made of a columnar structure having columnar grains, the average width of the columnar grains on the surface side is 1.0 μm or less, and the coating layer has the thickest thickness in the hard coating. 前記硬質皮膜層は、前記TiCN皮膜層の上層にAl皮膜層を有することを特徴とする請求項3に記載の被覆切削工具。
The coated cutting tool according to claim 3, wherein the hard coating layer has an Al2O3 coating layer on top of the TiCN coating layer.
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