JPH04275806A - 硬質層被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高送りおよび高切込
みなどの重切削に用いても耐摩耗性に優れ、さらに断続
切削で使用した場合に優れた耐欠損性を示す硬質層が被
覆された炭化タングステン（以下、ＷＣと記す）基超硬
合金製切削工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】（１）特開平２−１９７５６９号公報に
は、極めて強靭な被覆超硬合金として、「被覆層界面直
下２〜５μｍの超硬合金母材の硬度が５００ｇ荷重のビ
ッカース硬度で７００〜１３００ｋｇ／ｍｍ２　であり
、かつ超硬合金母材内部に向って単調に増加し、被覆層
界面下約５０〜１００μｍにて一定となる」被覆超硬合
金基体が開示されている。

【０００３】（２）特開昭６３−１０３０７１号公報に
は、耐摩耗性を著しく向上させた工具材料として、「超
硬合金の表面が、平均４％以下の鉄族金属とβ−固溶体
を主体とした炭化物、炭窒化物からなる厚さ１〜１０ミ
クロンの外層と、炭化物、炭窒化物および鉄族金属から
なり基体より軟質な厚さ２〜４０ミクロンの内層とより
なる」低温化学蒸着された硬質層被覆ＷＣ基超硬合金切
削工具の基体が開示されている。さらに、その超硬合金
基体は「硬さが高く結合金属が減少しているβ固溶体に
富む外層と、結合金属に富む硬さが低い内層が超硬合金
の中間にあり、皮膜から基体まで硬さが変化している。 」ことも示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平２
−１９７５６９号公報記載の硬質層被覆超硬合金は、基
体表面が最も軟化しているためにクラックは発生しにく
いが、一度発生したクラックは内部に行くに従って硬さ
が上昇するために伝播しやすく、さらに上記特開昭６３
−１０３０７１号公報記載の硬質層被覆超硬合金は、耐
摩耗性を向上させるために基体の表面を４％以下の鉄族
金属とβ−固溶体を主体とした炭化物、炭窒化物からな
る厚さ：１〜１０ミクロンの基体内部よりも硬質な外層
で構成されているために一層欠損を生じやすくなってお
り、上記いずれの硬質層被覆超硬合金も衝撃力の高い断
続切削等の苛酷な重切削に用いた場合、欠損を生じるの
で切れ刃の信頼性は低いものであった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
衝撃力の高い断続切削および摩耗の激しい重切削で使用
しても信頼性の高い硬質層被覆切削工具を得るべく研究
を行った結果、以下の知見を得た。

【０００６】（ａ）欠損は、硬質層被覆超硬合金製切削
工具の表面に発生したクラックが、基体内部に向って成
長することにより生じる。そのため従来の硬質層被覆超
硬合金製切削工具の基体の硬さが、上記特開平２−１９
７５６９号公報記載の硬質層被覆超硬合金製切削工具の
ように、基体の硬さが表面および表面近傍で内部より低
下していることは耐欠損性の向上にはある程度寄与して
いるが、しかし更に耐欠損性を大幅に向上させるために
は、基体の表面近傍の硬さを中心部よりも軟化させ、か
つ硬さの最小値を表面近傍を除くこの軟化領域内部に存
在させることによって達成できる。

【０００７】（ｂ）上記硬さの最小値を基体表面近傍を
除く軟化領域内に存在させ、さらに上記最小値以外にも
硬さの勾配が負から正に変る変曲点（以下、極小値とい
う。この極小値は、硬さをＨ、基体表面から内部に向う
距離をｘとすると、ｄＨ／ｄｘ＜０からｄＨ／ｄｘ＞０
に変る点、すなわちｄＨ／ｄｘ＝０となる点を示す）を
少くとも１つ存在させると、表面に発生したクラックが
硬さの最小値の領域で成長を阻止され、さらに上記少な
くとも１つの極小値で大幅にクラックの伝播が抑制され
る。

【０００８】この発明は、これら知見にもとづいてなさ
れたものであって、硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製切削工
具において、上記切削工具の基体の硬さは、基体内部で
最小値を示し、かつ基体表面近傍の硬さは中心部より低
いこと、上記最小値は上記基体表面から５０μｍまでの
領域内にあること、上記最小値以外に極小値が少なくと
も１つ存在してもよいことなどを特徴とするものである
。

【０００９】この発明で、「表面近傍」とは表面および
表面から５μｍ以内の深さの領域を示し、さらに「基体
内部」とは表面から５μｍを越え５０μｍ以内の深さ領
域を示し、「中心部」とは基体表面から５０μｍより深
い領域を示す。

【００１０】この発明の硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製切
削工具を製造する際に用いる超硬合金基体は、所定の組
成に混合され、プレスされた圧粉体を１３８０〜１５０
０℃まで昇温し、この温度範囲内の所定の温度で真空焼
結したのち、雰囲気を浸炭性雰囲気に切り換えて焼結し
、ついで０．３〜３．０℃／分で徐冷することにより得
られる。

【００１１】このようにして得られた超硬合金基体は、
遊離炭素が含まれている時に所望の硬さ分布が得られや
すく、さらに硬さの最小値および極小値が基体の表面か
ら５０μｍを越えた内部に存在していると、用途によっ
ては切削時に塑性変形が発生しやすくなるところから、
上記硬さの最小値および極小値は基体の表面から５０μ
ｍ以内に存在することが好ましい。また、この発明で基
体表面近傍（表面および表面から深さ５μｍの領域）の
硬さが基体中心部よりも大きいと、基体表面からのクラ
ックの発生が著しく多くなる。したがって表面近傍の硬
さは中心部より低く定めた。

【００１２】

【実施例】つぎに、この発明の硬質層被覆ＷＣ基超硬合
金製切削工具を実施例にもとづいて具体的に説明する。

【００１３】原料粉末として、いずれも平均粒径：１μ
ｍの （Ｔｉ０．４０Ｔａ０．１９Ｗ０．４１）Ｃ粉末、（Ｔ
ｉ０．５８Ｗ０．４２）Ｃ粉末、 （Ｔａ０．８３Ｎｂ０．１７）Ｃ粉末、Ｔｉ（Ｃ０．５
６Ｎ０．４４）粉末、 ＴａＣ粉末、 を用意し、さらに、 平均粒径：３．５μｍのＷＣ粉末、 平均粒径：１．２μｍのＣｏ粉末、 を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される組
成となるように配合し、ボールミルにて７２時間湿式混
合し、乾燥したのち、１０ｋｇ／ｍｍ２　の圧力にてＩ
ＳＯ規格ＳＮＭＧ１２０４０８に則した形状を有する圧
粉体Ａ〜Ｄにプレス成形した。

【００１４】ついで、これら圧粉体Ａ〜Ｄを表２に示さ
れる条件で焼結し、本発明用ＷＣ基超硬合金基体■〜■
を作製した。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】一方、比較のために、表１の圧粉体Ｃを１
４００℃まで真空昇温し、２ＴｏｒｒのＮ２　雰囲気中
に３０分間保持したのち、１０℃／ｍｉｎ　の冷却速度
で１３１０℃まで冷却後、１２００℃まで３℃／ｍｉｎ
　で真空中（１０−３Ｔｏｒｒ）で冷却して表２の従来
用ＷＣ基超硬合金基体■を作製し、さらに同じく表１の
圧粉体Ｃを真空中１４００℃で焼結し、焼結終了後ＣＨ
４　，Ｎ２　ガスを段階的に導入し、徐冷することによ
り表２の従来用ＷＣ基超硬合金基体■を作製した。

【００１８】上記本発明用ＷＣ基超硬合金基体■〜■お
よび従来用ＷＣ基超硬合金基体■〜■の表面をそれぞれ
酸洗浄したのち、０．０６ｍｍの丸ホーニングを施した
状態で通常の化学蒸着法により表３に示される組成およ
び平均層厚を有する硬質層を形成し、表３に示される本
発明硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ１〜４（以下、
本発明被覆チップ１〜４という）および従来硬質層被覆
ＷＣ基超硬合金製チップ１〜２（以下、従来比較チップ
１〜２という）を作製した。

【００１９】

【表３】

【００２０】これらのチップは、いずれも超硬合金基体
表面から２００μｍ以上の深さの中心部に遊離炭素を含
有しており、１０度研摩斜面により測定した荷重２００
ｇのマイクロビッカース硬さを縦軸にとり、基体表面か
ら内部に向う距離を横軸にとり基体硬さ分布をグラフに
示すと図１および図２に示される如くなる。図１は、本
発明被覆チップ１〜４の基体表面からの距離とビッカー
ス硬さの関係を示し、図２は、従来被覆チップ１〜２の
基体表面からの距離とビッカース硬さの関係を示す。図
１のグラフによると、本発明被覆チップ１〜４の基体表
面近傍の硬さは中心部よりも低く、基体の内部で最小値
を示しているが、図２のグラフに示されるように、従来
被覆チップ１の基体の硬さの最小値は基体表面近傍にあ
るけれども基体内部にはなく、また従来被覆チップ２に
は基体内部に最小値が存在するが、基体表面近傍の硬さ
は基体中心部の硬さよりも高く、これらの点で本発明被
覆チップ１〜４と従来被覆チップ１〜２とは基体の構成
が相違している。従来被覆チップ２の基体表面近傍の硬
さが異常に高いのはβ−固溶体を主体とした層が形成さ
れていることによるものである。

【００２１】上記本発明被覆チップ１〜４および従来被
覆チップ１〜２を用いて、 切削試験１ 被削材：ＳＮＣＭ４３９（ブリネル硬さ２７０）の４角
鋼材、 切削速度：１００ｍ／分、 送り：０．４ｍｍ／ｒｅｖ　、 切込み：３ｍｍ、 の条件で断続切削し、チップに欠損が生じるまでの衝撃
回数を測定してその結果を表４に示し、切削試験２ 被削材：ＳＣＭ４４０（ブリネル硬さ２６０）の丸鋼材
、 切削速度：２３０ｍ／分、 送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ　、 切込み：３ｍｍ、 切削時間：１５分、 の条件で高速、高送りの連続切削を行ない、チップのす
くい面摩耗深さおよび逃げ面摩耗量を測定し、それらの
結果を表４に示した。

【００２２】

【表４】

【００２３】さらに、表１の圧粉体Ｃを、０．０１Ｔｏ
ｒｒの真空雰囲気中で１３８０℃に６０分保持し、引き
続いて雰囲気をＣＨ４　：Ｈ２＝１：２の混合ガスとし
て同じ温度に３０分間保持し、その後ＣＨ４　＋Ｈ２　
混合ガスの雰囲気は変えずに１３００℃までの冷却を冷
却速度１℃／分で、１２８０℃までの冷却を冷却速度２
０℃／分で、１２６０℃までの冷却を冷却速度１℃／分
で、１２４０℃までの冷却を冷却速度２０℃／分で実施
し、最後に１℃／分の冷却速度で徐冷し、本発明ＷＣ基
超硬合金基体■を製造した。上記焼結条件およびその後
の冷却条件を図３に示す。

【００２４】また、表１の圧粉体Ｃを、０．００５Ｔｏ
ｒｒの真空雰囲気中で１３８０℃に６０分保持し、引き
続いて雰囲気をＣＨ４　：Ｈ２＝１：３の混合ガスとし
て同上温度に３０分間保持し、その後ＣＨ４　＋Ｈ２　
の混合ガス雰囲気は変えずに冷却速度：１．３℃／分で
徐冷し、本発明ＷＣ基超硬合金基体■を製造した。この
焼結条件およびその後の冷却条件を図４に示す。

【００２５】このようにして製造された本発明ＷＣ基超
硬合金■および■に０．０６ｍｍの丸ホーニングを施し
たのち酸洗浄を行ない、通常のＣＶＤ法で、ＴｉＣ（５
μｍ）−ＴｉＣＮ（１μｍ）−Ａｌ２　Ｏ３　（２μｍ
）の複合硬質層を被覆し、本発明被覆チップ５および６
を作製した。

【００２６】上記本発明被覆チップ５および６について
、基体表面からの距離に対するビッカース硬さを上記本
発明被覆チップ１〜４と同様にして求め、硬さの分布を
グラフにして図５に示し、さらに上記本発明被覆チップ
５および６を用いて、 切削試験３ 被削材：ＳＮＣＭ４３９（ブリネル硬さ３００）の４角
材、 切削速度：２００ｍ／分、 送り：０．５ｍｍ／ｒｅｖ　、 切込み：３ｍｍ、 の条件で断続切削し、チップに欠損が生じるまでの衝撃
回数を測定した。

【００２７】その結果、本発明被覆チップ５は２４２０
５回衝撃で欠損し、本発明被覆チップ６は９３５１回衝
撃で欠損した。特に本発明被覆チップ５の基体には、図
５に示されるように最小値Ｐｍ　の他に２つの極小値Ｐ
１　およびＰ２　があるために、すくい面摩耗が発達す
るまで欠損せず、極めて靭性が向上していることがわか
る。

【００２８】

【発明の効果】この発明によると、高送りおよび高切込
みなどの重切削に用いた場合に優れた耐摩耗性を示し、
さらに過酷な断続切削に用いた場合にも優れた耐欠損性
を示す硬質層被覆切削工具を提供することができ、産業
上すぐれた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ
の基体の硬さ分布を示すグラフ。

【図２】従来の硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップの基
体の硬さ分布を示すグラフ。

【図３】この発明の硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ
を製造するために用いる基体の製造条件を示すグラフ。

【図４】この発明の他の硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チ
ップを製造するために用いる基体の製造条件を示すグラ
フ。

【図５】この発明の硬質層被覆ＷＣ基超硬合金製チップ
の基体の硬さ分布を示すグラフ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭化タングステンからなる第１硬質分
   散相、並びに鉄族金属のうち１種または２種以上を主成
   分とする結合相および不可避不純物からなる炭化タング
   ステン基超硬合金基体の表面に、周期律表の４ａ，５ａ
   および６ａ族金属、Ａｌ，Ｓｉの群から選んだ１種また
   は２種以上の金属元素と、炭素、窒素、酸素およびほう
   素からなる群より選んだ１種または２種以上の非金属元
   素の化合物の１種の単層または２種以上の複数層で構成
   された硬質層（以下、硬質層という）を被覆してなる切
   削工具において、上記炭化タングステン基超硬合金基体
   の硬さは、上記基体内部で最小値を示し、かつ表面近傍
   の硬さは中心部より低いことを特徴とする硬質層被覆炭
   化タングステン基超硬合金製切削工具。
2. 【請求項２】　　炭化タングステンからなる第１硬質分
   散相と、周期律表の４ａ，５ａおよび６ａ族金属の１種
   または２種以上の炭化物および／または炭室化物からな
   る第２硬質分散相、並びに鉄族金属のうち１種または２
   種以上を主成分とする結合相および不可避不純物からな
   る炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、硬質層を
   被覆してなる切削工具において、上記炭化タングステン
   基超硬合金基体の硬さは、上記基体内部で最小値を示し
   、かつ表面近傍の硬さは中心部より低いことを特徴とす
   る硬質層被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具。
3. 【請求項３】　　上記炭化タングステン基超硬合金基体
   の硬さは、上記基体の表面から５０μｍまでの領域で最
   小値を示すことを特徴とする請求項１または２記載の硬
   質層被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具。
4. 【請求項４】　　上記炭化タングステン基超硬合金基体
   の硬さは、上記基体の表面から５０μｍまでの領域で最
   小値および最小値以外の硬さ勾配が負から正に変る極小
   値を少なくとも１つ示すことを特徴とする請求項１また
   は２記載の硬質層被覆炭化タングステン基超硬合金製切
   削工具。