JPH07503996A - 富バインダ相表面領域を有する超硬質合金炭化物 - 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】 富バインダ相表面領域を有する超硬質合金炭化物本発明は富バインダ相表面領域 を有するセメンデ・ソトカーノ（イドを被覆したインサート（植刃）に関する。

具体的には本発明は、インサートを被覆したセメンテッドカーバイド（こ＼では 以下に超硬質合金炭化物と称す）が以下のように改良されている斯＼る被覆イン サートに関する。即ち、この改良超硬質合金炭化物では、非常に良好なタフネス と高塑性変形抵抗のバランスのとれたユニークな技術的特性か所定の組成とグレ ンサイズにおいて得られる。

富バインダ相表面領域を有する超硬質合金炭化物を被覆したインサートは、今日 スチールやステンレス材の工作に大いに使用されている。富バインダ相表面領域 のお蔭で、切削工具材の用途は拡張されている。

ＷＣ１立方晶相（ガンマ相）及びバインダ相を含有している超硬質合金炭化物を 富バインダ相表面領域を具備するように製造する方法は傾斜焼結（ｇｒａｄｉｅ ｎｔ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）と称される技法の範囲内のものであって、沢山の特 許並びに特許出願を通じて公知になっている。例えば、米国特許第４．２７７、 ２８３号と第４．６１０．９３１号によれば、窒素含有添加物を用い、真空で焼 結を行うのに対し、米国特許第４．５４８．７８６号によれば窒素はガス相に添 加される。いづれの場合も、立方晶相が実質的に欠乏した富バインダ相表面領域 が得られる。米国特許第４、８３０．９３０号は焼結後の脱炭処理によってノく インダ相を富化せしめる方法を記述しており、これによって立方晶相をも含有す るノくインダ相の富化領域が得られる。

米国特許第４．６４９．０８４号においては、窒素ガスを焼結に関連して使用し 、これによって工程を減じると共に以後の沈積酸化物被覆の接着性を向上させて いる。

破損機構（ｆｒａｃｔｕｓｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）の観点からいえば、表面領 域でのバインダ相が富化することは超硬質合金炭化物の変形吸収とクラック成長 停止の能力が高まることを意味する。このようにして、概して同じ組成ではある が均質なミクロ組織の材料と比較し、相対的に大きな変形を許容することにより 、或いはクラック成長を阻止することにより破損（フラクチア）に耐える斯−る 改良能力を備えた材料が得られる。

窒素含有超硬質合金炭化物の真空焼結の公知技術により傾斜焼結するときは、こ の窒素は少量の窒素含有原料の添加によって含有させられる。焼結時の炉雰囲気 中の窒素活性が立方晶相中の平均窒素活性より低いという事実により、窒素含有 立方晶相はバインダ液相を通じて窒素を炉雰囲気に放出する。この溶解工程の動 力学に関してはある種の相違が生しる。窒素が放出されると、これにより材料の 表面領域中の立方晶相が完全に溶解する条件が生み出されるという見解がある。

この工程は窒素の拡散と立方晶相の金属成分の拡散によって抑制されると考えら れる。その結果は、溶解後に立方晶相によって占められていた容積をバインダ液 相が占めることになる。

この工程によって、富バインダ相表面領域がバインダ相の固化後に生成される溶 解立方晶相中の金属成分は内方へ拡散し、材料中に残存する未溶解立方晶相上に 析出する。従って、これらの元素の含有量は富バインダ相表面領域の内側の領域 で増大すると同時に、その分だけバインダ相含有翠が低減する。

上述の方法により得られた富バインダ相の硬質合金炭化物表面からの距離の関数 て表されるＣｏ、　Ｔｉ及びＷの特性分布は、例えば米国特許第４．８３０．９ ３０号の図１から明らかになる材料の最外位にはバインダ相に富み、且つ立方晶 相が完全或いは部分的に欠乏している表面領域がある。この表面領域の内側には 、立方晶相中に存在する金属元素に富み、具体的にはＴｉ、　Ｔａ及びＮｂに富 み、バインダ相含有量が材料本体（超硬質合金炭化物本体）の内部のバインダ相 の平均含有量より著しく低い、斯−る領域が存在する。約６　Ｗ、　ｔ、％のコ バルトと９　ｗ、　ｔ、％の立方晶相を有する超硬質合金炭化物では、バインダ 相含有量の低減は約２　ｗ、　ｔ、％まで可能、即ち３０％のオーダの相対的低 減となり得る。クラックはこの領域で容易に成長するので、この領域は工作中の 破損頻度に決定的な影響力を有している。

富バインダ相表面領域を存する、本質的に真空において焼結された窒素含有超硬 質合金炭化物をバインダ相が液化する温度で窒素ガス処理を施こすると、タフネ ス（じん性）が増大され得る。このタフネス改良は塑性変形抵抗が本質的に変ら ない状態で得られる。このようにして得られたインサートは同じ用途範囲をカバ ーする均質組織のインサートの２種以上のグレードを今日一般的に要求する斯＼ る用途で使用することが出来る。

図１は本発明に係る、富バインダ相超硬質合金炭化物表面からの距離の関数で表 されるＣＯとＴｉの分布を示している。

図２は既知の富バインダ相超硬質合金炭化物表面がらの距離の関数て表されたＣ ｏとＴｉの分布を示す。

図３は本発明に係る超硬質合金炭化物の表面領域の１２００倍の光学顕微鏡写真 てあり、Ａはバインダ相に富み実質的に立方晶相が存在しない表面領域であり、 Ｂは本発明に係る領域の上位部分である。

本発明は、傾斜焼結後に実施される方法に関するもので、この方法は窒素含有超 硬質合金炭化物の傾斜焼結とは独立した或いはこれに組込まれた真空焼結成いは 不活性ガス雰囲気での焼結を含む。この方法は窒素ガスを焼結炉に４０−４００ 　ミリバール、好ましくは＋５０−３５０　ミリバールの圧力で、１２８０と１ ４３０℃の間の温度、好ましくは１３２０と１４００°Ｃの間の温度で供給する 。窒素ガス処理の適切な時間は５−１００分、好ましくは１０−５０分である。

窒素ガスはバインダ相が固化する温度になるまで、約１２７５−１３００℃に維 持される。しかし、その効果の主要部は、バインダ相が真空で或いは不活性雰囲 気て同化するとしても達成される。１３５０−１３８０℃の温度で且つ２０〇− ３５０ミリバールの圧力の５−５０分の窒素ガス処理の保持時間（ｈｏｌｄｉｎ ｇ　ｔｉｍｅ）を、８−１５ｗ、ｔ、％の立方晶相の含有量において５０−＋Ｓ Ｏミリバールの圧力で１２８０−１３２０で、或いはそれより低い６−１０ｗ、 　ｔ、％の立方晶相の含有量を有する超硬質合金炭化物に対して導入するのが特 に適切である。

本発明に係る方法は、窒素含有材料を真空下で焼結成いは窒素が非常に低圧力で ある不活性雰囲気の下で焼結することにより製造された富バインダ相硬質合金炭 化物に適用することを具体的に企図している。本発明はチタン、タンタル、ニオ ブ、タングステン、バナジウム及び／或いはモリブデンと、Ｃｏ及び／或いはＮ ｉ基のバインダ相とを含有する超硬質合金炭化物にとって有効である。タフネス と塑性変形抵抗の最適の組合せは、立方晶炭化物を生成する金属元素、即ちＴｉ 、　Ｔａ、　Ｎｂ等々の総合有量で表される立方晶相の量が、０．４−１０ｗ、 　ｔ、％のチタン含有量、好ましくは旋削のためにはｌ−４ｗ、ｔ、％、であっ て、フライス加工のためには２−１０ｗ、　ｔ、％であるチタン含有量の場合に ６−１５ｗ、　ｔ、％、好ましくは？　−１０ｗ、　ｔ、％の範囲にあり、且つ バインダ相含有量が３．５−１２ｗ、　ｔ、％、好ましくは旋削のためには５− ７．５　ｗ、　ｔ、％、フライス加工のためには６−１２ｗ、　ｔ、％であると きに、実現される。

炭素含有量は飽和炭素量より下で最大ＣＯ８まで、好ましくはＣＯ２−ＣＯ３に 相当する範囲の量であり得る。

本発明の方法によれば、超硬質合金炭化物、即ちセメンテッドカーバイドとして 、ＣＯ及び／或いはＮｉ基のバインダ相中にＷＣと好ましくはＴｉを含有する炭 窒化物及び／或いは炭化物の立方晶相を含有し、好ましくはく５０μｍ厚の富バ インダ相表面領域を有する、タフネスと塑性変形抵抗の改良された超硬質合金炭 化物が得られる。富バインダ相表面領域の最内側には、超硬質合金炭化物内部に おけるバインダ相含有量の０．８１−１倍、好ましくは０．９１−１倍のバイン ダ相含有量を有する＜３００μｍ、好ましくは＜２００μｍ厚の領域が存在する 。この領域における立方晶相の含有量は前記内部における含有量と本質的に同一 である。富バインダ相表面領域は本質的に立方晶相が皆無てあり、即ちこの領域 はＷＣとバインダ相を含有する。但しその表面では立方晶相が≦５０Ｖｏ１％占 めている。この富バインダ相領域のバインダ相含有量は、表面から１０−３０μ ｍの距離内においては前記内部（セメンテッドカーバイド内部）における含有量 の最大値が＞　１．１倍、好ましくは１．２５−２倍である。

本発明に係る超硬質合金炭化物にはそれ自体公知の薄層の耐摩耗性被覆物がＣＶ Ｄ或いはＰＶＤ法によって被覆されている。好ましくは、その最内層として、好 ましくはチタンの炭化物、窒化物或いは炭窒化物の層が施こされる。超硬質合金 炭化物の被覆の前には、例えばプラスト法によってクリーニングして、グラファ イトと立方晶相を本質的に除去する。

本発明は超硬質合金炭化物の物性を改良する。この材料を使用した時に、クラッ クの伝播しやすい領域は材料中に形成されない。その結果、公知の方法によって 製造されたものよりタフネスが著しく高められた超硬質合金炭化物が得られる。

塑性変形抵抗の大きな超硬質合金炭化物を選択することにより、超硬質合金炭化 物にそのユニークな特性となる非常に良好なタフネス強度と良好な可塑変形抵抗 を併せて発揮させることが本発明によって可能になる。

例１ １、９ｗ、　ｔ、％のＴｉＣ，１，４ｗ、ｔ、％のＴ１ＣＮ、３．３ｗ、ｔ、％ のＴａＣ，２，２ｗ、ｔ。

％のＮｂＣ，６，５ｗ、ｔ、％のＣＯ及び化学量論量を超える０、　１５ｗ、　 ｔ、％の炭素含有量と残部ＷＣを含む粉末混合物から、旋削インサー）　ＣＮＭ Ｇ１２０４０８を加圧成形した。このインサートを脱ローのためにＨ８と共に４ ５０°Ｃに加熱して焼結し、更に真空下で１３５０℃に加熱して焼結し、その後 にＡ「の保護ガスと共に１４５０°Ｃにおいて１時間焼結した。この工程部分は 完全に標準の焼結過程である。これを冷却している間に、本発明に係る処理を、 ３００ミリバールのＮ！の雰囲気で１３７５°Ｃにおいて３０分間実施し、その 後にＮ、中で冷却を続行して１２００°Ｃに温度を下げ、そこで雰囲気のガスを Ｎ！からＡ「に変えた。

得られた切削インサートの表面の組織は、本質的に立方晶相が皆無な２５μｍ厚 の富バインダ相領域と、その下側に立方晶相が本質的に皆無であるがインサート 内部におけるバインダ相含有量の０．９１−１倍のや＼バインダ相が欠乏してい る領域とから成る（図１）。

インサートの表面にはＣｏ、　ＷＣ及びグラファイトと共に約４０％を占める立 方晶相の粒子が存在している。インサート内部はＣＯ４のＣ−ポロシティ（ｐｏ ｒｏｓ　ｉ　ｔｙ）を呈した。

従来通りのエツジ丸め加工とクリーニングの後、表面に存在した立方晶相部分を 除去した。結果の切削インサートには８μｍ厚のＴｉＣとＴｉＮから成る層を従 来のＣＶＤ法によって被覆した。

例２（例１に対する参照例） 例１と同じ粉末原料から同一タイプのインサートを加圧成形した。

これらのインサートは例１における焼結工程の標準部分の通りに、即ち１４５０ °Ｃの温度で保持時間だけＡ「の保護ガスと共に焼結した。

インサート表面の組織は立方晶相が本質的に皆無で２５μｍ厚の富バインダ相領 域から成る。この領域の下には最小値がインサート内部の名目的含有量の約７０ ％である程にバインダ相が著しく欠乏しているが、立方晶相には富んでいる、１ ００−１５０　ｕｍ厚の領域が図２に示すように存在する。インサート内部はＣ Ｏ４のＣ−ポロシティを呈していた。これは、公知の方法による傾斜焼結された 超硬質合金炭化物の代表的な組織である。このインサートはエツジ丸め加工して から、公知の方法で被覆した。

例３ 、例１と例２から得られたＣ８ＭＧ１２０４０８タイプのインサートを用いて、 通常の低炭素鋼に対して断続旋削工作を行った。次の切削データが適用された。

速度＝　８０ｍ　／分 送り＝　０．３０ｍｍ／　ｒｅｖ 切り込み＝　２．０ｍｍ 各インサートの３０個の切刃（エツジ）を破損するまで操業させた。

本発明品インサートの平均寿命は４．６分であり、従来品インサートでは１．３ 分であった。

例４ 例１と例２から得られたインサートを用いて硬度ＨＢ＝２８０の焼入れ焼もどし 処理鋼に対する連続旋削工作の試験を行った。次の切削データを適用した。

速度＝　２５０ｍ／分 送り＝　０．２５ｍｍ／　ｒｅｖ 切り込み＝　２．０ｍｍ 工作はインサートの逃げ面上の摩耗ランドとして観測され得る切刃塑性変形をも たらした。０．４０ｍｍのランド幅を得るまでの時間を各インサートにつき５個 の切刃に関して測定した。本発明品インサートは１０．９分の平均工具寿命を得 たが、従来品インサートでは１１．２分の平均工具寿命を得た。

例３と例４から本発明に係るインサートが従来公知の方法に係るインサートより も、変形抵抗の著しい低減を伴うことなく、タフネス強度を著しく良好にするこ とは明白である。

例５ 重量％で表して、５．５ＴｉＣ，１，９ＴｉＣＮ、５ＴａＣ，２，５ＮｂＣ，９ ，５Ｃｏ及び約０．０５％の化学量論量の炭素含有量と残部のＷＣから成る粉末 原料から、フライス用インサー）　５ＰＫＲ１２０３ＥＤＲを加圧成形した。こ のインサートは例１に従って、但し焼結温度を１４１０℃とし、冷却中の処理を １２５ミリバールのＮ、の雰囲気で１３１０°Ｃの温度において２０分間行った 。

組織を検査すると、図３に示す通り本質的に立方晶相が皆無な約１５μｍ厚の富 バインダ相領域の存在が確認された。この表面領域の下には、名目的バインダ相 含有量より１０％低いだけのや〜バインダ相に欠乏した肉厚領域が存在した。

表面には、＜１０％を占める立方晶相の粒子がＷＣとバインダ相と共に、存在し た。インサートはＣ−ポロシティを有していなかった。

従来通りにエツジ丸め加工とクリーニングを行った後、表面のエツジ近傍にある 立方晶相の大部分を除去した。このインサートを従来のＣＶＤ法によってＴｉＣ とＴｉＮの約６μｍ厚の層で被覆した。

例６（例５に対する参照例） 例５と同じ粉末原料から、同じタイプのインサートブランクを加圧成形した。こ のインサートは例５における焼結工程の標準部分に従って、即ち１４１０℃で、 ホールディング時間だけＡｒの保護ガスと共に焼結した。冷却はＡｒの保護ガス の下で実行された。インサート表面の組織は、立方晶相が本質的に皆無な約１５ μｍ厚の富バインダ相領域から成るものであった。その下には最小値が名目的バ インダ含有量より約３０％低い１００−１３０　ｕｍ厚のバインダ相が著しく欠 乏し、それに対応した度合で立方晶相に富んでいる領域が存在した。インサート の内部では、Ｃ−ポロシティは見い出せなかった。このインサートは例５に従っ てエツジ丸め加工し且つ被覆処理を施こした。

例７ 例５と例６から得られたフライス用インサートを用いて、焼入れ、焼もどし処理 した鋼５Ｓ２５４１の５０ｍｍ厚工作物に対する正面フライス加工としてのフラ イス工作を実施した。このフライス工作は１２５ｍｍ径のフライス本体を用いた １歯プライス工作（ｏｎｅ　ｔｏｏｔｈ　ｍｉｌｌｉｎｇ）として実行された。

フライス本体はその中心が工作物の出口サイドの上方にあるように配位させた。

次の切削データを用いた。

速度＝　９０ｍ　／分 送り＝　０．３ｍｍ／　ｒｅｖ 切り込み＝２ｍｍ インサート破損までの時間を２０個の切刃について測定した。例５のインサート における平均工具寿命は９．３分であり、例６のインサートでは３．２分であっ た。このことから、本発明に係るインサートでは明確にタフネスの改良されてい ることが分る。

Ｉ９２ ＳＴＩＴＵＴＥＳＨＥＥＴ Ｆｉｇ　３ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年　８月ユ２日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．Ｃｏ及び／或いはＮｉ基のバインダ相中にＷＣと、炭化物及び／或いは炭窒 化物の立方晶相を含有し、富バインダ相表面領域を有する超硬質合金炭化物のイ ンサートにおいて、金属元素の総含有量として表現された立方晶炭化物を形成し ている立方晶相の量が６ｗ．ｔ．％と１５ｗ．ｔ．％の間にあり、該富バインダ 相領域の下の領域のバインダ相含有量がインサート内部のバインダ相含有量の０ ．８５−１倍であり、且つ立方晶相の含有量がインサート内部の立方晶相含有量 と本質的に同一であることを特徴とする改良されたタフネスと塑性変形抵抗を発 揮する富バインダ相表面領域を有する超硬質合金炭化物のインサート。
2. ２．富バインダ相表面領域における該立方晶相含有量が本質的にゼロである、請 求項１に記載のインサート。
3. ３．インサート表面における立方晶相の占める割合が＜５０％である、請求項１ 或いは２に記載のインサート。
4. ４．富バインダ相領域のバインダ相含有量が最大値でインサート内部のバインダ 相含有量の１．１倍であり、当該最大値が表面から１０−３０μｍの距離の個所 における値である、請求項１−３のいづれか１項に記載のインサート。
5. ５．インサートにＣＶＤ法或いはＰＶＤ法によって少くとも１つの耐摩耗被覆層 が施こされている、請求項１−４のいづれか１項に記載のインサート。
6. ６．好ましくはチタンの炭化物、窒化物或いは炭窒化物が最内位の被覆物として 沈積している、請求項１−５のいづれか１項に記載のインサート。
7. ７．富バインダ相の超硬質合金炭化物インサートを窒素含有原料の真空下での公 知の焼結により製造する方法において、この焼結の後に、インサートを５−１０ ０分間１２８０−１４３０℃の温度で、４０−４００ミリバールの窒素雰囲気で 熱処理することを特徴とする製造方法。