JPS6141744A - 被覆硬質合金用地金 - 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】 ＩＶａ　、　Ｖａ　、ＶＩａ族元素の炭化物、窒化物及
び炭窒化物の１種又はそれ以上の硬質相と鉄族金属を主
成分とする結合相より成るいわゆる超硬合金に炭化物、
窒化物、炭窒化物および／または酸化物の１種又は２種
以上を被覆した被覆超硬合金工具は−特に耐摩耗性が優
れているということはよく知られている。なかんずく、
ＴｉＣ、ＴＩ　（ＣＮ）　、　Ｔ’＋Ｎ、Ａｌ２Ｏ３の
１種又は２種以上を５〜１０μ被覆をした被覆超硬合金
は、従来の超硬合金に比べて２〜１０倍もの長寿命とな
ることが知られている。

しかし、これ等の被覆超硬合金は鉄族金属なかんづ（Ｃ
ｏを結合相とした地金を使用するためにさまざまの問題
点があり、被覆相の性質を十分生かしきっているとは言
いがたい。

工具において必要な特性は２種類に大別されることが判
っている。すなわち靭性と耐摩耗性とである。このうち
靭性に関しては発明者等の長年の研究により、さらに２
種類に大別されることが判って来た。それは機械的強度
と熱疲労強度とである。

機械的強度と耐摩耗性の関係は上記超硬合金に＃いては
相反する性質であり、鉄族結合金属（多くの場合Ｃｏ）
を増加させ、機械的強度を上昇させれば耐摩耗性は減少
してしまう。

熱疲労強度の変化はかなり複雑である。ＣＯ量の増大に
ともない熱疲労強度の増加が起るが、ＣＯ量が多すぎる
とかえって塑性変形が起り、熱疲労強度の低下をまねく
。従ってＧ置場による熱疲労強度向上にもおのずから限
界がある。

一方、切削工具においては、その能率向上のため、切込
み、送りの大きな重切削に耐える耐熱疲労強度の高い工
具が要求されているが、この場合は特に高い靭性が必要
であるにもか＼わらず耐塑性変形性が要求され、現在の
超硬合金地金ではおのずから限界がある。

本発明は、従来超硬合金では到達し得ない高温下の耐塑
性変形性と耐熱疲労靭性を有する地金に硬質物質を被覆
することによって耐摩耗性及び靭性を兼ね備え、且つ耐
塑性変形性にも優れた工具を提案するものである。

ＣＯを結合相とした従来の超硬合金においてはＱ相の軟
化温度が低いため高温での耐塑性変形性実用切削条件に
おいてもすでに問題となっているし、耐熱疲労靭性も以
下に述べる材質に比べ低い。

被覆超硬合金工具においては塑性変形か別の意味でも重
要である。それは切削時に刃先が高温となり、超硬合金
地金が塑性変形しても、被覆硬質相はその温度領域では
塑性変形を殆んどしないために、地金の変形に追従でき
ず被覆が破れてしまう。これが欠損の原因となったり或
いは被覆がはがれる原因となり工具寿命を短かくしてい
る。

従って、これを防ぐためには鉄族金属のかわりにＷに代
表される高融点金属を結合金属として用いればよいこと
になる。実際このような考えに基づいた合金の試作は２
〜３行われており、米国特許第３７０３３６８号にはＴ
ｉ−Ｗ−Ｃ系の共晶点を利用して（Ｔｉ　、Ｗ）　Ｃ１
−）ｔＨ−Ｗの合金を２５００°Ｃ前後の温度に加熱、
溶融しこれを鋳造するいわゆる溶製法で作成することが
提案されている。

この合金（以下鋳造合金と記す）の耐摩耗性や高温での
耐塑性変形性は該超硬合金に比へはるかに優れているも
の＼、以下のような欠点かあって広く使用されるには至
らなかった。第１に靭性、特に機械的強度が著しく劣っ
ている。第２にきわめて難研削材料であるにもか＼わら
ず、鋳造により作られるため粉末冶金法で製造される超
硬合金のごとき複雑形状の製品を安価に製造することが
できない。第３に費造温度の関係上融点の低い共晶組成
付近に限定された合金しか得られない。

また（Ｔ　ｉ　、Ｗ）　（Ｃ，Ｎ）−Ｗ鋳造合金の提案
もあるが同じような理由から実用には供されていない。

そこでこれらの該鋳造合金の組成で粉末冶金法で製造で
きれば、前述の欠点のうち第２．第３の２つの欠点をカ
バーできるということは当業者において容易に考えつく
ところである。しかし、この試みは数々行われながら実
際に優れた合金は作成されていない。その理由はこの組
成の合金は炭化物やＭｏ、Ｗといった高融点金属より成
っているので焼結性は著しく悪く、十分な強度が出なか
ったためである。

本表明者等はこれ等の系の合金について、なかんずく硬
質相を形成する元素について詳細なる研究を行って驚く
べき知見を得るに至った。

すなわち、これまで硬質合金の常識では焼結を阻害する
とされていた酸素を硬質相に入れるこ−とによって焼結
性が著しく向上し、さらには靭性の向上がみられること
を発見したのである。本発明はこの知見をもとに靭性に
優れた高融点金属バインダー硬質合金を、近年の高能率
化に応える工具として提案するものである。

本発明は酸素を硬質相に積極的に投入することに最大の
特徴があるが、この合金においては酸素は硬質相以外に
はほとんどはいらず、硬質相は（Ｍｌ　、Ｍ２）　（Ｃ
ｒ−ｘ　、　Ｏ）ｚ　（以下（１）式という）あるいは
（Ｍｌ　ｔＭｚ）　ＣＣｔ−ｘ−ｙｒ　Ｏｘ　ｙ　Ｎｙ
）ｘ　（以下（２）式という）といった組成となる。Ｍ
ｌはＩＶａ族金属であるＴｉ、Ｚｒ。

Ｈｆより選ばれた１種又は２種以上の金属であり、Ｍ２
は■ａ族金属であるＣｒ、Ｍｏ、Ｗより選ばれた１種又
は２種以上の金属である。このことは第１図に示すＸ線
回折により明らかである。この図はＷ５０原子％、Ｔｉ
２５原子％、Ｃ２０原子％、０５原子％の組成の本発明
合金のＸ線回折のパターンであるが、ＷとＴｉＣ相のみ
観察される。図中１はＷのピーク、２はＴｉＣ相のピー
クを示している。このようなことはＮを含有する合金に
おいても同じである。

ここで（１）式、（２）式の限定条件について説明する
。

まず、酸素の含有量であるＸは余り少ないとその効果は
表われず、又あまり多いと焼結性を悪くする。一般に酸
化物と金属の混合体の焼結性が劣るのはそれ等の界面の
ぬれが悪いためであるが、本発明の合金についても同じ
ことが考えられる。

０．０５≦ｘ≦０．５の範囲であれば酸素の添加効果を
損うことなく強度の高い合金が得られる。

窒素についても酸素と同様のことが言えるが、耐摩耗性
を最下限に要求される場合は窒素は望ましくない場合が
あるので０．０１≦ｙ≦０．５が適当と考えられる。

さらにＮとＯの合計ｘ＋ｙも限度以上になると焼結性を
損う。０が０．０５以上含有することを要するので下限
も定まって０．０５≦ｘ＋ｙ≦０．６であることが望ま
しい。

化学量論定数２については０．５を越えると硬質相と炭
素の共存域であり本発明の範囲ではない。又０．１以下
では硬質相が少なすぎて硬度が足りなし）ため切削工具
や耐摩耗材料としての本発明の目的からはずれる。この
ため０．１≦ｚ≦０．５であることを要する。

ＩＶａ族元素の一部をＶ、Ｎｂ、ＴａのＶａ族元素によ
って置換することは靭性の向上に効果がある。しかし多
値に添加するとＩＶａ族、　ＶＩａ族高融点元素の組合
せによって特徴的に表われるＭｅ（ＣＸ′ＪＯ）と高融
点金属相の共存という組織からはずれやすくなる。

（Ｍｌ　ａ　、Ｍ２ｂ　、Ｍ３ｃ　）　（Ｃｔ−ｘ−ｙ
　、　Ｎｙ　、　０Ａ）Ｚと表わすと（Ｍｌ　ＩＶａ族
元素、ＭｚＶａ族元素、Ｍ３Ｖａ族元素）ａ　−）−ｃ
はＩＶａ族元素の量の範囲であることが望ましり０．１
から０．７の間でありＴ÷τは０．３以下であることが
望ましい。即ち、Ｍｌａの３０原子％までを■。

Ｎｂ、Ｔａより選ばれた１種以上のＶａ族金属で置換す
るのが望ましい。なお１１訊換量は１原子％以下ては効
果か認められない。

鉄族金属やＡｇ、Ｐｄ、Ｃｕ等の微量添加か高融点金属
の焼結性を促進することは一般に知られているが、本発
明合金においてもその効果が認められる。

これ等の金属の１８１又は２種以上を添加するとより低
い温度での焼結かｉ」能となり好ましい。しかしこれ等
の金属は低融点であり、多量に添加した場合本合金の特
徴である耐熱性を低下させることは明白である。このよ
うな観点からこれ等の金属は２原子％以下の添加量にと
ゾめることか望ましい。なお、０．０１原子％以下では
効果が認められないＯ このような地金に炭化物、窒化物、酸化物、硼化物の単
体もしくは混合体もしくは化合物を単層もしくは複層に
例えば被覆物質としてＴｉＣ，ＴｉＮ。

Ｔｉ　（ＣＮ）　、　Ａｌ２Ｏ３等を被覆すれば従来の
被覆超硬合金地金に比べ高能率の切削に耐えられる工具
となる。これについては実施例に述べる。

なお、本発明有効である被覆の方法は実施例において示
した被覆方法に限られるものではなく、被覆物質も本実
施例に限られるものではない。

実施例１ 平均粒径１μのＷ粉末８６重量％と平均粒径１μのＴｉ
Ｃ粉末１４重量％を湿式混合し乾燥工程を経て５ＮＧ８
４４（中２５．４ｆｆ、厚み６．４ａｌ、刃先半径１，
６ａｕ＋−）の形状にプレスした。これを以下の如き焼
結を行った。

常温〜１０００℃　　真空（３ｘｌＯＴｏｒｒ以下）１
０００℃〜１７００℃　　Ｐｃｏ　　３５０　Ｔｏｒｒ
　。

１７００℃〜１８５０℃　　真空（ＩＸｌｏ　Ｔｏｒｒ
以下）１８５０℃で１時間保持 冷却は真空、昇温速度は１０°Ｃ／ｍ この結果できた合金の炭素、ｔＲ素の含有量を測定した
ところ、それぞれ２４重量％、０．５重量もであった。

この結果からこの試作合金の組成はＷ”−Ｔｉ’″−ｃ
”−ｏゞ 又は（Ｔ’ａ、ｕ　Ｉ　Ｗｌｌ、４７）　（Ｃ１＋、＃
ｌ　＋　Ｏｏ、Ｉｑ　＞ａ、ｙｔで表わされる。

これを公知の化学蒸着法によって５μのＴｉＣ膜を被覆
し、以下のような切削試験を行った。

被削材：５４３ｃ　　鍛造材 速　　　度：　１１０ｍ／騙 切り込み：６〜１ＱＪＯ１ 送　　　リ　：０．８６シ／ｒｅｖ 表１に本発明と比較品の寿命を示す。

表　　１ 本試験は凹凸のはげしい鍛造材で切り込みがはげしく変
動し、超硬合金は短時間で寿命に達してしまう。又従来
コーティングチップは高い送りのため塑性変形をおこし
欠損に至る。

又酸素を含まない地金では強度が低く疲労によって欠損
した。これに対し本発明品は市販鋳造合金より長寿命で
あり安定した被削面が得られた。

実施例２ ←λ　　　、１６　　ツタ　　ダ 実施例１と同様にしてＷ　−Ｔ＋　−Ｃ−０の合金を作
り、各種のコーティングを行い下記の切削試験によって
比較した。表２に結果を示す。

被削材：　ＳＣＭ４　（Ｈ２８０） ８０＄　Ｘ　４００β 速　　　度：　　１４ｏｍ／ｍｍ 切り込み：２１ｒｊｌ 送　　　リ　：　　ｏ、　３ｅ　ｍ／　ｒ　ｅ　ｖチッ
プ形状：　５ＮＧ４３２ バイトホルダー：Ｎ１１Ｒ−４４ 表　　２ 従来の超硬合金やコーティングチップがクレータ−摩耗
で寿命となるのに対し、本発明品はクレータ−摩耗は極
めて少なくフランク摩耗が寿命となるまで切削できる。

これは超硬合金はこの条件ではクレータ−摩耗が著しく
、従来コーティングチップでは被覆膜が摩耗したあとで
クレータ−摩耗が著しく進むからである。本発明の地金
は耐摩耗性が極めてよいためにクレータ−摩耗で寿命と
実施例３ 表３に示す組成の合金を地金として化学蒸着法ｔｃヨッ
テＴｉｃ　２μ、Ｔｉ（ＣＮ）　２μ、′ｒｉＮ　２μ
’ｉ：被’ＦＭ−シた。これを下記条件にてフライス切
削試験を行った。結果を表３に示す。

被削材：　ＳＣＭ３ （巾６０ＱＩｇ、長さ１００ＯＩＪＩ（７）板材）速　
　　度：　　８０　ｍ／ｍ 切り込み二６騙 送　　　リ　：０．５４囮／刃 工具形状ニアキシアルレーキ　４°３０′ラジアルレー
キ　一１°３０′− リードアングル　　　２５゜ １９、０５　ｙｔｘ角の−２枚刃をつけてテスト切削時
間：３０分 表　　３ 市販ＴｉＣコーティングチップは断続のはげしいフライ
ス切削では被覆膜が破れ、これが欠損の原因となって寿
命となるが、本発明品は被覆膜の破れによって欠損に至
るようにはキレンが進行しないため被覆膜の耐摩耗性の
良さをひき出すことかできる。このように本発明は地金
靭性が高いためにコーテイング膜の優秀な性能を十分生
かすことができる。

実施例４ ｔｒ　　　　ｉｏ　　　　ｌ＆　　　　’Ｔ’　　　　
ｒ実施例１と同様にＷ　−Ｔｉ　−Ｃ−Ｎ　−０又は（
Ｔｉ、、２？　ｌ　Ｗｏ、７３）　（”＜１．６％　＋
　ＮａＡ　＋　ｏ、、Ｌ）６．３３の試料を作った。こ
れに化学蒸着法（ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ）と物理蒸着
法（イオンブレーティング）により６μのＴｉＣを被覆
し、プレーナー加工試験を行った。

被　　削　　材　　：　　　５５４１ 速　　　　度　　：２５ｍ／Ｕ１１ 最大切り込み　：１．５朋 切　　削　　巾　　：　　　１５關 すくい角　：１５９ 表　　４ 本実施例のごとき切削においては超硬合金は欠損してし
まい使いものにならない。本発明品は超硬合金にない靭
性を持ち、又高速度鋼に比べ耐摩耗性がある。

以上４つの実施例により本発明は従来超硬合金地金の被
覆合金に比べて格段によい性能を持つことが明らかであ
る。

実施例５ Ｗ粉末、　ＴｉＣ粉末、　Ａｇ粉末、　Ｐｄ粉末、　Ｃ
ｕ粉末を秤取し、混合、型押し成型後以下の条件で焼結
を行った。（型番５ＮＧ４３２、−２５９Ｘ０．１０ｆ
ｆチャンファ−ホーニング） １０００〜１６００°ＣＰＣｏ＝１００Ｔｏｒｒ１６０
０〜１７００℃　真空　３Ｘ１０　Ｔｏｒｒ１７００℃
　１時間保持　真空３ｘ１０Ｔｏｒｒこのようにして得
られた合金の組成、およびＬの合金に化学蒸着法でＴｉ
Ｃを５μ被覆した実施例１と同じ条件で、切削テストを
行った結果を表５赤に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図はｗｓｏ原子％、Ｔｉ２５原子％、Ｃ２０原子％
、Ｑ５原子％の組成の本発明合金のＸ線回折／Ｎ１１タ
ーンを示している。 １・・・Ｗのピーク、２・・・ＴｉＣ相のピークである
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）硬質相及び高融点金属相より成り、鉄族金属、Ａ
   ｇ、Ｃｕ、Ｐｄより選ばれた１種又は２種以上を０．０
   １〜２原子％含有し残部が式（１）で表されることを特
   徴とする被覆硬質合金用地金。、（Ｍ１ａ、Ｍ２ｂ）（
   Ｃ＿１＿−＿ｘ、Ｏ＿ｘ）２……………………（１）但
   し、Ｍ１はIVａ族金属で、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆより選ばれ
   た１種または２種以上で、Ｍ２はVIａ族金属で、Ｃｒ、
   Ｍｏ、Ｗより選ばれた１種または２種以上で構成される
   。こゝでａ、ｂ、ｘ、２はいずれも原子比でａ＋ｂ＝１
   であり、 ０．１≦ａ≦０．７である。 ０．０５≦ｘ≦０．５、０．１≦ｚ≦０．５である。 （２）硬質相及び高融点金属相より成り、鉄族金属、Ａ
   ｇ、Ｃｕ、Ｐｄより選ばれた１種又は２種以上を０．０
   １〜２原子％含有し残部が式（２）で表されることを特
   徴とする被覆硬質合金用地金。 （Ｍ１ａ、Ｍ２ｂ）（Ｃ＿１＿−＿ｘ−＿ｙ、Ｎ＿ｙ、
   Ｏ＿ｘ）＿ｚ…………（２）但し、Ｍ１はIVａ族金属で
   、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆより選ばれた１種または２種以上で
   、Ｍ２はIVａ族金属で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗより選ばれた１
   種または２種以上で構成される。こゝでａ、ｂ、ｘ、ｙ
   、ｚはいずれも原子比ａ＋ｂ＝１であり、０．１≦ａ≦
   ０．７である。又０．０５≦ｘ＋ｙ≦０．６で０．０５
   ≦ｘ≦０．５、０．０１≦ｙ≦０．５、０．１≦ｚ≦０
   ．５である。 （３）硬質相及び高融点金属相より成り、鉄族金属、Ａ
   ｇ、Ｃｕ、Ｐｄより選ばれた１種又は２種以上を０．０
   １〜２原子％含有し残部が式（３）で表されることを特
   徴とする被覆硬質合金用地金。 （Ｍ１ａ、Ｍ２ｂ）（Ｃ＿１＿−＿ｘ、Ｏ＿ｘ）＿ｘ…
   ……………（３）但し、Ｍ１はIVａ族金属で、Ｔｉ、Ｚ
   ｒ、Ｈｆより選ばれた１種または２種以上で、Ｍ２はV
   Iａ族で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗより選ばれた１種または２種
   以上であり、Ｍ１の１から３０原子％までをＶａ族金属
   であるＶ、Ｎｂ、Ｔａの１種又は２種以上の金属で置換
   したものである。ここでａ、ｂ、ｘ、ｚはいずれも原子
   比でａ＋ｂ＝１で ０．１≦ａ≦０．７である。 ０．０５≦ｘ≦０．５であり、０．１≦ｚ≦０．５であ
   る。 （４）硬質相及び高融点金属相より成り、鉄族金属、Ａ
   ｇ、Ｃｕ、Ｐｄより選ばれた１種又は２種以上を０．０
   １〜２原子％含有し残部が式（４）で表されることを特
   徴とする被覆硬質合金用地金。 （Ｍ１ａ、Ｍ２ｂ）（Ｃ＿１＿−＿ｘ−＿ｙ、Ｎ＿ｙ、
   Ｏ＿ｘ）＿ｚ………（４）但し、Ｍ１はIVａ族金属で、
   Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆより選ばれた１種または２種以上で、
   Ｍ２はVIａ族金属で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗより選ばれた１種
   または２種以上であり、Ｍ１の１から３０原子％までを
   Ｖａ族金属であるＶ、Ｎｂ、Ｔａの１種又は２種以上の
   金属で置換したものである。ここでａ、ｂ、ｘ、ｙ、ｚ
   はいずれも原子比でａ＋ｂ＝１で０．１≦ａ≦０．７で
   ある。 又０．０５≦ｘ＋ｙ≦０．６で０．０５≦ｘ≦０．５、
   ０．０１≦ｙ≦０．５であり、０．１≦ｚ≦０．５であ
   る。