KR102530858B1 - 초경합금, 피복공구 및 절삭공구 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 초경합금은 W와 C를 함유하는 경질상과, W와 C와 Ti와 Zr을 함유하는 제1고용체상 및 제2고용체상과, 철속 금속을 함유하는 결합상을 갖는다. 본 개시의 초경합금은 상기 Ti를 TiC 환산으로 1.0∼3.0질량%, 상기 Zr을 ZrC 환산으로 0.75∼2.0질량% 함유하고 있다. 상기 Ti의 TiC 환산량은 상기 Zr의 ZrC 환산량보다 많고, 3배보다 적다. 상기 제1고용체상은 원자비로 0.1≤Ti/(Ti+Zr)＜0.4의 관계를 충족하고, 상기 제2고용체상은 원자비로 0.7≤Ti/(Ti+Zr)≤0.9의 관계를 충족한다. 본 개시의 피복공구는 상기 초경합금과, 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖는다. 본 개시의 절삭공구는 제1단으로부터 제2단을 향해서 연장되고, 상기 제1단측에 포켓을 갖는 홀더와, 상기 포켓에 위치하는 상기 피복공구를 갖는다.

Description

초경합금, 피복공구 및 절삭공구
본 개시는 초경합금, 피복공구 및 절삭공구에 관한 것이다.
WC를 경질상으로서 함유하는 초경합금은 내마모성이 요구되는 슬라이딩 부품이나, 금속 등을 가공하기 위한 공구용 재료로서 이용되고 있다. 공구에 사용되는 초경합금에서는 고용체상을 함유하는 초경합금이 알려져 있다. 특허문헌 1에서는 Ti와 Zr과 C를 함유하고, Ti와 Zr의 함유 비율이 다른 2종류의 고용체상을 사용하고, 각각의 고용체상에 있어서, Ti/(Ti+Zr)의 범위를 각각 0.4≤Ti/(Ti+Zr)≤0.6, 0.7≤Ti/(Ti+Zr)≤0.9의 범위로 제어함으로써 고온에 있어서의 강도 및 인성을 높일 수 있는 것이 기재되어 있다. 슬라이딩 부품이나 공구에 있어서는 고온에 있어서의 강도나 인성이 높으면 슬라이딩 속도나 가공 속도를 높게 할 수 있다.
일본 특허공개 2003-277873호 공보
본 개시의 초경합금은 W와 C를 함유하는 경질상과, W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 미만인 제1고용체상과, W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 이상인 제2고용체상과, 철속 금속을 함유하는 결합상을 갖는다. 본 개시의 초경합금은 상기 Ti를 TiC 환산으로 1.0∼3.0질량% 함유하고, 상기 Zr을 ZrC 환산으로 0.75∼2.0질량% 함유하고 있다. 상기 Ti의 TiC 환산량은 상기 Zr의 ZrC 환산량보다 많고, 3배보다 적다. 상기 제1고용체상은 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.1 이상, 0.4 미만이며, 상기 제2고용체상은 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.7 이상, 0.9 이하이다.
또한 본 개시의 피복공구는 상기 초경합금과, 초경합금을 피복하는 피복막을 갖는다. 또한 본 개시의 절삭공구는 제1단으로부터 제2단을 향해서 연장되고, 상기 제1단측에 포켓을 갖는 홀더와, 포켓에 위치하는 상기 피복공구를 구비한다.
도 1은 본 개시의 피복공구의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 개시의 피복공구의 표면 부근을 나타내는 단면 확대도이다.
도 3은 본 개시의 절삭공구의 일례를 나타내는 평면도이다.
본 개시의 초경합금은 W와 C를 함유하는 경질상과, W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 미만인 제1고용체상과, W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 이상인 제2고용체상과, 철속 금속을 함유하는 결합상을 갖는다. 본 개시의 초경합금은 상기 Ti를 TiC 환산으로 1.0∼3.0질량% 함유하고, 상기 Zr을 ZrC 환산으로 0.75∼2.0질량% 함유하고 있다. 상기 Ti의 TiC 환산량은 상기 Zr의 ZrC 환산량보다 많고, 3배보다 적다. 상기 제1고용체상은 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.1 이상, 0.4 미만인 관계를 충족하고, 상기 제2고용체상은 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.7 이상, 0.9 이하인 관계를 충족한다.
본 개시의 초경합금에 있어서의 경질상은 W와 C를 포함하고 있고, WC를 주성분으로 하는 것이다. 경질상은 WC 입자로 이루어지는 것이며, 90질량% 이상의 WC와, 나머지가 그 밖의 고용원소를 포함하고 있어도 좋다. 고용원소로서는 Al이나 Cr 등을 들 수 있다. 이러한 경질상은 X선 회절에 의해, WC 결정에 기인하는 피크가 검출되면, 존재한다라고 판단할 수 있다.
본 개시의 초경합금은 경질상을 80∼95질량% 함유하고 있어도 좋다. 이 범위로 하면, 피복공구로서 사용하기 위해서 적합한 경도를 갖는다. 특히, 경질상을 90∼95질량% 함유하고 있어도 좋다.
또한 본 개시의 초경합금은 W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 미만인 제1고용체상과, W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 이상인 제2고용체상을 갖고 있다.
경질상과, 제1고용체상 및 제2고용체상은 W와 C를 함유하는 점에서 공통되어 있지만, 제1고용체상 및 제2고용체상이 함유하는 W와 C의 합계량은 65질량% 이하이며, W와 C의 함유량이 다르다.
제1고용체상은 Ti와 Zr의 관계에 있어서, Zr이 많게 되어 있다. 제2고용체상은 제1고용체상에 비하면 Ti의 비율이 많다.
제1고용체상 및 제2고용체상은 소위 β상이다. 제1고용체상 및 제2고용체상은 주기율표 제4a, 5a, 6a족 금속의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 금속원소의 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물 중 1종 이상으로 이루어진다. 그리고, 상술한 바와 같이, 적어도 W와 Ti와 Zr과 C를 함유하고 있다.
제1고용체상 및 제2고용체상은 X선 회절에 의해, WC 결정과는 다른 피크를 갖는다.
이 제1고용체상 및 제2고용체상의 조성은 주사형 전자현미경(SEM)이나 투과형 전자현미경(TEM)에 있어서, 에너지 분산형 X선 분광분석(EDS)으로 측정할 수 있다.
또한 본 개시의 초경합금은 Ni나 Co 등의 철속 금속을 함유하는 결합상을 함유하고 있다.
이들의 구성요소는 각각 조성이 다르기 때문에, SEM과 원소분석, 원소분포분석을 조합함으로써 용이하게 구별할 수 있다. 또한 TEM을 이용하여, 조성을 측정해도 좋다.
이러한 구성을 갖는 초경합금은 고온에 있어서의 강도 및 인성이 높다. 그 때문에 슬라이딩 속도를 빠르게 해도 내마모성이 우수하다. 또한 피복공구로서 사용할 경우에는 가공 속도를 빠르게 할 수 있다.
또한 본 개시의 초경합금은 Ti를 TiC 환산으로 1.5∼2.5질량%, Zr을 ZrC 환산으로 1.0∼1.5질량% 함유하고 있어도 좋다. 이러한 범위에서 Ti 및 Zr을 함유하고 있으면, 고온에 있어서의 경도 및 강도가 향상되고, 고속절삭에서 사용해도 소성 변형하지 않고 고수명이 된다.
또한 본 개시의 초경합금은 초경합금을 단면에서 봤을 때, 제1고용체상의 체적비율(V1)과, 제2고용체상의 체적비율(V2)의 총합에 대한 제1고용체상의 체적비율(V1)의 비율(V1/(V1+V2))은 0.05∼0.3으로 해도 좋다.
이러한 범위로 하면, 초경합금은 특히 고온에 있어서의 강도 및 인성이 높고, 슬라이딩 속도 및 가공 속도가 높은 가공에 있어서 우수한 내소성 변형성을 발휘한다.
여기에서 측정하는 체적비율(V1, V2)은 초경합금의 단면 SEM 등에 있어서의 제1고용체상의 면적비율을 V1로 하고, 제2고용체의 면적비율을 V2로 한 것이다.
또한 제1고용체상 및 제2고용체상은 각각 Ta를 함유하고 있고 제1고용체상이 함유하는 W와 Ta의 합량이 제2고용체상이 함유하는 W와 Ta의 합량보다 많아도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 제2고용체상의 고온특성이 향상되므로, 고속가공에 있어서도 소성 변형하기 어려워진다.
또한 제1고용체상 및 제2고용체상의 격자정수는 4.38∼4.39Å이어도 좋다. 이러한 범위로 함으로써 β상에 고용되어 있는 Zr성분이 적정화되고, 상온경도를 떨어뜨릴 일 없이 고온특성을 향상시킬 수 있다. 상기 격자정수는 리트 벨트 해석 을 이용하여 측정한다. 해석에는 Cubic, Fm-3m, No. 225의 결정상을 모델로서 사용했다.
본 개시의 피복공구는 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖고 있다. 도 1은 본 개시의 피복공구의 일례를 나타내는 사시도이다. 본 개시의 피복공구(1)는 도 1에 나타내는 예에 있어서는 주면이 개략 사각형상의 판형상이다. 단, 이 형상에 한정되는 것은 아니다. 도 1에 있어서의 상면은 레이크면이며, 도 1에 있어서의 측면은 플랭크면이다. 그리고, 상면과 측면의 교차모서리부에 절삭날(7)이 형성되어 있다. 바꿔 말하면, 레이크면과 플랭크면이 교차하는 능선의 적어도 일부에 위치하는 절삭날(7)을 갖고 있다.
피복공구(1)에 있어서는 레이크면의 외주의 전체가 절삭날(7)로 되어 있어도 좋지만, 피복공구(1)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 사각형의 레이크면에 있어서의 1변만, 또는 부분적으로 절삭날(7)을 갖는 것이어도 좋다.
피복공구(1)의 크기는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 레이크면의 1변의 길이가 3∼20mm 정도로 설정된다. 또한 피복공구(1)의 두께는 예를 들면 3∼20mm 정도로 설정된다.
또한 도 1에 있어서의 상면으로부터 하면에 걸쳐서, 관통구멍(17)을 갖고 있어도 좋다.
본 개시의 피복공구(1)는 도 2에 나타내듯이, 본 개시의 초경합금으로 이루어지는 기체(3)의 표면에 피복층(5)을 갖고 있다. 기체(3)의 표면에 위치하는 피복층(5)은 PVD나 CVD에 의해 형성할 수 있다.
피복층(5)은 다층이어도 좋고, 예를 들면 기체(3)쪽으로부터 순차적으로 TiCN층(5a)과 Al2O3층(5b)을 갖는 것이어도 좋다. 또한 피복층(5)은 기체(3)쪽으로부터 순차적으로 TiN층(도면에는 나타내지 않는다)과 TiCN층(5a)과 Al2O3층(5b)을 갖는 것이어도 좋다. 본 개시의 피복공구(1)는 소성 변형이 작은 초경합금을 기체(3)로서 사용하고, 또한 피복층(5)을 가짐으로써 고속가공에 적합하다. 또, 피복층(5)은 기체(3)의 전면을 덮을 필요는 없고, 적어도 기체(3)의 표면의 일부를 덮고 있으면 좋다. 특히, 절삭날(7)로서 사용하는 영역의 표면을 덮고 있으면 좋다.
본 개시의 절삭공구에 대해서 도면을 사용하여 설명한다. 본 개시의 절삭공구(101)는 도 3에 나타내듯이, 예를 들면 제1단(도 3에 있어서의 상단)으로부터 제2단(도 3에 있어서의 하단)을 향해서 연장되는 봉형상체이다. 절삭공구(101)는 도 3에 나타내듯이, 제1단측(선단측)에 포켓(103)을 갖는 홀더(105)와, 포켓(103)에 위치하는 상기 피복공구(1)를 구비하고 있다. 절삭공구(101)는 피복공구(1)를 구비하고 있기 때문에, 장기에 걸쳐 안정된 절삭가공을 행할 수 있다.
포켓(103)은 피복공구(1)가 장착되는 부분이며, 홀더(105)의 하면에 대해서 평행한 착좌면과, 착좌면에 대해서 경사하는 구속 측면을 갖고 있다. 또한 포켓(103)은 홀더(105)의 제1단측에 있어서 개구되어 있다.
포켓(103)에는 피복공구(1)가 위치하고 있다. 이 때, 피복공구(1)의 하면이 포켓(103)에 직접적으로 접하고 있어도 좋고, 또한 피복공구(1)와 포켓(103) 사이에 시트(도면에 나타내지 않는다)가 끼워져 있어도 좋다.
피복공구(1)는 레이크면 및 절삭날(7)로서 사용되는 부분의 적어도 일부가 홀더(105)로부터 바깥쪽으로 돌출하도록 홀더(105)에 장착된다. 본 실시형태에 있어서는 피복공구(1)는 고정 나사(107)에 의해, 홀더(105)에 장착되어 있다. 즉, 피복공구(1)의 관통구멍(17)에 고정 나사(107)를 삽입하고, 이 고정 나사(107)의 선단을 포켓(103)에 형성된 나사구멍(도면에 나타내지 않는다)에 삽입해서 나사부끼리를 나사결합시킴으로써 피복공구(1)가 홀더(105)에 장착되어 있다.
홀더(105)의 재질로서는 강, 주철 등을 사용할 수 있다. 이들의 부재 중에서 인성이 높은 강을 사용해도 좋다.
본 실시형태에 있어서는 소위 선삭가공에 사용되는 절삭공구(101)를 예시하고 있다. 선삭가공으로서는 예를 들면 내경가공, 외경가공 및 홈형성 가공 등을 들 수 있다. 또, 절삭공구(101)로서는 선삭가공에 사용되는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면 전삭가공에 사용되는 절삭공구에 상기 실시형태의 피복공구(1)를 사용해도 좋다.
이하에, 본 개시의 초경합금의 제조 방법에 대해서 설명한다.
원료분말로서, TiC 분말, ZrC 분말, WC 분말, TaC 분말, NbC 분말을 준비한다. 원료분말의 평균 입경은 0.1∼10㎛의 범위에서 적당하게 선택하면 좋다.
TiC 분말은 1.0∼3.0질량%의 범위로 한다. 또한 ZrC를 0.75∼2.0질량%로 한다. 이 때, TiC량을 ZrC량보다 크게 하는 것이 필요하다.
TaC 분말은 0∼5질량%로 하면 좋다. WC 분말은 80∼95질량%로 한다. 잔부를 Co 분말로 한다.
이들의 원료분말을 혼합하고, 성형한 후, 탈바인더 처리를 행하고, 진공, 아르곤 분위기 및 질소 분위기 등의 비산화성 분위기 중에서 1450∼1600℃의 온도에서 30∼180분간 소성함으로써 본 개시의 초경합금이 얻어진다.
이 초경합금을 절삭공구의 형상으로 함으로써 본 개시의 절삭공구가 된다.
또한 절삭공구의 형상의 초경합금에 CVD법으로 피복층을 형성함으로써 절삭공구의 슬라이딩성이나 내마모성이 향상된다.
CVD법으로 형성하는 피복층으로서는 초경합금의 표면에, 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiCN층을 3∼15㎛, Al2O3층을 1∼15㎛ 형성하면 좋다.
또한 초경합금의 표면에, 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiN층을 0.1∼1.5㎛, TiCN층을 3∼15㎛, Al2O3층을 1∼15㎛ 형성하면 좋다.
실시예
이하, 본 개시의 실시예를 구체적으로 설명한다.
WC 분말, Co 분말, ZrC 분말, TiC 분말, TaC 분말, NbC 분말을 소정의 비율로 혼합하고, 제작한 성형체를 1520℃의 온도에서 2시간 유지해서 소성하고, 표 1에 나타내는 조성의 초경합금을 제작했다.
Figure 112020101631985-pct00001
원료분말의 평균 입경은 각각 WC:3㎛, Co:1.5㎛, TiC, ZrC, TaC, NbC:1㎛였다. 또, 각각의 조성은 소결체에 포함되는 원소를 표 1의 화합물로 환산해서 나타내고 있다. 얻어진 초경합금을 하기의 조건의 고온 크리프 시험으로 평가했다.
<고온 크리프 시험>
온도:900℃
하중:9kN
분위기:아르곤
평가 방법:하중을 4시간 유지했을 때의 변위량을 측정한다
또한 표 1에 나타내는 조성으로 CNMG120408형상의 샘플을 작성하고, 모재측으로부터 순차적으로 질화TiN을 0.5㎛, TiCN을 7㎛, Al2O3막을 5㎛ 각각 성막하고, 하기의 조건으로 절삭평가를 행했다.
<절삭시험>
(1)내결손성 평가
·절삭조건
·가공 형태:선삭
·절삭속도:300m/min
·이송:0.3mm/rev
·절입:1.5mm
·피삭재:SCM440 4개 홈형성 φ200 환봉
·가공 상태:WET
·평가 항목:결손했을 때의 충격 횟수
(2)내마모성 평가
·절삭조건
·가공 형태:선삭
·절삭속도:300m/min
·이송:0.3mm/rev
·절입:2.0mm
·피삭재:SCM435 φ200 환봉
·가공 상태:WET
·평가 항목:플랭크면 마모폭이 0.3mm로 되었을 때의 절삭시간
제작한 시료의 제2고용체상은 모두, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.7 이상, 0.9 이하인 관계를 충족하고 있었기 때문에, 표 1에는 기재하지 않고, 생략했다. 본 개시의 구성 요건을 충족하는 시료 No. 4, 7, 8, 10, 15∼21은 크리프 시험 변위량이 작고, 마모량도 작고, 결손이 발생할 때까지의 시간도 길었다. 이 결과로부터 본 개시의 초경합금은 높은 슬라이딩 속도나 가공 속도에서 사용 가능한 것을 알 수 있다.
이상, 본 개시의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종의 개량 및 변경을 행해도 좋다.
1: 피복공구
3: 기체
5: 피복층
5a: TiCN층
5b: Al2O3층
17: 관통구멍
101: 절삭공구
103: 포켓
105: 홀더
107:고정 나사

Claims (7)

  1. W와 C를 함유하는 경질상과,
    W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 미만인 제1고용체상과,
    W와 C와 Ti와 Zr을 함유하고, 원자비로 Ti/(Ti+Zr)이 0.5 이상인 제2고용체상과,
    Ni 및 Co로부터 선택되는 1종 이상의 철속 금속을 함유하는 결합상을 갖는 초경합금으로서,
    상기 Ti를 TiC 환산으로 1.0∼3.0질량%, 상기 Zr을 ZrC 환산으로 0.75∼2.0질량% 함유하고 있고,
    상기 Ti의 TiC 환산량은 상기 Zr의 ZrC 환산량보다 많고, 3배보다 적고,
    상기 제1고용체상은 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.1 이상, 0.4 미만이고,
    상기 제2고용체상은 원자비로 Ti/(Ti+Zr)의 평균값이 0.7 이상, 0.9 이하이고,
    상기 초경합금의 단면에 있어서의, 상기 제1고용체상의 체적비율(V1)과, 상기 제2고용체상의 체적비율(V2)의 총합에 대한 상기 제1고용체상의 체적비율(V1)의 비율(V1/(V1+V2))이 0.05∼0.3인 초경합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti를 TiC 환산으로 1.5∼2.5질량%, 상기 Zr을 ZrC 환산으로 0.9∼1.4질량% 함유하고 있는 초경합금.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 초경합금과, 상기 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖는 피복공구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 피복층은 상기 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiCN층과 Al2O3층을 갖는 피복공구.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 피복층은 상기 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiN층과 TiCN층과 Al2O3층을 갖는 피복공구.
  7. 제1단으로부터 제2단을 향해서 연장되고, 상기 제1단측에 포켓을 갖는 홀더와,
    상기 포켓에 위치하는 제 4 항에 기재된 피복공구를 구비한 절삭공구.
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