WO2020196590A1 - 耐塑性変形性、耐チッピング性にすぐれたwc基超硬合金製切削工具および表面被覆wc基超硬合金製切削工具 - Google Patents
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- B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
- B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
Definitions
- the present invention is a WC-based cemented carbide cutting tool (also referred to as "WC-based cemented carbide tool”) that has excellent plastic deformation resistance and excellent chipping resistance in cutting difficult-to-cut materials such as stainless steel. ) And surface-coated WC-based cemented carbide cutting tools.
- the WC-based cemented carbide tool based on the WC-based cemented carbide exhibits excellent wear resistance and has a long life over a long period of use.
- Known as a cutting tool Known as a cutting tool.
- various proposals have been made in order to further improve the cutting performance and tool life of WC-based cemented carbide tools according to the type of work material, cutting conditions, and the like.
- a hard phase containing tungsten carbide as a main component and an iron group element (containing cobalt, and the content of cobalt is preferably 8% by mass or more in a cemented carbide) are the main components.
- a cemented carbide provided with a bonding phase when the number of tungsten carbide particles is A and the number of tungsten carbide particles having one or less contact points with other tungsten carbide particles is B, B / A.
- the plastic deformation resistance of cemented carbide is improved, and as a result, the life of WC-based cemented carbide tools is extended in wet continuous cutting of carbon steel and stainless steel. It is proposed to try.
- the amount of Co is 10 to 13% by mass
- the ratio of the amount of Cr to the amount of Co is 2 to 8%
- at least one of TaC and NbC has a total amount of TaC and NbC of 0.2 to 0.5% by mass.
- the WC cumulative particle size 80% diameter D80 and the integrated particle size 20 in the area ratio on the polished surface The ratio D80 / D20 of% diameter D20 is in the range of 2.0 ⁇ D80 / D20 ⁇ 4.0
- D80 is in the range of 4.0 to 7.0 ⁇ m
- the WC adhesion degree c is 0.36 ⁇ c.
- the value V b of the bonded phase volume ratio of the WC-based cemented carbide in this equation is 0.11 ⁇ V b ⁇ 0.25, and ( The value L of (standard deviation of particle size distribution of WC particles) / (average WC particle size) is within the range of 0.3 ⁇ L ⁇ 0.7, and the coefficient ⁇ is 0.3 ⁇ ⁇ ⁇ 0.55.
- Patent Document 5 includes wet mixing WC powders having various particle size distributions with a binder metal and a pressure molding agent without kneading, drying, pressure molding, and sintering.
- the grains of WC powder are classified into two groups, a group of small grains having a maximum particle size a max and a group of large grains having a minimum particle size b min , and each group has at least 10 of the total amount of WC grains.
- a method for producing a WC-based cemented carbide tool having a bimodal particle size distribution containing%, b min ⁇ a max > 0.5 ⁇ m, and particle size variation within each group> 1 ⁇ m has been proposed.
- the grains of the small grain group are pre-coated with the grain growth inhibitor
- the grains of the large grain group are pre-coated with the binder metal
- the WC-based cemented carbide tool is 4 to 20 wt% with WC.
- Co and ⁇ 30 wt% cubic carbide as a mixture or solid solution of these containing TiC, TaC, NbC, or WC, WC particles are classified into two groups and are less than 1.5 ⁇ m. It has been proposed that the weight ratio of fine WC particles to coarse WC particles of 2.5 to 6.0 ⁇ m is in the range of 0.25 to 4.0.
- the WC-based cemented carbide tool produced by the above manufacturing method is said to exhibit excellent wear resistance in turning stainless steel.
- Patent Document 6 includes two types of tungsten carbide phases having a different average particle size dispersed in a bonded phase in a WC-based cemented carbide containing chromium carbide, and the average grains of the two types of tungsten carbide phases.
- the diameter ratio is 3 ⁇ average particle size (large) / average particle size (small) ⁇ 7
- the volume ratio is 1.5 ⁇ average particle size (large) volume / average particle size (small) volume.
- ⁇ 3 and the bonding phase contains 0.5 to 2.0% by weight of chromium carbide and 5 to 15% by weight of Co
- the maximum particle size of the tungsten carbide phase is 3.0 ⁇ m or less.
- WC-based carbide tools have been proposed.
- an alloy steel end mill is formed by dispersing two types of tungsten carbide particles having different particle sizes in the bonding phase and solidifying and strengthening chromium carbide in the bonding phase. It is said to show excellent strength, toughness, and crack propagation resistance in processing.
- Japanese Patent No. 6256415 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-88999 (A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-148895 (A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-179433 (A) Japanese Patent No. 4970638 (B) Japanese Patent No. 3605740 (B)
- the number of contact points between WC-WC particles, the particle size of WC particles, the particle size distribution of WC particles, the degree of WC adhesion and the like are controlled. By doing so, the cutting performance and tool characteristics of the WC-based cemented carbide tool are improved.
- the above-mentioned conventional tool in cutting a difficult-to-cut material such as stainless steel, it is difficult to suppress the growth of cracks because the plastic deformation resistance is not sufficient and the toughness is not sufficient. The tool life was short due to the occurrence of abnormal damage such as deformation of the cutting edge and chipping.
- the present inventors have WC particles of WC-based cemented carbide in order to provide a WC-based cemented carbide tool that exhibits excellent plastic deformation resistance and chipping resistance in cutting difficult-to-cut materials such as stainless steel.
- the WC particles formed a strong skeleton structure, and as a result.
- the contact length between the WC-WC particles is increased and the occurrence of grain boundary slip at the interface of the WC-WC particles is reduced, so that the plastic deformation resistance is improved.
- coarse particles and fine WC particles are mixed in the alloy structure, even if cracks occur in the WC-based superalloy, linear crack growth is suppressed, and as a result, WC groups are suppressed. They found that the toughness of superalloys was improved.
- a WC-based cemented carbide tool having a structure in which WC particles in the WC-based cemented carbide have a structure close to the most densely packed structure is used for cutting a difficult-to-cut material such as stainless steel, it is resistant to plastic deformation.
- the deformation of the cutting edge of the tool is suppressed, and the growth of cracks is suppressed, so that the occurrence of abnormal damage such as chipping is also suppressed, and the life of the tool can be extended.
- the present invention has been made based on the above findings, and has the following aspects.
- (1) In a WC-based cemented carbide cutting tool based on a WC-based cemented carbide.
- the particle size of the WC particles in the cross section of the WC-based superhard alloy was measured and the particle size distribution was obtained based on the area, there were a plurality of maximum values in the particle size distribution, and the most formed on the coarse particle side.
- the particle size ratio r2 / r1 is 0.15 or more and 0.60 or less.
- a WC-based superhard alloy cutting tool characterized in that the area ratio of WC particles having a particle size of about 1.20 times, that is, A2 ⁇ 100 / (A1 + A2) is 5 to 35 area%.
- the (1), (2) Cr 3 C 2, TaC in, NbC, TiC, content of ZrC is, Cr content measured for the cross section of the WC-based cemented carbide, Ta amount, Nb amount, Ti amount, The amount of Zr is a value converted to carbide.
- WC-based cemented carbide tool of the present invention and surface-coated WC-based cemented carbide cutting tool according to the embodiment of the present invention
- Co, Cr 3 C 2 which is a component of the WC-based cemented carbide constituting the substrate, or TaC, NbC, TiC, and ZrC have a specific composition range, and WC. Since the WC particles in the basic cemented carbide have a structure state close to the closest packed structure, the contact length between the WC-WC particles becomes long, and the occurrence of grain boundary slip at the WC-WC interface is suppressed.
- a schematic diagram is shown in the case where a close-packed structure composed of three coarse-grained WCs and one fine-grained WC is formed in a WC-based cemented carbide.
- R2 is the diameter of the fine grain WC).
- a schematic diagram is shown in the case where a close-packed structure composed of four coarse-grained WCs and one fine-grained WC is formed in a WC-based cemented carbide.
- a schematic diagram for measuring the amount of plastic deformation of the flank surface of the cutting edge is shown.
- the upper view (rake surface) is a plan view, and the lower view (relief surface) is a side view.
- the amount of plastic deformation of the flank surface of the cutting edge is based on the undeformed cutting edge ridge line before cutting, and the amount of deformation due to the cutting edge ridge line being pushed by cutting is measured after cutting.
- the specific measurement method is to draw a line segment on the ridgeline where the main cutting edge side flank surface and the rake face intersect at a position sufficiently distant from the cutting edge on the main cutting edge side flank surface of the tool, and cut the same line segment. Stretch in the direction of the cutting edge, measure the part where the distance between the stretched line segment and the ridgeline of the cutting edge (vertical direction of the stretched line segment) is the longest, and obtain this as the amount of plastic deformation of the flank of the cutting edge. ..
- Co is contained as a main bonded phase forming component of the WC-based cemented carbide, but if the Co content is less than 5% by mass, sufficient toughness cannot be maintained, while the Co content exceeds 14% by mass.
- the Co content in the WC-based cemented carbide is set to 5 to 14% by mass because the desired hardness required for a cutting tool cannot be obtained and the deformation and wear progress become remarkable. I decided.
- Cr 3 C 2 In Cr 3 C 2 , Cr is dissolved in Co forming the main bonding phase, and Co is dissolved and strengthened to increase the strength of the WC-based cemented carbide. However, this action is insufficient when the Cr 3 C 2 content is less than 0.1% by mass, while when the content exceeds 10% with respect to the Co content, a composite carbide of Cr and W is produced. Precipitates, the toughness decreases, and it becomes the starting point of the occurrence of defects. Since the upper limit of the Co content is 14% by mass in the present invention, the upper limit of Cr 3 C 2 is 1.4% by mass, which is 10% of the upper limit of the Co content. Therefore, the Cr 3 C 2 content in the WC-based cemented carbide was determined to be 0.1 to 1.4% by mass.
- the WC-based cemented carbide of the present invention can further contain at least one selected from TaC, NbC, TiC and ZrC as a component thereof in a total amount of 4% by mass or less.
- TaC, NbC, TiC, and ZrC all have the effect of enhancing oxidation resistance and crater abrasion resistance, but when the total content of them in terms of carbide exceeds 4% by mass, the abrasion resistance becomes insufficient.
- agglomerates are likely to be formed, which serves as a starting point for defects.
- the total content is preferably 4% by mass or less.
- the contents of Cr 3 C 2 , TaC, NbC, TiC, and ZrC described above are all carbides of Cr amount, Ta amount, Nb amount, Ti amount, and Zr amount measured by EPMA for WC-based cemented carbide. It is a converted value.
- Close-packed structure of WC particles The WC particles in the WC-based cemented carbide in the WC-based cemented carbide tool of the present invention have a close-packed structure or a structure close to the close-packed structure, which will be described with reference to the schematic views of FIGS. 1 and 2. .. First, FIG. 1 will be described. In FIG. 1, one fine particle WC particle 2 having a particle size r2 invades into a region surrounded by three coarse particle WC particles 1 having a particle size r1, and three coarse particle WC particles 1 and one fine particle. A schematic diagram showing a close-packed structure composed of WC particles and 2.
- FIG. 2 A schematic diagram showing a structure close to a close-packed structure composed of WC particles 2.
- a virtual grid as shown by a dotted line in FIG. 2
- the grid length of the virtual grid is a
- 2 ⁇ r1 ⁇ 2 ⁇ a.
- r1 + r2 a Therefore, when this equation is solved, r2 / r1 ⁇ 0.414. Therefore, in order to form a close-packed structure as shown in the schematic diagram of FIG.
- the value of r2 / r1 must be approximately 0.42.
- r2 / r1 are the results calculated on the assumption that all are coarse-grained WC particles 1 having the same diameter and all are fine-grained WC particles 2 having the same diameter. Since the WC-based cemented carbides have different diameters of WC particles, the above idea cannot be directly applied as a method for forming the closest packed structure of WC particles. However, by applying this idea to WC powder, which is a raw material powder for producing WC-based cemented carbide, it is possible to use it for forming the closest packed structure of WC particles in the WC-based cemented carbide after sintering. it can.
- a mixed powder composed of coarse-grained WC powder P1 having a particle size d1 and fine-grained WC powder P2 having a particle size d2 is prepared, and this mixed powder is mixed with another raw material powder containing Co powder to determine the degree of pulverization.
- WC-based superhard alloy sintered body WC having a particle size r1 and a particle size r2 is contained in the WC-based superhard alloy sintered body.
- a sintered body structure in which particles coexist is formed.
- the degree of pulverization of r1 or r2 of the WC-based cemented carbide is suppressed to a low level in the pulverization / mixing / stirring steps of the raw material powder, the particle size change is small, so that the WC particles of the sintered body are WC particles. It can be said that r1 or r2 of is almost the same value as d1 or almost d2.
- the ratio r2 / r1 of r1 and r2 of the WC particles in the WC-based cemented carbide is The range is approximately 0.15 to 0.60, and the structure is a close-packed structure or a structure close to this.
- the actual WC powder does not have a single particle size of d1 or d2 but has a particle size distribution, in order to form the closest packed structure of WC particles in the WC-based cemented carbide, it is a raw material.
- the particle size distribution of the WC powder as a powder or the particle size distribution of the WC particles in the WC-based cemented carbide must be considered. Therefore, the present inventors focused on the most frequent value, which is a factor that characterizes the particle size distribution, and set the most frequent value formed on the coarse grain side of 3 ⁇ m or more in the particle size distribution having a plurality of maximum values.
- the particle size ratio r2 / r1 is 0.15 or more and 0.60 or less, and the total area of WC particles having a particle size of 0.75 to 1.20 times that of r1 is 0.50 to 1.20 times the particle size of A1 and r2. Coarse so that the total area ratio of WC particles having a particle size of 0.50 to 1.20 times that of r2, that is, A2 ⁇ 100 / (A1 + A2) in the total area of WC particles A2 is 5 to 35 area%.
- the fine WC exerts an effect of sufficiently lengthening the contact length between the WC and WC particles. If it exceeds 35% by volume, the coarse-grained WC particles in the WC-based cemented carbide cannot form a close-packed structure that forms the framework of the foundation.
- the coarse-grained WC powder and the fine-grained WC powder which are the WC raw material powders used, are respectively used. It is important to adjust the particle size distribution and to adjust the blending amount of coarse WC powder and fine WC powder, and WC-based cemented carbide made of WC-based cemented carbide obtained by adjusting these appropriately. Exhibits excellent plastic deformation resistance and chipping resistance in the cutting of difficult-to-cut materials such as stainless steel.
- the features of the manufacturing process in the present invention are the particle size ratio of d2 / d1 and the particle size ratio of particles having a particle size d1 and particles having a particle size d2, and a particle size ratio of r2 / r1 and particles having a particle size r1.
- the target alloy structure is achieved. Specifically, in the raw material WC, the polycrystalline WC was not adopted because the particles may be crushed and crushed in the mixing process to cause a deviation from the original particle size, and only the single crystal WC was used.
- the WC particle size distribution can be approximated by a Gaussian function in which the horizontal axis represents the WC particle size and the vertical axis represents the WC frequency when measured by the laser diffraction / scattering particle size distribution measuring method.
- the standard deviation ( ⁇ ) is calculated from the function formula, the coarse particle WC has a 3 ⁇ value of 0.20 ⁇ d1 or less, and the fine particle WC has a 3 ⁇ value of 0.20 ⁇ d2 or less. I chose.
- the mixing method in order to prevent the WC particles from being crushed and changing from the particle size of the original raw material WC, it was decided to introduce a mixing having a low crushing energy, preferably a medialess mixing. .. Furthermore, in the sintering method, if sintering is performed at a high temperature for a long time, WC grain growth occurs and causes a deviation from the original particle size, so that nests (pores) do not occur in the alloy. It was decided to perform sintering under the optimum sintering conditions at low temperature and in a short time. Based on this idea, the WC-based cemented carbide tool of the present invention can be manufactured, for example, by the following steps.
- two types of single crystal WC powders having different particle size distributions are blended so as to have a predetermined blending ratio, and further, a raw material powder composed of Co powder and Cr 3 C 2 powder, or, if necessary, a raw material powder.
- a raw material powder containing one or more of TaC powder, NbC powder, TiC powder, and ZrC powder is added to reduce the amount of media, for example, an attritor, preferably an ultrasonic homogenizer, a cyclone mixer, or the like.
- a mixed powder is prepared by blending and mixing under conditions that do not apply a large crushing force by medialess mixing. Then, the mixed powder is molded to prepare a powder compact, and the powder compact is heated at a heating temperature of 1300 ° C.
- WC-based cemented carbide so as to suppress changes in WC shape and particle size distribution due to grain growth by sintering under low temperature and short time vacuum atmosphere conditions such as ⁇ 120 minutes, preferably 15-60 minutes. To make. Then, the WC-based cemented carbide can be machined and ground to produce a WC-based cemented carbide tool having a desired size and shape.
- the WC-based cemented carbide tool produced in the above step has a long contact length between WC-WC particles and reduces the occurrence of grain boundary slip at the interface between WC-WC particles, thereby resulting in plastic resistance deformation.
- the properties are improved, and coarse and fine WC particles are mixed in the alloy structure, so that even if cracks occur in the WC-based cemented carbide, linear crack growth is suppressed and toughness is suppressed. Is improved.
- a cutting tool made of a surface-coated WC-based cemented carbide can be produced by forming a coating by a film forming method such as.
- the type of hard film and the film forming method may be a film type and a film forming method already well known to those skilled in the art, and are particularly limited. It is not something to do.
- the WC-based cemented carbide tool and the surface-coated WC-based cemented carbide cutting tool of the present invention will be specifically described with reference to Examples.
- a powder for sintering was prepared by blending in a WC particle size ratio / blending ratio of coarse particles and fine particles such that the WC blending amount + the fine particle WC blending amount having the mode of d2) satisfied 5 to 35%.
- Table 1 shows the compounding composition (mass%) of various powders, and shows the values of particle sizes d1 and d2 corresponding to the most frequent values of the particle size distributions of the two types of WC powders, and also shows the fine particle WC. And the blending ratio of coarse grain WC are also shown.
- the average particle size (D50) of Co powder, Cr 3 C 2 powder, TaC powder, NbC powder, TiC powder, and ZrC powder is all in the range of 1.0 to 3.0 ⁇ m.
- Comparative Example Tools 1 to 9 were manufactured.
- Medialess for sintering powder with WC particle size ratio / blending ratio of coarse and fine particles such that WC blending amount + fine grain WC blending amount with mode d2) is out of the range of 5 to 35%.
- a powder compact was prepared by wet mixing with an attritor at a rotation speed of 50 rpm for 8 hours, drying, and press molding at a pressure of 100 MPa. Then, by performing the same steps as (c) and (d) in the manufacturing steps of the tools 1 to 11 of the present invention, the comparative example tools 1 to 9 shown in Table 4 were manufactured.
- the cross sections of the WC-based superhard alloys of the tools 1 to 11 of the present invention and the tools 1 to 9 of the comparative examples were observed with a scanning electron microscope (SEM) equipped with a backscattered electron diffraction method (hereinafter referred to as EBSD).
- SEM scanning electron microscope
- EBSD backscattered electron diffraction method
- the area of each WC grain is measured by image analysis of the crystal orientation mapping image of the obtained WC grain, the diameter when the WC grain is approximated to a circle of the same area is calculated, and the vertical axis is the particle area ratio (measurement).
- a particle size distribution graph was created with the horizontal axis as the ratio of the total area of WC particles having the corresponding particle size to the total area of all WC particles within the range).
- the horizontal axis at this time is divided by 0.2 ⁇ m width, and the minimum value is 0.1 ⁇ m.
- the particle size of WC shall be a value in the middle of the dividing width.
- the cross section used for observing the EBSD and SEM is an arbitrary cross section, and in this example, the cross section of the alloy processed by ion milling at least 100 ⁇ m from the outermost surface of the flank was observed.
- the observation range in EBSD was a field of view of 24 ⁇ 72 ⁇ m per field of view, and the number of WC particles was set to 4000 or more within the measurement range.
- the observation conditions for EBSD were 1 pixel size of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.1 ⁇ m and capture time of 15 ms / point.
- the observation range in the SEM was a field of view of 24 ⁇ 72 ⁇ m per field of view, and the number of WC particles was set to 4000 or more within the measurement range.
- the observation condition in SEM was an accelerating voltage of 15 k ⁇ .
- the particle size corresponding to the most frequent value formed on the coarse grain side of 3 ⁇ m or more is r1, while the most frequent particle size formed on the fine grain side of less than 3 ⁇ m.
- the particle size corresponding to the value was determined as r2.
- the total area of the WC particles having a particle size of 0.75 to 1.20 times that of r1 is A1 ( ⁇ m 2 ) and the particle size is 0.50 to 1.20 times that of r2.
- the total area A2 ( ⁇ m 2 ) of the WC particles was obtained, and the total area of WC particles A1 and r2 having a particle size of 0.75 to 1.20 times the total area of WC particles A1 and r2 were 0.50 to 1.20 times the particle size of the WC particles.
- the total area ratio (A2 ⁇ 100 / (A1 + A2).
- FIG. 3 shows a schematic diagram for measuring the amount of plastic deformation of the flank. Table 5 shows the measurement results.
- a hard coating layer having an average layer thickness shown in Table 6 is coated on the cutting tool surfaces of the tools 1 to 4 of the present invention and tools 1 to 4 of the comparative example by the PVD method or the CVD method, and the surface coating WC group of the present invention is formed.
- Cemented Carbide Cutting Tools hereinafter referred to as "Coating Tools of the Present Invention”
- Comparative Example Surface Coated WC-based Cemented Carbide Cutting Tools hereinafter referred to as "Comparative Example Covering Tools”
- Cutting conditions Work material: JIS / SUS304 (HB170) round bar, Cutting speed: 150 m / min, Notch: 2.0 mm, Feed: 0.5 mm / rev, Cutting time: 5 minutes, Uses wet water-soluble cutting oil. Table 7 shows the results of the cutting test.
- the tool of the present invention and the coated tool of the present invention exhibit excellent plastic deformation resistance without causing chipping.
- the comparative example tool and the comparative example covering tool were inferior in chipping resistance and plastic deformation resistance, and reached the end of their life in a short time.
- the WC-based cemented carbide tool and the covering tool of the present invention have excellent plastic deformation resistance and excellent chipping resistance when used for cutting difficult-to-cut materials such as stainless steel. Even when applied to the work material and cutting conditions of the above, it is expected that excellent cutting performance will be exhibited over a long period of use and the life of the tool will be extended.
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Abstract
WC基超硬合金製切削工具において、前記WC基超硬合金の成分組成は、Co:5~14質量%、Cr3C2:0.1~1.4質量%、残部はWC及び不可避不純物からなり、前記WC基超硬合金の断面におけるWC粒子の粒径を測定して粒径分布を求めた場合、粒径分布には複数の極大値が存在し、粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr1、一方、微粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr2としたとき、粒径比率r2/r1が0.15以上0.60以下であり、かつ、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の面積割合A2×100/(A1+A2)が5~35面積%であるWC基超硬合金製切削工具及び表面被覆WC基超硬工具。
Description
本発明は、ステンレス鋼等の難削材の切削加工において、すぐれた耐塑性変形性を備え、すぐれた耐チッピング性を発揮するWC基超硬合金製切削工具(「WC基超硬工具」ともいう)および表面被覆WC基超硬合金製切削工具に関する。
本願は、2019年3月25日に、日本に出願された特願2019-057278号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2019年3月25日に、日本に出願された特願2019-057278号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
WC基超硬合金は硬さが高く、また、靱性を備えることから、これを基体とするWC基超硬工具は、すぐれた耐摩耗性を発揮し、また、長期の使用にわたって長寿命を有する切削工具として知られている。
しかし、近年、被削材の種類、切削加工条件等に応じて、WC基超硬工具の切削性能、工具寿命をより一段と向上させるべく、各種の提案がなされている。
しかし、近年、被削材の種類、切削加工条件等に応じて、WC基超硬工具の切削性能、工具寿命をより一段と向上させるべく、各種の提案がなされている。
例えば、特許文献1では、炭化タングステンを主成分とする硬質相と、鉄族元素(コバルトを含み、コバルトの含有量は超硬合金中において8質量%以上であることが好ましい)を主成分とする結合相とを備える超硬合金において、炭化タングステンの粒子数をA、他の炭化タングステン粒子との接触点の点数が1点以下の炭化タングステン粒子の粒子数をBとするとき、B/A≦0.05を満たすようにすることで、超硬合金の耐塑性変形性を向上させ、その結果として、炭素鋼、ステンレス鋼の湿式連続切削加工において、WC基超硬工具の長寿命化を図ることが提案されている。
特許文献2では、Co量が10~13質量%、Co量に対するCr量の比が2~8%、TaCとNbCの少なくとも1種をTaCとNbCの総量が0.2~0.5質量%となる範囲で含有し、残部がWCから成り、硬さが88.6HRA~89.5HRAであるWC基超硬工具において、研磨面上の面積比におけるWC積算粒度80%径D80と積算粒度20%径D20の比D80/D20を2.0≦D80/D20≦4.0の範囲とし、また、D80を4.0~7.0μmの範囲とし、かつWC接着度cを0.36≦c≦0.43とすることにより、ステンレス鋼に代表される難削材の切削加工において、被削材の凝着を防止し耐欠損性を向上させることが提案されている。
特許文献3では、WC基超硬合金製ドリルにおいて、WC基超硬合金の成分組成を、WC-x質量%Co-y質量%Cr3C2-z質量%VCで表したとき、6≦x≦14、0.4≦y≦0.8、0≦z≦0.6、(y+z)≦0.1xを満足し、また、WC基超硬合金のWC接着度Cを、C=1-Vb
α・exp(0.391・L)で表したとき、この式におけるWC基超硬合金の結合相体積率の値Vbは0.11≦Vb≦0.25、また、(WC粒子の粒度分布の標準偏差)/(平均WC粒度)の値Lは0.3≦L≦0.7の範囲内であって、さらに、係数αが0.3≦α≦0.55の値を満足するWC接着度Cを有するWC基超硬合金とすることにより、Al合金、炭素鋼等の切削加工において、硬さと剛性を低下させることなく靱性を向上させ、耐欠損性を高めたWC基超硬合金製ドリルが提案されている。
特許文献4では、WC基超硬工具において、WC-WC接着界面長さをL1とし、WC-Co接着界面長さをL2とした時、
R>(0.82-0.086×D)×(10/V)
の式を満足させることにより、Ni基耐熱合金の切削加工において、WC基超硬工具の耐熱塑性変形性と靱性を向上させることが提案されている。
なお、R=(L1)/((L1)+(L2))
D:WC面積平均粒径(μm)であって、0.6≦D≦1.5の範囲である。
ここで、前記Dは、WCの面積率が50%となるときのWCの粒径をいう。
V:結合相体積(vol%)であって、9≦V≦14の範囲である。
R>(0.82-0.086×D)×(10/V)
の式を満足させることにより、Ni基耐熱合金の切削加工において、WC基超硬工具の耐熱塑性変形性と靱性を向上させることが提案されている。
なお、R=(L1)/((L1)+(L2))
D:WC面積平均粒径(μm)であって、0.6≦D≦1.5の範囲である。
ここで、前記Dは、WCの面積率が50%となるときのWCの粒径をいう。
V:結合相体積(vol%)であって、9≦V≦14の範囲である。
特許文献5では、種々の粒径分布を有するWC粉末をバインダー金属と加圧成形剤とともに混練することなく湿式混合し、乾燥すること、加圧成形すること、及び焼結することを含み、前記WC粉末の粒は、小さな粒のグループが最大粒径amaxを有し且つ大きな粒のグループが最小粒径bminを有する二つのグループに分類され、且つ各グループがWC粒の総量の少なくとも10%を含有し、bmin-amax>0.5μmでありかつ各グループ内の粒径変動が>1μmである双峰粒径分布を備えるWC基超硬工具の製造方法が提案されている。
さらに、小さい粒のグループの粒を、粒成長抑制剤で予め被覆すること、大きな粒のグループの粒を、バインダー金属で予め被覆すること、WC基超硬工具は、WCと、4~20wt%のCoと、TiC、TaC、NbC、或いはWCを含有するこれらの混合物または固溶体としての<30wt%の立方晶炭化物とを含むこと、WCの粒は二つのグループに分類され、1.5μm以下の微細WC粒子対2.5~6.0μmの粗いWC粒子の重量比が、0.25~4.0の範囲にあることが提案されている。
そして、前記製造方法で作製したWC基超硬工具は、ステンレス鋼の旋削加工において、すぐれた耐摩耗性を示すとされている。
さらに、小さい粒のグループの粒を、粒成長抑制剤で予め被覆すること、大きな粒のグループの粒を、バインダー金属で予め被覆すること、WC基超硬工具は、WCと、4~20wt%のCoと、TiC、TaC、NbC、或いはWCを含有するこれらの混合物または固溶体としての<30wt%の立方晶炭化物とを含むこと、WCの粒は二つのグループに分類され、1.5μm以下の微細WC粒子対2.5~6.0μmの粗いWC粒子の重量比が、0.25~4.0の範囲にあることが提案されている。
そして、前記製造方法で作製したWC基超硬工具は、ステンレス鋼の旋削加工において、すぐれた耐摩耗性を示すとされている。
特許文献6には、炭化クロムを含有するWC基超硬合金において,結合相中に分散した複数の平均粒径の異なる2種類の炭化タングステン相を備え、前記2種類の炭化タングステン相の平均粒径の比が3≦平均粒径(大)/平均粒径(小)≦7であり,かつその体積比が1.5≦平均粒径(大)の体積/平均粒径(小)の体積≦3であり、前記結合相として,炭化クロムを0.5~2.0重量%,Coを5~15重量%含有し、前記炭化タングステン相の最大粒径が3.0μm以下であるエンドミル用WC基超硬工具が提案されている。
そして、前記エンドミル用WC基超硬工具においては、2種類の粒度の異なる炭化タングステン粒子を結合相中に分散させ,かつ結合相に炭化クロムを固溶強化させることによって,例えば、合金鋼のエンドミル加工において、すぐれた強度,靭性,クラック伝播抵抗性を示すとされている。
そして、前記エンドミル用WC基超硬工具においては、2種類の粒度の異なる炭化タングステン粒子を結合相中に分散させ,かつ結合相に炭化クロムを固溶強化させることによって,例えば、合金鋼のエンドミル加工において、すぐれた強度,靭性,クラック伝播抵抗性を示すとされている。
前記特許文献1~6で提案されている従来のWC基超硬工具によれば、WC-WC粒子相互の接触点数、WC粒子の粒度、WC粒子の粒径分布、WC接着度等をコントロールすることによって、WC基超硬工具の切削性能、工具特性の向上を図っている。
しかし、前記従来の工具では、ステンレス鋼のような難削材の切削加工においては、耐塑性変形性が十分でなく、また、靱性が十分でないために亀裂の進展を抑制することが難しく、そのため、刃先の変形やチッピング等の異常損傷の発生を原因として、工具寿命は短命であった。
しかし、前記従来の工具では、ステンレス鋼のような難削材の切削加工においては、耐塑性変形性が十分でなく、また、靱性が十分でないために亀裂の進展を抑制することが難しく、そのため、刃先の変形やチッピング等の異常損傷の発生を原因として、工具寿命は短命であった。
本発明者らは、ステンレス鋼のような難削材の切削加工において、すぐれた耐塑性変形性と耐チッピング性を発揮するWC基超硬工具を提供すべく、WC基超硬合金のWC粒子の形態に着目し、鋭意研究を進めたところ、次のような知見を得た。
即ち、本発明者らは、WC基超硬工具において、WC粒子相互がほぼ最密充填構造に近くなるような組織状態を形成したところ、WC粒子相互が強固なスケルトン構造を形成し、その結果として、WC―WC粒子間の接触長さが長くなり、WC-WC粒子の界面での粒界すべりの発生が低減されることで耐塑性変形性が向上することを見出した。
また、粗粒と微粒のWC粒子が合金組織中に混在していることで、WC基超合金中に亀裂が発生したとしても、直線的な亀裂の進展が抑制され、その結果として、WC基超合金の靱性が向上することを見出したのである。
したがって、WC基超硬合金中のWC粒子が最密充填構造に近い組織を備えるWC基超硬工具を、ステンレス鋼等の難削材の切削加工に供した場合には、耐塑性変形性の向上によって、工具の刃先の変形が抑制されるとともに、亀裂の進展が抑制されることによって、チッピング等の異常損傷の発生も抑制され、工具の長寿命化を図ることができるのである。
また、粗粒と微粒のWC粒子が合金組織中に混在していることで、WC基超合金中に亀裂が発生したとしても、直線的な亀裂の進展が抑制され、その結果として、WC基超合金の靱性が向上することを見出したのである。
したがって、WC基超硬合金中のWC粒子が最密充填構造に近い組織を備えるWC基超硬工具を、ステンレス鋼等の難削材の切削加工に供した場合には、耐塑性変形性の向上によって、工具の刃先の変形が抑制されるとともに、亀裂の進展が抑制されることによって、チッピング等の異常損傷の発生も抑制され、工具の長寿命化を図ることができるのである。
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を備える。
(1)WC基超硬合金を基体とするWC基超硬合金製切削工具において、
前記WC基超硬合金の成分組成は、Co:5~14質量%、Cr3C2:0.1~1.4質量%、残部はWC及び不可避不純物からなり、
前記WC基超硬合金の断面におけるWC粒子の粒径を測定し、面積基準で粒径分布を求めた場合、粒径分布には複数の極大値が存在し、粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr1、一方、微粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr2としたとき、粒径比率r2/r1が0.15以上0.60以下であり、かつ、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の面積割合、すなわちA2×100/(A1+A2)が5~35面積%であることを特徴とするWC基超硬合金製切削工具。
(2)前記WC基超硬合金は、TaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を合計量で4質量%以下、さらに含有することを特徴とする(1)に記載のWC基超硬合金製切削工具。
(3)(1)または(2)に記載のWC基超硬合金製切削工具の少なくとも切れ刃には、硬質被覆層が形成されていることを特徴とする表面被覆WC基超硬合金製切削工具。 なお、前記(1)、(2)におけるCr3C2、TaC、NbC、TiC、ZrCの含有量は、WC基超硬合金の断面について測定したCr量、Ta量、Nb量、Ti量、Zr量を、いずれも炭化物換算した数値である。
(1)WC基超硬合金を基体とするWC基超硬合金製切削工具において、
前記WC基超硬合金の成分組成は、Co:5~14質量%、Cr3C2:0.1~1.4質量%、残部はWC及び不可避不純物からなり、
前記WC基超硬合金の断面におけるWC粒子の粒径を測定し、面積基準で粒径分布を求めた場合、粒径分布には複数の極大値が存在し、粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr1、一方、微粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr2としたとき、粒径比率r2/r1が0.15以上0.60以下であり、かつ、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の面積割合、すなわちA2×100/(A1+A2)が5~35面積%であることを特徴とするWC基超硬合金製切削工具。
(2)前記WC基超硬合金は、TaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を合計量で4質量%以下、さらに含有することを特徴とする(1)に記載のWC基超硬合金製切削工具。
(3)(1)または(2)に記載のWC基超硬合金製切削工具の少なくとも切れ刃には、硬質被覆層が形成されていることを特徴とする表面被覆WC基超硬合金製切削工具。 なお、前記(1)、(2)におけるCr3C2、TaC、NbC、TiC、ZrCの含有量は、WC基超硬合金の断面について測定したCr量、Ta量、Nb量、Ti量、Zr量を、いずれも炭化物換算した数値である。
本発明の態様のWC基超硬工具および表面被覆WC基超硬合金製切削工具(以下、「本発明のWC基超硬工具」及び「本発明の表面被覆WC基超硬合金製切削工具」とそれぞれ称する。)は、その基体を構成するWC基超硬合金の成分であるCo、Cr3C2、あるいはさらに、TaC、NbC、TiC、ZrCが特定の組成範囲を有し、また、WC基超硬合金におけるWC粒子相互がほぼ最密充填構造に近い組織状態を備えることから、WC―WC粒子間の接触長さが長くなって、WC-WC界面の粒界すべりの発生が抑制され、切削工具としての耐塑性変形性にすぐれ、刃先の変形が抑制される。また、粗粒と微粒のWC粒子が合金組織中に混在していることで、WC基超合金中に亀裂が発生したとしても、直線的な亀裂の進展が抑制されることから、チッピング等の耐異常損傷性が向上する。
以下、本発明について詳細に説明する。
Co:
Coは、WC基超硬合金の主たる結合相形成成分として含有させるが、Co含有量が5質量%未満では十分な靱性を保持することはできず、一方、Co含有量が14質量%を超えると急激に軟化し、切削工具として必要とされる所望の硬さが得られず、変形および摩耗進行が顕著になることから、WC基超硬合金中のCo含有量を5~14質量%と定めた。
Coは、WC基超硬合金の主たる結合相形成成分として含有させるが、Co含有量が5質量%未満では十分な靱性を保持することはできず、一方、Co含有量が14質量%を超えると急激に軟化し、切削工具として必要とされる所望の硬さが得られず、変形および摩耗進行が顕著になることから、WC基超硬合金中のCo含有量を5~14質量%と定めた。
Cr3C2:
Cr3C2は、主たる結合相を形成するCo中にCrが固溶し、Coを固溶強化することで、WC基超硬合金の強度を高める。しかし、この作用は、Cr3C2含有量が、0.1質量%未満では不充分であり、一方、その含有量がCoの含有量に対し10%を超えると、CrとWの複合炭化物を析出し、靱性が低下し、また、欠損発生の起点となる。
本発明においてはCo含有量上限が14質量%であるため、Cr3C2の上限はCo含有量上限の10%である1.4質量%である。
したがって、WC基超硬合金中のCr3C2含有量は、0.1~1.4質量%と定めた。
Cr3C2は、主たる結合相を形成するCo中にCrが固溶し、Coを固溶強化することで、WC基超硬合金の強度を高める。しかし、この作用は、Cr3C2含有量が、0.1質量%未満では不充分であり、一方、その含有量がCoの含有量に対し10%を超えると、CrとWの複合炭化物を析出し、靱性が低下し、また、欠損発生の起点となる。
本発明においてはCo含有量上限が14質量%であるため、Cr3C2の上限はCo含有量上限の10%である1.4質量%である。
したがって、WC基超硬合金中のCr3C2含有量は、0.1~1.4質量%と定めた。
TaC、NbC、TiC、ZrC:
本発明のWC基超硬合金は、その成分として、さらに、TaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を合計量で4質量%以下、さらに含有することができる。
TaC、NbC、TiC、ZrCはいずれも、耐酸化性や耐クレーター摩耗性を高める効果を有するが、それらを炭化物換算した合計含有量が4質量%を超えると、耐摩耗性が不十分となり、また凝集体が出来やすくなるため欠損発生の起点となる。
したがって、WC基超硬合金中の成分としてTaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を含有させる場合には、その合計含有量は、4質量%以下とすることが望ましい。
なお、前記したCr3C2、TaC、NbC、TiC、ZrCの含有量は、WC基超硬合金についてEPMAによって測定したCr量、Ta量、Nb量、Ti量、Zr量を、いずれも炭化物換算した数値である。
本発明のWC基超硬合金は、その成分として、さらに、TaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を合計量で4質量%以下、さらに含有することができる。
TaC、NbC、TiC、ZrCはいずれも、耐酸化性や耐クレーター摩耗性を高める効果を有するが、それらを炭化物換算した合計含有量が4質量%を超えると、耐摩耗性が不十分となり、また凝集体が出来やすくなるため欠損発生の起点となる。
したがって、WC基超硬合金中の成分としてTaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を含有させる場合には、その合計含有量は、4質量%以下とすることが望ましい。
なお、前記したCr3C2、TaC、NbC、TiC、ZrCの含有量は、WC基超硬合金についてEPMAによって測定したCr量、Ta量、Nb量、Ti量、Zr量を、いずれも炭化物換算した数値である。
WC粒子の最密充填構造:
本発明のWC基超硬工具におけるWC基超硬合金中のWC粒子は、最密充填構造あるいは最密充填構造に近い組織を有するが、図1、図2の模式図により、これを説明する。
まず、図1について説明する。
図1は、粒径r1の3個の粗粒WC粒子1に囲まれた領域に粒径r2の1個の微粒WC粒子2が侵入し、3個の粗粒WC粒子1と1個の微粒WC粒子と2からなる最密充填構造が形成されている模式図を示す。
ここで、cos30°=(r1/2)/(r1/2+r2/2)
=31/2/2
であるから、上記の式を解くと、r2/r1≒0.156となる。
したがって、図1の模式図に示される様な最密充填構造を形成するためには、r2/r1の値は、ほぼ0.15でなければならない。
なお、ここでは、粗粒WC粒子1の粒径はすべてr1であり、また、微粒WC粒子2の粒径はすべてr2であると仮定した。
本発明のWC基超硬工具におけるWC基超硬合金中のWC粒子は、最密充填構造あるいは最密充填構造に近い組織を有するが、図1、図2の模式図により、これを説明する。
まず、図1について説明する。
図1は、粒径r1の3個の粗粒WC粒子1に囲まれた領域に粒径r2の1個の微粒WC粒子2が侵入し、3個の粗粒WC粒子1と1個の微粒WC粒子と2からなる最密充填構造が形成されている模式図を示す。
ここで、cos30°=(r1/2)/(r1/2+r2/2)
=31/2/2
であるから、上記の式を解くと、r2/r1≒0.156となる。
したがって、図1の模式図に示される様な最密充填構造を形成するためには、r2/r1の値は、ほぼ0.15でなければならない。
なお、ここでは、粗粒WC粒子1の粒径はすべてr1であり、また、微粒WC粒子2の粒径はすべてr2であると仮定した。
次に、図2について説明する。
図2は、粒径r1の4個の粗粒WC粒子1に囲まれた領域に粒径r2の1個の微粒WC粒子2が侵入し、4個の粗粒WC粒子1と1個の微粒WC粒子2とからなる最密充填構造に近い構造が形成されている模式図を示す。
ここで、図2に点線で示すような仮想格子を想定し、該仮想格子の格子長をaとすると、2×r1=√2×a
r1+r2=a
であるから、この式を解くと、r2/r1≒0.414となる。
したがって、図2の模式図に示される様なほぼ最密充填構造を形成するためには、r2/r1の値は、ほぼ0.42でなければならない。ただし、ここで得られた数値は、計算上の値であることから、この値を参考に本発明者らが実験的に確かめたところ、r2/r1=0.60までは耐塑性変形性が向上する効果を有することが判明したため、粒径比率の上限をr2/r1=0.60と定めた。
なお、ここでも、粗粒WC粒子1の粒径はすべてr1であり、また、微粒WC粒子2の粒径はすべてr2であると仮定している。
図2は、粒径r1の4個の粗粒WC粒子1に囲まれた領域に粒径r2の1個の微粒WC粒子2が侵入し、4個の粗粒WC粒子1と1個の微粒WC粒子2とからなる最密充填構造に近い構造が形成されている模式図を示す。
ここで、図2に点線で示すような仮想格子を想定し、該仮想格子の格子長をaとすると、2×r1=√2×a
r1+r2=a
であるから、この式を解くと、r2/r1≒0.414となる。
したがって、図2の模式図に示される様なほぼ最密充填構造を形成するためには、r2/r1の値は、ほぼ0.42でなければならない。ただし、ここで得られた数値は、計算上の値であることから、この値を参考に本発明者らが実験的に確かめたところ、r2/r1=0.60までは耐塑性変形性が向上する効果を有することが判明したため、粒径比率の上限をr2/r1=0.60と定めた。
なお、ここでも、粗粒WC粒子1の粒径はすべてr1であり、また、微粒WC粒子2の粒径はすべてr2であると仮定している。
前記で求めたr2/r1の値は、すべてが同一径の粗粒WC粒子1であり、また、すべてが同一径の微粒WC粒子2であると仮定して算出した結果であるが、実際のWC基超硬合金は、WC粒子の径がそれぞれ異なっているから、前記の考え方を、WC粒子の最密充填構造を形成するための手法として直接適用することはできない。
しかし、この考え方を、WC基超硬合金を作製する際の原料粉であるWC粉に適用することによって、焼結後のWC基超硬合金におけるWC粒子の最密充填構造形成に役立てることができる。
しかし、この考え方を、WC基超硬合金を作製する際の原料粉であるWC粉に適用することによって、焼結後のWC基超硬合金におけるWC粒子の最密充填構造形成に役立てることができる。
例えば、粒径d1の粗粒WC粉末P1と、粒径d2の微粒WC粉末P2からなる混合粉末を用意し、この混合粉末を、Co粉末を含む他の原料粉末と混合し、粉砕の程度を極力抑えて粉砕・混合・攪拌し、ついでこれを焼結してWC基超硬合金焼結体を作製すると、WC基超硬合金焼結体中には、粒径r1と粒径r2のWC粒子が共存する焼結体組織が形成される。
ここで、WC基超硬合金のr1あるいはr2は、原料粉の粉砕・混合・攪拌工程において、粉砕の程度が低く抑えられていることから、粒径変化は少ないため、焼結体のWC粒子のr1あるいはr2は、ほぼd1あるいはほぼd2と同じ値であるといえる。
そうすると、仮に、WC原料粉末におけるd2/d1の値が、0.15~0.60の範囲であった場合には、WC基超硬合金におけるWC粒子のr1、r2の比率r2/r1は、ほぼ0.15~0.60の範囲となり、最密充填構造あるいはこれに近い組織となる。
ここで、WC基超硬合金のr1あるいはr2は、原料粉の粉砕・混合・攪拌工程において、粉砕の程度が低く抑えられていることから、粒径変化は少ないため、焼結体のWC粒子のr1あるいはr2は、ほぼd1あるいはほぼd2と同じ値であるといえる。
そうすると、仮に、WC原料粉末におけるd2/d1の値が、0.15~0.60の範囲であった場合には、WC基超硬合金におけるWC粒子のr1、r2の比率r2/r1は、ほぼ0.15~0.60の範囲となり、最密充填構造あるいはこれに近い組織となる。
但し、実際のWC粉末は、d1あるいはd2という単一の粒径を有するのでなく、粒径分布を有するから、WC基超硬合金におけるWC粒子の最密充填構造を形成するためには、原料粉末としてのWC粉末の粒径分布あるいはWC基超硬合金中におけるWC粒子の粒径分布を考慮しなければならない。
そこで、本発明者らは、粒径分布を特徴づけるファクターである最頻値に着目し、複数の極大値を持つ粒径分布中で、3μm以上の粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径r1と、3μm未満の微粒側に形成された最頻値に対応する粒径r2とを関連付けて実験を行ったところ、後記実施例からも明らかなように、粒径比率r2/r1が0.15以上0.60以下であり、しかも、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積割合、すなわちA2×100/(A1+A2)が5~35面積%になるように粗粒WC粉末と微粒WC粉末を配合して焼結体を作製した場合には、WC粒子が最密充填構造に近い構造をとるWC基超硬合金を作製し得ることを実験的に確認した。
即ち、後記の実施例によれば、r2/r1>0.60の場合には、粗粒WCと微粒WCの粒径差が小さくなりすぎるため、理想的な充填構造を乱してしまい、一方、r2/r1<0.15の場合には、微粒WCが粗粒WCの間隙に入り込んでもそれぞれが接触することが出来ずに理想的な充填構造を取ることが出来ないために、耐塑性変形性向上効果を与えることができない。
また、粗粒WC粉末と微粒WC粉末の合計に対する微粒WC粉末の配合割合が5体積%を下回った場合には、微粒WCがWC―WC粒子間の接触長さを十分に長くする効果を発揮出来ず、35体積%を上回った場合はWC基超硬合金における粗粒WC粒子同士が基礎の骨組みとなる最密構造を形成することができない。
そこで、本発明者らは、粒径分布を特徴づけるファクターである最頻値に着目し、複数の極大値を持つ粒径分布中で、3μm以上の粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径r1と、3μm未満の微粒側に形成された最頻値に対応する粒径r2とを関連付けて実験を行ったところ、後記実施例からも明らかなように、粒径比率r2/r1が0.15以上0.60以下であり、しかも、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積割合、すなわちA2×100/(A1+A2)が5~35面積%になるように粗粒WC粉末と微粒WC粉末を配合して焼結体を作製した場合には、WC粒子が最密充填構造に近い構造をとるWC基超硬合金を作製し得ることを実験的に確認した。
即ち、後記の実施例によれば、r2/r1>0.60の場合には、粗粒WCと微粒WCの粒径差が小さくなりすぎるため、理想的な充填構造を乱してしまい、一方、r2/r1<0.15の場合には、微粒WCが粗粒WCの間隙に入り込んでもそれぞれが接触することが出来ずに理想的な充填構造を取ることが出来ないために、耐塑性変形性向上効果を与えることができない。
また、粗粒WC粉末と微粒WC粉末の合計に対する微粒WC粉末の配合割合が5体積%を下回った場合には、微粒WCがWC―WC粒子間の接触長さを十分に長くする効果を発揮出来ず、35体積%を上回った場合はWC基超硬合金における粗粒WC粒子同士が基礎の骨組みとなる最密構造を形成することができない。
前述のとおり、本発明では、WC基超硬合金におけるWC粒子の最密充填構造あるいはこれに近い構造を形成するためには、使用するWC原料粉末である粗粒WC粉末と微粒WC粉末それぞれの粒径分布を調整すること、さらに、粗粒WC粉末と微粒WC粉末の配合量調整が重要であり、これらを適正に調整することによって得られたWC基超硬合金からなるWC基超硬工具は、ステンレス鋼のような難削材の切削加工において、すぐれた耐塑性変形性と耐チッピング性を発揮するのである。
本発明における製造工程の特徴は、d2/d1の粒径比、かつ粒径d1の粒子と粒径d2の粒子の粒子量比を、r2/r1の粒径比と粒径r1の粒子と粒径r2の粒子の粒子量比と同等に出来るような素原料WCの選定・混合・焼結方法を用いることであり、それによって狙いの合金組織の達成を図っている。具体的には、素原料WCにおいては、多結晶WCでは混合過程で粒子が解砕・粉砕されて元の粒度からズレが起きる可能性があるため採用せず、単結晶WCのみを用いた。かつ、使用した素原料単結晶WCは上記と同様の理由から混合過程中に粒子が解砕されて元の粒度からズレが起きることを避けるため、凝集のない解砕品を使用した。そのWCの粒度分布は、レーザー回折・散乱式粒径分布測定方法によって測定をした時に、横軸をWC粒度、縦軸をWC頻度として表したガウス関数で近似することができ、その近似したガウス関数式から標準偏差(σ)を求めた時に粗粒WCは3σの値が0.20×d1の値以下、微粒WCは3σの値が0.20×d2の値以下となるようなものを選んだ。また、混合方法においては、WC粒子が粉砕されることで当初の素原料WCの粒径から変化してしまうことを避けるため、粉砕エネルギーの低い混合、望ましくはメディアレス混合を導入することとした。さらに、焼結方法においては、高温・長時間の焼結を行ってしまうとWCの粒成長が起きて元の粒度からのズレの要因となるため、合金中に巣(孔)が発生しない程度の低温・短時間での最適な焼結条件での焼結を行うこととした。
その思想を踏まえた上で、本発明のWC基超硬工具は、例えば、以下の工程によって作製することができる。
まず、異なる粒径分布を有する2種類の単結晶WC粉末を、所定の配合割合となるように配合し、さらに、Co粉末、Cr3C2粉末からなる原料粉末、あるいは、必要に応じて、さらに、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末、ZrC粉末のうちの1種以上の粉末を含有する原料粉末を加え、例えば、メディア量を減らしたアトライターや、望ましくは超音波ホモジナイザー、サイクロンミキサーなどのメディアレス混合により、大きな破砕力を加えないような条件で配合・混合して、混合粉末を作製する。
ついで、前記混合粉末を成形して圧粉成形体を作製し、この圧粉成形体を、加熱温度:1300℃以上1500℃以下、望ましくは1300℃以上1400℃以下、かつ、加熱保持時間:15~120分、望ましくは15~60分、のような低温短時間での真空雰囲気の条件で焼結して、粒成長によるWCの形状や粒度分布の変化を抑制させるようにWC基超硬合金を作製する。
ついで、前記WC基超硬合金を、機械加工、研削加工し、所望サイズ・形状のWC基超硬工具を作製することができる。
その思想を踏まえた上で、本発明のWC基超硬工具は、例えば、以下の工程によって作製することができる。
まず、異なる粒径分布を有する2種類の単結晶WC粉末を、所定の配合割合となるように配合し、さらに、Co粉末、Cr3C2粉末からなる原料粉末、あるいは、必要に応じて、さらに、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末、ZrC粉末のうちの1種以上の粉末を含有する原料粉末を加え、例えば、メディア量を減らしたアトライターや、望ましくは超音波ホモジナイザー、サイクロンミキサーなどのメディアレス混合により、大きな破砕力を加えないような条件で配合・混合して、混合粉末を作製する。
ついで、前記混合粉末を成形して圧粉成形体を作製し、この圧粉成形体を、加熱温度:1300℃以上1500℃以下、望ましくは1300℃以上1400℃以下、かつ、加熱保持時間:15~120分、望ましくは15~60分、のような低温短時間での真空雰囲気の条件で焼結して、粒成長によるWCの形状や粒度分布の変化を抑制させるようにWC基超硬合金を作製する。
ついで、前記WC基超硬合金を、機械加工、研削加工し、所望サイズ・形状のWC基超硬工具を作製することができる。
前記の工程で作製されたWC基超硬工具は、WC―WC粒子間の接触長さが長くなって、WC-WC粒子の界面での粒界すべりの発生が低減されることで耐塑性変形性が向上し、また、粗粒と微粒のWC粒子が合金組織中に混在していることで、WC基超合金中に亀裂が発生したとしても、直線的な亀裂の進展が抑制され、靱性が向上する。
さらに、前記WC基超硬合金製切削工具の少なくとも切れ刃に、Ti-Al系、Al-Cr系等の炭化物、窒化物、炭窒化物あるいはAl2O3等の硬質皮膜を、PVD、CVD等の成膜法により被覆形成することにより、表面被覆WC基超硬合金製切削工具を作製することができる。
なお、表面被覆WC基超硬合金製切削工具の作製にあたり、硬質皮膜の種類、成膜法は、当業者に既によく知られている膜種、成膜手法を採用すればよく、特に、制限するものではない。
さらに、前記WC基超硬合金製切削工具の少なくとも切れ刃に、Ti-Al系、Al-Cr系等の炭化物、窒化物、炭窒化物あるいはAl2O3等の硬質皮膜を、PVD、CVD等の成膜法により被覆形成することにより、表面被覆WC基超硬合金製切削工具を作製することができる。
なお、表面被覆WC基超硬合金製切削工具の作製にあたり、硬質皮膜の種類、成膜法は、当業者に既によく知られている膜種、成膜手法を採用すればよく、特に、制限するものではない。
本発明のWC基超硬工具および表面被覆WC基超硬合金製切削工具について、実施例により具体的に説明する。
(a)まず、焼結用の粉末として、粒径分布の異なる2種類の単結晶WC粉末(粒径分布の最頻値がd1(μm)である粗粒WC粉末と粒径分布の最頻値がd2(μm)である微粒WC粉末)と、Co粉末、Cr3C2粉末、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末、ZrC粉末を用意する。
これらの粉末を、表1に示す配合組成、即ち、d2/d1が0.15以上0.60以下、かつ(最頻値がd2の微粒WC配合量)/(最頻値がd1の粗粒WC配合量+最頻値がd2の微粒WC配合量)が5~35%を満たすような粗粒と微粒のWC粒径比・配合比に配合して、焼結用粉末を作製した。
表1には、各種粉末の配合組成(質量%)を示すとともに、2種類のWC粉末の粒径分布のそれぞれの最頻値に相当する粒径d1、d2の値を示し、また、微粒WCと粗粒WCの配合比も示す。
なお、Co粉末、Cr3C2粉末、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末、ZrC粉末の平均粒径(D50)は、いずれも、1.0~3.0μmの範囲内である。
これらの粉末を、表1に示す配合組成、即ち、d2/d1が0.15以上0.60以下、かつ(最頻値がd2の微粒WC配合量)/(最頻値がd1の粗粒WC配合量+最頻値がd2の微粒WC配合量)が5~35%を満たすような粗粒と微粒のWC粒径比・配合比に配合して、焼結用粉末を作製した。
表1には、各種粉末の配合組成(質量%)を示すとともに、2種類のWC粉末の粒径分布のそれぞれの最頻値に相当する粒径d1、d2の値を示し、また、微粒WCと粗粒WCの配合比も示す。
なお、Co粉末、Cr3C2粉末、TaC粉末、NbC粉末、TiC粉末、ZrC粉末の平均粒径(D50)は、いずれも、1.0~3.0μmの範囲内である。
(b)表1に示す配合組成に配合した焼結用粉末を、メディアレスのアトライター混合で回転数50rpm、8時間湿式混合し、乾燥した後、100MPaの圧力でプレス成形して圧粉成形体を作製した。
(c)ついで、これらの圧粉成形体を、加熱温度:1300℃以上1500℃以下、かつ、加熱保持時間:15~120分真空雰囲気の条件で焼結して、WC基超硬合金を作製した。
(d)ついで、前記WC基超硬合金を、機械加工、研削加工し、CNMG120408-GMのインサート形状の表3に示すWC基超硬工具1~11(以下、本発明工具1~11という)を作製した。
比較のために、比較例のWC基超硬工具1~9(以下、比較例工具1~9という)を製造した。
その製造工程は、表2に示す配合組成、即ち、d2/d1が0.15以上0.60以下、あるいは(最頻値がd2の微粒WC配合量)/(最頻値がd1の粗粒WC配合量+最頻値がd2の微粒WC配合量)が5~35%の範囲から外れるような粗粒と微粒のWC粒径比・配合比の焼結用粉末に対して、メディアレスのアトライター混合で回転数50rpm、8時間湿式混合し、乾燥した後、100MPaの圧力でプレス成形して圧粉成形体を作製した。
ついで、本発明工具1~11の製造工程における前記(c)、(d)と同じ工程を行うことにより、表4に示す比較例工具1~9を作製した。
その製造工程は、表2に示す配合組成、即ち、d2/d1が0.15以上0.60以下、あるいは(最頻値がd2の微粒WC配合量)/(最頻値がd1の粗粒WC配合量+最頻値がd2の微粒WC配合量)が5~35%の範囲から外れるような粗粒と微粒のWC粒径比・配合比の焼結用粉末に対して、メディアレスのアトライター混合で回転数50rpm、8時間湿式混合し、乾燥した後、100MPaの圧力でプレス成形して圧粉成形体を作製した。
ついで、本発明工具1~11の製造工程における前記(c)、(d)と同じ工程を行うことにより、表4に示す比較例工具1~9を作製した。
本発明工具1~11及び比較例工具1~9のWC基超硬合金の断面について、EPMAにより、その成分であるCo、Cr、Ta、Nb、Ti、Zrの含有量を10点測定し、その平均値を各成分の含有量とした。
なお、Cr、Ta、Nb、Ti、Zrは、それぞれの炭化物に換算して含有量を算出した。
表3、表4に、それぞれの平均含有量を示す。
なお、Cr、Ta、Nb、Ti、Zrは、それぞれの炭化物に換算して含有量を算出した。
表3、表4に、それぞれの平均含有量を示す。
つぎに、本発明工具1~11及び比較例工具1~9のWC基超硬合金の断面について、後方散乱電子回折法(以下EBSD)を備えた走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察し、得られたWC粒の結晶方位マッピング像の画像解析により各WC粒の面積を測定し、さらに該WC粒を同一面積の円形に近似した時の直径を算出し、縦軸を粒子面積率(測定範囲内の全WC粒子の合計面積に占める該当する粒径をもつWC粒子の合計面積の割合)、横軸を粒径とする粒度分布グラフを作成した。この時の横軸は、0.2μm幅毎に区切り、最小値を0.1μmとする。WCの粒径は、その区切り幅の中間の値とする。
EBSDおよびSEMの観察に供する断面は、任意の断面であり、本実施例では逃げ面の最表面から100μm以上イオンミリングで加工した合金の断面を観察した。EBSDでの観察範囲は1視野24×72μmの視野で、測定範囲内にWC粒子数が4000個以上となるようにとした。EBSDでの観察条件は1ピクセルサイズを0.1μm×0.1μm、取り込み時間を15ms/pointとした。SEMでの観察範囲は1視野24×72μmの視野で、測定範囲内にWC粒子数が4000個以上となるようにとした。SEMでの観察条件は加速電圧を15k∨とした。
そのときに、複数の極大値を持つ粒径分布中で、3μm以上の粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr1、一方、3μm未満の微粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr2として求めた。
また、EBSD法によって抽出したWC粒子について、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1(μm2)とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2(μm2)を求め、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積割合(A2×100/(A1+A2)。面積%)を求めた。
表3、表4に、測定結果を示す。製造工程において、粒子の粉砕・解砕のされにくい解砕済み単結晶WC粒子を用い、粒子の粉砕を避けたメディアレスの混合方法、粒成長が抑えられるような低温・短時間での焼結条件を導入したため、素原料の「d2/d1」が「r2/r1」に、粗粒WCと微粒WCの配合比率「(最頻値がd2の微粒WC配合量)/(最頻値がd1の粗粒WC配合量+最頻値がd2の微粒WC配合量)」が「A2×100/(A1+A2)」にほぼ反映された結果となったことが分かる。
EBSDおよびSEMの観察に供する断面は、任意の断面であり、本実施例では逃げ面の最表面から100μm以上イオンミリングで加工した合金の断面を観察した。EBSDでの観察範囲は1視野24×72μmの視野で、測定範囲内にWC粒子数が4000個以上となるようにとした。EBSDでの観察条件は1ピクセルサイズを0.1μm×0.1μm、取り込み時間を15ms/pointとした。SEMでの観察範囲は1視野24×72μmの視野で、測定範囲内にWC粒子数が4000個以上となるようにとした。SEMでの観察条件は加速電圧を15k∨とした。
そのときに、複数の極大値を持つ粒径分布中で、3μm以上の粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr1、一方、3μm未満の微粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr2として求めた。
また、EBSD法によって抽出したWC粒子について、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1(μm2)とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2(μm2)を求め、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積割合(A2×100/(A1+A2)。面積%)を求めた。
表3、表4に、測定結果を示す。製造工程において、粒子の粉砕・解砕のされにくい解砕済み単結晶WC粒子を用い、粒子の粉砕を避けたメディアレスの混合方法、粒成長が抑えられるような低温・短時間での焼結条件を導入したため、素原料の「d2/d1」が「r2/r1」に、粗粒WCと微粒WCの配合比率「(最頻値がd2の微粒WC配合量)/(最頻値がd1の粗粒WC配合量+最頻値がd2の微粒WC配合量)」が「A2×100/(A1+A2)」にほぼ反映された結果となったことが分かる。
また、前記本発明工具1~11、比較例工具1~9について、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、以下の湿式連続切削加工試験を行った。
被削材:JIS・SUS304(HB170)の丸棒、
切削速度:100m/min、
切り込み:2.0mm、
送り:0.5mm/rev、
切削時間:5分、
湿式水溶性切削油使用。
上記湿式連続切削加工試験後の、切れ刃の逃げ面塑性変形量を測定するとともに、切れ刃の損耗状態を観察した。なお、切れ刃の逃げ面塑性変形量は、工具の主切れ刃側逃げ面について、切れ刃から十分離れた位置で主切れ刃側逃げ面とすくい面が交差する稜線上に線分を引き、同線分を切れ刃部方向に延伸し、延伸した線分と切れ刃部稜線間の距離(延伸した線分の垂直方向)が最も離れている部分を測定し、切れ刃の逃げ面塑性変形量とした。また、逃げ面塑性変形量が0.04mm以上であった時、損耗状態を刃先変形とした。図3に、逃げ面塑性変形量の測定模式図を示す。
表5に、この測定結果を示す。
被削材:JIS・SUS304(HB170)の丸棒、
切削速度:100m/min、
切り込み:2.0mm、
送り:0.5mm/rev、
切削時間:5分、
湿式水溶性切削油使用。
上記湿式連続切削加工試験後の、切れ刃の逃げ面塑性変形量を測定するとともに、切れ刃の損耗状態を観察した。なお、切れ刃の逃げ面塑性変形量は、工具の主切れ刃側逃げ面について、切れ刃から十分離れた位置で主切れ刃側逃げ面とすくい面が交差する稜線上に線分を引き、同線分を切れ刃部方向に延伸し、延伸した線分と切れ刃部稜線間の距離(延伸した線分の垂直方向)が最も離れている部分を測定し、切れ刃の逃げ面塑性変形量とした。また、逃げ面塑性変形量が0.04mm以上であった時、損耗状態を刃先変形とした。図3に、逃げ面塑性変形量の測定模式図を示す。
表5に、この測定結果を示す。
また、前記本発明工具1~4、比較例工具1~4の切刃表面に、表6に示す平均層厚の硬質被覆層をPVD法あるいはCVD法で被覆形成し、本発明表面被覆WC基超硬合金製切削工具(以下、「本発明被覆工具」という)1~4、比較例表面被覆WC基超硬合金製切削工具(以下、「比較例被覆工具」という)1~4を作製した。
上記の各被覆工具について、以下に示す、湿式連続切削加工試験を実施し、切れ刃の逃げ面塑性変形量を測定するとともに、切れ刃の損耗状態を観察した。
切削条件:
被削材:JIS・SUS304(HB170)の丸棒、
切削速度:150m/min、
切り込み:2.0mm、
送り:0.5mm/rev、
切削時間:5分、
湿式水溶性切削油使用。
表7に、切削試験の結果を示す。
上記の各被覆工具について、以下に示す、湿式連続切削加工試験を実施し、切れ刃の逃げ面塑性変形量を測定するとともに、切れ刃の損耗状態を観察した。
切削条件:
被削材:JIS・SUS304(HB170)の丸棒、
切削速度:150m/min、
切り込み:2.0mm、
送り:0.5mm/rev、
切削時間:5分、
湿式水溶性切削油使用。
表7に、切削試験の結果を示す。
表5および表7に示される試験結果によれば、本発明工具および本発明被覆工具は、チッピングを発生することもなく、すぐれた耐塑性変形性を発揮することが分かる。
これに対して、比較例工具および比較例被覆工具は、耐チッピング性、耐塑性変形性に劣り、短時間で寿命に至った。
これに対して、比較例工具および比較例被覆工具は、耐チッピング性、耐塑性変形性に劣り、短時間で寿命に至った。
以上のとおり、本発明のWC基超硬工具および被覆工具は、ステンレス鋼等の難削材の切削加工に供した場合、すぐれた耐塑性変形性とともに、すぐれた耐チッピング性を有するが、他の被削材、切削条件に適用した場合にも、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮し、工具の長寿命化が図られることが期待される。
1 粗粒WC
2 微粒WC
3 すくい面
4 逃げ面
5 切刃
6 逃げ面塑性変形量
7 逃げ面とすくい面の交差する稜線を延伸した線分
L 格子長a
2 微粒WC
3 すくい面
4 逃げ面
5 切刃
6 逃げ面塑性変形量
7 逃げ面とすくい面の交差する稜線を延伸した線分
L 格子長a
Claims (3)
- WC基超硬合金を基体とするWC基超硬合金製切削工具において、
前記WC基超硬合金の成分組成は、Co:5~14質量%、Cr3C2:0.1~1.4質量%、残部はWC及び不可避不純物からなり、
前記WC基超硬合金の断面におけるWC粒子の粒径を測定して粒径分布を求めた場合、粒径分布には複数の極大値が存在し、粒径3μm以上の粗粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr1、一方、粒径3μm未満の微粒側に形成された最頻値に対応する粒径をr2としたとき、粒径比率r2/r1が0.15以上0.60以下であり、かつ、r1の0.75~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A1とr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積A2の合計に占めるr2の0.50~1.20倍の粒径のWC粒子の合計面積割合A2×100/(A1+A2)が5~35面積%であることを特徴とするWC基超硬合金製切削工具。 - 前記WC基超硬合金は、TaC、NbC、TiC及びZrCのうちから選ばれる少なくとも1種以上を合計量で4質量%以下、さらに含有することを特徴とする請求項1に記載のWC基超硬合金製切削工具。
- 請求項1または2に記載のWC基超硬合金製切削工具の少なくとも切れ刃には、硬質被覆層が形成されていることを特徴とする表面被覆WC基超硬合金製切削工具。
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