JP2009007615A - 超硬合金およびそれを用いた切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 過酷な切削条件に対しても高い切削性能を発揮する耐酸化性、耐熱衝撃性および過酷な条件においても耐衝撃性、耐欠損性に優れた超硬合金およびこれを用いた切削工具を提供する。
【解決手段】 ＷＣを主成分とする硬質相と、Ｃｏ又はＮｉを主成分とする結合相とを含み、前記硬質相と前記結合相は、ともにＴａＣを含んでおり、前記ＴａＣは、結合相中よりも硬質相中に多く含まれていることを特徴とする。また、ＷＣの平均粒子が０．３〜１．２μｍの範囲内であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、硬質相と結合相を有する超硬合金および当該超硬合金を用いて金属等の切削加工を行う切削工具に関する。

従来から、炭化タングステン（ＷＣ）基などの超硬合金からなる基体の表面に、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンなどのチタン系化合物からなり、耐摩耗性、機械的強度に優れる被覆層を形成してなる切削工具が広く用いられている。

近年、上記のような超硬合金は、特に高硬度を重視したＫ種超硬合金として、ＷＣ粒子の粒径が１μｍより小さい、いわゆる超微粒超硬合金が開発されている。

かかる超微粒超硬合金は、微粒のＷＣ原料粉末とコバルト（Ｃｏ）原料粉末に対して、微量の炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）や炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を粒成長抑制剤として添加し焼成したものであるが、現状、このＫ種超微粒超硬合金はもっぱら仕上げ加工用等の衝撃の少ない切削条件で切削工具やプリント基板穴あけ加工用のマイクロドリル材料などの非鉄材料の加工に利用されていた（例えば、特許文献１参照）。

一方、超硬合金の用途としては、衝撃の大きい条件で、かつ断続的に強い衝撃がかかるような加工に用いられる。このような加工に対しては、超硬合金組織中にＴｉやＴａの炭化物等のいわゆるβ相粒子を分散含有させて耐酸化性や耐熱衝撃性などの特性向上を図った、いわゆるＭ種またはＰ種超硬合金が知られている。

上記β相粒子を分散させた超硬合金として、平均粒径０．６μｍ以下で最大粒径が３．０μｍ以下のＷＣ粒子が分散している超硬合金素地中に、Ｖ，Ｃｒ，Ｔａ，ＮｂおよびＴｉのβ相粒子を最大粒径３．０μｍ以下とＷＣ粒子と同程度に微細に制御し、かつ５体積％以下と少ない比率で分散させることで硬さおよび靭性を改善した超硬合金を作成する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、最近ではステンレス鋼といった難削材の加工や、切削の更なる効率化を求めて高速切削・高送り切削への利用も進められており、かかる加工に対して、従来のβ相粒子を分散したＭ種またはＰ種超硬合金よりもさらに高温特性、熱衝撃性および耐衝撃性の高い超硬合金が要求されている。
特開昭６１−１２８４７号公報 特開平６−８１０７２号公報

このような要求に対して、上記特許文献１の超硬合金では、高温特性、熱衝撃性および耐衝撃性に対して十分な特性を有しておらず、また、上記特許文献２に記載されるような、微粒なＷＣ粒子およびＷＣ粒子と同程度に微粒なβ相粒子を５体積％以下と少ない含有比率で分散した超硬合金を用いて過酷な条件で切削を行うと、耐酸化性や耐熱衝撃性および耐衝撃性が低くて欠損が発生しやすいという問題があった。

これに対して、耐酸化性や耐熱衝撃性を改善する上では、β相粒子の含有比率を増加せしめることが考えられるが、このβ相粒子の含有比率を増加せしめただけでは、結合相量を減じつつＷＣ粒子やβ相粒子の粒成長を制御することができなくなったり、焼結性が低下して合金を高緻密化させることができなくなり、硬さ、抗折力ともに低下してしまうために、過酷な条件で切削を行うとやはり耐衝撃性が低くて欠損が発生しやすいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、過酷な切削条件に対しても高い切削性能を発揮する耐酸化性、耐熱衝撃性および過酷な条件においても耐衝撃性、耐欠損性に優れた超硬合金およびこれを用いた切削工具を提供することにある。

本発明の超硬合金は、ＷＣを主成分とする硬質相と、Ｃｏ又はＮｉを主成分とする結合相とを含み、前記硬質相と前記結合相は、ともにＴａＣを含んでおり、前記ＴａＣは、結合相中よりも硬質相中に多く含まれていることを特徴とする。

また、上記発明において、前記ＷＣを８９．５〜９４．９５ｗｔ％、前記Ｃｏ及びＮｉを合計で５〜１０ｗｔ％、前記ＴａＣを０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内で含み、その他の不可避不純物を含んだ状態で全成分の合計が１００ｗｔ％であることが好ましい。

また、上記発明において、前記硬質相の平均粒径が０．３〜１．２μｍの範囲内であることが好ましい。

また、本発明の切削工具は、ＷＣを主成分とする硬質相とＣｏ又はＮｉを主成分とする結合相とを含み、前記硬質相と前記結合相が、ともにＴａＣを含んだ超硬合金からなる基体と、該基体の表面に形成された少なくとも１層からなる被覆層とを備えた切削工具であって、前記被覆層は、周期律表第４、５、６族金属、Ａｌ及びＳｉの群から選ばれる１種以上の元素と、炭素、窒素、酸素、ホウ素から選ばれる１種以上の元素との化合物、または硬質炭素のいずれかからなり、前記基体中の前記ＴａＣは、結合相中よりも硬質相中の含有量が多いことを特徴とする。

また、上記発明において、前記ＴａＣの含有量は、前記被覆層の積層方向と直交する断面を、波長分散型Ｘ線分光分析（ＷＤＳ）による元素分析により測定し、その面積比によって判断されることが好ましい。

上記請求項１の発明においては、硬質相中に最も多くＴａＣが存在しているため、硬質相が高硬度化、高強度化し、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有する超硬合金を得ることが出来る。また、硬質相中におけるＴａＣの量が多くなると、硬質相と結合相との間に存在するＴａＣの量が低下することとなる。その結果、硬質相と結合相との結合力が低下せず、優れた強度（耐欠損性）、優れた耐摩耗性を得ることができる。さらに、旋削の連続加工などの刃先が高温になる加工形態においては、ＴａＣが硬質相に存在することで、ＴａＣの優れた耐熱衝撃性、ＷＣの優れた熱伝導性を併せもつことができる。

本発明の超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相と、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の鉄族金属からなる結合相を有し、硬質相と結合相にそれぞれ炭化タンタル（ＴａＣ）を含有している。

ここで、本発明によれば、硬質相中に存在するＴａが結合相よりも多いことを大きな特徴とする。

これによって、高硬度かつ高靭性な超硬合金となり、かつ、Ｔａの高い高温硬度を発揮することができる。そのため、切削工具として用いる場合は、特に切削温度が高温に成りやすい鋳鉄等の難削材の加工において優れた工具寿命を発揮することができる。つまり、硬質相に存在するＴａの量が結合相と比べて多くなると、高温時の硬度を向上させることができ、難削材等の激しい加工においても十分な工具寿命を得ることができる。

また、本発明の超硬合金は、ＷＣが８９．５〜９４．９５ｗｔ％、結合相を構成する金属が５〜１０ｗｔ％、Ｔａｃが０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内で含み、その他の不可避不純物を含んだ状態で合計が１００ｗｔ％であることが好ましい。当該範囲においては、ＴａＣが硬質相中に最も多く存在しやすいため好ましい。また、ＴａＣが当該範囲を超える場合は、ＴａＣがβ相として存在し始めるため、強度低下を生じやすく、優れた耐欠損性を維持できなくなる。さらに、ＴａＣが当該範囲を下回るときは、ＴａＣ添加の効果が得られ難くなる。

また、本発明の超硬合金は、ＷＣの平均粒径が０．３〜１．２μｍの範囲内であることが好ましい。当該範囲においては、ＴａＣがＷＣ粒子内に存在しやすくなる点で好ましい。当該範囲を下回るときは、粒子が細かいためにＴａＣが存在し難くなる。さらに、当該範囲を上回るときは、粒子が大きいためＴａＣが偏在し、十分な効果を発揮し難い。なお、当該ＷＣの平均粒径の値は、ＣＩＳ ０１９Ｄ−２００７に記載されているフルマンの式によるＷＣ平均粒度算出方法によって測定できる。詳しくは、超硬合金完成後に任意断面の倍率５０００倍のＳＥＭ写真を撮り、該写真を適当に等分するための直行する縦横の線分を引く。次に、写真中の全粒子数を数える。このとき、全粒子数が１０００個以上となるようにする（数枚の写真の測定の合計となってもよい）。次に、最初に引いた線分上の粒子を縦横の線分別々に数え、下記の式に当てはめることで、ＷＣの平均粒径を算出することができる。

ｄ＝（４／π）×（Ｎ_１／Ｎ_Ｓ）
Ｎ_１＝ｎ’／Ｌ
Ｎ_Ｓ＝ｎ／Ａ
ｄ ：ＷＣ平均粒径
π ：円周率
ｎ’：線分上の粒子数
ｎ ：全粒子数
Ｌ ：線分全体の長さ
Ａ ：撮影面積
また、本発明の超硬合金中には、ＴａＣ以外として、Ｃｒ_２Ｃ_３やＶＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＭｏＣ等の成分を含まないことが好ましい。不可避不純物以外としてＣｒ_２Ｃ_３やＶＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＭｏＣ等の成分を含む場合は、ＴａＣが前記成分と固溶してしまい、硬質相中にＴａが拡散しにくくなってしまうためである。特にＣｒ_２Ｃ_３を含む場合は、この阻害作用が顕著となる。

上述した本発明の超硬合金は、強度を低下させずに高い耐摩耗性を有し、かつ結合相量が少ないことによって優れた耐溶着性を有していることから、金属加工等の切削加工に用いられる切削工具として使用することが有効である。

また、本発明の超硬合金をそのまま切削工具として使用できるが、本発明の超硬合金を基体として、当該基体の表面に、周期表第４、５および６族金属、アルミニウム（Ａｌ）およびシリコン（Ｓｉ）の群から選ばれる１種以上の元素と、炭素、窒素、酸素、ホウ素から選ばれる１種以上の元素との化合物、または硬質炭素のいずれかからなる硬質被覆層を成膜することによって、成膜時に超硬合金基体の表面が酸素の影響で密着性が損なわれることなく超硬合金基体と硬質被覆層との高い付着力が得られる。その結果、超硬合金基体と硬質被覆層との密着力が高いことから、硬質被覆層が剥離やチッピングすることなく切削工具の耐摩耗性をより向上させることができる。

このとき、被覆層として好適な材種は、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、チタン・アルミ複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が挙げられ、これらは、硬度および強度が共に高く、耐摩耗性および耐欠損性に優れる。

特に、また、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって成膜された膜厚２．０〜１５．０μｍの硬質被覆層であることが、高い耐摩耗性を発揮し、鋳鉄の加工において特に高い耐摩耗性を発揮することができる点で望ましい。

また、本発明において、超硬合金の硬質相中及び結合相中におけるＴａＣの含有量は、超硬合金を切断し、当該断面を波長分散型Ｘ線分光分析（ＷＤＳ）による元素分析により測定し、その面積比によって判断する。また、超硬合金を基体とし、その表面に被覆層を形成した場合においては、前記被覆層の積層方向と直交する断面を波長分散型Ｘ線分光分析（ＷＤＳ）による元素分析により測定し、その面積比によって判断する。

（製造方法）
先ず、上述した本発明のうち、切削工具に用いる超硬合金の製造方法について説明する。

本発明の超硬合金によれば、平均粒径２〜４．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を８９．５〜９４．９５ｗｔ％、コバルト粉末を５〜１０ｗｔ％、炭化タンタル粉末を０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内で含み、その他の不可避不純物を含んだ状態で１００ｗｔ％とし、さらには所望により、金属タングステン（Ｗ）粉末、あるいはカーボンブラック（Ｃ）を調合し、これに水または有機溶剤の溶媒と所望により有機バインダとを添加して、混合し、ボールミル、振動ミル等の既知の粉砕方法にて粉砕後の混合原料の平均粒子が、マイクロトラックによる粒度分布測定において、Ｄ５０値（出現率５０％の位置にある粒径）が０．８〜１．２μｍになるように粉砕時間を調節して粉砕する。

つまり、平均粒径２〜４．５μｍと目的の炭化タングステンの平均粒径よりもやや粗い炭化タングステン（ＷＣ）粉末を用いて、これを１．０μｍ以下となるように細かく粉砕することによって、炭化タングステン（ＷＣ）粒子の酸素が吸着されていないフレッシュな面が多く露出するため、混合粉末および成形体中の酸素量が減るとともに、混合粉末中の各粒子の表面エネルギーが大きくなって焼結しやすくなる。しかも、炭化タングステン（ＷＣ）粉末と結合相との濡れ性が良好になるため、少ない結合相量でも空孔やクラック等の欠陥を生じることなく低い温度で焼成することができる。

次いで、上記混合粉末を用いて、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の切削工具形状に成形した後、この真空焼成にて焼成温度１３５０〜１４５０℃の低温で焼成し、本発明にかかる切削工具用の超硬合金を作成した。

このように低温で焼成することによって、少量のＴａＣでも焼成時の炭化タングステンの粒成長を抑え、炭化タングステンの粗大粒子を減らし、硬度の低下を抑えることができる。また、得られた超硬合金に切刃を設け切削工具として使用することも可能だが、所望により、すくい面側から見た取りしろが１０μｍ以下と微小なＲホーニングやチャンファホーニングを切刃となるエッジ部分に施してもよく、また、少なくとも切刃の表面に対してブラシ加工やブラスト処理などの研磨処理を施してもよい。

その後、作製した超硬合金を基体として、その表面に炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、チタン・アルミ複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の被覆層を成膜する。被覆層の成膜法としては、化学蒸着法（熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、有機ＣＶＤ、触媒ＣＶＤ等）、物理蒸着法（イオンプレーティング、スパッタリング等）などの周知の成膜方法を使用することができる。

成膜法として、特に、化学蒸着法によって窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、炭化チタン等の硬質膜を積層させる多層膜を成膜することが耐摩耗性に優れるため望ましく、これによって、鋳鉄の切削に対しても優れた切削性能を発揮する。

以下に発明の実施例について説明する。

（実施例１）
平均粒径３μｍのＷＣ粉末、平均粒径９μｍのＷＣ粉末、平均粒径１μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉末、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末、平均粒径２μmのＴｉＣ粉末、平均粒径２μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径２．５μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、平均粒径１μｍのＶＣ粉末を表１の割合で調合し、ＷＣの平均粒径が表１に示す粒径になるように振動ミルの粉砕時間を調整し、混合粉末を得た。

なお、粉砕後のＷＣの粒径は、焼成後の焼結体にて上記にあるフルマンの式を用いて算出した値である。

得られた混合粉末をプレス成形にてＣＮＭＡ１２０４０８形状に成形し、表１に示す焼成条件にて真空雰囲気で焼成して超硬合金基体を作成した。

得られた超硬合金基体の表面に母材側からＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮを順次積層した多層膜をＣＶＤにて成膜した。

得られた試料を切断し、超硬合金の内部の中心付近を波長分散型マイクロアナライザー（ＷＤＳ）にてマッピング分析を行い、Ｔａの分散状態を確認した。結果は表２に示した。

また、作製した試料を以下の条件にて切削試験を行った。

（連続切削条件）
被削材 ：ＦＣＤ７００ スリーブ材
切削速度：１５０ｍ／分
送り速度：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．０ｍｍ
切削時間：１５分
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
（断続切削条件）
被削材 ：ＦＣＤ７００ ４本溝入スリーブ材
切削速度：１２０ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１ｍｍ
評価項目：欠損に至る衝撃回数、衝撃回数１０００回到達時における刃先の状態観察

表２から分かるように、すくい面の２θの差が本発明の範囲内である資料Ｎｏ．１からＮｏ．９については、本発明の範囲外であるＮｏ．１０からＮｏ．１３と比べて耐摩耗性を及び耐欠損性を有していることが分かる。これは、ＴａＣが硬質相に多く存在することにより硬質相の強度が高まるとともに、硬質相中におけるＴａＣの量が多くなったことにより、硬質相と結合相との間に存在するＴａＣの量が低下し、その結果、硬質相と結合相との結合力が低下せず、優れた強度（耐欠損性）及び優れた耐摩耗性を得ることができたものと考えられる。それに対してＴａの量が結合相と硬質相の間に最も多く含まれていたＮｏ．１０及びＮｏ．１２は、硬質相と結合相の結合力が不足したため耐摩耗性及び耐欠損性が低かったものと考えられる。さらにＴａを含んでいないＮｏ．１３については、Ｃｒ_２Ｃ_３とＶＣが硬質相と結合相の界面に偏在しやすい性質を有しているため、それらの阻害効果により硬質相と結合相の結合力が不足し、耐摩耗性及び耐欠損性が低かったものと考えられる。

Claims (7)

1. ＷＣを主成分とする硬質相と、Ｃｏ又はＮｉを主成分とする結合相とを含み、
   前記硬質相と前記結合相は、ともにＴａＣを含んでおり、
   前記ＴａＣは、結合相中よりも硬質相中に多く含まれていることを特徴とする超硬合金。
2. 前記ＷＣを８９．５〜９４．９５ｗｔ％、前記Ｃｏ及びＮｉを合計で５〜１０ｗｔ％、前記ＴａＣを０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内で含み、その他の不可避不純物を含んだ状態で全成分の合計が１００ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金。
3. 前記ＷＣの平均粒径が０．３〜１．２μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超硬合金。
4. 前記硬質相及び結合相は、Ｃｒ_２Ｃ_３を含んでいないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超硬合金。
5. 前記硬質相及び結合相は、Ｃｒ_２Ｃ_３、ＶＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ及びＮｂＣのいずれの成分も含んでいないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超硬合金。
6. ＷＣを主成分とする硬質相とＣｏ又はＮｉを主成分とする結合相とを含み、前記硬質相と前記結合相が、ともにＴａＣを含んだ超硬合金からなる基体と、
   該基体の表面に形成された少なくとも１層からなる被覆層とを備えた切削工具であって、
   前記被覆層は、周期表第４、５、６族金属、Ａｌ及びＳｉの群から選ばれる１種以上の元素と、炭素、窒素、酸素、ホウ素から選ばれる１種以上の元素との化合物、または硬質炭素のいずれかからなり、
   前記基体中の前記ＴａＣは、結合相中よりも硬質相中の含有量が多いことを特徴とする切削工具。
7. 前記ＴａＣの含有量は、前記被覆層の積層方向と直交する断面を、波長分散型Ｘ線分光分析（ＷＤＳ）による元素分析により測定し、その面積比によって判断されることを特徴とする請求項６に記載の切削工具。