【手続補正書】
【提出日】平成21年6月2日(2009.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金の基材及び被膜から成る被覆切削工具インサートであって、前記基材が、ＷＣ、バインダ相、及び立方晶炭化物相を含んで成り、立方晶炭化物相が実質的に無くてバインダ相の豊富な表面区域を備えた被覆切削工具インサートにおいて、
前記基材が、
３〜２０ｗｔ％のコバルト、
０．１〜２０ｗｔ％のバナジウム、ただしバナジウムとバナジウム以外の周期律表の４ａ族及び５ａ族の立方晶炭化物形成元素との合計含有量が１〜２０ｗｔ％であり、および
残部７０〜９５ｗｔ％のＷＣ
を含んで成り、
平均ＷＣ粒径が＜１．５μｍであって、基材の組織中にグラファイトが存在しないことを特徴とする被覆切削工具インサート。
【請求項２】
前記基材が、４〜１５ｗｔ％のコバルトを含んで成ることを特徴とする請求項１記載の被覆切削工具インサート。
【請求項３】
前記基材が、０．２〜１０ｗｔ％のバナジウムを含んで成ることを特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項４】
バナジウムとバナジウム以外の周期律表の４ａ族及び５ａ族の立方晶炭化物形成元素との合計含有量が、２〜１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項５】
焼結されたＷＣ粒径が、＜１．０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項６】
前記基材が、０．２〜６ｗｔ％のチタンを含んで成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項７】
バナジウムとチタンとの合計含有量が、２〜１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項８】
前記バインダ相の豊富な表面区域の深さが、１００μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項９】
前記バインダ相の豊富な表面区域の深さが、６０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【請求項１０】
前記バインダ相の豊富な表面区域のバインダ相の含有量が、平均バインダ相含有量の最大１．２〜３倍であること特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具インサート。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】被覆切削工具インサート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜組成域といわれるバインダ相の豊富な表面区域を有する微細粒の超硬合金に関する。この傾斜組成域には、粒成長の抑制剤の添加により形成し得る立方晶の炭化物または炭窒化物が実質的に存在しない。その上、この傾斜組成域は、微細粒である。
【背景技術】
【０００２】
バインダ相の豊富な表面区域を有する被覆した超硬合金のインサートは、鋼及びステンレス材料の機械加工用に現在非常に広範囲に使用されている。バインダ相の豊富な表面区域が存在することで、切削工具材料用の適用範囲の拡張が達成されている。
【０００３】
ＷＣと、立方晶の相（炭窒化物）と、バインダ相とを有し、バインダ相の豊富な表面区域を備えた超硬合金を製作する方法或いは処理は、傾斜組成焼結法として言及される技術の範囲であり、多くの特許及び特許明細書によって知られている。米国特許第４，２７７，２８３号及び第４，６１０，９３１号によれば、窒素を含有する添加物が使用され、焼結工程は米国特許第４，５４８，７８６号にしたがって真空中で行われ、窒素はガス相として添加される。この結果、いずれの場合においても、立方晶相が本質的に枯渇しバインダ相の豊富な表面区域が得られる。米国特許第４，８３０，９３０号は、焼結工程後の脱炭によって得られるバインダ相の富化を開示し、これには、立方晶相も含まれている。
【０００４】
米国特許第４，６４９，０８４号においては、処理工程を省略しかつ連続的に堆積した酸化被膜の付着性を改良するために、窒素ガスが焼結工程で使用される。欧州特許出願第Ａ０５６９６９６号においては、このバインダ相の豊富な区域は、Ｈｆ及び／またはＺｒが存在すると得られる。欧州特許出願第Ａ０７３７７５６号においては、同一の効果が超硬合金中にＴｉが存在すると達成される。これらの特許においては、周期律の４Ａ族の立方晶炭化物形成元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）が、バインダ相の豊富な表面区域を得るために使用することができることを示す。
【０００５】
破壊力学の観点から、表面区域におけるバインダ金属の富化は、超硬合金が変形を吸収し且つ割れの成長伝播を停止することを意味する。このようにして、材料は、ほとんど同じ組成であるが均質な組織を有する材料と比較して、大きな変形を許容することによって、または割れの成長を防止することによって、破壊に抵抗する改良された能力が得られる。この切削材料は、強靭な特性を示す。
【０００６】
サブミクロンの組織を備えた超硬合金インサートは、靭性と耐摩耗性の双方に高い要求のある用途において、広範囲の鋼、ステンレス鋼及び耐熱合金の機械加工に現在使用される。焼結する際に粒径を維持するために、このような超硬合金は、粒成長抑制剤を一般的に含有する。通常の粒成長抑制剤は、バナジウム、クロム、タンタル、ニオブ及び／またはチタン、あるいはこれらを含む化合物を含有する。最も強い抑制作用は、バナジウム及び／またはクロムの使用で得られる。一般的に炭化物として添加した場合、これらは焼結する際に粒成長を制限するが、またこれらは望ましくない副作用をする。望ましくない脆い組織の析出は、都合の悪い方向の靭性挙動に影響を及ぼす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、適用温度で高靭性と高変形抵抗の組み合わせを備えた超硬合金インサートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、粒成長抑制剤が焼結工程の後に表面区域に析出物として存在しないにもかかわらず、実質的に立方晶炭化物相の無い微細粒の表面区域を有する微細粒の超硬合金を驚くべきことに始めて得た。これは、インサートの至るところ全てで＜１．５μｍのＷＣ粒である微細な粒径であることと、バインダ相に富んだ表面区域を備えていることとの組み合わせによって得られる。バナジウムの役割は、ＷＣ粒の粒成長を防止すること及び傾斜組成形成元素として作用することである。
【０００９】
本発明は、１．５μｍ未満、好ましくは１．０μｍ未満、最も好ましくは０．６μｍ未満のタングステン炭化物ＷＣを基にする第１の相と、Ｃｏ及び／またはＮｉを基にする金属のバインダ相と、バナジウムを含有する少なくとも一つの炭窒化物または混合炭窒化物を含んで成る少なくとも一つの付加相とから成る微細粒の超硬合金に関する。この超硬合金は、基本的に立方晶の炭化物相の無い、厚さ＜１００μｍ、好ましくは＜６０μｍ、最も好ましくは１０〜３５μｍのバインダ相の豊富な表面区域を有する。バインダ相の豊富な表面区域のバインダ相の含有量は、平均バインダ相含有量の最大１．２〜３倍である。上記ＷＣは、傾斜組成域の表面近く並びに超硬合金の中心部で１．５μｍ未満の平均粒子径を有する。超硬合金の組成は、３〜２０ｗｔ％のＣｏ、好ましくは４〜１５ｗｔ％のＣｏ、最も好ましくは５〜１３ｗｔ％のＣｏ、０．１〜２０ｗｔ％のＶ、好ましくは０．２〜１０ｗｔ％のＶ、最も好ましくは１〜１０ｗｔ％のＶ、及び残部として７０〜９５ｗｔ％、好ましくは８０〜９０ｗｔ％のＷＣである。９５ｗｔ％以下、好ましくは８０ｗｔ％以下のＶの部分は、Ｔｉのみと、或いは、立方晶相に固溶可能な元素、例えばＴａ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＨｆとの組み合わせと置換することができる。立方晶に固溶可能なＶ及びその他の元素の合計は、１〜２０ｗｔ％、好ましくは２〜１０ｗｔ％である。組織にグラファイトを含まない。本発明にしたがう超硬合金インサートは、ＣＶＤ、ＭＴＣＶＤまたはＰＶＤの技術によって、或いはＣＶＤ及びＭＴＣＶＤの組み合わせによって、薄い耐摩耗性の被膜が好ましく被覆される。炭化物、窒化物及び／または炭窒化物、好ましくはチタンの炭化物の最内被膜を堆積させる。その後の層は、炭化物、窒化物及び／または炭窒化物からなり、好ましくはチタン、ジルコニウム及び／またはハフニウム、及び／またはアルミニウム及び／またはジルコニウムの酸化物からなる。
【００１０】
本発明にしたがう超硬合金インサートは、硬質成分とバインダ相とを形成する粉末混合物を混練すること、乾燥すること、加圧成形すること及び焼結すること含む粉末冶金法によって製造される。所望のバインダ相の富化を得るために、窒素雰囲気中、部分的に窒素中、または真空中の焼結工程において、Ｖが、ＶＣとして、または（Ｖ、Ｍ）Ｃとして、または（Ｖ、Ｍ）（Ｃ、Ｎ）として、または（Ｖ、Ｍ、Ｍ）（Ｃ、Ｎ）として添加され、Ｍはこの立方晶の炭化物中に固溶可能な金属元素である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施例１
表１に示される原材料１、２及び４を用いて、１２ｗｔ％のＣｏと、８．１ｗｔ％のＶと、残部ＷＣとから成る組成を有する粉末を製造した。インサートは加圧成形されて焼結された。この焼結工程は、この合金を窒化するために、ＰＮ２＝９５０ｍｂａｒ以下、Ｔ＝１３８０℃を用いて実施された。Ｔ＝１３８０℃から焼結温度Ｔ＝１４１０℃まで、焼結工程は真空中で実施された。焼結されたインサートの窒素の含有量は、０．３５ｗｔ％のＮであった。
【００１２】
表１
原材料番号    原材料名    供給者                    粒径ＦＳＳＳ、μｍ    
１            ＶＣ        Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ      １．２〜１．８        
２            ＷＣ        Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ      １．４５〜１．５５    
（ＤＳ１５０）                                  
３            ＴｉＣ      Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ      １．２〜１．８        
４            Ｃｏ        ＯＭＧ                    １．３〜１．６        
微細な粒状                                      
５        TiC0.5No0.5     Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ      １．３〜１．６        
【００１３】
切削インサートの表面の組織は、逃げ面とすくい面の下の実質的に立方晶のバインダ相が無くて、厚さ７５μｍのバインダ相の豊富な表面区域と、表面の切れ刃近くの著しく減少した傾斜厚み部とからなる。これを図１に図示する。ＷＣの粒は約０．９μｍであった。
【００１４】
実施例２
実施例１と同じ粉末を用いて、インサートが加圧成形して焼結された。この焼結工程は、同じような手順を用いて実施したが、ＰＮ２＝９５０ｍｂｒの圧力が焼結サイクルを通して維持された。
【００１５】
表面区域の組織は、表面の切れ刃部分近くに著しく減少した傾斜厚み部を備え、逃げ面とすくい面の下の厚さ５０μｍの傾斜組成のバインダ相の豊富な区域からなり、図２に図示する。焼結されたインサートの窒素含有量は、０．３５ｗｔ％であった。元素の分布は、ＥＰＭＡ（電子プローブ微小分析法）を用いて決定する。これを図３に示す。注目すべきは、この表面区域は実質的にＶが存在しない。ＷＣの粒は約０．９μｍである。
【００１６】
実施例３
表１に示される原材料１、２、３及び４を用いて、１３ｗｔ％のＣｏと、３．４７ｗｔ％のＶと、３．２７ｗｔ％のＴｉと、残部ＷＣとから成る組成を有する粉末を製造した。
【００１７】
焼結工程は実施例１のように実施され、表面の組織は、逃げ面とすくい面の下の厚さ５５μｍのバインダ相の表面区域と、表面の切れ刃の近くに著しく減少した傾斜厚み部とからなる。これを図４に図示する。焼結されたインサートの窒素含有量は、０．４５ｗｔ％であった。ＷＣの粒は約０．９μｍであった。
【００１８】
実施例４
表１に示される原材料１、２、３、４及び５を用いて、１３ｗｔ％のＣｏと、３．４７ｗｔ％のＶと、３．２７ｗｔ％のＴｉと、０．０１３ｗｔ％のＮと、残部ＷＣとから成る組成を有する粉末を製造した。正確な焼結後窒素含有量及び薄い傾斜組成域を備えるインサートを製造するために、窒素は、粉末混合物に表１のＮｏ．５のＴｉＣ０．５Ｎ０．５として添加された。
【００１９】
この焼結工程は真空中でＴ＝１４１０℃１時間実施され、逃げ面とすくい面の下に厚さ１２μｍのバインダ相と、この表面の切れ刃部分の近くに著しく減少した傾斜厚み部と、が得られる。これを図５に図示する。ＷＣの粒は約０．９μｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１にしたがうバインダの豊富な表面区域の組織を５００Ｘで示す。
【図２】図２は、実施例２にしたがうバインダの豊富な表面区域の組織を１００Ｘで示す。
【図３】図３は、実施例３のＥＰＭＡ（電子プローブ微小分析法）を用いて決定したこの表面区域の元素分布を示す。
【図４】図４は、実施例３にしたがうバインダの豊富な表面区域の組織を１０００Ｘで示す。
【図５】図５は、実施例４にしたがうバインダの豊富な表面区域の組織を１０００Ｘで示す。