(57)【要約】【課題】近年、切削工具の省力化に対する要求が強く、これに伴い切削加工は高速化、並びに切削条件である切込みや送りを大きくする重切削化の傾向にある。しかし、従来の超硬合金工具は、特に切り込みや送りを大きくした断続切削に用いると、切刃に欠けやチッピングなどの欠損が発生し易いために、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。そこで、耐欠損性に優れた超硬合金が求められるようになった。【解決手段】Ｗと鉄族金属と炭素とからなる複合炭化物を含有する混合粉末を浸炭雰囲気で焼結することによって、六方晶炭化タングステン結晶中に鉄族金属が０．０２〜０．１重量％固溶した六方晶複合化合物を含有した超硬合金を得ることができる。六方晶複合化合物を含有した超硬合金は、従来の超硬合金に比較して耐欠損性に優れる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種以上と鉄族金属からなる超硬合金であって、該超硬合金は六方晶炭化タングステン結晶中に鉄族金属が０．０２〜０．１重量％固溶した六方晶複合化合物を含有する耐欠損性に優れた超硬合金。
【請求項２】
前記超硬合金は、鉄族金属を主成分とする金属結合相：３〜３０重量％と、残りが六方晶複合化合物と不可避不純物とからなる請求項１に記載の耐欠損性に優れた超硬合金。
【請求項３】
前記超硬合金は、鉄族金属を主成分とする金属結合相：３〜３０重量％と、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種以上：０〜５０重量％（０を除く）と、残りが六方晶複合化合物と不可避不純物とからなる請求項１または２に記載の耐欠損性に優れた超硬合金。
【請求項４】
前記六方晶複合化合物の最大粒子径は、該六方晶複合化合物の平均粒子径に対して１〜１．３倍である請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐欠損性に優れた超硬合金。
【請求項５】
Ｗと鉄族金属と炭素の各粉末を含む原料粉末を混合・粉砕して混合粉末とする第１工程と、該混合粉末を不活性ガスまたは真空中で７００〜１１００℃に加熱する第２工程と、加熱した該混合粉末を粉砕し、成形して粉末成形体とする第３工程と、該粉末成形体をＣＯガスの雰囲気中で８００〜１２００℃に浸炭焼結する第４工程とを含む耐欠損性に優れた超硬合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、六方晶炭化タングステン結晶中に鉄族金属を固溶させることによって優れた耐欠損性を実現し、特に鋼などの断続切削を高切り込みや高送り条件などの重切削条件に最適な超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、切削工具の省力化に対する要求が強く、これに伴い切削加工は高速化、並びに切削条件である切込みや送りを大きくする重切削化の傾向にある。しかし、従来の超硬工具は、特に切り込みや送りを大きくした断続切削に用いると、切刃に欠けやチッピングなどの欠損が発生し易いために、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００３】
この問題解決を試みた従来技術として、六方晶炭化タングステンの結晶内に鉄族金属などを分散させた粒内分散強化ＷＣ含有超硬合金がある。従来の技術としては、８〜１３重量％のＣｏ結合相中に対して、Ｃｒを０．１〜３重量％を含有し、残りが六方晶炭化タングステンからなる組織を有し、ＷＣ中に粒径１００ｎｍ以下のＣｏ系粒子の分散する六方晶炭化タングステン基超硬合金製切削がある（例えば、特許文献１参照。）。また、Ｃｏ結合相と六方晶炭化タングステンとＶからなる組織を有し、ＷＣ中に粒径１００ｎｍ以下のＣｏ系粒子の分散する超硬合金製切削工具がある（例えば、特許文献２参照。）。さらに、Ｃｏ結合相と六方晶炭化タングステンとＮａＣｌ型構造化合物からなる組織を有し、ＷＣ中に粒径１００ｎｍ以下のＣｏ系粒子の分散する超硬合金製切削工具がある（例えば、特許文献３参照。）。これらの超硬合金は、いずれもＷＣ中にＣｏが析出しているため耐摩耗性に劣り、耐欠損性や耐チッピング性の向上効果が少ないと言う問題がある。
【０００４】
結合相が３〜４０体積％の鉄族金属と立方晶系化合物が５０体積％以下と残りが六方晶炭化タングステンを主成分として含有する超硬合金において、ＷＣ内に該ＷＣよりも軟質な金属、合金および／または金属間化合物が分散した粒内金属分散強化ＷＣ含有超硬合金がある（例えば、特許文献４参照。）。この超硬合金は、粒内に軟質金属が分散しているため耐摩耗性に劣り、また耐欠損性の向上効果が少ないと言う問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５３８３１号公報
【特許文献２】特開平１０−２３７５８０号公報
【特許文献３】特開平１１−６１３１６号公報
【特許文献４】特開平１１−０９２８５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超硬合金は、いずれも耐摩耗性に劣り、また耐欠損性や耐チッピング性の向上効果が少ないと言う問題がある。本発明は、上記のような問題点を解決するもので、具体的には、六方晶炭化タングステン結晶中に鉄族金属を０．０２〜０．１重量％固溶させることによって、耐摩耗性の低下なしに、耐欠損性を大幅に向上させた超硬合金の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような観点から本発明者は、耐欠損性の向上を図るべく研究を行った結果、超硬合金製造の従来原料であるＷＣ粉末とＣｏ粉末に替わって、Ｗと鉄族金属と炭素との混合粉末を混合・粉砕し、真空あるいは不活性雰囲気中で加熱処理した後、再度、混合・粉砕・成形してＣＯガスの雰囲気中で浸炭焼結することによって、得られた超硬合金のＷＣ中には鉄族金属が固溶するために、優れた耐欠損性を持つという研究結果を得て、本発明に完成するに至ったものである。
【０００８】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金は、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種以上と鉄族金属からなる超硬合金であって、該超硬合金は六方晶炭化タングステン結晶中に鉄族金属が六方晶複合化合物全体に対して０．０２〜０．１重量％固溶した六方晶複合化合物を含有したことを特徴とする。
【０００９】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金において、六方晶炭化タングステン結晶中への鉄族金属の固溶は、以下の様に定義した。すなわち、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた３５万倍の高倍率において、六方晶炭化タングステン結晶中に鉄族金属粒子が存在しないこと、かつ鉄族金属の結合相を完全に除去して得た六方晶炭化タングステンのＩＣＰ発光分光法において、六方晶炭化タングステン中に鉄族金属が検出されることとした。
【００１０】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金における六方晶複合化合物は、六方晶炭化タングステン結晶中に六方晶複合化合物全体に対して０．０２〜０．１重量％の鉄族金属が固溶されているもので、六方晶炭化タングステンに対してのその固溶量が０．０２未満では、六方晶炭化タングステン自体への靱性の改善効果が少なく、また逆に０．１を超えて固溶させることは非常に困難であるために、０．０２〜０．１重量％と定めた。
【００１１】
鉄族金属を主成分とする金属結合相：３〜３０重量％と、残りが六方晶複合化合物と不可避不純物とからなる超硬合金は靱性に優れるため好ましい。
【００１２】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金における金属結合相は、具体的には、２０重量％以下のＷを固溶したＮｉ，Ｃｏ，ＦｅやＣｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金などを挙げることができる。金属結合相量は、３重量％未満では合金内に巣孔が残留して硬さ，強度，靱性や耐欠損性が低下し、逆に３０重量％を超えて多くなると、硬さや耐摩耗性が低下するため、結合相量を３〜３０重量％が好ましい。
【００１３】
鉄族金属を主成分とする金属結合相：３〜３０重量％と、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種以上：０〜５０重量％（０を除く）と、残りが六方晶複合化合物と不可避不純物とからなる超硬合金は、耐摩耗性に優れるため好ましい。
【００１４】
周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物は、超硬合金の硬さを上げ、耐摩耗性を向上させる効果がある。具体的には、ＶＣ，ＴａＣ，ＮｂＣ，Ｃｒ７Ｃ３，ＴｉＮ，ＨｆＮやこれらの相互固溶体である（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）などを挙げることができる。含有量は、５０重量％を超えて大きくなると、相対的に鉄族金属を固溶した六方晶複合化合物量が減少するために、耐摩耗性改善の効果が少なくなる。
【００１５】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金における六方晶複合化合物の粒子は、均一な粒度分布を持つものである。すなわち、六方晶複合化合物粒子の最大粒子径が六方晶複合化合物粒子の平均粒子径に対して１．３倍未満であると、欠損やチッピングの原因となる粗大粒子が存在しないので好ましい。ここで、六方晶複合化合物が均一な粒度分布となる理由として、六方晶炭化タングステン中に鉄族金属が固溶しているため、オストワルド成長による小さな六方晶複合化合物粒子は溶解および大きな六方晶複合化合物粒子へ析出を抑制することがが考えられる。
【００１６】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金の製造方法は、Ｗと鉄族金属と炭素の各粉末を含む原料粉末を混合・粉砕して混合粉末とする第１工程と、該混合粉末を不活性ガスまたは真空中で７００〜１１００℃に加熱する第２工程と、該加熱した混合粉末を粉砕し、成形して粉末成形体とする第３工程と、該成形体をＣＯガスの雰囲気中で８００〜１２００℃に浸炭焼結する第４工程とを含むものである。
【００１７】
第１工程において原料粉末のＷと鉄族金属と炭素の各粉末に、超硬合金に耐摩耗性を付与するため周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の粉末を加えても好ましい。
【００１８】
第２工程は、Ｗと鉄族金属と炭素とからなる複合炭化物を形成させる工程であり、Ｗと鉄族金属とを原子レベルで均一に拡散固溶させるものである。ここで、複合炭化物として、具体的には、Ｃｏ３Ｗ９Ｃ，Ｃｏ２Ｗ４Ｃ，Ｃｏ３Ｗ３Ｃ，Ｃｏ６Ｗ６Ｃ，Ｎｉ２Ｗ４Ｃ，Ｆｅ４Ｗ２Ｃなどを挙げることができる。加熱処理温度は、７００℃未満では複合炭化物の生成が少なく、１１００℃を超えると、鉄族金属を固溶していないＷＣ（ＷＣ中に析出）となる。尚、本発明の製造方法は、予め準備した複合炭化物粉末を第１工程で使用することによって、第２工程を省略しても良い。
【００１９】
第４工程は、Ｗと鉄族金属と炭素とからなる複合炭化物を含有した混合粉末を浸炭焼結する工程であり、Ｗと鉄族金属とが均一に固溶した複合炭化物を加熱・浸炭し、六方晶複合化合物と鉄族金属とに反応・分解させるものである。この際、焼結雰囲気を制御することにより、鉄族金属粒子をＷＣ中に析出させることなく、固溶状態を保持することが可能となる。
【００２０】
第４工程における焼結雰囲気は、圧力を制御したＣＯガスである。ＣＯガスは、低温では中性、高温では浸炭性を発揮し、複合炭化物の反応・分解を高温まで抑制する働きを持つ。結果として、ＷＣ中に鉄族金属を固溶させることができる。尚、焼結雰囲気は、ＣＯガスに限らず、ＣＯ２，ＣＨ４，Ｈ２溶などの混合ガスを加熱温度と共に制御しても良い。
【００２１】
【作用】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金は、六方晶炭化タングステン結晶中に固溶させた鉄族金属が六方晶炭化タングステン自体の靱性を改善する作用をし、結果として切削工具としての耐欠損性を向上させる作用をし、またその製造方法により本発明品を得られるものである。
【００２２】
【実施例】市販されている平均粒径１．２μｍ  のＣｏ２Ｗ４Ｃ、０．５μｍのＷ（Ｗ１と記す）、３μｍのＷ（Ｗ２と記す）、２．３μｍ  のＷ２Ｃ、３．４μｍ  のＷ２Ｆｅ３、１．２μｍのＣｏ、１．７μｍ  のＮｉ、０．０２μｍ  のカーボンブラック（Ｃと記す）、５．５μｍの黒鉛（Ｇと記す）、０．８μｍのＷＣ（ＷＣ１と記す）、４．０μｍのＷＣ（ＷＣ２と記す）、１．７μｍ  のＣｒ３Ｃ２、０．５・ｍのＶＣ、１．０μｍのＴａＣ、１．５μｍの（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃの複合炭化物（重量比でＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝５０／２０／３０）の各粉末を用い、表１に示した配合組成に秤量してステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボールミルと共に挿入し、７２時間の混合粉砕、乾燥した後、表１に併記した雰囲気Ａおよび温度Ａで１時間、加熱処理を行った。該加熱した混合粉末を粉砕し、金型に充填し１９６ＭＰａの圧力で成形した後、表１に併記した雰囲気Ｂ及び温度Ｂで１時間保持し，その後１４００℃の真空中で焼結を行い、ＩＳＯ規格：ＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウエイチップ形状をもった本発明品１〜９および比較品１〜８を得た。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
こうして得た本発明品１〜９および比較品１〜８のチップを解砕し、村上試薬と塩酸とを用いた加熱・溶解処理を順次行って、鉄族金属の結合相とＴａＣ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃなどの複合炭化物を除去した。得られたＷＣ粉末をＩＣＰ発光分光法にて分析した。次に、任意断面のラップ面を走査型顕微鏡によって１０視野（１視野：３５μｍ×２５μｍ）観察し、ＷＣの平均粒径を求めた。そして、この平均粒子径に対して１．３倍を超えるＷＣ粒子の個数を測定した。さらに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、３５万倍の倍率でＷＣ中の鉄族金属の有無を観察し、またＸ線回折での内部標準法により成分組成を求めた。これらの結果を表２に示す。これらの結果から、本発明品では、ＷＣ中への鉄族金属の固溶していることと粗大粒子が存在しないことが確認できる。
【００２５】
【表２】
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※ＷＣ＊は、ＷＣに鉄族金属が固溶した六方晶複合化合物を示す。
【００２６】
代表例として本発明品４，５，８および比較品４，５のチップを用いて、被削材：ＳＮＣＭ４３９（硬さ：ＨＢ２７０）の角材、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、送り：０．４２５ｍｍ、切り込み３．０ｍｍの条件で鋼の乾式高切り込み断続旋削試験を行い、欠損までの切削時間を測定した。チップのロックエル硬さと共にその結果を表３に示す。また、ＷＣ中のＣｏ量と焼結雰囲気の差異を表３に併記した。この結果から、本発明の超硬工具４，５と比較品４，５をそれぞれ比較すると、硬さおよび結合相含有量ともほぼ同じ値を示すが、ＷＣ中にＣｏが固溶されている本発明工具は、高切り込み断続切削条件においても優れた耐欠損性（欠けやチッピングが発生し難い）を示すことが分かる。発明品５と発明品８を比較すると、発明品５は硬さが高く、発明品８は靱性が高いため断続切削において長寿命である。
【００２７】
【表３】
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使用寿命はいずれも刃先の欠けおよびチッピングによるもの
【００２８】
【発明の効果】
本発明の耐欠損性に優れた超硬合金は、連続切削は無論のこと、断続切削を高切り込みや高送り条件などの重切削条件で行っても、切刃に欠けやチッピングが発生することなく優れた切削性能を長期に亘って発揮することができる。