(57)【要約】【課題】硬さ，強度，靱性を低下させることなく、耐摩耗性，耐溶着性，膜との密着性などに優れる高クロム含有超硬合金の提供を目的とする。【解決手段】鉄族金属を主成分とする金属結合相：５〜２０体積％と、炭化クロム相：５〜２５体積％と、残りが硬質相と不可避不純物とからなる切削用高クロム含有超硬合金は、超硬合金中に多量の炭化クロム相粒子が均一に分散しているため、耐摩耗性，耐溶着性，膜との密着性などに優れており、切削用超硬合金として優れた性能を示す。【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄族金属を主成分とする金属結合相：５〜２０体積％と、炭化クロム相：５〜２５体積％と、残りが六方晶炭化タングステンを含む硬質相と不可避不純物とからなる切削用高クロム含有超硬合金。
【請求項２】
前記炭化クロム相は、前記金属結合相に対して、体積比で０．５〜２．０である請求項１に記載の切削用高クロム含有超硬合金。
【請求項３】
前記硬質相は、バナジウム、ニオブ、タンタルの炭化物の中の少なくとも１種からなる立方晶化合物を含み、該立方晶化合物の含有量が超硬合金全体に対して０．１〜２体積％である請求項１または２に記載の切削用高クロム含有超硬合金。
【請求項４】
前記金属結合相は、コバルトを主成分とする金属結合相である請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削用高クロム含有超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム，銅，耐熱合金などの非鉄金属や鋳物の切削加工に使用される超硬合金と、鋼，鋳物の切削加工に使用される被覆超硬合金の基材に用いられる高クロム含有の切削用超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金は、ＷＣの粒子径，Ｃｏ量，添加炭化物の種類（ＴｉＣ，ＴａＣ，ＶＣ，Ｃｒ３Ｃ２など）と量などを調整することにより、各用途で必要となる硬さ，強度，靱性，耐熱性，耐酸化性，耐食性などの合金特性を得ている。添加炭化物の内、特にＣｒ３Ｃ２は、これらの合金特性のほとんどを改善できることから切削工具にも多用されている。
【０００３】
クロムを含有した切削用超硬合金の従来技術は、Ｃｏ，Ｎｉからなる金属結合相に対して、添加する炭化クロムや金属クロムの量を限定することによって、耐摩耗性，耐チッピング性，耐溶着性などを改善したものである。
【０００４】
従来技術の内、６〜２０重量％のＣｏおよび／またはＮｉと、該Ｃｏおよび／またはＮｉに対して３〜１０重量％の炭化クロムと、残りが平均粒子径０．８μｍ以下の炭化タングステンと不可避不純物とでなる超硬合金であって、少なくとも該炭化クロムの全量を固溶した該Ｃｏおよび／またはＮｉでなる結合相の格子定数が３．５５８〜３．５６９Åであることを特徴とする切削または切断工具部材用超硬合金がある（例えば、特許文献１参照。）。また、Ｃｒが金属結合相量に対して５〜３５重量％含有され、該金属結合相量が合金の４〜２５重量％を占め、残部が平均粒子径１〜１０μｍのＷＣで構成されたアルミニウム加工用超硬合金がある（例えば、特許文献２参照。）。さらに、３〜２５重量％のＣｏおよびＮｉの総量と、ＣｏおよびＮｉに対してＣｒを炭化クロム換算で１０〜３０重量％含み、残部が炭化タングステンおよび不可避不純物からなる超硬合金と、この超硬合金を母材とする被覆超硬合金および被覆切削工具がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
これらのクロム含有超硬合金は、切削工具に使用する場合に最適なクロム含有量およびＣｏ／Ｎｉ比，ＷＣ粒子径を限定したものではあるが、添加された炭化クロムや金属クロムは金属結合相中にほぼ溶解して合金化し、炭化クロム相の粒子として殆ど残存していないために、クロム添加の効果が十分に発揮されないという問題がある。また、添加量が多いと粗大なクロム化合物が析出して強度、靱性が激減すると記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２１５９４７号公報
【特許文献２】特開平７−１３８６９１号公報
【特許文献３】特開平１１−６０２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、多量の炭化クロムを添加し、金属結合相中に金属クロムを最大限に固溶させると同時に、合金組織中に微細な炭化クロム相の粒子を均一分散させることによって、硬さ，靱性，耐酸化性，耐食性などの合金特性を向上させ、かつ耐欠損性，耐熱拡散摩耗性，耐溶着性，耐焼付き性，被膜との密着性などの実用性能を大幅に向上させた切削用超硬合金の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年に亘り、クロム添加超硬合金の更なる性能向上について検討していた所、金属結合相量を調整して炭化クロムを多量に添加すると、金属結合相が高クロム合金となると同時に、合金組織中に微細な炭化クロム相の粒子が均一に分散すること、この２つの効果により、耐摩耗性，耐溶着性，耐焼付き性，耐欠損性および被膜との密着性など、切削に係わる特性が大幅に向上するという知見を得て本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
本発明の切削用高クロム含有超硬合金は、鉄族金属を主成分とする金属結合相：５〜２０体積％と、炭化クロム相：５〜２５体積％と、残りが六方晶炭化タングステンを含む硬質相と不可避不純物とからなる超硬合金である。
【００１０】
本発明の切削用高クロム含有超硬合金における金属結合相は、鉄族金属を主成分とし、具体的には、少なくとも１５重量％以下のＣｒと２０重量％以下のＷとを固溶したＣｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｃｒ合金などを挙げることができる。ここで、鉄族金属は、鉄、ニッケル、コバルトを示す。鉄族金属の中でもコバルトは、硬質相との濡れ性が良く、耐熱性に優れているため特に好ましい。
【００１１】
本発明における金属結合相量は、５体積％未満では焼結性に劣り、合金内に巣孔が残留するために、硬さ，強度，靱性，耐欠損性が低下し、逆に２０体積％を超えて多くなると硬さや耐摩耗性が低下するため、５〜２０体積％と定めた。
【００１２】
本発明の切削用高クロム含有超硬合金における炭化クロム相は、具体的には、主に少量の鉄族金属を固溶したＣｒ７Ｃ３であるが、Ｃｒ３Ｃ２，Ｃｒ２３Ｃ６，Ｃｒ７Ｃ３−Ｆｅ３Ｃ系化合物なども挙げることができる。ここで、これらの炭化クロム相は、金属結合相中あるいは炭化タングステンの粒子間に平均粒子径０．１〜３μｍの微細な分散粒子となって存在することによって、その分散効果を発揮しているものである。炭化クロム相量は、５体積％未満では分散効果による硬さ，靱性や耐欠損性，耐溶着性，耐焼付き性，被膜との密着性の改善効果が少なく、逆に２５体積％を超えて大きくなると硬さ，耐摩耗性が低下すると共に、粗粒化して連続体（デンドライト状）を形成するために、強度が急激に低下する。
【００１３】
また、炭化クロム相量は、金属結合相に対して体積比で０．５〜２．０であると、炭化クロム相の粒子の分散が良好となってその効果が十分に発揮できるので好ましい。炭化クロム相が溶解析出により粒成長する際、体積比が０．５未満では特定粒子に集中して異常成長し、２．０を超えると粒子同士の合体成長が起こるために、炭化クロム相の粒子が巨大化する。
【００１４】
本発明の切削用高クロム含有超硬合金における六方晶炭化タングステンを含む硬質相は、六方晶炭化タングステンからなる硬質相であるが、一部の六方晶炭化タングステンを立方晶化合物および／または複合炭化物に置換しても良い。
【００１５】
立方晶化合物は、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種以上からなる。具体的には、ＶＣ，ＴａＣ，ＮｂＣ，ＴｉＮ，ＨｆＮ，（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｗ，Ｃｒ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）などを挙げることができる。立方晶化合物の量が４５体積％を超えて大きくなると、相対的に六方晶炭化タングステン量が減少するために、強度や靱性の低下が著しい。したがって、立方晶化合物の量は、超硬合金全体に対して０〜４５体積％が好ましい。その中でも立方晶化合物がバナジウム、ニオブ、タンタルの炭化物の中の少なくとも１種からなり、超硬合金全体に対して０．１〜２体積％含有されていると、炭化クロム相の粗粒化とデンドライト形成を阻止し、強度低下を防止するので特に好ましい。
【００１６】
複合炭化物は、鉄族金属とタングステンと炭素とからなる複合炭化物である。具体的には少量のＣｒを含有したＣｏ３Ｗ３Ｃ，（Ｃｏ，Ｎｉ）３Ｗ３Ｃ，Ｎｉ２Ｗ４Ｃ，Ｆｅ２Ｗ４Ｃなどを挙げることができる。合金中の含有炭素量が少ない場合に、金属結合相成分が余剰なタングステンと化合して形成される硬質粒子で、配合時の鉄族金属量が同一であれば、金属結合相量と相反する含有量となる。複合炭化物の量が超硬合金全体に対して５体積％を超えて多くなると強度，耐欠損性は低下する。したがって、複合炭化物は、超硬合金全体に対して０〜５体積％であると好ましい。
【００１７】
硬質相の平均粒子径は、０．５〜１０μｍであるが、金属結合相量あるいは炭化クロム量が多い場合には、炭化クロムが凝集し易いので３μｍ以下が好ましい。また、六方晶炭化タングステンの結晶中に３重量％以下のクロムを固溶させると、合金へのクロム添加効果を更に発揮できるので好ましい。具体的には、高温加熱処理によりＣｒを予め固溶させたＷＣ粉末を使用したり、焼結温度を高めると良い。
【００１８】
【実施例１】
市販されている平均粒子径が０．５μｍのＷＣ（ＷＣ／Ｆと記す），１．５μｍのＷＣ（ＷＣ／Ｍと記す），４．５μｍのＷＣ（ＷＣ／Ｃと記す），０．０２μｍのカーボンブラック（Ｃと記す），０．５μｍのＷ，１．１μｍのＣｒ３Ｃ２，１．０μｍのＣｏ，１．２μｍのＮｉ，１．２μｍの（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ（重量比でＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝５０／２０／３０），１〜１．５μｍのＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，３２５＃の金属Ｃｒ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とともに挿入し、４８時間混合粉砕後、乾燥して混合粉末を得た。ここで、配合炭素量は、焼結後に遊離炭素を析出しない範囲とし、Ｃｏ３Ｗ３ＣあるいはＮｉ２Ｗ４Ｃを析出させる場合はＷを過剰に添加した。また、各混合粉末での結合相量に対するＣｒ３Ｃ２量およびＣｒ量を表１に併記した。
【００１９】
そして、これらの粉末を金型に充填し、１９６ＭＰａの圧力でもって５．５×９．５×２９ｍｍの圧粉成形体を作製し、アルミナとカーボン繊維からなるシート上に設置し、表１に併記した温度までは１０Ｐａの真空中で加熱し、Ｃｒの気化を防止するために１ｋＰａのＡｒガスを導入した後、その温度で１時間加熱保持して、本発明品１〜１０および比較品１〜６の超硬合金を得た。
【００２０】
【表１】
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注）（）内は金属ＣｒをＣｒ３Ｃ２に換算した値。
【００２１】
こうして得られた超硬合金試片を＃２３０のダイヤモンド砥石で湿式研削加工し、４．０×８．０×２５．０ｍｍの形状に作製し、ＪＩＳ法による抗折力を測定した。また、同試料の１面を１μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工した後、ビッカース圧子を用いた荷重：２９．４Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ１Ｃ（ＩＭ法）を測定した。これらの結果を表２に示す。この結果から、本発明品の高クロム含有超硬合金は、ほぼ同一の平均粒子径，結合相量の従来品と比べ、硬さ，靱性が同等で強度がやや劣るものの、切削工具に使用できる範囲である。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
さらに、各試料のラップ面について電子顕微鏡にて組織写真を撮り、画像処理装置を使用して金属結合相，炭化クロム相（主にＣｒ７Ｃ３），ＷＣ，立方晶化合物，複合炭化物の含有量（体積％）と平均粒子径（但し、金属結合相は除く）も求めた。これらの結果を表３と表４に示す。尚、炭化クロム相の確認と定量は、希王水による金属結合相の腐食と村上氏試液による複合炭化物の腐食とを実施した後、ＷＣと分離して行った。また、金属結合相量に対する炭化クロム相量（体積比）を表４に併記した。組織観察の結果から、炭化クロム相量が著しく多いにも係わらず、炭化クロム相は、ほぼ均一に分散している（金属結合相が多いとやや凝集）。
【００２４】
【表３】
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【００２５】
【表４】
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【００２６】
【実施例２】
実施例１で得られた本発明品２，３，８および比較品４，５の混合粉末をＩＳＯ規格でＳＮＭＧ１２０４０８のハイレーキブレーカ付きチップの金型に充填し、実施例１と同様の条件でプレス成形，焼結を行ってチップ素材を得た。そして、逃げ面となるチップ外周とすくい面となる上下面を２７０＃のダイヤモンド砥石で研削加工（但し、ブレーカ面は焼結肌）した後、３２０＃の炭化けい素砥粒を含有したナイロン製ブラシで研磨することにより、切れ刃部には半径０．０１ｍｍのホーニングを形成し、ブレーカ面を平滑にした本発明品１１，１２，１３および比較品７，８の切削用チップを得た。
【００２７】
こうして得た切削用チップを用いて、被削材：アルミニウム合金，切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：３．０ｍｍ，送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ，乾式の条件で外周連続旋削試験を行った。１０分間切削した時点で、チップブレーカ面への被削材の凝着状態を観察し、被削材の仕上げ面粗さを測定した。また、５０分間切削した時点でチップ逃げ面の平均摩耗量を測定した。これらの結果を表５に示した。表５の結果から本発明品では、分散した炭化クロム相の効果により、チップ刃先に被削材が凝着しないために仕上げ面が美麗であり、また被削材と反応し難いために摩耗も少ない。
【００２８】
【表５】
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【００２９】
【実施例３】
実施例１で得られた本発明品６および比較品３の混合粉末をＩＳＯ規格でＣＮＭＧ１２０４０８のブレーカ付きチップの金型にて、実施例１と同様の条件でプレス成形，焼結を行ってチップ素材を作製し、ボス面を２７０＃のダイヤモンド砥石で研削加工し、刃先部を３２０＃の炭化けい素砥粒を含有したナイロン製ブラシで半径０．０４ｍｍのホーニング加工して、被覆超硬合金用の母材チップを得た。
【００３０】
そして、ＣＶＤコーティング装置を用い、Ｈ２，ＨＣｌ，Ａｒ，Ｎ２，ＴｉＣｌ４，ＣＨ３ＣＮ，ＣＯ２，ＡｌＣｌ３などの混合ガスを９５０〜１０５０℃に加熱することによって、母材側から１．０μｍのＴｉＮ，６．０μｍの柱状晶ＴｉＣＮ，３．５μｍのＡｌ２Ｏ３，０．５μｍのＴｉＮの計１１．０μｍを被覆し、本発明品１４と比較品９の表面被覆超硬工具チップを得た。
【００３１】
次に、各工具チップの５個を用いて、被削材：Ｓ４５Ｃの４本溝入り，切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ，湿式の条件で外周断続旋削試験を行った。断続切削による衝撃回数が１万回の時に切れ刃を観察した結果、膜剥離（チッピング）が発生したチップと正常なチップとの割合を表６に示す。また、正常なチップでの逃げ面摩耗量の平均値を表６に併記した。本発明品は、母材と膜との密着性に優れるため、膜剥離およびこれに伴うチッピング摩耗が少ない。
【００３２】
【表６】
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【００３３】
【発明の効果】
本発明の切削用高クロム含有超硬合金は、少量までの炭化クロムを含有した従来の切削用超硬合金に比べて、耐溶着性，耐焼付き性，被膜との密着性に優れる。例えば、アルミニウム切削では摩耗が少なくて仕上げ面も美麗であり、被覆超硬合金による鋼切削では膜剥離によるチッピング摩耗を生じ難いために長寿命であるという効果がある。
【００３４】
本発明の切削用高クロム含有超硬合金は、合金中に分散した炭化クロム相の粒子が硬さ，靱性，耐食性，耐酸化性を改善する作用をし、また切削工具に用いた場合には耐摩耗性，耐欠損性，耐溶着性，耐焼付き性，被膜との密着性などを向上させる作用をしているものである。