(57)【要約】【課題】本発明は超硬合金の基材と被膜からなる微細粒の切削工具インサートに関する。【解決手段】この超硬合金の基材は、ＷＣと、バインダ相と、実質的に立方晶の炭化物相の無いバインダ相の豊富な表面区域を有する立方晶の炭化物の相を含有するバナジウムと、とを含んで成る。さらにこの超硬合金の基材は、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、最終的に少なくとも一つの炭窒化物またはバナジウムを含有する混合炭窒化物を含んで成る少なくとも一つの付加相と、から成る微細粒である。【選択図】図３
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【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、及び本質的に立方晶の炭化物相の無いバインダ相の豊富な表面区域を備えた立方晶の炭化物相を含んで成る被覆切削工具インサートにおいて、
前記基材が、３〜２０ｗｔ％のコバルトと、周期律表の４ａ族及び５ａ族からの１〜２０ｗｔ％の他の立方晶の炭化物の形成体とバナジウムとの合計含有量を有する０．１〜２０ｗｔ％のバナジウムと、＜１．５μｍの平均ＷＣ粒径を有しかつ基材の組織中にグラファイトが存在しない残部が７０〜９５ｗｔ％のＷＣと、を含んで成る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】
バナジウムと周期律表の４ａ族及び５ａ族からの他の立方晶の炭化物の形成体との合計含有量が、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、標準バインダ相の含有量の最大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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜部区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。この傾斜部区域は、粒成長の抑制剤の添加により形成できる立方晶の炭化物或いは炭窒化物が実質的に存在しない。その上、この傾斜部区域は、微細な粒径である。
【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のため、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、バインダ相の豊富な表面区域を有するバインダ相と、を含有する超硬合金を製作する方法或いは処理は、傾斜部の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号にしたがって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、窒素はガスの相の中で加えられる。この結果、双方の場合において、立方晶の相が本質的に枯渇した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、それによってバインダ相の富化が、立方晶の相も含有することを達成した。
【０００４】
米国特許第４，６４９，０８４号において、処理工程を促進してかつ実質的に枯渇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の存在と共に得られる。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の存在と共に達成される。これらの特許においては、周期律の４Ａ族の立方晶炭化物の形成体（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】
破壊機構の観点から、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。この方法では、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。この切削を行う材料は、強靭な特性を示す。
【０００６】
サブミクロンの組織を供える超硬合金インサートは、靭性と耐熱性の双方に高い要求を備えた適用において、広範囲の鋼、ステンレス鋼及び耐熱鋼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。最も強い抑制剤は、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、実質的に立方晶の炭化物相の無い微細な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、バインダ相の富んだ表面区域を備える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及び傾斜部形成体としての役割を果たすことである。
【０００９】
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、最終的に少なくとも一つの炭窒化物またはバナジウムを含有する混合炭窒化物を含んで成る少なくとも一つの付加相と、から成る微細粒である超硬合金に関する。この超硬合金は、基本的に立方晶の炭化物相が無くて、＜１００μｍ好ましくは＜６０μｍ最も好ましくは１０〜３５μｍの厚い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が、標準バインダ相の含有量の最大１．２〜３倍である。このＷＣは、傾斜部区域の表面近く並びに超硬合金の中心部に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のみで、或いは立方晶の相に溶解可能な元素、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。立方晶に溶解可能な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。この組織は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の技術で、或いはＣＶＤ及びＭＴＣＶＤの組み合わせでも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最内の被膜を堆積させる。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、硬質構成物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、部分的に窒素、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溶解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は、１２ｗｔ％のＣｏと、８．１ｗｔ％のＶと、残部ＷＣと、の組成を有する粉末を製造するために用いられた。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＝９５０ｍｂｒ以下、Ｔ＝１３８０℃を用いて実施された。Ｔ＝１３８０℃から且つ焼結温度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％の窒素であった。
【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，Ｅｘｔｒａｋ      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部に実質的に立方晶のバインダ相が無くて７５μｍの厚いバインダ相の豊富な表面区域と、切れ刃表面近くの著しく減少した傾斜部の厚みとからなり、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部の厚みを備え、逃げ面とすくい面の下部に５０μｍの厚い傾斜部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）を用いて決定し、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は、１３ｗｔ％のＣｏと、３．４７ｗｔ％のＶと、３．２７ｗｔ％のＴｉと、残部ＷＣと、の組成を有する粉末を製造するために用いられた。
【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部に５５μｍの厚いバインダ相の表面区域と、切れ刃表面近くに著しく減少した傾斜部の厚みとからなり、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は、１３ｗｔ％のＣｏと、３．４７ｗｔ％のＶと、３．２７ｗｔ％のＴｉと、０．０１３ｗｔ％のＮと、残部ＷＣと、の組成を有する粉末を製造するために用いられた。十分に定義され焼結した窒素成分及び薄い傾斜部区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TiC０．５No０．５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部に１２μｍの厚いバインダ相と、この表面の切れ刃部分の近くに著しく減少した傾斜部の厚みと、が得られ、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。
【図３】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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