(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣと、鉄族金属からなる結合金属と、硬質相とを含む超硬合金から構成され、硬質相として単斜晶ＺｒＯ2を有するとともに、前記単斜晶ＺｒＯ2の２θ（°）が２７．９°〜２８．５°の範囲内にあるピークの強度をＬ１とし、ＷＣ（１００）面のピーク強度をＬ２としたときの強度比（Ｌ１／Ｌ２）が０．１〜１．６％の範囲内にあり、かつ前記ＷＣの含有量が６０〜９５重量％であることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記単斜晶ＺｒＯ2を含むＺｒ酸化物が、前記超硬合金中に０．１〜１４．０体積％の割合で含有されている請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
硬質相中に含まれるＺｒ化合物が、前記単斜晶ＺｒＯ2を含むＺｒ酸化物のみである請求項１または２記載の切削工具。
【請求項４】
前記超硬合金の表面に硬質材料からなる被覆層を形成した請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具。
【請求項５】
少なくともＷＣ、鉄族金属およびＺｒＣを含む原料粉末を混合粉砕し造粒する工程と、造粒した原料粉末を所望の切削工具の形状に加圧成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程とを含み、焼結時に前記ＺｒＣの一部または全部を単斜晶ＺｒＯ2に酸化することを特徴とする切削工具の製造方法。
【請求項６】
焼結時に前記ＺｒＣの一部または全部が単斜晶ＺｒＯ2に酸化されるように、前記原料粉末中に含まれる炭素量が、この原料粉末の組成から計算される炭素量以下に調整されている請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＷＣ系超硬合金からなる切削工具およびその製造方法に関し、より詳しくは特に高温での靱性や耐摩耗性に優れた切削工具およびその製造方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
近年、機械加工は、生産能率および加工精度の向上や生産コストの低減などを図るべく無人化、自動化、省力化が推し進められており、切削加工においても高能率化（高速・高送り）が要求されている。しかし、高速度での切削は、刃先が非常に高温となるため、切削工具に高温での高い耐久性が求められる。
また、環境への配慮から、切削加工時に刃先冷却用の切削油を使用しないドライ切削が望まれているが、このようなドライ切削では刃先が非常に高温となるため、特に高温での高い耐久性が求められる。
【０００３】
これらの要求を満たすには、切削工具の基本特性として高温で塑性変形しない高靱性と耐摩耗性を有することが必要である。従来、耐摩耗性や耐欠損性を高めるために、ＺｒＣ，ＺｒＮ，ＨｆＣ，ＨｆＮ，ＶＣなどをＷＣおよび結合層を含むＷＣ系超硬合金に添加することが提案されていた。
【０００４】
すなわち、特開平６−７３５６０号公報では、Ｚｒおよび／またはＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物を添加し、且つ、切刃稜線部の最表面にＷＣおよび鉄族金属のみからなる層を形成することが提案されている。
【０００５】
特開平６−９３４７３号公報では、Ｚｒおよび／またはＨｆの化合物とＴｉ化合物の両方を添加し、Ｚｒおよび／またはＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物で合金靱性の維持を図るとともにＴｉ化合物を添加することで合金強度を補強することが提案されている。
【０００６】
特開平１０−１８０３８号公報では、上記のようなＷＣ系超硬合金においてＺｒおよび／またはＨｆ化合物の平均粒径を１μｍから１０μｍ以下に制御することにより靱性、耐塑性変形性、耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記したＺｒおよび／またはＨｆの炭化物、窒化物または炭窒化物を添加した超硬合金からなる切削工具においては、加工条件を厳しくした時、例えば鋳鉄の加工において切削速度を３００ｍ／分以上とした時など、切刃稜線部分が非常に高温となり、切削工具の耐摩耗性と靱性が低下するという問題があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、高温下においても高い靱性を有し、耐摩耗性、耐欠損性に優れた切削工具およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ＷＣと、結合金属と、硬質相とを含む超硬合金で構成される切削工具において、硬質相としてＺｒＯ2 を有する場合には、工具の切刃稜線部分が非常に高温となる過酷な加工条件下において、工具の表面を覆う被覆膜が部分的に摩滅して母材（超硬合金）が露出しても、母材の摩耗が抑制され、耐摩耗性が向上すると共に、靱性にも優れているという新たな事実を見出し、本発明を完成するに到った。
【００１０】
すなわち、本発明の切削工具は、ＷＣと、鉄族金属からなる結合金属と、硬質相とを含む超硬合金から構成され、硬質相として単斜晶ＺｒＯ2を有するとともに、前記単斜晶ＺｒＯ2の２θ（°）が２７．９°〜２８．５°の範囲内にあるピークの強度をＬ１とし、ＷＣ（１００）面のピーク強度をＬ２としたときの強度比（Ｌ１／Ｌ２）が０．１〜１．６％の範囲内にあり、かつ前記ＷＣの含有量が６０〜９５重量％であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の切削工具が靱性に優れている理由としては、切削工具の製造工程において、９００〜１３００℃の温度域で焼成されて立方晶となったＺｒＯ2 （ｔ−ＺｒＯ2 ）が焼結後の冷却過程で単斜晶のＺｒＯ2 （ｍ−ＺｒＯ2 ）に変化することにより数％の体積膨張が生じ、このため超硬合金中に圧縮応力が加わり高靭化が達成されるものと考えられる。本発明の切削工具が有する高靱性は高温でも殆ど低下することがなく、このため高温での耐欠損性が向上する。
【００１２】
また、本発明の切削工具の製造方法は、少なくともＷＣ、鉄族金属およびＺｒＣを含む原料粉末を混合粉砕し造粒する工程と、造粒した原料粉末を所望の切削工具の形状に加圧成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程とを含み、焼結時に前記ＺｒＣの一部または全部をＺｒＯ2 に酸化することを特徴とする。
【００１３】
本発明の方法においては、焼結時に前記ＺｒＣの一部または全部がＺｒＯ2 に酸化されるように、前記原料粉末中に含まれる炭素量が、この原料粉末の組成から計算される炭素量以下に調整されているのが好ましい。
このように炭素量を所定値以下に制限することにより、ＺｒＣからＺｒＯ2 への変化が炭素によって阻害されるのを防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具は、ＷＣおよび結合金属を含む超硬合金で構成され、この超硬合金中に硬質相としてＺｒＯ2 を有するものである。主成分であるＷＣは平均粒径が０．５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍの粒状物である。また、結合金属はＣｏ、Ｎｉ等の鉄族金属を主成分とするものであり、超硬合金中に４〜２０重量％の割合で含有されるのがよい。結合金属の割合が前記範囲を越えるときは、硬さ、圧縮強さが低下し、耐摩耗性が低下するおそれがある。一方、結合金属の割合が前記範囲を下回るときは、ＷＣおよび硬質相の結合が充分でないため、靱性が不足し加工中に工具欠損をひき起こすおそれがある。
【００１５】
前記超硬合金は、硬質相として、ＺｒＯ2 のほか、他のＺｒ酸化物、例えばＣａＺｒＯ3 、ＢａＺｒＯ3 、ＺｒＯ2 ・ＳｉＯ4 、ＴｉＯ・ＺｒＯ3 等を含有してもよい。さらに硬質相としてＺｒの炭化物、窒化物、炭窒化物等を含有してもよいが、これらのＺｒ化合物の存在は高温での靱性や耐摩耗性の向上に寄与するものではない。例えば硬質相がＺｒＣを有する場合、工具の刃先が非常に高温となり、ＺｒＣが立方晶のｔ−ＺｒＯ2 に変化したとしても、それは母材の表面部分だけであり、母材の高靭化にはつながらず、逆に表面付近だけが体積膨張することにより表面をもろくしてしまう傾向がある。従って、Ｚｒ化合物はＺｒＯ2 を含むＺｒ酸化物のみであるのが好ましい。
【００１６】
ＺｒＯ2 の存在の確認は、公知のＸ線回折によって行うことができる。例えば、単斜晶の場合には、Ｘ線回折の（１００）面と（１１１）面でのピーク２θ（°）が２７．９°〜２８．５°の範囲内にあることで確認できる。
【００１７】
前記ＺｒＯ2 の含有量に関して、ＺｒＯ2 の（１００）面と（１１１）面の合成ピークの強度をＬ１とし、ＷＣ（１００）面のピーク強度をＬ２としたときの強度比ＬＡ（Ｌ１／Ｌ２）が０．１〜１．６、好ましくは０．１３〜１．５２、より好ましくは０．２〜１．５％であるのがよい。この強度比ＬＡは超硬合金中のＷＣ含有量に対するＺｒＯ2 含有量の指標となる。
強度比ＬＡが０．１％未満の場合、または１．６％より大きい場合には、加工条件を非常に厳しくしたとき（例えば鋳鉄の加工において切削速度を３００ｍ／分以上としたとき等）、耐摩耗性が低下するおそれがある。
【００１８】
また、ＺｒＯ2 を含むＺｒ酸化物の前記硬質相中の含有量は、０．１〜１４．０体積％、好ましくは０．１６〜１３．０体積％、より好ましくは０．３〜１２．０体積％の範囲であるのがよい。上記含有量が０．１体積％未満の場合、あるいは１４．０体積％を越える場合、前記のように加工条件を非常に厳しくしたとき（例えば鋳鉄の加工において切削速度を３００ｍ／分以上としたとき等）、耐摩耗性が低下するおそれがある。
【００１９】
Ｚｒ酸化物の含有量を求めるには、例えば、金属顕微鏡で母材の鏡面写真（倍率１０００倍）を撮影し、黒色の相の面積をパソコンの面積計算ソフトを用いて算出すればよい。この際、撮影箇所と同一面をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analysis ）でＺｒとＯ2 の元素マッピングを撮影し、金属顕微鏡の鏡面写真と重ね合わせ、黒色の相の部分がＺｒ酸化物であることを確認しておく。
【００２０】
前記超硬合金は、表面に化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）などにより硬質材料からなる被覆膜を形成し被覆することにより被覆超硬合金として切削工具に好適に用いることができる。被膜材質としては、特に限定されるものではないが、例えば周期律表４ａ、５ａ、６ａ元素およびＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸、窒化物、硼化物の１種または２種以上が挙げられ、具体的にはＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ2 Ｏ3 などを例示することができる。これら硬質材料を用いて単層あるいは複層の被覆膜が超硬合金（母材）の表面に設けられる。被覆膜は約０．１〜２０μｍの厚さに形成されるのがよい。
【００２１】
次に、本発明の切削工具の製造方法を説明する。原料としてＺｒＣ、Ｃｏ等の鉄族金属、ＷＣ、さらに必要に応じて炭素粉末が用いられる。これら原料粉末は混合後、混合粉体を超硬合金製のボールミルで混合粉砕し造粒した混合粉体を２ｔｏｎ／ｃｍ2 程度の圧力で所望の切削工具形状に加圧成形し、０．０１〜１ｔｏｒｒの真空雰囲気中、１２５０℃以上の温度で１０分〜２時間焼成する。前記成形工程においては、成形体内に空気の一部が取り込まれ、この空気が真空焼成時においても成形体内に残留していることにより、前記ＺｒＣの一部または全部がＺｒＯ2 に酸化される。これによって、硬質相としてＺｒＯ2 を有する超硬合金からなる母材が得られる。ついで、前記したように硬質材料からなる被覆膜で母材を被覆することにより被覆超硬合金の切削工具が得られる。
【００２２】
炭素粉末は、一般にＷＣと鉄族金属とが固溶体を生成して超硬合金の性能が低下するのを防止するために原料粉末中に添加されるが、原料粉末中の炭素量が多いと、固溶体の生成抑制と共にＺｒＣの酸化も抑制されるおそれがある。これは、炭素が酸素と結合してしまうためと考えられる。このため、本発明では、前記成形体中に含まれる空気による前記ＺｒＣのＺｒＯ2 への酸化が余剰の炭素によって阻害されないように、前記原料粉末中に含まれる炭素量（Ｂ重量％）が、この原料粉末の組成から計算される炭素量（Ａ重量％）以下、すなわちＢ≦Ａとなるように炭素量を調整するのが好ましい。
【００２３】
ここで、原料粉末の組成から計算される炭素量（Ａ重量％）は、炭素源がＷＣとＺｒＣのみの場合、次式（ｉ）から求められる。
Ａ＝［6.132 ×（ＷＣ量）］＋［11.634×（ＺｒＣ量）］  ・・・（ｉ）
但し、
(1) 「６．１３２」はＷＣ中のＣの重量％であり、（１２．０１／１９５．８５）×１００から求められる。
(2) ＷＣ量は［ＷＣの原料粉末中の割合（重量％）］／１００である。
(3) 「１１．６３４」はＺｒＣ中のＣの重量％であり、（１２．０１／１０３．２３）×１００から求められる。
(4) ＺｒＣ量は［ＺｒＣの原料粉末中の割合（重量％）］／１００である。
そして、上記Ｂ≦Ａとなる範囲で炭素を添加すればよい。
【００２４】
原料粉末がＷＣ、ＺｒＣ以外の他の金属炭化物を含有する場合には、当該炭化物中のＣ量も上記（ｉ）に加算する（ただし、ＷＣと鉄族金属とが固溶体を形成するのを抑制するために添加されるＣは含まない）。
一方、実際の原料粉末中に含まれる炭素量は、後述する実施例に記載のように炭素分析装置により測定することができる。
【００２５】
上記のようにＢ≦Ａとなる範囲で原料組成を調製することにより、焼結過程でＺｒＣの少なくとも一部が成形体中に残留した空気中の酸素と反応し、ＺｒＯ2 が形成されるものと考えられる。一方、Ｂ＞Ａとなる場合には、炭素量が過多となった状態であるため、余剰の炭素が空気中の酸素と反応し、ＺｒＯ2 の生成が阻害されるおそれがある。
Ｂ≦Ａとしたとき、Ａ−Ｂは原料組成によっても変化するため特に限定されるものではないが、通常、Ａ−Ｂは０〜０．５、好ましくは０．０３〜０．２、より好ましくは０．１２〜０．１７の範囲であるのがよい。Ａ−Ｂが０に近づくほど硬度や強度を低下させる要因となる遊離炭素が出現し易くなり、他方、Ａ−Ｂが大きくなるほどＣｏ3 Ｗ3 ＣやＣｏ6 Ｗ6 等の脆い相が出現し易くなる。
【００２６】
なお、原料粉末中に実際に含まれる炭素量（Ｂ重量％）を、この原料粉末の組成から計算される炭素量（Ａ重量％）以下とするには、ＷＣの計算上のＣ量に対してＣ量が０．１〜０．２重量％程度少ない、いわゆるローカーボンタイプのＷＣを原料粉末として使用し、さらにＣ量の微調整を行うために適量のＣを別途添加することが可能である。
【００２７】
また、主として成形体中に残留した空気に由来する酸素量は、ＺｒＯ2 が前記した強度比ＬＡで表される範囲となるか、あるいはＺｒＯ2 を含むＺｒ酸化物が超硬合金中に前記した範囲となるように成形条件および焼成条件を調整すればよい。
【００２８】
原料粉末中の配合割合は、ＷＣ粉末６０〜９５重量％、鉄族金属の粉末４〜２０重量％、ＺｒＣの粉末０．２〜２５重量％、炭素粉末０〜１重量％であり、好ましくはＷＣ粉末８５〜９５重量％、鉄族金属の粉末４〜１０重量％、ＺｒＣの粉末０．３〜５重量％、炭素粉末０〜０．３重量％である。
この配合割合は、炭素粉末を除く総量（Ｍ）を１００重量％としたものであり、炭素粉末はこの総量（Ｍ）に対する配合割合で示している。
【００２９】
また、上記した製造方法以外に、例えば原料粉末としてＺｒＣに代えて、またはＺｒＣと共に、ＺｒＯ2 粉末を添加して母材を作製してもよい。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の切削工具を説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００３１】
実施例および比較例
原料粉末として、表１に示す組成のＺｒＣ、ＣｏおよびＷＣを用意した。これら原料粉末中の炭素量（Ｂ２）は予め測定しておいた。測定結果を表１に示す。炭素量測定にはＬＥＣＯ社製の炭素分析装置（ＷＲ１２、標準試料：ＬＥＣＯ社製の５０１−１２３）を使用した。また、前記式（ｉ）に従って原料粉末中の炭素量（Ａ）を計算した。その値を表１に示す。
上記の原料粉末には炭素粉末を添加した。炭素粉末の添加量（Ｂ１）は原料粉末の総量１００重量％に対する割合（重量％）として表１に示した。
原料粉末を混合粉砕後、造粒し、圧力２ton/cm2 でＣＮＭＡ１２０４１２のスローアウェイチップ形状に加圧成形し、この成形体を０．１ｔｏｒｒの真空雰囲気中、１４５０℃で１時間焼結した。得られた焼結体につき、堀場製作所製の酸素分析装置（ＥＭＧＡ−６５０ＦＡ、標準試料：ＬＥＣＯ社製の５０１−５５３）を使用して酸素量を測定した。さらに、上記焼結体につき、Ｘ線回折ピーク測定を行い、ＺｒＯ2 のＸ線回折ピーク２θ（°）を測定するとともに、ＺｒＯ2 の（１００）面と（１１１）面の合成ピーク強度Ｌ１とＷＣの（１００）面のピーク強度Ｌ２との強度比ＬＡを求めた。それらの結果を表１に示す。上記Ｘ線回折ピーク測定には理学電気製のＸ線回折装置（ＲＩＮＴ  １１００）を用いた。また、前記焼結体につき、金属顕微鏡で鏡面写真（倍率１０００倍）を撮影し、黒色の相の面積をパソコンの面積計算ソフトを用いて算出し、これをＺｒ酸化物の含有量（体積％）とした。上記のような金属顕微鏡の撮像によれば、ＺｒＯ2 を含むＺｒ酸化物のみが黒色の色調となる。また、Ｘ線回折ピーク測定を行って、焼結体中のＺｒＣの存在を確認した。その結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0004364990.tif 000002
表１において、原料組成はＺｒＣとＣｏとＷＣとで１００重量％となる。添加炭素量（Ｂ１）は原料組成１００重量％に対する添加量（重量％）で示す。Ｚｒ酸化物は、ＺｒＯ2 および他のＺｒ酸化物を含んでいる。また、ＬＡはピーク強度比を、Ｌ１はＺｒＯ2 の（１００）面と（１１１）面の合成ピーク強度を、Ｌ２はＷＣの（１００）面のピーク強度をそれぞれ示している。
【００３３】
表１に示すように、本発明の実施例にかかる試料Ｎｏ．１〜５は、前記式（ｉ）に従って計算した原料粉末中の炭素量をＡ重量％とし、原料粉末中に実際に含まれる炭素量をＢ重量％としたときＡ＞Ｂとなっている。そして、試料Ｎｏ．１〜５では、焼結体中のＺｒＯ2 のＸ線回折ピーク２θ（°）が２７．９〜２８．５の範囲で検出されていることからＺｒＯ2 を硬質層として有していることがわかる。
これに対して、比較例である試料Ｎｏ．６は前記炭素量Ａ、Ｂの関係がＢ＞Ａであるため焼結体中のＺｒＯ2 のＸ線回折ピークは検出されなかった。
また、表１に示すように試料Ｎｏ．１〜５のうちＮｏ．１〜３はＺｒ酸化物の含有量が０．３〜１２．０体積％の範囲内にあるのに対して、Ｎｏ．４は１２．０体積％より多く、Ｎｏ．５は０．３体積％未満である。ＺｒＯ2 の（１００）面と（１１１）面の合成ピークの強度をＬ１とし、ＷＣ（１００）面のピーク強度をＬ２としたときの強度比ＬＡ＝Ｌ１／Ｌ２について、試料Ｎｏ．１〜３は０．２〜１．５％未満の範囲であるのに対して、Ｎｏ．４は１．５％より多く、Ｎｏ．５は０．２％未満である。
さらに、表１に示すように試料Ｎｏ．１〜３のうちＮｏ．１，２はＺｒＣ相が存在していない。
【００３４】
実験例
実施例および比較例で得た試料Ｎｏ．１〜６を用いて以下の条件で２種類の切削試験を行った。
（連続切削試験）
被削材  ：鋳鉄ＦＣ２５０  円筒材
切削速度：４５０ｍ／分
切り込み：２．０ｍｍ
送り    ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油  ：なし
切削時間：３０分
測定    ：ノーズの摩耗幅
（断続切削試験）
被削材  ：鋳鉄ＦＣＤ４５０、５ｍｍ幅溝４本入り円筒材
切削速度：１００ｍ／分
切り込み：２．０ｍｍ
送り    ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油  ：あり
切削時間：１０分
試験本数：１試料につき５本
評価    ：欠損本数
これらの実験結果を表２に示す。表２において、評価は以下の基準に基づいて行った。
◎◎：特に優れていた。
◎  ：優れていた。
○  ：良好であった。
×  ：不良であった。
【００３５】
【表２】
0004364990.tif 000003
【００３６】
表２から明らかなように、試料Ｎｏ．６は連続切削試験でのノーズ摩耗（工具の先端角部が摩耗する先端摩耗）が０．２８ｍｍ以上と大きく、また、断続切削試験にて欠損が発生した。
これに対して、前記原料粉末の組成から計算される炭素量Ａ重量％と、原料粉末中に含まれる炭素量Ｂ重量％との関係がＡ＞Ｂであり、且つ、焼結体中のＺｒＯ2 のＸ線回折ピーク２θ（°）が２７．９〜２８．５の範囲で検出された本発明の実施例にかかる試料Ｎｏ．１〜５はノーズ摩耗が０．２１ｍｍ以下と小さく、断続切削試験でも欠損は発生しなかった。
このうち、ＺｒＯ2 を含むＺｒ酸化物の含有量が０．３〜１２．０体積％の範囲にある試料Ｎｏ．１〜３はノーズ摩耗が０．２ｍｍ未満と耐摩耗性に優れ、その中でもＺｒＣ相などを有しない、硬質相中のＺｒ化合物としてＺｒ酸化物のみを含む試料Ｎｏ．１、２は特に耐摩耗性に優れていた。
なお、本発明の実施例にかかる試料Ｎｏ．１〜５はいずれも原料粉末の組成から計算される炭素量Ａ重量％と、原料粉末中に含まれる炭素量Ｂ重量％との関係がＡ＞Ｂであるが、Ａ＝Ｂであっても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高温下で高い靱性を有し、耐摩耗性、耐欠損性に優れているという効果がある。