(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷとＣとを含有する硬質相と、立方晶のＣｏを含有する結合相とを、含有してなる超硬合金であって、前記結合相はＺｒを含有しており、前記Ｃｏの格子定数が、３．５５７５Åを超え、３．５６００Å以下である、超硬合金。
【請求項２】
前記Ｃｏの格子定数は、３．５５８０〜３．５５９５Åである、請求項１に記載の超硬合金。
【請求項３】
前記ＺｒをＺｒＣ換算で、１．０〜１．５質量％含有している、請求項１または２に記載の超硬合金。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の超硬合金の表面に位置する被覆層を有する、被覆工具。
【請求項５】
前記被覆層は、前記超硬合金の方から、順にＴｉＣＮ層とＡｌ2Ｏ3層とを有する、請求項４に記載の被覆工具。
【請求項６】
前記被覆層は、前記超硬合金の方から、順にＴｉＣＮ層とＴｉＮ層とＡｌ2Ｏ3層とを有する、請求項４に記載の被覆工具。
【請求項７】
第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、
前記ポケットに位置する、請求項４〜６のいずれかに記載の被覆工具と、を備えた切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、超硬合金及びこれを用いた被覆工具、切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＣを硬質相として含有する超硬合金は、エンドミルなどに利用されている。特許文献１では、ＷＣと結合相としてＣｏを用い、Ｃｏの含有量を３〜１０重量％とし、Ｃｏの格子定数を３．５６５〜３．５７５Åの範囲に制御することで、刃先が高温になる特殊な切削条件下で満足のいく工具寿命が達成できることが記載されている。【０００３】
また、特許文献２では、Ｃｏの格子定数を３．５２４〜３．５４５Åの範囲に制御することで高速フライス切削に適した切削工具を提供できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０７５１５号公報
【特許文献２】特開平７−１１２３１３号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示の超硬合金は、ＷとＣとを含有する硬質相と、立方晶のＣｏを含有する結合相とを含有する。前記結合相はＺｒを含有しており、前記Ｃｏの格子定数が、３．５５７５Åを超え、３．５６００Å以下である。また、本開示の被覆工具は、前記超硬合金の表面に位置する被覆層を有する。また、本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１端側にポケットを有するホルダと、ポケットに位置する上記の被覆工具と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の被覆工具の一例を示す斜視図である。
【図２】本開示の被覆工具の表面付近を示す断面拡大図である。
【図３】本開示の切削工具の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本開示の超硬合金は、ＷとＣとを含有する硬質相と、立方晶のＣｏを含有する結合相とを、含有する。前記結合相はＺｒを含有しており、Ｃｏの格子定数が、３．５５７５Åを超え、３．５６００Å以下である。
【０００８】
上記の構成を有する超硬合金は、高温における塑性変形が小さい。また、硬度が高く、工具として用いるのに適している。本開示の超硬合金は、従来、チッピングが発生するため避けられていた、Ｃｏの格子定数が３．５５７５Åを超え、３．５６００Å以下である領域においても、ＣｏがＺｒを含有することで、高温における塑性変形が小さく、過度なチッピングの発生もない。
【０００９】
なお、Ｚｒは、結合相であるＣｏに固溶しており、この固溶により、Ｃｏの格子定数が変化する。この固溶を確認するには、例えば、超硬合金の断面において、Ｃｏを主成分とする結合相を観察し、ＥＤＸなどで、ＣｏとＺｒが結合相に含まれていることを確認するとよい。
【００１０】
詳細な理由は、不明であるが、ＣｏがＺｒを含有することが、従来、不適当と認識されていた格子定数においても、塑性変形を抑制できた要因であると思われる。
【００１１】
また、Ｃｏの格子定数は、３．５５８０〜３．５５９５Åであってもよい。このような範囲とすると、高温における塑性変形がさらに小さい。
【００１２】
本開示の超硬合金に含まれる硬質相は、例えば、ＷＣ粒子である。硬質相は、９０質量％以上のＷＣと、残余がその他の固溶元素を含んでいてもよい。固溶元素としては、ＡｌやＣｒ等が挙げられる。硬質相の含有量は８０〜９５質量％とするとよい。この範囲とすると、工具として用いるために適した硬度を有する。
【００１３】
また、本開示の超硬合金は、ＺｒをＺｒＣ換算で、０．７５〜１．０質量％含有していてもよい。このような範囲とすると、超硬合金の塑性変形が小さい。
【００１４】
また、本開示の超硬合金は、ＴｉをＴｉＣ換算で、１．０〜３．０質量％含有していてもよい。このような構成とすることで、結合相の高温特性が向上するため、高速加工においても塑性変形しにくくなる。ＴｉはＴｉＣ換算で、２．０〜３．０質量％含有していてもよい。
【００１５】
また、本開示の超硬合金は、ＴａをＴａＣ換算で、０．１〜５．０質量％含有していてもよい。このような構成とすることで、結合相の高温特性が向上するため、高速加工においても塑性変形しにくくなる。ＴａはＴａＣ換算で、１．０〜３．０質量％含有していてもよい。
【００１６】
本開示の超硬合金は、残余として結合相であるＣｏを含有している。
【００１７】
上述の通り、本開示の超硬合金は、高温における塑性変形が小さい。そして、硬質相を含有することにより、硬度が高い。このような特性により、本開示の超硬合金は、被覆工具の基体として適している。
【００１８】
本開示の被覆工具は、超硬合金の表面に位置する被覆層を有している。図１は、本開示の被覆工具の一例を示す斜視図である。本開示の被覆工具１は、図１に示す例においては、主面が概略四角形状の板状である。ただし、この形状に限定されるものではない。図１における上面はすくい面であり、図１における側面は逃げ面である。そして、上面と側面の交稜部に切刃７が形成されている。言い換えれば、すくい面と逃げ面とが交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃７を有している。
【００１９】
被覆工具１においては、すくい面の外周の全体が切刃７となっていてもよいが、被覆工具１はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、四角形のすくい面における一辺のみ、若しくは、部分的に切刃７を有するものであってもよい。
【００２０】
被覆工具１の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、すくい面の一辺の長さが３〜２０ｍｍ程度に設定される。また、被覆工具１の厚みは、例えば３〜２０ｍｍ程度に設定される。
【００２１】
また、図１における上面から下面にかけて、貫通孔１７を有していてもよい。
【００２２】
本開示の被覆工具１は、図２に示すように、本開示の超硬合金からなる基体３の表面に被覆層５を有している。基体３の表面に位置する被覆層５は、ＰＶＤやＣＶＤによって形成することができる。
【００２３】
被覆層５は、多層であってもよく、例えば、基体３の方から、順にＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂとを有するものであってもよい。また、被覆層５は、基体３の方から、順にとＴｉＮ層（図示しない）とＴｉＣＮ層５ａとＡｌ2Ｏ3層５ｂとを有するものであってもよい。本開示の被覆工具１は、塑性変形が小さい超硬合金を基体３として用い、さらに被覆層５を有することで、高速加工に適している。なお、被覆層５は基体３の全面を覆う必要はなく、少なくとも基体３の表面の一部を覆っていればよい。特に、切刃７として用いる領域の表面を覆っているとよい。
【００２４】
本開示の切削工具について図面を用いて説明する。本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図３に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の被覆工具１とを備えている。切削工具１０１は、被覆工具１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。
【００２５】
ポケット１０３は、被覆工具１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。
【００２６】
ポケット１０３には被覆工具１が位置している。このとき、被覆工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、被覆工具１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。
【００２７】
被覆工具１は、すくい面及び切刃７として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、被覆工具１は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、被覆工具１の貫通孔９に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、被覆工具１がホルダ１０５に装着されている。
【００２８】
ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。
【００２９】
本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具１０１を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工などが挙げられる。なお、切削工具１０１としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態の被覆工具１を用いてもよい。
【００３０】
以下に、本開示の超硬合金の製造方法について説明する。
【００３１】
原料粉末として、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴｉＣ粉末、を準備する。原料粉末の平均粒径は、０．１〜１０μｍの範囲で適宜選択するとよい。
【００３２】
ＷＣ粉末は、８０〜９２．５質量％とするとよい。また、ＺｒＣ粉末は、０．５〜２．０質量％とするとよい。ＴｉＣ粉末は、１．０〜４．０質量％の範囲とするとよい。ＮｂＣ粉末は、０〜５質量％とするとよい。ＴａＣ粉末は、０〜５質量％とするとよい。そして、残部をＣｏ粉末とするとよい。また、所望により、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末を加えてもよい。
【００３３】
これらの原料粉末を、混合して、成形した後、脱バインダ処理を行い、真空、アルゴン雰囲気および窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で、１４５０〜１６００℃の温度で３０〜１８０分間焼成することで、本開示の超硬合金が得られる。
【００３４】
この超硬合金を被覆工具の基体の形状とし、その表面に被覆膜を設けることで、本開示の被覆工具となる。
【００３５】
なお、ＣＶＤ法で被覆層を設けることで被覆工具の摺動性や耐摩耗性が向上する。ＣＶＤ法で設ける被覆層としては、超硬合金の表面に、超硬合金の方から順にＴｉＣＮ層を３〜１５μｍ、Ａｌ2Ｏ3層を１〜１５μｍ形成するとよい。
【００３６】
また、超硬合金の表面に、超硬合金の方から順にＴｉＮ層を０．１〜１．５μｍ、ＴｉＣＮ層を３〜１５μｍ、Ａｌ2Ｏ3層を１〜１５μｍ形成するとよい。
【００３７】
以上、本開示の超硬合金、それを用いた被覆工具、切削工具について、説明したが、本開示は上記の例以外にも種々の変更を行ってもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、本開示の実施例を具体的に説明する。【００３９】
ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｃｒ粉末を、所定の割合で混合し、作製した成形体を、１５２０℃の温度で２時間保持して焼成し、表１に示す組成の超硬合金を作製した。なお、それぞれの組成は、焼結体に含まれる元素を表１の化合物に換算して示している。原料粉末の平均粒径は、それぞれ、ＷＣ：３μｍ、Ｃｏ：１．５μｍ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、Ｃｒ：１μｍであった。そして、超硬合金に含まれるＣｏの結晶相を、ＸＲＤを用いて特定した。また、併せて、Ｃｏの格子定数の固溶体相を評価した。得られた超硬合金に含まれるＣｏの結晶相は、全て立方晶であった。なお、試料Ｎｏ．１では、ＺｒＣを用いず、Ｃｒを添加した。各試料の格子定数を表１に示す。【００４０】
【表１】
0006956259.tif 000002
【００４１】
また、超硬合金の高温特性を評価した。超硬合金の高温特性は、下記の条件の高温クリープ試験で評価した。高温クリープ試験の変位量を表１に示す。この高温クリープ試験の結果は、塑性変形量が大きいほど、マイナスの数値が大きくなる。したがって、塑性変形が小さい場合には、測定値の絶対値が０に近い。塑性変形が大きい場合には、測定値の絶対値が大きい。
＜高温クリープ試験＞
・温度：９００℃
・荷重：９ｋＮ
・雰囲気：アルゴン
・評価方法：荷重を加え、４時間保持したときの変位量を測定した【００４２】
また、表１に示す組成で、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のサンプルを作成し、超硬合金側から順にＴｉＮ膜を０．５μｍ、ＴｉＣＮ膜を７μｍ、Ａｌ2Ｏ3膜を５μｍの厚みでそれぞれ成膜し、被覆工具を作製し、下記の条件で切削試験を行った。
＜切削試験＞
（１）耐欠損性評価
・切削条件
・加工形態：旋削
・切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
・送り    ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
・切込み  ：１．５ｍｍ
・被削材  ：ＳＣＭ４４０ ４本溝付きφ２００丸棒
・加工状態：ＷＥＴ
・評価項目：欠損が発生するまでの衝撃回数
（２）耐摩耗性評価
・切削条件
・加工形態：旋削
・切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
・送り    ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
・切込み  ：２．０ｍｍ
・被削材  ：ＳＣＭ４３５ φ２００丸棒
・加工状態：ＷＥＴ
・評価項目：逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍとなるまでの切削時間【００４３】
Ｃｏの格子定数が、３．５５７５Åを超え、Ｚｒを含有していない、試料Ｎｏ．１は、クリープ試験変位量が大きく、塑性変位が大きかった。また、欠損も比較的早く発生し、摩耗量も大きかった。【００４４】
Ｃｏの格子定数が、３．５５７５Å未満の試料Ｎｏ．２は、クリープ試験変位量の絶対値が大きく、欠損が比較的早く発生した。また、摩耗量も大きかった。【００４５】
Ｃｏの格子定数が、３．５６００Åを超えた試料Ｎｏ．７は、クリープ試験変位量の絶対値は小さかったが、欠損が比較的早く発生した。また、摩耗量も大きかった。【００４６】
一方、ＣｏがＺｒを含有し、Ｃｏの格子定数が、３．５５７５Åを超え、３．５６００Å以下である試料Ｎｏ．３〜６は、塑性変位が小さく、欠損が比較的遅く発生した。また、摩耗量も小さかった。【００４７】
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１      被覆工具
３      基体
５      被覆層
５ａ    ＴｉＣＮ層
５ｂ    Ａｌ2Ｏ3層
１７    貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ
【図１】
0006956259.tif 000003
【図２】
0006956259.tif 000004
【図３】
0006956259.tif 000005