(57)【要約】【課題】優れた靭性を有する超硬合金部材を提供することである。【解決手段】重量％でＣｏ含有量が１６〜３０％、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂの１種以上を０．４〜１．５％含有し、残部がＷＣ及び不可避不純物からなり、該ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下であるＷＣ基超硬合金部材であって、ＥＰＭＡ装置を用いた該超硬合金部材の組成の線分析により求めたＣｏ最小濃度分散値をＣＲａｖとしたとき、ＣＲａｖ≧０．２５であることを特徴とするＷＣ基超硬合金部材である【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％でＣｏ含有量が１６〜３０％、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂの１種以上を０．４〜１．５％含有し、残部がＷＣ及び不可避不純物からなり、該ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下であるＷＣ基超硬合金部材であって、ＥＰＭＡ装置を用いた該超硬合金部材の組成の線分析により求めたＣｏ最小濃度分散値をＣＲａｖとしたとき、ＣＲａｖ≧０．２５であることを特徴とするＷＣ基超硬合金部材。
【請求項２】
請求項１記載のＷＣ基超硬合金部材において、該超硬合金部材は翼根溝加工カッターであることを特徴とする翼根溝加工カッター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、優れた靭性を有するＷＣ基超硬合金部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度で抗折力の改善を図った超硬合金製の切削工具が特許文献１に、また超硬合金製翼根溝加工カッターが特許文献２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−５９９４６号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の課題は、優れた靭性を有する超硬合金部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、重量％でＣｏ含有量が１６〜３０％、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂの１種以上を０．４〜１．５％含有し、残部がＷＣ及び不可避不純物からなり、該ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下であるＷＣ基超硬合金部材であって、ＥＰＭＡ装置を用いた該超硬合金部材の組成の線分析により求めたＣｏ最小濃度分散値をＣＲａｖとしたとき、ＣＲａｖ≧０．２５であることを特徴とするＷＣ基超硬合金部材である。上記の構成を採用することによって優れた靭性を有する超硬合金部材を提供することができる。また、本願発明の超硬合金部材を翼根溝加工カッターに適用することにより、高速度合金鋼と略同等な切れ刃形状を有する超硬合金製の翼根溝加工カッターを提供することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明は、優れた靭性を有する超硬合金部材を提供することができた。特に、本願発明の超硬合金部材を翼根溝加工カッターに適用することにより、高速度合金鋼と略同等な切れ刃形状を有する超硬合金製翼根溝加工カッターを提供することができた。これにより加工能率効率を向上させることが可能となり、産業上の利用において有益である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本願発明の超硬合金は、優れた靭性が必要とされる部材に適用することができる。超硬合金の靭性を高める方法としては、ＷＣの粒径を大きくすること、又はＣｏ量を多くすることである。最も靭性が高いのは、ＷＣの粒径が大きく、かつＣｏ量の多い合金であるが、その場合、高硬度を得ることができない。そこで高硬度と優れた靭性を得るためには、ＷＣ粒径は極力小さくし、しかもＣｏ量を多くする必要がある。このような合金系において、超硬合金の製造条件を種々変化させた超硬合金部材を試作し、切削テストを実施した結果、Ｃｏの分布状態を電子線マイクロアナライザ（以下、ＥＰＭＡと記す。）により測定し、特定の指標をもちいて定量評価した値と超硬合金部材の靭性に相関関係があり、定量評価した値により管理することにより、優れた靭性を有する超硬合金を得ることができた。
【０００８】
本願発明の超硬合金における、ＥＰＭＡ分析方法および管理方法は以下に示す通りである。本発明者らはＥＰＭＡ分析により、ＷＣ基超硬合金組織の定量評価結果と部材の強度や靭性について検討した。その結果、ＥＰＭＡ分析におけるＣｏ量の少ない部位を定量化したＣＲａｖ値と、部材の強度や靭性には大きな相関関係があることを見出した。当初は、組織定量の評価結果と部材の強度や靭性の関係について、Ｃｏプールと呼ばれる大きな塊状Ｃｏの部位、即ちＣｏの多い部位が悪影響を及ぼすと考えた。ＥＰＭＡ線分析を実施してＣｏ量の最大値を指標に評価することを試みた。しかし結果的には、Ｃｏプールに相当するＣｏ量の最大値と部材の強度や靭性には相関がみられなかった。そして本願発明は、ＣＲａｖ値と部材の強度や靭性は大きな相関関係があることを見出した。
【０００９】
本願発明の超硬合金部材は、Ｃｏ含有量が１６〜３０％である。Ｃｏ含有量が１６％未満では優れた靭性を得ることが困難である。たとえＣｏを均一分散させたとしても、部材に機械的な応力が付加された場合、早期に欠損等が発生してしまい不都合である。また３０％を超えると十分な硬度を得ることができず、耐摩耗性が低下するため部材の耐摩耗性が低く、やはり早期に寿命となる。本願発明の超硬合金部材は、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂの１種以上を含有させことを特徴としている。これらの元素は焼結中におけるＷＣの粒成長を抑制することで組織を微細化し、超硬合金の硬度を向上させることができる。また、これらの元素は粒成長抑制効果の他に別の効果を有する。Ｃｒの添加効果は耐食性の向上を、ＴａやＮｂの添加効果は、耐熱強度を高くする効果を有している。これらのＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂの１種以上を、合計量で０．４〜１．５％含有するとしたのは、０．４％未満では上記の添加による粒成長抑制効果が現れないためである。また１．５％を超えて多く添加すると、部材の強度や靭性に悪影響を与える原因となる複合炭化物などの有害相が生成する不都合が生じるためである。本願発明の超硬合金部材は、ＷＣの平均粒径を０．８μｍ以下としたのは、優れた靭性と強度を得るためである。Ｃｏ量を多くした場合にも超硬合金の高硬度を維持しながら、併せて高靭性、高強度が得られる。一方、ＷＣの平均粒径が０．８μｍを超えて大きいと低硬度となり、部材の耐摩耗性が劣る。
【００１０】
超硬合金製の翼根溝加工用カッターを得るには、超硬合金の靭性向上が必要である。この理由は、高硬度の超硬合金を用いた場合には、切削初期の欠損により、早期に寿命に至ってしまうからである。そこで、実験的な検討の結果、ＣＲａｖ値と耐欠損性に相関関係があることを知見し、ＣＲａｖ値により管理することによって、欠損等が発生せず、高能率の加工が可能であることが分かった。そして、超硬合金の組成と、ＷＣの粒径、及びＣｏの分布状態を好適化することにより、耐欠損性に優れた翼根溝加工用カッターを再現性よく得ることができた。即ち、本願発明では、ＣＲａｖ値と翼根溝加工用カッターの耐欠損性との間に密接な関係があり、ＣＲａｖ≧０．２５を満たすときに欠損を抑制可能であることを見出した。これは、ＷＣ基超硬合金のミクロ組織において、ＣｏがＷＣ粒子間の細部にまで均一に分散していることを示す。欠損が少ない理由は、Ｃｏが均一に分散分布していることにより、欠損の原因となる靭性の低いＷＣ粒子の凝集体の形成を抑制することが可能となり、工具のどの部分も靭性に優れたものとすることが出来るからである。一方、ＣＲａｖが０．２５未満の場合、ミクロ組織において、ＷＣ粒子間にＣｏが局所的に殆ど存在しないような部位が存在すること、Ｃｏ濃度の低い部位が存在することを示す。局所的にＣｏ濃度が低濃度となる部分が存在するとその部分の靭性は低くなり、欠損発生の原因となると考えられる。
【００１１】
本願発明の超硬合金部材は、ＣＲａｖ値を０．２５以上とすることによって、Ｃｏの均一な分散分布を得ることが出来、優れた靭性と強度を実現し、欠損等の発生を抑制している。ここでＣｏの均一分散状態を得るための方法としては、通常の湿式混合を行なう前に、乾式状態にて十分に解砕、混合すること、および湿式混合においても分散剤を使用し、予備混合を行なった後、通常の湿式混合を行なうこととした。具体的には、まず、第１にＣｏのみをある程度解砕力を有する混合メディアを用いない混合機を用いて、乾式混合で十分に混合することにより、Ｃｏの凝集を十分に解砕した。次に第２として、ＷＣ粉末他を添加して、更に同じ混合機を用いて乾式状態でＣｏ粉末の周囲をＷＣ粉末で覆った状態とし、湿式混合におけるＣｏ同士の接触による、圧着、リン片化を防止する。その後第３として、湿式混合工程におてい分散剤を含んだ溶媒と原料粉末を投入し、分散状態が改善されるまで通常の混合条件よりも低速回転で湿式の予備混合処理を入念に行なった後、通常の湿式混合条件にて湿式混合を実施した。このような多段階に渡る入念な解砕混合プロセスを経ることにより、本発明のような高Ｃｏ合金においてもＣｏの均一分散状態をえることがはじめて可能となる。更に混合、乾燥後に行なわれる焼結工程においても、次のような手順で、Ｃｏの均一分散を妨げないための工夫を行なった。まず比較的大きな焼結体となる、翼根溝加工用カッターへの適用を考慮し、高Ｃｏ合金に特有の焼結変形を抑制できる最適の焼結温度をまず設定した。即ち、焼結が十分に行なわれ、かつ変形の生じない温度を各組成ごとに設定した。次に、欠損の原因となる、靭性の低いＷＣ粒子の凝集体の形成を抑制し、Ｃｏ相の少ない部分をなくすために、昇温速度、保持時間、雰囲気ガスの種類、導入時期などの焼結条件を適正に制御した。上記の解砕、混合条件、焼結条件の適正化により、ＣＲａｖ値を０．２５以上とすることを可能とした。
また本願発明の翼根溝加工用カッターに耐摩耗性向上などを目的として、各種炭化物、窒化物及びそれらの複合化合物皮膜、非晶質炭素皮膜などの被覆を少なくとも刃部に施すことにより、更に特性の向上を図ることも可能である。以下、本願発明を実施例により詳細に開示する。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
原料には、０．４〜０．８μｍのＷＣ粉末、１．２μｍのＣｏ粉末、１．２μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、１．５μｍのＶＣ粉末、１．２μｍのＴａＣ粉末、１．２μｍのＮｂＣ粉末を用いて各組成に配合した。少量のバインダーも併せて加えた。比較のためにＷＣ粉末が０．８μｍを超える粉末を使用し、他の粉末との混合で各組成に配合した。アトライターにて１２時間湿式混合し、スプレードライヤーにて乾燥して混合粉末とした。これら粉末を用いてまずテストピース用のプレス体を作製し、焼結温度、雰囲気の精密制御により最適な焼結条件を見出した。焼結は真空雰囲気中とし、雰囲気制御のために、必要に応じて微量のガスを用いた。１３００〜１４５０℃の範囲内の所定温度とした。上記の工程によって本発明例１から１８を作製した。本発明例の作製に当っては、特にアトライターで湿式混合する前段階において、Ｃｏのみを乾式混合で十分に混合することにより、Ｃｏの凝集を十分に解砕したのち、ＷＣ粉末他を添加して、乾式状態でＣｏ粉末の周囲をＷＣ粉末で覆った状態とし、湿式混合におけるＣｏ同士の接触による、圧着、リン片化を防止し、更に分散剤を含んだ溶媒と原料粉末の分散状態が改善されるまで湿式の予備混合処理を入念に行なった。また焼結工程においても、比較的大きな焼結体となる、翼根溝加工用カッターへの適用を考慮し、焼結変形を抑制できる焼結温度をまず設定し、しかも欠損の原因となる靭性の低いＷＣ粒子の凝集体の形成を抑制するため、即ち、Ｃｏ相の少ない部分を無くすために、昇温速度、焼結温度、保持時間、雰囲気ガスなどの焼結条件を適正に制御した。これらは本発明例にのみ適用し、比較例１９、２０においてはこれらの事項は実施していない。表１に本発明例の各組成配合比率を示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
本願発明の超硬合金部材において、Ｃｏの分布状態の評価方法を説明する。図１は本発明例１０をＥＰＭＡにより１回の線分析を実施した結果である。鏡面研磨した超硬合金焼結体について、ＥＰＭＡ装置により線分析を実施してＣＲａｖ値の定量化を行なった。ＥＰＭＡ装置により研磨面を実効ビーム径０．５μｍの条件において３０μｍの長さを１０本、Ｃｏ−Ｋα線について線分析し、Ｃｏ最小濃度分散値であるＣＲａｖ値を求めた。ＣＲａｖ値は１０本の線分析したときのＣｍｉｎ／Ｃａｖの平均を表す。ここで、Ｃｍｉｎ値は３０μｍ長さの線分析を行ったときのＣｏ濃度の最小値である。Ｃａｖ値は、まず３０μｍ長さの線分析を行ったときの平均濃度を求めた。次にこの値を１０本分の各平均濃度の総和から算出した平均値をＣＲａｖとした。
実際の分析において、Ｃｏ−Ｋαのカウント数は少なくともバックグラウンドの３倍以上はカウントした。ＥＰＭＡ分析の詳細な分析条件は加速電圧１５ｋＶ、照射電流０．０８μＡ、実行ビーム径０．５μｍとした。実行ビーム径の測定は、ＷＣ／Ｃｏ界面をＣｏ−Ｋα線について線分析したとき、ＷＣ／Ｃｏ界面の中心での得られるカウント数に分析の精度として±１σ（１６〜８４％）を認めた値がカウントされる位置までを実行ビーム径、即ちビームの広がった範囲とした。上記した分析方法により定量的にＣＲａｖ値を求めた。図２はＣＲａｖ値が０．３５の本発明例４の光学顕微鏡による組織観察写真、図３はＣＲａｖ値が０．２の比較例１９の組織観察写真を示す。
【００１５】
上記で作製した混合粉末を用い、成形、焼結を経て、翼根溝加工用カッターを試作した。Ｃｏ量を１０〜３２％の範囲で、ＷＣ粒径の小さい超硬合金を中心に、超硬合金の製造条件を種々変化させた翼根溝加工用カッターを試作し切削テストを実施した。試作したのは、ソリッドタイプの翼根溝加工用カッターである。図４に外形形状を示し、最大刃径は２３ｍｍ、４枚刃とした。カッター製作に当っては、表１のテストピースと同一焼結条件にて焼結を行なった。また従来例２９として、同形状の粉末ハイス製カッターも製作した。これらの工具を用いて、被削材を１３Ｃｒ鋼とし、粗加工後の片側取り代０．５ｍｍの中仕上げ加工を行った。加工条件は回転数を毎分１０００回転、送り速度を１６０ｍｍ／分とした。工具寿命の判定基準は逃げ面摩耗幅０．３ｍｍ又は欠損発生時までの切削距離とした。評価結果を表１に併記した。
本発明例１〜５、比較例１９、２０の比較より、ＣＲａｖ値が０．２５以上の場合に、工具寿命は正常摩耗により寿命に至り長寿命が得られた。これに対し、ＣＲａｖ値が０．２５未満の場合は、欠損発生により寿命が著しく短くなった。また、本発明例６〜１１、比較例２１〜２４の比較より、Ｃｏ量が１６〜３０％の時に正常摩耗により工具は寿命に至り、工具寿命は長かったのに対し、Ｃｏ量が１６％未満の比較例２１、２２は欠損により短寿命であった。またＣｏ量が３０％を超える比較例２３、２４は溶着による摩耗が著しく短寿命となった。Ｃｏ量が１６％の本発明例６は比較的長寿命であったが、微小欠損を生じており、他の本発明例に比べると寿命が短かった。本発明例１２〜１４、比較例２５、２６の比較より、ＷＣ平均粒径が０．８μｍ以下の本発明例１２〜１４で長い工具寿命が得られたのに対し、ＷＣ平均粒径が０．８μｍを超える比較例２５、２６は摩耗が著しく短寿命であった。本発明例１５〜１８、比較例２７、２８の比較より、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂの１種以上が０．４〜１．５％含有する本発明例１５〜１８は、正常摩耗により工具寿命に達し、寿命は長かったのに対し、これらの元素の合計が０．４％未満の比較例２７は粒成長抑制効果が十分でなく、粒径が大きかったため早期摩耗が発生した。また１．５％を超える比較例２８は、粒成長抑制剤の量が多すぎたために複炭化物相が析出し、靭性の低下による欠損のため短寿命となった。以上のように超硬合金の組成、ＷＣ平均粒径、及びＣＲａｖ値が本願発明の範囲内にある場合、極めて長い工具寿命が得えられた。一方、従来例２９の場合は、本条件での切削は殆ど不可能であり、比較例を含めた超硬合金を用いたどの場合よりも短寿命となる。
図５には本発明例１〜５、比較例１９、２０におけるＣＲａｖ値と工具寿命との関係を示す。これよりＣＲａｖ値が０．２５以上の場合に工具寿命が長くなるこを確認した。
【００１６】
（実施例２）
本発明例１４の翼根溝加工用カッターと同様の工具を作製した。この工具表面に（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜を４μｍ被覆した場合、工具寿命は２９．５ｍであり、また（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ皮膜を被覆した場合は３５．２ｍであった。硬質皮膜を被覆することにより、長い工具寿命を得ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明例１０のＥＰＭＡ装置による線分析実施結果を示す。
【図２】図２は、本発明例４の光学顕微鏡による組織観察写真を示す。
【図３】図３は、比較例１の光学顕微鏡による組織観察写真を示す。
【図４】図４は、試験に用いた翼根溝加工用カッターの形状を示す。
【図５】図５は、ＣＲａｖ値と工具寿命との関係を示す。
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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