特開 2024-124164 表面被覆切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024124164

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】表面被覆切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240905BHJP

   C22C 29/08 20060101ALI20240905BHJP

   C22C 1/051 20230101ALN20240905BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 B

B23B27/14 A

C22C29/08

C22C1/051 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023032147

(22)【出願日】2023-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100208568

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 孔一

(72)【発明者】

【氏名】神田 玲哉

(72)【発明者】

【氏名】駒村 優

【テーマコード（参考）】

3C046

4K018

【Ｆターム（参考）】

3C046FF09

3C046FF10

3C046FF13

3C046FF32

3C046FF39

3C046FF40

3C046FF44

3C046FF48

3C046FF51

3C046FF52

4K018AB02

4K018AB03

4K018AD06

4K018BA04

4K018BB04

4K018CA02

4K018CA11

4K018DA03

4K018DA29

4K018DA31

4K018FA06

4K018FA24

4K018KA15

(57)【要約】

【課題】耐塑性変形性が向上した表面被覆切削工具の提供
【解決手段】基体は、結合相としてＣｏを含み、第１硬質相としてＷＣを含み、第２硬質相としてＴｉＣＮを含み、第３硬質相としてＭＣおよび／またはＭＣＮ（ＭはＴｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒのうちの少なくとも２種）を含み、基体は、その表面からその内部に向かって１５μｍ以上、４７μｍ以下の第２硬質相および第３硬質相を含まない表面領域を有しており、第２硬質相の含有量が０．２体積％以上、３．０体積％以下、表面領域よりも基体の内部領域において、第１硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上、３．０μｍ以下、第２硬質相の平均粒径が０．１０μｍ以上、０．５０μｍ以下、第３硬質相の平均粒径が０．８μｍ以上、２．０μｍ以下である表面被覆切削工具
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基体と該基体表面の被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記基体は、結合相としてＣｏを含み、第１硬質相としてＷＣを含み、第２硬質相としてＴｉＣＮを含み、
さらに、第３硬質相としてＭＣおよび／またはＭＣＮ（ＭはＴｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒのうちの少なくとも２種）を含み、
前記基体は、その表面からその内部に向かって１５μｍ以上、４７μｍ以下の前記第２硬質相および前記第３硬質相を含まない表面領域を有しており、
前記基体において前記第２硬質相の含有量が０．２体積％以上、３．０体積％以下であり、
前記表面領域よりも前記基体の内部領域において、
前記第１硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上、３．０μｍ以下、
前記第２硬質相の平均粒径が０．１０μｍ以上、０．５０μｍ以下、
前記第３硬質相の平均粒径が０．８μｍ以上、２．０μｍ以下、
であることを特徴とする表面被覆切削工具。

【請求項2】

前記基体において、前記結合相の含有量が９．０体積％以上、１４．０体積％以下、かつ、前記第３硬質相の含有量が１０．０体積％以上、１７．０体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＷＣ基超硬合金製の基体（工具基体）に被覆層を被覆した表面被覆切削工具（以下、被覆工具ということがある）に関する。

【背景技術】

【0002】

ＷＣ基超硬合金は、機械的強度、耐熱疲労性等に優れる特徴を有するため、例えば、被覆層を被覆した表面被覆切削工具の基体等に用いられている。

【0003】

一方、表面被覆切削工具の使用条件は高能率化が進み、より一層の耐塑性変形性等の耐久性が求められている。そのため、表面被覆切削工具の基体に使用されるＷＣ基超硬合金に対して、耐塑性変形性等の耐久性を改善すべく、提案がなされている。

【0004】

例えば、特許文献１には、結合相中にＷＣと炭化物・炭窒化物の少なくとも１種の立方晶（γ相）を含み、富結合相表面領域を有し、前記富結合相表面領域よりも内部の結合相の含有量がインサート内部の結合相の含有量の０．８５から１倍であり、前記富結合相表面領域における前記立方晶の含有量がゼロであるＷＣ基超硬合金製インサートが記載され、該インサートは耐塑性変形性を有するとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３９９９２６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、前記事情や提案を鑑みてなされたものであって、耐塑性変形性が向上した表面被覆切削工具を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
基体と該基体表面の被覆層を有し、
前記基体は、結合相としてＣｏを含み、第１硬質相としてＷＣを含み、第２硬質相としてＴｉＣＮを含み、
さらに、第３硬質相としてＭＣおよび／またはＭＣＮ（ＭはＴｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒのうちの少なくとも２種）を含み、
前記基体は、その表面からその内部に向かって１５μｍ以上、４７μｍ以下の前記第２硬質相および前記第３硬質相を含まない表面領域を有しており、

前記基体において前記第２硬質相の含有量が０．２体積％以上、３．０体積％以下であり、
前記表面領域よりも前記基体の内部領域において、
前記第１硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上、３．０μｍ以下、
前記第２硬質相の平均粒径が０．１０μｍ以上、０．５０μｍ以下、
前記第３硬質相の平均粒径が０．８μｍ以上、２．０μｍ以下である。

【0008】

前記実施形態に係る表面被覆切削工具は、次の（１）を満足してもよい。

【0009】

（１）前記基体において、前記結合相の含有量が９．０体積％以上、１４．０体積％以下、かつ、前記第３硬質相の含有量が１０．０体積％以上、１７．０体積％以下であること。

【発明の効果】

【0010】

前記の表面被覆切削工具によれば、耐欠損性を損なうことなく耐塑性変形性が向上し、高熱・高負荷の切削条件であっても優れた工具寿命を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具の縦断面の一例を示す模式図である。

【図2】本発明の実施形態における基体の内部領域における組織の一例を示す模式図である。

【図3】第２硬質相と第３硬質相を含まない表面領域の厚さを測定する箇所を示す模式図（被覆層の図示は省略している）である。

【図4】切刃の逃げ面塑性変形量の一例を示す模式図（被覆層の図示は省略している）である。なお、上図（すくい面）は平面図、下図（逃げ面）は側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明者は、耐欠損性を損なうことなく耐塑性変形性が向上した表面被覆切削工具を可能とするＷＣ基超硬合金基体について検討を行った。
その結果、特許文献１に記載されたＷＣ基超硬合金基体の耐塑性変形性を向上させる余地があることを認識した。すなわち、特許文献１に記載された基体は、γ相の含有量を制御し、γ相がない領域を設けているものの、この制御や領域の設定に加え、特定の硬質相の大きさとその含有量を所定の範囲とすることにより、基体の耐欠損性を損なうことなく耐塑性変形性を更に向上できるとの知見を得た。

【0013】

以下、本発明の実施形態について、表面被覆切削工具としてインサートに適用した場合を中心に説明を行う。なお、本明細書、特許請求の範囲の記載において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」を用いて表現する場合、「Ｌ以上、Ｍ以下」と同義であって、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）の数値を含むものである。また、上限値（Ｍ）のみに単位が記載されているとき、上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）は同じ単位である。

【0014】

本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具について、図１にその縦断面（基体表面の微小の凹凸がなく直線と扱い、この直線に対して垂直な断面）を模式的に示す。図１から明らかなように、その表面に被覆層（１）を有している基体は、表面領域（２）と該表面領域（２）よりも内部の基体の内部領域（３）を有している。

【0015】

１．基体の組織と組成
本実施形態に係る基体は所定の組織を有し、その組織は結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相を有する。

【0016】

ここで、各相の含有量は基体全体に対するものである。その理由は以下のとおりである。
後述するように、結合相および第１硬質相は基体全体に存在し、第２硬質相および第３硬質相は表面領域には存在しない。しかし、この表面領域で含有量が富化される結合相は表面領域に近い基材内部から移動したものであり、一方、表面領域に存在していた第２硬質相および第３硬質相は表面領域に近い基体内部へ移動している。そうすると、基体全体としてみたときは、これら相の含有量の偏倚はないものとして扱うことができる。そこで、ＥＢＳＤを使い基体内部の観察視野を設定してこれら相の含有量を測定する。
以下の記載で、「基体全体に対して」とは、文言どおりこの偏奇がないものとして扱った基体内部の含有量をいう。

【0017】

（１）結合相
結合相は、Ｃｏを主成分として含み（主成分の定義は後述する）、結合相は基体全体に対して９．０体積％以上、１４．０体積％以下で含まれることがより好ましい。その理由は、９．０体積％未満では基体の靭性が低く、耐欠損性が不足し、一方、１４．０体積％より大きいと基体の強度が低く、耐塑性変形性が不足することがあるためである。

【0018】

結合相には、Ｃｏが主成分、すなわち、結合相を形成する全ての成分に対して、Ｃｏが５０質量％以上を占めている（主成分の定義は他の相でも同様であり、当該相に含まれる全成分の５０質量％以上を占める成分を主成分という）。
なお、結合相中には、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の成分や製造過程において意図せず不可避的に混入する不可避的不純物が含まれていてもよい。

【0019】

（２）第１硬質相
第１硬質相は、ＷＣを主成分とし、結合相と第２硬質相および第３硬質相以外の残部を占める。そして、硬質相には、不可避不純物が含まれてもよい。

【0020】

第１硬質相の平均粒径（円相当径：第１硬質相の面積の等しい円の直径。他の硬質相の平均粒径も円相当径である。）は１．０μｍ以上、３．０μｍ以下が好ましい。平均粒径が１．０μｍより小さいと靭性が低下し、耐欠損性が十分でなく、一方、３．０μｍを超えると基体の耐摩耗性が不足するためである。

【0021】

（３）第２硬質相
第２硬質相は、基体の耐塑性変形性を向上させるものであって、ＴｉＣＮ（化学量論的組成に限定されない）を主成分として含んでおり、第１硬質相および第３硬質相の成分や、製造過程において不可避的に混入する不可避的不純物が含まれていてもよい。

【0022】

被削材や切削条件とは無関係に、第２硬質相の平均粒径は０．１０μｍ以上、０．５０μｍ以下が好ましい。平均粒径が０．１０μｍより小さいと第１硬質相や第３硬質相の塑性変形を十分に抑制することができないため、十分な耐塑性変形性が得られず、一方、０．５０μｍより大きいと分散強化の効果が乏しく十分な耐塑性変形性を得られない。

【0023】

第２硬質相の前記基体における平均含有量は０．２体積％以上、３．０体積％以下で含まれることが好ましい。その理由は、第２硬質相の平均含有量が０．２体積％より小さいと十分な耐塑性変形性が得られないことがあり、一方、３．０体積％より大きいと焼結時の際に気孔が発生しやすくなり、耐欠損性が低下する。

【0024】

（４）第３硬質相
第３硬質相は耐酸化性や耐クレータ摩耗性を向上させるものであって、ＭＣおよび／またはＭＣＮ（ＭはＴｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒのうちの少なくとも２種で、その組成は化学量論的なものに限定されない）を主成分として含んでいる。なお、第３硬質相には、第１硬質相および第２硬質相の成分や製造過程において不可避的に混入する不可避的不純物が含まれていてもよい。

【0025】

第３硬質相の平均粒径は、０．８μｍ以上、２．０μｍ以下が好ましい。平均粒径が０．８μｍ未満であると、基体の耐欠損性が低下するため十分な工具寿命が得らず、一方、２．０μｍを超えると、基体の硬さが低下し、十分な耐クレータ摩耗性を得られない。

【0026】

第３硬質相は基体全体において１０．０体積％以上、１７．０体積％以下で含まれることがより好ましい。その理由は、第３硬質相が１０．０体積％より小さいと、基体の硬さが低下し、十分な耐クレータ摩耗性を得られないことがあり、一方、１７．０体積％より大きいと基体の耐欠損性が低下することがあるためである。

【0027】

（５）各相の含有量と平均粒径の測定
結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の含有量（体積％）および平均粒径は、次のようにして測定する。すなわち、図３に示す、逃げ面とすくい面との交点である基体表面の端部（図３で、番号１０で示される刃先）から逃げ面およびすくい面方向にそれぞれ３００μｍ離れた点を通り、逃げ面（９）およびすくい面（８）にそれぞれ平行に引かれた直線が交差する点（図３で、記号Ｘで示される点）を起点として、逃げ面（９）およびすくい面（８）にそれぞれ平行な直線により区画される基体の内部の領域（図３で、記号Ａで示される領域）の任意の場所をＥＢＳＤの観察視野とする。

【0028】

ＥＢＳＤ観察で得られた観察視野の結晶方位マップを解析して、結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相を分離する。すなわち、ｈｃｐ結晶構造を有する相を第１硬質相、ｆｃｃ結晶構造を有する相と判断されたもののうち、前記観察視野でＥＤＳによる組成分析を行い、Ｃｏの含有量が５０原子％以上の相を結合相、当該相においてＴｉが全金属原子対し９０原子％以上含まれており、かつＣとＮを有している相を第２硬質相、９０原子％未満であり、かつＣまたはＮあるいはその両方を有している相を第３硬質相と扱う。後述する製造方法によれば、第２硬質相には炭窒化物以外は確認できない。

【0029】

そして、観察視野の観察結果で得られた結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の合計が４０００個以上となるまで観察視野を増やし、結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の面積％を求める。すなわち、観察視野の１視野で結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の累積が４０００個に満たない場合は、前記領域内に新たに観察視野を設け、４０００個以上になるまで測定を続ける。

【0030】

なお、観察視野の端部に、その一部しか視認できない（全体を視認できない）結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相があるとき、それらはいずれも一つの相として扱う。
そして、観察視野とした縦断面に対して垂直な断面（基体に平行な断面）の結合相、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の分布も同様であると考えて、求めた面積％を体積％として扱う。

【0031】

（６）不可避不純物
前記のように、結合相、第１硬質相、第２硬質相、第３硬質相は製造過程で不可避的（意図せずに）に混入する不純物を含んでいてもよく、その量は基体全体を１００質量％として外数として０．３質量％以下が好ましい。

【0032】

（７）第２硬質相と第３硬質相を含まない表面領域
基体表面（基体表面の微小な凹凸はないものとして扱う）から、その内部に向かってその下端の平均値が１５μｍ以上、４７μｍ以下の第２硬質相と第３硬質相を含まない表面領域を有することが好ましい。この表面領域を有することにより、被覆層からの亀裂進展による基体の欠損を防止することができる。前記表面領域が１５μｍ未満である場合、被膜層からの亀裂進展の抑制が困難となり耐欠損性が低下する。一方で４７μｍより大きいと、第２硬質相および第３硬質相を含まない領域が増加するため、十分な耐塑性変形性を得られない。

【0033】

第２硬質相と第３硬質相を含まない表面領域において、第２硬質相と第３硬質相を含まないとは、鏡面加工した基体縦断面を水酸化ナトリウム等のアルカリ腐食液を用いて腐食して、光学顕微鏡により１０００倍に拡大して観察したとき、目視によって第２硬質相および第３硬質相の存在が視認できないことをいう。

【0034】

基体表面から表面領域下端までの長さは、この観察において、基体表面から最短で（基体表面に最も近い位置で）視認される第２硬質相または第３硬質相と基体表面との距離の３個、すなわち、第２硬質相あるいは第３硬質相それぞれと基体表面の最短長さを３個求め、その平均値をいう。

【0035】

ここで、基体の逃げ面とすくい面の近傍は、後述する製造方法の第２保持工程（脱窒工程）において脱窒が過度に進行する可能性があるため、図３に示すように、すくい面（８）および逃げ面（９）の交点（図３において番号１０で示される刃先）から３００μｍ以上離れた逃げ面（９）とすくい面（８）のいずれかの任意の３箇所で前述の最短長さを測定し、その平均値を求める。
なお、図３において斜線で示す測定領域は測定領域を視覚的に明確にするだけのものであり、その長さには技術的な意義はない。

【0036】

２．被覆層
基材表面の被覆層は、例えば、ＣＶＤ法によって成膜される公知の表面被覆層切削工具に用いられる被覆層（平均厚みは５から２５μｍ）であれば、特段の制約がなく用いることができる。

【0037】

３．製造方法
本実施形態の表面被覆切削工具の基体の製造方法の一例を説明する。この製造方法は、原料粉の準備、原料粉の混合、成形、焼結、および、機械加工の各工程を有する。
ここで、原料粉の準備、成形、および、機械加工の各工程は、従来公知のものを採用すればよい。しかし、原料粉の混合工程と焼結工程として以下のようにすることが好ましい。

【0038】

原料粉の混合工程は、第２硬質相の原料粉末（ＴｉＣＮ粉末）は、比表面積が６．０ｍ^２／ｇ以上１０．０ｍ^２／ｇ以下のものを使用するか、予め粉砕してこの比表面積を満足するようにする。

【0039】

焼結工程は、脱脂工程（窒素雰囲気下で、例えば６００℃で行う）後、１５ｋＰａ以上の窒素雰囲気下で１３５０から１４５０℃で、３０から９０分保持する第１保持工程と、１０^－１Ｐａ以下の真空雰囲気下で１４２０から１４７０℃で１５から４５分保持する第２保持工程とし、その後、アルゴン等の不活性雰囲気下で３５℃／分以上の冷却速度で常温まで冷却する。

【0040】

脱脂および第１保持工程において窒素雰囲気中で熱処理を行うのは、第２硬質相の主成分であるＴｉＣＮの分解を抑制するためである。このとき窒素雰囲気の窒素分圧は１５ｋＰａ以上が好ましい。これは窒素分圧を高めることで、ＴｉＣＮの分解をより抑制するためである。

【0041】

第２保持工程（脱窒工程）では、第２硬質層および第３硬質相を含まない表面領域を形成するために真空中で熱処理をしている。このとき、ＴｉＣＮの分解を抑制するためにも焼結温度はできる限り低くして、保持時間を短くすることが好ましい。さらに、アルゴンガス雰囲気下で３５℃／分以上の冷却速度で冷却することが好ましい。これは冷却速度を速くすることにより、ＴｉＣＮが分解しやすい温度域にある時間を短くするためである。

【実施例0042】

本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

【0043】

まず、焼結用の粉末として、平均粒径（ｄ５０）が３．０から５．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径（ｄ５０）が０．５から１．１μｍの範囲内のＣｏ粉末、表１に示す平均粒径のＴｉＣＮ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂとＴａを質量比１：９で含有する（Ｎｂ、Ｔａ）Ｃ粉末を用意した。

【0044】

これらの粉末を、表１に示す配合組成となるように配合して、焼結用粉末を作製した。すなわち、全ての原料粉末をアトライターで５時間混合した後、１５０ＭＰａの圧力でプレス成形して圧粉成形体を作製した。

【0045】

焼結は、
脱脂を６００℃（窒素雰囲気中１５ｋＰａ）で行い、
第１保持工程：１４００℃（窒素雰囲気中１５ｋＰａ）で６０分保持し
第２保持工程：１４５０℃（１０^－１Ｐａ以下の真空）で３０分保持し、
その後、アルゴンガス雰囲気下で３５℃／分の冷却速度で冷却した。

【0046】

続いて、機械加工、研削加工によりＩＳＯ形状ＣＮＭＧ１２０４０８に加工し、実施例の表面被覆切削工具の基体ＡからＪを作製した。表３に実施例基体ＡからＪの各相の体積％、表面領域の長さ、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の平均粒径を示す。

【0047】

比較のために、比較例の表面被覆切削工具の基体ＫからＴを作製した。
その製造工程は、
表２に示す原料粉末を用意し、表４に示すような配合組成となるように配合して、焼結用粉末を作製した。その後の処理は、実施例と同じにした。

【0048】

そして、実施例と同様に各相の体積％、表面領域の長さ、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の平均粒径を測定した。

【0049】

【表1】

【0050】

表１において、「－」は、当該成分を配合していないことを示す。

【0051】

【表2】

【0052】

表２において、「－」は、当該成分を配合していないことを示す。

【0053】

【表3】

【0054】

【表4】

【0055】

表３、４において、第１硬質相の含有量は、結合相、第２硬質相および第３硬質相の各含有量の残部である。

【0056】

基体種別Ａ～Ｊ、Ｋ～Ｔに対して、それぞれ、表５、６に記載した被覆層を形成し、それぞれ、実施例工具１から１０と比較例工具１’から１０’を作製した。その後、以下に示す切削条件で切削試験を行った。

【0057】

切削試験の切削条件
被削材：ＳＮＣＭ４３９のΦ２００の丸棒
切削速度：１００ｍ／分
切り込み：１．５ｍｍ
送り：１．０ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：０．５分

【0058】

切削試験では、切刃の逃げ面塑性変形量として次のものを採用した。すなわち、切削前の変形していない切刃稜線を基準とし、切削によって切刃稜線が押し込まれて変形した量を切刃の逃げ面塑性変形量とした。具体的には、図４に示すように、工具の主切刃側逃げ面（９）について、切刃から十分離れた位置で切刃（１０）側逃げ面（９）とすくい面（８）が交差する稜線上に線分を引き、同線分を切刃部方向に延伸し、延伸した線分（１２）と切刃部稜線間の距離（延伸した線分の垂直方向）が最も離れている部分を測定し、これを切刃の逃げ面塑性変形量（１１）とした。また、切削時間終了後に切刃の損耗状態を観察した。その結果を表７に示す。

【0059】

【表5】

【0060】

【表6】

【0061】

【表7】

【0062】

表７の塑性変形量が「－」であるものは、欠損により塑性変形量が測定できなかったことを示している。

【0063】

表７の結果から明らかなように、実施例被覆工具は、いずれも寿命に影響を及ぼす逃げ面塑性変形量が少なく、偏摩耗や欠損を発生することなく、優れた耐塑性変形性を発揮した。これに対して、比較例被覆工具は、いずれも所定の切削時間において工具の塑性変形が大きく、所定の被削材寸法を得る加工を行うことが困難であった。

【符号の説明】

【0064】

１ 被覆層
２ 表面領域
３ 基体の内部領域
４ 結合相
５ 第１硬質相
６ 第２硬質相
７ 第３硬質相
８ すくい面
９ 逃げ面
１０ 切刃
１１ 切刃の逃げ面塑性変形量
１２ 延伸した線分
Ａ 硬質相、β層、結合相の面積％を測定する領域
Ｘ 起点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】