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JP2009226512A - 炭化タングステン基焼結体 - Google Patents

炭化タングステン基焼結体 Download PDF

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JP2009226512A JP2008072718A JP2008072718A JP2009226512A JP 2009226512 A JP2009226512 A JP 2009226512A JP 2008072718 A JP2008072718 A JP 2008072718A JP 2008072718 A JP2008072718 A JP 2008072718A JP 2009226512 A JP2009226512 A JP 2009226512A
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tungsten carbide
sintered body
based sintered
ray diffraction
carbide
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Toshiyuki Takahashi
俊行 高橋
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Tungaloy Corp
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Tungaloy Corp
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
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Abstract

【課題】硬さが高く耐摩耗性に優れ、チタン合金などの特殊合金や鉄系材料の高速切削加工において工具寿命を延長する炭化タングステン基焼結体の提供を目的とする。
【解決手段】炭化クロム、炭化バナジウムの中から選ばれた１種または２種：０．１〜２重量％と、鉄族金属：０．１〜１重量％と、残りが炭化タングステンおよび不可避的不純物とからなる炭化タングステン基焼結体であって、炭化タングステンはWCとW2Cとからなり、WC(101)面のＸ線回折ピーク強度をIWC(101)と表し、W2C(101)面のＸ線回折ピーク強度をIW2C(101)と表したとき、Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))は０．２〜０．３である炭化タングステン基焼結体。
【選択図】なし

Description

本発明は切削チップ、ドリル、エンドミル、カッターなどの切削工具に適した炭化タングステン基焼結体に関する。
チタン合金などの特殊合金を切削加工する場合、もしくは、鉄系材料を高速切削加工する場合、従来の超硬合金工具に結合相として含まれている鉄族金属は被削材と反応して溶着を生じるため工具寿命を低下させる原因となっていた。また、特殊合金の切削加工や鉄系材料の高速切削加工では工具の刃先温度が高くなるため、高温硬さの低い従来の超硬合金工具では十分な切削性能を得ることはできなかった。そこで結合相が少ない炭化タングステン基焼結体が、こうした加工に用いられるようになった。
結合相が少ない炭化タングステン基焼結体の従来技術としては、WCおよびW2Cを含み、さらにCrの炭化物およびVの炭化物の少なくとも一方を含む超硬質焼結体であって、Ｘ線回折法によるWC結晶(100)面の回折強度をＩWC(100)、WC結晶(101)面の回折強度をIWC(101)としたときに、ＩWC(100)/IWC(101)が０．６５以上０．９以下で、WC結晶(100)面およびWC結晶(101)面の回折ピークの半価値幅が０．４〜０．６を満たし、WCの平均粒径は１．５μｍ以下で、ビッカース硬度は２５ＧＰａ以上、金属含有量の合計が200ppm以下であることを特徴とする超硬質焼結体がある(例えば、特許文献１参照。)。しかしながら、この超硬質焼結体はW2C量が少なくW2Cを添加して得られる効果が十分ではないという問題がある。また、通電加圧焼結という特殊な焼結を行うことから、形状の自由度が著しく制限されるという問題がある。
特開２０００−２９８４５号公報
本発明は、硬さが高く耐摩耗性に優れ、チタン合金などの特殊合金や鉄系材料の高速切削加工において工具寿命を延長する炭化タングステン基焼結体の提供を目的とする。
本発明は、炭化クロム、炭化バナジウムの中から選ばれた１種または２種：０．１〜２重量％と、鉄族金属：０．１〜１重量％と、残りが炭化タングステンおよび不可避的不純物とからなる炭化タングステン基焼結体であって、炭化タングステンはWCとW2Cとからなり、Ｘ線回折測定によるWC(101)面のＸ線回折ピーク強度をIWC(101)と表し、W2C(101)面のＸ線回折ピーク強度をIW2C(101)と表したとき、Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))は０．２〜０．３である炭化タングステン基焼結体である。
本発明の炭化タングステン基焼結体は、炭化クロム、炭化バナジウムの中から選ばれた１種または２種：０．１〜２重量％と、鉄族金属：０．１〜１重量％と、残りが炭化タングステンおよび不可避的不純物とからなる。
炭化クロム、炭化バナジウムは、炭化タングステン基焼結体の組織を微細化する効果を有する。炭化クロム、炭化バナジウムの中から選ばれた１種または２種は、０．１重量％未満であると組織を微細化する効果が低く、２重量％を超えて多くなると焼結しにくくなり緻密な焼結体を得ることが難しくなる。そのため、炭化クロム、炭化バナジウムの中から選ばれた１種または２種を０．１〜２重量％とした。
鉄族金属は、０．１重量％未満であると焼結しにくく、１重量％を超えて多くなると、W3Co3C、W6Co6Cなどのη相と呼ばれる脆弱な複合炭化物相が生成して強度が低下する。そのため、鉄族金属を０．１〜１重量％とした。その中でも鉄族金属は０．１０〜０．１８重量％であるとさらに好ましい。なお、本発明において鉄族金属とはFe、Co、Niを意味する。
炭化タングステンはWCとW2Cとからなる。W2Cは硬さを高くする効果がある。本発明の炭化タングステン基焼結体に対して、Cuターゲットを用いたＸ線回折測定を行い、WC(101)面のＸ線回折ピーク強度をIWC(101)と表し、W2C(101)面のＸ線回折ピーク強度をIW2C(101)と表したとき、Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))が０．２未満であるとW2Cが少なくなり硬さが低下する。Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))が０．３を超えて多くなると破壊靭性値(ＫIC)が低下し、切削工具として用いたとき耐欠損性が低下する。そのため、Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))を０．２〜０．３とした。その中でも０．２５〜０．３であるとさらに好ましい。
本発明の炭化タングステンの平均粒径は、２μｍを超えて大きくなると硬さが低下し、０．１μｍ未満になると強度が低下する。そのため、炭化タングステンの平均粒径は０．１〜２μｍであると好ましい。
本発明の炭化タングステン基焼結体のビッカース硬さＨＶ１０(印加荷重：１０ｋｇｆ)は２３００以上であると、耐摩耗性が高くなるので好ましい。その中でもＨＶ１０が２４００以上であるとさらに好ましく、ＨＶ１０が２５００以上であるとさらに好ましい。
本発明の炭化タングステン基焼結体の表面に、Al、Cr、Tiの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の被膜を被覆した被覆炭化タングステン基焼結体は、優れた耐摩耗性を示すので、好ましい。
本発明の被膜の膜厚は、０．０５μｍ未満であると耐摩耗性が向上する効果が少なく、２０μｍを超えると欠損しやすくなる。そのため、被膜の膜厚は０．０５〜２０μｍが好ましい。
本発明の炭化タングステン基焼結体および本発明の被覆炭化タングステン基焼結体は硬さが高く耐摩耗性に優れるため、切削チップ、ドリル、エンドミル、カッターなどの切削工具として用いると切削工具の寿命を大幅に延長することができるので、好ましい。その中でも、チタン合金の切削加工および鉄系材料の高速切削加工において優れた切削性能を示し工具の寿命が延長するので、さらに好ましい。その中でも、チタン合金の切削加工において優れた切削性能を示し工具の寿命が延長するので、さらに好ましい。
本発明の炭化タングステン基焼結体は硬さが高く耐摩耗性に優れるため、切削チップ、ドリル、エンドミル、カッターなどの切削工具として用いると切削工具の寿命を大幅に延長できる。
原料粉末として、平均粒径０．５μｍのWC粉末、平均粒径０．７μｍのW粉末、平均粒径２μｍのVC粉末、平均粒径１．８μｍのTiC粉末、平均粒径１．５μｍのCr3C2粉末、平均粒径１．４μｍのCo粉末を用意して、それらを表１に示す配合組成に配合した。配合した原料粉末３００ｇを超硬合金製ボール１．５ｋｇ、水３００ｃｃ、消泡剤０．７ｇと共に内径１０ｃｍのウレタン張り円筒型ポットに入れ、湿式ボールミル混合を２４時間行った後、成形助剤を添加し乾燥した。乾燥した原料粉末を篩別した後、得られた原料粉末を成形圧力１４７ＭＰａで成形した。得られた成形体を焼結後の形状がＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８形状になるようにダイヤモンド砥粒で研削加工した。
Figure 2009226512
研削加工した成形体を焼結炉に入れ、焼結温度１９００℃、大気圧のAr気流中、２時間保持という焼結条件で一次焼結を行って焼結体の相対密度が９４％以上となるようにした。その後、一次焼結した焼結体を処理温度１７００℃、Ar雰囲気、圧力１５２ＭＰａ、保持時間１時間という条件でＨＩＰ処理して発明品１〜３および比較品１〜３の焼結体を得た。
得られた焼結体について、炭化タングステンの平均粒径、ビッカース硬さＨＶ１０、ＩＦ法による破壊靭性値(ＫIC)を測定し、それらの値を表２に記載した。また得られた焼結体について、Ｘ線回折測定を行い、Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))を求めて、その値を表３に記載した。
Figure 2009226512
Figure 2009226512
発明品１の焼結体を基材に用いて，表４に示す被膜をＰＶＤ法により被覆して、発明品４、５を得た。
Figure 2009226512
発明品１〜５および比較品１〜３について、被削材：Ti-Al-4V（チタン合金）、切削速度Ｖｃ：１２０ｍ／ｍｉｎ、切り込みｄ：０．２ｍｍ、送りｆ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、ｗｅｔの条件で外周連続旋削試験を行った。加工時間は３０ｍｉｎまでとし、そのときの逃げ面摩耗量ＶＢを測定した。その結果を表５に示した。なお、ＶＢが０．３０ｍｍを超えると工具寿命に至ったとする。
Figure 2009226512
表５に示すように、チタン合金の切削加工において発明品１〜５は比較品１〜３よりも、ＶＢが少なく耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことが分かる。

Claims (7)

  1. 炭化クロム、炭化バナジウムの中から選ばれた１種または２種：０．１〜２重量％と、鉄族金属：０．１〜１重量％と、残りが炭化タングステンおよび不可避的不純物とからなる炭化タングステン基焼結体であって、炭化タングステンはWCとW2Cとからなり、Ｘ線回折測定によるWC(101)面のＸ線回折ピーク強度をIWC(101)と表し、W2C(101)面のＸ線回折ピーク強度をIW2C(101)と表したとき、Ｘ線回折ピーク強度比IW2C(101)/(IWC(101)＋IW2C(101))は０．２〜０．３である炭化タングステン基焼結体。
  2. 炭化タングステンの平均粒径は０．０５〜１μｍである請求項１に記載の炭化タングステン基焼結体。
  3. 炭化タングステン基焼結体のビッカース硬さは２３００以上である請求項１または２に記載の炭化タングステン基焼結体。
  4. 炭化タングステン基焼結体に含まれる鉄族金属は０．１０〜０．１８重量％である請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化タングステン基焼結体。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化タングステン基焼結体の表面に膜厚０．０５〜２０μｍのAl、Cr、Tiの炭化物、窒化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の被膜が被覆されている被覆炭化タングステン基焼結体。
  6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化タングステン基焼結体からなる炭化タングステン基焼結体切削工具。
  7. 請求項５に記載の被覆炭化タングステン基焼結体からなる被覆炭化タングステン基焼結体切削工具。
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