JPH0970705A

JPH0970705A - 穴明け切削加工用超硬合金

Info

Publication number: JPH0970705A
Application number: JP24857495A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林; Kozo Kitamura; 幸三北村
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の穴明け加工用工具は、超硬合金の表
面に硬質な被覆層を被覆することにより、耐スキトリ摩
耗性を高めようとしたものであるが、硬質な被覆層に内
在するクラックにより耐欠損性が低下し、短寿命となる
こと、被覆層が摩滅すると耐摩耗性の低下が顕著になる
という課題がある。また、従来の板状晶ＷＣに関する超
硬合金は、板状晶ＷＣの生成割合が少なく、かつ板状晶
ＷＣのみを抽出することも困難であること、さらに硬さ
と耐摩耗性の両方を同時に改善することが非常に困難で
あるという課題がある。【解決手段】主成分がＣｏでなる結合相を３〜８重量
％と、残りが炭化タングステンの硬質相と不可避不純物
からなる組成を有する超硬合金において、該超硬合金
は、該炭化タングステンの全体量に対して、アスペクト
比が３〜２０でなる板状晶炭化タングステンを３０体積
％以上含有したことを特徴とする穴明け切削加工用超硬
合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高硬度と高靱性を
兼備した穴明け切削加工用超硬合金に関し、特にガンド
リル、ガンリ−マに代表される深穴切削加工用工具とし
て用いた場合に優れた耐摩耗性を発揮する穴明け切削加
工用超硬合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、穴明け切削加工用超硬合金は、
高硬度で耐スキトリ摩耗性に優れると同時に、高靱性で
欠けや圧着分離損傷にも強いことが求められている。従
来、炭化タングステン（以下、「ＷＣ」と記す）を主成
分とする硬質相とＣｏを主成分とする結合相とでなる超
硬合金は、硬質相であるＷＣ粒子を微細にすること、ま
たは結合相であるＣｏ量を減少させることにより硬さを
向上させる方法が取られている。しかし、ＷＣを微細化
すれば硬さは増すものの、靱性が低下し、チッピングや
欠けによる異常摩耗を引き起こす。一方、Ｃｏ量を減少
させても硬さは上昇するものの、靱性の低下や、さらに
は焼結し難くなって巣孔増大による硬さと強度の低下を
招くため、耐摩耗性が著しく劣化する。従って、穴明け
切削加工用に最適な超硬合金を作製するためには、従来
の方法によらず、硬さと靱性の同時改善を行うことが重
要となっている。

【０００３】この穴明け切削加工用超硬合金として提案
されている先行技術として代表的なものに、特開昭５８
−４５８１６号公報，特開昭５９−６９２０７号公報，
実開昭６０−１７号公報，実開昭６０−１７９１２号公
報，特開昭６１−１４６４１０号公報，特開昭６１−１
４６４１１号公報，特開平２−２６９５１４号公報，特
開平３−１７０２１５号公報および特開平３−１７０２
１６号公報がある。一方、超硬合金中に含有している炭
化タングステンの結晶構造について注目したもの、具体
的には、板状晶ＷＣを含有させた超硬合金およびその製
造方法について提案しているものがある。その代表的な
ものとして、特公昭４６−２９４８４号公報，特公昭４
７−２３０４９号公報，特公昭４７−２３０５０号公
報，特開平２ー４７２３９号公報，特開平２ー１３８４
３４号公報，特開平２ー２７４８２７号公報および特開
平５ー３３９６５９号公報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】穴明け切削加工用超硬
合金として提案されている先行技術のうち、特開昭５８
−４５８１６号公報には、超硬合金でなる仕上げ用リ−
マ工具について記載されており、特開昭５９−６９２０
７号公報には、深穴明け加工用工具の製造方法およびコ
−ティングチップについて記載されており、実開昭６０
−１７号公報には超硬合金でなるツイストドリルについ
て記載されており、実開昭６０−１７９１２号公報に
は、超硬合金または被覆層を被覆された超硬合金でなる
超硬ドリルについて記載されており、特開昭６１−１４
６４１０号公報および特開昭６１−１４６４１１号公報
には、表面被覆超硬合金製ドリルについて記載されてお
り、特開平２−２６９５１４号公報には、超硬合金の表
面に窒化物の被覆層を被覆した極細径超硬ドリルについ
て記載されており、特開平３−１７０２１５号公報およ
び特開平３−１７０２１６号公報には、表面硬質層被覆
超硬合金製ミニチュアドリルについて記載されている。
これらの公報に記載の穴明け加工用工具は、それぞれの
特徴ある形状を有する超硬合金の表面に硬質な被覆層を
被覆することにより、耐スキトリ摩耗性を高めようとし
たものであるが、硬質な被覆層に内在するクラックによ
り耐欠損性が低下し、短寿命となること、被覆層が摩滅
すると耐摩耗性の低下が顕著になるという問題がある。

【０００５】一方、板状晶ＷＣを含有させた超硬合金お
よびその製造方法について提案されているもののうち、
特公昭４６−２９４８４号公報，特公昭４７−２３０４
９号公報，特公昭４７−２３０５０号公報，特開平２−
４７２３９号公報，特開平２−１３８４３４号公報，特
開平２−２７４８２７号公報および特開平５−３３９６
５９号公報には、板状晶ＷＣの製造方法、板状晶ＷＣを
含有した超硬合金およびその製造方法が開示されてい
る。これらの公報に記載の方法では、板状晶ＷＣの生成
割合が少なく、かつ板状晶ＷＣのみを抽出することも困
難であること、また、これらの公報に記載の板状晶ＷＣ
を含有した超硬合金は、硬さと耐摩耗性の両方を同時に
改善することが非常に困難であるという問題がある。

【０００６】本発明は、上記のような問題点を解決した
もので、具体的には、板状晶ＷＣを多量に含有させると
共に、穴明け加工用工具として最適な結合相の含有量と
することにより、従来の穴明け加工用超硬合金工具に対
比して硬さを大幅に向上させて、かつ靱性も改善させ、
結果として穴加工時における耐スキトリ摩耗性、耐チッ
ピング性、耐圧着分離損傷性に優れた穴明け切削加工用
超硬合金の提供を目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、深穴切削
加工用超硬合金について、長年に亘り、硬さと靱性を同
時に向上させることによる工具寿命の延長を検討してい
た所、板状晶ＷＣを多量に含有させるとその目的が達成
されること、結合相の含有量を最適にするとさらに寿命
延長が可能であるという知見を得て、本発明を完成する
に至ったものである。

【０００８】本発明の超硬合金は、主成分がＣｏでなる
結合相を３〜８重量％と、残りが炭化タングステンの硬
質相と不可避不純物からなる組成を有する超硬合金にお
いて、該超硬合金は、該炭化タングステンの全体量に対
して、アスペクト比が３〜２０でなる板状晶炭化タング
ステンを３０体積％以上含有したことを特徴とするもの
である

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の超硬合金における結合相
は、Ｃｏのみでなる結合相、または結合相に対し５０重
量％以上のＣｏと残りが他の金属，金属化合物を固溶し
た結合相、具体的には、例えば２０重量％以下のＷ，Ｃ
ｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｃｒ₃Ｃ₂，ＶＣの中の少なくとも１種を
固溶したＣｏ合金であるＣｏ−Ｗ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合
金，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｖ合金Ｃｏ−Ｃｒ₃Ｃ₂合
金，Ｃｏ−ＶＣ合金，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｃ
ｒ−Ｖ合金，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃｒ₃Ｃ₂合金，Ｃｏ−Ｎｉ−
Ｃｒ₃Ｃ₂合金，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｒ₃Ｃ₂合金の結合
相を挙げることができる。特に、Ｃｒ，Ｃｒ₃Ｃ₂または
ＶＣは、焼結時のＷＣ粒成長を抑制して硬さを保持し、
かつ結合相の硬さ，靱性を改善する効果が高いので好ま
しい。この結合相の含有量は、超硬合金全体に対して３
重量％未満になると靱性が低下し、また焼結困難となっ
て巣孔が発生するために硬さ，強度が低下して、穴明け
切削加工時のチッピング摩耗や欠損を増大させ、逆に８
重量％を超えて多くなると硬さが低下して耐摩耗性が劣
化するために、３〜８重量％と定めたものである。

【００１０】本発明の超硬合金における硬質相は、ＷＣ
のみでなる硬質相の場合、または超硬合金に対して、Ｗ
元素と周期律表の４ａ，５ａ属元素の中の少なくとも１
種との炭化物，炭窒化物の中の１種以上でなる立方晶系
化合物を５重量％以下と残りＷＣとからなる硬質相の場
合がある。このうち立方晶系化合物の硬質相は、具体的
には、例えば（ＷＴａ）Ｃ，（ＷＮｂ）Ｃ，（ＷＶ）
Ｃ，（ＷＴｉ）Ｃ，（ＷＴｉＴａ）Ｃ，（ＷＴｉ）（Ｃ
Ｎ），（ＷＴｉＴａＶ）（ＣＮ）などを挙げることがで
きる。この立方晶系化合物は、硬さや耐溶着性を向上さ
せる効果を有するため、用途によつては摩耗を低減させ
るが、５重量％を超えて多くなると靱性が低下してチッ
ピング摩耗が増大するため、５重量％以下と定めたもの
である。

【００１１】本発明の超硬合金における硬質相として存
在する板状晶ＷＣは、具体的には、超硬合金の断面組織
において多角形状に観察されるＷＣのうち、三角形状の
ＷＣは全て板状晶ＷＣに相当し，その他の棒状，四角形
状のＷＣは１つの結晶の最小長さに対する最大長さの比
（最大長さ／最小長さ）が３〜２０でなる、いわゆるア
スペクト比が３〜２０でなるＷＣ結晶を示し、この板状
晶ＷＣがＷＣ全体の３０体積％以上含有していることで
ある。このアスペクト比が３未満および２０を超えると
靱性向上効果が低く、一方、板状晶ＷＣの含有割合が３
０体積％未満では、硬さおよび靱性の改善効果が少な
く、好ましくは、アスペクト比が４〜８、板状晶ＷＣの
含有割合が５０体積％以上である。

【００１２】また、本発明の超硬合金は、Ｃｕ−Ｋα線
によるＸ線回折を行った場合に、ＷＣ結晶における（１
０１）結晶面のピ−クをｈ（１０１）と表わし、（００
１）結晶面のピークをｈ（００１）と表わしたとき、ｈ
（００１）／ｈ（１０１）≧０．５でなることが硬さお
よび靭性の両方の改善効果の点からより一層好ましく、
特に０．６以上であることが好ましい。

【００１３】本発明の超硬合金は、以下の製造方法によ
り超硬合金中に板状晶ＷＣを多量晶出し、かつ一定方向
に配向させるようにする以外は従来から行われている超
硬合金の製法である粉末冶金法により作製することがで
きる。本発明の超硬合金の製造方法を具体的詳述する
と、例えば、まずＷ，Ｃｏ，Ｗ−Ｃｏ合金，ＷとＣｏを
含む合金，Ｗ−Ｃｏ−Ｃの複合固溶体炭化物，ＷとＣｏ
とＣとを含む複合固溶体炭化物の中から選ばれた少なく
とも１種の出発物質とカ−ボン，黒鉛，加熱により炭素
に変換する物質の中の少なくとも１種の炭素源物質とか
らなる混合物質を粉末成形体工程，加熱によるＷとＣｏ
とＣとを含む複合固溶体炭化物の生成工程（これらの中
でＷは、Ｗの一部を周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素
の中の１種以上と置換すること、Ｃｏは，Ｃｏの一部を
Ｎｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅの中の１種以上と置換することも
好ましい）焼結工程を経て作製することである。このと
き、混合物質には、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族元素
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種の粉末を所定量添加すること、およ
び／またはＮｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｗなどの少なくとも１種の
粉末を所定量添加し、目的の超硬合金の組成成分を得る
ための成分調整とすることも好ましいことである。すな
わち、本発明の超硬合金を作製するための最大の特徴
は、出発物質中または焼結までの加熱工程中において、
ＷとＣｏとＣとでなる複合固溶体炭化物を存在させるよ
うにすることである。

【００１４】こうして得られた本発明の超硬合金は、そ
の表面に従来から行われている物理蒸着法（ＰＶＤ
法），化学蒸着法（ＣＶＤ法），プラズマＣＶＤ法によ
り硬質被膜、具体的には、例えば周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化
物，Ａｌの酸化物，窒化物およびこれらの相互固溶体、
ダイヤモンド，ダイヤモンド状カ−ボン，立方晶窒化硼
素，硬質窒化硼素の中から選ばれた１種の単層または２
種以上でなる多層の硬質被膜を被覆し、さらに一層耐摩
耗性を高めることも好ましいことである。

【００１５】

【作用】本発明の穴明け切削加工用高硬度超硬合金は、
多量に含有されている板状晶ＷＣが硬さ，靱性，強度を
顕著に高める作用をし、この板状晶ＷＣと結合相の含有
量とにより加工時における耐摩耗性と耐チッピング性，
耐圧着分離損傷性を顕著に改善する作用をしているもの
である。

【００１６】

【実施例１】まず、市販されている平均粒子径が０．９
μｍのＷＯ₃，１．２μｍのＷ，１．０μｍのＣｏ，
１．６μｍのＣｏＯ，０．０２μｍのカ−ボン（表中で
は「Ｃ」と記す）の各粉末を用いて、表１に示す配合組
成（Ａ−１〜Ｄ−１）に秤量し、ステンレス製ポットに
アセトン溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入して２４時
間混合粉砕後、乾燥して得た混合粉末を黒鉛製ルツボに
挿入し、表１に併記した雰囲気，温度で１時間保持の加
熱処理を施して、表２に示す複合炭化物粉末Ａ−２〜Ｄ
−２を得た。得られた複合炭化物粉末のＸ線回折による
組成，含有炭素量，平均粒子径を表２に併記した。

【００１７】次に、上記Ｗ，Ｃｏ，Ｃ，複合炭化物Ａ−
２〜Ｄ−２および市販されている平均粒子径が０．５μ
ｍのＷＣ（表中では「ＷＣ／Ｆ」と記す），１．２μｍ
のＷＣ（表中では「ＷＣ／Ｍ」と記す），１．７μｍの
Ｃｒ₃Ｃ₂，２．７μｍのＶＣ，４．５μｍの黒鉛（表中
では「Ｇ」と記す），１．０μｍの（ＷＴｉ）Ｃの複合
炭化物（重量比でＷＣ／ＴｉＣ＝７０／３０），１．０
μｍのＴａＣの各粉末を用いて、表３に示す配合組成に
秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金
製ボールと共に挿入し、４８時間混合粉砕後、乾燥して
混合粉末を得た。これらの粉末を金型に充填し、２ｔｏ
ｎ／ｃｍ²の圧力でもって約５．５×９．５×２９ｍｍ
の圧粉成形体を作製し、アルミナとカ−ボン繊維からな
るシ−ト上に設置し、雰囲気圧力１０Ｐａの真空中で、
本発明品２，３，４および比較品２，３，４を１４２０
℃、本発明品５および比較品５を１４４０℃、本発明品
１および比較品１を１４６０℃の温度でもって１時間加
熱保持して、本発明品１〜５および比較品１〜５を得
た。

【００１８】こうして得た本発明品１〜５および比較品
１〜５の超硬合金を＃２３０のダイヤモンド砥石で湿式
研削加工し、３．０×８．０×２５ｍｍの形状に作製
し、ＪＩＳ法による抗折力を測定して、その結果を表３
に示した。また、同試料の１面を１μｍのダイヤモンド
ペ−ストでラップ加工した後、ビッカ−ス圧子を用いた
荷重：１９６Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ１Ｃ（ＩＭ
法）を測定し、その結果を表４に併記した。さらに、各
試料のラップ面について電子顕微鏡にて組織写真を撮
り、画像処理装置にて、結合相，立方晶系化合物，全Ｗ
Ｃの重量割合でなる合金組成を求めて表３に併記し、Ｗ
Ｃの平均粒径，全ＷＣに対する板状ＷＣ結晶の割合を測
定して表４に併記した。次いで、各試料について、Ｃｕ
タ−ゲット、Ｎｉフィルタ−を用いたＸ線回折法によ
り、ＷＣの（００１）結晶面と（１０１）結晶面のピー
ク強度を測定し、そのピ−ク強度比ｈ（００１）／ｈ
（１０１）を計算し、その結果を表４に併記した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】

【実施例２】実施例１で得た本発明品１，２および比較
品１，２の混合粉末を用い、乾式静水圧プレス装置に
て、直径約１０ｍｍ×長さ約６０ｍｍの圧粉成形体を作
製し、油穴および刃形の素加工を施した後、実施例１と
同様の方法，条件で加熱焼結して、ガンリ−マ用超硬チ
ップ素材を得た。こうして得た素材チップを鋼製シャン
クにろう付けした後、ダイヤモンド砥石で湿式研削加工
し、工具径：６．０ｍｍ，全長：４００ｍｍ，刃数：４
枚（スパイラル）のガンリ−マを製作した。そして、被
加工材：Ｓ４５Ｃ，切削速度：８ｍ／ｍｉｎ，切込み：
０．０３ｍｍ，送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ，加工油：
水溶性切削油、の条件で深穴リ−マ加工を行い、切れ刃
のコ−ナ摩耗が０．４ｍｍとなるまでの加工長さを求め
た。その結果、本発明品１が加工長さ１１ｍ，本発明品
２が加工長さ１６ｍ，比較品１が加工長さ２ｍで切れ刃
にチッピング，比較品２が加工長さ９ｍであった。

【００２４】

【実施例３】実施例１で得た本発明品３〜５および比較
品３〜５の混合粉末を用いて、実施例２と同様の方法に
より、工具径：６．０ｍｍ，全長：４００ｍｍのガンド
リルを製作した。そして、被加工材：Ｓ４５Ｃ，切削速
度：９０ｍ／ｍｉｎ，送り：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ，加
工油：水溶性切削油、の条件で深穴加工を行い、切れ刃
のコ−ナ摩耗が０．４ｍｍとなるまでの加工長さを求め
た。その結果、本発明品３が加工長さ１２ｍ，本発明品
４が加工長さ８ｍ，本発明品５が加工長さ１０ｍ，比較
品３が加工長さ７ｍ，比較品４が加工長さ０．５ｍで切
れ刃にチッピング，比較品５が加工長さ４ｍであった。

【００２５】

【発明の効果】本発明の超硬合金は、組成成分が同一の
従来の超硬合金に対比して硬さ，強度，破壊靭性値の全
てが向上し、穴明け切削加工時における耐スキトリ摩耗
性，耐チッピング性，耐圧着分離損傷性に優れるという
効果を有し、工具の直径に対する工具の全長の比が１０
以上、好ましくは２０以上でなる穴明け工具、具体的に
は、例えば深穴用ドリルまたは深穴用リ−マでなる切削
工具として用いると、従来の超硬合金を用いた切削工具
に対比し顕著に長寿命になるという効果を有し、特に工
具の直径に対する被加工穴深さが１０倍以上の穴加工を
行う工具として用いると、従来の超硬合金に対比して著
しく寿命を高めるという効果が有る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主成分がＣｏでなる結合相を３〜８重量
％と、残りが炭化タングステンの硬質相と不可避不純物
からなる組成を有する超硬合金において、該超硬合金
は、該炭化タングステンの全体量に対して、アスペクト
比が３〜２０でなる板状晶炭化タングステンを３０体積
％以上含有したことを特徴とする穴明け切削加工用超硬
合金。
【請求項２】主成分がＣｏでなる結合相を３〜８重量
％と、Ｗ元素と周期律表の４ａ，５ａ属元素の中の少な
くとも１種との炭化物，炭窒化物の中の１種以上でなる
立方晶系化合物を５重量％以下と、残りが炭化タングス
テンの硬質相と不可避不純物からなる組成を有する超硬
合金において、該超硬合金は、該炭化タングステンの全
体量に対して、アスペクト比が３〜２０の板状晶炭化タ
ングステンを３０体積％以上含有したことを特徴とする
穴明け切削加工用超硬合金。
【請求項３】上記超硬合金は、Ｃｕ−Ｋα線によるＸ
線回折における炭化タングステンの（１０１）結晶面の
ピークをｈ（１０１）と表わし、（００１）結晶面のピ
−クをｈ（００１）と表わしたとき、ｈ（００１）／ｈ
（１０１）≧０．５であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の穴明け切削加工用超硬合金。
【請求項４】上記超硬合金は、深穴明け切削工具とし
て用いられることを特徴とする請求項１，２または３記
載の穴明け切削加工用超硬合金。
【請求項５】上記深穴明け切削工具は、深穴用ドリル
または深穴用リ−マであることを特徴とする請求項４記
載の穴明け切削加工用超硬合金。