(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣと鉄族金属からなる結合相金属と硬質相とからなる超硬合金母材の表面に被覆層を被着させた被覆超硬合金において、前記硬質相はＺｒ及び／又はＨｆの酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種を含有する化合物から成り、かつ、該化合物の平均粒径が、超硬合金母材の表面から深さ５０μｍの領域は０．０２〜０．５μｍ、１５０μｍの深さの領域は１．０〜５．０μｍであり、更に前記被覆層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物及び酸化アルミニウムの少なくとも１種から成る単層又は多重層で形成されていることを特徴とする被覆超硬合金。
【請求項２】
前記硬質相の前記化合物は、超硬合金母材の表面から深さが５０μｍ乃至１５０μｍの間の領域における平均粒径が０．５μｍ〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１記載の被覆超硬合金。
【請求項３】
前記硬質相はその内部に少なくともＺｒＣを含むことを特徴とする請求項１または２記載の被覆超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、切削工具等に使用される高い耐摩耗性と高い耐欠損性を兼ね備えた被覆超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属部材の切削加工において高能率加工への要求が強く、切削速度が高速化している中で、超硬合金母材表面にＴｉＣなどの硬質被覆層を蒸着した被覆超硬合金が切削工具の材質として多用されている。更に、環境への配慮から刃先冷却用の切削油を用いない乾式切削が好まれる傾向があり、これら被覆超硬合金製の切削工具に対して乾式切削などの高温切削（刃先が高温となる）における耐久性が求められている。
【０００３】
このような要求に対して、旧来のＷＣのみを硬質相として含む超硬合金を母材とした切削工具では、乾式切削などの高温切削（刃先が高温となる）における耐久性不足という点で十分に要求に応えることができなかった。
【０００４】
そのため超硬合金母材中にＴｉＣなど４ａ，５ａ，６ａ族金属化合物を添加し、高温切削における耐久性を向上せしめる試みがなされている。このうちＴｉＣやＴａＣ等のＴｉやＴａの化合物のみを添加したものは硬度が向上したが、靭性が不充分あるという問題があり、他方Ｚｒ，Ｈｆの炭化物や窒化物のみを添加したものは、靭性の低下が少なく、高温下での靭性が高いという特徴を持つが、硬度が低いため耐摩耗性に難があり、前記要求に十分応えるものではなかった。
【０００５】
これら超硬合金母材の欠点を解消するため、Ｚｒ及び／またはＨｆの化合物とＴｉ化合物の両方を添加することが提案されている（特開平６−９３４７３号）。この超硬合金は、Ｚｒ及び／またはＨｆの化合物で合金靱性の維持を図り、かつ合金硬度を不足するためＴｉ化合物を添加し、共存させたものである。また、この超硬合金は、合金中にＺｒ及び／またはＨｆの炭化物などを添加すると、Ｔｉの炭化物などはＷＣと固溶しにくくなる特性を利用しており、該特性によりＷＣ減少量が非常に少なく靭性の低下を解消できるので、Ｚｒ，Ｈｆの炭化物や窒化物の高靭性を十分に利用できることを特徴とする。
【０００６】
更に、上記超硬合金は、合金の表面から２〜１００μｍ  以内の深さにわたって、Ｚｒ及び／またはＨｆの化合物の硬質相とＴｉ化合物の硬質相が減少又は消失してなる表層領域を有しており、この表層領域を有することで合金表層領域の靭性を向上させている。
【０００７】
また最近、このような超硬合金においてＺｒ及び／またはＨｆの化合物の平均粒径を１μｍ以上１０μｍ以下に制御することにより靭性、耐塑性変形性、耐摩耗性を向上せしめることが提案されている（特開平１０−１８０３８号）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ｚｒ及び／またはＨｆの化合物とＴｉ化合物の両方を添加した超硬合金により作製した切削工具は耐熱性に優れるため長時間の高速切削に耐える。しかしながら、ニアネットシェイプの技術の進歩により、部品素材の形状は益々複雑なものとなってきており、その切削加工には断続切削が多く含まれるようになってきている。また、連続切削においても、高能率加工への要求が益々強くなったことにより、切削条件を上げ、刃先温度が非常に高温となる切削加工が多く含まれるようになってきている。従って、切削工具にかかる衝撃力、衝撃回数、刃先温度は増加、上昇の一途を辿っており、このような厳しい条件での加工に対して、特に乾式切削には、超硬合金の母材にＺｒ及び／またはＨｆの化合物とＴｉ化合物の両方を添加するだけでは対応できないようになってきている。
【０００９】
即ち、前述のように上記超硬合金は、Ｚｒ及び／またはＨｆの化合物の硬質相とＴｉ化合物の硬質相が減少又は消失してなる表層領域を有しているが、この領域は、非常に高い温度となると塑性変形を起こしやすく、異常摩耗や欠損により切削加工の省力化、無人化の大きな障害となっている。
【００１０】
また、このような超硬合金においてＺｒ及び／またはＨｆの化合物の平均粒径を１μｍ以上１０μｍ以下に制御することについても、上記非常に高い温度での塑性変形の問題を完全に解決するものでなく、靱性の向上の効果も見られなかった。
【００１１】
そこで本発明は、このような従来技術の課題に鑑み、長時間の高速切削に耐え、且つ、厳しい条件での乾式切削にも安定的に適用することができる切削工具に最適な、被覆超硬合金を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の被覆超硬合金は、ＷＣと鉄族金属からなる結合相金属と硬質相とからなる超硬合金母材の表面に被覆層を被着させた被覆超硬合金において、前記硬質相はＺｒ及び／又はＨｆの酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種を含有する化合物から成り、かつ、該化合物の平均粒径が、超硬合金母材の表面から深さ５０μｍの領域は０．０２〜０．５μｍ、１５０μｍの深さの領域は１．０〜５．０μｍであり、更に前記被覆層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物及び酸化アルミニウムの少なくとも１種から成る単層又は多重層で構成される。
【００１３】
このような構造をとる理由を以下に説明する。Ｚｒ及び／又はＨｆの酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種を含有する化合物（以下、Ｚｒ等の化合物と略称する）は、硬質相として多用される４ａ、５ａ、６ａ族金属を主成分とする化合物の中でも合金強度の維持の効果も最も大きい。Ｚｒ及び／又はＨｆは、その一部が炭化物等の形で合金中に分散し高温での合金強度を高め被覆超硬合金の耐塑性変形性を向上させている。他の一部は結合相中に固溶して結合相の耐塑性変形性を向上させている。さらに、Ｚｒ等の化合物は高温での塑性変形を防ぐ作用がある。しかしながら、これら利点の反面、Ｚｒ等の化合物の存在が超硬合金母材の硬度を低下せしめ、また、耐摩耗性を劣化せしめる傾向があることが知られている。
【００１４】
本発明者は、上記のような被覆超硬合金について硬度低下や摩耗性低下の要因を調査し、鋭意研究を加えた結果、超硬合金母材の表層と内方でＺｒ等の化合物の粒径を大きく違えることにより完成にいたったもので、その特徴は、Ｚｒ等の化合物の平均粒径が、超硬合金母材の表面から深さ５０μｍの領域は０．０２〜０．５μｍ、１５０μｍの深さの領域は１．０〜５．０μｍである。
【００１５】
前記Ｚｒ等の化合物の粒径について、超硬合金母材の表面から深さ５０μｍの領域の平均粒径を０．０２〜０．５μｍと微粒化するのは、微粒化により、超硬合金母材表面近傍領域での靱性を高め、耐チッピング性を向上せしめるためである。この平均粒径が０．０２μｍ未満の場合、連続切削における耐摩耗性が劣化するとともに、断続切削でも欠損し易くなり、０．５μｍより大きい場合、靱性が劣化して欠損し易くなる。他方、Ｚｒ等の化合物の粒径を、超硬合金母材の表面から深さ１５０μｍ以上の領域の平均粒径を１．０〜５．０μｍと粗粒化するのは、粗粒化により耐塑性変形性が向上し、その結果、超硬合金母材表面の耐摩耗性を維持することができるためである。この平均粒径が１．０μｍ未満の場合、連続切削における耐摩耗性が劣化するとともに、断続切削でも欠損し易くなり、５．０μｍより大きい場合、靱性が劣化して欠損し易くなる。
【００１６】
尚、粒径の測定は超硬合金母材を深さ方向に１ｍｍ研削し、ダイヤモンドペーストによって研磨し鏡面状態とした後、金属顕微鏡にて写真撮影後、インタセプト法により粒径を求めた。
【００１７】
またＺｒ等の化合物の粒径が、超硬合金母材の表面から深さ５０μｍ〜１５０μｍの領域で０．５μｍ〜１．０μｍとし、超硬合金の表面から内部に向かって、傾斜的に大きくなるようにすると、靱性が向上し、欠損しにくくなる。なお、本発明では、上記平均粒径の傾斜の有無に拘らず、本発明では、Ｚｒ等の化合物よりなる硬質相やその他の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から硬質相が消出している領域は設けない。
【００１８】
前記Ｚｒおよび／またはＨｆには、予めＷ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ等を固溶させた炭化物、炭窒化物などの形で合金中に添加することができる。また、Ｚｒ等の化合物は、ＺｒとＨｆとが固溶したものであっても本発明の効果を妨げない。また前記Ｚｒ等の化合物について、超硬合金母材が炭化物化合物および非炭化物化合物の両方を兼備することにより、ＦＣＤ４５０などの材料を加工する場合に特に顕著な性能となる非常に有効であることも見いだした。
【００１９】
ところで、本発明はＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を硬質層として含む可能性を妨げるものではないが、このようなＴｉ化合物を添加した場合に、表層からＺｒ等の化合物が消出してしまう場合があるので注意が必要である。むしろ本発明は、Ｔｉ化合物の添加を必ずしも必要としないことも一つの特徴である。例えば、出発原料をＺｒＣ（及び／またはＨｆ），Ｃｏ，ＷＣのみとして超硬合金母材を形成しても、長時間の高温、高速切削に耐え、且つ、厳しい条件でのドライ切削にも安定的に適用することができるような、耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えたものとなる。
【００２０】
また、本発明は超硬合金母材に、必ずしも窒素を含有させる必要がない。窒化物は、炭化物に比べ熱伝導率が高いなどの熱的特性に優れるが、本発明は窒素を含有しなくても厳しい加工条件での優れた耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えたものとなる。
【００２１】
このような超硬合金母材の構造が形成される理由は不明だが、前記Ｚｒ等の化合物の原料を超硬合金原料に添加し、これらの原料成形体を窒素以外の不活性ガス雰囲気中、液相出現温度（約１２５０〜１３００℃）以上で焼結することにより得られる。この製法では、炉内圧力を高くすることで表面部と内部の拡散が起こり、その結果Ｚｒ等の化合物の組織が変化し、粒径が表層と内部コアで大きく異なるのではないかと推測される。なお、粒径の制御は、昇温過程、焼結過程の雰囲気圧力を制御することで行う。
【００２２】
そして、以上に示した超硬合金母材の表面に被覆層が形成される。被覆層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物及び酸化アルミニウムの少なくとも１種から成る単層又は多重層であり、通常のＣＶＤ、ＰＶＤ法により形成する。このように被覆層を形成することで、合金の耐摩耗性を確保できる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施形態およびその作用を実施例により詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１  ）
原料粉末として、Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆの金属、炭化物、Ｃｏ金属の粉末を準備し、焼結体組成が表１に示す組成となるように秤量し、この粉体を超硬合金製のボールミルで１８時間混合粉砕した。
【００２５】
【表１】
0003544632.tif 000002
【００２６】
次に混合した粉体を圧力２ｔｏｎ／ｃｍ２  で加圧成形し、この成形体を液相出現温度（１２５０〜１３００℃）以上で、アルゴン雰囲気にて焼成する。雰囲気圧は０．８Ｔｏｒｒとした。
【００２７】
このとき焼成条件によっては、表面部にＺｒ等の化合物からなる相の存在しない層ができることがある。このときは、ブラスト処理や研磨などの機械的加工により表面部を除去することで、表面までＺｒ等の化合物相が存在する合金焼結体とすることができる。
【００２８】
得られた合金焼結体につき、超硬合金母材を深さ方向に１ｍｍ研削し、ダイヤモンドペーストによって研磨し鏡面状態とした後、金属顕微鏡にて写真撮影後、インタセプト法により平均粒径を算出した。なお、平均粒径は超硬合金母材の表面から深さ５０μｍの領域（表層）と、深さ５０μｍ〜１５０μｍの領域（中間層）と、深さ１５０μｍ以上の領域（内部コア）について求めた。これらを表１に記載する。
【００２９】
また、表面から深さ５０μｍ〜１５０μｍの領域でＺｒ等の化合物の平均粒径が０．５μｍ〜１．０μｍとなっているものを、表１中、粒径が傾斜的になっているものとして粒度分布［有］として示し、そうでないものを粒度分布［無］として示す。
【００３０】
さらに、通法に従い、硬質相の成分を特定し、ＺｒＣ相の有無を確認した。その結果を表１に記載する。
【００３１】
なお、焼結体Ｎｏ．１〜４、８、９は硬質相がＺｒＯとＷＣのみからなり、Ｎｏ．５は、これらに加えてＺｒＣを、そしてＮｏ．６、７はさらにＨｆＣを含んでいた。
【００３２】
これら焼結体を母材として通常のＣＶＤ法にて、内層に１μｍのＴｉＮ、５μｍのＴｉＣＮ、外層に３μｍのＡｌ２  Ｏ３  、最外層に０．５μｍのＴｉＮを被覆し、下記に示す条件で、乾式切削の連続切削試験と断続切削試験を行ない、摩耗幅の測定と、欠損の有無を確認した。
【００３３】
これらの結果を表２に示す。
【００３４】
［試験条件］
（連続切削試験１）
被削材  ：ＦＣ２５０、円筒材
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ
切込み  ：２．０ｍｍ
送り    ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油  ：なし
切削時間：３０ｍｉｎ
（連続切削試験２）
被削材  ：ＦＣＤ４５０、円筒材
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切込み  ：２．０ｍｍ
送り    ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油  ：なし
切削時間：１５ｍｉｎ
（断続切削試験）
被削材  ：ＦＣＤ４５０、５ｍｍ幅溝４本入り円筒材
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
切込み  ：２．０ｍｍ
送り    ：０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切削油  ：なし
切削時間：１０ｍｉｎ
【００３５】
【表２】
0003544632.tif 000003
【００３６】
表２から明らかなように、前記粒度分布が有る試料Ｎｏ．２〜７はいずれも、連続切削試験の摩耗幅が０．３０ｍｍ未満と小さく、また、断続切削試験で欠損も起こらなかったことから、良好な耐摩耗性と耐欠損性を示していた。
【００３７】
この中でもＺｒＣ相を含む試料Ｎｏ．５〜７はＦＣＤ４５０を被削材とする連続切削試験２で摩耗幅が０．２０ｍｍ未満という優れた耐摩耗性を示した。
【００３８】
また、前記粒度分布がない試料Ｎｏ．１は、断続切削試験で欠損する場合もあったが、連続切削試験の摩耗幅が０．３０ｍｍ未満と小さく優れた耐摩耗性を示した。
【００３９】
これに対して、試料Ｎｏ．８、９は本発明の範囲外にある。すなわち、試料Ｎｏ．８は前記粒度分布がなく、かつ、超硬合金母材の表面から厚さ５０μｍの表層でのＺｒ化合物の平均粒径が０．０２μｍ未満であり、連続切削試験の摩耗幅が０．５０ｍｍもあり、また、断続切削試験で切削し易かった。また、試料Ｎｏ．９は前記粒度分布がなく、かつ、超硬合金母材の表面から１５０μｍよりも内方の内部コアでのＺｒ化合物の平均粒径が１０．０μｍと大きく、その結果、連続切削試験の摩耗幅は小さかったが、断続切削試験では、９割が欠損してしまった。
【００４０】
【発明の効果】
叙上のように本発明の被覆超硬合金によれば、超硬合金母材の表面に被覆層を被着させた被覆超硬合金において、前記硬質相はＺｒ及び／又はＨｆの酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種を含有する化合物から成り、かつ、該化合物の平均粒径が、超硬合金母材の表面から深さ５０μｍの領域は０．０２〜０．５μｍ、１５０μｍの深さの領域は１．０〜５．０μｍとしたことにより、切削工具として使用した場合に、高温での靱性、硬度、耐塑性変形性が飛躍的に向上し、長時間の高温、高速切削に耐えるものである。また、従来では、ほとんど不可能であった厳しい条件での乾式切削にも安定的に適用することができる。
【００４１】
このように本発明の被覆超硬合金によれば、金属部材の切削加工における高能率加工への要求と、刃先冷却用の切削油を用いない環境への配慮という要求に対し十二分に応えるものである。