(57)【要約】【課題】高硬度、優れた耐摩耗性を有する超硬合金部材と高硬度、優れた耐酸化性を有する皮膜構成を持つ硬質皮膜被覆超硬合金部材を提供することである。【解決手段】硬質皮膜を被覆した超硬合金部材において、該超硬合金部材は、Ｃｏ含有量が重量％で１％〜２０％、Ｃｒ含有量が０．２％〜２％、残部がＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下であり、硬さはＨＲＡ９３．０以上であり、少なくとも１層以上被覆される該硬質皮膜の組成は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜Ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０≦γ＜０．２５、であるＡ層を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質皮膜を被覆した超硬合金部材において、該超硬合金部材は、Ｃｏ含有量が重量％で１％〜２０％、Ｃｒ含有量が０．２％〜２％、残部がＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下であり、硬さはＨＲＡ９３．０以上であり、少なくとも１層以上被覆される該硬質皮膜の組成は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜Ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０≦γ＜０．２５、であるＡ層を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆超硬合金部材において、該超硬合金部材の組成の一部を、ＷとＣｒを除く４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素から選択される１種以上の元素で置換したことを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材。
【請求項３】
請求項２記載の硬質皮膜被覆超硬合金部材において、該添加元素はＶで、その含有量は重量％で、０．１〜２％であることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材。
【請求項４】
請求項１記載の硬質皮膜被覆超硬合金部材において、該超硬合金部材は、ＷＣ相、ＷとＣｒを含む炭化物相を有し、該炭化物相の面積比率Ｍが、０＜Ｍ＜０．５（％）であり、該炭化物相の平均粒径が０．８μｍ以下であることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４いずれかに記載の硬質皮膜被覆超硬合金部材において、該硬質皮膜は該Ａ層の他に別のＢ層を有し、該Ｂ層は、（ＴｉａＳｉ１−ａ）（ＮｂＢ１−ｂ）、但し、０．５≦ａ＜１、０．５≦ｂ≦１からなることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の硬質皮膜被覆超硬合金部材において、該硬質皮膜被覆超硬合金部材はエンドミルであり、その直径は２ｍｍ以下であることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、硬質皮膜を被覆した超硬合金部材であって、優れた耐摩耗性を有する硬質皮膜被覆超硬合金部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
平均粒径が１μｍ以下のＷＣ粒子を含有する超微粒超硬合金は、高硬度と靭性を併せ持ち、エンドミル、プリント基板用ドリル、各種せん断刃などに広範囲に用いられている。更に基体表面への硬質皮膜被覆も不可欠となってきており種々の検討がなされている。これらの具体的な例として以下の特許文献１〜４が開示されている。特許文献１は、０．７μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ基超硬合金が開示され、特許文献２は、０．５μｍ以下の平均粒径を有する強靭性微粒超硬合金が開示され、特許文献３は（ＴｉａＳｉ１−ａ）（ＮｘＢ１−ｘ）、但し、０．５≦ａ＜１、０．５≦ｘ≦１からなり、該硬質層が相対的にＳｉに富む（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相と相対的にＳｉの少ない（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相とから構成される耐摩耗皮膜被覆工具が開示され、特許文献４は（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜Ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜０．２０、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２０、０＜γ＜０．２５からなる硬質皮膜が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許３４５１９５０号公報
【特許文献２】特開２００４−１６２０８０号公報
【特許文献３】特許３４５４４２８号公報
【特許文献４】特開２００４−１７６０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明が解決しようとする課題は、高硬度、優れた耐摩耗性を有する超硬合金部材と高硬度、優れた耐酸化性を有する皮膜構成を持つ硬質皮膜被覆超硬合金部材を提供することである。例えばエンドミル、ドリル等の小径化、小サイズ化及び高硬度、難削性を示す被加工物に対応した硬質皮膜被覆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、硬質皮膜を被覆した超硬合金部材において、該超硬合金部材は、Ｃｏ含有量が重量％で１％〜２０％、Ｃｒ含有量が０．２％〜２％、残部がＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下であり、硬さはＨＲＡ９３．０以上であり、少なくとも１層以上被覆される該硬質皮膜の組成は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜Ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０≦γ＜０．２５、であるＡ層を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆超硬合金部材である。本構成を採用することによって、高硬度で優れた耐摩耗性を有する超硬合金部材と、高硬度で優れた耐酸化性を有する皮膜構成を持つ硬質皮膜被覆超硬合金部材を提供することが可能となる。例えばエンドミル、ドリル等の小径化、小サイズ化及び高硬度、難削性を示す被加工物に対応することができる。
【０００６】
本願発明は、該超硬合金はＷＣ、Ｃｒの一部を、ＷとＣｒを除く４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素から選択される１種以上の元素で置換した超硬合金であり、その添加元素はＶで、その含有量は重量％で、０．１〜２％である。また、該超硬合金は、ＷＣ相、ＷとＣｒを含む炭化物相を有し、該炭化物相の面積比率Ｍが、０＜Ｍ＜０．５（％）であり、該炭化物相の平均粒径が０．８μｍ以下である。次に、該硬質皮膜は該Ａ層の他に別のＢ層を有し、該Ｂ層は、（ＴｉａＳｉ１−ａ）（ＮｂＢ１−ｂ）、但し、０．５≦ａ＜１、０．５≦ｂ≦１からなる。硬質皮膜被覆超硬合金部材を備えた工具としては、軟質金属材料、非鉄金属材料、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板、繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下、ＦＲＰと記す。）、ガラスなどの加工、又は鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工をする工具であることが好ましい。例えば、ドリル、小径ドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切り工具、ガンドリル、リーマ及びタップ、金型などが挙げられる。特に、ＨＲＣ５０以上の高硬度の被削材を加工する工具で、直径２ｍｍ以下のエンドミルであることがより好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明を適用することにより、高硬度で優れた耐摩耗性を有する超硬合金部材と、高硬度で優れた耐酸化性を有する皮膜構成を持つ硬質皮膜被覆超硬合金部材を提供することが可能となった。例えばエンドミル、ドリル等の小径化、小サイズ化及び高硬度、難削性を示す被加工物に対応することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明は、ＨＲＡ９３．０以上の高硬度な超硬合金部材と、（ＡｌＣｒＳｉ）系の組成を有する硬質皮膜とを組み合わせることにより、非常に優れた特性をもつ硬質皮膜被覆超硬合金部材である。
第１に、超硬合金部材の組成は、Ｃｏ含有量が重量％で、１％〜２０％、Ｃｒ含有量が０．２％〜２％である。そこで数値限定の理由を述べる。Ｃｏは焼結性向上に寄与し、結合相を形成して靭性を改善させ、耐欠損、耐折損性を向上する作用をもつ。しかしＣｏの含有量が１％未満では十分な靭性、耐折損性を得ることが出来ない。またＣｏ量が２０％を超えると、硬さの低下が顕著となり、耐摩耗性が著しく低下する。このことより、Ｃｏ含有量は１〜２０重量％とした。好ましくは１〜１４重量％、更に好ましくは１〜１０重量％である。Ｃｒは、ＷＣの粒成長を抑制する効果を有し、結合相中に固溶してその強度を向上させる。更に耐食性の向上にも寄与する。Ｃｒ含有量が０．２％未満では目的の改善効果を得ることが出来ず、またＣｒの含有量が２％を超えると、少なくともＷとＣｒを含む炭化物相の粒径が粗大化し、靭性を著しく低下させるといった不都合が生じる。そこでＣｒ含有量を０．２〜２重量％とした。好ましくは０．３〜２重量％、更に好ましくは０．４から１．０重量％である。またＣｒは本願発明の好ましい形態の１つである、ＷとＣｒを含む炭化物の構成元素である。これらを構成することにより、靭性、耐摩耗性の改善に寄与するため好ましい。ＷＣの平均粒径は０．８μｍ以下とする。０．８μｍ以下の場合、工具切れ刃の耐チッピング性に優れ工具寿命も長く好都合である。しかし、０．８μｍを超えて大きい場合は、小径工具の切れ刃における耐チッピング性の劣化が顕著となり不都合である。従って、本願発明は、ＷＣの平均粒径を０．８μｍ以下に規定する。
第２に、本願発明の超硬合金部材の硬さはＨＲＡ９３．０以上とする。この理由は、高硬度材料の加工に対応可能だからである。優れた耐磨耗性を有する硬質皮膜被覆超硬合金部材を得ようとする場合には、部材が高硬度である必要があり、ＨＲＡ９３．０未満の場合には、硬質皮膜の種類、構成を種々変化させても、目標とする高硬度材料の加工に対応できない。好ましくはＨＲＡ９３．３以上、更に好ましくはＨＲＡ９３．６以上である。
【０００９】
第３に、硬質皮膜の組成は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜Ｘ＜０．７５、０≦ｙ＜０．２、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２、０≦γ＜０．２５、であるＡ層は、ｘの値が０．４５以下では、皮膜硬度並びに耐高温酸化特性の改善効果が十分ではなく、ｘの値が０．７５以上、ｙの値が０．２以上では、残留圧縮応力が過大になり、被覆直後に自己破壊を誘発する場合がある。また同時に六方晶が確認される場合もあり、強度が急激に低下する。非金属元素のαは、０．１２以上で皮膜の脆化が確認された。好ましいαの上限値としては０．０８である。硼素の添加は被加工物との耐溶着性と高温環境下における摩擦係数を低減させる効果があり好ましい。βは、０．２以上で皮膜の脆化が確認された。好ましいβの上限値は０．１６である。炭素の添加は硬質皮膜の硬度を高め、室温における摩擦係数の低減に効果的である。γは０．２５未満とする必要がある。γが０．２５以上では、皮膜硬度が著しく低下し、耐摩耗性に乏しくなる。好ましいγの値は、０．０２以上０．２０以下である。金属元素のＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉに対する非金属元素のＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏの比は、化学量論的に（Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏ）／（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）＞１．１がより好ましい。
【００１０】
第４に、本願発明の超硬合金部材の組成は、添加元素としてＷとＣｒを除く４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素から選択される１種以上の元素を含有することが好ましい。この理由は、４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素はＷＣの粒成長を抑制する効果をもつほか、結合相中に固溶して、超硬合金部材の強度向上に寄与するからである。この中でもＶが好適であり、該Ｖの含有量は重量％で、０．１％〜２％、であることが好ましい。超硬合金部材に含有されるＶは、ＷＣの粒成長抑制に最も効果の大きい元素であり、Ｖ添加によりＷＣの粒径を０．８μｍ以下とすることが可能となる。Ｖは、Ｗ、ＣｒとあわせてＷとＣｒを含む炭化物相の構成元素ともなり、これらを構成することにより、靭性、耐摩耗性の改善に寄与するものである。Ｖ含有量が０．１％未満では粒成長抑制作用を十分に発揮させることが困難となり、原料ＷＣ粉末の粒径を０．８μｍとしても、焼結時に粒成長することにより、焼結体中のＷＣ粒径が０．８μｍを超えてしまい、Ｖ含有量が２％を超えると、ＷとＣｒに加えＶを含む炭化物相の粒径が粗大化し、靭性を著しく低下させる。よってＶの含有量は０．１〜２重量％であることが好ましい。
第５に、本願発明の超硬合金部材は、ＷＣ相以外に少なくともＷとＣｒを含む炭化物相を有し、該炭化物相の面積比率Ｍが、０＜Ｍ＜０．５（％）であり、該炭化物相の平均粒径が０．８μｍ以下であることが好ましい。ＷＣ相以外に少なくともＷとＣｒを含む炭化物相有することにより硬度、耐摩耗性の向上及び靭性の向上が可能となる。Ｍ値が０．５％以上では炭化物相の量が多くなるため靭性が低下する。よって少なくともＷとＣｒを含む炭化物相のＭ値は０＜Ｍ＜０．５であることが好ましい。更に、少なくともＷとＣｒを含む炭化物相の粒径が０．８μｍを超えるとＷＣの粒径と同等又は大きくなるため、靭性の著しい低下を引き起こす。よって炭化物相の平均粒径は０．８μｍ以下であることが好ましい。またこれらの炭化物相は窒素を少量固溶した炭窒化物であっても良い。
【００１１】
第６に、硬質皮膜を構成するＢ層の元素組成は、（ＴｉａＳｉ１−ａ）（ＮｂＢ１−ｂ）、但し、０．５≦ａ＜１、０．５≦ｂ≦１からなり、該Ｂ層は相対的にＳｉに富む（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相と相対的にＳｉの少ない（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相とを有することが好ましい。この理由は、（ＴｉａＳｉ１−ａ）において、ａの値が０．５未満の場合、Ｓｉ含有量が多くなりすぎて、皮膜そのものの靭性が劣化し、乾式高速切削において皮膜の内部破壊や破壊にともなう皮膜の剥離が顕著となり、十分な性能を発揮できないためである。また、（ＮｘＢ１−ｘ）において、ｂの値が０．５未満の場合は、皮膜の硬度が著しく上昇し、残留圧縮応力が増大し、皮膜の密着性が劣化するため十分な切削性能を示さないためである。皮膜は、完全アモルファスの（ＴｉＳｉ）（ＢＮ）相が微細に存在し、この（ＴｉＳｉ）（ＢＮ）相のＳｉ含有量は、マトリックスとなる（ＴｉＳｉ）（ＢＮ）相より富む形態となることが好ましい。この理由は、完全アモルファスの（ＴｉＳｉ）（ＢＮ）相が微細に存在する場合、粒界が非常に整合した粒界となり、欠陥が少なく、酸素の粒界での拡散を著しく抑制し、非常に優れた耐酸化性を有するからである。同時に微細に介在することにより、マトリックスを歪強化し、硬度が向上し結果耐摩耗性を向上させるため好ましい。更に、硬質皮膜の積層構造は、硬さ、耐酸化性に優れる硬質皮膜のＡ層を（ＡｌＣｒＳｉ）（ＮＢＣＯ）とし、Ｂ層を（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）とし、併用することがより好ましい形態である。Ａ層は硬度がＨＶ３０００を持ち、１３００℃と非常に高い耐酸化性を有する。一方（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）膜は硬度がＨＶ３６００を有し、高硬度材の加工に有効となる。そしてＡ層とＢ層との多層構造にして両者を組み合わせることにより、各皮膜を単独で使用した場合に比べて高特性の皮膜とすることができる。
【００１２】
第７に、本願発明の硬質皮膜被覆超硬合金部材は、軟質金属材料、非鉄金属材料、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板、ＦＲＰ、ガラス、又は鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工をするための工具であることによって、工具の長寿命化に有効である。特に、ドリル、小径ドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切り工具、ガンドリル、リーマ及びタップに好適である。硬質皮膜被覆超硬合金部材は、ＨＲＣ５０以上の高硬度の被削材を加工する工具にも有効である。特にＨＲＣ５５以上の被削材を加工する場合である。ＨＲＣ６０以上の硬さの被削材を加工も可能である。エンドミル工具に用いることによって、長寿命化に効果的である。直径は２ｍｍ以下の小径工具としても有効である。
【実施例】
【００１３】
（実施例１）
原料粉末として、平均粒径が約０．６μｍのＷＣ粉末、同約１μｍのＣｏ、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣ、ＶＮの各原料粉末を所定の組成に配合し、成形バインダーを含んだアルコール中アトライターで１２時間混合した。その後スプレードライ法による造粒乾燥で得られた造粒粉末を、最終形状に近い形状にて１００ＭＰａの圧力でプレス成形して圧粉体とした。この圧粉体を１３５０から１４５０℃、１０Ｐａの真空雰囲気中で焼結し、焼結体とした。この焼結体を、Ａｒを圧力媒体として温度１３５０℃、圧力５０ＭＰａの条件によるＨＩＰ処理を施した。得られた焼結体は、切断面を鏡面研磨し、ＷＣの平均粒径およびＷとＣｒを含む炭化物相の面積率を測定し、さらにＨＲＡにて硬さを測定した。表１に配合組成とこれらの測定結果を示す。
【００１４】
【表１】
2006239792.tif 000002
【００１５】
次に、焼結体を加工して、φ４×５０ｍｍの丸棒とした後、φ１ｍｍ、Ｒ０．５ｍｍのボールエンドミルを作製した。このボールエンドミルをアークイオンプレーティング装置に設置し、各種合金製ターゲットを用いて被覆を行った。被覆条件は、基体温度が５５０℃、バイアス電圧が−１００Ｖ、反応圧力が３．０Ｐａの窒素ガス、酸素ガス、アセチレンガス中とした。皮膜の組成は（Ａｌ０．６Ｃｒ０．３６Ｓｉ０．０４）（Ｎ０．８Ｃ０．１Ｏ０．１）、膜厚は３μｍとした。続いて基体温度を６００℃、バイアス電圧を−１３０Ｖ、反応圧力を３．０Ｐａの条件に設定し、窒素ガス中にて（Ｔｉ０．９５Ｓｉ０．０５）Ｎ膜を２μｍ被覆した。このボールエンドミルを用いて下記の条件にて切削試験を実施した。評価は５０ｍ切削後の刃先の摩耗量で評価した。結果を併せて表１に示す。
（切削条件）
被削材：ＳＫＤ１１、硬さＨＲＣ６０
回転数：２００００回転／分
送り速度：５００ｍｍ／分
切込み量：軸方向、０．０５ｍｍ、径方向、０．０５ｍｍ
切削油：無し、ドライ切削
表１より、本発明例１から８はＨＲＡ９３．０以上の高硬度材が得られた。被覆したボールエンドミルはいずれも５０ｍ切削後の摩耗量が０．１ｍｍ以下と非常に小さい値であり、耐摩耗性に優れていた。特に、ＨＲＡ９３．８以上の高硬度材であった本発明例１、２、４の摩耗量は、０．０５以下、中でもＨＲＡ９４．０以上の本発明例１、２の摩耗量は、０．０２ｍｍと最も優れていた。一方、ＨＲＡ９３．０未満の比較例９、１０は摩耗量が０．１５ｍｍ以上と非常に大きい値であった。このことから、本発明の超硬合金部材が耐摩耗性の改善に有効であることが明らかである。
【００１６】
（実施例２）
実施例１で作成した本発明例４の高硬度材を用い、φ４×５０ｍｍの丸棒からφ２．０ｍｍ、Ｒ１ｍｍのボールエンドミルを作製した。このボールエンドミルをアークイオンプレーティング装置内に設置し、各種合金製ターゲットを用いて被覆を行った。被覆条件は、基体温度が５００〜６００℃、バイアス電圧が−１００Ｖ〜−１５０Ｖ、反応圧力が１．５〜３．０Ｐａの窒素ガス、酸素ガス、アセチレンガスのうち必要に応じたガス中とした。被覆した皮膜組成と膜厚を表２に示す。このボールエンドミルを用いて下記の条件にて切削試験を実施した。評価は切削後の刃先の逃げ面摩耗量が０．１ｍｍになるまでの切削可能距離で評価した。結果を表２に示す。
【００１７】
【表２】
2006239792.tif 000003
【００１８】
（切削試験条件）
被削材：ＳＫＤ１１、硬さＨＲＣ５７
回転数：１６０００回転／分
送り速度：１６００ｍｍ／分
切込み量：軸方向、０．０６ｍｍ、径方向、０．０６ｍｍ
切削油：無し、ドライ切削
表２より、本発明例１１から１５のボールエンドミルは、切削可能距離がいずれも３００ｍ以上となり、十分満足の出来る切削距離が得られた。一方、比較例１６から２１の硬質皮膜の構成では、ボールエンドミルの切削距離はいずれも２００ｍ未満であった。これは本発明例に比べて著しく切削距離が短い結果である。今回の評価に用いたボールエンドミル材料は同じであることから、切削距離の差は、硬質皮膜の構成の差によるものである。