(57)【要約】【課題】鋼や鋳鉄の切削加工において、すぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具を提供する。【解決手段】少なくとも粒度０．１〜１μｍの微粒ＷＣと粒度３〜１０μｍの粗粒ＷＣとを含有する硬質相と、Ｃｏを主体とする結合相からなるＷＣ基超硬合金を母材とし、その表面に３〜２０μｍの平均層厚の硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、上記母材の各断面における微粒ＷＣと粗粒ＷＣの分布割合を求めた場合、母材の表面部では、０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０を満足し、一方、母材の内部側では、０．２５＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜１．０を満足する粒度分布とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも粒度０．１〜１μｍの微粒ＷＣと粒度３〜１０μｍの粗粒ＷＣとを含有する硬質相と、Ｃｏを主体とする結合相からなるＷＣ基超硬合金を母材とし、その表面に３〜２０μｍの平均層厚の硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、
電界放出型走査電子顕微鏡により、上記母材の各断面における上記微粒ＷＣと上記粗粒ＷＣの分布割合を求めた場合、
上記母材の表面部では、
０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０を満足し、
かつ、上記母材の内部側では、
０．２５＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜１．０を満足する焼結組織を有することを特徴とする表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項２】
硬質相として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂのうちから選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項３】
硬質被覆層がＴｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、または、Ａｌ２Ｏ３層の単層、または、上記Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層との複層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素鋼や合金鋼などの切削加工を、切刃に高負荷が作用する高速ミーリング条件で行った場合であっても、すぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼や鋳鉄の切削工具としては、超硬合金製工具基体に硬質被覆層を形成した表面被覆超硬合金製インサートが広く知られており、例えば、特許文献１に示されるように、硬質相としてＷＣ結晶、結合相として４〜１０重量％のＣｏを含むＷＣ基超硬合金の表面に、Ｔｉ、Ｚｒ及び／又はＨｆの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物又はホウ窒化物の単層又は複層と、Ｔｉ、Ｚｒ又はＨｆの酸化物若しくはＡｌ２Ｏ３の単層又は複層からなる被覆層を形成した被覆超硬工具において、ＷＣ結晶を単一粒度ではなく、微粒子群と粗粒子群の２種類を混合したものとし、ＷＣ基超硬合金の任意の断面組織上の面積比率で、硬質相のＷＣ結晶の８０％以上を占める粒度０１〜１μｍの微粒子Ａと粒度３〜１０μｍの粗粒子Ｂとの面積比率Ａ／Ｂを、０２２〜０４５と定めることにより、超硬合金の強度と靭性を同時に向上させることができ、しかもこの超硬合金を基体としてコーティングを施した被覆超硬工具では、疲労亀裂の進展が抑制され、一般鋼や難削材に対して優れた切削性能が得られることが知られている。
さらに、ＷＣ基超硬合金の成分として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａの炭化物及び／又はそれらの固溶体を含有することによって、超硬合金の強度、高温硬度及び耐クレーター摩耗性が向上することも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２５２５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬工具では、これを、通常条件の旋削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、例えば、刃先に連続的に負荷が加わり、切削時の熱サイクルによる熱疲労が発生しやすい高速ミーリング加工に用いた場合には、母材の靭性の不足、クラックの発生・進展によって、欠損が生じやすく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
したがって、高速ミーリング加工に用いた場合に、耐欠損性に優れ長寿命の被覆超硬工具の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、上記の課題に応えるため、炭素鋼や合金鋼の高速ミーリング加工において、すぐれた耐欠損性を発揮する被覆超硬工具について鋭意研究したところ、特に、ＷＣ基超硬合金からなる母材の硬質成分であるＷＣの粒度分布について以下の知見を得た。
【０００６】
すなわち、上記従来の被覆超硬工具では、ＷＣ基超硬合金の硬質相成分である微粒ＷＣと粗粒ＷＣの２種類を混合し、母材全体にわたりその混合比率を０２２〜０４５と定めているところ、このようなＷＣ粒度分布を有する母材では、母材内部のクラックの伝播抑制効果はすぐれるものの、母材表面部における靭性が低く、耐チッピング性が十分でないため、被覆超硬工具の耐欠損性を高めるためには、母材表面部の耐チッピング性を改善する必要があることを見出した。
そこで、本発明者らはさらに研究を進めたところ、母材の表面部においてのみ、微粒ＷＣの分布割合を低下させ、粗粒ＷＣの分布割合をさらに高めることにより、切刃を含む母材の表面部の靭性向上、耐熱塑性変形性の向上を図ることができ、その結果、母材の表面部の耐チッピング性、耐摩耗性を改善し得ることを見出したのである。
そして、母材の表面部において、粗粒ＷＣの分布割合が相対的に高いＷＣ基超硬合金母材を得るためには、ＷＣ基超硬合金を焼結後、室温にまで冷却する際に、所定の温度範囲内での加熱・冷却処理を繰り返し施すことによって、表面部においてのみＷＣ粒の成長促進を図ることができ、その結果として、粗粒ＷＣの分布割合が相対的に高い、即ち、０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０を満足する粒度分布を備える母材表面部を形成できることを見出したのである。
【０００７】
そして、母材の表面部における粗粒ＷＣの分布割合が相対的に高い上記ＷＣ基超硬合金を母材とする本発明の被覆超硬工具は、刃先に連続的に負荷が加わり、切削時の熱サイクルによる熱疲労が発生しやすい炭素鋼や合金鋼の高速ミーリング加工に用いた場合にも、偏摩耗を発生することなく、かつ、すぐれた耐チッピング性を示し、長期の使用に亘って、すぐれた耐欠損性、耐摩耗性を発揮するのである。
【０００８】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）  少なくとも粒度０．１〜１μｍの微粒ＷＣと粒度３〜１０μｍの粗粒ＷＣとを含有する硬質相と、Ｃｏを主体とする結合相からなるＷＣ基超硬合金を母材とし、その表面に３〜２０μｍの平均層厚の硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、
電界放出型走査電子顕微鏡により、上記母材の各断面における上記微粒ＷＣと上記粗粒ＷＣの分布割合を求めた場合、
上記母材の表面部では、
０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０を満足し、
かつ、上記母材の内部側では、
０．２５＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜１．０を満足する焼結組織を有することを特徴とする表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
（２）  硬質相として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂのうちから選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
（３）  硬質被覆層がＴｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１種または２種以上からなるＴｉ化合物層、または、Ａｌ２Ｏ３層の単層、または、上記Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層との複層からなることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
【０００９】
本発明の構成について、以下に説明する。
【００１０】
ＷＣ基超硬合金母材の製造：
本発明の被覆超硬工具の超硬合金母材は、例えば、以下の焼結によって製造することができる。
まず、平均粒径１μｍの微粒ＷＣ粉末と、平均粒径５μｍの粗粒ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、その他Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの炭化物、窒化物、炭窒化物粉末等を用意し、所定の配合組成に配合し、ボールミルで混合したのち圧粉体にプレス成形した後、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３８０〜１４５０℃の温度に１時間保持して真空焼結する。
次いで、同じく５Ｐａの真空雰囲気にて、５℃／分の冷却速度で１２８０℃まで冷却し、この温度に３０分間保持した後、再び、５℃／分の昇温速度で１３７０℃まで昇温し、この温度に５分間保持する。
上記の所定冷却速度による１２８０℃までの冷却と所定時間保持、及び、所定昇温速度による１３７０℃までの昇温と所定時間保持の加熱・冷却処理を、図１に示すように複数サイクル（例えば、５〜１０サイクル）繰り返し施すことによって、図２に示すように、母材表面部において粗粒ＷＣの分布割合が相対的に高い粒度分布を有する焼結体組織、即ち、母材の表面部の断面を電界放出型走査電子顕微鏡で測定した際に、
０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０
を満足する微粒ＷＣと粗粒ＷＣの粒度分布を備え、
一方、母材の内部側の断面を電界放出型走査電子顕微鏡で測定した場合、
０．２５＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜１．０
を満足する粒度分布（表面部に比して、微粒ＷＣの分布割合が相対的に高い）を有する焼結体組織のＷＣ基超硬合金母材を作製する。
ここで、微粒ＷＣとは粒度０．１〜１μｍのＷＣ粒であり、また、粗粒ＷＣとは粒度３〜１０μｍのＷＣ粒をいう。
【００１１】
なお、この発明でいう母材の“表面部”とは、母材の縦直角断面において、すくい面および逃げ面表面からの距離（深さ）が５０μｍ以内の領域をいう。
【００１２】
加熱・冷却処理：
焼結後に複数回繰り返し行う加熱・冷却処理においては、母材表層部を液相出現温度（ＷＣ基超硬合金の成分組成によるが、概ね１３６０℃以上で液相出現）以上の温度に短時間加熱し、母材表層部のみに液相を出現させることにより、母材内部側のＷＣ粒の粒成長には影響を与えず、一方、表面部におけるＷＣ粒についてはその成長を促し、その結果として、母材表面部において粗粒ＷＣの分布割合が相対的に高い粒度分布を有する焼結体組織を形成する。
加熱温度が、液相出現温度を大きく超える場合、あるいは、加熱保持時間が１５分を超える場合には、母材表層部のみではなく母材全体が加熱され、かつ、母材全体に液相が形成され、母材内部側でのＷＣ粒成長が生じ、硬さが低下し、一方、加熱温度が液相出現温度より低い場合、あるいは、加熱保持時間が５分未満の場合には、母材表層部のＷＣの粒成長が生じず、あるいは、粒成長促進効果が少なく、耐チッピング性の改善が不十分となることから、加熱温度、加熱保持時間は、それぞれ、１３２０〜１３７０℃、５〜１５分間とすることが望ましい。
また、冷却温度が液相出現温度からそれほど低くない場合、あるいは、冷却保持時間が２０分より短い場合には、加熱によって生じた母材内部側でのＷＣ粒成長が継続進行し、一方、冷却温度が低い場合、あるいは、冷却保持時間が６０分より長い場合には、加熱・冷却の処理サイクルに時間を要し、処理の効率化を妨げることとなるので、冷却温度、冷却保持時間は、それぞれ、１２５０〜１２８０℃、２０〜６０分間とすることが望ましい。
さらに、加熱・冷却処理における昇温速度が１０℃／分を超えるような場合、あるいは、冷却速度が１０℃／分を超えるような場合には、急熱、急冷による母材内の歪発生、クラック発生によって健全な母材を得ることができず、一方、昇温速度、冷却速度が２℃／分を下回るような場合には、処理効率の低下となるので、昇温速度、冷却速度は、それぞれ、２〜１０℃／分、２〜１０℃／分とすることが望ましい。
また、母材の内部側のＷＣ粒の粒成長には影響を与えない状態で、表面部におけるＷＣ粒についてのみ成長を促進するためには、上記加熱・冷却の処理サイクルは、５〜１０回繰り返し行うことが望ましい。
【００１３】
上記加熱・冷却の処理を複数回繰り返し行うことによって、
母材表面部では、
０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０を満足し、
一方、母材の内部側では、
０．２５＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜１．０を満足する微粒ＷＣと粗粒ＷＣの粒度分布を備えたＷＣ基超硬合金母材が形成される。
母材表面部における上記（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）の値が０．１以上である場合には、母材表面部における硬さの低下が望めず、靭性の向上効果、耐熱塑性変形性の向上効果も小さいが、母材表面部における上記（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）の値が０．１未満であれば、母材内部側に比して硬さが低く抑えられすぐれた靭性を備え、かつ、すぐれた耐熱塑性変形性を備えるようになることから、高負荷がかかり、かつ、熱衝撃を受ける高速ミーリング加工において優れた耐チッピング性を発揮する。
また、母材表面部に比して、微粒ＷＣの占める面積割合が相対的に高い母材内部側においては、母材内部のクラック伝播が抑制されるため、高速ミーリング加工において、母材内部をクラックが進展することにより発生する欠損が抑制されるが、上記（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）の値が０．２５以下では母材内部のクラック伝播抑制効果が少なく、一方、上記（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）の値が１．０以上になると、母材内部の靭性が低下しクラック伝播抑制効果の低下が生じることから、母材内部側における上記（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）の値は、０．２５を超え１．０未満の範囲内とする。
【００１４】
硬質被覆層の形成：
上記加熱・冷却処理を施し、母材の表面部のＷＣ粒のみを成長させたＷＣ基超硬合金母材を室温まで冷却し、切刃部にホーニング加工を施して所定形状の工具基体を作製した後、通常の蒸着法（例えば、ＣＶＤ法等）により、硬質被覆層を蒸着形成し、本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具（被覆超硬工具）を製造する。
ここで、硬質被覆層としては、例えば、Ｔｉ化合物層の単層、または、Ａｌ２Ｏ３層の単層、または、Ｔｉ化合物層とＡｌ２Ｏ３層との複層等からなる硬質被覆層を３〜２０μｍの平均層厚で蒸着形成すればよい。
なお、Ｔｉ化合物層とは、当業者に広く知られているように、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１層または２層以上からなる層をいう。
硬質被覆層の平均層厚が３μｍ未満では、長期の使用にわたって、耐摩耗性を発揮することができず、一方、その平均層厚が２０μｍを超えると、チッピング、欠損が発生しやすくなるので、硬質被覆層の平均層厚は３〜２０μｍと定めた。
【００１５】
本発明の被覆超硬工具は、硬質相成分として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂのうちから選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することができる。
これらの硬質相成分の含有は、母材強度、高温硬度、耐摩耗性の向上に効果があるが、多量に含有した場合には、強度低下を招く恐れがあるので、これらの成分の合計含有量は５重量％以下が望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具によれば、表面部が靭性と耐熱塑性変形性を相兼ね備えることにより、表面部に機械的、熱的な高負荷が作用する炭素鋼や合金鋼等の高速ミーリング加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性を発揮し、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の加熱・冷却処理における熱サイクルの概略説明図である。
【図２】本発明のＷＣ基超硬合金母材のＷＣ粒の粒度分布を示し、（ａ）は、母材の表面部の微粒ＷＣと粗粒ＷＣの分布状態を、（ｂ）は、母材の内部側の微粒ＷＣと粗粒ＷＣの分布状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の表面被覆超硬合金製切削工具（被覆超硬工具）について、実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００１９】
原料粉末として、表１に示すような所定粒径の微粒ＷＣ粉末、所定粒径の粗粒ＷＣ粉末と、Ｃｏ粉末、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末を表１に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミルで湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形した。
このプレス成形により得た圧粉体を、表２に示す焼結条件で焼結し、本発明のＷＣ基超硬合金母材１〜１０を製造した。
これらのＷＣ基超硬合金母材から研削にて、ＩＳＯ・ＳＮＭＮ１２０４１２（ホーニング量０．０７ｍｍ）に規定されるインサート形状およびホーニング量に加工し、本発明の超硬基体１〜１０を製造した。
【００２０】
さらに、上記本発明の超硬基体１〜１０の表面に、各種の硬質被覆層を形成し、表３に示す本発明の被覆超硬工具１〜１０以下、実施例１〜１０というを製造した。
実施例１〜１０の被覆超硬工具について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、それぞれの母材表面部および母材内部側のＷＣ粒度分布を測定した。
これらの測定結果を、表３に示す。
【００２１】
【表１】
2011177830.tif 000003
【００２２】
【表２】
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【００２３】
【表３】
2011177830.tif 000005
【００２４】
比較のため、原料粉末として、表４に示す所定粒径のＷＣ粉末と、Ｃｏ粉末、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末を表４に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミルで湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、表５に示す焼結条件で焼結し、比較例のＷＣ基超硬合金母材１〜１０を製造した。
これらのＷＣ基超硬合金母材から研削にて、ＩＳＯ・ＳＮＭＮ１２０４１２（ホーニング量０．０７ｍｍ）に規定されるインサート形状およびホーニング量に加工し、比較例の超硬基体１〜１０を製造した。
【００２５】
さらに、上記比較例の超硬基体１〜１０の表面に、各種の硬質被覆層を形成し、表６に示す比較例の被覆超硬工具１〜１０以下、比較例１〜１０というを製造した。
比較例１〜１０の被覆超硬工具について、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、それぞれの母材表面部および母材内部側のＷＣ粒度分布を測定した。
これらの測定結果を、表６に示す。
【００２６】
【表４】
2011177830.tif 000006
【００２７】
【表５】
2011177830.tif 000007
【００２８】
【表６】
2011177830.tif 000008
【００２９】
つぎに、上記の実施例１〜１０および比較例１〜１０について、次の切削条件Ａ、Ｂにより、ミーリング加工試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：    ＪＩＳ・Ｓ５０Ｃのブロック材                              
切削速度：  ２００  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ３．０  ｍｍ、
一刃送り量：０．３０  ｍｍ／刃、
切削時間：  ５  分、
の条件での炭素鋼の湿式高速ミーリング切削試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
[切削条件Ｂ]
被削材：    ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０のブロック材                              
切削速度：  １８０  ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．０  ｍｍ、
一刃送り量：０．３５  ｍｍ／刃、
切削時間：  ５  分、
の条件での合金鋼の湿式高速ミーリング切削試験（通常の切削速度は、１３０ｍ／ｍｉｎ）、
そして、上記の各切削試験Ａ、Ｂにおける切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表７に示した。
【００３０】
【表７】
2011177830.tif 000009
【００３１】
表３，６，７の結果からみて、本発明の被覆超硬工具においては、特に、母材の表面部では、０＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜０．１０を満足し、かつ、母材の内部側では、０．２５＜（微粒ＷＣの占める面積／粗粒ＷＣの占める面積）＜１．０を満足するＷＣ粒度分布を有する焼結組織が形成されていることによって、切刃に対して機械的、熱的高負荷が作用する高速ミーリング加工において、被覆超硬工具の表面部はすぐれた耐チッピング性、耐熱塑性変形性を示し、一方、被覆超硬工具の内部側はすぐれたクラック伝播抑制作用を備えることから、長期の使用にわたってすぐれた耐欠損性を発揮することができるのに対して、比較例の被覆超硬工具では、チッピングの発生あるいは耐摩耗性の劣化によって、短時間で寿命に至ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、高速ミーリング加工に用いられた場合、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を維持することができるばかりでなく、工具寿命の延命化も図られ、さらに、本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が求められる各種被削材の切削工具として用いることが可能であり、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図１】
2011177830.tif 000010
【図２】
2011177830.tif 000011