(57)【要約】【課題】タングステン使用量を削減し、かつ、耐剥離性、耐熱亀裂性にすぐれたＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金からなる複合焼結体切削工具を提供する。【解決手段】ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金との複合焼結体切削工具であって、切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面はＷＣ基超硬合金層（好ましくは、複合焼結体切削工具の厚さの０．０３〜０．３倍の厚さ）で構成し、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面からＷＣ基超硬合金層側に、平均層厚が５〜２００μｍの界面層が形成され、該界面層は、５〜５０面積％を占めるＷＣ粒子と、５０〜９５面積％を占める混合相で構成され、該混合相中に存在するＷとＭｏの合計含有量は、混合相中に存在するＣｏとＮｉの合計含有量の０．８〜１．２倍（但し、原子比）であり、前記ＴｉＣＮ基サーメットは、１層または２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成されている複合焼結体切削工具。【選択図】  図１
2019042830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金との複合焼結体からなる複合焼結体切削工具において、
（ａ）前記複合焼結体切削工具の切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面は、ＷＣ基超硬合金層で構成され、
（ｂ）前記ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面から前記ＷＣ基超硬合金層側には、平均層厚が５〜２００μｍの界面層が形成され、
（ｃ）前記界面層は、５〜５０面積％を占めるＷＣ粒子と、５０〜９５面積％を占める混合相で構成され、
（ｄ）前記混合相中に存在するＷとＭｏの合計含有量は、前記混合相中に存在するＣｏとＮｉの合計含有量の０．８〜１．２倍（但し、原子比）であることを特徴とする複合焼結体切削工具。
【請求項２】
前記複合焼結体切削工具の切れ刃を含むすくい面の少なくとも一部は、結合相成分としての鉄族金属成分を４〜１７質量％および硬質相成分としてのＷＣを少なくとも含有するＷＣ基超硬合金層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合焼結体切削工具。
【請求項３】
前記ＷＣ基超硬合金層の厚さは、前記複合焼結体切削工具の厚さの０．０３〜０．３倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の複合焼結体切削工具。
【請求項４】
前記ＴｉＣＮ基サーメットは、２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、前記ＷＣ基超硬合金層の界面層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層は、該サーメットの構成成分の含有割合を金属成分の含有割合で表現した場合、少なくとも鉄族金属成分を４〜２５質量％、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％を含有し、かつ、鉄族金属成分であるＣｏとＮｉについて、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有量は０．５〜０．８倍（但し、原子比）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合焼結体切削工具。
【請求項５】
前記複合焼結体切削工具の少なくとも切れ刃を含むＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の複合焼結体切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合焼結体からなる切削工具に関し、特に、希少金属であるタングステンの使用量の削減を図るとともに、タングステン使用量を削減して複合焼結体におけるＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くした場合であっても、切れ刃に熱的・機械的高負荷が作用する湿式断続切削加工において、ＷＣ基超硬合金層の剥離発生、熱亀裂発生を抑制することが可能であり、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する複合焼結体切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼や鋳鉄の切削加工用工具としては、ＷＣ基超硬合金が広く利用されているが、希少金属であるタングステンの使用量を削減し所望の切削性能を得るために、従来から各種の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超硬合金層と、ＷＣ及びＷを合計で１５〜６５質量％以下含み、結合相中の鉄族金属の８０質量％以上がＣｏであるサーメット層とを積層した基材からなる切削工具において、基材は、積層方向における最大厚さをｈ１、切刃部分の超硬合金層の積層方向における最大厚さをｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１を０．００２〜０．０２とすることによって、耐衝撃性と仕上げ面光沢を改善した複合焼結体切削工具が提案されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金との複合焼結体からなる複合焼結体切削工具において、切削工具の切れ刃を含むすくい面は、鉄族金属成分を４〜１７質量％、残部はＷＣを主たる硬質相成分とするＷＣ基超硬合金で構成し、ＷＣ基超硬合金の厚さは、複合焼結体の厚さの０．０５〜０．３倍とし、切削工具の母体であるＴｉＣＮ基サーメットは、該サーメットの構成成分の含有割合を金属成分の含有割合で表現した場合、鉄族金属成分を４〜２５質量％、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％を含有し、かつ、鉄族金属成分であるＣｏとＮｉについて、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有割合は０．５〜０．８（但し、質量比）を満足するようにした複合焼結体切削工具が提案されている。
そして、この切削工具によれば、希少金属であるタングステンの使用量の低減を図り得るとともに、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削に用いた場合に、クラックの伝播・進展抑制作用を向上させ、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷発生を抑制し得るとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１８５０３２号公報
【特許文献２】特開２０１６−６８１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に示す複合焼結体切削工具においては、サーメット中に、１５質量％以上のＷ，ＷＣが必要とされるため、タングステン使用量の削減は不十分であり、また、このような切削工具を湿式断続切削加工に用いた場合には、強度、靭性が不十分であるばかりか耐剥離性、耐熱亀裂性も十分でないため、チッピング、欠損等の異常損傷を破損し易いという問題があった。
【０００７】
また、上記特許文献２に示すＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットからなる複合焼結体切削工具においては、ある程度までタングステン使用量の削減を図ることができるが、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くした場合には、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面には、熱膨張係数の差に基づく応力集中が生じ、界面剥離が発生しやすくなるため、フライス切削等に用いた場合には、界面剥離の発生等を原因としたチッピング、欠損、剥離等の異常損傷が発生する恐れがある。
したがって、切れ刃により一段と熱的、機械的な高負荷が作用する切削加工における信頼性は満足できるものであるとはいえなかった。
【０００８】
そこで、本発明では、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合焼結体切削工具において、希少金属であるタングステンの使用量の低減を図るとともに、ＷＣ基超硬合金層を薄層化した場合であっても、ＷＣ基超硬合金層の剥離発生を抑制することができ、しかも、切れ刃に熱的、機械的な高負荷が作用する湿式断続切削に用いた場合でも、剥離、熱亀裂の発生を抑制し、チッピング、欠損、剥離等の耐異常損傷性にすぐれた複合焼結体切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記の観点から、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合焼結体からなる複合焼結体切削工具において、タングステン使用量の低減を図るとともに、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面における剥離発生を抑制し得る切削工具について鋭意検討したところ、次のような知見を得た。
【００１０】
本発明者らは、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットとを焼結することにより複合焼結体を作製する際に、焼結工程の冷却時に、複合焼結体を特定の温度範囲で特定の時間保持する熱処理工程を付加することにより、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面のＷＣ基超硬合金層側に、特定の界面層を形成した場合、この界面層の存在によって、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面の接合強度が高められるため、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くしても、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面における剥離発生を抑制し得ることを、まず、見出したのである。
【００１１】
また、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットとを焼結した際には、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの接する界面には、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの焼結時の熱膨張率差で応力集中が生じ、これがＷＣ基超硬合金層の剥離発生の原因の一つであったが、本発明者らは、ＴｉＣＮ基サーメットとして、成分組成の調整により熱膨張率を異ならしめた２層以上からなるＴｉＣＮ基サーメットを用い、かつ、ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットとして、ＷＣ基超硬合金の熱膨張率に近いＴｉＣＮ基サーメットを配置することにより、前記ＷＣ基超硬合金層に形成した接合強度の高い前記界面層を介して、前記薄層化したＷＣ基超硬合金層に、より大きな圧縮応力を付加することが可能となるため、ＷＣ基超硬合金層の剥離抑制効果に加え、熱的な高負荷に起因する熱亀裂の発生をも抑制し得ることを見出したのである。
【００１２】
つまり、前記複合焼結体からなる切削工具においては、接合強度の高い界面層の存在によって、希少金属であるタングステンの使用量を低減し、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くすることができるとともに、ＷＣ基超硬合金層を薄層化した場合であっても、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面における剥離発生を防止し得ること、さらに、ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットの成分組成を調整することによって、ＷＣ基超硬合金層により一段と大きな圧縮応力を付与することが可能となるため、切れ刃に断続的・衝撃的な機械的高負荷および加熱冷却の熱サイクルによる熱的高負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削においても、剥離発生、熱亀裂発生等に起因する異常損傷を招くことなく、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金との複合焼結体からなる複合焼結体切削工具において、
（ａ）前記複合焼結体切削工具の切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面は、ＷＣ基超硬合金層で構成され、
（ｂ）前記ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面から前記ＷＣ基超硬合金層側には、平均層厚が５〜２００μｍの界面層が形成され、
（ｃ）前記界面層は、５〜５０面積％を占めるＷＣ粒子と、５０〜９５面積％を占める混合相で構成され、
（ｄ）前記混合相中に存在するＷとＭｏの合計含有量は、前記混合相中に存在するＣｏとＮｉの合計含有量の０．８〜１．２倍（但し、原子比）であることを特徴とする複合焼結体切削工具。
（２）  前記複合焼結体切削工具の切れ刃を含むすくい面の少なくとも一部は、結合相成分としての鉄族金属成分を４〜１７質量％および硬質相成分としてのＷＣを少なくとも含有するＷＣ基超硬合金層で構成されていることを特徴とする（１）に記載の複合焼結体切削工具。
（３）前記ＷＣ基超硬合金層の厚さは、前記複合焼結体切削工具の厚さの０．０３〜０．３倍であることを特徴とする（１）または（２）に記載の複合焼結体切削工具。
（４）前記ＴｉＣＮ基サーメットは、２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、前記ＷＣ基超硬合金層の界面層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層は、該サーメットの構成成分の含有割合を金属成分の含有割合で表現した場合、少なくとも鉄族金属成分を４〜２５質量％、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％を含有し、かつ、鉄族金属成分であるＣｏとＮｉについて、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有量は０．５〜０．８倍（但し、原子比）であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の複合焼結体切削工具。
（５）前記複合焼結体切削工具の少なくとも切れ刃を含むＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆層が形成されていることを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の複合焼結体切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１４】
以下、本発明について、図面とともに詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の複合焼結体切削工具の概略縦断面模式図を示し、（ａ）は、本発明の複合焼結体切削工具の一つの例を示し、また、（ｂ）は、ＴｉＣＮ基サーメットが複数層（２層）で構成されている本発明の複合焼結体切削工具の他の例を示す。
図２は、ＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆層が設けられた本発明の複合焼結体切削工具の概略縦断面模式図を示し、（ａ）は、図１（ａ）に示す複合焼結体切削工具において、そのＷＣ基超硬合金層の表面に硬質被覆層が設けられた複合焼結体切削工具を示し、（ｂ）は、図１（ｂ）に示す複合焼結体切削工具において、そのＷＣ基超硬合金層の表面に硬質被覆層が設けられた複合焼結体切削工具を示す。
図３（ａ）は、本発明の複合焼結体切削工具の縦断面ＳＥＭ像の一例を示し、（ｂ）はその部分拡大図を示す。
【００１６】
本発明の複合焼結体切削工具は、図１、図２に示すように、切削工具全体をＷＣ基超硬合金で構成するのではなく、ＴｉＣＮ基サーメットを母体とし、切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面、例えば、すくい面に、ＷＣ基超硬合金層を設けた構造となっている。
また、図２（ａ）、（ｂ）として示すように、本発明では、例えば、切削工具のすくい面に設けられたＷＣ基超硬合金層の表面に、物理蒸着、化学蒸着等によって、硬質被覆層を蒸着形成することによって、表面に硬質被覆層が設けられた複合焼結体切削工具とすることもできる。
【００１７】
本発明の複合焼結体切削工具は、大略、以下の製造方法によって作製することができる。
まず、所定組成のＴｉＣＮ基サーメット粉末と、同じく所定組成のＷＣ基超硬合金粉末を用意し、これらの粉末をプレスすることで、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金が積層された複合成形体を作製し、ついで、この複合成形体を、例えば、０．１ｋＰａの窒素雰囲気中にて、１４００℃〜１４４０℃の焼結温度で１ｈｒ〜１．５ｈｒ焼結する。
ついで、焼結後の冷却過程において、１３３０℃〜１３７０℃の温度範囲で０．８ｈｒ〜１．５ｈｒ保持する熱処理を施した後、室温まで冷却することによって複合焼結体を作製する。
このような焼結を行うことによって、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面であって、かつ、該界面からＷＣ基超硬合金層側にし、後記する界面層が形成される。
ついで、得られた複合焼結体を所定の形状に加工することにより本発明の複合焼結体切削工具を作製することができる。
また、前記複合成形体の作製に際し、ＴｉＣＮ基サーメットを２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層で構成し、かつ、ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットとして、成分組成を調整することにより熱膨張率をＷＣ基超硬合金のそれに近づけたＴｉＣＮ基サーメットを配置して焼結することにより、前記ＷＣ基超硬合金層側に形成した接合強度の高い前記界面層を介して、前記ＷＣ基超硬合金層に、大きな圧縮応力を付加した本発明の複合焼結体切削工具を作製することができる。
さらに、前記で作製した本発明の複合焼結体切削工具のＷＣ基超硬合金層の表面に、物理蒸着法、化学蒸着法等により、Ｔｉ化合物層、ＴｉとＡｌの複合窒化物層、Ａｌ２Ｏ３層等の硬質被覆層を単層でまたは複数層の積層皮膜として蒸着形成することによって、ＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆層を形成した本発明の複合焼結体切削工具を製造することができる。
【００１８】
ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面に形成される界面層：
本発明の複合焼結体切削工具の作製にあたり、前述のとおり、複合成形体をその焼結工程において、１４００℃〜１４４０℃の焼結温度で１ｈｒ〜１．５ｈｒ焼結した後、その冷却過程において、１３３０℃〜１３７０℃の温度範囲で０．８ｈｒ〜１．５ｈｒ保持する熱処理を施すことによって、本発明の特徴の一つである界面層が、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの界面からＷＣ基超硬合金層側に５〜２００μｍの平均層厚で形成される。
そして、この界面層を形成することによって、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの接合強度を高めることができるため、希少金属であるタングステンの使用量を低減し、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くした場合であっても、切れ刃に断続的・衝撃的な機械的高負荷および熱的な高負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削加工において、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面における剥離発生が抑制される。
【００１９】
また、前記複合焼結体切削工具の作製にあたり、ＴｉＣＮ基サーメットを２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層で構成し、かつ、ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットとして、ＷＣ基超硬合金の熱膨張率に近いＴｉＣＮ基サーメットを配置して焼結した本発明の複合焼結体切削工具においては、界面層の形成によって大きな接合強度が確保されるため、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くした場合であっても、ＷＣ基超硬合金層に大きな圧縮応力を付与することが可能となる。
その結果、切れ刃に断続的・衝撃的な機械的高負荷および熱的な高負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削加工に供した場合でも、界面層の有する大きな接合強度によってＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面における剥離発生が抑制されるとともに、ＷＣ基超硬合金層が有する大きな圧縮応力によって、加熱冷却の熱サイクルに起因する熱亀裂の発生も防止されるため、剥離発生、熱亀裂発生を原因とする異常損傷の発生を招くこともなく、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能が発揮される。
【００２０】
前記複合焼結体切削工具において形成される界面層は、その縦断面を観察した場合に、５〜５０面積％を占めるＷＣ粒子と、５０〜９５面積％を占める混合相から構成されるが、ＷＣ粒子の面積率が５面積％未満の場合あるいは混合相の面積率が９５面積％を超える場合には、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットに比し界面層の硬度が著しく低くなり、その結果、切削中に界面層が変形、破断する可能性が高くなり、一方、ＷＣ粒子の面積率が５０面積％を超える場合あるいは混合相の面積率が５０面積％未満の場合には、界面層の熱膨張係数がＷＣ基超硬合金に近くなることから、ＴｉＣＮ基サーメットとの界面において応力集中が発生し、破断を生じやすくなることから、界面層を構成するというＷＣ粒子の面積率は５〜５０面積％また混合相の面積率は５０〜９５面積％とする。
【００２１】
また、前記混合相は、該相を構成する成分元素として、少なくとも、ＷとＭｏとＣｏとＮｉを含有するが、混合相中に存在するＷとＭｏの合計量は、前記混合相中に存在するＣｏとＮｉの合計量の０．８〜１．２倍、即ち、原子比で、０．８≦（Ｗ＋Ｍｏ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦１．２とする。
これは、（Ｗ＋Ｍｏ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値が０．８未満では、界面層中に異相としてグラファイト相が出現し、界面層が大きく脆化するためであり、一方、（Ｗ＋Ｍｏ）／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の値が１．２を超えると、ＴｉＣＮ基サーメットから界面層に結合相成分が移動しやすくなり、その結果ＴｉＣＮ基サーメット中に空隙を生じ、破壊を生じやすくなるという理由による。
【００２２】
さらに、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの界面からＷＣ基超硬合金層側に形成される前記界面層は、その平均層厚が５μｍ未満では、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの間に生じる応力を緩和する効果を十分に発揮できず、一方、その平均層厚が２００μｍを超えると、界面層の脆性が顕在化し、クラックの基点となる可能性が増大するため、界面層の平均層厚は５〜２００μｍとする。
なお、前記界面層の前記成分組成、平均層厚は、主として、ＷＣ基超硬合金の成分組成及びこれに隣接するＴｉＣＮ基サーメットの成分組成に応じた焼結時の冷却過程における保持温度と保持時間によって決まる。
【００２３】
切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面を構成するＷＣ基超硬合金層：
本発明の複合焼結体切削工具は、ＴｉＣＮ基サーメットを母体とし、切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面、例えば、すくい面、に形成されるＷＣ基超硬合金層は、結合相成分としての鉄族金属成分（例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）と硬質相成分としてのＷＣを少なくとも含有する。
結合相成分は、硬質相成分と強固に結合し、工具基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、結合相成分である鉄族金属成分の含有量（即ち、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの含有量合計）が４質量％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が１７質量％を越えると、耐摩耗性が低下するようになることから、結合相成分である鉄族金属成分の含有量（即ち、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの含有量合計）は、４〜１７質量％とすることが望ましい。
なお、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの各成分は、炭化物、窒化物、炭窒化物等を形成して、ＷＣ基超硬合金の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる作用があることから、これらの硬質相成分を微量添加含有させることが好ましい。しかし、これら硬質相成分の含有量合計が１０質量％（但し、金属成分として換算）を越えると靭性が低下するようになることから、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの各成分の許容含有量合計は１０質量％以下である。
【００２４】
また、切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面、例えば、すくい面、を構成するＷＣ基超硬合金層の厚さは、複合焼結体の厚さの０．０３〜０．３倍とすることが望ましい。
これは、ＷＣ基超硬合金層の厚さが、複合焼結体の厚さの０．０３倍未満である場合には、切削加工時、摩耗が進行した際にＴｉＣＮ基サーメットまで摩耗が進み、界面層に大きな負荷がかかることにより破断を生じやすくなり、一方、ＷＣ基超硬合金層の厚さが、複合焼結体の厚さの０．３倍を超える場合には、ＷＣ基超硬合金層に付加される圧縮応力が小さくなるため、耐熱亀裂性が低下するばかりか、耐チッピング性、耐欠損性も低下し、さらに、Ｗ使用量の削減を図ることもできず、本発明の目的にそぐわなくなるという理由による。
したがって、本発明では、ＷＣ基超硬合金層の厚さは、複合焼結体の厚さの０．０３〜０．３倍とすることが望ましい。
【００２５】
ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットの成分組成：
本発明で用いられるＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットは、ＴｉＣＮを主たる硬質相成分とし、鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）を主たる結合相成分とするサーメットである。
その他の含有成分を金属成分元素換算した場合に、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％を含有し、かつ、鉄族金属成分のうちのＣｏとＮｉについては、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有量の比は０．５〜０．８（但し、原子比）とすることが望ましい。
【００２６】
ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットについて、前記の成分組成が望ましいとする理由は、次のとおりである。
Ｗ：
ＷはＴｉＣＮ基サーメット中での含有量が増えるほど、ＴｉＣＮ基サーメットの特性がＷＣ基超硬合金に近づくので、複合体としての焼結は容易となるが、この発明で目的としているように含有量の削減が求められる成分元素であることから、本発明では、Ｗ含有量を１５質量％未満とする。
【００２７】
Ｍｏ：
Ｍｏは、ＴｉＣＮ基サーメットにおいて、硬質相と結合相との濡れ性を高め、焼結性を向上させる作用を有する成分元素であるが、その含有量が２質量％未満では、濡れ性の向上効果が十分ではなく、一方、含有量が１５質量％を超えると、硬質相にＭｏが溶け込み、強度、靭性を低下させるようになるため、Ｍｏの含有量は２〜１５質量％とする。
【００２８】
Ｎｂ：
Ｎｂは、ＴｉＣＮ基サーメットの高温耐酸化性を向上させる効果があるが、その含有量が２質量％未満の場合、あるいは、１０質量％を超える場合には、高温耐酸化性向上効果が低下するため、Ｎｂの含有量は２〜１０質量％とする。
【００２９】
Ｃｒ：
Ｃｒは、ＴｉＣＮ基サーメットの焼結温度をＷＣ基超硬合金のそれに近づける効果を有するが、その含有量が０．２質量％未満では、その効果が十分ではなく、一方、その含有量が２質量％を超えると、Ｃｒ３Ｃ２の遊離相が析出し焼結体の靭性を低下させるようになるため、Ｃｒの含有量は０．２〜２質量％とする。
【００３０】
Ｃｏ：
Ｃｏは、鉄族金属成分であって、ＴｉＣＮ基サーメットにおける結合相成分であるが、同じく鉄族金属成分であるＮｉとの関連において、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））を０．５〜０．８（但し、原子比）の範囲内とすることが望ましい。
ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））が０．５未満であると、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合成形体を焼結する際に、ＴｉＣＮ基サーメット中のＮｉ成分がＷＣ基超硬合金に拡散し、ＷＣ基超硬合金の高温硬さを低下させることになり、一方、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））が０．８を超えると、ＴｉＣＮ基サーメットの靭性が低下し、複合焼結体の破損を招く恐れがある。
したがって、ＴｉＣＮ基サーメットに含有される成分であるＣｏとＮｉについては、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））を０．５〜０．８（但し、原子比）の範囲内とする。
【００３１】
ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメットの好ましい成分組成については前記のとおりであるが、ＴｉＣＮ基サーメットは、その全体を前記成分組成のものとして構成する必要はない。
即ち、図１（ｂ），図２（ｂ）に示すように、ＴｉＣＮ基サーメットを複数のＴｉＣＮ基サーメット層（２層あるいは３層以上）の積層体として構成することができる。
図１（ｂ），図２（ｂ）には、ＴｉＣＮ基サーメットを、「ＴｉＣＮ基サーメット層１」と「ＴｉＣＮ基サーメット層２」による２層の積層体として構成した例を示したが、ＴｉＣＮ基サーメットは、３層以上のＴｉＣＮ基サーメット層の積層体として構成することができる。
ここで、ＷＣ基超硬合金層に接するＴｉＣＮ基サーメット層（即ち、図１（ｂ），図２（ｂ）に示す「ＴｉＣＮ基サーメット層１」）については、その成分組成を前記の如く定めることが望ましいが、ＷＣ基超硬合金層に直接接していないＴｉＣＮ基サーメット層（即ち、図１（ｂ），図２（ｂ）に示す「ＴｉＣＮ基サーメット層２」）については、通常用いられるＴｉＣＮ基サーメットの成分組成であっても構わない。
ＴｉＣＮ基サーメットに通常含有される成分、例えば、ＺｒＣ、ＴａＣ等、については、通常含有される範囲内の量であれば、本発明のＴｉＣＮ基サーメット（層）において、これらを含有させることができる。
また、Ｗ含有量については、好ましくは８質量％以下、さらに好ましくは４質量％以下、とするが、これによって、複合焼結体切削工具の切削性能を劣化させることなく、ＴｉＣＮ基サーメット（層）中に含有されるＷ含有量をより一層低減することができるので、Ｗの使用量削減効果が大となる。
【００３２】
硬質被覆層：
本発明の複合焼結体切削工具は、複合焼結体の切れ刃を含む外周部の少なくとも一部の面、例えば、すくい面、を前記したＷＣ基超硬合金層で構成することによって、そのまま切削工具として用いることができるが、ＷＣ基超硬合金層の表面に、物理蒸着法、化学蒸着法等によって、例えば、ＴｉとＡｌの複合窒化物層等の硬質被覆層を被覆形成することによって、切削工具としての性能をより高めることができる。
なお、硬質被覆層としては、ＴｉとＡｌの複合窒化物層ばかりでなく、Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、ＡｌとＣｒの複合窒化物層、Ａｌ２Ｏ３層など、既に知られている各種の硬質被覆層を、それぞれ単層として、あるいは、複数の層の積層として被覆形成することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の複合焼結体切削工具は、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金との複合焼結体からなり、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面であって、かつ、該界面からＷＣ基超硬合金層側に所定の層厚かつ成分組成の界面層が形成されていることから、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの接合強度を高めることができるので、希少金属であるタングステンの使用量を低減し、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くした場合であっても、切れ刃に断続的・衝撃的な機械的高負荷および熱的な高負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削加工において、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面における剥離発生が抑制される。
【００３４】
さらに、ＴｉＣＮ基サーメットを２層以上の複数の層で構成し、ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層を特定の成分組成に調整した層で構成した場合には、接合強度の高い界面層の存在による界面での剥離発生防止に加え、ＷＣ基超硬合金層に大きな圧縮応力を付与することが可能であるため、切れ刃に断続的・衝撃的な機械的高負荷および熱的な高負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削においても、熱亀裂の発生が防止され、剥離発生、熱亀裂発生等に起因する異常損傷を招くことなく、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の複合焼結体切削工具の概略縦断面模式図を示し、（ａ）は、本発明の複合焼結体切削工具の一つの例を示し、（ｂ）は、ＴｉＣＮ基サーメットが複数層（２層）で構成されている本発明の複合焼結体切削工具の他の例を示す。
【図２】ＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆層が設けられた本発明の複合焼結体切削工具の概略縦断面模式図を示し、（ａ）は、図１（ａ）に示す複合焼結体切削工具において、そのＷＣ基超硬合金層の表面に硬質被覆層が設けられた複合焼結体切削工具を示し、（ｂ）は、図１（ｂ）に示す複合焼結体切削工具において、そのＷＣ基超硬合金層の表面に硬質被覆層が設けられた複合焼結体切削工具を示す。
【図３】（ａ）は、本発明の複合焼結体切削工具の縦断面ＳＥＭ像の一例を示し、（ｂ）はその部分拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。
【実施例】
【００３７】
まず、表１に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＷＣ基超硬合金原料粉末を用意する。
また、表２に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用意する。
上記ＷＣ基超硬合金原料粉末およびＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を、表３に示す組合せでＩＳＯインサート形状ＣＣＧＴ１２０４０８の素材用金型で積層プレスし、本発明複合成形体１〜１２を作製した。
なお、作製した本発明複合成形体１〜１２は、ＷＣ基超硬合金原料粉末と一種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末からなる本発明複合成形体１〜６と、ＷＣ基超硬合金原料粉末とＴｉＣＮ基サーメット層１形成用原料粉末とＴｉＣＮ基サーメット層２形成用原料粉末の二種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用いた本発明複合成形体７〜１２である。
本発明複合成形体では、すくい面側表面部にＷＣ基超硬合金層が存在する形態で配置しているが、逃げ面側表面部にＷＣ基超硬合金層が存在するよう配置することも全く問題がない。
【００３８】
ついで、この本発明複合成形体１〜１２を焼結して本発明複合焼結体１〜１２を作製した。
焼結条件は、いずれの場合も、次のとおりである。
複合成形体を焼結温度にまで昇温するに際し、室温から１２８０℃までは５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、液相が出現する１２８０℃から１３８０℃までの温度域は、いずれも３０℃／ｍｉｎ以上の昇温速度で高速昇温し、１３８０℃から１４２０℃までは５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、０．１ｋＰａの窒素雰囲気中にて、１４２０℃の焼結温度に１時間保持して焼結した後、その冷却過程において、１３３０℃〜１３７０℃の温度範囲で０．８ｈｒ〜１．５ｈｒ保持する熱処理を施し、その後、室温にまで冷却した。
熱処理条件を表３に示す。
この焼結によって、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットからなり、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面であって、かつ、該界面からＷＣ基超硬合金層側に界面層が形成されている本発明複合焼結体を作製した。
ついで、上記で得られた本発明複合焼結体１〜１２について、ＷＣ基超硬合金層をすくい面として、刃先をＲ＝０．０４のホーニング加工し、ＣＣＧＴ１２０４０８形状の複合焼結体切削工具１〜１２（以下、本発明工具１〜１２という）を作製した。
【００３９】
図３（ａ）は、本発明工具のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面近傍のＳＥＭ像の一例を示すが、その部分拡大図である図３（ｂ）からも明らかなように、本発明工具においては、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面であって、かつ、該界面からＷＣ基超硬合金層側に界面層（図では、平均層厚が６０μｍ）が形成されていることがわかる。
【００４０】
上記本発明工具１〜１２のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面に垂直な縦断面について、電子線マイクロアナライザーを用いて、ＷＣ基超硬合金層側からＴｉＣＮ基サーメットにかけて、界面垂直方向に線分析を行い、Ｗ，Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉを含有し、ＷとＭｏ合計含有量がＣｏとＮｉの合計含有量の０．８〜１．２倍（但し、原子比）である混合相が存在する箇所を界面層とし、ＷＣ基超硬合金層と界面層の界面ならびにＴｉＣＮ基サーメットと界面層の界面を同定した。続けて、ＷＣ基超硬合金層の成分組成、混合相中の成分組成・成分比およびＴｉＣＮ基サーメットの組成分析を行い、１０点測定の平均値を求めることにより、それぞれの成分含有量を求め、また、混合相中におけるＷ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉの組成比、ＴｉＣＮ基サーメットにおけるＣｏ、Ｎｉの組成比を算出した。また、界面垂直方向にＷＣ基超硬合金層と界面層の界面ならびに界面層とＴｉＣＮ基サーメットの界面、これら２つの界面間の距離を測定し、同測定を界面平行方向５０μｍおきに１０箇所実施し、それらの平均を取ることにより、界面層の厚さとした。
さらに、界面層の幅２００μｍの範囲を画像処理し、組成分析結果と照らし合わせ、ＷＣ粒子を同定すると共に、ＷＣ粒子の面積％、混合相の面積％を測定した。
表５、表６に、これらの値を示す。
【００４１】
また、本発明工具１〜１２の全厚（なお、ＪＩＳ規格により、ＣＣＧＴ１２０４０８形状のインサートの全厚は、４．７６ｍｍと定められている。）に対するそれぞれのＷＣ基超硬合金層の厚さの比を求めるために、ＷＣ基超硬合金層の厚さを走査型電子顕微鏡および電子線マイクロアナライザーを用いて観察し、前記ＷＣ基超硬合金層と界面層の界面からＷＣ基超硬合金層表面までの距離を異なる５点で測定し、これを平均してＷＣ基超硬合金層の厚さとし、これを４．７６ｍｍで除すことにより、（ＷＣ基超硬合金層の厚さ）／（複合焼結体の厚さ）の値を算出した。
表５、表６に、これらの値を示す。
【００４２】
ついで、本発明工具４〜６，１０〜１２については、ＷＣ基超硬合金層の表面に、アークイオンプレーティングにより、ＴｉとＡｌの複合窒化物（なお、ＴｉとＡｌの含有量は、それぞれ５０原子％）からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
表５、表６に、本発明工具４〜６，１０〜１２について、蒸着形成した硬質被覆層の層厚を示す。
なお、本発明工具１〜１２を図１、図２と対応させると、本発明工具１〜３は、図１（ａ）に示される構造、本発明工具４〜６は、図２（ａ）に示す構造、本発明工具７〜９は、図１（ｂ）に示される構造、また、本発明工具１０〜１２は、図２（ｂ）に示す構造を有するものであるといえる。
【００４３】
比較のため、表１に示す配合組成のＷＣ基超硬合金原料粉末および表２に示す配合組成のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を、表３に示す組合せで積層プレスし、比較例複合成形体１〜１２を作製した。
なお、比較例複合成形体１〜１２は、全てＷＣ基超硬合金原料粉末と一種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用いて作製した。
ついで、この比較例複合成形体を、次の条件で焼結して比較例複合焼結体１〜１２を作製した。
比較例複合成形体１〜１２を焼結温度にまで昇温するに際し、室温から１２８０℃までは５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、液相が出現する１２８０℃から１３８０℃までの温度域は、いずれも３０℃／ｍｉｎ以上の昇温速度で高速昇温し、１３８０℃から１４２０℃までは５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、０．１ｋＰａの窒素雰囲気中にて、１４２０℃の焼結温度に１時間保持して焼結した後、一部焼結体は１３００℃〜１４００℃の温度範囲で一定時間保持した後、室温にまで冷却して、比較例複合焼結体１〜１２を作製した。但し、前記比較例複合焼結体冷却中の熱処理には本発明複合焼結体の保持条件である１３３０℃〜１３７０℃の温度範囲、０．８ｈｒ〜１．５ｈｒ保持の熱処理は含まれていない。
つまり、比較例複合焼結体１〜１２は、焼結時の冷却過程で、１３３０℃〜１３７０℃の温度範囲で０．８ｈｒ〜１．５ｈｒ保持の熱処理が施されていない点で、本発明の複合焼結体切削工具１〜１２とはその製造条件が異なっている。
ついで、得られた比較例複合焼結体１〜１２について、ＷＣ基超硬合金層をすくい面として、刃先をＲ＝０．０４のホーニング加工し、ＣＣＧＴ１２０４０８形状の複合焼結体切削工具１〜１２（以下、比較例工具１〜１２という）を作製した。
【００４４】
次いで、本発明工具１〜１２の場合と同様にして、比較例工具１〜１２について、電子線マイクロアナライザーを用いて、ＷＣ基超硬合金層の成分組成、混合相中の成分組成・成分比およびＴｉＣＮ基サーメットの組成分析を行い、１０点測定の平均値を求めることにより、それぞれの成分含有量を求め、また、混合相中におけるＷ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｎｉの組成比、ＴｉＣＮ基サーメットにおけるＣｏ、Ｎｉの組成比を算出した。
さらに、界面層のＷＣ粒子の面積％、混合相の面積％を測定した。
さらに、比較例工具１〜１２について、ＷＣ基超硬合金層の厚さを光学顕微鏡で観察し、異なる５点で厚み測定し、これを平均してＷＣ基超硬合金層の厚さとし、これを４．７６ｍｍで除すことにより、（ＷＣ基超硬合金層の厚さ）／（複合焼結体の厚さ）の値を算出した。
表７に、これらの値を示す。
【００４５】
また、比較例工具４〜６，１０〜１２については、ＷＣ基超硬合金層の表面に、アークイオンプレーティングにより、ＴｉとＡｌの複合窒化物（なお、ＴｉとＡｌの含有量は、それぞれ５０原子％）からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
表７に、蒸着形成した硬質被覆層の層厚を示す。
【００４６】
【表１】
2019042830.tif 000003
【００４７】
【表２】
2019042830.tif 000004
【００４８】
【表３】
2019042830.tif 000005
【００４９】
【表４】
2019042830.tif 000006
【００５０】
【表５】
2019042830.tif 000007
【００５１】
【表６】
2019042830.tif 000008
【００５２】
【表７】
2019042830.tif 000009
【００５３】
つぎに、上記本発明工具１〜１２および比較例工具１〜１２について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０のブロック、
切削速度：３１５  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０  ｍｍ、
送り：０．１２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１４  分
の条件で、合金鋼の湿式フライス切削加工試験を行い、逃げ面摩耗量、寿命に至るまでの切削時間を測定し、また、切れ刃の損耗状態を観察した。
さらに、本発明工具１〜１２および比較例工具１〜１２について、表５〜表７に示される（ＷＣ基超硬合金層の厚さ）／（複合焼結体の厚さ）の値から、各工具においてサーメットと積層せず、全体をＷＣ基超硬合金とした場合からの使用Ｗ量削減率（質量％）を算出した。
表８に、これらの結果を示す。
【００５４】
【表８】
2019042830.tif 000010
【００５５】
表５、表８に示される結果から、本発明の複合焼結体切削工具１〜６は、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面であって、かつ、該界面からＷＣ基超硬合金層側に所定の層厚かつ成分組成の界面層が形成され、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの接合強度が高められているため、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットの界面における剥離発生が抑制され、異常損傷が発生しないことがわかる。
さらに、表６、表８に示される結果から、本発明の複合焼結体切削工具７〜１２は、接合強度の高い界面層の存在によって、界面での剥離発生防止が図られることに加え、ＴｉＣＮ基サーメットを２層以上の複数の層で構成し、ＷＣ基超硬合金層に大きな圧縮応力を付与することが可能となったため、剥離の発生、熱亀裂の発生が防止されることがわかる。
したがって、本発明の複合焼結体切削工具１〜１２は、希少金属であるタングステンの使用量を低減し、ＷＣ基超硬合金層の層厚を薄くした場合であっても、切れ刃に機械的高負荷および熱的な高負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削において、剥離発生、熱亀裂発生等に起因する異常損傷を招くこともなく、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能が発揮される
【００５６】
これに対して、表７、表８の結果によれば、比較例の複合焼結体切削工具１〜１２は、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメットとの界面であって、かつ、該界面からＷＣ基超硬合金層側に、本発明で規定する界面層が形成されていないため、剥離発生、熱亀裂発生等に起因する異常損傷の発生によって、いずれも短時間で使用寿命に至ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
複合焼結体からなる本発明の切削工具は、希少金属であるタングステン使用量の低減を図り得るとともに、切れ刃に断続的・衝撃的な機械的高負荷、また、加熱冷却のサイクルによる熱的高負荷が作用する湿式断続切削に用いた場合でも、耐剥離性、耐熱亀裂性に優れ、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、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、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】
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【図２】
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【図３】
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