(57)【要約】      （修正有）【課題】立方晶窒化ほう素基焼結体と超硬合金を有して成る複合焼結体に関し、切削工具等に用いた場合に、高硬度であり、耐欠損性にすぐれ、長期使用においても十分な工具特性を有する複合焼結体の提供。【解決手段】ｃＢＮ成形体からなる層と、超硬合金基体である層との間に、前記超硬合金以下のコバルト濃度組成の原料粉について圧粉成形のみ行った圧粉体からなる圧粉体層を配置し、三層構造の複合体とした後、高圧高温焼結を行うことにより得ることができる切削工具等に用いる複合焼結体。【選択図】図１
2019065330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ほう素基焼結体からなる上層と、結合相としてコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる下層と、前記上層と前記下層との間に位置する界面層との少なくとも３層を有する複合焼結体において、
ａ）前記界面層は、前記上層と接しタングステン強度が検出されず、かつコバルト強度を持つ界面層Ａと、下層と接しタングステン強度が高く、かつコバルト強度が下層よりも低い界面層Ｂと、前記界面層Ａと前記界面層Ｂとの間に位置し、タングステン強度が急峻に変化する界面とを有し、
ｂ）前記界面層における前記界面層Ａの層厚は、１０〜１００μｍであり、
前記界面層Ｂの層厚は、５〜２０μｍであり、
ｃ）界面層における、平均コバルト強度をＣｂ、
界面層Ａにおける、平均コバルト強度をＣｂ１、
界面層Ｂにおける、平均コバルト強度をＣｂ２、
下層における、平均コバルト強度をＣｃとした場合に、
以下の（１）式および（２）式の関係を満足し、
ｄ）前記界面におけるコバルト強度をＣｂ1´とした場合、以下の（３）式の関係を満たすことを特徴とする複合焼結体。
０．０２ ＜ Ｃｂ１/Ｃｃ    ＜０．２             （１）式
Ｃｂ２  ＜  ５Ｃｂ１               （２）式
Ｃｂ1´＜  Ｃｂ                  （３）式
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶窒化ほう素（以下、「ｃＢＮ」ともいう。）基焼結体と超硬合金を有して成る複合焼結体に関し、特に、切削工具等に用いた場合に、高硬度であり、耐欠損性にすぐれ、長期使用においても十分な工具特性を有するｃＢＮ複合焼結体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上層をｃＢＮ基焼結材料とし、下層を炭化タングステン基超硬合金とする２層複合焼結体からなる切刃部材を、炭化タングステン基超硬合金からなる支持部材のコーナー部に形成した段付き切り欠き部にろう付けしてなるインサートとして用いることにより、各種鋳鉄やスーパーアロイなどの連続切削において、すぐれた切削性能を発揮することが知られている。
しかしながら、前記インサートは、前記被切削材料についての断続切削においては、切刃の欠けやチッピングなどが発生し易く、比較的短時間にて、使用寿命に至るため、その改善に向けて種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ｃＢＮからなる上層と、結合相形成成分にコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金の下層の２層複合焼結体からなる切刃部材において、前記上層と前記下層との界面部において、焼結時に前記下層中のコバルトが前記上層と下層との界面から１５０μｍ以上の深さに亘って溶浸してなるコバルト溶浸層を形成することにより、鋳鉄やスーパーアロイの連続切削に加え、高靱性が要求される断続切削においても、欠けやチッピングなどを発生することなく、優れた切削性能を長期に亘って発揮するインサートが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、ｃＢＮ相を含むｃＢＮ焼結体と、ＷＣ等を主成分とする硬質相とコバルト等を主成分とする結合相とからなる硬質合金とを、セラミックス相と金属相から成る接合層を介して接合することにより、密着性に優れ、接合強度が高く、優れた切削性能を有する、切削工具用被覆複合体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２３２０３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３１８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工における省力化および省エネ化への要求は強く、これに伴い、切削加工では一段と高速化、高効率化が求められており、ｃＢＮ複合焼結体切削工具においては、連続切削に加え、さらに高負荷がかかる断続切削においても、長期にわたっての使用を可能とする十分な耐摩耗性に加え、その前提としてかかる耐摩耗性が十分に発揮できるよう、すぐれた耐欠損性、耐チッピング性を有することが求められている。
しかしながら、前記特許文献１に記載される従来のｃＢＮ複合焼結体インサートにおいては、炭化タングステン基超硬合金焼結体である下層とｃＢＮ仮焼体である上層との焼結時に、下層中のコバルトが、上層との境界面から１５０μｍ以上の深さに亘り上層に拡散するために、下層の界面部近傍ではコバルト量が減少する結果、炭化タングステン基超硬合金の硬さおよび強度が減少し、十分な耐欠損性が得られていない。また、下層から上層に拡散されたコバルトは、上層と下層との界面から上層内部にかけて負の濃度勾配を有し、特に、上層側の界面では、コバルト量が増加したコバルト濃縮層が出現し、硬さが減少した脆弱層となるために十分な工具寿命を達成することはできないという問題を有していた。
また、前記特許文献２では、硬質合金とｃＢＮ焼結体との間に金属箔を挟み、高温高圧下にて保持することにより、硬質合金とｃＢＮ焼結体との間に中間層を形成し、密着性および接合強度において、すぐれた切削性能を有する切削工具を得ようとするものであるが、金属箔より形成した中間層は金属相を有しているため、切削中の高温硬さや高温強度が低下し、さらにはｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合は９００ｋｇｆ／ｃｍ２未満の接合圧力下で１０００℃以上に加熱保持して行われることから、ｃＢＮ焼結体の高圧高温焼結時と異なりｃＢＮが脆弱なｈＢＮ（六方晶窒化硼素）に相変態することで強度が低下し、十分な工具寿命が得られないという問題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは、例えば、従来の前記特許文献１に記載される、上層であるｃＢＮ焼結材料と下層である超硬合金基体の焼結体とからなる２層複合焼結体において、上層側の界面に、コバルト量が増加することで硬さが減少するコバルト濃縮層が生成する点に着目し、研究を行ったところ、高圧高温焼結時において、すでに高圧高温焼結前からＷＣ等を主成分とする硬質相とコバルト等を主成分とする結合相との焼結が十分進行した状態であるため、コバルトのみが融液となり、ｃＢＮの焼結が進行する前に界面部に浸潤する結果、コバルト量が増加したコバルト濃縮層を形成し硬さが減少した脆弱層となるために、十分な工具寿命が得られていないことを知見した。
そして、かかる知見に基づいて、本発明者らは、前記複合焼結体において、ｃＢＮ焼結体層と超硬合金層との境界面にコバルトが濃縮されることなく、ｃＢＮ焼結体層と超硬合金層との間に、ｃＢＮ焼結体層側から超硬合金層側に向かって、コバルトが緩やかな濃度勾配をもって増加する界面層を設けることにより、高温硬さや高温強度にすぐれた特性を有し、切削工具等に用いた際にきわめて有用な複合焼結体を得て、前記課題を解決したものである。
前記界面層を有する複合焼結体は、例えば、ｃＢＮ成形体からなる層と、超硬合金基体である層との間に、前記超硬合金以下のコバルト濃度組成の原料粉について圧粉成形のみ行った圧粉体からなる圧粉体層を配置し、三層構造の複合体とした後、高圧高温焼結を行うことにより得ることができる。
ここで、立方晶窒化ほう素基焼結体からなる上層と、結合相としてコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる下層との間に形成される、前記界面層において、コバルトの濃縮が抑制された理由については明らかではないが、高圧高温焼結前に、前記圧粉体層を設けることにより、ｃＢＮ成形体からなる層と超硬合金圧粉体層の焼結がそれぞれ進むと同時に、圧粉体層中のコバルトがｃＢＮ中に拡散したためと考えられる。
【０００８】
なお、本発明にかかる複合焼結体では、前記立方晶窒化ほう素基焼結体からなる上層、前記界面層、および、前記結合相としてコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる下層において、コバルトおよびタングステンを測定する手段として、エネルギー分散型Ｘ線分析を用い、焼結体断面におけるコバルトおよびタングステンの元素マッピングデータを取得し、画像解析により、相対強度として評価しているため、コバルト濃度およびタングステン濃度に対応する、コバルト強度およびタングステン強度として求めた。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）立方晶窒化ほう素基焼結体からなる上層と、結合相としてコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる下層と、前記上層と前記下層との間に位置する界面層との少なくとも３層を有する複合焼結体において、
ａ）前記界面層は、前記上層と接しタングステン強度が検出されず、かつコバルト強度を持つ界面層Ａと、下層と接しタングステン強度が高く、かつコバルト強度が下層よりも低い界面層Ｂと、前記界面層Ａと前記界面層Ｂとの間に位置しタングステン強度が急峻に変化する界面とを有し、
ｂ）前記界面層における前記界面層Ａの層厚は、１０〜１００μｍであり、
前記界面層Ｂの層厚は、５〜２０μｍであり、
ｃ）前記界面層における、平均コバルト強度をＣｂ、
前記界面層Ａにおける、平均コバルト強度をＣｂ１、
前記界面層Ｂにおける平均コバルト強度をＣｂ２、
前記下層における、平均コバルト強度をＣｃとした場合に、以下の（１）式および（２）式の関係を満足し、
ｄ）前記界面におけるコバルト強度をＣｂ1´とした場合、以下の（３）式の関係を満たすことを特徴とする複合焼結体。
０．０２ ＜ Ｃｂ１/Ｃｃ    ＜０．２             （１）式
Ｃｂ２  ＜  ５Ｃｂ１               （２）式
Ｃｂ1´＜  Ｃｂ                  （３）式
」に特徴を有するものである。
【００１０】
以下に、本発明の複合焼結体について、詳細に説明する。
本発明に係る複合焼結体は、段落０００７にても述べたとおり、例えば、ｃＢＮ成形体と、コバルトを結合相として含有する超硬合金基体である層との間に、前記超硬合金基体以下のコバルト濃度組成の原料粉について圧粉成形のみ行った圧粉体からなる圧粉体層を配置し、高圧高温焼結を行うことにより作製することができる。
そして、得られた複合焼結体の構造は、大きくは、三層からなり、高圧高温焼結前のｃＢＮ焼結体組成を有する上層と、同じく高圧高温焼結前のコバルトを結合相として含有する超硬合金焼結体組成を有する下層と、前記上層と前記下層の間に形成される界面層とからなり、さらに前記界面層は、コバルト濃縮層を有しておらず、界面層Ａと界面層Ｂおよびその界面からなり、界面層Ａは、前記上層と接し、タングステン強度が検出されず、かつコバルト強度を持つ界面層Ａと、下層と接しタングステン強度が高く、かつコバルト強度が下層よりも低い界面層Ｂと、前記界面層Ａと前記界面層Ｂとの間に位置し、タングステン強度が急峻に変化する界面とを有するものである。
なお、ここで、コバルト濃縮層とは、複合焼結体断面のＥＤＳ分析によるコバルトおよびタングステンの元素マッピングの画像解析から得られた、各領域ごとのコバルトおよびタングステンの相対強度の内、界面または界面層Ａの領域におけるコバルト強度最大値が界面層における平均強度値以上である領域をいう。
また、コバルトおよびタングステンの強度は、ＥＤＳ分析を用い、焼結体断面におけるコバルトおよびタングステンの各元素マッピングデータを取得し、画像解析により各元素マッピングデータ上の評価範囲中に占める各元素の存在を示す点の面積割合を、コバルト濃度およびタングステン濃度に対応する相対強度として評価し、求めた。
【００１１】
上層；
上層は、高圧高温焼結前の立方晶窒化ほう素基焼結体において、高圧高温焼結後、コバルトの拡散が生じなかった領域をいい、切削時の刃先となる箇所である。
焼結体組成はｃＢＮ含有量５０体積％以上７０体積％以下とし、残部は、ＴｉＮ、ＴｉＣおよびＴｉＣＮの内の一種以上と、Ａｌ２Ｏ３、ＷＣ、および、ＴｉまたはＡｌを含む反応生成物とすることが好ましい。ｃＢＮ含有量が５０体積％未満の場合には、コバルトの上層側への拡散が多すぎるため、超硬基体中の界面近傍でのコバルト強度減少が大きく、超硬基体の靭性が減少し、一方、７０体積％以上の場合には上層へのコバルト拡散が不十分となり、界面にてコバルト濃縮層が生じ、硬さが減少した脆弱層となり十分な界面強度が得られないためである。
【００１２】
下層；
下層は、高圧高温焼結前の、コバルトを結合相として含有する超硬合金焼結体および同組成の超硬合金圧粉体において、コバルトの拡散が生じなかった領域をいう。
下層のコバルトを結合相として含有する超硬合金焼結体および同組成の超硬合金圧粉体の組成は、コバルト１５体積％以上４０体積％未満であり、残部がＷＣ粒子とからなるのが好ましい。コバルト１５体積％未満では界面層Ａの層厚が不十分で効果が十分得られず、４０体積％以上では界面にコバルト濃縮層が生じ、硬さが減少した脆弱層となり十分な界面強度が得られない。
【００１３】
界面層；
界面層は、高圧高温焼結前の立方晶窒化ほう素基焼結体において、高圧高温焼結後、コバルトの拡散によりコバルトを含有することとなった領域（「界面層Ａ」という。）と、高圧高温焼結前の、コバルトを結合相として含有する超硬合金焼結体および前記超硬合金焼結体以下のコバルト濃度組成を持つ超硬合金圧粉体において、コバルトが拡散された領域（「界面層Ｂ」という。）と、前記界面層Ａと前記界面層Ｂとが接する界面との三領域からなる。
界面層Ａの層厚は１０μｍ〜１００μｍ、界面層Ｂの層厚は５〜２０μｍが好ましい。界面層Ａの層厚が１０μｍ未満では界面層の層厚が不十分で効果が十分得られず、１００μｍを超えると、コバルトの拡散量が大きすぎるため超硬基体中の界面近傍でのコバルトが過度に減少し、超硬基体の界面近傍の強度が減少するためである。界面層Ｂの層厚が５μｍ未満では緩やかな強度勾配をもった拡散層が超硬基体側に十分な層厚で及ばず界面層Ｂの硬さが不十分であり、２０μｍ以上では下層近傍でのコバルト強度値の減少領域の範囲が大き過ぎるために界面近傍の強度が不足する。
【００１４】
各層および各領域におけるコバルトおよびタングステン強度の測定；
各領域でのコバルト強度の評価と、界面位置を特定するためのタングステンの検出を、下記の方法にて実施した。高圧高温焼結後のｃＢＮ複合焼結体断面を研磨した後、エネルギー分散型Ｘ線分析（以下、ＥＤＳ分析）を行い、ｃＢＮ複合焼結体断面におけるコバルトおよびタングステンの元素マッピングを取得した。
図１に代表図として本発明品のコバルトおよびタングステンの元素マッピングを示す。各図中の白い点が各元素の存在を示す点である。
界面層Ａの範囲は、上層と接し、前記元素マッピングにてタングステン強度が検出されず、かつコバルト強度を持つ範囲である。
界面層Ｂは下層と接しタングステン強度が高く、下層よりも低いコバルト強度を持つ範囲である。
前記界面層Ａと前記界面層Ｂとの界面はタングステン強度が急峻に変化する位置であり、コバルトおよびタングステンの元素マッピングを比較し、タングステンの有無の位置を界面として、界面層Ａと界面層Ｂの層厚を求めることができる。
界面層Ａ、界面層Ｂおよび下層のコバルトの強度評価は、コバルトの元素マッピング像の二値化処理による画像解析にて、各領域でのコバルトの存在を示す点が、下記に示す大きさの各評価範囲に占める面積割合を、相対強度として求めた。
評価範囲の層厚方向長さは、界面層Ａまたは界面層Ｂの内より小さい層厚と同じ長さとし、評価範囲の層厚と垂直な方向の長さを幅とし、前記層厚の５倍とした。
評価位置は評価範囲の層厚方向の長さの中間点が、界面層内の各領域における各層厚の中間点と合わさる位置とした。また、前記界面のコバルト強度の評価範囲の層厚方向長さは２μｍとし、層厚と垂直な方向の長さは、前記界面層Ａまたは界面層Ｂの評価範囲の幅と同等とした。
界面のコバルト強度の評価位置は、前記評価範囲の長手方向の界面層Ｂ側の辺が前記界面と合わさる位置とした。
なお、Ｃｂは界面層Ａ、界面、界面層Ｂでの各コバルト強度の平均値とした。
ＥＤＳ分析による各元素のライン分析では、コバルトがＷＣ粒子で分断され、不連続に存在しているため強度の振幅が大きく算出されることから、元素マッピングの画像解析が相対強度の評価に適している。
本発明品は、焼結時にコバルトが下層から上層側へ拡散することで、界面層は脆弱なコバルト濃縮層を持たず、かつコバルト強度は上層側から下層側にかけて緩やかな勾配をもって増加する。これにより、界面層Ｂは下層よりも比較的低いコバルト強度にて高圧高温により焼結され、下層よりもさらに大きな硬さを持つ層となる。これらの界面層の特徴を持つことで、本発明品は従来品より大きな界面強度を持つ。
界面層Ａは下層から上層側へのコバルトの拡散により、上層よりもコバルト強度が増加することから（１）式０．０２＜Ｃｂ１/Ｃｃ＜０．２を満たすことが好ましい。
（１）式０．０２＜Ｃｂ１/Ｃｃを満たさない場合には、界面層Ａへのコバルト拡散量が不足し、界面層としての接合強度を増す効果が十分得られない。
（１）式  Ｃｂ１/Ｃｃ＜０．２を満たさない場合には、界面層Ａのコバルト強度が大きすぎるために界面層Ａの強度が損なわれ、界面強度が十分得られない。
界面層はコバルト濃縮層を持たず、かつコバルト強度は上層側から下層側にかけて緩やかな勾配をもって増加し、（２）式Ｃｂ２＜５Ｃｂ１を満たすことが好ましい。
（２）式  Ｃｂ２＜５Ｃｂ１を満たさない場合には、界面層Ｂのコバルト強度が大きすぎるために界面層Ｂの硬さが十分得られない。
さらにコバルト濃縮層が抑制されていることから、Ｃｂ1´は（３）式  Ｃｂ1´ ＜ Ｃｂを満たすことが好ましい。
（３）式を満たさない場合には、コバルト濃縮層が発生していることから、界面層Ａと下層との界面近傍の硬さが低下し、十分な界面強度が得られない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る複合焼結体は、界面層の界面近傍において、コバルト強度の高い脆弱層の形成の抑制を図り、また、超硬合金層と界面層間では、コバルト強度の変化量を緩やかにすることにより、ｃＢＮ複合焼結体切削工具として用いた場合に、耐欠損性にすぐれ、長寿命の切削工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明品の複合焼結体の研磨後断面のＥＤＳ分析より得られた(ａ)コバルトおよび(ｂ)タングステンの元素マッピング
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明について、実施例を用いて、以下に詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
複合焼結体の作製：
表１に、実施例にて用いたｃＢＮ基成形体、ＷＣ基超硬合金およびＷＣ基超硬合金原料粉末の組み合わせを示す。
ａ）ｃＢＮ基成形体の作製
原料粉末として、ｃＢＮ粉末と、Ｔｉ化合物粉末（例えば、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＡｌ粉末等）、ならびにＡｌ粉末を用意し、これら原料粉末を配合し、メディアボールと共にボールミルにて湿式混合しスラリー溶液を得、これを乾燥させた後、プレス成形し、８００−１２００℃、１Ｐａ以下にて真空焼結を行い、ｃＢＮ基成形体とした。
ｂ）複合焼結体の作製
次に、前記ｃＢＮ成形体と、表１に示されるコバルトを結合相として含有するＷＣ基超硬合金基体との間に、前記コバルトを結合相として含有するＷＣ基超硬合金の原料粉からなる圧粉体を配置して構成される三層構造の複合体を得て、これを圧力：５ＧＰａ、温度：１３００〜１５００℃にて高圧高温焼結することにより、ｃＢＮ基焼結体からなる上層と、結合相としてコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる下層と、前記上層と前記下層との間に位置する界面層との３層を有し、さらに、界面層は、前記圧粉体層から拡散されたコバルトを含有するｃＢＮ基焼結体からなる界面層Ａと、界面層Ａへのコバルト拡散後の圧粉体層が焼結したＷＣ基超硬合金からなる界面層Ｂと、前記界面層Ａと界面層Ｂの間に位置する界面とを有してなる、本発明に係る複合焼結体を作製することができた。
【００１９】
また、比較の目的で、高圧高温でのｃＢＮ焼結時に、ｃＢＮ基焼結体からなる上層とｃＢＮ基焼結体からなる上層とを接合する手法である従来例として、ｃＢＮ基成形体、ＷＣ基超硬合金を製造し、これらの間に、前記ＷＣ基超硬合金の原料粉からなる圧粉体を配置することなく、二層構造の複合体を得て、これを圧力：５ＧＰａ、温度：１３００〜１５００℃にて高圧高温焼結することにより、前記ｃＢＮ成形体と、前記ＷＣ基超硬合金とからなる、２層の複合焼結体を作製した。
【００２０】
表２には、上記により作製した本発明複合焼結体１〜５、比較焼結体６〜１０、および、従来焼結体１１について、断面を研磨し、ＳＥＭ−ＥＤＳ法で分析し得た、図１に代表される元素マッピングの解析結果から、各層のコバルト強度、界面層Ａおよび界面層Ｂの層厚を示すとともに、マイクロビッカース硬度計を用い硬度試験により測定した各複合焼結体の界面近傍部におけるマイクロビッカース硬さを示す。なお、界面層Ａおよび界面層Ｂの層厚は、コバルトおよびタングステンの元素マッピングから上層と界面層Ａと界面、および界面と界面層Ｂと下層の間の各境界を定め、元素マッピング像の幅方向の左端、中央、右端の３点における各境界間距離の平均値を各層厚とした。
【００２１】
表２に示される結果から、本発明の複合焼結体は、界面近傍部には、高コバルト強度の脆弱層は形成されておらず、上層および下層間にコバルト強度の変化量が緩やかな界面層を持つことで、界面近傍部におけるマイクロビッカース硬さは大きくなった。これに対し、比較焼結体では上層および下層間にコバルト強度の変化量が緩やかな界面層は形成されず、従来例の焼結体ではコバルト強度の高いコバルト濃縮層が形成し脆弱層となり、界面部でのマイクロビッカース硬さは小さくなった。
【００２２】
【表１】
2019065330.tif 000003
【００２３】
【表２】
2019065330.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の複合焼結体は、ｃＢＮ基焼結体および超硬合金基体との界面において硬度にすぐれ、長寿命であるため、ミーリング加工やターニング加工用のｃＢＮ複合焼結体工具として用いることができる。
【図１】
2019065330.tif 000005