(57)【要約】【課題】ＷＣ基超硬合金同士を、接合層を介して接合した複合部材において、複合部材の接合部の接合強度の向上を図ること。【解決手段】ＷＣ基超硬合金部材同士を、Ｔｉ箔／Ｃｕ箔／Ｔｉ箔からなる接合部材を固相拡散接合させて形成した接合層を介して接合した複合部材において、該接合層は、ＷＣ基超硬合金部材に隣接し、ＴｉＣ相の平均面積割合が５０％以上であるＴｉＣ主体層と、該層に隣接し、平均含有量４０原子％以上のＴｉと平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有し、Ｃｏの平均含有量が３原子％未満である隣接層が存在する複合部材およびこの複合部材からなる工具。【選択図】図２
2019063901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂが、接合層を介して接合されている複合部材であって、
（ａ）一方のＷＣ基超硬合金部材Ａに隣接して、ＴｉＣ相を５０面積％以上含有するＴｉＣ主体層Ａが０．５〜３μｍの平均層厚で形成され、
（ｂ）前記ＴｉＣ主体層Ａの接合層中央側に隣接して、平均含有量４０原子％以上のＴｉと平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有し、Ｃｏの平均含有量が３原子％未満である隣接層Ａが２〜１５μｍの平均層厚で形成されていることを特徴とする複合部材。
【請求項２】
請求項１に記載の複合部材において、
（ａ）他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接して、ＴｉＣ相を５０面積％以上含有するＴｉＣ主体層Ｂが０．５〜３μｍの平均層厚で形成され、
（ｂ）前記ＴｉＣ主体層Ｂの接合層中央側に隣接して、平均含有量４０原子％以上のＴｉと平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有し、Ｃｏの平均含有量が３原子％未満である隣接層Ｂが２〜１５μｍの平均層厚で形成され、
（ｃ）前記隣接層Ａと前記隣接層Ｂの間に残存Ｃｕ層が存在することを特徴とする請求項１に記載の複合部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の複合部材から構成されていることを特徴とする切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合部材及びこの複合部材を用いた切削工具に関し、特に、ＷＣ基超硬合金部材同士の接合部の接合強度に優れた複合部材に関し、また、切れ刃に高負荷が作用する合金鋼等の重切削加工において、複合部材の接合部からの破断を抑制した切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工具材料としては、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ｃＢＮ焼結体等が良く知られているが、近年、工具材料を単一素材から形成するのではなく複合部材として工具材料を形成することが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、サーメット焼結体を第１の被接合材１とし、ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体を第２の被接合材３とする接合体であって、第１の被接合材および第２の被接合材の間に１０００℃未満では液相を生成しない接合材２を介して接合し、該接合は０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で加圧しながら通電加熱することによって行うことが提案されており、これによって得られた接合体は、切削中に、ロウ材が液相を生成する温度を超える高温となっても、接合層の接合強度が低下することがないため、高速切削加工工具やＣＶＤコーティング切削工具として好適であるとされている。
【０００４】
また、特許文献２には、超硬合金焼結体を第１の被接合材１とし、ｃＢＮ焼結体を第２の被接合材２とする接合体において、第１の被接合材および第２の被接合材の間にはチタン（Ｔｉ）を含有する接合材３を介して、少なくとも、第２の被接合材の背面と底面からなる２面で接合し、第２の被接合材と接合材との界面には、厚み１０〜３００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）化合物層を形成し、また、背面の接合層の厚みを、底面の接合層の厚みよりも薄くすることによって、接合強度が高い切削工具等の接合体を得ることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献３には、ｃＢＮを２０〜１００質量％含むｃＢＮ焼結体と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷの炭化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる硬質相：５０〜９７質量％と、残部として、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を主成分とする結合相：３〜５０質量％とからなる硬質合金との複合体において、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との間に接合層を設け、該接合層をセラミックス相と金属相とから構成し、さらに、該接合層の厚さを２〜３０μｍとすることによって、複合体の接合強度を高めることが提案されている。
【０００６】
さらに、特許文献４には、ＷＣ基超硬合金部材相互の間に、接合部材としてのＴｉ箔を挟み込み、これを、真空中で加熱、加圧し固相拡散接合させることによって、ＷＣ基超硬合金部材に隣接して、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１層を形成し、該第１層に隣接して、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２層を形成し、接合層の中央領域には、Ｔｉ層が残存する接合層を介して接合した複合部材が提案されており、この複合部材によれば、ＷＣ基超硬合金部材と接合層との密着強度、接合強度にすぐれ、この複合部材を切削工具用材料として用いた場合には、切れ刃に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の重切削加工に供した場合であっても、接合部からの破断発生を防止でき、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２４１２３６号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１１１８７号公報
【特許文献３】特開２０１４−１３１８１９号公報
【特許文献４】特開２０１７−４７４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１〜３で提案された複合材料あるいはこれからなる切削工具は、通常条件の切削加工では、ある程度の性能を発揮するが、切れ刃に高負荷が作用する切削条件では、接合強度が十分でないため、接合部からの破断を原因として寿命に至るという問題があった。
また、前記特許文献４で提案されている複合材料からなる切削工具は、従来の切削工具と比較すれば、切れ刃に高負荷が作用する切削条件において、すぐれた切削性能を発揮するが、複合材料の接合部に脆弱なＴｉＣｏ相が形成されること、また、Ｃｏの拡散による界面強度の低下等に起因して、より一段と大きな負荷が作用する切削条件下で用いる切削工具としては、接合強度が十分に満足できるものであるとはいえなかった。
そこで、切れ刃に高負荷が作用する重切削条件においても、接合部からの破断等が生じないような、より接合強度の高い接合部を有する複合部材およびこれからなる切削工具が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、前記従来の複合部材およびこれからなる切削工具の問題点を解決すべく、ＷＣ基超硬合金とＷＣ基超硬合金からなる複合部材およびこの複合材からなる切削工具、例えば、超高圧高温焼結時にｃＢＮ焼結体の焼結と同時にＷＣ基超硬合金（裏打ち材）を接合した複合焼結体からなる切刃部とＷＣ基超硬合金工具基体（台金）とを接合部材を介して接合した切削工具において、その接合部の接合強度を改善する方策について鋭意研究した。
その結果、ＷＣ基超硬合金部材同士を、接合層を介して接合した複合部材において、接合部材として、例えば、Ｔｉ箔とＣｕ箔との積層部材を用いて接合することにより、ＷＣ基超硬合金部材に隣接してＴｉＣ相を主体とするＴｉＣ主体層を形成し、さらに、該ＴｉＣ主体層に隣接して４０原子％以上のＴｉと２０原子％以上のＣｕを含有し、かつ、Ｃｏ含有量を３原子％未満に低減した隣接層を形成した場合には、ＷＣ基超硬合金部材から接合層へのＣｏの拡散が抑制されるために、複合部材の接合部に脆弱なＴｉＣｏ相が形成されることはなく、また、Ｃｏの拡散による界面強度の低下が生じることもなく、すぐれた接合強度を備える複合部材を得られることを見出した。
【００１０】
そして、切削工具用の材料として、前記複合部材を用いた場合には、切れ刃に高負荷が作用する鋼や鋳鉄の重切削加工に供した場合であっても、接合部からの破断発生を防止でき、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮することができることを見出したのである。
【００１１】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂが、接合層を介して接合されている複合部材であって、
（ａ）一方のＷＣ基超硬合金部材Ａに隣接して、ＴｉＣ相を５０面積％以上含有するＴｉＣ主体層Ａが０．５〜３μｍの平均層厚で形成され、
（ｂ）前記ＴｉＣ主体層Ａの接合層中央側に隣接して、平均含有量４０原子％以上のＴｉと平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有し、Ｃｏの平均含有量が３原子％未満である隣接層Ａが２〜１５μｍの平均層厚で形成されていることを特徴とする複合部材。
（２）前記（１）に記載の複合部材において、
（ａ）他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂの接合層中央側に隣接して、ＴｉＣ相を５０面積％以上含有するＴｉＣ主体層Ｂが０．５〜３μｍの平均層厚で形成され、
（ｂ）前記ＴｉＣ主体層Ｂの接合層中央側に隣接して、平均含有量４０原子％以上のＴｉと平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有し、Ｃｏの平均含有量が３原子％未満である隣接層Ｂが２〜１５μｍの平均層厚で形成され、
（ｃ）前記隣接層Ａと前記隣接層Ｂの間に残存Ｃｕ層が存在することを特徴とする（１）に記載の複合部材
（３）前記（１）または（２）に記載の複合部材から構成されていることを特徴とする切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１２】
以下に、本発明について、詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すように、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂとの間に接合部材を配置し（図１（ａ）参照）、接合部材を介して一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂとを突き合わせ、所定の加圧力を付加した状態で、所定の温度、時間をかけて、ＷＣ基超硬合金部材と接合部材とを固相拡散接合する（図１（ｂ）参照）ことにより、ＷＣ基超硬合金部材相互が接合層を介して接合された本発明の複合部材を作製することができる（図１（ｃ）参照）。  
【００１４】
図２は、図１（ｃ）の拡大模式図を示すが、図２において、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａに隣接してＴｉＣ主体層Ａが形成され、該ＴｉＣ主体層Ａの接合部層中央側に隣接して隣接層Ａが形成される。
また、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接してＴｉＣ主体層Ｂが形成され、該ＴｉＣ主体層Ｂの接合層中央側に隣接して隣接層Ｂが形成される。
さらに、前記隣接層Ａと前記隣接層Ｂに挟まれる接合層の中央領域には、残存Ｃｕ層が存在することが好ましい。
そして、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ−ＴｉＣ主体層Ａ−隣接層Ａ―（残存Ｃｕ層）−隣接層Ｂ−ＴｉＣ主体層Ｂ−他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂの順に接合された複合部材が構成される。
本発明でいう接合層とは、前記一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと前記他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂとの間に形成された前記ＴｉＣ主体層Ａ、隣接層Ａ、残存Ｃｕ層、隣接層ＢおよびＴｉＣ主体層Ｂからなる層の全体をいう。
【００１５】
複合部材の作製に際し、本発明で採用する固相拡散接合とは、次のような接合手段である。
即ち、接合部材を介してＷＣ基超硬合金部材とＷＣ基超硬合金部材とを突き合わせ、所定の加圧力を付加した状態で、所定の温度、時間保持することにより、接合部材とＷＣ基超硬合金成分を反応させ合金を形成させる。この際、接合層を構成する各層の組成、層厚を適切に制御することにより優れた強度を有する接合とすることができる。
なお、接合部材を用いたＷＣ基超硬合金部材同士の固相拡散接合に際しては、接合部材自身の融点が１０００℃以上の比較的高温であること、１０００℃以下でＷＣ基超硬合金と反応すること、反応で生じる脆性相が接合界面の強度を低下させないように反応を制御することが可能なこと、ＷＣ基超硬合金と接合部材の相互拡散において、拡散速度が不均衡となることにより生じるカーケンダルボイドが発生しにくいこと等の条件が求められる。
本発明では、このような要求に適う接合部材として、例えば、Ｔｉ箔とＣｕ箔の積層箔を使用した。
Ｔｉ箔とＣｕ箔の積層箔の好適な形態は、「２〜１５μｍ厚のＴｉ箔／１〜８μｍ厚のＣｕ箔／２〜１５μｍ厚のＴｉ箔」の様に、Ｃｕ箔の表面と裏面をＴｉ箔で挟み込んだサンドイッチ構造の積層箔である。
【００１６】
本発明は、複合部材の作製にあたり、ＷＣ基超硬合金部材と接合部材とを固相拡散接合させることから、最終的に形成された複合部材の接合層には、成分組成の異なる層、即ち、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａから他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに向けて、ＴｉＣ主体層Ａ、隣接層Ａ、残存Ｃｕ層、隣接層ＢおよびＴｉＣ主体層Ｂの各層が形成される。
そして、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａに隣接して形成されるＴｉＣ主体層Ａ、また、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接して形成されるＴｉＣ主体層Ｂ（なお、以下では、ＴｉＣ主体層ＡとＴｉＣ主体層Ｂを総称して、単に、「ＴｉＣ主体層」という場合がある。）は、主として、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる層であり、該層においてＴｉＣ相が占める面積割合は５０面積％以上であることが好ましい。
また、前記ＴｉＣ主体層の平均層厚は０．５〜３μｍであることが好ましい。
【００１７】
ここで、前記ＴｉＣ主体層の熱膨張係数は、ＷＣ基超硬合金より大きいが金属Ｔｉよりは小さいため、ＴｉＣ主体層の見掛け熱膨張係数は、ＷＣ基超硬合金と金属Ｔｉとの中間の値となる。
したがって、ＷＣ基超硬合金に接してＴｉＣ主体層が形成されることによって、熱膨張係数の違いによりＷＣ基超硬合金と接合層との間に発生する接合時の熱応力が緩和され、また、残留応力の形成も抑制されるため、強固な接合強度を備えた接合部を有する複合部材を得ることができる。
【００１８】
ＴｉＣ主体層にこのような熱膨張係数を有せしめるためには、ＴｉＣ主体層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合を５０面積％以上とすることが必要である。
これは、ＴｉＣ相の平均面積割合が５０面積％未満である場合には、ＴｉＣ主体層の有する応力緩和の作用を十分に果たすことができなくなるからである。
また、ＴｉＣ主体層の層厚が、０．５μｍ未満では十分な応力緩和を図ることができず、一方、層厚が３μｍを超えると、ＴｉＣ主体層の脆性が顕在化し、複合部材の接合層に高負荷が作用した場合にクラックの発生、クラックの進展経路となりやすく、ＷＣ基超硬合金と強固な接合状態を維持することができなくなるので、ＴｉＣ主体層の層厚は、０．５〜３μｍとする。
【００１９】
前記ＴｉＣ主体層Ａに隣接して隣接層Ａが、さらに、前記ＴｉＣ主体層Ｂに隣接して隣接層Ｂが形成されるが、隣接層Ａおよび隣接層Ｂ（なお、以下では、隣接層Ａと隣接層Ｂを総称して、単に、「隣接層」という場合がある。）は、いずれも、平均層厚が２〜１５μｍの層であって、１０原子％以上のＴｉとともに１０原子％以上のＣｕを含有する層である。なお、本発明においては、隣接層におけるＣｏの平均含有量を３原子％未満に低減するという観点から、隣接層は平均含有量４０原子％以上のＴｉとともに平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有することが肝要である。
前記隣接層においては、接合部材として用いた積層箔（例えば、Ｃｕ箔を中間に設けたＴｉ箔／Ｃｕ箔／Ｔｉ箔というサンドイッチ構造の積層箔）のＣｕ成分の作用により、ＷＣ基超硬合金部材からのＣｏの拡散が抑えられるため、隣接層におけるＣｏの平均含有量は３原子％未満に低減・抑制される。
その結果、複合部材の隣接層には脆弱なＴｉＣｏ相が形成されることはなく、また、Ｃｏの拡散にともなうＷＣ基超硬合金部材内部の空隙形成による接合界面強度の低下が生じることもないため、すぐれた接合強度を備えた複合部材となる。
なお、隣接層に含有されるＣｏの平均含有量が３％未満となるのは、接合部材として用いたＣｕ成分の作用によるものであるが、既述のＴｉＣ主体層においても、ＷＣ基超硬合金部材から拡散してきたＷ、Ｃあるいは接合部材の成分であるＣｕが微量含有されることはあるが、ＷＣ基超硬合金部材からの拡散によるＣｏの含有はほとんど観察されることがなく、これも、接合部材として用いたＣｕ成分の作用によるものであると推測される。
【００２０】
前記隣接層の平均層厚は、２μｍ未満であると、隣接層が断続的に形成され、隣接層の間隙からＷＣ基超硬合金部材のＣｏが拡散し、部分的に脆弱なＴｉＣｏ相が形成され、また、ＷＣ基超硬合金部材内部の空隙形成による接合界面強度の低下が生じ、一方、隣接層の平均層厚が１５μｍを超える場合には、隣接層内に形成されるＴｉ−Ｃｕ金属間化合物の脆性が顕在化し、隣接層内破断を生じやすくなることから、隣接層の平均層厚は、２〜１５μｍとする。
なお、隣接層には、平均含有量４０原子％以上のＴｉが含有されるとともに、平均含有量２０原子％以上のＣｕも含有されていることにより、ＷＣ基超硬合金部材からのＣｏ拡散を抑止する効果が顕著に発揮され、隣接層におけるＣｏの平均含有量が３原子％未満になるが、隣接層におけるＴｉの平均含有量が４０原子％未満、もしくはＣｕの平均含有量が２０原子％未満になると、ＷＣ基超硬合金部材からのＣｏ拡散を抑止する作用が低減され、隣接層におけるＣｏの平均含有量が３原子％以上となってしまうので、隣接層のＴｉの平均含有量は４０原子％以上、Ｃｕの平均含有量は２０原子％以上とする。
また、前記隣接層Ａと前記隣接層Ｂに挟まれる接合層の中央領域には、残存Ｃｕ層が存在することが好ましいが、残存Ｃｕ層の層厚が５０μｍを超えると残存Ｃｕ層内部での破断が生じやすくなることから、残存Ｃｕ層の層厚は５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明の複合部材は、例えば、以下に示す方法によって作製することができる。
まず、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂの、それぞれの接合面にブラスト処理を施して、接合面に歪を導入する前処理を行う。
次いで、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂとの間に、接合部材であるＴｉ箔とＣｕ箔の積層箔（例えば、Ｔｉ箔／Ｃｕ箔／Ｔｉ箔からなるサンドイッチ構造の積層箔）を挟み込み、これを、真空中、７００〜９００℃の所定温度に５〜６００分間保持し、加圧力０．５〜１０ＭＰａの条件で加圧し、固相拡散接合することによって、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂとが接合層を介して接合された複合部材を作製することができる。  
ここで、ＷＣ基超硬合金部材の接合面に、歪を導入する前処理を行ったことにより、接合時にＷＣとＴｉとの反応が促進され、７００〜９００℃という比較的低温条件下でも均一な反応が実現され、ＴｉＣ主体層と隣接層が所定の層厚で形成され、また、隣接層Ａと隣接層Ｂに挟まれた接合層のほぼ中央部に残存Ｃｕ層を残留形成することも可能である。
【００２２】
本発明の複合部材は、例えば、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａを切刃部側とし、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂを工具基体とすることにより切削工具を構成することができる。
つまり、複合部材の一方のＷＣ基超硬合金部材Ａを、切刃部側であるｃＢＮ焼結体の裏打ち材とし、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂを工具基体（台金）とすることにより、ｃＢＮ切削工具を形成することができる。
【００２３】
本発明の複合部材の接合層の測定方法として、走査型電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分光器を用いて、接合層を縦断面観察し、ＷＣ基超硬合金部材と接合層の界面を中心として、界面に垂直な方向±１００μｍの範囲内において元素マッピングを行う。マッピングの結果からＷＣ、Ｃｏ、金属Ｗ、ＴｉＣ、ＴｉＣｕ相、Ｔｉ、Ｃｕの各々の存在箇所を特定すると共に、ＷＣとＣｏが存在する箇所を超硬合金部材、金属ＷとＴｉＣが存在する箇所をＴｉＣ主体層、ＴｉとＣｕが各々１０原子％以上存在する箇所を隣接層、主として金属Ｃｕが存在する箇所を残存Ｃｕ層とする。
ＷＣ基超硬合金部材同士の突き合わせ面に垂直な直線を１μｍ以上の間隔で１０本引き、これら直線が各層を横断する距離を平均することにより各層の厚さを求める。また、マッピング結果から画像処理によりＴｉＣ主体層および隣接層を分離、抽出すると共に、ＴｉＣ主体層内のＴｉＣ相が占める面積割合を求めることができる。更に、隣接層内で互いに１μｍ以上離れた点１０点の点組成分析を行い、その平均値から隣接層内のＴｉ、ＣｕおよびＣｏの平均含有量を求めることができる。
なお、ＴｉＣ主体層には、Ｃｕがほとんど含有されないことを確認している。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａと他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂを、接合部材としてＴｉ箔とＣｕ箔の積層箔を用い、固相拡散接合によって形成した接合層を介して接合した複合部材であって、該接合層は、ＴｉＣ主体層と、平均含有量４０原子％以上のＴｉと平均含有量２０原子％以上のＣｕを含有し、かつ、Ｃｏの平均含有量が３原子％未満である隣接層と、好ましくは残存Ｃｕ層からなり、かつ、脆弱なＴｉＣｏ層を形成することなく、Ｃｏ拡散による界面強度の低下を防止し、さらに、複合部材全体にわたっての熱膨張係数を制御することによって内部残留応力をできるだけ小さくしていることから、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ−接合層−他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂ間ですぐれた接合強度を有し、その結果、複合部材全体としての強度も向上し、複合部材に高負荷が作用したような場合でも、接合層部分での破断を生じることはない。
したがって、上記複合部材から構成される切削工具は、切刃に高負荷が作用する重切削加工に供した場合であっても、接合層部分からの破断を生じることはないため、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の複合部材の作製過程を示した模式図であって、（ａ）は、接合前、（ｂ）は固相拡散接合時、（ｃ）は接合後の複合部材を示す。
【図２】図１（ｃ）の拡大模式図を示す。
【図３】本発明の複合部材のＷＣ基超硬合金部材―ＴｉＣ主体層−隣接層近傍のマッピング像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
つぎに、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
なお、以下に記載する実施例は、本発明の一つの態様であって、本発明は、この実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２７】
原料粉末として、いずれも０．５〜１μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度１４００℃、保持時間１時間の条件で焼結し、表１に示される４種のＷＣ基超硬合金焼結体（以下、単に「超硬合金」と云う）Ａ−１〜Ａ−４を形成した。
【００２８】
【表１】
2019063901.tif 000003
【００２９】
次に、ｃＢＮ焼結体の原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＢ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＡｌＮ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を用意し、これら原料粉末を所定の配合組成で配合し、ボールミルで２４時間アセトンを用いて湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で直径１５ｍｍ×厚さ１ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形した。
ついで、前記超硬合金Ａ−１〜Ａ−４を、直径１５ｍｍ×厚さ２ｍｍのサイズの焼結体とし、これを、ｃＢＮ焼結体の焼結時の裏打ち材とし、裏打ち材上に前記ｃＢＮ圧粉体を表２に示す組合せで積層し、ついでこの積層体を、超高圧発生装置を用いて、温度：１３００℃、圧力：５．５ＧＰａ、時間：３０分の条件で焼結し、複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４を作製した。
複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４のｃＢＮ焼結体の組成について、ｃＢＮ焼結体断面研磨面のＳＥＭ観察結果の画像分析によりｃＢＮの面積％を容量％として求めた。
ｃＢＮ以外の成分については、主結合相およびその他の結合相を構成している成分を確認するに止めた。その結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
次に、表３に示されるＴｉ箔／Ｃｕ箔／Ｔｉ箔からなる積層箔等を接合部材として用意した。
【００３２】
次いで、超硬合金Ａ−１〜Ａ−４と複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４の間に、表３に示される接合部材を挿入介在させ、表４に示す条件、即ち、１〜５０μｍの厚さのＴｉ箔／Ｃｕ箔／Ｔｉ箔からなる積層箔を接合部材とし、１×１０−３Ｐａ以下の真空中、７００〜９００℃の範囲内の所定温度に５〜６００分間保持し、０．５〜１０ＭＰａの加圧力を付加した条件、で複合焼結体と超硬合金を加圧接合し、表６に示す本発明複合部材１〜９を作製した。なお、複合焼結体はｃＢＮ焼結体が外面、裏打ち材が内面となるよう、即ち裏打ち材であるＷＣ基超硬合金と工具基体（台金）であるＷＣ基超硬合金が接合部材を介し接合するように配置した。
【００３３】
比較のために、表３に示される接合部材を用い、これを、超硬合金Ａ−１〜Ａ−４と複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４の間に介在装入し、表５に示す条件で、複合焼結体と超硬合金を加圧接合し、表８に示す比較例複合部材１〜１０を作製した。複合焼結体の接合配置は本発明複合部材と同様とした。
【００３４】
【表３】
2019063901.tif 000005
【００３５】
【表４】
2019063901.tif 000006
【００３６】
【表５】
2019063901.tif 000007
【００３７】
高温せん断強度測定試験：
上記で作製した本発明複合部材１〜９及び比較例複合部材１〜１０について、接合部の強度を測定するためにせん断強度測定試験を行った。
試験に使用する試験片は、上記で作製した本発明複合部材１〜９及び比較例複合部材１〜１０から、複合焼結体：１．５ｍｍ（Ｗ）×１．５ｍｍ（Ｌ）×０．７５ｍｍ（Ｈ）、ＷＣ基超硬合金基体（台金）：１．５ｍｍ（Ｗ）×４．５ｍｍ（Ｌ）×１．５ｍｍ（Ｈ）のサイズとなるように切り出してせん断強度測定用試験片とした。
試験片の上下面をクランプで把持固定し、１辺が１．５ｍｍの超硬合金からなる角柱状の押圧片を用い、雰囲気温度を６００℃として、試験片の上面略中心付近に荷重を加え、試験片が破断する荷重を測定した。
表６、表７に、測定されたせん断強度の値を示す。
【００３８】
また、本発明複合部材１〜９及び比較例複合部材１〜１０について、ＷＣ基超硬合金と接合部の縦断面の組成分析を、走査型電子顕微鏡及びエネルギー分散型Ｘ線分光器を用いて行った。
ＷＣ基超硬合金部材と接合層の界面を中心として、界面に垂直な方向±１００μｍの範囲内において、元素マッピングを行い、ＷＣ相、Ｃｏ相、ＴｉＣ相、金属Ｗ相、ＴｉＣｕ相および金属Ｃｕ相を特定するとともに、超硬合金部材、ＴｉＣ主体層、隣接層、残存Ｃｕ層を特定した。隣接層はＴｉ及びＣｕを各々１０原子％以上含有する層を隣接層として特定した。
元素マッピングの結果から、ＴｉＣ主体層におけるＴｉＣ相が占める面積割合を測定した。
また、ＴｉＣ主体層については、該層を超硬部材側層、中央層、隣接層側層と厚さ方向に三等分し、元素マッピング結果から各層における金属Ｗ相の面積割合を求めた。
さらに、ＴｉＣ主体層、隣接層および残存Ｃｕ層の層厚を求めた。
隣接層内で互いに１μｍ以上離れた点１０点の点組成分析を行い、その平均値から隣接層内のＴｉ、ＣｕおよびＣｏの平均含有量を求めた。
なお、Ｃｕ含有量が９０原子％を超えて含有される接合層の中央部分領域を、残存Ｃｕ層として特定した。
表６、表８に、ＴｉＣ主体層Ａ、隣接層Ａ、残存Ｃｕ層、ならびにせん断強度結果を示す。
表７、表９にＴｉＣ主体層Ｂ、隣接層Ｂの測定結果を示す。なお、本発明複合部材１〜４および比較例複合部材１〜４、１０についてはＴｉＣ主体層Ａと隣接層Ａ、およびＴｉＣ主体層Ｂと隣接層Ｂが実質的に同等であったため、ＴｉＣ主体層Ｂと隣接層Ｂの記載は省略した。
【００３９】
【表６】
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【００４０】
【表７】
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【００４１】
【表８】
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【００４２】
【表９】
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【００４３】
次に、本発明複合部材１〜９及び比較例複合部材１〜１０からなる切削工具を作製し、切削加工における破断発生の有無を調査した。
複合部材からなる切削工具は、以下のように作製した。
前記で作製した複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４を、平面形状：開き角８０°の一辺が４ｍｍの二等辺三角形×厚さ：２ｍｍの寸法に切断した。続いて、前記超硬合金Ａ−１〜Ａ−４を、平面形状：１２．７ｍｍの内接円で開き角８０°の菱形×厚さ：４．７６ｍｍの寸法の焼結体とし、この焼結体の上下平行面の内、何れかの面の１角を、研削盤を用いて上記複合焼結体の形状に対応した大きさの切欠きを形成した。この切欠きの底面の面積は２．９６ｍｍ２であり、側面の面積は４．８９ｍｍ２である。次いで、超硬合金Ａ−１〜Ａ−４と複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４の間に、表３に示される接合部材を挿入介在させ、表４に示す条件で複合焼結体とＷＣ基超硬合金を加圧接合し、この複合部材を外周研磨加工後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状を有する、本発明切削工具１〜９を作製した。
なお、複合焼結体はｃＢＮ焼結体が外面、裏打ち材が内面となるよう、即ち、裏打ち材と工具基体（台金）が接合部材を介し接合するように配置した。
また、これら本発明切削工具１〜９の接合部は表６に示す本発明複合部材１〜９と実質的に同様であることを確認した。
同様に、前記で作製した複合焼結体Ｂ−１〜Ｂ−４と、前記で作製した超硬合金Ａ−１〜Ａ−４の間に、表３に示す接合部材を挿入介在させ、表５に示す条件で加圧接合し、比較例切削工具１〜１０を作製した。
また、これら比較例切削工具１〜１０の接合部は表８に示す比較例複合部材１〜１０と実質的に同様であることを確認した。
【００４４】
つぎに、前記各種の切削工具をいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明切削工具１〜９、比較例切削工具１〜１０について、以下に示す浸炭焼き入れ鋼の乾式高速切削試験を行い、刃先脱落および破断部の場所を観察した。
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５（硬さ：５８ＨＲｃ）の丸棒、
切削速度：２８０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．４  ｍｍ、
送り：０．２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１８分、
（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
表１０に、切削試験結果を示す。
【００４５】
【表１０】
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【００４６】
表６、表８に示されるせん断強度の値から、本発明複合部材１〜９は、比較例複合部材１〜１０に比して、すぐれた接合強度を有することが分かる。
また、表１０に示される結果から、本発明複合部材１〜９によって構成される本発明切削工具１〜９は、刃先の脱落もなく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、比較例複合部材１〜１０から構成される比較例切削工具１〜１０は、切削中に接合部から刃先脱落が生じ、早期に工具寿命に至ることが分かる。
【００４７】
なお、本実施例においては、インサートを例にとって具体的に説明したが、本発明は、インサートに限られることなく、ドリル、エンドミルなど切刃部と工具本体との接合部をもつすべての切削工具、ビット等の掘削工具に適用可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の複合部材は、その接合強度が大であり、この複合部材から作製した切削工具は、各種の鋼や鋳鉄などの高負荷切削加工に使用することができ、しかも、長期に亘って安定した切削性能を発揮するものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに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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