(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１サーメット部と、該第１サーメット部の表面に配置されて少なくとも切刃を構成する第２サーメット部とが積層された平板状からなり、
前記第１サーメット部および前記第２サーメット部は、Ｔｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種以上からなる硬質相と、主として鉄族金属からなる結合相とから構成されて、前記第２サーメット部は前記第１サーメット部よりも結合相の存在割合が少ないことによって、焼成の際に前記第２サーメット部の収縮が前記第１サーメット部の収縮よりも小さく、前記第１サーメット部の側面が前記第２サーメット部の側面よりも凹んだサーメット積層体からなる切削工具。
【請求項２】
前記第２サーメット部の厚みはサーメット全体の厚みに対して１０〜５０％である請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記第１サーメット部と前記第２サーメット部との界面に３００〜１５００μｍ厚みの拡散層が存在する請求項１または２記載の切削工具。
【請求項４】
前記第１サーメット部と前記第２サーメット部との界面が凹凸状である請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
【請求項５】
異なる２種類の混合原料を調製する工程と、第１サーメット部用の第１の原料粉末からなる第１成形体部の上面、下面、または上下面に、第２サーメット部用の第２の原料粉末からなる第２成形体部を配置して積層した板状成形体を作製する工程と、該板状成形体を焼成して、
第１サーメット部と、該第１サーメット部の表面に配置されて少なくとも切刃を構成する第２サーメット部とが積層された平板状からなり、
前記第１サーメット部および前記第２サーメット部は、Ｔｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種以上からなる硬質相と、主として鉄族金属からなる結合相とから構成されて、前記第２サーメット部は前記第１サーメット部よりも結合相の存在割合が少ないことによって、焼成の際に前記第２サーメット部の収縮が前記第１サーメット部の収縮よりも小さく、前記第１サーメット部の側面が前記第２サーメット部の側面よりも凹んだ積層体を作製する工程を具備する切削工具の製造方法。
【請求項６】
第１成形体部は平均顆粒径が１５０〜２１０μｍの粗粒顆粒のみにて構成し、前記第２成形体部は平均顆粒径が１５０〜２１０μｍの粗粒顆粒と平均顆粒径が４０〜６０μｍの微粒顆粒との混合顆粒にて構成される請求項５記載の切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサーメット焼結体からなる切削工具およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、切削工具としてダイヤモンド焼結体、セラミック焼結体、超硬合金やＴｉ基サーメット等のサーメットが広く使われている。例えば、特許文献１では、セラミック焼結体、サーメット、金属等を中心に配置して、その最外周にダイヤモンド焼結体を同心状に配置させてＳＨＳ／ＨＩＰプロセスで焼成することにより、ダイヤモンド焼結体に圧縮応力を付与した積層構造焼結体が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−０１１００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のように焼結体の外周面に同心状に異なる焼結体を積層した構造では、最外層が圧縮応力を有するものの、複雑な形状の成形体を作製することは困難であり、特に側面にポジ角をつけるような複雑な形状を作製することが難しかった。また、外側に配置される同心状の焼結体層においては、その厚みが薄くなるほど厚みバラツキが大きくなり、焼結体を安定して生産できないという課題があった。
【０００５】
本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は切刃における耐欠損性が高いサーメット焼結体からなる切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の切削工具は、第１サーメット部と、該第１サーメット部の表面に配置されて少なくとも切刃を構成する第２サーメット部とが積層された平板状からなり、
前記第１サーメット部および前記第２サーメット部は、Ｔｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種以上からなる硬質相と、主として鉄族金属からなる結合相とから構成されて、前記第２サーメット部は前記第１サーメット部よりも結合相の存在割合が少ないことによって、焼成の際に前記第２サーメット部の収縮が前記第１サーメット部の収縮よりも小さく、前記第１サーメット部の側面が前記第２サーメット部の側面よりも凹んだサーメット積層体からなる。
【０００７】
ここで、前記第２サーメット部の厚みはサーメット全体の厚みに対して１０〜５０％であってもよい。
【０００８】
また、前記第１サーメット部と前記第２サーメット部との界面に３００〜１５００μｍ厚みの拡散層が存在してもよい。
【０００９】
さらに、前記第１サーメット部と前記第２サーメット部との界面が凹凸状であってもよい。
【００１０】
また、本発明の切削工具の製造方法は、異なる２種類の混合原料を調製する工程と、第１サーメット部用の第１の原料粉末からなる第１成形体部の上面、下面、または上下面に、第２サーメット部用の第２の原料粉末からなる第２成形体部を配置して積層した板状成形体を作製する工程と、該板状成形体を焼成して、第１サーメット部と、該第１サーメット部の表面に配置されて少なくとも切刃を構成する第２サーメット部とが積層された平板状からなり、前記第１サーメット部および前記第２サーメット部は、Ｔｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種以上からなる硬質相と、主として鉄族金属からなる結合相とから構成されて、前記第２サーメット部は前記第１サーメット部よりも結合相の存在割合が少ないことによって、焼成の際に前記第２サーメット部の収縮が前記第１サーメット部の収縮よりも小さく、前記第１サーメット部の側面が前記第２サーメット部の側面よりも凹んだ積層体を作製する工程を具備する。
【００１１】
ここで、前記第１成形体部は平均顆粒径が１５０〜２１０μｍの粗粒顆粒のみにて構成し、前記第２成形体部は平均顆粒径が１５０〜２１０μｍの粗粒顆粒と平均顆粒径が４０〜６０μｍの微粒顆粒との混合顆粒にて構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の切削工具によれば、前記第２サーメット部は前記第１サーメット部よりも結合相の存在割合が少なく、かつ前記第１サーメット部の側面が前記第２サーメット部の側面よりも凹んだサーメット積層体からなるため、第２サーメットには焼成によって圧縮残留応力がかかることになり、第２サーメットの表面に存在する切刃にも圧縮応力が存在するので、切刃における耐欠損性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図、（ｂ）断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の切削工具の一例について、その（ａ）概略斜視図、（ｂ）断面模式図である図１を基に説明する。
【００１５】
図１の切削工具１は、第１サーメット部２と、第１サーメット部２の表面上に配置されて少なくとも切刃７を構成する第２サーメット部３とが積層されている。そして、第１サーメット部２および第２サーメット部３は、周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの固溶体の中から選ばれた１種以上からなる硬質相（図示せず。）と、主として鉄族金属からなる結合相（図示せず。）とから構成され、硬質相は、ＴｉＣＮを主成分とする第１硬質相と、周期表第４、５および６族金属の少なくとも１種とＴｉとの複合炭窒化物固溶体の第２硬質相とからなる。
【００１６】
そして、第２サーメット部３は第１サーメット部２よりも結合相の存在割合が少ない構成となっている。
【００１７】
上記構成によって、切刃７は切削性能が高い第２サーメット部３の組織からなるとともに、基体を構成する第１サーメット部２は第２サーメット３の端部に位置する切刃に圧縮応力を付与することができて、切削工具１の耐欠損性を向上させることができる。なお、図１の切削工具１のすくい面８の中央部にはネジ穴１４が形成されている。
【００１８】
なお、切削工具１に含有される硬質相をなすＴｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属の窒化物または炭窒化物の合計含有比率は、サーメット全体で見て８０〜９０質量％であることが望ましく、一方、結合相の含有比率は、サーメット全体で見て１０〜２０質量％であることによって、サーメットの硬度および靭性のバランスに優れたものとなる。そして、第１サーメット部２においては、第２サーメット部３に圧縮応力を付与するために、硬質相の含有比率が７５〜８５質量％、結合相の含有比率が１５〜２５質量％で
あることが望ましい。また、第２サーメット部３においては、耐摩耗性の維持の点で、硬質相の含有比率が９０〜９５質量％、結合相の含有比率が５〜１０質量％であることが望ましい。さらに、結合相としては、鉄族金属の総量に対してＣｏを６５質量％以上含有することが切削工具１の耐熱衝撃性を高めるために望ましい。なお、サーメットの焼肌面が平滑な面となるようにサーメットの良好な焼結性を維持するためには、鉄族金属としてＮｉを５〜５０質量％、特に１０〜３５質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００１９】
ここで、第２サーメット部３の厚みはサーメット全体の厚みに対して１０〜５０％であることが望ましい。なお、第２サーメット部３が上下層の両方に同じ厚みで存在する場合には、片方の第２サーメット部３の厚みはサーメット全体の厚みに対して５〜２５％となる。
【００２０】
また、第１サーメット部２と第２サーメット部３との界面に３００〜１５００μｍ厚みの拡散層６が存在することが、第１サーメット部２と第２サーメット部３との界面における密着性を高めることができる点で望ましい。
【００２１】
さらに、第１サーメット部２と第２サーメット部３との界面を凹凸状とすることによって、界面での剥離を抑制できる点で望ましい。
（製造方法）
次に、上述したサーメット焼結体からなる切削工具の製造方法について説明する。
【００２２】
原料として、２種類の混合原料粉末を準備する。
まず、第１サーメット部用の第１の原料粉末は低温で焼結する組成からなり、具体的には、平均粒径０．５〜２．０μｍ、望ましくは０．５〜１．２μｍのＴｉＣＮ粉末と、平均粒径０．１〜４μｍの上述した他の周期表第４、５および６族金属の炭化物粉末、窒化物粉末または炭窒化物粉末のいずれか１種と、平均粒径１．０〜１．５μｍのＣｏ粉末と平均粒径０．３〜０．８μｍのＮｉ粉末との少なくとも１種と、所望により平均粒径０．５〜１０μｍのＭｎＣＯ３粉末を混合した混合粉末とする。
【００２３】
一方、第２サーメット部用の第２の原料粉末は第１の原料粉末よりも焼成温度の高い組成からなり、平均粒径０．５〜２．０μｍ、望ましくは１．０〜１．５μｍのＴｉＣＮ粉末と、平均粒径０．１〜１０μｍの上述した他の周期表第４、５および６族金属の炭化物粉末、窒化物粉末または炭窒化物粉末のいずれか１種と、平均粒径１．０〜１．５μｍのＣｏ粉末と平均粒径０．３〜０．８μｍのＮｉ粉末との少なくとも１種と、所望により平均粒径０．５〜１０μｍのＭｎＣＯ３粉末を混合した混合粉末とする。
【００２４】
ここで、前記第２の原料粉末の鉄族金属含有量が前記第１の原料粉末の鉄族金属含有量よりも少ないか、または前記第２の原料粉末を構成する一次原料の平均粒径が前記第１の原料粉末の平均粒径よりも大きいことが望ましい。
【００２５】
なお、上記第１および第２の原料粉末中にＴｉＣ粉末やＴｉＮ粉末を添加することもあるが、これらの原料粉末は焼成後のサーメットにおいてＴｉＣＮを構成する。
【００２６】
また、第１成形体部は平均顆粒径が９０〜１５０μｍの粗粒顆粒のみにて構成し、前記第２成形体部は平均顆粒径が１００〜１５０μｍの粗粒顆粒と平均顆粒径が４０〜６０μｍの微粒顆粒との混合顆粒にて構成されることが、後述する成形体における生密度を均一化できて、積層焼結体の上下反りを低減できる点で望ましい。
【００２７】
次に、上記異なる２種類の混合原料を用いて平板状の切削工具形状に成形する。成形方法としては、プレス金型の中に、第２の原料粉末を上面、下面、または上下面に配置する
とともに、中央部に第１の原料粉末を配置して積層した状態でプレス成形する方法が好適である。その他に、第２の原料粉末のみを用いてプレス成形した成形体の表面に第１の原料粉末を含むスラリーを塗布する方法も挙げられるが、切削工具の切刃における寸法精度を高めるとともに切刃における焼結体の密度を高めるためには、両粉末を積層した状態でプレス成形する方法が好適である。
【００２８】
第１の原料粉末の上／下面に第２の原料粉末を配置する方法としては、第１の原料粉末を充填して平らに均した後、第２の原料粉末を投入する方法や、第１の原料粉末を投入して上パンチを降下させて低圧で一旦仮成形し、その後、上パンチを上昇させて第２の原料粉末を投入し、再度、上パンチを降下させて仮成形することを繰り返し、最後に所定圧力で成形する方法が好適に採用できる。
【００２９】
このとき、第１の原料粉末を充填して平らに均す代わりに、パンチ面に凹凸を刻印した代用上パンチで充填した第１の原料粉末の表面を仮押し、第２の原料粉末を投入することによって、焼結体において、第１サーメット部２と第２サーメット部３との界面が凹凸状を形成することができる。その後、上記成形体を焼成することにより、第１サーメット部２よりも第２サーメット部３のほうが焼成収縮後の寸法が大きいので、上述した所定組織
のサーメットを作製することができる。
具体的な焼成条件の一例としては、
（ａ）１０５０〜１２５０℃まで昇温し、
（ｂ）窒素（Ｎ２）等の不活性ガスを３０〜２０００Ｐａ充填した雰囲気で０．１〜２℃／分の昇温速度で１３００〜１４５０℃まで昇温し、
（ｃ）真空雰囲気で３〜１５℃／分の昇温速度で１５２０〜１６００℃まで昇温するとともに、真空雰囲気のまま、または不活性ガスを充填した雰囲気で０．５〜２時間維持し、（ｄ）６〜１５℃／分の冷却速度で冷却する工程にて焼成する。
なお、焼成温度が１５２０℃より低いと、第１サーメット部は変形せずサーメットの表面に圧縮応力を付与することができず、サーメット焼結体の表面における耐欠損性が低下する。
【００３０】
そして、所望により、サーメットの表面に被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法が好適に適応可能である。
【実施例】
【００３１】
マイクロトラック法による測定で表１に示す平均粒径（ｄ５０値）のＴｉＣＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径２．０μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．１μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径１．８μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．６μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．４μｍのＮｉ粉末、および平均粒径１．２μｍのＣｏ粉末を用いて、表１に示す割合で調製した第１の原料粉末をステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を添加して湿式混合し、パラフィンを３質量％添加、混合した後、スプレードライヤにて顆粒とした。
【００３２】
同様に、上記原料粉末を用いて表１に示す第２の原料粉末を調製し、バインダを混合して、スプレードライヤにて第２の原料粉末の顆粒を作製した。なお、試料Ｎｏ．１〜３については、第１の原料粉末の顆粒は、メッシュ篩によって７段階に分けて１５０μｍ〜２１０μｍの粗粒顆粒とのみを使用し、第２の原料粉末の顆粒は、メッシュ篩によって７段階に分けて、２〜３番目に粗い１５０μｍ〜２１０μｍの粗粒顆粒と１〜２番目に細かい４０μｍ〜６０μｍの微粒顆粒とを混合した混合粉末を使った。
【００３３】
そして、この成形用の原料粉末を用いて、金型のうすの中に第２の原料粉末を投入して平らに均して上パンチを降下させて手押しで仮成形した後、上パンチを上昇させ、この仮成形した粉末の上に第１の原料粉末を投入して平らに均し、上記同様に仮成形を行い、さ
らにこの製粒した粉末の上に第２の原料粉末を投入して平らに均し、最後に上パンチを降下させて２００ＭＰａで加圧してＣＮＭＡ１２０４０１２（チップ厚み４．７６ｍｍ）の工具形状にプレス成形した。
【００３４】
さらに、この成形体を焼成炉に投入して、（ａ）１０℃／分の昇温速度で１２００℃まで昇温し、（ｂ）窒素（Ｎ２）を１０００Ｐａ充填した雰囲気で０．５℃／分の昇温速度で１４００℃まで昇温し、（ｃ）真空雰囲気で７℃／分の昇温速度で表１に示す温度まで昇温するとともに、その状態で１時間維持し、（ｄ）１０℃／分の冷却速度で冷却する工程にて焼成する焼成条件で焼成した。
【００３５】
【表１】
0005676955.tif 000002
次に、金属顕微鏡を用いてサーメットの側面（逃げ面）形状をトレースし、側面の中央部における凹み量（図１（ｂ）のｗ）を算出した。また、焼結体の走査型電子顕微鏡観察を行い、各サーメットの組織観察を行うとともに、エネルギー分散分光分析にて第１サーメット部と第２サーメット部の界面における各金属元素の分布を分析して、第２サーメット部の厚み、および拡散層の厚みを確認した。結果は表２に示した。
【００３６】
【表２】
0005676955.tif 000003
また、得られたサーメット製の切削工具を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
（耐摩耗性評価）
被削材：ＦＣ２５０
切削速度：３５０ｍ／分
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１．０ｍｍ
切削状態：湿式（水溶性切削液使用）
評価方法：摩耗量が０．２ｍｍに達するまでの時間
（耐欠損性評価）
被削材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：１００ｍ／分
送り：０．０５〜０．５０ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：２．０ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：各送り１０秒で欠損するまでの時間（秒）
【００３７】
【表３】
0005676955.tif 000004
表１〜３より、全体が均一な組成からなる試料Ｎｏ．６は、切刃の耐欠損性が低くて早期に欠損した。また、第１サーメット部の上下面に第２サーメット部を積層した構成からなるが、第１サーメット部の側面が膨らんだ試料Ｎｏ．５では、工具本体への装着にがたつきが発生し、切削評価においても早期に欠損した。
【００３８】
これに対し、本発明の範囲内の組織となったサーメットからなる試料Ｎｏ．１〜４では、優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐欠損性も良好であり、工具寿命が長いものであった。
【符号の説明】
【００３９】
１    切削工具
２    第１サーメット部
３    第２サーメット部
６    拡散層
７    切刃
８    すくい面
９    逃げ面
１４  ネジ穴
【図１】
0005676955.tif 000005