(57)【要約】  被削材の仕上げ面粗さを小さくし、耐摩耗性、耐欠損性および耐チッピング性に優れ、工具寿命を延長できるサーメット工具を提供する。  ７５〜９５体積％の硬質相と５〜２５体積％の結合相からなり、硬質相は芯部が（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）、周辺部が（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）または（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）の第１硬質相と、芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）または（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）の第２硬質相と、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）の第３硬質相で構成され、表面領域の最大Ｎｂ量Ｎｂｓと内部領域の内部Ｎｂ量Ｎｂｉの関係、Ｎｂｓ／Ｎｂｉは０．８〜１．２、表面領域の最大Ｗ量Ｗｓと内部領域の内部Ｗ量Ｗｉの関係Ｗｓ／Ｗｉは１．０〜１．５、各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３は、Ａ１が７５〜９５面積％、Ａ２が４〜２４面積％、Ａ３が１〜２４面積％であるサーメット工具。【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質相を７５体積％以上９５体積％以下と、
結合相を５体積％以上２５体積％以下とからなるサーメット工具であって、
前記硬質相は、
（ａ）芯部がＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物相、周辺部がＴｉとＮｂとＭｏとＷとＺｒとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相、またはＴｉとＮｂとＭｏとＷとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相からなる有芯構造の第１硬質相、
（ｂ）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）相、または（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）相からなる有芯構造の第２硬質相、
（ｃ）ＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物相からなる第３硬質相、
の以上（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で構成され、
前記結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選択された少なくとも１種を主成分とする元素で構成され、
前記サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域における前記Ｎｂ元素濃度の最大含有量をＮｂｓ、前記表面領域よりも内部の内部領域における前記Ｎｂ元素濃度の内部含有量をＮｂｉとしたとき、Ｎｂｓ／Ｎｂｉは、０．８以上１．２以下であり、
前記表面領域における前記Ｗ元素濃度の最大含有量をＷｓ、前記内部領域における前記Ｗ元素濃度の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉは、１．０以上１．５以下であり、
サーメット工具の前記内部領域における断面において、前記第１硬質相の面積率をＡ１、前記第２硬質相の面積率をＡ２、前記第３硬質相の面積率をＡ３とし、前記硬質相全体の面積を１００面積％としたとき、前記Ａ１が７５面積％以上９５面積％以下、前記Ａ２が４面積％以上２４面積％以下、前記Ａ３が１面積％以上２４面積％以下であるサーメット工具。
【請求項２】
前記表面領域におけるビッカース硬さをＨｓ、前記内部領域におけるビッカース硬さをＨｉとしたとき、Ｈｓ／Ｈｉは、１．１以上１．３以下である請求項１に記載のサーメット工具。
【請求項３】
前記表面領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｓ、前記内部領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｉとしたとき、Ｃ１ｓ／Ｃ１ｉは、０．３以上０．９以下である請求項１または２に記載のサーメット工具。
【請求項４】
前記表面領域における前記硬質相の平均粒径をｄｓ、前記内部領域における前記硬質相の平均粒径をｄｉとしたとき、ｄｓ／ｄｉは、１．０以上２．０以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーメット工具。
【請求項５】
前記硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーメット工具。
【請求項６】
前記硬質相に含まれるＮｂの一部をＴａで置換したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のサーメット工具。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーメット工具の表面に被覆層が形成された被覆サーメット工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサーメット工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サーメット工具は、超硬合金工具に比べて鉄との耐反応性や高温強度に優れており、その特性を生かして仕上げ加工に用いられている。例えば、特許文献１には、芯部がＴｉとＮｂとＺｒの複合炭窒化物相、周辺部がＴｉとＮｂとＺｒとＷ、またはＴｉとＮｂとＺｒとＷとＴａの複合炭窒化物相からなる有芯構造の第１硬質相と、芯部および周辺部の両方がＴｉとＮｂとＺｒとＷの複合炭窒化物相、またはＴｉとＮｂとＺｒとＷとＴａの複合炭窒化物相からなる有芯構造の第２硬質相とを有するサーメット工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−６９３１１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、近年の切削加工では高速化、高送り化および深切込み化が顕著に行われている。このような、高温発熱を伴う高速切削条件においては、従来よりも工具寿命が低下する傾向がみられる。すなわち、上記従来のサーメット工具では、硬質相の粒子間の強度が不十分であるため、高温発熱を伴う高速切削条件において、硬質相粒子が脱落することにより、被削材の仕上げ面粗さが粗くなるという問題があった。また、硬質相の硬さが優れるが、耐チッピング性および耐欠損性が劣るという問題があった。【０００５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。本発明は、被削材の仕上げ面粗さを小さくし、耐摩耗性を低下させることなく、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有し、工具寿命の長いサーメット工具の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、サーメット工具について種々の検討を行った。その結果、本発明者は、サーメット工具の硬質相の組成を工夫することによって、耐摩耗性を低下させることなく、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有し、被削材の仕上げ面粗さを小さくするサーメット工具を得ることができることを明らかにし、本発明に至った。【０００７】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）硬質相を７５体積％以上９５体積％以下と、
結合相を５体積％以上２５体積％以下とからなるサーメット工具であって、
前記硬質相は、
（ａ）芯部がＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物相、周辺部がＴｉとＮｂとＭｏとＷとＺｒとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相、またはＴｉとＮｂとＭｏとＷとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相からなる有芯構造の第１硬質相、
（ｂ）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）相、または（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）相からなる有芯構造の第２硬質相、
（ｃ）ＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物相からなる第３硬質相、
の以上（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で構成され、
前記結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選択された少なくとも１種を主成分とする元素で構成され、
前記サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域における前記Ｎｂ元素濃度の最大含有量をＮｂｓ、前記表面領域よりも内部の内部領域における前記Ｎｂ元素濃度の内部含有量をＮｂｉとしたとき、Ｎｂｓ／Ｎｂｉは、０．８以上１．２以下であり、
前記表面領域における前記Ｗ元素濃度の最大含有量をＷｓ、前記内部領域における前記Ｗ元素濃度の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉは、１．０以上１．５以下であり、
サーメット工具の前記内部領域における断面において、前記第１硬質相の面積率をＡ１、前記第２硬質相の面積率をＡ２、前記第３硬質相の面積率をＡ３とし、前記硬質相全体の面積を１００面積％としたとき、前記Ａ１が７５面積％以上９５面積％以下、前記Ａ２が４面積％以上２４面積％以下、前記Ａ３が１面積％以上２４面積％以下であるサーメット工具。
（２）前記表面領域におけるビッカース硬さをＨｓ、前記内部領域におけるビッカース硬さをＨｉとしたとき、Ｈｓ／Ｈｉは、１．１以上１．３以下である（１）のサーメット工具。
（３）前記表面領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｓ、前記内部領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｉとしたとき、Ｃ１ｓ／Ｃ１ｉは、０．３以上０．９以下である（１）または（２）のいずれかのサーメット工具。
（４）前記表面領域における前記硬質相の平均粒径をｄｓ、前記内部領域における前記硬質相の平均粒径をｄｉとしたとき、ｄｓ／ｄｉは、１．０以上２．０以下である（１）〜（３）のいずれかのサーメット工具。
（５）前記硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下である（１）〜（４）のいずれかのサーメット工具。
（６）前記硬質相に含まれるＮｂの一部をＴａで置換したことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかのサーメット工具。
（７）（１）〜（６）のいずれかに記載のサーメット工具の表面に被覆層が形成された被覆サーメット工具。【０００８】
＜サーメット工具＞
本発明のサーメット工具の種類として具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、およびエンドミルなどを挙げることができる。【０００９】
本発明のサーメット工具は、硬質相と、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅからな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とからなるサーメット工具である。前記硬質相のサーメット工具全体（１００体積％）に対する割合は７５〜９５体積％であり、前記結合相が残部を占める。【００１０】
本発明のサーメット工具は、硬質相の割合が７５体積％未満であると、サーメット工具の耐摩耗性が低下する。また、本発明のサーメット工具は、硬質相の割合が９５体積％を超えるとサーメット工具の耐欠損性が低下すると共に、相対的に残部の結合相量が減少するため、サーメット工具の製造の際の原料の焼結性が低下する。そこで、硬質相の割合を７５〜９５体積％、結合相の割合を残部と定めた。前記の観点から、硬質相の割合が８０〜９０体積％、結合相の割合が残部であると、さらに好ましい。【００１１】
なお、本発明のサーメット工具における硬質相および結合相の割合は、以下のようにして求める。サーメット工具の表面から深さ方向に５００μｍ内部までの断面組織をエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）付き走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、さらに王水を用いて断面組織を食刻し、食刻された断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて観察する。そして、これら二種類の断面組織から食刻されなかった硬質相の面積率と、食刻された結合相の面積率とを測定し、その結果からサーメット工具の硬質相の体積％と結合相の体積％との割合を求める。【００１２】
本発明のサーメット工具の結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの中から選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属である。Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの中から選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属とは、結合相のＣｏ、ＮｉおよびＦｅの中から選ばれた少なくとも１種の金属の合計質量が、結合相の全質量に対して５０質量％以上である金属を意味する。本発明の結合相には、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ以外に、硬質相成分が含まれていてもよい。通常、本発明の結合相に含まれる硬質相成分の合計含有量は、結合相の全質量に対して２０質量％以下である。その中でも、本発明のサーメット工具の結合相が、ＣｏおよびＮｉの１種または２種を主成分とした金属であることがより好ましい。その場合には、結合相と硬質相との濡れ性、耐熱性および耐食性に優れたサーメット工具を得ることができる。【００１３】
本発明のサーメット工具の硬質相は、芯部がＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相、周辺部がＴｉとＮｂとＭｏとＷとＺｒとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相、またはＴｉとＮｂとＭｏとＷとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相からなる有芯構造の第１硬質相を有する。なお、芯部と周辺部とは異なる組成を有する。Ｎｂは、高温硬さおよび耐酸化性が優れるため、高速の加工において、反応摩耗が抑制されるので、サーメット工具の耐摩耗性が優れる。Ｍｏは、焼結時における結合相との濡れ性に優れ、硬質相同士の濡れ性にも優れる。そのため、第１硬質相がＭｏを含むことでサーメット工具の強度が向上することにより、耐欠損性および耐チッピング性が向上する。さらに、Ｗは、硬さが優れる。そのため、第１硬質相がＷを含むことでサーメット工具の耐摩耗性が優れる。また、硬質相中のＺｒは、高温強度が優れるため、第１硬質相がＺｒを含むことにより、サーメット工具の耐塑性変形性が優れる。【００１４】
本発明のサーメット工具の硬質相は、芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）相、または（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）相からなる有芯構造の第２硬質相を有する。Ｗは、硬さが優れる。そのため、第２硬質相がＷを含むことでサーメット工具の耐摩耗性が優れる。また、硬質相中のＺｒは、高温強度が優れるため、第２硬質相がＺｒを含むことにより、サーメット工具の耐塑性変形性が優れる。【００１５】
本発明のサーメット工具の硬質相は、ＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）で示す］相からなる単一相粒子構造の第３硬質相を有する。第３硬質相は熱伝導率が高いため、耐熱衝撃性が優れるので、サーマルクラックの発生を抑制することができる。そのため、サーメット工具中に第３硬質相が分散して存在することにより、耐欠損性が向上する。【００１６】
特に、本発明のサーメット工具は、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の全ての硬質相において、ＮｂおよびＭｏを含むため、高温における耐摩耗性に優れ、耐欠損性にも優れる。また、ＴａはＮｂと同様に高温硬さが優れる。そのため、本発明のサーメット工具は、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相から構成される硬質相の少なくとも１種の硬質相において、硬質相に含まれるＮｂの一部をＴａで置換しても好ましい。【００１７】
本発明のサーメット工具において、サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域におけるＮｂ元素濃度の最大含有量をＮｂｓ、表面領域よりも内部の内部領域におけるＮｂ元素濃度の内部含有量をＮｂｉとしたとき、Ｎｂｓ／Ｎｂｉは、０．８以上１．２以下である。Ｎｂｓ／Ｎｂｉがこの範囲であると、サーメット工具の表面領域と内部領域とにおけるＮｂ元素濃度がほぼ均一であることにより、サーメット工具の高温強度が優れる。Ｎｂｓ／Ｎｂｉが０．８未満であると、サーメット工具の耐摩耗性が低下し、Ｎｂｓ／Ｎｂｉが１．２を超えるとサーメット工具の耐欠損性が低下する。【００１８】
本発明のサーメット工具において、サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域におけるＷ元素濃度の最大含有量をＷｓ、表面領域よりも内部の内部領域におけるＷ元素濃度の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉは、１．０以上１．５以下である。Ｗｓ／Ｗｉがこの範囲であると、サーメット工具の表面領域の硬さが優れ、内部領域の靱性が優れることにより、サーメット工具の耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。Ｗｓ／Ｗｉが１．０未満であると、サーメット工具の耐摩耗性が低下し、Ｗｓ／Ｗｉが１．５を超えるとサーメット工具の耐チッピング性および耐欠損性が低下する。【００１９】
本発明のサーメット工具は、表面領域と内部領域とにおける、Ｎｂ元素濃度を均一にし、表面領域のＷ元素濃度を高くすることで、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性などの切削性能が向上する。すなわち、高温発熱を伴う高速切削条件においては、高温硬さに優れるＮｂが切削性能に寄与し、従来の切削条件においては、Ｗが切削性能に寄与するため、あらゆる加工条件において切削性能を低下させることなく加工することができる。【００２０】
本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域よりも内部の内部領域における断面において、第１硬質相の面積率をＡ１、第２硬質相の面積率をＡ２、第３硬質相の面積率をＡ３とし、硬質相全体の面積を１００面積％としたとき、Ａ１が７５面積％以上９５面積％以下、Ａ２が４面積％以上２４面積％以下、Ａ３が１面積％以上２４面積％以下である。Ａ１が７５面積％未満であると、靭性が不十分なため、サーメット工具の耐欠損性が低下する。Ａ１が９５面積％を超えると、相対的にＡ２またはＡ３の面積が小さくなるため、硬さまたは熱伝導率が低下するので、サーメット工具の耐摩耗性または耐熱衝撃性が低下する。Ａ２が４面積％未満であると、硬さが不十分なため、サーメット工具の耐摩耗性が低下する。Ａ２が２４面積％を超えると、相対的にＡ１またはＡ３の面積が小さくなるため、靭性および熱伝導率が低下するので、サーメット工具の耐欠損性または耐熱衝撃性が低下する。Ａ３が１面積％未満であると、熱伝導率が不十分なため、サーメット工具の耐熱衝撃性が低下する。Ａ３が２４面積％を超えると、相対的にＡ１またはＡ２の面積が小さくなるため、靭性が低下するので、サーメット工具の耐欠損性が低下する。【００２１】
本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域におけるビッカース硬さをＨｓ、表面領域よりも内部の内部領域におけるビッカース硬さをＨｉとしたとき、Ｈｓ／Ｈｉは、１．１以上１．３以下であることが好ましい。本発明のサーメット工具のＨｓ／Ｈｉが１．１未満では耐摩耗性が劣る傾向がみられ、１．３を超えると、耐チッピング性および耐欠損性が劣る傾向がみられる。【００２２】
本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域における第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｓ、表面領域よりも内部の内部領域における第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｉとしたとき、Ｃ１ｓ／Ｃ１ｉは、０．３以上０．９以下であることが好ましい。本発明のサーメット工具のＣ１ｓ／Ｃ１ｉが０．３未満では耐欠損性が低下する傾向がみられ、０．９を超えると、耐摩耗性が低下する傾向がみられる。【００２３】
本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲の表面領域における硬質相の平均粒径をｄｓ、表面領域よりも内部の内部領域における硬質相の平均粒径をｄｉとしたとき、ｄｓ／ｄｉは、１．１以上２．０以下であることが好ましい。本発明のサーメット工具のｄｓ／ｄｉが１．１未満では耐欠損性が低下する傾向がみられ、２．０を超えると、耐摩耗性が低下する傾向がみられる。【００２４】
本発明のサーメット工具は、硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。本発明のサーメット工具の硬質相の平均粒径が１．０μｍ未満では耐欠損性が低下する傾向がみられ、３．０μｍを超えると、硬さが低下し耐摩耗性が低下する傾向がみられる。【００２５】
本発明のサーメット工具のＮｂ元素濃度およびＷ元素濃度は、以下のようにして求めることができる。サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その研磨面の断面組織をＳＥＭにて観察し、ＳＥＭに付属するＥＤＳを用いて求めることができる。サーメット工具の表面から垂直方向に１０μｍ間隔となるように１０箇所の濃度を測定し、それらのうちの最大含有量をＮｂｓおよびＷｓとし、表面から５００μｍの位置について任意の１０箇所の濃度を測定し、その平均値をＮｂｉおよびＷｉとした。【００２６】
本発明のサーメット工具の表面領域におけるビッカース硬さＨｓおよび内部領域におけるビッカース硬さＨｉは、以下のようにして求めることができる。サーメット工具の表面から内部までの硬さを測定するために、サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、サーメット工具の表面から垂直方向に１０μｍ間隔となるようにマイクロビッカース硬さ計を用いて印加荷重４．９Ｎのビッカース硬さを測定した。サーメット工具の表面から３００μｍまでの範囲の最大硬さをＨｓとし、サーメット工具の表面から５００μｍの位置について５箇所のビッカース硬さを測定し、その５箇所のうちの最大硬さをＨｉとした。【００２７】
本発明のサーメット工具の硬質相の表面領域における平均粒径ｄｓおよび内部領域における平均粒径ｄｉは、以下のようにして求めることができる。サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その研磨面の断面組織をＳＥＭで２０００〜１００００倍に拡大した画像から、フルマンの式（１）を用いて求めることができる。
ｄｍ＝（４／π）・（ＮＬ／ＮＳ）        （１）
（式中、ｄｍは平均粒径、πは円周率、ＮＬは断面組織上の任意の直線によってヒットされる単位長さあたりの硬質相の数、ＮＳは任意の単位面積内に含まれる硬質相の数である。）
また、硬質相の平均粒径は、表面領域における平均粒径ｄｓと内部領域における平均粒径ｄｉとの平均を求めた値とした。【００２８】
本発明のサーメット工具の内部領域における各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３は、断面組織のＳＥＭ画像から、市販の画像解析ソフトを用いる方法や前記フルマンの式を用いる方法によって求めることができる。フルマンの式を用いる場合の具体的な測定方法を以下に示す。サーメット工具を研磨し、サーメット工具の内部領域におけるその研磨面の断面組織をＳＥＭで２０００〜１００００倍に拡大した画像から、前記フルマンの式（１）を用いて求めることができる。上述のフルマンの式（１）を用いて第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の平均粒径をそれぞれ求める。各硬質相の平均粒径と単位面積内に含まれる各硬質相の数とを用いて、単位面積内に含まれる各硬質相の面積を求めることにより、各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３を求めることができる。【００２９】
本発明のサーメット工具の表面領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｓおよび内部領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｉは、以下のようにして求めることができる。サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その断面研磨面をＳＥＭで２０００〜１００００倍に拡大した写真を撮影し、その写真を市販の画像解析ソフトを用いて、Ｃ１ｓおよびＣ１ｉを算出することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のサーメット工具により、被削材の仕上げ面粗さを小さくすることができる。また、本発明のサーメット工具は、耐摩耗性を低下させることなく、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有するため、従来よりも工具寿命を延長することができるという効果を奏する。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明のサーメット工具の製造方法について、具体例を用いて説明する。なお、本発明のサーメット工具の製造方法は、当該サーメット工具の構成（硬質相および結合相）を達成し得る限り特に制限されるものではない。【００３２】
例えば、本発明のサーメット工具の製造方法は、
工程（Ａ）：平均粒径０．５〜４．０μｍの炭窒化チタンニオブモリブデン粉末または炭窒化チタンニオブタンタルモリブデン粉末３０〜９０質量％と、炭窒化チタンニオブモリブデンおよび炭窒化チタンニオブタンタルモリブデン粉末を除く平均粒径０．５〜４．０μｍの、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから成る群より選択された少なくとも１種の金属元素の、炭化物、窒化物、および炭窒化物から成る群より選択された少なくとも１種の粉末５〜４０質量％と、平均粒径０．５〜３．０μｍの、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種の粉末５〜３０質量％とを配合（ただし、これらの合計は１００質量％である）する工程と、
工程（Ｂ）：原料粉を配合して５〜３５時間の湿式ボールミルにより混合し、混合物を準備する混合工程と、
工程（Ｃ）：得られた混合物を所定の工具の形状に成形して成形体を得る成形工程と、
工程（Ｄ）：前記工程（Ｃ）で得られた成形体を６７Ｐａ以下の真空にて１２００〜１４００℃の範囲の所定の温度まで昇温する第１昇温工程と、
工程（Ｅ）：前記工程（Ｄ）を経た成形体を５０〜１３３０Ｐａの窒素雰囲気にて１２００〜１４００℃の範囲の所定の温度から該温度よりも高い１４００〜１６００℃の範囲の焼結温度まで昇温する第２昇温工程と、
工程（Ｆ）：前記工程（Ｅ）を経た成形体を工程（Ｅ）と同じ圧力の窒素雰囲気にて１４００〜１６００℃の範囲の焼結温度で所定の時間保持して焼結する第１焼結工程と、
工程（Ｇ）：前記工程（Ｆ）を経た成形体を１４００〜１６００℃の範囲から１〜５０℃／ｍｉｎの速度で、前記工程（Ｆ）よりも低い１〜５０Ｐａの窒素圧力にて１０００〜１２００℃の範囲の温度まで冷却する第１冷却工程と、
工程（Ｈ）：前記工程（Ｇ）を経た成形体を工程（Ｇ）と同じ圧力の窒素雰囲気にて１０００〜１２００℃の範囲の焼結温度で所定の時間保持して焼結する第２焼結工程と、
工程（Ｉ）：前記工程（Ｈ）を経た成形体を１０００〜１２００℃の範囲の所定の温度から常温まで冷却する第２冷却工程とを含む。【００３３】
なお、工程（Ａ）において使用される原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定されたものである。【００３４】
本発明のサーメット工具の製造方法の各工程は、以下の意義を有する。
工程（Ａ）では炭窒化チタンニオブモリブデン粉末または炭窒化チタンニオブタンタルモリブデン粉末と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから成る群より選択された少なくとも１種の金属元素の、炭化物、窒化物、および炭窒化物から成る群より選択された少なくとも１種の粉末を用いることにより、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相を構成することができる。【００３５】
工程（Ｂ）では硬質相の平均粒径を調整したり、所定の配合組成の混合粉末を均一に混合させることができる。これを以下の工程で成形・焼結・冷却することによって、特定の組成の硬質相および結合相からなる本発明のサーメット工具が得られる。【００３６】
工程（Ｃ）では得られた混合物を所定の工具の形状に成形する。得られた成形体を以下の焼結工程で焼結する。【００３７】
工程（Ｄ）では成形体を６７Ｐａ以下の真空で昇温することで、液相出現前および液相出現直後での脱ガスを促進させ、以下の焼結工程における焼結性を向上させる。【００３８】
工程（Ｅ）では１４００〜１６００℃の範囲の温度で焼結することにより、サーメット工具の表面領域のＷ元素濃度を高くすることができる。また、工程（Ｅ）および（Ｆ）では窒素雰囲気とすることで、成形体の表面からの脱窒を防ぎ、これにより脱窒に伴う焼き肌面の平滑性の低下および焼き肌面近傍の（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）などの硬質相の減少を抑制する。【００３９】
工程（Ｇ）では工程（Ｅ）および（Ｆ）よりも低い１〜５０Ｐａの窒素圧力で、かつ１〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度にて冷却することにより、成形体の表面へのＮｂ元素の移動を抑制することができる。【００４０】
工程（Ｈ）では工程（Ｆ）よりも低い温度で保持することにより、第１〜第３硬質相の面積率を任意なものとする。【００４１】
そして工程（Ｉ）では、焼結された成形体を常温まで冷却し、本発明のサーメット工具が得られる。【００４２】
工程（Ａ）から工程（Ｉ）までの工程を経て得られたサーメット工具に対して、必要に応じて研削加工や刃先のホーニング加工を行ってもよい。
【実施例１】
【００４３】
［サーメット工具の製造］
原料粉末として、市販されている、平均粒径２．０μｍの（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）粉末（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）、平均粒径２．０μｍの（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）粉末（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．０μｍのＮｉ粉末を用意した。なお、原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定されたものである。また、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）は、ＴｉとＮｂとＭｏとの複合炭窒化物を意味し、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）は、ＴｉとＮｂとＴａとＭｏとの複合炭窒化物を意味する。【００４４】
用意した原料粉末を下記表１の配合組成になるように秤量して、秤量した原料粉末をアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共にステンレス製ポットに入れて湿式ボールミルで混合および粉砕を行った。湿式ボールミルによる混合および粉砕時間を表２に示す。湿式ボールミルによる混合・粉砕後、アセトン溶媒を蒸発して得られた混合物を、焼結後の形状がＪＩＳ  Ｂ  ４１２０のインサート形状ＳＤＫＮ１２０３ブレーカー付きになる金型により圧力１９６ＭＰａでプレス成形して、混合物の成形体を得た。【００４５】
【表１】
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【００４６】
【表２】
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【００４７】
混合物の成形体を焼結炉内に入れた後、６７Ｐａ以下の真空にて室温から下記表３（ａ）に記載の窒素導入温度Ｔ１（℃）まで昇温した。炉内温度が窒素導入温度Ｔ１（℃）になったとき、炉内圧力が表３（ｂ）に記載の炉内圧力Ｐ１（Ｐａ）になるまで窒素ガスを焼結炉内に導入した。炉内圧力Ｐ１（Ｐａ）の窒素雰囲気にて窒素導入温度Ｔ１（℃）から表３（ｃ）に記載の焼結温度Ｔ２（℃）まで昇温した。炉内温度が焼結温度Ｔ２（℃）になったとき、炉内圧力Ｐ１（Ｐａ）の窒素雰囲気にて焼結温度Ｔ２（℃）で６０分間保持して焼結した。その後、炉内圧力Ｐ１（Ｐａ）から表３（ｄ）に記載の炉内圧力Ｐ２（Ｐａ）になるまで窒素ガスを排気し、その後、表３（ｅ）に記載の冷却速度Ｒ１（℃／ｍｉｎ）で、焼結温度Ｔ２（℃）から表３（ｆ）に記載の焼結温度Ｔ３（℃）まで冷却した。炉内温度が焼結温度Ｔ３（℃）になったとき、炉内圧力Ｐ２（Ｐａ）の窒素雰囲気にて焼結温度Ｔ３（℃）で６０分間保持して焼結した。その後、窒素を排気してアルゴン雰囲気に置換した。焼結温度がＴ３（℃）から室温までアルゴン雰囲気で冷却した。【００４８】
【表３】
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【００４９】
焼結して得られたサーメット工具は、湿式ブラシホーニング機により、サーメット工具の刃先にホーニング処理を施した。【００５０】
作製した発明品および比較品のサーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨した。その研磨面の断面組織をＳＥＭにて観察し、ＳＥＭに付属するＥＤＳを用いて表面領域のＮｂｓおよびＷｓ、内部領域のＮｂｉおよびＷｉの各組成をそれぞれ測定した。測定した組成からＮｂｓ／ＮｂｉおよびＷｓ／Ｗｉを求めた。その結果を表４に示した。【００５１】
【表４】
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【００５２】
サーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨した、研磨面について、その研磨面の断面組織をＳＥＭで５０００倍に拡大した画像を撮影し、撮影した画像からフルマンの式（１）を用いて硬質相の表面領域における平均粒径ｄｓおよび内部領域における平均粒径ｄｉを測定し、ｄｓ／ｄｉを求めた。また、硬質相の平均粒径は、表面領域における平均粒径ｄｓと内部領域における平均粒径ｄｉとの平均値とした。ｄｓ／ｄｉおよび硬質相の平均粒径を表５に示す。さらに、撮影した画像からフルマンの式（１）を用いて表面領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｓ、内部領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｉを測定した。測定したＣ１ｓおよびＣ１ｉからＣ１ｓ／Ｃ１ｉを求め、その結果を表５に示した。【００５３】
【表５】
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【００５４】
サーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨した、研磨面について、サーメット工具の表面から垂直方向に１０μｍ間隔となるようにマイクロビッカース硬さ計を用いて印加荷重４．９Ｎのビッカース硬さを測定した。サーメット工具の表面から３００μｍまでの範囲の最大硬さをＨｓとし、サーメット工具の表面から５００μｍの位置について５箇所のビッカース硬さを測定し、その５箇所のうちの最大硬さをＨｉとした。その結果を表６に示した。【００５５】
【表６】
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【００５６】
発明品および比較品のサーメット工具をサーメット工具の表面に対して垂直に研磨し、その研磨面の断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて各硬質相の組成を同定した。さらにＳＥＭにてサーメット工具の内部領域における断面組織を１００００倍に拡大した画像を撮影し、撮影した画像を市販の画像解析ソフトを用いて各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３を求めた。その結果を表７に示した。その後、サーメット工具の表面から深さ方向に５００μｍ内部までの断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて観察し、結合相の組成を同定した。さらに王水を用いて断面組織を食刻し、食刻された断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて観察する。そして、これら二種類の断面組織から食刻されなかった硬質相の面積率と、食刻された結合相の面積率とを測定し、その結果からサーメット工具の硬質相の体積％と結合相の体積％との割合を求めた。その結果を表８に示した。【００５７】
【表７】
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【００５８】
【表８】
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【００５９】
得られた試料を用いて、切削試験１、切削試験２および切削試験３を行った。切削試験１は耐欠損性を評価し、切削試験２は耐摩耗性を評価し、切削試験３は被削材の仕上げ面を評価する試験である。切削試験の結果を表９に示した。【００６０】
［切削試験１］
加工形態：転削、
工具形状：ＳＤＫＮ１２０３、
被削材：ＳＣＭ４４０、
被削材形状：２００ｍｍ×８０ｍｍ×２００ｍｍ（形状：板材にφ３０ｍｍの穴が６個）、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：無し、
評価項目：試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工長を測定した。【００６１】
［切削試験２］
加工形態：転削、
工具形状：ＳＤＫＮ１２０３、
被削材：ＳＣＭ４４０、
被削材形状：２００ｍｍ×８０ｍｍ×２００ｍｍ、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：無し、
評価項目：試料が欠損に至ったときまたは試料の最大逃げ面摩耗幅がもしくはコーナー摩耗幅が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工長を測定した。【００６２】
［切削試験３］
加工形態：転削、
工具形状：ＳＤＫＮ１２０３、
被削材：ＳＳ４００、
被削材形状：１５０ｍｍ×７０ｍｍ×１５０ｍｍ、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切り込み：０．３ｍｍ、
クーラント：無し、
評価項目：加工長が５．０ｍにおける被削材の加工面の算術平均粗さＲａを評価した。【００６３】
【表９】
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【００６４】
なお、切削試験１の加工長について、３ｍ以上を◎、２ｍ以上３ｍ未満を○、１ｍ以上２ｍ未満を△、１ｍ未満を×として評価した。また、切削試験２の加工長について、１０ｍ以上を◎、７ｍ以上１０ｍ未満を○、３ｍ以上７ｍ未満を△、３ｍ未満を×として評価した。また、切削試験３の被削材の加工面の算術平均粗さＲａについて、０．１５μｍ未満を◎、０．１５μｍ以上０．２５μｍ未満を○、０．２５μｍ以上０．３５μｍ未満を△、０．３５μｍ以上を×として評価した。この評価では、（優）◎＞○＞△＞×（劣）という順位になり、◎または○を有するほど切削性能が優れる。得られた評価の結果を表１０に示した。【００６５】
【表１０】
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【００６６】
発明品の評価はすべて◎または○を有し、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、仕上げ面粗さを小さくできることが分かる。一方、比較品の評価は△または×を有し、耐摩耗性、耐欠損性および仕上げ面粗さのいずれかの性能を満足していないことが分かる。
【実施例２】
【００６７】
実施例１の発明品１〜１０の表面にＰＶＤ装置を用いて被覆処理を行った。発明品１〜１０および比較品１〜６のサーメット工具の表面に平均層厚２．５μｍのＴｉＡｌＮ層を被覆したものを発明品１１〜２０、比較品７〜１２とし、発明品１のサーメット工具の表面に平均層厚２．５μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）層を被覆したものを発明品２１とした。また、発明品１のサーメット工具の表面に、１層あたり２ｎｍのＴｉＡｌＮと、１層あたり３ｎｍのＴｉＡｌＮｂＷＮとを交互に５００層ずつ積層した交互積層を被覆したものを発明品２２とした。発明品１１〜２２および比較品７〜１２について実施例１と同じ切削試験１、２および３を行った。その結果を表１１に示す。【００６８】
【表１１】
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【００６９】
なお、切削試験１の加工長について、３ｍ以上を◎、２ｍ以上３ｍ未満を○、１ｍ以上２ｍ未満を△、１ｍ未満を×として評価した。また、切削試験２の加工長について、１０ｍ以上を◎、７ｍ以上１０ｍ未満を○、３ｍ以上７ｍ未満を△、３ｍ未満を×として評価した。また、切削試験３の被削材の加工面の算術平均粗さＲａについて、０．１５μｍ未満を◎、０．１５μｍ以上０．２５μｍ未満を○、０．２５μｍ以上０．３５μｍ未満を△、０．３５μｍ以上を×として評価した。この評価では、（優）◎＞○＞△＞×（劣）という順位になり、◎または○を有するほど切削性能が優れる。得られた評価の結果を表１２に示した。【００７０】
【表１２】
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【００７１】
発明品の評価はすべて◎または○を有し、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、仕上げ面粗さを小さくできることが分かる。一方、比較品の評価は△または×を有し、耐摩耗性、耐欠損性および仕上げ面粗さのいずれかの性能を満足していないことが分かる。また、耐摩耗性試験において、被覆層を被覆していない発明品の工具寿命は９．５ｍ以上であるのに対し、被覆層を被覆した発明品の工具寿命は１０．８ｍ以上になり、工具寿命が長くなっていることが分かる。被覆層を被覆した発明品１１〜２２は、比較品７〜１２よりも被削材の加工面の仕上げ面粗さが小さく、被覆層を被覆していない発明品１〜１０のいずれよりも、耐摩耗性における工具寿命をさらに長くすることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の被覆切削工具は、被削材の仕上げ面粗さを小さくすることができ、耐摩耗性を低下させることなく、耐欠損性と耐チッピング性に優れることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。
【国際調査報告】
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