(57)【要約】  【課題】  難削材の切削加工において長寿命な切削工具を提供する。  【解決手段】  炭化タングステン及び４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか1種を含む硬質相を、鉄族金属の少なくとも1種からなる結合金属にて結合した超硬合金からなる切削工具であって、  前記超硬合金の表面には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を有しており、  前記β相内には、空孔が存在することによって、刃先のチッピングや塑性変形を低減させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン及び４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか1種を含む硬質相を、鉄族金属の少なくとも1種からなる結合金属にて結合した超硬合金からなる切削工具であって、
前記超硬合金の表面には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を有しており、
前記β相内には、空孔が存在することを特徴とする切削工具。
【請求項２】
β相内に存在する空孔の存在率が、厚み方向に直交する断面における全β相の面積を１００％としたとき、２〜１０％であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記空孔の大きさが、円形に換算して直径０．１μｍ〜２．０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記β相が少なくともＺｒを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の切削工具。
【請求項５】
前記４，５，６族金属の含有量が前記基体の内部から表面に向かって漸次減少しており、かつ、
前記Ｚｒの含有量の前記超硬合金の内部から表面に向かっての減少率が、その他の４，５，６族金属の含有量の減少率よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の切削工具。
【請求項６】
前記超硬合金は、ＷＣが７０〜９３重量％、４，５，６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物が２〜１５重量％及び鉄族金属が３〜１５重量％の原料から形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の切削工具。
【請求項７】
前記基体の表面に周期表の４，５，６族金属、アルミニウム、シリコンの炭化物、窒化物、酸化物、および、それら化合物２種以上の複合化合物からなる硬質被覆層を形成してなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具に関し、ステンレス鋼等の難削材の切削に対して、優れた耐欠損性と耐摩耗性をもつ超硬合金、又は、該超硬合金の表面に硬質被覆層を形成してなる切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属の切削加工に広く用いられている超硬合金として、炭化タングステンを主体とする硬質相と、コバルト等の鉄族金属の結合相からなるＷＣ−Ｃｏ系合金、もしくは上記ＷＣ−Ｃｏ系に周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の固溶相を分散せしめた系を用いる技術が知られている。
【０００３】
これらの超硬合金は、耐摩耗性および耐欠損性に優れており、切削工具として、主に炭素鋼、合金鋼等の切削加工に利用されている。
【０００４】
また、上記超硬合金を母材として、該母材の表面にＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭窒酸化物等からなる硬質被覆層を形成する技術も知られており、鋼や鋳鉄などの連続切削や断続切削に用いられている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００５】
しかし、近年では、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル基合金等の耐熱合金などの難削材の加工分野が増加し、難削材加工に適した切削工具の需要が高まっており、例えば、ステンレス鋼を切削すると、切刃部の切削温度が高くなり、熱衝撃や切削抵抗によって刃先が欠損しやすくなるといった問題点がある。
【０００６】
ここで、特許文献１および特許文献２には、母材の表面から２〜１００μｍの深さ領域に、断面全体の面積に対し、５〜３０％の空孔が存在する多孔質帯域部分を形成する技術が開示されている。これにより、機械的、熱的強度を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００３−０４８１０６号公報
【特許文献２】特開２００３−０７１６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１および２に記載されているように、母材の刃先近傍における表面に空孔を多く設けると、刃先の高温時における耐欠損性および耐摩耗性が低下し、刃先が塑性変形を起こしやすくなってしまい、工具寿命が短くなる。また、空孔が炭化タングステンや結合相部に多く存在すると、発生したクラックが伝播しやすくなるため、結果的に耐欠損性が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高速かつ断続切削加工によって発生する塑性変形を抑えて、優れた耐摩耗性、耐欠損性を発揮することができる、長寿命な工具を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
超硬合金においては、固溶体相（β相）成分（ＴｉＣ，ＴａＣ，ＮｂＣ，ＺｒＣ，ＭｏＣなど）を入れれば入れるほど、熱伝導性は悪化するが、高温における硬度などを維持するために、これらβ相成分を入れる必要がある。そこで出願人は、合金のβ相に空孔を設けることで、β相の熱伝導性を向上させ、ヒートクラックや被削材の拡散による耐欠損性及び耐摩耗性の低下を抑制し、性能を向上させることができることを知見した。
【００１０】
すなわち、本発明における切削工具は、炭化タングステン及び４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか1種を含む硬質相を、鉄族金属の少なくとも1種からなる結合金属にて結合した超硬合金からなる基体と、前記基体の表面には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を有しており、前記β相内には、空孔が存在することを特徴とする。
【００１１】
また、上記発明において、β相内に存在する空孔の存在率が、厚み方向に直交する断面における全β相の面積を１００％としたとき、２〜１０％であることが望ましい。
【００１２】
また、上記発明において、空孔の大きさが、円形に換算して直径０．１μｍ〜２．０μｍの範囲内とすることが望ましい。
【００１３】
また、上記発明において、前記β相が少なくともＺｒを含んでいることが望ましい。特に、前記４，５，６族金属の含有量が前記基体の内部から表面に向かって漸次減少しており、かつ、前記Ｚｒの含有量の前記基体の内部から表面に向かっての減少率が、その他の４，５，６族金属の含有量の減少率よりも小さいことが望ましい。
【００１４】
また、前記超硬合金は、ＷＣが７０〜９３重量％、４，５，６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物が２〜１５重量％及び鉄族金属が３〜１５重量％の原料から形成されたものからなることが望ましい。
【００１５】
さらに、前記基体の表面に周期表の４，５，６族金属、アルミニウム、シリコンの炭化物、窒化物、酸化物、および、それら化合物２種以上の複合化合物からなる硬質被覆層を形成してなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の構成により、切削で生じる熱の伝導性を向上させるとともに、刃先が高温になる乾式切削、高速切削、高送り切削、あるいは、ステンレス鋼などの難削材の切削にも耐えうる耐欠損性を有することができる。
【００１７】
つまり、β相内に空孔を存在させることで、空孔が硬質相内に存在する場合に比べて破壊源になりにくくなり、耐欠損性の低下を抑えることができる。また、クラックが空孔に差し掛かると、クラックの進展を抑制、または進展方向を偏向させることができるため、工具の靭性が向上して耐欠損性を向上させることができる。
【００１８】
また、β相内に存在する空孔の存在率が、厚み方向に直交する断面における全β相の面積を１００％としたとき、２〜１０％であることによって、耐欠損性を低下させずに十分な熱伝導性を得ることができる。
【００１９】
前記空孔の大きさが、円形に換算して直径０．１μｍ〜２．０μｍの範囲内であることが、耐欠損性を低下させずに超硬合金の熱伝導性を向上させることができるため望ましい。
【００２０】
前記β相が少なくともＺｒを含むことによって、高温硬度や熱衝撃性を向上させることができるため望ましい。
【００２１】
前記超硬合金に含まれる４，５，６族金属の含有量が内部から表面部に向かって漸次減少し、かつ、Ｚｒの含有量の減少率がそのほかの４，５，６族金属の含有量の減少率よりも小さくすることによって、高い耐欠損性を得ることができると共に、表面付近に残るＺｒによって切削中の高温時における耐摩耗性、および靭性を向上させることができるため望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の一実施形態に係る切削工具の断面図を図１に示す。これは、切削工具をすくい面側から鏡面研磨加工を施し断面を露出させ、当該断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したものである。
【００２３】
本発明の超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相１と、４、５、６族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種からなる化合物層または２種以上からなる固溶体相（以下、β相と呼ぶ）２、さらに鉄族金属を主成分とする結合相、さらに不可避不純物からなる組成を持つ。
【００２４】
なお、β相としては、例えば（W，Ｔｉ）Ｃや（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃが挙げられる。また、前記（Ｗ，Ｔｉ）Ｃからなるβ相を製造するための出発原料は、ＷとＴｉとの炭化物や酸化物とＣの組合せ（ＷとＴｉＣとＣ、ＷとＴｉＯ２とＣ、ＷＯ３とＴｉＯ２とＣ）が考えられる。その他、（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ等の４元固溶体からなるβ相も存在する。
【００２５】
ここで、本発明によれば、β相内に空孔(ボイド)３が存在することを特徴とするものであって、そのような構成にすることによって、切削で生じる熱の伝導性を向上させ、刃先が高温になる乾式切削、高速切削、高送り切削、あるいは、ステンレス鋼などの難削材の切削において、優れた耐欠損性を得ることができる。
【００２６】
ここで、上記空孔３とは、空孔径が０．０１〜３．０μｍの範囲内にあるものを指す。
【００２７】
空孔径が０．０１μｍ以上だと、クラックが空孔３上を進行しやすいため、クラックの偏向作用が十分に発揮されるため、耐欠損性が上昇する。また、空孔の径が３．０μｍ以下だと、空孔が破壊源となりにくいため、切削中に突発欠損が発生しにくく好ましい。
【００２８】
また、空孔３の大きさが円形に換算して直径０．１μｍ〜２．０μｍの範囲内であることが、耐欠損性を低下させずに超硬合金の熱伝導性を向上させることができるため望ましい。
【００２９】
さらに、β相内に存在する空孔の存在率が、全β相の面積を１００％としたとき、２〜１０％、特に２．５〜５％であることによって、耐欠損性および熱伝導性を切削加工に最適な状態にすることができる。
【００３０】
ここで、β相２の組成は、周期表における４，５，６族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれる１種以上の化合物または複合化合物からなる。例えば、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｖ等が好適に用いられる。中でも、β相２に少なくともＺｒ元素を含むことによって、高温硬度や耐熱衝撃性を向上させることができるため望ましい。
【００３１】
また、超硬合金に含まれる４，５，６族金属の含有量が内部から表面部に向かって漸次減少し、かつ、Ｚｒの含有量の減少率がそのほかの４，５，６族金属の含有量の減少率よりも小さくすることによって、高い耐欠損性を得ることができると共に、表面付近に残るＺｒによって切削中の高温時における耐摩耗性、および靭性を向上させることができるため望ましい。
【００３２】
さらに、超硬合金をＷＣが７０〜９３重量％、特に８５〜９０重量％、４，５，６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、つまりβ相の成分が２〜１５重量％、特に５〜１０重量％、鉄族金属が３〜１５重量％、特に６〜１２重量％からなる組成で構成することによって、ステンレス鋼等の切削において、耐摩耗性、耐欠損性が共に十分な性能を有する超硬合金製切削工具を得ることができる。
【００３３】
また、超硬合金の表面に周期表における４，５，６族元素、アルミニウム、珪素、硼素から選ばれる元素の炭化物、窒化物、酸化物、およびそれらの複合化合物からなる硬質被覆層を被覆することによって、耐摩耗性、耐欠損性を向上させることができる。
【００３４】
硬質被覆層の材種としては、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、チタンとアルミニウムの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）等があげられる。
【００３５】
特に、ＴｉＣＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＡｌＮを用いることが、切削性能が特に向上するため望ましい。
【００３６】
（製造方法）
上述した本発明の切削工具を構成する超硬合金の製造方法の一例について説明する。まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を５．０〜１５．０質量％と、β相を形成するための化合物粉末として、炭化ニオブ粉末を０．８〜４．５質量％、炭化タンタル粉末を０．５〜１．５質量％、他のβ相を形成するための化合物粉末を１４．０質量％以下の比率で調合する。このとき、Ｂ１型固溶相を形成するための化合物原料粉末である炭化ニオブ粉末の平均粒径を０．４〜０．７μｍとする。
【００３７】
そして、調合した粉末に溶媒を加えて、所定時間混合・粉砕してスラリーとした後、このスラリーにバインダを添加してさらに混合し、スプレードライヤー等を用いてスラリーを乾燥しながら混合粉末の造粒を行う。このとき、粉砕は、アセトン、メタノール、イソプロピルアルコール、水等を溶媒として使用する湿式粉砕が望ましい。
【００３８】
粉砕によって所定の粒度が得られたら、ＴｉＣ，ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＭｏＣ等の金属炭化物を添加し、攪拌混合する。これら金属炭化物は、粉砕しないため、ＷＣ原料よりも粒度の小さいものを使用するほうが望ましい。この攪拌混合されたスラリーを乾燥造粒し、顆粒を作製する。
【００３９】
上記方法で混合〜造粒の行程を行うと、ＷＣやＣｏは粉砕されているため粉砕時に新しい粒子の断面が形成され、非常に活性に富む状態となっている。一方、ＴｉＣ等の後添加の成分は、粉砕せずに攪拌混合しただけであるので、粒子自体が活性に富まない。よって、上記、温度で焼成した際、β相のみに空孔を存在させることができる。
【００４０】
その後、所定の形状に成形し、焼成を行う。焼成温度は、β相に微細空孔が存在するように、１３５０〜１５００度の焼成温度で焼成することが望ましい。
【００４１】
そして、作製された超硬合金について、所望によって超硬合金の表面を研磨加工し、切刃部にホーニング加工を施す。
【００４２】
さらに、所望によって、超硬合金の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法や、物理気相蒸着（ＰＶＤ）法によって、公知の硬質被覆層を成膜して切削工具としてもよい。
【００４３】
（実施例）
表１に記載された組成で粉末を混合し、さらに、パラフィン等の成形助剤を添加し、数時間攪拌して乾燥造粒し、顆粒を得た。
【００４４】
このとき、試料Ｎｏ．１〜６においては、ＷＣとＣｏのみを溶媒にメタノールを使用した湿式混合によって混合した後、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｍｏ２Ｃ３、ＴｉＮ粉末を添加して攪拌し、スプレードライヤーを用いて造粒することで顆粒を得た。
【００４５】
また、試料Ｎｏ．７〜９においては、全ての原料を湿式混合によって混合し、スプレードライヤーにて造粒して顆粒を得た。
【００４６】
次に顆粒を用い、一軸プレス成形によってＣＮＭＧ１２０４０８の形状へ成形し、表１に記載の焼成温度にて焼成した。
【表１】
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【００４７】
焼成後、バリを除去し、厚み補正および刃先ホーニングを行なった後、化学蒸着法にてＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮの順に成膜を行って切削工具を作製した。
【００４８】
そして、作製した試料のすくい面を表面から５００μｍの深さまで研削加工し、ダイヤモンドペーストで鏡面ラップ加工を行い、切削工具の厚み方向と直交する断面を露出させた後、走査型電子顕微鏡の二次電子像によって断面を３０００倍で観察し、β相内の空孔の有無の確認、空孔の面積率、大きさを測定した。
【００４９】
空孔の面積率、直径については、ルーゼックス画像解析装置を用いて円形に換算した上で測定した。
【００５０】
また、エネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）を用いてβ相の組成を分析した。また、超硬合金表面と表面から５００μｍ内部までのＺｒとその他４，５，６族元素の含有率を先分析にて測定した。
【００５１】
作製した試料を用いて、切削試験を以下の条件にて行った。
【００５２】
（耐摩耗試験）
切削方法：旋削
被削材  ：ＳＣＭ４３５ 丸棒
切削速度：Ｖ＝２５０ｍ／ｍｉｎ
送り    ：ｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切込み  ：ｄ＝２．０ｍｍ
切削状態：湿式
切削時間：１０分
評価項目：１０分切削後の逃げ面（側面）の単純摩耗幅Ｖｂと最大摩耗幅Ｖｂｍａｘ
（耐欠損試験）
切削方法：旋削
被削材  ：ＳＣＭ４４０ ４本溝入り丸棒
切削速度：Ｖ＝２００ｍ／ｍｉｎ
送り    ：ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切込み  ：ｄ＝１．０ｍｍ
切削状態：湿式
評価項目：欠損に至る衝撃回数
衝撃回数１０００回時点で顕微鏡にて切刃の状態を観察
上記測定結果を表２に示す。
【表２】
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【００５３】
表１および２に示すように、β相内に空孔が存在しない試料Ｎｏ．７〜９では、刃先にチッピングによる突発欠損や、急激な摩耗の進行、および刃先の塑性変形によって工具寿命が短いものであった。
【００５４】
これに対して、β相内に空孔を存在させた本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜６では、刃先にチッピングが発生せず、刃先の塑性変形も見られなかった。
【００５５】
なお、実施例においては、切削工具のすくい面の表面から５００μｍの深さまで研削加工し、切削工具の厚み方向と直交する断面を露出させて、任意の箇所を空孔の面積率、大きさを測定したが、厚み方向を直交する断面であれば特に限定されない。また、前記断面において複数の任意の箇所を測定する場合は、平均値が全β相の面積を１００％としたとき、空孔の面積が２〜１０％の範囲内であれば、本発明の中でも特に耐欠損性および熱伝導性を切削加工に最適な状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例に係る切削工具の断面における走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【符号の説明】
【００５７】
１：硬質相
２：β相
３：ボイド
【図１】
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