(57)【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相と金属Ｗ相からなる第１Ａ層が形成され、該第１Ａ層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合は４０〜６０％であり、また、該第１Ａ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｂ）前記１Ａ層に隣接して、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２Ａ層が形成され、該第２Ａ層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合は５０〜９５％であり、また、該第２Ａ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｃ）他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接して、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１Ｂ層が形成され、該第１Ｂ層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合は４０〜６０％であり、また、該第１Ｂ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｄ）前記１Ｂ層に隣接して、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２Ｂ層が形成され、該第２Ｂ層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合は５０〜９５％であり、また、該第２Ｂ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｅ）前記第２Ａ層と前記第２Ｂ層に挟まれる接合層の中央領域には、残存Ｔｉ層が存在し、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ−第１Ａ層−第２Ａ層―残存Ｔｉ層−第２Ｂ層−第１Ｂ層−他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂの順に接合されていることを特徴とする複合部材。
【請求項２】
前記第１Ａ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ側から第２Ａ層側へ向かうにしたがって順次減少している、もしくは、前記第１Ｂ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂ側から第２Ｂ層側へ向かうにしたがって順次減少してい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】
前記第１Ａ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ側から第２Ａ層側へ向かうにしたがって順次減少しており、かつ、前記第１Ｂ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂ側から第２Ｂ層側へ向かうにしたがって順次減少していることを特徴とする請求項１に記載の複合部材。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項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、接合部の接合強度に優れた複合部材及び切削工具に関し、特に、ＷＣ基超硬合金とＷＣ基超硬合金とを接合した複合部材、さらには、この複合部材からなる切削工具に関する。
【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】
さらに、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、例えば、切れ刃に高負荷が作用する高送り、高切り込みの重切削条件では、接合強度が未だ十分であるとはいえず、接合部からの破損が発生する恐れがあった。
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、接合部からの破断が生じないような、より高い接合部の接合強度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】
【０００８】
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結果、
一方のＷＣ基超硬合金部材（以下、「ＷＣ基超硬合金部材Ａ」という）と他方のＷＣ基超硬合金部材（以下、「ＷＣ基超硬合金部材Ｂ」という）をＴｉ箔からなる接合部材を介して接合し、ＷＣ基超硬合金部材ＡとＷＣ基超硬合金部材Ｂとが接合層によって接合された複合部材において、ＷＣ基超硬合金部材Ａに隣接する接合層として、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１Ａ層が形成され、また、該第１Ａ層に隣接してＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２Ａ層が形成され、また、ＷＣ基超硬合金部材Ｂについても同様に、ＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接する接合層として、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１Ｂ層が形成され、また、該第１Ｂ層に隣接してＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２Ｂ層が形成され、さらに、第２Ａ層と第２Ｂ層に挟まれる接合層の中央領域には、残存Ｔｉ層が形成され、ＷＣ基超硬合金部材Ａ−第１Ａ層−第２Ａ層―残存Ｔｉ層−第２Ｂ層−第１Ｂ層−ＷＣ基超硬合金部材Ｂの順に接合されている複合部材は、第１Ａ層、第１Ｂ層におけるＴｉＣ相の面積割合と層厚、また、第２Ａ層、第２Ｂ層におけるＴｉＣｏ相の面積割合と層厚を適正範囲に維持した場合に、ＷＣ基超硬合金部材と接合層との密着強度、接合強度を向上させることができることを見出した。
【０００９】
さらに、前記第１Ａ層に占めるＴｉＣ相の面積割合を、ＷＣ基超硬合金部材Ａ側から第２Ａ層側へと向かうにしたがって順次増加させることによって、また、前記第１Ｂ層に占めるＴｉＣ相の面積割合を、ＷＣ基超硬合金部材Ｂ側から第２Ｂ層側へと向かうにしたがって順次増加させることによって、ＷＣ基超硬合金部材と接合層との密着強度、接合強度をより一段と向上させ得ることを見出した。
【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相と金属Ｗ相からなる第１Ａ層が形成され、該第１Ａ層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合は４０〜６０％であり、また、該第１Ａ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｂ）前記１Ａ層に隣接して、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２Ａ層が形成され、該第２Ａ層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合は５０〜９５％であり、また、該第２Ａ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｃ）他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接して、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１Ｂ層が形成され、該第１Ｂ層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合は４０〜６０％であり、また、該第１Ｂ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｄ）前記１Ｂ層に隣接して、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２Ｂ層が形成され、該第２Ｂ層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合は５０〜９５％であり、また、該第２Ｂ層の厚さは０．５〜３μｍであり、
（ｅ）前記第２Ａ層と前記第２Ｂ層に挟まれる接合層の中央領域には、残存Ｔｉ層が存在し、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ−第１Ａ層−第２Ａ層―残存Ｔｉ層−第２Ｂ層−第１Ｂ層−他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂの順に接合されていることを特徴とする複合部材。
（２）前記第１Ａ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ側から第２Ａ層側へ向かうにしたがって順次減少している、もしくは、前記第１Ｂ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂ側から第２Ｂ層側へ向かうにしたがって順次減少していることを特徴とする（１）に記載の複合部材。
（３）前記第１Ａ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ側から第２Ａ層側へ向かうにしたがって順次減少しており、かつ、前記第１Ｂ層に占める金属Ｗ相の面積割合は、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂ側から第２Ｂ層側へ向かうにしたがって順次減少していることを特徴とする（１）に記載の複合部材。  
（４）前記（１）乃至（３）のいずれか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に隣接して第１Ａ層が形成され、該第１Ａ層に隣接して第２Ａ層が形成される。
また、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接して第１Ｂ層が形成され、該第１Ｂ層に隣接して第２Ｂ層が形成される。
さらに、前記第２Ａ層と前記第２Ｂ層に挟まれる接合層の中央領域には、残存Ｔｉ層が存在する。
そして、一方のＷＣ基超硬合金部材Ａ−第１Ａ層−第２Ａ層―残存Ｔｉ層−第２Ｂ層−第１Ｂ層−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形成される。
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第１Ａ層，第２Ａ層，残存Ｔｉ層，第２Ｂ層および第１Ｂ層からなる層の全体をいう。
【００１５】
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比較的高温（１２００℃以上）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、Ｔｉ箔を使用した。
【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、第１Ａ層、第２Ａ層，残存Ｔｉ層，第２Ｂ層および第１Ｂ層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第１Ａ層、また、他方のＷＣ基超硬合金部材Ｂに隣接して形成される第１Ｂ層（以下、第１Ａ層と第１Ｂ層を総称して「第１層」と呼ぶ場合がある。）は、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１層であり、該第１層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合は４０〜６０％とし、また、該第１層の厚さは０．５〜３μｍとする。
また、前記第１Ａ層に隣接して第２Ａ層が、さらに、前記第１Ｂ層に隣接して第２Ｂ層（以下、第２Ａ層と第２Ｂ層を総称して「第２層」と呼ぶ場合がある。）が形成されるが、第２層は、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなり、該第２層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合は５０〜９５％とし、また、該第２層の厚さは０．５〜３μｍとする。
【００１７】
ここで、前記第１層における金属Ｗ相は、ＷＣ基超硬合金より小さい熱膨張係数を有し、また、ＴｉＣ相は、ＷＣ基超硬合金より大きいが金属Ｔｉよりは小さい熱膨張係数を有するため、第１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相と金属Ｗ相からなる第１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。
【００１８】
第１層にこのような熱膨張係数を有せしめるためには、第１層に占めるＴｉＣ相の平均面積割合を４０〜６０％とすることが必要である。
これは、ＴｉＣ相の平均面積割合が４０％未満である場合、あるいは、６０％を超える場合には、第１層が応力緩和の作用を十分に果たすことができなくなるという理由による。
また、第１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、第１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、第１層の層厚は、０．５〜３μｍとする。
【００１９】
また、第１層におけるＴｉＣ相の平均面積割合を４０〜６０％とすることは既述のとおりであるが、ＴｉＣ相の平均面積割合４０〜６０％の範囲内において、ＷＣ基超硬合金側の金属Ｗ相の占有面積割合を相対的に高くし、第２層（あるいは残存Ｔｉ層）側に向かうにしたがって金属Ｗ相の占有面積割合を順次減少させた場合には、ＷＣ基超硬合金側から第２層（あるいは残存Ｔｉ層）に向かって熱膨張係数も順次増加するため、第１層内において比較的滑らかな熱膨張係数の変化が形成される。
したがって、ＷＣ基超硬合金−第１層−第２層−残存Ｔｉ層の各層の界面において大きな残留応力を発生させずに、より一段と健全な接合状態の複合部材を得るためには、第１層において、ＷＣ基超硬合金側の金属Ｗ相の占有面積割合を相対的に高くし、第２層（あるいは残存Ｔｉ層）側に向かうにしたがって金属Ｗ相の占有面積割合を順次減少させることが望ましい。この残留応力の低減効果は、第１Ａ層、または第２Ｂ層の一方であっても効果を有するが、第１Ａ層と第２Ｂ層の両層共に、第１層において、ＷＣ基超硬合金側の金属Ｗ相の占有面積割合を相対的に高くし、第２層（あるいは残存Ｔｉ層）側に向かうにしたがって金属Ｗ相の占有面積割合を順次減少させることにより、更に残留応力の低減効果が大きくなるため、第１Ａ層と第２Ｂ層の両層共に上記構造を形成することが望ましい。
【００２０】
接合層における第２層としては、すでに述べたように、ＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる層が形成されるが、ＴｉＣｏ相の形成によって熱膨張係数の大きい金属Ｃｏ相の析出が防止され、応力緩和が図られるとともに、金属Ｔｉ相の存在によって、第１層と接合層のほぼ中央に位置する残存Ｔｉ層との間での熱膨張係数差を緩和する作用を発揮する。
ただ、第２層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合が５０％未満では金属Ｃｏの析出を避けることはできず、そして、第２層中に存在する金属Ｃｏによって局所的に熱応力が発生し、第２層における剥離起点となりやすい。一方、第２層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合が９５％を超えると、第１層と残存Ｔｉ相間での熱応力緩和効果が十分に発揮されなくなる。
したがって、第２層に占めるＴｉＣｏ相の平均面積割合は５０〜９５％とする。
また、第２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、第２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、第２層の層厚は、０．５〜３μｍとする。
【００２１】
接合層のほぼ中央部、即ち、第２Ａ層と第２Ｂ層に挟まれた箇所には、固相拡散接合における未反応の残存Ｔｉ層を残留形成させる。
既に述べたように、接合層の応力緩和作用を有する第１層と第２層は、それぞれ、０．５〜３μｍの厚さで形成されるが、固相拡散接合条件が適正範囲を超えると、第１層のＴｉＣ相あるいは第２層のＴｉＣｏ相の形成反応が過度に促進されて、残存Ｔｉ層が消失してしまい、その結果、層の脆化、局所的な熱応力の発生を招き、接合層の強度が低下することになる。
このような弊害を避けるためには、第２Ａ層と第２Ｂ層に挟まれた接合層のほぼ中央部に、適正厚さのＴｉ層を残存させることが重要である。
接合温度、接合時間、加圧力等の固相拡散接合条件にもよるが、接合部材として４〜５０μｍの厚さのＴｉ箔を使用することができる。この場合、残存Ｔｉ層の層厚は２〜４０μｍとなるようにすることが望ましい。
【００２２】
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箔を挟み込み、これを、真空中、６００〜９００℃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Ｃｏの歪が緩和されると同時にＷＣ、ＣｏとＴｉとの反応が促進され、６００〜９００℃という比較的低温条件下でも均一な反応が実現され、ＴｉＣ相と金属Ｗ相からなる第１層およびＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２層が所定の層厚で形成され、また、第２Ａ層と第２Ｂ層に挟まれた接合層のほぼ中央部に残存Ｔｉ層が残留形成される。
【００２３】
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。
【００２４】
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、金属Ｔｉ、ＴｉＣｏ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が存在する箇所を第１層、金属ＴｉとＴｉＣｏが存在する箇所を第２層、主として金属Ｔｉが存在する箇所を残存Ｔｉ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第１層および第２層を分離、抽出すると共に、第１層内のＴｉＣ相が占める面積割合ならびに第２層内のＴｉＣｏ相が占める面積割合を求めた。
また、第１層におけるＴｉＣ相の層厚方向への面積割合を測定することにより、第１層における金属Ｗ相の面積割合の変化を求めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
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相と金属Ｗ相からなる第１層とＴｉＣｏ相と金属Ｔｉ相からなる第２層と残存Ｔｉ層からなり、かつ、各層に形成される相を特定して、複合部材全体にわたっての熱膨張係数を制御した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】
【００２６】
【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―第１層−第２層−残存Ｔｉ層の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
つぎに、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。なお、以下に説明した実施例は、本発明の一実施態様であって、本発明の具体的な実施の形態は、これに制限されるものではない。
【実施例】
【００２８】
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。
【００２９】
【表１】
0006694597.tif 000002
【００３０】
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。
【００３１】
【表２】
0006694597.tif 000003
【００３２】
次に、表３に示されるＴｉ箔を接合部材として用意した。
【００３３】
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箔を接合部材とし、１×１０−３Ｐａ以下の真空中、６００〜９００℃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。
【００３４】
比較のために、表３に示されるサイズからなる接合部材を用い、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７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。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
【表４】
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【００３７】
【表５】
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【００３８】
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。
【００３９】
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、ＴｉＣｏ相および金属Ｔｉ相を特定するとともに、超硬合金部材、第１層、第２層、残存Ｔｉ層を特定した。また、元素マッピングの結果から、ＴｉＣ相およびＴｉＣｏ相が占める面積割合を測定した。
また、第１層については、第１層を超硬部材側層、中央層、第２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、第１層、第２層および残存Ｔｉ層の層厚を求めた。
なお、Ｔｉ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Ｔｉ層として特定した。
表６、表８に、第１Ａ層、第２Ａ層、残存Ｔｉ層、ならびにせん断強度結果を示す。表７、表９に第１Ｂ層、第２Ｂ層の測定結果を示す。なお、本発明複合部材１〜４および比較例複合部材１〜４、１０については第１Ａ層と第１Ｂ層、および第２Ａ層と第２Ｂ層が実質的に同等であったため、第１Ｂ層および第２Ｂ層の記載は省略した。
【００４０】
【表６】
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【００４１】
【表７】
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【００４２】
【表８】
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【００４３】
【表９】
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【００４４】
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７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。
【００４５】
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：２５０  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．４  ｍｍ、
送り：０．２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１６分、
（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
表１０に、切削試験結果を示す。
【００４６】
【表１０】
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【００４７】
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。
【００４８】
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】
【００４９】
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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