(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合相と硬質相とからなる焼結合金の基材の表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の被膜を被覆した被覆焼結合金において、被覆焼結合金の断面組織を観察したときに、基材の結合相と被膜との界面の少なくとも１部に、凸状結合相が形成され、凸状結合相は略三角形状をなし、略三角形状の凸状結合相の平均高さＨは、０．０５μｍ＜Ｈ＜０．５０μｍの範囲にあり、略三角形状の凸状結合相の平均間隔Ｌは、０．０５μｍ＜Ｌ＜０．５０μｍの範囲にある被覆焼結合金。
【請求項２】
被膜は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎを含む請求項１に記載の被覆焼結合金。
【請求項３】
被覆焼結合金の表面の算術平均粗さＲａは、０．０２μｍ＜Ｒａ＜０．３０μｍである請求項１または２に記載の被覆焼結合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は焼結合金の基材に被膜を被覆した被覆焼結合金に関する。その中でも、特にチップ、ドリル、エンドミルに代表される切削工具や各種の耐摩耗工具、耐摩耗部品に好適な被覆焼結合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結合金の基材の表面にＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、Ａｌ2Ｏ3などの被膜を被覆してなる被覆焼結合金は、基材の高強度、高靱性と被膜の耐摩耗性、耐酸化性、潤滑性、耐溶着性などを兼備しているため、切削工具や耐摩耗工具，耐摩耗部品として多用されている。これまで、被膜の特性を十分に発揮させるために、被膜と基材との間の密着性について改善がなされてきた。このような被覆部材の従来技術としては、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットからなる基体の表面に、窒化チタンからなる密着性物理蒸着被覆層を介して、ＴｉとＡｌの複合窒化物からなる耐摩耗性物理蒸着被覆層を形成してなる表面被覆サーメット製切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、これは層間での剥離を起因とする突発的なチッピングや欠損が生じ短寿命になる場合があり、さらなる密着性の改善が求められている。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２０１００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、高速度、高送りの過酷な切削条件の要求が増えており、切削中に連続切削から断続切削へと大きく変化する加工条件なども増えている。また製造現場においては無人化が進み、長時間安定した加工ができる工具の要求が多くなっている。そのため信頼性の高く長時間加工できる工具が求められている。そこで本発明は、耐欠損性や耐チッピング性に優れ、長時間安定した加工が可能な被覆焼結合金の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、長年に亘り、被覆焼結合金について研究したところ、被覆前の基材の表面処理を最適化し、基材と被膜との界面における結合相の形状を凸状にすることで、基材と被膜間の剥離が生じにくくなり、その結果、耐欠損性、耐チッピング性が向上し、安定した長寿命加工が可能になることを見出した。
【０００６】
本発明は、結合相と硬質相とからなる焼結合金の基材の表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の被膜を被覆した被覆焼結合金において、被覆焼結合金の断面組織を観察したときに、基材の結合相と被膜との界面の少なくとも１部に、凸状結合相が形成されている被覆焼結合金である。
【０００７】
本発明の被覆焼結合金の基材は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの鉄族金属を主成分とする結合相と周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の硬質相とからなる焼結合金である。硬質相は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなり、ＷＣ、ＴｉＣＮなどを挙げることができる。なお、結合相には、硬質相の成分、すなわち金属元素およびＣ，Ｎが微量固溶することができる。結合相への固溶量は、元素によって異なるが、２０重量％以下である。
【０００８】
本発明の被覆焼結合金は、焼結合金の基材の表面に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の被膜を被覆したもので、被覆焼結合金の断面組織を観察したときに、基材の結合相と被膜との界面の少なくとも１部、すなわち、基材の結合相と被膜との界面の全部またはその一部に凸状結合相が形成されている。凸状結合相が形成されると被膜と基材との密着性が向上する。なお、本発明において断面組織とは、被覆焼結合金の基材の表面に対して任意の垂直断面を観察したときの断面組織をいう。本発明の被覆焼結合金の一実施例の断面組織の概略図を図１に示す。本発明の被覆焼結合金の結合相と被膜との界面の一部には、略三角状の凸状結合相が形成されていることが分かる。
【０００９】
さらに断面組織の拡大した図２に示すように、略三角形状の凸状結合相の高さＨｎ（ｎ＝１，２…）および間隔Ｌｎ（ｎ＝１，２…）を測定し、それらの平均高さＨと平均間隔Ｌを求めたとき、平均高さＨは、０．０５μｍ＜Ｈ＜０．５０μｍの範囲にあり、平均間隔Ｌは、０．０５μｍ＜Ｌ＜０．５０μｍの範囲にあると、基材と被膜との密着性が高くなるため好ましい。なお、Ｈが０．５０μｍ以上になると被膜表面に凹凸を生じ、その凹凸を起点として損傷が進行しやすくなり、Ｈが０．０５μｍ以下であると密着性を向上させる効果が低くなる。Ｌが０．０５μｍ以下では、凸状結合相自体の強度が低下し、Ｌが０．５０μｍ以上であると密着性を向上させる効果が低くなる。
【００１０】
本発明の被覆焼結合金の被膜は（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎを含むと、耐摩耗性に優れることからさらに好ましい。
【００１１】
本発明の被覆焼結合金の表面の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ＜Ｒａ＜０．３０μｍであるとき、表面の凹凸を起点とする損傷が低減し、より安定した加工が可能となるため好ましい。鏡面処理による焼結合金の表面粗さＲａが０．０２μｍとなり、それ以上の精度での制御が難しいため下限値を０．０２μｍ超とした。またＲａが０．３０μｍ以上になると表面の凹凸が大きくなり、それを起点とした損傷が大きくなるため上限値を０．３０μｍ未満とした。
【００１２】
本発明の被覆焼結合金は、熱フィラメントプラズマ源によるスパッタ法での基材の表面処理が可能な電極を装備したアークイオンプレーティング装置を用いて作製することができる。すなわち、基材をアークイオンプレーティング装置に装入し、熱フィラメントプラズマ源によるガスイオンボンバード処理と、それとプラズマ密度が異なるアーク放電方式による金属ボンバード処理を組み合わせて、それぞれのボンバード処理における基材への印加電圧、時間を調整することで、基材の結合相の表面形状を制御することができる。熱フィラメントプラズマ源によるボンバード処理として、具体的にはＡｒボンバード処理などを挙げることができる。また、アーク放電方式によるボンバード処理として、具体的には、Ｔｉボンバード処理、ＴｉＡｌボンバード処理、Ｎｂボンバード処理、Ｚｒボンバード処理などの金属ボンバード処理を挙げることができる。
【００１３】
このとき、基材のスパッタ率が、熱フィラメントプラズマ源によるボンバード処理よりもアーク放電方式によるボンバード処理が２倍以上になるように印加電圧を調整する。その際、印加電圧が小さいとエッチング速度が遅くなり作業効率が著しく低下し、印加電圧を大きくしすぎると、制御可能な時間が極端に短くなるため、具体的には、熱フィラメントプラズマ源によるボンバード処理では印加電圧を１５０Ｖ〜３５０Ｖ、アーク放電方式では印加電圧を６００Ｖ〜１０００Ｖにすると好ましく、基材の形状や個数によって処理時間を調整すると、本発明品を製造することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の被覆焼結合金は、被膜と基材との高い密着性が安定して得られるため、突発的な欠損やチッピングが抑えられ、安定した長寿命加工が可能になる。そのため無人化作業での信頼性が向上し、作業効率の向上が可能となる。
【実施例１】
【００１５】
基材としてＫ２０相当超硬合金製チップＳＤＫＮ１２０３ＡＥＴＮを用意し、熱フィラメントによるＡｒボンバードが可能な電極および４極のターゲット着装が可能なアークイオンプレーティング装置（以下、ＡＩＰ装置という。）を使用した。基材をＡＩＰ装置内に装入して１×１０-3Ｐａの真空とし、ＡＩＰ装置内のヒーターで５００℃まで加熱した後、表１に示す条件で基材の表面処理をおこなった。その後、表２に示す構成の被膜をコーティングした。被膜は、各被膜の金属成分のターゲットを用い、必要に応じてＮ2またはＣＨ4を雰囲気として導入し、圧力：２．６６Ｐａ、バイアス電圧：５０Ｖという条件で被覆した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
0004815925.tif 000003
【００１８】
試料番号１〜１９の被覆焼結合金工具について、基材表面に対して任意の垂直断面を鏡面研磨して断面組織をＦＥ−ＳＥＭで観察した。断面組織を組成像で観察すると、結合相と被膜との界面が容易に観察できる。界面に凸状結合相の存在する場合、凸状結合相の平均高さＨと平均間隔Ｌを測定し、表２に併記した。さらに、被覆焼結合金工具の表面の算術平均粗さＲａを測定し、表２に併記した。
【００１９】
試料番号１〜１９の被覆焼結合金工具を用いて、被削材：ＳＣＭ４４０、切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み：２．０ｍｍ、送り：０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈの条件で乾式フライス試験を行った。工具寿命は、逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍに達するまでとした。切削長４ｍまでに逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍに達しない場合は、切削長４ｍ時の逃げ面摩耗量ＶＢを測定した。これらの結果を表３に示す。
【００２０】
【表３】
0004815925.tif 000004
【００２１】
以上のように、基材の結合相と被膜との界面の結合相形状を制御した発明品は、比較品と比べて安定した長寿命加工が可能であった。
【実施例２】
【００２２】
基材としてＰ３０相当超硬合金製チップＷＰＭＴ０８０６１５ＺＳＲを用意した。基材をＡＩＰ装置内に装入して１×１０-3Ｐａの真空とし、ＡＩＰ装置内のヒーターで５００℃まで加熱した後、表４に示す条件で基材の表面処理をおこなった。その後、表５に示す構成の被膜をコーティングした。被膜は、各被膜の金属成分のターゲットを用い、雰囲気としてＮ2を導入し、圧力：２．６６Ｐａ、バイアス電圧：８０Ｖという条件で被覆した。
【００２３】
【表４】
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【００２４】
【表５】
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【００２５】
試料番号２０〜２５の被覆焼結合金工具について、基材表面に対して任意の垂直断面を鏡面研磨して得られた断面組織をＦＥ−ＳＥＭで観察した。基材の結合相と被膜との界面に凸状結合相が存在する場合、凸状結合相の平均高さＨと平均間隔Ｌを測定し、表５に併記した。さらに、被覆焼結合金工具表面の算術平均粗さＲａを測定し、表５に併記した。
【００２６】
試料番号２０〜２５の被覆焼結工具を用いて、被削材：ＳＫＤ１１、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み：１．０ｍｍ、送り：１．０ｍｍ／ｔｏｏｔｈの条件で乾式フライス試験を行った。工具寿命は、逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍに達するまでとした。切削長４０ｍまでに逃げ面摩耗量ＶＢ＝０．３ｍｍに達しない場合は、切削長４０ｍ時の逃げ面摩耗量ＶＢを測定した。これらの結果を表６に示す。
【００２７】
【表６】
0004815925.tif 000007
【００２８】
以上のように、基材の結合相と被膜との界面の結合相形状を制御した発明品は、比較品と比べて安定した長寿命加工が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の被覆焼結合金の一実施例における断面組織の概略図
【図２】本発明の被覆焼結合金の一実施例における断面組織の拡大図
【符号の説明】
【００３０】
１…被膜
２…結合相
３…硬質相
Ｈｎ…凸状結合相の高さ
Ｌｎ…凸状結合相の間隔
【図１】
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【図２】
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