(57)【要約】【課題】近年の製造現場では無人化が進み、切削工具の耐欠損性、耐チッピング性の向上が求められてきた。そこで本発明は、耐欠損性、耐チッピング性に優れた高強度被覆焼結合金の提供を目的とする。【解決手段】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、Ｎｉ、ＣｏまたはＮｉ−Ｃｏ合金を主成分とする結合相とからなる焼結合金の基体の表面に被膜を被覆した高強度被覆焼結合金において、該被膜の平均クラック間隔が２０〜５０μｍであり、該被膜のクラック間隔の標準偏差が１５μｍ以下である高強度被覆焼結合金は、耐欠損性、耐チッピング性に優れる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、Ｎｉ、ＣｏまたはＮｉ−Ｃｏ合金を主成分とする結合相とからなる焼結合金の基体の表面に被膜を被覆した高強度被覆焼結合金において、該被膜の平均クラック間隔が２０〜５０μｍであり、該被膜のクラック間隔の標準偏差が１５μｍ以下である高強度被覆焼結合金。
【請求項２】
上記高強度被覆焼結合金は、切削工具として用いられる請求項１に記載の高強度被覆焼結合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐衝撃性、耐欠損性に優れる高強度被覆焼結合金に関し、特に切削工具又は耐摩耗工具に代表される工具用として最適な高強度被覆焼結合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金、サーメット等の焼結合金の基体の表面に高硬質な被膜を被覆してなる被覆焼結合金は、耐摩耗性に優れているため切削工具などに使用されている。被覆焼結合金にショットピーニング処理を施すと、ショットピーニング処理により生じたクラックにより被膜の残留引張応力が緩和し、耐チッピング性、耐欠損性が向上する。ショットピーニング処理を施した被覆焼結合金の従来技術として、被膜のクラック間隔の平均値が０．１μｍ以上、５．０μｍ未満である工具用部材がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１１６００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の製造現場では無人化が進み、切削工具の耐欠損性、耐チッピング性の向上が求められてきた。そこで本発明は、耐欠損性、耐チッピング性に優れた高強度被覆焼結合金の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、被覆焼結合金の切削性能における信頼性向上について検討を行ったところ、クラック間隔のばらつきを一定値以下に制御することにより、被覆焼結合金の耐欠損性、耐チッピング性のばらつきを抑制し、安定した工具寿命を得られることができた。
【０００６】
すなわち、本発明の高強度被覆焼結合金は、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種の硬質相と、Ｎｉ、ＣｏまたはＮｉ−Ｃｏ合金を主成分とする結合相とからなる焼結合金の基体の表面に被膜を被覆した高強度被覆焼結合金において、該被膜の平均クラック間隔が２０〜５０μｍであり、該被膜のクラック間隔の標準偏差が１５μｍ以下であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の高強度被覆焼結合金の焼結合金の基体は、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種の硬質相と、Ｎｉ、ＣｏまたはＮｉ−Ｃｏ合金を主成分とする結合相とからなる焼結合金である。硬質相として、例えばＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＷＣ、Ｃｒ3Ｃ2、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｗ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）を挙げることができる。また、本発明においてＮｉ、ＣｏまたはＮｉ−Ｃｏ合金を主成分とする結合相とは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ合金またはこれらに硬質相元素が２０重量％以下固溶した合金を示す。焼結合金の中でも、ＷＣを主成分とするＷＣ基超硬合金と、ＴｉＣまたはＴｉ（Ｃ，Ｎ）を主成分とするＴｉ化合物基サーメットは、耐摩耗性に優れるため特に好ましい。その中でもＷＣを主成分とするＷＣ基超硬合金は特に耐欠損性に優れるためさらに好ましい。
【０００８】
本発明の高強度被覆焼結合金の被膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物およびこれらの相互固溶体、ダイヤモンド、ＤＬＣ並びに窒化硼素の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、Ａｌ2Ｏ3などを挙げることができる。被膜は１層からなる単層膜または２層以上からなる複層膜でも良く、被膜を被覆する方法としては化学蒸着法または物理蒸着法を挙げることできる。その中でも密着性が高く、残留引張応力が生じる化学蒸着法で被膜が被覆された高強度被覆焼結合金に本発明を応用すると耐欠損性を向上させる効果が高いため、さらに好ましい。
【０００９】
高強度被覆焼結合金の被膜の平均クラック間隔を小さくすると残留引張応力を小さくすることができる。被膜の残留引張応力を小さくすると高強度被覆焼結合金の耐欠損性、耐チッピング性を向上させる。本発明の高強度被覆焼結合金において被膜の平均クラック間隔が５０μｍを超えると耐欠損性、耐チッピング性を低下させ、逆に２０μｍ未満とするとクラック間隔のばらつきを制御することが難しい。そのため、被膜の平均クラック間隔を２０〜５０μｍとした。その中でも２０〜４０μｍがさらに好ましく、その中でも２０〜３０μｍがさらに好ましい。
【００１０】
被膜のクラック間隔のばらつきが大きいと、被膜の残留引張応力のばらつきが大きくなる。高強度被覆焼結合金を切削工具として用いた場合、残留引張応力の大きいところが刃先近くに存在したとき、残留引張応力の大きいところが破壊の起源となって欠損し、その被覆焼結合金の耐欠損性を低下させる。また、切削加工において被膜のクラック間隔のばらつきが大きいと耐欠損性の低い切削工具が混じるため、一定数切削加工して交換するという定数交換を行うことができず、製造現場の無人化に大きな障害となる。そのため、被膜のクラック間隔の標準偏差を１５μｍ以下とした。その中でも１２μｍ以下がさらに好ましい。
【００１１】
被膜のクラック間隔の測定方法としていくつか挙げることができる。例えば、クラック間隔を測定する面を鏡面研摩し、フッ硝酸にてエッチングしてクラックを容易に観察することができる。フッ硝酸を完全に除去した後に鏡面研磨面を７５〜１５０倍の倍率で光学顕微鏡にて光顕写真を撮影する。得られた光顕写真に数本の線を引き、クラックとその線の交点間の距離を求め、それをクラック間隔とする。少なくとも５０箇所のクラック間隔を求め、それらの値から平均クラック間隔およびクラック間隔の標準偏差を求めることができる。
【００１２】
本発明の高強度被覆焼結合金は、基体に被膜を被覆した後の冷却条件を制御することで得ることができる。具体的には、６００〜１３００℃の所定の被覆温度から５００℃までを１〜１００℃／時間の冷却速度で徐冷することで得られる。また、被膜を被覆した後に、所定の条件のショットピーニング処理することによっても得ることができる。具体的には直径φ３００μｍの鋳鉄球をショットピーニングのメディアに用いて、投射速度を０．１〜１０ｍ／ｓ、メディアの投射角度を９０度という条件のショットピーニング処理をすることで得られる。なお、これらの処理条件は一例であり、これらの冷却速度による徐冷やショットピーニング処理以外でも本発明品を得ることができる。
【００１３】
上記高強度被覆焼結合金は耐欠損性、耐チッピング性に優れるため、切削工具、耐摩耗工具などの工具として用いられることが好ましく、その中でも切削工具として用いられることは特に好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の高強度被覆焼結合金は、従来の被覆焼結合金に比較して耐欠損性のばらつきが少ないという効果を奏する。そのため切削工具として用いた場合、耐欠損性に優れるとともに工具寿命が安定するという効果を奏する。
【実施例１】
【００１５】
Ｐ３０相当のＷＣ基超硬合金を基体とし、研削加工によりＣＮＭＧ１２０４０８形状とした後にブラシホーニング機によりＲ０．０５ｍｍの丸ホーニングを施した。その後、熱ＣＶＤ法を用いて表１に示す被覆条件で下記に示す膜構成と平均膜厚の被膜を基体の表面に被覆した。
（基体側）0.5TiN-9.0Ti(C,N)-0.5(Ti,Al)(C,O)-3.0Al2O3-0.5TiN（外側）（μｍ）
【００１６】
【表１】
2005220363.tif 000002
【００１７】
被膜を被覆した後、１０００℃から５００℃まで１００℃／時間の冷却速度で冷却し５００℃から室温まで自然冷却して本発明品１を得た。基体に本発明品１と同様の被覆条件で被覆した後に自然冷却して比較品１を得た。このとき１０００℃から５００℃までは２００℃／時間以上の冷却速度を示した。比較品１に対し、粒径３００μｍの鋳鉄球を用い、投射速度１０ｍ／ｓ、投射角度９０度でショットピーニング処理して本発明品２を得た。また比較品１に対し粒径３００μｍの鋳鉄球を用い、投射速度５０m／s、投射角度９０度でショットピーニング処理して比較品２を得た。こうして得られた本発明品１、２および比較品１、２の平均クラック間隔およびクラック間隔の標準偏差を表２に示した。これらの試料について切削試験Ａ、Ｂを行った。切削試験Ａで耐欠損性を、切削試験Ｂで耐摩耗性を評価することができる。
【００１８】
（切削試験Ａ）
外周断続旋削、
被削材S45C（4本溝付き）、
V=150m/min、
f=0.3mm/rev、
ap=2.0mm、
wet
【００１９】
（切削試験Ｂ）
外周連続旋削、
被削材S53C、
V=150m/min、
f=0.3mm/rev、
ap=1.5mm、
wet
切削試験Ａ、Ｂの結果は表２に併記した。
【００２０】
【表２】
2005220363.tif 000003
【００２１】
平均クラック間隔が２０〜３５μｍ、クラック間隔の標準偏差が１２〜１４μｍである本発明品１、２は、切削試験Ａにおいて、比較品１、２に比べて欠損までの衝撃回数が２倍程度増加する。このことから本発明品１、２は耐欠損性に優れることが分かる。
【実施例２】
【００２２】
Ｐ３０相当のＷＣ基超硬合金を基体とし、研削加工によりＳＤＫＮ４２ＺＴＮ形状とした後にブラシホーニング機によりＲ０．０５ｍｍの丸ホーニングを施した。その後、熱ＣＶＤ法を用いて表１に示す被覆条件で下記に示す膜構成と平均膜厚の被膜を基体の表面に被覆した。
（基体側）0.5TiN-4.5Ti(C,N)-0.5(Ti,Al)(C,O)-1.0Al2O3-0.5TiN（外側）（μｍ）
【００２３】
被膜を被覆した後、１０００℃から５００℃まで１００℃／時間の冷却速度で冷却し、５００℃から室温まで自然冷却して本発明品３を得た。本発明品３と同様の被覆条件で被覆した後に自然冷却して比較品３を得た。比較品３に対して、粒径３００μｍの鋳鉄球を用い、投射速度１０ｍ／ｓ、投射角度９０度でショットピーニング処理して本発明品４を得た。また比較品３に対して粒径３００μｍの鋳鉄球を用い、投射速度５０m／ｓ、投射角度９０度でショットピーニング処理して比較品４を得た。こうして得た本発明品３、４および比較品３、４の平均クラック間隔およびクラック間隔の標準偏差を表３に示した。これらの試料について切削試験Ｃを行った。切削試験Ｃにおける工具寿命および損傷形態を表３に併記した。
【００２４】
（切削試験Ｃ）
正面フライス切削、
工具径120mm、一枚刃、センターカット、
被削材SCM440、
V=150m/min、
f=0.250mm/rev、
ap=2.0mm、
F＝350m/min、
dry
【００２５】
【表３】
2005220363.tif 000004
【００２６】
平均クラック間隔が３５〜４０μｍ、クラック間隔の標準偏差が１２〜１４μｍである本発明品３、４は、切削試験Ｃにおいて比較品３、４に比べて工具寿命が１．４〜３倍程度増加する。これは本発明品３、４が耐欠損性、耐チッピング性に優れるためである。