(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃｏ：９〜１０％、
組成式：（Ｗ1-YＴｉY）Ｃ（ただし、原子比で、Ｙは０．３〜０．５を示す）を有するＷとＴｉの複合炭化物：２５〜３０％、
炭化ニオブ：５〜７％、
炭化タングステン：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体にして、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相が、炭化タングステン相と、ＷとＴｉとＮｂの複合炭化物相とからなり、かつ結合相がＣｏ−Ｗ系合金からなる組織を有する炭化タングステン基超硬合金で構成された基体の表面に、硬質被覆層として、アークイオンプレーティング装置を用い、
組成式：（Ｔｉ1-XＡｌX）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．２〜０．６を示す）を有する平均層厚：１〜６μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層、
を蒸着形成してなる、高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ式切削チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化タングステン基超硬合金で構成された基体（以下、超硬基体という）がすぐれた高温硬さを有し、したがって高熱発生を伴なう鋼や鋳鉄などの高速切削加工に用いた場合に、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製スローアウエイ式切削チップ（以下、被覆超硬チップという）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、被覆超硬チップは、例えば図１（ａ）に概略斜視図で、同（ｂ）に概略縦断面図で示される形状を有し、バイトの先端部に着脱自在に取り付けて各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工を行なうのに用いたり、エンドミル本体に着脱自在に取り付けて、前記被削材の面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられることは良く知られるところである。
また上記被覆超硬チップとして、超硬基体の表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］で構成された硬質被覆層を０．５〜６μｍの平均層厚で形成してなる被覆超硬チップが知られている。
【０００３】
さらに、上記の従来被覆超硬チップの硬質被覆層である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置を用い、ヒーターで装置内を、例えば雰囲気を０．５Ｐａの真空として、５００℃の温度に加熱した状態で、アノード電極と所定組成を有するＴｉ−Ａｌ合金がセットされたカソード電極（蒸発源）との間に、例えば電圧：３５Ｖ、電流：９０Ａの条件でアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、一方超硬基体には、例えば−２００Ｖのバイアス電圧を印加する条件で形成されることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は切削機械の高性能化とも相俟って高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆超硬チップにおいては、これを鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを高速切削条件で用いると、切削加工時に発生する高熱によって、特に切刃のすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部が高温に加熱され、この高温加熱で前記切刃稜線部の超硬基体の硬さが著しく低下するようになることから、切刃稜線部の摩耗進行が促進し、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に上記の従来被覆超硬チップに着目し、これを構成する超硬基体にすぐれた高温硬さを具備せしめるべく研究を行った結果、
（ａ）原料粉末として、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）粉末、組成式：（Ｗ1-YＴｉY）Ｃ（ただし、原子比で、Ｙは０．３〜０．５を示す）を有するＷとＴｉの複合炭化物［以下、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃで示す］粉末、炭化ニオブ（以下、ＮｂＣで示す）粉末、およびＣｏ粉末を用いて、配合組成を、質量％で（以下、％は質量％を示す）、
Ｃｏ：９〜１０％、
（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ：２５〜３０％、
ＮｂＣ：５〜７％、
ＷＣ：残り、
としてなる圧粉体の焼結体で超硬基体を構成すると、この超硬基体は、これを構成する超硬合金が、分散相として、ＷＣ相と共に、すぐれた高温硬さを有するＷとＴｉとＮｂの複合炭化物［以下、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃで示す］相が共存し、かつ結合相が、焼結時にＣｏ中へ分散相を形成するＷＣの一部の主にＷ成分が固溶し、これによってすぐれた高温強度を具備するようになるＣｏ−Ｗ系合金で構成された組織をもつものとなることから、すぐれた高温硬さを具備するようになること。
【０００６】
（ｂ）上記（ａ）の超硬基体の表面に、硬質被覆層としてアークイオンプレーティング装置を用いて、組成式：（Ｔｉ1-XＡｌX）Ｎ（ただし、Ｘは、原子比で０．２〜０．６）を有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を蒸着形成すると、高温硬さがさらに一段と向上するようになること。
【０００７】
（ｃ）したがって、上記（ａ）の超硬基体の表面に上記（ｂ）の硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬チップは、すぐれた高温硬さを具備するようになることから、これを高熱発生を伴なう高速切削加工に用いても摩耗進行が著しく抑制され、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
Ｃｏ：９〜１０％、
組成式：（Ｗ1-YＴｉY）Ｃ（ただし、原子比で、Ｙは０．３〜０．５を示す）を有する（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ：２５〜３０％、
ＮｂＣ：５〜７％
ＷＣ：残り、
からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体にして、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相が、ＷＣ相と、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相とからなり、かつ結合相がＣｏ−Ｗ系合金からなる組織を有する超硬基体の表面に、硬質被覆層として、アークイオンプレーティング装置を用い、
組成式：（Ｔｉ1-XＡｌX）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．２〜０．６を示す）を有する平均層厚：１〜６μｍの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、
を蒸着形成してなる、高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆超硬チップに特徴を有するものである。
【０００９】
つぎに、この発明の被覆超硬チップにおいて、これを構成する超硬基体（焼結体）の配合組成、硬質被覆層のＸ値、さらに硬質被覆層の平均層厚を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）超硬基体の配合組成
（ａ）Ｃｏ
Ｃｏ成分には、焼結性を向上させ、かつ焼結体の常温強度を向上させる作用があるが、その配合割合が９％未満では、前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配合割合が１０％を越えると、高速切削時に偏摩耗の原因となる熱塑性変形を起し易くなり、この結果摩耗進行が促進されるようになることから、その配合割合を９〜１０％と定めた。
【００１０】
（ｂ）（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ
（Ｗ，Ｔｉ）Ｃは、焼結時にＮｂＣと結合して、高い高温硬さを有する（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃを形成し、これが分散相として存在して超硬基体の高温硬さを著しく向上させる作用をもつが、その配合割合が２５％未満では、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相によるすぐれた高温硬さ向上効果を十分に確保することができず、一方その配合割合が３０％を越えると、分散相として存在する（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相の割合が多くなり過ぎて、切刃稜線部に欠けやチッピング（微小欠け）が発生し易くなることから、その配合割合を２５〜３０％と定めた。
また、（Ｗ，Ｔｉ）ＣのＴｉ成分には、焼結時における（Ｗ，Ｔｉ）ＣのＮｂＣとの結合を促進し、もって分散相としてＮｂＣ相が存在しないようにする作用があるが、その割合（Ｙ値）がＷ成分との合量に占める割合で、原子比で０．３未満では前記作用に所望の効果が得られず、さらに形成された（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相に十分な高温硬さを確保することができず、一方その割合（Ｙ値）が同じく０．５を越えると、焼結後に形成された（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相自体の強度に低下傾向が見られるようになり、これが原因で切刃稜線部に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その割合（Ｙ値）を、原子比で０．３〜０．５と定めた。
【００１１】
（ｃ）ＮｂＣ
ＮｂＣには、上記の通り焼結時に（Ｗ，Ｔｉ）Ｃと結合して、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相を形成し、もって超硬基体の高温硬さを著しく向上させる作用があるが、その配合割合が５％未満では、形成された（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相に十分な高温硬さを確保することができず、一方その配合割合が７％を越えると、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相におけるＮｂ成分の割合が多くなり、自体の強度に低下傾向が現れ、これが原因で切刃部に欠けやチッピングが発生し易くなることから、その配合割合を５〜７％と定めた。
【００１２】
（２）硬質被覆層のＸ値
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層におけるＡｌは常温強度の高いＴｉＮに対して耐熱性を付与し、もってすぐれた高温硬さを具備するようにするために固溶するものであり、したがって組成式：（Ｔｉ1-XＡｌX）ＮのＸ値が原子比で０．２未満では所望のすぐれた高温硬さを確保することができず、一方その値が同０．６を越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなることから、Ｘ値を原子比で０．２〜０．６と定めた。
【００１３】
（３）硬質被覆層の平均層厚
硬質被覆層を構成する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の平均層厚を、１〜６μｍとしたのは、その平均層厚が１μｍ未満では、硬質被覆層に所望の高温硬さを付与することができず、一方その平均層厚が６μｍを越えると、切刃に欠けやチッピングが発生し易くなるという理由からである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬チップを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径：３．０μｍを有するＷＣ粉末、同１．８μｍの（Ｗ0.7Ｔｉ0.3）Ｃ粉末、同１．９μｍの（Ｗ0.5Ｔｉ0.5）Ｃ粉末、同２．０μｍの（Ｗ0.4Ｔｉ0.6）Ｃ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末のうちの所要の原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０５のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＳＰＧＮ１２０３０８のチップ形状をもったＷＣ基超硬合金製の超硬基体ｂ，ｃ，ｅ，ｆ，ｊをそれぞれ製造した。
【００１５】
ついで、これらの超硬基体ｂ，ｃ，ｅ，ｆ，ｊを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図２に例示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、装置内を排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して１０ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で超硬基体に−８００ｖのバイアス電圧を印加して超硬基体表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−２００ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体ｂ，ｃ，ｅ，ｆ，ｊのそれぞれの表面に、表３に示される目標組成（Ｘ値）および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層として形成することにより本発明被覆超硬チップ１〜５をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、比較の目的で、表２の超硬基体ａ’〜ｌ’に示される通り、上記の原料粉末を用い、超硬基体の配合組成を、高温硬さに影響を及ぼす（Ｗ，Ｔｉ）ＣおよびＮｂＣ、さらにＣｏの少なくともいずれかの配合割合がこの発明の範囲から外れた配合組成とし、加えてこれらの中で（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の目標組成（Ｘ値）および／または目標層厚もこの発明の範囲から外れた硬質被覆層とする以外は同一の条件で、表４に示される通りの比較被覆超硬チップ１〜１２をそれぞれ製造した。
【００１７】
なお、本発明被覆超硬チップ１〜５および比較被覆超硬チップ１〜１２について、走査型電子顕微鏡およびオージェ分光分析装置を用いて、超硬基体の組織を観察したところ、いずれもＷＣ相と、（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃ相の分散相と、Ｃｏ−Ｗ系合金の結合相からなる組織を示し、さらに硬質被覆層について、その組成（厚さ方向中央部を測定）および厚さ（断面測定）を測定したところ、いずれも目標組成および目標層厚と実質的に同じ値を示した。
【００１８】
つぎに、上記本発明被覆超硬チップ１〜５および比較被覆超硬チップ１〜１２について、これ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、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２０分、
の条件での合金鋼の乾式高速連続旋削加工試験、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ３００の丸棒、
切削速度：２１０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：２０分、
の条件での鋳鉄の乾式高速連続旋削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの乾式高速旋削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表３、４にそれぞれ示した。
【００１９】
【表１】
0004416960.tif 000002
【００２０】
【表２】
0004416960.tif 000003
【００２１】
【表３】
0004416960.tif 000004
【００２２】
【表４】
0004416960.tif 000005
【００２３】
【発明の効果】
表１〜４に示される結果から、本発明被覆超硬チップ１〜５は、いずれも超硬基体がすぐれた高温硬さを有することから、硬質被覆層の具備するすぐれた高温硬さと相俟って、鋼や鋳鉄の切削加工を高い発熱を伴う高速で行っても、すぐれた耐摩耗性を示し、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するのに対して、比較被覆超硬チップ１〜１２に見られる通り超硬基体の配合成分である（Ｗ，Ｔｉ）ＣおよびＮｂＣ、さらにＣｏのうちの少なくともいずれかの配合割合がこの発明の範囲から外れると、十分な高温硬さが得られず、摩耗進行が速くなったり、切刃稜線部に欠けやチッピングが発生したりして、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の被覆超硬チップは、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、特に高速切削加工においてもすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化を可能にするものであるから、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は被覆超硬チップの概略斜視図で、（ｂ）は同概略縦断面図である。
【図２】  アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【図１】
0004416960.tif 000006
【図２】
0004416960.tif 000007