(57)【要約】【課題】鋳鉄の高速断続切削加工において、すぐれた耐塑性変形性、耐チッピング性を発揮する表面被覆ＷＣ基ＷＣ基超硬合金製切削工具を提供する。【解決手段】ＷＣを硬質成分として含有し、また、Ｃｏを少なくとも結合相成分として含有するＷＣ基超硬合金を工具基体とし、該工具基体表面に、硬質被覆層（例えば、Ｔｉ化合物層からなる下部層と、酸化アルミニウム層からなる上部層）を被覆形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、上記工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相中の平均酸素含有量は５０００〜１００００ｐｐｍとすることによって高速断続切削における耐塑性変形性、耐チッピング性を改善し、一方、上記工具基体の表面から１０μｍまでの表層領域および１００μｍを超える内部領域における結合相中の平均酸素含有量は２０００ｐｐｍ以下とすることによって工具基体の靭性を確保する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣを硬質成分として含有し、また、Ｃｏを少なくとも結合相成分として含有するＷＣ基超硬合金を工具基体とし、該工具基体表面に、硬質被覆層を被覆形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、
上記工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相中の平均酸素含有量は５０００〜１００００ｐｐｍであり、一方、上記工具基体の表面から１０μｍまでの表層領域および１００μｍを超える内部領域における結合相中の平均酸素含有量は２０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項２】
上記硬質被覆層は、
（ａ）Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層又は２層以上からなり、全体平均層厚０．５〜１５μｍのＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）平均層厚１〜１０μｍの酸化アルミニウム層からなる上部層、
とからなることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鉄の切削加工を、高熱発生を伴い、切刃に断続的・衝撃的負荷が作用する高速断続切削条件で行った場合であっても、工具基体がすぐれた耐塑性変形性を有することにより、すぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼や鋳鉄の切削工具としては、ＷＣ基超硬合金製切削工具や、ＷＣ基超硬合金を工具基体とし、この上に硬質被覆層を形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具が広く知られている。
また、例えば、特許文献１に示すように、ＷＣ基超硬合金の結合相中に、５００〜２０００ｐｐｍの酸素を含有させることにより、高強度、高硬度、高い曲げ疲労強度を付与したＷＣ基超硬合金製切削工具が知られており、そして、この工具を、金属加工用エンドミル、プリント基板用ドリル、プリント基板用ルーターエンドミル等の工具として用いた場合には、工具寿命が改善されることも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９１７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で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、切削加工はますます高速化、高効率化の傾向にあるが、上記従来のＷＣ基超硬合金製切削工具では、これを軽負荷の旋削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、これを、例えば、高熱発生を伴う鋳鉄の高速断続切削に用いた場合には、高速切削時に発生する高熱により切れ刃等に塑性変形が発生すると同時に、切刃に作用する断続的衝撃を原因として、チッピング等が発生しやすくなるため、短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者らは、鋳鉄の高速断続切削において、すぐれた耐塑性変形性、耐チッピング性を発揮する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具（以下、被覆超硬工具という）について鋭意研究したところ、次のような知見を得たのである。
【０００６】
すなわち、上記従来のＷＣ基超硬合金製切削工具では、ＷＣ基超硬合金の結合相中に５００〜２０００ｐｐｍの酸素を均一に含有させることにより、ＷＣ基超硬合金の曲げ疲労強度を高めているものの、結合相中の酸素含有量が２０００ｐｐｍを超えるとＷＣ基超硬合金全体としての靭性が低下するため、酸素含有量を２０００ｐｐｍ以上に高めることはできなかった。
しかし、本発明者らは、ＷＣ基超硬合金の結合相中の酸素分布について研究したところ、ＷＣ基超硬合金製工具基体の極く表層及び内部については、酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下に抑え、一方、工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域における結合相については、その平均酸素含有量を５０００〜１００００ｐｐｍと高めることによって、ＷＣ基超硬合金全体としての脆化を抑制しつつ、しかも、工具基体表面に被覆する硬質被覆層の密着性を低下させることなく、ＷＣ基超硬合金の耐塑性変形性を高めることができ、その結果、高熱発生を伴い、切刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋳鉄の高速断続切削加工において、本発明による被覆超硬工具は、すぐれた耐チッピング性を発揮することを見出したのである。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）  ＷＣを硬質成分として含有し、また、Ｃｏを少なくとも結合相成分として含有するＷＣ基超硬合金を工具基体とし、該工具基体表面に、硬質被覆層を被覆形成した表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具において、
上記工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相中の平均酸素含有量は５０００〜１００００ｐｐｍであり、一方、上記工具基体の表面から１０μｍまでの表層領域および１００μｍを超える内部領域における結合相中の平均酸素含有量は２０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
（２）  上記硬質被覆層は、
（ａ）Ｔｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層又は２層以上からなり、全体平均層厚０．５〜１５μｍのＴｉ化合物層からなる下部層、
（ｂ）平均層厚１〜１０μｍの酸化アルミニウム層からなる上部層、
とからなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
【０００８】
本発明の構成について、以下に説明する。
【０００９】
本発明の被覆超硬工具の工具基体を構成するＷＣ基超硬合金は、ＷＣを硬質相成分の主体として含有するが、この他に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂの内から選ばれる１種または２種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物をさらに含有することができる。
これらの硬質相成分の含有は、母材強度、高温硬度、耐摩耗性の向上に効果があるが、多量に含有した場合には、強度低下を招く恐れがあるので、これらの成分の合計含有量は５重量％以下とすることが望ましい。
【００１０】
本発明の被覆超硬工具の工具基体を構成するＷＣ基超硬合金は、結合相形成成分として、少なくともＣｏを含有する。
Ｃｏ成分には、結合相を形成して基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、ＷＣ基超硬合金中の平均Ｃｏ含有量が５質量％未満では、特に靭性に所望の向上効果が得られず、一方、平均Ｃｏ含有量が１５質量％を越えると、塑性変形が起り易くなって、偏摩耗の進行が促進されるようになることから、ＷＣ基超硬合金中の平均Ｃｏ含有量は５〜１５質量％とすることが望ましい。
【００１１】
本発明では、工具基体を構成するＷＣ基超硬合金の結合相（例えば、Ｃｏ）中に酸素を含有させるが、特に、該工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域においては、結合相の平均酸素含有量を５０００〜１００００ｐｐｍと高め、一方、該工具基体の極く表層（工具基体の表面から１０μｍ以内の領域）及び内部（工具基体の表面から１００μｍ以上の深さ領域）については、平均酸素含有量を２０００ｐｐｍ以下に抑える。
前記特許文献にも記載されているように、ＷＣ基超硬合金全体としての酸素含有量が２０００ｐｐｍ以上となると、ＷＣ基超硬合金が脆化することからこれを避ける必要があるが、本発明では、工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域のみの酸素含有量を高めることができることから、ＷＣ基超硬合金全体としての脆化を抑制しつつ、しかも、工具基体表面に被覆する硬質被覆層の密着性を低下させることなく、ＷＣ基超硬合金の耐塑性変形性を高めることができる。
【００１２】
本発明では、工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域のみの酸素含有量を高めるための手段として、例えば、イオン注入法を採用することができる。
すなわち、所定の原料粉末を焼結して、ＷＣ基超硬合金焼結体を作製し、加工を施して所定形状のＷＣ基超硬合金製工具基体を作製した後、該工具基体の表面に、エネルギーイオン注入装置（２００ｋＶ、−１ｍＡ）を用いて、イオン注入強度１×１０１５〜１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２でイオン注入することによって、本発明で規定する深さ領域の結合相中に、同じく本発明で規定する平均酸素含有量の酸素を含有せしめることができる。
【００１３】
本発明の硬質被覆層としては、それ自体よく知られている硬質被覆層を、例えば、化学蒸着法によって被覆形成することができる。
より具体的にいえば、例えば、下部層と上部層からなる硬質被覆層を形成する場合には、下部層として、全体平均層厚０．５〜１５μｍのＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層又は２層以上からなるＴｉ化合物層を被覆形成することができる。
また、上部層としては、平均層厚１〜１０μｍの酸化アルミニウム層を被覆形成することができる。
なお、前記硬質被覆層において、下部層の全体平均層厚０．５μｍ未満、または、上部層の平均層厚が１μｍ未満では、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、下部層の全体平均層厚が１５μｍを超える場合、または、上部層の平均層厚が１０μｍを超える場合には、チッピング、欠損が発生しやすくなるので、下部層の全体平均層厚は０．５〜１５μｍ、また、上部層の平均層厚は１〜１０μｍとすることが望ましい。
【００１４】
本発明の被覆超硬工具は、例えば、以下の製造法により製造することができる。
（ａ）まず、いずれも平均粒径０．５〜３μｍのＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、および、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖの内から選ばれる１種または２種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の粉末を用意し、所定の配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥後、所定形状の圧粉体に１００ＭＰａの圧力でプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空雰囲気中、１４００℃の温度に１時間保持して真空焼結することにより、ＷＣ基超硬合金焼結体を作製し、次いで、切れ刃部にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＣＮＭＡ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体を作製する。
（ｂ）ついで、上記工具基体の表面に、エネルギーイオン注入装置（２００ｋＶ、−１ｍＡ）を用いて、イオン注入強度１×１０１５〜１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２で酸素イオンを注入し、工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相中の酸素含有量を５０００〜１００００ｐｐｍとする。
（ｃ）ついで、上記工具基体をＣＶＤ装置に装入し、通常の条件で、全体平均層厚０．５〜１５μｍのＴｉの炭化物層、窒化物層、炭窒化物層、炭酸化物層および炭窒酸化物層のうちの1層又は２層以上からなるＴｉ化合物層を下部層として蒸着形成し、さらに、この上に、同じく通常の条件で、平均層厚１〜１０μｍの酸化アルミニウム層からなる上部層を蒸着形成することにより、下部層と上部層からなる硬質被覆層を被覆形成する。
上記の製造方法により、本発明の被覆超硬工具を製造することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の被覆超硬工具によれば、工具基体の表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相中の酸素含有量を高めることができるので、ＷＣ基超硬合金全体としての脆化を抑制しつつ、しかも、工具基体表面に被覆する硬質被覆層の密着性を低下させることなく、ＷＣ基超硬合金の耐塑性変形性を高めることができる。
したがって、本発明の被覆超硬工具を、高熱発生を伴い、切刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋳鉄の高速断続切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐塑性変形性、耐チッピング性を発揮し、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮するのである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の表面被覆超硬合金製切削工具（被覆超硬工具）について、実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００１７】
（ａ）  原料粉末として、いずれも０．５〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＣｏ粉末を、表１に示す割合に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で７２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た。
このプレス成形により得た圧粉体を、６Ｐａの真空中、１４００℃にて1時間保持の条件で真空焼結して焼結体を作製し、ＷＣ基超硬合金１〜５を製造した。
これらのＷＣ基超硬合金１〜５に、Ｒ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＣＮＭＡ１２０４０８に規定されるインサート形状をもった工具基体１〜５を製造した。
【００１８】
（ｂ）  ついで、エネルギーイオン注入装置（２００ｋＶ、−１ｍＡ）を用いて、表２の本発明条件で、工具基体１〜５の表面に酸素を注入することにより、本発明工具基体１〜５を作製した。
【００１９】
（ｃ）  ついで、上記本発明工具基体１〜５の表面に、表３に示す所定の層厚の下部層と上部層からなる硬質被覆層を化学蒸着装置で蒸着形成することにより、同じく表３に示す本発明の被覆超硬工具１〜５(以下、実施例１〜５という)を製造した。
【００２０】
実施例１〜５の被覆超硬工具の縦断面について、電子線マイクロアナライザを用い、０．３μｍ×０．３μｍの領域において面分析により、ＷＣ基超硬合金の表面から１０μｍまでの深さの表層領域の結合相、表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相さらに表面から１００μｍ以上の深さの内部領域の結合相における、それぞれの酸素含有量を測定し、１０点の測定値を平均することにより平均酸素含有量を求めた。
これらの結果を、表３に示す。
【００２１】
【表１】
2013107187.tif 000002
【００２２】
【表２】
2013107187.tif 000003
【００２３】
【表３】
2013107187.tif 000004
【００２４】
比較のため、前記（ａ）で作製した工具基体１〜５に対して、表２の比較例条件で酸素を注入して比較例工具基体１〜５を作製し、ついで、比較例工具基体１〜５の表面に、表４に示す所定の層厚の下部層と上部層からなる硬質被覆層を化学蒸着で蒸着形成することにより、同じく表４に示す比較例の被覆超硬工具１〜５(以下、比較例１〜５という)を製造した。
【００２５】
さらに参考のために、先行技術として示した特許文献１に記載された方法と同様な以下に示す製造方法で参考例の工具基体を作製した。
つまり、原料粉末として、いずれも平均粒径０．５〜１μｍのＷＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｏ３Ｏ４粉末、及び炭素粉末の各原料粉末を配合し、本発明と同様に混合、乾燥、プレス成形し、このプレス成形により得た圧粉体を、６Ｐａの真空中、１４００℃にて1時間保持の条件で真空焼結して焼結体を作製し、ＷＣ基超硬合金６を製造した。
ついで、上記ＷＣ基超硬合金６に、Ｒ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことにより、ＩＳＯ・ＣＮＭＡ１２０４０８に規定されるインサート形状をもった参考例工具基体６を製造した。
ついで、上記参考例工具基体６の表面に、表４に示す所定の層厚の下部層と上部層からなる硬質被覆層を化学蒸着装置で蒸着形成することにより、同じく表４に示す参考例の被覆超硬工具６(以下、参考例６という)を製造した。
【００２６】
比較例１〜５および参考例６の被覆超硬工具の縦断面について、実施例１〜５の場合と同様に、ＷＣ基超硬合金の表面から１０μｍまでの深さの表層領域の結合相、表面から１０〜１００μｍの深さ領域の結合相さらに表面から１００μｍ以上の深さの内部領域の結合相における、それぞれの酸素含有量を測定し、１０点の測定値を平均することにより平均酸素含有量を求めた。
これらの結果を、表４に示す。
【００２７】
【表４】
2013107187.tif 000005
【００２８】
つぎに、上記の実施例１〜５、比較例１〜５及び参考例６について、次の切削条件で、切削加工試験を実施した。
[切削条件]
被削材：    ＪＩＳ・ＦＣ３００  ４溝スリット材
切削速度：  ３５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：  ２．５ｍｍ、
送り量：    ０．４ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：  ５．０分、
の条件での鋳鉄の高速断続切削試験（通常の切削速度は、２５０ｍ／ｍｉｎ）。
そして、上記の切削試験における切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、この測定結果を表５に示した。
【００２９】
【表５】
2013107187.tif 000006
【００３０】
表３〜５の結果から、本発明の被覆超硬工具においては、高熱発生を伴うとともに、切刃に断続的・衝撃的負荷が作用する鋳鉄の高速断続切削加工においても、工具基体の塑性変形性が改善されることにより、チッピングの発生が抑制され、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することが分かる。
これに対して、比較例あるいは参考例の被覆超硬工具では、チッピング、欠損等の発生により、短時間で寿命に至ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、高速断続切削加工に用いられた場合、長期間の使用にわたってすぐれた切削性能を示すことから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。