(57)【要約】      （修正有）【課題】切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷および熱的負荷が作用する湿式フライス切削加工において、すぐれた耐異常損傷性、耐摩耗性を発揮する複合焼結体切削工具および表面被覆複合焼結体切削工具を提供する。【解決手段】ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層との複合焼結体からなり、切削工具の切れ刃を含むすくい面は、鉄族金属成分を４〜１７質量％、Ｗを７５質量％以上含有し、ＷＣを主たる硬質相成分とするＷＣ基超硬合金層で構成され、ＷＣ基超硬合金層の厚さは、上記複合焼結体の厚さの０．１〜０．３倍であり、上記ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の構成成分の含有割合を金属成分の含有割合で表現した場合、少なくとも鉄族金属成分を４〜２５質量％、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％含有する複合焼結体切削工具および表面被覆複合焼結体切削工具。【選択図】図１
2017007062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層との複合焼結体からなる切削工具において、
（ａ）上記切削工具は、すくい面と逃げ面のなす角は９０度であり、
（ｂ）上記切削工具の切れ刃を含むすくい面は、鉄族金属成分を４〜１７質量％、Ｗを７５質量％以上含有し、ＷＣを主たる硬質相成分とするＷＣ基超硬合金層で構成され、
（ｃ）上記ＷＣ基超硬合金層の厚さは、上記複合焼結体の厚さの０．１〜０．３倍であり、
（ｄ）上記ＴｉＣＮ基サーメット層は、２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、上記ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の構成成分の含有割合を金属成分の含有割合で表現した場合、少なくとも鉄族金属成分を４〜２５質量％、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％含有し、かつ、鉄族金属成分であるＣｏとＮｉについて、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有割合は０．５〜０．８（但し、質量比）を満足し、
（ｅ）上記切削工具のすくい面の最大内接円の中心点を通り、すくい面および逃げ面双方に直交する面内において、すくい面と逃げ面の交差する稜線を通り、すくい面と直交する線を基準線として、逃げ面の上端から下端まで高さプロファイルを測定した時、前記高さプロファイルの最大高低差の値が、上記複合焼結体におけるすくい面の表面から裏面までの厚さに対して０．０１以下の割合であることを特徴とする複合焼結体切削工具。
【請求項２】
上記複合焼結体切削工具のすくい面は、その平面形状が多角形状または円形状であることを特徴とする請求項１に記載の複合焼結体切削工具。
【請求項３】
上記複合焼結体切削工具のすくい面を構成するＷＣ基超硬合金層は、上記ＴｉＣＮ基サーメット層の表面、あるいは、表面と裏面に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の複合焼結体切削工具。
【請求項４】
上記ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層とからなる複合焼結体切削工具の少なくともすくい面を構成するＷＣ基超硬合金の表面に、硬質被覆層を蒸着形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表面被覆複合焼結体切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合焼結体からなる切削工具に関し、特に、希少金属であるタングステンの使用量の削減を図るとともに、焼結に際しての焼結体の変形量を少なくした耐熱亀裂性にすぐれる切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼や鋳鉄の切削加工用工具としては、ＷＣ基超硬合金が広く利用されているが、希少金属であるタングステンの使用量を削減し所望の切削性能を得るために、従来から各種の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、超硬合金層と、ＷＣ及びＷを合計で１５〜６５質量％以下含み、結合相中の鉄族金属の８０質量％以上がＣｏであるサーメット層とを積層した基材からなる切削工具において、基材は、積層方向における最大厚さをｈ１、切刃部分の超硬合金層の積層方向における最大厚さをｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１を０．００２〜０．０２とすることによって、耐衝撃性と仕上げ面光沢を改善した複合焼結体製切削工具が提案されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、超硬合金層と、ＷＣ及びＷを合計で１５〜６５質量％以下含み、結合相中の鉄族金属の８０質量％以上がＣｏであるサーメット層とを積層した基材からなる切削工具において、超硬合金層とサーメット層との境界に最大落差が５０μｍ〜５００μｍである凹凸部を形成し、かつ、基材の積層方向における最大厚さをｈ１、すくい面側に配置された超硬合金層の積層方向における最大厚さをｈ２としたとき、ｈ２／ｈ１を０．０２超０．４以下とすることにより、超硬合金層とサーメット層との間の接合性を改善するとともに、焼結後の基材の変形を抑制した複合焼結体製切削工具が提案されている。
【０００５】
また、例えば、特許文献３には、超硬合金粉末とサーメット粉末からそれぞれプレス成形体を形成し、このプレス成形体を積層して、真空雰囲気で１３００〜１５００℃×０．５〜３時間保持する焼結を行って工具基体を作製するにあたり、超硬合金層とサーメット層との境界の凹凸状態を特定の範囲とし、あるいは、両層の結合相量を特定の範囲に調整することにより、超硬合金とサーメットの接合性を高め、また、焼結時に生じる変形を抑制し、複合焼結体製切削工具の耐摩耗性と靭性を改善す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】特許第５１８５０３２号公報
【特許文献２】特許第５２９７３８１号公報
【特許文献３】特許第５４１３０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１，２に示すような複合焼結体製切削工具では、タングステン使用量のある程度の低減は図られるものの、サーメット中には、１５質量％以上のＷ，ＷＣが必要とされており、タングステン使用量の削減は不十分であり、また、このような切削工具を湿式断続切削加工に用いた場合には、強度、靭性が不十分であるばかりか耐熱亀裂性も十分でないため、チッピング、欠損等の異常損傷を破損し易いという問題があった。
また、上記特許文献３に示す超硬合金とサーメットからなる複合焼結体において、超硬合金層とサーメット層との境界に凹凸を形成する必要があるばかりか、焼結時の変形が少ない複合焼結体を得るためには、プレス体の焼結時の収縮特性が異種材料間で揃っている必要があり、そのため、かかる複合焼結体から作製した切削工具では、タングステン使用量の低減はせいぜい３０％程度に留まっており、省資源の観点からは十分満足できるものではないばかりか、湿式断続切削などの激しい熱履歴を受ける切削条件下では、クラックの進展等により刃先の超硬合金が破壊する恐れがあり、十分な信頼性があるとはいえなかった。
そこで、本発明では、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金からなる複合焼結体を工具基体とする切削工具において、希少金属であるタングステンの使用量の低減を図るとともに、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削に用いた場合でも、クラック進展抑制作用を備え、耐異常損傷性に優れた切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、上述のような観点から、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金からなる複合焼結体を工具基体とする複合焼結体切削工具において、タングステン使用量の低減を図るとともに、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削に用いた場合でも、クラックの伝播・進展抑制作用に優れ、もって、長期の使用に亘ってチッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生しない切削工具について鋭意検討したところ、次のような知見を得た。
ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合焼結体切削工具において、工具の切れ刃を含むすくい面をＷＣ基超硬合金層で形成した場合には、複合焼結体の焼結時の熱膨張率差で圧縮応力が発生することにより、工具の断続切削性能は改善されるが、焼結に際してのＴｉＣＮ基サーメットの変形挙動は、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金層の界面部分とＴｉＣＮ基サーメット中央部分とでは異なり、サーメット中央部分では、ＷＣ基超硬合金層との界面部分に比して収縮量が多いため、複合焼結体のサーメット中央部分には大きな変形（凹み）が生じる。
しかし、本発明者らは、用いるＴｉＣＮ基サーメットの成分組成を調整することにより、上記サーメット中央部分の変形を低減でき、これによって、被削材の仕上げ面精度の低下を防止し得ること、また、切削工具の耐熱亀裂性を改善し得ること、さらに、希少金属であるタングステンの使用量を低減できることを見出したのである。
その結果、上記複合焼結体を工具基体とする切削工具においては、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷および熱的負荷が作用する合金鋼等の湿式断続切削においても、クラックの伝播・進展が防止され、長期の使用に亘って、すぐれた耐異常損傷性、耐摩耗性を発揮することを見出したのである。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層との複合焼結体からなる切削工具において、
（ａ）上記切削工具は、すくい面と逃げ面のなす角は９０度であり、
（ｂ）上記切削工具の切れ刃を含むすくい面は、鉄族金属成分を４〜１７質量％、Ｗを７５質量％以上含有し、ＷＣを主たる硬質相成分とするＷＣ基超硬合金層で構成され、
（ｃ）上記ＷＣ基超硬合金層の厚さは、上記複合焼結体の厚さの０．１〜０．３倍であり、
（ｄ）上記ＴｉＣＮ基サーメット層は、２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、上記ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の構成成分の含有割合を金属成分の含有割合で表現した場合、少なくとも鉄族金属成分を４〜２５質量％、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％含有し、かつ、鉄族金属成分であるＣｏとＮｉについて、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有割合は０．５〜０．８（但し、質量比）を満足し、
（ｅ）上記切削工具のすくい面の最大内接円の中心点を通り、すくい面および逃げ面双方に直交する面内において、すくい面と逃げ面の交差する稜線を通り、すくい面と直交する線を基準線として、逃げ面の上端から下端まで高さプロファイルを測定した時、前記高さプロファイルの最大高低差の値が、上記複合焼結体におけるすくい面の表面から裏面までの厚さに対して０．０１以下の割合であることを特徴とする複合焼結体切削工具。
（２）上記複合焼結体切削工具のすくい面は、その平面形状が多角形状または円形状であることを特徴とする前記（１）に記載の複合焼結体切削工具。
（３）上記複合焼結体切削工具のすくい面を構成するＷＣ基超硬合金層は、上記ＴｉＣＮ基サーメット層の表面、あるいは、表面と裏面に形成されていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の複合焼結体切削工具。
（４）上記ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層とからなる複合焼結体切削工具の少なくともすくい面を構成するＷＣ基超硬合金の表面に、硬質被覆層を蒸着形成したことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面被覆複合焼結体切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１０】
以下、この発明について、以下、図面とともに詳細に説明する。
【００１１】
図１は、この発明の複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、（ａ）は、この発明の複合焼結体切削工具の一つの例の側面図、また、（ｂ）には、他の例の側面図を示し、さらに、（ｃ）は、この発明の複合焼結体切削工具のすくい面の平面形状の一つの例（多角形状）、また、（ｄ）は、この発明の複合焼結体切削工具のすくい面の平面形状の他の例（円形状）を示す。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、この発明の切削工具は、工具基体全体をＷＣ基超硬合金で構成するのではなく、ＴｉＣＮ基サーメットを母体とし、切れ刃を含むすくい面に、ＷＣ基超硬合金を設ける構造となっており、特に、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示される構造の場合には、ＴｉＣＮ基サーメットの表面と裏面にＷＣ基超硬合金からなるすくい面が形成されているので、一方のすくい面の損傷、摩耗量が激しくなった場合には、工具の表面と裏面を反転させることによって、新たな切れ刃を含むすくい面を出現させ、切削加工を継続することが可能となる。なお、本発明では、ＴｉＣＮ基サーメットの表面と裏面の双方に必ずすくい面を形成する必要はなく、表面あるいは裏面の少なくとも一方にすくい面を形成すればよい（図１（ａ）参照）。
また、この発明の切削工具は、すくい面の平面形状が、図１（ｃ）に示すように、多角形状（図１（ｃ）では、四角形、あるいは、ひし形）の場合には、角形の各頂点を切れ刃として使用することができ、また、図１（ｄ）に示すように、すくい面の平面形状が、円形（楕円形も含む）の場合には、円周上のいかなる位置も切れ刃として使用することができる。
図２は、この発明の複合焼結体切削工具の表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、（ａ）は、この発明の表面被覆複合焼結体切削工具の一つの例の側面図、また、（ｂ）は他の例の側面図を示す。
図２（ａ）、（ｂ）として示すように、この発明では、切削工具の表面に硬質被覆層を蒸着形成することによって、表面被覆複合焼結体切削工具として用いることもできる。なお、図２（ａ）では、ＴｉＣＮ基サーメットの一方の面にのみＷＣ基超硬合金からなるすくい面を形成した切削工具であって、かつ、該すくい面には硬質被覆層が蒸着形成されている。
図３は、この発明で規定する逃げ面の高さプロファイル、最大高低差についての概略説明図である。
【００１２】
この発明の複合焼結体切削工具（以下、「切削工具」ともいう）、表面被覆複合焼結体切削工具（以下、「被覆工具」ともいう）は、大略、以下の製造方法によって作製することができる。
まず、それぞれ異なった組成からなる複数種類のＴｉＣＮ基サーメット粉末（例えば、ＴｉＣＮ基サーメット粉末１とＴｉＣＮ基サーメット粉末２からなる２種類のＴｉＣＮ基サーメット粉末）と、所定組成のＷＣ基超硬合金粉末を用意し、まず、所定の層順になるように、それぞれの粉末を積層し、これらの積層した粉末をプレスすることで、複数種類のＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金が積層された複合成形体を作製し、ついで、この複合成形体を、例えば、０．１ｋＰａの窒素雰囲気中にて、１４２０℃×１ｈｒの条件で焼結して複合焼結体を作製し、ついで、得られた複合焼結体を所定の形状に加工することにより本発明の複合焼結体切削工具を作製することができる。
例えば、図１（ａ）に示す構造の複合焼結体を作製するためには、まず、所定厚さでＴｉＣＮ基サーメット粉末２を敷設し、その上に、所定厚さでＴｉＣＮ基サーメット粉末１を敷設し、さらにその上に、所定厚さでＷＣ基超硬合金粉末を敷設した後、プレスにより複合成形体を作製し、その後、焼結、加工することによって、複合焼結体切削工具を作製する。
ここでいう「所定厚さで・・を敷設」とは、焼結後に所定目標厚さとなるような厚さに各粉末を敷設するという意味である。
また、上記で作製した本発明の複合焼結体切削工具のＷＣ基超硬合金側の表面に、少なくとも、物理蒸着法、化学蒸着法等により、Ｔｉ化合物層、ＴｉとＡｌの複合窒化物層、Ａｌ２Ｏ３層等の硬質被覆層を単層でまたは複数層の積層皮膜として蒸着形成することによって、本発明の表面被覆複合焼結体切削工具を製造することができる。
【００１３】
ＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成：
この発明で用いられるＷＣ基超硬合金層に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層（例えば、図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）におけるＴｉＣＮ基サーメット層１）は、ＴｉＣＮを主たる硬質成分とし、４〜２５質量％の鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）成分を主たる結合相成分とするサーメットである。その他の含有成分を金属成分元素換算した場合、Ｗを１５質量％未満、Ｍｏを２〜１５質量％、Ｎｂを２〜１０質量％、Ｃｒを０．２〜２質量％を含有し、かつ、鉄族金属成分のうちのＣｏとＮｉについては、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏ含有量の比は０．５〜０．８とする。
【００１４】
Ｗ：
ＷはＴｉＣＮ基サーメット中での含有量が増えるほど、ＴｉＣＮ基サーメットの特性がＷＣ基超硬合金に近づくので、複合体としての焼結は容易となるが、本発明で目的としているように含有量の削減が求められる成分元素であることから、この発明では、Ｗ含有量を１５質量％未満と定めた。
【００１５】
Ｍｏ：
Ｍｏは、ＴｉＣＮ基サーメットにおいて、硬質相と結合相との濡れ性を高め、焼結性を向上させる作用を有する成分元素であるが、その含有量が２質量％未満では、濡れ性の向上効果が十分ではなく、一方、含有量が１５質量％を超えると、硬質相にＭｏが溶け込み、強度、靭性を低下させるようになるため、Ｍｏの含有量は２〜１５質量％と定めた。
【００１６】
Ｎｂ：
Ｎｂは、ＴｉＣＮ基サーメットの高温耐酸化性を向上させる効果があるが、その含有量が２質量％未満の場合、あるいは、１０質量％を超える場合には、高温耐酸化性向上効果が低下するため、Ｎｂの含有量は２〜１０質量％と定めた。
【００１７】
Ｃｒ：
Ｃｒは、ＴｉＣＮ基サーメットの焼結温度をＷＣ基超硬合金のそれに近づける効果を有するが、その含有量が０．２質量％未満では、その効果が十分ではなく、一方、その含有量が２質量％を超えると、Ｃｒ３Ｃ２の遊離相が析出し焼結体の靭性を低下させるようになるため、Ｃｒの含有量は０．２〜２質量％と定めた。
【００１８】
Ｃｏ：
Ｃｏは、鉄族金属成分であって、ＴｉＣＮ基サーメットにおける結合相成分であるが、同じく鉄族金属成分であるＮｉとの関連において、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））を０．５〜０．８（但し、質量比）の範囲内とすることが必要である。ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））が０．５未満であると、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金の複合成形体を焼結する際に、ＴｉＣＮ基サーメット層中のＮｉ成分がＷＣ基超硬合金層に拡散し、ＷＣ基超硬合金層の高温硬さを低下させることになり、一方、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））が０．８を超えると、ＴｉＣＮ基サーメット層の靭性が低下し、複合焼結体の破損を招く恐れがある。
したがって、ＴｉＣＮ基サーメット層に含有される成分であるＣｏとＮｉについては、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ））を０．５〜０．８（但し、質量比）の範囲内とする。
【００１９】
ＷＣ基超硬合金に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成については前記のとおりであるが、ＷＣ基超硬合金に隣接していないＴｉＣＮ基サーメット層（例えば、図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）に例示されるＴｉＣＮ基サーメット層２）の成分組成に関しては、前記のような厳しい制限は受けない。
また、ＴｉＣＮ基サーメット層の構造は、図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）に例示したＴｉＣＮ基サーメット層１とＴｉＣＮ基サーメット層２からなる積層構造に限定されるものではなく、より多種類のＴｉＣＮ基サーメット層（例えば、ＴｉＣＮ基サーメット層２，３，４・・）からなる多層の積層構造として構成することができる。
ただ、ここで、注意しなければならないのは、ＷＣ基超硬合金に接するＴｉＣＮ基サーメット層（即ち、図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）に示す「ＴｉＣＮ基サーメット層１」）については、その成分組成を前述の如く定める必要があるが、ＷＣ基超硬合金に直接接していないＴｉＣＮ基サーメット層（即ち、図１（ａ），（ｂ）、図２（ａ），（ｂ）に示す「ＴｉＣＮ基サーメット層２」）については、後記する逃げ面の高さプロファイルに関する条件（即ち、プロファイルの基準面からの最大高低差が工具厚さの０．０１以下）を満たすような成分組成のＴｉＣＮ基サーメットでなければならない。
一方、ＴｉＣＮ基サーメット層２、３、４・・の成分組成を適切に設計することにより、各層の熱膨張係数を制御し、熱応力を徐々に緩和する層として設計することや、切れ刃を構成する超硬合金層に適した圧縮応力を付与することが可能である。
なお、ＴｉＣＮ基サーメットに通常含有されるＺｒＣ、ＴａＣ等の成分については、本発明のＴｉＣＮ基サーメットにおいても、通常含有される範囲内であればこれらを含有させることができる。また、Ｗ含有量については、８質量％以下、好ましくは、４質量％以下とすることができる。これによって、複合焼結体切削工具、複合焼結体表面被覆切削工具の切削性能を劣化させることなく、ＴｉＣＮ基サーメット中に含有されるＷ含有量をより一層低減することができるので、Ｗの使用量削減効果が大となる。
【００２０】
ＷＣ基超硬合金の成分組成：
ＴｉＣＮ基サーメットと複合焼結体を構成するＷＣ基超硬合金は、主たる硬質相成分であるＷＣと主たる結合相成分である鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）とからなる。結合相成分は、硬質相成分と強固に結合し、工具基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、その含有量が４質量％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方、その含有量が１７質量％を越えると、耐摩耗性が低下するようになることから、結合相成分である鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）の含有量合計は、４〜１７質量％とする。
主たる硬質相成分であるＷＣは、工具基体の硬さを担保する成分であるが、ＷＣ基超硬合金中のＷの含有量が７５質量％未満では所望の硬さを発揮し得ず、耐摩耗性が低下するようになることから、ＷＣ基超硬合金中のＷ含有量は、７５質量％以上とする。
また、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの各成分は、炭化物、窒化物、炭窒化物等を形成して、ＷＣ基超硬合金の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる作用があるが、これらの硬質相成分の含有量合計が１０質量％（但し、金属成分として換算）を越えると靭性が低下するようになることから、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの各成分の含有量合計は１０質量％以下とすることが好ましい。
【００２１】
切れ刃を含むすくい面を構成するＷＣ基超硬合金：
ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層からなる複合焼結体は、謂わば、ＴｉＣＮ基サーメット層が基体となり、その上に、切れ刃を含むすくい面としてＷＣ基超硬合金層が形成されて、切削工具を構成する。
また、本発明は、工具のすくい面と逃げ面のなす角度は９０度であって、所謂、ネガティブインサートと称される切削工具に属する。
本発明の切削工具においては、切れ刃を含むすくい面としてのＷＣ基超硬合金層の厚さは、複合焼結体の厚さの０．１〜０．３倍の厚さとする。
なお、ここで、「すくい面としてのＷＣ基超硬合金層の厚さ」とは、ＴｉＣＮ基サーメット層の表面および裏面の双方にすくい面が形成されている場合は、表面および裏面のＷＣ基超硬合金層の合計厚さをいう。
これは、ＷＣ基超硬合金層の厚さが、複合焼結体の厚さの０．１倍未満である場合には、切削加工時に靭性に劣るＴｉＣＮ基サーメット層に大きな負荷がかかり、欠けが発生し易くなり、一方、ＷＣ基超硬合金層の厚さが、複合焼結体の厚さの０．３倍を超える場合には、ＷＣ基超硬合金層に付与される残留圧縮応力が小さくなり、耐チッピング性、耐欠損性が低下するばかりか、Ｗ使用量の削減という本発明の目的にそぐわなくなるという理由による。
したがって、本発明では、ＷＣ基超硬合金層の厚さは、複合焼結体の厚さの０．１〜０．３倍の厚さとする。
【００２２】
基準面からの高さプロファイルの最大高低差：
本発明の切削工具におけるＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成、ＷＣ基超硬合金層の成分組成、すくい面を構成するＷＣ基超硬合金層の厚さは、前記のとおりであるが、本発明では、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用する断続切削におけるＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層との複合焼結体からなる切削工具の逃げ面摩耗を低減し、さらに、被削材の仕上げ面精度の低下を防止するために、逃げ面の高さプロファイルを測定した時、基準線からの高さプロファイルの最大高低差を、工具厚さの１％以下に抑えることが必要である。
図３に示すように、本発明切削工具のすくい面の最大内接円の中心点を通り、すくい面および逃げ面双方に直交する面内において、すくい面と逃げ面の交差する稜線を通り、すくい面と直交する線を基準線として、逃げ面の上端から下端まで高さプロファイルを測定した時、前記高さプロファイルの最大高低差の値が、上記複合焼結体におけるすくい面の表面から裏面までの厚さに対しての割合が０．０１以下でなければならない。
仮に、最大高低差の割合が０．０１を超えると、切削工具のすくい面の残留応力は大きな値となるため耐熱亀裂性は改善されるが、その反面、逃げ面の耐摩耗性が劣化し、さらに、被削材の仕上げ面精度も低下してくるからである。
このような逃げ面の高さプロファイルの変化は、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金とを重ね合わせて焼結した際に、例えば、１４００〜１４４０℃程度の温度範囲で、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの緻密化とともに収縮が始まるが、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の界面部分のＴｉＣＮ基サーメットは緻密化が完了して変形・収縮をしにくくなっているにもかかわらず、ＴｉＣＮ基サーメット層の中央部分においては、変形・収縮が大きく、さらにこれが阻止されないことからさらに収縮が進み、その結果、図３に示されるように、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの収縮挙動の違いによって、ＴｉＣＮ基サーメット層の中央部分に大きな凹みが形成されることになる。
【００２３】
硬質被覆層：
本発明の切削工具は、複合焼結体のＷＣ基超硬合金層を切れ刃を含むすくい面とすることによって、そのまま切削工具として用いることができるが、少なくとも、切れ刃を含むすくい面を構成するＷＣ基超硬合金の表面に、物理蒸着法、化学蒸着法等によって、例えば、ＴｉとＡｌの複合窒化物層を被覆形成することによって、より切削性能を高めることができる。
なお、硬質被覆層としては、ＴｉとＡｌの複合窒化物層ばかりでなく、Ｔｉの窒化物層、炭化物層、炭窒化物層、ＡｌとＣｒの複合窒化物層、Ａｌ２Ｏ３層など、既に知られている各種の硬質被覆層を、それぞれ単層として、あるいは、複数の層の積層として被覆形成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の複合焼結体切削工具は、ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層との複合焼結体からなるネガティブインサートであって、ＴｉＣＮ基サーメット層とＷＣ基超硬合金層の成分組成範囲を適正化するとともに、切れ刃を含むすくい面を構成するＷＣ基超硬合金層の厚さ比率を適正化し、さらに、ＴｉＣＮ基サーメット層を複数種類のＴｉＣＮ基サーメット層１，２，３・・で構成することによって、中央部分の変形・収縮を抑制することから、タングステンの使用量を低減したとしても、耐熱亀裂性を低下させることなく、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用し、熱的負荷も作用する合金鋼等の湿式断続切削において、クラックの伝播・進展が抑制され、長期の使用に亘って、すぐれた耐異常損傷性、耐摩耗性を発揮するという効果を奏するのである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、（ａ）は、この発明の複合焼結体切削工具の一つの例の側面図、また、（ｂ）は、他の例の側面図を示し、さらに、（ｃ）は、この発明の複合焼結体切削工具のすくい面の平面形状の一つの例（多角形状）、また、（ｄ）は、この発明の複合焼結体切削工具のすくい面の平面形状の他の例（円形状）を示す。
【図２】この発明の複合焼結体切削工具の表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、（ａ）は、この発明の表面被覆複合焼結体切削工具の一つの例の側面図、また、（ｂ）は他の例の側面図を示す。
【図３】この発明で規定する逃げ面の高さプロファイル、最大高低差についての概略説明図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、この発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。
【実施例１】
【００２７】
実施例１では、ＴｉＣＮ基サーメットの一面のみに、平面形状が多角形状であるＷＣ基超硬合金からなるすくい面を形成した工具について説明する。
まず、表１に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＷＣ基超硬合金原料粉末を用意し、表２に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＴｉＣＮ基サーメット原料粉末（但し、ＴｉＣＮ基サーメット層１用原料粉末とＴｉＣＮ基サーメット層２用原料粉末とからなる）を用意する。
上記ＷＣ基超硬合金原料粉末および２種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末（ＴｉＣＮ基サーメット層１用原料粉末とＴｉＣＮ基サーメット層２用原料粉末）を、表３に示す組合せでＩＳＯインサート形状ＳＮＭＮ１２０４０８の素材用金型で積層プレスし、複合成形体１〜６を作製した。
【００２８】
ついで、この複合成形体１〜６を、焼結して複合焼結体１〜６を作製した。
焼結条件は、いずれの場合も、次のとおりである。
複合成形体を焼結温度にまで昇温するに際し、室温から１２８０℃までは５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、液相が出現する１２８０℃から１３８０℃までの温度域は、いずれも３０℃／ｍｉｎ以上の昇温速度で高速昇温し、１３８０℃から所定の１４２０℃までは５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、０．１ｋＰａの窒素雰囲気中にて、１４２０℃の焼結温度に１時間保持後、冷却した。
ついで、得られた複合焼結体１〜６について、ＷＣ基超硬合金をすくい面として、すくい面の平面形状が多角形状であって、刃先をＲ＝０．０４のホーニング加工し、ＳＮＭＮ１２０４０８形状の表４、表５に示す複合焼結体切削工具１〜６（以下、本発明工具１〜６という）を作製した。
【００２９】
上記本発明工具１〜６のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の積層方向に平行な断面について、電子線マイクロアナライザーを用いて、ＷＣ基超硬合金層とこれに隣接するＴｉＣＮ基サーメット層１の界面から、ＷＣ基超硬合金層側へ１００μｍの位置、また、ＴｉＣＮ基サーメット層１側へ１００μｍの位置においてそれぞれ組成分析を行い、１０点測定の平均値を求めることにより、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層１の成分組成を求めた。
また、ＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成については、ＴｉＣＮ基サーメット層１に隣接するＴｉＣＮ基サーメット層２の界面から、ＴｉＣＮ基サーメット層２側へ１００μｍの位置において組成分析を行い、１０点測定の平均値を求めることにより、ＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成を求めた。
表４、表５に、これらの値を示す。
【００３０】
また、本発明工具１〜６のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層１，２の厚さは光学顕微鏡で観察して測定した。異なる５点で厚み測定し、これを平均して厚さとした。
表４、表５に、これらの値を示す。
【００３１】
ついで、本発明工具４〜６については、ＷＣ基超硬合金の表面に、アークイオンプレーティングにより、ＴｉとＡｌの複合窒化物（なお、ＴｉとＡｌの含有量は、それぞれ５０原子％）からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
表５に、蒸着形成した硬質被覆層の層厚を示す。
【００３２】
また、すくい面に直交する線を基準線とした逃げ面の高さプロファイルの測定、及び、該プロファイルの基準線からの最大高低差の測定は、以下のように行って、工具厚さに対する最大高低差の割合を求めた。
触針式表面形状測定装置を用い、逃げ面のうちの一面を下面として装置に設置し、すくい面の中心を通り、すくい面と直交する面内をプローブが走査するよう設定する。ついですくい面と逃げ面が交差する稜線にプローブ先端をあわせ、逃げ面上をもう一方の稜線まで走査し、高さプロファイルを得る。得られた高さプロファイルについて、稜線二点を結ぶ線を高さゼロの基準線とし、基準線から高さが最大になる点と最低になる点、二点の高さの差から最大高低差を求める。複合焼結体切削工具の厚さはノギスを用いて測定し、上記最大高低差を除することにより工具厚さに対する最大高低差の割合を求めた。
表５に、これらの値を示す。
【００３３】
比較のため、表１に示す配合組成のＷＣ基超硬合金原料粉末および表２に示す配合組成のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を、表６に示す組合せで積層プレスし、比較例複合成形体１〜６を作製した後、この複合成形体を、実施例と同じ条件で焼結して比較例複合焼結体１〜６を作製した。
また、ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を使用することなく表１に示す配合組成のＷＣ基超硬合金原料粉末のみから、ＷＣ基超硬合金のみからなる比較例焼結体７〜９（便宜上、比較例複合焼結体７〜９という）を作製した。
ついで、得られた比較例複合焼結体１〜６，７〜９について、ＷＣ基超硬合金をすくい面として、刃先をＲ＝０．０４のホーニング加工し、ＳＮＭＮ１２０４０８形状の表７に示す複合焼結体切削工具１〜６，７〜９（以下、比較例工具１〜６，７〜９という）を作製した。
【００３４】
次いで、本発明工具１〜６の場合と同様にして、比較例工具１〜６については、電子線マイクロアナライザーを用いて、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の界面から、ＷＣ基超硬合金層側へ１００μｍの位置、また、ＴｉＣＮ基サーメット層側へ１００μｍの位置においてそれぞれ組成分析を行い、１０点測定の平均値を求めることにより、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成を求めた。
さらに、比較例工具１〜６について、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の厚さを光学顕微鏡で観察して測定した。なお、異なる５点で厚み測定し、これを平均して厚さとした。
【００３５】
ついで、比較例工具４〜９についてについては、ＷＣ基超硬合金の表面に、アークイオンプレーティングにより、ＴｉとＡｌの複合窒化物（なお、ＴｉとＡｌの含有量は、それぞれ５０原子％）からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
表７に、蒸着形成した硬質被覆層の層厚を示す。
【００３６】
また、すくい面に直交する線を基準線とした逃げ面の高さプロファイルの測定、及び、該プロファイルの基準線からの最大高低差の測定を、実施例１と同様な方法で行った。
表７に、これらの値を示す。
【００３７】
【表１】
2017007062.tif 000003
【００３８】
【表２】
2017007062.tif 000004
【００３９】
【表３】
2017007062.tif 000005
【００４０】
【表４】
2017007062.tif 000006
【００４１】
【表５】
2017007062.tif 000007
【００４２】
【表６】
2017007062.tif 000008
【００４３】
【表７】
2017007062.tif 000009
【００４４】
つぎに、上記本発明工具１〜６および比較例工具１〜９について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向４本溝入り丸棒、
切削速度：４０５  ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２  ｍｍ、
送り：０．２  ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１２  分
の条件で、合金鋼の湿式断続切削加工試験を行い、逃げ面摩耗量、あるいは、寿命に至るまでの切削時間を測定した。
さらに、本発明工具１〜６および比較例工具１〜６については、表４、表５に示される（ＷＣ基超硬合金の厚さ）／（工具の厚さ）の値から、各工具においてサーメットと積層せず、全体をＷＣ基超硬合金とした場合からの使用Ｗ量削減率（質量％）を算出した。
表８に、これらの結果を示す。
【００４５】
【表８】
2017007062.tif 000010
【００４６】
表８に示される結果から、本発明被覆工具は、タングステンの使用量を低減したとしても、ＷＣ基超硬合金層とこれに隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成範囲を適正化するとともに、切れ刃を含むすくい面を構成するＷＣ基超硬合金層の厚さ比率を適正化し、さらに、ＴｉＣＮ基サーメット層を成分組成の異なるＴｉＣＮ基サーメット層１，２から構成することによって、耐チッピング性を低下させることなく、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用し、熱的負荷も作用する合金鋼等の湿式断続切削において、クラックの伝播・進展が抑制され、長期の使用に亘って、すぐれた耐異常損傷性、耐摩耗性を発揮し、ＷＣ基超硬合金のみから作製した比較例工具７〜９（即ち、使用Ｗ量削減率はゼロ％の工具）に劣らない切削性能を示す。  
これに対して、比較例工具１〜６は、タングステン使用量は削減されているものの、耐熱亀裂性が劣るものであって、短時間で使用寿命に至ることは明らかである。
【実施例２】
【００４７】
実施例１では、すくい面の平面形状が多角形状であって、ＴｉＣＮ基サーメットの一面のみにＷＣ基超硬合金からなるすくい面を形成した工具について説明したが、実施例２として、次に、ＴｉＣＮ基サーメットの両面にすくい面を形成した工具について説明する。
【００４８】
実施例１の場合と同様に、表１に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＷＣ基超硬合金原料粉末及び表２に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用意する。
複合成形体の中心にＴｉＣＮ基サーメット層２用原料粉末を用いた層、その上下をＴｉＣＮ基サーメット層１用原料粉末を用いた層でサンドイッチ状態とし、さらにその上下からＷＣ基超硬合金原料粉末でサンドイッチ状態とし、表９に示す組合せで、ＩＳＯインサート形状ＳＮＭＮ１２０４０８の素材用金型で積層プレスし、複合成形体２１〜２６を作製した。なお、複合成形体２１〜２６においては上下面を構成するＷＣ基超硬合金層は上面、下面共に同一のＷＣ基超硬合金原料粉末を用い、厚さも同一とした。さらにＴｉＣＮ基サーメット層１についても同様に上下の層を同一とした。表９に示す厚さは上側または下側片方の層の厚さである。
上記複合成形体２１〜２６を、実施例１と同様な条件で焼結して  ついで、刃先をＲ＝０．０４のホーニング加工し、ＳＮＭＮ１２０４０８形状の表１０、表１１に示す複合焼結体切削工具２１〜２６（以下、本発明工具２１〜２６という）を作製した。
ついで、本発明工具２４〜２６については、ＷＣ基超硬合金の表面に、アークイオンプレーティングにより、ＴｉとＡｌの複合窒化物（なお、ＴｉとＡｌの含有量は、それぞれ５０原子％）からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
上記本発明工具２１〜２６について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金層、ＴｉＣＮ基サーメット層１及びＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成、厚さ、逃げ面の高さプロファイルの基準面からの最大高低差、硬質被覆層の層厚を求めた。ＷＣ基超硬合金層およびＴｉＣＮ基サーメット層１については、上下の層が実質的に同一であることを確認した。
表１０、表１１に、これらの値を示す。
【００４９】
つぎに、上記本発明工具２１〜２６について、実施例１と同一の条件で、合金鋼の湿式断続切削加工試験を行い、逃げ面摩耗量を測定するとともに、表１１に示される（ＷＣ基超硬合金の厚さ）／（工具の厚さ）の値から、各工具においてサーメットと積層せず、全体をＷＣ基超硬合金とした場合からの使用Ｗ量削減率（質量％）を算出した。
表１１に、これらの結果を示す。
【００５０】
【表９】
2017007062.tif 000011
【００５１】
【表１０】
2017007062.tif 000012
【００５２】
【表１１】
2017007062.tif 000013
【実施例３】
【００５３】
次に、実施例３では、すくい面の平面形状が円形状である工具について説明する。
【００５４】
表１に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＷＣ基超硬合金原料粉末および表２に示す配合組成の平均粒径０．５〜３μｍのＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用意する。
上記ＷＣ基超硬合金原料粉末およびＴｉＣＮ基サーメット原料粉末（ＴｉＣＮ基サーメット層１用原料粉末とＴｉＣＮ基サーメット層２用原料粉末の二種類からなる）を、表１２に示す組合せでＩＳＯインサート形状ＲＮＭＧ１２０４００の素材用金型で積層プレスし、複合成形体３１〜３８を作製した。
また、作製した複合成形体３５〜３８は、複合成形体の中心にＴｉＣＮ基サーメット層２用原料粉末を用いた層、その上下をＴｉＣＮ基サーメット層１用原料粉末を用いた層でサンドイッチ状態とし、さらにその上下からＷＣ基超硬合金原料粉末でサンドイッチ状態としたものである。なお、複合成形体３５〜３８においては上下面を構成するＷＣ基超硬合金層は上面、下面共に同一のＷＣ基超硬合金原料粉末を用い、厚さも同一とした。さらにＴｉＣＮ基サーメット層１についても同様に上下の層を同一とした。表１２に示す厚さは上側または下側片方の層の厚さである。
【００５５】
ついで、この複合成形体３１〜３８を、焼結して複合焼結体３１〜３８を作製した。
焼結条件は、実施例１と同様である。
得られた複合焼結体３１〜３８のＷＣ基超硬合金からなるすくい面の刃先をＲ＝０．０４のホーニング加工し、すくい面の平面形状が円形状である表１３、表１４に示す本発明の複合焼結体切削工具３１〜３８（以下、本発明工具３１〜３８という）を作製した。
ついで、本発明工具３３、３４、３７、３８については、ＷＣ基超硬合金の表面に、アークイオンプレーティングにより、ＴｉとＡｌの複合窒化物（なお、ＴｉとＡｌの含有量は、それぞれ５０原子％）からなる硬質被覆層を蒸着形成した。
【００５６】
上記本発明工具３１〜３８について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層１およびＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成、厚さ、逃げ面の高さプロファイルの基準面からの最大高低差、硬質被覆層の層厚を求めた。
表１３、表１４に、これらの値を示す。
【００５７】
つぎに、上記本発明工具３１〜３８について、実施例１と同一の条件で、合金鋼の湿式断続切削加工試験を行い、逃げ面摩耗量を測定するとともに、表１４に示される（ＷＣ基超硬合金の厚さ）／（工具の厚さ）の値から、各工具においてサーメットと積層せず、全体をＷＣ基超硬合金とした場合からの使用Ｗ量削減率（質量％）を算出した。
表１４に、これらの結果を示す。
【００５８】
【表１２】
2017007062.tif 000014
【００５９】
【表１３】
2017007062.tif 000015
【００６０】
【表１４】
2017007062.tif 000016
【００６１】
実施例２の結果を示す表１１及び実施例３の結果を示す表１４からも、本発明工具２１〜２６、３１〜３８は、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷が作用し、熱的負荷も作用する合金鋼等の湿式断続切削において、長期の使用に亘って、すぐれた耐異常損傷性、耐摩耗性を発揮するとともに、Ｗ使用量の削減も図れることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明では、ＴｉＣＮ基サーメット層は、ＴｉＣＮ基サーメット層１とＴｉＣＮ基サーメット層２の２層からなるケースについて主に説明したが、ＴｉＣＮ基サーメット層は２層に限定されるわけではなく、ＴｉＣＮ基サーメット層１，２，３・・という３層以上の層から構成されるものであっても構わないことは勿論である。
そして、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層との複合焼結体からなる本発明の複合焼結体切削工具あるいは表面被覆複合焼結体切削工具においては、ＴｉＣＮ基サーメット層を複数の層から形成していることによって、希少金属であるタングステン使用量の低減を図り得るとともに、切れ刃に断続的・衝撃的な高負荷、熱的負荷が作用する湿式断続切削に用いた場合でも、耐熱亀裂性に優れ、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、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でき、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。
【図１】
2017007062.tif 000017
【図２】
2017007062.tif 000018
【図３】
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