(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１種以上の鉄族金属を結合相とし、Ｚｒを必須とし、さらに、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上を含有する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属を含む化合物を硬質相とする超硬合金母材の表面に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物またはＡｌ２Ｏ３から選ばれた１種以上の単層または複層から成る被覆層を形成した被覆超硬合金部材において、前記Ｚｒと、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子とが前記母材の内部領域よりも表面領域において減少しているとともに、前記Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子の減少割合が前記Ｚｒ原子の減少割合よりも小さいことを特徴とする被覆超硬合金部材。
【請求項２】
前記表面領域の厚さが５〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の被覆超硬合金部材。
【請求項３】
前記結合相が前記母材の内部領域よりも表面領域において減少していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の被覆超硬合金部材。
【請求項４】
１種以上の鉄族金属と、Ｚｒを必須とし、さらに、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上を含有する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属を含む化合物とを調合して焼成して超硬合金母材を形成した後に、この母材の表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物またはＡｌ２Ｏ３から選ばれた１種以上の単層または複層から成る被覆層を形成する被覆超硬合金部材の製造方法において、前記調合物を焼成する際に１３５０℃以下における昇温速度を５℃／分以下とし、その後１２．５℃／分の昇温速度で昇温して１４００〜１６００℃で焼成する工程を有することを特徴とする被覆超硬合金部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被覆超硬合金部材およびその製造方法に関し、特に切削工具などに使用される強靭かつ耐摩耗性に優れた被覆超硬合金部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金の表面に炭化チタンなどの被覆層を蒸着した被覆超硬合金は、母材の靭性と表面の耐摩耗性を兼備えるため、鋼や鋳物などの切削用工具として多く用いられている。
【０００３】
近年、切削工具における切削効率の高効率化が進んでいる。切削効率は、切削速度（Ｖ）と送り量（ｆ）との積によって決定される。切削速度（Ｖ）を上昇させると、工具寿命が急速に低下する。そのため、送り量（ｆ）を大きくすることによって切削効率の向上が図られてきた。送り量（ｆ）を大きくすることによって切削効率を向上させるためには、切削工具の母材として、高い切削応力に対応できる強靭な材料を用いることが要求される。
【０００４】
切削工具において、耐摩耗性と耐欠損性という相反する特性を両立させて切削特性を向上させるために、従来からいくつかの提案がなされている。その例として、超硬合金の最表面に鉄族金属の量が部材内部に比べて多い層（結合相富化層）を有するもの、超硬合金の最表面にＷＣと結合相金属のみからなる層（脱β層）を有するものをそれぞれ母材とすることにより、耐摩耗性と耐欠損性の向上を図ることが提案されてきた。また、それらを補うための技術として、刃先の稜線部分の表面にも脱β層を形成することや（特開平６−７３５６０号：従来は刃先の稜線部分には脱β層は形成されなかった）、結合相富化層より表面に結合相減少層を設けること（特許２７６２７４５号）等が提案されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、切削条件が厳しくなるなか、耐摩耗性と靭性を有する工具を提供するには、表面に脱β層を設けるだけでは対応できなくなってきた。すなわち、脱β層中には、Ｔｉ、Ｔａ、あるいはＮｂ化合物などの硬質相成分が内部に対して減少している層が存在するが、それら硬質相成分の減少は超硬合金の耐熱性を低下させる欠点がある。
【０００６】
また、超硬合金の強度を向上させる方法として、母材中の結合相成分の量を多くする方法がある。ところが、母材中の結合相成分の量が増加すると靭性は向上するものの、高い切削速度の条件下においては刃先温度が高くなるため、刃先に塑性変形が生じるという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐摩耗性を劣化させることなく、耐欠損性を向上させた被覆超硬合金部材とその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高能率の切削加工においても、耐摩耗性と靭性との両方を兼備えた被覆超硬合金部材とその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る被覆超硬合金部材では、１種以上の鉄族金属を結合相とし、Ｚｒを必須とし、さらに、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上を含有する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属を含む化合物を硬質相とする超硬合金母材の表面に、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物またはＡｌ２Ｏ３から選ばれた１種以上の単層または複層から成る被覆層を形成した被覆超硬合金部材において、前記Ｚｒと、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子とが前記母材の内部領域よりも表面領域において減少しているとともに、前記Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子の減少割合が前記Ｚｒ原子の減少割合よりも小さいことを特徴とする。
【０００９】
上記被覆超硬合金部材では、前記表面領域の厚さが５〜２００μｍであることが望ましい。
【００１０】
また、上記被覆超硬合金部材では、前記結合相が前記母材の内部領域よりも表面領域において減少していることが望ましい。
【００１１】
また、請求項４に係る被覆超硬合金部材の製造方法では、１種以上の鉄族金属と、Ｚｒを必須とし、さらに、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上を含有する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属を含む化合物とを調合して焼成して超硬合金母材を形成した後に、この母材の表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物またはＡｌ２Ｏ３から選ばれた１種以上の単層または複層から成る被覆層を形成する被覆超硬合金部材の製造方法において、前記調合物を焼成する際に１３５０℃以下における昇温速度を５℃／分以下とし、その後１２．５℃／分の昇温速度で昇温して１４００〜１６００℃で焼成する工程を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、各請求項に係る被覆超硬合金部材とその製造方法を説明する。
本発明の被覆超硬合金部材は、主として１種以上の鉄族金属から成る結合相と周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物から成る硬質相とで構成される。
【００１３】
結合相を構成する鉄族金属にはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどがあり、硬質相成分の溶解度などとの関係からＣｏ、Ｎｉがよく使用される。その添加量は２〜２０ｗｔ％が適当である。
【００１４】
硬質相を構成する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物には、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒのうちの１種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物などがあり、耐摩耗性と靭性を向上させるには、ＷＣを主成分とすることが好ましい。また、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏのうちの１種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物などを用いてもよい。
【００１５】
この硬質相には一種以上のＺｒ化合物を含む。このＺｒ化合物には、例えばＺｒＣ、ＺｒＣＮ、ＺｒＯ、（Ｚｒ、Ｗ）Ｃ、（Ｚｒ、Ｔｉ、Ｗ）Ｃ、（Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ）Ｃ、あるいは（Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）ＣなどようにＺｒを含む炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物より選ばれた１種以上がある。Ｚｒ化合物は０．２〜１０ｗｔ％添加することが望ましい。この添加量が０．２ｗｔ％未満になるとＺｒ添加による切削性能の向上の効果が無くなり、１０ｗｔ％を超えると焼結不良等の問題が起こり、合金自体の強度が低下してしまう。
【００１６】
この超硬合金母材の表面には、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物から成る硬質相が内部に対して減少している表面領域が形成される。
内部に対して減少する硬質相元素には、Ｚｒを必須とし、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上が含まれ、さらにはＶ、Ｃｒ等がある。
【００１７】
この表面領域の厚みは５〜２００μｍが望ましい。この表面領域の厚みが５μｍ以下であると、表面付近までβ層が残ることとなり、そのβ層が破壊源となって強度が低下する。また、２００μｍより大きいときは、表面付近においてβ層が無いことにより、刃先の耐熱性が低下する。この表面領域の厚みは、後述する焼成条件によって変化する。
【００１８】
本発明では、Ｚｒと、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子とが母材の内部領域よりも表面領域において減少しているとともに、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子の減少割合がＺｒ原子の減少割合よりも小さいことを特徴とする。ここで内部領域とは母材表面より脱β層の影響が無い十分内部のことであり、一例として脱β層の厚みが８０〜１００μｍのときは約１０００〜２０００μｍ程度となる。これらの値は焼成条件（昇温速度、焼成雰囲気）、窒化物添加量等により変化する。
【００１９】
Ｔａ、Ｔｉ、およびＮｂ化合物はＺｒ化合物に比べて母材の耐熱性を向上させることができる利点がある。
しかしそれらがβ層の形で母材の表面に存在すると破壊源となって強度が低下する問題がでてくる。
そこで、それら化合物を脱β層内に固溶させて、脱β層を強化させ、それらのなかでもより耐熱性に影響があるＴａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種の化合物を耐熱性に影響しにくいＺｒ化合物より多く存在させることで、より効果が増すことがわかった。
【００２０】
ここで周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物が内部に対して減少している層、その層におけるＺｒと、Ｔｉ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上の化合物の内部に対する減少割合は、ＸＭＡ（Ｘ線マイクロアナライシス）等により求めることができる。
ここではより精度の高いＷＤＳ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー）分析装置（（株）日本電子製：ＪＸＡ−８６００Ｍ）で分析した。分析エリアは測定のバラツキをなくすために、表面部に平行に約２５０μｍの範囲をもたせて行い、深さ方向に分析を行った。分析個所については少なくとも同一試料の４ヶ所以上を測定し、それらの平均値を利用した。試料にはＣＮＭＡ１２０４１２の工具を平面研削盤等ですくい面側から約２，０００μｍほど研削した後、その研削面を鏡面加工してその面を分析した。
分析結果を図１に示す。すなわち、図１はＷＤＳによる分析結果を示し、表面から内部への深さ方向の原子の分布状態を示す。横軸０μｍは母材表面部を表し、横軸は表面からの深さである。縦軸は内部に対するカウント値の比率である。
【００２１】
本発明の被覆超硬合金部材の好ましい実施例においては、超硬合金母材の表面部における周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の化合物が内部に対して減少している領域の厚さが５〜２００μｍになっている。これは５μｍ未満では脱β層としての効果（表面までβ層が残ることとなり、そのβ層が破壊源となる強度の低下）が無くなり、２００μｍより大きいときは、刃先の耐熱性が低下するからである。
【００２２】
また、従来の脱β層では、結合相富化層があることにより、高い切削速度においては刃先温度が高くなる条件下において、刃先の塑性変形が生じる問題があった。この問題は合金中の鉄族金属の量を減少する方法で解決することができる。ここでいう結合相富化層とは内部に対して鉄族金属量が多い層であり、これらの分析方法は前記ＸＭＡで求めることができる。この分析結果を図１に示す。
【００２３】
超硬合金母材の表面には被覆層を設ける。被覆層は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、硼化物およびＡｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）から選ばれた１種以上の単層または複層から成り、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、あるいはＰＣＶＤ法等の化学蒸着法や物理蒸着法で形成される。この被覆層によって、高速切削における耐摩耗性と耐欠損性をバランス良く向上させることができる。
【００２４】
上記超硬合金母材は、１４００〜１６００℃程度の温度で維持することにより焼成される。この焼成の際に、１３５０℃以下における昇温速度を５℃／分以下とし、その後１２．５℃／分の昇温速度で昇温して１４００〜１６００℃で焼成することが重要である。Ｚｒは高温でのＣｏの溶解度がＴａ、Ｔｉに比べて多いのに対し、低温でのＣｏの溶解度はＴａ、Ｔｉに比べて少ないことから、通常液相出現温度といわれている１３５０℃以下の昇温速度を変化させる。
本発明ではＺｒ化合物を調合時に添加して、１３５０℃以下における昇温速度を５℃／分以下とすることで脱β層を作成し、その層におけるＺｒ化合物の内部に対する減少割合に対し、Ｔａ、Ｔｉ、またはＮｂ化合物の内部に対する減少割合が少ない層を含む層、望ましくは前記結合相成分（鉄族金属）も内部に対して減少する層を作成することができる。
その後、超硬合金母材の表面に被覆層を形成する。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す１〜５の組成（重量％）からなる原料粉をＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８の形状を有するチップに成形して脱脂した後、１３５０℃まで表１に示す昇温速度条件にて昇温し、その後１４５０℃までを１２．５℃／分の昇温速度で昇温して１時間保持した後に冷却した。こうして表1に示す試料１〜５を作製した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表1に示す試料１〜２（本発明品）は、Ｚｒ原子の内部に対する減少割合に対し、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ原子の内部に対する減少割合が少ない層が存在した。この層厚みおよびそれらの原子の減少量の比の大小をＷＤＳで測定した。その結果を表１の減少量の比の大小に示す。
【００２８】
また、表1に示す試料３（本発明品）は、Ｚｒ原子の内部に対する減少割合に対し、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ原子の内部に対する減少割合が少ない層が存在し、なおかつＣｏ減少層が存在した。この層厚みおよびそれらの原子の減少量の比の大小をＷＤＳで測定した。
【００２９】
また、表1の試料４、５（従来品）では、Ｚｒ原子の内部に対する減少割合に対し、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ原子の内部に対する減少割合が多くなっている。
【００３０】
これらの焼結体の切刃稜線部にホーニング処理を行なった後、その焼結体表面に通常のＣＶＤ法で内層にＴｉの窒化物および炭窒化物を計９μｍ、外層に酸化アルミニウムを３μｍの厚さで被覆層を形成した。
【００３１】
これらの試料を用いて、下記の条件で切削時の耐チッピング性テスト及び耐摩耗性テストを行った。これらのテスト結果を表２に示す。
耐チッピング性テスト：
切削速度  ３５０ｍ／ｍｉｎ
被削材    ＦＣ２５０
送り      ０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み    ２．０ｍｍ
切削時間  ２ｓｅｃ
耐摩耗性テスト：
切削速度  ５００ｍ／ｍｉｎ
被削材    ＦＣ２５０
送り      ０．５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み    ２．０ｍｍ
切削時間  １．２ｍｉｎ
【００３２】
【表２】
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【００３３】
表２の結果から、Ｚｒ原子の内部に対する減少割合に対し、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ原子の内部に対する減少割合が少ない層を好ましい範囲に調製した試料（試料Ｎｏ．１、２、３）は、その他の試料（試料Ｎｏ．４、５）に比較して耐チッピング性がともに優れていることが分かる。
【００３４】
また、表２の結果から、Ｃｏが内部に対して減少している層を含む試料（試料Ｎｏ．３）は、その他の試料（試料Ｎｏ．２）に比較して耐摩耗性が優れていることが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る被覆超硬合金部材では、Ｚｒと、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子とが前記母材の内部領域よりも表面領域において減少しているとともに、前記Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子の減少割合が前記Ｚｒ原子の減少割合よりも小さいことから、超硬合金の耐熱性の低下を最小限に抑えることができる。
【００３６】
また、請求項２に係る被覆超硬合金では、表面領域の厚さが５〜２００μｍであることから、この表面層を脱β層として充分に作用させることができ、刃先の耐熱性を向上させることができる。
【００３７】
また、請求項３に係る被覆超硬合金では、結合相が母材の内部領域よりも表面領域において減少していることから、高い切削速度においても刃先温度が高くなることを極力防止でき、もって刃先の塑性変形を防止できる。
【００３８】
さらに、請求項４に係る被覆超硬合金の製造方法によれば、１種以上の鉄族金属と、Ｚｒを必須とし、さらに、Ｔａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上を含有する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属を含む化合物との調合物を焼成する際に１３５０℃以下における昇温速度を５℃／分以下とし、その後１２．５℃／分の昇温速度で昇温して１４００〜１６００℃で焼成する工程を有することから、脱β層中の組成をＴａ、ＴｉおよびＮｂのうちの１種以上の原子の減少割合がＺｒ原子の減少割合よりも小さくなるようにコントロールすることができ、超硬合金の耐熱性の低下を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る被覆超硬合金部材の波長分散型Ｘ線マイクロアナライザーによる分析結果を示す図である。
【図１】
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