(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣを必須とし周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種類の遷移金属の窒化物、炭窒化物あるいはこれらの複合炭窒化物からなる硬質相と残部がＮｉ及びＣｏならびに不可避的不純物を含む結合相とからなる窒素含有焼結硬質合金において、合金表面部にＮｉ、Ｃｏを主成分とする金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層が存在し、該シミダシ層は内部方向に３層に分かれ、最外層はＷＣが０体積％以上３０体積％以下で残部がＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相で構成され、中間層はＷＣが５０体積％以上１００体積％以下で残部がＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相で構成され、最下層はＷＣが０体積％以上３０体積％以下で残部がＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相で構成され、かつ最外層、最下層の厚みがそれぞれ０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、中間層の厚みが０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする窒素含有焼結硬質合金。
【請求項２】
ＷＣを必須とし周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種類の遷移金属の窒化物、炭窒化物あるいはこれらの複合炭窒化物からなる硬質相と残部がＮｉ及びＣｏならびに不可避的不純物を含む結合相とからなる窒素含有焼結硬質合金において、合金表面部にＮｉ、Ｃｏを主成分とする金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層が存在し、該シミダシ層の直下に全くＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相を含まないか、含んだとしても２体積％以下であり、かつその領域幅が該シミダシ層直下から内部方向に２μｍ以上１００μｍ以内であることを特徴とする請求項第１項記載の窒素含有焼結硬質合金。
【請求項３】
ＷＣを必須として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種類の遷移金属の窒化物、炭窒化物あるいはこれらの複合炭窒化物からなる硬質相と残部がＮｉ及びＣｏならびに不可避的不純物を含む結合相とからなる窒素含有焼結硬質合金において、合金表面部にＮｉ、Ｃｏを主成分とする金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層が存在し、該シミダシ層の直下にＷＣを全く含まないか、含んだとしても２体積％以下である領域が１μｍ以上、５００μｍ以下であることを特徴とする請求項第１項または第２項記載の窒素含有焼結硬質合金。
【請求項４】
ＷＣを必須とし、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種類の遷移金属の窒化物、炭窒化物あるいはこれらの複合炭窒化物からなる硬質相と残部がＮｉ及びＣｏならびに不可避的不純物を含む結合相とからなる窒素含有焼結硬質合金において、合金表面部にＮｉ、Ｃｏを主成分とする金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層が存在し、該シミダシ層の直下にＷＣを全く含まないか、含んだとしても２体積％以下である領域が１μｍ以上、５００μｍ以下であり、該領域直下から内部方向へＷＣの体積％が漸増し、シミダシ層の直下から１ｍｍ以内でＷＣの体積％が合金平均ＷＣ体積％になるように構成されることを特徴とする請求項第１項または第２項に記載の窒素含有焼結硬質合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は耐熱衝撃性、耐摩耗性に優れ、特に切削工具に適応した場合に極めて優れた性能を発揮する窒素含有焼結硬質合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒素含有焼結硬質合金は、従来から切削工具として利用されているが、切削条件によっては、熱衝撃性に対する弱さから熱亀裂の発生を招き、その亀裂を起点として大破することがあった。熱亀裂の発生原因は窒素含有焼結硬質合金の熱伝導率の低さにある。切削中、工具の表面にのみ熱がこもり温度は上昇するが、内部は温度があまり上昇しない。よって表面部は内部と比較して熱による膨張が大きくなる。この状態で切削を終了し工具が冷やされると表面部は収縮しようとするが、内部に拘束されることで十分収縮しきれず、結果として熱亀裂が発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は窒素含有焼結硬質合金の耐熱衝撃性を向上させた窒素含有焼結硬質合金を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述の如く熱亀裂の発生は、表面部と内部との温度差によって生じる。考えられる手段としては、窒素含有焼結硬質合金そのものの熱伝導率を向上させる手段が挙げられるが、窒素含有焼結硬質合金の熱伝導率向上にはおのずと限界がある。しかしながら窒素含有焼結合金の表面部に熱伝導率の高いＷＣリッチ（残部Ｃｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相）な層を配置させると切削中に発生する熱を合金全体に伝導させ、熱発散（フィン）効果があることが研究の結果明らかとなった。
【０００５】
この発明は上記研究結果にもとづいてなされたものであって、ＷＣを必須とし周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族から選ばれた少なくとも１種類の遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物あるいはこれらの複合炭窒化物からなる硬質相と残部がＮｉ及びＣｏならびに不可避的不純物を含む結合相とからなる窒素含有焼結硬質合金において、
（１）合金表面部にＮｉ、Ｃｏが主成分である金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層１が存在し（図１参照）、層１は内部方向に３層に分かれ、最外層はＷＣが０体積％以上３０体積％以下（好ましくは、０〜５体積％）で残部がＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相で構成され、中間層はＷＣが５０体積％以上１００体積％以下（好ましくは、８０〜１００体積％）で残部がＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相で構成され、最下層はＷＣが０体積％以上３０体積％以下（好ましくは、０〜５体積％）で残部がＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相で構成され、かつ最外層、最下層の厚みがそれぞれ０．１μｍ〜１０μｍ以下（好ましくは、０．１μｍ〜０．５μｍ）で構成され、中間層の厚みが０．５μｍ以上１０μｍ以下（好ましくは、０．５μｍ〜５μｍ）であることを特徴とするものである。表面部に前述の層を構成している窒素含有焼結硬質合金は、実施例でも明らかなように耐熱衝撃性が著しく向上する。尚、最外層と最下層は実質Ｎｉ、Ｃｏを主成分である金属結合相リッチになってしまうが、製法上避けられない生成層であり、規定内の厚みであると性能上問題はない。
【０００６】
（２）合金表面部にＮｉ、Ｃｏが主成分である金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層１の直下に全く金属結合相を含まないか、含んだとしても２体積％以下であり、かつその領域がシミダシ層１の直下から内部方向に２μｍ以上１００μｍ以内（好ましくは、２μｍ〜５０μｍ）であれば、この領域が非常に高硬度な領域となり、耐摩耗性と耐熱衝撃性を両立させうることができる。また、
【０００７】
（３）合金表面部にＮｉ、Ｃｏを主成分とする金属結合相とＷＣから構成されるシミダシ層１の直下にＷＣを全く含まないか、含んだとしても２体積％以下である領域が１μｍ以上、５００μｍ以下（好ましくは、２０μｍ〜１００μｍ）であるか、又は該条件下でかつ該領域直下から内部方向へＷＣの体積％が漸増し、シミダシ層１の直下から１ｍｍ以内（好ましくは、０．３〜０．７ｍｍ）でＷＣ体積％が合金平均ＷＣ体積％になることで構成される窒素含有焼結硬質合金は、ＷＣが存在することで合金全体のヤング率が向上し、機械的強度に対して非常に強くなる。よって表面部にはＷＣを存在させずに内部にのみ存在させることで耐熱衝撃性と耐欠損性を両立させることが可能となる。
【０００８】
（４）（２）と（３）の特徴を合わせると耐熱衝撃性、耐摩耗性、耐欠損性の３特性の向上が可能となる。
以上４つの知見を得た。
【０００９】
次に数値限定の理由について述べる。まず（１）において中間層が５０体積％以上１００体積％以下と規定したのは、ＷＣが５０体積％以下（残部Ｃｏ、Ｎｉを主成分とした金属結合相）であると所望の熱伝導率が得られずに熱発散層としての役割を果たさない為である。又この中間層の厚みを０．５μｍ以上１０μｍ以下と規定したのは、０．５μｍ未満だと所望の熱伝導が得られず、１０μｍより厚くなると著しい耐摩耗性の劣化を招く為である。
尚、最外層および最下層は最も重要な層である中間層を得る為には必然的に形成される層であり、少なくとも０．１μｍは必要であるが、厚みが１０μｍを越えると切削時に被削材の主成分である鉄と溶着を起こし、欠損にいたる場合がある。１０μｍ以下であると切削性能に対し影響はないことが研究結果より判明した為である。
【００１０】
次に（２）においてＣｏ、Ｎｉを主成分とする金属結合相が表面部に２体積％以下と規定しているのは、それ以上の比率で金属結合相が存在すると耐摩耗性の著しい向上が認められない為である。また、その領域が２μｍ未満では耐摩耗性の向上は認められず、１００μｍを越えると逆に硬くなりすぎて脆くなり耐欠損性の劣化を招くためである。
【００１１】
さらに（３）において、ＷＣを含まないか含んだとしても２体積％以下の領域が１μｍ未満であるとＷＣによる硬度低下の影響を受け耐摩耗性の劣化を招き、５００μｍを越えるとＷＣによる合金そのものの靱性強化の恩恵にこうむれなくなるということが種々の試験の結果判明した為である。
尚、本発明合金の構造は、規定の組成において焼結温度を１３５０℃〜１７００℃とし、焼結雰囲気、冷却速度を操作することで得られる。層１内の３層の厚みは焼結雰囲気、冷却速度で制御することが可能である。
【００１２】
尚、ＷＣの体積％については次のような測定手法を用いた。ＷＣ体積％が既知であるWC-Co の超硬合金の断面をラッピングし、４８００倍のＳＥＭ写真を撮る。その写真を画像解析装置により、写真内のＷＣの占める面積を算出し、ＷＣ体積％と画像解析装置によるＷＣの占める面積との検量線を引く。本発明の合金については、観察したい部位を断面ラッピングし、４８００倍のＳＥＭ写真からＷＣの占める面積を画像解析装置より算出、検量線よりＷＣの体積％を求めた。
【００１３】
【実施例】
次にこの発明の切削工具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１．５μｍのＴｉＣＮ粉末、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ2 Ｃ粉末、ＶＣ粉末、（Ｔｉ0.5 Ｗ0.3 Ｔａ0.1 Ｎｂ0.1 ）Ｃ0.5 Ｎ0.5 粉末、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末を用意し、これら原料粉末を表１−１に示される組成に配合し、湿式アトライターにて１２時間混合した後、１．５ton/cm2 の圧力でＣＮＭＧ４３２形状の圧粉体を作成し、この圧粉体にホーニング処理を施した後、表１−２に示す焼結条件で表２−１〜表２−９の構造をした焼結硬質合金を作成した。これらの表で、「シミダシ層直下から内部への構造」とは、シミダシ層直下を０とし合金内部に向かっての深さに応じて変化する硬質相や結合相の組成割合を示す。例えば、試料番号ａ−７では、シミダシ層直下のＷＣ量は、シミダシ層直下から内部まで合金平均ＷＣ体積％になり、一方結合相量は、２．５μm まで１．８体積％で、２．５μm 〜６０μm の間で漸増し、６０μm より内部では合金平均結合相体積％となる。各深さでの残部の硬質相量は、硬質相量＝１００─（合金平均結合相体積％）─（合金平均ＷＣ体積％）で表される。
尚、焼結条件は表１−２に示す。
【００１４】
【表１】
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【表２】
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【００１５】
【表３】
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【００１６】
【表４】
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【００１７】
【表５】
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【００１８】
【表６】
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【００１９】
【表７】
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【００２０】
【表８】
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【００２１】
【表９】
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【００２２】
【表１０】
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【００２３】
【表１１】
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【００２４】
（実施例１）
ａ−１からａ−１５の試料について（Ａ）耐熱衝撃性試験及び（Ｂ）耐摩耗試験を行った。結果を表３に示す。
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【００２５】
【表１２】
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【００２６】
ＴｉＣＮとＷＣが硬質相である焼結硬質合金において、規定通りのシミダシ層を兼ね備えていれば、従来以上の耐熱衝撃性が得られていることが分かる。さらに規定内の結合相分布があれば耐摩耗性が、規定内のＷＣ分布があればさらに耐熱衝撃性が向上することが分かる。
【００２７】
（実施例２）
ｂ−１からｂ−１５の試料について（Ｃ）耐熱衝撃性試験および（Ｄ）耐摩耗試験を行った。結果を表４に示す。
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【００２８】
【表１３】
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【００２９】
４ａ，５ａ，６ａ族が硬質相である焼結硬質合金において規定通りのシミダシ層を兼ね備えていれば、従来以上の耐熱衝撃性が得られることが分かる。さらに規定内の結合相分布があれば耐摩耗性が、規定内のＷＣ分布があればさらに耐熱衝撃性が向上することが分かる。
【００３０】
（実施例３）
ｃ−１からｃ−１５の試料について（Ｅ）耐熱衝撃性試験および（Ｆ）耐摩耗試験を行った。結果を表５に示す。
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【００３１】
【表１４】
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【００３２】
４ａ，５ａ，６ａ族の固溶体硬質層を原料とした焼結硬質合金において規定通りのシミダシ層を兼ね備えていれば、従来以上の耐熱衝撃性が得られることが分かる。さらに規定内の結合相分布があれば耐摩耗性が、規定内のＷＣ分布があればさらに耐熱衝撃性が向上することが分かる。
【００３３】
（実施例４）
ａ−１とａ−２とｄ−１の試料について（Ｇ）耐熱衝撃性試験を行った。結果を表６に示す。
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【００３４】
【表１５】
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【００３５】
シミダシ層を兼ね備えていても、ＷＣを主成分とする層が存在しなければ、耐熱衝撃性の向上は認められないことが分かる。
【００３６】
【発明の効果】
表面部のシミダシ層にＷＣを主成分とする層が存在すれば、耐熱衝撃性が各段に向上し、かつシミダシ層直下に規定の結合相分布、ＷＣ分布を配置させれば、耐摩耗性、さらなる耐熱衝撃性を向上させることが可能である。このような焼結硬質合金工具は従来焼結硬質合金では不可能であった湿式断続加工への適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、シミダシ層が３層に分かれ、最外層、最下層にＣｏ，Ｎｉの結合層、中間層にＷＣ層があることを示す合金組織の顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は夫々同組織中のＣｏ及びＮｉ元素の分布を示す顕微鏡写真（ＥＤＸ分析）である。
【図１】
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