耐熱塑性変形性に優れたＷＣ基超硬合金製切削工具および表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具
【課題】切刃部が局部的に高温に曝されるようなＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工において、すぐれた耐熱塑性変形性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する切削工具を提供する。
【解決手段】 ５５〜９０質量％のＣｕと残部がＣｏおよび不可避不純物からなる配合組成を有する結合材を４〜１２質量％含有し、あるいはさらに、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちの１種以上を合計０．１〜２質量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成され、必要に応じて、その表面を、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のいずれか１種または２種以上の単層、複層からなる硬質被覆層が蒸着形成されてなる切削工具。
【解決手段】 ５５〜９０質量％のＣｕと残部がＣｏおよび不可避不純物からなる配合組成を有する結合材を４〜１２質量％含有し、あるいはさらに、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちの１種以上を合計０．１〜２質量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成され、必要に応じて、その表面を、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のいずれか１種または２種以上の単層、複層からなる硬質被覆層が蒸着形成されてなる切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被削材の熱伝導率が小さく、切削加工時に切れ刃が高熱となるような耐熱合金の切削加工において、すぐれた耐熱塑性変形性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する炭化タングステン基超硬合金製切削工具に関するものであり、さらに、上記炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、結合相形成成分としてＣｏを含有し、残りがＷＣおよび不可避不純物からなるＷＣ基超硬工具が知られており、このＷＣ基超硬合金において、Ｃｏ含有量を一定にするとＷＣ粒の微細なものほど硬さは大きくなり、耐摩耗性が向上する。そのため、例えば、特許文献１に示されるように、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる少なくとも１種以上を添加して焼結時のＷＣ成長を防ぐことが行われている。
しかし、ＷＣ基超硬合金は一般的に焼結によって作製され、しかも、焼結温度が高いため、焼結時のＷＣ粒の成長を十分に抑止することができず、十分な耐摩耗性を得られないという問題があった。
そこで、特許文献２に示されるように、ＷＣ基超硬合金の結合相成分であるＣｏにＣｕを添加含有させ、Ｃｏ−１．２〜５０質量％Ｃｕの成分組成からなる結合相を構成することにより、焼結時の液相出現温度を下げ、ＷＣ基超硬合金の低温での焼結を可能とし、その結果として、耐摩耗性の低下防止を図ったＷＣ基超硬工具が知られているが、このＷＣ基超硬工具では、Ｃｕ成分を過多（５０質量％以上）に添加すると硬度低下が生じるとの理由からＣｕ含有量の上限は５０質量％に制限されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１５１３５号公報
【特許文献２】特開平４−６６６４０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、高能率化、低コスト化の要求は強く、また、切削工具の汎用化も求められているところであるが、例えば、特許文献１，２に示される従来のＷＣ基超硬工具を、通常条件の切削加工で用いた場合には特段の問題は生じない。
しかし、これを、特に、熱伝導率が小さく、切削加工時に切れ刃が高熱となるようなＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、切削時の高熱により、特に切刃部が局部的に高熱にさらされ、熱塑性変形を発生しやすくなり、また、その結果としての偏摩耗を発生しやすくなるため、これが原因となり、比較的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、本発明者等は、上述のような観点から、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金等の切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、偏摩耗等が生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するＷＣ基超硬工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００６】
通常、ＷＣ基超硬合金からなる焼結体の製造は、特定の平均粒径のＷＣ粉末、Ｃｏ粉末とともに、必要に応じて、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を所定割合になるように配合した原料粉末を湿式ボールミル中で混合し、成形したのち、この圧粉成形体を温度:１４００〜１４５０℃で約１時間焼結することにより行われている（この方法で製造されたＷＣ基超硬合金焼結体を、以下、通常ＷＣ基超硬合金焼結体という）。
【０００７】
本発明では、上記通常のＷＣ基超硬合金焼結体の製造方法において、結合相形成成分として、所定平均粒径および所定割合のＣｕ粉末をさらに追加して添加配合することにより原料粉末を調製し、これを焼結することにより焼結体を作製したところ、得られたＷＣ基超硬合金焼結体（以下、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体という）の組織には、ＷＣ粒子と結合相との界面にＣｕ富化層の存在が観察された。
そして、通常ＷＣ基超硬合金焼結体と、ＷＣ粒子と結合相との界面にＣｕ富化層が存在する組織を有する上記本発明ＷＣ基超硬合金焼結体との物性（硬度）を比較調査したところ、図１に示される興味深い現象を見出したのである。
【０００８】
つまり、図１にみられるように、結合相成分として所定量のＣｕを含有する本発明ＷＣ基超硬合金焼結体の常温硬さは、通常ＷＣ基超硬合金焼結体のそれに比して若干下回っているが、９００℃という高温下で高温硬さを調査したところ、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体の高温硬さは通常ＷＣ基超硬合金焼結体のそれを上回っており、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、硬度低下の温度依存性が小さく、高温条件下でも優れた高温硬さを有することが分かる。
【０００９】
前記特許文献２に記載のものでも、原料粉末中にＣｕ粉末を追加配合して焼結することによりＷＣ基超硬合金焼結体（以下、従来ＷＣ基超硬合金焼結体という）を得ているが、この従来ＷＣ基超硬合金焼結体中に含有されるＣｕ含有量については、ＷＣ基超硬工具の硬度低下を防止するという観点からＣｕ含有量上限値が５０質量％に制限されている。
しかし、本発明者等の知見によれば、ＷＣ基超硬合金焼結体の結合相におけるＣｕの配合割合を５５〜９０質量％（＝Ｃｕ×１００／（Ｃｏ＋Ｃｕ））に高めた場合には、ＷＣ粒子と結合相との界面にＣｕ富化層が存在する組織が形成されることによって、硬度低下の温度依存性が小さくなるため、予想に反して、高温条件下でも優れた高温硬さを維持できることを見出したのである。
【００１０】
上記のとおり、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、高温条件下で優れた高温硬さを備えることから、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体から構成されたＷＣ基超硬工具およびさらに硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆ＷＣ基超硬工具は、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金等の切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐熱塑性変形性を示し、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。
【００１１】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） Ｃｕを５５〜９０質量％含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる配合組成を有する結合材を用い、
前記結合材：４〜１２質量％、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とするＷＣ基超硬合金製切削工具。
（２） 前記結合材：４〜１２質量％、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．１〜２質量％を含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具。
（３） 請求項１または２に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のうちから選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
この発明のＷＣ基超硬工具について、以下に詳細に説明する。
この発明のＷＣ基超硬工具は、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末に加えてＣｕ粉末を配合し、さらに、必要に応じて、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を所定割合になるように配合した原料粉末を、湿式ボールミル中で混合し、所定形状にプレス成形したのち、この圧粉成形体を１４００〜１５５０℃の温度範囲で、所定圧（≒３０〜７００Ｐａ）のＨｅまたはＡｒ雰囲気中で焼結し、さらに、所定圧（≒３〜１０ＭＰａ）のＨｅまたはＡｒ雰囲気中で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）成形することにより、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体を作製し、これを所定形状に加工することにより、本発明のＷＣ基超硬工具を製造することができる。
ここで、焼結時の雰囲気を約３０〜７００ＰａのＨｅまたはＡｒとしたのは、焼結時にＣｕ成分が蒸発し目標組成の結合相が得られなくなることを防止するためであり、また、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）で成形するとしたのは、Ｃｕ含有による焼結性の低下を補完するためである。
【００１３】
ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末に加えるＣｕ粉末は、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体中で、Ｃｏ成分と共にＣｏ−Ｃｕ相からなる結合相を形成するが、ＷＣ基超硬合金焼結体における結合相の含有割合が４質量％未満では、ＷＣ基超硬合金の緻密化が十分になされず、一方、結合相の含有割合が１２質量％を越えると、ＷＣ基超硬合金の硬度が低下し、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工において耐摩耗性が低下傾向を示すようになることから、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体における結合相の含有割合は４〜１２質量％と定めた。
【００１４】
結合相を形成するＣｏ−Ｃｕ相は、Ｃｏ相単独の結合相に比してすぐれた熱伝導率を有すると共に、Ｃｏ−Ｃｕ相におけるＣｕ成分は、ＷＣ粒と結合相との界面にＷＣ粒との濡れ性の低いＣｕ富化層を形成し、これによって、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成され、その結果として、Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相を有する本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、高温硬さに優れ、かつ、高温下でのＷＣ粒の再配列による熱塑性変形の発生を抑制することができる。
なお、結合相成分としてＣｕ成分を含有させた場合、常温硬さについては、Ｃｕ成分を含有させない結合相（Ｃｏ相）を有する通常ＷＣ基超硬合金焼結体に比して若干劣るものの、すでに述べたように、Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相を備えた本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成されているため、Ｃｕを含有しない通常ＷＣ基超硬合金焼結体よりも、その高温硬さ、耐熱塑性変形性が優れている。
【００１５】
Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相におけるＣｕ成分の含有割合（＝Ｃｕ×１００／（Ｃｏ＋Ｃｕ））が５５質量％未満の場合には、Ｃｕ含有による熱伝導率向上効果が十分でないばかりか、ＷＣスケルトン構造の形成も充分でないため、すぐれた高温硬さおよび耐熱塑性変形性を発揮することができず、一方、Ｃｕ成分の含有割合が９０質量％を超えると、結合相の融点が著しく低下するため高温での耐熱塑性変形性が低下することから、Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相におけるＣｕ成分の含有割合（＝Ｃｕ×１００／（Ｃｏ＋Ｃｕ））は５５〜９０質量％と定めた。
【００１６】
本発明ＷＣ基超硬合金焼結体では、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上の成分を含有することができる。
ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上の成分は、いずれも、焼結時のＷＣの粒成長を抑制する作用があるが、その合計含有量が０．１質量％未満では、粒成長抑制作用が小さく、一方、２質量％を越えて含有すると複合炭化物相が析出し、硬度が低下傾向を示すようになるので、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上の成分の含有量は、その合計量で０．１〜２質量％と定めた。
【００１７】
また、本発明のＷＣ基超硬合金焼結体は、これをそのまま切削工具として用いることができるばかりか、その表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のうちから選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を、物理蒸着及び／又は化学蒸着により形成することによって、Ｃｕ富化層の形成、ＷＣスケルトン構造の形成を何ら妨げることなく、一段と耐熱性、耐摩耗性の向上を図ることができるばかりか、工具寿命の延命化を図ることができるのである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明のＷＣ基超硬工具、表面被覆ＷＣ基超硬工具は、これを構成するＷＣ基超硬合金焼結体の結合相が、５５〜９０質量％のＣｕと残部はＣｏの組成からなり、結合相中のＣｕ成分が、ＷＣ粒と結合相との界面にＷＣ粒との濡れ性の低いＣｕ富化層を形成することによって、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成されているため、高温硬さに優れ、かつ、耐熱塑性変形性にも優れ、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金等の切削加工に用いた場合でも、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明ＷＣ基超硬合金焼結体と従来ＷＣ基超硬合金焼結体の常温硬さ及び高温硬さを示す。
【図２】ＷＣスケルトン構造からなる焼結組織を有する本発明超硬工具の金属組織（模式図）を示す。
【図３】ＷＣスケルトン構造が形成されていない焼結組織の比較例超硬工具の金属組織（模式図）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
つぎに、この発明の切削工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２１】
原料粉末として、いずれも０．５〜５μｍの平均粒径を有する、Ｃｏ粉末、Ｃｕ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を、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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、表３に示される温度範囲に昇温し、同じく表３に示される雰囲気中で焼結するとともに、同じく表３に示される雰囲気中で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理した後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもった本発明ＷＣ基超硬合金製切削工具（本発明超硬工具という）１〜１２を作製した。
なお、本発明超硬工具１１，１２については、工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置を用いて、表４に示されるとおりの組成および平均膜厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明請求項３に対応する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具１１，１２とした。
【００２２】
また、比較の目的で、原料粉末を、表２に示される配合組成となるように配合し、ワックスを加えてボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、表３に示される温度範囲に昇温し、同じく表３に示される雰囲気中での焼結、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理した後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもった比較例ＷＣ基超硬合金製切削工具（比較例超硬工具という）１〜８を作製した。
【００２３】
上記本発明超硬工具１〜１２および比較例超硬工具１〜８のそれぞれについて、焼結組織を走査型電子顕微鏡（倍率：５０００）で観察し、かつ、ＷＣ粒と結合相との界面についてオージェ分光分析を行ったところ、本発明超硬工具１〜１２はいずれも、ＷＣ粒と結合相との界面にＣｕ富化層が形成されたＷＣスケルトン構造を有することが確認された。
これに対して、比較例超硬工具１〜８のいずれについても、Ｃｕ富化層の形成は確認できず、ＷＣスケルトン構造の形成は不十分であった。
【００２４】
図２には、ＷＣスケルトン構造からなる焼結組織を有する本発明超硬工具の金属組織模式図を示す。
図３には、ＷＣスケルトン構造が形成されていない焼結組織の比較例超硬工具の金属組織模式図を示す。
また、表１には、オージェ分光分析によって測定したＷＣ粒と結合相との界面に形成されたＣｕ富化層の平均厚みおよび平均Ｃｕ組成（いずれも５か所測定の平均値）を示す。
ここで、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）にて、ＷＣ粒と結合相との界面を垂直に横切る方向に線分析を実施した際に、Ｃｕ／（Ｃｏ＋Ｃｕ）＞５５質量％となる領域をＣｕ富化層であると定義し、さらに、該Ｃｕ富化層について、５本線分析した時の厚みの平均値をＣｕ富化層の平均厚みであると定義する。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】
【表４】
【００２９】
つぎに、上記本発明超硬工具１〜１２および比較例超硬工具１〜８について、
被削材 ： Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの丸棒、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り ： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件の下、７０ｍ／ｍｉｎ（切削条件Ａという），１００ｍ／ｍｉｎ（切削条件Ｂという）の二種類の切削速度で、Ｔｉ基耐熱合金の湿式連続切削加工試験を行った。
また、
被削材 ：質量％で、Ｃｒ：１８．０％，Ｍｏ：３．０％，Ｆｅ：１８．５％，Ｔｉ：０．９％，Ａｌ：０．５％、Ｎｂ＋Ｔａ：５．１％，残部：Ｎｉ（および不可避不純物）の丸棒、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り ： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件の下、５０ｍ／ｍｉｎ（切削条件Ｃという）の切削速度で、Ｎｉ基耐熱合金の湿式連続切削加工試験を行った。
いずれの切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５に示した。
【００３０】
【表５】
【００３１】
表５に示される結果から、本発明超硬工具１〜１２は、これを構成するＷＣ基超硬合金焼結体の結合相が、５５〜９０質量％のＣｕと残部はＣｏの組成からなり、結合中のＣｕ成分が、ＷＣ粒と結合相との界面にＷＣ粒との濡れ性の低いＣｕ富化層を形成することによって、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成されているため、高温硬さに優れ、かつ、耐熱塑性変形性にも優れることから、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合でも、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
特に、工具基体表面にさらに硬質被覆層を蒸着形成した本発明超硬工具１１，１２は、より一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
これに対して、比較例超硬工具１〜８においては、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、切刃部のチッピング・欠損発生あるいは偏摩耗の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明のＷＣ基超硬合金製切削工具、表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工ばかりでなく、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工にも勿論使用可能であり、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に適うものである。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被削材の熱伝導率が小さく、切削加工時に切れ刃が高熱となるような耐熱合金の切削加工において、すぐれた耐熱塑性変形性を備えることにより、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮する炭化タングステン基超硬合金製切削工具に関するものであり、さらに、上記炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、結合相形成成分としてＣｏを含有し、残りがＷＣおよび不可避不純物からなるＷＣ基超硬工具が知られており、このＷＣ基超硬合金において、Ｃｏ含有量を一定にするとＷＣ粒の微細なものほど硬さは大きくなり、耐摩耗性が向上する。そのため、例えば、特許文献１に示されるように、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる少なくとも１種以上を添加して焼結時のＷＣ成長を防ぐことが行われている。
しかし、ＷＣ基超硬合金は一般的に焼結によって作製され、しかも、焼結温度が高いため、焼結時のＷＣ粒の成長を十分に抑止することができず、十分な耐摩耗性を得られないという問題があった。
そこで、特許文献２に示されるように、ＷＣ基超硬合金の結合相成分であるＣｏにＣｕを添加含有させ、Ｃｏ−１．２〜５０質量％Ｃｕの成分組成からなる結合相を構成することにより、焼結時の液相出現温度を下げ、ＷＣ基超硬合金の低温での焼結を可能とし、その結果として、耐摩耗性の低下防止を図ったＷＣ基超硬工具が知られているが、このＷＣ基超硬工具では、Ｃｕ成分を過多（５０質量％以上）に添加すると硬度低下が生じるとの理由からＣｕ含有量の上限は５０質量％に制限されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１５１３５号公報
【特許文献２】特開平４−６６６４０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、高能率化、低コスト化の要求は強く、また、切削工具の汎用化も求められているところであるが、例えば、特許文献１，２に示される従来のＷＣ基超硬工具を、通常条件の切削加工で用いた場合には特段の問題は生じない。
しかし、これを、特に、熱伝導率が小さく、切削加工時に切れ刃が高熱となるようなＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、切削時の高熱により、特に切刃部が局部的に高熱にさらされ、熱塑性変形を発生しやすくなり、また、その結果としての偏摩耗を発生しやすくなるため、これが原因となり、比較的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、本発明者等は、上述のような観点から、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金等の切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐熱塑性変形性を発揮し、偏摩耗等が生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するＷＣ基超硬工具について鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
【０００６】
通常、ＷＣ基超硬合金からなる焼結体の製造は、特定の平均粒径のＷＣ粉末、Ｃｏ粉末とともに、必要に応じて、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を所定割合になるように配合した原料粉末を湿式ボールミル中で混合し、成形したのち、この圧粉成形体を温度:１４００〜１４５０℃で約１時間焼結することにより行われている（この方法で製造されたＷＣ基超硬合金焼結体を、以下、通常ＷＣ基超硬合金焼結体という）。
【０００７】
本発明では、上記通常のＷＣ基超硬合金焼結体の製造方法において、結合相形成成分として、所定平均粒径および所定割合のＣｕ粉末をさらに追加して添加配合することにより原料粉末を調製し、これを焼結することにより焼結体を作製したところ、得られたＷＣ基超硬合金焼結体（以下、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体という）の組織には、ＷＣ粒子と結合相との界面にＣｕ富化層の存在が観察された。
そして、通常ＷＣ基超硬合金焼結体と、ＷＣ粒子と結合相との界面にＣｕ富化層が存在する組織を有する上記本発明ＷＣ基超硬合金焼結体との物性（硬度）を比較調査したところ、図１に示される興味深い現象を見出したのである。
【０００８】
つまり、図１にみられるように、結合相成分として所定量のＣｕを含有する本発明ＷＣ基超硬合金焼結体の常温硬さは、通常ＷＣ基超硬合金焼結体のそれに比して若干下回っているが、９００℃という高温下で高温硬さを調査したところ、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体の高温硬さは通常ＷＣ基超硬合金焼結体のそれを上回っており、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、硬度低下の温度依存性が小さく、高温条件下でも優れた高温硬さを有することが分かる。
【０００９】
前記特許文献２に記載のものでも、原料粉末中にＣｕ粉末を追加配合して焼結することによりＷＣ基超硬合金焼結体（以下、従来ＷＣ基超硬合金焼結体という）を得ているが、この従来ＷＣ基超硬合金焼結体中に含有されるＣｕ含有量については、ＷＣ基超硬工具の硬度低下を防止するという観点からＣｕ含有量上限値が５０質量％に制限されている。
しかし、本発明者等の知見によれば、ＷＣ基超硬合金焼結体の結合相におけるＣｕの配合割合を５５〜９０質量％（＝Ｃｕ×１００／（Ｃｏ＋Ｃｕ））に高めた場合には、ＷＣ粒子と結合相との界面にＣｕ富化層が存在する組織が形成されることによって、硬度低下の温度依存性が小さくなるため、予想に反して、高温条件下でも優れた高温硬さを維持できることを見出したのである。
【００１０】
上記のとおり、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、高温条件下で優れた高温硬さを備えることから、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体から構成されたＷＣ基超硬工具およびさらに硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆ＷＣ基超硬工具は、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金等の切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐熱塑性変形性を示し、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。
【００１１】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） Ｃｕを５５〜９０質量％含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる配合組成を有する結合材を用い、
前記結合材：４〜１２質量％、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とするＷＣ基超硬合金製切削工具。
（２） 前記結合材：４〜１２質量％、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．１〜２質量％を含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具。
（３） 請求項１または２に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のうちから選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。」
に特徴を有するものである。
【００１２】
この発明のＷＣ基超硬工具について、以下に詳細に説明する。
この発明のＷＣ基超硬工具は、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末に加えてＣｕ粉末を配合し、さらに、必要に応じて、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末を所定割合になるように配合した原料粉末を、湿式ボールミル中で混合し、所定形状にプレス成形したのち、この圧粉成形体を１４００〜１５５０℃の温度範囲で、所定圧（≒３０〜７００Ｐａ）のＨｅまたはＡｒ雰囲気中で焼結し、さらに、所定圧（≒３〜１０ＭＰａ）のＨｅまたはＡｒ雰囲気中で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）成形することにより、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体を作製し、これを所定形状に加工することにより、本発明のＷＣ基超硬工具を製造することができる。
ここで、焼結時の雰囲気を約３０〜７００ＰａのＨｅまたはＡｒとしたのは、焼結時にＣｕ成分が蒸発し目標組成の結合相が得られなくなることを防止するためであり、また、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）で成形するとしたのは、Ｃｕ含有による焼結性の低下を補完するためである。
【００１３】
ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末に加えるＣｕ粉末は、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体中で、Ｃｏ成分と共にＣｏ−Ｃｕ相からなる結合相を形成するが、ＷＣ基超硬合金焼結体における結合相の含有割合が４質量％未満では、ＷＣ基超硬合金の緻密化が十分になされず、一方、結合相の含有割合が１２質量％を越えると、ＷＣ基超硬合金の硬度が低下し、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工において耐摩耗性が低下傾向を示すようになることから、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体における結合相の含有割合は４〜１２質量％と定めた。
【００１４】
結合相を形成するＣｏ−Ｃｕ相は、Ｃｏ相単独の結合相に比してすぐれた熱伝導率を有すると共に、Ｃｏ−Ｃｕ相におけるＣｕ成分は、ＷＣ粒と結合相との界面にＷＣ粒との濡れ性の低いＣｕ富化層を形成し、これによって、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成され、その結果として、Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相を有する本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、高温硬さに優れ、かつ、高温下でのＷＣ粒の再配列による熱塑性変形の発生を抑制することができる。
なお、結合相成分としてＣｕ成分を含有させた場合、常温硬さについては、Ｃｕ成分を含有させない結合相（Ｃｏ相）を有する通常ＷＣ基超硬合金焼結体に比して若干劣るものの、すでに述べたように、Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相を備えた本発明ＷＣ基超硬合金焼結体は、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成されているため、Ｃｕを含有しない通常ＷＣ基超硬合金焼結体よりも、その高温硬さ、耐熱塑性変形性が優れている。
【００１５】
Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相におけるＣｕ成分の含有割合（＝Ｃｕ×１００／（Ｃｏ＋Ｃｕ））が５５質量％未満の場合には、Ｃｕ含有による熱伝導率向上効果が十分でないばかりか、ＷＣスケルトン構造の形成も充分でないため、すぐれた高温硬さおよび耐熱塑性変形性を発揮することができず、一方、Ｃｕ成分の含有割合が９０質量％を超えると、結合相の融点が著しく低下するため高温での耐熱塑性変形性が低下することから、Ｃｏ−Ｃｕ相からなる結合相におけるＣｕ成分の含有割合（＝Ｃｕ×１００／（Ｃｏ＋Ｃｕ））は５５〜９０質量％と定めた。
【００１６】
本発明ＷＣ基超硬合金焼結体では、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上の成分を含有することができる。
ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上の成分は、いずれも、焼結時のＷＣの粒成長を抑制する作用があるが、その合計含有量が０．１質量％未満では、粒成長抑制作用が小さく、一方、２質量％を越えて含有すると複合炭化物相が析出し、硬度が低下傾向を示すようになるので、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上の成分の含有量は、その合計量で０．１〜２質量％と定めた。
【００１７】
また、本発明のＷＣ基超硬合金焼結体は、これをそのまま切削工具として用いることができるばかりか、その表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のうちから選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を、物理蒸着及び／又は化学蒸着により形成することによって、Ｃｕ富化層の形成、ＷＣスケルトン構造の形成を何ら妨げることなく、一段と耐熱性、耐摩耗性の向上を図ることができるばかりか、工具寿命の延命化を図ることができるのである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明のＷＣ基超硬工具、表面被覆ＷＣ基超硬工具は、これを構成するＷＣ基超硬合金焼結体の結合相が、５５〜９０質量％のＣｕと残部はＣｏの組成からなり、結合相中のＣｕ成分が、ＷＣ粒と結合相との界面にＷＣ粒との濡れ性の低いＣｕ富化層を形成することによって、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成されているため、高温硬さに優れ、かつ、耐熱塑性変形性にも優れ、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金等の切削加工に用いた場合でも、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明ＷＣ基超硬合金焼結体と従来ＷＣ基超硬合金焼結体の常温硬さ及び高温硬さを示す。
【図２】ＷＣスケルトン構造からなる焼結組織を有する本発明超硬工具の金属組織（模式図）を示す。
【図３】ＷＣスケルトン構造が形成されていない焼結組織の比較例超硬工具の金属組織（模式図）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
つぎに、この発明の切削工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２１】
原料粉末として、いずれも０．５〜５μｍの平均粒径を有する、Ｃｏ粉末、Ｃｕ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を、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ボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、表３に示される温度範囲に昇温し、同じく表３に示される雰囲気中で焼結するとともに、同じく表３に示される雰囲気中で熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理した後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもった本発明ＷＣ基超硬合金製切削工具（本発明超硬工具という）１〜１２を作製した。
なお、本発明超硬工具１１，１２については、工具基体表面に、アークイオンプレーティング装置を用いて、表４に示されるとおりの組成および平均膜厚の硬質被覆層を蒸着形成することにより、本発明請求項３に対応する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具１１，１２とした。
【００２２】
また、比較の目的で、原料粉末を、表２に示される配合組成となるように配合し、ワックスを加えてボールミルで７２時間湿式混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、表３に示される温度範囲に昇温し、同じく表３に示される雰囲気中での焼結、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理した後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもった比較例ＷＣ基超硬合金製切削工具（比較例超硬工具という）１〜８を作製した。
【００２３】
上記本発明超硬工具１〜１２および比較例超硬工具１〜８のそれぞれについて、焼結組織を走査型電子顕微鏡（倍率：５０００）で観察し、かつ、ＷＣ粒と結合相との界面についてオージェ分光分析を行ったところ、本発明超硬工具１〜１２はいずれも、ＷＣ粒と結合相との界面にＣｕ富化層が形成されたＷＣスケルトン構造を有することが確認された。
これに対して、比較例超硬工具１〜８のいずれについても、Ｃｕ富化層の形成は確認できず、ＷＣスケルトン構造の形成は不十分であった。
【００２４】
図２には、ＷＣスケルトン構造からなる焼結組織を有する本発明超硬工具の金属組織模式図を示す。
図３には、ＷＣスケルトン構造が形成されていない焼結組織の比較例超硬工具の金属組織模式図を示す。
また、表１には、オージェ分光分析によって測定したＷＣ粒と結合相との界面に形成されたＣｕ富化層の平均厚みおよび平均Ｃｕ組成（いずれも５か所測定の平均値）を示す。
ここで、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）にて、ＷＣ粒と結合相との界面を垂直に横切る方向に線分析を実施した際に、Ｃｕ／（Ｃｏ＋Ｃｕ）＞５５質量％となる領域をＣｕ富化層であると定義し、さらに、該Ｃｕ富化層について、５本線分析した時の厚みの平均値をＣｕ富化層の平均厚みであると定義する。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
【表３】
【００２８】
【表４】
【００２９】
つぎに、上記本発明超硬工具１〜１２および比較例超硬工具１〜８について、
被削材 ： Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの丸棒、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り ： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件の下、７０ｍ／ｍｉｎ（切削条件Ａという），１００ｍ／ｍｉｎ（切削条件Ｂという）の二種類の切削速度で、Ｔｉ基耐熱合金の湿式連続切削加工試験を行った。
また、
被削材 ：質量％で、Ｃｒ：１８．０％，Ｍｏ：３．０％，Ｆｅ：１８．５％，Ｔｉ：０．９％，Ａｌ：０．５％、Ｎｂ＋Ｔａ：５．１％，残部：Ｎｉ（および不可避不純物）の丸棒、
切り込み： １．０ ｍｍ、
送り ： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件の下、５０ｍ／ｍｉｎ（切削条件Ｃという）の切削速度で、Ｎｉ基耐熱合金の湿式連続切削加工試験を行った。
いずれの切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５に示した。
【００３０】
【表５】
【００３１】
表５に示される結果から、本発明超硬工具１〜１２は、これを構成するＷＣ基超硬合金焼結体の結合相が、５５〜９０質量％のＣｕと残部はＣｏの組成からなり、結合中のＣｕ成分が、ＷＣ粒と結合相との界面にＷＣ粒との濡れ性の低いＣｕ富化層を形成することによって、焼結組織中にＷＣスケルトン構造が形成されているため、高温硬さに優れ、かつ、耐熱塑性変形性にも優れることから、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合でも、偏摩耗等の発生を生じることなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
特に、工具基体表面にさらに硬質被覆層を蒸着形成した本発明超硬工具１１，１２は、より一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
これに対して、比較例超硬工具１〜８においては、切刃部が局部的に高温に曝されるＴｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工に用いた場合には、切刃部のチッピング・欠損発生あるいは偏摩耗の発生等により、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明のＷＣ基超硬合金製切削工具、表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具は、Ｔｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等の耐熱合金の切削加工ばかりでなく、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工にも勿論使用可能であり、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮し、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に適うものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕを５５〜９０質量％含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる配合組成を有する結合材を用い、
前記結合材：４〜１２質量％、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とするＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項２】
前記結合材を４〜１２質量％含有するとともに、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．１〜２質量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のうちから選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項１】
Ｃｕを５５〜９０質量％含有し、残部がＣｏおよび不可避不純物からなる配合組成を有する結合材を用い、
前記結合材：４〜１２質量％、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とするＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項２】
前記結合材を４〜１２質量％含有するとともに、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．１〜２質量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなる配合組成を有する圧粉体の焼結体で構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＷＣ基超硬合金製切削工具の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉとＡｌの複合窒化物のうちから選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−８８２５３（Ｐ２０１１−８８２５３Ａ）
【公開日】平成２３年５月６日（２０１１．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４４３３８（Ｐ２００９−２４４３３８）
【出願日】平成２１年１０月２３日（２００９．１０．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月６日（２０１１．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２３日（２００９．１０．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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