JP6614491B2

JP6614491B2 - 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

Info

Publication number: JP6614491B2
Application number: JP2015250733A
Authority: JP
Inventors: 誠五十嵐; 晃浩村上
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: EP3238866B1; US20170341156A1; EP3238866A1; CN107107204A; US10569338B2; JP2016120590A; EP3238866A4; CN107107204B

Description

本願発明は、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。
本願は、２０１４年１２月２５日に日本に出願された特願２０１４−２６３５８２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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。

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。

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。

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。

特許第５１８５０３２号公報特許第５２９７３８１号公報特許第５４１３０４７号公報

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、本願発明では、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。

本願発明者等は、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、本願発明者らは、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。

本願発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、以下の態様を有する。
（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であって、
（ａ）上記切削工具の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０．０５〜０．３倍であり、
（ｄ）上記ＴｉＣＮ基サーメット層は、１層のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、該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％を含有し、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中央を通り、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、硬質被覆層が形成されていることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかひとつに記載の表面被覆複合焼結体切削工具。

本願発明の一態様である複合焼結体切削工具（以下、「本願発明の複合焼結体切削工具」又は「本願発明の切削工具」と称する）は、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金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基サーメットとＷＣ基超硬合金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基サーメット層の中央部分の変形・収縮を抑制することによって、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。

本願発明の複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、本願発明の複合焼結体切削工具の一つの例の側面図を示す。本願発明の複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、本願発明の複合焼結体切削工具の他の例の側面図を示す。本願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）を示す。本願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。本願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、本願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を示す。本願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、本願発明の表面被覆複合焼結体切削工具の他の例の側面図を示す。本願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。

以下、本願発明について、以下、図面とともに詳細に説明する。

図１Ａから図１Ｄは、本願発明の複合焼結体切削工具１の概略模式図を示す。図１Ａは、本願発明の複合焼結体切削工具１の一つの例の側面図を示す。図１Ｂは、本願発明の複合焼結体切削工具１の他の例の側面図を示す。さらに、図１Ｃは、本願発明の複合焼結体切削工具１のすくい面の平面形状の一つの例（多角形状）６を示す。また、図１Ｄは、本願発明の複合焼結体切削工具１のすくい面の平面形状の他の例（円形状）７を示す。
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本願発明の切削工具１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基サーメット層２を母体とし、切れ刃を含むすくい面４に、ＷＣ基超硬合金層３を設ける構造となっており、特に図１Ａに示される構造の場合には、ＴｉＣＮ基サーメット層２の表面と裏面にＷＣ基超硬合金層３からなるすくい面４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４を出現させ、切削加工を継続することが可能となる。なお、本願発明の切削工具１では、ＴｉＣＮ基サーメット層２の表面と裏面の双方に必ずすくい面４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４を形成すればよい。
また、本願発明の切削工具１は、すくい面４の平面形状が、図１Ｃに示すように、多角形状（図１Ｃ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１Ｄに示すように、すくい面４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。
逃げ面５はすくい面４と９０°で直交する切削工具の側面であり、逃げ面５とすくい面４とが交差する稜線には、切削工具の切刃が形成されている。
図２Ａ及び図２Ｂは、本願発明の複合焼結体切削工具１の表面に、硬質被覆層８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、図２Ａは、本願発明の表面被覆複合焼結体切削工具１の一つの例の側面図を示す。また、図２Ｂは、本願発明の表面被覆複合焼結体切削工具１の他の例の側面図を示す。
図２Ａ及び図２Ｂとして示すように、本願発明の切削工具では、切削工具の表面に硬質被覆層８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２Ａ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４を形成した切削工具であって、かつ、該すくい面４には硬質被覆層８が蒸着形成されている。
図３は、本願発明の切削工具で規定する逃げ面の高さプロファイル、最大高低差１０についての概略説明図である。

本願発明の複合焼結体切削工具（以下、「複合焼結体切削工具」を「切削工具」ともいう）、表面被覆複合焼結体切削工具（以下、「表面被覆複合焼結体切削工具」を「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、所定組成のＴｉＣＮ基サーメット粉末と、同じく所定組成のＷＣ基超硬合金粉末を用意し、これらの粉末をプレスすることで、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願発明の複合焼結体切削工具を作製することができる。
また、上記で作製した本願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、Ａｌ_２Ｏ_３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、本願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。

ＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成：
本願発明で用いられるＴｉＣＮ基サーメット層２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。

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、本願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、本願発明では、Ｗ含有量を１５質量％未満と定めた。
好ましくは、Ｗ含有量は０質量％〜１２質量％であり、より好ましくは、０質量％〜８質量％であるが、特にこれで限定はされない。

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。
好ましくは、Ｍｏ含有量は３質量％〜１４質量％であり、より好ましくは、７質量％〜１０質量％であるが、特にこれで限定はされない。

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。
好ましくは、Ｎｂ含有量は３質量％〜９質量％であり、より好ましくは、４質量％〜８質量％であるが、特にこれで限定はされない。

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、Ｃｒ_３Ｃ_２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。
好ましくは、Ｃｒ含有量は０．５質量％〜１．７質量％であり、より好ましくは、０．８質量％〜１．４質量％であるが、特にこれで限定はされない。

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２中のＮｉ成分がＷＣ基超硬合金層３に拡散し、ＷＣ基超硬合金層３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２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２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。
好ましくは、ＣｏとＮｉの合計含有量に対するＣｏの含有割合は、質量比で０．６〜０．７であるが、特にこれで限定はされない。

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。
好ましくは、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８質量％〜１３質量％であるが、特にこれで限定はされない。
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。
好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの各成分の含有量合計は１質量％〜５質量％であるが、特にこれで限定はされない。

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２とＷＣ基超硬合金層３からなる複合焼結体のうち、ＴｉＣＮ基サーメット層２が工具基体となり、その上に、切れ刃を含むすくい面としてＷＣ基超硬合金層３が形成されて、切削工具１を構成する。
また、本願発明は、工具のすくい面４と逃げ面５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。
本願発明の切削工具１においては、切れ刃を含むすくい面４としてのＷＣ基超硬合金層３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４としてのＷＣ基超硬合金層３の厚さ」とは、ＴｉＣＮ基サーメット層２の表面および裏面の双方にすくい面４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３の合計厚さをいう。
これは、ＷＣ基超硬合金層３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３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３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願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、本願発明では、ＷＣ基超硬合金層３の厚さは、複合焼結体の厚さの０．１〜０．３倍の厚さとする。

基準面からの高さプロファイルの最大高低差：
本願発明の切削工具１におけるＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成、ＷＣ基超硬合金層３の成分組成、すくい面４を構成するＷＣ基超硬合金層３の厚さは、前記のとおりであるが、本願発明では、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２とＷＣ基超硬合金層３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９からの高さプロファイルの最大高低差１０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、本願発明切削工具１のすくい面４中央を通り、すくい面４および逃げ面５双方に直交する面内において、すくい面４と逃げ面５の交差する稜線を通り、すくい面と直交する線を基準線９として、逃げ面５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１におけるすくい面４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４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３とＴｉＣＮ基サーメット層２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２の中央部分においては、変形・収縮が大きく阻害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２の中央部分に大きな凹みが形成されることになる。

硬質被覆層：
本願発明の切削工具１は、複合焼結体のＷＣ基超硬合金を切れ刃を含むすくい面４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４を構成するＷＣ基超硬合金層３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の複合窒化物層を硬質被覆層８として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８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、Ａｌ_２Ｏ_３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。

以下、本願発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。

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。
（ａ）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する。
また、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。

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。

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。
表４に、これらの値を示す。

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に、これらの値を示す。

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４に、蒸着形成した硬質被覆層の層厚を示す。

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５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。

次いで、本発明工具１〜１２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。
表６に、これらの値を示す。

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。

ついで、比較例工具４〜９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６に、蒸着形成した硬質被覆層の層厚を示す。

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、以下に記載する切削条件１及び切削条件２において、耐摩耗性及び耐異常損傷性について評価した。
［切削条件１］
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４４０の長さ方向等間隔４本溝入丸棒、
切削速度：３１５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０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。
［切削条件２］
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本溝入丸棒
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．，
切削時間：３分
の条件で、炭素鋼の湿式断続切削加工試験を行い、耐異常損傷性を評価した。切れ刃にクラック、チッピング、欠損を生じた場合、異常損傷「有」とし、クラック、チッピング、欠損を生じない場合、異常損傷「無」とした。
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７に、これらの結果を示す。

表４、６、７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、ＴｉＣＮ基サーメットとＷＣ基超硬合金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。
さらに、耐異常損傷性の観点から見れば、本発明工具１〜６は比較例工具７〜９と比較して、優れた耐異常損傷性を有している。
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。

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。
上記ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末の上下面からＷＣ基超硬合金原料粉末でサンドイッチ状態とし、表８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１１〜１３を作製した。
上記複合成形体１１〜１３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形状の複合焼結体切削工具１１〜１３（以下、本発明工具１１〜１３という）を作製した。
ついで、本発明工具２３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１１〜１３について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの成分組成、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９、表１０に、これらの値を示す。

つぎに、上記本発明工具１１〜１３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、炭素鋼の湿式断続切削加工試験を行い、異常損傷の有無を確認した。また、表１０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１０に、これらの結果を示す。

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。

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を、表１１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２１〜２４を作製した。
また、作製した複合成形体２３、２４は、ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末の上下面から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。

ついで、この複合成形体２１〜２４を、焼結して複合焼結体２１〜２４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２１〜２４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本発明の複合焼結体切削工具２１〜２４（以下、本発明工具２１〜２４という）を作製した。
ついで、本発明工具２２、２４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２１〜２４について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金とＴｉＣＮ基サーメットの成分組成、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１２、表１３に、これらの値を示す。

つぎに、上記本発明工具２１〜２４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、炭素鋼の湿式断続切削加工試験を行い、異常損傷の有無を確認した。また、表１３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１３に、これらの結果を示す。

実施例２の結果を示す表１０及び実施例３の結果を示す表１３からも、本発明工具１１〜１３、２１〜２４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。
また、実施例１の場合と同様に、耐異常損傷性の観点から見れば、本発明工具１１〜１３、２１〜２４は、比較例工具７〜９と比較して、優れた耐異常損傷性を有している。

複合焼結体を工具基体とする本願発明の切削工具は、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。

１複合焼結体切削工具
２ＴｉＣＮ基サーメット層
３ＷＣ基超硬合金層
４すくい面
５逃げ面
６平面形状が多角形状の複合焼結体切削工具
７平面形状が円計状の複合焼結体切削工具
８硬質被覆層
９基準面
１０最大高低差

Claims

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であって、
（ａ）上記切削工具の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０．０５〜０．３倍であり、
（ｄ）上記ＴｉＣＮ基サーメット層は、１層のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、該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％を含有し、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中央を通り、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。
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。
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。
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、硬質被覆層が形成されている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。