JP6745059B2 - 複合焼結体切削工具 - Google Patents

Description

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切削性能にすぐれる切削工具に関するものである。
本願は、２０１５年５月２８日に日本に出願された特願２０１５−１０８９７７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。
即ち、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外周部（逃げ面）をＷＣ基超硬合金で構成し、該ＷＣ基超硬合金からなる外周部（逃げ面）の内部にＴｉＣＮ基サーメットを充填することにより複合焼結体切削工具を構成した場合には、複合焼結体の焼結時の熱膨張率差で、内部のＴｉＣＮ基サーメットによって、切れ刃を含む外周部を構成するＷＣ基超硬合金には圧縮応力が形成され、これによって、工具の断続切削性能が改善されることを見出したのである。
そしてこの場合、切削工具全体がＷＣ基超硬合金で構成されているものに比して、タングステンの使用量の大幅な低減を図り得るのである。
つまり、本発明者らは、上記構造の複合焼結体を工具基体とする切削工具においては、希少金属であるタングステンの使用量を大幅に低減できるとともに、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、すくい面の平面形状が円形または多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度は９０度または９０度未満であり、
（ｂ）上記切削工具の切れ刃を含む外周部は、鉄族金属成分を４〜１７質量％、残部は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、また、外周部に囲繞された内部はＴｉＣＮ基サーメット層で構成され、
（ｃ）上記ＷＣ基超硬合金層からなる外周部の幅は、上記複合焼結体におけるすくい面の最大内接円直径の０．０３〜０．１５倍であり、
（ｄ）上記ＷＣ基超硬合金層からなる外周部で囲繞された内部のＴｉＣＮ基サーメット層は、少なくとも１層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、ＷＣ基超硬合金層と隣接するＴｉＣＮ基サーメット層は、該サーメット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含有割合を質量比で表現した場合、０．５〜０．８を満足することを特徴とする複合焼結体切削工具。
（２）前記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の少なくともＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆膜が形成されていることを特徴とする前記（１）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。

以下、この発明について、詳細に説明する。

図１〜図６は、いずれも、この発明の複合焼結体切削工具の幾つかの実施の形態を示す概略模式図である。
図１は、すくい面の平面形状が円形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度の複合焼結体切削工具を示し、図２は、図１に示される複合焼結体切削工具において、ＴｉＣＮ基サーメット層を複数のＴｉＣＮ基サーメット層で構成したものを示し、図３は、すくい面の平面形状が多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度の複合焼結体切削工具を示し、図４は、図３に示される複合焼結体切削工具において、ＴｉＣＮ基サーメット層を複数のＴｉＣＮ基サーメット層で構成したものを示し、図５は、すくい面の平面形状が円形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度未満の複合焼結体切削工具を示し、図６は、すくい面の平面形状が多角形状であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度未満の複合焼結体切削工具を示す。
この発明の複合焼結体切削工具（以下、「切削工具」ともいう）においては、図１（ａ）、図２（ａ）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、また、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、すくい面の平面形状が多角形（四角形、あるいは、ひし形等）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る。
なお、図１〜図６に示す切削工具では、ＷＣ基超硬合金層の表面に被覆する硬質被覆膜についての記載を省略しているが、図１〜図６において、ＷＣ基超硬合金層で構成された少なくとも切れ刃を含む外周部に対して、周知の成膜手段で硬質被覆膜を形成すれば、表面被覆複合焼結体切削工具として使用することができる。

この発明の切削工具あるいは表面被覆複合焼結体切削工具は、例えば、以下の製造方法によって作製することができる。
まず、所定組成を有するＷＣ基超硬合金粉末を、焼結後所望のＷＣ基超硬合金層の幅となるよう内周側に入れ子を用い、切削工具におけるＷＣ基超硬合金の形状と同一の外周形状になるようにプレスで仮成形してＷＣ基超硬合金仮成形体を作製し、次いで、所定組成を有する少なくとも１種類以上のＴｉＣＮ基サーメット粉末を用意し、該ＴｉＣＮ基サーメット粉末を上記ＷＣ基超硬合金仮成形体の内周部に配置した状態で複合プレス成形することにより、外周部がＷＣ基超硬合金で構成され、その外周部によって囲繞される内部にＴｉＣＮ基サーメットが充填された複合成形体を作製する。
なお、ＴｉＣＮ基サーメット粉末については、必ずしも１種類の粉末を用いる必要はなく、成分組成の異なる複数種類の粉末を用いることができる。この場合には、それぞれ成分組成の異なる複数種類の粉末を、ほぼ同心円状に配置した状態で仮成形すればよく、これにより、謂わば複数のＴｉＣＮ基サーメット層が同心円状に積層された積層ＴｉＣＮ基サーメット仮成形体（図２（ａ）、（ｂ），図４（ａ）、（ｂ）に類似する構造）を作製することができる。
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で本発明の切削工具を作製する。
また、上記で作製した本発明の切削工具の少なくともＷＣ基超硬合金層の表面に、物理蒸着法、化学蒸着法等の従来周知の成膜法により、Ｔｉ化合物層、ＴｉとＡｌの複合窒化物層、Ａｌ_２Ｏ_３層等の硬質被覆膜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。

ＷＣ基超硬合金層と隣接するＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成：
この発明で用いられるＷＣ基超硬合金と隣接するＴｉＣＮ基サーメット層は、少なくとも、ＴｉＣＮを主たる硬質成分とし、鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）を主たる結合相成分とするサーメットとする。
前記ＴｉＣＮ基サーメットの含有成分を金属成分元素に換算した場合、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、質量比で０．５〜０．８とする。

鉄族金属成分：
鉄族金属成分はＴｉＣＮ基サーメット中で硬質成分と強固に結合し、工具基体の強度及び靱性を向上させる作用があるが、その含有量が４質量％未満もしくは２５質量％を超えると、ＴｉＣＮ基サーメット中とＷＣ基超硬合金中の結合相量の差が大きくなり、ＷＣ基超硬合金層からＴｉＣＮ基サーメット層中に、もしくは、ＴｉＣＮ基サーメット層からＷＣ基超硬合金層中に結合相成分が大きく拡散し、工具全体の結合相分布が不均一になり、工具としての安定性を欠く結果となる。このことから、ＴｉＣＮ基サーメット中の鉄族金属成分含有量を４〜２５質量％と定めた。

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。

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。

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。

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。

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、質量比で０．５〜０．８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基サーメット中のＮｉ成分がＷＣ基超硬合金に拡散し、ＷＣ基超硬合金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、質量比で０．５〜０．８の範囲内とする。

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については前記のとおりであるが、ＴｉＣＮ基サーメットは、その全体を前記した成分組成のものとして構成する必要はない。
即ち、図２（ａ）、（ｂ）あるいは図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ＴｉＣＮ基サーメット層を複数のＴｉＣＮ基サーメット層の積層体として構成することができる。
図２（ａ）、（ｂ）あるいは図４（ａ）、（ｂ）には、ＴｉＣＮ基サーメット層を「ＴｉＣＮ基サーメット層１」と「ＴｉＣＮ基サーメット層２」による２層の積層体として構成した例を示したが、ＴｉＣＮ基サーメット層は、２層以上のＴｉＣＮ基サーメット層の積層体として構成することもできる。
ここで、ＷＣ基超硬合金層に接するＴｉＣＮ基サーメット層（即ち、図２（ａ）、（ｂ）あるいは図４（ａ）、（ｂ）に示す「ＴｉＣＮ基サーメット層１」）については、その成分組成を前記した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２（ａ）、（ｂ）あるいは図４（ａ）、（ｂ）に示す「ＴｉＣＮ基サーメット層２」）については、通常用いられるＴｉＣＮ基サーメットの成分組成であっても構わない。
ＴｉＣＮ基サーメットに通常含有される成分、例えば、ＺｒＣ、ＴａＣ等、については、通常含有される範囲内であれば、本発明のＴｉＣＮ基サーメットに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、表面被覆複合焼結体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。

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。
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。

切れ刃を含む外周部を構成する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のうち、ＷＣ超硬合金層が切れ刃を含む外周部を構成することにより切れ刃及び逃げ面はＷＣ基超硬合金層によって構成され、一方、該外周部によって囲繞される内部にＴｉＣＮ基サーメット層が充填されることによって切削工具のすくい面の主体はＴｉＣＮ基サーメット層で構成される。
また、本発明では、工具のすくい面と逃げ面のなす角度は９０度あるいは９０度未満であって、所謂、ネガティブインサートおよびポジティブインサートの何れに対しても適用可能である。
本発明の切削工具においては、切れ刃を含む外周部（即ち、切れ刃及び逃げ面）のＷＣ基超硬合金層は、複合焼結体におけるすくい面の最大内接円直径の０．０３〜０．１５倍の幅とする。
これは、ＷＣ基超硬合金層の幅が、複合焼結体におけるすくい面の最大内接円直径の０．０３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基超硬合金層の幅が、複合焼結体におけるすくい面の最大内接円直径の０．１５倍を超える場合には、ＷＣ基超硬合金層に形成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基超硬合金の幅は、複合焼結体におけるすくい面の最大内接円直径の０．０３〜０．１５倍とする。

硬質被覆膜：
本発明の切削工具は、複合焼結体のＷＣ基超硬合金層を、切れ刃を含む外周部（即ち、切れ刃及び逃げ面）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、切れ刃を含む外周部（即ち、切れ刃及び逃げ面）を構成するＷＣ基超硬合金層の表面に、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、硬質被覆膜としては、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膜を、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。

本発明は、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、切れ刃を含む外周部（即ち、切れ刃及び逃げ面）を構成するＷＣ基超硬合金層の幅の比率を適正化することによって、タングステンの使用量を低減したものであるが、タングステン使用量の低減にもかかわらず、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。

この発明の複合焼結体切削工具の一つの態様である複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、この例は、すくい面の平面形状が円形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度の複合焼結体切削工具であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。 図１に示されるすくい面の平面形状が円形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度の複合焼結体切削工具において、ＴｉＣＮ基サーメットを複数のＴｉＣＮ基サーメット層で構成した態様を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。 この発明の複合焼結体切削工具の他の態様である複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、この例は、すくい面の平面形状が多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度の複合焼結体切削工具であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。 図３に示されるすくい面の平面形状が多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度の複合焼結体切削工具において、ＴｉＣＮ基サーメットを複数のＴｉＣＮ基サーメット層で構成した態様を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。 この発明の複合焼結体切削工具の他の態様である複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、この例は、すくい面の平面形状が円形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度未満の複合焼結体切削工具であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。 この発明の複合焼結体切削工具の他の態様である複合焼結体切削工具の概略模式図を示し、この例は、すくい面の平面形状が多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度未満の複合焼結体切削工具であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。

以下、この発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。

まず、図１あるいは図２に示す構造の複合焼結体切削工具（即ち、すくい面の平面形状が円形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度である、所謂ネガティブインサート）を以下の工程で作製した。
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。
まず、上記ＷＣ基超硬合金原料粉末を、ＩＳＯインサート形状ＲＮＭＡ１２０４００の素材用金型および内周部に空隙を設けるための入れ子を用いプレスして、表３に示す仮成形体１〜９を作製した。
次に、上記仮成形体１〜９の内周に、ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を配置し、上記仮成形体１〜９とともに、表３に示す組合せでＩＳＯインサート形状ＲＮＭＡ１２０４００の素材用金型でプレスし、複合成形体１〜９を作製した。
上記仮成形体のうち、仮成形体６〜９については、複数種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用い、それぞれのＴｉＣＮ基サーメット原料粉末が中心に対してほぼ同心円状になるように充填して、表３に示す仮成形体を作製した。
なお、作製した複合成形体１〜９は、ＷＣ基超硬合金原料粉末と一種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末からなる複合成形体１〜５と、ＷＣ基超硬合金原料粉末と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のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用いた複合成形体６〜９である。

ついで、この複合成形体１〜９を焼結して複合焼結体１〜９を作製した。
焼結条件は、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１〜９について、ＷＣ基超硬合金層からなる切れ刃を含む外周部について、Ｒ＝０．０４のホーニング加工を施して刃先を形成することにより表５、表６に示すＲＮＭＡ１２０４００形状の複合焼結体切削工具１〜９（以下、本発明工具１〜９という）を作製した。

上記本発明工具１〜５のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の縦断面について、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基超硬合金層の内部側へ１００μｍの位置、また、ＴｉＣＮ基サーメット層の内部側へ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。
また、上記本発明工具６〜９については、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層１の界面から、ＷＣ基超硬合金層の内部側へ１００μｍの位置、また、ＴｉＣＮ基サーメット層１の内部側へ１００μｍの位置、さらに、ＴｉＣＮ基サーメット層１とＴｉＣＮ基サーメット層２の界面からＴｉＣＮ基サーメット層２の内部側へ１００μｍの位置における組成析を行い、１０点測定の平均値を求めることにより、ＷＣ基超硬合金層、ＴｉＣＮ基サーメット層１及びＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成を求めた。
表５、表６に、これらの値を示す。

また、本発明工具１〜５のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の幅、また、本発明工具６〜９のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層１とＴｉＣＮ基サーメット層２の幅は光学顕微鏡で観察して測定し、異なる５点において測定された幅を平均して幅とした。
表５、表６に、これらの値を示す。

ついで、本発明工具４，５，８，９については、ＷＣ基超硬合金層の表面に、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％）からなる硬質被覆膜を蒸着形成した。
表５、表６に、蒸着形成した硬質被覆膜の膜厚を示す。

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、実施例１と同様の方法で、表４に示す組合せで仮成形体１〜６を作製し、更に、これをプレスすることにより、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１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１〜９について、ＷＣ基超硬合金（層）からなる切れ刃を含む外周部について、Ｒ＝０．０４のホーニング加工を施して刃先を形成することにより、表６に示すＲＮＭＡ１２０４００形状の比較例複合焼結体切削工具１〜９（以下、比較例工具１〜９という）を作製した。

次いで、本発明工具１〜９の場合と同様にして、比較例工具１〜６については、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。
また、比較例工具１〜６のＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の幅を、光学顕微鏡で観察して測定し、異なる５点において測定された幅を平均して平均幅とした。
表７に、これらの値を示す。

ついで、比較例工具４〜９について、ＷＣ基超硬合金層の表面に、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％）からなる硬質被覆膜を蒸着形成した。
表７に、蒸着形成した硬質被覆膜の膜厚を示す。

つぎに、上記本発明工具１〜９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４本溝入り丸棒、
切削速度：３９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．３ ｍｍ、
送り：０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０ 分
の条件で、合金鋼の湿式高速断続加工試験（通常の切削速度は、２００ｍ／ｍｉｎ．）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：３２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．，
切削時間：５ 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１〜９および比較例工具１〜６については、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。

表５〜８に示される結果から、本発明工具は、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、切れ刃を含む外周部を構成するＷＣ基超硬合金層の幅の比率を適正化することによって、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、耐摩耗性を発揮し、ＷＣ基超硬合金のみから作製した比較例工具７（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１〜９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。

図３あるいは図４に示す構造の複合焼結体切削工具（即ち、すくい面の平面形状が多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度である、所謂ネガティブインサート）を以下の工程で作製した。
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。
まず、上記ＷＣ基超硬合金原料粉末をＩＳＯインサート形状ＳＮＭＮ１２０４０８の素材用金型および内周部に空隙を設けるための入れ子を用いプレスして、表９に示す仮成形体１１〜１９を作製した。
次に、上記仮成形体１１〜１９の内周に、ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を配置し、上記仮成形体１１〜１９とともに、ＩＳＯインサート形状ＳＮＭＮ１２０４０８の素材用金型でプレスし、複合成形体１１〜１９を作製した。
上記仮成形体のうち、仮成形体１６〜１９については、複数種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用い、それぞれのＴｉＣＮ基サーメット原料粉末の中心位置がほぼ同位置になるように充填して、表９に示す仮成形体を作製した。
なお、作製した複合成形体１１〜１９は、ＷＣ基超硬合金原料粉末と一種類のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末からなる複合成形体１１〜１５と、ＷＣ基超硬合金原料粉末と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のＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を用いた複合成形体１６〜１９である。

ついで、この複合成形体１１〜１９を、実施例１と同様な条件で焼結し、複合焼結体１１〜１９を作製し、実施例１と同様なホーニング加工を施すことにより、表１１、表１２に示すＳＮＭＮ１２０４０８形状の複合焼結体切削工具１１〜１９（以下、本発明工具１１〜１９という）を作製した。

ついで、上記本発明工具１１〜１９について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層あるいはＴｉＣＮ基サーメット層１、ＴｉＣＮ基サーメット層２の成分組成を求めた。
さらに、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の幅、また、ＴｉＣＮ基サーメット層１、ＴｉＣＮ基サーメット層２の幅を光学顕微鏡で観察して測定し、異なる５点において測定された幅を平均して平均幅とした。
表１１、表１２に、これらの値を示す。

ついで、本発明工具１４，１５，１８，１９については、ＷＣ基超硬合金層の表面に、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％）からなる硬質被覆膜を蒸着形成した。
表１０に、蒸着形成した硬質被覆膜の膜厚を示す。

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、実施例１と同様の方法で、表１０に示す組合せで仮成形体１１〜１６を作製し、更に、これをプレスすることにより、比較例複合成形体１１〜１６を作製した後、この複合成形体を、実施例１と同じ条件で焼結して比較例複合焼結体１１〜１６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１７〜１９を作製した。
ついで、実施例１と同じ条件でホーニング加工を施すことにより、表１３に示すＳＮＭＮ１２０４０８形状の複合焼結体切削工具１１〜１９（以下、比較例工具１１〜１９という）を作製した。

ついで、上記比較例工具１１〜１６について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成を求めた。
また、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の幅も求めた。
表１３に、これらの値を示す。

ついで、比較例工具１４，１５については、ＷＣ基超硬合金層の表面に、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％）からなる硬質被覆膜を蒸着形成した。
表１３に、蒸着形成した硬質被覆膜の膜厚を示す。

つぎに、上記本発明工具１１〜１９および比較例工具１１〜１９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、耐異常損傷性を評価した。さらに、本発明工具１１〜１９および比較例工具１１〜１９について、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。

表１１〜１４に示される結果から、本発明工具は、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、切れ刃を含む外周部を構成する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。
これに対して、比較例工具１１〜１６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っており、比較例工具１７〜１９はタングステン使用量は削減されておらず、耐摩耗性に関しては本発明工具同等であるが、耐異常損傷性に関しては劣位であることは明らかである。

次に、図５，図６に示す構造の複合焼結体切削工具（即ち、すくい面の平面形状が円形または多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度が９０度未満である、所謂ポジティブインサート）を以下の手順で作製した。
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。
まず、上記ＷＣ基超硬合金原料粉末を、ＩＳＯインサート形状ＲＧＥＮ２００４Ｍ０ＥＮの素材用金型および内周部に空隙を設けるための入れ子を用いプレスして、表１５に示す仮成形体２１〜２５を作製した。
次に、上記仮成形体２１〜２５の内周に、ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を配置し、上記仮成形体２１〜２５とともに、ＩＳＯインサート形状ＲＧＥＮ２００４Ｍ０ＥＮの素材用金型でプレスし、複合成形体２１〜２５を作製した。

また、上記ＷＣ基超硬合金粉末を、ＩＳＯインサート形状ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１の素材用金型および内周部に空隙を設けるための入れ子を用いプレスして、表１５に示す仮成形体２６〜３０を作製した。
次に、上記仮成形体２６〜３０の内周に、ＴｉＣＮ基サーメット原料粉末を配置し、上記仮成形体２６〜３０とともに、ＩＳＯインサート形状ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１の素材用金型でプレスし、複合成形体２６〜３０を作製した。

ついで、この複合成形体２１〜３０を、実施例１と同様な条件で焼結して複合焼結体２１〜３０を作製し、ＷＣ基超硬合金からなる切れ刃を含む外周部について、Ｒ＝０．０４のホーニング加工を施して刃先を形成し、表１６に示すＲＧＥＮ２００４Ｍ０ＥＮ形状の複合焼結体切削工具２１〜２５（以下、本発明工具２１〜２５という）及びＳＥＥＮ１２０３ＡＦＥＮ１形状の複合焼結体切削工具２６〜３０（以下、本発明工具２６〜３０という）作製した。

ついで、上記本発明工具２１〜３０について、実施例１と同様な方法で、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の成分組成を求めた。
また、ＷＣ基超硬合金層とＴｉＣＮ基サーメット層の最大厚さ、最小厚さを光学顕微鏡で観察して測定し、異なる５点において測定された幅を平均して平均幅とした。
表１６に、これらの値を示す。

ついで、本発明工具２４，２５，２９，３０については、ＷＣ基超硬合金層の表面に、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％）からなる硬質被覆膜を蒸着形成した。
表１６に、蒸着形成した硬質被覆膜の膜厚を示す。

つぎに、上記本発明工具２１〜３０について、カッタ径１２５ｍｍの工具鋼製カッタ先端部に固定治具にてクランプした状態で、
［切削条件１］
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１２ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１０分
の条件で、合金鋼の湿式フライス切削試験を行い、逃げ面摩耗量を測定した。
［切削条件２］
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４４０の幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍのブロック材、
切削速度：３１５ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１１ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５分
の条件で、合金鋼の湿式フライス切削試験を行い、異常損傷の有無を確認した。
さらに、本発明工具２１〜３０について、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１７に、これらの結果を示す。

表１７に示される結果からも、本発明工具は、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、切れ刃を含む外周部を構成する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ことがわかる。

複合焼結体を工具基体とする本発明の切削工具は、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。

Claims (2)

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、すくい面の平面形状が円形または多角形であり、すくい面と逃げ面のなす角度は９０度または９０度未満であり、
   （ｂ）上記切削工具の切れ刃を含む外周部は、鉄族金属成分を４〜１７質量％、残部は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、また、外周部に囲繞された内部はＴｉＣＮ基サーメット層で構成され、
   （ｃ）上記ＷＣ基超硬合金層からなる外周部の幅は、上記複合焼結体におけるすくい面の最大内接円直径の０．０３〜０．１５倍であり、
   （ｄ）上記ＷＣ基超硬合金層からなる外周部で囲繞された内部のＴｉＣＮ基サーメット層は、少なくとも１層以上のＴｉＣＮ基サーメット層から構成され、ＷＣ基超硬合金層と隣接するＴｉＣＮ基サーメット層は、該サーメット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含有割合を質量比で表現した場合、０．５〜０．８を満足することを特徴とする複合焼結体切削工具。
2. 前記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の少なくともＷＣ基超硬合金層の表面に、硬質被覆膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆複合焼結体切削工具。