JPH0363949B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、切削工具及び耐摩耗工具などの工具
部品として用いられる高靭性被覆超硬合金及びそ
の製造方法に関するものである。 （従来の技術） 被覆超硬合金は、超硬合金の表面に形成させる
硬質な外層により耐摩耗性が大幅に向上するが、
外層が超硬合金に比して脆弱であるために、超硬
合金の破壊応力よりもはるかに低い応力で外層自
体にき裂が生じ、この外層に発生したき裂が超硬
合金の内部にまで容易に進展して被覆超硬合金を
欠損させるという問題がある。また、外層の形成
方法として一般に行なわれている化学蒸着法
（CVD法）又は物理蒸着法（PVD法）の内、特
にCVD法は、900℃〜1100℃の高温で処理される
ために、その冷却過程において、超硬合金と外層
との熱膨張率の差によつて外層の中にき裂が生じ
易く、このき裂に応力が加らると、それが超硬合
金の破壊応力よりもはるかに低いものであつて
も、応力集中により超硬合金の内部にき裂が容易
に進展して被覆超硬合金を欠損させるという問題
がある。 これらの問題を解決するために、超硬合金と外
層との間の中間層を介在させてなる被覆超硬合金
の提案が種々行なわれている。これらの中間層の
内、代表的なものとして、同様な構成で開示され
ている特開昭54−87719号公報及び日本金属学会
誌45、（1981）、95（鈴木ら）があり、他の構成で
開示されているのに特開昭53−131909号公報があ
る。 （発明が解決しようとする問題点） 特開昭54−87719号公報などに開示の被覆超硬
合金は、WC相、立方晶系化合物及びCo相の３層
からなる超硬合金と外層との間なWC相とCo相の
２相からなる中間層を介在させたもので、同時
に、中間層中のCo相は超硬合金中のCo相よりも
富化しているものである。しかしながら、このよ
うな中間層を設けた場合、耐欠損性は改善される
ものの、摩耗の進行と共に、あるいは外層が剥離
して超硬合金又は中間層が１部でも露出してしま
うと、中間層内に立方晶系化合別が存在しないた
めに、耐酸化抵抗が低くなるのと、被削材の切粉
への炭素の拡散流出が激しくなつて、摩耗が急速
に進行し、被覆超硬合金の寿命を短くするという
問題がある。 特開昭53−131909号公報に開示の被覆超硬合金
は、超硬合金と外層との間に、靭性に富み、しか
も超硬合金側に向かつて硬さが連続的に増加する
硬さ勾配をもつた中間層を介在させてなるもので
ある。ここで記載されている中間層とは、具体的
にどのような組織的構造になつているのか確認し
てみると、同公報に、中間層は、超硬合金の表
面に結合相をメツキした後加熱する方法、超硬
合金中の結合相をその表面部にしみ出させる方法
又は超硬合金を液相が発生する温度以上に加熱
して、その表面に炭素を浸入させる方法によつて
作製されている。この中間層を更に、同公報の実
施で確認してみると又はによつて作製される
中間層は、新たに加えた結合相となる金属又は超
硬合金中の結合相が移動して多く存在することに
よつて靭性に富み、しかもそれによつて連続的な
硬さ勾配を有しているものである。しかしなが
ら、及びによる中間層は、外層側の中間層表
面に結合相の金属のみの層が形成されているため
に耐摩耗性及び耐塑性変形性が低下するという問
題がある。また、及びによる中間層は、浸炭
雰囲気中で加熱して作製する方法であるために、
その調整が困難であるのと、中間層中に遊離カー
ボンを生じさせているために外層との耐剥離性を
低下させるという問題がある。 本発明は、上述のような問題点を解決したもの
で、具体的には、超硬合金と外層との間に遊離カ
ーボンの存在なく、炭化タングステン相、立方晶
系化合物相及び結合相の３相構造からなり、しか
も超硬合金よりも結合相の富化してなる中間層を
介在させることによつて靭性、耐摩耗性、耐塑性
変形性及び耐剥離性にすぐれる被覆超硬合金の提
供を目的とするものである。 （問題点を解決するための手段） 本発明者らは、被覆超硬合金の靭性を高めるた
めには超硬合金と外層との間に結合相を富化した
中間層を介在させることが効果的であるというこ
とを確認し、次いで、その中間層がどのような構
成になつているときが被覆超硬合金の靭性及びそ
の他の諸特性を最適にできるかについて鋭意研究
した結果、本発明を完成するに至つたものであ
る。 すなわち、本発明の高靭性被覆超硬合金は、炭
化タングステン相と、周期律表4a，5a，6a族金
属の炭化物、窒化物及びこれらの相互固溶体の中
の少なくとも１種でなる立方晶系化合物相と、
Fe、Ni、Coの中の少なくとも１種でなる結合相
とからなる超硬合金の表面に、この超硬合金より
も結合相の富化してなる中間層と、この中間層の
表面に単層もしくは多重層の外層を形成してなる
被覆超硬合金において、下記(a)、(b)及び(c)、を具
備していることを特徴とするものである。 (a) 前記中間層は、前記炭化タングステン相と前
記立方晶系化合物相と前記結合相とからなる
5μｍ以上〜40μｍ以下の層厚を有しているこ
と。 (b) 該中間層中の結合相の量は、前記外層に接す
る中間層面で最大となり、前記超硬合金に接す
る中間層面で最小となるように連続的に減少
し、かつ最大の結合相量が前記超硬合金の結合
相量の120％以上〜500％以下であり、最小の結
合相量が前記超硬合金の結合相量と同等である
こと。 (c) 前記外層は、前記中間層に隣接する外層が窒
化チタン、炭窒化チタン、窒酸化チタン又は炭
窒酸化チタンであること。 この本発明の高靭性被覆超硬合金における超硬
合金は、炭化タングステン相としてのWCと立方
晶系化合物相としての、例えば、（Ti、Ｗ）Ｃ、
（Ti、Ta、Ｗ）Ｃ、（Ti、Ta、Nb、Ｗ）Ｃ、
（Ti、Ｗ）（Ｃ、Ｎ）、（（Ti、Ta、Ｗ）（Ｃ、Ｎ）
などの少なくとも１種の結合相としてのFe、Ni、
Coの少なくとも１種からなるものである。 中間層は、超硬合金に含有しているのと同じ炭
化タングステン相と立方晶系化合物相と結合相と
からなるので超硬合金との密着性を高めており、
中間層中に存在する立方晶系化合物相は、外層が
一部摩耗して中間層を露出させた場合でも耐酸化
性にすぐれるのと、被削材などの相手材への炭素
の拡散流出を生じ難くして、耐摩耗性の急速な低
下を防止させているものである。この中間層中の
結合相量は、外層に接する中間層の面が最大の結
合相量で、この最大の結合相量が超硬合金中の結
合相量の120％未満になると耐欠損性に対する効
果が低く、500％を超えて多くなると耐塑性変形
性に対する効果が低いために、中間層中の最大の
結合相量を超硬合金中の結合相量の120％以上〜
500％以下と定めたものである。また、中間層の
厚みは、5μｍ未満では外層に生ずるき裂の進展
を抑止できなくて耐欠損性が低くなり、40μｍを
超えて厚くなると耐塑性変形が低下することから
5μｍ以上〜40μｍ以下と定めたものである。 外層は、中間層に隣接する外層が窒化チタン、
炭窒化チタン、窒酸化チタン又は炭窒酸化チタン
の中の１種からなるもので、具体的には、窒化チ
タン、炭窒化チタン、窒酸化チタン又は炭窒酸化
チタンの中の１種からなる単層もしくは窒化チタ
ン、炭窒化チタン、達酸化チタン又は炭窒酸化チ
タンの中の１種からなる外層とこの外層の表面に
周期律表4a，5a，6a族金属の炭化物、窒化物、
酸化物、ホウ化物、硫化物又はこれらの相互固溶
体並びに酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、
散窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、
立方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドの中の１種以
上の外層とからなる多重層にすることもできる。
このように、中間層に隣接する外層を窒化チタ
ン、炭窒化チタン、窒酸化チタン又は炭窒酸化チ
タンの中の１種にすると、中間層中の結合相が外
層中へ拡散侵入するのを抑制できるものである。
このために、中間層内に係合相の流出による孔が
生じなく緻密で靭性の高い中間層になつているも
のである。 以上、中間層と外層を形成してなる本発明の高
靭性被覆超硬合金における層の構成は、例えば、
第１図又は第２図に示すような断面層の構成から
なり、この断面層における結合相の相対濃度分布
の代表例としては第３図の実線もしくは破線で示
すような状態でなるものである。 本発明の高靭性被覆超硬合金の製造方法は、炭
化タングステン相と、周期律表4a，5a，6a族金
属の炭化物、窒化物及びこれらの相互固溶体の中
の少なくとも１種でなる立方晶系化合物相と、
Fe、Ni、Coの中の少なくとも１種でなる結合相
とからなる超硬合金を真空又はガス雰囲気中で処
理して、前記超硬合金の表面に該超硬合金よりも
結合相の富化してなる中間層と、該中間層の表面
にCVD法又はPVD法によつて単層又は多重層の
外層とを形成させる被覆超硬合金の製造方法にお
いて、前記中間層は前記超硬合金を該超硬合金に
含有する結合相の固液共存温度域に保持しながら
該超硬合金の表面を脱炭させることによつて生成
させることを特徴とするものである。 本発明の高靭性被覆超硬合金の製造方法におけ
る超硬合金は、市販の超硬合金を用いることもで
きるが、超硬合金の表面に中間層を生成するに
は、超硬合金中の含有炭素量が大きく影響するこ
とから含有炭素量を調整した超硬合金を用いるの
が好ましい。 超硬合金の表面に中間層を生成する場合は、超
硬合金の表面を必要に応じて研摩加工又は洗浄
後、反応炉内にセツトし、次いで反応炉内を真空
に保持して、結合相の固液共存温度域とする。こ
の結合相の固液共存温度域は超硬合金の組成によ
つて異なるが、特に1290℃〜1360℃が好ましく、
この結合相の固液共存温度域に保持しながら炉内
を、例えばH₂とCO₂の混合ガス、CO₂ガス、CO
とCO₂の混合ガス、H₂とCO₂とCOの混合ガス又
はH₂とH₂Oの混合ガスなどの脱炭性のガス雰囲
気にするか、又は高真空に保持すると、超硬合金
の表面部は脱炭されて焼結後には、脱炭された表
面部が中間層となる。このとき、超硬合金を脱炭
性雰囲気中で脱炭する時間は、超硬合金中の含有
炭素量、処理温度及び脱炭性雰囲気により異なる
が、20秒以上〜３分以下に保持するのが好まし
い。脱炭時間が長くなると脱炭量が多くなつて超
硬合金の表面にη相（W₃Co₃C）のような異相が
生じて好ましくない。その他、超硬合金の表面を
脱炭する方法としては、脱炭作用する粉末、例え
ば酸化アルミニウム粉末の中に超硬合金を埋めて
加熱することも可能であるが、中間層の均一性及
び作業性から高真空又はガス雰囲気性が好ましい
ものである。 中間層の表面に外層を形成する場合は、従来の
CVD法、プラズマCVD法又はイオンプレーテイ
ング、スパツタリングなどのPVD法によつて行
なうことができる。 （作用） 本発明の高靭性被覆超硬合金は、超硬合金と外
層との間に介在させる中間層が脱炭性雰囲気によ
つて生成される靭性の高い層からなり、その中間
層には、遊離カーボンが生じてなく、結合相
のみの層が生じてなく、立方晶系化合物相を含
む３相構造からなつているために、耐欠損性、耐
塑性変形性、耐摩耗性及び被覆層の耐剥離性が著
しくすぐれているものである。 また、その製造方法は、低温で非常に短時間の
処理によつて中間層を生成させることができるの
で中間層中の合金組織の変動が殆んど生じない安
定性のある方法であり、しかも簡易に行なうこと
ができる方法である。 （実施例） 実施例 １ 市販の平均粒径0.7μｍ〜3.0μｍの各種出発原料
粉末を用いて、83％WC−４％ TiC−１％
TiN−６％ TaC−６％Co（重量％）組成に配合
し、これを常法の製法によつて成形した後1400
℃、50分保持にて真空焼結した。こうして得た超
硬合金をJIS規格のTNP332形状に研摩加工した
後、反応炉に設置してH₂とCO₂の混合ガス雰囲
気中、1330℃で３分間保持にて処理し中間層を生
成させ、次いで常法のCVD法によつて中間層の
表面に4μｍ厚さのTi（Ｃ、Ｎ）層とTi（Ｃ、Ｎ）
層の表面に2μｍ厚さのAl₂O₃層からなる外層を形
成させて本発明品を得た。 比較として、上述の本発明品の工程の内、中間
層の生成工程として、超硬合金の表面にCoを25μ
ｍの層厚でメツキし、水素ガス雰囲気中、温度
1430℃に30分間保持した後、本発明品と同様にし
て外層を形成させることによつて比較品１を得
た。上述の本発明品の工程の内、中間層の生成工
程として超硬合金の表面にグラフアイトを塗布
し、1490℃、30分間保持した後、本発明品と同様
にして外層を形成させることによつて比較品２を
得た。上述の本発明品で中間層の生成工程まで同
じで、外層が中間層の表面に4μｍ厚さのTiC層と
TiC層の表面に2μｍ厚さのAl₂O₃層からなる比較
品３を得た。上述の本発明品の工程の内、中間層
の生成工程がH₂とCO₂の混合ガス雰囲気中、
1350℃で１分間保持にて処理した以外は本発明品
と同様に行なつて比較品４を得た。上述の本発明
品の工程の内、研摩加工及び中間層の生成工程を
省略した超硬合金の表面に直接外層を形成させて
比較品５を得た。 こうして得た本発明品と比較品１〜５の中間層
をＸ線マイクロアナライザーにて調べ、その結果
を第１表に示した。

【表】 以上の本発明品と比較品１〜５を用いて、下記
に示す条件で外周旋削による切削試験を行ない、
その結果を第２表に示した。 (A) 耐欠損性試験 被削材 S48C（HB250）等間隔４本スロツト入 切削速度 100ｍ／min 切込み量 1.5mm 送り速度 0.30mm／rev 切削油 なし（乾式切削） (B) 耐塑性変形性試験 被削材 SNCM439（HB280） 切削速度 150ｍ／min 切込み量 1.5mm 送り速度 0.4mm／rev 切削時間 3min 切削油 なし（乾式切削）

【表】

【表】 実施例 ２ 実施例１で作製した本発明品と比較品１と比較
品５を用いて、下記に示す切削条件により耐摩耗
試験を行ない、その結果を第３表に示した。 (C) 耐摩耗試験 被削材 S48C（HB255） 切削速度 180ｍ／min 切込み量 1.5mm 送り速度 0.30mm／rev 切削油 なし（乾式切削）

【表】 （発明の効果） 以上の結果、本発明の高靭性被覆超硬合金は、
外層自体の有する耐摩耗性及び耐食性は勿論のこ
と、中間層の存在により耐塑性変形性の低下を生
ずることなく、耐欠損性及び耐剥離性を著しく高
めることができたので、その製造方法も簡易な方
法であることから工業化が容易である。このこと
から、従来の被覆超硬合金の用途範囲である旋削
用切削工具やメカニカルシール、ノズル、バル
ブ、ゲージなどの耐摩耗工具の他に、更に耐衝撃
性を必要とするような切削工具、例えばフライス
用切削工具、ドリル、リーマ、エンドミルなどの
回転用切削工具にも利用できる産業上有用な被覆
超硬合金及びその製造方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超硬合金の一面に中間層と外層を形
成してなる本発明品の断面層構成図。第２図は、
超硬合金の全面に中間層と外層を形成してなる本
発明品の断面層構成図。第３図は、本発明品の表
面から内部の断面層における結合相の相対濃度分
布を示すブラフ。 図中、１：外層、２：中間層、３：超硬合金。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化タングステン相と、周期律表4a，5a，
   6a族金属の炭化物、窒化物及びこれらの相互固
   溶体の中の少なくとも１種でなる立方晶系化合物
   相と、Fe、Ni、Coの中の少なくとも１種でなる
   結合相とからなる超硬合金の表面に、該超硬合金
   よりも結合相の富化してなる中間層と、該中間層
   の表面に単層もしくは多重層の外層を形成してな
   る被覆超硬合金において、下記(a)、(b)及び(c)を具
   備していることを特徴とする高靭性被覆超硬合
   金。 (a) 前記中間層は、前記炭化タングステン相と前
   記立方晶系化合物相と前記結合相とからなる
   5μｍ以上〜40μｍ以下の層厚を有しているこ
   と。 (b) 該中間層中の結合相の量は、前記外層に接す
   る中間層面で最大となり、前記超硬合金に接す
   る中間層面で最小となるように連続的に減少
   し、かつ最大の結合相量が前記超硬合金の結合
   相量の120％以上〜500％以下であり、最小の結
   合相量が前記超硬合金の結合相量と同等である
   こと。 (c) 前記外層は、前記中間層に隣接する外層が窒
   化チタン、炭窒化チタン、窒酸化チタン又は炭
   窒酸化チタンであること。 ２ 炭化タングステンと、周期律表4a，5a，6a
   族金属の炭化物、窒化物及びこれらの相互固溶体
   の中の少なくとも１種でなる立方晶系化合物相
   と、Fe、Ni、Coの中の少なくとも１種でなる結
   合相とからなる超硬合金を真空又はガス雰囲気中
   で処理して、前記超硬合金の表面に該超硬合金よ
   りも結合相の富化してなる中間層と、該中間層の
   表面に化学蒸着法又は物理蒸着法によつて単層も
   しくは多重層の外層とを形成させる被覆超硬合金
   の製造方法において、前記中間層は、超硬合金を
   該超硬合金に含有する結合相の固液共存温度域に
   保持しながら該超硬合金の表面を脱炭させること
   によつて生成させることを特徴とする高靭性被覆
   超硬合金の製造方法。 ３ 上記結合相の固液共存温度域は、1290℃以上
   〜1360℃以下であることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の高靭性被覆超硬合金の製造方
   法。