JP4005787B2 - 表面被覆超硬合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は切削工具等に使用される表面被覆超硬合金に関し、特に高硬度かつ高靭性で優れた耐酸化性を有し、炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄のみならず、ステンレス鋼をはじめとする難削材の切削に適する表面被覆超硬合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超硬合金は、ＷＣ（炭化タングステン）を主体とする硬質相と、コバルト等の鉄族金属の結合相からなるＷＣ−Ｃｏ系合金、もしくはこれに周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等のいわゆるＢ−１型固溶体相を分散せしめた系が知られており、金属の切削加工や耐摩耗材等に広く用いられ、中でも切削工具としては炭素鋼・合金鋼などの鋼や鋳鉄の切削に主に利用されているが、最近ではステンレス鋼等の難削材の切削も進められている。
【０００３】
また、かかる超硬合金では、より高硬度な硬質被覆層を合金表面に被着形成して耐摩耗性を向上させる方法が知られており、この硬質被覆層にかかる衝撃を緩和するために、超硬合金の硬質被覆層を被着形成する表面領域にＢ−１型固溶体の含有量を減じた、いわゆる脱β層を形成する方法が知られている。
【０００４】
さらに、特開平６−９３４７３号公報には、Ｂ−１型固溶体としてＴｉとＺｒとを用いる（Ｎｂを用いることなく）と、母材表面から内部１〜５０μｍの深さ領域におけるＺｒの含有量が消失または減少することが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの超硬合金では、切削加工時の熱および環境中の酸素で合金表面が酸化して変質してしまい、硬度、靭性ともに低下してしまうことが知られており、たとえ合金（母材）表面に硬質被覆層を被着形成した場合でも硬質被覆層中の欠陥部分の存在によって母材表面が酸化雰囲気に曝される場合があり、特に母材表面に脱β層を形成する（ｐ1suf／ｐin＜０．９、ｑ1suf／ｑin＜０．９）と、母材表面の酸化や変質が生じやすいものであった。
【０００６】
一方、硬質被覆層の直下に脱β層を形成しない場合（ｐ1suf＝ｐ2suf＝ｐin、ｑ1suf＝ｑ2suf＝ｑin）には、硬質被覆層の耐衝撃性および耐欠損性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
さらに、特開平６−９３４７３号公報の母材表面領域におけるＺｒの含有量が少ない（ｑ1suf／ｑin＜０．９）被覆超硬合金では、耐塑性変形性が悪くなり、耐摩耗性が低下するという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高い硬度と靭性を有するとともに耐酸化性に優れ、表面が連続稼動等によって高温に曝されるような過酷な環境化においても高い耐欠損性と耐摩耗性をともに向上できる表面被覆超硬合金を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して超硬合金母材の構成について検討した結果、超硬合金表面に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつＺｒ以外の金属元素Ｍ（Ｍは周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して少ない第１の表面領域と、該第１の表面領域の内部に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつＺｒ以外の金属元素Ｍ（Ｍは周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して多い第２の表面領域とを設けることにより、母材表面の靭性を向上させて硬質被覆層の耐欠損性を向上させることができるとともに、硬質被覆層を被着形成した超硬合金の耐酸化性を高めることができ、連続的または断続的に長時間作動させ、高温下に長時間曝されるような場合においても優れた耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆超硬合金が得られることを知見した。
【００１０】
すなわち、本発明の表面被覆超硬合金は、ＷＣと、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素Ｍの炭化物、窒化物および／または炭窒化物のうちの１種以上と、鉄属金属の結合材とからなる超硬合金の表面に、硬質被覆層を被着形成してなる表面被覆超硬合金において、前記金属元素Ｍは、ＺｒおよびＮｂを共に含有するとともに、前記超硬合金の表面から５μｍ以上２００μｍ以下の深さにわたり、以下に示す第１の表面領域と、該第１の表面領域よりも内側に位置する第２の表面領域とを具備することを特徴とするものである。
【００１１】
前記超硬合金内部における金属元素Ｍの総含有量：Ｍin、前記超硬合金内部におけるＺｒの含有量：Ｚｒin、前記超硬合金内部におけるＷの含有量：Ｗin、前記第１の表面領域における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ1suf、前記第１の表面領域におけるＺｒの含有量：Ｚｒ1suf、前記第１の表面領域におけるＷの含有量：Ｗ1suf、前記第２の表面領域における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ2suf、前記第２の表面領域におけるＺｒの含有量：Ｚｒ2suf、前記第２の表面領域におけるＷの含有量：Ｗ2sufとし、ｐin＝Ｍin／Ｗin、ｐ1suf＝Ｍ1suf／Ｗ1suf、ｐ2suf＝Ｍ2suf／Ｗ2suf、ｑin＝Ｚｒin／Ｗin、ｑ1suf＝Ｚｒ1suf／Ｗ1suf、ｑ2suf＝Ｚｒ2suf／Ｗ2sufとしたとき、０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１かつ、１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１ここで、前記表面被覆超硬合金の耐酸化性が０．０１ｍｇ／ｍｍ2以下であること、前記超硬合金全体において、前記金属元素Ｍが、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．５、かつ、０．６≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０を満足すること、前記超硬合金全体において、０．０５≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．８を満足することが望ましい。
【００１２】
さらに、前記超硬合金が、ＺｒＣを０．１〜１．５重量％、ＮｂＣを０．５〜３．５重量％、ＴｉＣを１．０〜２．５重量％、ＴａＣを０〜１．０重量％、ＨｆＣを０〜１．０重量％、Ｃｒ3Ｃ2を０〜１．０重量％、ＶＣを０〜１．０重量％、Ｃｏを５〜１０重量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなることが望ましい。
【００１３】
また、前記第１の表面領域の厚みｄ1が１〜５０μｍ、前記第２の表面領域の厚みｄ2が１０〜２００μｍであることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記硬質被覆層が、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物およびダイヤモンドの群から選ばれる少なくとも１種の単層または複数層からなることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の表面被覆超硬合金は、図１（ａ）の概略断面図に示すように、超硬合金（母材）２の表面に硬質被覆層３を被着形成したものである。
【００１６】
母材２は、ＷＣ（炭化タングステン）と、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素Ｍ（Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ）の炭化物、窒化物および／または炭窒化物のうちの１種以上と、鉄属金属（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）の結合材とからなるものであるが、本発明によれば、前記金属元素Ｍとして、ＺｒとＮｂとを共に含有することが大きな特徴であり、これによって下記に示す所定の深さからなる表面領域を形成することができる。なお、金属元素Ｍとしては、ＺｒおよびＮｂ以外にＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＨｆおよびＴａの群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００１７】
また、本発明によれば、超硬合金（母材）２の表面から５μｍ以上５０μｍ以下の深さにわたり、超硬合金内部４における金属元素Ｍの総含有量：Ｍin、超硬合金内部４におけるＺｒの含有量：Ｚｒin、超硬合金内部４におけるＷの含有量：Ｗin、第１の表面領域５における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ1suf、第１の表面領域５におけるＺｒの含有量：Ｚｒ1suf、第１の表面領域５におけるＷの含有量：Ｗ1suf、第２の表面領域６における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ2suf、第２の表面領域６におけるＺｒの含有量：Ｚｒ2suf、第２の表面領域６におけるＷの含有量：Ｗ2sufとし、ｐin＝Ｍin／Ｗin、ｐ1suf＝Ｍ1suf／Ｗ1suf、ｐ2suf＝Ｍ2suf／Ｗ2suf、ｑin＝Ｚｒin／Ｗin、ｑ1suf＝Ｚｒ1suf／Ｗ1suf、ｑ2suf＝Ｚｒ2suf／Ｗ2sufとしたとき、０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１かつ、１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１を満たす第１の表面領域５およびこの第１の表面領域５よりも内側に位置する第２の表面領域６とを具備することが重要である。
【００１８】
これによって、母材２表面の靭性を向上させて硬質被覆層３の耐欠損性を向上させることができるとともに、硬質被覆層３を被着形成した合金１の耐酸化性を高めることができ、炭素鋼・合金鋼などの鋼や鋳鉄のみならず、ステンレス鋼等難削材の切削等のように高温環境下で作動させるような場合においても優れた耐欠損性と耐摩耗性を有し、特に切削加工用として最適な表面被覆超硬合金１が得られる。
【００１９】
ここで、第１の表面領域５において、ｐ1suf／ｐinが０．１よりも小さいと、母材２表面での耐酸化性が低下して、特に高温域で連続的に使用すると母材２の表面が変質して硬質被覆層３が剥離したり、塑性変形を引き起こす。逆に、ｐ1suf／ｐinが０．９よりも大きいと、母材２表面の靭性が低下して硬質被覆層３の耐衝撃性が低下し、チッピングが発生しやすくなる。また、ｑ1suf／ｑinが０．９よりも小さいと、母材表面での耐酸化性が低下し、特に高温域で連続的に使用すると母材２の表面が変質して硬質被覆層３が剥離したりチッピングが発生しやすくなるとともに、特に刃先（切刃）における耐塑性変形性が悪化して耐磨耗性の低下を招く。逆に、ｑ1suf／ｑinが１．１よりも大きいと合金表面の耐塑性変形性および耐摩耗性が低下する。
【００２０】
また、第２の表面領域６においてｐ2suf／ｐinが１．１よりも小さいと、第２の表面領域６において硬度値の著しい低下部分が形成され、耐摩耗性と耐塑性変形性が低下する。逆に、ｐ2suf／ｐinが１．５よりも大きいと、第２の表面領域６において靭性値の著しい低下部分が形成され、耐欠損性が低下する。また、ｑ2suf／ｑinが０．９よりも小さいと、第２の表面領域６において硬度値の著しい低下部分が形成され、耐摩耗性と耐塑性変形性が低下する。逆に、ｑ2suf／ｑinが１．１よりも大きいと、第２の表面領域６において靭性値の著しい低下部分が形成され、耐欠損性が低下する。
【００２１】
なお、本発明における金属元素Ｍの分布状態は、合金の各位置における成分比をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で測定し、図１（ｂ）のようにマッピングすることによって求めることができる。
【００２２】
また、本発明における第１の表面領域５と第２の表面領域６との総和は５〜２００μｍが望ましく、特に５〜５０μｍが望ましい。第１の表面領域５と第２の表面領域６との総和が５μｍより薄いと靭性向上の効果が小さく、２００μｍ以上では表面硬度が低下して耐塑性変形性が低下する。
【００２３】
ここで、第１の表面領域の厚みｄ1は、耐酸化性と耐欠損性を両立させるために、１〜５０μｍであることが望ましく、特に１〜１０μｍであることが望ましい。また、第２の表面領域６の厚みｄ2は、耐摩耗性と耐塑性変形性および耐欠損性を両立させるために、１０〜２００μｍが望ましく、特に１０〜４０μｍであることが望ましい。さらに、ｄ1／ｄ2の比は耐酸化性および耐欠損性を両立させるために、０．１〜０．６であることが望ましい。
【００２４】
また、超硬合金（母材）２の組成は、耐欠損性、耐摩耗性、耐酸化性を高めるために、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．５、特に、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．４、かつ、０．６≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０、特に０．７≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０と所定の比率でＺｒとともにＮｂを含有することが望ましく、さらには、超硬合金全体において、０．０５≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．８、特に０．１≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．６を満足することが望ましい。
【００２５】
さらにまた、超硬合金（母材）２の具体的な組成は、耐酸化性、耐摩耗性と耐塑性変形性および耐欠損性を両立するために、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）を０．１〜１．５重量％、ＮｂＣ（炭化ニオブ）を０．５〜３．５重量％、ＴｉＣ（炭化チタン）を１〜２．５重量％、ＴａＣ（炭化タンタル）を０〜１重量％、ＨｆＣ（炭化ハフニウム）を０〜１重量％、Ｃｒ3Ｃ2（炭化クロム）を０〜１重量％、ＶＣ（炭化バナジウム）を０〜１重量％、Ｃｏ（コバルト）を５〜１０重量％の比率で含有し、残部がＷＣ（炭化タングステン）および不可避不純物からなることが望ましい。
【００２６】
なお、上記成分のうち、コストの低減のためには高価なＴａＣの含有量を０．５重量％以下、特に０．１重量％以下、さらには実質的に含有させないことが望ましい。
【００２７】
さらにまた、上記組成範囲の中でも、耐摩耗性を重視して旋削用切削工具として用いる上では、ＴｉＣを１．５〜２．０重量％、ＮｂＣを２．０〜３．５重量％、ＺｒＣを０．１〜０．８重量％、Ｃｏを５．０〜７．５重量％含有し、残部がＷＣからなることが望ましく、また、耐欠損性を重視してフライス用切削工具として用いる上では、ＴｉＣを１．５〜２．０重量％、ＮｂＣを０．５〜２．０重量％、ＺｒＣを０．８〜１．５重量％、Ｃｏを７．５〜１０．０重量％含有し、残部がＷＣからなることが望ましい。
【００２８】
また、本発明によれば、ステンレス等の難削材を切削する際などのように、高温域で安定に作動させるためには、表面被覆超硬合金１の耐酸化性を０．０１ｍｇ／ｍｍ2以下とすることが重要である。すなわち、表面被覆超硬合金１の耐酸化性が０．０１ｍｇ／ｍｍ2よりも大きくなると、硬質被覆層中に存在する欠陥等を介して超硬合金（母材）２表面が加工時に酸化してしまい、耐摩耗性および耐欠損性が低下する。
【００２９】
なお、本発明における耐酸化性とは、硬質被覆層を被着形成した表面被覆超硬合金を大気中の８００℃×３０分の条件で保持する酸化試験を行った場合の試験前後における酸化増量割合を示す。
【００３０】
また、超硬合金（母材）２の表面に被着形成される硬質被覆層としては、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物およびダイヤモンドの群から選ばれる少なくとも１種、特にＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＡｌＮの単層または複数層からなり、図１では、母材２側から順に、ＴｉＣ層、Ａｌ2Ｏ3層、ＴｉＮ層と構成されている。
【００３１】
（製造方法）
上述した表面被覆超硬合金を製造するには、まず、例えば平均粒径０．５〜１０μｍの炭化タングステン粉末を８０〜９０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＺｒの炭化物、窒化物および／または炭窒化物粉末またはその固溶体粉末を総量で０．１〜１０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＮｂの炭化物、窒化物および／または炭窒化物粉末またはその固溶体粉末を総量で０．１〜１０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＨｆおよびＴａの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および／または炭窒化物粉末もしくはこれら金属のうちの２種以上の固溶体粉末を総量で０．１〜１０重量％、平均粒径０．５〜１０μｍの鉄族金属を５〜１５重量％、さらには所望により金属タングステン（Ｗ）粉末あるいは炭素（Ｃ）粉末を混合する。
【００３２】
次に、上記混合粉末を用いて、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形した後、０．１〜１５Ｐａの真空中、１０００℃以上における昇温速度を０．３〜４℃／分、特に０．５〜２℃／分で昇温し、真空度１０-3〜０．０５Ｐａの真空中、１３５０〜１５００℃で０．２〜５時間、特に０．５〜２時間焼成することによって超硬合金（母材）を作製する。
【００３３】
上記焼成に関しては、表面領域の組成および厚みを制御するために、特に昇温速度および焼成中の雰囲気を上記範囲に制御することが重要である。
【００３４】
次に、上記超硬合金（母材）表面にＣＶＤ法やＰＶＤ法等の公知の薄膜形成法で硬質被覆層を０．１〜２０μｍ被着形成することによって本発明の表面被覆超硬合金を得ることができる。
【００３５】
また、上述した本発明の表面被覆超硬合金は、高硬度、高靭性、高強度の優れた機械的特性および高い耐酸化性を有することから、金型、耐摩耗部材、高温構造材料等に適応可能であり、中でも炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄の加工用切削工具、さらにはステンレス鋼等の難削材加工用の切削工具として好適に使用可能である。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍの表１に示す金属元素Ｍ化合物粉末を表１に示す比率で添加、混合して、プレス成形で切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００℃以上を３℃／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００３７】
得られた超硬合金の表面にＣＶＤ法でＴｉＮを１μｍ、ＴｉＣＮを７μｍ、Ａｌ2Ｏ3を３μｍ、ＴｉＮを１μｍの順に硬質被覆層を成膜することによって表面被覆超硬合金を作製した。
【００３８】
得られた表面被覆超硬合金に対して、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で表面から内部に向かって、２００μｍ×２００μｍの任意領域における金属元素濃度分布を測定した。なお、ＥＰＭＡ測定に関しては、表面領域を斜めに研磨して、表面からの深さ５μｍ毎に５点づつ測定し、その平均値を算出した。また、その金属元素濃度分布から図２に示すような濃度分布のマッピングをし、第１の表面領域と第２の表面領域の厚みを算出した。その結果を図１および表１に示す。
【００３９】
また、８００℃の大気圧雰囲気で３０分間酸化処理し、酸化前後における重量増加量を測定して耐酸化性とした。その結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
そして、この切削工具を用いて下記の条件で合金鋼の切削を２５分間行い、切削工具のフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。なお、切削試験中にフランク摩耗量あるいは先端摩耗量が０．２ｍｍに達した場合にはその切削時間を測定した。さらに、溝付き鋼材で断続試験を行い、欠損したときの衝撃回数を比較した。その結果を表２に示す。
【００４２】
（摩耗試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
（断続試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
【００４３】
【表２】
【００４４】
表１および表２の結果より、Ｎｂを含有しない試料Ｎｏ．１では、第１の表面領域におけるｑ1suf／ｑin（Ｚｒの含有量）が０．９より小さくなり、耐酸化性が低下して切削性能が低下した。なお、酸化試験後の試料断面をＳＥＭ観察したところ、母材表面付近が酸化で変質していることを確認した。また、Ｚｒを含有しない試料Ｎｏ．２では、第１の表面領域におけるｐ1suf／ｐin（金属元素Ｍの総含有量）が０．９より大きく、ｑ1suf／ｑin（Ｚｒの含有量）が０．９より小さくなるとともに、第２の表面領域におけるｐ2suf／ｐin（金属元素Ｍの総含有量）が１．１より小さく、かつｑ2suf／ｑin（Ｚｒの含有量）が０．９より小さくなり、耐欠損性および耐酸化性が悪いものであった。
【００４５】
これに対して、本発明に従ってＺｒとＮｂを共に添加するとともに、０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１、かつ、１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１を満たす第１の表面領域およびこの第１の表面領域よりも内側に位置する第２の表面領域とを具備する試料Ｎｏ．３〜８では、いずれも耐酸化性に優れるとともに、硬度、靭性とも高く、優れた切削性能を有するものであった。
（実施例２）
実施例１の試料Ｎｏ．５および１１に対して、フライス用工具形状（ＳＤＫ４２）に成形した後、１４００℃で１時間焼成して、その表面にＰＶＤ法で膜厚２μｍのＴｉＮ膜を成膜する以外は実施例１と全く同様にして表面被覆超硬合金からなる切削工具を作製した。
【００４６】
そして、得られた切削工具を用いて下記の条件
被削材 ：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
工具形状：ＳＤＫ４２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／刃
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
でステンレス鋼の切削を１５分間行い、実施例１と同様に切削性能を評価した結果、試料Ｎｏ．２についてはフランク摩耗量が０．２１ｍｍであるのに対して、試料Ｎｏ．７ではフランク摩耗量が０．１１ｍｍであり、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するものであった。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の表面被覆超硬合金によれば、超硬合金表面に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつ金属Ｍ（ＭはＺｒ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して少ない第１の表面領域と、該第１の表面領域の内部に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつ金属Ｍ（ＭはＺｒ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して多い第２の表面領域とを配設することにより、母材表面の靭性を向上させて硬質被覆層の耐欠損性を向上させることができるとともに、合金および硬質被覆層を被着形成した合金の耐酸化性を高めることができ、高温環境下で作動させるような場合においても優れた耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆超硬合金が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆超硬合金の（ａ）概略断面図、（ｂ）超硬合金（母材）中の各金属元素分布の一例である。
【符号の説明】
１ 表面被覆超硬合金
２ 超硬合金（母材）
３ 硬質被覆層
４ 内部
５ 第１の表面領域
６ 第２の表面領域
【発明の属する技術分野】
本発明は切削工具等に使用される表面被覆超硬合金に関し、特に高硬度かつ高靭性で優れた耐酸化性を有し、炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄のみならず、ステンレス鋼をはじめとする難削材の切削に適する表面被覆超硬合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超硬合金は、ＷＣ（炭化タングステン）を主体とする硬質相と、コバルト等の鉄族金属の結合相からなるＷＣ−Ｃｏ系合金、もしくはこれに周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等のいわゆるＢ−１型固溶体相を分散せしめた系が知られており、金属の切削加工や耐摩耗材等に広く用いられ、中でも切削工具としては炭素鋼・合金鋼などの鋼や鋳鉄の切削に主に利用されているが、最近ではステンレス鋼等の難削材の切削も進められている。
【０００３】
また、かかる超硬合金では、より高硬度な硬質被覆層を合金表面に被着形成して耐摩耗性を向上させる方法が知られており、この硬質被覆層にかかる衝撃を緩和するために、超硬合金の硬質被覆層を被着形成する表面領域にＢ−１型固溶体の含有量を減じた、いわゆる脱β層を形成する方法が知られている。
【０００４】
さらに、特開平６−９３４７３号公報には、Ｂ−１型固溶体としてＴｉとＺｒとを用いる（Ｎｂを用いることなく）と、母材表面から内部１〜５０μｍの深さ領域におけるＺｒの含有量が消失または減少することが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの超硬合金では、切削加工時の熱および環境中の酸素で合金表面が酸化して変質してしまい、硬度、靭性ともに低下してしまうことが知られており、たとえ合金（母材）表面に硬質被覆層を被着形成した場合でも硬質被覆層中の欠陥部分の存在によって母材表面が酸化雰囲気に曝される場合があり、特に母材表面に脱β層を形成する（ｐ1suf／ｐin＜０．９、ｑ1suf／ｑin＜０．９）と、母材表面の酸化や変質が生じやすいものであった。
【０００６】
一方、硬質被覆層の直下に脱β層を形成しない場合（ｐ1suf＝ｐ2suf＝ｐin、ｑ1suf＝ｑ2suf＝ｑin）には、硬質被覆層の耐衝撃性および耐欠損性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
さらに、特開平６−９３４７３号公報の母材表面領域におけるＺｒの含有量が少ない（ｑ1suf／ｑin＜０．９）被覆超硬合金では、耐塑性変形性が悪くなり、耐摩耗性が低下するという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高い硬度と靭性を有するとともに耐酸化性に優れ、表面が連続稼動等によって高温に曝されるような過酷な環境化においても高い耐欠損性と耐摩耗性をともに向上できる表面被覆超硬合金を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対して超硬合金母材の構成について検討した結果、超硬合金表面に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつＺｒ以外の金属元素Ｍ（Ｍは周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して少ない第１の表面領域と、該第１の表面領域の内部に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつＺｒ以外の金属元素Ｍ（Ｍは周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して多い第２の表面領域とを設けることにより、母材表面の靭性を向上させて硬質被覆層の耐欠損性を向上させることができるとともに、硬質被覆層を被着形成した超硬合金の耐酸化性を高めることができ、連続的または断続的に長時間作動させ、高温下に長時間曝されるような場合においても優れた耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆超硬合金が得られることを知見した。
【００１０】
すなわち、本発明の表面被覆超硬合金は、ＷＣと、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素Ｍの炭化物、窒化物および／または炭窒化物のうちの１種以上と、鉄属金属の結合材とからなる超硬合金の表面に、硬質被覆層を被着形成してなる表面被覆超硬合金において、前記金属元素Ｍは、ＺｒおよびＮｂを共に含有するとともに、前記超硬合金の表面から５μｍ以上２００μｍ以下の深さにわたり、以下に示す第１の表面領域と、該第１の表面領域よりも内側に位置する第２の表面領域とを具備することを特徴とするものである。
【００１１】
前記超硬合金内部における金属元素Ｍの総含有量：Ｍin、前記超硬合金内部におけるＺｒの含有量：Ｚｒin、前記超硬合金内部におけるＷの含有量：Ｗin、前記第１の表面領域における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ1suf、前記第１の表面領域におけるＺｒの含有量：Ｚｒ1suf、前記第１の表面領域におけるＷの含有量：Ｗ1suf、前記第２の表面領域における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ2suf、前記第２の表面領域におけるＺｒの含有量：Ｚｒ2suf、前記第２の表面領域におけるＷの含有量：Ｗ2sufとし、ｐin＝Ｍin／Ｗin、ｐ1suf＝Ｍ1suf／Ｗ1suf、ｐ2suf＝Ｍ2suf／Ｗ2suf、ｑin＝Ｚｒin／Ｗin、ｑ1suf＝Ｚｒ1suf／Ｗ1suf、ｑ2suf＝Ｚｒ2suf／Ｗ2sufとしたとき、０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１かつ、１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１ここで、前記表面被覆超硬合金の耐酸化性が０．０１ｍｇ／ｍｍ2以下であること、前記超硬合金全体において、前記金属元素Ｍが、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．５、かつ、０．６≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０を満足すること、前記超硬合金全体において、０．０５≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．８を満足することが望ましい。
【００１２】
さらに、前記超硬合金が、ＺｒＣを０．１〜１．５重量％、ＮｂＣを０．５〜３．５重量％、ＴｉＣを１．０〜２．５重量％、ＴａＣを０〜１．０重量％、ＨｆＣを０〜１．０重量％、Ｃｒ3Ｃ2を０〜１．０重量％、ＶＣを０〜１．０重量％、Ｃｏを５〜１０重量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなることが望ましい。
【００１３】
また、前記第１の表面領域の厚みｄ1が１〜５０μｍ、前記第２の表面領域の厚みｄ2が１０〜２００μｍであることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記硬質被覆層が、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物およびダイヤモンドの群から選ばれる少なくとも１種の単層または複数層からなることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の表面被覆超硬合金は、図１（ａ）の概略断面図に示すように、超硬合金（母材）２の表面に硬質被覆層３を被着形成したものである。
【００１６】
母材２は、ＷＣ（炭化タングステン）と、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素Ｍ（Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ）の炭化物、窒化物および／または炭窒化物のうちの１種以上と、鉄属金属（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ）の結合材とからなるものであるが、本発明によれば、前記金属元素Ｍとして、ＺｒとＮｂとを共に含有することが大きな特徴であり、これによって下記に示す所定の深さからなる表面領域を形成することができる。なお、金属元素Ｍとしては、ＺｒおよびＮｂ以外にＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＨｆおよびＴａの群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００１７】
また、本発明によれば、超硬合金（母材）２の表面から５μｍ以上５０μｍ以下の深さにわたり、超硬合金内部４における金属元素Ｍの総含有量：Ｍin、超硬合金内部４におけるＺｒの含有量：Ｚｒin、超硬合金内部４におけるＷの含有量：Ｗin、第１の表面領域５における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ1suf、第１の表面領域５におけるＺｒの含有量：Ｚｒ1suf、第１の表面領域５におけるＷの含有量：Ｗ1suf、第２の表面領域６における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ2suf、第２の表面領域６におけるＺｒの含有量：Ｚｒ2suf、第２の表面領域６におけるＷの含有量：Ｗ2sufとし、ｐin＝Ｍin／Ｗin、ｐ1suf＝Ｍ1suf／Ｗ1suf、ｐ2suf＝Ｍ2suf／Ｗ2suf、ｑin＝Ｚｒin／Ｗin、ｑ1suf＝Ｚｒ1suf／Ｗ1suf、ｑ2suf＝Ｚｒ2suf／Ｗ2sufとしたとき、０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１かつ、１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１を満たす第１の表面領域５およびこの第１の表面領域５よりも内側に位置する第２の表面領域６とを具備することが重要である。
【００１８】
これによって、母材２表面の靭性を向上させて硬質被覆層３の耐欠損性を向上させることができるとともに、硬質被覆層３を被着形成した合金１の耐酸化性を高めることができ、炭素鋼・合金鋼などの鋼や鋳鉄のみならず、ステンレス鋼等難削材の切削等のように高温環境下で作動させるような場合においても優れた耐欠損性と耐摩耗性を有し、特に切削加工用として最適な表面被覆超硬合金１が得られる。
【００１９】
ここで、第１の表面領域５において、ｐ1suf／ｐinが０．１よりも小さいと、母材２表面での耐酸化性が低下して、特に高温域で連続的に使用すると母材２の表面が変質して硬質被覆層３が剥離したり、塑性変形を引き起こす。逆に、ｐ1suf／ｐinが０．９よりも大きいと、母材２表面の靭性が低下して硬質被覆層３の耐衝撃性が低下し、チッピングが発生しやすくなる。また、ｑ1suf／ｑinが０．９よりも小さいと、母材表面での耐酸化性が低下し、特に高温域で連続的に使用すると母材２の表面が変質して硬質被覆層３が剥離したりチッピングが発生しやすくなるとともに、特に刃先（切刃）における耐塑性変形性が悪化して耐磨耗性の低下を招く。逆に、ｑ1suf／ｑinが１．１よりも大きいと合金表面の耐塑性変形性および耐摩耗性が低下する。
【００２０】
また、第２の表面領域６においてｐ2suf／ｐinが１．１よりも小さいと、第２の表面領域６において硬度値の著しい低下部分が形成され、耐摩耗性と耐塑性変形性が低下する。逆に、ｐ2suf／ｐinが１．５よりも大きいと、第２の表面領域６において靭性値の著しい低下部分が形成され、耐欠損性が低下する。また、ｑ2suf／ｑinが０．９よりも小さいと、第２の表面領域６において硬度値の著しい低下部分が形成され、耐摩耗性と耐塑性変形性が低下する。逆に、ｑ2suf／ｑinが１．１よりも大きいと、第２の表面領域６において靭性値の著しい低下部分が形成され、耐欠損性が低下する。
【００２１】
なお、本発明における金属元素Ｍの分布状態は、合金の各位置における成分比をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で測定し、図１（ｂ）のようにマッピングすることによって求めることができる。
【００２２】
また、本発明における第１の表面領域５と第２の表面領域６との総和は５〜２００μｍが望ましく、特に５〜５０μｍが望ましい。第１の表面領域５と第２の表面領域６との総和が５μｍより薄いと靭性向上の効果が小さく、２００μｍ以上では表面硬度が低下して耐塑性変形性が低下する。
【００２３】
ここで、第１の表面領域の厚みｄ1は、耐酸化性と耐欠損性を両立させるために、１〜５０μｍであることが望ましく、特に１〜１０μｍであることが望ましい。また、第２の表面領域６の厚みｄ2は、耐摩耗性と耐塑性変形性および耐欠損性を両立させるために、１０〜２００μｍが望ましく、特に１０〜４０μｍであることが望ましい。さらに、ｄ1／ｄ2の比は耐酸化性および耐欠損性を両立させるために、０．１〜０．６であることが望ましい。
【００２４】
また、超硬合金（母材）２の組成は、耐欠損性、耐摩耗性、耐酸化性を高めるために、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．５、特に、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．４、かつ、０．６≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０、特に０．７≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０と所定の比率でＺｒとともにＮｂを含有することが望ましく、さらには、超硬合金全体において、０．０５≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．８、特に０．１≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．６を満足することが望ましい。
【００２５】
さらにまた、超硬合金（母材）２の具体的な組成は、耐酸化性、耐摩耗性と耐塑性変形性および耐欠損性を両立するために、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）を０．１〜１．５重量％、ＮｂＣ（炭化ニオブ）を０．５〜３．５重量％、ＴｉＣ（炭化チタン）を１〜２．５重量％、ＴａＣ（炭化タンタル）を０〜１重量％、ＨｆＣ（炭化ハフニウム）を０〜１重量％、Ｃｒ3Ｃ2（炭化クロム）を０〜１重量％、ＶＣ（炭化バナジウム）を０〜１重量％、Ｃｏ（コバルト）を５〜１０重量％の比率で含有し、残部がＷＣ（炭化タングステン）および不可避不純物からなることが望ましい。
【００２６】
なお、上記成分のうち、コストの低減のためには高価なＴａＣの含有量を０．５重量％以下、特に０．１重量％以下、さらには実質的に含有させないことが望ましい。
【００２７】
さらにまた、上記組成範囲の中でも、耐摩耗性を重視して旋削用切削工具として用いる上では、ＴｉＣを１．５〜２．０重量％、ＮｂＣを２．０〜３．５重量％、ＺｒＣを０．１〜０．８重量％、Ｃｏを５．０〜７．５重量％含有し、残部がＷＣからなることが望ましく、また、耐欠損性を重視してフライス用切削工具として用いる上では、ＴｉＣを１．５〜２．０重量％、ＮｂＣを０．５〜２．０重量％、ＺｒＣを０．８〜１．５重量％、Ｃｏを７．５〜１０．０重量％含有し、残部がＷＣからなることが望ましい。
【００２８】
また、本発明によれば、ステンレス等の難削材を切削する際などのように、高温域で安定に作動させるためには、表面被覆超硬合金１の耐酸化性を０．０１ｍｇ／ｍｍ2以下とすることが重要である。すなわち、表面被覆超硬合金１の耐酸化性が０．０１ｍｇ／ｍｍ2よりも大きくなると、硬質被覆層中に存在する欠陥等を介して超硬合金（母材）２表面が加工時に酸化してしまい、耐摩耗性および耐欠損性が低下する。
【００２９】
なお、本発明における耐酸化性とは、硬質被覆層を被着形成した表面被覆超硬合金を大気中の８００℃×３０分の条件で保持する酸化試験を行った場合の試験前後における酸化増量割合を示す。
【００３０】
また、超硬合金（母材）２の表面に被着形成される硬質被覆層としては、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物およびダイヤモンドの群から選ばれる少なくとも１種、特にＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＡｌＮの単層または複数層からなり、図１では、母材２側から順に、ＴｉＣ層、Ａｌ2Ｏ3層、ＴｉＮ層と構成されている。
【００３１】
（製造方法）
上述した表面被覆超硬合金を製造するには、まず、例えば平均粒径０．５〜１０μｍの炭化タングステン粉末を８０〜９０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＺｒの炭化物、窒化物および／または炭窒化物粉末またはその固溶体粉末を総量で０．１〜１０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＮｂの炭化物、窒化物および／または炭窒化物粉末またはその固溶体粉末を総量で０．１〜１０重量％、平均粒径０．５〜５μｍのＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＨｆおよびＴａの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および／または炭窒化物粉末もしくはこれら金属のうちの２種以上の固溶体粉末を総量で０．１〜１０重量％、平均粒径０．５〜１０μｍの鉄族金属を５〜１５重量％、さらには所望により金属タングステン（Ｗ）粉末あるいは炭素（Ｃ）粉末を混合する。
【００３２】
次に、上記混合粉末を用いて、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形した後、０．１〜１５Ｐａの真空中、１０００℃以上における昇温速度を０．３〜４℃／分、特に０．５〜２℃／分で昇温し、真空度１０-3〜０．０５Ｐａの真空中、１３５０〜１５００℃で０．２〜５時間、特に０．５〜２時間焼成することによって超硬合金（母材）を作製する。
【００３３】
上記焼成に関しては、表面領域の組成および厚みを制御するために、特に昇温速度および焼成中の雰囲気を上記範囲に制御することが重要である。
【００３４】
次に、上記超硬合金（母材）表面にＣＶＤ法やＰＶＤ法等の公知の薄膜形成法で硬質被覆層を０．１〜２０μｍ被着形成することによって本発明の表面被覆超硬合金を得ることができる。
【００３５】
また、上述した本発明の表面被覆超硬合金は、高硬度、高靭性、高強度の優れた機械的特性および高い耐酸化性を有することから、金型、耐摩耗部材、高温構造材料等に適応可能であり、中でも炭素鋼、合金鋼などの鋼や鋳鉄の加工用切削工具、さらにはステンレス鋼等の難削材加工用の切削工具として好適に使用可能である。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末および平均粒径２．０μｍの表１に示す金属元素Ｍ化合物粉末を表１に示す比率で添加、混合して、プレス成形で切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、さらに、１０００℃以上を３℃／分の速度で昇温して、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００３７】
得られた超硬合金の表面にＣＶＤ法でＴｉＮを１μｍ、ＴｉＣＮを７μｍ、Ａｌ2Ｏ3を３μｍ、ＴｉＮを１μｍの順に硬質被覆層を成膜することによって表面被覆超硬合金を作製した。
【００３８】
得られた表面被覆超硬合金に対して、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）で表面から内部に向かって、２００μｍ×２００μｍの任意領域における金属元素濃度分布を測定した。なお、ＥＰＭＡ測定に関しては、表面領域を斜めに研磨して、表面からの深さ５μｍ毎に５点づつ測定し、その平均値を算出した。また、その金属元素濃度分布から図２に示すような濃度分布のマッピングをし、第１の表面領域と第２の表面領域の厚みを算出した。その結果を図１および表１に示す。
【００３９】
また、８００℃の大気圧雰囲気で３０分間酸化処理し、酸化前後における重量増加量を測定して耐酸化性とした。その結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
そして、この切削工具を用いて下記の条件で合金鋼の切削を２５分間行い、切削工具のフランク摩耗量および先端摩耗量を測定した。なお、切削試験中にフランク摩耗量あるいは先端摩耗量が０．２ｍｍに達した場合にはその切削時間を測定した。さらに、溝付き鋼材で断続試験を行い、欠損したときの衝撃回数を比較した。その結果を表２に示す。
【００４２】
（摩耗試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４３５）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
（断続試験）
被削材 ：合金鋼（ＳＣＭ４４０）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
【００４３】
【表２】
表１および表２の結果より、Ｎｂを含有しない試料Ｎｏ．１では、第１の表面領域におけるｑ1suf／ｑin（Ｚｒの含有量）が０．９より小さくなり、耐酸化性が低下して切削性能が低下した。なお、酸化試験後の試料断面をＳＥＭ観察したところ、母材表面付近が酸化で変質していることを確認した。また、Ｚｒを含有しない試料Ｎｏ．２では、第１の表面領域におけるｐ1suf／ｐin（金属元素Ｍの総含有量）が０．９より大きく、ｑ1suf／ｑin（Ｚｒの含有量）が０．９より小さくなるとともに、第２の表面領域におけるｐ2suf／ｐin（金属元素Ｍの総含有量）が１．１より小さく、かつｑ2suf／ｑin（Ｚｒの含有量）が０．９より小さくなり、耐欠損性および耐酸化性が悪いものであった。
【００４５】
これに対して、本発明に従ってＺｒとＮｂを共に添加するとともに、０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１、かつ、１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１を満たす第１の表面領域およびこの第１の表面領域よりも内側に位置する第２の表面領域とを具備する試料Ｎｏ．３〜８では、いずれも耐酸化性に優れるとともに、硬度、靭性とも高く、優れた切削性能を有するものであった。
（実施例２）
実施例１の試料Ｎｏ．５および１１に対して、フライス用工具形状（ＳＤＫ４２）に成形した後、１４００℃で１時間焼成して、その表面にＰＶＤ法で膜厚２μｍのＴｉＮ膜を成膜する以外は実施例１と全く同様にして表面被覆超硬合金からなる切削工具を作製した。
【００４６】
そして、得られた切削工具を用いて下記の条件
被削材 ：ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
工具形状：ＳＤＫ４２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／刃
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
でステンレス鋼の切削を１５分間行い、実施例１と同様に切削性能を評価した結果、試料Ｎｏ．２についてはフランク摩耗量が０．２１ｍｍであるのに対して、試料Ｎｏ．７ではフランク摩耗量が０．１１ｍｍであり、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するものであった。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の表面被覆超硬合金によれば、超硬合金表面に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつ金属Ｍ（ＭはＺｒ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して少ない第１の表面領域と、該第１の表面領域の内部に、Ｚｒの含有量は内部のそれに対して変化量が少なく、かつ金属Ｍ（ＭはＺｒ以外の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上）の含有量が内部のそれに対して多い第２の表面領域とを配設することにより、母材表面の靭性を向上させて硬質被覆層の耐欠損性を向上させることができるとともに、合金および硬質被覆層を被着形成した合金の耐酸化性を高めることができ、高温環境下で作動させるような場合においても優れた耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆超硬合金が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面被覆超硬合金の（ａ）概略断面図、（ｂ）超硬合金（母材）中の各金属元素分布の一例である。
【符号の説明】
１ 表面被覆超硬合金
２ 超硬合金（母材）
３ 硬質被覆層
４ 内部
５ 第１の表面領域
６ 第２の表面領域
Claims (7)
- ＷＣと、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素Ｍの炭化物、窒化物および／または炭窒化物のうちの１種以上と、鉄属金属の結合材とからなる超硬合金の表面に、硬質被覆層を被着形成してなる表面被覆超硬合金において、前記金属元素Ｍは、ＺｒおよびＮｂを共に含有するとともに、前記超硬合金の表面から５μｍ以上２００μｍ以下の深さにわたり、以下に示す第１の表面領域と、該第１の表面領域よりも内側に位置する第２の表面領域とを具備することを特徴とする表面被覆超硬合金。
前記超硬合金内部における金属元素Ｍの総含有量：Ｍin
前記超硬合金内部におけるＺｒの含有量：Ｚｒin
前記超硬合金内部におけるＷの含有量：Ｗin
前記第１の表面領域における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ1suf
前記第１の表面領域におけるＺｒの含有量：Ｚｒ1suf
前記第１の表面領域におけるＷの含有量：Ｗ1suf
前記第２の表面領域における金属元素Ｍの総含有量：Ｍ2suf
前記第２の表面領域におけるＺｒの含有量：Ｚｒ2suf
前記第２の表面領域におけるＷの含有量：Ｗ2suf
ｐin＝Ｍin／Ｗin
ｐ1suf＝Ｍ1suf／Ｗ1suf
ｐ2suf＝Ｍ2suf／Ｗ2suf
ｑin＝Ｚｒin／Ｗin
ｑ1suf＝Ｚｒ1suf／Ｗ1suf
ｑ2suf＝Ｚｒ2suf／Ｗ2suf
としたとき、
０．１≦ｐ1suf／ｐin≦０．９、０．９≦ｑ1suf／ｑin≦１．１
かつ、
１．１≦ｐ2suf／ｐin≦１．５、０．９≦ｑ2suf／ｑin≦１．１ - 前記表面被覆超硬合金の耐酸化性が０．０１ｍｇ／ｍｍ2以下であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆超硬合金。
- 前記超硬合金全体において、前記金属元素Ｍが、０．１≦Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ｈｆ）≦０．５、かつ、０．６≦Ｎｂ／（Ｖ＋Ｎｂ＋Ｔａ）≦１．０を満足することを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆超硬合金。
- 前記超硬合金全体において、０．０５≦Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｎｂ）≦０．８を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面被覆超硬合金。
- 前記超硬合金が、ＺｒＣを０．１〜１．５重量％、ＮｂＣを０．５〜３．５重量％、ＴｉＣを１．０〜２．５重量％、ＴａＣを０〜１．０重量％、ＨｆＣを０〜１．０重量％、Ｃｒ3Ｃ2を０〜１．０重量％、ＶＣを０〜１．０重量％、Ｃｏを５〜１０重量％含有し、残部がＷＣおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面被覆超硬合金。
- 前記第１の表面領域の厚みｄ1が１〜５０μｍ、前記第２の表面領域の厚みｄ2が１０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の表面被覆超硬合金。
- 前記硬質被覆層が、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭酸窒化物およびダイヤモンドの群から選ばれる少なくとも１種の単層または複数層からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表面被覆超硬合金。
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