JP6380016B2 - サーメット工具および被覆サーメット工具 - Google Patents

Description

本発明はサーメット工具に関するものである。

サーメット工具は、超硬合金工具に比べて鉄との耐反応性や高温強度に優れており、その特性を生かして仕上げ加工に用いられている。例えば、特許文献１には、芯部がＴｉとＮｂとＺｒの複合炭窒化物相、周辺部がＴｉとＮｂとＺｒとＷ、またはＴｉとＮｂとＺｒとＷとＴａの複合炭窒化物相からなる有芯構造の第１硬質相と、芯部および周辺部の両方がＴｉとＮｂとＺｒとＷの複合炭窒化物相、またはＴｉとＮｂとＺｒとＷとＴａの複合炭窒化物相からなる有芯構造の第２硬質相とを有するサーメット工具が知られている。

特許文献２には、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される有芯構造をなす硬質分散相を有し、周辺部内に、四角形形状をなす平均粒径が２０〜４０ｎｍのＴｉＣ微粒子が分散していることを特徴とするサーメット工具が知られている。

特開２００７−６９３１１号公報 特開２００８−１５６７５６号公報

しかしながら、近年の切削加工では高速化、高送り化および深切込み化が顕著となり、高温発熱を伴う高速切削条件においては、従来よりも工具寿命が低下する傾向が見られるようになってきた。この様な背景により上記従来のサーメット工具では、耐熱衝撃性が不十分であるため、加工初期発生したサーマルクラックが起点となり、チッピングまたは欠損を引き起こすという問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、耐摩耗性を低下させずに、耐熱衝撃性を向上させることにより、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有し、工具寿命の長いサーメット工具の提供を目的とする。

本発明者は、サーメット工具について種々の検討を行った。その結果、本発明者は、サーメット工具の硬質相の組成および形態を工夫することによって、耐摩耗性を低下させずに、耐熱衝撃性を向上させ、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有するサーメット工具を得ることができることを明らかにし、本発明に至った。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）硬質相を７５体積％以上９５体積％以下と、
結合相を５体積％以上２５体積％以下とからなるサーメットであって、
前記硬質相は、
（ａ）芯部がＴｉとＴａとＭｏとの複合炭窒化物相、周辺部がＴｉとＴａとＭｏとＷとＺｒ、またはＴｉとＴａとＭｏとＷの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）ＣＮ、または（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ）ＣＮで示す］相からなる有芯構造の第１硬質相、
（ｂ）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）ＣＮ相、または（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相、
（ｃ）ＴｉとＴａとＭｏとの複合炭窒化物相のみからなる第３硬質相、
以上（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で構成され、
前記結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群の少なくとも１種を主成分とする元素で構成され、
前記サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲を表面領域とし、
前記表面領域よりも内部を内部領域としたとき、
前記サーメット工具の前記内部領域における断面において、前記第１硬質相の面積率をＡ１、前記第２硬質相の面積率をＡ２、前記第３硬質相の面積率をＡ３とし、前記硬質相全体の面積を１００面積％としたとき、前記Ａ１が７５面積％以上９５面積％以下、前記Ａ２が４面積％以上２４面積％以下、前記Ａ３が１面積％以上２４面積％以下であり、
前記第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する前記第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係が１以上５以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して５０％以上であるサーメット工具。
（２）前記第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する前記第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係が１以上５以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して７０％以上である（１）のサーメット工具。
（３）前記表面領域における前記Ｔａ元素濃度の最大含有量をＴａｓ、前記表面領域よりも内部の内部領域における前記Ｔａ元素濃度の内部含有量をＴａｉとしたとき、Ｔａｓ／Ｔａｉは、０．８以上１．２以下である（１）または（２）のいずれかのサーメット工具。
（４）前記表面領域における前記Ｗ元素濃度の最大含有量をＷｓ、前記内部領域における前記Ｗ元素濃度の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉは、１．０以上１．５以下である（１）〜（３）のいずれかのサーメット工具。
（５）前記表面領域におけるビッカース硬さをＨｓ、前記内部領域におけるビッカース硬さをＨｉとしたとき、Ｈｓ／Ｈｉは、１．１倍以上１．３倍以下である（１）〜（４）のいずれかのサーメット工具。
（６）前記表面領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｓ、前記内部領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｉとしたとき、Ｃ１ｓ／Ｃ１ｉは、０．３倍以上０．９倍以下である（１）〜（５）のいずれかのサーメット工具。
（７）前記表面領域における前記硬質相の平均粒径をｄｓ、前記内部領域における前記硬質相の平均粒径をｄｉとしたとき、ｄｓ／ｄｉは、１．０以上２．０以下である（１）〜（６）のいずれかのサーメット工具。
（８）前記硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下である（１）〜（７）のいずれかのサーメット工具。
（９）（１）〜（８）のいずれかに記載のサーメット工具の表面に被覆層が形成された被覆サーメット工具。

本発明のサーメット工具は、耐摩耗性を低下させずに、耐熱衝撃性を向上させることにより、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有するため、従来よりも工具寿命を延長することができるという効果を奏する。

サーメット工具の第１硬質相粒子の模式図の一例である。

本発明のサーメット工具の種類として具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、エンドミルなどを挙げることができる。

本発明のサーメット工具は、硬質相と、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群より選択された少なくとも１種を主成分とする結合相とからなるサーメット工具である。前記硬質相のサーメット工具全体（１００体積％）に対する割合は７５〜９５体積％であり、前記結合相が残部を占める。

本発明のサーメット工具は、硬質相の割合が７５体積％未満であると、サーメット工具の耐摩耗性が低下し、硬質相の割合が９５体積％を超えるとサーメット工具の耐欠損性が低下すると共に、相対的に残部の結合相量が減少するため、サーメット工具の製造の際の原料の焼結性が低下する。そこで、硬質相の割合を７５〜９５体積％、結合相の割合を残部と定めた。前記の観点から、硬質相の割合が８０〜９０体積％、結合相の割合が残部であると、さらに好ましい。

なお、本発明のサーメット工具における硬質相及び結合相の割合は、以下のようにして求める。サーメット工具の表面から深さ方向に５００μｍ内部までの断面組織をエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）付き走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、さらに王水を用いて断面組織を食刻し、食刻された断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて観察する。そして、これら二種類の断面組織から食刻されなかった硬質相の面積率と食刻された結合相の面積率を測定し、その結果からサーメット工具の硬質相の体積％と結合相の体積％の割合を求める。

本発明のサーメット工具の結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの中から選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属である。Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの中から選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属とは、結合相のＣｏ、ＮｉおよびＦｅの中から選ばれた少なくとも１種の金属の合計質量が、結合相の全質量に対して５０質量％以上である金属を意味する。本発明の結合相には、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ以外に、硬質相成分が含まれていてもよい。通常、本発明の結合相に含まれる硬質相成分の合計含有量は、結合相の全質量に対して２０質量％以下である。その中でも、本発明のサーメット工具の結合相が、ＣｏおよびＮｉの１種または２種を主成分とした金属であることがより好ましい。その場合には、結合相と硬質相との濡れ性、耐熱性および耐食性に優れたサーメット工具を得ることができる。

本発明のサーメット工具の硬質相は、芯部がＴｉとＴａとＭｏとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ）ＣＮで示す］相、周辺部がＴｉとＴａとＭｏとＷとＺｒ、またはＴｉとＴａとＭｏとＷの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）ＣＮ、または（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ）ＣＮで示す］相からなる有芯構造の第１硬質相を有する。なお、芯部と周辺部とは異なる組成を有する。Ｔａは、高温硬さおよび耐酸化性が優れるため、高速の加工において、反応摩耗が抑制されるので、サーメット工具の耐摩耗性が優れる。また、Ｔａは、耐熱衝撃性に優れるため、サーマルクラックの発生を抑制することができる。Ｍｏは、焼結時における結合相との濡れ性および硬質相同士の濡れ性にも優れるため、サーメット工具の強度が向上することにより、耐欠損性および耐チッピング性が向上する。さらに、Ｗは、硬さが優れるため、サーメット工具の耐摩耗性が優れ、硬質相中のＺｒは、高温強度が優れるため、サーメット工具の耐塑性変形性に優れる。

本発明のサーメット工具の硬質相は、芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）ＣＮ相、または（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相を有する。Ｗは、硬さが優れるため、サーメット工具の耐摩耗性が優れ、硬質相中のＺｒは、高温強度が優れるため、サーメット工具の耐塑性変形性に優れる。

本発明のサーメット工具の硬質相は、ＴｉとＴａとＭｏとの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ）ＣＮで示す］相からなる単一相粒子構造の第３硬質相 を有する。第３硬質相は熱伝導率が高いため、第１硬質相および第２硬質相よりも耐熱衝撃性が優れるので、サーマルクラックの発生を抑制することができる。そのため、サーメット工具中に第３硬質相が分散して存在することにより、耐欠損性が向上する。

特に、本発明のサーメット工具は、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の全ての硬質相において、ＴａおよびＭｏを含むため、従来のサーメット工具よりも耐熱衝撃性、耐欠損性に優れ、高温における耐摩耗性にも優れる。

本発明のサーメット工具は、第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係が１以上５以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して５０％以上である。その中でも、７０％以上であると好ましい。芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係が１以上５以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して５０％以上であると、耐熱衝撃性に優れるため、耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができる。芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係が１未満である第１硬質相は、サーメット工具の熱伝導率が低くなるため、耐熱衝撃性が低下し、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係が５を超えて大きくなる第１硬質相は、サーメット工具の耐摩耗性が低下する。よって、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係が１以上５以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して５０％未満の個数しか存在しない場合、十分な耐熱衝撃性を得ることができないことによる、耐チッピング性および耐欠損性の低下、または耐摩耗性の低下が生じる。

本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から ３００μｍ深さまでの範囲の表面領域におけるＴａ元素濃度の最大含有量をＴａｓ、表面領域よりも内部の内部領域におけるＴａ元素濃度の内部含有量をＴａｉとしたとき、Ｔａｓ／Ｔａｉは、０．８以上１．２以下であると、サーメット工具の表面領域と内部領域におけるＴａ元素濃度がほぼ均一であることにより、高温強度が優れるため、好ましい。Ｔａｓ／Ｔａｉが０．８未満であると、サーメット工具の耐熱衝撃性が低下する傾向がみられ、Ｔａｓ／Ｔａｉが１．２を超えて大きくなるとサーメット工具の耐欠損性が低下する傾向がみられる。

本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から ３００μｍ深さまでの範囲の表面領域におけるＷ元素濃度の最大含有量をＷｓ、表面領域よりも内部の内部領域におけるＷ元素濃度の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉ は、１．０以上１．５以下であると、サーメット工具の表面領域の硬さが優れ、内部領域の靱性が優れることにより、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性が向上する傾向がみられる。Ｗｓ／Ｗｉが１．０未満であると、サーメット工具の耐摩耗性が低下する傾向がみられ、Ｗｓ／Ｗｉが１．５を超えて大きくなるとサーメット工具の耐チッピング性および耐欠損性が低下する傾向がみられる。

本発明のサーメット工具は、表面領域と内部領域における、Ｔａ元素濃度を均一にし、表面領域のＷ元素濃度を高くすることで、耐熱衝撃性および耐摩耗性などの切削性能が向上する。すなわち、高温発熱と冷却を伴う高速断続加工の切削条件においては、耐熱衝撃性および高温硬さに優れるＴａが切削性能に寄与し、低速加工で熱衝撃が小さい従来の切削条件においては、Ｗが切削性能に寄与するため、あらゆる加工条件において切削性能を低下させることなく加工することができる。

本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から ３００μｍ深さまでの範囲の表面領域よりも内部の内部領域における断面において、第１硬質相の面積率をＡ１、第２硬質相の面積率をＡ２、第３硬質相の面積率をＡ３とし、硬質相全体の面積を１００面積％としたとき、Ａ１が７５面積％以上９５面積％以下、Ａ２が４面積％以上２４面積％以下、Ａ３が１面積％以上２４面積％以下である。Ａ１が７５面積％未満であると、靭性が不十分なため、耐欠損性が低下し、Ａ１が９５面積％を超えて大きくなると、相対的にＡ２またはＡ３の面積が小さくなるため、硬さまたは熱伝導率が低下するので、耐摩耗性または耐熱衝撃性が低下する。Ａ２が４面積％未満であると、硬さが不十分なため、耐摩耗性が低下し、Ａ２が２４面積％を超えて大きくなると、相対的にＡ１またはＡ３の面積が小さくなるため、靭性および熱伝導率が低下するので、耐欠損性または耐熱衝撃性が低下する。Ａ３が１面積％未満であると、熱伝導率が不十分なため、耐熱衝撃性が低下し、Ａ３が２４面積％を超えて大きくなると、相対的にＡ１またはＡ２の面積が小さくなるため、耐摩耗性が低下し、また靭性が低下するので、耐欠損性が低下する。

本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から ３００μｍ深さまでの範囲の表面領域におけるビッカース硬さをＨｓ 、表面領域よりも内部の内部領域におけるビッカース硬さをＨｉとしたとき、Ｈｓ／Ｈｉは、１．１倍以上１．３倍以下であると好ましい。本発明のサーメット工具のＨｓ／Ｈｉが１．１倍未満では耐摩耗性が劣る傾向がみられ、１．３倍を超えて大きくなると、耐チッピング性および耐欠損性が劣る傾向がみられる。

本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から ３００μｍ深さまでの範囲の表面領域における第１硬質相の芯部の面積率 をＣ１ｓ、表面領域よりも内部の内部領域における第１硬質相の芯部の面積率 をＣ１ｉとしたとき、Ｃ１ｓ／Ｃ１ｉは、０．３倍以上０．９倍以下であると好ましい。本発明のサーメット工具のＣ１ｓ／Ｃ１ｉが０．３倍未満では耐熱衝撃性が低下する傾向がみられ、０．９倍を超えて大きくなると、耐摩耗性が低下する傾向がみられる。

本発明のサーメット工具は、サーメット工具の表面から ３００μｍ深さまでの範囲の表面領域における硬質相の平均粒径をｄｓ、表面領域よりも内部の内部領域における硬質相の平均粒径をｄｉとしたとき、ｄｓ／ｄｉは、１．０以上２．０以下であると好ましい。本発明のサーメット工具のｄｓ／ｄｉが１．０倍未満では耐欠損性が低下する傾向がみられ、２．０倍を超えて大きくなると、耐摩耗性が低下する傾向がみられる。

本発明のサーメット工具は、硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下であると好ましい。本発明のサーメット工具の硬質相の平均粒径が１．０μｍ未満では耐欠損性が低下する傾向がみられ、３．０μｍを超えて大きくなると、硬さが低下し耐摩耗性が低下する傾向がみられる。

本発明のサーメット工具のＴａ元素濃度およびＷ元素濃度は、以下のようにして求めることができる。サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その研磨面の断面組織をＳＥＭにて観察し、ＳＥＭに付属するＥＤＳを用いて求めることができる。サーメット工具の表面から垂直方向に１０μｍ間隔となるように１０箇所の濃度を測定し、最もＴａ含有量が高い値をＴａｓとし、最もＷ含有量が高い値をＷｓとし、表面から５００μｍの位置について任意の１０箇所の濃度を測定し、その平均値をＴａｉおよびＷｉとした。

本発明のサーメット工具の表面領域におけるビッカース硬さＨｓおよび内部領域におけるビッカース硬さＨｉは、以下のようにして求めることができる。サーメット工具の表面から内部までの硬さを測定する為に、サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、サーメット工具の表面から垂直方向に１０μｍ間隔となるようにマイクロビッカース硬さ計を用いて印加荷重４．９Ｎのビッカース硬さを測定した。サーメット工具の表面から３００μｍまでの範囲の最大硬さをＨｓとし、サーメット工具の表面から５００μｍの位置について５箇所のビッカース硬さを測定し、その５箇所のうちの最大硬さをＨｉとした。

本発明のサーメット工具の硬質相の表面領域における平均粒径ｄｓおよび内部領域における平均粒径ｄｉは、以下のようにして求めることができる。サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その研磨面の断面組織をＳＥＭで２０００〜１００００倍に拡大した画像から、フルマンの式（１）を用いて求めることができる。
ｄｍ＝（４／π）・（ＮＬ／ＮＳ） （１）
（式中、ｄｍは平均粒径、πは円周率、ＮＬは断面組織上の任意の直線によってヒットされる単位長さあたりの硬質相の数、ＮＳは任意の単位面積内に含まれる硬質相の数である。）
また、硬質相の平均粒径は、表面領域における平均粒径ｄｓと内部領域における平均粒径ｄｉとの平均を求めた値とした。

本発明のサーメット工具の内部領域における各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３は、断面組織のＳＥＭ画像から、市販の画像解析ソフトを用いる方法や前記フルマンの式を用いる方法によって求めることができる。フルマンの式を用いる場合の具体的な測定方法を以下に示す。サーメット工具を研磨し、サーメット工具の内部領域におけるその研磨面の断面組織をＳＥＭで２０００〜１００００倍に拡大した画像から、前記フルマンの式（１）を用いて求めることができる。上述の第１硬質相の平均粒径を求める方法と同様に、フルマンの式（１）を用いて第２硬質相および第３硬質相の平均粒径をそれぞれ求める。各硬質相の平均粒径と単位面積内に含まれる各硬質相の数とを用いて、単位面積内に含まれる各硬質相の面積を求めることにより、各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３を求めることができる。

本発明のサーメット工具の表面領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｓおよび内部領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｉは、以下のようにして求めることができる。サーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その断面研磨面をＳＥＭで２０００〜１００００倍に拡大した写真を撮影し、その写真を市販の画像解析ソフトを用いて、Ｃ１ｓおよびＣ１ｉを算出することができる。

本発明のサーメット工具の内部領域における第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係は、以下のようにして求めることができる。

サーメット工具の任意の断面を研磨し、ＳＥＭを用いて２０００〜１００００倍に拡大したサーメット工具の内部領域における研磨面を反射電子像で観察する。ＳＥＭに付属しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて、第１硬質相を同定することができる。本発明の第１硬質相の粒子は、図１に示すように、芯部が濃灰色（１）であり、周辺部が白色（２）であることを特定することができる。その後、ＳＥＭを用いて組織写真を撮影する。得られた組織写真から市販の画像解析ソフトを用いて、図１に示すように第１硬質相の芯部の重心（３）を求める。その後、第１硬質相の芯部の重心（３）から第１硬質相の周辺部まで放射状に等間隔に８本の直線を引く。このとき、得られた直線において、第１硬質相の芯部と周辺部の界面から他方の第１硬質相の芯部と周辺部の界面までを第１硬質相の芯部の厚さ（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）とする。同様にして、第１硬質相の芯部の重心（３）から第１硬質相粒子の粒界まで放射状に等間隔に直線を引く。このとき、第１硬質相の芯部と周辺部の界面から第１硬質相の周辺部の粒界までの長さを周辺部の厚さ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ）とする。得られた第１硬質相の芯部の厚さおよび周辺部の厚さをそれぞれ平均した値を芯部の平均厚さおよび周辺部の平均厚さとし、得られた結果から第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係を求めることができる。

また、組織写真中に存在する第１硬質相について同様に、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係を求め、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係が、１以上５以下を満たす第１硬質相の個数を測定する。その後、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係が、１以上５以下を満たす第１硬質相の個数と第１硬質相の総数に対する割合を求めることができる。

次に、本発明のサーメット工具の製造方法について、具体例を用いて説明する。なお、本発明のサーメット工具の製造方法は、当該サーメット工具の構成（硬質相及び結合相）を達成し得る限り特に制限されるものではない。

例えば、本発明のサーメット工具の製造方法は、
工程（Ａ）：平均粒径０．５〜４．０μｍの炭窒化チタンタンタルモリブデン粉末３０〜９０質量％と、炭窒化チタンタンタルモリブデン粉末を除く平均粒径０．５〜４．０μｍの、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、ＭｏおよびＷから成る群より選択された少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物から成る群より選択された少なくとも１種の粉末５〜４０質量％と、平均粒径０．５〜３．０μｍの、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種の粉末５〜３０質量％とを配合（ただし、これらの合計は１００質量％である）する工程と、
工程（Ｂ）：原料粉を配合して５〜３５時間の湿式ボールミルにより混合し、混合物を準備する混合工程と、
工程（Ｃ）：得られた混合物を所定の工具の形状に成形して成形体を得る成形工程と、
工程（Ｄ）：前記工程（Ｃ）で得られた成形体を１００Ｐａ以下の真空中にて１２００〜１４００℃の範囲の所定の温度まで昇温する第１昇温工程と、
工程（Ｅ）：前記工程（Ｄ）を経た成形体を０．６〜２６．６ｋＰａの水素気流中にて１２００〜１４００℃の範囲の所定の温度にて所定の時間保持する第１焼結工程と、
工程（Ｆ）：前記工程（Ｅ）を経た成形体を１３３〜１３３０Ｐａの窒素気流中にて１２００〜１４００℃の範囲の所定の温度から該温度よりも高い１４００〜１６００℃の範囲の焼結温度まで昇温する第２昇温工程と、
工程（Ｇ）：前記工程（Ｆ）を経た成形体を工程（Ｆ）と同じ圧力の窒素気流中にて１４００〜１６００℃の範囲の焼結温度で所定の時間保持して焼結する第２焼結工程と、
工程（Ｈ）：前記工程（Ｇ）を経た成形体を所定の温度から常温まで冷却する冷却工程とを含む。

なお、工程（Ａ）において使用される原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定されたものである。

本発明のサーメット工具の製造方法の各工程は、以下の意義を有する。
工程（Ａ）では炭窒化チタンタンタルモリブデン粉末と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、ＭｏおよびＷから成る群より選択された少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物から成る群より選択された少なくとも１種の粉末を用いることにより、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相を構成することができる。また、芯部の厚さに対して、周辺部の厚さが薄い第１硬質相は、Ｔａを固溶した炭窒化チタンタンタルモリブデン粉末を使用することで得ることができる。なお、炭窒化チタンタンタルモリブデン粉末にＷ、ＺｒおよびＮｂなどの他の元素を固溶させた場合、靱性や耐熱衝撃性などの特性のバランスが低下するため、切削性能が低下する。

工程（Ｂ）では硬質相の平均粒径を調整したり、所定の配合組成の混合粉末を均一に混合させることができる。これを以下の工程で成形・焼結・冷却することによって、特定の組成の硬質相及び結合相からなる本発明のサーメット工具が得られる。

工程（Ｃ）では得られた混合物を所定の工具の形状に成形する。得られた成形体を以下の焼結工程で焼結する。

工程（Ｄ）では成形体を１３３Ｐａ以下の真空中で昇温することで、脱ガスを促進させ、以下の焼結工程における焼結性を向上させる。

工程（Ｅ）では水素気流中にて１４００〜１６００℃の範囲の温度で焼結することにより、さらに脱ガスを促進させるとともにサーメット工具の表面領域を炭化させることにより、表面領域のＷ元素濃度を高くすることができる。また、工程（Ｆ）では窒素雰囲気とすることで、成形体の表面からの脱窒を防ぎ、これにより脱窒に伴う焼き肌面の平滑性の低下および焼き肌面近傍の（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ）ＣＮなどの硬質相の減少を抑制する。

工程（Ｇ）では工程（Ｆ）よりも高い焼結温度で焼結することにより、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の面積率を任意なものとする。

そして工程（Ｈ）では、焼結された成形体を常温まで冷却し、本発明のサーメット工具が得られる。

工程（Ａ）から工程（Ｈ）までの工程を経て得られたサーメット工具に対して、必要に応じて研削加工や刃先のホーニング加工を行ってもよい。

［サーメット工具の製造］
原料粉末として、市販されている、平均粒径２．０μｍの（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）粉末、平均粒径２．０μｍの（Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）粉末、平均粒径２．０μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＭｏ_２Ｃ粉末、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．０μｍのＮｉ粉末を用意した。なお、原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定されたものである。

用意した原料粉末を下記表１の配合組成になるように秤量して、秤量した原料粉末をアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共にステンレス製ポットに入れて湿式ボールミルで混合および粉砕を行った。湿式ボールミルによる混合および粉砕時間を表２に示す。湿式ボールミルによる混合・粉砕後、アセトン溶媒を蒸発して得られた混合物を、焼結後の形状がＩＳＯ１８３２のインサート形状ＣＮＭＧ１２０４０８ブレーカー付きになる金型およびＳＤＫＮ１２０３の金型でもって圧力１９６ＭＰａでプレス成形して、混合物の成形体を得た。

混合物の成形体を焼結炉内に入れた後、１３３Ｐａ以下の真空にて室温から下記表３（ａ）に記載の水素導入温度Ｔ１（℃）まで昇温した。炉内温度が水素導入温度Ｔ１（℃）になったとき、炉内圧力が表３（ｂ）に記載の炉内圧力Ｐ１（ｋＰａ）になるまで水素ガスを焼結炉内に導入した。炉内圧力Ｐ１（ｋＰａ）の水素雰囲気にて６０分間保持して焼結した。その後、炉内の水素を排気し、炉内圧力が１００Ｐａ以下になったとき、炉内圧力が表３（ｃ）に記載の炉内圧力Ｐ２（Ｐａ）になるまで窒素を導入した。水素導入温度Ｔ１（℃）から表３（ｄ）に記載の焼結温度Ｔ２（℃）まで昇温した。炉内温度が焼結温度Ｔ２（℃）になったとき、炉内圧力Ｐ２（Ｐａ）の窒素雰囲気にて焼結温度Ｔ２（℃）で６０分間保持して焼結した。その後、焼結温度がＴ２（℃）から室温までアルゴン雰囲気で冷却した。

焼結して得られたサーメット工具は、湿式ブラシホーニング機により、サーメット工具の刃先にホーニング処理を施した。

作製した発明品及び比較品のサーメット工具をサーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨し、その研磨面の断面組織をＳＥＭにて観察し、ＳＥＭに付属するＥＤＳを用いて表面領域のＴａｓおよびＷｓ、内部領域のＴａｉおよびＷｉの各組成をそれぞれ測定した。測定した組成からＴａｓ／ＴａｉおよびＷｓ／Ｗｉを求めた。その結果を表４に示した。

サーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨した、研磨面について、その研磨面の断面組織をＳＥＭで５０００倍に拡大した画像を撮影し、撮影した画像からフルマンの式（１）を用いて硬質相の表面領域における平均粒径ｄｓおよび内部領域における平均粒径ｄｉを測定し、ｄｓ／ｄｉを求めた。また、硬質相の平均粒径は、表面領域における平均粒径ｄｓと内部領域における平均粒径ｄｉとの平均値とした。ｄｓ／ｄｉおよび硬質相の平均粒径を表５に示す。さらに、撮影した画像からフルマンの式（１）を用いて表面領域における第１硬質相の芯部の面積率Ｃ１ｓ、内部領域における第１硬質相の芯部の面積率 Ｃ１ｉを測定した。測定したＣ１ｓおよびＣ１ｉからＣ１ｓ／Ｃ１ｉを求め、その結果を表５に示した。

サーメット工具の表面に対して１０°傾けて研磨した、研磨面について、サーメット工具の表面から垂直方向に１０μｍ間隔となるようにマイクロビッカース硬さ計を用いて印加荷重４．９Ｎのビッカース硬さを測定した。サーメット工具の表面から３００μｍまでの範囲の最大硬さをＨｓとし、サーメット工具の表面から５００μｍの位置について５箇所のビッカース硬さを測定し、その５箇所のうちの最大硬さをＨｉとした。その結果を表６に示した。

サーメット工具の任意の断面を研磨し、ＳＥＭを用いて５０００倍に拡大したサーメット工具の内部領域における研磨面を反射電子像で観察した。ＳＥＭに付属しているＥＤＳを用いて、第１硬質相を同定した後、組織写真を撮影した。得られた組織写真から市販の画像解析ソフトを用いて、各第１硬質相の周辺部の厚さおよび芯部の厚さを求めた。得られた結果から、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係を求めた。また、組織写真中に存在する各第１硬質相の個数を求め、芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さの関係を満たす第１硬質相の割合を求めた。それらの結果を表７に示す。

発明品及び比較品のサーメット工具をサーメット工具の表面に対して垂直に研磨し、その研磨面の断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて各硬質相の組成を同定した。さらにＳＥＭにてサーメット工具の内部領域における断面組織を１００００倍に拡大した画像を撮影し、撮影した画像を市販の画像解析ソフトを用いて各硬質相の面積率Ａ１、Ａ２およびＡ３を求めた。その結果を表８に示した。その後、サーメット工具の表面から深さ方向に５００μｍ内部までの断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて観察し、結合相の組成を同定した。さらに王水を用いて断面組織を食刻し、食刻された断面組織をＥＤＳ付きＳＥＭにて観察する。そして、これら二種類の断面組織から食刻されなかった硬質相の面積率と食刻された結合相の面積率を測定し、その結果からサーメット工具の硬質相の体積％と結合相の体積％の割合を求めた。その結果を表９に示した。

得られた試料を用いて、切削試験１および切削試験２を行った。切削試験１は耐サーマルクラック性および耐欠損性を評価し、切削試験２は耐摩耗性を評価する試験である。切削試験の結果を表１０に示した。

［切削試験１］
加工形態：転削、
工具形状：ＳＤＫＮ１２０３、
被削材：ＳＣＭ４４０、
被削材形状：２００ｍｍ×８０ｍｍ×２００ｍｍ（形状：板材にφ３０ｍｍの穴が６個）、
切削速度：１４０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：無し、
評価項目：０．５ｍｉｎ加工し、加工後のインサートに発生したサーマルクラックの本数を測定した。さらに加工を継続し、試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。

［切削試験２］
加工形態：外周連続旋削、
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８、
被削材：Ｓ４５Ｃ、
被削材形状：φ２００ｍｍ×４００ｍｍ、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損したとき、または最大逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。

なお、切削試験１のサーマルクラックの本数について、４本以下を○、５本以上７本以下を△、８本以上を×として評価した。また、切削試験１の加工時間について、１０ｍｉｎ以上を○、５ｍｉｎ以上１０ｍｉｎ未満を△、５ｍｉｎ未満を×として評価した。また、切削試験２の加工時間について、１０ｍｉｎ以上を○、５ｍｉｎ以上１０ｍｉｎ未満を△、５ｍｉｎ未満を×として評価した。この評価では、（優）○＞△＞×（劣）という順位になり、○を有するほど切削性能が優れる。得られた評価の結果を表１１に示した。

発明品の耐欠損性および耐摩耗性の評価はすべて○を有し、耐摩耗性および耐欠損性に優れることがわかる。一方、比較品の評価は△または×を有し、耐摩耗性および耐欠損性の性能を満足していないことがわかる。さらに、発明品は、サーマルクラックの発生が抑制されたことにより、耐欠損性が向上し、比較品よりも工具寿命が長いことがわかる。

実施例１の発明品１〜９および比較品１〜６の表面にＰＶＤ装置を用いて被覆処理を行った。発明品１〜９および比較品１〜６のサーメット工具の表面に平均層厚２．５μｍのＴｉＡｌＮ層を被覆したものを発明品１０〜１８、比較品７〜１２とし、発明品１のサーメット工具の表面に平均層厚２．５μｍのＴｉＣＮ層を被覆したものを発明品１９とした。また、発明品１のサーメット工具の表面に、１層あたり３ｎｍのＴｉＡｌＮと、１層あたり３ｎｍのＴｉＡｌＴａＷＮとを交互に５００層ずつ積層した交互積層を被覆したものを発明品２０とした。発明品１０〜２０および比較品７〜１２について実施例１と同じ切削試験１および２を行った。その結果を表１２に示す。

なお、切削試験１のサーマルクラックの本数について、４本以下を○、５本以上７本以下を△、８本以上を×として評価した。また、切削試験１の加工時間について、１０ｍｉｎ以上を○、５ｍｉｎ以上１０ｍｉｎ未満を△、５ｍｉｎ未満を×として評価した。また、切削試験２の加工時間について、１０ｍｉｎ以上を○、５ｍｉｎ以上１０ｍｉｎ未満を△、５ｍｉｎ未満を×として評価した。この評価では、（優）○＞△＞×（劣）という順位になり、○を有するほど切削性能が優れる。得られた評価の結果を表１３に示した。

発明品の耐欠損性および耐摩耗性の評価はすべて○を有し、耐摩耗性および耐欠損性に優れることがわかる。一方、比較品の評価は△または×を有し、耐摩耗性および耐欠損性の性能を満足していないことがわかる。さらに、発明品は、サーマルクラックの発生が抑制されたことにより、耐欠損性が向上し、比較品よりも工具寿命が長いことがわかる。また、耐摩耗性試験において、被覆層を被覆していない発明品の工具寿命は１０．７ｍｉｎ以上であるのに対し、被覆層を被覆した発明品の工具寿命は１２．３ｍｉｎ以上になり、工具寿命が長くなっていることがわかる。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性を低下させずに、耐熱衝撃性を向上させることにより、優れた耐欠損性と優れた耐チッピング性とを有し、従来よりも工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。

１ 芯部
２ 周辺部
３ 芯部の重心
４ａ 芯部の厚さ
４ｂ 芯部の厚さ
４ｃ 芯部の厚さ
４ｄ 芯部の厚さ
５ａ 周辺部の厚さ
５ｂ 周辺部の厚さ
５ｃ 周辺部の厚さ
５ｄ 周辺部の厚さ
５ｅ 周辺部の厚さ
５ｆ 周辺部の厚さ
５ｇ 周辺部の厚さ

Claims (10)

1. 硬質相を７５体積％以上９５体積％以下と、
   結合相を５体積％以上２５体積％以下とからなるサーメットであって、
   前記硬質相は、
   （ａ）芯部がＴｉとＴａとＭｏとの複合炭窒化物相、周辺部がＴｉとＴａとＭｏとＷとＺｒ、またはＴｉとＴａとＭｏとＷの複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）ＣＮ、または（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ）ＣＮで示す］相からなる有芯構造の第１硬質相、
   （ｂ）芯部および周辺部の両方が（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ）ＣＮ相、または（Ｔｉ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ）ＣＮ相からなる有芯構造の第２硬質相、
   （ｃ）ＴｉとＴａとＭｏとの複合炭窒化物相のみからなる第３硬質相、
   以上（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で構成され、
   前記結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅからなる群の少なくとも１種を主成分とする元素で構成され、
   前記サーメット工具の表面から３００μｍ深さまでの範囲を表面領域とし、
   前記表面領域よりも内部を内部領域としたとき、
   前記サーメット工具の前記内部領域における断面において、前記第１硬質相の面積率をＡ１、前記第２硬質相の面積率をＡ２、前記第３硬質相の面積率をＡ３とし、前記硬質相全体の面積を１００面積％としたとき、前記Ａ１が７５面積％以上９５面積％以下、前記Ａ２が４面積％以上１０面積％以下、前記Ａ３が１面積％以上１７面積％以下であるサーメット工具。
2. 前記第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する前記第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係が１以上１.３以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して５０％以上である請求項１に記載のサーメット工具。
3. 前記第１硬質相の周辺部の平均厚さに対する前記第１硬質相の芯部の平均厚さ［芯部の平均厚さ／周辺部の平均厚さ］の関係が１以上１.３以下を満たす第１硬質相の個数が第１硬質相の総数に対して７０％以上である請求項２に記載のサーメット工具。
4. 前記表面領域における前記Ｔａ元素濃度の最大含有量をＴａｓ、前記表面領域よりも内部の内部領域における前記Ｔａ元素濃度の内部含有量をＴａｉとしたとき、Ｔａｓ／Ｔａｉは、０．８以上１．２以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーメット工具。
5. 前記表面領域における前記Ｗ元素濃度の最大含有量をＷｓ、前記内部領域における前記Ｗ元素濃度の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉは、１．０以上１．５以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーメット工具。
6. 前記表面領域におけるビッカース硬さをＨｓ、前記内部領域におけるビッカース硬さをＨｉとしたとき、Ｈｓ／Ｈｉは、１．１倍以上１．３倍以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載のサーメット工具。
7. 前記表面領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｓ、前記内部領域における前記第１硬質相の芯部の面積率をＣ１ｉとしたとき、Ｃ１ｓ／Ｃ１ｉは、０．３倍以上０．９倍以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーメット工具。
8. 前記表面領域における前記硬質相の平均粒径をｄｓ、前記内部領域における前記硬質相の平均粒径をｄｉとしたとき、ｄｓ／ｄｉは、１．０以上２．０以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載のサーメット工具。
9. 前記硬質相の平均粒径が１．０μｍ以上３．０μｍ以下である請求項１〜８のいずれか１項に記載のサーメット工具。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のサーメット工具の表面に被覆層が形成された被覆サーメット工具。

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