JPH02138434A - 高強度被覆超硬合金部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、強度及び靭性にすぐれており、切削工具用材
料として用いた場合に耐摩耗性及び耐欠損性にすぐれた
効果を発揮するもので、特に切削工具用材料又は耐摩耗
工具用材料として適する高強度被覆超硬合金部材に関す
るものである。

（従来の技術） 従来、超硬合金の基材表面に炭化チタン、窒化チタン、
炭窒化チタン、酸化アルミニウムなどのセラミックスか
らなる被覆膜を形成してなる被覆超硬合金が各種の工具
部材として実用化されている。この被覆超硬合金の被覆
膜は、超硬合金の基材に比べて硬質ではあるが、脆弱で
あることから、被覆膜にはクラックが発生しやすく、こ
のクラックが基材に伝播することになり、その結果被覆
超硬合金の強度及び耐欠損性を劣下させるという問題が
ある。この問題を解決するものとして、被覆超硬合金に
おける基材についての提案が多数行われ、その代表的な
ものに、特開昭５３−１３１９０９号公報及び特開昭５
５−１５４５６１号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点） 特開昭５３−１３１９０９号公報は、超硬合金と被覆膜
との間に超硬合金よりも靭性に富むと共に軟質で、しか
も被覆膜側から超硬合金側に向って硬さが連続的に増加
する硬さ勾配をもった中間層を介在させてなる被覆超硬
合金工具が開示されている。この特開昭５３−１３１９
０９号公報の被覆超硬合金工具は、中間層が被覆膜に発
生したクラックの超硬合金内部への伝播を加Ｉ止するこ
とにより、強度及び耐欠損性を向にさせたものであるけ
れども、被覆膜が摩耗により消滅した後は、耐欠損性、
耐溶着性の劣下が生じて短寿命になるという問題がある
。

特開昭５５−１５４５６１号公報は、■Ｃと８１型固溶
体とを硬質層とし、これをＦｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｃ
ｒ、　Ｍｏ、　ｉ！の１種もしくはそれ以」二の金属で
結合した超硬合金部品の表面から０．１−Ｉｎμｍの深
さにおけるＢ１型固溶体のらｌが、該超硬合金部品の上
記以外の内部における１１１に比して大である超硬合金
の表面にＡｌ２Ｊ＋１及び／又はＺｒ！０を被覆した被
覆超硬合金部品が開示されている。この特開昭５５−１
５４５６１号公報の被覆超硬合金部品は、超硬合金中に
含有しているＣｏがＡβ２０．及び／又はＺｒｔＯの被
覆膜の特性を劣化するのをｌ型固溶体の量を大にした表
面層をイｆする超硬合金により防止し、耐摩耗性をより
一段と向上させたものであるけれども、被覆膜中に発生
したクラックが超硬合金の内部に伝播しやすいために強
度及び耐欠損性の劣下が生じ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、板状体に形成した炭化タングステン、もしくは
板状体の炭化タングステンとＢ１型固溶体とを含イｉし
てなる超硬合金の表面に被覆膜を形成することにより１
強度、耐欠損性、耐摩耗性、耐塑性変形性及び耐熱性に
すぐれるようにした高強度被覆超硬合金部材の提供を目
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、超硬合金の表面に各種のセラミックスで
なる被覆膜を形成してなる被覆超硬合金の強度及び耐欠
損性が超硬合金自体の強度及び耐欠損性に比べて極端に
劣下するのを防止することについて検討していた所、■
Ｃの単結晶におけるそれぞれの結晶面のビッカース硬さ
は（０００１）而が２１００±４０ｋｇｒ／ｍｍ”、　
［１１００）面が１０８０±５０ｋｇｒ／ｍｍ”（１１
０１１面が１０６０±２０ｋｇｆ／ｍｍ”で、この内、
硬さの高い＋０００１１而の成長してなる板状体の炭化
タングステンの含有してなる超硬合金の表面に被覆膜を
形成した被覆超硬合金の場合は、強度及び耐欠損性の劣
下が著しく少ないこと、又板状体の炭化タングステンと
８１型固溶体の両方の含有してなる超硬合金の表面に被
Ｐｔ１膜を形成した被覆超硬合金の場合は、耐摩耗性に
すぐれると共に、強度及び耐欠損性の劣下も少ないとい
う知見を得たものである。この知見に基づいて５本発明
を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の高強度被覆超硬合金部材は、ＷとＴ
ｉとを含有した複合炭化物、複合炭窒化物、複合炭酸化
物、複合炭窒酸化物、及びＷとＴｉとＺｒ、　Ｉｆｆ、
　Ｖ、Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｃｒ、　Ｍｏの中の少なくとも
１種とを含（ＴＬ、た複合炭化物、複合炭窒化物、複合
炭酸化物、複合炭窒酸化物から選ばれた少なくとも１種
のＢｌ型固溶体と、炭化タングステンとでなる硬質相８
０〜９８重川％と、用りｃｏ及び／又はＮｉを主成分と
する結合相と不可避不純物とからなる超硬合金の表面に
被覆膜を形成してなる被覆超硬合金であって、該超硬合
金は三角形状、又は最大寸法が２〜２０μｍで、この最
大寸法が最小寸法の少なくとも２倍でなる針状、棒状、
四角形状を主とする多角形状の中の少なくとも１種とし
て観察される板状体の炭化タングステンが該超硬合金全
体の少なくとも５体積％混在していることを特徴とする
ものである。

本発明の高強度被覆超硬合金部材における超硬合金中の
硬質相は、板状体の炭化タングステンとＢｌ型固溶体か
らなる場合、又は板状体の炭化タングステンと従来の塊
状体で、はぼ等Ｎ１法として観察される炭化タングステ
ンと６１！３固溶体とからなる場合がある。

この硬質相中に混在する板状体の炭化タングステンは、
＋０００１）而の成長してなる炭化タングステンであっ
て、具体的には超硬合金の任意の断面における炭化タン
グステンの形状が針状、棒状、四角形状を−Ｌとする多
角形状又は三角形状でなるもので、この内三角形状の炭
化タングステンは（０００１１面の成長してなる三角柱
状の板状体の炭化タングステンであることから、全て板
状体の炭化タングステンであるとみなすことができる。

また、超硬合金の任意の断面においてず？在する板状体
の炭化タングステンは、三角形状の炭化タングステンの
他に、釘状、棒状又は台形状のように四角形状を１１と
する多角形状の形態に観察でき、これらの炭化タングス
テンの中で、最大寸法が２〜２０μｍ、この最大寸法が
最小寸法の少なくとも２倍でなるものである。これらの
板状体の炭化タングステンは、超硬合金全体の５体積％
未満になると破壊靭性値９強度及び耐熱亀裂性を高める
効果が弱くなる。このために、板状体の炭化タングステ
ンは、超硬合金全体の少なくとも５体積％混在している
ことが必要で、耐欠損性及び耐摩耗性からＢ１型固溶体
を除いた全ての硬質相が板状体の炭化タングステンであ
ることが好ましいことである。

この硬質相中にＩｌｌ型固溶体の含（Ｔしている場合に
は、高温における耐摩耗性、金属などとの耐溶着性及び
ｆＦ１酸化性にすぐれていることから、特に刃先が高温
になるような条件で用いられる切削工只用材料としてす
ぐれた効果を発揮する。一方、硬質相中にＢ　ｌ　７ｑ
Ｈｌ＋ｌＩｌ溶体の含有していない板状体の炭化タング
ステンでなる硬質相の場合、又は板状体の炭化タングス
テンと従来のほぼ等寸法として観察される炭化タングス
テンとでなる硬質相の場合がある。この旧型同溶体の含
有していない硬質相の場合には、常温又は使用時にそれ
ほど高温にならない、例えばプリント基板用ドリルなど
の切削１具用材料、もしくはスリッタなどの１１摩耗Ｉ
’−具用材料としてすぐれた効果を発揮する。

さらに、この板状体の炭化タングステンが後述するよう
な実施例の方法でもって一定方向に配向されていると、
例えば炭化タングステンの（０００１１面が超硬合金の
成る面に・［行に配向された場合は、この面の硬度及び
この面を張力面とする抗折強度は上覧ｔし、しかもこの
面に生じるクラックは進展しにく＼なり、耐欠損性が向
上するので好ましいことである。

硬質相中に混在しているＢ１型固溶体は、１体的には、
例えばｆＷ、　Ｔｉ）Ｃ，（Ｗ、　Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ１（
Ｗ、　　Ｔｉ）（Ｃ，ロ）、　　　（ｗ、　　’Ｔｉ＞
（ｃ、　　Ｎ、　　０）ｆｌｌｌ、　Ｔｉ、　ＭＩＣ，
（Ｌ　Ｔｉ、　ＭＮＣ，Ｎ）。

（１１，Ｔｉ、　　ＭＮＣ，０１，（ｗ、　　Ｔｉ、　
　Ｍｌ（Ｃ，Ｎ、　　０）ｆ但し。

ＭはＺｒ、　ｌＩｒ、Ｔａ、　Ｎｂ、　Ｖ、　ＣｒｌＭ
ｎの中の少なくとも１種を示す。）で表わせる立方晶構
造の化合物を挙げることができる。

これらの炭化タングステンと０１型固溶体とからなる硬
質相が超硬合金全体の８０巾ｊ１１％未満になると、相
対的に結合相が２０　ｙｔ’ｉ、　Ｈ１％を超えて多く
なって耐塑性変形性及び耐摩耗性の低ドとなる。このた
めに、＋０００１１而の成長してなる板状体の炭化タン
グステンな超硬合金中にひ在させても、その効果が殆ん
ど現われない傾向となる。逆に、硬質相が超硬合金全体
の９８１ｎ量％を超えて多くなると、相対的に結合相が
２　■ｎ　ｉｎ％未満となって緻密な超硬合金になり難
く、その結果（００旧）面の成長してなる板状体の炭化
タングステンを超硬合金中にひ在させても強度に対する
著しい効果が現われない傾向となる。これらの理由から
１本発明の高強度被覆超硬合金部材中の硬質相は、８０
〜９８　屯ｆｉｔ％と定めたものである。

本発明の高強度被覆超硬合金部材における超硬合金中の
結合相は、ＣＯのみからなる場合、Ｎｉのみからなる場
合、又は少なくとも５０％のＣｏ及び／又はＮｉと残り
、例えばＦｅ、　＊、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｔｉ、　Ｚｒ
、　ＩＨ。

Ｔａ、　Ｎｂ、　Ｖの中の少なくとも１種とからなる場
合がある。

本発明の高強度被覆超硬合金部材における被覆膜は、従
来の超硬合金の表面に形成されている各種の被覆膜を形
成することができ、例えば周期律表４ａ、　５ａ、　６
ａ族金属の炭化物、窒化物、炭酸化物。

窒酸化物、ホウ化物及びこれらの相互固溶体、又は酸化
アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム
、炭化ケイ素、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤ
モンドの中の少なくとも１種のＱｊ層、もしくは多重層
でなるものを挙げることができる。

本発明の高強度被覆超硬合金部材は、次のような方法で
作製することができる。

まず、１３１型固溶体の硬質相を含有した超硬合金を作
製する場合は、本発明者らが先に提案した、例えば特願
昭６３−１９８７００号で開示の方法でもって行い、Ｂ
ｌ型同溶体の硬質相を含イｆしていない超硬合金を作製
する場合は１例えば特開昭５７−　３４００８−Ｊ公報
又は特公昭４７−２３０４９号公報で開示の方法を応用
して作製することができる。このようにして作製した超
硬合金の表面を必要に応じて研摩、又は洗浄などの処理
を施した後、従来から行われている物理蒸着法（１’Ｖ
Ｄ法）や化学蒸着法（ＣＶＤ法）でもって目的とする被
覆膜を超硬合金の表面に形成することにより本発明の高
強度被覆超硬合金部材を得ることができる。

（作用） 本発明の高強度被覆超硬合金部材は、超硬合金を構成し
ている板状体の炭化タングステンが摩擦摩耗時に被覆膜
に発生したクラックの超硬合金内部への伝播をＭｌ止す
る作用をし、さらに被覆膜の消滅後に超硬合金中の硬質
相粒子の脱落するのを防１１ニする作用をし、その結果
、耐摩耗性、破壊靭性値、耐塑性変形性及び強度がすぐ
れているものである。特に、Ｂ！型型温溶体板状体の炭
化タングステンとを含有した硬質相でなる超硬合金の表
面に被覆膜を形成した本発明の高強度被覆超硬合金の場
合は、被覆膜の消滅後も高温での耐摩耗性にすぐれると
共に、耐溶着性、耐熱性にもすぐれるものである。

（実施例） 実施例１ 重量比で、ＶＩＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝　８０／１５１５
の固溶体粉末（第１固溶体）　、ＩＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ
＝　４５／２２／３３の固溶体粉末（第２固溶体）　、
　ＷＣ／ＴｉＣ＝　７０／３０の固溶体粉末（第３固溶
体）及び平均粒径１．０〜２．０ｇｍのＩＣ，Ｃｏの各
粉末を用いて、はぼ７３．６ｗＬ％ＷＣ−１３．８ｗＬ
％ＴｉＣ−４，６ｗｔ％ＴａＣ−８ｗｔ％Ｃｏ組成にな
るように第１表の如く配合した。この配合粉末を混合及
び加圧成形後、真空炉で１４００℃、１時間保持にて焼
結し１次いでＴｉＣβ４−１ｈ−ＣＩＬの混合ガスによ
る従来のＣＶＤ法でもって、超硬合金の表面に約２μｍ
のＴｉＣ被覆膜を形成して本発明品１及び比較前１を得
た。さらに１本発明品１の内、超硬合金の焼結後、一方
向から３０ｋｇｆ／ｃｍ”の圧力を加えて、超硬合金中
の板状体ＷＣの＋０００１１而を方向に向けるように配
向させた以外は本発明品と同様にして、本発明品２を得
た。

こうして得た本発明品１．２及び比較前１の合金組織中
の板状体ＷＣの：ｄ、及び被覆超硬合金の抗折力値を求
めて第２表に示した。

次に、本発明品１．２及び比較前１を下記の条件でもっ
て切削試験を行い、その結果を第２表に併記した。

フライス切削試験条件 被削材　　　ＳＣＭ　４４０　（Ｉ＋、　２５０１５０
Ｘ　１５Ｏｍｍ面の切削 チップ形状　ＳＮＰ　４３２ 切削速度　　１５０　　ｍ／ｍｉｎ 　Ａ 送　　り 切込み量 評価法 ０．２ｍｍ／　　刃 ２．０　　　ｍｍ ｌ０Ｐａｓｓ切削を１０回繰返したと きの欠損してない比率 （未欠損率） 第 表 以下余白 第　　２ 表 尚、超硬合金中の板状体ＷＣは、任、Ｃ！：の断面（破
断面でも可）を走台型電子顕微鏡にて観察し、三角状の
ものは全て板状体ＷＣとし、他の針状、棒状及び四角形
状のＷＣについては最大寸法及び最小寸法を測定して板
状体か否か決め、板状体ＷＣのｌｌｊを求めた。

実施例２ ’ｎ　ｊｉ比Ｔ　、　ＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝　ＴＯ／
１５／１５の同溶体粉末（第４固溶体）、実施例１で用
いた第２固溶体、第３同溶体、　ＷＣ，Ｃｏの各粉末で
もって、はぼ６３、　Ｏｗｔ％’ｆＪｃ　−１３，５ｗ
Ｌ％ＴｉＣ−１３，５ｗＬ％ｒａＣ−１０ｗＬ％ＣＯ組
成になるように第：３表の如く配合した。

この配合粉末を実施例１と同様の１程及び条件により超
硬合金とした後、Ｔｉ　　Ｎ２による従来のイオンブレ
ーティング法（ＩＩＶＤ法）でもって、超硬合金の表面
に約２μｍのＴｉＮ被覆膜を形成して本発明品３及び比
較品２を得た。さらに、本発明品３の内、超硬合金の焼
結後に実施例１の本発明品２と同条件でもって板状体Ｗ
Ｃの配向を行った以外は本発明品３と同様に行って本発
明品４を得た。

こうして得た本発明品３．４及び比較品２の合金組織中
の板状体ｖＩＣの量、及び被覆超硬合金の抗折力値を求
めて第４表に示し、さらに実施例１の切削試験条件でも
って切削試験を行い、その結果を第４表に併記した。

以下余白 実施例３ ｊｎ　ｍ比で、Ｗｃ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝　６０／１０／
３Ｇの同溶体粉末（第５固溶体）、実施例１で用いた第
２固溶体、　ＷＣ，Ｃｏ及び平均粒径１．５μｍ　Ｔａ
Ｃの各粉末でもって、はぼ５３．４ｗＬ％ｌｌＩｃ−８
，９ｗＬ％ＴｉＣ−２６，７ｗＬ％ＴａＣ−１１ｗｔ％
Ｃｏ組成になるように第５表の如く配合した。この配合
粉末を実施例１と同様の工程及び条件により超硬合金と
した後、ＴｉＣ１２４Ｎ、−１１，−ＣＩＬの混合ガス
による従来のＣＶＤ法でもって５超硬合金の表面に約２
μｍのｌ”ｉ（Ｃ，Ｎｌ被覆膜を形成して本発明品５及
び比較品３を得た。さらに１本発明品５の内、超硬合金
の焼結後に実施例１の本発明品２と同条件でもって板状
体ＷＣの配向を行った以外は本発明品５と同様に行って
本発明品６を得た。

こうして得た本発明品５，６及び比較品３の合金組織中
の板状体ＷＣの屓、及び被覆超硬合金の抗折力値を求め
て第６表に示し、さらに実施例１の切削試験条件でもっ
て切削試験を行い、その結果を第６表に併記した。

実施例４ 特開昭５７−　３４００８号公報に開示の方法で作製し
た板状体の炭化タングステンの含有したＶｆＣＴＡ　−
１１１ｃ）と市販のＩＩｃ（１３−ＷＣ）とＣｏとの各
粉末を用いて’！Ｉｃ−６％Ｃｏ組成になるように第７
表の如く配合した。この配合粉末を実施例１と同様の工
程及び条件により超硬合金とした後、実施例１と同様に
して超硬合金の表面にＴｉＣ被覆膜を形成して本発明品
７及び比較品４を得た。

こうして得た本発明品７及び比較品４の超硬合金中の板
状体ＷＣのｊｉｌと被覆超硬合金の抗折力を求めて第７
表に併記した。

以下余白 （発明の効果） 本発明の高強度被覆超硬合金部材は、従来の被覆超硬合
金に比べて、抗折力において１５％〜３９％向ｌ−する
という効果があり、切削試験による耐欠損性において、
極めて著しく向りするという効、果がある。

このことから、本発明の高強度被覆超硬合金部材は、従
来の被覆超硬合金の用途から、さらに従来の被覆超硬合
金では耐欠損性又は耐衝撃性の問題から困難とされてい
るような用途にまで使用できる産業１ニイｊ用な材料で
ある。

特許出願人　東芝タノガロイ株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＷとＴｉとを含有した複合炭化物、複合炭窒化物
   、複合炭酸化物、複合炭窒酸化物、及びＷとＴｉとＺｒ
   、ＨＦ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏの中の少なくとも
   １種とを含有した複合炭化物、複合炭窒化物、複合炭酸
   化物、複合炭窒酸化物から選ばれた少なくとも１種のＢ
   １型固溶体と、炭化タングステンとでなる硬質相８０〜
   ９８重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする
   結合相と不可避不純物とからなる超硬合金の表面に被覆
   膜を形成してなる被覆超硬合金であって、該超硬合金は
   三角形状、又は最大寸法が２〜２０μｍで、この最大寸
   法が最小寸法の少なくとも２倍でなる針状、棒状、四角
   形状を主とする多角形状の中の少なくとも１種として観
   察される板状体の炭化タングステンが該超硬合金全体の
   少なくとも５体積％混在していることを特徴とする高強
   度被覆超硬合金部材。
2. （２）上記板状体の炭化タングステンは、一定方向に配
   向されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の高強度被覆超硬合金部材。
3. （３）炭化タングステンでなる硬質相８０〜９８重量％
   と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする結合相と不
   可避不純物とからなる超硬合金の表面に被覆膜を形成し
   てなる被覆超硬合金であって、該超硬合金は三角形状、
   又は最大寸法が２〜２０μｍで、この最大寸法が最小寸
   法の少なくとも２倍でなる針状、棒状、四角形状を主と
   する多角形状の中の少なくとも１種として観察される板
   状体の炭化タングステンが該超硬合金全体の少なくとも
   ５体積％混在していることを特徴とする高強度被覆超硬
   合金部材。
4. （４）上記板状体の炭化タングステンは、一定方向に配
   向されていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載の高強度被覆超硬合金部材。