JPS63114970A - 高強度被覆超硬合金 - 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、切削工具、＃衝撃工具及び＃摩耗工具などの
工具部品として用いられる高強度被覆超硬合金に関する
ものである。

（従来の技術） 超硬合金の表面に硬質被覆層を形成した被覆超硬合金は
、硬質被覆層により耐摩耗性が大きく向上することから
、各種の工具部品として広く実用されている。しかしな
がら、被覆超硬合金は、硬質で脆弱な被覆層に起因して
、耐欠損性が低下してしまうという問題がある。この問
題を解決するものとして、超硬合金の表面を軟質層にし
、この軟質層の表面に硬質被覆層を形成した被覆超硬合
金が多数提案され、これらの内で、実用化されているも
のもある。

（発明が解決しようとする問題点） 超硬合金の表面を軟質層にしたものの１代表的なものに
、特開昭５３−１３１９０９号公報及び特開昭５５−８
３５１７号公報がある。これらの内、特開昭５３−１３
１９０９号公報は、超硬合金と硬質被覆層との間に、超
硬合金より靭性に富むと共に軟質で、しかも硬質被覆層
側から超硬合金側に向か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たことを特徴とするも
のであり、特開昭５５−８３５１７号公報は、超硬合金
の表面から５〜１００　Ｂｍの厚さに亘って、内部硬さ
よりビッカース硬さで５〜５０％低い硬さの軟質層を有
することを特徴とするものである。この両公報の発明は
、超硬合金の表面に内部よりも硬さの低い軟質層を有し
ていることにより、脆性な、硬質被覆層に端を発したク
ラックの内部伝播を抑止し、もって軟性の向上を達成さ
せたものである。しかしながら、これらの軟質層を有す
る超硬合金の表面に硬質被覆層を形成してなる被覆超硬
合金を、特に高速切削又は高送り切削もしくは断続切削
などの切削工具部品に使用すると、耐欠損性が向上する
ものの、同時に耐摩耗性及び耐塑性変形性が低下するこ
と、及び切刃のチッピングや被覆層の剥離などが生じ易
いことにより短寿命であ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、超硬合金の表面部の結合相量を制御し、その表
面に最適な硬質被覆層を形成してなる耐欠損性、耐摩耗
性、１１ｉＦｔ塑性変形性、耐熱衝撃性及び被弼層の耐
剥離性にすぐれた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、被覆超硬合金の使用領域の中でも、特に
厳しい切削条件において、被覆超硬合金の切削工具部品
の寿命向上について検討していた所、−見相反すると思
われる耐欠損性と耐摩耗性及び耐塑性変形性とを同時に
満足させうる合金Ｍ１織構造が可能であり、それにより
切削工具部品の寿命向上が達成されうるという知見を得
たのである。すなわち、被覆超硬合金の耐欠損性は、被
覆層に生じたき裂が超硬合金の内部に進展することを防
ぐことにより向上し、この場合、き裂の発生した初期段
階で、き裂進展を阻止するのがよく、そのためには超硬
合金の最表面の結合相量を最大にすることが最も効果的
であるという第１の知見を得たのである。また、被覆超
硬合金の＃塑性変形性は、超硬合金の表面近辺の結合相
量に影響されるが、この場合、最表面のみでなく、所定
の深さにわたる領域全体が同時に変形するため必ずしも
最表面の結合相量には影響されず、変形領域全体の結合
相量、すなわち変形領域における平均の結合相量で左右
されるという第２の知見を得たのである。さらに、被覆
超硬合金の＃摩耗性は、被覆層の＃摩耗性に左右される
もので、実際には、被覆層の耐剥離性に関連し、この場
合、主として塑性、変形性に影響を受けることから、上
述と同様になるという第３の知見を得たのである。

これらの第１、第２及び第３の知見に基づいて本発明を
完成するに至ったものである。

本発明の高強度被覆超硬合金は、周期律表の４ａ、５ａ
、６ａ族金屈の炭化物、窒化物及びこれらの相互固溶体
の中の少なくとも１種の硬質相と、残りＦｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏの中の少なくとも１種の結合相と不可避不純物とでな
る焼結合金の表面に単層もしくは多重層の硬質被覆層を
形成してなる被覆超硬合金において、前記超硬合金中の
前記結合相は、前記硬質被覆層と接する面で最大の結合
相量となり、前記超硬合金の内部に向かって連続的に減
少して最小の結合相量となった後、再び増加して前記超
硬合金の内部の平均結合相量にな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は、超硬合金の表面に硬質
被覆層を形成した合金であり、この内、超硬合金が炭化
タングステンの硬質相と鉄族金属の結合相とからなる場
合、又は炭化タングステンと周期律表の４ａ、５ａ、６
ａ族金属（Ｗを除く）の炭化物、窒化物もしくは周期律
表の４ａ。

５ａ、８ａ族金属の炭化物、窒化物の相互固溶体の中の
少なくとも１種の硬質相と鉄族金属の結合相とからなる
場合でもよい、特にｌｉｉ！質相が炭化タングステンの
第１硬質相と周期律表の４ａ。

５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物の相互固溶体でなる
窒素含有の立方晶系化合物の第２硬質相とでなり、この
第１硬質相と第２＠質相と結合相とからなる超硬合金の
場合には、超硬合金の表面部の結合相量を上述の構成に
制御し易くなり、耐欠損性にもすぐれることから好まし
いことである。

また、超硬合金の表面部が第１硬質相と結合相。

又は第１硬質相と結合相と超硬合金の内部に存在する第
２硬質相の量よりも少ない第２硬質相とでなる。所謂第
２硬質相の貧化してなる表面層をも存在させると耐欠損
性がよりすぐれることから好ましいことである。この場
合、超硬合金の表面部における結合相量と第２硬質相の
貧化してなる表面層との位置関係は、代表例として、第
１図、第２図、第３５及び第４図に大別できる。これら
の図を詳細に説明すると、縦軸が結合相量を表わし、横
軸が超硬合金の表面からの深さを表わし、横軸の０点が
超硬合金の表面、すなわち硬質被覆層と接する面で、最
大の結合相量になっている面であり、横軸の０点からａ
点までが第２硬質相の貧化してなる表面層であり、横軸
のｂ点が最小の結合相量の面であり６横軸の０点が超硬
合金の内部の起点で、平均結合相量に達する面である。

この内、特に衝撃力が強く加わる、例えばフライス切削
、断続切削などの切削工具部品として用いる場合は、最
大の結合相量の面（０点）から内部に向かって最小の結
合相量の面（ｂ点）までの間に第２硬質相の貧化してな
る表面層があるような第１Ａ又は第２図に示すＭ成にす
ると、特に切削工具部品として用いた場合に耐欠損性が
著しくすぐれることから最も好ましいことである。

本発明の高強度被覆超硬合金を構成するための超硬合金
は、最大の結合相量が平均結合相量の１２０〜５００％
である場合、特に耐摩耗性及び硬質被覆層からのクラッ
クの伝播を阻止して耐欠損性を高める効果にすぐれてい
て、好ましいものである。また、超硬合金の表面部の最
小の結合相量は、平均結合相量の２０〜８０％である場
合が、特に耐塑性変形性及び耐欠損性を高める効果にす
ぐれていて、好ましいものである。

既に述べてきた超硬合金中に存在する第２硬質相として
は、具体的には１例えばＴｉＮ。

ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ）。

Ｚ　ｒ　（Ｃ、Ｎ）　　、　Ｈｆ　（Ｃ、Ｎ）　。

Ｖ　（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ　、Ｚｒ）Ｎ。

（Ｔｉ　、Ｖ）Ｎ、（Ｔｉ　、Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）。

（Ｔｉ　、Ｔａ、Ｗ）（Ｃ，Ｎ）。

（Ｔｉ、Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）。

（Ｔｉ　、Ｔａ、Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）。

（Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）（Ｃ，Ｎ）などの窒素含有の
立方晶系化合物とＴａＣ、ＮｂＣ。

（Ｔｉ　、　Ｔａ　、Ｗ）　Ｃ、（Ｔｉ　、Ｗ）　Ｃ。

（Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）Ｃなどノ炭化物系化合物を挙
げることができるが、超硬合金の表面部に第２硬質相・
を貧化してなる表面層を形成するときには窒素含有の立
方晶系化合物からなるｉ２硬質相の存在する超硬合金を
用いると、表面層を容易に形成できることから好ましい
ことである。また、窒素含有の立方晶系化合物からなる
第２硬質相が、特に（Ｔ　ｉ　、　Ｔａ　、　Ｗ）　　
（Ｃ、Ｎ）で表わせる炭窒化チタン・タンタル・タング
ステン又は（Ｔｉ　、Ｔａ　、Ｎｂ　、Ｗ）（Ｃ、Ｎ）
　で表わせる炭窒化チタン−タンタル・ニオブ拳タング
ステンなどの固溶体である場合は、合金の強度がすぐれ
るので好ましいことである。

上述の硬質相と結合相とでなる超硬合金の表面に形成さ
せる硬質被覆層は、周期律表の４ａ。

５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭酸化物。

窒酸化物及び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、ｍ窒化アルミニウム、窒化ケイ
素、炭化ケイ素などを挙げることがでさる。

超硬合金の表面の結合相量が最大である場合は、結合相
の硬質被覆層中への拡散移動が容易になる傾向にある。

そこで、硬質被覆層中には、結合相の硬質被覆層中への
拡散移動を阻止させる効果のある周期律表の４ａ族金属
の炭酸化物、窒酸化物又は炭窒酸化物を少なくとも含有
していることが好ましいものである。

特に、本発明の高強度被覆超硬合金における硬質被覆層
は、超硬合金に隣接する第１硬質被覆層を炭化チタン又
は炭窒化チタンにすると硬質被覆層と超硬合金との接若
強度にすぐれ、この第１硬質被覆層に隣接する第２硬質
被覆層を炭酸化チタン、窒酸化チタン又は炭窒酸化チタ
ンにすると、超硬合金の表面部の結合相の硬質被覆層中
への拡散移動を防止できる。このために、第１硬質被覆
層と第２硬質被覆層とを少なくとも形成してなる多重層
からなる硬質被覆層が好ましいものである。

本発明の高強度被覆超硬合金を製造する方法として、ま
ず、超硬合金の表面部の結合相の分布は、合金を通常の
方法により焼結後、必要であれば表面を研摩した後、固
液共存温度域で、Ｃ）（４、Ｃ，Ｈ４＋）（７などの浸
炭ガスにより浸炭させて表面部の結合相を内部に移動せ
しめた後。

ＣＯ２＋Ｈ２、ＣＯ２＋Ｈ２０、Ｈ２＋Ｈ２０などの脱
炭性ガスにより脱炭して、逆に表面に向かって結合相を
移動させることにより得ることができる。その後、通常
の化学蒸着法又は物理蒸着法により超硬合金の表面に硬
質被覆層を形成すればよい。

（作用） 本発明の高強度被覆超硬合金は、超硬合金の表面部中に
存在する結合相の構成状態、特に最大の結合相量の面が
硬質被覆層中に発生したクラックの超硬合金内部への伝
播を阻止する役割を果たしており、又最大の結合相量の
面から連続的に減少して最小の結合相量の面になる結合
相の構成状態が、特に耐摩耗性及び耐塑性変形性を高め
る作用をし、この超硬合金の表面郡全体における結合相
の構成状態により耐欠損性及び耐熱衝撃性を著しく高め
ているものである。また、本発明の高強度被覆超硬合金
は、特に超硬合金の表面部に合わせた硬質被覆層を構成
することにより、超硬合金の表面部と硬質被覆層とのそ
れぞれの役割を最大に発揮することができ、それによっ
て、＃摩耗性、耐欠損性及び硬質被覆層の耐剥離性を高
めているものである。

（実施例） 実施例１ 市販の各種原料粉末（平均粒径０．７〜３．０４ｍ）を
用いて、８９％ＷＣ−２％Ｔｉｃ−３％ＴａＣ−１％Ｎ
ｂＣ−５％Ｃｏ（重量％）組成に配合し、常法の製法に
したがってＴＮＭＮ３３２形状の試料を真空焼結により
作成した。その後、１３３０℃において、まず２０％Ｃ
Ｈａ　−８０％Ｈ２（体積％、以以下口）混合ガス、３
０Ｔｏｒｒ中で１０分間保持して浸炭した後、同温度で
１０％ＣＯ２−９０％Ｈ２混合ガス、ｉ。

Ｔｏｒｒ中で５分間保持して脱炭し、炉冷した。

処理後、試料断面におけるＣｏｎを表面からの深さの関
数でＥＰＭＡ分析したところ、Ｃｏｌは試料の最表面で
最大となり、内部の２００％を示し、内部に向かって連
続的に減少し、表面より１８０４、ｍの深さで最小値を
示し、このときＣ。

量は内部の７０％であった（本発明試料Ａ）、この他、
比較試料として、焼結後、浸炭、脱炭処理を行なわない
もの（比較試料Ｂ）、上記と同じ条件で脱炭処理のみ行
なったもの（比較試料Ｃ）も作成した。比較試料Ｂは表
面から内部にわたってＣｏ量に変化はなく、比較試料Ｃ
は、最表面でＣｏ量が最大となり、その値は内部の３０
０％を示したが、内部に向かって連続的に減少し、最小
値は存在しないものであった。

ついで、上記各試料の表面に化学蒸着法により、ＴｉＣ
層をｌｐｍ、Ｔｉ　　（Ｃ，Ｎ、Ｏ）層を４　ｇｍ　、
Ａｉｚ　０３層を１　μｍ　、　Ｔ　ｉ　Ｎ層をｌトｍ
順次被覆して、被覆超硬合金試料を得た。これらについ
て下記に示す条件で外周旋削による耐欠損性試験および
耐摩耗性試験を行ない、第１表に示す結果を得た。

（１）＃欠損性試験 被削材　　　５４８Ｃ（Ｈｅ　２５５）等間隔４本スロ
ット人 切削速度　　１００■／履ｉｎ 切込み量　　１．５層厘 送り速度　　０　、３　ａｒｍ／ｒｅｖ切削油　　　な
しく乾式切削） （２）＃摩１毛性試験 被削材　　　Ｓ　４８　Ｃ（Ｈｅ２６０）切削速度　　
１８０　ｍ／ｗｉｎ 切込み量　　１．５１ｍ 送り速度　　０　、２４ｍｍ１ｒｅｖ 切削油　　　なしく乾式切削） 第　　　　　１　　　　　表 実施例２ 市販の各種ｙＸ料粉末を用いて、８６％ＷＣ−４％Ｔ　
ｉ　Ｃ−１％ＴｉＣＮ−３％ＴａＣ−５％Ｃ０−１％Ｎ
＋（重量％）組成に配合し、常法の製法にしたがってＳ
ＮＭＮ４３２形状の試料を真空焼結により作成した。こ
れら試料は、表面から２５ｐｍの深さで複炭窒化物相（
第２硬質相）が貧化した表面層を有しており、結合相量
は、表面より１５ｐｍ深さで最大（内部値の１３０％）
を示し、さらに６０ｇｍの深さで最小（内部値の８０％
）を示す分布を有していた（比較試料Ｄ）。その後、１
３４５℃において１０％Ｃ）（４−９０％ＣＯ混合ガス
、４ＯＴｏ　ｒ　ｒ中で８分間保持して浸炭した後、同
温度で１０％ＣＯ２−９０％ＣＯ混合ガス、２ＯＴｏｒ
ｒ中で３分間保持してして脱炭し、炉冷した。このとき
の結合相量は、試料表面で最大（内部値の３００％）、
その後連続的に減少して表面より１３０ｇｍの深さで最
小（内部値の４５％）を示した。そしてより内部では再
び増加した（本発明試料Ｅ）、この他、比較試料り表面
から３００　ｇｍの深さまで研削して除去した試料（比
較試、ＭＦ）を加えて、化学蒸着法により、ＴｉＣ層を
１戸ｍ、ＴｉＮ０居を３ｇｍ、Ａｌ（０，Ｎ）層をｌＩ
Ｌｍ、ＴｉＮ層をｌｐｍの硬質被覆層を各試料の表面に
形成し、実施例１と同じ条件で切削性能を評価したとこ
ろ、第２表に示す結果を得た。

第　　　　　２　　　　　表 （発明の効果） 以上の結果１本発明の高強度被覆超硬合金は、表面部に
最大の結合相量の存在しない超硬合金に硬質被覆層を形
成してなる従来の被覆超硬合金と比較すると、耐摩耗性
がほぼ同等で、耐欠損性が約２．３倍も向上しており、
表面部に最大の結合相量の面が存在するけれども最小の
結合相量の面が存在しない超硬合金に硬質被覆層を形成
してなる従来の被覆超硬合金と比較すると、耐欠損性が
ほぼＩ？７１等で、耐摩耗性が約２倍も向上していると
いう効果がある。特に、窒素を含有した超硬合金の表面
部に表面層を形成してなる本発明の高強度被覆超硬合金
は１表面層を有している超硬合金の表面に硬質被覆層を
形成してなる従来の被覆、ｔ１１重合金と比較すると、
耐摩耗性がほぼ同等で。

耐欠損性が約１．８倍も向上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は、耐摩耗
性及び耐欠損性にすぐれていて、特に切削工具部品とし
て用いると長寿命になり、産業上有用な合金である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、ｔＪＳ３図及び第４図は、本発明の高
強度被覆超硬合金における超硬合金の表面からの深さと
結合相量との関係図である。第１図は、超硬合金の最大
結合相量の表面（０点）から最小結合相量の面（ｂ点）
との間までに表面層の存在する場合を示す。 第２図は、超硬合金の最大結合相量の表面（０点）から
最小結合相量の面（ｂ点）までの開会てに表面層の存在
する場合を示す。 第３図は、超硬合金の最大結合相量の表面（０点）から
最小結合相量の面（ｂ点）と、内部の起点面（０点）と
の間までに表面層の存在する場合を示す。 第４図は、超硬合金の最大結合相量の表面（０点）から
内部の起点面（０点）までの開会てに表面層の存在する
場合を示す。 特許出願人　東芝タンガロイ株式会社 第１図　　　　３ 第２図 池、硬沓全の東面ガらの３’１５ □３図　　　　方 第ヰ図 滝砿＋牛の嚢面カ゛らの塚さ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）周期律表の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種の硬
   質相と、残りＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの中の少なくとも１種の
   結合相と不可避不純物とでなる超硬合金の表面に単層も
   しくは多重層の硬質被覆層を形成してなる被覆超硬合金
   において、前記超硬合金中の前記結合相は、前記硬質被
   覆層と接する面で最大の結合相量となり、前記超硬合金
   の内部に向かって連続的に減少して最小の結合相量とな
   った後、再び増加して前記超硬合金の内部の平均結合相
   量になることを特徴とする高強度被覆超硬合金。
2. （２）上記超硬合金は、上記硬質相が炭化タングステン
   の第１硬質相と周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭
   化物、窒化物の相互固溶体でなる窒素含有の立方晶系化
   合物の第２硬質相とからなり、かつ該超硬合金の表面部
   が上記最大の結合相量の面から内部に向かって上記最小
   の結合相量の面までの間で第２硬質相を貧化してなる表
   面層を有す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。
3. （３）上記最大の結合相量は、上記平均結合相量の１２
   ０〜５００％であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項記載の高強度被覆超硬合金。
4. （４）上記最小の結合相量は、上記平均結合相量の２０
   〜８０％であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   、第２項又は第３項記載の高強度被覆超硬合金。
5. （５）上記硬質被覆層は、上記超硬合金に隣接する第１
   硬質被覆層が炭化チタン又は炭窒化チタンでなり、該第
   １硬質被覆層に隣接する第２硬質被覆層が炭酸化チタン
   、窒酸化チタン又は炭窒酸化チタンでなり、該第１硬質
   被覆層と該第２硬質被覆層とを少なくとも形成してなる
   多重層であることを特徴とする特許請求の範囲第１項、
   第２項、第３項又は第４項記載の高強度被覆超硬合金。