WO2012144502A1

WO2012144502A1 - 複合体

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Publication number: WO2012144502A1
Application number: PCT/JP2012/060396
Authority: WO
Inventors: 崇梅村
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-10-26
Anticipated expiration: 2013-10-18
Also published as: JP2014131819A

Abstract

本発明は、ｃＢＮ焼結体と硬質合金が強固に接合した複合体を提供することを目的とし、ｃＢＮ：２０～１００質量％、およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、これら金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる結合相：０～８０質量％からなるｃＢＮ焼結体と、硬質合金と、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との間にある接合層とからなり、接合層はセラミックス相と金属相とからなり、接合層の厚さは２～３０μｍである複合体を提供する。

Description

複合体

本発明は、ｃＢＮ焼結体（立方晶窒化硼素焼結体）と硬質合金とが強固に接合してできた複合体に関するものである。

ｃＢＮ焼結体は非常に硬く熱伝導率が高い材料であり、その特徴を生かして切削工具などに用いられている。ｃＢＮ焼結体を製造するためには大規模な超高圧高温発生装置を必要とするので、ｃＢＮ焼結体は非常に高価である。そのため超硬合金基材の切削に関与する部位のみにｃＢＮ焼結体をろう付けしたｃＢＮ工具が使用されてきた。しかしながら、ろう付けによる接合では接合強度に難点があり、特に高温での強度が要求されるような切削においては十分な強度が得られないという問題があった。

ろう付けを行わずにｃＢＮ焼結体と基材を接合する方法としては、超硬合金又は工具鋼の母材と高硬度硬質合金の切刃部分の間にチタン箔を介在させた状態でプラズマ放電焼結法により一体焼結接合して形成させてなることを特徴とする切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。また、１対の立方晶窒化硼素焼結体の接合面に、０．０１～１μｍのＴｉの膜を形成し、次に０．０１～１μｍのＣｕ膜を形成した後、厚さ１０～１０００μｍのＡｇ，ＣｕおよびＩｎからなる三元系合金箔を、前記立方晶窒化硼素焼結体の接合面で挟み、得られたものを、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中において、Ａｇ，ＣｕおよびＩｎからなる三元系合金の融点以上７５０度以下の温度に加熱することを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体の接合方法がある（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、これらの接合方法は、金属箔よりできた中間層が厚く、中間層の強度が低いので、ｃＢＮ焼結体と基材との接合強度が低いという問題がある。

特開平８－１６８９０５号公報特許第２５５７４００号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ｃＢＮ焼結体と硬質合金とが強固に接合した複合体を提供することを目的とする。

本発明者がｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合について研究を行ったところ、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との間に、セラミックス相と金属相とからなる厚さ２～３０μｍの接合層を形成すると、ｃＢＮ焼結体と硬質合金が強固に接合することを見出した。すなわち、本発明の複合体は、ｃＢＮ：２０～１００質量％、およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、これら金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる結合相：０～８０質量％からなるｃＢＮ焼結体と、硬質合金と、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との間にある接合層とからなり、接合層はセラミックス相と金属相とからなり、接合層の厚さは２～３０μｍであることを特徴とする。なお、本発明でいうｃＢＮ焼結体とは、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）以外の窒化硼素（例えば、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ））を実質的に含有しない焼結体をいう。また、実質的に含有しないとは、窒化硼素（ＢＮ）がほぼｃＢＮから成ることを意味し、具体的には、ｃＢＮ焼結体をＸ線回折測定したときに、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）以外の窒化硼素（例えば、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ））のＸ線回折ピークが観察されないｃＢＮ焼結体である。

本発明の複合体は、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合強度が高いという効果を奏する。本発明の被覆複合体は、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合強度が高く、被膜と複合体との密着性が高いという効果を奏する。

本発明の複合体の断面組織の一例を示す概念図である。

本発明の硬質合金は、切削工具として使用される硬質合金であれば特に限定されないが、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷから選択される少なくとも１種の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる硬質相：５０～９７質量％と、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を主成分とする結合相：３～５０質量％とからなる硬質合金が挙げられる。本発明の硬質合金の硬質相として具体的には、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）、ＺｒＣ、Ｚｒ（Ｃ，Ｎ）、ＮｂＣ、Ｍｏ_２Ｃ、（Ｔａ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔａ，Ｎｂ，Ｈｆ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｗ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｗ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ）Ｃ、（Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ）（Ｃ，Ｎ）などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。これらの中でも、ＷＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ）を用いることが好ましく、更に好ましくはＷＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）である。また、本発明の硬質合金の結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を主成分とする金属である。本発明の硬質合金の結合相は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を結合相全体に対して７０～１００質量％含むが、主成分のＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ以外にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣおよびＮから成る群より選択される少なくとも１種を結合相全体に対して０～３０質量％の量で含んでもよい。これらの中でも、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を結合相全体に対して８５～９４質量％含有し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣおよびＮから成る群より選択される少なくとも１種を結合相全体に対して６～１５質量％含有するものである。

本発明のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ（立方晶窒化硼素）：２０～１００質量％、およびｃＢＮ以外の残部として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、これら金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる結合相：０～８０質量％からなるｃＢＮ焼結体である。本発明のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ：２５～９９質量％、結合相：１～７５質量％からなるものが好ましく、更に好ましくはｃＢＮ：３０～９５質量％、結合相：５～７０質量％からなるものである。本発明のｃＢＮ焼結体の結合相として具体的には、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｔｉ_２ＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｍｏ_２Ｃ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＷＣ、ＷＢ、Ｗ_２Ｂ、ＢＣｏＷ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉなどを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。なお、ＢＣｏＷと記載されたものは、Ｂ、ＣｏおよびＷの化合物を意味しており、ＢＣｏＷ、Ｂ_２ＣｏＷ_２、Ｂ_３ＣｏＷ_３、Ｂ_６Ｃｏ_２１Ｗ_２、Ｂ_６ＣｏＷ_３、Ｂ_１０ＣｏＷ_９などが包含される。これらの中でも、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｔｉ_２ＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、ＷＢ、Ｗ_２Ｂ、ＢＣｏＷ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉを使用することが好ましい。

本発明の接合層は、厚さ２～３０μｍである。接合層の厚さが２μｍ未満では安定した接合強度を得ることができず、接合層の厚さが３０μｍを超えて厚くなると接合強度が低下することから、接合層の厚さを２～３０μｍとした。その中でも厚さ１０～２０μｍが好ましい。本発明の接合層は接合界面に対してできるだけ厚さが均一に形成されることが好ましい。

本発明の接合層は、セラミックス相と金属相とからなる。本発明の接合層のセラミックス相は、金属元素と炭素、窒素、酸素および硼素の中の少なくとも１種とからなる化合物であり、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物、炭硼化物、窒硼化物、硼酸化物、炭窒硼化物、炭酸硼化物、窒酸硼化物、炭窒酸硼化物およびこれらの相互固溶体などを挙げることができる。また、本発明の接合層の金属相は、金属結合している相であり、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属単体、これらの金属単体の２種以上からなる合金（金属間化合物も含む）、これらの金属単体や合金に炭素、窒素、酸素、硼素などが固溶した金属などを挙げることができる。その中でも、本発明の複合体の断面組織を観察したときに、本発明の接合層が、Ｔｉの炭化物およびＴｉの炭窒化物の１種または２種からなるセラミックス相：接合層全体に対して１０～８０面積％と、Ｔｉを主成分とする金属相：接合層全体に対して２０～９０面積％とからなると、接合層自体の強度が増し、接合強度が向上するため、好ましい。本発明の接合層におけるＴｉを主成分とする金属相は、Ｔｉを金属相全体に対して５０～１００質量％含有する金属相であり、Ｔｉ以外の残部としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃ、Ｂ、ＯおよびＮから成る群より選択された少なくとも１種を０～５０質量％含有してもよい。その中でも、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を含有するＴｉを主成分とする金属相であると接合強度が高くなるのでさらに好ましい。具体的には、Ｔｉ：金属相全体に対して５０～９９．５質量％と、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：金属相全体に対して０．５～５０質量％と、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃ、Ｂ、ＯおよびＮから成る群より選択された少なくとも１種：金属相全体に対して０～４９．５質量％とからなる金属相を挙げることができる。その中でも、Ｔｉ：金属相全体に対して８５～９９．５質量％と、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：金属相全体に対して０．５～５質量％と、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃ、Ｂ、ＯおよびＮから成る群より選択された少なくとも１種：金属相全体に対して０～１４．５質量％とからなる金属相であると接合強度が向上するので、さらに好ましい。

本発明の接合層は、硬質合金とｃＢＮ焼結体との間に金属箔を挟み、圧力をかけて高温にすると得られる。接合層のセラミックス相は、硬質合金に含まれるＣ、Ｎが金属箔に拡散し、金属箔の金属成分とＣ、Ｎとが反応して形成すると考えられる。金属箔はセラミックス相を形成するものであれば特に制限されないが、高硬度の炭化物、炭窒化物が形成しやすいＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗおよびこれらの相互固溶体から成る群から選択された少なくとも１種の金属箔からなると好ましい。その中でもＴｉを主成分とする金属箔がさらに好ましく、その中でもＴｉ箔がさらに好ましい。

本発明品の断面組織をＳＥＭで観察すると、図１に示すようなセラミックス相が硬質合金側に分布した接合層が観察される。本発明の接合層におけるセラミックス相粒子は針状であると接合強度が高くなるので、好ましい。具体的には、セラミックス相粒子について、（（粒子の長軸の長さ）／（粒子の長軸と直交する方向の短軸の長さ））の比が最大値となる値をアスペクト比とすると、セラミックス相粒子のアスペクト比の平均値が５以上１２以下であると接合強度がさらに高くなるので好ましい。その中でも長軸の長さの平均値が１μｍ以上３０μｍ以下で、アスペクト比の平均値が５以上１２以下であり、Ｔｉの炭化物およびＴｉの炭窒化物の１種または２種からなるセラミックス相であると、さらに好ましい。

接合層におけるセラミックス相粒子のアスペクト比の平均値は断面方向における組織写真から測定することができる。具体的には、接合した複合体の接合面の表面に対して垂直な方向に切断または研削し、その切断面または研削面を鏡面加工し、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて例えば１０００～５０００倍で接合層を観察する。断面組織から観察される接合層のセラミックス相粒子について、（（粒子の長軸の長さ）／（粒子の長軸と直交する方向の短軸の長さ））の比が最大値となる値を粒子のアスペクト比とし、その平均値を求めることができる。本発明の接合層の厚さについても、ＳＥＭにて得た断面写真から測定することができる。

本発明の複合体の製造方法としては、例えば、以下の方法を挙げることができる。まず、ｃＢＮ焼結体と硬質合金と金属箔を用意する。ｃＢＮ焼結体と硬質合金をそれぞれ鏡面研磨する。金属箔の厚さは１０～４０μｍにすると好ましい。これは、金属箔の厚さが１０μｍ未満であると接合層の厚さが２μｍ未満になりやすく、金属箔の厚さが４０μｍを超えて厚くなると接合層の厚さが３０μｍを超えて厚くなりやすいためである。本発明の金属箔の厚さについてはマイクロメーターで測定することができる。ｃＢＮ焼結体と硬質合金をアセトンなどの有機溶剤で脱脂と洗浄を十分に行った後、金属箔をｃＢＮ焼結体と硬質合金とで挟み、ホットプレスなどの装置を用い、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の接合圧力になるように荷重をかけて、例えば、真空中、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中またはアルゴン窒素混合ガス雰囲気中にて１０００～１２５０℃で２０～９０分間保持した後、冷却する。これにより硬質合金の成分、例えば、Ｃ、Ｎなどが金属箔中に拡散し、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭窒化物などのセラミックス相が金属箔中に形成する。このようにして得られたセラミックス相と金属相とからなる接合層を介してｃＢＮ焼結体と硬質合金は強固に接合する。なお、接合圧力は、９００ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えて高くなると、硬質合金が塑性変形し、形状変化が大きくなりすぎるので、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２～９００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲が好ましく、接合圧力が１００ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えて高くなると、大掛かりなプレス装置となるため、実用的には、接合圧力は０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２～１００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲がさらに好ましく、その中でも０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２～３０ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲がさらに好ましい。また、本発明の接合層にはｃＢＮ焼結体の成分が固溶しても好ましい。なお、本発明の接合層を介して、硬質合金にｃＢＮ焼結体の成分が拡散し、ｃＢＮ焼結体に硬質合金の成分が拡散しても好ましく、さらに強固な接合が可能となる。

接合時の温度は、１２５０℃を超えて高くなるとｃＢＮが脆弱なｈＢＮ（六方晶窒化硼素）に相変態するため接合強度が低下する。一方、接合時の温度が、１０００℃未満になると、接合層が形成されにくく、接合層が形成されるまで時間がかかるので経済的に不利となる。また、保持時間が２０分未満であると接合層が安定して形成されにくくなり、保持時間が９０分を超えて長くなると接合は可能であるが経済的ではない。そのため、接合時の接合温度は１０００～１２５０℃、保持時間は２０～９０分間とすることが好ましい。その中でも、接合温度が１０５０～１１５０℃、保持時間は３０～６０分間であるとさらに好ましい。

接合するための装置としては前記ホットプレスに限らず、真空中もしくは不活性ガス中で昇温可能な装置であればいかなるものでもよい。硬質合金とｃＢＮ焼結体とを固定するために荷重をかけると好ましいが、昇温前に冶具などで硬質合金とｃＢＮ焼結体とを固定して昇温し、本発明の複合体を作製することも好ましい。また、ホットプレスなどで高い荷重をかけて昇温すると、硬質合金が極微小に塑性変形してｃＢＮ焼結体との密着度が増し、その結果、低温かつ短時間で接合することが可能となるので、より好ましい。

本発明の複合体の表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法などにより被膜を被覆すると、耐摩耗性をさらに向上させることができる。本発明の複合体は、ろう付けされた従来のｃＢＮ工具よりも高温で被覆することが可能であり、そのため、本発明の被覆複合体は従来の被覆ｃＢＮ焼結体よりも被膜と複合体との密着性を高くすることができる。本発明における被膜は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉから成る群より選択された少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる。本発明の被膜として具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などを挙げることができる。被膜は単層または２層以上の積層のいずれで構成されても好ましい。被膜の少なくとも１層は組成が異なる平均膜厚５～２００ｎｍの薄膜を交互に積層した交互積層膜でも好ましい。被膜全体の総膜厚は平均膜厚で、０．３μｍ未満であると耐摩耗性を向上させる効果が小さく、２５μｍを超えて厚くなると耐欠損性が低下する傾向がみられることから、被膜全体の総膜厚は平均膜厚で０．３～２５μｍであると好ましい。なお、被膜は従来からあるＣＶＤ法、ＰＶＤ法によって被覆できる。

本発明の複合体は、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合強度が高いので、切削工具として用いると優れた切削性能を示す。切削工具として具体的には、旋削用工具、フライス用工具、ドリル、エンドミルなど挙げることができる。ろう付けの接合強度が問題となるような過酷な使用条件下においても、本発明の切削工具用複合体は使用可能であり、本発明の切削工具用複合体は優れた切削性能を示す。また、本発明の被覆複合体は、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合強度が高く、被膜と複合体との密着性が高いので、切削工具用被覆複合体は優れた切削性能を示す。

表１に示す組成を持つ直径３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円盤状のｃＢＮ焼結体と、表２に示す組成を持つ直径３０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍの円盤状の硬質合金と、表３に示す厚さを持つＴｉ箔を用意した。ｃＢＮ焼結体および硬質合金について接合する面を、ダイヤモンド砥粒などを用いて鏡面研磨し、すべての試料をアセトン中で１０分間超音波洗浄を行った。その後、ホットプレス装置を用いて、ｃＢＮ焼結体と硬質合金の間にＴｉ箔を挟み、試料の位置がずれないように表４に示す接合圧力になるように荷重をかけながら、真空中にて室温から表４に示す接合温度まで昇温し、表４に示す接合圧力、接合温度および保持時間で保持した後、冷却した。冷却後に荷重を下げてｃＢＮ焼結体と硬質合金とを接合した複合体を得た。

得られた複合体から１０×１０×４．５ｍｍの組成分析用試験片および１０×１０×４．５ｍｍのトルク試験片をワイヤカットにて切り出した。接合層の厚さとセラミックス相のアスペクト比はＳＥＭを用いて１０００～５０００倍に拡大して測定した。接合層の組成はＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）により分析した。また、断面組織から、接合層のセラミックス相と金属相の面積率を測定した。また、断面組織から接合層のセラミックス相の形状、アスペクト比、長軸の長さを測定した。トルク試験は市販のトルク試験機を用い、硬質合金側を固定し、ｃＢＮ焼結体側からトルクをかけ、ｃＢＮ焼結体が剥離するトルク強度を測定した。各試料の接合層の厚さと組織は表５に示した。なお、表５の接合層の金属相の組成において、主要成分は個別に質量％を示したが、微量成分は合計した質量％を括弧の前に示し、括弧内に微量元素の元素名を示した。トルク強度は表６に示した。

表６より発明品はトルク強度が高いことが分かる。比較品１は接合温度が低く、十分に接合層が形成されなかったため、ほとんど接合できていなかった。比較品２はトルク強度が低かった。比較品２は接合層とｃＢＮ焼結体との界面で剥離したが、ｃＢＮ焼結体の剥離した面を少し研磨し、その研磨面をＸ線回折測定したところｈＢＮのＸ線回折ピークが観察された。これは、１３００℃と高温での接合であるためにｃＢＮ焼結体中のｃＢＮがｈＢＮに相変態したためと考えられる。すなわち、比較品２は硬さの高いｃＢＮが硬さの低いｈＢＮに相変態したため、トルク強度が低下したと考えられる。比較品３はＴｉ箔厚さが厚いため、接合層厚さも厚くなり、トルク強度が低下した。比較品４は、接合圧力が低く、加熱時の密着度が不十分であったため、接合界面に隙間が発生し、剥離した。比較品５は接合圧力が高く、接合中に硬質合金が塑性変形して接合することができなかった。比較品６はトルク強度が低かった。比較品６は接合層とｃＢＮ焼結体との界面で剥離したが、ｃＢＮ焼結体の剥離した面を少し研磨し、その研磨面をＸ線回折測定したところｈＢＮのＸ線回折ピークが観察された。これは比較品２と同様に、接合温度が高く、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮがｈＢＮに相変態し、トルク強度が低下したためと考えられる。比較品７は保持時間が短く、十分に接合層が形成されなかったため、トルク強度が低下した。

組成が６０質量％ｃＢＮ－４０質量％結合相（結合相の組成：ＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ）である直径３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円盤状のｃＢＮ焼結体と、組成が８９質量％ＷＣ－１１質量％結合相（結合相の組成：９５質量％Ｃｏ－４質量％Ｗ－１質量％Ｃ）である直径３０ｍｍ、厚さ４．０ｍｍの円盤状の硬質合金を用意し、これらの接合する面をダイヤモンド砥粒などを用いて鏡面研磨した。また、厚さ２０μｍのＴｉ箔を準備した。これらの試料をアセトン中で１０分間超音波洗浄を行った。その後、ホットプレス装置を用いて、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との間にＴｉ箔を挟み、試料の位置がずれないように圧力１ｋｇｆ／ｃｍ^２の荷重をかけながら、真空中にて室温から１１００℃まで昇温し、１１００℃の接合温度で３０分間保持した後、冷却した。冷却後に荷重を下げて、ｃＢＮ焼結体と硬質合金とを接合した複合体を得た。得られた複合体をワイヤカットにより切り出し、研削加工によりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状切削インサートに加工した工具１を作製した（発明品１相当品）。また、工具１の表面にＰＶＤ法により平均膜厚３μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）膜を被覆した工具２を作製した。比較品として、組成が６０質量％ｃＢＮ－４０質量％結合相（結合相の組成：ＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ）である直径３０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円盤状のｃＢＮ焼結体から、３×３×１．５ｍｍ形状に切り出し、従来のｃＢＮ工具と同様に超硬合金製基板にろう付けし、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状切削インサートに加工して工具３を得た。

工具１、２および３を用いて焼入鋼断続加工を行った。加工条件は切削速度Ｖｃ＝１００ｍ／ｍｉｎ、切り込みａｐ＝０．５ｍｍ、送りｆ＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、クーラントは無しとし、２本のＵ型スロットが入った丸棒を外径旋削加工した。その結果、工具３は切削時間８分でろう付け部から大きく欠損した。一方、工具１は切削時間２０分までは加工可能であったが、切削時間２０分でｃＢＮ焼結体にフレーキングが発生した。しかしながら、工具１はｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合面で剥がれることはなかった。工具２は切削時間２７分でｃＢＮ焼結体にフレーキングが発生したが、工具１と同様に接合面で剥がれることはなかった。以上のように、工具１は接合強度が高く切削工具として優れた性能を発揮し工具寿命を延長することができた。工具１の表面に被膜を被覆した工具２では、さらに工具寿命を延長することができた。一方、工具３は、切削初期にろう付け部から欠損した。

本発明によれば、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合強度が高い複合体、およびｃＢＮ焼結体と硬質合金との接合強度が高く、被膜と複合体との密着性が高い被覆複合体を得ることができる。本発明の複合体および被覆複合体は、切削工具として用いると優れた切削性能を示す。

　１　ｃＢＮ焼結体
　２　接合層のセラミックス相
　３　接合層の金属相
　４　硬質合金

Claims

ｃＢＮ：２０～１００質量％、およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、これら金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる結合相：０～８０質量％からなるｃＢＮ焼結体と、硬質合金と、ｃＢＮ焼結体と硬質合金との間にある接合層とからなり、接合層はセラミックス相と金属相とからなり、接合層の厚さは２～３０μｍである複合体。
接合層のセラミックス相がＴｉの炭化物およびＴｉの炭窒化物の１種または２種からなる請求項１に記載の複合体。
接合層のセラミックス相が針状である請求項１または２に記載の複合体。
接合層の金属相がＴｉを主成分とする金属からなる請求項１～３のいずれか１項に記載の複合体。
接合層の金属相がＣｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を含有するＴｉを主成分とする金属からなる請求項１～４のいずれか１項に記載の複合体。
接合層の金属相が、Ｔｉ：金属相全体に対して５０～９９．５質量％と、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：０．５～５０質量％と、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃ、Ｂ、ＯおよびＮから成る群より選択された少なくとも１種：金属相全体に対して０～４９．５質量％とからなる金属相である請求項１～５のいずれか１項に記載の複合体。
接合層の金属相が、Ｔｉ：金属相全体に対して８５～９９．５質量％と、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：金属相全体に対して０．５～５質量％と、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃ、Ｂ、ＯおよびＮから成る群より選択された少なくとも１種：金属相全体に対して０～１４．５質量％とからなる金属相である請求項１～６のいずれか１項に記載の複合体。
硬質合金は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷの炭化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる硬質相：５０～９７質量％と、残部として、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種を主成分とする結合相：３～５０質量％とからなる硬質合金である請求項１～７のいずれか１項に記載の複合体。
接合層が硬質合金と、ｃＢＮ焼結体との間に金属箔を挟み、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の接合圧力で、真空中、窒素ガス雰囲気中、アルゴンガス雰囲気中またはアルゴン窒素混合ガス雰囲気中にて１０００～１２５０℃で２０～９０分間保持することにより形成されたものである請求項１～８のいずれか１項に記載の複合体。
金属箔の厚さが１０～４０μｍである請求項９に記載の複合体。
金属箔がＴｉ箔である請求項９または１０に記載の複合体。
接合圧力が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２～９００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲である請求項９～１１のいずれか１項に記載の複合体。
接合圧力が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２～１００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲である請求項９～１２のいずれか１項に記載の複合体。
接合圧力が０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２～３０ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲である請求項９～１３のいずれか１項に記載の複合体。
接合温度が１０５０～１１５０℃、保持時間が３０～６０分間である請求項９～１４のいずれか１項に記載の複合体。
ｃＢＮ焼結体が、Ｘ線回折測定したときに、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）以外の窒化硼素のＸ線回折ピークが観察されないｃＢＮ焼結体である請求項１～１５のいずれか１項に記載の複合体。
請求項１～１６のいずれか１項に記載の複合体の表面に被膜を被覆した被覆複合体。
被膜は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなり、被膜全体の総膜厚は平均膜厚で０．３～２５μｍである請求項１７に記載の被覆複合体。
請求項１～１６のいずれか１項に記載の複合体を切削工具として用いる切削工具用複合体。
請求項１７または１８に記載の被覆複合体を切削工具として用いる切削工具用被覆複合体。