特開 2023-44197 被覆超微粒超硬合金，およびこれを用いた切削工具または耐摩耗部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023044197

(43)【公開日】2023-03-30

(54)【発明の名称】被覆超微粒超硬合金，およびこれを用いた切削工具または耐摩耗部材

(51)【国際特許分類】

   C22C 29/02 20060101AFI20230323BHJP

   C22C 1/051 20230101ALI20230323BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20230323BHJP

   B22F 5/00 20060101ALI20230323BHJP

   B22F 7/00 20060101ALI20230323BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20230323BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20230323BHJP

   B23B 51/00 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 14/08 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 14/32 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 16/32 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20230323BHJP

   C23C 16/40 20060101ALI20230323BHJP

【ＦＩ】

C22C29/02 E

C22C1/05 G

B22F3/24 102A

B22F5/00 F

B22F7/00 G

B22F1/00 Q

B23B27/14 A

B23B51/00 M

B23B51/00 J

B23B27/14 B

C23C14/06 B

C23C14/06 A

C23C14/06 H

C23C14/08 A

C23C14/34

C23C14/32

C23C16/32

C23C16/34

C23C16/36

C23C16/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021152099

(22)【出願日】2021-09-17

(71)【出願人】

【識別番号】302001240

【氏名又は名称】日本特殊合金株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001830

【氏名又は名称】弁理士法人東京ＵＩＴ国際特許

(72)【発明者】

【氏名】堤 友浩

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 真之

(72)【発明者】

【氏名】松原 秀彰

【テーマコード（参考）】

3C037

3C046

4K018

4K029

4K030

【Ｆターム（参考）】

3C037CC02

3C037CC09

3C046FF03

3C046FF10

3C046FF19

3C046FF22

3C046FF32

3C046FF39

3C046FF40

3C046FF46

3C046FF50

3C046FF53

3C046FF57

4K018AB01

4K018AB02

4K018AD03

4K018BA04

4K018BA20

4K018BB04

4K018DA31

4K018FA24

4K018KA15

4K018KA16

4K018KA18

4K018KA19

4K029AA02

4K029BA44

4K029BA54

4K029BA55

4K029BA58

4K029BD05

4K029CA03

4K029CA05

4K029EA01

4K030BA36

4K030BA38

4K030BA41

4K030BA43

4K030CA03

(57)【要約】

【課題】耐摩耗性に優れた工具等を提供する。
【解決手段】被覆超微粒超硬合金製ドリル１は，平均粒径が１．０μｍ以下であるＷＣを主成分とする硬質相を超微粒超硬合金全体に対して７０～９９．４ｗｔ％含み，Ｔｉの酸化物を焼結中に炭窒化させて生成されるＴｉ（Ｃ，Ｎ）を主成分とする粒成長抑制相を超微粒超硬合金全体に対して０．１～３０ｗｔ％含み，Ｃｏ，ＮｉおよびＦｅからなる群より選択される少なくとも１種類を主成分とする結合相を超微粒超硬合金全体に対して０．４～３０ｗｔ％含み，上記硬質相と粒成長抑制相と結合相との合計が１００ｗｔ％である超微粒超硬合金に硬質被膜がＰＶＤまたはＣＶＤによって被覆されたものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平均粒径が１．０μｍ以下であるＷＣを主成分とする硬質相を超微粒超硬合金全体に対して７０～９９．４ｗｔ％含み，
Ｔｉの酸化物を焼結中に炭窒化させて生成されるＴｉ（Ｃ，Ｎ）を主成分とする粒成長抑制相を超微粒超硬合金全体に対して０．１～３０ｗｔ％含み，
Ｃｏ，ＮｉおよびＦｅからなる群より選択される少なくとも１種類を主成分とする結合相を超微粒超硬合金全体に対して０．４～３０ｗｔ％含み，
上記硬質相と粒成長抑制相と結合相との合計が１００ｗｔ％である超微粒超硬合金に，硬質被膜がＰＶＤまたはＣＶＤによって被覆されている，
被覆超微粒超硬合金。

【請求項2】

ＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２を上記結合相全体に対して０．１～２０ｗｔ％含む，
請求項１に記載の被覆超微粒超硬合金。

【請求項3】

上記硬質被膜が上記超微粒超硬合金に含まれる元素と同一の元素を含む，
請求項１または２に記載の被覆超微粒超硬合金。

【請求項4】

上記硬質被膜が少なくともＴｉまたはＣｒを含む炭化物，窒化物，炭窒化物または酸化物から選択される少なくとも１種類である，
請求項１または２に記載の被覆超微粒超硬合金。

【請求項5】

上記硬質被膜が，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＣｒＡｌＮ，ＴｉＳｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）からなる群より選択される少なくとも１種類である，
請求項１または２に記載の被覆超微粒超硬合金。

【請求項6】

上記硬質被膜の下地にまたは上記硬質被膜の表面に，Ａｌを含有する炭化物，窒化物，炭窒化物もしくは酸化物，またはそれらの複合材が積層されている，
請求項５に記載の被覆超微粒超硬合金。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一項に記載の被覆超微粒超硬合金から構成される切削工具。

【請求項8】

請求項１から６のいずれか一項に記載の被覆超微粒超硬合金から構成される耐摩耗部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は被覆超微粒超硬合金，およびこれを用いた切削工具または耐摩耗部材に関する。

【背景技術】

【0002】

金属の切削加工に用いられる切削工具（ドリル，インサートチップなど），金属加工のための耐摩耗部材（金型，ダイスなど）には超硬合金が利用されている（特許文献１）。切削工具や耐摩耗部材は使用し続けると必ず摩耗する。摩耗が早いほど交換サイクルが早くなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６７８６７６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この発明は，耐摩耗性に優れた切削工具ないし耐摩耗部材に適する被覆超微粒超硬合金を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この発明による被覆超微粒超硬合金は平均粒径が１．０μｍ以下である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相を超微粒超硬合金全体に対して７０～９９．４ｗｔ％含み，チタン（Ｔｉ）の酸化物を焼結中に炭窒化させて生成されるチタン炭窒化物（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））を主成分とする粒成長抑制相を超微粒超硬合金全体に対して０．１～３０ｗｔ％含み，コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）からなる群より選択される少なくとも１種類を主成分とする結合相を超微粒超硬合金全体に対して０．４～３０ｗｔ％含み，上記硬質相と粒成長抑制相と結合相との合計が１００ｗｔ％である超微粒超硬合金に，硬質被膜がＰＶＤまたはＣＶＤによって被覆されている。不可避不純物，すなわち原料中に存在したり，製造工程において不可避的に混入したりするもので，本来は不要なものであるが，微量であり，製品の特性に影響を及ぼさないため許容される不純物が超微粒超硬合金に含まれる場合がある。

【0006】

この発明による被覆超微粒超硬合金は，基材（母材）となる超微粒超硬合金と，超微粒超硬合金の表面に被覆される硬質被膜とから構成される。超微粒超硬合金は「硬質相」（第１相）と，「粒成長抑制相」（第２相）と，「結合相」（第３相）の３種類の相を含む。これらの３つの相の合計が１００％である。硬質被膜は，物理気相蒸着法（ＰＶＤ）または化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を用いて超微粒超硬合金の表面に被覆される。

【0007】

この発明の被覆超微粒超硬合金はＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含む。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）は硬質相であるＷＣの粒成長を抑制する作用ないし効果を生じさせるが，これに加えて，ＰＶＤまたはＣＶＤを用いて硬質被膜を被覆したときに超微粒超硬合金と硬質被膜の密着性を向上させる作用ないし効果も生じさせ，これによって耐摩耗性に優れた被覆超微粒超硬合金を得ることができる。後述するドリルおよびインサートチップを用いた切削試験（穴あけ試験および旋削試験）によると，この発明による被覆超微粒超硬合金は，従来の被覆超微粒超硬合金（この発明による被覆超微粒超硬合金の基材として用いられる超微粒超硬合金と異なる従来の超微粒超硬合金または超硬合金に，この発明の被覆超微粒超硬合金が備える硬質被膜を被覆したもの）に比べて優れた耐摩耗性を発揮する。

【0008】

一実施態様では，上記超微粒超硬合金が，クロム（Ｃｒ）または炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）を上記結合相全体に対して０．１～２０ｗｔ％含んでいる。ＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２を含む超微粒超硬合金を用いることで被膜超微粒超硬合金の耐摩耗性がさらに向上することが確認されたものである。さらには，試験によればＣｒ_３Ｃ_２の含有量を増やすことによって耐摩耗性がより向上することも確認されている。Ｃｒは粒成長抑制相としても機能する。

【0009】

一実施態様では，上記硬質被膜は上記超微粒超硬合金に含まれる元素を含む。超微粒超硬合金と硬質被膜との間の密着性の向上に寄与すると考えられる。

【0010】

好ましくは，上記硬質被膜は，少なくともＴｉまたはＣｒを含む炭化物，窒化物，炭窒化物または酸化物から選択される少なくとも１種類である。上述のように基材（母材）となる超微粒超硬合金は粒成長抑制相としてＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含む。また，好ましくは，粒成長抑制相として機能するＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２も含む。以下に詳述する切削試験結果に基づくと，粒成長抑制相としてのＴｉ（Ｃ，Ｎ）ないしＣｒに含まれる元素と同一の元素であるＴｉまたはＣｒの炭化物，窒化物，炭窒化物または酸化物が，この発明による被覆超微粒超硬合金を構成する基材に良好に密着する硬質被膜に適すると考えられる。

【0011】

具体的には，上記硬質被膜としては，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＣｒＡｌＮ，ＴｉＳｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）からなる群より選択される少なくとも１種類を用いることができる。複数種類の硬質被膜を超微粒超硬合金の表面に積層させてもよい。

【0012】

超微粒超硬合金に下地としてＡｌを含有する炭化物，窒化物，炭窒化物もしくは酸化物，またはそれらの複合材を積層してもよい。この場合，硬質被膜は，Ａｌを含有する炭化物，窒化物，炭窒化物または酸化物の上に積層される。逆に，超微粒超硬合金に硬質被膜を積層し，その上からＡｌを含有する炭化物，窒化物，炭窒化物もしくは酸化物，またはそれらの複合材を積層してもよい。硬質被膜およびＡｌを含有する炭化物，窒化物，炭窒化物または酸化物は，２層に限らずに３層以上に積層してもよい。

【0013】

この発明は，上述した被覆超微粒超硬合金から構成される切削工具（たとえばドリル，インサートチップ）および耐摩耗部材（たとえば金型，ダイス）も提供する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】ドリルの先端部分の拡大図である。

【図2】インサートチップの拡大斜視図である。

【図3】穴あけ試験の結果を示すもので，被加工材にあけた穴の数とドリルのチゼル摩耗量との関係を示すグラフである。

【図4】穴あけ試験の結果を示すもので，被加工材にあけた穴の数とドリルの逃げ面摩耗量との関係を示すグラフである。

【図5】穴あけ試験の結果を示すもので，被加工材にあけた穴の数とドリルのマージン摩耗量との関係を示すグラフである。

【図6】旋削試験の結果を示すもので，切削距離とインサートチップの逃げ面摩耗幅との関係を示すグラフである。

【図7】インサートチップの拡大断面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１はドリルの先端部分（刃部）を拡大して示している。

【0016】

ドリル１は，先端のチゼル１１，チゼル１１の両側にのびる２つの切れ刃１２，切れ刃１２に連続する逃げ面１３，逃げ面１３に連続する二番取り面１４，二番取り面１４の頂部を形成するマージン１５，および切削材料が流れるすくい面１６を備えている。

【0017】

高速回転するドリル１がその先端から被加工材に押し当てられる。被加工材はチゼル１１およびチゼル１１につながる切れ刃１２によって切削される。ドリル１を被加工材に向けて送り出すことで被加工材が切削され，被加工材にはドリル１の直径に相当する孔があく。

【0018】

チゼル１１および切れ刃１２は被加工材に直接に接触するので次第に摩耗する。チゼル１１および切れ刃１２のみならず，切れ刃１２に連続する逃げ面１３およびマージン１５の摩耗も避けられない。

【0019】

図２はインサートチップを拡大して示す斜視図である。

【0020】

インサートチップ２は，切れ刃２１，逃げ面２２およびすくい面２３を備えている。切れ刃２１によって材料が切削され，切削された材料はすくい面２３に沿って流れる。逃げ面２２とすくい面２３の稜線が切れ刃２１となる。高速回転する被加工材の表面にインサートチップ２の切れ刃２１が押し当てられると，被加工材の表面がインサートチップ２によって削り取られる。被加工材の回転軸の軸方向に沿って（被加工材の長手方向に沿って）インサートチップ２を移動させることで，被加工材の表面が旋削される。インサートチップ２についても，切れ刃２１のみならず，切れ刃２１に連続する逃げ面２２も次第に摩耗する。

【0021】

発明者の検討によれば，以下に説明する超微粒超硬合金に所定の被膜を施した被覆超微粒超硬合金製ドリルないしインサートチップ（開発品）は，従来の超硬合金に所定の被膜を施した被覆超硬合金製ドリルないしインサートチップ（従来品）に比べて耐摩耗性能が大幅に向上することが分かった。以下では，開発品の組成上の特徴を説明するとともに，開発品と従来品のそれぞれについての切削試験結果を説明する。

【0022】

（超微粒超硬合金について）
被覆超微粒超硬合金製ドリルないしインサートチップを構成する超微粒超硬合金は，炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする第１相（以下，「ＷＣ相」または包括的に「硬質相」という）と，チタン炭窒化物（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））を主成分とする第２相（以下，包括的に「粒成長抑制相」という）と，コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される少なくとも１種類を含み，かつクロム（Ｃｒ）または炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）が添加された第３相（以下，包括的に「結合相」という）とを含む，いわゆる炭化タングステン基超硬合金である。硬質相を形成するＷＣの粒径は平均１．０μｍ以下であり，超微粒であるので，特にタングステン基超微粒超硬合金と呼ぶことができる。

【0023】

後述するように，上述した粒成長抑制相を形成するＴｉ（Ｃ，Ｎ）は出発材料としては用いられず，出発材料としてはチタン酸化物（ＴｉＯ_２）が用いられる。超微粒超硬合金の製造工程の一つである焼結処理においてＴｉＯ_２が炭窒化されることによってＴｉ（Ｃ，Ｎ）が生成され，これが最終的に作製される超微粒超硬合金の組成の一つとなる。

【0024】

（１）硬質相（ＷＣ相）の含有量
ＷＣ相は，超微粒超硬合金全体に対して７０ｗｔ％未満になると，相対的に結合相が多くなり，ＷＣ相の粒成長の制御が困難となり，超微粒超硬合金の硬さが低下することから，ＷＣ相は超硬合金全体に対して７０～９９．４ｗｔ％とされる。この要件を達成するためにはこの範囲に入る量の原料粉末を配合すれば良い。その中でもＷＣ相を超微粒超硬合金全体に対して８０～９５ｗｔ％とするとさらに好ましい。ＷＣ平均粒径が大きいと超微粒超硬合金の硬さと強度が低下することから，ＷＣ平均粒径は１．０μｍ以下であるのが好ましい。

【0025】

（２）粒成長抑制相の含有量
粒成長抑制相を含ませる理由の一つは，上述したようにＷＣ相の粒成長を抑制し，ＷＣ相を超微粒に維持するためである。ＷＣ相の成長とは焼結時に結合相に溶解したＷＣ相が他のＷＣ相に析出することによって直径の大きな粒子に成長する現象である。粒成長抑制相としてのＴｉ（Ｃ，Ｎ）を添加することによってＷＣ相の周囲にＴｉ（Ｃ，Ｎ）が点在し，これによってＷＣ相析出量が減少することでＷＣ相の粒成長が抑制されると考えられている。

【0026】

粒成長抑制相は，ＷＣ相の粒成長を効果的に抑制するのに適する量，すなわち超微粒超硬合金中全体に対して，０．１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下とされる。十分な粒成長抑制効果を得るためには少ない添加量で多数の粒成長抑制相が必要であり，この要求を満たすために粒成長抑制相は微粒であることが好ましい。このため，粒成長抑制相は平均粒径が５～５００ｎｍの範囲がよい。粒成長抑制相の平均粒径が５００ｎｍを越えると，多量に添加しなければ十分な粒成長抑制効果が得られず，強度と硬度を高い水準で両立することが困難となる。また５ｎｍ未満の炭窒化物相は粉末混合中に凝集してしまい強度の低下を招く。

【0027】

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）については，上述のように出発材料としては用いられず，出発材料としてはチタン酸化物（ＴｉＯ_２）が用いられ，これを焼結中に炭窒化させることによってＴｉ（Ｃ，Ｎ）が生成される。これは，超微粒超硬合金に微細な粒成長抑制相を含有させ，少ない含有量でＷＣ相の粒成長を効果的に抑制するためである。

【0028】

（３）結合相の含有量
結合相は硬くかつ超微粒のＷＣ粒子を結合するために用いられる。

【0029】

結合相にはＣｏ，ＮｉまたはＦｅを用いることができ，これらを混合した合金を用いることもできる。結合相はこれらの金属元素を主成分（結合相全体に対して５０ｗｔ％以上含む）とする金属である。

【0030】

結合相が超微粒超硬合金全体に対して０．４ｗｔ％未満になると超微粒超硬合金の抗折力が低下し，３０ｗｔ％を超えると超微粒超硬合金の硬さが低下する。これらの観点から結合相は超微粒超硬合金全体に対して０．４～３０ｗｔ％含むのが好ましい。結合相によってＷＣ粒子同士をしっかりと結合させることで，超微粒超硬合金からのＷＣ粒子の脱落が防止され，超微粒超硬合金の強度を確保することができる。

【0031】

（４）ＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２の含有量
ＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２は，ＷＣ相の粒成長抑制および炭窒化物の成長抑制のために用いられる。また，Ｃｒ_３Ｃ_２は結合相の硬さおよび耐酸化性の向上にも寄与することが知られている。ＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２が結合相全体に対して０．１ｗｔ％以上含まれると，結合相の硬さ，強度および耐酸化性が向上し，ＷＣ相の粒成長が抑制され，超硬合金の硬さおよび強度が向上する。結合相にＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２を十分に溶解するために，ＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２は結合相に対して２０ｗｔ％以下とされる。

【0032】

超微粒超硬合金の製造方法の一例を説明する。原料粉として平均粒径０．０５～２．０μｍのＷＣを超微粒超硬合金に対して７０～９９．４ｗｔ％になるように秤量し，ＴｉＯ_２を超微粒超硬合金に対して０．１～３０ｗｔ％になるように秤量する。また結合相として，Ｃｏ，ＮｉおよびＦｅから成る群より選択された少なくとも１種類を主成分とする金属およびＣｒまたはＣｒ_３Ｃ_２を，焼結後のＷＣ相と粒成長抑制相と結合相の合計が１００ｗｔ％となるように秤量する。焼結後に遊離炭素や脱炭相を生じないように原料粉末に１ｗｔ％以下の炭素粉末または１ｗｔ％以下のタングステン粉末を加えてもよい。これらを有機溶剤とともにボールミルまたはアトライタに投入し，所定の時間にわたって混合および粉砕する。その後，乾燥を経て所定の形状，たとえばドリル１の形状に成形する。

【0033】

窒素雰囲気中で，１３００～１５００℃の温度で６０～１２０分成形品を焼結する。これにより添加したＴｉＯ_２は材料中の炭素と焼結時の窒素とによって炭窒化される（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））。

【0034】

（被膜について）
上述の工程を経ることで作られた超微粒超硬合金製成形品，たとえばドリル１またはインサートチップ２に被膜が被覆される。被膜には，少なくともＴｉまたはＣｒを含む炭化物，窒化物，炭窒化物および酸化物からなる群より選択される少なくとも１種類が用いられる。

【0035】

より具体的には，ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＣｒＡｌＮ，ＴｉＳｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）からなる群より選択される少なくとも１種類が被膜に用いられる。これらの被膜は，上述した超微粒超硬合金に粒成長抑制相として含まれるＴｉ（Ｃ，Ｎ），Ｃｒと同一元素（すなわちＴｉまたはＣｒ）を含み，このために上述した超微粒超硬合金との密着性に優れ，ドリル１またはインサートチップ２に代表される切削工具，金型やダイスに代表される耐摩耗部材（工具）に必要とされる耐摩耗性が向上すると考えられる。ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＣｒＡｌＮ，ＴｉＳｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のうちの複数種類を，超微粒超硬合金に積層してもよい。また，超微粒超硬合金に下地としてＡｌ_２Ｏ_３を成膜し，Ａｌ_２Ｏ_３の表面にさらに上述した被膜のいずれか（複数でもよい）を成膜することで２層以上の多層構造の被膜を形成してもよい。Ａｌを含有する酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３に代えて，Ａｌを含有する炭化物，窒化物もしくは炭窒化物，またはそれらの複合材を積層してもよい。逆に超微粒超硬合金にＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＣｒＡｌＮ，ＴｉＳｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）からなる群より選択される少なくとも１種類を被膜し，その上からＡｌを含有する酸化物，炭化物，窒化物もしくは炭窒化物，またはそれらの複合材を積層してもよい。被膜は２層に限らず３層以上に積層することもできる。

【0036】

上述した被膜（下地を含む）の成膜には，物理気相蒸着法（ＰＶＤ）（たとえば，イオンプレーティング法，スパッタリング法）を用いてもよいし，化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を用いてもよい。いずれにしても全体に均等な厚さの被膜が成膜される。典型的には１μｍ～２０μｍ程度の層厚により被膜は成膜される。

【0037】

（穴あけ試験）
表１は穴あけ試験に使用した５種類の被覆超微粒超硬合金製または被覆超硬合金製ドリル１（実施例１および２，比較例１～３）を構成する超微粒超硬合金または超硬合金の組成（成分ごとの量），ならびに焼結後のＷＣ粒径，硬さおよび平均抗折力を示している。ＷＣの量に記載の「bal.」は残部量であることを表す。結合相としてのＣｏの量は実施例１～２および比較例１～３において統一している。

【0038】

【表1】

【0039】

焼結後のＷＣ粒径の測定にはインターセプト法を用いた。硬さはロックウェル硬度計（Ａスケール）を用いて測定した。平均抗折力は３点曲げ試験により測定した。

【0040】

実施例１および２の超微粒超硬合金はいずれも硬質相としてＷＣを含み，粒成長抑制相としてＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含み，結合相としてＣｏを含み，さらにＣｒ_３Ｃ_２が添加された，上述した超微粒超硬合金である。表１において，ＷＣ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），Ｃｏ，および後述するＶＣについては超硬合金全体を基準とする量を示している。Ｃｒ_３Ｃ_２は結合相（ここではＣｏ）を基準とする量を示している。実施例１と実施例２ではＣｒ_３Ｃ_２の量が異なっている。

【0041】

実施例１および２の超微粒超硬合金がいずれも粒成長抑制相としてＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含むのに対し，比較例１～比較例３の超微粒超硬合金ないし超硬合金はＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含まない。比較例１の超微粒超硬合金は粒成長抑制相として炭化バナジウム（ＶＣ）を含む。比較例２の超微粒超硬合金はＴｉ（Ｃ，Ｎ）およびＶＣのいずれも含まず，その結果として焼結後のＷＣ粒径がやや大きい（０．８１μｍ）。比較例３の超硬合金はさらにＣｒ_３Ｃ_２も含まず，その結果焼結後のＷＣ粒径がさらに大きいものとなっている（１．７２μｍ）。

【0042】

硬さに着目すると，実施例２の超微粒超硬合金および比較例１の超微粒超硬合金が比較的優れている。他方，実施例２の超微粒超硬合金と比較例１の超微粒超硬合金の平均抗折力に着目すると，実施例２の超微粒超硬合金の平均抗折力が大きく，実施例２の超微粒超硬合金の方が比較例１に比べてバランスのよい超硬合金となっている。

【0043】

図３～図５は，上述した５種類の超微粒超硬合金または超硬合金を用いて直径６ｍｍのドリルを作製し，これに物理気相蒸着法（ＰＶＤ）を用いてＴｉＡｌＮを被覆した５種類のドリル１を用いた穴あけ試験の試験結果を示している。図３～図５に示すグラフにおいて横軸はドリル１を用いて被加工材に開けた穴の数である。縦軸については，図３はチゼル１１の摩耗量（ｍｍ）を，図４は逃げ面１３の摩耗量（ｍｍ）を，図５はマージン１５の摩耗量（ｍｍ）を，それぞれ示している。図３～図５のグラフには，実施例１および実施例２の超微粒超硬合金を用いて作製した被覆超微粒超硬合金製ドリル１（開発品）のグラフが実線により，比較例１～３の超微粒超硬合金ないし超硬合金を用いて作製した被覆超硬合金製ドリル（従来品）のグラフが破線によって，それぞれ示されている。

【0044】

穴あけ試験では被加工材（被削材）としてＳ５０Ｃ（ＨＲＣ３４）を用いた。被加工材をノンステップで穿孔し，被加工材に深さ２０ｍｍの止まり穴を次々とあけた。穿孔中，外部から水溶性クーラントを適宜供給した。ドリル１の回転数は４７００ｒｐｍ，送り量は６００ｍｍ／ｍｉｎとした。

【0045】

図３～図５のグラフの終点はドリル１が寿命に達したためにそこで穴あけ試験を終了したことを示している。ここではドリル１の寿命（穴あけ試験の終了）を０．３ｍｍ以上の逃げ面摩耗が発生したときとした（図４）。ドリル１の寿命判断には，逃げ面摩耗の他，ドリル１の折損発生，０．５ｍｍ以上のカケ発生，切削くずの形状異常の発生，切削時の異音発生なども考えられる。

【0046】

寿命に達したとき（０．３ｍｍ以上の逃げ面摩耗が発生したとき）の穴数は，実施例１の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金製ドリル１は約２０００，実施例２の超微粒超硬合金を用いると約２５００，比較例１の超微粒超硬合金を用いると約１３００，比較例２の超微粒超硬合金を用いると約１２００，比較例３の超硬合金を用いると約９００であった。

【0047】

図３～図５を参照して，実施例１，２の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金製ドリル１は，比較例１～３の超微粒超硬合金ないし超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆したドリルに比べて耐摩耗性にかなり優れ，特に実施例２の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金製ドリル１が優れていることが分かった。基材（母材）となる超微粒超硬合金と被覆されるＴｉＡｌＮとに同一元素（Ｔｉ）が含まれるために両者の密着性が良好になって寿命が伸びたと考えられる。また，実施例１と実施例２とを比較すると，Ｃｒ_３Ｃ_２の添加量が多い実施例２の方が実施例１よりも寿命が伸びており，Ｃｒ_３Ｃ_２の添加量が被覆超微粒超硬合金製ドリル１の耐摩耗性の向上に寄与することも確認される。結合相全体に対して５．０ｗｔ％以上のＣｒ_３Ｃ_２を含有させることで耐摩耗性が十分に向上すると考えられる。

【0048】

（旋削試験）
表２は，旋削試験に使用した４種類の被覆超微粒超硬合金製インサートチップ（実施例３，４および比較例４，５）を構成する超微粒超硬合金の組成（量），ならびに焼結後のＷＣ粒径，硬さおよび平均抗折力を示している。比較例４，５は市販の超硬合金であり，平均抗折力は測定できていない。

【0049】

【表2】

【0050】

実施例３および４はいずれも硬質相としてＷＣを含み，粒成長抑制相としてＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含み，結合相としてＣｏを含み，さらにＣｒ_３Ｃ_２が添加された，上述した超微粒超硬合金である。表２においてもＴｉ（Ｃ，Ｎ），Ｃｏ，および後述するＴａＣについては超硬合金全体を基準とする量を示し，Ｃｒ_３Ｃ_２については結合相を基準とする量を示している。実施例３と実施例４は同一組成を持つ超微粒超硬合金であるが，別サンプル（別々に製造した超微粒超硬合金）である。

【0051】

実施例３および４の超微粒超硬合金がいずれも粒成長抑制相としてＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含むのに対し，比較例４の超微粒超硬合金はＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含まず，粒成長抑制相として炭化タンタル（ＴａＣ）を含む。また，Ｃｒ_３Ｃ_２を含まない。比較例５の超微粒超硬合金はＴｉ（Ｃ，Ｎ）もＴａＣも含まずに粒成長抑制相としてＣｒ_３Ｃ_２を含む。また，比較例５については，次に説明する被膜についてＴｉＡｌＮとＣｒＡｌＮの２層構造を採用した。

【0052】

図６は，上述の４種類の超微粒超硬合金を用いて図２に示す形状のインサートチップを作製し，これに物理気相蒸着法（ＰＶＤ）を用いてＴｉＡｌＮ（実施例３，４および比較例４）を被覆した３種類のインサートチップ２（実施例３，４および比較例４）と，ＴｉＡｌＮおよびＣｒＡｌＮを被覆した１種類のインサートチップ２（比較例５）を用いた旋削試験の試験結果を示している。図６のグラフにおいて横軸は切削距離を，縦軸は逃げ面２２の摩耗幅（ｍｍ）を示している。図６のグラフには，実施例３および４の超微粒超硬合金を用いて作製した被覆超微粒超硬合金製インサートチップ２（開発品）のグラフが実線によって，比較例４および５の超微粒超硬合金を用いて作製した被覆超微粒超硬合金製インサートチップ（従来品）のグラフが破線によって，それぞれ示されている。

【0053】

旋削試験では，被加工材（被削材）として直径８０ｍｍのＳ４５Ｃ製のみがき丸棒を用いた。切削速度は１６０ｍ／ｍｉｎ，送り量は０．２ｍｍ／ｒｅｖ，切込み量は２．０ｍｍとし，旋削中に水溶性切削油を適宜供給した。

【0054】

インサートチップ２の寿命（旋削試験の終了）を０．２ｍｍ以上の逃げ面摩耗が発生したときとした。インサートチップ２の寿命判断には，その他，カケ発生，切削くずの形状異常の発生，切削時の異音発生なども考えられる。

【0055】

寿命に到達したとき（０．２ｍｍ以上の逃げ面摩耗が発生したとき）の切削距離は，実施例３の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金製インサートチップ２は約２２，０００ｍ，実施例４の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金を用いると約２７，０００ｍ，比較例４，５の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金を用いると，いずれも約７，０００ｍであった。実施例３および実施例４の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金製インサートチップ２は，比較例４および５の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮ，またはＴｉＡｌＮおよびＣｒＡｌＮを被覆したインサートチップに比べて耐摩耗性に優れることが分かった。

【0056】

上述した実施例では被覆超微粒超硬合金製ドリル１および被覆超微粒超硬合金製インサートチップ２に関する試験結果を説明したが，ドリルまたはインサートチップ以外の切削工具または耐摩耗部材についても，従来に比べて耐摩耗性に優れる結果が得ることができる。また，上述した実施例ではＴｉＡｌＮを硬質被膜として用いている。ＴｉＡｌＮ以外のＴｉを含む硬質被膜，具体的には上述したＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＳｉＮおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）についても，ＴｉＡｌＮと同等の耐摩耗性の向上に寄与すると考えられる。また，Ｃｒを含むＣｒＡｌＮを硬質被膜に用いても耐摩耗性の向上を図ることができると考えられる。さらには複数種類の硬質被膜を超微粒超合金に積層することも考えられる。なお，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）の３種類の硬質被膜についてそれぞれ同一条件のもとでスクラッチ試験をしたところ，いずれについても膜剥がれは発生せず，これらの３種類について性能差は確認することができなかった。いずれにしても，少なくともＴｉまたはＣｒを元素に含む炭化物，窒化物，炭窒化物または酸化物を硬質被膜として用いれば，上述した超微粒超硬合金と良好に密着し，切削工具ないし耐摩耗部材として用いた場合の寿命が大幅に伸びると考えられる。

【0057】

図７に，上述した実施例３の超微粒超硬合金にＴｉＡｌＮを被覆した被覆超微粒超硬合金製インサートチップ２の拡大断面写真を示しておく。

【符号の説明】

【0058】

１ ドリル
２ インサートチップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】