JP2014004639A

JP2014004639A - 複合構造工具

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Publication number: JP2014004639A
Application number: JP2012140176A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Ishida; 友幸石田; Hideki Moriguchi; 秀樹森口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: JP5472659B2

Abstract

【課題】耐熱性に優れる複合構造工具を提供する。
【解決手段】複合構造工具1Aは、TiNやTiCNを硬質相として具える硬質材料から構成された基材20と、基材20に一体に形成され、超硬合金から構成された表層材10とを具える。基材20は、断面をとったとき、TiNやTiCNといったTi化合物相の面積率をa、Tiと周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)とを含むTi複合化合物相の面積率をbとするとき、0.5≦(a/b)を満たす。複合構造工具1Aは、熱伝導率が高いWCが多い超硬合金から構成される表層材10によって刃先の少なくとも一部が構成されることで、刃先及びその近傍が熱伝導性に優れ、かつ、熱伝導率が低いTi複合化合物相が比較的少ないことで基材20も熱伝導性に優れることから、刃先に熱がこもることを抑制できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、WCを主たる硬質相とする超硬合金と、Tiを含む化合物を硬質相に含む硬質材料との双方を具える複合構造の焼結体から構成される複合構造工具に関する。特に、耐熱性に優れる複合構造工具に関するものである。

従来、切削工具の本体材料に、セラミックス粒子を硬質相とし、CoやNiといった鉄族金属を結合相とした超硬合金やサーメットが利用されている。硬質相は、超硬合金では、WC(炭化タングステン)、サーメットでは、TiCN(炭窒化チタン)といったTi化合物が代表的である。

特許文献1は、Ti化合物とWCとを硬質相に含むサーメットからなる基材の表面に、超硬合金からなる表面層を具える複合構造の焼結体からなる切削工具を開示している。この切削工具は、高硬度なサーメット表面に、靭性に優れる超硬合金からなる表面層を具えることで、靭性にも優れる。

国際公開第2009/034716号

切削対象の生産性の向上などを目的として、切削速度を速くするなど、刃先温度が高くなるような切削条件が要望されている。そのため、刃先温度が高くなるような切削条件であっても、耐摩耗性や靭性などといった切削性能が低下し難い切削工具、つまり耐熱性に優れる切削工具の開発が望まれる。

一般的なサーメットでは、TiCNといったTi化合物を中心組織(コア)とし、(Ti,W)CNといったTiとTi以外の別の金属元素との双方を含むTi複合化合物を、コアを囲む周辺組織(リム)としたコアリム構造と呼ばれる硬質相を具える。本発明者らが調べたところ、主としてリムとして存在するTi複合化合物は、WCに比較して熱伝導率が著しく低く、TiCやTiNに比較しても熱伝導率が低い、との知見を得た。Ti複合化合物は、固溶体構造をとることで、熱伝導を支配するフォノンの散乱が起こり易いため、熱伝導性に劣ると考えられる。このような低熱伝導率のTi複合化合物を多く含むことから、サーメットの熱伝導率が大きく低下する、との知見を得た。一方、WCは、一般に熱伝導率が高い。従って、サーメットの原料にWCを用いて、焼結体中にWCを再析出させることが考えられる。しかし、原料にWCを用いても、このWCが分解してWを含むTi複合化合物が生成される。WCの添加量によっては、Ti複合化合物にWが含有されて、WCが実質的に析出されず、焼結体中にWCが存在しない、又は少ない場合がある。WCが存在しない又は少ないことで、サーメットの熱伝導率を十分に向上できない。

このようにTi複合化合物が多く、WCが存在しない又は少ないサーメットからなる切削工具では、温度が最も高くなる刃先の熱を、切削工具の内部を経て放熱できず、刃先及びその近傍に熱がこもり易くなる。そのため、刃先温度の影響が大きいすくい面摩耗(クレーター摩耗)や熱亀裂などが増大し易くなり、性能の低下が生じ得る。従って、高速切削(例えば、切削速度200m/min以上)を行う場合などといった刃先温度が高くなり易い切削条件や、加熱と冷却とが繰り返される切削条件などであっても、性能の低下を抑制でき、耐熱性に優れる切削工具の開発が望まれる。また、サーメットのみからなる切削工具では、靭性に劣ることから、靭性にも優れる切削工具が望まれる。

特許文献1に記載されるように、切削工具の表面を超硬合金で構成することで、靭性に優れる上に、刃先及びその近傍にWCが多く存在し、刃先及びその近傍の放熱性を高められる。しかし、基材が、上述のようにTi複合化合物が多く、WCが存在しない又は少ないサーメットから構成される場合、上述のように切削条件によっては、刃先及びその近傍の熱を、サーメット部分を利用して十分に逃しきれず、刃先の性能の低下を招く恐れがある。

そこで、本発明の目的は、耐熱性に優れる複合構造工具を提供することにある。

本発明者らは、サーメットのようなTiを含む化合物を硬質相として含有する硬質材料を基材とし、この表面に超硬合金を具える複合構造の焼結体を対象として、耐熱性に優れる構成を検討した。超硬合金に比較して、Wの含有量(特に、WCの含有量)が少ない基材の組織を改善することで、基材自体の熱伝導率を高められ、主として刃先が高温になり易い切削条件や冷熱サイクルが繰り返される切削条件などであっても、良好な性能が得られる、と考えられる。そこで、原料を調整して、種々の組織の基材を作製して検討した結果、熱伝導率が非常に低いTi複合化合物相の存在割合を特定の範囲に抑えることで、基材の熱伝導率を大幅に高められる、ひいては複合構造の焼結体全体の熱伝導率を高められる、との知見を得た。また、Ti複合化合物相の存在割合は、原料に用いる組成を調整することで特定の範囲に抑えられる、との知見を得た。本発明は、上記知見に基づくものである。

本発明の複合構造工具は、Tiを含有する化合物を硬質相として具える硬質材料から構成された基材と、上記基材に一体に形成されて、刃先の少なくとも一部を構成する表層材とを具える。上記表層材は、WCを主たる硬質相とする超硬合金から構成される。上記基材は、Wを0質量％超、上記表層材中のWの含有量の80％以下の範囲で含有する。また、上記基材は、硬質相として、以下のTi化合物相と、Ti複合化合物相とを具える。
Ti化合物相:Tiの窒化物、及びTiの炭窒化物の少なくとも1種のTi化合物からなる相
Ti複合化合物相:Tiと、周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)とを含むTi複合化合物からなる相
そして、本発明の複合構造工具は、上記基材の断面をとり、この断面に対する上記Ti化合物相の面積率をa、上記Ti複合化合物相の面積率をbとするとき、0.5≦(a/b)を満たす。

本発明の複合構造工具は、Ti化合物相を具える硬質材料からなる基材の上に、超硬合金からなる表層材を具えており、高靭性及び高熱伝導率であるWCを多く含む超硬合金によって刃先の少なくとも一部が構成されることで、高靭性である上に、放熱性にも優れる。

かつ、本発明の複合構造工具は、硬質材料中において熱伝導率が低いTi複合化合物相の面積率が特定の範囲を満たす。具体的には、Ti複合化合物相は、面積割合でTi化合物相の2倍以下、更に同等以下である(好ましくはTi化合物よりも少ない)ため、基材自体の熱伝導性も高められる。従って、本発明の複合構造工具は、刃先が高温となるような切削条件(例えば、切削速度が200m/min以上といった高速切削)や、冷熱サイクルを行う切削条件(例えば、被削材との接触と切削液による冷却とが繰り返されるフライス加工やエンドミル加工等)などを利用する場合にも、刃先及びその近傍の熱を刃先自体及び基材の双方を利用して良好に逃すことができる。そのため、本発明の複合構造工具は、刃先及びその近傍に熱がこもることを効果的に抑制できる。その結果、本発明の複合構造工具は、刃先及びその近傍が長時間高温に保持されることや、冷熱サイクルが繰り返されることによる切削性能の低下を招き難く、耐熱性に優れる。特に、基材にもWCを含有する形態では、基材自体も熱伝導率を高め易い上に、表層材の熱膨張係数との差が小さくなり易く、熱膨張係数差に基づく表層材の変形や剥離も抑制できる。そのため、この形態は、耐熱性により優れる。

本発明の一形態として、上記基材は、WCを含有し、上記基材の断面をとったとき、この断面に対する上記WCの面積率が10面積％以上60面積％以下である形態が挙げられる。

上記形態は、熱伝導率が高いWCを十分に含有することで、基材の熱伝導率を高め易い。また、上記形態は、WCの析出量が上述の特定の範囲を満たすように原料に用いるWCをある程度少なくすることで、(1)基材中にWCが十分に存在しながらも、TiとWとを含むTi複合化合物の過剰な生成を抑制できる、(2)原料に用いるWCの量を低減でき、希少資源であるWの使用量を低減できる、という効果を奏する。

本発明の一形態として、上記表層材の熱伝導率が上記基材の熱伝導率よりも高い形態が挙げられる。

上記形態は、刃先の少なくとも一部を構成する表層材の熱伝導率が高いことで、表層材自体が放熱性に優れ、刃先及びその近傍に熱をこもり難くすることができ、耐熱性に優れる。

本発明の一形態として、上記基材の熱伝導率が20W/m・K以上70W/m・K以下である形態が挙げられる。

上記形態は、基材の熱伝導率が十分に高く、耐熱性に優れる。また、上記形態は、基材の熱伝導率を上述の特定の範囲とすることで、原料に用いるWCの量を低減でき、希少資源であるWの使用量を低減できる。

本発明の一形態として、上記表層材は、その平均厚さが0.1mm以上1.5mm以下である形態が挙げられる。

上記形態は、靭性に優れる表層材が十分に存在することで、高靭性であり、かつ、表層材の厚さを特定の範囲とすることで、希少資源であるWの使用量を低減できる。

本発明の一形態として、上記表層材の熱膨張係数は、上記基材の熱膨張係数よりも低く、かつ、その差が0.5×10^-6/K以上3×10^-6/K以下である形態が挙げられる。

上記形態は、熱膨張量の差に基づいて表層材に圧縮応力を付与することができ、圧縮応力の存在によって耐欠損性の向上を期待できる。また、上記形態は、熱膨張係数の差を特定の範囲とすることで、焼結後、表層材が剥離したり、亀裂が発生したりすることなどを防止できる。

本発明の一形態として、上記基材におけるMoの含有量が5質量％以下である形態が挙げられる。

基材の原料にMo₂CといったMoを含む化合物を用いた場合、例えば、Ti化合物相と結合相との濡れ性を高められ、焼結性を向上でき、緻密な焼結体を得易い。しかし、Moを過剰に含むと、TiとMoとを含むTi複合化合物が生成され易く、リムの増大を招き、基材の熱伝導性ひいては複合構造工具の熱伝導性の低下を招く。上記形態は、基材の原料に用いるMoを含む化合物の含有量を制限することで、Ti複合化合物の存在割合を低減でき、基材の熱伝導性の低下を抑制できる。

本発明の一形態として、上記基材についてX線回折を行ったとき、TiN(220)のピーク及びTiWC₂(220)のピークが検出され、上記TiN(220)のピークの積分強度をα、TiWC₂(220)のピークの積分強度をβとするとき、(α/β)≧0.3を満たす形態が挙げられる。

上記形態は、基材の原料にTiNを多めに使用し、焼結条件を調整してTiNを析出させることで製造できる。基材の原料にTiNを多めに使用することでTiWC₂などのTi複合化合物の生成を低減し易く、上記形態は、熱伝導率が低いTi複合化合物が基材中に比較的少なく、耐熱性に優れる。

本発明の一形態として、上記Ti化合物相の平均粒径が1μm以上である形態が挙げられる。

上記形態は、基材中のTi化合物相が大きいことで、微粒の場合よりも基材の熱伝導性を高められる。また、上記形態は、基材の原料にある程度大きなTi化合物粉末を使用することで製造されることから、微細な粉末を用いた場合に比較して、焼結時に化合物の溶解や析出が行われ難い。従って、上記形態は、基材中におけるTi複合化合物の存在割合を低減でき、基材の熱伝導性の低下を抑制できる。この点からも、上記形態は、耐熱性に優れる。

本発明の一形態として、上記基材が、上記硬質相として、WCを含有し、上記WCの平均粒径が2μm以上である形態が挙げられる。

上記形態は、熱伝導率が高いWCを含有する上に、WCが大きいことで基材の熱伝導率を向上でき、耐熱性により優れる。また、上記形態は、基材の原料にある程度大きなWC粉末を使用することで製造されることから、微細な粉末を用いた場合に比較して、焼結時にWCの溶解やWを含む複合化合物の析出が行われ難い。従って、上記形態は、基材中におけるTiとWとを含むTi複合化合物の存在割合を低減でき、熱伝導性の低下を抑制できる。この点からも、上記形態は、耐熱性に優れる。

本発明の一形態として、上記基材の断面における上記Ti化合物相の合計面積に対して50％以上がTiの窒化物(TiN)である形態が挙げられる。

上記形態は、基材の原料にTiNを一定量以上使用し(多めに使用し)、焼結条件を調整してTiNを析出させることで製造できる。基材の原料にTiNを多めに使用することで、Ti複合化合物の生成を低減し易く、上記形態は、基材中において、熱伝導率が低いTi複合化合物の存在割合を低減できて、耐熱性に優れる。

本発明の一形態として、上記基材における上記硬質相は、上記Ti化合物相を中心組織とし、上記Ti複合化合物相を周辺組織としたコアリム構造の粒子を含む形態が挙げられる。

コアリム構造の粒子は、結合相との濡れ性に優れるTi複合化合物相を具えることで、結合相との濡れ性を高められて焼結性を向上できる。上記形態は、基材中にコアリム構造の粒子が存在することで、緻密な焼結体とすることができる。

本発明の一形態として、上記基材における上記硬質相は、上記Ti化合物相の外周が上記Ti複合化合物相に囲まれていない単体Ti化合物相を20％以下含有する形態が挙げられる。

上記形態は、熱伝導率が低いリム:Ti複合化合物を有しない単体Ti化合物相を基材中に含有することで、熱伝導性を高められる。また、単体Ti化合物相の含有量が特定の範囲であることで、上記形態は、基材の焼結性の低下を抑制できる。

本発明の一形態として、上記基材における上記硬質相は、上記Ti複合化合物相の内部に上記Ti化合物相を含んでいない単体Ti複合化合物相を20％以下含有する形態が挙げられる。

上記形態は、結合相との濡れ性に優れる単体Ti複合化合物相を含むことで基材の焼結性に優れ、緻密な焼結体にし易い。また、熱伝導率が低い単体Ti複合化合物相の含有量が特定の範囲であることで、上記形態は、単体Ti複合化合物相を含有することによる基材の熱伝導性の低下を抑制できる。

本発明の複合構造工具は、耐熱性に優れる。

本発明の複合構造工具の形態を模式的に示す斜視図である。 (A)は、本発明の複合構造工具に具える基材の組織を説明する模式図、(B)は、一般的なサーメットの組織を説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
[複合構造工具]
本発明の複合構造工具は、セラミックスからなる硬質相と、鉄族金属を主成分として硬質相を結合する結合相と、残部不可避不純物から構成される切削工具である。この工具は、刃先の少なくとも一部を構成する表層材と、表層材とは異なる材質からなる基材とが一体に焼結された焼結体から構成される。代表的な工具形態は、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップが挙げられる。

表層材と基材との一体化状態は、例えば、図1(A)に示す複合構造工具1Aのように、柱状の基材20の一面に板状の表層材10を具える二層形態、図1(B)に示す複合構造工具1Bのように、柱状の基材20の一面及び対向する他面にそれぞれ板状の表層材11,13を具える三層形態といった多層構造形態、図1(C)に示す複合構造工具1Cのように、柱状の基材20の全周を覆うように表層材15を具える内包形態、図1(D)に示す複合構造工具1Dのように、柱状の基材20の表面の一部(ここでは外周面)を覆うように表層材17を具え、基材20の表面の他部(ここでは両端面)が表層材17から露出された囲み形態などが挙げられる。なお、図1では、分かり易いように表層材を厚く示している。図1は一例であり、図1に示す表層材を更に薄く、又は更に厚くすることができる。

上述のように本発明の複合構造工具は、外観上は、特許文献1に記載される切削工具と同様である。本発明の工具の特徴とするところは、基材の組織にある。以下、表層材及び基材の組成及び組織、両者の熱特性、工具の製造方法を順に説明する。

＜表層材＞
表層材を構成する超硬合金は、特許文献1に記載されるような公知の組成・組織のWC基超硬合金が挙げられる。表層材は、表層材の断面をとったとき、WCを80面積％以上、更に85面積％以上含有することが好ましい(面積率の測定方法は、後述する基材におけるWCの含有量の測定方法と同様とする)。なお、表層材中のWの含有量は、60質量％以上、更に70質量％以上が好ましい。このWは、実質的にWCの状態で存在することが好ましい。また、表層材中のWCは、その粒径が大きいほど表層材の熱伝導性を高められて好ましい。具体的には、表層材中のWCの平均粒径は、1μm〜3μm程度が好ましい。表層材は、鉄族金属(好ましくはCo)を3質量％以上20質量％以下、更に5質量％以上15質量％以下含有することが好ましい。その他、WCの過剰な粒成長の抑制効果などを期待して、Cr,Ta,Ti,Nb,Zr,Vなどの金属、(Ta,Nb)C,VC,Cr₃C₂,NbC,TiCNなどの金属化合物を合計で10質量％以下の範囲で含有することができる。

刃先の少なくとも一部を構成するように表層材が存在すれば、基材に対する表層材の被覆領域及びその形状は、特に問わない。図1(A)〜図1(C)に示すように表層材が板状である場合には、その厚さを調整することで、刃先全体が表層材で構成された形態にも、刃先の一部のみが表層材で構成された形態にも容易に調整できる。図1(D)に示す形態では、刃先全体が超硬合金からなる表層材で構成される。

表層材が薄過ぎると、超硬合金を具えることによる靭性の向上効果が十分に得られない上に、熱伝導率が高いWCを具える部分が相対的に少なくなることで耐熱性の低下も招き易くなる。一方、表層材が厚過ぎると、高靭性で耐熱性にも優れるものの、希少資源であるWの使用量が増加する。従って、表層材の平均厚さは、0.1mm以上1.5mm以下が好ましく、0.2mm以上1mm以下とすると製造性にも優れる。表層材の平均厚さは、図1(A)〜図1(C)などのように、目視確認にて、表層材の全体に亘って表層材が均一的な厚さで存在する場合(代表的には板状である場合)、断面又は表層材と基材との積層面において、表層材の厚さを5点以上測定し、これらの測定点の平均とする。

＜基材＞
基材を構成する硬質材料は、Wを含有するものとする(0質量％超)。このWは、主として後述するWCやTi複合化合物相を構成する。Wの含有量が多いほど、WCの含有量が多くなり易く、後述するように熱伝導率の増大や、表層材の熱膨張係数差の低減を図ることができる。しかし、希少資源であるWの使用量の増大を招くことから、基材中のWの含有量は、質量割合で、表層材中のWの含有量の80％以下、更に70％以下が好ましい。基材中のWの含有量は、原料に用いるWCといったWを含む化合物の添加量によって調整することができる。

また、基材を構成する硬質材料は、硬質相として、Ti化合物相、及びTi複合化合物相の少なくとも二つの相を含む。

(Ti化合物相)
基材中のTi化合物は、Tiの窒化物:TiN、及びTiの炭窒化物：TiCNの少なくとも1種とし、好ましくはTiCを実質的に含有しない。本発明者らが調べた結果、原料にTiCを利用すると、TiNやTiCNを利用する場合よりもTiとWとを含む複合化合物といったTi複合化合物を形成し易く、Ti複合化合物の存在割合が増加し易い、との知見を得た。そこで、原料に用いるTiCの使用量をできるだけ少なくする、好ましくは用いない。その結果、焼結後に得られる基材中には、TiCが少ない(基材を100質量％として20質量％以下)、又は実質的に存在しない。一方、原料にTiNを利用すると、好ましくはTiNを多く用いると、上述のTi複合化合物を形成し難く、リムの生成を抑制し易い、との知見を得た。また、TiN以外ではTiCNが好ましい、との知見を得た。そこで、基材の硬質相として、積極的に存在させるTi化合物相は、TiN及びTiCNの少なくとも1種とする。

特に、基材の断面をとり、後述するようにTi化合物相(TiN,TiCN,TiC)を抽出してその合計面積をとったとき、この合計面積を100％として、50％以上、更に70％以上がTiNである形態が好ましい。

また、基材についてX線回折を行ったとき、TiN(220)のピーク及びTiWC₂(220)のピークを有しており、TiN(220)のピークの積分強度:αがTiWC₂(220)のピークの積分強度:βに対して大きいこと、具体的には、(α/β)≧0.3を満たすことが好ましい。TiWC₂は、後述するTi複合化合物の一つである。種々の組成のTi複合化合物について調べた結果、Ti複合化合物の組成比が多少変化しても、TiWC₂のピークは近い位置に検出される(概ね同じ位置である)との知見を得た。そこで、Ti複合化合物の指標として、TiWC₂を採用する。ピーク強度比:α/βが大きいほど、熱伝導率が低いTiWC₂が相対的に少ないといえ、熱伝導性に優れる。(α/β)は、TiNが多い形態であると大きくなる傾向にあり、0.5以上、更に1.0以上がより好ましい。

なお、上述の表層材や基材中の硬質相や結合相、元素の含有量の測定は、例えば、XRDなどで化合物や金属元素の同定を行い、EDX,EPMA,蛍光X線,IPC-AESなどを用いて組成を分析することで行える。

(Ti複合化合物相)
基材中のTi複合化合物は、Tiと、周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)と、炭素(C)、窒素(N)、及び酸素(O)から選択される1種以上の元素との化合物から選択される1種以上が挙げられる。代表的には、Tiと上記金属元素とを含む炭化物、窒化物、酸化物、炭窒酸化物及び炭窒化物から選択される1種以上が挙げられる。具体的には、(Ti,W,Mo,Ta,Nb)(C,N)、(Ti,W,Nb)(C,N)、(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)、(Ti,W,Mo,Zr)(C,N)、(Ti,W,Mo)(C,N)、(Ti,W,Mo)N、TiWC₂などが挙げられる。特に、炭窒化物が挙げられる。

(存在形態)
Ti化合物相とTi複合化合物相とは、代表的には、コアとなるTi化合物の周囲を囲むように、リムとなるTi複合化合物が存在するコアリム構造で存在する。コアリム構造の粒子は、結合相との濡れ性に優れるリムを具えることで、焼結性を高められ、緻密な焼結体とすることができる。また、コアリム構造の粒子は、相対的に熱伝導性に優れるTi化合物相を内包するため、熱伝導性にも優れる。従って、基材の断面をとり、この断面に存在するTi化合物相及びTi複合化合物相の合計面積を後述するように求めたとき、この合計面積を100％として、コアリム構造の粒子を60％以上含有することが好ましい。製造条件などによっては、Ti化合物相は、Ti複合化合物に覆われず露出された単体相(単体Ti化合物相)でも存在し得る。Ti複合化合物相は、Ti化合物相を内包していない単体相(単体Ti複合化合物相)でも存在し得る。単体Ti化合物相は、熱伝導性に優れるものの焼結性に劣ることから、その含有量は、上述の断面におけるTi化合物相の合計面積(コアリム構造の粒子中のTi化合物相の面積と単体Ti化合物相の面積との合計面積)を100％として20％以下、更に10％以下が好ましい(0％を含む)。単体Ti複合化合物相は、焼結性に優れるものの熱伝導性に劣ることから、その含有量は、上述の断面におけるTi複合化合物相の合計面積(コアリム構造の粒子中のTi複合化合物相の面積と単体Ti複合化合物相の面積との合計面積)を100％として20％以下、更に10％以下が好ましい(0％を含む)。

(Ti化合物相とTi複合化合物相との存在割合)
本発明では、Ti複合化合物相の含有量がある程度少ない。具体的には、基材の断面において、Ti化合物相の面積率：aとTi複合化合物相の面積率：bとの比:a/bが0.5以上を満たす。熱伝導率が低いTi複合化合物相が少なめであることで、基材の熱伝導率の低下を抑制できる。上述の面積率の比：a/bの値が大きいほど、Ti複合化合物相が十分に少なく、基材の熱伝導率の低下を抑制でき、1≦(a/b)、更に2≦(a/b)を満たすことが好ましい。但し、a/bが大き過ぎると、結合相との濡れ性に劣る単体Ti化合物相が多く存在することになり、焼結性の低下を招くことから、(a/b)≦10を満たすことが好ましい。

上述の面積率の測定は、以下のように行う。基材の断面を電子顕微鏡や光学顕微鏡といった組織観察が可能な手法で断面像を撮影した後、市販の画像解析ソフトを用いて、取得した画像を画像解析して、硬質相(主としてTi化合物相、Ti複合化合物相、適宜WCなど)及び結合相をそれぞれ抽出する。抽出した各相の面積を求め、更に求めた面積を用いて面積率を求める。特に、走査型電子顕微鏡:SEMによる画像を用いると、画像解析を行い易く作業性に優れる。観察時の倍率は、硬質相の粒径によって適宜選択できるが、1000倍〜5000倍が利用し易い。SEM像では、代表的には、WCが白、Ti化合物が黒、Ti複合化合物と結合相とがグレー、といったコントラストで表わされる。そのため、Ti複合化合物相と結合相とを分離し難い場合がある。この場合、Ti複合化合物相と結合相との双方を含む面積率から、結合相の配合比率を差し引くことで、Ti複合化物相の面積率を計算する。結合相の配合比率は、上述のEDX,EPMAなどの組成分析を利用することで求められる。例えば、取得した画像において、黒領域(Ti化合物相)の面積率をa、グレー領域(Ti複合化合物相及び結合相の合計領域)の面積率をx、結合相の配合比率(面積率)をcとすると、Ti複合化合物相の面積率：bは、b＝x-cと求められ、a/bが求められる。

上記面積率の測定は、基材の断面において、十分に内部に位置する領域について行う。具体的には、基材の一部が複合構造工具の外表面を構成している場合(例えば、図1(A),図1(B),図1(D)に示す形態)、測定領域は、この外表面を含む表層領域を除いた領域とする。表層領域とは、基材の最表面から内部に向かって厚さ1mmまでの領域、及び基材の最表面から内部に向かって、基材の平均厚さの10％までの領域のいずれか小さい方とする。基材の全面が表層材で覆われている場合(例えば、図1(C)に示す形態)では、測定領域は、基材と表層材との境界近傍の領域を除いた領域とする。境界近傍の領域とは、上記境界から内部に向かって厚さ1mmまでの領域、及び上記境界から内部に向かって、基材の平均厚さの10％までの領域のいずれか小さい方とする。基材の外表面及びその近傍や、表層材との境界及びその近傍には、使用する原料や焼結条件によっては、改質層が生成される可能性がある。そのため、上記断面において少なくとも表層領域又は境界近傍の領域を除いた領域＝内部領域から測定領域を選択する。上記断面における基材の中心及びその近傍などの十分に内部に位置する箇所を測定領域とすることが好ましい。上述の結合相の面積率は、結合相の体積率を以下のようにして求め、求めた体積率と等価とする。組成分析によって各元素の質量割合を求め、各元素の質量割合やX線回折などから、基材中の化合物の組成及び質量割合を決定する(推定する)。そして、結合相の質量割合及び密度と、化合物の質量割合及び密度とを用いて、結合相の体積率を算出する。

(その他の硬質相)
基材の硬質相として熱伝導率が高いWCを含む形態は、熱伝導性を高められる上に、超硬合金からなる表層材との熱膨張係数の差を小さくして、焼結後の熱収縮量の差に起因する変形を低減できて好ましい。WCの含有量が多いほど、基材の熱伝導率を高められるが、上述のように希少資源であるWの使用量の増大を招く上にTi複合化合物を生成し易くなり、好ましくない。従って、WCの含有量は、基材の断面をとったとき、この断面に対する面積率が10面積％以上60面積％以下が好ましく、20面積％以上50面積％以下がより好ましい。

(粒子径)
硬質相を構成する粒子は、一般に、その粒径が大きいほど、熱伝導性を高め易く好ましい。特に、Ti化合物相の平均粒径(コアリム構造の場合、コアの平均粒径)は、1μm以上が好ましく、1μm〜4μm程度がより好ましい。Ti複合化合物相の平均粒径(コアリム構造の場合、コアを含むリムの平均粒径)が1.5μm〜4.5μm程度が好ましい。WCを含有する場合、WCの平均粒径は、2μm以上が好ましく、2μm〜6μm程度がより好ましい。

(結合相)
基材中の結合相は、結合相を100質量％として、80質量％以上が鉄族金属であることが好ましく、特に、焼結時の液相移動が生じ難いCoが好ましい。その他、原料に起因すると考えられる元素が含有(固溶)されることを許容する。結合相の含有量は、基材を100質量％として、8質量％以上20質量％以下が挙げられる。

(その他の含有物)
その他、基材も、Cr,Ta,Nb,Zr,V,Moなどの金属、(Ta,Nb)C,VC,Cr₃C₂,NbC,Mo₂Cなどの金属化合物を合計で20質量％以下の範囲で含有することができる。これらの金属や金属化合物を含有する形態は、粒成長の抑制効果や、結合相への固溶による靭性の向上効果が期待できる。但し、Mo₂CといったMoを含む化合物を多く用いると、Ti複合化合物を生成し易く、リムが厚くなり易い。従って、基材中のMoの含有量は、5質量％以下、更に3質量％以下が好ましい。MoやMoを含む化合物を含有していなくてもよい。

表層材や基材の組成や各相の含有量、後述する熱伝導率や熱膨張係数といった熱特性が所望のものとなるように原料の組成や含有量、平均粒径を調整する。

＜熱伝導率＞
表層材は、熱伝導率が高いWCを基材よりも多く含むことから、表層材の熱伝導率は、基材の熱伝導率よりも高い形態が代表的である。表層材の熱伝導率は、WCの含有量にもよるが、60W/m・K以上140W/m・K以下が挙げられる。刃先の少なくとも一部を構成する表層材の熱伝導率が高いことで、切削時に生じた刃先の熱を外部に逃がし易い。また、本発明では、Ti複合化合物相が比較的少ないことで、基材の熱伝導率もある程度高い形態とすることができる。硬質相の組成や含有量、粒径にもよるが、例えば、基材の熱伝導率が20W/m・K以上を満たす形態が挙げられる。基材の熱伝導率は、高いほど刃先及びその近傍からの熱を基材内部を経て外部に伝え易く、刃先及びその近傍に熱がこもることを抑制できて耐熱性に優れることから、30W/m・K以上、更に40W/m・K以上が好ましい。基材の熱伝導率は、基材中のWCの含有量に相関があり、WCを多く含むほど基材の熱伝導率が高くなるものの、原料に用いるWの使用量が増加することから、70W/m・K以下が好ましい。

＜熱膨張係数＞
表層材と基材とが異なる組成から構成されることから、両者の熱膨張係数が異なる形態が代表的である。表層材の熱膨張係数が基材の熱膨張係数よりも低い形態であると、焼結後の熱収縮によって、熱収縮量が小さい表層材に圧縮応力を付与することができる。刃先の少なくとも一部を構成する表層部が圧縮応力を有する場合、耐欠損性を高められて、切削性能の向上を期待できる。この効果を得るには、両者の熱膨張係数の差が0.5×10^-6/K以上であることが好ましい。一方、両者の熱膨張係数の差が3×10^-6/K以下を満たすと、両者の原料を一体に焼結した後、両者の熱収縮量の差に起因する亀裂の発生、剥離、変形を低減して、寸法精度や形状精度に優れる複合構造の焼結体が得られて好ましい。

[製造方法]
本発明の複合構造工具は、特許文献1に記載される手法を利用して製造できる。具体的には、表層材を構成する超硬合金を製造するための原料粉末、及び上述の基材を構成する硬質材料を製造するための原料粉末をそれぞれ用意する。そして、各原料粉末をそれぞれ別個に混合した後、適宜造粒を行う。所望の複合構造となるように各原料の造粒粉末を金型に順次供給して押圧し、複合構造のプレス成形体を作製し、このプレス成形体を焼結することで得られる。

特に、基材に具えるTi化合物相を製造するための原料粉末は、TiN,TiCN,TiCといったTiを含む化合物の合計を100質量％とするとき、50質量％以上、更に70質量％以上、特に75質量％以上がTiNからなる粉末とすると、熱伝導率が低いTi複合化合物を形成し難く好ましい。Tiを含む化合物からなる原料粉末は、TiN粉末とTiCN粉末との混合粉末、又はTiN粉末のみが好ましく、Ti複合化合物を形成し易いTiCは用いないことが好ましい。原料に用いるTiNが多いほど、TiNが多く存在する形態を製造し易い。また、TiとWとを含む複合化合物(代表的には炭窒化物)も上述のように熱伝導率が低いTi複合化合物を形成し易いことから、原料粉末に用いないことが好ましい。

基材がWCを含有する形態とする場合、原料にWC粉末を比較的多めに用いる(好ましくは原料粉末中の20質量％超)。後述する試験例に示すように原料に用いるWC粉末が少ないと、焼結体中にWCが実質的に存在せず、原料のWC粉末はTi複合化合物相の形成にのみ利用される傾向にある。その他、周期表4族,5族,及び6族から選択される1種以上の金属元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物から選択される1種以上の化合物(上述のTiN,TiCN,TiC及びWCを除く)からなる粉末を原料に添加することができる。上述のようにMo₂CといったMo化合物の添加量は少ない方が好ましく、基材の原料粉末の合計を100質量％として、5質量％以下が好ましく、用いなくてもよい。

更に、所定量を秤量した原料粉末を混合する工程では、基材の混合時間が短い方がTi複合化合物の生成を抑制し易い、との知見を得た。混合時間を短くすることで、原料粉末を構成する金属化合物が過度に粉砕されることを抑制できる。その結果、金属化合物の微粉末を低減でき、焼結工程においてこの微粉末の溶解(固溶)及び再析出を抑制できるため、Ti複合化合物の生成を抑制し易い。また、混合時間を短くすることで、原料粉末の粒径を維持し易くなり、硬質相を比較的大きくすることができ(平均粒径:1μm〜4.5μm程度)、放熱性を高められる。混合にボールミルなどを利用する場合、具体的な混合時間は、例えば、表層材用超硬合金の原料粉末の混合時間の半分以下が挙げられる。より具体的には、表層材用の原料粉末の混合時間:20時間〜30時間程度、基材用の原料粉末の混合時間:2時間〜15時間程度が挙げられる。又は、粉砕メディアを用いないメディアレス混合とすると、原料粉末の粒径を更に維持し易い。メディアレス混合は、例えば、原料粉末にエタノールやアセトンなどの有機溶媒を合わせてスラリーとし、このスラリーに超音波を照射しながら、粉砕メディアを用いることなく混合する手法が挙げられる。なお、表層材用の原料粉末や基材用の原料粉末の所定量はそれぞれ、表層材や基材について、所望の形状や厚さ、各原料粉末の比重、各原料粉末の収縮率に基づいて算出する。

上記焼結は、焼結体の形成と共に、表層材と基材との一体接合も兼ねる。焼結条件は、一般的なものを利用でき、例えば、真空雰囲気で1300℃〜1500℃に0.5時間〜3.0時間保持することが挙げられる。

その他、ホーニングといった刃先処理、CVD法やPVD法による被覆膜の形成などを適宜行うことができる。

[試験例1]
種々の組成の原料粉末を用いて、超硬合金からなる表層材と、硬質相としてTiを含有する化合物からなる相を含む基材とを具える複合構造の焼結体を作製し、組織観察を行った。また、この焼結体を切削工具として、切削性能を調べた。

この試験では、原料粉末として表1に示す組成の粉末を用意した。用意した各粉末の平均粒径は、WC:3μm、TiCN:3μm、TiN:2μm、TiC:3μmである。試料No.1-1〜No.1-8、及び試料No.1-100,No.1-110は、表1に示す組成の粉末を基材の製造に用い、表1の試料No.1-200に示す組成の粉末を表層材の製造に用いた。試料No.1-200は、表1に示す組成の粉末のみを用いて作製した比較試料であり、超硬合金のみからなる焼結体である。

表1に示す各組成の粉末を秤量し、各組成の粉末をエタノール中、ボールミルによって混合した。混合時間は、表1に示す時間(時間)とした。混合後、各組成の粉末を造粒して、平均粒径100μmの表層材用粉末(造粒粉末)、及び基材用粉末(造粒粉末)、並びに比較試料用粉末(造粒粉末)を得る。原料粉末に用いたTiを含む化合物：TiN,TiCN,TiCの合計を100質量％とするときのTiNの質量割合(％)を表1に示す。

表層材及び基材が所望の厚さとなるように(ここでは表層材の狙い厚さ:0.3mm)、得られた表層材用粉末、及び基材用粉末を秤取り、金型(型番:SNGN120408(厚さ:4.76mm))に各粉末を順次供給して、1ton/cm²の圧力でプレス成形し、多層構造のプレス成形体を作製する。ここでは、基材用粉末からなる直方体において、対向する二面を覆うように、表層材用粉末からなる矩形板状の層が存在する三層構造の積層プレス成形体とした。得られた積層プレス成形体を真空雰囲気、1430℃×60minの条件で焼結して焼結体を得る。

上述のようにして得られた焼結体(試料No.1-200を除く)は、超硬合金から構成される層と、超硬合金とは異なる組成の硬質材料からなる層とを具え、直方体状の硬質材料からなる基材において対向する二面を挟むように矩形板状の超硬合金からなる表層材が一体化された三層構造である(図1(B)参照)。表層材の平均厚さを測定したところ、いずれの試料も0.3mm(二層の合計:0.6mm)である。

得られた各焼結体について、基材の組成をSEM-EDX装置を用いて調べた。その結果、試料No.1-1〜No.1-8は、TiN及びTiCNの少なくとも一方：Ti化合物相と、TiとWとを含有する複合化合物：Ti複合化合物相とが存在し、試料No.1-100は、Ti化合物相が実質的に存在しなかった。また、試料No.1-6を除く試料No.1-1〜No.1-5,No.1-7,No.1-8の焼結体は、WCが存在した。更に、試料No.1-1〜No.1-8,No.1-100,No.1-110について、SEM-EDX装置を用いて表層材中のW量及び基材中のW量を調べ、表層材中のW量に対する基材中のW量の質量割合(％)を求めた。その結果を表3に示す。加えて、試料No.1-1〜No.1-8はいずれも、基材中のMoの含有量が5質量％以下であり、原料に用いたMo₂Cの添加量と同等以下であった。

得られた各焼結体について基材を切断し、基材の断面をSEMによって観察した。その結果、試料No.1-1〜No.1-8の基材20はいずれも、図2(A)に示すように、硬質相として、Ti化合物相22を中心組織とし、Ti複合化合物相23を周辺組織とするコアリム構造の粒子21が存在する。そして、これらの基材20はいずれも、コアリム構造の粒子21におけるコア:Ti化合物相22が大きく、リム:Ti複合化合物相23が薄い。また、試料No.1-1〜No.1-8は、Ti化合物相22のみからなる単体Ti化合物相220の粒子やTi複合化合物相23のみからなる単体Ti複合化合物相230の粒子が若干存在する。一方、原料にTiNを用いずTiCを用いた試料No.1-100の基材(サーメット200)は、図2(B)に示すように、リム:Ti複合化合物相23が厚いコアリム構造の粒子210が存在する上に、単体Ti複合化合物相230が比較的多く存在する。

上述の基材の断面のSEM像を用いて、Ti化合物とTi複合化合物とをそれぞれ抽出し、基材の断面におけるTi化合物相の面積率をa、Ti複合化合物相の面積率をbとし、その比:a/bを求めた。その結果を表3に示す。また、基材の断面におけるTi化合物相の合計面積に対するTiNの面積割合(％)を求めた。その結果も表3に示す。

更に、上述の基材の断面のSEM像を用いてWCを抽出し、基材の断面におけるWCの面積率(％)を求めた。その結果を表3に示す。また、比較試料用粉末を用いて、上述の条件と同様にして成形及び焼結して、比較試料No.1-200の焼結体(超硬合金)も作製し、同様にしてWCの面積率(％)を求めた。その結果を表3に示す。なお、試料No.1-1〜No.1-8,No.100,No.110における表層材のWCの面積率は、比較試料No.1-200におけるWCの面積率と等価である。

更に、上述の基材の断面のSEM像を用いて、Ti化合物相の合計面積に対する単体Ti化合物相の面積率(％)、Ti複合化合物相の合計面積に対する単体Ti複合化合物相の面積率(％)を求めた。これらの結果も表3に示す。

更に、基材において抽出したTi化合物相の平均粒径(μm)、WCの平均粒径(μm)を求めた。これらの結果も表3に示す。平均粒径は、上述の基材の断面のSEM像(5000倍)と、画像解析装置:Mac-VIEW(株式会社マウンテック製)とを用いて、各粒子(n≧30)について水平方向のferet径及び垂直方向のferet径のそれぞれを測定し、測定した水平方向のferet径と垂直方向のferet径との平均とした。

更に、上述の基材の断面に対してX線回折を行い、TiN(220)のピーク及びTiWC₂(220)のピークの有無を調べた。そして、TiN(220)のピークの積分強度をα、TiWC₂(220)のピークの積分強度をβとするときの比:α/βを求めた。その結果も表3に示す。この試験では、X線回折の対象を基材の断面としたが、基材の外表面でもよい。

得られた各焼結体から熱特性を測定するための試験片を作製した。また、比較試料No.1-200の超硬合金についても同様に試験片を作製した。そして、作製した試験片を用いて、熱伝導率(W/m・K)及び熱膨張係数(10^-6/K)を測定した。その結果を表3に示す。試料No.1-1〜No.1-8,No.1-100,No.1-110は、基材の熱特性を示し、試料No.1-200は、超硬合金の熱特性(＝表層材の熱特性)を示す。ここでは、熱伝導率は、熱伝導率＝比熱×熱拡散率×密度によって算出する。比熱及び熱拡散率の測定には、市販の測定器を利用できる。例えば、アルバック理工株式会社製 TC-7000を用いる場合、各焼結体から測定用試料(8mm×8mm×1.5mm)を切り出し、レーザーフラッシュ法にて、比熱と熱拡散率とを測定できる。密度は、アルキメデス法にて求められる。上記測定用試料の切り出しが難しい形状や大きさの焼結体である場合には、例えば、市販のサーマルマイクロスコープにて熱浸透率を測定したり、示差走査熱量測定(DSC)を用いて比熱を測定したりして、熱浸透率＝(熱伝導率×密度×比熱)^1/2を用いて、熱伝導率を算出することができる。熱膨張率は、30℃〜200℃の範囲について測定した。

なお、複合構造の焼結体から、表面層(ここでは表層材に相当)と、表面層に覆われた中間層(ここでは基材に相当)とを切断するなどして分割し、所定の形状に加工後、それぞれについて熱特性などの物性値を評価してもよい。又は、複合構造のままの状態で物性値を評価した後、表面層又は中間層を除去して、再度、表面層又は中間層の物性評価を行った結果から、表面層又は中間層の物性値を算出してもよい。

得られた各焼結体に研削加工(平面研磨)を施した後、刃先処理加工を施し、試料No.1-1〜No.1-8,No.1-100,No.1-110では、複合構造の切削工具、試料No.1-200では超硬合金からなる切削工具を得る。得られた切削工具を表2に示す条件で切削試験(旋削加工)を行って、切削性能を調べた。その結果を表3に示す。この試験では、切削性能として、クレーター摩耗幅(mm)を測定した。

表3に示すように、超硬合金からなる表層材と、硬質相にTi化合物相及びTi複合化合物相を具える硬質材料からなる基材との複合構造の焼結体から構成され、Ti化合物相の面積率とTi複合化合物の面積率との比:a/bが0.5以上である基材を具える試料No.1-1〜No.1-8は、刃先が高温となるような切削(ここでは、切削速度が200m/min以上といった高速切削)を行った場合でも、クレーター摩耗が少ない上に、欠損し難く、靭性にも優れることが分かる。また、試料No.1-1〜No.1-8に具える基材は、表層材(ここでは試料No.1-200の特性と等価)よりも熱伝導率が低いもののある程度高いことが分かる。具体的には、試料No.1-1〜No.1-8に具える基材の熱伝導率は、20W/m・K以上であり、組成によっては更に熱伝導率が高い。更に、試料No.1-1〜No.1-8に具える基材は、単体Ti複合化合物相も少ないことが分かる。これらのことから、上述のような刃先が高温となる切削条件であっても、試料No.1-1〜No.1-8が優れた切削性能を有していた理由は、熱伝導率が低いTi複合化合物が少なく、基材の熱伝導率の低下を抑制でき、切削時に生じた刃先の熱を、基材の外部に逃して、刃先及びその近傍に熱がこもることを抑制できたため、と考えられる。また、試料No.1-1〜No.1-8はいずれも、基材よりも熱伝導率が高い表層材を具えることからも、刃先及びその近傍に熱がこもることを抑制できた、と考えられる。

特に、試料No.1-1〜No.1-8は、基材にWを含有しており、このWがWCとして存在する場合、とりわけWCの含有量が多いほど、基材の熱伝導率が高く、クレーター摩耗が少なくなっていることが分かる。特に、WCの面積率が10％以上であると、熱伝導率が25W/m・K以上であるものが得られることが分かる。また、試料No.1-1〜No.1-8において基材中のTi化合物相やWCの平均粒径が大きいほど、熱伝導率が高い傾向にあることが分かる。更に、基材中のWCの含有量が多いほど、基材と、超硬合金からなる表層材(試料No.1-200)とにおいて熱膨張係数の差が小さいことが分かる。ここではその差が3×10^-6/K以下を満たす。加えて、試料No.1-1〜No.1-8の基材は、単体Ti複合化合物相及び単体Ti化合物相の双方が少ないことから、両相の多くはコアリム構造の粒子として存在し、コアリム構造の粒子は、Ti複合化合物相が薄い、といえる。

そして、このような耐熱性に優れる基材を具える試料No.1-1〜No.1-8は、原料にTiCやTi複合化合物を用いず、TiNやTiCNを用いること、好ましくはTiNを多く利用する(具体的にはTiNの割合を50質量％以上、更に70質量％以上とする)ことで、製造できるといえる。原料にTiNを多く用いるほど、また原料の混合工程において、基材用粉末の混合時間を短くするほど、好ましくは表層材用粉末(超硬合金粉末)の半分以下の時間とすると、焼結体(基材)中のTiNの面積割合が多くなったり(例えば、TiNの面積割合が50％以上)、焼結体(基材)におけるTiN(220)のピークの積分強度の比:α/βが大きくなったりしている(例えば、α/βが0.3以上)。また、MoやMo化合物の添加量を5質量％以下、好ましくは用いないことでも、α/βを大きくすることができる。更に、基材用粉末にWC粉末を用いる場合、使用量が少ないと(ここでは原料全体に対して20質量％以下)、焼結後の基材中にWC相が存在し難く、原料粉末中のWは、Ti複合化合物相として存在し得ると考えられる。一方、WC粉末の使用量がある程度多いと、WC相が析出されて、熱伝導性に優れるといえる。従って、WC粉末を原料に用いる場合には、少なくともWC相が析出可能な量(基材用粉末の20質量％超、更に30質量％以上)とすることが好ましいといえる。このように基材用粉末の組成を調整して、基材の組織を変化させて、Ti複合化合物の生成を抑制することで、熱伝導率をより高めたり、表層材の熱膨張係数との差を小さくしたりすることができるといえる。

なお、試料No.1-1〜No.1-8について、Ti化合物相の平均粒径と同様にして基材中のTi複合化合物の平均粒径を求めたところ(コアリム構造の粒子については、リムの外径を測定)、Ti複合化合物:1.5μm〜2.5μmであった。

[試験例2]
試験例1で用いた試料No.1-3の基材用粉末と、表層材用粉末(組成は表1の試料No.1-200)とを用いて、試験例1と同様に、硬質材料からなる基材の表面に、超硬合金からなる表層材を具える三層構造の焼結体からなる切削工具を作製し、切削性能を調べた。

この試験では、表層材の厚さ(一層の厚さ)を表4に示す厚さ(mm)とした以外の点は、試験例1と同様にした。そして、得られた多層構造の焼結体を試験例1と同様に切削工具に加工して、試験例1と同様の切削条件(表2)で切削試験(旋削加工)を行って、切削性能を調べた。その結果を表4に示す。この試験では、切削性能として、クレーター摩耗幅(mm)、及び逃げ面摩耗量(Vb摩耗量(mm))を測定した。

また、作製した複合構造の切削工具において、二層の表層材が占める割合：占有率を求めた。その結果も表4に示す。占有率は、切削工具の厚さ：4.76mmに対する二層の表層材の合計厚さが占める割合(％)とした。

表4に示すように、超硬合金からなる表層材の厚さが0.1mm以上であると、クレーター摩耗と逃げ面摩耗との双方が少ないことが分かる。但し、表層材が厚く、占有率が高くなると、Wの使用量の増加を招く上に、表層材の厚さが1mm〜2mmの間では基材の影響を受け難くなって切削性能に差が無い(ここでは、表層材の厚さ＞Vb摩耗量の場合に摩耗量がほぼ一定である)。従って、Wの使用量を考慮すると、表層材の厚さは1.5mm以下が好ましいといえる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能である。例えば、工具形状、表層材の組成や厚さ、基材の組成などを適宜変更することができる。

本発明の複合構造工具は、切削加工、特に、刃先が高温となるような条件(例えば、高速切削など)や冷熱サイクルが行われる条件での加工に好適に利用することができる。また、本発明の複合構造工具は、上述の刃先交換型チップの他、ドリル、エンドミル、フライス、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの利用が期待できる。

1A,1B,1C,1D 複合構造工具 10,11,13,15,17 表層材 20 基材
21,210 コアリム構造の粒子 22 Ti化合物相 23 Ti複合化合物相
220 単体Ti化合物相 230 単体Ti複合化合物相 200 サーメット

Claims

Tiを含有する化合物を硬質相として具える硬質材料から構成された基材と、前記基材に一体に形成されて、刃先の少なくとも一部を構成する表層材とを具える複合構造工具であって、
前記表層材は、WCを主たる硬質相とする超硬合金から構成され、
前記基材は、
Wを0質量％超、前記表層材中のWの含有量の80％以下の範囲で含有し、
硬質相として、
Tiの窒化物、及びTiの炭窒化物の少なくとも1種のTi化合物からなるTi化合物相と、
Tiと、周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)とを含むTi複合化合物からなるTi複合化合物相とを含有し、
前記基材の断面をとり、この断面に対する前記Ti化合物相の面積率をa、前記Ti複合化合物相の面積率をbとするとき、0.5≦(a/b)を満たす複合構造工具。
前記基材は、WCを含有し、
前記基材の断面をとったとき、この断面に対する前記WCの面積率が10面積％以上60面積％以下である請求項1に記載の複合構造工具。
前記表層材の熱伝導率は、前記基材の熱伝導率よりも高い請求項1又は2に記載の複合構造工具。
前記基材の熱伝導率が20W/m・K以上70W/m・K以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記表層材は、その平均厚さが0.1mm以上1.5mm以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記表層材の熱膨張係数は、前記基材の熱膨張係数よりも低く、かつ、その差が0.5×10^-6/K以上3×10^-6/K以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記基材におけるMoの含有量が5質量％以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記基材についてX線回折を行ったとき、TiN(220)のピーク及びTiWC₂(220)のピークが検出され、
前記TiN(220)のピークの積分強度をα、TiWC₂(220)のピークの積分強度をβとするとき、(α/β)≧0.3を満たす請求項1〜7のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記Ti化合物相の平均粒径が1μm以上である請求項1〜8のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記基材は、前記硬質相として、WCを含有し、
前記WCの平均粒径が2μm以上である請求項1〜9のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記基材の断面における前記Ti化合物相の合計面積に対して50％以上がTiの窒化物である請求項1〜10のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記基材における前記硬質相は、前記Ti化合物相を中心組織とし、前記Ti複合化合物相を周辺組織としたコアリム構造の粒子を含む請求項1〜11のいずれか1項に記載の複合構造工具。
前記基材における前記硬質相は、前記Ti化合物相の外周が前記Ti複合化合物相に囲まれていない単体Ti化合物相を20％以下含有する請求項12に記載の複合構造工具。
前記基材における前記硬質相は、前記Ti複合化合物相の内部に前記Ti化合物相を含んでいない単体Ti複合化合物相を20％以下含有する請求項12又は13に記載の複合構造工具。