JP2017036488A - 超硬工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた工具寿命を有する超硬工具を提供する。【解決手段】本実施形態の超硬工具１は、焼結体２を備える。焼結体２は、超硬合金成分と、窒化物生成成分とを含有する。超硬合金成分は、ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する。窒化物生成成分は、第１群及び第２群から選択される２種以上からなり、少なくとも第１群から選択される１種及び第２群から選択される１種を含有する。超硬合金成分を１００質量％とした場合の窒化物生成成分の総含有量は２．０〜５．０質量％である。焼結体２は、上記窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層３を表層に備える。窒化層３は、上記窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層４を表層に備える。第１群：Ａｌ、Ｖ及びＳｉ第２群：Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｒ【選択図】図１

Description

本発明は、超硬工具に関し、さらに詳しくは、高硬度鋼材加工用の超硬工具に関する。

高硬度鋼材等の鋼材を加工するために、超硬工具が利用される。超硬工具はたとえば、ねじ切削工具、冷間引き抜きプラグ及びビレット穿孔工具等である。鋼材を加工する際、超硬工具と被加工鋼材との摩擦により、超硬工具に機械的摩耗が生じる。特に、高硬度鋼材を切削加工する際は、超硬工具の機械的摩耗が早く、刃先欠損が著しい。そのため工具寿命が短くなる傾向がある。

超硬工具の工具寿命を向上する技術が、たとえば、特許第４６３８３７３号公報（特許文献１）、特許第３６２１９４３号公報（特許文献２）、及び、特開２００７−２６８６５６号公報（特許文献３）に提案されている。これらの文献では、物理蒸着法により、硬質保護層を超硬工具等の表面に形成する。

具体的には、特許文献１に開示された切削工具インサートは、超硬合金のボディの表面に、物理蒸着層を形成する。物理蒸着層は、正方晶又は立方晶のジルコニアと、ジルコニアを取り囲む結晶質又は非晶質のアルミナとからなる金属酸化物である。

特許文献２では、物理蒸着法を用いて、工具等の基材上に高硬度被膜を形成する。高硬度被膜は、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを主成分とする金属窒化物からなり、１０００℃以上での耐摩耗性に優れる、と記載されている。

特許文献３では、硬質保護膜層の形成前に表面形状加工処理を行う。特許文献３に開示された切削工具は、超硬材料で構成される金属焼結体表面に軟質粒子噴射による表面洗浄および表面形状加工処理を施した後、ドライコーテイング手法により硬質保護膜層を形成させることを特徴とする。

上述の硬質保護層を形成して、超硬工具の工具寿命を向上する技術は数多く提案されている。一方、特開２００２−２１０５２５号公報（特許文献４）は、上述の技術とは異なる技術を提案する。特許文献４に開示された超硬工具は、ＷＣ（炭化タングステン）の粉末をＣｏ（コバルト）で焼結成形した超硬合金に窒化又は軟窒化処理を施す。この場合、超硬合金のＣｏに微量ながら含まれる不純物（Ｆｅ、Ｍｏ等）が窒化され、表面の硬度が高くなる、と記載されている。

特開昭６２−２５０１３４号公報（特許文献５）では、炭化タングステンのほかに、（Ｗ、Ｍ）_XＣからなるイータ相（Ｍ：金属成分）が分散した組織を有する炭化タングステン基超硬合金に、液相出現温度以上の温度で浸炭、窒化、あるいは浸炭窒化処理する。これにより、耐クラック伝播性に優れた超硬合金が製造される、と記載されている。

特許第４６３８３７３号公報 特許第３６２１９４３号公報 特開２００７−２６８６５６号公報 特開２００２−２１０５２５号公報 特開昭６２−２５０１３４号公報

しかしながら、上述の特許文献１〜５に開示された超硬工具であっても、硬度が低い、あるいは、表面粗さが大きい場合がある。この場合、工具寿命を向上しにくい。

本発明の目的は、優れた工具寿命を有する超硬工具を提供することである。

本実施形態による超硬工具は、焼結体を備える。焼結体は、超硬合金成分と、窒化物生成成分とを含有する。超硬合金成分は、ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する。窒化物生成成分は、第１群及び第２群から選択される２種以上からなり、少なくとも第１群から選択される１種及び第２群から選択される１種を含有する。超硬合金成分を１００質量％とした場合の窒化物生成成分の総含有量は２．０〜５．０質量％である。焼結体は、上記窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層を表層に備える。窒化層は、上記窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層を表層に備える。
第１群：Ａｌ、Ｖ及びＳｉ
第２群：Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｒ

本実施形態による超硬工具の製造方法は、準備工程、窒化処理工程、及び、加工硬化処理工程を備える。準備工程では、上述の焼結体を準備する。窒化処理工程では、焼結体を窒化処理して、窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層を、焼結体の表層に形成する。加工硬化処理工程では、窒化層を備えた焼結体をショットピーニング処理して、窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層を、窒化層の表層に形成する。

本実施形態による超硬工具は、硬度が高く表面粗さが小さい。そのため、優れた工具寿命を有する。

図１は、本実施形態による超硬工具の断面図である。 図２は、図１とは異なる、他の実施形態による超硬工具の断面図である。

本発明者らは、超硬工具の工具寿命を向上する方法について種々検討を行った。その結果、以下の知見を得た。

超硬工具表面の硬度が高ければ、使用による機械的摩耗が抑制される。そのため、工具寿命を向上できる。超硬工具全体の硬度を高めることもできる。しかしながら、製造コストや製造効率の観点から、超硬工具の一部について硬度を高めることが好ましい。その場合は、超硬工具の硬度は、超硬工具の内部から表面に近づくにしたがって、段階的に高くなることが好ましい。これにより、工具全体が強い圧縮応力及びせん断応力に耐えうる構造となる。

従来の超硬工具に含有される窒化物生成成分（窒化物を形成する元素）の含有量は、不純物程度であり非常に少ない。そこで、超硬工具の基材に、窒化物生成成分を含有させる。これにより、基材を窒化処理することで、基材の表層に窒化物生成成分の窒化物が生成する。窒化物生成成分の窒化物の硬度は高い。そのため、窒化処理により、超硬工具の表層の硬度が高まる。ここで、窒化物生成成分の窒化物を含有する基材の表層を窒化層と称する。

超硬工具の表面粗さは小さいことが好ましい。表面粗さが小さければ、超硬工具使用時の摩擦係数が低くなり、潤滑性が高まる。窒化物生成成分の含有量を適切な範囲に設定することで、窒化物の過剰析出を抑制する。これにより、窒化層の硬度を高めつつ、表面粗さを小さくする。

窒化層を有する基材にさらにショットピーニング処理を実施する。これにより、窒化層の表層には圧縮応力が付与される。そのため、窒化層の表層はさらに加工硬化する。窒化層の表層が加工硬化することで、工具寿命が向上する。ここで、ショットピーニング処理により加工硬化した窒化層の表層を加工硬化層と称する。

ショットピーニング処理を実施することによって、基材表面の硬度が高まるだけでなく、硬質保護層を形成する場合にその密着力が高まる。ショットピーニング処理によって硬質保護層の密着力が高まる理由は以下の３つである。

（１）硬質保護層の下地の硬度が高ければ、硬質保護層に圧縮応力あるいはせん断応力が付加された場合に硬質保護層が変形しにくい。この場合、硬質保護層の塑性変形や破壊が抑制される。つまり、ショットピーニング処理を実施して窒化層表面の硬度をさらに高めることで、硬質保護層の密着性が高まる。

（２）ショットピーニング処理を実施することで、基材表面の金属酸化物が除去される。これにより、加工硬化層表面の微細な凹凸形状が露出する。露出した加工硬化層の表面上に硬質保護層を形成すれば、アンカー効果により硬質保護層の密着性が高まる。

（３）ショットピーニング処理により露出した加工硬化層表面は、金属窒化物の結晶粒子及びその結晶粒界からなる。硬質保護層を形成する際、その初期段階において、硬質保護層の金属イオンが結晶粒界に侵入する。結晶粒界に侵入した金属イオンは、硬質保護層形成のための種結晶へと成長する。したがって、化学的作用により硬質保護層の密着力が高まる。

以上の知見に基づいて完成した本実施形態の超硬工具は、焼結体を備える。焼結体は、超硬合金成分と、窒化物生成成分とを含有する。超硬合金成分は、ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する。窒化物生成成分は、第１群及び第２群から選択される２種以上からなり、少なくとも第１群から選択される１種及び第２群から選択される１種を含有する。超硬合金成分を１００質量％とした場合の窒化物生成成分の総含有量は２．０〜５．０質量％である。焼結体は、上記窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層を表層に備える。窒化層は、上記窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層を表層に備える。
第１群：Ａｌ、Ｖ及びＳｉ
第２群：Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｒ

上述の超硬工具はさらに、加工硬化層上に硬質保護層を備えてもよい。硬質保護層は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される１種以上を含有する。

本実施形態による超硬工具の製造方法は、準備工程、窒化処理工程、及び、加工硬化処理工程を備える。準備工程では、上述の焼結体を準備する。窒化処理工程では、焼結体を窒化処理して、窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層を、焼結体の表層に形成する。加工硬化処理工程では、窒化層を備えた焼結体をショットピーニング処理して、窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層を、窒化層の表層に形成する。

上述の超硬工具の製造方法はさらに、加工硬化処理工程の後に成膜工程を備えてもよい。成膜工程では、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される１種以上を含有する硬質保護層を加工硬化層上に形成する。

以下、図面を参照して、本実施形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

[超硬工具]
図１は本実施形態による超硬工具の断面図である。図１を参照して、超硬工具１は焼結体２からなる。焼結体２は、表層に窒化層３を備える。窒化層３は、焼結体２に対して窒化処理を実施することにより形成される。窒化層３は、表層に加工硬化層４を備える。加工硬化層４は、窒化層３を備えた焼結体２に対してショットピーニング処理を実施することにより形成される。

[焼結体]
焼結体２は、超硬合金成分と、窒化物生成成分とを含有する。

［超硬合金成分］
超硬合金成分は、ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する。

炭化タングステン（ＷＣ）は、高硬度及び高融点の炭化物であり、靱性及び抗折強度に優れる。そのため、ＷＣは、主に重切削の環境下で工具寿命を向上する。さらに、ＷＣの熱伝導率が高いため、切削等の加工時に、超硬工具１に発生する摩擦熱を外部へ逃がすことができる。コバルト（Ｃｏ）はＷＣの結晶粒の粒界に介在する。ＣｏはＷＣ結晶粒のバインダ（結合材）として機能し、ＷＣ結晶粒の粒界すべり強度を高める。

超硬合金成分はさらに、任意の成分として、炭化チタン（ＴｉＣ）又は炭化タンタル（ＴａＣ）を含有してもよい。ＴｉＣはＷＣと比較して硬度が高い。そのため、ＴｉＣを含有した場合、超硬工具の強度が向上する。タンタル（Ｔａ）はＷ及びＴｉと比較して、炭化物を生成し易い。Ｃが、ＷＣ及びＴｉＣの生成に必要な量よりも多く含有された場合、Ｔａは過剰分の炭素（Ｃ）と結合して化学的に安定なＴａＣを形成する。過剰分のＣが遊離した状態で残存すると、ＷＣの結晶粒界に存在して脆弱層となり、超硬工具の強度を低下させる可能性がある。Ｔａは、過剰分のＣと結合して遊離状態のＣを低減するため、遊離状態のＣによる超硬工具の強度の低下を抑制できる。したがって、超硬合金成分はＷＣ及びＣｏとともに、ＴｉＣ及びＴａＣのいずれか１種以上を含有するのが好ましい。

［窒化物生成成分］
窒化物生成成分は、下記第１群及び第２群から選択される２種以上からなり、少なくとも第１群から選択される１種及び第２群から選択される１種を含有する。
第１群：Ａｌ、Ｖ及びＳｉ
第２群：Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｒ

［第１群］
第１群のアルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）及びシリコン（Ｓｉ）は、Ｎとの親和力が大きい。そのため、焼結体２を窒化処理した場合に、第１群の元素は安定な窒化物を形成する。第１群の元素の窒化物は優れた硬さを有するため、焼結体２を窒化処理すれば、表層に形成される窒化層３の硬さが高まる。第１群の元素の窒化物は、焼結体２の最表層、具体的には、表面から数１０ｎｍ〜数１０μｍの厚みの範囲に特に生成する。

［第２群］
第２群のクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びジルコニウム（Ｚｒ）も、Ｎとの親和力が大きい。そのため、第２群の元素も、安定な窒化物を形成する。第２群の元素の窒化物も優れた硬さを有する。第２群の元素の窒化物は、第１群の元素の窒化物よりも、表面から深い範囲に生成しやすい。具体的には、第２群の元素の窒化物は、焼結体２の表面から１００μｍ深さの範囲に生成する。

窒化物生成成分は、少なくとも第１群から選択される１種及び第２群から選択される１種を含有する。そのため、窒化処理により形成される窒化層３の全体に窒化物が形成される。具体的には、窒化層３の表面に向かうにしたがって、第２群の元素の窒化物だけでなく、第１群の元素の窒化物が増加する。

［窒化物生成成分の総含有量］
超硬合金成分を１００質量％とした場合の窒化物生成成分の総含有量は、２．０〜５．０質量％である。窒化物生成成分の総含有量が低すぎれば、窒化処理により生成される窒化物が少なすぎる。この場合、窒化層３の硬度が低い。一方、窒化物生成成分の総含有量が高すぎれば、窒化物が過剰に生成される。この場合、焼結体２に含まれる窒化物が過剰に表面に析出するため、窒化層３の表面粗さが粗くなる。表面粗さが粗ければ、摩擦係数が高くなり、潤滑性が低下する。したがって、窒化物生成成分の総含有量は２．０〜５．０質量％である。

［窒化層］
焼結体２は、窒化層３を表層に備える。窒化層３は焼結体２の一部である。窒化層３は、焼結体２を窒化処理することにより形成される。上述のとおり、窒化層３は、窒化物生成成分の窒化物を含有する。そのため、窒化層３は優れた硬さを有する。

焼結体２の表層である窒化層３の硬度が高ければ、切削等の加工時の摩擦に対して超硬工具の摩耗が少ない。したがって、超硬工具１の耐摩耗性が高まる。耐摩耗性が高まれば、超硬工具１の工具寿命が向上する。

窒化層３は、２．０〜５．０質量％の総含有量の窒化物生成成分により形成された窒化物を含有するため、硬度及び潤滑性が高い。さらに、窒化物生成成分の総含有量は５．０質量％以下であるため、窒化層３に過剰な窒化物は析出しない。したがって、窒化層３の表面粗さは小さい。窒化層３は、表面粗さが小さく、窒化物生成成分により形成された窒化物を含有する。したがって、窒化層３の潤滑性は高い。潤滑性が高ければ、切削時に刃先が欠けるチッピングが抑制される。チッピングの大きいものは、欠損とよばれる。欠損した超硬工具は、欠損部分又は全体を交換する必要がある。そのため、潤滑性が高ければ、超硬工具１の工具寿命が向上する。

窒化層３の厚さはたとえば、３０μｍ〜１００μｍである。窒化層３の厚さをＳＥＭ−ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査型電子顕微鏡）等を用いて正確に測定することは困難である。後述する窒化処理工程において、加熱時間を０．５〜２時間程度とすることにより、概ね３０μｍ〜１００μｍの窒化層３が形成される。窒化層３の厚さを３０μｍ未満とした場合であっても、窒化層３の硬度は高く表面粗さは小さい。しかしながら、窒化層３の厚さを３０μｍ以上とした場合、上述の効果を安定して得ることができる。窒化層３の厚さを１００μｍよりも大きくした場合でも、窒化層３の硬度は高く表面粗さは小さい。しかしながら、窒化層３の厚さを１００μｍよりも大きくした場合には、窒化処理の時間が長くなり、処理コストが増大する。

［加工硬化層］
窒化層３は、加工硬化層４を表層に備える。加工硬化層４は窒化層３の一部である。加工硬化層４は、窒化層３を備えた焼結体２をショットピーニング処理することにより形成される。加工硬化層４は、窒化層３の表層に圧縮応力が付与されることで窒化層３の表層に形成された、緻密な層である。加工硬化層４は、上述の窒化物生成成分の窒化物を含有し、かつ、ショットピーニング処理により硬度が高められている。したがって、加工硬化層４の硬度は、窒化層３の硬度よりもさらに高い。窒化層３の潤滑性は高いため、加工硬化層４においても潤滑性は高い。さらに、窒化層３には過剰な窒化物が析出しないため、加工硬化層４においても表面粗さは小さい。加工硬化層４を形成することにより、超硬工具１の工具寿命がさらに向上する。

ショットピーニング処理により、窒化層３の表層が高硬度化すると同時に、窒化層３表面の金属酸化物が除去される。そのため、加工硬化層４表面の微細な凹凸が露出する。加工硬化層４表面の微細な凹凸の大きさは顕著に小さいため、加工硬化層４の表面粗さは小さい。つまり、ショットピーニング処理を実施しても、表面粗さは小さいまま維持される。加工硬化層４表面の微細な凹凸は、表面粗さには影響を与えないが、後述する硬質保護膜の密着性に寄与する。

加工硬化層４の厚さはたとえば、５μｍ〜１０μｍである。加工硬化層４の厚さを５μｍ未満とした場合であっても、加工硬化層４の硬度は十分に高い。しかしながら、加工硬化層４の厚さを５μｍ以上とした場合、加工硬化層４の硬度を安定して高めることができる。加工硬化層４の厚さを１０μｍよりも大きくした場合でも、加工硬化層４の硬度及び潤滑性は高い。しかし、加工硬化層４の厚さを１０μｍよりも大きくした場合には、ショットピーニング処理の時間が長くなり、処理コストが増大する。

加工硬化層４を形成することにより、焼結体２の表面の硬度がさらに高まるだけでなく、後述する硬質保護層を形成する場合にその密着力が高まる。その理由は、以下の３つである。１）硬質保護層の下地の硬度を高めることにより、硬質保護層に応力が付加された場合の硬質保護層の変形が抑制される。２）加工硬化層４上に生成した金属酸化物を除去することにより露出した加工硬化層４表面の微細な凹凸により、アンカー効果が発揮される。３）上述の露出した加工硬化層４表面の結晶粒界に、硬質保護層の金属イオンが侵入することにより、化学的に密着力が高まる。

[硬質保護層]
図２は、図１とは異なる他の超硬工具１０の断面図である。図２の超硬工具１０は、図１の超硬工具１と比較して、硬質保護層５を加工硬化層４上に備える。超硬工具１０のその他の構成は、超硬工具１と同じである。

硬質保護層５は、超硬工具１０の硬度及び潤滑性をさらに高める。硬質保護層５は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される１種以上を含有する。硬質保護層５はたとえば、ＴｉやＡｌを含む金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物、金属酸化物又はこれらの複合化合物である。硬質保護層５は、焼結体２と同等又はそれ以上の硬さを有する。硬質保護層５はさらに、切削等の加工環境下において十分な化学的安定性を有する。そのため、加工対象材、たとえば、高硬度鋼材との凝着が抑制される。

硬質保護層５は、加工硬化層４上に単層又は複層で形成される。硬質保護層５の表面は、下地となる加工硬化層４の表面性状の影響を受ける。

[製造方法]
本実施形態の超硬工具１の製造方法の一例を説明する。本実施形態の超硬工具１の製造方法は、準備工程、窒化処理工程、及び、加工硬化処理工程を備える。超硬工具１が硬質保護層５を備える場合はさらに、成膜工程を備える。以下、各工程を詳述する。

[準備工程]
初めに、焼結体２を製造する。焼結体２の製造方法は特に限定されない。たとえば、上述の超硬合金成分及び窒化物生成成分を含有した原料の炭化物及び金属粉末を、整粒及び混合して混合原料を製造する。混合原料を所定形状の金型で加圧成形して打ち抜きする。得られた成形体を真空中で焼成して、焼結体２を製造する。

[窒化処理工程]
焼結体２に対して窒化処理を実施する。これにより、上述の窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層３を、焼結体２の表層に形成する。窒化処理は周知の方法を採用できる。たとえば、電気炉内に焼結体２、ＮＨ₃ガス、Ｎ₂ガス及び必要に応じてＣＯ₂ガスを導入する。電気炉内を５００〜５５０℃に加熱して窒化処理を実施する。加熱時間は０．５〜２時間程度が好ましい。加熱により、ＮＨ₃ガスからＮ原子が乖離し、焼結体２内部に窒化物が生成する。これにより、焼結体２の表層に、窒化物を含有する窒化層３が形成される。ＣＯ₂ガスを炉内へ導入した場合は、Ｃ原子が乖離する。乖離したＣ原子は窒化物の生成領域を拡げる。Ｃ原子により、窒化層３の安定形成が促進される。

［加工硬化処理工程］
窒化層３を備えた焼結体２に対してショットピーニング処理を実施する。ショットピーニング処理には、ＦＰＢ（Ｆｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ）法を適用できる。これにより、上述の窒化物生成成分の窒化物を含有し窒化層３よりも高い硬度を有する加工硬化層４を、窒化層３の表層に形成する。ショットピーニング処理は周知の方法を採用できる。たとえば、窒化層３を備えた焼結体２を装置内のテーブルに固定する。鉄又は非鉄金属の球状投射材（ショット）を、窒化層３の表面に衝突させる。投射速度はたとえば、約２００ｍ/秒である。ショットの直径はたとえば、数１０μｍ程度である。投射方法は、遠心力又は空気圧を利用した投射方法（エアノズル式又はインペラー式）を採用できる。投射材はたとえば、鉄鋼ショット、セラミックショット、アルミナショット及び超硬ショットが利用できる。以上の工程により、本実施形態の超硬工具１を製造できる。

[成膜工程]
さらに、加工硬化層４上に硬質保護層５を形成する場合、成膜工程を実施する。具体的には、窒化層３及び加工硬化層４を備えた焼結体２に対して、周知の成膜工程を実施する。たとえば、物理蒸着法、化学蒸着法及び溶融塩浴処理法のいずれかを実施する。物理蒸着は、たとえば以下の方法で行うことができる。硬質保護層５を構成する金属元素を用いた混合粉末を、円板形状に加圧成形して成形体を製造する。成形体を真空焼結後、スパッタ法又はアークイオンプレーテイング法を用いて、金属成分から金属イオンを電磁気的に励起させる。その後、装置気相中に窒素ガス等を充填させる。充填された窒素ガスは分解して窒素イオンとなる。励起した金属イオンは、直流バイアス電源制御により負に帯電した焼結体２の表面に引き付けられる。窒素イオンと金属イオンとが焼結体２の表面で化学結合することにより、加工硬化層４の表面に硬質保護層５が形成される。

[焼結体作製]
２種類の基材を作製した。基材Ａは、超硬合金成分として、ＷＣ：８５質量％、Ｃｏ：１０質量％、ＴｉＣ：３質量％、ＴａＣ：２質量％を混合した。基材Ｂは、超硬合金成分として、ＷＣ：９０質量％、Ｃｏ：１０質量％を混合した。基材Ａ又はＢに、表１に示す窒化物生成成分を添加し、各試験番号の混合原料を製造した。

混合原料を整粒及び混合し、２００ＭＰａで加圧成形した。得られた成形体に対して、大気中にて、１０００℃で仮焼結を実施した。加熱時間は２時間であった。仮焼結後の成形体に対して、真空中にて、１５００〜１７００℃で本焼結を実施して焼結体を製造した。加熱時間は２時間であった。得られた焼結体をＮＨ₃ガス及びＣＯ₂ガスを導入した電気炉で５００〜５５０℃に加熱し、窒化処理を実施した。窒化処理における均熱時間は２時間であった。窒化層を備えた焼結体に対して、１０μｍの鋼球を０．５ＭＰａで６０秒間投射して、ショットピーニング処理を実施した。以上の工程により、超硬工具を製造した。試験番号１４においては、窒化処理後に割れが生じたため、以降の試験は実施しなかった。試験番号１９及び試験番号２０においては、ショットピーニング処理を実施しなかった。そのため、加工硬化層なしで以降の試験を実施した。

[ビッカース硬さ試験]
加工硬化層が形成された各超硬工具に対して、ビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さはＪＩＳ規格Ｚ２２４４（２００９）に基づいて実施し、試験荷重は９．８０Ｎ（１ｋｇｆ）とした。測定結果を表１に示す。試験番号１９及び試験番号２０においては、加工硬化層を形成しなかったため、窒化層に対してビッカース硬さ試験を実施した。

[表面粗さ測定試験]
各試験番号の加工硬化層の表面粗さを測定した。具体的には、株式会社ミツトヨ製、Ｓｕｒｆ Ｓｃａｎ、ＳＶ−６００型表面粗さ測定器を用いて評価した。表面粗さ触針（ダイアモンド製；外径２５μｍ）を用い、室温、荷重；０．１Ｎ、測定速度；０．５ｍｍ／秒として、加工硬化層の任意表面を試験片の長手方向及び長手方向と直交する方向の双方１０ｍｍ長で計測し、双方向の平均値を以て表面粗さとした。表面粗さは、ＪＩＳ規格Ｂ０６０１（１９９４）に定める「算術平均粗さ；Ｒａ」を採用した。測定結果を表１に示す。試験番号１９及び試験番号２０においては、加工硬化層を形成しなかったため、窒化層の表面粗さを測定した。

[成膜工程]
各試験番号の超硬工具の加工硬化層上に硬質保護層を成膜した。成膜工程として物理蒸着法（ＰＶＤ）を用いた。Ｔｉ及びＡｌを用いた混合粉末を、円板形状に加圧成形して成形体を製造した。成形体を真空焼結後、スパッタ法を用いて、金属成分を電気的に励起させた。その後、装置気相中に窒素ガスを充填させた。励起させた金属成分と焼結体の成分とを、窒化層の表面上にて化学結合させて、ＴｉＡｌ−Ｎからなる硬質保護層を３．０μｍ厚で成膜した。試験番号１９及び試験番号２０においては、窒化層上に硬質保護膜を成膜した。

[ナノ硬度測定試験]
硬質保護層のナノ硬度を測定した。ナノ硬度の測定には、ナノインデンター（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、ＸＰ／ＤＣＭ）を用いた。押込圧子；ダイアモンド製バーコビッチ型を用いて、以下の条件で測定した。押込方法；連続剛性方式、荷重；２００μＮ、振動周波数；４５Ｈｚ、振動振幅幅；２ｎｍ、最大押込深さ；１．５μｍ、室温、測定１５箇所（間隔は７０μｍ）。押込深さ１．０μｍ地点のナノ硬度を、硬質保護層のナノ硬度と定義した。結果を表１に示す。

[硬質保護層の表面粗さ測定試験]
硬質保護層が形成された超硬工具に対して、表面粗さを測定した。表面粗さ測定試験は、上述の表面粗さ測定試験と同様に行った。結果を表１に示す。

[硬質保護層密着力測定試験]
硬質保護層の加工硬化層に対する密着力を測定した。密着力の測定には、ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製、Ｒｅｖｅｔｅｓｔ Ｓｃｒａｔｃｈ Ｔｅｓｔｅｒ、Ｎ２７−４８６型のスクラッチ式試験機を使用した。ダイアモンド製触針；外径２００μｍ（Ｎ２−４９９６型）を荷重；０〜１００Ｎ間で、室温、走査速度１０ｍｍ／分、荷重速度１００Ｎ／分で走査させた。異常振動信号が検出された荷重値と、走査動画写真にて硬質保護層の剥離もしくは破壊が確認された時点の荷重値とを比較して、低い方の荷重値を密着力として定義した。測定結果を表１に示す。試験番号１９及び試験番号２０においては、加工硬化層を形成しなかったため、硬質保護層の窒化層に対する密着力を測定した。

[評価結果]
評価結果を表１に示す。表１を参照して、試験番号１〜試験番号１２の超硬工具の窒化物生成成分の総含有量は適切であり、その製造方法は適切であった。そのため、加工硬化処理後において、試験番号１〜試験番号１２の超硬工具のビッカース硬さは２０００以上であり、優れた硬度を示した。さらに、試験番号１〜試験番号１２の超硬工具の加工硬化処理後の表面粗さＲａは０．３０μｍ以下であり、優れた潤滑性を示した。

試験番号１〜試験番号１２の超硬工具はさらに、硬質保護層を形成した場合、その密着力が１２０Ｎであり、優れた密着力を示した。試験番号１〜試験番号１２の超硬工具は、硬質保護層を形成した場合、ナノ硬度が２０ＧＰａ以上となり、優れた硬度を示した。試験番号１〜試験番号１２の超硬工具は、硬質保護層を形成した場合であっても、表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、加工硬化層と同等かそれ以上の優れた潤滑性を示した。

一方、試験番号１３の超硬工具は、窒化物生成成分の総含有量が５．０質量％を超えた。そのため、加工硬化処理後の表面粗さＲａが０．３０μｍを超えた。試験番号１３の超硬工具は、硬質保護層を形成した後においても、表面粗さＲａが０．３０μｍを超え、潤滑性が低かった。窒化物が過剰に表面に析出し、窒化層の凹凸が大きくなったため加工硬化層の凹凸が大きくなり、硬質保護層に加工硬化層の凹凸が反映されたと考えられる。

試験番号１４の超硬工具は、窒化物生成成分の総含有量が５．０質量％を大きく超えた。そのため、窒化処理後に基材に割れが発生した。

試験番号１５の超硬工具は、窒化物生成成分を含有しなかった。そのため、加工硬化処理後においてビッカース硬さが２０００未満となり、硬度が低かった。さらに、試験番号１５の超硬工具の加工硬化処理後の表面粗さＲａは０．４５μｍであり、潤滑性が低かった。試験番号１５の超硬工具は、硬質保護層を形成した後において、ナノ硬度が２０ＧＰａ未満となり、硬度が低かった。さらに、試験番号１５の超硬工具は、硬質保護層の密着力が８０Ｎであり、硬質保護層の密着力が低かった。

試験番号１６及び試験番号１７の超硬工具は、窒化物生成成分の総含有量が２．０質量％未満であった。そのため、加工硬化処理後においてビッカース硬さが２０００未満となり、硬度が低かった。さらに、試験番号１６及び試験番号１７の超硬工具の加工硬化処理後の表面粗さＲａは０．３０μｍを超え、潤滑性が低かった。試験番号１６及び試験番号１７の超硬工具は、硬質保護層を形成した後において、ナノ硬度が２０ＧＰａ未満となり、硬度が低かった。さらに、試験番号１６及び試験番号１７の超硬工具は、硬質保護層の密着力が１２０Ｎ未満であり、硬質保護層の密着力が低かった。

試験番号１８の超硬工具は、第２群の窒化物生成成分を含有しなかった。そのため、加工硬化処理後においてビッカース硬さが２０００未満となり、硬度が低かった。さらに、試験番号１８の超硬工具の加工硬化処理後の表面粗さＲａは０．３０μｍを超え、潤滑性が低かった。試験番号１８の超硬工具は、硬質保護層を形成した後において、ナノ硬度が２０ＧＰａ未満となり、硬度が低かった。さらに、試験番号１８の超硬工具は、硬質保護層の密着力が１２０Ｎ未満であり、硬質保護層の密着力が低かった。

試験番号１９の超硬工具の窒化物生成成分の含有量は適切であったものの、加工硬化処理を実施しなかった。そのため、試験番号１９の超硬工具は、窒化処理後におけるビッカース硬さが２０３０となった。これは、試験番号１９と同じ化学組成である試験番号５の超硬工具の加工処理後のビッカース硬さ２３００よりも低い値であった。さらに、試験番号１９の超硬工具は硬質保護層の密着力が１２０Ｎ未満であり、硬質保護層の密着力が低かった。

試験番号２０の超硬工具の窒化物生成成分の含有量は適切であったものの、加工硬化処理を実施しなかった。そのため、試験番号２０の超硬工具は、窒化処理後におけるビッカース硬さが１９６０となった。これは、試験番号２０と同じ化学組成である試験番号１２の超硬工具の加工処理後のビッカース硬さ２１００よりも低い値であった。さらに、試験番号２０の超硬工具は硬質保護層の密着力が１２０Ｎ未満であり、硬質保護層の密着力が低かった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１，１０ 超硬工具
２ 焼結体
３ 窒化層
４ 加工硬化層
５ 硬質保護層

Claims (4)

1. 超硬工具であって、
   ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する超硬合金成分と、第１群及び第２群から選択される２種以上からなり、少なくとも前記第１群から選択される１種及び前記第２群から選択される１種を含有し、前記超硬合金成分を１００質量％とした場合の総含有量が２．０〜５．０質量％である窒化物生成成分とを含有する焼結体を備え、
   前記焼結体は、前記窒化物生成成分の窒化物を含有する窒化層を表層に備え、
   前記窒化層は、前記窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層を表層に備える、超硬工具。
   第１群：Ａｌ、Ｖ及びＳｉ
   第２群：Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｒ
2. 請求項１に記載の超硬工具であってさらに、
   金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される１種以上を含有する硬質保護層を前記加工硬化層上に備える、超硬工具。
3. 超硬工具の製造方法であって、
   ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する超硬合金成分と、第１群及び第２群から選択される２種以上からなり、少なくとも前記第１群から選択される１種及び前記第２群から選択される１種を含有し、前記超硬合金成分を１００質量％とした場合の総含有量が２．０〜５．０質量％である窒化物生成成分とを含有する焼結体を準備する工程と、
   前記焼結体を窒化処理して、前記窒化物生成成分の窒化物を含有する前記窒化層を前記焼結体の表層に形成する工程と、
   前記窒化層を形成する工程の後に、前記窒化層を備えた前記焼結体をショットピーニング処理して、前記窒化物生成成分の窒化物を含有する加工硬化層を前記窒化層の表層に形成する工程とを備える、超硬工具の製造方法。
   第１群：Ａｌ、Ｖ及びＳｉ
   第２群：Ｃｒ、Ｍｏ及びＺｒ
4. 請求項３に記載の超硬工具の製造方法であってさらに、
   前記加工硬化層を形成する工程の後に、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される１種以上を含有する硬質保護層を前記加工硬化層上に形成する工程を備える、超硬工具の製造方法。