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技術 表面に板状晶炭化タングステン含有層が形成された超硬合金、その製造方法、および表面にダイヤモンドが被覆された超硬合金

出願人 株式会社タンガロイ
発明者 満田哲也渋木邦夫
出願日 1998年10月15日 (22年2ヶ月経過) 出願番号 1998-292669
公開日 2000年4月25日 (20年8ヶ月経過) 公開番号 2000-119790
状態 特許登録済
技術分野 ダイヤモンド又は金属化合物を含有する合金 粉末冶金
主要キーワード 複合物粉末 軸受け材料 X線回折法 改質層表面 合計表面積 炭化タングステン層 硬質カーボン 残余量
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課題

表面にダイヤモンド層被覆したときに、該ダイヤモンド層が炭化タングステン含有超硬合金より剥離しにくい合金およびその製造方法;ならびに表面にダイヤモンド層を被覆した、耐剥離性および切削性能に優れたダイヤモンド被覆超硬合金を提供する。

解決手段

結合相硬質相とからなる合金内部と、表面層とを有する超硬合金であって、該表面層が厚さ少なくとも3μmで形成されており、該表面層中に、アスペクト比3以上の板状晶炭化タングステンを含有し、該合金内部と該表面層との界面に対して垂直状および/または傾斜状に形成された該板状晶炭化タングステンが該表面層に存在する超硬合金;その製造方法;ならびに該合金の表面層上にダイヤモンドを被覆した被覆超硬合金。

概要

背景

一般に、炭化タングステンを主成分とする硬質相と、コバルトおよび/またはニッケルを主成分とする結合相とからなる炭化タングステン含有超硬合金は、硬さ、耐摩耗性耐欠損性靭性、強度などに優れた特性を有していることから、切削工具、耐摩耗工具土木鉱山工具に代表される工具として用いられている。また、該超硬合金を基体として、その表面にダイヤモンド被膜被覆したダイヤモンド被覆炭化タングステン含有超硬合金は、さらに高硬度被削材切削するのに用いられている。

しかしながら、このような従来の被覆超硬合金は、硬さを高めて耐摩耗性を向上させると、靭性が低下する傾向になり、逆に靭性を高めて耐衝撃性耐チッピング性を向上させると、硬さおよび耐摩耗性が低下するという、二律背反的な傾向を示す。このような問題を解消しようとして、下記の公報に代表される各種の方法が提案されている。

すなわち、特開平1−246361号公報には、焼結して得られた超硬合金を研磨加工した後、非酸化性雰囲気で液相発生温度以上の温度まで加熱することにより、超硬合金表面の炭化タングステン粒子を0.3〜3μmの大きさに成長させて、合金表面を粗面化したものを基体としてダイヤモンド被覆を行い、ダイヤモンド被膜を炭化タングステン粒子の間隙入り込ませることにより、ダイヤモンド被膜の超硬合金基体への密着性を高めることが開示されている。しかしながら、このような方法によっても、炭化タングステン含有超硬合金とダイヤモンド被膜との間の結合強度が小さく、該被膜の密着性は、十分には改善されていない。

また、特開平5−330959号公報には、研磨加工した超硬合金を、窒素一酸化炭素混合ガス雰囲気中で加熱処理して、合金表面の厚さ0.1〜200μmの範囲に改質層を形成することにより、合金表面を粗面化する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、改質層が等方的に成長して、粒子が成長した改質層表面の粒子は丸みを帯びた形状となる。そのため、該改質層が薄いと、粒子どうしの間隔が小さく、かつ浅いものとなる。また、該改質層を厚くしても、粒子の大きさは10μm以下であり、かつ断面の凹部の開口径と深さの比が1/1程度である。それゆえ、たとえば、このような超硬合金の表面をダイヤモンドで被覆した際に、ダイヤモンド被膜が改質層粒子の間隙に入り込んでも、十分な結合強度が得られない。また、改質層を厚くすると、該改質層は炭化タングステンよりも脆いので、切削の際に改質層が破壊され、改質層から剥離しやすくなる。

さらに、特開平8−199285号公報には、炭化タングステンからなる硬質相と、コバルト、ニッケルおよび鉄の1種以上を主成分とする結合相からなる多面体形状の超硬合金であって、該多面体形状の1個の面をp面、それと垂直な面をh面としたとき、それぞれの炭化タングステン結晶の(001)面および(101)面のX線回折法によるピーク強度をそれぞれp(001)、p(101)、h(001)およびh(101)で表したとき、式(II):

概要

表面にダイヤモンド層を被覆したときに、該ダイヤモンド層が炭化タングステン含有超硬合金より剥離しにくい合金およびその製造方法;ならびに表面にダイヤモンド層を被覆した、耐剥離性および切削性能に優れたダイヤモンド被覆超硬合金を提供する。

結合相と硬質相とからなる合金内部と、表面層とを有する超硬合金であって、該表面層が厚さ少なくとも3μmで形成されており、該表面層中に、アスペクト比3以上の板状晶炭化タングステンを含有し、該合金内部と該表面層との界面に対して垂直状および/または傾斜状に形成された該板状晶炭化タングステンが該表面層に存在する超硬合金;その製造方法;ならびに該合金の表面層上にダイヤモンドを被覆した被覆超硬合金。

目的

本発明の目的は、その表面にダイヤモンド層を被覆したときに、該ダイヤモンド層が、基体として用いる炭化タングステン含有超硬合金より剥離しにくい合金およびその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、そのような超硬合金を基体として用いて、その表面にダイヤモンド層を被覆し、耐剥離性が高く、切削工具として用いた場合に長い寿命を有するダイヤモンド被覆超硬合金を提供することである。

効果

実績

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請求項1

コバルトおよび/またはニッケルを主成分とする結合相と、炭化タングステン、または炭化タングステンを含有する硬質相とからなる合金内部と、該合金内部と異なる構成の表面層とを有する超硬合金であって、該表面層が、厚さ少なくとも3μmで形成されており、該表面層には、アスペクト比が3以上の板状晶炭化タングステンを主成分として含有し、該合金内部と該表面層との界面に対して垂直状および/または傾斜状に形成された該板状晶炭化タングステンが該表面層中に存在し、該表面層の表面をX線回折して得られる炭化タングステンの回折線のうち、(001)結晶面のピーク強度をh(001)、(101)結晶面のピーク強度をh(101)で表したとき、式(I):

請求項

ID=000002HE=010 WI=045 LX=0375 LY=1050の関係が成立する、板状晶炭化タングステン含有層が形成された超硬合金。

請求項2

上記合金内部にも板状晶炭化タングステンが含有され、該合金内部中の板状晶炭化タングステンの含有率が、上記表面層中の板状晶炭化タングステンの含有率よりも低く、かつ該合金内部中の上記結合相の含有率が、該表面層中の該結合相の含有率よりも多い、請求項1記載の超硬合金。

請求項3

上記合金内部に、実質的に板状晶炭化タングステンを含有せず、かつ該合金内部中の上記結合相の含有率が、上記表面層中の該結合相の含有率よりも多い、請求項1記載の超硬合金。

請求項4

上記合金内部が、上記結合相10重量%以下、ならびに炭化タングステン、または炭化タングステンを硬質相中50重量%以上と、周期律表の4a、5aもしくは6a族金属炭化物炭窒化物炭酸化物およびこれら相互の固溶体の少なくとも1種(炭化タングステンを除く)の残余量とからなる硬質相90重量%以上からなる、請求項1〜3のいずれか1項記載の超硬合金。

請求項5

上記表面層中の上記板状晶炭化タングステンの含有率が、該表面層の最表面側から上記合金内部側に向かって漸増している、請求項1〜4のいずれか1項記載の超硬合金。

請求項6

上記表面層中の板状晶炭化タングステンの含有率が70体積%以上であり、かつアスペクト比が6以上の板状晶炭化タングステンを50体積%以上含有する、請求項1〜5のいずれか1項記載の超硬合金。

請求項7

表面層の表面粗さが、JIS B0601によるRmaxとして5〜50μmである、請求項1〜6のいずれか1項記載の超硬合金。

請求項8

上記表面層の最表面部に存在する板状晶炭化タングステンが、該表面層と上記該合金内部との界面に対して、角度が平均50〜90度であるように、垂直状および/または傾斜状に配置されており、該板状晶炭化タングステン相互の最表面部における間隔が3〜15μmである、請求項1〜7のいずれか1項記載の超硬合金。

請求項9

上記表面層に開孔が存在し、該表面層の最表面側における単位面積当たり空隙率が30〜98%であり、該表面層と上記合金内部との界面側における単位面積当たりの空隙率が2%である、請求項1〜8のいずれか1項記載の超硬合金。

請求項10

請求項1〜9のいずれか1項記載の板状晶炭化タングステン含有層を形成された超硬合金の表面層上に、ダイヤモンドおよび/またはダイヤモンド状カーボン被膜被覆された被覆超硬合金。

請求項11

(1)炭化タングステン含有超硬合金の表面に、下記(a)、(b)または(c)によって表面層の前駆物質を形成させる工程;(a)該超硬合金の表面に、タングステンおよび/または炭化タングステンの被膜からなる表面層の前駆物質を形成させる;(b)該超硬合金を脱炭雰囲気中で加熱処理して、該超硬合金の表面部に、タングステンと、コバルトおよび/またはニッケルと、炭素とを主成分とする脱炭層である表面層の前駆物質を形成させる;(c)該超硬合金の表面に、下記(i)または(ii)を行った後、(i)タングステンと、コバルトおよび/またはニッケルと、炭素とを主成分とする複合物粉末および/またはタングステン粉末を配置する;(ii)該複合物粉末および/またはタングステン粉末に該超硬合金を埋設する非酸化性雰囲気中で加熱処理し、該超硬合金の表面に該複合物および/またはタングステンからなる表面層の前駆物質を形成させる;(2)上記(1)で得られた、表面層の前駆物質が形成された超硬合金を、非酸化性雰囲気中で加熱処理し、該表面層の前駆物質から、タングステンと、コバルトおよび/またはニッケルと、炭素とを主成分とする複合物を形成させる工程;ならびに(3)上記(2)で得られた複合物からなる表面層が付与された超硬合金を、さらに非酸化性雰囲気中で加熱処理し、該複合物から、(001)結晶面が成長した、アスペクト比が3以上の板状晶炭化タングステンが析出した表面層を形成させる工程を含む、板状晶炭化タングステン含有層が形成された超硬合金の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、表面層合金内部からなる超硬合金であって、表面層に、該表面層と合金内部との界面に対して垂直状および/または傾斜状に形成された板状晶炭化タングステンを含有する板状晶炭化タングステン含有層が形成された超硬合金およびその製造方法に関する。また、本発明は、このような合金の表面に、ダイヤモンドおよび/またはダイヤモンド状カーボン硬質カーボンともいう)の被膜被覆した被覆超硬合金に関する。

0002

なお、本明細書において、以下、特にことわらないかぎり、「ダイヤモンド」はダイヤモンド状カーボンを包含する概念として用いる。

背景技術

0003

一般に、炭化タングステンを主成分とする硬質相と、コバルトおよび/またはニッケルを主成分とする結合相とからなる炭化タングステン含有超硬合金は、硬さ、耐摩耗性耐欠損性靭性、強度などに優れた特性を有していることから、切削工具、耐摩耗工具土木鉱山工具に代表される工具として用いられている。また、該超硬合金を基体として、その表面にダイヤモンド被膜を被覆したダイヤモンド被覆炭化タングステン含有超硬合金は、さらに高硬度被削材切削するのに用いられている。

0004

しかしながら、このような従来の被覆超硬合金は、硬さを高めて耐摩耗性を向上させると、靭性が低下する傾向になり、逆に靭性を高めて耐衝撃性耐チッピング性を向上させると、硬さおよび耐摩耗性が低下するという、二律背反的な傾向を示す。このような問題を解消しようとして、下記の公報に代表される各種の方法が提案されている。

0005

すなわち、特開平1−246361号公報には、焼結して得られた超硬合金を研磨加工した後、非酸化性雰囲気で液相発生温度以上の温度まで加熱することにより、超硬合金表面の炭化タングステン粒子を0.3〜3μmの大きさに成長させて、合金表面を粗面化したものを基体としてダイヤモンド被覆を行い、ダイヤモンド被膜を炭化タングステン粒子の間隙入り込ませることにより、ダイヤモンド被膜の超硬合金基体への密着性を高めることが開示されている。しかしながら、このような方法によっても、炭化タングステン含有超硬合金とダイヤモンド被膜との間の結合強度が小さく、該被膜の密着性は、十分には改善されていない。

0006

また、特開平5−330959号公報には、研磨加工した超硬合金を、窒素一酸化炭素混合ガス雰囲気中で加熱処理して、合金表面の厚さ0.1〜200μmの範囲に改質層を形成することにより、合金表面を粗面化する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、改質層が等方的に成長して、粒子が成長した改質層表面の粒子は丸みを帯びた形状となる。そのため、該改質層が薄いと、粒子どうしの間隔が小さく、かつ浅いものとなる。また、該改質層を厚くしても、粒子の大きさは10μm以下であり、かつ断面の凹部の開口径と深さの比が1/1程度である。それゆえ、たとえば、このような超硬合金の表面をダイヤモンドで被覆した際に、ダイヤモンド被膜が改質層粒子の間隙に入り込んでも、十分な結合強度が得られない。また、改質層を厚くすると、該改質層は炭化タングステンよりも脆いので、切削の際に改質層が破壊され、改質層から剥離しやすくなる。

0007

さらに、特開平8−199285号公報には、炭化タングステンからなる硬質相と、コバルト、ニッケルおよび鉄の1種以上を主成分とする結合相からなる多面体形状の超硬合金であって、該多面体形状の1個の面をp面、それと垂直な面をh面としたとき、それぞれの炭化タングステン結晶の(001)面および(101)面のX線回折法によるピーク強度をそれぞれp(001)、p(101)、h(001)およびh(101)で表したとき、式(II):

発明が解決しようとする課題

0008

本発明の目的は、その表面にダイヤモンド層を被覆したときに、該ダイヤモンド層が、基体として用いる炭化タングステン含有超硬合金より剥離しにくい合金およびその製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、そのような超硬合金を基体として用いて、その表面にダイヤモンド層を被覆し、耐剥離性が高く、切削工具として用いた場合に長い寿命を有するダイヤモンド被覆超硬合金を提供することである。

課題を解決するための手段

0009

本発明者らは、これらの目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、超硬合金の表面層を改質して、表面層と合金内部との界面から垂直状および/または傾斜状に、表面に向かって板状晶炭化タングステンが成長するような状態に結晶成長した炭化タングステンを含有させた表面層を形成させることにより、結晶成長した炭化タングステンの結晶相互間に空隙が形成されること、この空隙部分に個体潤滑剤や油などを含有させると軸受け材料として効果が発揮されること、またこの表面層上に親和性に劣る物質被覆層とする場合、特にダイヤモンド層を被覆する場合に、被覆層との結合強度が優れ、最適な被覆超硬合金となるという知見を得て、本発明を完成するに至った。

0010

すなわち、本発明は、コバルトおよび/またはニッケルを主成分とする結合相と、炭化タングステン、または炭化タングステンを含有する硬質相とからなる合金内部と、該合金内部と異なる構成の表面層とを有する超硬合金であって、該表面層が、厚さ少なくとも3μmで形成されており、該表面層には、アスペクト比が3以上の板状晶炭化タングステンを主成分として含有し、該合金内部と該表面層の界面に対して垂直状および/または傾斜状に形成された該板状晶炭化タングステンが該表面層中に存在し、該表面層の表面をX線回折して得られる炭化タングステンの回折線のうち、(001)結晶面のピーク強度をh(001)、(101)結晶面のピーク強度をh(101)で表したとき、式(I):

発明を実施するための最良の形態

0011

本発明の炭化タングステン含有超硬合金は、主として炭化タングステンからなる硬質相と、コバルトおよび/またはニッケルを主成分とする結合相を有する超硬合金であり、代表的には、超硬合金全体として、硬質相70〜97重量%と結合相3〜30重量%からなる。

0012

該合金は、表面より厚さ少なくとも3μmに至る表面層と、合金内部とから構成され、該表面層の表面のX線回折を行って得られる炭化タングステンの回折線のうち、(001)結晶面のピーク強度をh(001)、(101)結晶面のピーク強度をh(101)としたとき、式(I):

0013

表面層に存在する板状晶炭化タングステンの含有率は、該表面層全体の70体積%以上が好ましく、98体積%以上がさらに好ましい。また、そのうちアスペクト比が6以上の板状晶炭化タングステンの含有率は、該表面層全体の50体積%以上が好ましく、90体積%以上がさらに好ましい。なお、ここでアスペクト比とは、粒子の最大長と最小長の比をいう。

0014

このような板状晶炭化タングステンは、表面層に隣接する合金内部との界面に対して垂直または傾斜状に配向され、該板状晶炭化タングステンの最表面部における結晶相互の間隔が3〜15μmであることが好ましい。特に、該表面層の最表面部に存在する板状晶炭化タングステンは、該界面に対して板状晶炭化タングステンの(001)面が傾斜する角度が、平均50〜90度に配向されていることが好ましい。このことによって、最表面部に存在する炭化タングステンの合計表面積が著しく増大し、ダイヤモンド被膜との結合強度が改善される。

0015

さらに、表面層の表面粗さは、表面層を形成するための前駆体物質の種類、その後の雰囲気および温度などの条件により、用途に応じて任意に調整できる。特に他物質との親和性に乏しいダイヤモンド被膜を被覆する場合には、JIS B0601で規定される表面粗さRmaxとして、5〜50μmであることが好ましく、10〜30μmがさらに好ましい。表面粗さのRmaxが5μm未満では、ダイヤモンド被膜を被覆する場合、該被膜との密着性が十分でない。逆に50μmを越えると、ダイヤモンド被膜を被覆して切削工具などとして用いる場合には、ダイヤモンド被膜の表面粗さが過大となって、切削の際の負荷が高くなり、被削材の加工表面の精度が低下したり、工具自体の被膜が剥離したりする。また、表面における凸部と凹部の間隔は、3〜25μmが好ましい。

0016

このように、表面層には、合金内部との界面に垂直状および/または傾斜状の板状晶炭化タングステンが存在するので、その最表面部の間隔に応じて開孔を生ずる。該開孔の存在による、該表面層の最表面側における単位面積当たり空隙率は、30〜98%の範囲が好ましい。さらに好ましい範囲は、このようは表面層を有する超硬合金の使用目的によっても異なるが、ダイヤモンドの被膜を被覆する場合は65〜98%である。また、界面側の空隙率は、2%以下であることが好ましい。

0017

一方、合金内部は、コバルトおよび/またはニッケルを主成分とする結合相10重量%以下;および炭化タングステン、または炭化タングステンを硬質相中50重量%以上と、周期律表の4a、5aもしくは6a族金属炭化物炭窒化物炭酸化物およびこれら相互の固溶体の少なくとも1種(炭化タングステンを除く)の残余量とからなる硬質相90重量%以上からなることが好ましい。合金内部には、板状晶炭化タングステンが存在しても、存在しなくてもよいが、板状晶炭化タングステンが存在する場合、表面層に比べてその含有率が低いことが好ましい。また、結合相の含有率は、表面層の結合相の含有率よりも多いことが好ましい。

0018

このような表面層と合金内部からなり、前述のような含有率と状態で板状晶炭化タングステンを含有する超硬合金は、たとえば次のような方法によって製造することができる。

0019

まず、第1工程(1)において、炭化タングステン含有超硬合金の表面に、表面層の前駆物質を形成させて、該表面層の前駆物質と合金内部からなる超硬合金を構成させる。表面層の前駆物質を形成させる方法として、たとえば、下記の(a)、(b)および(c)の方法が挙げられる。

0020

(a)は、焼結によって得られた超硬合金の表面に、化学蒸着CVD)法または物理蒸着PVD)法によって、タングステンおよび/または炭化タングステンからなる薄膜からなる表面層の前駆物質を形成する方法である。CVD法としては、たとえば六フッ化タングステンまたは六塩化タングステン水素を用いるプラズマCVD法が用いられる。成膜条件は、たとえばWF6またはWCl6:H2:Arのガス流量比が1:3〜4:4〜6、圧力が100〜300Torr、温度が400〜500℃である。このようにして、該超硬合金の表面に、厚さ3μm以上、好ましくは5〜50μmのタングステン表面層が形成される。

0021

(b)は、焼結によって得られた超硬合金を脱炭雰囲気中で加熱処理して、該超硬合金の表面部の炭化タングステンを脱炭し、タングステンと、コバルトおよび/またはニッケルと、炭素とを主成分とする脱炭層である表面層の前駆物質を形成させる方法である。たとえば、該超硬合金を、酸素水素雰囲気中で、800〜1,200℃に加熱する。このことによって、超硬合金の表面部に、厚さ3μm以上、好ましくは5〜50μmの脱炭層である表面層の前駆物質が形成される。該脱炭層には、タングステンとコバルトおよび/またはニッケルとを含む複合炭化物が存在し、さらにW2Cのような炭化物が存在していてもよい。

0022

(c)は、焼結によって得られた超硬合金の表面に、粉末焼成によって表面層の前駆物質を被覆する方法である。すなわち、まず該超硬合金の表面に、(i)タングステンと、コバルトおよび/またはニッケルと、炭素とを主成分とする複合物粉末および/またはタングステン粉末を配置し、あるいは(ii)該複合物粉末および/またはタングステン粉末に該超硬合金を埋設する。ついで、このような処理を行った超硬合金を、非酸化性雰囲気中で加熱処理し、該超硬合金の表面に該複合物および/またはタングステンからなる層を形成させる。

0023

上記の複合物の場合、その組成は、原子比としてタングステン43〜67%、コバルトおよび/またはニッケル0〜46%、炭素8〜33%の範囲が好ましく、たとえばCo3W9C4で表される複合炭化物である。複合物を塗布する便宜から、たとえば樹脂有機溶媒に溶解させた溶液混和したペーストを塗布し、あるいは噴霧してもよい。または、タングステン粉末を用いて、上記と同様にしてタングステン被膜からなる表面層を形成させてもよい。あるいは、複合物粉末とタングステン粉末を併用してもよい。非酸化性雰囲気としては、1×10-2Torr以下の真空、窒素やアルゴンのような不活性雰囲気浸炭雰囲気などが挙げられる。加熱温度は特に限定されないが、通常1,400〜1,500℃である。

0024

このことによって、超硬合金の表面に、厚さ3μm以上、好ましくは5〜50μmの、上述の複合物および/またはタングステンからなる表面層の前駆物質が形成される。

0025

ついで、第2工程(2)において、(1)によって、たとえば(a)、(b)または(c)によって得られた表面層の前駆物質を有する超硬合金を、非酸化性雰囲気中で加熱処理する。非酸化性雰囲気としては、(1)(a)で挙げたような雰囲気が用いられる。なお、表面層の前駆物質が上記の(b)で得られた脱炭層である場合は、非酸化性雰囲気として、浸炭雰囲気を用いることが好ましい。このような加熱処理により、上記の合金内部の結合相と、該結合相中に固溶している炭素とのそれぞれ一部を、該表面層に移行させる。ただし、表面層が上記の脱炭層である場合は、同様の工程により、合金内部の結合相に固溶している炭素を、表面の脱炭層に移行させる。また、非酸化性雰囲気の中でも浸炭雰囲気で使用する場合には、気相中からも炭素が供給される。加熱温度は、1,350〜1,650℃が好ましい。

0026

このことによって、前述の表面層の前駆物質の組成は、主としてタングステン、ならびに該表面層を形成するときに存在し、または合金内部から移行した炭素、または雰囲気によっては一部気相より供給された炭素、ならびに結合相であるコバルトおよび/またはニッケルを含むようになる。

0027

次に、第3工程(3)として、(2)で得られた超硬合金を、非酸化性雰囲気中でさらに加熱処理する。(3)の加熱は、(2)から連続して行うことが好ましいが、(2)とは別個に行ってもよい。非酸化性雰囲気としては、(2)と同様な雰囲気が用いられる。加熱温度は、(2)と同様に1,350〜1,650℃が好ましい。このことによって、表面層の前駆物質に移行した炭素が、該表面層のタングステン、上述の複合炭化物およびW2Cと反応して、板状晶炭化タングステンが析出する。

0028

このようにして、(2)で得られた第2段階の表面層の前駆物質は、本発明において特徴的な含有率と状態により板状晶炭化タングステンを含有する表面層に転換され、板状晶炭化タングステンの含有率が、合金内部中の板状晶炭化タングステンの含有率よりも多い表面層を有する板状晶炭化タングステン含有超硬合金が形成される。

0029

本発明のダイヤモンド被覆板状晶炭化タングステン含有超硬合金は、上述の板状晶炭化タングステン含有超硬合金を基体として用い、その表面層上に、ダイヤモンド被膜が形成されたものである。ダイヤモンド被膜の厚さは、通常5〜50μmであり、好ましくは7〜30μmである。

0030

該ダイヤモンド被覆超硬合金は、前述のような表面層を有する超硬合金を基体として用い、その表面層上に、CVD法、たとえばマイクロ波プラズマCVD法、熱フィラメントCVD法、プラズマアーク法、PVD法などにより、ダイヤモンド層を形成させることによって製造できる。マイクロ波プラズマCVD法による場合、たとえば温度900〜1,050℃、圧力40Torrのプラズマ発生器中に超硬合金を置き、プラズマを発生させて、メタンと水素の混合ガスを導入して表面層と接触させ、該表面層の上にダイヤモンド層を析出させる。

0031

本発明の超硬合金の表面層は、該表面層と合金内部との界面に対して垂直状および/または傾斜状の板状晶炭化タングステンを含有し、該板状晶炭化タングステンが、表面層の強度、耐摩耗性および耐衝撃性を高める作用をする。特に、表面層中の板状晶炭化タングステンの高い含有率と、h(101)に対する(001)の比が1未満であることから、表面層中に含有される炭化タングステン、特に板状晶炭化タングステンの表面積が大きく、耐摩耗性の向上に寄与している。

0032

さらに、この板状晶炭化タングステンの結晶相互間に形成された空隙部分が開孔となり、この空隙部分に他の物質、たとえば固体潤滑剤油類、親和性に劣るダイヤモンドなどが入り込むことにより、それぞれ入り込んだ物質の効果を発揮させる。一方、表面層と合金内部との界面は、結合相が合金内部から表面層側に浸透し、かつ界面側の表面層部分には空隙部分が非常に減少していることから、表面層と合金内部との界面における強度を高める作用をしている。

0033

特に、本発明の超硬合金を基体とし、この基体上にダイヤモンドの被覆層を被覆させると、表面層に存在する空隙部分にダイヤモンド被覆層の粒子が楔状にくい込んでアンカー効果を発揮し、しかも板状晶炭化タングステンとダイヤモンドとの親和作用とともに、ダイヤモンド被覆層と基体との付着性が顕著に高まるという相乗作用がある。

0034

以下、実施例および比較例によって、本発明をさらに詳細に説明する。これらの例において、組成の%は、特にことわらないかぎり重量%を表す。本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。

0035

実施例1〜8、比較例1〜5
表1に示す組成の炭化タングステン含有超硬合金を、表1の表面層形成欄に示す方法および被覆材料によって、第1工程の表面層の前駆物質の形成を行った。ついで、加熱条件欄に示す雰囲気と温度による熱処理を行い、該表面層を、板状晶炭化タングステンを多く含有する表面層に転換して、転換された表面層と、残余基体内部を含み、形状がJIS B4120に規定されるSPGN120308である、実施例1〜8の超硬合金基体を得た。なお、該熱処理は、前記の第2工程と第3工程を同一条件で連続的に行い、表1に示す加熱時間は、その合計時間を示す。表2に、得られた合金の表面状態、表面層のX線回折から得たh(001)とh(101)の比、ならびに表面層および内部それぞれの板状晶炭化タングステンの含有率を示す。

0036

表1に示す比較例1および2の試料は、窒素雰囲気中で加熱、焼結することによって作製されて、表面に浸炭層が形成されたものである。また、比較例3〜5の試料は、合金全体にほぼ均一に板状晶炭化タングステン層が含有されており、表面層が形成されていないものである。

0037

0038

0039

得られた超硬合金をマイクロ波プラズマ発生器に置き、900℃、40Torrにおいてプラズマを発生させ、メタンと水素の混合ガスを該基体の表面と接触させることにより、表3に示す厚さのダイヤモンド被膜を形成させて、ダイヤモンド被覆超硬合金の切削工具を作製した。

0040

上記のようにして得られた切削工具を用いて、表4に示す切削条件により、切削試験を行った。その結果は、表3に示すとおりであった。

0041

0042

0043

表3に示されるように、比較例による切削工具の切削寿命が著しく短く、切削試験にダイヤモンド被膜の剥離および工具の著しい摩耗が観察されたのに対し、本発明による切削工具は、切削寿命が長く、切削試験後の摩耗状態も正常であった。

発明の効果

0044

板状晶炭化タングステンを含有する表面層を有する本発明の超硬合金は、その表面にダイヤモンド層を被覆したときに、該ダイヤモンド層との間の密着性に優れ、切削工具としての使用条件で該ダイヤモンド層が剥離しにくい。したがって、このような表面層を有する超硬合金を基体として得られたダイヤモンド被覆炭化タングステン含有超硬合金は、優れた切削性能を示し、切削工具としてきわめて有用である。

0045

また、上記の板状晶炭化タングステン含有表面層を有する本発明の超硬合金は、その表面粗さを利用して、ヤスリとして有用である。さらに、表面層に存在する空隙部分に固体潤滑剤や油類を含浸して、軸受材料としても有用である。

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