JP2000345207A - チタン基炭窒化物合金の部材を液相焼結によって製造する方法 - Google Patents

チタン基炭窒化物合金の部材を液相焼結によって製造する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、主成分としてチタン、及びバイン
ダー相としてコバルトを有し、それらが焼結後いずれの
組成的な勾配、または中央部の気孔の集中を示さない炭
窒化物合金の焼結部材を製造する方法に関する。 【解決手段】 これは、表面よりも部材の内部に低融点
の液相を得るために特別な方法で材料を加圧成形するこ
と、一方で液相焼結する全工程のあいだ部材外部のガス
雰囲気を合金組成と釣り合わせることによって達成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、焼結後に組成勾配
と中心の気孔集中とのいずれもがなくて、主成分として
チタン(Ti)及びバインダー相としてコバルト(C
o)を含む炭窒化物合金の焼結部材の製造方法に関す
る。このことは、表面と比較して部材の内側の液相を低
溶融点にするために、液相焼結の全ての工程の際に、こ
の部材の外側のガス雰囲気とこの合の組成とを平衡にす
る特別な状態でこの材料を処理することによって達成さ
れる。
【0002】
【従来の技術】チタン基炭窒化物合金は、サーメットと
呼ばれ、金属切削加工工業においてインサート材料とし
て確立されており、特に仕上げ加工に使用される。これ
らの合金は金属バインダー相中に入り込んだ炭窒化物硬
質成分を含む。この硬質成分粒は、別の組成のリムによ
って囲まれたコアーを有する一般的に複雑な組織であ
る。チタンに加えて、VIa族元素で通常はモリブデン
とタングステンの双方及び時にはクロムを、バインダー
と硬質成分との間のぬれ性を促進し且つ固溶体強化によ
ってバインダーを強化するために添加する。また、IV
a族及び/またはVa族の元素、例えば、ジルコニウ
ム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、及びタンタル
が、今日入手できる市販合金の全てに添加される。これ
らのすべての追加元素が、一般的に炭化物、窒化物及び
/または炭窒化物として添加される。この硬質元素の粒
径は一般的に<2μmである。バインダー相は、主にコ
バルトとニッケルとの双方の固溶体である。バインダー
相の量は、一般的に3〜25質量%(wt%)である。
ときには、その他の元素が、たとえば、アルミニウムが
さらに添加され、アルミニウムにたいしては、バインダ
ー相を強化させること、及び/または硬質成分とバイン
ダー相との間のぬれ性を改良することがいえる。もちろ
ん、市販入手できる原材料粉末は、不可避不純物を含有
する。
【0003】もっとも重要な不純物は、チタンとのその
親近性により酸素である。一般的な酸素の不純物レベル
は、歴史的に<0.3wt%である。最近、チタン基原
材料の製造方法を改良するために、このレベルは、特に
低窒素含有量の等級に対しては<0.2wt%に減少さ
れた。非常に高レベルの酸素が一般的に避けられるの
は、これは液晶焼結の際に気孔が封鎖されたのちに、一
酸化炭素(CO)を形成するとができ、それが同様に過
剰な気孔率をもたらすからである。
【0004】サーメットインサートが、硬質成分とバイ
ンダー層との粉末を混練すること、所望の形状のグリー
ン部材に加圧成形すること、及び最後のこのグリーン部
材を液相焼結することによる粉末冶金法によって製造さ
れることは、全てのサーメットインサートに対してはご
く普通のことである。良好なぬれ性が液体と固体との硬
質相粒子との間で得られるならば、強い毛細管力が得ら
れる。この力の作用が、気孔部材を等方等質に収縮させ
ることになり、それによって、気孔が取り除かれる。こ
の線収縮は典型的には15〜30%である。
【0005】チタン炭窒化物基サーメットの焼結は複雑
な工程であり、この工程は、焼結部材が所望の輪郭を備
えるために、全ての工程を正確に制御する必要がある。
一般的に、脱蝋後、この材料は、真空中または不活性ガ
ス中で1250〜1350℃に加熱されて、材料の脱酸
及び脱窒を可能にする。さらに、最終焼結温度までの加
熱とその後の冷却は、真空中、または不活性或いは反応
性のガスを含む雰囲気中で行われる。それぞれの工程の
各々が、焼結された材料の性質に影響を及ぼすので注意
深く最適にする必要がある。
【0006】従来の焼結方法は、強度及び耐摩耗性の欠
陥のような幾つかの欠点を有する焼結材料が生産され
た。一般的に、焼結された部材は、バインダー相の豊富
化または枯渇の変化する程度とともに中心部及び表面に
気孔の集中がある。焼結の際のガス雰囲気を変化させる
ことによって、気孔の制御を改良する多くの試みが成さ
れた。
【0007】幾つかの方法で達成された窒素(N2 )中
での焼結が脱窒を制限する手段を提供し、これは高窒素
含有量のサーメットに対して有効である。米国特許第
4,990,410号は、13.3〜2666、4Pa
(0.1〜20torr)のN2 中で≧1300℃の温
度で液晶焼結することによって、サーメットを製造する
方法を開示する。窒素雰囲気は、焼結されたサーメット
部材の表面近くの性質の改良に有効である。米国特許第
5,059,491号は、N 2 中で液相焼結しそして真
空中で冷却することによって、表面から5〜50μmの
深さで最大の硬さを備えるサーメットの製造方法を開示
する。米国特許第4,985,070号は、高強度サー
メットを製造する方法を開示し、このサーメットは、次
第に増加させたN2 圧力中で材料を焼結することによっ
て達成される。米国特許第5,145,505号は、6
66.5〜3999.6Pa(5〜30torr)のN
2 中で焼結することによってバインダー枯渇表面を備え
た強靱なサーメットを製造する方法を開示する。
【0008】Co中で焼結することは、焼結されたサー
メット部材の表面に渡って改良された制御を達成するた
めに有効であることが判明した。国際公開WO99/0
2746号は、CO中で100〜8000Pa(1〜8
0mbar)の圧力で表面上に1〜2μmの厚みの通常
のバインダー相の層を備えることなく、焼結部材を製造
する方法を開示する。
【0009】CO−N2 混合物中で焼結することが、焼
結部材の改良された性質を得るために試みられた。米国
特許第5,856,032号は、CO−N2 混合物中で
液相焼結することによって、Ti(C、N)基サーメッ
トを製造する方法を開示する。このガス混合物は、焼結
部材の表面近くの領域、600μmの深さの下方までを
改良するために使用される。ガス混合物の所望の組成
は、硬質成分の窒素含有量に依存する一方で、必要とす
る全ガス圧力がバインダー含有量によって決定される。
この焼結された部材は、下側のコアに対して0.01〜
3μmの深さの表面層の中のCo及び/またはNiのバ
インダーの含有量が、全ての場合に体積で≦90%の分
量であった。
【0010】米国特許第6,017,488号は、Co
バインダーを有する焼結サーメット部材を製造する方法
を開示する。焼結はCO−N2 混合物中で実施され、こ
の混合物の分圧は2000Pa(20mbar)以下に
保持される。焼結された部材は、独特な性質を備え、そ
れらはマクロ的なCo勾配を有し、Co含有量が部材の
中心からその表面まで実質的に単純に減少し、表面から
0〜10μmの深さでのCo含有量は中心の含有量の5
0〜99%に達した。
【0011】Coバインダーを有するチタン炭窒化物基
合金の系統が、これとともに同時に出願されたスウェー
デン特許出願第9901582−88号、第99015
83−6号及び第9901584−4号に開示される。
これらは、チタンの炭化物または窒化物及び/またはア
ルミニウム酸化物の単一または多重層の耐摩耗性被膜を
双方備えるかまたは備えないで、金属切削加工の適用に
おいて優れた性能を有する。これら、焼結の際に、Ni
−Coバインダーを有する従来のサーメットとは全く異
なる独特な挙動を示した。一つの特徴は、高含有量、す
なわち、≧2at%好ましくは4〜7at%のTiであ
り、これは、焼結の際に、材料中の窒素の活性を増加す
る。もう一つの特徴は、金属切削加工において著しく性
能が改良できる原材料に最適化することである。これら
の二つの特徴により、これらの材料は従来のものと実質
的に異なり、したがって、これらの材料は、通常使用さ
れるものと異なる焼結方法を必要とする。これらの材料
が、米国特許第6,017,488号または第5,85
6,032号に開示される方法にしたがって焼結される
ならば、これらの材料は通常の状態で溶融し、すなわち
この溶融は表面から内側に向かってであり、ガスの取り
込みと不満足な気孔性をもたらし、これらのことはこの
材料の潜在能力を十分に利用するためには回避する必要
がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、バイ
ンダーとしてCoを含有し及び高Ta含有量の上記の等
級のチタン炭窒化物基合金を製造するための方法を提供
することである。本発明の一つの態様において、発明さ
れた方法はこの合金の硬質相に対して有効であり、この
硬質相は25〜50at%の原子比N/(C+N)を有
する。Ta含有量は、少なくとも2at%、好ましくは
4〜7at%である。W含有量は、少なくとも2at
%、好ましくは3〜8at%である。Co含有量は、5
〜25at%である。本発明したがって製造された焼結
部材は、部材全体に渡って実質的に組成勾配がない。さ
らにその上に、このような部材は、体積全体に渡って均
一に分布する気孔率は等級A06以下好ましくはA04
以下であり、すなわち、部材の中心部に気孔の集中がな
い。この幾分高い気孔率は、高Ta含有量のために、合
金中の非常に高い窒素活性をもたらす。
【0013】本発明の別の態様において、焼結炭窒化物
合金の製造方法を提供し、この合金は、炭化物、炭窒化
物及び/または窒化物の粉末は、Coとともに規定され
た組成比に混合され、所望の形状のグリーン部材に加圧
成形される。このグリーン部材は制御されたガス雰囲気
中で1370〜1550℃の温度で液相焼結される。
【0014】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】上
記に具体的に示した合金の等級に対して、全く驚くべき
次のことが判明した。すなわち、本発明の方法を利用す
ることによって、マクロ的なCo勾配のない焼結合金
が、好ましい溶融、すなわち表面に向かって伝播する核
生成を維持する状態で得ることができる。この好ましい
成果は、グリーン部材を脱蝋すること、及び、硬質相粒
の脱酸及び制御された脱窒を可能にするために、引き続
き真空の下で1250〜1350℃まで温度を上昇させ
ことによって達成される。この脱窒は、温度上昇と適切
なレベルでの温度平坦域とによって制御される。その結
果として焼結は、前もって規定したガス雰囲気で実施す
る。種々のガス組成が、次のことに対して必要である。
すなわち、 (1) 最終焼結温度に達するまでの温度上昇、 (2) 最終温度での平坦部、及び (3) ≦1200℃までの温度降下。
【0015】(1) COとN2 とのそれぞれの分圧
は、一定に保持するか、または段階的或いは滑らかに上
昇させて、最終焼結温度まで温度を上昇させる際に、グ
リーン部材内の増加するガス発生速度を釣り合わせる必
要がある。余りにも低い分圧はマクロ的なCo勾配を生
じ、一方余りにも高い分圧は溶融工程が再発し、中央に
気孔の集中をもたらす。焼結開始のためのCOとN2
のレベルは、25〜300Pa(0.25〜30mba
r)、好ましくは50〜150Pa(0.5〜1.5m
bar)である。最終焼結温度に到達したときは、CO
の分圧レベルは、100〜1000Pa(1〜10mb
ar)、好ましくは200〜600Pa(2〜6mba
r)であり、且つN2 の分圧レベルは、50〜300P
a(0.5〜3mbar)、好ましくは100〜200
Pa(1〜2mbar)である。
【0016】(2) 1250〜1350℃から最終焼
結温度までの上昇の際のガス雰囲気の制御を、マクロ的
なCo勾配を除去するために行う。しかしながら、この
材料に対して最近発明された方法が使用され、この材料
は、Coの枯渇がおこる≦500μmの深さの表面領域
においてW及びTaを含有する硬質成分の豊富化が強い
いられ。この豊富化は、ある場合に、表面から0〜10
μmの範囲におけるWとCoの含有量を、部材の中央に
おけるそれより≧20%高くするようになる。この豊富
化は、最終焼結時の平坦部の間じゅう、ガス雰囲気の組
成を制御することによって除去できることが驚くべきこ
とに判明した。部材の表面から≦500μmの深さで組
成的な勾配の除去を達成するために、COとN2 との双
方を制御する必要がある。最終焼結時の平坦部の間じゅ
う、COの分圧は、50〜500Pa(0.5〜5mb
ar)好ましくは100〜300Pa(1〜3mba
r)であり、且つN2 の分圧は、25〜300Pa
(0.25〜3mbar)好ましくは50〜200Pa
(0.5〜2mbar)にする。
【0017】(3) 温度上昇と最終焼結温度の平坦部
との間の、ガス雰囲気の制御では、焼結部材の実際の表
面に適切な性質を備えるために不十分である。バインダ
ー相の液相温度以下の十分なレベルまで温度を低下する
ときに、適切にCOとN2 との圧力を選択することによ
って、0〜10μmの深さでの表面組成はバルクと実質
的に同一となることが判明した。最終焼結温度から≦1
200℃まで冷却する際に、CO分圧は、25〜300
Pa(0.25〜3mbar)好ましくは50〜200
Pa(0.5〜2mbar)とし、且つN2 の分圧は、
25〜300Pa(0.25〜3mbar)好ましくは
50〜200Pa(0.5〜2mbar)にする。
【0018】
【実施例及び発明の効果】実施例1 TNMG168408−PFインサートは、37.1の
Ti、3.6のW、4.5のTa、30.7のC、1
4.5のN及び9.6のCoの標準組成(at%)の粉
末混合物を用いて加圧成形した。グリーン部材は、35
0℃以下の温度のH2 中で脱蝋した。その後炉は排気さ
れ、吸引は350〜1300℃の間中維持された。35
0から1050℃までは、10℃/minの温度勾配が
維持された。1050から1300℃までは、2℃/m
inの温度勾配が維持された。温度は1300℃で30
分間真空中で保持された。その後、真空バルブが閉じら
れ温度を2℃/minの温度勾配で1480℃に上昇さ
せた。1310℃まで、炉の圧力は、気孔性の部材から
の脱ガスのために増加することができる。最終焼結温度
までのその後の加熱、引き続く1200℃までの冷却の
際に、混合ガスを炉に流すことができ、一方で800P
a(8mbar)の一定圧力に維持される。1310か
ら1480℃までは、混合ガスは8.3vol%のC
O、8.3vol%のN2 を含有し、アルゴン(Ar)
で平衡が保たれた。90分で1480℃の液相焼結の際
には、混合ガスは29.2vol%のCO、12.5v
ol%のN 2 を含有し、アルゴン(Ar)で平衡が保た
れた。1480から1200℃までは、3.5℃/mi
nの冷却速度が適用され、そして16.7vol%のC
O、12.5vol%のN2 の組成の混合ガスが使用さ
れ、平衡はアルゴン(Ar)で保たれた。
【0019】研磨されたインサートの横断面は標準的な
金属組織学的な技術で準備され、光学顕微鏡と電子マイ
クロプローブ分析装置(EMPA)を使用して特徴付け
た。光学顕微鏡は、インサートが焼結された部材全体に
渡って等級A04より優れた気孔率で均一に分布する残
留気孔を有することを示した。この気孔は、部材の中央
部から気孔が集中することなく、均一に分布する。図1
は、インサートの一方の側面から材料の内側を通って反
対側の面までの範囲の、Co、W、N及びCのEMPA
の線走査分析を示す。全ての元素の濃度は、明らかにイ
ンサート全体を通して、理に適った測定範囲と統計的な
変動内で一定である。
【0020】実施例2(比較例) 第2の実施態様において、35.9のTi、3.6の
W、4.3のTa、27.2のC、16.6のN及び1
2.4のCoの標準組成(at%)のインサートを、1
310〜1480℃の温度上昇の際に炉を通して流すこ
とができるガスがアルゴンであることを除き、実施例1
に記載する同一の方法で製造した。この場合に、典型的
なマクロなCo勾配が観察され、EMPAの線走査分析
を示す図2で観察できるように放物線状の形状である。
表面から0〜10μmの深さのCo含有量は、インサー
ト中央部のそれより少なかった。光学顕微鏡は、焼結さ
れた部材全体に渡って等級A04より優れた気孔率で均
一に分布する残留気孔を有することを示した。
【0021】実施例3(比較例) 第3の実施例において、37.1のTi、3.6のW、
4.5のTa、30.7のC、14.5のN及び9.6
のCoの標準組成(at%)のインサートを、実施例1
に記載する同一の方法で製造したが、1310〜148
0℃の温度上昇の際に、炉を通して流すことができるガ
スが50vol%のCoと50vol%のN2 の組成で
2000Pa(20mbar)の炉圧力であることが異
なった。光学顕微鏡によるインサートの横断面は、イン
サートの中央部に気孔の集中が見られ、気孔率はA08
より悪く、気孔率は表面から≦500μmの領域では気
孔率等級A04であった。AMPAの線走査分析は、イ
ンサートの中央部でCo含有量の最小を示した。これら
の二つの観察は、バインダー相は外から内に向かって溶
融し、温度上昇の際に発生した滞留ガスが好ましくない
気孔率と、望ましくない組成的な勾配を生じるという結
論をもたらした。
【0022】実施例4(比較例) 第4の実施例において、37.1のTi、3.6のW、
4.52のTa、30.7のC、14.5のN及び9.
6のCoの標準組成(at%)のインサートを、実施例
1に記載する同一の方法で製造したが、変化する炉圧力
で1310〜1480℃の温度上昇の際に、炉を通して
流すことができる混合ガスが変化できる組成であること
が異なった。さらにその上に、ガスの組成は液相焼結と
≦1200℃までの冷却の際に、ガス組成は異なった。
【0023】以下の表は焼結の際の、ガス組成の要約で
ある。 温度(℃) ガス組成(vol%) 炉圧力(Pa((mbar)) CO N2 Ar 1310〜1340 50 50 0 150(1.5) 1340〜1370 55 45 0 300(3) 1370〜1400 67 33 0 400(4) 1400〜1430 75 25 0 550(5.5) 1430〜1480 75 25 0 650(6.5) 1480(平坦部) 37 7 56 600(6) 1480〜1200 23 7 70 600(6) 比較として、40.2のTi、3.6のW、27.2の
C、16.6のN及び12.4のCoで、Taなしの標
準組成(at%)のインサートを、同一の方法で製造し
た。
【0024】図3及び図4は、Taを含む新しい合金、
及びTaを含まない比較例の合金で作られたのそれぞれ
インサートのEMPAの線走査分析を示す。マクロ的な
Coの勾配が図2に示す形式の観察でないことが図3か
ら結論される。すなわち、1310〜1480℃の温度
上昇の際のガス雰囲気は、十分に釣り合っている。しか
しながら、双方の表面から≦500μmの領域には明確
なCoの枯渇がある。表面から0〜10μmの深さでの
Co含有量は、インサートの中央部のそれより12%低
かった。これは焼結温度の平坦部の間でガス雰囲気が不
均衡であることを示す。比較例の材料は実質的に組成勾
配のないことを示す。光学顕微鏡は、Taを含有する材
料のインサートは全体に渡って、等級A04より優れた
残留気孔率を示した。Taを含有しない材料のインサー
トは全体に渡って、等級A00の気孔率である残留気孔
率を示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の方法において焼結されたTi
(C、N)−(Ti、Ta、W)(C、N)−Co合金
のインサートを横断するEMPA(電子マイクロプロー
ブ分析)の線走査である。
【図2】図2は、比較例の方法において焼結されたTi
(C、N)−(Ti、Ta、W)(C、N)−Co合金
のインサートを横断するEMPAの線走査である。
【図3】図3は、比較例の方法において焼結されたTi
(C、N)−(Ti、Ta、W)(C、N)−Co合金
のインサートを横断するEMPAの線走査である。
【図4】図4は、比較例の方法において焼結されたTi
(C、N)−(Ti、Ta、W)(C、N)−Co合金
のインサートを横断するEMPAの線走査である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B23P 15/28 B23P 15/28 Z (72)発明者 マルコ ツビンケルス スウェーデン国,エス−169 35 ソルナ, 4 テーエル,ビンテルベーゲン 28 (72)発明者 ウルフ ロランデル スウェーデン国,エス−112 64 ストッ クホルム,フロートブロベーゲン 10

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Coバインダー相にTi、W及びTaを
    基本とする硬質成分を含有するチタン基炭窒化物合金の
    部材を液相焼結によって製造する方法であって、 原子比N/(C+N)が25〜50at%であって、T
    a含有量が少なくとも2at%、好ましくは4〜7at
    %、W含有量が少なくとも2at%、好ましくは3〜8
    at%、Co含有量が5〜25at%であり、且つ液状
    バインダー相が、先ず前記部材の中央部に形成され、そ
    の後、溶融前端部が、マクロ的なバインダー相勾配を発
    生することなく表面に向かって外側に伝播するような条
    件のもとで、焼結が実施されることを特徴とするチタン
    基炭窒化物合金の部材を液相焼結によって製造する方
    法。
  2. 【請求項2】 前記硬質成分の実質的に枯渇または濃縮
    が、焼結されたいずれの部分でも観察されないような条
    件のもとで、焼結が実施されることを特徴とする請求項
    1に記載の焼結部材を製造する方法。
  3. 【請求項3】 前記焼結部材の気孔率が、等級A06以
    下好ましくは等級A04以下であり、且つ前記焼結部材
    の中央部に気孔が集中することなく容積全体を通して均
    一に分布することを特徴とする請求項1または2に記載
    の焼結部材を製造する方法。
  4. 【請求項4】 1250〜1350℃の温度から137
    0〜1550℃の最終焼結温度まで温度を上昇させる際
    に、温度上昇速度が0.5〜5℃/minであることを
    特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の焼結部
    材を製造する方法。
  5. 【請求項5】 最終焼結温度と≦1200℃との間を冷
    却する際に、温度降下速度が0.5〜5℃/minであ
    ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載
    の焼結部材を製造する方法。
  6. 【請求項6】 1250〜1350℃の温度から最終焼
    結温度まで温度を上昇させる際に、N2 とCOとの分圧
    を一定に保持するか、またはN2 とCOとのそれぞれの
    分圧を滑らかに或いは段階的に上昇させることを特徴と
    する請求項1〜5のいずれか1項に記載の焼結部材を製
    造する方法。
  7. 【請求項7】 前記N2 とCOとのそれぞれの分圧は、
    1300℃で25〜300Pa好ましくは50〜150
    Paであり、且つ最終焼結温度に到達したときには、前
    記N2 の分圧は、50〜300Pa好ましくは100〜
    200Paであり、且つ前記COの分圧は、100〜1
    000Pa好ましくは200〜600Paである、こと
    を特徴とする請求項6に記載の焼結部材を製造する方
    法。
  8. 【請求項8】 最終焼結温度の保持時間は30〜120
    分であることを特徴とする請求項6または7に記載の焼
    結部材を製造する方法。
  9. 【請求項9】 最終焼結温度に保持する際に、前記N2
    の分圧は、25〜300Pa好ましくは50〜200P
    aであり、且つ前記COの分圧は、50〜500Pa好
    ましくは100〜300Paである、ことを特徴とする
    請求項6、7及び8のいずれか1項に記載の焼結部材を
    製造する方法。
  10. 【請求項10】 最終焼結温度と≦1200℃との間を
    冷却する際に、前記N2 の分圧は、25〜300Pa好
    ましくは50〜200Paであり、且つ前記COの分圧
    は、25〜300Pa好ましくは50〜200Paであ
    る、ことを特徴とする請求項6、7、8及び9のいずれ
    か1項に記載の焼結部材を製造する方法。
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