JP2005272878A - 表面被覆Ｔｉ基サーメットおよびその製造方法並びに切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面における耐塑性変形性の向上および硬質被覆層への衝撃よる突発欠損を防止して、耐欠損性および耐摩耗性に優れた表面被覆Ｔｉ基サーメットおよびその製造方法並びにこれを用いた切削工具を提供する。
【解決方法】 Ｔｉと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、鉄族金属からなる結合相：１０〜２０質量％にて結合してなり、内部から表面に向かって結合相濃度が減少して表面から１０〜１００μｍの深さ位置までに極小値をとる第１の表面領域と、次いで該極小値から焼結体表面に向かって結合相濃度が増加して表面での結合相濃度が内部以上となる第２の表面領域とを具備するサーメット母材の表面に、硬質被覆層を被覆した表面被覆Ｔｉ基サーメットを作製する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、表面被覆Ｔｉ基サーメットとその製造方法および切削工具に関し、特に、硬度に優れるとともに耐熱衝撃性を有して優れた切削性能を長期に亘って発揮する表面被覆Ｔｉ基サーメット製切削工具に関するものである。

従来より、耐摩耗性工具や切削工具用合金としてＴｉＣやＴｉＣＮを主成分とするＴｉ基サーメットが開発されており、特に靭性を改善したＴｉＣＮを主体とするＴｉ基サーメットが広く用いられている。また、かかるＴｉ基サーメットを母材としてこの表面に硬質被覆層を形成し、部材の耐摩耗性を高めることが行われている。

一方、超硬合金では母材表面における結合相濃度を高めて硬質被覆層の耐衝撃性を高め、硬質被覆層チッピングの発生を防止することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

他方、サーメットにおいても表面領域における結合相の濃度分布を制御することが行われており、特許文献２では、サーメットの表面に８０質量％以上が結合相にて構成される表面領域（表層）を備えたサーメットを形成することによって、クラックの進展が抑制されて強度を高めることができると記載されている。

また、特許文献３では、冷却中に窒素ガスを導入することにより、サーメット表面に窒素濃度が高く、かつ結合相濃度が内部よりわずかに高い表面層を存在せしめて表面硬度が高く、母材表面での耐摩耗性と耐塑性変形性を高めたサーメット焼結体を作製する方法が開示されている。
特開平４−１２０２７４号公報 特開２００１−１８１７７５号公報 特表２００１−５２４８８６号公報

しかしながら、特許文献２のように、単純に表面における結合相の濃度を高めたサーメット母材においては、その表面に硬質被覆層を形成した場合の耐欠損性および耐摩耗性の最適化には対応されておらず、切刃が塑性変形して精密な切削ができなくなったり、繰り返し使用による熱疲労によって硬質被覆層の剥離が発生する等の問題を解消することはできなかった。また、特許文献３のようにサーメット母材の表面に高硬度の表面層を有するサーメット母材であっても、硬質被覆層を有するサーメットに比較すると耐摩耗性の点で劣り、また、この高硬度表面層の表面にさらに硬質被覆層を形成すると、硬質被覆層が衝撃によってチッピングしやすく結果的に耐欠損性が低下するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、表面に硬質被覆層を形成した表面被覆Ｔｉ基サーメットに関して、表面における耐塑性変形性の向上および硬質被覆層への衝撃よる突発欠損を防止して、耐欠損性および耐摩耗性に優れた表面被覆Ｔｉ基サーメットおよびその製造方法並びにこれを用いた切削工具を提供することにある。

本発明は、表面に硬質被覆層を形成するサーメット母材について、Ｔｉと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、鉄族金属からなる結合相：５〜２０質量％にて結合した組成とし、かつ、内部から表面に向かって結合相濃度が減少して表面から１０〜１００μｍの深さ位置までに極小値をとる高硬度の第１の表面領域と、次いで該極小値から焼結体表面に向かって結合相濃度が増加して表面での結合相濃度が内部以上となる高耐熱衝撃性と硬質被覆層の高付着力とを有する表面構成とすることによって、耐摩耗性および硬質被覆層の耐欠損性が高く、かつ硬質被覆層表面における耐塑性変形性を高めることができることを特徴とする。

ここで、前記結合相濃度の極小値Ｍ_Ｌが、前記サーメット母材の内部における結合相濃度Ｍ_ｉに対する比（Ｍ_Ｌ／Ｍ_ｉ）で０．５〜０．８となること、および前記サーメット母材の表面における結合相濃度Ｍ_ｓが、前記サーメット母材の内部における結合相濃度Ｍ_ｉに対する比（Ｍ_ｓ／Ｍ_ｉ）で１．５〜３．０となることが、硬質被覆層表面の耐塑性変形性および耐欠損性を高める点で望ましい。

また、表面から結合相濃度が極小値を取るまでの前記第２の表面領域において、前記硬質相の平均粒径が１μｍ以下の粒子で構成されることが、サーメット表面における耐塑性変形性の点で望ましい。

さらに、前記サーメット内部において、前記結合相のうち少なくとも８０モル％以上がＣｏであることが、サーメットの熱伝導を高め、かつ熱収縮による熱疲労を小さくできるとともに、前記硬質被覆層を化学蒸着法にて成膜した場合においても硬質被覆層がＮｉやＦｅの存在によって異常粒成長して不均一となることなく硬度および耐摩耗性の高い硬質被覆層を均一に形成できる点で望ましい。

また、本発明の表面被覆Ｔｉ基サーメットの製造方法は、ＴｉＣＮ粉末、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、鉄族金属粉末を、前記粉末のうちの炭素成分の含有量／鉄族金属粉末の比率が０．２〜０．３の割合となるように調合して混合した混合粉末を成形し、真空もしくは０．１Ｐａ以下の不活性雰囲気中で室温から１２００℃まで加熱し、１２００℃から０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度で１２５０〜１３５０℃まで昇温し、次いで、不活性ガスを０．５Ｐａ〜７ｋＰａ導入した雰囲気で５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で１４００〜１５５０℃まで昇温し、所定時間保持後、冷却したサーメット母材の表面に、硬質被覆層を成膜するものである。

また、本発明の切削工具は、被削材に切刃を当てて加工するものであって、上記表面被覆Ｔｉ基サーメットからなる。

本発明の表面被覆Ｔｉ基サーメットは、表面に硬質被覆層を形成するサーメット母材について、Ｔｉと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、鉄族金属からなる結合相：５〜２０質量％にて結合した組成とし、かつ、内部から表面に向かって結合相濃度が減少して表面から１０〜１００μｍの深さ位置までに極小値をとる高硬度の第１の表面領域と、次いで該極小値から焼結体表面に向かって結合相濃度が増加して表面での結合相濃度が内部以上となる高耐熱衝撃性と硬質被覆層の高付着力とを有する表面構成とすることによって、耐摩耗性および硬質被覆層の耐欠損性が高く、かつ硬質被覆層表面における耐塑性変形性を高めることができる。

本発明の表面被覆Ｔｉ基サーメットは、Ｔｉと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、鉄族金属からなる結合相：５〜２０質量％にて結合してなり、内部から表面に向かって結合相濃度が減少して表面から１０〜１００μｍの深さ位置までに極小値をとる第１の表面領域と、次いで該極小値から焼結体表面に向かって結合相濃度が増加して表面での結合相濃度が内部以上となる第２の表面領域とを具備するサーメット母材の表面に、硬質被覆層を被覆したことを特徴とし、これによって、耐摩耗性が高く、硬質被覆層の付着力および耐欠損性にも優れ、かつ硬質被覆層表面における耐塑性変形性を高めることができる。

ここで、結合相の含有量が５質量％より少なくなるとサーメット母材自体の耐欠損性が急激に低下してしまう。逆に結合相の含有量が２０質量％より多くなるとサーメット母材自体の耐塑性変形性および耐摩耗性が急激に低下してしまう。また、前記第２の表面領域が表面から１０μｍより薄いと、硬質被覆層の耐衝撃性が悪化して硬質被覆層にチッピングが発生しやすくなりサーメット表面における耐欠損性が低下する。逆に、前記第２の表面領域が表面から１００μｍを超えると硬質被覆層表面が母材とともに塑性変形してしまう。さらに、前記第１の表面領域が存在しないとサーメット表面の耐欠損性が低下してしまう。

一方、前記結合相濃度の極小値Ｍ_Ｌが、前記サーメット母材の内部における結合相濃度Ｍ_ｉに対する比（Ｍ_Ｌ／Ｍ_ｉ）で０．５〜０．８となること、および最表面結合相濃度Ｍｓが結合相濃度Ｍ_ｉに対する比（Ｍ_ｓ／Ｍ_ｉ）で１．５〜３．０となることが、サーメット母材表面における塑性変形を極力小さくできるとともに、第２の表面領域の深さを所定範囲に調整することができ、結果的に硬質被覆層表面の耐塑性変形性および耐欠損性が向上する点で望ましい。

ここで、表面から結合相濃度が極小値を取るまでの前記第２の表面領域において、前記硬質相の平均粒径が１μｍ以下の粒子で構成されることが、サーメット母材表面における耐衝撃性および耐塑性変形性の点で望ましい。また、この第２の表面領域における硬質相の構成元素は、５０質量％以上がＴｉからなることが硬質被覆層との密着性を高める点で望ましい。

なお、前記硬質相の平均粒径が２μｍ以下であることが、サーメットの硬度および強度を高めて、サーメットの耐摩耗性を向上させる点で望ましい。

さらに、前記サーメット内部において、前記結合相のうち少なくとも８０モル％以上がＣｏであることが、サーメットの熱伝導および熱収縮による熱疲労を防止できるとともに、前記硬質被覆層を化学蒸着法にて成膜した場合においても硬質被覆層が異常粒成長して不均一となることなく硬度および耐摩耗性の高い硬質被覆層を形成できる点で望ましい。

なお、本発明によれば、上記Ｔｉ基サーメット母材の表面に、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ｃＢＮ、ダイヤモンドやＤＬＣ等の硬質炭素から選ばれる少なくとも１種の硬質被覆層、特に、（Ｔｉ_ｘ，Ｍ_１−ｘ）（Ｃ_ｙＮ_１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層を単層または２層以上の複層被覆してなる。本発明によれば、上述したように前記硬質被覆層を化学蒸着法にて成膜した場合においても硬質被覆層が異常粒成長して不均一となることなく均一な硬度および耐摩耗性の高い硬質被覆層を形成できることから耐摩耗性の高い安定した耐欠損性を有する均一な膜質の硬質被覆層を形成することができる。

また、サーメット母材中のＷ元素の濃度が、第１または第２の表面領域において、前記結合相濃度が極小値を取る深さで極大値をとり、その極大値をＷ_M、Ｗ元素の表面から１ｍｍ以上の深さにおける内部含有量をＷ_ｉとしたとき、Ｗ_M／Ｗ_ｉ＝１．２〜２．０となることが、サーメット母材および硬質被覆層表面での耐塑性変形性を高める点で望ましい。

なお、本発明において、上記サーメット基体の表面と内部における金属元素濃度を測定するには、サーメット断面について波長分散型電子分光分析（ＥＰＭＡ（ＷＤＳ））にて各元素分布を測定することによって特定することができ、サーメット基体の表面（１０μｍ以内）から内部にわたって元素濃度の深さ方向の分布を測定し、元素濃度がバラツキの範囲内で一定となるまでの元素濃度分布によって判定することができる。本発明では表面からの深さが１０００μｍの地点での深さ２μｍの範囲内における元素濃度の平均値を、内部における元素濃度と規定する。また、表面領域の厚みもサーメット基体の表面から内部に向かって元素濃度の深さ方向の分布から求めることができ、内部の元素濃度に対していずれかの元素濃度が測定データの振幅バラツキを相殺した平均値をプロットしたチャートマップにおいて濃度が変化した地点を表面領域の始まりと特定できる。

さらに、本発明の表面被覆Ｔｉ基サーメットの母材は、硬質相として、Ｔｉと、Ｔｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上、特にＷ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｈｆの群から選ればれる少なくとも１種との複合金属炭窒化物からなり、特に、硬質相は、Ｔｉ（ＴｉＣＮ）からなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される２重有芯構造、または３重有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有しサーメット基体が微細で均一な組織となるとともに、結合相との濡れ性に優れてサーメットの高強度化に寄与する点で望ましい。なお、サーメット内部における硬質相の平均粒径ｒ_２は、耐欠損性の向上の点で２μｍ以下、特に１μｍ以下であることが望ましい。

なお、上述したＴｉ基サーメットは、耐摩耗部材等への応用も可能であるが、特に被削材に切刃を当てて加工する切削工具として好適に利用可能である。

（製造方法）
次に、上記本発明のサーメット製切削工具を作製する方法について説明する。

まず、ＴｉＣＮ粉末、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、鉄族金属粉末からなる混合粉末を準備する。ここで、本発明によれば、前記粉末のうちの炭素成分の含有量／鉄族金属粉末の比率が０．２〜０．３の割合となるように調合して混合することが重要であり、上記炭素成分の含有量／鉄族金属粉末の比率が上記範囲から外れるとサーメットの焼結状態が変化して上述した組織を形成することが難しくなる。

また、本発明によれば、表面領域の結合相の濃度分布を制御するためにはＴｉＣＮ原料粉末として平均粒径１．０μｍ以下、特に０．７μｍ以下の粉末を、鉄族金属原料粉末として平均粒径２．０μｍ以下、特に１．０μｍ以下の原料粉末を用いることが望ましく、これに加えて後述する焼成条件にて焼成することにより前述の表面領域を有するサーメットを作製することができる。

次に、上記混合粉末を所定形状に成形した後、成形し、真空もしくは０．１Ｐａ以下の不活性雰囲気中で室温から１２００℃まで加熱し、１２００℃から０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度Ａで温度Ａ：１２５０〜１３５０℃まで昇温し、次いで、不活性ガスを０．５Ｐａ〜７ｋＰａ導入した雰囲気で５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度Ｂで焼成温度Ｂ：１４００〜１５５０℃まで昇温し、所定時間維持後、冷却することによりサーメット母材を焼成する。ここで、昇温速度Ａ、Ｂを上記範囲に制御することによって、焼結体組織の制御が可能となる。

そして、得られたサーメット基体に対して所望により研磨等の表面加工処理した後、化学的蒸着法または物理的蒸着法等のコーティング法を用いて硬質被覆層を単層または２層以上被覆することにより、本発明の表面被覆サーメットを作製することができる。

原料粉末として、平均粒径０．７μｍのＴｉＣＮ粉末と、いずれも０．５〜２μｍのＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、および平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末、Ｃｏ粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで５４時間湿式混合し、乾燥した。

次に、上記混合粉末を用いて、成形圧９８ＭＰａでプレス成形し、この成形体を各焼成温度Ａまで２〜１５℃／ｍｉｎで制御しながら昇温した後、表１の焼成条件で昇温して焼成温度Ｂで２時間焼成し、表１に示す条件で冷却してＣＮＭＧ１２０４０８形状のサーメット焼結体を作製した。なお、試料Ｎｏ．１０については、冷却時に窒素１気圧（０．１ＭＰａ）雰囲気中、１２００℃で２０時間熱処理した後室温まで冷却した。

得られたサーメット製切削工具に対して、断面について、サーメット基体の表面近傍について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付随の波長分散型電子分光分析法（ＥＰＭＡ）を用いて、表面から５０μｍ深さまでを５μｍ深さ×５００μｍの領域ごとで面分析し、５０〜４００μｍ深さまでを２０μｍ深さ×５００μｍ、４００〜１０００μｍ深さまでを１００μｍ深さ×５００μｍで測定して各領域における結合相濃度を測定し、これをマッピングして表面領域の厚みを定量化するとともに、深さ１０００μｍでの値：Ｍ_ｉ（内部における結合相濃度）、表面領域の結合相濃度の極小値：Ｍ_L、最表面の結合相濃度：Ｍ_Sを測定し、さらに内部濃度Ｍ_ｉ基準に対する上記表面領域の結合相濃度の比（Ｍ_L／Ｍ_ｉ）、（Ｍ_S／Ｍ_ｉ）を表示した。

また、サーメットをダイヤモンド砥石によって加工し、表１に示す種類の硬質被覆層を被着形成した後、下記条件にて切削性能を評価した。また、各試料について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、７０００倍の写真任意５箇所について市販の画像解析ソフトを用いて７ｍｍ×７ｍｍの領域で画像解析を行い、硬質相（第１硬質相、第２硬質相）の存在状態を確認した。結果は表２に示した。

さらに、得られた切削工具について、下記切削条件Ａ、Ｂにて切削評価を行った。結果は表２に耐摩耗性および耐欠損性として表記した。

切削条件Ａ（耐摩耗性試験）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：２．０ｍｍ
切削時間：３０分
切削油：エマルジョン（湿式）
評価項目：試験後の逃げ面摩耗幅
切削条件Ｂ（耐欠損性試験）
被削材：Ｓ４５Ｃ
被削材：４本溝入り丸棒
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送りおよび切削時間：０．１ｍｍ／ｒｅｖで１０秒間切削後、送りを０．０５ｍｍ／ｒｅｖずつ上げて各１０秒間ずつ切削（最大送り０．５ｍｍ／ｒｅｖまで）
切込み：２ｍｍ
評価項目：欠損するまでの総切削時間

表１、２に示される結果から、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜６では、いずれも連続切削および断続切削のいずれでも摩耗が少なく、突発欠損が発生することなく優れた切削特性を示している。これに対して、原料粉末中の炭素成分含有量／結合金属粉末の比率ｐが０．２〜０．３から外れる試料Ｎｏ．８では、第１の表面領域が形成されず、靭性が低くて突発欠損が発生してしまった。また、焼成工程Ａの昇温速度Ａが所定の範囲から外れる試料Ｎｏ．７では、第２の表面領域が形成されず、耐塑性変形性が低くて突発欠損が発生してしまった。さらに、焼成工程Ｂの雰囲気および昇温速度が所定範囲から外れる試料Ｎｏ．９では、第２の表面領域の深さが１００μｍを超え、耐塑性変形性が悪化した。さらには、冷却中に窒素熱処理を施した試料Ｎｏ．１０では硬質被覆層を形成しないために摩耗の進行が速かった。

Claims (8)

1. Ｔｉと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、鉄族金属からなる結合相：５〜２０質量％にて結合してなり、内部から表面に向かって結合相濃度が減少して表面から１０〜１００μｍの深さ位置までに極小値をとる第１の表面領域と、次いで該極小値から焼結体表面に向かって結合相濃度が増加して表面での結合相濃度が内部以上となる第２の表面領域とを具備するサーメット母材の表面に、硬質被覆層を被覆した表面被覆Ｔｉ基サーメット。
2. 前記結合相濃度の極小値Ｍ_Ｌが、前記サーメット母材の内部における結合相濃度Ｍ_ｉに対する比（Ｍ_Ｌ／Ｍ_ｉ）で０．５〜０．８となる請求項１記載の表面被覆Ｔｉ基サーメット。
3. 前記サーメット母材の表面における結合相濃度Ｍ_ｓが、前記サーメット母材の内部における結合相濃度Ｍ_ｉに対する比（Ｍ_ｓ／Ｍ_ｉ）で１．５〜３．０となる請求項１または２記載の表面被覆Ｔｉ基サーメット。
4. 前記表面から結合相濃度が極小値を取るまでの第２の表面領域において、前記硬質相の平均粒径が１μｍ以下の粒子で構成される請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆Ｔｉ基サーメット。
5. 前記サーメット内部において、前記結合相のうち少なくとも８０モル％以上がＣｏである請求項１乃至４のいずれか記載の表面被覆Ｔｉ基サーメット。
6. 前記硬質被覆層が化学蒸着法にて成膜された請求項５記載の表面被覆Ｔｉ基サーメット。
7. ＴｉＣＮ粉末、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、鉄族金属粉末を、前記粉末のうちの炭素成分の含有量／鉄族金属粉末の比率が０．２〜０．３の割合となるように調合して混合した混合粉末を成形し、真空もしくは０．１Ｐａ以下の不活性雰囲気中で室温から１２００℃まで加熱し、１２００℃から０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度で１２５０〜１３５０℃まで昇温し、次いで、不活性ガスを０．５ｋＰａ〜７ｋＰａ導入した雰囲気で５〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で１４００〜１５５０℃まで昇温し、所定時間保持後、冷却したサーメット母材の表面に、硬質被覆層を成膜する表面被覆Ｔｉ基サーメットの製造方法。
8. 被削材に切刃を当てて加工する切削工具であって、請求項１乃至６のいずれか記載の表面被覆Ｔｉ基サーメットからなることを特徴とする切削工具。