JP2006111947A - 超微粒子サーメット - Google Patents

Abstract

【課題】硬さと強度・靱性が高くて耐摩耗性，耐チッピング性に優れた超微粒子サーメットの提供を目的とする。
【解決手段】ニッケルおよび／またはコバルトを主成分とする金属結合相：１０〜３０体積％と、チタンの炭窒化物からなる第１硬質相：３０〜６０体積％と、金属成分がタンタルおよび／またはニオブと、チタンと、タングステンである複合炭窒化物からなる第２硬質相：２０〜５０体積％とから構成され、第１硬質相と第２硬質相とは互いに独立して粒子を形成しており、第１硬質相の平均粒子径は０．１〜０．５μｍであり、第２硬質相の平均粒子径は０．１〜０．５μｍである超微粒子サーメット。

Description

本発明は、刃先交換型チップ，ドリル，エンドミルなどの切削工具や金型，切断刃などの耐摩耗工具に使用される超微粒子サーメットに関する。

ＴｉＣＮ−Ｍｏ−Ｎｉ系に代表されるサーメットは、鋼切削における優れた耐摩耗性と共に仕上げ面が美麗なために多用されている。しかし、超硬合金と比較すると、強度と靱性に劣るために欠損し易い。そこで、硬質相であるＴｉＣＮや（Ｔｉ，Ｍｏ）ＣＮを微粒化し、硬さと強度を向上させようとしたサーメットがある。

従来のサーメットとして、ＴｉＣおよび／またはＴｉ（Ｃ，Ｎ）の原料粉末の平均粒径が１．０μｍ以下であると共に、これを周期律表第ＩＶａ，ＶａおよびＶＩａ族の元素よりなる群から選ばれる１種以上の元素の炭化物（ただし、ＴｉＣは除く）および／または窒化物と焼結中に直接固溶させて硬質分散相とし、該硬質分散相が、有芯構造を有さない固溶体を主体としたものであるサーメット焼結体がある（例えば、特許文献１参照。）。このサーメットは、微粒で均一な組成分布を有する硬質相を焼結時に形成させることによって靱性改善を図ったものではあるが、硬質相の粒子成長が著しいために超微粒とすることが困難であり、また有芯構造を有さない固溶体のみでは耐摩耗性に劣ると言う問題がある。

また、分散相を形成する単一相構造の炭窒化チタン：２〜２０容量％、連続結合相を形成するＣｏ−Ｎｉ系合金：５〜２０容量％、残りが分散相を形成する単一相構造のＴｉと、Ｗと、Ｍ（ただし、ＭはＺｒ、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの１種以上を示す）の複合炭窒化物固溶体からなり、該複合炭窒化物固溶体内に相対的に微粒の該炭窒化チタンの一部が取り込まれた組織を有することを特徴とする耐摩耗性のすぐれた炭窒化物系サーメット製切削工具がある（例えば、特許文献２参照。）。この炭窒化物系サーメット製切削工具は、複合炭窒化物固溶体内に取り込まれた微細な炭窒化チタン粒子が内部歪みを誘発することによって耐摩耗性を改善したものではあるが、複合炭窒化物固溶体の粒成長を前提としているため超微粒とすることが困難であり、また単一相構造の炭窒化チタン量が少ないために耐摩耗性に劣ると言う問題がある。

特開平６−３３０２１９号公報 特開平９−３００１０８号公報

本発明は、上記のような問題点を解決したもので、具体的には、炭窒化チタン相と複合炭窒化物固溶体相を共に超微粒子とすることによって、硬さ，強度，靱性と共に耐摩耗性，耐チッピング性などを改善した超微粒子サーメットの提供を目的とする。

本発明者は、長年に亘り、ＴｉＣＮ基サーメットの微粒化について検討していた所、高窒素含有のＴｉＣＮに適量のＷＣを添加して焼結すると、焼結時に微細な（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮが形成されること、（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮの形成に伴ってＴｉＣＮの粒子径が縮小すること、ＴｉＣＮ粒と（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ粒は共に単一構造形を有すること、ＴｉＣＮ粒と（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ粒とが相互に粒成長を抑制すること、さらに通常の焼結温度でも異常成長による粗大粒子の出現を抑制できること、得られた超微粒子サーメットは硬さ，強度，靱性に優れ、工具に使用した場合には耐摩耗性と耐チッピング性が共に優れると言う知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の超微粒子サーメットは、ニッケルおよび／またはコバルトを主成分とする金属結合相：１０〜３０体積％と、チタンの炭窒化物からなる第１硬質相：３０〜６０体積％と、金属成分がタンタルおよび／またはニオブと、チタンと、タングステンである複合炭窒化物からなる第２硬質相：２０〜５０体積％とから構成され、第１硬質相と第２硬質相とは互いに独立して粒子を形成しており、第１硬質相の平均粒子径は０．１〜０．５μｍであり、第２硬質相の平均粒子径は０．１〜０．５μｍである。

本発明の超微粒子サーメットにおける第１硬質相は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）で表される炭窒化チタンからなるものである。その平均粒子径は、０．１μｍ未満では原料となる超微粒ＴｉＣＮ粉の製造が困難であり、逆に０．５μｍを超えて大きくなると硬さと強度が低下するために、０．１〜０．５μｍと定めた。

第１硬質相の含有量は、３０体積％未満では耐摩耗性が低下すると共に、第２硬質相が相対的に増大して粗粒となり、逆に６０体積％を超えて大きくなると焼結性の劣化と分散の不良によって強度・靱性が低下するために、第１硬質相の量を３０〜６０体積％と定めた。また、第１硬質相に含有される炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）は、炭素と窒素の合計に対する炭素の割合を示す比率：Ｎ／（Ｃ＋Ｎ）は原子比で０．４〜０．８の範囲であることが好ましい。これは、Ｎ／（Ｃ＋Ｎ）が０．４未満では焼結中での第１硬質相の反応消失量が大きく、その残留量が減少するために耐摩耗性が低下し、逆に０．８を超えて大きくなると焼結性が劣化して硬さ，強度の低下が著しいためである。

本発明の超微粒子サーメットにおける第２硬質相は、金属成分がタンタルおよび／またはニオブと、チタンと、タングステンである複合炭窒化物からなるもので、具体的には、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）ＣＮ，（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ）ＣＮ，（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ）ＣＮなどの複合炭窒化物固溶体を挙げることができる。その平均粒子径は、０．１μｍ未満では焼結時の粒子成長を抑制することが困難で、逆に０．５μｍを超えて大きくなると硬さと強度が低下するために、０．１〜０．５μｍと定めた。第２硬質相の含有量は、２０体積％未満では焼結性が劣化すると共に、第１硬質相が相対的に増大して凝集するために強度・靱性が低下し、逆に５０体積％を超えて大きくなると、第１硬質相が相対的に減少するために耐摩耗性が低下すると共に、粒成長を起こして強度・靱性も低下するために、第２硬質相の量を２０〜５０体積％と定めた。

また、第２硬質相にはタングステンが含有されている。本発明の超微粒子サーメットに含まれているタングステン量は、第１硬質相と第２硬質相に含有される金属成分量の合計、すなわち、硬質相全体の金属成分量に対して１０〜３０重量％であると好ましい。これは、１０重量％未満では第２硬質相の生成割合が過小となって靱性が低下し、逆に３０重量％を超えて大きくなると第２硬質相の生成割合が過大となって耐摩耗性が低下するためである。さらに、第２硬質相にはタンタルおよび／またはニオブが含有されている。本発明の超微粒子サーメットに含まれているタンタル量および／またはニオブ量の合計は、第１硬質相と第２硬質相に含有される金属成分量の合計、すなわち、硬質相全体の金属成分量に対して５〜２５重量％であると好ましい。これは、５重量％未満では相対的にタングステン量が増大するために有芯構造の粒子割合が増加して靱性が低下し、逆に２５重量％を超えて大きくなると第２硬質相の生成割合が過大となって耐摩耗性が低下するためである。

ここで、第２硬質相にバナジウム，モリブデン，クロムを含有しても良いが、これらの添加量が多くなると第１硬質相が有芯構造を有する共に、第２硬質相の粒成長が顕著となる。本発明の超微粒子サーメットに含まれているバナジウム，モリブデン，クロムの合計量は、第１硬質相と第２硬質相に含有される金属成分量の合計に対して５重量％以下が好ましい。耐熱性を向上させるために、ジルコニウムおよび／またはハフニウムを第１硬質相と第２硬質相に含有される金属成分量の合計に対して０．２〜２重量％添加しても好ましい。

本発明の超微粒子サーメットは、第１硬質相と第２硬質相とが互いに独立して粒子を形成しているもので、第１硬質相の周辺を第２硬質相が取り囲んだ有芯構造の粒子をほとんど含有しないものである（但し、第１硬質相が粒子径の１／１０以下の厚みで第２硬質相に覆われているものは除く）。また、任意断面における５０μｍ×５０μｍの視野中において、１．０μｍを超える第１硬質相および第２硬質相の粒子が１個以下であると強度低下が少なく、刃立性や耐チッピング性に優れるので好ましい。

本発明の超微粒子サーメットにおける金属結合相は、具体的には、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｗ，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｍｏ，Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒなど、２０重量％以下のＴｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒを含有したＮｉ−Ｃｏ系合金を挙げることができる。金属結合相量は、１０体積％未満では強度と靱性に劣り、３０体積％を超えて大きくなると硬さが低下するので、１０〜３０体積％と定めた。

本発明の超微粒子サーメットの表面に、０．５〜２０μｍの厚みでなるＴｉＮ，ＴｉＣＮ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，ＴｉＢ₂などの硬質膜をＰＶＤ法で被覆すると、耐溶着性と耐摩耗性が大幅に改善されるので好ましい。

本発明の超微粒子サーメットの製造方法は通常の粉末冶金法であるが、ＴｉＣＮとＷＣとを主原料とし、焼結反応によって微細な（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮの形成とＴｉＣＮの微粒化を同時に行うものである。従って、ＴｉＣＮとＷＣとは１．０μｍ以下であることが必須であり、Ｎｉ，Ｃｏや他の添加炭化物も微粒であることが好ましい。焼結温度は、緻密化が終了する最低温度であり、１３５０〜１４５０℃で良い。

本発明の超微粒子サーメットは、焼結時での第２硬質相の形成反応が第１硬質相を微細化する作用をし、形成された第２硬質相の組成が第１硬質相の有芯構造化を防止する作用をし、第１硬質相と形成された第２硬質相とが相互に粒子成長を抑制する作用をし、結果として得られた超微粒子サーメットが硬さ，強度，靱性に優れるために、耐摩耗性と耐チッピング性を同時に改善する作用をしているものである。

本発明の超微粒子サーメットは、従来の微粒サーメットに比べて、複合炭窒化物の第２硬質相が微粒であるために硬さや強度・靱性に優れ、かつ有芯構造を持たないＴｉＣＮの第１硬質相を多く含有している。その結果、耐チッピング性と耐摩耗性の両方が改善され、従来サーメットに比べて約２倍の寿命を達成できると言う効果を有する。

市販されている平均粒子径が０．６〜０．８μｍのＴｉＣ，Ｔｉ（Ｃ_0.6Ｎ_0.4），Ｔｉ（Ｃ_0.5Ｎ_0.5），Ｔｉ（Ｃ_0.4Ｎ_0.6），Ｔｉ（Ｃ_0.7Ｎ_0.3），Ｔｉ（Ｃ_0.2Ｎ_0.8），ＴｉＮ，平均粒子径が０．０５μｍのカーボンブラック（Ｃと記す），平均粒子径が０．５μｍのＷＣ，平均粒子径が０．８〜１．５μｍのＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｍｏ₂Ｃ，Ｃｒ₃Ｃ₂，ＺｒＣ，平均粒子径が０．６μｍのＮｉ，Ｃｏの各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入し、９６時間の混合・粉砕を行った後、加熱・乾燥しながら２重量％のパラフィンワックスを添加して混合粉末を得た。ここで、焼結時の脱窒を考慮してサーメット中にＮｉ₃Ｔｉを析出させない様、炭素粉末をそれぞれ添加した。

これらの粉末を金型に充填し、２００Ｍｐａの圧力でもって５．５×９．５×２９ｍｍの圧粉成形体を作製し、カーボン粉末を塗布したカーボン板上に設置し、雰囲気圧力１０Ｐａの真空中で加熱・昇温した。そして、１２５０℃で１ｋＰａの窒素ガスを導入し、表１に併記した温度でもって１時間の加熱保持を行って、本発明品１〜１０および比較品１〜９のサーメットを得た。ここで、焼結温度は巣孔が消滅し、金属結合相が均一となる最低の温度とした。

本発明品１〜１０および比較品１〜９のサーメットについて元素分析を行った。Ｃ量とＮ量はそれぞれの分析装置を用い、硬質相に含有されるＴｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒの各金属成分は分析電顕を用いた。そして、これら元素の含有量（重量％）および含有量から算出したＮ／（Ｃ＋Ｎ）（原子比）、Ｗ／硬質相（重量％）と（Ｔａ＋Ｎｂ）／硬質相（重量％）を表２に示す。

本発明品１〜１０および比較品１〜９のサーメットを＃２３０のダイヤモンド砥石で湿式研削加工し、４．０×８．０×２５．０ｍｍの形状に作製し、ＪＩＳ法による抗折力を測定して、その結果を表３に示した。また、同試料の１面を１．０μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工した後、ビッカース圧子を用いた荷重：１９６Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ１ｃ（ＩＦ法）を測定し、その結果を表３に併記した。

次に、各試料のラップ面について電界放射型走査電子顕微鏡にて１０，０００倍の組織写真を撮り、画像処理装置にて、第１硬質相（ＴｉＣＮ），第２硬質相（複合炭窒化物相），金属結合相のそれぞれの体積％と平均粒子径（但し、金属結合相の平均粒子径は除く）を求めた。その結果の内、体積％は表３に併記し、平均粒子径は表４に示す。さらに、電子顕微鏡による観察によって第１硬質相が明らかな有芯構造を有する粒子の個数割合（％）を調べた。その結果を表４に併記した。

表３および表４において、比較品１，２，４，５，７〜９は、第１硬質相あるいは第２硬質相の含有量が所定割合となっていために第２硬質相が粗粒となっている。比較品３と比較品６は、所定割合ではあるが、ＷＣ量あるいはＶＣ量が過多であるために第２硬質相が粗粒で有芯粒子となっている。その結果として、本発明品は比較品に比べて強度，硬さ，靱性のいずれもが同等以上となっている。ここで、表１の配合組成から考えると、本発明品を得るには、適切なＮ／（Ｃ＋Ｎ）比、適量のＷＣとＴａＣ／ＮｂＣが必須であり、ＷＣ，ＶＣ，Ｍｏ₂Ｃの過剰添加は有芯構造を誘発して粒子成長するために有害と言える。

実施例１で得た本発明品２，５，６，７，９と比較品１，４，５，８，９の各混合粉末を用いて、ＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８形状用の金型でもって、実施例１と同様の方法、条件でプレス成形、加熱焼結、湿式研削加工を行い、刃先部に半径０．０２ｍｍのホーニング加工を施すことによって本発明品１１〜１５と比較品１０〜１４の切削用チップをそれぞれ得た。このＳＮＧＮ１２０４０８チップを用いて、被削材：４本溝入り炭素鋼Ｓ４５Ｃ，切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ，切込み：２．０ｍｍ，送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式での断続旋削試験を行った。そして、刃先が欠損，チッピングを発生するか、あるいは、逃げ面摩耗量が０．２０ｍｍに達するまで時間を測定した。その結果を表５に示す。

表５の鋼旋削では、比較品が圧着分離損傷による摩耗量の増大あるいはチッピング、欠損を起こしているのに対して、ＷＣと立方晶化合物が微細で粗粒を含まない本発明品は、溶着が少なくて高強度なために長寿命となっている。

Claims (4)

1. ニッケルおよび／またはコバルトを主成分とする金属結合相：１０〜３０体積％と、チタンの炭窒化物からなる第１硬質相：３０〜６０体積％と、金属成分がタンタルおよび／またはニオブと、チタンと、タングステンである複合炭窒化物からなる第２硬質相：２０〜５０体積％とから構成され、第１硬質相と第２硬質相とは互いに独立して粒子を形成しており、第１硬質相の平均粒子径は０．１〜０．５μｍであり、第２硬質相の平均粒子径は０．１〜０．５μｍである超微粒子サーメット。
2. 第１硬質相に含有される炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の合計に対する窒素の割合：Ｎ／（Ｃ＋Ｎ）は原子比で０．４〜０．８である請求項１に記載の超微粒子サーメット。
3. 超微粒子サーメットに含有されるタングステン量は、第１硬質相と第２硬質相に含有される金属成分量の合計に対して１０〜３０重量％である請求項１または２に記載の超微粒子サーメット。
4. 超微粒子サーメットに含有されるタンタル量および／またはニオブ量の合計は、第１硬質相と第２硬質相に含有される金属成分量の合計に対して５〜２５重量％である請求項１〜３のいずれか１項に記載の超微粒子サーメット。