JP2007505212A

JP2007505212A - 超硬金属またはサーメット成形体およびその製造方法

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Publication number: JP2007505212A
Application number: JP2006525609A
Authority: JP
Inventors: レンガウアーヴァルター; ウカカーヴェラ; ドライアークラウス; カッセルディーター; ヴェルナーダウプハンス
Original assignee: Kennametal Widia Produktions GmbH and Co KG
Current assignee: Kennametal Widia Produktions GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2007-03-08
Also published as: CN100439535C; EP1664363B1; ATE478969T1; US7544410B2; CN1820089A; EP1664363A1; DE10342364A1; DE502004011588D1; PL1664363T3; WO2005026400A1; US20070042222A1

Abstract

本発明は、１もしくは複数の相互に境界づけられた表面を有する超硬金属またはサーメット成形体に関する。この場合、１もしくは少なくとも１の表面の下に厚さ２〜１００μｍの第一の層が配置されており、該層は２〜２５質量％の結合金属成分および２５体積％までの周期律表のＩＶａ族の１もしくは複数の金属の窒化物または炭窒化物および／または１０体積％までのＶ、Ｎｂ、Ｔａおよび／またはＣｒの炭化物および／または炭窒化物および残分ＷＣを含有し、第一の層の下に、第一の層におけるよりも高い窒素割合を有する厚さ２〜４０μｍの第二の層が配置されており、該層は実質的に周期律表のＩＶａ族の金属の窒化物および／または炭窒化物からなり、かつ１０体積％までの、元素Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物の相割合および／または硬質相中に溶解したＶ、Ｎｂ、Ｔａ成分を５質量％まで、およびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ成分を２質量％まで含有し、かつ結合剤を１５質量％まで含有し、かつ第二の層の下に２〜１００μｍの厚さを有する遷移帯域が配置されており、該帯域中で組成は超硬金属またはサーメット成形体のコア内部で均質な組成へと段階的に変化する。この層構造は、結合金属が富化された層を作成するための熱処理に引き続き成形体を５×１０^３Ｐａ〜１０^７Ｐａの窒素圧下に共融点より低い温度で窒素雰囲気で処理することにより作成される。

Description

本発明は、ＷＣと、周期律表のＩＶａ族またはＶａ族の少なくとも１の元素の少なくとも１の炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物とからなる硬質相を有し、かつＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉの割合が３〜２５質量％であるＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相を有し、１もしくは複数の相互に境界づけられた表面を有し、その際、１もしくは少なくとも１の表面の下に厚さ２〜１００μｍの第一の層が配置されており、該層は２〜２５質量％の結合金属割合および２５体積％までの周期律表のＩＶａ族の１もしくは複数の金属の窒化物または炭窒化物および／または１０体積％までの、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａおよび／またはＣｒの炭化物および／または炭窒化物を含有する超硬金属またはサーメット成形体に関する。

本発明はさらに、焼結後または焼結の間に前記の層を作成するための熱処理が行われている前記の成形体の製造方法に関する。

ＤＥ１９７５２２８９Ｃ１では種々の文献箇所に言及しながら、表面付近の結合剤の富化された、および混合炭化物の少ない帯域は基体成形体の靭性に対して、およびたとえば該基体成形体上に施与される被覆の付着性に対して大きな影響を与えることが記載されている。立方晶混合炭化物相の輸送は窒素の添加による窒化工程により進行し、窒素はその後、真空処理により再び低減することができ、かつ結合金属中での混合炭化物相の有利な溶解および拡散輸送につながる。このような基体成形体の端部領域もしくは勾配構造を製造するために種々の方法が記載されている：たとえば超硬金属の窒化処理を結合相の共融点より低い温度で実施することができ、この場合、引き続き真空下で焼結温度まで加熱する。窒化のために必要とされる窒素は使用される窒素雰囲気によっても、硬質炭化物の窒化物または炭窒化物の形でも超硬金属混合物バッチに供給することができる。焼結は真空下で開始され、これにより勾配帯域を形成することができる。勾配帯域はまた、超硬金属を焼結に引き続き約１１５０℃から最大１３００℃の温度範囲で高圧下に窒素処理することによっても得られる。あるいは、超硬金属の焼結を６００℃までのワックス除去、ホールド、焼結温度への加熱および引き続き０．１〜１００Ｐａでの真空焼結および引き続き加圧焼結により行うことができる。超硬金属成形体を１２８０℃より低い温度に冷却した後、焼結体を１〜１０ＭＰａで窒素により加圧処理し、かつ引き続き１０〜１００Ｐａで真空処理する。

ＤＥ１９７５２２８９Ｃ１では、最終的な輪郭を製造するための基体成形体のその後の機械的な仕上げ加工は、少なくとも部分的に端部領域を除去することを伴うので、勾配帯域の肯定的に評価された特性は完全に、または部分的に再び失われるという欠点を記載している。この欠点を除去するために、ＤＥ１９７５２２８９では、基体成形体を仕上げ加工後に真空下に約６００〜１３００℃で１５０分までの時間、後処理することが提案されている。機械的に加工した表面にはこのことにより改めて表面端部領域が形成され、該領域は結合金属が富化されており、かつ立方晶混合炭化物を有していない。該層の厚さは５〜３５μｍである。

本発明の課題は、冒頭に記載した超硬金属またはサーメット成形体をその摩耗特性に関して改善することである。特に切削工具として使用される超硬金属またはサーメット成形体の耐摩耗性が改善されるべきである。

前記課題は、請求項１に記載されている超硬金属またはサーメット成形体により解決される。

本発明によれば、超硬金属またはサーメット成形体は、高い結合剤割合を有し、かつ混合炭化物の割合が低い、厚さ２〜１００μｍの第一の層の下に、厚さ２〜４０μｍの別の第二の層を有し、該層は第一の層よりも高い窒素割合を有し、かつ実質的に周期律表のＩＶａ族の金属の窒化物および／または炭窒化物からなり、かつＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒの元素の炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物１０体積％まで、および／または硬質相中に溶解しているＶ、Ｎｂ、Ｔａ成分５質量％までおよびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ成分２質量％まで有し、かつ結合剤を１５質量％まで含有する。この第二の層の下には厚さ２〜１００μｍの遷移帯域が存在しており、該帯域中で組成は超硬金属またはサーメット成形体のコア内部において均質な組成へと変化する。従って第一の層中には高いＷＣ割合を有する比較的靭性で、かつ耐摩耗性の帯域が存在しており、他方、第一の層の下に存在する第二の層には、高い窒化物または炭窒化物割合を有する耐拡散性の硬質層が存在する。

本発明のもう１つの実施態様によれば前記の第一の層は、金属Ｖ、Ｎｂ、Ｔａおよび／またはＣｒの少なくとも１つの炭化物または炭窒化物を２質量％まで含有するのみである。

第一の層は有利には、結合金属４〜１５質量％または７〜２２体積％、ＷＣ８０〜９６質量％または６６〜９３体積％およびＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮ０〜５質量％または０〜１２体積％からなる組成を有する。前記の物質の全量は１００質量％または１００体積％となる。

第二の層は有利には結合金属を３〜１５質量％または２〜１５体積％、ＷＣを０〜５０質量％または０〜３０体積％およびＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮを３５〜９８質量％または５５〜９８体積％含有し、その際、結合金属、ＷＣおよびＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮの全量は１００質量％または１００体積％となる。

有利には前記の第二の層中の窒素含有率は、該層中の窒化物がもっぱら金属の窒化物として存在してる場合には８〜２２質量％である。窒化物の割合は、金属の炭窒化物が存在する場合、窒素が炭素により置換される割合に応じて低下する。従ってＴｉＣＮがそのつど半分（５０原子％まで）存在する場合、第二の層の窒素含有率は有利には半分に、つまり４〜２２質量％に低減する。

あるいは本発明の課題は、請求項６に記載されている成形体により解決される。この成形体の場合、結合剤金属が富化され、かつ混合炭化物が減少している第一の層は、１もしくは複数の表面が研磨、エッチングまたはその他の方法により除去されるので、該当する表面の下の超硬金属またはサーメット成形体は請求項３に記載されている層構造を有する。

本発明のもう１つの実施態様によれば、超硬金属またはサーメット成形体はさらに、少なくとも１の表面上に単層もしくは多層の被覆を有していてもよい。該被覆は、周期律表のＩＶａ族からＶＩａ族の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、あるいはまたＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＡｌＯＮまたは炭素、有利にはダイアモンドまたはモリブデンもしくはタングステンの硫化物からなっていてもよい。付加的な、たとえばＰＶＤまたはＣＶＤにより施与される層の数および層の組成の選択は適用目的に応じて適合させる。

前記の超硬金属またはサーメット成形体を製造するために、請求項８に記載の方法を使用する。粉末冶金法により製造される超硬金属またはサーメット成形体は、焼結後または焼結の間に、結合剤金属が富化された厚さ２〜１００μｍの層を作成するために第一の熱処理を行い、かつこの熱処理に引き続き、さらに窒素雰囲気下に５０ミリバール（５×１０^３Ｐａ）〜１００バール（１０^７Ｐａ）の窒素圧下で共融点より低い温度、有利には１０００℃〜１２００℃で処理する。その際、結合剤金属が富化され、かつ混合炭化物が減少している第一の層はその組成において実質的に変化しない。窒素下での熱処理の間に、窒素は成形体内部へ輸送され、その際同時に厚さ２〜１００μｍの外側の第一の層はチタンおよびその他の、場合により成形体中に存在している窒素親和性の金属のための拡散バリアとして働き、これらの金属は外側へと移行することができない。従って表面付近の第一の層は窒素を外側から内側へと透過させるが、同時に窒素親和性の金属が外側へ拡散することを防止する膜の作用を有する。しかしこの膜のような作用は共融点よりも低い温度範囲で、つまり１０００〜１２００℃でのみ現れる。これより高い温度ではチタンまたはその他の窒素親和性の金属は基体成形体表面の方向へ拡散し、かつここで相応する窒化物を表面付近の端部領域で形成する。１０００℃より低い温度では、窒素の拡散が緩慢になり、第二の層における窒素富化の所望の効果は実質的にもはや生じない。従って第二の熱処理の際の温度範囲を保持するは本発明による方法の成果のために重要である。

あるいはまた、第一の層における混合炭化物の低減および結合剤金属の富化を生じる第一の処理工程の後で、少なくとも１の表面の下に生じた層を、研磨、エッチングまたはその他の方法で除去し、次いで成形体を窒素雰囲気下に５×１０^３Ｐａ〜１０^７Ｐａの窒素圧下で共融点より低い温度、有利には１０００℃〜１２００℃の温度で処理することも可能である。前もって第一の熱処理により生じた層が除去されている箇所では、表面の直下に窒素が富化された、高い窒素割合を有する厚さ２〜４０μｍの層が形成される。

この方法は特に、切削工具として使用される基体成形体の場合に適用することができ、その際、露出面の下に請求項１に記載した層構造ａ）〜ｃ）が存在し、他方、切刃上または切刃の少なくとも刃先に近い領域には、ｂ）およびｃ）もしくは請求項３のに記載されている層構造のみが存在する。

単に従来技術から公知であるにすぎない熱処理法が行われている基体成形体の工具に対して、連続的な切断における耐用寿命は、摩耗部の幅(Verschleissmarkenbreite)および圧痕(Kolktiefe)を測定した場合、８倍から１０倍向上することができた。

Claims

ＷＣと、周期律表のＩＶａ族またはＶａ族の少なくとも１の元素の少なくとも１の炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物とからなる硬質相を有し、かつＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉの割合が３〜２５質量％であるＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相を有し、１もしくは複数の相互に境界づけられた表面を有する超硬金属またはサーメット成形体において、１もしくは少なくとも１の表面の下に、
ａ）厚さ２〜１００μｍの第一の層が配置されており、該層は２〜２５質量％の結合金属割合および２５体積％までの周期律表のＩＶａ族の１もしくは複数の金属の窒化物または炭窒化物および／または１０体積％までのＶ、Ｎｂ、Ｔａおよび／またはＣｒの炭化物および／または炭窒化物、残分ＷＣを含有し、その際、前記の金属の窒化物、炭窒化物または炭化物の量は少なくとも０．０１体積％であり、
ｂ）第一の層の下に、第一の層におけるよりも高い窒素含有率を有する厚さ２〜４０μｍの第二の層が配置されており、該層は実質的に周期律表のＩＶａ族の金属の窒化物および／または炭窒化物からなり、かつ１０体積％までの、元素Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物の相割合および／または硬質相中に溶解したＶ、Ｎｂ、Ｔａ成分を５質量％まで、およびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ成分を２質量％まで含有し、かつ結合剤を１５質量％まで含有し、その際、前記の相成分の量は少なくとも０．０１体積％であり、かつ／または硬質相中に溶解している前記の成分の量は少なくとも０．０１質量％であり、
ｃ）第二の層の下に厚さ２〜１００μｍの遷移帯域が配置されており、該帯域中で組成は超硬金属またはサーメット成形体のコア内部で均質な組成へと段階的に変化する
ことを特徴とする、超硬金属またはサーメット成形体。
ａ）に記載の第一の層が金属Ｖ、Ｎｂ、Ｔａおよび／またはＣｒの炭化物または炭窒化物を２質量％まで含有することを特徴とする、請求項１記載の超硬金属またはサーメット成形体。
ａ）に記載の第一の層が、
結合金属を４〜１５質量％または７〜２２体積％、
ＷＣを８０〜９６質量％または６６〜９３体積％および
ＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮを０〜５質量％または０〜１２体積％含有し、その際、結合金属、ＷＣおよびＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮの全量は１００質量％または１００体積％となることを特徴とする、請求項１または２記載の超硬金属またはサーメット成形体。
ｂ）に記載の第二の層が、
結合金属を３〜１５質量％または２〜１５体積％、
ＷＣを０〜５０質量％または０〜３０体積％および
ＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮを３５〜９８質量％または５５〜９８体積％含有し、その際、結合金属、ＷＣおよびＴｉＣＮおよび／またはＴｉＮの全量は１００質量％または１００体積％となることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の超硬金属またはサーメット成形体。
ｂ）に記載の第二の層中の窒素含有率は、該層中で結合している窒化物がもっぱら金属の窒化物として存在している場合に８〜２２質量％であり、かつ窒素含有率は金属の炭窒化物中のＮ原子が置換される割合に応じて相応して比例して少なくなることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の超硬金属またはサーメット成形体。
ＷＣと、周期律表のＩＶａ族またはＶａ族の少なくとも１の元素の少なくとも１の炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物とからなる硬質相を有し、かつＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉの割合が３〜２５質量％であるＦｅ、Ｃｏおよび／またはＮｉからなる結合相を有する超硬金属またはサーメット成形体において、１もしくは少なくとも１の表面の下に厚さ２〜４０μｍの層が配置されており、該層はほぼ、周期律表のＩＶａ族の金属の窒化物および／または炭窒化物からなり、かつ１０体積％までの元素Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒの炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物および／または硬質相中に溶解したＶ、Ｎｂ、Ｔａ成分を５質量％まで、およびＣｒ、Ｍｏ、Ｗ成分を２質量％まで含有し、かつ結合剤を１５質量％まで含有し、かつ第二の層の下に厚さ２〜１００μｍの遷移帯域が配置されており、該帯域中で組成は超硬金属またはサーメット成形体のコア内部で均質な組成へと段階的に変化することを特徴とする、超硬金属またはサーメット成形体。
少なくとも１の表面が、周期律表のＩＶａ族〜ＶＩａ族の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＡｌＯＮまたは炭素、有利にはダイアモンドまたはＭｏもしくはＷの硫化物からなる単層もしくは多層の被覆を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の超硬金属またはサーメット成形体。
焼結後または焼結の間にａ）に記載の層を作成するための第一の熱処理が行われている、請求項１から５までのいずれか１項記載の超硬金属またはサーメット成形体を製造する方法において、この熱処理に引き続き成形体を５×１０^３Ｐａ〜１０^７ＰａのＮ_２圧下に共融点より低い温度、有利には１０００℃〜１２００℃で窒素雰囲気で処理することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の超硬金属またはサーメット成形体の製造方法。
少なくとも部分的に、または完全に、組成ａ）を有する厚さ２〜１００μｍの第一の層を除去し、かつこれに引き続き成形体を５×１０^３Ｐａ〜１０^７ＰａのＮ_２圧下に共融点より低い温度、有利には１０００℃〜１２００℃で窒素雰囲気で処理することを特徴とする、焼結後または焼結の間にａ）に記載の層を作成するための第一の熱処理が行われている、請求項６記載の超硬金属またはサーメット成形体の製造方法。
基体成形体を引き続きＣＶＤまたはＰＶＤにより単層もしくは多層で被覆することを特徴とする、請求項８または９記載の超硬金属またはサーメット成形体の製造方法。