JP2012512963A

JP2012512963A - サーメット

Info

Publication number: JP2012512963A
Application number: JP2011542071A
Authority: JP
Inventors: ヤンソンボ; ザックリッソンイェンニ; ペルソントマス
Original assignee: セコツールズアクティエボラーグ
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2012-06-07
Also published as: CN102257171B; US9499884B2; EP2379762A1; KR20110095358A; CN102257171A; KR101629530B1; EP2379762B1; SE534073C2; EP2379762A4; WO2010071586A1; US20110262296A1; SE0802600A1

Abstract

本発明は Ti, Nb, Ta, W, C, N およびCoを含有するチタンベース炭窒化物合金に関係する。この合金は
- Co 7 to 21 wt%
- W 14 to 20 wt%
- Ta 5 to 11 wt%
- Nb 2 to 7 wt% および,
- Ti 33 to 50 wt%
を含有し、
それにより、全体のN/C 質量比が0.6から0.75, Ta/Nb 質量比が 1.8 から 2.1, 相対的飽和磁化が 0.60 から 0.90 および磁気保磁力 Hc=（18.2-0.2×Co wt%）+/- E kA/mであり, ここで E は 2.0である。本発明は、前記合金を製造する方法にも関係する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主成分としてのTiおよびコバルトバインダー相を有する焼結炭窒化物合金に関係し、それは、特に鋼および鋳鉄切削用工具材料として使用されるときに、改善された特性を有する。とりわけ、本発明は、耐研磨磨耗性、靱性、および塑性変形に対する耐性を最適に組み合わせるための、特定の組成物、および制御された相対的飽和磁化および保磁力を有する、炭窒化物ベース合金に関係する。

チタンベース炭窒化物合金、いわゆるサーメット、は金属切削目的のために広く使用されている。WC-Coベース材料と比べると、サーメットは、たとえコーティングされていなくても、高温の鋼と接触したときに優れた化学的安定性を有するが、実質的に靱性は低い。このことは、ほとんどの仕上げ操作に好適である、それは一般的には切刃への限定的な機械的負荷および仕上げ部品での高表面仕上げ要求によって特徴づけられる。

サーメットは、一般にCo および/または Niの金属バインダー相中に埋め込まれた炭窒化物硬質構成要素を含む。その硬質構成要素のグレインは概して、コアを有し、たいていは他の組成物でできた一以上のリムで囲まれている、複合構造を有している。Tiに加えて、Via属元素、通常はMoとWの両方が加えられ、バインダーと硬質構成要素の間の濡れ性を促進し、且つ溶液硬化の手段によってバインダー相を強化する。一以上のIVa および/または Va元素、例えば、Zr, Hf, V, Nb および Taが、現在入手可能な市販の全ての合金にも加えられている。サーメットは、粉末冶金法を用いて製造される。バインダー相を形成する粉末、および硬質構成要素を形成する粉末が混合され、プレスされ、および焼結される。

近年、切削工具用途でのサーメットの主特性、すなわち靱性、耐磨耗性および塑性変形耐性、を制御するための多くの試みがなされてきている。特にバインダー相の化学に関して、多くの研究がなされてきている。

米国特許6,344,170, 米国特許6,344,445および米国特許6,325,838は、主成分としてチタンを有し、切削工具材料として使用されるときに改善された特性を有する、炭窒化物合金の焼結体に関係する。これは、特定の化学的組成物でできていてる炭窒化物ベース硬質相を、極度に溶液硬化したCoバインダー相と組み合わせることによって得られた。Ti-Ta-W-C-N-Co系（system）での組成物および焼結プロセスを最適化することによって、改善された靱性および塑性変形に対する耐性が得られる。靱性および塑性変形に対する耐性を改善するために使用される、二つのパラメータは、Ta- および Co-含有率である。高純度のCo-ベースバインダーを使用すると、Co および Ni間の溶液硬化における違いにより、靱性挙動に関して、混合Co-Ni-ベースバインダーを超える、大きな利点が得られる。

米国特許7,332,122,および米国特許7,157,044は、同様のものである。これらは、Ti, Nb, W, C, N および Co を含有するチタンベース炭窒化物合金に関係する。米国特許6,344,170におけるTa をNb で置換し、未溶解のTi（C,N）コアの量を注意深く制御することにより、技術的特性のさらなる最適化が得られてきている。とりわけ、前記特許は、特定の組成物の炭窒化物ベース硬質相に関係し、それに対する未溶解Ti（C,N）コアの量は、耐研磨磨耗性を最大化するように最適化され、一方で所望の靱性および塑性変形に対する耐性をもたらすように、Co および Nb含有率が同時に最適化されている。

米国特許第6,344,170号明細書米国特許第6,344,445号明細書米国特許第6,325,838号明細書米国特許第7,332,122号明細書米国特許第7,157,044号明細書

本発明の目的は、耐研磨磨耗性、靱性および塑性変形に対する耐性の最適な組み合わせのために、特定の組成物および制御された相対的飽和磁化および保磁力を有するサーメット材料を設計し且つ製造することである。

これは、合金系Ti-Ta-Nb-W-C-N-Coに関する研究によって達成された。一組の限定が、耐研磨磨耗性、靱性および塑性変形に対する耐性の最適な組み合わせを、意図した用途範囲でもたらすことが分かった。

図１は、その微細構造を詳細に示す。図２は、本発明による合金の低倍率の微細構造を、走査型電子顕微鏡の後方散乱モードで観察したものを示す。ここで、 Aは、未溶解Ti（C,N）-コアを描写し、 Bは、A-コアをときおり取り囲む複合炭窒化物層を描写し、そして、 Cは、Coバインダー層を描写する。

本発明により、意図する用途範囲における、耐研磨磨耗性、靱性、塑性変形に対する耐性、および被加工物表面仕上げの最適な組み合わせが、Coベースバインダーに溶解した炭窒化物形成物（former）の量、Ta および Nbの比率、および硬質構成要素のグレインサイズを最適化することにより達成されることが思いがけず見出された。バインダー相中に溶解した炭窒化物形成物の含有量は、S-値によって表現可能であり、そのサンプルの磁気飽和をサンプル中の同量の高純度Coの磁気飽和によって除する。S-値は、バインダー相中の溶解金属の含有量によってきまり、溶質の量が減少するにつれて増大する。硬質構成要素の焼結グレインサイズは、この磁気保磁力によって表現可能である。

Co含有量は、想定される用途範囲に対して所望の特性を与えるように選択しなければならない。これは、Co含有率が7 から 21 wt%で最適に達成される。最初の実施態様では、Co含有率が8 から 15 wt%であり、そして好ましくは、微細な機械加工用途には、Co含有率が8 から 10 wt%であり、塑性変形に対する耐性と靱性のバランスが要求される用途には、12 から 15 wt%である。より高い靱性を要求する第二の実施態様では、好ましいCo含有率は15 から 20 wt%である。
W含有率は、14 から 22 wt%, 好ましくは 16 から 19 wt%でなければならない。
Ta含有率は、5 から 11 wt%, 好ましくは 6 から 9 wt%でなければならない。
Nb含有率は、2 から 7 wt%, 好ましくは 3 から 5 wt%でなければならない。
Ti含有率は、33 から 50 wt%, 好ましくは 37 から 47 wt%でなければならない。
添加したTa wt%およびNb wt%の比率は、1.8 から 2.1でなければならない。
焼結した合金中の全体のN/C 質量比は、0.6 から 0.75の範囲でなければならない。
C含有率は、相対的飽和磁化が0.60 から 0.90, 好ましくは0.65 から 0.80になるように、調整されなければならない。

平均グレインサイズは磁気保磁力によって表現され、これは添加されたCo の量によって決まり、Hc=（18.2-0.2×Co w%）+/- E kA/mでなければならず、ここでE は 2.0, 好ましくは 1.5,最も好ましくは 1.0である。

さらに高い耐摩耗性を要求する特定の機械加工操作のためには、PVD, CVD, MTCVDまたは同様の技術を用いて、本発明の物体を薄い耐摩耗性コーティングでコートすることが有利である。

本発明の別の態様では、焼結チタンベース端窒化物合金を製造する方法が提供される。x が0.45-0.55の範囲にあり且つFSSS グレインサイズが1 から 2 μmであるTiC_xN_1-x, TaC, NbC および WC の硬質構成要素粉末を、Coの粉末と混合して、上記の制限の範囲内で、組成物とし、所望の形状の物体にプレスする。焼結が、全圧が 10-40 mbar 且つ N₂分圧が 0.5 から 4 mbarのN₂-Ar 雰囲気で,0.5-1 時間の間1370-1500°Cの範囲の温度で行われる。本明細書にしたがって、望ましい微細構造を得るために必要な条件を実験によって決定することは、当業者が通常行う活動の範囲内のことである。

例１
公称組成（wt%）Ti 46.4, Ta 8.2, Nb 4.2, W 17.1, Co 9.0, N 6.1 およびN/C 比率が0.69（合金A, 発明）, 0.74 （合金 B, 比較）および 0.64 （合金 C, 比較）の、３つの粉体混合物を、
グレインサイズ FSSS が1.25 μmのTiC_0.50N_0.50
グレインサイズ 2.1 μmの TaC,
グレインサイズ 2.0 μmのNbC,
グレインサイズ 2.5 μmのWC
グレインサイズ 0.80 μmのCo
プレス補助剤のPEG
の湿式ミルで調整した。

この粉末を、スプレー乾燥し、SNUN120408インサートにプレスした。このインサートを、H₂ で脱ろう（dewax）し、続いて全圧が10 mbarでN₂分圧が1 mbarのN₂-Ar 雰囲気で、1.0 時間、1480°Cで焼結し、続いてグラインディングと通常のエッジ処理を行った。ポリッシングしたインサートの断面を、標準的な冶金技術により用意し、走査型電子顕微鏡を用いて観察した。図１および図２は、その断面を後方散乱モードで撮影した走査型電子顕微鏡像を示す。気孔率は、ISO 4505基準に従って測定した。磁気特性は標準的方法によって測定した。

合金 B および合金 Cは、好ましい相対的磁化飽和の範囲外にあって、その気孔率レベルは、靱性に対して有害である。

例２
６つの粉末混合物を、例１の原材料を湿式ミルにより調製した。合金 H および合金 Iについては、グレインサイズが3.5 μmのより粗いTiC_0.50N_0.50を使用した。公称組成物（wt%）を、以下の表に示す。

例１にしたがって、焼結したインサートを用意し、分析した。得られた結果を以下に示す。

好ましい相対的磁化飽和の範囲外にある合金の気孔率レベルは比較的高く、したがって、靱性に対して有害である。

例３
例２による合金 D および Eのタイプ11T304のインサートを用意した。合金 Eの磁気特性は、本発明の範囲内であった。しかしながら、合金 Dの飽和磁化は範囲外であった。これらのインサートを、SS1672鋼の旋削に、vc=200 m/分, f=0.10 mm および ap=0.25 mmで、用いた。被加工物の表面粗さ, Ra,は切削時間の関数として観測した。短い時間では、つまり<5分では、Ra値は、二つの合金について同様であり、1.2 μmであった。1時間を超える旋削の後では、合金 Dの場合のRa値は3.3 μmであり、合金 Eの場合は1.8 μmであった。合金 Eの場合の被加工物の表面仕上げはかなり良好であり、これは磨耗に対する良好な耐性によるものである。

例４
高い靱性が要求される被加工物に、合金G（発明の範囲外）およびF（発明による）のタイプ11T304のインサートを用いる切削試験を行い、以下の切削データを得た。
被加工物材料：DIN42Cr41
切削速度=220 m/分,
送り=0.2 mm/r,
切削深さ=0.4 mm および
冷却剤使用。
結果：通過回数で表わした寿命（６つの切刃の平均）
合金 G: 18
合金 F: 28

例５
二つの合金D（発明の範囲外）およびE（発明による）の場合の塑性変形耐性を、旋削試験で調査した。
被加工物材料：SS2541
切削深さ=1 mm,送り=0.3 mm/r,切削時間=2.0分
塑性変形に対する耐性は、切刃の塑性変形が検知されない最大切削速度によって決まる。
結果：最大切削速度（２つの切刃の平均）
合金 D: 240 m/分
合金 E: 310 m/分

上記の例から、本発明により製造されたインサートは、実質的に改善された靱性および変形耐性の両方を有することが明らかである。

Claims

Ti, Nb, Ta, W, C, N およびCoを含有するチタンベース炭窒化物合金であって、相対的飽和磁化が 0.60 から 0.90, 好ましくは 0.65 から0.80, および磁気保磁力が Hc=（18.2-0.2×Co wt%）+/- E kA/mであり, ここで E は 2.0, 好ましくは 1.5であることを特徴とする、チタンベース炭窒化物合金。
- Co 7 から21 wt%,
- W 14 から20 wt%,
- Ta 5 から11 wt%,
- Nb 2 から7 wt%, および
- Ti 33 から50 wt%
を含有することを特徴とする、請求項１に記載のチタンベース炭窒化物合金。
- W 16 から18 wt%,
- Ta 6 から9 wt%,
- Nb 3 から5 wt%, および
- Ti 37 から47 wt%
を含有することを特徴とする、請求項２に記載のチタンベース炭窒化物合金。
- Co 8 から15 wt%
を含有することを特徴とする、請求項２または３に記載のチタンベース炭窒化物合金。
- Co 15 から20 wt%
を含有することを特徴とする、請求項２または３に記載のチタンベース炭窒化物合金。
全体の N/C 質量比が 0.6 から0.75であることを特徴とする、請求項２から５のいずれか１項に記載のチタンベース炭窒化物合金。
Ta/Nb 質量比が1.8 から2.1であることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載のチタンベース炭窒化物合金。
PVD, CVD, MTCVD または同様の技術を用いて、薄い耐摩耗性コーティングでコートされていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のチタンベース炭窒化物合金。
x が0.45-0.55の範囲にあり且つFSSS グレインサイズが1 から 2 μmであるTiC_xN_1-x, TaC, NbC および WC の硬質構成要素粉末を、Coの粉末と混合して組成物とし、および所望の形状の物体にプレスし、N₂-Ar雰囲気で焼結することにより、Ti, Nb, Ta, W, C, N およびCoを含有する焼結チタンベース炭窒化物合金を製造する方法であって、前記雰囲気は、全圧が10-40 mbar 且つ N₂分圧が 0.5 から 4 mbarであり, 0.5-1 時間の間1370-1500°Cの温度であることを特徴とする、製造方法。