JP2015086464A - サーメット - Google Patents
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Abstract
Description
・第一硬質相:TiCNを主成分とする硬質相
・第二硬質相:W及びTiを必須として周期表4,5,6族金属から選択される金属の複合炭窒化物固溶体から構成される硬質相
・第三硬質相:WCを主成分とする硬質相
前記サーメットは、表面から300μm以上の厚さを有し、前記第一硬質相と前記第二硬質相とが存在し、前記第三硬質相が実質的に存在しない表面層と、前記表面層よりも内部側で、前記第一硬質相と前記第二硬質相と前記第三硬質相とが存在する内部層とを備える。
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
・第一硬質相:TiCNを主成分とする硬質相
・第二硬質相:W及びTiを必須として周期表4,5,6族金属(ただしW及びTiを除く)から選択される金属の複合炭窒化物固溶体から構成される硬質相
・第三硬質相:WCを主成分とする硬質相
前記サーメットは、表面から300μm以上の厚さを有し、前記第一硬質相と前記第二硬質相とが存在し、前記第三硬質相が実質的に存在しない表面層と、前記表面層よりも内部側で、前記第一硬質相と前記第二硬質相と前記第三硬質相とが存在する内部層とを備える。
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
実施形態に係るサーメットは、硬質相と、硬質相を結合する結合相と、不可避不純物とにより構成される。不可避不純物は、原料に含有したり、製造工程で混入したりする、酸素やppmオーダーの金属元素が挙げられる。
硬質相は、周期表4,5,6族金属から選ばれる少なくとも1種の金属元素と炭素(C)及び窒素(N)の少なくとも1種の元素との化合物、すなわち上記金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物及びこれらの固溶体から選択される少なくとも1種を含む。特に、本実施形態のサーメットは、Ti炭窒化物(TiCN)及びTiを含む炭窒化物固溶体を少なくとも含有するTiCN基サーメットである。硬質相は、以下の第一硬質相、第二硬質相、及び第三硬質相という組成が異なる3種を含有する。これら3種の硬質相の存在形態は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)による顕微鏡写真の濃淡により容易に判別できる。また、各硬質相の組成は、SEM−EDX装置(SEM…Scanning Electron Microscope、EDX…Energy−dispersive X−ray Spectroscopy)を用いて定量分析が可能である。
第一硬質相は、TiCNを主成分とする硬質相である。具体的には、TiCNを80質量%以上含有する。例えば、実質的にTiCNのみからなる硬質相が挙げられる。その他に、W,Mo,Nbを合計で1質量%以上15質量%以下含有してもよい。また、Co,Niを合計で5質量%以下含有してもよい。第一硬質相は、後述する第二硬質相に比較してTiを多く含むことにより、硬度が高く、かつ被削材に汎用される鋼との反応性が低い。従って、サーメット中に第一硬質相が存在することで、特に、耐摩耗性及び耐凝着性を向上することができる。
第二硬質相は、W及びTiを必須として周期表4,5,6族金属(ただし、W及びTiを除く)から選択される金属の複合炭窒化物固溶体から構成される硬質相である。第二硬質相の具体的な組成は、例えば、(Ti,W)CN,(Ti,W,Mo)CN,(Ti,W,Nb)CN,(Ti,W,Mo,Nb)CNなどが挙げられる。第二硬質相は、第一硬質相と比較してWを含むことで、高い硬度を維持したまま破壊靭性の向上が望める。従って、サーメット中に第二硬質相が存在することで、熱的強度、耐欠損性、耐塑性変形性を向上することができる。
第三硬質相は、WCを主成分とする硬質相である。具体的には、WCを85質量%以上含有する。例えば、実質的にWCのみからなる硬質相が挙げられる。その他に、Ti,Mo,Nbを合計で1質量%以上10質量%以下含有してもよい。また、Co,Niを合計で5質量%以下含有してもよい。第三硬質相がWCからなることで、硬度・靱性の向上が望める。しかし、WCがサーメット全体に亘って存在すると、切削中に被削材(特に鋼)と反応し易く、凝着が生じ易くなるという課題を有する。
結合相は、Ni及びCoの少なくとも一方を含み、上記硬質相を結合させる。結合相は、実質的にNi及びCoの少なくとも一方で構成されているが、硬質相の構成元素(Ti,W,Mo,Cr,C,N)や、不可避不純物を含んでいてもよい。
本実施形態のサーメットは、サーメットの表面から内部に向かって表面層と、表面層より内部側に存在する内部層とで構成されている。内部層は、さらに表面層側に存在する中間層と、中間層よりも内部側に存在する内部深層とで構成されていてもよい。つまり、本実施形態のサーメットは、サーメットの表面から内部に向かって表面層、中間層、及び内部深層の三層で構成されていてもよい。本実施形態のサーメットの主たる特徴とするところは、各層中における硬質相(上記の第一硬質相、第二硬質相、第三硬質相)の存在の有無にある。
表面層には、第一硬質相と第二硬質相とが存在しており、第三硬質相は実質的に存在していない。第一硬質相と第二硬質相とは、第一硬質相を芯部とし、この芯部の外周に第二硬質相からなる周辺部を有する有芯構造の形態で存在していてもよいし、第一硬質相と第二硬質相とが独立してそれぞれが単相構造の形態で存在していてもよい。また、有芯構造と各単相構造とが混在していてもよい。表面層に第三硬質相が実質的に存在しないことで、切削中に被削材と反応し難く、耐凝着性に優れるサーメットとすることができる。
内部層は、表面層よりも内側の層である。内部層には、第一硬質相、第二硬質相、及び第三硬質相が存在する。第一硬質相及び第二硬質相は、表面層における第一硬質相及び第二硬質相の存在形態と同様、有芯構造の形態で存在していても、それぞれが単相構造の形態で存在していてもよい。また、各平均粒径も、表面層における各硬質相の平均粒径と同様である。第三硬質相は、単相構造で存在する。
本実施形態のサーメットは、代表的には、原料粉末の準備→混合→成形→焼結という工程を経て製造される。
準備工程では、原料粉末として、周期表4,5,6族金属から選ばれる少なくとも一種の金属と、炭素(C)及び窒素(N)の少なくとも一種の元素との化合物からなる化合物粉末と、結合相を構成する結合相粉末、代表的には鉄族金属粉末とを用いる。第一硬質相を生成するためには、例えばTiCN粉末を用いる。第三硬質相を生成するためには、例えばWC粉末を用いる。第二硬質相を生成するためには、例えばTiCN粉末及びWC粉末を用い、さらに周期表4,5,6族金属(ただしW及びTiを除く)の炭化物粉末や炭窒化物粉末や固溶体粉末を用いる。
混合工程では、上記原料粉末をアトライターで混合する。この混合時には必要に応じて成形助成材(例えば、パラフィン)を添加してもよい。
上記混合粉末を、金型に充填しプレス成形して成形体を作製する。プレス圧力は、原料粉末の組成によって適宜変更することができ、50MPa以上250MPa以下が挙げられる。より好ましいプレス圧力は90MPa以上110MPa以下である。
上記成形体を焼結して焼結体を作製する。この焼結工程では、段階的な焼結を行なうことが好ましい。例えば、成形助剤の除去期間、第一加熱期間、第二加熱期間、保持期間、および冷却期間を有する焼結を行なうことが挙げられる。成形助剤の除去期間は、成形助剤の揮発温度まで昇温する期間のことで、例えば350℃以上500℃以下まで加熱する。次の第一加熱期間では真空雰囲気にて1200℃以上1300℃以下程度まで成形体を加熱する。続く第二加熱期間では、0.4kPa以上3.3kPa以下の窒素雰囲気にて1300℃以上1600℃以下程度まで成形体を加熱する。保持期間では、第二加熱期間の最終温度で0.5時間以上3時間以下成形体を保持する。冷却期間では、窒素雰囲気にて室温まで成形体を冷却する。
サーメットを実際に作製し、サーメットの組成、組織、及び靱性・硬度を調べた。
原料粉末として、平均粒径が0.8μmのTiCN粉末と、平均粒径が1.0μmのWC粉末と、平均粒径が1.5μmのNbC粉末と、平均粒径が1μmのMo2C粉末と、平均粒径が1.5μmのCo粉末と、平均粒径が2μmのNi粉末とを用意した。ここでの平均粒径は、フィッシャー法によって測定した粒径である。
試料No.101及びNo.102は、WC粉末の含有量が少なく、かつ原料粉末として平均粒径(フィッシャー粒度)が1.4μmのTiCN粉末を用いた点を除いて、試料No.1〜No.7,No.9と同一である。試料No.103は、WC粉末の含有量が少ない点を除いて、試料No.1〜試料No.7,No.9と同一である。
得られた焼結体(サーメット)の断面をSEM−EDX装置を用いて調べた。代表して、試料No.1のサーメットのSEM写真(10000倍)を図1及び図2に示す。図1はサーメットの表面層であり、図2はサーメットの内部層のSEM写真である。各図中の黒色部分は第一硬質相、灰色部分は第二硬質相、白色部分は第三硬質相である。各硬質相間には、結合相が存在する。
サーメットの靱性(MPa・m1/2)、及びビッカース硬度(GPa)はそれぞれ、JIS R 1607(1995年)、及びJIS Z 2244(2009年)に従って求めた。その結果を表2に示す。
Claims (5)
- 周期表4,5,6族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物及びこれらの固溶体からなる群から選択される1種以上の化合物からなる硬質相が、Ni及びCoの少なくとも一方を主成分とする結合相により結合されてなるサーメットであって、
前記硬質相は、以下の第一硬質相、第二硬質相、第三硬質相を含有し、
第一硬質相:TiCNを主成分とする硬質相
第二硬質相:W及びTiを必須として周期表4,5,6族金属(ただしW及びTiを除く)から選択される金属の複合炭窒化物固溶体から構成される硬質相
第三硬質相:WCを主成分とする硬質相
前記サーメットは、
表面から300μm以上の厚さを有し、前記第一硬質相と前記第二硬質相とが存在し、前記第三硬質相が実質的に存在しない表面層と、
前記表面層よりも内部側で、前記第一硬質相と前記第二硬質相と前記第三硬質相とが存在する内部層とを備えるサーメット。 - 前記表面層の厚さは、1800μm以下である請求項1に記載のサーメット。
- 前記内部層は、
前記表面層側に存在する中間層と、
前記中間層より内部側に存在する内部深層とを備え、
前記中間層及び前記内部深層における前記第三硬質相の平均粒径をそれぞれα、βとしたとき、α/β>1.5である請求項1または請求項2に記載のサーメット。 - 前記中間層の厚さが、10μm以上100μm以下である請求項3に記載のサーメット。
- サーメット全体において、
Tiの含有量が40質量%以上60質量%以下、
Wの含有量が20質量%以上35質量%以下、
周期表4,5,6族金属(ただし、W及びTiを除く)から選択される1種以上の金属元素の合計含有量が0質量%以上10質量%以下、
Co,Niの合計含有量が15質量%以上20質量%以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のサーメット。
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