JP2502322C - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、高速切削が可能な切削工具の材料として好適な高靭性サーメツトに
関する。 [従来の技術] 近年、チタン、タンタル、モリブデン、タングステン、クロム、ジルコニウム
等の周期律表のIVa、Va、VIa族から選ばれた少なくとも1種の遷移金属の複
炭窒化物を硬質相とし、これをニツケルやコバルト等の耐熱性金属の結合相で結
合したサーメツトが切削工具材料として用いられるようになつた。 かかるサーメツトは、従来のタングステン、チタン、タンタル等の複炭化物を
硬質相とし、これをニツケルやコバルト等の金属で結合した焼結硬質合金に比較
して、耐熱疲労靭性が著しく改善されているので、従来の焼結硬質合金では殆ど
不可能でありタングステンカーバイトを主成分とする所謂超硬合金しか使用され
なかった領域にまで用途が拡大されつつある。 しかし、切削工具の分野において益々高速切削が要望されている現在、上記サ
ーメツトには高速切削において工具のすくい面に生じるクレーター摩耗が極めて
進行し易いという欠点がある。クレーター摩耗はサーメツトの硬質相が粒子単位 で掘り起こされて脱落していく現象である。一般に、クレーター摩耗は組織を粗
くすることにより改善されるが、組織を粗くするほどサーメツトの硬度は低下す
るので、この改善方法にはおのずと限界があつた。そこで本発明者等は、高速切
削時のクレーター摩耗を低減することのできる高靭性サーメツトとして、チタン
を主とする硬質組成分の複炭窒化物を予め形成した後、この粉末にニツケルやコ
バルトの粉末を混合して焼結する方法により製造した高靭性サーメツトを提案し
た(特公平5−64695号公報参照)。 しかしながら、この高靭性サーメツトは硬質相中に窒素を均一に分散させるこ
とができるものの、窒素の含有量が増えてくると、砥石によるサーメツトの被研
削性が著しく低下する欠点があった。 [発明が解決しようとする問題点] 本発明はかかる従来の事情に鑑み、切削工具として高速切削時のクレーター摩
耗を低減させ、同時に被研削性を改善した高靭性サーメツトを提供することを目
的とするものである。 [問題点を解決するための手段] 本発明の高靭性サーメツトは、チタンを主成分としタングステンを必須成分と
する周期律表のIVa、Va、VIa族から選ばれた少なくとも2種の遷移金属の複
炭窒化物のみからなる硬質相と、ニツケル及びコバルト並びに不可避的不純物を
含む結合相とからなり、結合相中のニツケルとコバルトの重量比Ni/(Ni+
Co)が0.3〜0.8であり、全体に含有される窒素と炭素の原子比N/(C+N
)が0.3〜0.6であって、コバルトの含有量A重量%及びニツケルの含有量B
重量%とサーメツトの飽和磁気量Cガウスcm3/gとがC≧0.73×(20.2
×A+6.8×B)の関係を満たし、黄色ないし褐色の粒子が存在しないか又は存
在しても0.01体積%以下であることを特徴とする。 本発明の高靭性サーメツトを製造するためには、必須成分であるチタンやタン
グステンの原料粉末としてTi(CN)粉末やWC粉末をそのまま使用せず、その
他の硬質物質粉末と共に窒素雰囲気中において焼結温度以上の温度で固溶体化処
理することにより複炭窒化物とし、この複炭窒化物の粉末をニツケル及びコバル
トの粉末と混合して焼結する。その際、得られる高靭性サーメツトの飽和磁気量 を制御するが、その方法としては、原料粉末に混合する炭素量を調整する方法
、焼結雰囲気を炭素や窒素とする方法、原料粉末中に金属状チタンや、チタ
ンの炭化物又は窒化物の粉末を混合する方法などがある。 尚、原料粉末にはその製造過程で混入される鉄等の不可避的不純物が特性に影
響しない範囲で含まれて良く、又通常行われている如く焼結性を向上させる為に
炭素粉末を混合することができる。 [作用] 本発明者等は、前記特公平5−64695号公報で提案した高靭性サーメツト
の被研削性の改善について種々検討した結果、結合相中に固溶する硬質相成分が
少ないほど被研削性が良好であることを見い出した。そこで、結合金属であるニ
ツケル及びコバルトの純度を示すパラメーターとして飽和磁気量を採用し、サー
メツトの飽和磁気量と被研削性の関係について検討した。純コバルトの飽和磁気
量は2020G(ガウス)cm3/gであり、純ニツケルの飽和磁気量は680G
cm3/gであって、これ等を含有するサーメツトの飽和磁気量はコバルト又は
ニツケルの重量分率が減るほど、若しくはコバルト又はニツケルの純度が低下す
るほど減少する。 しかるに、コバルトの含有量A重量%及びニツケルの含有量B重量%と、サー
メツトの飽和磁気量Cガウスcm3/gとの間に、C≧0.73×(20.2×A+
6.8×B)の関係が存在する範囲においては、サーメツトが良好な被研削性を発
揮することを見い出し、本発明に至ったものである。 ニツケルとコバルトの重量比Ni/(Ni+Co)は高い方が好ましいが、この
値が0.8を越えるとサーメツトの硬度が低下し、0.3未満では界面強度の増強
による耐クレーター摩耗性の改善が得られない。又、サーメツトにおいては含有
窒素量が多いほど焼結性が低下しやすいが、本発明によれば窒素含有量が多くて
も焼結性が良好であり、窒素と炭素の原子比N/(C+N)を0.3〜0.6の範囲
とすることができる。この値が0.3未満ではサーメツトの靭性が低下し、0.6
を越えるとサーメツトの耐摩耗性が低下する。 但し、サーメツトの靭性及び強度の改善効果を得るためには、窒素が硬質相内
に均一に分散していることが重要である。従来からの含窒素焼結硬質合金では、 窒素の偏析のために光学顕微鏡により硬質相組織内に黄色ないし褐色の粒子が観
察できる。この黄色ないし褐色の粒子はチタンの窒化物が炭窒化物であって、こ
の粒子が現われる限り窒素の高濃度部分では分解によるポアが発生しやすく、低
濃度部分では窒素含有による効果が充分に発揮されない等、特性が劣化すること
が判った。しかるに、前記特公平5−64695号公報に記載のごとく、チタン
を主とする硬質相成分の複炭窒化物を予め形成し、この複炭窒化物粉末のみにニ
ツケルやコバルトの粉末を混合して焼結する方法によれば窒素を均一に分散させ
ることができ、黄色ないし褐色の粒子が存在しなくなる。尚、黄色ないし褐色の
粒子は存在しても0.01体積%以下ならば強度や靭性の改善効果に何ら影響を
与えない。 又、本発明の高靭性サーメツトでは、実質的にモリブデンを含まない組織とす
ることにより、サーメツトの被研削性を劣化させることなく、切削特性を一層向
上させることが出来る。 [実施例] 実施例1 市販の平均粒径2μmのTi(CN)粉(C/N比5/5)70重量%と、ほぼ
同一粒径のTaC粉10重量%及びWC粉20重量%とをボールミルにて10時
間混合し、窒素分圧400torrの窒素気流中で1800℃で1時間の固溶体
化処理を行なってTiを主成分とす複炭窒化物(TiTaW)CNを形成した。こ
の複炭窒化物はX線回析によってTaC及びWCのピークが消滅していることが
確認できた。 この複炭窒化物をボールミルで20時間粉砕した後、100メツシユ以下のN
i粉及びCo粉並びに必要に応じて遊離C粉を添加して第1表の試料1〜5に示
す配合とし、更に溶剤を加え湿式ボールミルで20時間混合した。得られた混合
粉末にカンフアーを3重量%加え、2t/cm2で型押し成形した。この圧粉体
を窒素分圧10torrの窒素気流中で1500℃で1時間焼結した。 又、試料6〜8として、上記と同じTi(CN)粉、TaC粉及びWC粉を固溶
体化処理することなく、そのままNi粉、Co粉及び必要に応じて遊離C粉と混
合し、上記と同様にして焼結した。 得られた各試料について光学顕微鏡で黄色ないし褐色の粒子が存在するか否か
観察したところ、比較例の試料6〜8に黄色粒子の存在が確認された。 各試料1〜7のサーメツトについて、硬度(Hv)及び破壊靭性(K1C)並びに強
度(kg/mm2)を測定すると共に、第2表の切削条件1でのクレーター摩耗深
さ(mm)及び逃け面摩耗量(mm)、切削条件2でのチツプ破損率(%)、飽和磁気
量(Gcm3/g)、及び第4表に示す条件での研削テストによる法線方向の研削
抵抗Fn(N/mm)を測定し、その結果を第3表に示した。本発明のサーメツト
(試料2〜4)は比較例のサーメツト(試料1及び5〜8)に対し、特に耐クレ
ータ摩耗性及び靭性に優れることが判った。 【第1表(重量%)】 【第2表】 【第3表】 【第4表】 実施例2 市販の平均粒径2μmのTi(CN)粉64重量%と、ほぼ同一粒径のTaC粉
8重量%、WC粉20重量%及びMo2C粉8重量%とをボールミルで10時間
混合し、窒素分圧400torrの窒素気流中にて1800℃で1時間の固溶体
化処理を行いTiを主成分とする複炭窒化物を形成した。この複炭窒化物はX線
回析によってTaC、Mo2C及びWCのピークが消滅していることが確認でき
た。 このMoを含む複炭窒化物をボールミルで20時間粉砕した後、100メツシ
ュ以下のNi粉とCo粉及び遊離C粉を添加して第5表の試料9及び10に示す
配合とし、更に溶剤を加え湿式アトライターで12時間混合した。得られた混合
粉末にカンファーを3重量%加え、2t/cm2で型押し成形した。この圧粉体
を窒素分圧10torrの窒素気流中にて1450℃で1時間焼結した。 【第5表(重量%)】 各試料の特性及び切削性能を実施例1と同様に測定し、その結果を第6表に示
した。複炭窒化物がMoを含む試料10と、複炭窒化物がMoを含まない以外は
近似した組成の前記実施例1の試料3とを比較すると、Moを含まない試料3の
サーメツトの方が優れた切削性能を有することが判る。 【第6表】 更に、前記実施例1の試料3、及び本実施例の試料9、10とそれぞれ同一組
成(炭素以外)であつて、原料粉末に混合する炭素粉末量を変えることで飽和磁
気量のみを変化させた各試料3−a、3−b、9−a、9−b、10−a及び1
0−bを作製し、各試料について実施例1と同一条件の研削テストを実施して、
法線方向の研削抵抗Fnを測定した。その結果を飽和磁気量と共に第7表に示し
た。 【第7表】 第7表から、試料中のCo含有量A(重量%)及びNi含有量B(重量%)と
飽和磁気量C(Gcm3/g)との間に、C≧0.73×(20.2×A+6.8×
B)の関係が存在する試料3、9及び10は、上記関係が成立しない他の試料に 比べて良好な被研削性を発揮することが判る。 [発明の効果] 本発明によれば、切削工具として高速切削時の耐クレーター摩耗性に優れると
共に、被研削性にも優れており、低加工コストを達成できる高靭性サーメツトを
提供することができる。
関する。 [従来の技術] 近年、チタン、タンタル、モリブデン、タングステン、クロム、ジルコニウム
等の周期律表のIVa、Va、VIa族から選ばれた少なくとも1種の遷移金属の複
炭窒化物を硬質相とし、これをニツケルやコバルト等の耐熱性金属の結合相で結
合したサーメツトが切削工具材料として用いられるようになつた。 かかるサーメツトは、従来のタングステン、チタン、タンタル等の複炭化物を
硬質相とし、これをニツケルやコバルト等の金属で結合した焼結硬質合金に比較
して、耐熱疲労靭性が著しく改善されているので、従来の焼結硬質合金では殆ど
不可能でありタングステンカーバイトを主成分とする所謂超硬合金しか使用され
なかった領域にまで用途が拡大されつつある。 しかし、切削工具の分野において益々高速切削が要望されている現在、上記サ
ーメツトには高速切削において工具のすくい面に生じるクレーター摩耗が極めて
進行し易いという欠点がある。クレーター摩耗はサーメツトの硬質相が粒子単位 で掘り起こされて脱落していく現象である。一般に、クレーター摩耗は組織を粗
くすることにより改善されるが、組織を粗くするほどサーメツトの硬度は低下す
るので、この改善方法にはおのずと限界があつた。そこで本発明者等は、高速切
削時のクレーター摩耗を低減することのできる高靭性サーメツトとして、チタン
を主とする硬質組成分の複炭窒化物を予め形成した後、この粉末にニツケルやコ
バルトの粉末を混合して焼結する方法により製造した高靭性サーメツトを提案し
た(特公平5−64695号公報参照)。 しかしながら、この高靭性サーメツトは硬質相中に窒素を均一に分散させるこ
とができるものの、窒素の含有量が増えてくると、砥石によるサーメツトの被研
削性が著しく低下する欠点があった。 [発明が解決しようとする問題点] 本発明はかかる従来の事情に鑑み、切削工具として高速切削時のクレーター摩
耗を低減させ、同時に被研削性を改善した高靭性サーメツトを提供することを目
的とするものである。 [問題点を解決するための手段] 本発明の高靭性サーメツトは、チタンを主成分としタングステンを必須成分と
する周期律表のIVa、Va、VIa族から選ばれた少なくとも2種の遷移金属の複
炭窒化物のみからなる硬質相と、ニツケル及びコバルト並びに不可避的不純物を
含む結合相とからなり、結合相中のニツケルとコバルトの重量比Ni/(Ni+
Co)が0.3〜0.8であり、全体に含有される窒素と炭素の原子比N/(C+N
)が0.3〜0.6であって、コバルトの含有量A重量%及びニツケルの含有量B
重量%とサーメツトの飽和磁気量Cガウスcm3/gとがC≧0.73×(20.2
×A+6.8×B)の関係を満たし、黄色ないし褐色の粒子が存在しないか又は存
在しても0.01体積%以下であることを特徴とする。 本発明の高靭性サーメツトを製造するためには、必須成分であるチタンやタン
グステンの原料粉末としてTi(CN)粉末やWC粉末をそのまま使用せず、その
他の硬質物質粉末と共に窒素雰囲気中において焼結温度以上の温度で固溶体化処
理することにより複炭窒化物とし、この複炭窒化物の粉末をニツケル及びコバル
トの粉末と混合して焼結する。その際、得られる高靭性サーメツトの飽和磁気量 を制御するが、その方法としては、原料粉末に混合する炭素量を調整する方法
、焼結雰囲気を炭素や窒素とする方法、原料粉末中に金属状チタンや、チタ
ンの炭化物又は窒化物の粉末を混合する方法などがある。 尚、原料粉末にはその製造過程で混入される鉄等の不可避的不純物が特性に影
響しない範囲で含まれて良く、又通常行われている如く焼結性を向上させる為に
炭素粉末を混合することができる。 [作用] 本発明者等は、前記特公平5−64695号公報で提案した高靭性サーメツト
の被研削性の改善について種々検討した結果、結合相中に固溶する硬質相成分が
少ないほど被研削性が良好であることを見い出した。そこで、結合金属であるニ
ツケル及びコバルトの純度を示すパラメーターとして飽和磁気量を採用し、サー
メツトの飽和磁気量と被研削性の関係について検討した。純コバルトの飽和磁気
量は2020G(ガウス)cm3/gであり、純ニツケルの飽和磁気量は680G
cm3/gであって、これ等を含有するサーメツトの飽和磁気量はコバルト又は
ニツケルの重量分率が減るほど、若しくはコバルト又はニツケルの純度が低下す
るほど減少する。 しかるに、コバルトの含有量A重量%及びニツケルの含有量B重量%と、サー
メツトの飽和磁気量Cガウスcm3/gとの間に、C≧0.73×(20.2×A+
6.8×B)の関係が存在する範囲においては、サーメツトが良好な被研削性を発
揮することを見い出し、本発明に至ったものである。 ニツケルとコバルトの重量比Ni/(Ni+Co)は高い方が好ましいが、この
値が0.8を越えるとサーメツトの硬度が低下し、0.3未満では界面強度の増強
による耐クレーター摩耗性の改善が得られない。又、サーメツトにおいては含有
窒素量が多いほど焼結性が低下しやすいが、本発明によれば窒素含有量が多くて
も焼結性が良好であり、窒素と炭素の原子比N/(C+N)を0.3〜0.6の範囲
とすることができる。この値が0.3未満ではサーメツトの靭性が低下し、0.6
を越えるとサーメツトの耐摩耗性が低下する。 但し、サーメツトの靭性及び強度の改善効果を得るためには、窒素が硬質相内
に均一に分散していることが重要である。従来からの含窒素焼結硬質合金では、 窒素の偏析のために光学顕微鏡により硬質相組織内に黄色ないし褐色の粒子が観
察できる。この黄色ないし褐色の粒子はチタンの窒化物が炭窒化物であって、こ
の粒子が現われる限り窒素の高濃度部分では分解によるポアが発生しやすく、低
濃度部分では窒素含有による効果が充分に発揮されない等、特性が劣化すること
が判った。しかるに、前記特公平5−64695号公報に記載のごとく、チタン
を主とする硬質相成分の複炭窒化物を予め形成し、この複炭窒化物粉末のみにニ
ツケルやコバルトの粉末を混合して焼結する方法によれば窒素を均一に分散させ
ることができ、黄色ないし褐色の粒子が存在しなくなる。尚、黄色ないし褐色の
粒子は存在しても0.01体積%以下ならば強度や靭性の改善効果に何ら影響を
与えない。 又、本発明の高靭性サーメツトでは、実質的にモリブデンを含まない組織とす
ることにより、サーメツトの被研削性を劣化させることなく、切削特性を一層向
上させることが出来る。 [実施例] 実施例1 市販の平均粒径2μmのTi(CN)粉(C/N比5/5)70重量%と、ほぼ
同一粒径のTaC粉10重量%及びWC粉20重量%とをボールミルにて10時
間混合し、窒素分圧400torrの窒素気流中で1800℃で1時間の固溶体
化処理を行なってTiを主成分とす複炭窒化物(TiTaW)CNを形成した。こ
の複炭窒化物はX線回析によってTaC及びWCのピークが消滅していることが
確認できた。 この複炭窒化物をボールミルで20時間粉砕した後、100メツシユ以下のN
i粉及びCo粉並びに必要に応じて遊離C粉を添加して第1表の試料1〜5に示
す配合とし、更に溶剤を加え湿式ボールミルで20時間混合した。得られた混合
粉末にカンフアーを3重量%加え、2t/cm2で型押し成形した。この圧粉体
を窒素分圧10torrの窒素気流中で1500℃で1時間焼結した。 又、試料6〜8として、上記と同じTi(CN)粉、TaC粉及びWC粉を固溶
体化処理することなく、そのままNi粉、Co粉及び必要に応じて遊離C粉と混
合し、上記と同様にして焼結した。 得られた各試料について光学顕微鏡で黄色ないし褐色の粒子が存在するか否か
観察したところ、比較例の試料6〜8に黄色粒子の存在が確認された。 各試料1〜7のサーメツトについて、硬度(Hv)及び破壊靭性(K1C)並びに強
度(kg/mm2)を測定すると共に、第2表の切削条件1でのクレーター摩耗深
さ(mm)及び逃け面摩耗量(mm)、切削条件2でのチツプ破損率(%)、飽和磁気
量(Gcm3/g)、及び第4表に示す条件での研削テストによる法線方向の研削
抵抗Fn(N/mm)を測定し、その結果を第3表に示した。本発明のサーメツト
(試料2〜4)は比較例のサーメツト(試料1及び5〜8)に対し、特に耐クレ
ータ摩耗性及び靭性に優れることが判った。 【第1表(重量%)】 【第2表】 【第3表】 【第4表】 実施例2 市販の平均粒径2μmのTi(CN)粉64重量%と、ほぼ同一粒径のTaC粉
8重量%、WC粉20重量%及びMo2C粉8重量%とをボールミルで10時間
混合し、窒素分圧400torrの窒素気流中にて1800℃で1時間の固溶体
化処理を行いTiを主成分とする複炭窒化物を形成した。この複炭窒化物はX線
回析によってTaC、Mo2C及びWCのピークが消滅していることが確認でき
た。 このMoを含む複炭窒化物をボールミルで20時間粉砕した後、100メツシ
ュ以下のNi粉とCo粉及び遊離C粉を添加して第5表の試料9及び10に示す
配合とし、更に溶剤を加え湿式アトライターで12時間混合した。得られた混合
粉末にカンファーを3重量%加え、2t/cm2で型押し成形した。この圧粉体
を窒素分圧10torrの窒素気流中にて1450℃で1時間焼結した。 【第5表(重量%)】 各試料の特性及び切削性能を実施例1と同様に測定し、その結果を第6表に示
した。複炭窒化物がMoを含む試料10と、複炭窒化物がMoを含まない以外は
近似した組成の前記実施例1の試料3とを比較すると、Moを含まない試料3の
サーメツトの方が優れた切削性能を有することが判る。 【第6表】 更に、前記実施例1の試料3、及び本実施例の試料9、10とそれぞれ同一組
成(炭素以外)であつて、原料粉末に混合する炭素粉末量を変えることで飽和磁
気量のみを変化させた各試料3−a、3−b、9−a、9−b、10−a及び1
0−bを作製し、各試料について実施例1と同一条件の研削テストを実施して、
法線方向の研削抵抗Fnを測定した。その結果を飽和磁気量と共に第7表に示し
た。 【第7表】 第7表から、試料中のCo含有量A(重量%)及びNi含有量B(重量%)と
飽和磁気量C(Gcm3/g)との間に、C≧0.73×(20.2×A+6.8×
B)の関係が存在する試料3、9及び10は、上記関係が成立しない他の試料に 比べて良好な被研削性を発揮することが判る。 [発明の効果] 本発明によれば、切削工具として高速切削時の耐クレーター摩耗性に優れると
共に、被研削性にも優れており、低加工コストを達成できる高靭性サーメツトを
提供することができる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】 チタンを主成分としタングステンを必須成分とする周期律表の
IVa、Va、VIa族から選ばれた少なくとも2種の遷移金属の複炭窒化物のみか
らなる硬質層と、ニツケル及びコバルト並びに不可避的不純物を含む結合相とか
らなり、結合相中のニツケルとコバルトの重量比Ni/(Ni+Co)が0.3〜
0.8であり、全体に含有される窒素と炭素の原子比N/(C+N)が0.3〜0.
6であって、コバルトの含有量A重量%及びニツケルの含有量B重量%とサーメ
ツトの飽和磁気量Cガウスcm3/gとがC≧0.73×(20.2×A+6.8×
B)の関係を満たし、黄色ないし褐色の粒子が存在しないか又は存在しても0.0
1体積%以下であることを特徴とする高靭性サーメツト。
Family
ID=
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