JP2511694B2 - 表面調質焼結合金及びその製造方法並びにその合金に硬質膜を被覆してなる被覆表面調質焼結合金 - Google Patents

表面調質焼結合金及びその製造方法並びにその合金に硬質膜を被覆してなる被覆表面調質焼結合金

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、切削工具用部材、耐摩耗工具用部材,耐衝
撃工具用部材又は装飾用部材を含めた主に構造用材料と
して適した表面調質焼結合金及びその製造方法並びにそ
の表面調質焼結合金に硬質膜を被覆してなる被覆表面調
質焼結合金に関するものである。
(従来の技術) TiC-TiN-Niを基本組成とするN含有のTiC基焼結合金
は、TiC-Niを基本組成とするN無含有のTiC基焼結合金
に比べて強度及び耐塑性変形性にすぐれる傾向がある。
このことからN含有のTiC基焼結合金は、例えば切削工
具用部材として用いる場合には重切削領域又は高送り領
域にまで広い範囲で実用できる傾向になる。これらの用
途領域では、工具部材を低価格にする必要から焼結合金
の表面を研摩又は研削などを施さないで焼結後の表面状
態、所謂焼肌面の状態のままで用いる場合がある。
N含有のTiC基焼結合金は、焼肌面の状態のままで用
いると、研摩又は研削した面の状態で用いる場合に比べ
て欠損又はチッピングが生じやすいという問題がある。
このようなN含有のTiC基焼結合金における表面層の問
題を解決しようとしたものの代表例としては、特開昭54
-101704号公報がある。
(発明が解決しようとする問題点) 特開昭54-101704号公報は、N及び/又は0含有のTiC
基焼結合金における焼結合金の表面から0.005〜0.2mmま
での硬度が表面から1.0mmの硬度の1.02倍以下にした焼
結合金である。この特開昭54-101704号公報は、焼結合
金の表面部と内部における焼結相量を均一にすることに
より硬さも均一にし、その結果表面部の硬脆化を解決し
たものであるけれども、焼結合金の表面部と内部におけ
る硬質層の粒度の不均一化が解決されていないために強
度及び耐塑性変形性に対して未だ十分満足するに至って
いないという問題がある。
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N含有のTiC基焼結合金の表面部と内部におけ
る硬質相の粒度を均一にすること、又は表面部と内部に
おける硬質相の粒度と結合相の含有量の両方を均一にす
ることにより、強度及び耐塑性変形性にすぐれた焼肌面
を有するN含有のTiC基焼結合金及びその製造方法並び
にその焼結合金に硬質膜を被覆してなる被覆表面調質焼
結合金の提供を目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明者らは、焼肌面を有するN含有のTiC基焼結合
金が研摩面又は研削面でなるN含有のTiC基焼結合金に
比べて強度及び耐塑性変形性に劣るという原因を検討し
ていた所、従来のN含有のTiC基焼結合金の焼肌面表面
部における硬質相の粒度は、内部における硬質相の粒度
に比べて著しく相粒化していること、これに対して、焼
結合金の焼肌面表面部と内部とにおける硬質相の粒度を
均一にすると強度及び耐塑性変形性がすぐれること、ま
た焼結合金の焼肌面表面部と内部とにおける硬質相の粒
度の均一化と共に結合相の含有量の均一化を併合させる
と一層粒度及び耐塑性変形性が著しくすぐれるという知
見を得たものである。この知見に基づいて、本発明を完
成するに至ったものである。
すなわち、本発明の表面調質焼結合金は、TiとC(炭
素)とN(窒素)を必須成分として含有し、他にZr,Hf,
V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの中の少なくとも1種を含有してなる
硬質相75〜95重量%と、残りCo及び/又はNiを主成分と
する結合相と不可避不純物とからなる焼肌面を有する焼
結合金であって、該焼結合金の焼肌面から0.05mm内部ま
での表面層における前記硬質相の平均粒度が該表面層を
除いた該焼結合金の内部における前記硬質相の平均粒度
の0.8〜1.2倍であることを特徴とするものである。
本発明の表面調質焼結合金における焼結合金は、従来
のNを含有したTiC基焼結合金の成分組成、例えば前述
の特開昭54-101704号公報に記載の成分組成など全てが
対象になり得るものであり、その内焼結合金を構成して
いる硬質相は、具体的には、例えばTiC,TiN,Ti(CN),
(Ti,M)C,(Ti,M)N,(Ti,M)(CN)(但し、MはZr,H
f,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの中の少なくとも1種を示す。)の
中の少なくとも1種からなるものであり、焼結合金を構
成しているもう一方の結合相は、Co及び/又はNiが結合
相中の少なくとも50体積%を占め、他に、例えば硬質相
を形成している化合物中の金属元素やFe,Al,Mnなどの含
有したものである。
また、本発明の表面調質焼結合金における焼結合金の
焼肌面とは、焼結後の表面状態、又は焼結後に水や有機
溶媒で洗浄及び乾燥した後の表面状態、もしくは焼結後
にサンドプラスト処理などで焼肌面の付着物を取り除い
た表面状態を代表的な面として挙げることができる。
本発明の表面調質焼結合金は、焼結合金の焼肌面から
0.05mm内部までの表面層における合金組織を内部の合金
組織に近づけたもので、この合金組織の内、表面層に存
在する硬質相の平均粒度を内部に存在する硬質相の平均
粒度に近づけることにより焼結合金の強度及び耐塑性変
形性を向上させたものである。この表面層と内部におけ
る硬質相の粒度の他に、さらに表面層に存在する結合相
の平均含有量が内部に存在する結合相の平均含有量の0.
7〜1.2倍に制御することによって一層焼結合金の強度及
び耐塑性変形性を向上させることができる。この表面層
と内部における硬質相の粒度及び結合相の平均含有量の
他に、表面層における平均硬さを内部における平均硬さ
の0.95〜1.10倍に制御することにより焼結合金の強度及
び耐塑性変形性に対する安定化が高まるので好ましいこ
とである。
本発明の表面調質焼結合金の製造方法は、周期律表4
a,5a,6a族金属の炭化物,窒化物及びこれらの相互固溶
体の中の少なくとも1種の粉末と、Co及び/又はNiを主
成分とする粉末とでなる混合粉末を用いて、従来の粉末
冶金法でもってTiとCとNとを必須成分とし、他にZr,H
f,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの中の少なくとも1種を含有してな
る硬質相75〜95重量%と、残りCo及び/又はNiを主成分
とする結合相と不可避不純物とからなる焼結合金を得る
ための製造方法であって、粉末冶金法での各製造工程の
内、焼結工程における温度及び雰囲気が1300℃以下の第
1温度領域では真空又は不活性ガスの雰囲気とし、1300
℃を超える第2温度領域では0.1〜20torrの窒素ガス雰
囲気とし、さらに該第2温度領域における窒素圧力を高
温になるほど高くすることを特徴とするものである。
本発明の表面調質焼結合金を製造する場合には、出発
物としての混合粉末中の含有炭素量の調整が重要であ
り、さらに製造工程の内の焼結工程における温度及びそ
のときの雰囲気を微細に制御することが重要である。特
に、焼結工程における第1温度領域よりも液相の発生と
共に焼結が進行する第2温度領域における窒素圧力を微
細に制御することにより焼結合金の表面層中の硬質相の
粒度及び結合相の含有量の調整が可能となる。
このようにして得られる表面調質焼結合金の表面に、
例えば従来から行われているような物理蒸着法(PVD
法)や化学蒸着法(CVD法)でもって、この表面調質焼
結合金よりも硬さの高い硬質膜、具体的には、例えば周
期律表の4a,5a,6a族金属の炭化物,窒化物,炭酸化物,
窒酸化物及びこれらの相互固溶体並びに窒化ケイ素,炭
化ケイ素,酸化アルミニウム,窒化アルミニウム,酸窒
化アルミニウム,立方晶窒化ホウ素,ダイヤモンドの中
の少なくとも1種の単層又は多重層でなる硬質膜を被覆
することにより被覆表面調質焼結合金とすることも好ま
しいことである。特に、被覆表面調質焼結合金は、前述
の表面調質焼結合金の製造方法における第2温度領域で
焼結が完了した後、その温度以下で、高窒素圧力の雰囲
気状態で一定時間さらに保持して窒化膜でなる硬質膜を
表面調質焼結合金の表面に形成することにより得ると、
工程が簡略化できること及び設備の増設の必要がないこ
とから好ましいことである。この被覆表面調質焼結合金
における硬質膜の厚さは、硬質膜の材質,用途及び形状
によって選定する必要があり、大体0.1〜10μm厚さが
実用的で好ましいものである。
(作用) 本発明の表面調質焼結合金は、焼肌面から0.05mm内部
までの表面層における硬質相の粒度を従来の焼結合金に
比べて微細にしたことにより、表面層中の硬質相への応
力が分散され、その結果として焼結合金の強度及び耐塑
性変形性を高める作用をしているものである。
また、本発明の表面調質焼結合金の製造方法は、焼結
工程における第1温度領域での雰囲気から第2温度領域
での雰囲気への切換え、並びに第2温度領域での温度上
昇に従って窒素圧力を漸増することにより、硬質相の粒
度成長が抑制されると共に焼結合金の表面層での脱窒が
抑制されるという作用をしているものである。
実施例1 平均粒度1〜2μm内にある市販のTiC,TiN,Mo2C,Ni
の各粉末を用いて40wt%Tic−30wt%TiN−15wt%Mo2
−15wt%Niに配合し、この配合粉末とアセトンとボール
を混合容器に入れて72時間の湿式混合粉砕した。こうし
て得た混合粉末にパラフィンを少量添加して後、SNMN12
0408(JIS規格の形状)が得られるようにプレス成形し
た。このプレス成形により得られた圧粉体からパラフィ
ンを加熱除去した後、0.05torrの真空中、室温から1200
℃までを4時間で昇温、次いで1200℃〜1450℃までを第
1表に示す雰囲気中で、3℃/minで昇温し、さらに1450
℃で1時間保持して焼結した。焼結後は、50℃/minの速
度で冷却して本発明の焼結合金1〜4及び従来の焼結工
程に相当する比較の焼結合金1〜4を得た。
こうして得た本発明品1〜4及び比較品1〜4のそれ
ぞれの焼結合金の表面層と内部を走査型電子顕微鏡(SE
M),電子線マイクロアナライザ(EPMA)及びビッカー
ス硬度計により調査し、その結果を第2表に示した。
なお、第2表に示した硬質相の粒度は、SEMによる500
0倍の合金組織写真から求めたものである。また、結合
相量は、焼結合金を傾斜角10°に研摩し、この研摩面を
EPMAを用いて加速電圧20KV,20×30μm2の面分析条件で
5点の平均値により求めたものである。特に、結合相量
と硬さは、表面層内での変動が大きいことから表面から
内部へ向っての等間距離による5点の平均値として求め
た。
次に、本発明品1〜4及び比較品1〜4を用いて、下
記の(A)及び(B)の条件により切削試験を行い、そ
の結果を第3表に示した。
(1) 耐摩耗性切削条件 被削材 S48C(HB250)250mmφ チップ形状 SNMN432 (0.1×−30度直線ホーニング) 切削速度 160m/min 切込み量 1.5mm 送り量 0.3mm/rev 切削時間 20min (B) 耐欠損性切削条件 被削材 S48C(HB230)120mmφ 4本スロットと付 チップ形状 SNMN432 (0.1×−30度直線ホーニング) 切削速度 100m/min 切込み量 1.5mm 送り量 0.3mm/rev 評 価 10分間の切削を10回繰返し、うち10分以
内に欠損した割合で評価 (発明の効果) 本発明の表面調質焼結合金は、従来のN含有のTiC基
焼結合金に比較して耐摩耗性においては殆ど同等である
が強度及び耐塑性変形性にすぐれていることから切削試
験における耐欠損性で約2〜3倍も高い効果があるもの
である。また、この表面調質焼結合金の表面に硬質膜を
被覆してなる本発明の被覆表面調質焼結合金は、耐摩耗
性が著しくすぐれると共にさらに一層耐欠損性もすぐれ
るという効果がある。これらのことから、本発明の焼結
合金は、従来のN含有のTiN基焼結合金の用途範囲か
ら、さらに耐衝撃性及び耐欠損性を必要とする用途範囲
までと、広い用途範囲を有し、安定性も高いという産業
上有用な材料及びその製造方法である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】TiとCとNを必須成分として含有し、他に
    Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの中の少なくとも1種を含有し
    てなる硬質相75〜95重量%と、残りCo及び/又はNiを主
    成分とする結合相と不可避不純物とからなる焼肌面を有
    する焼結合金において、該焼結合金の焼肌面から0.05mm
    内部までの表面層における前記硬質相の平均粒度が該表
    面層を除いた該焼結合金の内部における前記硬質相の平
    均粒度の0.8〜1.2倍であることを特徴とする表面調質焼
    結合金。
  2. 【請求項2】上記表面層は、該表面層における結合相の
    平均含有量が焼結合金の内部における結合相の平均含有
    量の0.7〜1.2倍であることを特徴とする特許請求の範囲
    の請求項第1項記載の表面調質焼結合金。
  3. 【請求項3】上記表面層は、該表面層における平均硬さ
    が焼結合金の内部における平均硬さの0.95〜1.10倍であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲の請求項第1項又は
    第2項記載の表面調質焼結合金。
  4. 【請求項4】周期律表4a,5a,6a族金属の炭化物,窒化物
    及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも1種の粉末
    と、Co及び/又はNiを主成分とする粉末とでなる混合粉
    末から焼結工程を経て、TiとCとNとを必須成分とし、
    他にZr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの中の少なくとも1種を含
    有してなる硬質相75〜95重量%と、残りCo及び/又はNi
    を主成分とする結合相と不可避不純物とからなる焼結合
    金を得るための製造方法において、前記焼結工程におけ
    る温度及び雰囲気が1300℃以下の第1温度領域では真空
    又は不活性ガスの雰囲気とし、1300℃を超える第2温度
    領域では0.1〜20torrの窒素ガス雰囲気とし、さらに該
    第2温度領域での窒素圧力を高温になるほど高くするこ
    とを特徴とする表面調質焼結合金の製造方法。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲の請求項第1項,第2項又
    は第3項に記載の表面調質焼結合金の表面に該表面調質
    焼結合金よりも硬さの高い硬質膜を被覆してなることを
    特徴とする被覆表面調質焼結合金。
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