JP2578678B2 - TiCN基サーメット - Google Patents

TiCN基サーメット

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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、耐摩耗性、靱性に優れたTiCN基サーメット
に関し、特に切削工具として好適なサーメットに関す
る。
(従来技術) 近年、切削用焼結体として、周期律表第IV a、V a、V
I a族元素の複炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属か
らなる結合相によって構成されるサーメットが用いられ
るようになった。
かかるサーメットとしては、これまでTiCを主成分と
するTiC基サーメットが主流であったが、このTiC基サー
メットが古くから工具材料として用いられていた超硬合
金に比較して耐欠損性が劣るために、この系に窒化物を
添加することにより靱性を改善したいわゆるTiCN基サー
メットが提案されている。
このTiCN基サーメットにおける硬質相は、Ti、Wの複
炭窒化物から構成され、さらに硬質相形成成分としてM
o、Ta等の炭化物や窒化物等が添加されているが、この
うちMoやMo2Cは、硬質相の結合相との濡れ性を改善する
ことから硬質相成分として必須成分とされている。ま
た、TaCはサーメットの耐酸化性を改善するとともに切
削工具としてのクレータ摩耗の進行を抑制する効果を有
することから実用性の点から必須の成分とされてきた。
また、硬質相を形成する炭素(C)および窒素(N)
はサーメットの靱性および硬度を決定する大きな要因で
あり、最近では窒素を多量に含有させることにより、サ
ーメットの靱性を高めようとする試みがなされている。
ところが、最近に至りTiCN基サーメットに対して各種
の改良がなされ、例えば特公昭63−3017号では、MoやMo
2Cが窒素を多量に含む系に対しては結合相との濡れ性改
善効果が発揮されず、焼結性を阻害するという理由から
MoやMo2Cを添加せず、しかもTiNからなる相を析出した
系が提案され、その他、硬質成分としてNbCを添加しサ
ーメットの耐熱衝撃性や耐酸化性を改善することなども
提案されている。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、これらのTiCN基サーメットによれば、
これらの技術改良はサーメットの本質的な改良には至っ
ておらず、これまで工具材料として主流である超硬合金
に対する切削特性の劣化は依然として残っている。しか
も、切削条件が厳しくなる傾向にために工具材料として
もより高い特性のものが要求されている。
そこで、従来のサーメットの組成について種々検討し
たところ、組織上有芯構造を形成するサーメットへMoや
Mo2Cを添加すると、Mo自体がTiCに比較して硬度、熱伝
導率、ヤング率、耐酸化性等の特性においてTiCに比較
して劣るために工具材料として特に耐摩耗性の低下を招
く傾向にあるために、特公昭63−3017号にて提案される
ようにMoを添加しない方がよいを考えられる。しかしな
がら、特公昭63−3017号の構成によれば、TiN相の析出
はTiN相自体が金属との濡れ性に劣るために結合相との
界面が破壊源となり強度が劣化するという問題を有して
いる。
一方、Taの耐酸化性効果は窒素を多量に含有するサー
メットではその効果はほとんどなく、逆に焼結性を阻害
し、緻密体を得るためにはMoを無添加とする場合には特
に焼結温度を高く設定する必要があるために焼結体粒子
の粒成長を引起しサーメットの耐摩耗性を低下するとい
う問題があることがわかった。
(問題点を解決するための手段) 本発明者等は、上記の知見から耐摩耗性、耐欠損性、
耐酸化性に優れたサーメットの組成について検討をおこ
なった。その結果、硬質相を形成する金属成分としてT
i、Wを必須成分とし、従来これにMoやTaを添加してい
たのに対してこれらの代わりに、NbおよびVを選択して
それぞれ特定の範囲で配合するとともに系中のMoおよび
Taの量を極力小さくすることによって優れた切削特性を
要するTiCN基サーメットが得られることを知見し本発明
に至った。
即ち、本発明は、Tiを主体とし、W、NbおよびVを含
有する硬質相と、鉄族金属からなる結合相とから構成さ
れ、且つMoおよびTaがそれぞれ0.5重量%以下(0を含
む)のTiCN基サーメットであって、該サーメットの全体
組成から前記鉄族金属、Mo、Taおよび不可避不純物を除
く他の成分組成(原子比)を〔(Ti)a(Nb,V)b
(W)c〕(CuNv)zと表した時、a+b+c=1,0.50
≦a≦0.95、0.05≦b+c≦0.5、0.40≦b/(b+c)
≦0.95、0.40≦v≦0.60、0.80≦z≦1.0、u+v=1
を満足することを特徴とし、特に、前記NbとVとの原子
比(Nb/V)が1〜10の範囲にあることが望ましいもので
ある。
次に、本発明のTiCN基サーメットにおいて各金属元素
の比率を上記の範囲に設定した理由を述べる。
まず、硬質相を形成する成分として、Tiは、およそTi
CNとして焼結体内に存在するが、このTi量(a)が0.5
より少ないとサーメット工具としての特徴である耐摩耗
性、金属に対する低い親和性が不十分となり、0.95を越
えると耐欠損性に劣ることとなる。なお、aは0.70≦a
≦0.9であることが特に望ましい。
また、Nb、V、Wは、硬質相を形成する補助的成分
で、いずれもサーメットの粒成長を抑制する効果を有
し、微細な結晶構造を形成させサーメットの強度、靱性
を高める作用をなす。よって、これらの合量(b+c)
が0.05より少ないと耐欠損性が不十分となり、0.5より
大きいと耐摩耗性が劣るとともに被削材との反応性が高
く成る傾向にある。なお、(b+c)値は0.10≦b+c
≦0.30であることが特に望ましい。
これらのうち、WはWCとして硬質相の結合相との濡れ
性を改善するとともに靱性を高める作用をなすために必
須の成分であるが、硬質相が(Ti,W)CNから構成される
場合は、耐摩耗性、耐酸化性、耐欠損性等の特性が実用
的レベルに達していないというに問題がある。そこで、
硬質相を強化し諸特性を向上することを目的としてMoや
Ta等の炭化物が必須の成分としてこれまで使用された
が、前述した通りMo2C自体、硬質相主成分であるTiCあ
るいはTiCNに比較して特性が劣るために逆にサーメット
の特性を劣化させてしまう。また、焼結性は系中の結合
相の量に大きく左右されるが、結合相が同量である場
合、TaCの添加により焼結性が低下するために高温焼成
が必要となり、これにより結晶の粒径が大きくなるため
にサーメットの耐摩耗性が劣化する。これに対してNbは
炭化物としてMo2Cに比較してそれ自体優れた特性を有す
るためにサーメットの特性改善に大きく寄与するととも
に焼結性に影響を与えないために、サーメットの耐摩耗
性、耐酸化性、耐欠損性を向上することができることが
わかった。また、VはVCとしてNbとともに硬質相を形成
することによりNbの添加効果をを助長し、特にサーメッ
トの高速切削時の耐摩耗性を大きく向上することができ
る。
このような関係から、W、Nb、Vの合量(b+c)に
対するNbとVの合量(b)の割合(b/b+c)が前記式
において0.4より小さいと耐摩耗性、耐酸化性に劣り、
逆に0.8より大きいと耐欠損性が低下する。なお、Nb/V
の原子比は1〜10、特に1〜5であることが望ましい。
一方、窒素および炭素の量はサーメットの硬度および
靱性を決定する要因として非常に重要であり、特に窒素
の量が増加するに従い、靱性が向上する傾向にあるが、
窒素の量が過多になると焼成時の窒化物の分解によるガ
スがボイド中に焼結体中に残留するという問題が生じ
る。よって前記式において窒素量(v)が0.4より小さ
いと、靱性が低下し耐欠損性が不十分となり、0.6を越
えると焼結体内にボイドが発生し信頼性に欠けるように
なる。
また、窒素、炭素量のTi、W、Nb、Vの合量に対する
比率(z)が0.8より小さいと焼結性が劣化しボイドが
残留し、1.0より大きいと遊離炭素が発生するために強
度劣化を引き起こす結果となる。望ましくは0.85≦z≦
1.0である。
本発明において結合相を形成する鉄族金属としては、
Niおよび/またはCoが挙げられ、望ましくはNiとCoから
構成され、特にCo/Ni+モル比が0.5〜0.9であることが
耐摩耗性向上の点からよい。
また、この鉄族金属は系中において3〜30重量%、特
に5〜20重量%の割合で存在することが望ましい。
本発明のサーメットは、前述したTi、W、Nb、Vの炭
化物、窒化物、炭窒化物の粉末および鉄属金属粉末を最
終焼結体が上述した割合に成るように秤量混合した後に
プレス成形、押し出し成形、射出成形等の成形手段で成
形し、これを真空中、窒素中の雰囲気あるいは還元性雰
囲気中で1400〜1600℃の温度で焼成することによって得
られる。
なお、焼成において鉄族金属との濡れ性に優れるMo量
を抑えたことに起因して焼結性が若干低下する場合もあ
るが、この場合には鉄族金属の量を増やすか、または炭
素を0.05〜3重量%程度添加することにより焼結性は改
善される。
さらに、用いるTi化合物系原料粉末として、TiC、TiC
N、TiN等が挙げられるが、TiNは場合により最終焼結体
中にTiN相として残存することがあるが、このTiN相は、
それ自体結合相との濡れ性が悪いことから結合相とTiN
相との界面がクラックの起点となりサーメットの機械的
特性を劣化させてしまう。よって、原料としてTiCやTiC
Nを用い、多量のTiN粉末の添加を行わず、TiN相が形成
されないように考慮すべきである。
本発明によれば、上記の系に対して特性を改善する目
的でさらにZr、Hf、Cr等の炭化物、窒化物、炭窒化物等
を添加し、TiあるいはWの一部をそれぞれ同族金属によ
って置換することもできる。
以下、本発明を次の例で説明する。
(実施例) 原料粉末として平均粒径が1〜1.5μmのTiC、TiCN、
WC、NbC、VC、NiおよびCoの各粉末を用いて最終焼結体
の組成が第1表の割合に成るように秤量混合した後、1.
5ton/cm2の圧力でTNGA160408用のチップ形状にプレス形
成した。なお第1表中、試料No.17はNbのみでVを含ま
ず、No.18はVのみでNbを含まない系である。次に、こ
れらの成形体を1400〜1600℃の温度で真空雰囲気で1時
間焼成した。得られた焼結体に対して組織観察を行った
ところ、Ti、W、Nb、Vの複炭窒化物からなる硬質相
と、結合相から構成されTiN相の析出は認められなかっ
た。
これらの焼結体に対してJISR1601に従い3点曲げ抗折
強度、ビッカース硬度並にビッカース硬度用ダイヤモン
ド圧子を用いて荷重20Kgで圧痕法により破壊靱性を測定
した。
次に、各試料を用いて下記に示す切削条件で摩耗試
験、欠損試験を行い、切削後のフランク摩耗量ならびに
非欠損コーナー数を調べた。
(摩耗試験) 被削材 SCM435 切削速度 200m/min 切り込み 2mm 送り 0.3mm/rev 切削時間 10min (欠損試験) 被削材 SCM435(4本溝入り) 切削速度 100m/min 切り込み 2mm 送り 0.3mm/rev 切削時間 1min 結果は第2表に示した。
(比較例1) Ni2重量%、Co8重量%、その他の成分が(Ti0.85
0.05Mo0.10)(Co0.550.450.90からなる組成に成る
ように秤量混合する以外は実施例と同様に焼成し試料N
o.19とした。得られた焼結体に対して実施例と同様な特
性の測定を行った。その結果は第2表に示す。
(比較例2) Ni2重量%、Co8重量%、その他の成分が(Ti0.85
0.05Ta0.10)(Co0.550.450.90からなる組成に成る
ように秤量混合する以外は実施例と同様に焼成し試料N
o.20を得た。この焼結体に対して実施例と同様な特性の
測定を行った。その結果は第2表に示す。
第1表および第2表によれば、従来から硬質相成分と
して用いられていたMoやTaを含有する試料No19、20の試
料は、いずれも摩耗量が大きく、耐欠損性も本発明品に
比較して劣るものであった。
これに対して本発明の試料はいずれも優れた切削性能
を示すが、Ti、W、Nb、C、Nの組成が本発明の範囲を
逸脱する試料はいずれも満足すべき結果が得られなかっ
た。
(発明の効果) 以上、詳述した通り、本発明のTiCN基サーメットは、
硬質相成分としてMoおよびTaを代わりにNbおよびVを選
択することにより優れた耐摩耗性、耐欠損性を示し、工
具用材料として長寿命化を図ることができる。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Tiを主体とし、W、NbおよびVを含有する
    硬質相と、鉄族金属からなる結合相とから構成され、且
    つMoおよびTaがそれぞれ0.5重量%以下(0を含む)のT
    iCN基サーメットであって、該サーメットの全体組成か
    ら前記鉄族金属、Mo、Taおよび不可避不純物を除く他の
    成分組成(原子比)を〔(Ti)a(Nb,V)b(W)c〕
    (CuNv)zと表した時、a+b+c=1,0.50≦a≦0.9
    5、0.05≦b+c≦0.5、0.40≦b/(b+c)≦0.95、0.
    40≦v≦0.60、0.80≦z≦1.0、u+v=1を満足する
    ことを特徴とするTiCN基サーメット。
  2. 【請求項2】前記NbとVとの原子比(Nb/V)が1〜10の
    範囲にある請求項(1)記載のTiCN基サーメット。
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