JP4739483B2 - チタン基炭窒化物合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主構成元素としてチタンを含有する炭窒化物合金の焼結ボディーに関し、炭窒化物合金の焼結ボディーは、高切削速度で軽仕上げ切削作業において切削工具材料として使用するときに特に改良された性質を備える。これは、特別な化学組成を有する炭窒化物ベースの硬質相を、極度に固溶体強化したＣｏ基バインダー相と組み合わせることによって達成された。上記バインダー相は、イータ相が一般的に出現する点を越えてなお固溶体強化が増加することができることを除いて、ＷＣ−Ｃｏ基材料のバインダー相と類似した性質を備える。
【０００２】
【従来の技術】
チタン基炭窒化物合金は、サーメットと呼ばれ、粉末冶金法によって製造され、金属バインダー相中に入り込んだ炭窒化物硬質構成材を含む。この硬質構成材粒は、別の組成のリムによって囲まれたコアーを有する一般的に複雑な組織である。チタンに加えて、ＶＩａ族元素で通常はモリブデンとタングステンの双方を、バインダーと硬質構成材との間のぬれ性を促進し且つ固溶体強化によってバインダーを強化するために添加する。また、ＩＶａ族及び／またはＶａ族の元素、例えば、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，及びＴａが、今日入手できる市販合金の全てに添加される。一般的に炭窒化物形成元素が、炭化物、窒化物及び／または炭窒化物として添加される。歴史的に、サーメットのバインダー相はおそらくほとんどニッケルを含み、チタンはＮｉに対して大きな溶解能を有するので、十分に湿潤することが促進され、気孔率水準が下げられる。１９７０年代に、コバルトとニッケルとの固溶体強化バインダーが導入された。おそらく、これは、原材料品位を改良することによって可能であり、特に不純物の酸素水準を低くすることである。今日、すべての市販合金が、５０〜７５ａｔ％の範囲のＣｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）相対比率で３〜２５質量％（ｗｔ％）の固溶体強化バインダーを含有する。
【０００３】
サーメットは、金属切削工業界においては、今日インサート材料としてよく是認されている。これらのＷＣ−Ｃｏ基材料を比較すると、これらの材料は、被覆してなくても実質的に低強度の熱延鋼に対して、優れた化学安定性を備える。このことが、仕上げ作業に対して適していて、この仕上げ作業は、切れ刃に及ぼす機械的な負荷と、仕上げられる構成材に対する高い表面仕上げ要求と、を限定することを一般的に特徴とする。生憎、サーメットは予期せぬ摩耗挙動をこうむる。最悪の場合、母体の破壊によって工具寿命の終了となり、母体の破壊は工作物部片、ならびに工具ホルダー及び装置に損傷をもたらす。さらに、ほとんどは工具寿命の終了は、小さな刃線(edge line) の破壊によって決められ、この破壊は、表面仕上げまたは得られた寸法を急激に変化させる。これらは実際に突然であり前もって警告無しに生じることが、二つの形式の損傷に対しては一般的である。これらの理由のために、サーメットは、犠牲の大きな製造中止を回避するために高度の予測性に期待する特に最近の非常に自動化した製造において比較的低い販売占有率である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題及び課題を解決するための手段】
意図する適用範囲内で、予測性を改良するための明確な方法は、この材料の靭性を増加することであり、大きな安全限界を対象とすることである。しかしながら、今までのところ、ある程度まで材料の耐摩耗性及び変形抵抗とを実質的に減少させずに、これは可能でなく、この減少は生産性を実質的に低下する。
【０００５】
本発明は、上述の問題を明確に解決することを目的とする。実質的に改良された靭性を備える材料を具体化し製造すること、一方で、従来のサーメットと同一水準の変形抵抗及び耐摩耗性を維持すること、を実際に可能にする。これは、合金系Ｔｉ−Ｔａ−Ｗ−Ｃ−Ｎ−Ｃｏ対象とすることによって達成された。この合金系で、一組の制約条件が、意図する適用範囲に対して最適な特性を示すことが分かった。ほとんどは、溶体は、ただ一つの主変化ではなく、むしろ次の正確な必要条件の的を得た組合せであり、この組み合わせが互いの所望の特性を与える。すなわち、
１． 従来のＮｉを含有しているバインダー相は、ＷＣ−Ｃｏ合金におけるようなＣｏ基バインダー相で置き換えられる、すなわち、化学的に安定なサーメットの硬質相は、超硬合金の強いバインダーと組み合わされる。ＣｏちＮｉは、変形する際に実質的に異なって作用し、実質的に異なった量の炭窒化物成形体を溶解する。このために、Ｃｏ及びＮｉは、以前に一般的に信じられていたように、相互に置き換えすることはできない。高切削速度で鋼または鋳鉄の軽仕上げ旋削加工のような適用に対しては、必要とするＣｏ量は、３〜＜９ａｔ％、好ましくは５〜＜９ａｔ％である。
【０００６】
２． バインダーは十分に固溶体強化させる必要がある。これは、実質的な量の主としてＷ原子をＣｏに溶解するような方法で硬質層を具体化することによって達成される。Ｔｉ、Ｔａ、Ｃ及びＮの全ては、Ｃｏへの溶解度は低いかまたは非常に低い、一方Ｗは非常に大きな溶解度である。すなわち、この合金系では、バインダーは、ＷＣ−Ｃｏ合金の場合のように本質的にＣｏ−Ｗ固溶体である。通常は、固溶体強化は、相対的磁気飽和として直接測定され、すなわち、相対的磁気飽和は等しい量の純コバルトの磁気飽和と比較した合金中のバインダー相の磁気飽和との比である。グラファイトの限定に密接してＷＣ−Ｃｏ合金に対しては、相対磁気飽和の「一つ」が得られた。合金の炭素含有量を減少することによって、固溶体強化は増加し、そして約０．７５の相対磁気飽和で最大に達する。この値以下で、イータ相が形成され、そして固溶体強化はもはや増加しない。本発明の合金に対しては、この固溶体強化は、相対的に多いＮ含有量と、多いＴａ含有量と、小さな格子間釣り合いとの組合せによるＷＣ−Ｃｏ合金に比較して、さらに実質的に作用させることができることが判明した。この厳密な理由は分からないが、おそらくサーメットバインダー相の熱膨張はＷＣより大きく、すなわちより大きな固溶体強化が、熱力学的なサイクルの際にバインダー相の塑性変形による疲労を回避することを必要とするので、改良された特性がもたらされる。相対磁気飽和は、０．７５以下、好ましくは０．６５以下、最も好ましくは０．５５以下に保持すべきである。
【０００７】
３． 良好な刃線品位を備え高い靭性と変形抵抗とを組合わせるためには、小さな硬質相粒径と組み合わされた高含有量のバインダーを有する材料を必要とする。サーメットの粒径を減少するための従来の方法は、原材料粒径を減少させ且つ粒成長を防止するためにＮ含有量を増加させることである。しかしながら、本発明の合金に対しては、高いＮ含有量だけで所望の特性を得ることは十分で無いことが判明した。その代わりに、固溶体は、相対的に高いＮ含有量（２５〜５０ａｔ％、好ましくは３０〜４５ａｔ％、最も好ましくは３５〜４０ａｔ％の範囲の（Ｎ／（Ｃ＋Ｎ））と、少なくとも２ａｔ％、好ましくは４〜７ａｔ％及び最も好ましくは４〜５％の範囲のＴａとを組み合わすことが判明した。Ｃｏ基バインダーを有する合金に対しては、粒径は保磁力Ｈｃを測定することによって最も良く決定される。本発明の合金に対しては、この保磁力は、１３ｋＡ／ｍ以上、好ましくは１４ｋＡ／ｍ、最も好ましくは１５〜２１ｋＡ／ｍとすべきである。
【０００８】
４． 理に適う限定内では、この材料に添加されるＷ量は、その性質に直接影響を及ぼさない。しかし、Ｗ量は、２ａｔ％以上好ましくは３〜８ａｔ％の範囲にする必要があり、予期せぬ高い気孔率水準を回避できる。
５． 上記の材料は、焼結の際極端に反応性がある。制御できない焼結因子、例えば、慣用の真空焼結は、幾つかの望ましくない結果がもたらされる。このような結果の例は、焼結雰囲気と、穴の封止後の合金内のガス形成による高い気孔率と、の相互作用による表面までの大きな組成勾配である。すなわち、この材料の製造は、この明細書と同時に出願されたスウェーデン特許願書第９９０１５８１−０に記載された独特の焼結方法の発展をまた必要とした。この方法を用いた材料は、理に適う測定限界と静的変動内で、中心から表面に向かって同一化学組成と、並びに、Ａ０８以下、好ましくはＡ０６以下、最も好ましくはＡ０４以下の均一に分布した気孔率を有する。
【０００９】
極端に大きな耐摩耗性を必要とする切削加工作業に対しては、本発明のボディーを、ＰＶＤ、ＣＶＤまたは同様の技術を用いた薄い耐摩耗性被膜で被覆することが有利である。このボディーの組成は、ＷＣ−Ｃｏ基材料またはサーメットに対して今日使用できるいずれの被膜及び被膜技術が直接適用でき、当然被膜の選択は材料の変形抵抗及び靭性に影響すると言うことに注目する必要がある。
【００１０】
【発明の実施の形態、実施例及び発明の効果】
実施例１
Ｔｉ（ＣＮ）、ＷＣ、ＴａＣ及びＣｏの粉末を混合して、３８．１のＴｉ、３．８のＷ、４．６のＴａ、７．０のＣｏの割合（ａｔ％）と、３８ａｔ％のＮ／（Ｃ＋Ｎ）比とを得た。この粉末は、湿式混合しスプレー乾燥しそしてＴＮＭＧ１６０４０８−ｐｆのインサートに加圧成形した、
同一形式のインサートが、その明細書の範囲（Ｐ０５）で十分に確立された等級の粉末から製造した。この等級（比較例）は、３７．２のＴｉ、２．８のＷ、１．３のＴａ、３．２のＭｏ、２．６のＶ、４．５のＣｏ、３．１のＮｉの組成（ａｔ％）、及び２２ａｔ％のＮ／（Ｃ＋Ｎ）比と有した。
【００１１】
比較例の粉末のインサートは、標準的な方法を使用して焼結し、一方、本発明に従うインサートは、スウェーデン特許願書第９９０１５８１−０に記載した焼結方法にしたがって焼結した。図１は、本発明に従い製造したインサートから得られた走査型電子顕微鏡の顕微鏡組織像を示す。物理的性質の測定値は以下の表に示す。すなわち、

この場合、保磁力と相対的磁気飽和とはＮｉを含有する合金に対して適切な測定技術で無いので、保磁力は粒径と明確に結びつかず、そして相対磁気飽和はタングステンは別にしてバインダー相に溶解された他の金属全ての測定値に有力であることに注目する。
【００１２】
実施例２
非常に靭性の要求される加工部材における切削試験が次の切削条件で成された。すなわち、
加工部材の材料： ＳＣＲ４２０Ｈ
切削速度=200m/min 、送り=0.2mm/r、切り込み深さ=0.5mm、冷却剤
結果： （破壊前の通過数、４枚の刃の平均）
比較例： １７
本発明： ２８
実施例３
この双方の材料に対する塑性変形抵抗が切削試験で決定された。
【００１３】
加工部材の材料： ＳＳ２５４１
切削深さ=1mm、送り=0.3mm/r、切削時間＝２．５ｍｉｎ
以下の結果は、刃が塑性変形したときの切削速度（ｍ／ｍｉｎ）を示す（二つの刃の平均）。
比較例： ２７５
本発明： ３５０
上記の実施例から、先行技術の材料に比較して、本発明にしたがって製造したインサートは実質的に改良された靭性及び変形抵抗の双方を有するが、一方比較しうる耐摩耗性を備えることが明確である。本発明は、元素Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃ、Ｎ及びＣｏだけを含有するが、本発明の意図することを越えない代わりの少量の元素である程度まで置き換えられることは明白である。特に、Ｔａは部分的にＮｂで置き換えることができ、且つＷはＭｏで置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従い製造したインサートから得られた走査型電子顕微鏡の倍率４０００×の顕微鏡組織像を示す。

Claims (3)

1. Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃ、Ｎ、Ｃｏと残部の不純物とから成るＴｉ基焼結炭窒化物合金であって、Ｔａの含有量が４〜７at％、Ｗの含有量が３〜８at％、Ｎ／（Ｃ＋Ｎ）が３５〜４０％〔ただしＮおよび（Ｃ＋Ｎ）の単位はat％〕、バインダー相が５at％以上９at％未満のＣｏから成り、Ｃｏが主としてＷにより固溶体強化されたことで相対磁気飽和が０．６５以下となっており、該合金の中心から表面まで同一の化学組成である、Ｔｉ基焼結炭窒化物合金。
2. 請求項１において、Ｔａの含有量が４〜５at％であることを特徴とするＴｉ基焼結炭窒化物合金。
3. 請求項１または２において、保磁力が１５〜２１ｋＡ／ｍであることを特徴とするＴｉ基焼結炭窒化物合金。

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