JP5031610B2

JP5031610B2 - ＴｉＣＮ基サーメット

Info

Publication number: JP5031610B2
Application number: JP2008035552A
Authority: JP
Inventors: 隆司徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2008156756A

Description

本発明は、切削工具部材、耐摩耗性工具部材等に適する靱性と硬度をともに備えたＴｉＣＮ基サーメットに関するものである。

耐摩耗性工具や切削工具用合金として超硬合金（ＷＣ基焼結合金）が知られているが、鉄鋼の切削におけるクレータ摩耗を改善するためにサーメット合金が開発されている。サーメットとしては、ＴｉＣを主成分とするＴｉＣ基サーメットが開発されたが、靱性が不充分であるとしてＴｉＮを添加したＴｉＣＮ基サーメットが多く提案されている。

また、ＴｉＣＮ基サーメットにおいては、その機械的特性に最も影響を与える硬質分散相を芯部と周辺部からなる２重もしくは３重の有芯構造とすることにより、硬度及び靱性を向上できることが知られている。

しかしながら、上記従来の有芯構造からなる硬質分散相では機械的特性や切削性能の改良に限界があり、特に表面に硬質コーティング膜を備えたＷＣ基焼結合金に匹敵する耐熱衝撃性および耐欠損性の向上が望まれていた。

本発明は上記従来の技術で解決し得なかった課題を解決するためのもので、その目的はＴｉＣＮ基サーメットの更なる耐熱衝撃性、耐欠損性の向上を図ることにある。

本発明者は上記課題に対し、有芯構造を呈する硬質分散相の組織構成について検討した結果、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記硬質分散相内に四角形形状をなす平均粒径が２０〜４０ｎｍのＴｉＣ微粒子を分散せしめることによって耐熱衝撃性、耐欠損性が向上することを知見した。

すなわち、本発明のＴｉＣＮ基サーメットは、Ｃｏおよび／またはＮｉを主体とする結合相５〜３０重量％で硬質分散相を結合してなり、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記硬質分散相が、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの
１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される有芯構造をなすとともに、前記周辺部内に、四角形形状をなす平均粒径が２０〜４０ｎｍのＴｉＣ微粒子が分散していることを特徴とするものである。

ここで、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記硬質分散相が、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される有芯構造をなすとともに、前記周辺部内に前記ＴｉＣ微粒子が分散していることが重要である。

また、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記ＴｉＣ微粒子の平均粒径が２０〜４０ｎｍであることが重要であり、前記ＴｉＣ微粒子を含む硬質分散相が、硬質分散相全体に対して１０面積％〜８０面積％の割合で存在することが望ましい。

さらに、前記ＴｉＣ微粒子の結晶方位が、該ＴｉＣ微粒子を包み込む前記硬質分散相の結晶方位とは異なる方位をなすことが望ましい。

以上詳述したとおり、本発明のＴｉＣＮ基サーメットによれば、所定の比率からなる硬質分散相と結合相のうちの硬質分散相内に電子顕微鏡写真での観察において、前記硬質分散相が、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される有芯構造をなすとともに、前記周辺部内に、四角形形状をなす平均粒径が２０〜４０ｎｍのＴｉＣ微粒子を分散せしめることによって、硬質分散相の硬度を向上させることができるとともに、熱膨張係数を低めて熱履歴に対する耐久性を高めることができる結果、サーメットの耐熱衝撃性、耐欠損性が向上する。

本発明のＴｉＣＮ基サーメット（以下、単にサーメットと略す。）について、その任意箇所についての透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ像）である図１を基に説明する。

図１によれば、本発明のサーメット１は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主体とする結合相２を５〜３０重量％で硬質分散相３を結合した構成からなり、図１によれば、硬質分散相３は、ＴｉＣＮからなる芯部４と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部５とから構成される２重有芯構造をなしている。

かかる有芯構造をなす硬質分散相３は、粒成長制御効果を有しサーメット１が微細で均一な組織となるとともに、結合相２との濡れ性に優れるためにサーメット１の高強度化に寄与する。

なお、サーメット１中には上記結合相２、硬質分散相３以外に不可避不純物が含まれていてもよい。また、芯部４は基本的にＴｉＣＮからなるがＴｉ以外の他の金属元素が１０ａｔｏｍ％以下、特に５ａｔｏｍ％以下、さらに２ａｔｏｍ％以下、の割合で含有されていてもよい。また、硬質分散相３は芯部４と周囲部５からなる２重有芯構造であるが、芯部３と周囲部５の間に周囲部５とは異なる構成からなる他の周囲部が存在する３重有芯構造をなすものであってもよい。

本発明によれば、図１に示されるように硬質分散相３内にＴｉＣ微粒子７が分散してなることが大きな特徴であり、これによって高硬度のＴｉＣ微粒子７がクラックを偏向してクラックの進展を抑制する結果、硬質分散相３の硬度が向上するとともに、ＴｉＣＮに比較して熱膨張係数の低いＴｉＣ微粒子７を含有せしめることにより、硬質分散相３およびサーメット１全体の熱膨張係数を低め、結果的にサーメット１の耐熱衝撃性を向上させるという効果が得られる。

また、本発明によれば、結合相２の含有量が５重量％より少ないと、靱性の劣化が激しく耐欠損性が著しく低下し、逆に、結合相２の含有量が３０重量％を超えると、サーメット１の耐摩耗性および耐塑性変形性が低下する。

さらに、ＴｉＣ微粒子７は硬質分散相３内の芯部４または周辺部５のいずれに存在していてもよいが、ＴｉＣ微粒子７のなじみがよく剥離等を生じない点で周辺部５内に分散することが望ましい。

また、ＴｉＣ微粒子７の粒径は、硬度を向上させるために２０〜４０ｎｍとすることが重要であり、かかる微小な粒径に制御するためにはＴｉＣ微粒子７が焼成中に析出したものであることが望ましい。さらに、電子顕微鏡写真にて観察した場合、ＴｉＣ微粒子７は四角形形状をなすことがクラックの偏向効果が高まって硬度が向上する点で重要である。

また、硬度および靭性、耐熱衝撃性を向上させるためには、硬質分散相３全体に対してＴｉＣ微粒子７を含有する硬質分散相３の体積比率が１０容量％〜８０容量％、特に３０容量％〜５０容量％の割合で存在することが望ましい。

さらに、クラックの進展を抑制して耐熱衝撃性を向上させるという点で、ＴｉＣ微粒子７は硬質分散相３の周辺部５内に１μｍ^２あたり１０個〜１００００個の密度割合で存在することが望ましい。

また、ＴｉＣ微粒子７の結晶方位は該ＴｉＣ微粒子７の周囲を包み込む硬質分散相３の結晶方位とは異なる方位をなすことが、クラックの偏向性がより向上してクラックの進展をより抑制できる点で望ましい。なお、粒子の結晶方位は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の制限視野電子線回折像にて解析することができる。

なお、サーメット１中の炭素量は硬度、耐熱衝撃性および良好な表面状態を達成する点で６〜９重量％、特に６．５〜７．５重量％であることが望ましい。

（製造方法）
次に、本発明のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法について説明する。

まず、ＴｉＣＮ粉末とＴｉＮ粉末、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＶおよびＮｂのうちの１種以上を含有する炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末を混合した混合粉末を調整する。

本発明によれば、上記混合粉末に対して、平均粒径５μｍ以下、特に２μｍ以下、さらに１μｍ以下の炭素粉末を０．５〜５重量％、特に１〜２重量％の割合で添加することが上述した所定の形状、サイズ、密度のＴｉＣ微粒子を硬質分散相中に析出、分散せしめる点で望ましい。

そして、この混合粉末にバインダーを添加して、プレス成形、押出成形、射出成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形する。

次に、本発明によれば、下記の条件にて焼成することにより、上述した所定の形状、サイズ、密度のＴｉＣ微粒子を硬質分散相中に析出、分散させることができる。

焼成条件としては、（ａ）室温から８００〜１１００℃の第１の焼成温度まで昇温し、（ｂ）前記第１の焼成温度から１３００℃までを０．１℃／ｍｉｎ〜３℃／ｍｉｎ昇温し、（ｃ）ついで窒素分圧０〜１３５０Ｐａの雰囲気下１３００℃から１４００〜１６００℃の第２の焼成温度まで５℃／ｍｉｎ〜１５℃／ｍｉｎで昇温して（ｄ）保持し、（ｅ）前記第２の焼成温度から１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ〜２０℃／ｍｉｎで降温し、（ｆ）さらに１０００℃から室温まで降温する、（ａ）〜（ｆ）の条件にて行うことが重要である。

すなわち、上記焼成条件のうち、（ｂ）の昇温速度が０．１℃／ｍｉｎより遅いと炭素の一部が揮発してしまいＴｉＣ微粒子が析出せず、逆に（ｂ）の昇温速度が３℃／ｍｉｎより速いと炭素の硬質分散相への固溶が十分に進行せず、ＴｉＣ微粒子が析出せず焼結不良となる。また、（ｃ）の昇温速度が５℃／ｍｉｎより遅いと、表面付近のＴｉＣ微粒子が存在する硬質分散相の成長が不充分となり、耐摩耗性が低下する、逆に（ｃ）の昇温速度が１５℃／ｍｉｎより速いと表面付近の硬質分散相が過剰に増加することで、耐欠損性が低下する。さらに、（ｅ）の降温速度が１０℃／ｍｉｎより遅いと、表面付近の結合相が揮散し焼肌にボイドを発生させる。逆に（ｅ）の降温速度が２０℃／ｍｉｎより速いとＴｉＣ微粒子が析出せず焼結体表面付近に異常粒成長が起こり、破壊源となる。

平均粒径１．０μｍのＴｉＣＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径１．８μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．０μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径１．１μｍのＷＣ粉末、平均粒径２．４μｍのＮｉ粉末、平均粒径１．９μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．０μｍのＣ粉末を用いて表１に示すような成分組成に配合し、これをステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、ＩＰＡにて湿式混合し、パラフィンを３重量％添加、混合した後、この混合粉末を２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８にプレス成形し、表１に示す条件で焼成した。

得られた焼結体表面をダイヤモンド砥石によって加工し、下記条件にて切削性能を評価した。また、各試料について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、硬質分散相中のＴｉＣ微粒子の存在の有無、存在状態を確認した。結果は表２に示した。

切削条件Ｉ
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２５〜０．４０ｍｍ／ｒｅｖ（＋０．０５ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み：２．０ｍｍ
被削材：ＳＣＭ４３５
切削時間：６０Ｓ（各送りの切削時間）
切削状態：湿式（エマルジョン）
切削条件ＩＩ
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１０〜０．５０ｍｍ／ｒｅｖ（＋０．０５ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み：２．０ｍｍ
被削材：ＳＣ４５Ｃ
切削時間：１０Ｓ（各送りの切削時間）
切削状態：乾式

表１より、所定の条件で焼成して硬質分散相内にＴｉＣ微粒子を分散含有する試料Ｎｏ．１〜７では、いずれも比較例である試料Ｎｏ．８〜１０に比較して切削寿命が長いものであった。

中でも炭素粉末（Ｃ）の添加量が０．５〜５重量％の試料Ｎｏ．１〜５では焼結体の表面状態もよく切削性能も高いものであった。なお、試料Ｎｏ．６、７は参考例を示す。

また、試料Ｎｏ．２の組織を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察した写真を図１に示すが、２重構造を持った硬質分散相の周辺部に多数の四角形の白点（微粒子）が見られ、制限視野電子線回折像の解析の結果からＴｉＣ（ＪＣＰＤＳＮｏ．３２−１３８３）であることを確認した。同様に試料Ｎｏ．１〜６のいずれの試料についても表１に示すように硬質分散相の周辺部にＴｉＣ微粒子の存在を確認した。また、試料Ｎｏ．１の炭素含有量を測定したところ７重量％であった。

さらに、図１の点Ａ（硬質分散相（周辺部））、点ＢおよびＣ（ＴｉＣ微粒子）における結晶方位を確認したところ（図２参照）、点Ａは結晶方位［２１０］、点ＢおよびＣは［１１０］であり、硬質分散相（周辺部）の結晶方位とＴｉＣ微粒子との結晶方位が異なっていることを確認した。

本発明のＴｉＣＮ基サーメットの任意箇所における透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ像）である。図１のＴｉＣＮ基サーメットの点Ａ、Ｂ、Ｃにおける制限視野電子線回折像である。

符号の説明

１：ＴｉＣＮ基サーメット（サーメット）
２：結合相
３：硬質分散相
４：芯部
５：周辺部
７：ＴｉＣ微粒子

Claims

Ｃｏおよび／またはＮｉを主体とする結合相５〜３０重量％で硬質分散相を結合してなるＴｉＣＮ基サーメットにおいて、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記硬質分散相が、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される有芯構造をなすとともに、前記周辺部内に、四角形形状をなす平均粒径が２０〜４０ｎｍのＴｉＣ微粒子が分散していることを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット。
前記ＴｉＣ微粒子を含む硬質分散相が、硬質分散相全体に対して１０面積％〜８０面積％の割合で存在することを特徴とする請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメット。
前記ＴｉＣ微粒子の結晶方位が、該ＴｉＣ微粒子を包み込む前記硬質分散相の結晶方位とは異なる方位をなすことを特徴とする請求項１または２記載のＴｉＣＮ基サーメット。