JP5153455B2

JP5153455B2 - サーメット

Info

Publication number: JP5153455B2
Application number: JP2008139337A
Authority: JP
Inventors: 隆司徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: JP2009287061A

Description

本発明は切削工具や耐摩部材、摺動部材として好適なサーメットに関する。

現在、切削工具や耐摩部材、摺動部材といった耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材としてＷＣを主成分とする超硬合金やＴｉを主成分とするサーメット（Ｔｉ基サーメット）等の焼結合金が広く使われている。これら焼結合金についてはその性能改善のために新規組成開発が続けられ、サーメットにおいては特に高温での切削性能の改善が試みられている。

例えば、特許文献１では、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主成分として、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＭｏＣを硬質相として含有するとともに、ＣｏおよびＮｉを結合相として含有するサーメットが開示され、焼成時の昇温工程に雰囲気交互変化処理を行うことによって、結合相中にＷ（タングステン）を４０〜６０質量％と高い割合で含有させられることが開示されている（段落番号００１４参照）。

また、特許文献２では、サーメット中にＭｎ等の特定金属元素を含有させ、かつこの特定金属元素の濃度を表面から内部に向かって漸増する構成としたサーメットが開示されている。
特開２００７−６９３０９号公報特開２００４−２９２９０５号公報

しかしながら、上記特許文献１のように結合相中に多くのＷ成分を含むサーメットでは、結合相の高温硬さは向上するものの硬質層中のＷ成分は減るので、サーメットの硬度が低下するという問題があった。また、特許文献２のようにＭｎ等を添加して表面から内部に向かって漸増させたサーメットでも、更なる耐摩耗性の向上が求められていた。

そこで、本発明はサーメットの耐摩耗性を高めることにある。

本発明のサーメットは、鉄族金属を主とする結合相と、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、Ｖを含む周期律表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上を含む硬質相とからなるサーメットにおいて、前記鉄族金属の含有量をｘ体積％、前記Ｖを炭化物（ＶＣ）に換算した含有量をｙ体積％としたとき、ｙ＝３６．３ｘ−ａｘ^２で表される式においてａ＝１．５〜１．７を満足するとともに、Ｍｎを、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％で含有することを特徴とする。

ここで、上記構成において、Ｗを、結合相中に１０〜２０質量％で、硬質相中に１〜５質量％で含有することが望ましい。

本発明のサーメットによれば、Ｍｎを含有するとともに、鉄族金属の含有量をｘ体積％、前記Ｖを炭化物（ＶＣ）に換算した含有量をｙ体積％としたとき、ｙ＝３６．３ｘ−ａｘ^２で表される式においてａ＝１．５〜１．７を満足するときにＭｎが結合相中に多量に固溶し、硬質相中にはほとんど固溶しないこと、また、サーメットの特性について硬度は維持したまま靭性が向上することがわかった。その結果、例えば切削工具として用いた場合には、切削工具としての耐摩耗性が向上した。

また、上記構成において、さらに、Ｗを、結合相中に１０〜２０質量％で、硬質相中に１〜５質量％で含有する場合には、さらにサーメットの硬度はさほど低下せずに靭性が向上するという効果がある。

本発明のサーメット（以下、単にサーメットと略す。）は、鉄族金属を主とする結合相と、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、Ｖを含む周期律表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物を１種以上含む硬質相からなる。

そして、本発明のサーメットは、前記鉄族金属の含有量をｘ体積％、前記Ｖを炭化物（ＶＣ）に換算した含有量をｙ体積％としたとき、ｙ＝３６．３ｘ−ａｘ^２で表される式においてａ＝１．５〜１．７を満足するとともに、Ｍｎを、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％で含有することを特徴とする。

これによって、サーメットの特性について硬度は維持したまま靭性が向上する。その結果、例えば切削工具として用いた場合には、切削工具としての耐摩耗性が向上する。

すなわち、ａが１．５より小さいとサーメットの靭性が低くなって耐欠損性が低下し、ａが１．７を越えるとサーメットの硬度が低くなって耐摩耗性が低下する。また、Ｍｎを含有しないと、サーメットの焼結性が低下するとともに、硬度と靭性をともに高くすることができない。

ここで、上記構成において、さらに、Ｗを、結合相中に１０〜２０質量％で、硬質相中に１〜５質量％で含有する場合には、サーメットの硬度はさほど低下せずに靭性が向上する結果、サーメットの耐摩耗性が改善されるので望ましい。

また、本発明のサーメットの望ましい組成は、Ｃｏを５〜１５質量％、Ｎｉを２〜１０質量％、ＴｉＣＮ４０質量％以上、ＶＣを１．０〜３．０質量％（ただし、ｙ＝３６．３ｘ−ａｘ^２で表される式においてａ＝１．５〜１．７を満足する。）、周期表第４、５および６族金属のうちのＴｉおよびＶ以外の１種以上の炭化物を１〜４０質量％の割合で含有するｂ組成であり、これによって、サーメットの耐摩耗性と耐欠損性を両立させることができる。

また、サーメットに含有される硬質相をなすＴｉを主成分とする周期表第４、５および６族金属の窒化物または炭窒化物の合計含有比率は７０〜９６質量％であることが望ましく、特に耐摩耗性の向上の点で８５〜９６質量％であることが望ましい。一方、結合相の含有比率は４〜３０質量％、特に４〜１５質量％であることが望ましく、これによって、サーメットの硬度および靭性のバランスに優れたものとなる。

また、サーメットを構成する硬質相の平均粒径は０．２〜２．０μｍであること、特に０．４〜１．０μｍであることが、硬度を靭性のバランスの点で望ましい。なお、本発明における硬質相の粒径の測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。この時、硬質相が有芯構造からなる場合については、芯部と周辺部を含めた周辺部の外縁までを１つの硬質相としてその粒径を測定する。

（製造方法）
次に、上述したサーメットの製造方法の一例について説明する。

まず、平均粒径０．１〜２μｍ、望ましくは０．２〜１．２μｍのＴｉＣＮ粉末と、平均粒径０．１〜２μｍのＶＣ粉末と、平均粒径０．１〜２μｍの上述した他の金属の炭化物粉末、窒化物粉末または炭窒化物粉末のいずれか１種と、平均粒径０．８〜２．０μｍのＣｏ粉末と、平均粒径０．５〜２．０μｍのＮｉ粉末と、平均粒径０．５〜１０μｍのＭｎＣＯ_３粉末を混合した混合粉末を調製する。なお、原料中にＴｉＣ粉末やＴｉＮ粉末を添加することもあるが、これらの原料粉末は焼成後のサーメットにおいてＴｉＣＮを構成する。

そして、この混合粉末にバインダを添加して、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、上述した所定組織のサーメットを作製することができる。焼成条件としては、（ａ）真空中にて室温から１２００℃まで昇温する工程、（ｂ）真空中にて１２００℃から１３３０〜１３８０℃の焼成温度（温度Ｔ_１と称す）まで０．１〜２℃／分の昇温速度ｒ_１で昇温する工程、（ｃ）温度Ｔ_１にて焼成炉内の雰囲気を３０〜２０００Ｐａの不活性ガス雰囲気に切り替えて温度Ｔ_１から１４５０〜１６００℃の焼成温度（温度Ｔ_２と称す）まで４〜１５℃／分の昇温速度ｒ_２で昇温する工程、（ｄ）３０〜２０００Ｐａの不活性ガス雰囲気中のまま温度Ｔ_２にて０．５〜２時間保持する工程、（ｅ）この焼成温度に保ったまま炉内の雰囲気を真空に変えてさらに３０〜６０分間保持する工程、（ｆ）温度Ｔ_２から１１００℃まで冷却速度５〜１５℃／分で真空冷却する工程、（ｇ）１１００℃に下がった時点で不活性ガスを０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａのガス圧で導入して急速冷却する工程の（ａ）〜（ｇ）の工程を順に行う焼成パターンにて焼成する。

すなわち、上記焼成条件のうち、（ｂ）工程における昇温速度ｒ_１を２℃／分より速くするとサーメットの表面にボイドが発生する。昇温速度ｒ_１が０．１℃／分より遅いと焼成時間が長くなりすぎて生産性が大幅に低下する。（ｃ）工程における温度Ｔ_１からの昇温を真空または３０Ｐａ以下の低圧ガス雰囲気とすると表面ボイドが発生する。（ｄ）（ｅ）工程の温度Ｔ_２の焼成温度での保持をすべて真空または３０Ｐａ以下の低圧ガス雰囲気とした場合、温度Ｔ_２の焼成温度での保持をすべてガス圧３０Ｐａ以上の不活性ガス雰囲気した場合、（ｆ）（ｇ）工程の冷却工程をすべて真空または３０Ｐａ以下の低圧ガス雰囲気とした場合においては、Ｍｎが結合相中から揮散してしまい、結合相と硬質相中へのＭｎの固溶量を制御できない。（ｆ）工程の冷却速度が１５℃／分より速いとＭｎが結合相中へ多量に残存してしまい強度が低下する。、（ｆ）工程の冷却速度が５℃／分より遅いと結合金属相からＭｎが揮散してしまう。

そして、所望により、サーメット１の表面に被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が適応可能である。また、サーメット１の表面領域にはＮｉの析出がほとんどないので、化学蒸着（ＣＶＤ）法によってもＴｉＣＮ結晶等の被覆層を構成する結晶が異常粒成長することなく、微細な結晶で高硬度、耐溶着性に優れた被覆層を形成することができる。

マイクロトラック法による測定で平均粒径（ｄ_５０値）が０．６μｍのＴｉＣＮ粉末、平均粒径１．１μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径１．０μｍのＶＣ粉末、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＭｏＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径１．８μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径２．４μｍのＮｉ粉末、および平均粒径１．９μｍのＣｏ粉末、平均粒径５．０μｍのＭｎＣＯ_３粉末を表１に示す割合で調整した混合粉末をステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を添加して湿式混合し、パラフィンを３質量％添加、混合した。その後、加圧圧力２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップ工具形状にプレス成形し、（ａ）真空中にて室温から１２００℃までを１０℃／分で昇温し、（ｂ）１２００℃から１３００℃（焼成温度Ｔ_１）までを昇温速度ｒ_１＝０．８℃／分で昇温し、（ｃ）１３５０℃（温度Ｔ_１）から表２に示す焼成温度Ｔ_２までを真空中にて昇温速度ｒ_２＝８℃／分で昇温し、（ｄ）焼成温度Ｔ_２にて表２に示す焼成雰囲気、焼成時間ｔ_１だけ保持した後、（ｅ）焼成温度Ｔ_２にて表２に示す焼成雰囲気、焼成時間ｔ_２だけ保持し、（ｆ）温度Ｔ_２から１１００℃まで表２に示す雰囲気、冷却速度で冷却し、（ｇ）１１００℃以降を表２に示す雰囲気で冷却して、試料Ｎｏ．１〜１５のサーメット製スローアウェイチップを得た。

得られたサーメットについて、この焼結体を粉砕した粉末を用いてＩＣＰ分析を行いサーメットの各成分の含有比率を求めた。なお、以下の方法を用いて結合相中および硬質相中の各金属成分の含有量を測定した。すなわち、サーメットを粉砕して＃２０メッシュを通した粉砕粉末１ｇに塩酸（ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ＝１：１）溶液を加え、スターラーにて攪拌し２４時間５０℃で加熱溶解した溶液をろ過した。この溶液に希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ＝１：１）溶液を加えて５０ｍｌ定容として、結合相中の金属含有量を測定する試料とした。そして、このろ液について、ＩＣＰ法によってろ液中の各金属の含有量および含有比率を測定して、結合相中の各金属成分の含有量を測定し、この測定値から結合相中のＭｎ含有量、Ｗ含有量、Ｖ含有量を算出した。

また、サーメットの硬質相中の含有量については、上記操作にてろ紙上に残った残渣をろ紙ごとフッ化水素１ｍｌと硝酸５ｍｌにて加熱用開始、蒸留水にて２５０ｍｌ定容とした溶液をＩＣＰ法によってろ液中の各金属の含有量および含有比率を測定し、この測定値から硬質相中のＭｎ含有量、Ｗ含有量、Ｖ含有量を算出した。

さらに、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、１００００倍の写真にて、表面および内部のそれぞれ任意５箇所について市販の画像解析ソフトを用いて８μｍ×８μｍの領域で画像解析を行い、硬質相の平均粒径を算出した。結果は表３に示した。

次に、得られたサーメット製の切削工具を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は併せて表３に示した。
切削テスト１（耐欠損性評価）
被削材：Ｓ４５Ｃ
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０５〜０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：各送り１０Ｓで欠損するまでの時間（秒）
切削テスト２（耐摩耗性評価）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１．５ｍｍ
切削状態：湿式（水溶性切削液使用）
評価方法：摩耗量が０．２ｍｍに達するまでの時間（分）

表１〜３より、Ｍｎを添加しないとともに傾きａが１．７を超える試料Ｎｏ．７、Ｍｎを添加しない試料Ｎｏ．９、傾きａが１．５より小さいとともに硬質相中のＭｎ固溶量が０．０１質量％を越える試料Ｎｏ．８、および傾きａが１．５より小さい試料Ｎｏ．１０では、いずれも切削評価において工具の耐摩耗性が悪いものであった。また、（ｂ）工程の焼成雰囲気が真空ではなくて不活性ガス雰囲気であった試料Ｎｏ．１１では、結合相中のＭｎ固溶量が０．５質量％より低くて耐摩耗性および耐欠損性とも低く、（ｃ）工程の焼成雰囲気が不活性ガス雰囲気ではなくて真空であった試料Ｎｏ．１２では、結合相中のＭｎ固溶量が１質量％を越えて耐欠損性が低下した。さらに、（ｅ）工程を経ずに硬質相中のＭｎ固溶量が０．０１質量％を越える試料Ｎｏ．１３では、硬質相中および結合相中のＭｎ固溶量が規定の範囲から外れて、耐摩耗性および耐欠損性ともに低いものであった。また、（ｂ）工程における昇温速度が３℃／分を越えるとともに（ｇ）工程を真空中で降温した試料Ｎｏ．１４でも、硬質相中および結合相中のＭｎ固溶量が規定の範囲から外れて、耐摩耗性および耐欠損性ともに低いものであった。

これに対し、本発明の範囲内の組織となったサーメットである試料Ｎｏ．１〜６では、いずれも優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐摩耗性も良好であり、その結果、工具寿命も長いものであった。

Claims

鉄族金属を主とする結合相と、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、Ｖを含む周期律表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上を含む硬質相とからなるサーメットにおいて、前記鉄族金属の含有量をｘ体積％、前記Ｖを炭化物（ＶＣ）に換算した含有量をｙ体積％としたとき、ｙ＝３６．３ｘ−ａｘ^２で表される式においてａ＝１．５〜１．７を満足するとともに、Ｍｎを、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％で含有することを特徴とするサーメット。
Ｗを、結合相中に１０〜２０質量％で、硬質相中に１〜５質量％で含有することを特徴とする請求項１記載のサーメット。