JP5217417B2 - 耐摩耗性に優れた炭窒化チタン基サーメット製切削工具 - Google Patents
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Description
この発明は、例えば、各種鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削に用いた場合に、耐熱衝撃性、耐欠損性にすぐれ、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ基）サーメット製切削工具（以下、単にサーメット工具という）に関するものである。
従来、サーメット工具として、Ｔｉ炭窒化物、Ｔｉを主体とする炭窒化物、またはＴｉとＭを主体とする炭窒化物（ただし、ＭはＴａ、Ｎｂ、およびＶのうちの１種または２種以上を示す、以下同じ）からなる芯部と、ＴｉとＷとＭを主体とする炭窒化物からなる周辺部で構成された有芯構造の硬質相：７０〜９５面積％、を含有し、残りがＣｏとＷを主体とする結合相および不可避不純物からなる炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ基）サーメット（以下、単にサーメットという）で構成されたサーメット工具が知られている。
そして、上記のサーメット工具の耐熱衝撃性を改善するために、１４００〜１６００℃の温度範囲において、所定圧力のＨｅ、Ｎ２、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ２雰囲気中で焼成し、Ｗ６Ｃｏ６Ｃ，Ｗ３Ｃｏ３Ｃ，Ｗ４Ｃｏ２Ｃ，Ｗ９Ｃｏ３Ｃ４等の低級炭化物を含むη相を生成させることが知られている。
また、上記のサーメット工具の耐摩耗性を改善するために、１４００〜１５５０℃の温度範囲かつ２０〜５００ＴｏｒｒのＮ２雰囲気中で保持し急冷した後、１１００〜１２５０℃で加熱し、（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相を分散析出させることも知られている。
特開２０００−１３５６０６号公報
特開２０００−２３７９０３号公報
また、上記のサーメット工具の耐摩耗性を改善するために、１４００〜１５５０℃の温度範囲かつ２０〜５００ＴｏｒｒのＮ２雰囲気中で保持し急冷した後、１１００〜１２５０℃で加熱し、（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相を分散析出させることも知られている。
近年、切削加工における省力化、省エネ化、高効率化、低コスト化の要請は強く、切削装置の高性能化には目ざましいものがあり、その一方、工作機械の性能向上に伴い、工具にとっての切削条件は益々過酷なものとなってきており、サーメット工具には使用寿命の一段の延命化が望まれている。
サーメット工具は、一般的に、超硬工具に比して、耐熱衝撃性、耐欠損性が不十分であり、特に、耐摩耗性を向上させようとした場合には、耐熱衝撃性、耐欠損性のさらなる劣化が生じやすいことから、サーメット工具の使用寿命の延命化のためには、耐熱衝撃性、耐欠損性を低下させることなしに耐摩耗性の向上を図ることが必要とされるが、上記従来のサーメット工具は、耐熱衝撃性、耐欠損性および耐摩耗性のいずれかが劣るものであり、これらの特性を相兼ね備えたものであるとはいえない。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、耐熱衝撃性、耐欠損性を低下させることなくすぐれた耐摩耗性を備えるサーメット工具について鋭意研究を行った結果、サーメット工具の組織及びこの組織を生成するための条件等について、以下の知見を得た。
（ａ）上記従来技術（以下、上記特許文献１、２記載の技術を、それぞれ「従来技術１」、「従来技術２」という）によれば、サーメットの焼成温度である１４００〜１６００℃の任意の温度において、Ｈｅ、Ｎ２、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ２の少なくともいずれかのガスを７６０Ｔｏｒｒ以下の圧力で導入し、Ｗ６Ｃｏ６Ｃ，Ｗ３Ｃｏ３Ｃ，Ｗ４Ｃｏ２Ｃ，Ｗ９Ｃｏ３Ｃ４等の低級炭化物を含むη相を生成させることにより、熱衝撃性の改善を図り（従来技術１）、また、１４００〜１５５０℃の温度範囲かつ２０〜５００ＴｏｒｒのＮ２雰囲気中でサーメットを焼成保持後急冷し、１１００〜１２５０℃で加熱し、（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相を分散析出させることにより、耐摩耗性の改善を図っている（従来技術２）が、サーメット原料粉末の焼成に際し、例えば、
（イ）常温から、ガス導入温度（１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度）までは、真空雰囲気中で加熱昇温し、
（ロ）ガス導入温度（１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度）に達した時点で、窒素と炭化水素の混合ガス（例えば、Ｎ２−ＣＨ４混合ガス）を導入し、該窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中（０．５〜１００Ｔｏｒｒ）中で、焼結温度（１５２０〜１６００℃）にまで加熱昇温し、
（ハ）該焼結温度で、６０〜１２０分間加熱保持し、
（ニ）焼結終了後、徐冷却（２〜８℃／ｍｉｎ）する、
という条件（即ち、上記従来技術１、２とは、特に、炭化水素（例えば、メタン、エタン等）を含有した窒素−炭化水素混合ガス中で焼成するという点で焼成雰囲気が異なっている）で焼成を行うと、芯部と周辺部で構成された有芯構造および単独構造の主体硬質相と、Ｃｏを主体とする金属結合相（以下、単に金属結合相という）からなる組織が形成されると同時に、該金属結合相中には、六方晶結晶構造を有し、微量のコバルトを含有するタングステンとコバルトの複合炭化物相（以下、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相で示す）が、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で形成されること。
（ｂ）上記の焼成条件で金属結合相中に形成されるｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相は、前記従来技術１において形成される立方晶構造のη相、あるいは、前記従来技術２において形成される立方晶構造の（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相とは全く異なる六方晶結晶構造を有し、強靭な硬質相であるため、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相の形成によってサーメットの靭性が向上すると同時に、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で存在することによって、主体硬質相の靭性にすぐれたネットワークが形成され、サーメット全体としての耐塑性変形性が大幅に向上すること。
（ｃ）したがって、芯部と周辺部で構成された有芯構造および単独構造の主体硬質相と金属結合相および該金属結合相中にあって、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で存在する強靭・硬質なｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相からなる組織構造を有するサーメット工具は、各種鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削に用いた場合にも、耐熱衝撃性、耐欠損性にすぐれるとともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
（ａ）上記従来技術（以下、上記特許文献１、２記載の技術を、それぞれ「従来技術１」、「従来技術２」という）によれば、サーメットの焼成温度である１４００〜１６００℃の任意の温度において、Ｈｅ、Ｎ２、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ２の少なくともいずれかのガスを７６０Ｔｏｒｒ以下の圧力で導入し、Ｗ６Ｃｏ６Ｃ，Ｗ３Ｃｏ３Ｃ，Ｗ４Ｃｏ２Ｃ，Ｗ９Ｃｏ３Ｃ４等の低級炭化物を含むη相を生成させることにより、熱衝撃性の改善を図り（従来技術１）、また、１４００〜１５５０℃の温度範囲かつ２０〜５００ＴｏｒｒのＮ２雰囲気中でサーメットを焼成保持後急冷し、１１００〜１２５０℃で加熱し、（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相を分散析出させることにより、耐摩耗性の改善を図っている（従来技術２）が、サーメット原料粉末の焼成に際し、例えば、
（イ）常温から、ガス導入温度（１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度）までは、真空雰囲気中で加熱昇温し、
（ロ）ガス導入温度（１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度）に達した時点で、窒素と炭化水素の混合ガス（例えば、Ｎ２−ＣＨ４混合ガス）を導入し、該窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中（０．５〜１００Ｔｏｒｒ）中で、焼結温度（１５２０〜１６００℃）にまで加熱昇温し、
（ハ）該焼結温度で、６０〜１２０分間加熱保持し、
（ニ）焼結終了後、徐冷却（２〜８℃／ｍｉｎ）する、
という条件（即ち、上記従来技術１、２とは、特に、炭化水素（例えば、メタン、エタン等）を含有した窒素−炭化水素混合ガス中で焼成するという点で焼成雰囲気が異なっている）で焼成を行うと、芯部と周辺部で構成された有芯構造および単独構造の主体硬質相と、Ｃｏを主体とする金属結合相（以下、単に金属結合相という）からなる組織が形成されると同時に、該金属結合相中には、六方晶結晶構造を有し、微量のコバルトを含有するタングステンとコバルトの複合炭化物相（以下、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相で示す）が、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で形成されること。
（ｂ）上記の焼成条件で金属結合相中に形成されるｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相は、前記従来技術１において形成される立方晶構造のη相、あるいは、前記従来技術２において形成される立方晶構造の（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相とは全く異なる六方晶結晶構造を有し、強靭な硬質相であるため、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相の形成によってサーメットの靭性が向上すると同時に、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で存在することによって、主体硬質相の靭性にすぐれたネットワークが形成され、サーメット全体としての耐塑性変形性が大幅に向上すること。
（ｃ）したがって、芯部と周辺部で構成された有芯構造および単独構造の主体硬質相と金属結合相および該金属結合相中にあって、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で存在する強靭・硬質なｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相からなる組織構造を有するサーメット工具は、各種鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削に用いた場合にも、耐熱衝撃性、耐欠損性にすぐれるとともに、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること。
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）
（ａ）重量％で、
炭化タングステン：２０〜３０％、
炭化タンタル、炭化ニオブおよび炭化バナジウムのうちの１種又は２種以上：５〜１０％、
コバルト：１０〜２０％
炭窒化チタンおよび不可避不純物：残部、
の配合組成、
（ｂ）チタン炭窒化物、チタンを主体とする炭窒化物またはチタンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物からなる芯部と、チタンとタングステンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物からなる周辺部で構成された有芯構造の硬質相、チタン炭窒化物単独構造の硬質相およびチタンとタングステンと上記Ｍを主体とする炭窒化物の単独構造の硬質相からなる主体硬質相：７０〜９５面積％、残部がＣｏを主体とする金属結合相：３０〜５面積％からなる組織構造、
を有する炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）において、
（ｃ）上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に、タングステンとの合量に占めるコバルトの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相を、２〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させたことを特徴とする炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）。
（２）
前記（１）記載の炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）において、
上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に、タングステンとの合量に占めるコバルトの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相を、２〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させ、かつ、立方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物からなる微細析出分散硬質相を１〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させたことを特徴とする前記（１）記載の炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）。」
に特徴を有するものである。
「（１）
（ａ）重量％で、
炭化タングステン：２０〜３０％、
炭化タンタル、炭化ニオブおよび炭化バナジウムのうちの１種又は２種以上：５〜１０％、
コバルト：１０〜２０％
炭窒化チタンおよび不可避不純物：残部、
の配合組成、
（ｂ）チタン炭窒化物、チタンを主体とする炭窒化物またはチタンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物からなる芯部と、チタンとタングステンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物からなる周辺部で構成された有芯構造の硬質相、チタン炭窒化物単独構造の硬質相およびチタンとタングステンと上記Ｍを主体とする炭窒化物の単独構造の硬質相からなる主体硬質相：７０〜９５面積％、残部がＣｏを主体とする金属結合相：３０〜５面積％からなる組織構造、
を有する炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）において、
（ｃ）上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に、タングステンとの合量に占めるコバルトの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相を、２〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させたことを特徴とする炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）。
（２）
前記（１）記載の炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）において、
上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に、タングステンとの合量に占めるコバルトの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相を、２〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させ、かつ、立方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物からなる微細析出分散硬質相を１〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させたことを特徴とする前記（１）記載の炭窒化チタン基サーメット製切削工具（サーメット工具）。」
に特徴を有するものである。
この発明のサーメット工具において、その配合組成、組織等を上記の通りに限定した理由を以下に説明する。
（ａ）炭化タングステン（ＷＣ）
この発明のサーメットでは、ＷＣの配合割合が２０重量％未満ではＣｏを主体とする金属結合相（金属結合相）中のＷ含有割合が不足して、所望の高温硬さを保持することができず、一方、その配合割合が３０％を越えると、六方晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相が、粒子状に存在し、主体硬質相相互を結合するような形態をとらなくなるため、耐塑性変形性が急激に低下し、これが原因で刃先に塑性変形が発生しやすくなることから、その配合割合を２０〜３０重量％と定めた。
（ｂ）炭化タンタル、炭化ニオブおよび炭化バナジウム（ＴａＣ／ＮｂＣ／ＶＣ）のうちの１種又は２種以上
ＴａＣ、ＮｂＣおよびＶＣは、その一部が、焼結時に結合相形成成分であるＣｏ成分中に固溶し、また、他の一部は、主体硬質相の周辺部および芯部に固溶含有され、主体硬質相の高温強度を向上させる作用を有するが、その配合割合（ＴａＣ、ＮｂＣおよびＶＣの合計量）が５重量％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方、その含有割合が１０％を越えると硬質相中の含有割合が高くなり過ぎ、これが主体硬質相の硬さ低下の原因となることから、その配合割合（ＴａＣ、ＮｂＣおよびＶＣの合計量）を５〜１０重量％と定めた。
（ｃ）コバルト（Ｃｏ）
Ｃｏには、焼結性を向上させ、金属結合相を形成して、サーメットの強度を向上させる作用があるが、その配合割合が１０重量％未満では所望の焼結性を確保することができず、一方、その配合割合が２０重量％を越えると、摩耗が急激に進行するようなることから、その配合割合を１０〜２０重量％に定めた。
（ｄ）炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）
ＴｉＣＮには、焼結時に主体硬質相を形成して、サーメット工具の硬さを向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その配合割合が４０重量％未満では、所望の硬さを確保することができず、一方、その配合割合が６５％を越えると、切削工具の強度が急激に低下し、切削時に欠損、チッピングが発生し易くなることから、その配合割合を４０〜６５重量％とすることが望ましく、また、５０〜５５重量％とすることがさらに望ましい。
（ｅ）主体硬質相
主体硬質相は、チタン炭窒化物、チタンを主体とする炭窒化物またはチタンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物（以下、これらを総称して、（Ｔｉ，Ｍ）ＣＮで示す）からなる芯部と、チタンとタングステンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物（以下、（Ｔｉ，Ｗ，Ｍ）ＣＮで示す）からなる周辺部で構成される有芯構造の硬質相、チタン炭窒化物の単独構造の硬質相およびチタンとタングステンとＭを主体とする炭窒化物の単独構造の硬質相からなるが、主体硬質相の面積割合が７０面積％未満では、相対的に金属結合相の割合が多くなりすぎて耐摩耗性が低下してしまい、一方、その面積割合が９５面積％を超えると、反対に金属結合相の割合が少なくなりすぎて焼結性の低下、強度低下が生じるようになることから、主体硬質相の面積割合を７０〜９５面積％と定めた。
（ｆ）Ｃｏを主体とする金属結合相（金属結合相）
金属結合相の面積割合は、上記主体硬質相の場合と同様な理由、即ち、金属結合相の面積％が３０面積％を超えると、耐摩耗性が低下し、一方、金属結合相の面積％が５面積％未満であると焼結性の低下、強度低下が生じることから、金属結合相の面積割合は３０〜５面積％と定めた。
（ａ）炭化タングステン（ＷＣ）
この発明のサーメットでは、ＷＣの配合割合が２０重量％未満ではＣｏを主体とする金属結合相（金属結合相）中のＷ含有割合が不足して、所望の高温硬さを保持することができず、一方、その配合割合が３０％を越えると、六方晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相が、粒子状に存在し、主体硬質相相互を結合するような形態をとらなくなるため、耐塑性変形性が急激に低下し、これが原因で刃先に塑性変形が発生しやすくなることから、その配合割合を２０〜３０重量％と定めた。
（ｂ）炭化タンタル、炭化ニオブおよび炭化バナジウム（ＴａＣ／ＮｂＣ／ＶＣ）のうちの１種又は２種以上
ＴａＣ、ＮｂＣおよびＶＣは、その一部が、焼結時に結合相形成成分であるＣｏ成分中に固溶し、また、他の一部は、主体硬質相の周辺部および芯部に固溶含有され、主体硬質相の高温強度を向上させる作用を有するが、その配合割合（ＴａＣ、ＮｂＣおよびＶＣの合計量）が５重量％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方、その含有割合が１０％を越えると硬質相中の含有割合が高くなり過ぎ、これが主体硬質相の硬さ低下の原因となることから、その配合割合（ＴａＣ、ＮｂＣおよびＶＣの合計量）を５〜１０重量％と定めた。
（ｃ）コバルト（Ｃｏ）
Ｃｏには、焼結性を向上させ、金属結合相を形成して、サーメットの強度を向上させる作用があるが、その配合割合が１０重量％未満では所望の焼結性を確保することができず、一方、その配合割合が２０重量％を越えると、摩耗が急激に進行するようなることから、その配合割合を１０〜２０重量％に定めた。
（ｄ）炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）
ＴｉＣＮには、焼結時に主体硬質相を形成して、サーメット工具の硬さを向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その配合割合が４０重量％未満では、所望の硬さを確保することができず、一方、その配合割合が６５％を越えると、切削工具の強度が急激に低下し、切削時に欠損、チッピングが発生し易くなることから、その配合割合を４０〜６５重量％とすることが望ましく、また、５０〜５５重量％とすることがさらに望ましい。
（ｅ）主体硬質相
主体硬質相は、チタン炭窒化物、チタンを主体とする炭窒化物またはチタンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物（以下、これらを総称して、（Ｔｉ，Ｍ）ＣＮで示す）からなる芯部と、チタンとタングステンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物（以下、（Ｔｉ，Ｗ，Ｍ）ＣＮで示す）からなる周辺部で構成される有芯構造の硬質相、チタン炭窒化物の単独構造の硬質相およびチタンとタングステンとＭを主体とする炭窒化物の単独構造の硬質相からなるが、主体硬質相の面積割合が７０面積％未満では、相対的に金属結合相の割合が多くなりすぎて耐摩耗性が低下してしまい、一方、その面積割合が９５面積％を超えると、反対に金属結合相の割合が少なくなりすぎて焼結性の低下、強度低下が生じるようになることから、主体硬質相の面積割合を７０〜９５面積％と定めた。
（ｆ）Ｃｏを主体とする金属結合相（金属結合相）
金属結合相の面積割合は、上記主体硬質相の場合と同様な理由、即ち、金属結合相の面積％が３０面積％を超えると、耐摩耗性が低下し、一方、金属結合相の面積％が５面積％未満であると焼結性の低下、強度低下が生じることから、金属結合相の面積割合は３０〜５面積％と定めた。
なお、この発明では、金属結合相は、サーメットを構成する主体硬質相以外の相をいい、Ｃｏ中に、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖを固溶するＣｏ基固溶体相の他、Ｗとの合量に占めるＣｏの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造のｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相、あるいは、立方晶結晶構造のＷとＣｏの複合炭化物（（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ）からなる微細析出分散硬質相も含めて金属結合相とよぶ。
上記ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相、（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相については次で述べる。
（ｇ）ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相
上記金属結合相中に存在する、Ｗとの合量に占めるＣｏの含有割合が１〜８原子％である六方晶構造のｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相は、例えば、サーメットの焼成時、特に、サーメット原料粉末を真空下で加熱昇温し、１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度に達した時点で、窒素と炭化水素の混合ガス（例えば、Ｎ２−ＣＨ４混合ガス）を導入し、該窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中（窒素 ９５〜５０ｖｏｌ％−炭化水素５〜５０ｖｏｌ％，１〜５０Ｔｏｒｒ）で、焼結温度（１５２０〜１６００℃）にまで加熱昇温し、焼結温度で、６０〜１２０分間加熱保持した後、通電冷却等により徐冷（１０℃／ｍｉｎ以下の冷却速度）することによって、溶融金属相中に溶け込んでいたＷが炭化物として析出してｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が形成される。しかし、１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度で、窒素と炭化水素の混合ガスが導入されないような場合、１５２０〜１６００℃の温度範囲、かつ、窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中で焼結、加熱保持が行われないような場合、あるいは、焼結後に徐冷されないような場合には、従来技術１で示される立方晶構造のη相が形成されるか、従来技術２で示される立方晶構造の（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相が形成されるのみであって、この発明におけるＷとの合量に占めるＣｏの含有割合が１〜８原子％である六方晶構造のｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が形成されることはない。なお、上記ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相形成のメカニズムは充分解明されているわけではないが、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が六方晶の結晶構造を有すること、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相には、Ｗとの合量に占める割合で１〜８原子％のＣｏが含有されていることは、透過式電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ）によって本発明者らは確認している。
（ｇ）ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相
上記金属結合相中に存在する、Ｗとの合量に占めるＣｏの含有割合が１〜８原子％である六方晶構造のｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相は、例えば、サーメットの焼成時、特に、サーメット原料粉末を真空下で加熱昇温し、１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度に達した時点で、窒素と炭化水素の混合ガス（例えば、Ｎ２−ＣＨ４混合ガス）を導入し、該窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中（窒素 ９５〜５０ｖｏｌ％−炭化水素５〜５０ｖｏｌ％，１〜５０Ｔｏｒｒ）で、焼結温度（１５２０〜１６００℃）にまで加熱昇温し、焼結温度で、６０〜１２０分間加熱保持した後、通電冷却等により徐冷（１０℃／ｍｉｎ以下の冷却速度）することによって、溶融金属相中に溶け込んでいたＷが炭化物として析出してｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が形成される。しかし、１４２０〜１４８０℃の範囲内のいずれかの温度で、窒素と炭化水素の混合ガスが導入されないような場合、１５２０〜１６００℃の温度範囲、かつ、窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中で焼結、加熱保持が行われないような場合、あるいは、焼結後に徐冷されないような場合には、従来技術１で示される立方晶構造のη相が形成されるか、従来技術２で示される立方晶構造の（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相が形成されるのみであって、この発明におけるＷとの合量に占めるＣｏの含有割合が１〜８原子％である六方晶構造のｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が形成されることはない。なお、上記ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相形成のメカニズムは充分解明されているわけではないが、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が六方晶の結晶構造を有すること、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相には、Ｗとの合量に占める割合で１〜８原子％のＣｏが含有されていることは、透過式電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ）によって本発明者らは確認している。
そして、上記ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相は、強靭な硬質相であって、しかも、図１に概略図示されるように、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で存在するため、サーメット工具の靭性を向上させると同時に、サーメット工具の耐塑性変形性を大幅に向上させる。ただ、金属結合相中に占めるｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相の面積割合が２面積％未満の場合には、靭性、耐塑性変形性向上効果を期待できず、一方、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相の面積割合が２０面積％を超える場合には、サーメットの焼結性の低下、強度低下が生じるため、金属結合相中に占めるｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相の面積割合、即ち、金属結合相の面積％を１００とした場合に、金属結合相中に占めるｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相の面積割合は２〜２０面積％と定めた。
（ｈ）ＷとＣｏの複合炭化物（（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ）からなる微細析出分散硬質相
サーメットの焼成に際し、前記１５２０〜１６００℃の温度範囲、かつ、窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中での焼結、加熱保持を行った後、徐冷を行うと、溶融金属相中に溶け込んでいたＷが炭化物として析出してｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が主体硬質相間隙に析出形成されるが、Ｃｏが多くＷＣ配合割合が少ない（Ｃｏ１５〜２０かつＷＣ２０〜２５重量％）サーメットの場合には、溶融金属相中に溶け込んでいたＷの一部が、ＷとＣｏの複合炭化物（（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ）として金属結合相中に微細に析出分散するようになる。そして、この（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散相は立方晶結晶構造を有する硬質相であって、サーメット工具の耐摩耗性を一段と向上させるが、金属結合相中に占める上記（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ微細析出分散硬質相の面積割合が２０面積％を超えると、靭性が急激に低下し、切刃に欠損が発生しやすくなり、一方、金属結合相中に占める上記（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ微細析出分散硬質相の面積割合が１面積％未満では、より一層の耐摩耗性向上効果を期待できないことから、金属結合相に占める立方晶結晶構造を有し（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相の面積割合を１〜２０面積％と定めた。
（ｈ）ＷとＣｏの複合炭化物（（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ）からなる微細析出分散硬質相
サーメットの焼成に際し、前記１５２０〜１６００℃の温度範囲、かつ、窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気中での焼結、加熱保持を行った後、徐冷を行うと、溶融金属相中に溶け込んでいたＷが炭化物として析出してｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相が主体硬質相間隙に析出形成されるが、Ｃｏが多くＷＣ配合割合が少ない（Ｃｏ１５〜２０かつＷＣ２０〜２５重量％）サーメットの場合には、溶融金属相中に溶け込んでいたＷの一部が、ＷとＣｏの複合炭化物（（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ）として金属結合相中に微細に析出分散するようになる。そして、この（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散相は立方晶結晶構造を有する硬質相であって、サーメット工具の耐摩耗性を一段と向上させるが、金属結合相中に占める上記（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ微細析出分散硬質相の面積割合が２０面積％を超えると、靭性が急激に低下し、切刃に欠損が発生しやすくなり、一方、金属結合相中に占める上記（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ微細析出分散硬質相の面積割合が１面積％未満では、より一層の耐摩耗性向上効果を期待できないことから、金属結合相に占める立方晶結晶構造を有し（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相の面積割合を１〜２０面積％と定めた。
なお、以下の実施例に示す条件等で焼成を行うことにより、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ）相が金属結合相中に２〜２０面積％、かつ、（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる微細析出分散硬質相が金属結合相中に１〜２０面積％存在する組織構造を得ることができる。
この発明のサーメット工具は、芯部と周辺部で構成された有芯構造および単独構造の主体硬質相と、残部がＣｏを主体とする金属結合相からなり、さらに、前記金属結合相中に、六方晶結晶構造を有しかつコバルトを１〜８原子％含有するｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相を、主体硬質相間の間隙を充填し、主体硬質相相互を結合するような形態で存在させ、あるいは、さらに（Ｗ，Ｃｏ）Ｃからなる立方晶結晶構造を有する微細析出分散硬質相を存在させたことにより、これを、各種鋼や鋳鉄などの高熱発生を伴う高速切削に用いた場合にも、すぐれた耐塑性変形性、耐熱衝撃性、耐欠損性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
つぎに、この発明のサーメット工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有する、ＴｉＣＮ粉末、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＶＣ粉末、Ｃｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、２００ＭＰａの圧力でＳＮＧＡ形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を、以下の焼結条件、すなわち、
（１）室温から、１４２０〜１４８０℃までの温度範囲内のいずれかの温度（ガス導入温度）までを、１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で加熱昇温し、
（２）表２に示すガス導入温度で、同じく表２に示す窒素と炭化水素の混合ガスを焼結炉内に導入し、該窒素−炭化水素混合ガス雰囲気中（１〜５０Ｔｏｒｒ）で、同じく表２に示す焼結温度（１５２０〜１６００℃）にまで加熱昇温し、該焼結温度にて同じく表２に示す時間だけ加熱保持を行い、
（３）上記焼結温度から、同じく表２に示す冷却速度で室温にまで徐冷する、
以上（１）〜（３）の工程からなる条件で焼結し、表３に示されるＩＳＯ規格・ＳＮＧＡ１２０４０８のチップ形状で、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施した本発明サーメット工具１〜１０をそれぞれ製造した。
（１）室温から、１４２０〜１４８０℃までの温度範囲内のいずれかの温度（ガス導入温度）までを、１０Ｐａ以下の真空雰囲気中、２℃／ｍｉｎ．の速度で加熱昇温し、
（２）表２に示すガス導入温度で、同じく表２に示す窒素と炭化水素の混合ガスを焼結炉内に導入し、該窒素−炭化水素混合ガス雰囲気中（１〜５０Ｔｏｒｒ）で、同じく表２に示す焼結温度（１５２０〜１６００℃）にまで加熱昇温し、該焼結温度にて同じく表２に示す時間だけ加熱保持を行い、
（３）上記焼結温度から、同じく表２に示す冷却速度で室温にまで徐冷する、
以上（１）〜（３）の工程からなる条件で焼結し、表３に示されるＩＳＯ規格・ＳＮＧＡ１２０４０８のチップ形状で、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施した本発明サーメット工具１〜１０をそれぞれ製造した。
比較の目的で、表１で示される配合組成の圧粉体を、表４に示される
条件（ａ）：窒素雰囲気、
条件（ｂ）：アルゴン雰囲気
のいずれかの雰囲気ガス中で焼結した以外は、上記焼結条件（１），（３）と実質的に同一の条件で、表５に示される比較サーメット工具１〜５を製造した（従来技術１に対応）。
また、さらに比較の目的で、上記焼結条件（１）で加熱昇温した後、窒素雰囲気中で焼結し、表４に示される
条件（ｃ）：Ｈｅガス吹き付けにより７００℃まで急冷し、１１００℃×１２０ｍｉｎで再加熱後炉冷する、
条件（ｄ）：Ｈｅガス吹き付けにより７００℃まで急冷し、１２５０℃×３０ｍｉｎで再加熱後炉冷する、
のいずれかの条件で再加熱し、表５に示される比較サーメット工具６〜１０を製造した（従来技術２に対応）。
条件（ａ）：窒素雰囲気、
条件（ｂ）：アルゴン雰囲気
のいずれかの雰囲気ガス中で焼結した以外は、上記焼結条件（１），（３）と実質的に同一の条件で、表５に示される比較サーメット工具１〜５を製造した（従来技術１に対応）。
また、さらに比較の目的で、上記焼結条件（１）で加熱昇温した後、窒素雰囲気中で焼結し、表４に示される
条件（ｃ）：Ｈｅガス吹き付けにより７００℃まで急冷し、１１００℃×１２０ｍｉｎで再加熱後炉冷する、
条件（ｄ）：Ｈｅガス吹き付けにより７００℃まで急冷し、１２５０℃×３０ｍｉｎで再加熱後炉冷する、
のいずれかの条件で再加熱し、表５に示される比較サーメット工具６〜１０を製造した（従来技術２に対応）。
この結果得られた本発明サーメット工具１〜１０および比較サーメット工具１〜５，６〜１０について、これを構成するサーメットの組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察するとともに、また、金属結合相中に存在する析出相の面積割合（但し、金属結合相を１００とした場合の面積割合）、結晶構造、形態を走査型電子顕微鏡を用いた電子線後方散乱回折装置（ＳＥＭ−ＥＢＳＤ）で、また、ｈ−（Ｗ，Ｃｏ）Ｃ相中のＣｏ含有割合（原子％）については、透過式電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ）で測定し、その測定結果をそれぞれ表３、５に示した。
つぎに、上記の本発明サーメット工具１〜１０および比較サーメット工具１〜５，６〜１０について、これをいずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度： ６００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．５ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １５ 分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、３００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ４００の丸棒、
切削速度： ８００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ２０ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での軟鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、３５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の丸棒、
切削速度： ９００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は、４００ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度： ６００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．５ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １５ 分、
の条件（切削条件Ａという）での炭素鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、３００ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＳ４００の丸棒、
切削速度： ８００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： ２０ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での軟鋼の湿式連続高速切削試験（通常の切削速度は、３５０ｍ／ｍｉｎ）、
被削材：ＪＩＳ・ＦＣ２００の丸棒、
切削速度： ９００ ｍ／ｍｉｎ、
切り込み： ０．５ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間： １０ 分、
の条件（切削条件Ｃという）での鋳鉄の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は、４００ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表６に示した。
上述のように、この発明のサーメット工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の条件での切削加工は勿論のこと、高熱発生を伴う厳しい切削条件である高速切削加工でもすぐれた耐塑性変形性、耐熱衝撃性、耐欠損性とともにすぐれた耐摩耗性を発揮し、使用寿命の延命化が実現され、その結果、切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
Claims (2)
- （ａ）重量％で、
炭化タングステン：２０〜３０％、
炭化タンタル、炭化ニオブおよび炭化バナジウムのうちの１種又は２種以上：５〜１０％、
コバルト：１０〜２０％
炭窒化チタンおよび不可避不純物：残部、
の配合組成、
（ｂ）チタン炭窒化物、チタンを主体とする炭窒化物またはチタンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物からなる芯部と、チタンとタングステンとＭ（ただし、Ｍは、タンタル、ニオブおよびバナジウムのうちの１種又は２種以上を示す）を主体とする炭窒化物からなる周辺部で構成された有芯構造の硬質相、チタン炭窒化物単独構造の硬質相およびチタンとタングステンと上記Ｍを主体とする炭窒化物の単独構造の硬質相からなる主体硬質相：７０〜９５面積％、残部がＣｏを主体とする金属結合相：３０〜５面積％からなる組織構造、
を有する炭窒化チタン基サーメット製切削工具において、
（ｃ）上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に、タングステンとの合量に占めるコバルトの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相を、２〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させたことを特徴とする炭窒化チタン基サーメット製切削工具。 - 請求項１記載の炭窒化チタン基サーメット製切削工具において、
上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に、タングステンとの合量に占めるコバルトの含有割合が１〜８原子％である六方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物相を、２〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させ、かつ、立方晶結晶構造を有するタングステンとコバルトの複合炭化物からなる微細析出分散硬質相を１〜２０面積％（但し、上記Ｃｏを主体とする金属結合相の面積％を１００とした場合に、上記Ｃｏを主体とする金属結合相中に占める面積割合）存在させたことを特徴とする請求項１記載の炭窒化チタン基サーメット製切削工具。
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