JP5393044B2

JP5393044B2 - サーメット

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Publication number: JP5393044B2
Application number: JP2008077153A
Authority: JP
Inventors: 隆司徳永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP2009228085A

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も特性の改善が試みられており、Ｘ線回折測定の回折パターンに着目したサーメットの特性改善も検討されている。

例えば、特許文献１では、サーメットの表面におけるＸ線回折にて、硬質分散相のピーク強度Ｉｍ／鉄族金属のピーク強度Ｉｃの比率を１．１〜３．０とし、かつ低角度側にハローパターンを存在させたサーメット製切削工具が開示されている。また、特許文献２では、結合相のピーク強度（Ｉ結合相）／硬質相のピーク強度（Ｉ硬質相）の比率を内部に対して表面で０．０１以上０．７以下としたサーメット工具が開示されている。
特開平０７−９６４０７号公報特開平１１−７１６２７号公報

しかしながら、上記特許文献１、２のように硬質相と結合相（鉄族金属）とのピーク強度の比率を表面にて変化させただけでは、サーメットの硬度と靭性の改善に限界があった。

そこで、本発明の切削工具は上記問題を解決するためのものであり、その目的は、サーメットの耐欠損性を高めることにある。

本発明のサーメットは、ＣｏおよびＮｉを含有するとともに、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、周期表第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種以上とを含有するサーメットであって、ＣｏとＮｉとの含有比（Ｃｏ含有量（質量％）／Ｎｉ含有量（質量％））が１．１〜４．０であるとともに、粉砕した粉末のＸ線回折測定による回折パターンにおいてＣｏに起因するピークとＮｉに起因するピークとが分かれて存在し、かつＣｏの（２２０）面のピーク強度Ｉ_ＣｏとＮｉの（２２０）面のピーク強度Ｉ_Ｎｉとの比Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０より大きく０．５以下であることを特徴とする。

ここで、上記構成において、前記サーメットの組成は、Ｃｏを５〜１５質量％、Ｎｉを２〜１０質量％、ＴｉＣＮを４０質量％以上、ＶＣを１〜３質量％、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％の割合で含有することが望ましい。中でも、ＣｏおよびＮｉの合計質量％に対するＶＣの含有比率（ＶＣ／結合相）が０．１〜０．２であることが望ましい。

本発明のサーメットは、ＣｏおよびＮｉをＣｏ含有量／Ｎｉ含有量の比が質量％で１．１〜４．０となる割合で含有するのに対して、Ｘ線回折測定による回折パターンにおいてＣｏの（２２０）面のピーク強度Ｉ_ＣｏとＮｉの（２２０）面のピーク強度Ｉ_Ｎｉとの比Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０より大きく０．５以下と従来のサーメットに比べＩ_Ｃｏのみが低いものであり、このようになる理由は明らかでないが、サーメットの耐欠損性および耐熱衝撃性が向上する。

ここで、上記構成において、前記サーメットの組成は、Ｃｏを５〜１５質量％、Ｎｉを２〜１０質量％、ＴｉＣＮを４０質量％以上、ＶＣを１〜３質量％、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％の割合で含有するものであることが、サーメットの耐摩耗性と耐欠損性を両立させる点で望ましい。中でも、ＣｏおよびＮｉの合計質量％に対するＶＣ質量％の含有比率（ＶＣ／結合相）が０．１〜０．２である場合に上記Ｉ_Ｃｏ値の制御を容易にできる。

本発明のサーメット（以下、単にサーメットと略す。）は、ＣｏおよびＮｉを含有するとともに、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、周期表第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種以上とを含有する構成からなる。

そして、本発明のサーメットは、ＣｏとＮｉとの含有比（Ｃｏ含有量（質量％）／Ｎｉ含有量（質量％）：以下、単にＣｏ／Ｎｉと略す。）が１．１〜４．０であるとともに、図１〜３に示すこのサーメットを粉砕した粉末のＸ線回折測定による回折パターンにおいて、Ｃｏに起因するピークとＮｉに起因するピークとが分かれて存在するとともに、Ｃｏの（２２０）面のピーク強度Ｉ_ＣｏとＮｉの（２２０）面のピーク強度Ｉ_Ｎｉとの比Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０より大きく０．５以下であることが大きな特徴である。そして、この構成であるとサーメットの耐欠損性および耐熱衝撃性が向上する。

ここで、Ｃｏ／Ｎｉが１．１よりも小さいとサーメットの耐熱衝撃性が低下する。また、Ｃｏ／Ｎｉが４．０を超えるとサーメットの焼結性が損なわれて焼肌面が荒れてしまう。Ｃｏ／Ｎｉの望ましい範囲は２．０〜４．０である。

また、Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０、すなわちＩ_Ｃｏが検出されず、特にＣｏとＮｉとの固溶体のピークのみが検出される場合には、サーメットの耐欠損性が低下する。逆にＩ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０．５よりも大きいとサーメットの耐欠損性が低下する。Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉの望ましい範囲は０．２〜０．４である。

なお、上記ピーク強度の比較においては（２２０）面を用いたが、（１１１）面同士を比較した場合でも同様にＣｏに起因するピーク強度の低下が見られる。（２２０）面を用いた理由は、（１１１）面を用いるとピーク間の間隔が狭くてピークが重なってしまうためピーク分離をして計算する必要があり、（２２０）面を用いるとピーク分離をしなくてもピーク強度を容易に見積もることができて見積もり誤差も小さくなるためである。また、理由は不明であるが、ＣｏおよびＮｉに起因する（２００）面においてはＮｉのピーク強度も低下している。

ここで、上記組成において、ＣｏおよびＮｉの合計含有量に対するＶＣ含有量の比（ＶＣ含有量（質量％）／ＣｏおよびＮｉの合計含有量（質量％））が０．１〜０．２である場合には上記Ｉ_Ｃｏ値の制御を容易にできる。

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％、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％の割合で含有すること組成であり、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、所望により平均粒径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、Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉの比率を所望の比率に制御しにくくなる。（ｆ）工程の冷却速度が１５℃／分より速いとＣｏに起因するピークとＮｉに起因するピークに分離することなく１本のピークとして現れてしまい、（ｆ）工程の冷却速度が５℃／分より遅いとＩ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉを所定の比率に制御することが難しい。

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、サーメット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、ＣｏとＮｉの比率を算出した。また、サーメットの粉砕粉末を用いて回折角度２θ＝３０〜８０°の範囲でＸ線回折測定を行い、回折チャートからＣｏ（２２０）面に起因するピーク強度Ｉ_ＣｏとＮｉ（２２０）面に起因するピーク強度Ｉ_Ｎｉを比較してＩ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉ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
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

表１〜３より、Ｎｉを含まない試料Ｎｏ．１１では焼結不足になり摩耗、欠損とも悪いものであった。また、Ｃｏ／Ｎｉが５を超える試料Ｎｏ．１０および試料Ｎｏ．７〜９では、いずれもＩ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０．５よりも大きくなり、耐欠損性が低下した。さらに、工程（ｆ）での冷却速度が１５℃／分よりも速い試料Ｎｏ．１２ではＣｏに起因するピークとＮｉに起因するピークに分離することなく１本のピークとして現れ、その他の焼成条件が合わない試料Ｎｏ．１３〜１５でもＩ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０．５よりも大きくなって、いずれも耐欠損性が悪いものであった。

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。

本発明のサーメット（ｂ）および従来のサーメット（ａ）（ｃ）を粉砕した粉末についてＸ線回折測定を行った際のそれぞれの回折チャートを示す。図１の回折チャートについて、回折角度（２θ）＝４３〜４５°についての拡大図を示す。図１の回折チャートについて、回折角度（２θ）＝７０〜８０°についての拡大図を示す。

符号の説明

Ｉ_Ｃｏ：Ｃｏ（２２０）面に起因するピーク強度
Ｉ_Ｎｉ：Ｎｉ（２２０）面に起因するピーク強度

Claims

ＣｏおよびＮｉを含有するとともに、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれかを主とし、周期表第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種以上とを含有するサーメットであって、ＣｏとＮｉとの含有比（Ｃｏ含有量（質量％）／Ｎｉ含有量（質量％））が１．１〜４．０であるとともに、粉砕した粉末のＸ線回折測定による回折パターンにおいてＣｏに起因するピークとＮｉに起因するピークとが分かれて存在し、かつＣｏの（２２０）面のピーク強度Ｉ_ＣｏとＮｉの（２２０）面のピーク強度Ｉ_Ｎｉとの比Ｉ_Ｃｏ／Ｉ_Ｎｉが０より大きく０．５以下であることを特徴とするサーメット。
Ｃｏを５〜１５質量％、Ｎｉを２〜１０質量％、ＴｉＣＮを４０質量％以上、ＶＣを１〜３質量％、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％の割合で含有することを特徴とする請求項１記載のサーメット。
ＣｏおよびＮｉの合計含有量に対するＶＣ含有量の比（ＶＣ含有量（質量％）／ＣｏおよびＮｉの合計含有量（質量％））が０．１〜０．２であることを特徴とする請求項２記載のサーメット。