JP6439975B2 - サーメットの製造方法 - Google Patents
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Description
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
実施形態に係るサーメットは、硬質相と、硬質相を結合する結合相と、不可避不純物とにより構成される。不可避不純物は、原料に含有したり、製造工程で混入したりする、酸素やppmオーダーの金属元素が挙げられる。このサーメットの主たる特徴とするところは、サーメット中の硬質相の粒度が実質的に均一である点にある。
(組成)
硬質相は、周期表4,5,6族金属から選ばれる少なくとも1種の金属元素と炭素(C)及び窒素(N)の少なくとも1種の元素との化合物、すなわち上記金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物及びこれらの固溶体から選択される少なくとも1種を含む。特に、本実施形態のサーメットは、Ti炭窒化物(TiCN)及びTiを含む炭窒化物固溶体を少なくとも含有するTiCN基サーメットである。硬質相は、以下の第一硬質相、第二硬質相、及び第三硬質相という組成が異なる3種を含有することが好ましい。これら3種の硬質相の存在形態は、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)による顕微鏡写真の濃淡により容易に判別できる。また、各硬質相の組成は、SEM−EDX装置(SEM…Scanning Electron Microscope、EDX…Energy−dispersive X−ray Spectroscopy)を用いて定量分析が可能である。
第一硬質相は、芯部と、この芯部の周囲の全体を覆う周辺部と、を有する有芯構造の硬質相である。芯部は、TiC、TiN、及びTiCNの少なくとも一つを主成分として構成される。例えば、芯部は、実質的にTi化合物のみで構成されることが挙げられる。特に、芯部は、実質的にTiCNのみで構成されることが挙げられる。具体的には、TiCNを80質量%以上、さらに90質量%以上含有する。また、芯部におけるTiの含有量は、60質量%以上、さらに70質量%以上であることが挙げられる。周辺部は、Tiと、Ti以外の周期表4,5,6族金属から選ばれる少なくとも1種の金属と、の複合化合物固溶体で構成される。特に、周辺部は、Tiと、W、Mo、Ta、Nb、及びCrの少なくとも一種と、を含む複合化合物固溶体(複合炭窒化物固溶体)で構成されることが挙げられる。周辺部の具体的な組成は、例えば、(Ti,W)CN、(Ti,W,Mo)CN,(Ti,W,Nb)CN,(Ti,W,Mo,Nb)CNなどが挙げられる。周辺部におけるTiの含有量は、10質量%以上、さらに20質量%以上であることが挙げられる。また、周辺部におけるW,Mo,Ta,Nb,Crの合計含有量は、40質量%以上、さらに50質量%以上であることが挙げられる。第一硬質相は、高硬度な芯部の周囲の全体に亘って結合相と良好な濡れ性を有する周辺部が存在することで、サーメット中の巣の発生を低減して組織の均質化を図ることができ、硬度を安定化させることができる。また、結合相が均一的に存在する組織とできることで、耐欠損性を向上できる。従って、サーメット中に第一硬質相が存在することで、特に、耐摩耗性及び耐欠損性を向上することができる。
第二硬質相は、TiC、TiN、及びTiCNの少なくとも一つを主成分として構成される単相構造の硬質相である。例えば、第二硬質相は、実質的にTi化合物のみで構成されることが挙げられる。特に、第二硬質相は、実質的にTiCNで構成されることが挙げられる。具体的には、TiCNを80質量%以上、さらに90質量%以上含有する。Tiの含有量は、60質量%以上、さらに70質量%以上であることが挙げられる。第二硬質相は、第一硬質相に比較してTiを多く含むことにより、硬度が高く、かつ被削材に汎用される鋼との反応性が低い。従って、サーメット中に第二硬質相が存在することで、特に、耐摩耗性及び耐凝着性を向上することができる。
第三硬質相は、Tiと、Ti以外の周期表4,5,6族金属から選ばれる少なくとも1種の金属と、の複合化合物固溶体で構成される単相構造の硬質相である。特に、第三硬質相は、Tiと、W、Mo、Ta、Nb、及びCrの少なくとも一種と、を含む複合化合物固溶体(複合炭窒化物固溶体)で構成されることが挙げられる。第三硬質相の具体的な組成は、例えば、(Ti,W)CN、(Ti,W,Mo)CN,(Ti,W,Nb)CN,(Ti,W,Mo,Nb)CNなどが挙げられる。第三硬質相におけるTiの含有量は、10質量%以上、さらに20質量%以上であることが挙げられる。また、第三硬質相におけるW,Mo,Ta,Nb,Crの合計含有量は、40質量%以上、さらに50質量%以上であることが挙げられる。特に、第三硬質相がWを含んでいる場合、高い硬度を維持したまま破壊靭性の向上が望める。また、第三硬質相は、硬度が若干低下するものの、硬度が一様なことで硬質相内での亀裂進展が起こり難く、Wを含むことで熱伝導性が高い。従って、サーメット中に第三硬質相が存在することで、特に、耐欠損性及び耐熱亀裂性を向上することができる。
本実施形態のサーメットの主たる特徴は、サーメットの任意の断面において硬質相が200個以上含まれる観察視野をとったとき、この観察視野内に存在する硬質相のうち、全硬質相数に対して70%以上の硬質相の粒径が、全硬質相の平均粒径の±30%以内(設定粒径範囲内)であることにある。つまり、本実施形態のサーメットは、硬質相の粒度が実質的に均一である。サーメット中の硬質相の粒度が実質的に均一であることで、硬質相への応力集中が緩和され、欠損時の破壊起点の発生を低減でき、耐欠損性を向上することができる。よって、切削速度や送り量の大きい断続切削のような過酷な切削環境下においても優れた耐欠損性を有することができる。サーメット中の硬質相の粒度がより均一的であることで、さらに耐欠損性を向上することができるため、硬質相全体に占める設定粒径範囲内の硬質相の割合は、75%以上、さらに80%以上であることが好ましい。また、設計粒径範囲は、範囲が狭いほどサーメット中の硬質相の粒度をより均一的にできるため、全硬質相の平均粒径の±25%以内、さらに全硬質相の平均粒径の±20%以内であることが好ましい。
結合相は、Ni及びCoの少なくとも一方を含み、上記硬質相を結合させる。結合相は、実質的にNi及びCoの少なくとも一方で構成されているが、硬質相の構成元素(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Cr,C,N)や、不可避不純物を含んでいてもよい。
上述したサーメットによれば、サーメット中の硬質相の粒度が実質的に均一であるため、切削速度や送り量の大きい断続切削のような過酷な切削環境下においても優れた耐欠損性を有することができる。
[基材]
切削工具の基材には、上記サーメットを用いることができる。上記サーメットは、過酷な切削環境下においても優れた耐欠損性を有するため、切削工具の基材材料に好適である。切削工具の形態は特に限定されず、例えば刃先交換型の切削チップや、ドリル、リーマなどが挙げられる。
上記基材は、その表面の少なくとも一部に被覆された硬質膜を備えてもよい。基材に硬質膜が被覆されることで、基材の抗折力を維持したまま、耐摩耗性を向上させることができる。また、基材に硬質膜が被覆されることで、基材の刃先にチッピングが生じ難くなることから、被削材の仕上げ面の状態を良好にすることができる。硬質膜の被覆箇所は、少なくとも刃先及びその近傍であることが好ましく、基材表面の全面に亘っていてもよい。硬質膜の層数は、単層でも多層でもよい。硬質膜の膜厚(多層の場合は合計厚さ)は、1〜20μmが好ましい。硬質膜の形成方法は、熱CVD法といった化学蒸着法(CVD法)、アークイオンプレーティング法といった物理蒸着法(PVD法)のいずれも利用できる。
上述の切削工具によれば、上述のサーメットを基材とすることで、過酷な切削環境下においても耐欠損性に優れる。そのため、連続切削は勿論、連続切削よりも切削環境の過酷な断続切削でも好適に利用できる。
本実施形態のサーメットの製造方法は、準備工程と混合工程と成形工程と焼結工程とを備える。準備工程は、第一の硬質相原料粉末と第二の硬質相原料粉末と結合相原料粉末とを準備する。混合工程は、準備工程で準備した各粉末を混合して混合粉末を作製する。成形工程は、混合粉末を成形して成形体を作製する。焼結工程は、成形体を焼結する。このサーメットの製造方法の主たる特徴とするところは、準備する第一の硬質相原料粉末が、特定の出発原料からなる点と、平均粒径が特定の範囲を満たし、かつ粒度分布の標準偏差が小さい点とにある。
準備工程で準備する第一の硬質相原料粉末と第二の硬質相原料粉末と結合相原料粉末の配合割合は、目的とするサーメットの特性に応じて適宜選択できる。例えば、第一の硬質相原料粉末:第二の硬質相原料粉末は、質量比で4:1〜1:1が挙げられ、両硬質相原料粉末:結合相原料粉末は、質量比で9:1〜7:1が挙げられる。
第一の硬質相原料粉末は、Ti炭化物(TiC)、Ti窒化物(TiN)、およびTi炭窒化物(TiCN)の少なくとも一種を含む。例えば、TiCN粉末を用いると、上述のサーメットの第一硬質相及び第二硬質相の生成に好適である。
第二の硬質相原料粉末は、周期表4,5,6族金属(ただしTiを除く)から選ばれる少なくとも一種の金属、具体的には、W,Mo,Ta,Nb,およびCrから選択される少なくとも一種を含むことが挙げられる。この第二の硬質相原料粉末の存在形態は、これらの少なくとも一種の金属と、炭素(C)及び窒素(N)の少なくとも一種の元素との化合物(例えば、炭化物粉末や炭窒化物粉末、固溶体粉末など)からなることが挙げられる。この周期表4,5,6族金属(ただしTiを除く)の炭化物粉末や炭窒化物粉末、固溶体粉末などと上述のTiCN粉末とを用いると、上述のサーメットの第一硬質相及び第三硬質相の生成に好適である。
結合相原料粉末は、上述のサーメットの結合相を構成する。結合相原料粉末は、CoおよびNiの少なくとも一方の鉄族金属を含む。結合相原料粉末の平均粒径は、0.5μm以上3.0μm以下が好ましく、2.0μm以下、さらには1.0μm以下としてもよい。結合相原料粉末の平均粒径を0.5μm以上とすることで、焼結した際、サーメットの硬質相間に結合相を行き渡らせ易く、硬質相と強固に結合させられる。結合相原料粉末の平均粒径を3.0μm以下とすることで、焼結した際、硬質相間の間隔が広くなり難く緻密なサーメットを作製し易い。
混合工程では、第一の硬質相原料粉末と、第二の硬質相原料粉末と、結合相原料粉末とをアトライターなどの混合機で混合して混合粉末を作製する。この混合時には必要に応じて成形助剤(例えば、パラフィン)を添加してもよい。
成形工程では、上記混合粉末を金型に充填し、プレス成形して成形体を作製する。プレス圧力は、原料粉末の組成によって適宜変更することができ、例えば50MPa以上250MPa以下が挙げられる。プレス圧力は、90MPa以上110MPa以下がより好ましい。
焼結工程では、上記成形体を焼結して焼結体を作製する。この焼結工程では、段階的な焼結を行うことが好ましい。例えば、成形助剤の除去期間、第一昇温期間、第二昇温期間、保持期間、第一冷却期間、第二冷却期間を有する焼結を行うことが挙げられる。
上述したサーメットの製造方法によれば、Ti酸化物を出発原料とすると共に、平均粒径が0.5μm以上5.0μm以下、かつ粒度分布の標準偏差が1.5μm以下の第一の硬質相原料粉末を用いることで、サーメットの硬質相の粒度を実質的に均一にし易い。その上、焼結時に第一の硬質相原料粉末に対して結合相原料粉末を強固に結び付け易い上に、第一の硬質相原料粉末の粒度を維持し易い。そのため、硬質相への応力集中を緩和できて、欠損時の破壊起点が発生し難いサーメットを製造できる。その上、抗折力の平均値が高くて製品間の抗折力のばらつきの小さいサーメットを製造できる。従って、過酷な切削環境下においても耐欠損性に優れる切削工具が得られるサーメットを製造できる。その上、突発的な欠損を抑制できて製品間の耐欠損性のばらつきの小さい切削工具が得られるサーメットを製造できる。
サーメットを実際に作製し、サーメットの組成・組織、粒度、及び靱性・硬度を調べた。
試料1〜8、101〜103のサーメットの作製は、準備工程→混合工程→成形工程→焼結工程の順に行なった。
(第一の硬質相原料粉末)
第一の硬質相原料粉末として、TiCN:0.7〜1.4μm、TiC:1.2μmを用意した。平均粒径は、フィッシャー法によって測定した。平均粒径の測定方法は、第二の硬質相原料粉末及び結合相原料粉末でも同様である。上記TiCN粉末については、表1に示す標準偏差のものを用いた。標準偏差は、マイクロトラック法による粒度分布測定により求めた。標準偏差の測定方法は、後述する試験例4のTi酸化物の粉末でも同様である。
第二の硬質相原料粉末として、WC粉末、Mo2C粉末、NbC粉末、TaC粉末、Cr3C2粉末を用意した。用意した各粉末の平均粒径は、WC:1.2μm、Mo2C:1.2μm、NbC:1.0μm、TaC:1.0μm、Cr3C2:1.4μmである。
結合相原料粉末として、Co粉末とNi粉末とを用意した。用意した各粉末の平均粒径は、Co:0.7μm、Ni:2.6μmである。
表1に示す質量割合となるように第一の硬質相原料粉末と第二の硬質相原料粉末と結合相原料粉末とを配合し、更に溶媒であるエタノールと、成形助剤であるパラフィンとをアトライターによって混合し、スラリー状の混合原料を作製した。パラフィンの配合量は、全体の2質量%とした。アトライターによる混合条件は、周速250m/minで1.5〜15時間(試料No.1〜3,6,7,103は1.5時間、試料No.4,5,8,101は15時間、試料No.102は5時間)とした。原料粉末のスラリーから溶媒を揮発させて、混合粉末を得た。
作製した混合粉末を金型内に充填し、98MPaの圧力でプレス成形して成形体を作製した。成形体の形状は、ISO規格のSNG432とした。
作製した上記成形体を焼結した。具体的には、まず成形体を370℃まで加熱し、成形助剤であるパラフィンを除去した(除去期間)。次いで、真空雰囲気にて1200℃まで成形体を昇温した(第一昇温期間)。そして、窒素分圧を10.0kPaとした窒素雰囲気にて1500℃まで成形体を昇温し(第二昇温期間)、その状態で成形体を1時間保持した(保持期間)。その後、真空雰囲気で1150℃まで冷却し(第一冷却期間)、さらに、窒素雰囲気にて室温まで加圧冷却を行ない(第二冷却期間)、焼結体(サーメット)を得た(試料No.1〜8、101〜103)。
得られた各試料のサーメットの断面をSEM(日本電子株式会社製 JSM−7000F)により調べた。代表して、試料No.1のサーメットのSEM写真(5000倍)を図1に示す。その結果、黒色の粒子(第一硬質相)、黒色の粒子の周囲の全体が灰色の領域に覆われている粒子(第二硬質相)、灰色の粒子(第三硬質相)が確認された。各粒子間には、結合相が存在することも確認された。
また、得られた各試料のサーメットについて、SEM写真(5000倍)と、画像解析装置:Mac−VIEW(株式会社マウンテック製)とを用いて、サーメットの任意の断面において硬質相が200個以上含まれる観察視野(33μm×25μm)を取得し、この観察視野内の各硬質相の粒径と、全硬質相の平均粒径と、を求めた。各硬質相の粒径は、この観察視野において、各硬質相について、水平方向のferet径と垂直方向のferet径とを測定して、その平均値とした。また、全硬質相の平均粒径は、上記観察視野において、全硬質相のそれぞれについて測定して求めたferet径の平均値を合算して、測定硬質相数で除することで求めた。そして、全硬質相のうち、全硬質相の平均粒径の±30%以内(設定粒径範囲内)の粒径を有する硬質相の数を調べ、全硬質相に占める設定粒径範囲内の硬質相の割合を調べた。全硬質相の平均粒径と、全硬質相に占める設定粒径範囲内の硬質相の割合の、各結果を表1に併せて示す。
得られた各試料のサーメットについて、靱性(MPa・m1/2)、及びビッカース硬度(GPa)を、それぞれJIS R 1607(1995年)、及びJIS Z 2244(2009年)に従って求めた。その結果を表1に併せて示す。
試験例2では、サーメットの組成・組織、粒度、及び靱性・硬度に及ぶ焼結工程の影響を調べた。具体的には、焼結温度と窒素分圧との影響を調べた。
上記試験例1及び試験例2で得られた一部の試料を用いて切削工具を作製し、作製した切削工具で実際に切削試験を行った。切削試験は、耐欠損性試験である。
試験例1と同様に準備工程→混合工程→成形工程→焼結工程の順に各工程を経て、試料21〜25のサーメットを作製し、サーメットの抗折力と、このサーメットでできた切削加工の切削性能(欠損確率)とを調べた。
[準備工程]
第一の硬質相原料粉末として、表4に示す平均粒径でかつ標準偏差のTiCN粉末を用意した。試料21〜25のTiCN粉末の準備は、以下のようにして作製することで行った。試料21〜23のTiCN粉末の作製は、平均粒径が1.2μmで、標準偏差が1.2μmのTi酸化物の粉末と炭素粉末とを混合し、窒素雰囲気下、1700℃で1時間の熱処理を施すことで行った。試料24,25のTiCN粉末の作製は、Ti酸化物の粉末の平均粒径及び標準偏差をそれぞれ0.7μm及び0.3μmとした点を除き、試料21と同様にして行った。第二の硬質相原料粉末と結合相原料粉末は、試験例1と同じ種類で同じ平均粒径のものを用意した。
混合工程では、アトライターによる混合条件を周速250m/minで5時間とした点を除き、試験例1と同様にして表4に示す質量割合となるように各粉末を混合した。
成形工程では、試験例1と同様にして同様の形状の成形体を作製した。
焼結工程では、第二昇温期間において、窒素分圧を5.0kPaとした窒素雰囲気にて1450℃まで成形体を昇温した点を除き、試験例1と同様にして焼結体(サーメット)を得た(試料21〜25)。
試料211、212はそれぞれ、表4に示すように標準偏差が1.5μm超(ここではいずれも2.5μm)のTiCN粉末を用いた点が試料21との主たる相違点である。試料211、212のTiCN粉末の作製はそれぞれ、Ti酸化物の粉末の平均粒径及び標準偏差を2.7μm及び2.5μmとした点を除き、試料21と同様にして行った。
試料213は、表4に示すように標準偏差が1.5μm超(ここでは2.1μm)のTiCN粉末を用いた点と、TiCN粉末に対してCoとNiとが合計で0.1〜0.3質量%含まれている点とが試料21との主たる相違点である。試料213のTiCN粉末を作製は、平均粒径及び標準偏差が1.8μm及び2.1μmのTi酸化物の粉末と炭素粉末に加えて、得られるTiCN粉末に対してCoとNiとの合計が0.1〜0.3質量%となるようにCoとNiとを添加し、窒素雰囲気中、1700℃で0.5時間の熱処理を施すことで行った。
試料221〜223は、TiCN粉末の出発原料がTi酸化物ではなく、水酸化Tiの粉末である点と、表4に示すようにTiCN粉末の粒度分布における標準偏差が1.5μm超(ここではいずれも3.2μm)である点とが試料21との主たる相違点である。試料221〜223のTiCN粉末の作製は、平均粒径が1.4μmで、標準偏差がいずれも3.2μmの水酸化Tiの粉末と炭素粉末とを混合し、窒素雰囲気下、1700℃で0.5時間の熱処理を施すことで行った。
各試料21〜25,211〜213,221〜223のサーメットの抗折力を測定した。ここでは、各試料のサーメットを8個ずつ用意し、8個の抗折力の平均値及び抗折力の標準偏差を測定した。その結果を表1に示す。抗折力の測定は、「ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法 JIS R 1601(2008)」に準拠して行った。
各試料のサーメットを基材とする切削工具を作製し、作製した切削工具で切削試験を行なった。サーメットに研削加工(平面研磨)を施した後、刃先処理加工を施してチップを得た。そして、そのチップをバイトの先端に固定し、切削工具を得た。得られた切削工具を用いて表5に示す条件で断続切削加工を行ない、切削性能を調べた。ここでは、切削性能として欠損確率((欠損数/8個)×100)を求め、製品間の耐欠損性のばらつきに関して評価した。その結果を表6に示す。
Claims (2)
- Ti炭化物、Ti窒化物、及びTi炭窒化物の少なくとも一種を含む第一の硬質相原料粉末と、W、Mo、Ta、Nb、及びCrから選択される少なくとも一種を含む第二の硬質相原料粉末と、Co及びNiの少なくとも一方を含む結合相原料粉末とを準備する準備工程と、
前記第一の硬質相原料粉末と、前記第二の硬質相原料粉末と、前記結合相原料粉末とをアトライターで混合して混合粉末を作製する混合工程と、
前記混合粉末を成形して成形体を作製する成形工程と、
前記成形体を焼結する焼結工程とを備え、
前記第一の硬質相原料粉末は、Ti酸化物を出発原料とし、平均粒径が0.5μm以上5.0μm以下、かつ粒度分布の標準偏差が1.5μm以下であるサーメットの製造方法。 - 前記焼結工程では、窒素分圧を5.0kPa以上10.0kPa以下とする窒素雰囲気下、前記成形体を1300℃以上1500℃以下に加熱する請求項1に記載のサーメットの製造方法。
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