JPH02228474A

JPH02228474A - 被覆焼結合金

Info

Publication number: JPH02228474A
Application number: JP4824789A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Kondo; 博喜近藤; Yasuro Taniguchi; 泰朗谷口; Mitsuo Ueki; 植木　光生; Keiichi Kobori; 小堀　景一
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-09-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、切削工具用材料又は耐摩耗工具用材料として
適する被覆焼結合金に関し、具体的にはよ鋼、鋳鉄又は
非鉄金属などの被削材の中でも、特に耐熱合金やＴｉ合
金などの難削性材料（以下、！！Ｉ削材という）を切削
するときにすぐれた効果なだ揮する被覆焼結合金に関す
るものである。

（従来の技術）従来、焼結合金の基材表面に周期律表の４ａ。

５ａ、　６ａ族の金属の炭化物、窒化物及びそれらの相
互固溶体又は酸化アルミニウムなどの被膜を被覆してな
る被覆焼結合金は、一般にＪＩＳ　１３４１０４の使用
分類記号で分類された超硬合金を主とした基材が用いら
れている。

このような従来の超硬合金基材の表面に物理蒸着法（以
下、　ＰＶＤ法という）や化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法
という）でもって、上述のような脆性な被膜を被覆した
被覆焼結合金は、例えば切削工具用材料として用いる場
合、使用時に工具刃先に作用する応力により被膜中にク
ラックが発生し。

このクラックが基材の内部にまで容易に進展して欠損又
はチッピングを起こさせるという問題がある。また、上
述のような基材の表面にＣＶＤ法でもって被膜を被覆し
てなる被覆焼結合金は、特に基材表面部が脱炭しやすく
、その結果基材表面部に脆性な異相（例えば、ＣｏＪｓ
Ｃでなるη相）が生じて、−層欠損又はチッピングが発
生しやすいという問題がある。これらの問題を解決しよ
うとした代表的なものに特開昭５５−１４８７６２号公
報がある。

（発明が解決しようとする問題点）特開昭５５−１４８７６２号公報は、超硬合金基材の内
部を炭化タングステン４０〜９５ν０氾％、周期律表の
４ａ、　５ａ、　６ａ族の金属の炭化物、窒化物、酸化
物のうちの１種又は２種以、ヒからなるＮａＣｌ２型結
晶構造化合物２〜３０ｖｏ℃％、鉄族金属のうちの１種
又は２種以上３〜３０ｖｏＩ２％からなる組成で構成し
、上記超硬合金基材の表面部を、基材表面より０．１〜
３０μｍの深さに亘って、鉄族金属のうちの１種又は２
種以上からなる表面靭性層で構成し、さらに上記基材内
部と表面靭性層の間に、前記表面靭性層の直丁より１〜
３０μｍの深さに亘って、周期律表の４ａ、　５ａ、　
６ａ族の金属の炭化物、窒化物、酸化物のうちの１種又
は２種以上からなるＮａＣＡ型結晶構造化合物７０〜９
［１ｖｏＡ％、鉄族金属のうちの１種又は２種以−Ｅ２
〜３０ｖｏｌ％からなる組成を有し、かつ基材内部硬さ
よりビッカース硬さで５〜５０％硬化した中間硬化層を
介在させた組織とし、この基材の表面に被覆層を形成し
てなる表面被覆超硬合金工具が開示されている。この同
公報の発明は、脆性な被膜に生じたクラックの基材内部
への伝播が表面靭性層により抑制され、しかも表面靭性
層直下の中間硬化層でもって耐摩耗性及びｉ−１塑性変
形性の向上が計れるというすぐれたものであるけれども
、表面靭性層が薄いとクラックの基材内部への伝播を阻
止しきれなくなること、及び表面部が高温になるような
、特に難削材の切削工具材料として用いる場合には、チ
ッピング又は欠損しやすくなるという問題がある。

本発明は、上述のような問題を解決したもので、具体的
には高い破壊靭性値と高温における高硬度性を兼ね備え
た焼結合金を基材とし、この基材の表面に被膜を被覆し
て、特に耐熱合金やＴｉ合金などの難削材を切削加工す
るための切削工具として適する被覆焼結合金の提供を目
的とするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明者らは、切削工具でもって、変形応力が大きくて
加工硬化しやすいインコネルなどの耐熱合金を切削加工
する場合、切削時に、切削工具の切れ刃から刃先部まで
が相当高温になり、そのために他の被削材の場合に比べ
て、切れ刃の塑性変形及び被削材との溶着などが生じや
すくなるという問題を解決すべく検討していた所、第１
に、切削工具における耐塑性変形性を高めるには、例え
ば超硬合金の場合には、炭化タングステンは粗粒にし、
周期律表の４ａ、　５ａ、　６ａ族の金属の炭化物、炭
窒化物及びこれらの相丘固溶体の中の少なくとも１種の
立方晶系化合物を含有した。

所謂’ＲＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系超硬合金が好まし
いこと、又被削材との耐溶着性を高めるには、立方晶系
化合物を含有させ、Ｃｏなどの結合相量を少なくするこ
とが好ましいこと、これらの耐塑性変形性及び被削材と
の耐溶着性を高めるための目安として１．高温における
硬度が高いことが好ましいという知見を得たものである
。

第２に、耐熱合金などの難削材を切削加工した場合にお
ける工具の欠損状態を観察した結果、工具の境界損傷部
に発生した亀裂が徐々に進展して欠損に至るということ
、この亀裂の進展を防１トするためには破壊靭性値を高
くする必要があること、破壊靭性値を高くするには、例
えば超硬合金の場合には、炭化タングステンは粗粒にす
ることが好ましいが、立方晶系化合物量は少なく、結合
相量は多くすることが好ましいという第１の知見とは相
反する知見を得たものである。

第３に、炭化タングステンの粒径とｑ方晶系化合物の含
有量と結合相を含めた合金組織及び組成の最適化を検討
することにより、第１の知見による高温における高い硬
度と、第２の知見による高い破壊靭性値という相反する
特性を兼ね備えた焼結合金が得られること、この焼結合
金を基材とし、基材表面に、例えば周期律表４ａ、　５
ａ、　６ａ族の金属の炭化物、窒化物や酸化アルミニウ
ムなどの硬質被膜を被覆した被覆焼結合金は、使用時に
発生したクラックが基材内部に伝播し難く耐欠損性又は
耐チッピング性にすぐれるという知見を得たものである
。

以上の、第１．第２及び第３の知見に基づいて本発明を
完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の被覆焼結合金は、焼結合金の基材表
面の全面又は一部の面に被膜を形成してなる被覆焼結合
金であって、該基材が周期律表４ａ、　５ａ、　６ａ族
の金属の炭化物、炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中
の少なくとも１種の硬質相と、Ｃｏ及び／又はＮ１を主
成分とする結合相と不可避不純物とからなる焼結合金で
あり、該焼結合金の破壊靭性値が１０．３ＭＮ−ｍ−３
／２以上、１０００℃におけるマイロクビッカース硬さ
が４２０以上であることを特徴とするものである。

本発明の被覆焼結合金における基材を構成している硬質
相は、具体的には１例えばＴｉＣ，ＺｒＣ。

１１ｆｃ、　ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｃｒ、Ｃ，、Ｍｏ
＊Ｃ，ＷＣ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎｌ。

Ｚｒ［Ｃ，Ｎｌ、　ｔｌｒｆｃ、Ｎ１．　Ｖ（Ｃ，Ｎｌ
、　Ｎｂ（Ｃ，Ｎ１．　Ｔａ（Ｃ，Ｎｌ。

（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ，（ｉ！、Ｚｒｌ仁　［Ｔａ、Ｔｉ１Ｃ
，（Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ１Ｃ。

（１’１．Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ）Ｃ，０！、Ｔｉｌ　（Ｃ
，Ｎ）、　　（Ｗ、Ｔａ、Ｔｉｌ　（Ｃ，Ｎｌ。

（Ｗ、　Ｔａ、　Ｎｂ、　Ｔｉｌ　（Ｃ，Ｎｌ　などを
挙げることができる。

この硬質相は、肛と、例えばＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ。

ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、　ＴａｆＣ，
Ｎ）、　　（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ（Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ１Ｃ，（Ｗ
、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ１Ｃ，ｆＷ、Ｔａ、Ｔｉｌ　（Ｃ，
Ｎｌなどの立方晶の給量構造を有する立方晶系化合物と
からなる場合が好ましく、特に炭化タングステンが全体
の７８〜８９ｖＯρ％で、立方晶系化合物が全体の３〜
ｌ０ｖｏｎ％含有している場合は、耐熱合金などの難削
材の切削１具材料として好ましいものである。また、こ
の硬質相を構成している炭化タングステンの結晶粒径は
、平均粒径ｌ〜２．５μｍで、粒径０．５μｍ以下の細
粒炭化タングステンが炭化タングステン全体の２％以下
で、かつ粒径３．５μｍ以上の粗粒炭化タングステンが
存在しない均一粒子のものが好ましく、立方晶系化合物
の結晶粒径は、平均粒径０．５〜１．０μｍで、粒径１
．５μｍを超える立方晶系化合物の存在しない均一粒子
のものが好ましいものである。

このような硬質相の他に、基材を構成しているもう一つ
の相である結合相は、具体的には、例えばＣｏ、　Ｎｉ
、　Ｃｏ−Ｎｉ合金又はこれらに硬質相を構成する４ａ
、　５ａ、　６ａ族の金属もしくはＦｅが徴用含有して
なる合金からなり、この結合相量が全体の８〜１２ｖａ
ｎ％含有している場合が好ましいものである。

また、基材に含まれる不可避不純物としては、基材を作
製するために用いる出発物質中に極微量含有している１
例えばＣａ、　Ｓｉ、八２などの物質と、基材の製造工
程、特に出発物質の混合粉砕工程中に混入してくる、例
えばＦｅ、　Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ｍｏなどの物質である。

本発明の被覆焼結合金における基材表面に形成される被
膜は１周期律表４ａ、　５ａ、　６ａ族の金属の炭化物
、窒化物、炭酸化物、窒酸化物及びこれらの相互固溶体
、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、
窒化ケイ素及びこれらの相互固溶体、ダイヤモンド又は
立方晶窒化ホウ素の中の少なくとも１種の単層もしくは
多層でなるものである。特に、被膜が炭化チタン、窒化
チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウムの中の少なく
とも１種のｊｉ層又は多層でなる場合には、耐熱合金や
Ｔｉなどの難削材の切削工具用材料としてすぐれている
ものである。

本発明の被覆焼結合金を作製するのに、まず基材の製造
は出発物質の配合から焼結に至るまでの製造−［程を従
来の方法で行うことができるけれども、特に出発物質の
組成成分と、出発物質の粒径及び粒度分布、並びに出発
物質の混合粉砕工程における粒径の調整とを合せて厳密
にｉ、１１御することが重要である。例えば、焼結後に
、立方晶系化合物を形成するための粉末と結合相を形成
するための粉末の所定遺を第１次混合粉砕して、立方晶
系化合物を形成するための粉末の平均粒径を０．７〜．
０μｍとし、次いで約２．５μｍの平均粒径で、粒径３
．５μｍ以上の粗粒を含有してない炭化タングステン粉
末を追加して短時間で第２次混合粉砕し、炭化タングス
テン粉末の粉砕を抑えると共に均一混合するという方法
にすると、本発明の被覆焼結合金に用いる基材が容易に
得られやすいことから好ましいことである。勿論、この
基材を作文するには、従来の超硬合金又はサーメットと
同様に、含有炭素層、含有窒素量及び不可避不純物、例
えば含有酸素ＪＥｉ、　　Ｃａｂｉｎ　Ｃａ５ｉｆｔな
どの制御を行い、得られる焼結合金の有孔度も厳密に制
御する必要がある。

次に、基材表面の被膜の作製は、従来から行われている
イオンブレーティング法、スバヴタ法。

イオン注入法、レーザ法又はこれらの併合法などのＰＶ
Ｄ法、ＣＶＤ法又はプラズマＣＶＤ法でもって行うこと
ができるものである。

（作用）本発明の被覆焼結合金は、基材を構成している硬質相が
主として１０００℃における基材の硬さを高める作用を
し、基材を構成しているもう一つの結合相が主として基
材の破壊靭性値を高める作用をしているのであるが、実
質的には、基材の組成成分と硬質相の粒径と硬質相量と
結合相量との要因の制御でもって、従来相反する合金特
性とされている高温における高硬度性と高破壊靭性値を
併せず了する基材が得られることになり、このようにし
て得た基材が基材表面の脆性な被膜からのクラックの伝
播を阻１トする作用をしているものである。

（実施例）実施例！粒径　２．５〜３ｕｍの均一なＷＣ扮末（ａ−ＷＣ）　
、粒径１μｒｒ＋以下のＴｉＣ扮末、　　ＴａＣ粉末及
びほぼＩＬＬｍのＣｏ粉末を用いて、第１表に示したそ
れぞれの試料を配合した。これらの配合粉末の内、Ｔｉ
Ｃ，ＴａＣ及びＣｏ粉末を６φの超硬合金製ボールとア
セトンと共にステンレス製容器に入れて４８時間の第１
次混合粉砕をしたあと、ＷＣ粉末を追加して、更に１５
時間の第２次混合粉砕をして混合粉末を得た。この混合
粉末を屹燥後、パラフィンを添加し、金型を用いてｌ　
ｔｏｎ／ｃｍ”の圧力で加圧して成形体を得た。この成
形体中のパラフィンを加熱揮散させた後、　１０−”ｔ
ｏｒｒの真空中、　１４２０℃の温度、１時間保持の条
件で焼結して本発明品１゜２．３に用いるための基材を
得た。

比較として、平均粒径１μｍのＷＣ粉末（ｂ　−ＶＩＣ
）　、平均粒径Ｚ、８μｍのＷＣ粉末（ｃ−ＷＣ）、平
均粒径３．ｊμｍのＷＣ粉末（ｄ　−ＷＣ）と、他に上
述のＴｉＣ，ＴａＣ，Ｃｏの各粉末を用いて、第１表に
示したそれぞれの試料を配合した。これらの配合粉末を
６φの超硬合金製ボールとアセトンと共にステンレス製
容器に入れて６３時間混合粉砕して混合粉末を、得た。

この混合粉末を上述の本発明品に用いるための基材と同
様に、成形、焼結して比較界ｉ〜６に用いるための基材
を得た。

こうして得た本発明品１．２．３及び比較界１．２．３
．４．５．６に用いるための基材のそれぞれを金属ＷＲ
微鏡で硬質相の粒径を観察し、さらに室温での硬さ、　
１０００℃での硬さ及びビッカース硬度計の圧痕による
方法でもって破壊靭性値を求めて、それぞれの結果を第
２表に示した。

この第２表に示したそれぞれの焼結合金の基材表面に、
蒸発源としてＴｉ金属、反応ガスとしてＮ。

を用いて、従来から行われている活性化反応イオンブレ
ーティング法でもって、Ｔ　ｉ　Ｎの被膜を被覆し、て
本発明品１〜３及び比較界１〜６を得た。このそれぞれ
の基材表面のＴｉＮ被膜厚さを金属顕微鏡で観察し、第
２表に併記した。

以下余白次に、第２表に示した本発明品１〜３及び比較品１〜６
を用いて、下記　（Ａ）〜（Ｃ）の切削条件でもって切
削試験を行い、その結果を第３表に示した。。

ＴＡＩ切削条件被削材　　　インコネル７１８（ＩＩＲｃ　４１．８＞
チップ形状　ＣＮＭＧ　１２０４０８切削速度　　４０　ｍ／ｍｉｎ切込みＧｌ　　　１．５ｍｍ送り　　　　　０．３　ｍｍ／ｒｅｖ切削曲使用。

評価　　　　平均逃げ面摩耗１１１１＝０．４ｍｍに達
するまでの切削時間（Ｂ）切削条件被削材チップ形状切削速度切込み量送りナイモニックＣＮＭｏ　１２０４０８４０　ｍ／ｍ１ｎ１．５ｍｍ０．３　ｍｍ／ｒｅｖａｏＡｔｎ＊ｃ　　３７．９＋切削油使用、評価（Ｃ）切削条件被削材チップ形状切削速度切込みｌ送り切削油使用、評価平均逃げ面摩耗量Ｖ、＝＝０．３ｍｍに達するまでの切
削時間（断続切削）インコネル７１８（ＩＩ□Ｃ４１，８１４本スロット人ＣＮＭＧ　１２０４０８２０　ｍ／ｍ１ｎ１．０ｍｍ０．１　ｍｍ／ｒｅｖチッピング又は欠損が生じるまでの衝撃回数以下余白実施例２実施例１で得たそれぞれの基材表面に従来から行われて
いるＴｉＣβ４−　Ｎ、−１１，−ＣＯガスによるＣＶ
Ｏ法でもって、膜厚２μｍでなるＴｉ　（Ｃ，Ｎｌの被
膜を被覆し、本発明品４〜６及び比較品７〜１２を得た
。この本発明品４〜６及び比較品７〜Ｉ２を用いて、実
施例１の（Ａｌ　、　ｆＢ）　、　（Ｃ１の切削条件で
もって切削試験を行い、その結果を第４表に示した。

以下余白

Claims

【特許請求の範囲】

（１）焼結合金の基材表面の全面又は一部の面に被膜を
形成してなる被覆焼結合金において、該基材が周期律表
の４ａ、５ａ、６ａ族の金属の炭化物、炭窒化物及びこ
れらの相互固溶体の中の少なくとも１種の硬質相と、Ｃ
ｏ及び／又はＮｉを主成分とする結合相と不可避不純物
とからなる焼結合金であり、該焼結合金の破壊靭性値が
１０．３ＭＮ・ｍ＾−＾３＾／＾２以上、１０００℃に
おけるマイロクビッカース硬さが４２０以上であること
を特徴とする被覆焼結合金。
（２）上記基材が周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属
の炭化物、炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少な
くとも１種の立方晶系化合物３〜１０ｖｏｌ％と炭化タ
ングステン７８〜８９ｖｏｌ％とでなる硬質相と、Ｃｏ
及び／又はＮｉを主成分とする結合相８〜１２ｖｏｌ％
と不可避不純物とからなることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の被覆焼結合金。