JPH0293036A

JPH0293036A - ＴｉＣＮ基サーメットおよびその製法

Info

Publication number: JPH0293036A
Application number: JP63243623A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Tateno; 範昭建野; Hirohisa Konishi; 小西　裕久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1988-09-27
Filing date: 1988-09-27
Publication date: 1990-04-03
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: JP2628200B2

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〕本発明は耐摩耗性、靭性に優れ、且つ焼肌面が良好で特
に鋳鉄用切削工具として有用なＴｉＣＮ基サーメットの
改良に関する。

〔従来技術〕

従来から、切削用焼結体としてはＷＣ−Ｃｏを主成分と
する超硬合金が主として用いられていたが、最近ではＴ
ｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を主成分とするサーメッ
ト焼結体が用いられている。

このようなサーメット系焼結体としては、ＴｉＣを主成
分とし、鉄族金属を結合相とし、さらに周期律表第Ｖｌ
ａ、　Ｖａ、　ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化
物を硬質相成分として加えたＴｉＣ基サーメットが主流
であった。しかし乍らこのようなＴｉＣ基サーメット焼
結体では耐熱性、強靭性に劣ることから、上記組成にさ
らにＴｉＮ等の窒化物、炭窒化物を含有させることが提
案された。これは、ＴｉＮ自体が靭性に冨むことにより
、焼結体に靭性を付与するとともに、熱伝導率が高いこ
とにより、耐熱衝撃性、耐熱望性変形性を向上させよう
とするものである。

一方、元来、サーメットは製法上表面に金属が浸み出す
とともにその直下に硬質な層が存在し、切削性能上欠損
を起こし易いという欠点を有している。

そこで、従来よりＴｉＮを含有するＴｉＣ基サーメット
に対し、さらに各種の改良がなされている。

例えば特公昭５９−１４５３４号では液相出現温度以下
で窒素を炉内に五人し、焼結体表面に靭性に富む軟化層
を形成させることが、また、特公昭５９−１７１７６号
ではＣＯ還元雰囲気で焼成することにより、特定の硬度
を有する硬質層を形成させることが、さらに、特公昭６
０−３４６１８号によれば焼成後の降温時にＣＯ雰囲気
と成すことにより表面内部とも均一な機械特性を有する
サーメットを得ることが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし乍ら、鋳鉄用切削工具として高速切削加工時の耐
摩耗性の知見からは特公昭５９−１４５３４号および特
公昭６０−３４６１８号の記載の切削工具では表面硬度
が低いために、性能上不十分である。一方、特公昭５９
−１７１７６号には表面に硬質層を形成させる方法が開
示されているもののその表面硬度はせいぜいピンカース
硬度０１ν）で１８００Ｋｇ／ｍｍ２までしか達成され
ておらず、それ以上の硬度を有する硬質層を形成させる
際には、硬質形成成分中にＭＯ□ＣおよびＷＣを多量に
含有させなければ達成されないが、このようにＭｏ、　
Ｃ，ＷＣを多量に含む塑性では実質上、切削工具として
の他の特性を劣化させる結果となってしまう。

よって、従来では、他の特性を劣化させることなく、耐
摩耗性に優れた鋳鉄用切削工具は開発されていないのが
現状であった。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題点を解決することを主たる目的とする
もので具体的には、耐フランク摩耗性、耐クレータ摩耗
性に優れた特に鋳鉄の切削工具用のＴｉＣＮ基サーメフ
トを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は上記問題点に対し研究を重ねた結果、Ｔｉを
炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物換算で５０乃至８０
重量％、周期律表第ＶＩａ族元素を炭化物換算で１０乃
至４０重量％の割合で含有するとともに、（窒素／炭素
＋窒素）で表わされる原子比が０．４乃至０．６の範囲
にある硬質相成分７０乃至９０重量％と、鉄族金属を主
成分とする結合相成分１０乃至３０重量％の特定成分か
ら成る成形体を真空炉内で焼成するに際し、昇温過程で
前記鉄族金属による液相出現温度以上、焼結最高温度到
達前に炉内に７０Ｔｏｒｒ以上の圧力の窒素ガスを４人
し、最高焼結温度到達後に真空に戻すことにより、焼結
体の表層部にビッカース硬度（Ｈｖ）　２０００以上の
部分が形成され、これを鋳鉄の切削工具として用いた場
合、優れた耐フランク摩耗性と耐クレータ摩耗性が達成
されることを知見した。

以下、本発明を詳述する。

本発明のＴｉＣＮ基サーメットは硬質相成分として、Ｔ
ｉを炭化物、窒化物あるいは炭窒化物換算で５０乃至８
０重量％、特に５５乃至６５重量％とＷ、Ｍｏ等の周期
律表ＶＴａ族元素を炭化物換算で１０乃至４０重量％、
特に１５乃至３０重量％とを含有する。

このような硬質相成分において、ＴｉＯ量が５０重量％
を下回ると耐摩耗性が低下し、８０重量％を超えると焼
結性が低下し好ましくない。また、第■ａ族元素は粒成
長抑制、結合相とのぬれ性を向上させる効果を有するが
、１０重量％を下回ると上記効果が得られず、硬質相が
粗大化し、硬度、強度が低下する。また、４０重量％を
超えるとη相等の不健全相が生じると共に焼結が困難と
なる。

また、硬質相成分としては上記の他、耐クレータ摩耗性
向上を目的としてＴａ、Ｎｂを、さらに耐塑性変形性向
上を目的としてＺｒ、Ｖ、Ｈｆ等を窒化物、炭化物、炭
窒化物換算で５乃至４０重量％の割合で含むことも可能
であるが、４０重量％を超えると耐摩耗性劣化、ボア、
ボイドの発生が著しく増加する傾向にあり好ましくない
。

一方、結合相はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄族金属を主体と
して成るもので、一部、硬質相形成成分が含まれる場合
もある。

焼結体全体として硬質相成分は７０乃至９０重量％、結
合相成分は１０〜３０重量％の割合から成る。

本発明における組成上の特徴は、硬質相成分中において
（窒素／炭素＋窒素）で表わされる原子比が０．４乃至
０．６、特に０．４〜０．５の範囲に設定される点にあ
る。即ち、この原子比が０．４を下回ると靭性、耐摩耗
性の向上が望めず、本発明の目的が達成されず、０．６
を超えると焼結体中にボア、ボイドが発生し、工具とし
ての信頼性が低下する。

さらに、本発明のサーメットは第１図に示すように表面
から５０μ糟までの表層部にピンカース硬度が２０００
以上の高硬度な部分が存在するものである。このような
硬質部が存在することによってサーメットの耐摩耗性を
大きく向上させることができる。

通常、表面に高硬質層が存在する場合、靭性低下により
、カケ、割れ等が発生し易くなるが、本発明によれば、
前述した特定の組成、特に窒素を多量に含むことによっ
て、靭性が付与され、カケ、割れ等の発生のない優れた
焼結体となる。

本発明のサーメットはこのような構成により、窒素を多
量に含むことによる靭性、耐摩耗性、耐熱性の向上効果
を長期に亘り維持することができ、しかも表面に高硬度
な層が存在することから、鋳鉄用切削工具としての長寿
命化、高信頼性を図ることが可能となる。しかも焼結後
の焼結体に対し研磨工程等を行うことなく、製品化する
ことも可能となる。

本発明のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法によれば、組
成としてＴｉを炭化物、窒化物あるいは炭窒化物換算で
５０乃至８０重量％、周期律表第ＶＩａ族元素を炭化物
換算で１０乃至４０重量％の割合で含有するとともに（
窒素／炭素＋窒素）で表わされる原子比が０．４乃至０
．６の範囲内にある硬質相成分７０乃至９０重量％と、
結合相成分１０乃至３０重量％とから成る成形体を作成
する。

具体的には原料粉末としてＴｉｃ、ＴｊＮ、ＴｉＣＮ等
を、また第ＶＩａ族系としては−Ｃ，Ｍｏ□Ｃ，ＭｏＣ
等を、あるいはこれらの複合炭化物、複合炭窒化物を用
い、上記の組成となるように調合した後、公知の成形手
段、例えばプレス成形、押出し成形、鋳込み成形、射出
成形、冷間静水圧成形等で成形する。

この時、前述したようにＴａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｈｆ等
の炭化物、窒化物、炭窒化物等を組合わせて用いること
も当然可能である。なお、Ｔｉ系としてはＴｉＣを用い
ると焼結性が低下し、部分的粒成長を起こす場合がある
ため、Ｔｉ（ＣＮ）あるいはＴｉ　（ＣＮ）とＴｉＮと
の組合せがより好ましい。

得られた成形体は真空炉内に設置され、焼成に移される
。

焼成は、１４００〜１７００℃の焼成温度で行われるが
本発明によれば、焼成は、まず０．５Ｔｏｒｒ以下の真
空炉内で加熱し、所定の時期に７０Ｔｏｒｒ以上、特に
１００〜２００Ｔｏｒｒの圧力の窒素ガスを導入する。

この窒素ガスの導入は、昇温過程において、鉄族金属の
液相出現温度以上で、特に対理論密度比が初期の成形体
より５χ程度以上緻密化した段階で導入する。即ち、液
相出現温度以上で成形体の表面には液相により被膜が形
成される。この被膜形成後に窒素ガスを導入することに
より、成形体中に存在する空隙に窒素ガスがトラップさ
れ、残留するのを防止するとともに、成形体中に含まれ
るＴｉＮ等の窒化物の熱分解による窒素ガスの発生を抑
制し、結果的に焼結体中にボア、ボイドが残留するのを
防止することができる。

しかし、窒素ガスの導入の時期が焼結最高温度到達後、
特に対理論密度比９０χを超えた付近では、実質上、窒
化物の分解抑制効果は得られず、焼結体表面に荒れが生
じる。

窒素ガスは炉内の温度が最高焼結温度に達した後は、所
定時間保持後、ただちに真空に戻して焼成を続ける。

これは、最高焼結温度到達後にさらに圧力を上げると、
焼結体表面部に粗粒で金属をほとんど含有しない、脆い
窒化層が生成され、焼肌面の荒れを生じるとともに、表
面部の靭性を著しく低下させてしまう。

なお、導入される窒素ガス圧力は、窒化物の熱分解を十
分に抑制し得る圧力であることが必要であるが、この窒
素ガス圧力は焼結体表面部に形成される改質層の硬度に
大きく影響する。これは、窒素ガス導入後、成形体内部
と炉内雰囲気との間に圧力が生じている。そこへ、急激
に真空に戻すと成形体表面付近の結合金属が内部に移動
し、表面層付近は内部に対し、結合相量が減少すること
により、硬度が高くなる。それと同時に組織上、表面付
近の結晶が球状化すること、および第ＶＩａ族元素が多
量に含まれることにより靭性が向上するものと考えられ
る。

本発明によれば、ビッカース硬度２０００以上の改質層
を形成させるためには窒素ガス圧力をＴＯＴｏｒｒ以上
に設定することが必要であることを確認した。

以下、本発明を次の例で説明する。

〔実施例〕

原料粉末として平均粒径１〜１．５μｍのＴｔ　（ＣＮ
）、　ＴｉＮ、　ＴｉＣ，ＷＣ，ＭｏｚＣ，ＮｂＣ，Ｎ
ｂＮ、　ＶＣ，Ｎｉ、　Ｃｏを用い、第１表の組成に調
合後、振動ミルで粉砕を行い、バインダーを添加したも
のをＴＮＧＡ３３２チップ形状にプレス成形し、３００
℃で脱バインダー後、第１表の仕様で焼成を行った。な
お、第１表における焼成条件において窒素ガスは導入後
、焼結最高温度には５分間保持し、ただちに真空に戻し
た。

得られた焼結体に対し、硬質相の炭素、窒素を定量分析
し、（Ｎ／Ｃ＋Ｎ）原子比を求めた。また、焼肌面に対
し、最大表面粗さ（Ｒｍａｘ）を調べた。

なお、各試料について試料を約２０°の角度で研摩し、
該研摩面に対し垂直方向でビッカース硬度を表面からの
距離（深さ）を変えて測定し、その硬度分布を見た。

また、各試料に対し、下記条件で耐摩耗試験を行い、フ
ランク摩耗ｆｉ（ｍ＋ｎ）、クレータ摩耗量（ｍｍ）を
測定した。

〔以下余白〕

摩耗試験条件被削材切削速度切り込み送り切削時間〔以下余白〕ｌｃ２５１５０ｍ／１ＩＩｉｎ　　ｍｍ０．３ｍｍ／ｒｅｖ１０分間第表なお、第１表中、試料ＮＣＬ２．４．７についてはその
表面から１ｍｍまでの硬度分布を示した。

第１表の結果から明らかなようにＮ／Ｃ＋Ｎ比が０゜４
を下回るｌ１ｈ８の試料は焼結体表面に粗れが生じてお
り、耐摩耗性も悪い。逆に比が０．６を超える１１ｈ９
の試料では良好な焼結体が得られず、耐摩耗性も悪い。

逆に比が０．６を超える磁９の試料では良好な焼結体が
得られず、耐摩耗テストができなかった。また、導入す
るＮ、圧が７０Ｔｏｒｒを下回る隘７．１０の試料はい
ずれもビッカース硬度２０００が達成されず、耐摩耗試
験の結果も悪かった。

さらに、Ｎ２ガス導入時期が液相出現温度Ｔ、より低い
ＮｌＸ１２では良好な焼結体が得られず、また焼結最高
温度Ｔ２到達後では、表面の荒れが生じた。

これに対し、本発明品隘１〜６はいずれも２０００以上
のビッカース゛硬度を有する部分が形成され、鋳鉄切削
に対し、優れた耐摩耗性を示した。

〔発明の効果〕

以上、詳述した通り、本発明のサーメットは窒素は所定
量含有するとともに、表面部にビソカ−ス硬度２０００
以上の高硬度の層が形成されることから、表面の耐摩耗
性に極めて優れたものであり、特に鋳鉄用の切削工具と
して優れた切削特性を示し、工具としての長寿命化を達
成することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｔｉを炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物換算で
５０乃至８０重量％、周期律表第VIａ族元素を炭化物換
算で１０乃至４０重量％の割合で含有するとともに、（
窒素／炭素＋窒素）で表わされる原子比が０．４乃至０
．６の範囲にある硬質相成分７０乃至９０重量％と、鉄
族金属を主成分とする結合相成分１０乃至３０重量％と
から成るＴｉＣＮ基サーメットにおいて、表面から５０
μｍの間にビッカース硬度２０００以上の部分が存在す
ることを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット。
（２）Ｔｉを炭化物、窒化物、あるいは炭窒化物換算で
５０乃至８０重量％、周期律表第VIａ族元素を炭化物換
算で１０乃至４０重量％の割合で含有するとともに、（
窒素／炭素＋窒素）で表わされる原子比が０．４乃至０
．６の範囲にある硬質相成分７０乃至９０重量％と、鉄
族金属を主成分とする結合相成分１０乃至３０重量％と
から成る成形体を真空炉内に設置後昇温し、前記鉄族金
属による液相出現温度以上、焼結最高温度到達前に炉内
に７０Ｔｏｒｒ以上の圧力の窒素ガスを導入し、焼結最
高温度到達後、炉内を真空に戻して焼成することを特徴
とするＴｉＣＮ基サーメットの製法。