JPH0421737A - ＴｉＣＮ基サーメット - Google Patents

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、靭性に優れたＴｉＣＮ基サーメッ
トに関し、特に切削工具として好適なサーメットに関す
る。

（従来技術） 近年、切削用焼結体として、周期律表第１Ｖａ、Ｖａ、
Ｖｌａ族元素の複炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属
からなる結合相によって構成されるサーメットが用いら
れるようになった。

かかるサーメットとしては、これまでＴｉＣを主成分と
するＴｉＣ基サーメットが主流であったが、このＴ　ｉ
　（Ｊｊサーメットが古くから工具材料として用いられ
ていた超硬合金に比較して耐欠損性が劣るために、この
系に窒化物を添加することにより靭性を改善したいわゆ
るＴｉＣＮ基サーメットが提案された。

このＴｉＣＮ基サーメットの代表例として特公昭５６−
５１２０１号が挙げられ、ここでは、（Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ
、Ｍｏ）ＣＮからなる硬質相と、Ｎｉ、Ｃｏからなる結
合相とから構成されるサーメットが開示され、硬質相が
Ｔｉや窒素に富む芯部と、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏおよび炭素に
富む周辺部とから構成された有芯構造を呈することが述
べられている。また、この先行技術によれば、硬質相形
成成分としてＭｏやＭＯ２Ｃは、有芯構造の周辺部に存
在して硬質相の結合相との濡れ性を改善することから硬
質相成分として必須成分とされている。また、ＴａＣは
サーメットの耐酸化性を改善するとともに切削工具とし
てのクレータ摩耗の進行を抑制する効果を有することか
ら実用性の点から必須の成分とされている。

また、硬質相を形成する炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）は
サーメットの靭性および硬度を決定する大きな要因であ
り、最近では窒素を多量に含有させることによりサーメ
ットの靭性を高めようとする試みもなされている。

ところが、最近に至り上記のＴｉＣＮ基サーメットに対
してその表面部の組織を換えることにより耐摩耗性や靭
性をさらに高めようといった改良がなされている。例え
ば特公昭５９−１４５３４号では、焼成時に液相出現温
度以下で窒素を炉内に導入することによって焼結体表面
に靭性に冨む軟化層を形成することが、また特公昭５９
−１７１７６号では焼成をＣＯを含む還元雰囲気内で行
うことにより内部より高硬度の層を形成することが提案
されている。

しかしながら、これらの先行技術は、いずれも硬度ある
いは靭性のどちらかのみ検討するにとどまり、高硬度、
高靭性の双方が要求される工具用材料としては切削性能
上不十分であった。

そこで、本出願人は特開平２−１５１３９号において焼
結時に窒素の導入の時期を制御することによって焼結体
表面に高硬度、高靭性の改質層を形成したＴｉＣＮ基サ
ーメットを提案した。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、特開平２−１５１３９号のサーメットは
、切削速度が１００〜２００ｍ／ｍｉｎの中速の切削に
おいては優れた耐摩耗性、耐欠損性を示すが、切削速度
が２００ｍ／ｍｉｎを越える高速切削に際しては、耐摩
耗性、耐欠損性が大きく劣化することが明らかになった
。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は、上記の問題点に対して検討を行った結果
、硬質層を形成する金属成分としてＴｉ、Ｗを用いると
ともに、これまで必須成分として添加したＭｏに代わり
、Ｎｂを用いることによって硬質層の耐熱性を大きく改
善することができ、しかも内部から表面にかけて（Ｔ　
ｉ　／Ｔ　ｉ　＋Ｗ）比が小さくなるように組成勾配を
形成することによって表面部に高硬度、高靭性に富み、
高速切削時においても優れた耐摩耗性、耐欠損性を有す
るサーメットが得られることを知見し、本発明に至った
。

即ち、本発明はＴｉ、ＷおよびＮｂを必須成分として含
有する硬質相と、鉄族金属からなる結合相とから構成さ
れるＴｉＣＮ基サーメットであって、該サーメットの全
体組成における前記鉄族金属を除く他の成分組成式を（
（Ｔ　ｉ）ａ　（Ｎ　ｂ）ｂ（Ｗ）ｃ）（Ｃｕ　Ｎｖ　
）ｚと表した時、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．０．５０≦ａ≦０．
９５．０．０５≦ｂ＋ｃ≦０．５．０゜４０≦ｂ　／　
ｂ　＋ｃ≦０．９５．０．４０≦ｖ≦０．６０．０．８
０≦Ｚ≦１．０、ｕ＋ｖ＝ｌを満足し、且つｃ　／　ａ
　＋ｃで表される比率が内部から表面にかけて大きくな
る組成勾配を有し、さらに前記サーメット中に含有され
るＭｏ量を０．５重量％以下に抑え、しかも表面から５
００μｍまでの表層部に内部より高靭性、高硬度の改質
部を形成したことを特徴とするものである。

以下、本発明を詳述する。

本発明のＴｉＣＮ基サーメントは、基本的に硬質相を結
合相から構成されるものであるが、本発明において、サ
ーメットの全体組成における前記鉄族金属を除（他の成
分組成を前述の範囲になるように設定した理由について
述べる。

まず、硬質相を形成する主成分であるＴｉは、焼結体内
におよそＴｉＣＮとして存在し、その量はサーメットの
強度や硬度を決定する大きな要因であり、このＴｉ量（
ａ）が前記式において０．５より少ないとサーメット工
具としての特徴である耐摩耗性、金属に対する親和性が
不十分となり、０．９５を越えると耐欠損性に劣ること
となる。なお、（ａ）は０．７０≦ａ≦０．９であるこ
とが特に望ましい。

サーメットにおいて、Ｔｉと同様に必須の成分とされる
ＷはＷＣとして硬質相の結合相との濡れ性を改善すると
ともに粒成長を抑え、強度、靭性を高める作用をなすが
、硬質相が（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮから構成される場合は、耐
摩耗性、耐酸化性、耐欠損性等の特性が実用的レベルに
達していないというに問題がある。そこで、硬質相を強
化し緒特性を向上することを目的としてこれまでＭＯや
Ｔａ等の炭化物が必須の成分として使用されたが、後述
する実施例から明らかなようにＭＯ□Ｃ自体、硬質相生
成分であるＴｉＣあるいはＴｉＣＮに比較して特性が劣
るために逆にサーメットの特性向上には大きく寄与せず
、場合によっては特性を劣化させてしまうという傾向に
あることがわかった。

特に、この傾向は高速切削時に顕著であった。

そこで、ＭＯ２Ｃに代わる成分として検討をおこなった
ところ、Ｎｂの炭化物がＭＯ２Ｃに比較してそれ自体価
れた特性を有すること等に起因してサーメットの特性、
特に耐熱性を大きく改善でき、高速切削時の耐摩耗性、
耐欠損性を向上できることがわかった。よって、Ｎｂと
Ｗとの合量（ｂ＋ｃ）が０．０５より少ないと耐欠損性
が不十分となり、０．５より大きいと耐摩耗性が劣ると
ともに被削材との反応性が高くなる傾向にある。なお、
（ｂ＋ｃ）値は０．１０≦ｂ＋ｃ≦０．３０であること
が特に望ましい。また、Ｗ、Ｎｂの合量（ｂ＋ｃ）に対
するＮｂ量（ｂ）の割合（ｂ／ｂ＋ｃ）が前記式におい
て０．４より小さいと耐摩耗性、耐酸化性に劣り、逆に
０．９５より大きいと耐欠損性が低下する。

なお、本発明におけるサーメットによれば、ＭＯの添加
はむしろ避けるべきでその量はサーメット中０．５重量
％以下にすることが望ましい。

一方、焼結性は系中の結合相の量に大きく左右されるが
、結合相が同量である場合、ＴａＣの添加により焼結性
が低下するために高温焼成が必要となり、これにより結
晶の粒径が大きくなるｈめにサーメットの耐摩耗性が劣
化する。よって、ＴａもＭｏと同様にその含有量を０．
５重量％以下にすることが望ましい。

一方、窒素および炭素の量はサーメットの硬度および靭
性を決定する要因として非常に重要であり、特に窒素の
量が増加するに従い、靭性が向上する傾向にあるが、窒
素の量が過多になると焼成時の窒化物の分解によるガス
がボイド中に焼結体中に残留するという問題が生じる。

よって前記式において窒素量（Ｖ）が０．４より小さい
と、靭性が低下し耐欠損性が不十分となり、０．６を越
えると焼結体内にボイドが発生し信軌性に欠けるように
なる。

また、窒素、炭素量のＴｉ、Ｗ、Ｎｂの合量に対する比
率（ｚ）が０．８より小さいと焼結性が劣化しボイドが
残留し、１．０より大きいと遊離炭素が発生するために
強度低下を引き起こす結果となる。望ましくは０．８５
≦ｚ≦１．０である。

本発明において結合相を形成する鉄族金属としては、Ｎ
ｉおよび／またはＣＯが挙げられ、望ましくはＮｉとＣ
ｏから構成され、特にＣｏ　／　Ｎ　ｉ十Ｃｏのモル比
が０．５〜０．９であることが耐摩耗性向上の点からよ
い。

また、この鉄族金属は系中において３〜３０重量％、特
に５〜２０重量％の割合で存在することが望ましい。

また、本発明のサーメットは、第１図に示すように表面
から内部にかけて組成勾配を有することを大きな特徴と
し、具体的には、Ｗが内部よりも表面部に冨むという特
異的な性質を有する。また、ＴｉはＷとは逆に表面部よ
り内部が若干冨む傾向にある。よってＴｉ量（ａ）とＷ
量（Ｃ）との原子比（’ｃ／ａ＋ｃ）は表面から内部に
かけて大きくなる組成勾配を有する。具体的には、表面
部と中心部の（ｃ　／　ａ　＋　ｃ　）値の比率が１．
１以上であることが望ましい。また、硬質相形成成分で
あるＮｂもＷとほぼ同様な傾向にあり、結合相を形成す
る鉄族金属は内部に比較して表面近傍は乏しくなるが、
極表面部分に析出し鉄族金属層を形成する場合もある。

このような組成勾配により特性的には、第２図および第
３図に示すように表面付近、特に表面から５００μ■ま
での表層部に内部よりも高硬度、高靭性な改質層が形成
され、これによりサーメットの耐摩耗性、耐欠損性を飛
躍的に向上することができる。

さらに、本発明のＴｉＣＮ基サーメットが優れた特性を
有する他の要因として、硬質相はＴｉおよび窒素に冨む
芯部と、該芯部の回りにＷやＮｂおよび炭素に冨む周辺
部から構成される有芯構造を呈する点がある。この有芯
構造によれば、特に周辺部形成成分として従来から用い
られたＭｏやＴａに代わりＮｂを用いることにより周辺
部の特性を改善することができる。

上記の本発明のサーメットを製造するための方法として
は、例えば、まず前述したＴｉ、Ｗ、Ｎｂの炭化物、窒
化物、炭窒化物の粉末および鉄族金属粉末を最終焼結体
が上述した割合に成るように秤量混合した後にプレス成
形、押し出し成形、射出成形等の成形手段で成形後、焼
成する。

焼成では、前述したような組成の勾配および有芯構造が
形成されるように焼成条件を調整することが必要である
。具体的には、これを真空中、窒素中の雰囲気あるいは
還元性雰囲気中で１４００〜１６００°Ｃの温度で焼成
するが、まず、昇温過程において、添加された鉄族金属
による液相が出現する温度までを１０−’ｔｏｒｒ程度
の真空雰囲気とし、液相出現温度以上において圧力を１
Ｏ−３ｔｏｒｒ以下の高真空雰囲気に急激に変更する。

このように真空度を変化することによって成形体の表面
に存在する窒化物を急激に分解することにより表面付近
には炭素に冨む相が形成される。それにより硬質相形成
成分のうち炭素と結合し易いＷ等が表面部に移動する。

また、表面付近の金属成分は内部に移行するかまたは焼
結体表面部に滲みだし、場合により揮散する。

このような成分の移動は通常の焼成においても生じるが
、本発明によれば、上記のような操作によって通常の条
件では得られない特異的な組織構造を形成することがで
きるのである。

また、本発明によれば、上記製造方法において用いるＴ
ｉ化合物系原料粉末としては、ＴｉＣ１ＴｉＣＮ、Ｔｊ
Ｎ等が挙げられるが、ＴｉＮ粉末を多量に用いると最終
焼結体中にＴｉＮ相として残存することがあるが、この
ＴｉＮ相は、それ自体金属との濡れ性が非常に悪いこと
がらＴｉＮ相と結合相との界面が破壊の起点となり易く
なるためサーメットの機械的特性および信幀性を低下さ
せてしまう。よって、原料と多量のＴｉＣＮの代わりに
ＴｉＣやＴｉＣＮ粉末やを用いて、ＴｉＮ相が形成され
ないように考慮すべきである。

また、各原料粉末を成形焼成する前に固溶体処理を行う
ことも可能であるが、固溶体処理を行うと前述した有芯
構造が形成されにくくなるために望ましくは、行わない
方がよい。

本発明によれば、上記（Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ）（Ｃ。

Ｎ）、鉄族金属からなる系に対して特性を改善する目的
でさらにＺｒ、Ｈｆ、ＣｒおよびＶ等の炭化物、窒化物
、炭窒化物等を添加し、ＴｉあるいはＮｂの一部を置換
することにより特性の改善を図ることができ、特にＮｂ
の一部を■で置換することによりＮｂの作用効果をさら
に助長し、特にサーメットの高速切削性を大きく向上す
ることができる。なお、Ｎｂ／Ｖの原子比は０．２〜１
．０、特に０．２５〜０．５であることが望ましい。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例） 原料粉末としてＴｉ　Ｃ，Ｔｉ　ＣＮ、ＷＣ，ＮｂＣ１
ＶＣ，Ｎｉ、Ｃｏの各粉末を用いて最終焼結体の組成が
第１表の割合に成るように秤量混合した後、１．５ｔｏ
ｎ／ｃｍ２の圧力でＴＮＧＡ１６０４０８用のチップ形
状にプレス成形し、１４００〜１６００°Ｃの温度で真
空雰囲気で１時間焼成した。このとき、試料Ｎ［ｌＬ１
〜１２については液相出現温度（１３５０″Ｃ）まで１
０＝ｔｏｒｒの圧力とし、液相出現温度以上では１０−
”ｔｏｒｒの圧力に保持し焼成した。また比較例として
試料Ｎα１３については圧力を１０−’ｔｏｒｒから５
０ｔｏｒｒに変更し、試料阻１４は、圧力を１０−’ｔ
ｏｒｒに維持し焼成した。

得られた各焼結体に対してＪＩＳＲ１６０１に従い３点
曲げ抗折強度、ビッカース硬度並びにとンカース硬度用
ダイヤモンド圧子を用いて荷重２０Ｋｇで圧痕法により
破壊靭性を測定した。

各試料についてＸＭＡ分析により内部と表面部のＴｉと
Ｗの濃度を求め、焼結体の中心部および表面部の（ｃ　
／　ａ　＋　ｃ　）をそれぞれＩ＋、Ｉｚとし、Ｉ　ｚ
　／　Ｉ　＋　の比率を求めた。なお、試料階２につい
てはＴｆ、Ｗ、Ｎｂの焼結体の深さに対する組成分布を
調べ、第１図に示した。

さらにビッカース硬度計を用いて焼結体の表面部と内部
との特性の差の有無について調べ、本発明の試料８１１
２，４．８および範囲外の試料Ｎ１１１３については硬
度と靭性値の焼結体の深さに対する変化を調べ、第２図
および第３図に示した。

次に、各試料を用いて下記に示す切削条件で摩耗試験を
行い、切削後のフランク摩耗量を、また欠損試験を行い
、非欠損コーナー数を調べた。

（摩耗試験） 被削材　　　　　ＳＣＭ４３５ 切削速度　　３００ｍ／ｍｉｎ 切り込み　　　　２ｍｍ 送り　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅ 切削時間　　　１０ｍ１ｎ （摩耗試験） 被削材　　　　　ＳＣＭ４３５ 切削速度　　１００ｍ／ｍｉｎ 切り込み　　　　２ｍｍ 送り　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅ 切削時間　　　　１ｍ１ｎ 特性評価結果は第２表に示した。

■ （４本溝入） ■ （以下余白） 第１表および第２表によれば、Ｎｂを含まず、Ｔａある
いはＭｏを含有する試料ＮＣＬ１７．１８では高速の摩
耗試験において摩耗量が０．４ｍｍ以上と大きい。また
、Ｎｂを添加した系においてもその量が多すぎる試料階
１５では耐欠損性、耐摩耗性とも悪く、Ｎｂ量が（Ｎ　
ｂ／Ｎ　ｂ　＋Ｗ）比で０゜４を下回る試料阻１６では
、硬度および靭性が内部より高い相が形成されたが、高
速切削性として実用的な特性は得られなかった。さらに
、組成が本発明の範囲を満足しても焼成時、圧力を一定
にした試料ＮｃＬ１４ではＷの濃度勾配は形成されず、
特性上でも不十分であり、焼成時の圧力を増加した試料
阻１３でも同様に濃度勾配は形成されなった。

これらの比較例に対して、本発明の試料Ｎα１〜１２は
、いずれも第１図に示すように表面部と中、６部間にＷ
の濃度勾配が形成され、Ｗの濃度比（Ｉ２／１１）が１
．１以上を示し、且つ硬度および靭性においては第２図
、第３図に示すように表面部に高硬度、高靭性の改質部
が形成された。なお改質部の硬度は内部の硬度の５％以
上、靭性は内部の靭性の２０％以上を示した。また切削
試験において、高速切削試験で、摩耗量０．３　ｍ　ｍ
以下、と優れ、耐欠損試験も良好であった。

（発明の効果） 以上詳述した通り、本発明のＴｉＣＮ基サーメットは、
鉄族金属を除く成分として従来から必須成分として用い
られたＭｏに代わりＮｂを必須として添加するとともに
、Ｗ量が表面において冨む濃度勾配を形成し、且つ表面
部に硬度、靭性に優れた改質部を形成することによって
、高い強度、硬度を有するとともに高速切削性および耐
欠損性に優れたサーメットを提供することができる。こ
れにより工具として用いた場合に、適用可能な切削条件
を拡大するとともに工具の長寿命化を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＴｉＣＮ基サーメットのＴｉ、Ｗ、
Ｎｂの各元素の焼結体の深さに対する組成分布を示し、
第２図は、実施例の試料における硬度の焼結体の深さに
対する変化を示す図、第 ３図は、 実施例の試料における靭性の焼結体の深さに対する変化
を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｔｉ、ＷおよびＮｂを必須成分として含有する硬
   質相と、鉄族金属からなる結合相とから構成されるＴｉ
   ＣＮ基サーメットであって、該サーメット全体組成から
   前記鉄族金属および不可避不純物を除く他の成分組成を
   〔（Ｔｉ）ａ（Ｎｂ）ｂ（Ｗ）ｃ〕（ＣｕＮｖ）ｚと表
   した時、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５０≦ａ≦０．９５、０
   ．０５≦ｂ＋ｃ≦０．５、０．４０≦ｂ／ｂ＋ｃ≦０．
   ９５、０．４０≦ｖ≦０．６０、０．８０≦ｚ≦１．０
   、ｕ＋ｖ＝１を満足し、且つｃ／ａ＋ｃで表される比率
   が内部から表面にかけて大きくなることを特徴とするＴ
   ｉＣＮ基サーメット。
2. （２）前記サーメット中に含まれるＭｏ量が０．５重量
   ％以下である請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメット。
3. （３）表面から５００μｍまでの表層部に内部より高靭
   性、高硬度の改質部が存在する請求項１記載のＴｉＣＮ
   基サーメット。