JPH04231468A - 表面被覆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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、靱性に優れ
、切刃部における下地の硬度が高く、特に鋳鉄用切削工
具として有用で且つ被削材の加工面の平滑性に優れた表
面被覆ＴｉＣＮ基サーメットに関する。

【０００２】

【従来技術】従来から、切削用焼結体としてはＷＣ−Ｃ
ｏ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Ｔｉ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。

【０００３】このようなサーメット系焼結体としてはＴ
ｉＣを主成分とし、鉄族金属を結合相とし、さらに周期
律表第４ａ、５ａ、６ａ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、強靱性に劣ることから、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自体が靱性に富むことによ
り、焼結体に靱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、耐熱塑性変形性を向上させよ
うとするものである。

【０００４】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、液晶出現温度
以下で窒素を炉内に導入し、焼結体表面に靱性に富む軟
化層を形成させることが、また、特公昭５９−１７１７
６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６０−３４６１８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特性を有する
サーメットを得ることが提案されている。

【０００５】

【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６０−３４６
１８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ビッカース硬度（Ｈｖ）で１
８００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
２　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を多量に含む組成では
実質上、切削工具としての他の特性を劣化させる結果と
なってまう。

【０００６】そこで、本出願人は、先にＴｉＣＮ基サー
メットの作成時に、焼成中の雰囲気を高窒素ガス雰囲気
より急激に真空に戻すことにより、その表面部にビッカ
ース硬度が２０００以上の高硬度の層を形成させること
により、鋳鉄用切削工具として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提案した。

【０００７】しかしながら、かかるＴｉＣＮ基サーメッ
トは、その表面部分のＴｉの含有比率が非常に少なくな
り、表面部にＷ量が多くなることに起因して、特に鉄系
材料を被削材として切削加工する場合に、Ｗ等と被削材
とが反応し、被削材の切削加工後の表面に荒れが生じる
という問題があることがわかった。

【０００８】

【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、先に提案した表面部にビッカ
ース硬度２０００以上の高硬度を有するＴｉＣＮ基サー
メットの表面に、該サーメットの表面部のＴｉ量より富
むＴｉ含有硬質膜を形成することにより、該サーメット
の有する優れた特性を維持しつつ、被削材との反応性を
顕著に低減できるとともにさらに優れた切削特性が得ら
れることを見出した。

【０００９】即ち、本発明の表面被覆ＴｉＣＮ基サーメ
ットは、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６ａ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）で表される原子比が０．４乃至０
．６の範囲にある硬質相成分６０乃至９５重量％と、鉄
族金属を主成分とする結合相成分５乃至４０重量％とか
ら成るとともに表面から５０μｍの間にビッカース硬度
２０００以上の部分が存在するＴｉＣＮ基サーメットの
表面に、該ＴｉＣＮ基サーメットよりＴｉに富み、平均
粒径が０．４μｍ以下、鉄族金属の含有量が１００ｐｐ
ｍ以下とするとする被膜を被覆してなることをを特徴と
するものである。

【００１０】本発明において、母材として用いられるＴ
ｉＣＮ基サーメットは硬質相成分として、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％、
特に５５乃至６５重量％とＷ、Ｍｏ等の周期律表６ａ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。

【００１１】このような硬質相成分において、Ｔｉの量
が５０重量％を下回ると耐摩耗性が低下し、８０重量％
を越えると焼結性が低下し好ましくない。また、第６ａ
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４
０重量％を越えるとη相等の不健全相が生じると共に焼
結が困難となる。

【００１２】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、さらに耐塑
性変形向上を目的としてＺｒ、Ｖ、Ｈｆ等を窒化物、炭
化物、炭窒化物換算で合量で０．１乃至４０重量％の割
合で含むことも可能であるが、４０重量％を越えると耐
摩耗性劣化、ポア、ボイドの発生を著しく増加する傾向
にあり好ましくない。

【００１３】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
含まれる場合がある。

【００１４】焼結体全体として硬質相成分は７０乃至９
５重量％、結合相成分は５乃至３０重量％の割合から成
る。

【００１５】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）で表される原子比が
０．４乃至０．６、特に０．４乃至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
靱性、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を越えると焼結体中にポア、ボイドが発生
し工具としての信頼性が低下する。

【００１６】さらに、本発明におけるサーメットは、図
１に示すように表面から５０μｍまでの表層部にビッカ
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。かかる表層部の高硬度な部分は、後述する製法
からも、表面部の結合相が現象するとともに表層部の第
６ａ族元素量が増加することによる。このような硬質部
が存在することによって被覆サーメット用母材の耐塑性
変形性を大きく向上させることができる。

【００１７】通常、表面に高硬度部が存在する場合、靱
性低下により、チッピング、欠損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靱性が付与され、チッピング、欠
損等の発生のない優れた母材となる。

【００１８】本発明おけるＴｉＣＮ基サーメットは、上
記構成により、窒素を多量に含むことによる靱性、耐摩
耗性の向上効果を長期に旦り維持することができ、しか
も表面に高硬度な部分が存在することから、表面被覆鋳
鉄切削工具用母材としての長寿命化、高信頼性を図るこ
とが可能性となる。

【００１９】上述したサーメットによれば、表層部にお
けるＴｉ量が低いことに起因して、例えば構造用合金鋼
ＳＣＭ４３５を被削材として切削を行うと、サーメット
中の鉄族金属や硬質相中のＷ等が被削材と反応し、仕上
げ面が荒れる場合がある。よって本発明によれば、かか
るＴｉＣＮ基サーメットの表面にＴｉを含有する硬質膜
を被覆する。

【００２０】この硬質膜は、サーメット母材と被削材と
の反応性を抑制させるために、硬質膜のＴｉ量を母材の
Ｔｉ量、特に表層部のＴｉ量よりも富んだ膜にすること
により前述したサーメットの被削材との反応性を抑制す
ることができる。また、サーメット表面に硬質膜を形成
する際に、サーメット表面において富む鉄族金属が硬質
膜中に拡散し、これが硬質膜の硬度、被削材との低反応
性等の被膜本来の特性を劣化させてしまう。よって、こ
の硬質膜は、その膜中に含有される鉄族金属量を１００
ｐｐｍ以下、特に７０ｐｐｍ以下に制御することが必要
である。

【００２１】さらに、硬質膜を構成する結晶の粒径は、
膜の硬度、強度を左右する要因となり、その結晶粒径が
小さいほど硬質且つ高強度、高靱性な被膜となる。よっ
て本発明によれば、この硬質膜の結晶粒径を０．４μｍ
　以下、特に０．３μｍ　以下に制御することにより硬
質膜としての本来の機能を発揮するとともに、膜中破壊
に起因する粒脱落、しいては膜剥離を防止することがで
きる。

【００２２】なお、Ｔｉ量がサーメット中のＴｉ量より
も富むＴｉ含有硬質膜としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ
ＣＮ等が好適であり、これらの膜中には場合により酸素
が含まれることもある。

【００２３】この硬質膜は、サーメット表面に１〜１０
μｍ　の厚みで被覆するのが望ましく、膜厚が１μｍ　
より小さいと、被削材との反応性抑制効果が小さく、被
削材の表面に荒れが生じ、１０μｍ　より厚いと母材と
被覆層との熱膨張差により使用時に剥離し易くなる。

【００２４】本発明の表面被覆ＴｉＣＮ基サーメットの
製造方法によれば、まず母材を製造するに際して組成と
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６ａ族元素を炭化物換算で１
０乃至４０重量％の割合で含有するとともに（窒素／炭
素＋窒素）で表される原子比が０．４乃至０．６範囲内
にある硬質相成分６０乃至９０重量％と、結合相成分５
乃至４０重量％とから成る成形体を作製する。

【００２５】具体的には原料粉末としてＴｉＣ、ＴｉＮ
、ＴｉＣＮ等を、また第６ａ族系としてはＷＣ、Ｍｏ２
　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。

【００２６】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Ｔ
ｉＣを用いると焼結性が低下し、部分的粒成長を起こす
場合がるため、Ｔｉ（ＣＮ）あるいはＴｉＮとの組合せ
がより好ましい。

【００２７】次に、上記成形体を焼成する。焼成は、１
４００〜１７００℃の焼成温度で行われるが、本発明に
よれば、サーメット表面部分に高硬度の部分を形成させ
るために、まず、０．５Ｔｏｒｒ以下の真空炉内で加熱
し、所定の時間に７０Ｔｏｒｒ以上、とくに１００〜２
００Ｔｏｒｒの圧力の窒素ガスを導入する。

【００２８】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導入する。即ち、液相
出現温度以上で窒素ガスを導入することにより、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ポア、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では、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。

【００２９】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、表面部の靱性を著しく低
下させてしまう。

【００３０】なお、導入させる窒素ガス圧力は、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
善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を生じている。 そこへ、急激に真空に戻すと表面付近は内部に対し、結
合相量が減少することにより、硬度が高くなる。 また、組織上、表面付近の結晶が球状化することおよび
第６ａ族元素が多量に含まれることにより靱性が向上す
るものと考えられる。なお、ビッカース硬度２０００以
上の硬質部を形成させるためには窒素ガス圧力を７０Ｔ
ｏｒｒ以上に設定することが必要である。

【００３１】このようにして作製したサーメットを母材
とし、特に切削工加工時の被削材仕上面品位を向上させ
る目的により、被削材との反応性の低いＴｉ化合物を主
体とする被膜を形成する、実質的にはサーメット表層付
傍のＴｉ含有量よりもさらに高いＴｉ化合物被膜を形成
する。また、この被膜は鉄族金属は１００ｐｐｍ以下と
実質的に含まず、さらに被膜強度の維持より、被膜の平
均粒径は０．４μｍ以下とする必要がある。具体的には
、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、レーザＣＶＤ等の化学気
相成長法（ＣＶＤ法）、スパッタリング、イオンプレー
ティング等の物理的蒸着法（ＰＤＶ法）、あるいは気相
含浸法等が採用されるが、本発明に基づき硬質膜の粒径
を０．４μｍ　以下に制御するにはイオンプレーティン
グ、プラズマＣＶＤ法、スパッタリングが望ましい。

【００３２】また、鉄族金属の硬質膜中への混入量を１
００ｐｐｍ以下に制限するとともに膜付着強度を考慮し
た場合、イオンプレーティング、プラズマＣＶＤ法が等
が望ましく、特にイオンプレーティング法によれば、成
膜温度が低いことに起因して膜の結晶粒の成長速度が小
さく、しかも母材からの鉄族金属の拡散が抑制されるた
めに膜中への混入を防止することができる。また、成膜
にあたっては、反応炉内の設備等において鉄族金属製の
部品を極力排除するように考慮することも必要である。

【００３３】

【実施例】原料粉末として平均粒径が１〜１．５μｍ　
のＴｉ（ＣＮ）、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＷＣ、Ｍｏ２　Ｃ、
ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＶＣ、Ｎｉ、Ｃｏを用い、表１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チップ用の形状にプレス成形し
、３００℃で脱バインダー後、表１の仕様で焼成を行っ
た。 なお、表１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分後保持し、ただちに真空に戻し
た。

【００３４】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。なお
、各試料について試料を約５°の角度で研磨し、該研磨
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。

【００３５】硬質膜は、イオンプレーティング法により
母材温度を３００〜７００℃に設定して３μｍ　の膜厚
になるようにＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ膜を形成し
た。また、被膜における結晶の平均粒径をＳＥＭにより
、膜中の鉄族金属の含有量をＩＣＰ分析により測定した
。

【００３６】また、各試料に対し、下記の条件で耐摩耗
性試験を行い、フランク摩耗量（ｍｍ）を測定し、また
欠損性試験により非欠損コーナー数を調べた。結果は表
２に示した。

【００３７】（摩耗試験条件） 被削材　　　　　　　　ＳＣＭ４３５ 切削速度　　　　　　２５０ｍ／ｍｉｎ切り込み　　　
　　　２ｍｍ 送り　　　　　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅｖ切削時間
　　　　　　１０ｍｉｎ

【００３８】（欠損性試験） 被削材　　　　　　　　ＳＣＭ４３５（４ツ溝入り）切
削速度　　　　　　１００ｍ／ｍｉｎ切り込み　　　　
　　２ｍｍ 送り　　　　　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅｖ切削時間
　　　　　　１ｍｉｎ

【００３９】また、仕上面の評価として表面粗さ計を用
いて、被削材仕上げ面状態をＲｍａｘにて表現する手法
にて行い、この値が１０ｓ以上のものを×、１０ｓ未満
のものを○として評価した。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】なお、表１中、試料番号１、２、６（比較
例）についてはその表面から０．２ｍｍまでの硬度分布
を図１に示した。

【００４３】表１の結果から明らかなように、（Ｎ／Ｃ
＋Ｎ）比が０．４を下回るサーメットを母材として用い
た試料番号７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を越える試料番号１１では良
好な焼結体を得られず、耐摩耗テストができなかった。 また導入するＮ２　圧が低く、ビッカース硬度２０００
以上の硬質層が形成されていないサーメットの表面に硬
質膜を形成した試料番号６は、切削途中にて著しい異常
摩耗を生じて切削不能となった。

【００４４】これに対して本発明品に基づき、表面部に
２０００以上のビッカース硬度を有する部分が形成され
たサーメットの表面に微細組織からなるＴｉ含有硬質膜
を形成した本発明品はいずれも優れた耐摩耗性と耐欠損
性を示すとともに被削材の表面状態も非常に良好なもの
であった。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の表面被覆Ｔ
ｉＣＮ基サーメットは、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、且つ被削材の切削加工後の表面の平滑性に優
れ、工具としての長寿命化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サーメット母材の表面から、０．２ｍｍまでの
硬度分布を示す図であり、図中、Ｎｏ，１、２は本発明
品、Ｎｏ，６は比較品を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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６ａ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）で表される原子比が０．
   ４乃至０．６の範囲にある硬質相成分６０乃至９５重量
   ％と、鉄族金属を主成分とする結合相成分５乃至４０重
   量％とから成るとともに表面から５０μｍの間にビッカ
   ース硬度２０００以上の部分が存在するＴｉＣＮ基サー
   メットの表面に、該ＴｉＣＮ基サーメットよりＴｉに富
   み、平均粒径０．４μｍ以下、鉄族金属の含有量が１０
   ０ｐｐｍ以下のＴｉ含有硬質膜を被覆することを特徴と
   する表面被覆ＴｉＣＮ基サーメット。