JPH06192763A - チタン基炭窒化物合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 切削性能を向上させるサーメット合金を実現
することにある。 【構成】 チタン基炭窒化物合金の硬質構成物質の組成
を下記の通りに限定する。（Ｔｉ_a ，Ｔａ_b ，Ｎｂ_c ，
Ｖ_d ）_x （Ｍｏ_e ，Ｗ_f ）_y （Ｃ_g ，Ｎ_h ）_z の組成式
において０．８８＜ａ＜０．９６，０．０４＜ｂ＜０．
０８，０≦ｃ＜０．０４，０≦ｄ＜０．０４，０．６０
＜ｆ＜０．７３，０．８０＜ｘ＜０．９０、及び０．３
１＜ｈ＜０．４０。そして全粉末原料において硬質構成
物質の粉末原料が＞７８％であって、且つ＜８３％の重
量割合の下記の物質を含有する。２３−２８％Ｔｉ
（Ｃ，Ｎ）、但し９−１３％のＮ含有量；１３−１７％
（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、但しＴｉ／Ｔａ＝８０／２
０；１４−１８％（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ、但しＴｉ／Ｔａ＝
５０／５０；１５−２０％ＷＣ；及び３−７％Ｍｏ
₂ Ｃ。 【効果】 タフネス強度と摩耗抵抗が向上し、工具寿命
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フライス削り、ドリル
加工及び旋削を用途にする、主要素としてチタンを有す
る焼結炭窒化物合金、所謂サーメットに関するものであ
る。この合金は良好な摩耗抵抗と共に良好なタフネス強
度を発揮する。

【０００２】

【従来の技術】古典的なチタン基切削工具材料は炭化チ
タン、炭化モリブデン及びニッケルに基づいていた。こ
の種の材料は高切削温度における並みはずれた摩耗抵抗
に起因して高速度仕上工作に使用されていた。しかしタ
フネス強度と塑性変形抵抗は不満足なものであり、従っ
て用途分野はむしろ限られたものであった。

【０００３】これに対し、技術は更に進歩し、焼結チタ
ン炭窒化物基合金の用途分野が著しく拡張された。その
タフネス強度と塑性変形抵抗が著しく改良された。チタ
ン基硬質合金の重要な進歩はその硬質構成物質（分）に
おいて炭素を窒素によって置換したことにある。この置
換は、例えば硬質構成物質のグレンサイズを通常１−２
μｍに減少させ、この減少グレンサイズがタフネス強度
増大の可能性をもたらした。

【０００４】一般に窒化物は、炭化物より化学的に安定
性が高く、切削工具の溶解による摩耗、所謂「拡散摩
耗」や工作物材の焼付きの生じる傾向を低減させる。

【０００５】バインダ相としては、鉄族の金属が使用さ
れ、多くの場合ＣｏとＮｉの組合せである。バインダ相
の量は一般に５−２５重量％である。チタンの外にIV
Ａ，ＶＡ，VIＡ族の別の金属が、炭化物、窒化物及び／
或いは炭窒化物等の硬質相生成物として通常用いられ
る。またそれとは別の金属、例えばＡｌも使用される。
Ａｌは、時にはバインダ相を硬化させると云われるし、
時には硬質相とバインダ相間のぬれ性を向上させると云
われている。

【０００６】焼結炭窒化物合金の極めて普遍的なミクロ
構造はコアーリム構造から成る。例えば、米国特許のＵ
ＳＰ３，９７１，６５６は富Ｔｉ，Ｎコアと富Ｍｏ，
Ｗ，Ｃリムを含んで成る焼結炭窒化物合金を開示してい
る。スウェーデン出願のＳＥ８９０２３０６−３から
は、充分釣合った割合にある二重コアーリム構造の異な
る組合せが摩耗抵抗やタフネス強度を向上させることが
認知される。チタン、タンタル及びタングステンを含有
する硬質構成物質の粒子が分布していると、これが全体
的に同じ化学組成の焼結チタン基炭窒化物合金におい
て、切削特性を阻害する。切削特性は全体的炭素含有量
が変化した場合にも違ってくる。

【０００７】チタン基炭窒化物合金に関する文献から、
炭素が窒素により置換される性向が極めて普遍的である
ことが明らかである。金属切削工作（旋削、フライス削
及びドリル加工）におけるタフネス挙動に関する物性
が、一般的に炭化チタンを窒化チタンや炭窒化チタンに
よる置換によって改良されることがこれまでに判明して
いる。この事実は、窒素含有量を特定レベル、即ちぬれ
性が多孔の存在しない焼結物を最早やもたらすことのな
い斯ゝるレベルにまでも高めてよいことを支持するもの
である。拡散摩耗（クレータ摩耗）に対する抵抗が窒素
含有量の増加に従って改良されるが、一般的な摩耗抵抗
はこの窒素含有量の増大により低減する。

【０００８】全体的組成が同じ焼結チタン基炭窒化物で
あっても、そのマクロ構造と金属切削特性は変化する。
加工成形と真空焼結を含むセメンテッドカーバイドの製
造に一般的に採用されている方法に類似の方法による
と、硬質構成物質が異なると、液相焼結中に異なる挙動
を呈する。硬質構成物質粒子の或るものは焼結炭窒化物
合金の中でコアとして残留して、多かれ少かれこの粒子
の金属性組成を不完全に継承し、他方残余の粒子は完全
に溶解してリム構造生成を阻害する。

【０００９】ＥＰ４１７３３３は、チタン基炭窒化物合
金の製法に関し、コア生成用の第１の粉末を調製し、リ
ム生成用の第２の粉末を調製し、そしてバインダ相生成
用の第３の粉末を調製することを特徴とする製造方法を
開示している。３種の粉末は磨砕（ミリング）され、加
圧固化され、そして焼結される。第１粉末は、ＴｉＣ，
ＴｉＣＮ，（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ及び（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，
Ｎ）から成る群から選択された少くとも１種の化合物で
生成されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】焼結チタン基炭窒化物
合金に関し、切削工具材料として使用したときに、従来
のこの種合金に較べ工作性能を更に向上させる合金を実
現させることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】下記の狭い範囲に限定さ
れた組成を条件にして、従来品より窒素含有量を相対的
に高くして、真空下の焼結によりチタン基炭窒化物合金
を得る。チタン基炭窒化物合金中の硬質構成物質相の組
成は、こゝでは便宜上以下の式で表す。

【００１２】（Ｔｉ_a ，Ｔａ_b ，Ｎｂ_c ，Ｖ_d ）_x （Ｍ
ｏ_e ，Ｗ_f ）_y （Ｃ_g ，Ｎ_h ）_z 但し、インデックスａ−ｆは炭化物、炭窒化物、或いは
窒化物を生成する元素の分子インデックス（指標）であ
り、インデックスｇ−ｈは夫々炭素と窒素の分子インデ
ックスである。上記式において、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１，
ｅ＋ｆ＝１，ｇ＋ｈ＝１，ｘ＋ｙ＝１、及びｚ＞１の関
係がある。

【００１３】本発明のチタン基焼結合金は、下記の関係
に限定された硬質構成物質の組成に１つの特徴がある。
０．８８＜ａ＜０．９６、好ましくは０．９０＜ａ＜
０．９４；０．０４＜ｂ＜０．０８、好ましくは０．０
５＜ｂ＜０．０７；０≦ｃ＜０．０４、好ましくは０≦
ｃ＜０．０３；０≦ｄ＜０．０４、好ましくは０≦ｄ＜
０．０３；０．６０＜ｆ＜０．７３、好ましくは０．６
６＜ｆ＜０．７２；０．８０＜ｘ＜０．９０、好ましく
は０．８２＜ｘ＜０．８８；０．３２＜ｈ＜０．４０、
好ましくは０．３４＜ｈ＜０．３８；酸素は不純物とし
て存在する。Ｃｏ＋Ｎｉから成るバインダの総量は重量
において１２−１７％、好ましくは１４−１７％であっ
て、０．６＜Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．７、好ましく
はＣｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＝２／３の関係にある。

【００１４】炭窒化物合金の製造において、全体的な化
学組成が一定であっても、焼結後のミクロ構造に大きな
違いを与えることが可能である。通常このミクロ構造の
用語は硬質コア、包囲物（リム）及びバインダ相から成
る構造をいう。コアと包囲物の体積的な割合は、全体組
成が同一のチタン基炭窒化物合金の焼結後のミクロ構造
を比較したとき、使用原料の種類の違いにより変化す
る。

【００１５】本発明のチタン基炭窒化物合金は硬質コア
生成用の粉末、包囲物生成用の粉末及びバインダ相生成
用の粉末の三者を混合することにより製造される。これ
らの粉末は、所望組成の混合粉末になるように同時に混
合される。この混合粉末を粉末冶金法により処理する。

【００１６】本発明によれば、この混合粉末は好ましい
合金物性を発揮させるために、Ｃｏ及び／或いはＮｉを
含有する全混合粉末中において、以下の組成を有するも
のにする。２３−２８重量％のＴｉ（Ｃ，Ｎ）、但しそ
の窒素含有量は９−１３重量％；１３−１７重量％の
（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、但しＴｉ／Ｔａの比は８０
／２０；１４−１８重量％の（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ、但しＴ
ｉ／Ｔａの比は５０／５０；１５−２０重量％のＷＣ；
及び３−７重量％のＭｏ₂ Ｃ。この粉末混合物の総量
（Ｐ）は重量％の関係で７８％＜Ｐ＜８３％である。残
余の出発原料としては、ＶＣ，ＴｉＮ及び／或いはＮｂ
Ｃを加える。本発明の合金中のチタンは４原子％以下の
量のニオブ及び／或いはバナジウムによって部分的に置
換し得る。

【００１７】好ましい例では、Ｔｉ含有粉末の少くとも
１種は丸く、非角形であって、＜０．２３ｌｏｇμｍの
標準偏差を有するｌｏｇスチールにおける正規分布を有
しており、この粉末は好ましくは金属の直接的な浸炭浸
窒化或いは酸化によって生成される。粉末混合物は加圧
成形され、１４００−１６００℃における＜１０mbarの
圧下範囲の真空下で焼結される。焼結後の冷却は真空又
は不活性ガスの下で行う。

【００１８】

【作用】上記組成によれば、得られた合金は多孔度合が
低減されていて、金属切削時に優れたタフネス強度を発
揮すると共に非常に良好な摩耗抵抗を発揮する作用を奏
す。しかも、この合金の工具によれば、フライス削りや
ドリル加工だけでなく、旋削においてもその切削特性の
釣合（バランス）がとれており、結果として切削寿命を
向上させる。

【００１９】

【実施例】例 １ 重量％で表した下記原料の混合物から成る組成（前述の
式においてａ＝０．９０２，ｂ＝０．０５９，ｃ＝０，
ｄ＝０．０３９，ｆ＝０．６６７，ｈ＝０．３８４及び
ｘ＝０．８６２）の粉末を用い、これを加圧成形してか
ら、９０分間、１４３０℃で真空焼結し、フライス用イ
ンサートＳＰＫＮ１２０３を製造した。１５．６％（Ｔ
ｉ，Ｔａ）８０／２０（Ｃ，Ｎ）；１５．４％（Ｔｉ，
Ｔａ）５０／５０Ｃ；２．２％ＴｉＮ；２５．６％Ｔｉ
（Ｃ，Ｎ）；１．７％ＶＣ；１８％ＷＣ；４．７％Ｍｏ
₂ Ｃ；１１．２％Ｃｏ；及び５．６％Ｎｉ。焼結後の合
金インサートの多孔度は＜Ａ０６であった。このインサ
ートは−１０°の負チァンファ（ｃｈａｍｆｅｒ）を有
するように研磨した。更に、上記本発明品に対する比較
用として、上記材料と同じ元素化学分析値（ｅｌｅｍｅ
ｎｔａｌ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ）では
あるが、単純な原料〔ＴｉＣ，ＴａＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ
（Ｃ，Ｎ）〕を含有する別の粉末原料を用い、これを加
圧成形し、９０分間、１４３０℃で焼結して同種のフラ
イス用インサートを得た。焼結後の多孔度は大半がＡ０
８になったが、中には＞Ａ０８のものも多少存在した。

【００２０】例 ２ 例１の２種のチタン基合金から製作されたＳＰＫＮ１２
０３形インサートを、フライス工作試験にかけた。タフ
ネス強度試験として、８０mm径のＳＳ２５４１のロッド
に対して、単一面エンドミル工作により実行された。２
５０mm径の切刃体をロッドに対し中心に位置付けた。使
用した切削パラメータは切削速度１３０ｍ／min 及び切
削深さ２．０mmであった。テスト資料当り３０個のイン
サートにおいて、５０％破壊に相当するときの送り速度
は、単純原料に保わる比較資料では０．２１mm／rev で
あり、本発明資料では０．３５mm／rev であった。

【００２１】例 ３ 例１の２種のチタン基合金から製作されたＳＰＫＮ１２
０３形インサートを、フライス工作試験にかけた。摩耗
抵抗試験として、下記切削パラメータにおいてスチール
ＳＳ１６７２の工作物に対し、試験した。幅９７mm、切
削深さ２．０mm、送り速度０．１２mm／rev 及び切削速
度３７０ｍ／min 。インサートは１２５mmの直径を有
し、これを工作物に対し中心配置した。摩耗結果は、単
純原料に係わる比較品資料のインサートの値を１．０に
設定して、正規化して表すと、 フランク摩耗：１．１ クレータ摩耗：１．０ であった。 例１，２，３の結果から、本発明に係わる合金による
と、同一組成ではあるが単純原料で以って製造された合
金に較べ全体的な切削挙動が向上していることは明らか
である。

【００２２】例 ４ 下記原料（重量％で表す）の混合物から成る本発明に係
わる組成（前述の式において、ａ＝０．９２０，ｂ＝
０．０６０，ｃ＝０．０２０，ｄ＝０，ｆ＝０．６７
２，ｈ＝０．３９１及びｘ＝０．８６１）の粉末を用い
た。１５．５％（Ｔｉ，Ｔａ）８０／２０（Ｃ，Ｎ）；
１５．５％（Ｔｉ，Ｔａ）５０／５０Ｃ；２．２％Ｔｉ
Ｎ；２６．０％Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）；１．８％ＮｂＣ；１８
％ＷＣ；４．６％Ｍｏ₂ Ｃ；１０．９％Ｃｏ；及び５．
５％Ｎｉ。この粉末を加圧成形し、９０分間、１４４０
℃で真空焼結し、フライス用インサートＳＰＫＮ１２０
３を製造した。焼結後の多孔度は＜Ａ０６であった。イ
ンサートは−１０°の負チァンファを有するように研磨
した。上記原料と同じ元素化学分析値ではあるが、単純
原料（ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），ＴａＣ）から
成る上記のものとは別の粉末を用い、これを加圧成形
し、９０分間、１４４０℃で焼結して、同種のフライス
用インサートを製造した。焼結後の多孔度は＞Ａ０８に
なった。

【００２３】例 ５ 例４のチタン基合金から成る２種のＳＰＫＮインサート
を、フライス工作で試験した。タフネス試験は例２と同
じ方法で実行し、摩耗試験は例３と同じ方法で実行し
た。各資料の３０個のインサートの内、試験で５０％破
壊に至った時点の送り速度は、単純原料を用いた比較用
資料にあっては０．２１mm／rev であり、本発明品資料
にあっては０．３７mm／rev であった。結果を例３の通
りに正規化して示せば次の通りであった。 フランク摩耗：１．１ クレータ摩耗：１．１

【００２４】例 ６ 例４に係わる組成の本発明に係わる粉末を用い、これを
加圧成形してから９０分間、１４４０℃で真空焼結する
ことによりフライス工作用のインサートＳＰＫＮ１２０
３を製造した。上記のものと同一の元素化学分析値の組
成であるが、別種の複合原料から成るもう１つの粉末を
用い、この粉末にタンタルが、２１モル％のタンタルを
含有し、Ｎ／（Ｃ＋Ｎ）＝０．６７の関係にあるチタン
−タンタルの炭窒化物として、添加された。この粉末を
加圧成形し、９０分、１４４０℃で焼結して同一形式の
フライス工作用インサートを得た。例２と例３における
方法でフライス工作試験を行った。各インサート資料当
り３０個のインサートを５０％破壊されるまでテストし
たときの送り速度は本発明品資料では０．３７mm／rev
であり、同一化学組成を有しているが複合原料の混合物
から成る非発明品のインサート資料では０．２３mm／re
v であった。

【００２５】例 ７ 例１の２種の粉末バッチから、夫々加圧成形と９０分間
の１４４０℃における焼結により旋削用インサートＣＮ
ＭＧ１２０４０８を製造した。下記の切削条件データの
下で、ＳＳ２２４４材の溝付き（スロット付き）のバー
を工作物として、旋削工作試験を行った。 切削速度：８０ｍ／min 送り速度：０．１５mm／rev 切削深さ：２．０mm その結果、５０％破壊に相当する工作時間は、本発明品
インサートでは４．０分であり、同一化学組成を有する
が単純な原料から成る比較品インサートでは２．５分で
あった。

【００２６】例 ８ 下記の重量％で表した原料の混合物から成る、本発明に
係わる組成（前述の式において、ａ＝０．９２１，ｂ＝
０．０５９，ｃ＝０．０２０，ｄ＝０，ｆ＝０．６７
０，ｈ＝０．３９０及びｘ＝０．８６０）の粉末Ａを用
い、これを加圧成形と９０分間、１４４０℃の真空焼結
によりフライス工作用のインサートＳＰＫＮ１２０３を
製造した。１５．３％（Ｔｉ，Ｔａ）８０／２０（Ｃ，
Ｎ）；１５．３％（Ｔｉ，Ｔａ）５０／５０Ｃ；２．２
％ＴｉＮ；２６．２％Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）；１．８％Ｎｂ
Ｃ；１８．０％ＷＣ；４．７％Ｍｏ₂ Ｃ；１１．０％Ｃ
ｏ；及び５．５％Ｎｉ。焼結後の多孔度は＜Ａ０６であ
った。得られたインサートは−１０°の負チァンファを
有するように研磨した。上記のものと同一の元素化学分
析値を有しているが、狭いグレンサイズ分布の丸い非角
形グレン状のＴｉ含有原料から成る組成の別の粉末を用
い、これを加圧成形と焼結により上記のものと同じ形式
のフライス工作用インサートを製造した。多孔度はＡ０
６かそれより良好であった。更に、最先のものと同一の
元素化学分析値を有しているが、単純な原料〔ＴｉＣ，
ＴｉＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），ＴａＣ〕から成る組成のもう
１つ別の粉末を用い、これを加圧成形と９０分間、１４
４０℃の焼結により前記のものと同一形式のフライス工
作用インサートを製造した。焼結後の多孔度は＞Ａ０８
になった。

【００２７】例 ９ 例８の３種のチタン基合金によるインサートをフライス
工作試験した。タフネス試験は例２と同じ方法で、また
摩耗抵抗試験は例３の方法で行った。各種の資料当り３
０個のインサートの内、５０％破壊が発生するに至った
送り速度は以下の通りであった。 合 金 送り速度、mm／rev Ａ ０．３４ Ｂ ０．４６ Ｃ ０．２１ 例３の通りに正規化した摩耗結果は以下の通りであっ
た。 上記結果から、比較品合金Ｃよりも本発明品の合金Ａと
Ｂが優れていることが判明するに留まらず、丸い非角形
グレンを含有する合金Ｂが合金Ａを越えて向上した特性
を発揮することも判明する。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、サーメット製の切削イ
ンサートの切削特性、特にタフネス強度と摩耗抵抗が従
来のサーメット切削インサートに較べ向上する。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硬質構成物質相がモルインデックスを伴
   う組成式：（Ｔｉ_a，Ｔａ_b ，Ｎｂ_c ，Ｖ_d ）_x （Ｍｏ
   _e ，Ｗ_f ）_y （Ｃ_g ，Ｎ_h ）_z によって表されて、コバ
   ルトとニッケル基のバインダ相中に存在する、斯ゝる硬
   質構成物質を含んで成るチタン基炭窒化物合金を磨砕、
   加圧成形及び焼結の粉末冶金法により製造する方法にお
   いて、 該硬質構成物質組成式が下記条件： ０．８８＜ａ＜０．９６； ０．０４＜ｂ＜０．０８； ０≦ｃ＜０．０４； ０≦ｄ＜０．０４； ０．６０＜ｆ＜０．７３； ０．８０＜ｘ＜０．９０； ０．３１＜ｈ＜０．４０； ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１； ｅ＋ｆ＝１； ｇ＋ｈ＝１； ｘ＋ｙ＝１；及び ｚ＜１， を満し、且つ下記５種の粉末１）−５）； １）２３−２８重量％のＴｉ（Ｃ，Ｎ）、但し、窒素含
   有量が９−１３重量％である； ２）１３−１７重量％の（Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）、但
   し、Ｔｉ／Ｔａの比が８０／２０である； ３）１４−１８重量％の（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ、但し、Ｔｉ
   ／Ｔａの比が５０／５０である； ４）１５−２０重量％のＷＣ；及び ５）３−７重量％のＭｏ₂ Ｃ、但し、原料中の該５種の
   粉末の総含有量（Ｐ重量％）が７８≦Ｐ≦８３の条件下
   にある，及び残分としてＴｉＮ，Ｎｂｃ，ＶＣ，Ｃｏ及
   び／或いはＮｉを含有する粉末混合物を硬質構成物質相
   の原料として用いることを特徴とするチタン基炭窒化物
   合金の製造方法。
2. 【請求項２】 該バインダ相含有量が１２−１７重量％
   である、但し、０．６＜Ｃｏ＜（Ｃｏ＋Ｎｉ）＜０．７
   の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の合金製
   造方法。
3. 【請求項３】 該組成式が下記条件： ０．９０＜ａ＜０．９４； ０．０５＜ｂ＜０．０７； ０≦ｃ＜０．０３； ０≦ｄ＜０．０３； ０．６６＜ｆ＜０．７２； ０．８２＜ｘ＜０．８８；及び ０．３４＜ｈ＜０．３８ を満すことを特徴とする、請求項１或いは２に記載の合
   金製造方法。
4. 【請求項４】 該バインダ相の含有量が１４−１７重量
   ％である、但し、Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）＝２／３の関係
   にあることを特徴とする請求項１−３のいづれか１項に
   記載の合金製造方法。
5. 【請求項５】 前記Ｔｉ含有粉末の少くとも１種のグレ
   ンが丸く、非角形状であり、＜０．２３の標準偏差を有
   するｌｏｇスケールで正規分布をなすことを特徴とする
   請求項１−４のいづれか１項に記載の合金製造方法。