JPH06220569A - チタン基焼結炭窒化物合金とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｔｉ基焼結炭窒化物合金を高摩耗抵抗と高タ
フネス強度を共に発揮するように改良すること。 【構成】 該合金中のコア−リム構造を有する硬質構成
物質の当該コアとして、全含有金属元素に対するＴｉと
Ｗの相対的含有割合が相異なる特定範囲の値になってい
る四種のコアが少くとも夫々５％を占めるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主成分としてチタンを含
有し、向上したタフネス強度、耐摩耗性及び耐可塑変形
性を発揮する焼結炭窒化物合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】古典的なセメンテッドカーバイド（焼結
炭化物）、即ちバインダ相としてのコバルトと、炭化タ
ングステン（ＷＣ）に基づくもの、は数年前から通常サ
ーメットと称されるチタン基硬質材料との高まる競合に
さらされている。このサーメット合金の初期には、これ
は高切削温度での大きな摩耗抵抗により仕上工作にのみ
使用されていた。これは主としてチタン合金の良好な化
学安定性に依るものである。しかし、タフネス強度と可
塑変形抵抗は満足すべきものではなく、従ってその適用
分野は相対的に限定されていた。

【０００３】しかし、これまでに進歩して、今やチタン
基硬質材料の適用分野は著しく拡大されるに至った。タ
フネス強度と可塑変形抵抗は著しく向上した。しかし、
それでもこの成果は摩耗抵抗を１部犠牲にしたものであ
る。

【０００４】チタンの他に、IVＡ，Ｖａ及びVIＡ族から
の金属、即ち、Ｚｒ，Ｈｔ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍ
ｏ及び／或いはＷがその炭化物、窒化物及び／或いは炭
窒化物の形態で硬質構成物質生成子として通常使用され
ている。硬質構成物質のグレンサイズは概して＜１μｍ
である。バインダ相としては、今日では多くの場合に、
コバルトとニッケルの両者が使用されている。バインダ
相の含有量は概して３−２５重量％である。

【０００５】焼結中には、相対的に安定性の低いように
見える硬質構成物質が一旦バインダ相に溶解し、次いで
相対的に安定性のある硬質構成物質上にリムとして析出
する。従って、問題の合金における非常に一般的な構造
は、コア−リム構造の硬質構成物質グレンということに
なる。この分野の初期の特許はＵＳＰ３，９７１，６５
６であり、そこでの構造は、Ｍｏ，Ｗ及びＣに富んだリ
ムによりＴｉとＮに富んだコアが取り囲まれたものであ
る。スウェーデン特許出願ＳＥ８９０２３０６−３から
は、充分に均衡のとれた割合の２相コア−リム構造の少
くとも２種の組合せが摩耗抵抗、タフネス強度及び／或
いは可塑変形抵抗に関して最適の特性を与えることが知
られている。更に、この分野の特許例としては、ＵＳＰ
４，９０４，４４５、ＵＳＰ４，７７５，５２１、ＵＳ
Ｐ４，９５７，５４８等、僅かしか挙げることが出来な
い。

【０００６】

【発明が解決すべき課題】摩耗抵抗と可塑変形抵抗を低
減させることなくタフネス強度を向上させる、従来にな
いサーメットを実現することにある。

【０００７】

【課題を解決しようとする手段】本発明に係わるチタン
基炭窒化物合金はコア−リム構造の硬質構成物質を含有
するものであるが、この硬質構成物質（ｃｏｎｓｔｉｔ
ｕｅｎｔｓ）の少くとも７０％、好ましくは８０％が図
１に示す四種のコア１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び２Ａを有し、
これらコアが本質的に同一組成のリムによって包囲され
ている。各種コアの含有量は少くとも５％、好ましくは
少くとも１０％である。

【０００８】コア１Ａは硬質構成物質生成子として主と
して、即ち９０−９５重量％のチタンで生成されてお
り、１−５重量％のＷの他に、少含有量の、即ち＜２重
量％の残余の金属元素を含有している。このコア１Ａは
他種のコアに較べ大きく、多くの場合に１μｍのサイズ
であり、最長のものでもこれより幾分長い程度である。

【０００９】コア１Ｂと１Ｃは夫々硬質構成物質生成子
の金属元素として主としてチタンとタングステンを、そ
して相対的に低含有量、即ち＜５重量％の金属元素を含
有している。タングステンとチタンの含有量は、コア１
Ｂでは夫々１５−２５重量％と６５−８５重量％であ
り、コア１Ｃでは５０−７５重量％、好ましくは５５−
７０重量％と２０−４０重量％である。両種のコアのサ
イズは＜１μｍである。

【００１０】コア２Ａは２０−３０重量％のタングステ
ンと３０−６０重量％、好ましくは３５−５５重量％の
チタン、及び他種のコア１Ａ，１Ｂ及び１Ｃよりも著し
く高含有である２５−３５重量％の残余の合金化金属元
素を含有している。このコア２Ａは、チタンとタングス
テンに加えて、リムと同程度の含有量の合金化元素及び
他種のコアに較べ幾分高含有量の重元素を含んでいる。
この重元素は幾分高いタングステン含有量と共に、バッ
ク散乱電子モードの走査電子顕微鏡によるマイクログラ
フの相対的に明るいコントラストから自明である。

【００１１】コア２Ａは最小サイズを有し、概して約
０．５μｍ以下である。更にこのコアは多くの場合、全
種コアの総数の約５０％以上の数を占める。コア１Ａの
占有率は材料内部より表面において相対的に小さい。

【００１２】コア１Ａ−１Ｃを取り囲むリムは最終焼結
の後の冷却処理に関連して主として生成され、結果とし
て本質的に同一のリムである。測定された偏差は誤差限
界内にある。

【００１３】コア２Ａを取り囲むリムでは、上述の他種
コア１Ａ−１Ｃの囲りのリムとして成長したものに加わ
る何ものもない。しかし、それにも拘らず、肉薄である
コア２Ａを囲むリムがコア１Ａ−１Ｃを囲むリムとは別
の組成を有しているものと推定する理由はない。このリ
ムは明らかに平行成長性（エピタキシー）を有し、丸い
コアが結果として多くの場合に角ばったリムを有してい
る。これは公知のチタン基炭窒化物合金の場合の正常な
ケースに反するものである。

【００１４】更に、リムと関連した上述の種類のコアに
加え、別種のコアも本発明に係わる合金にコア総数の３
０％未満、好ましくは２０％未満だけ存在し得る。

【００１５】Ｖ族からの元素、即ちバナジウム、ニオブ
及びタンタルが更に加えられた合金コア１Ｂと１Ｃが可
塑変形抵抗を一層向上させることが出来るという事実が
判明した。しかし、これは、高タンタル含有のコア２Ａ
が多いので、余部の成果といえる。この可塑変形抵抗の
向上にはタフネス強度の深刻な劣化をもたらさずに可能
となる。

【００１６】特に良好な特性は、以下の組成の合金にお
いて得られた。即ち重量％で表して、ＷＣ１０−１５
％；ＴｉＣ＋ＴｉＮ５０−６０％；ＴａＣ＜８％；ＶＣ
＜５％；Ｍｏ₂ Ｃ＜１０％、但しＴａＣ＋ＶＣ＋Ｍｏ₂
Ｃ＜２０％；及びＣｏ＋Ｎｉ５−２０％、好ましくは８
−１６％の組成である。

【００１７】本発明の炭窒化物合金は公知の粉末冶金法
の粉砕、加圧及び焼結により製造される。硬質構成物質
を生成する粉末とバインダ相生成粉末は所望組成で混合
される。この混合物からブランクを加圧成形し、次いで
焼結される。本発明合金の特性は、タングステンと窒素
を１８−２２％のＷ、６０−６５％のＴｉ、１１．５−
１２．２％のＣ及び５．５−６．２％のＮから成る（重
量％）組成の（ＴｉＷ）（Ｃ，Ｎ）になるように加える
ことにより得られる。

【００１８】

【作用】本発明合金で得られるタフネス強度増大効果
は、連続係合状態での高度仕上にのみ適用され得るだけ
の高摩耗抵抗とこれに必要なタフネス強度を有している
に過ぎない従来存在するチタン基炭窒化物合金に対し、
今やこの高摩耗抵抗を維持しながら当該効果が発揮され
るので、同じサーメット合金であるが、断続工作とある
種のならい工作、即ち切込みを変化させる工作にも適用
出来る高級な工作工具材料が実現した。その上、レーキ
面〔即ち、金属切り粉（チップ）が滑動するインサート
の側面〕での摩耗抵抗を所謂「クレータ摩耗」に対する
増大した抵抗として向上させた。

【００１９】

【実施例】重量で表現して、１３．７％のＷＣ、４０．
８％のＴｉＣ、１５．７％のＴｉＮ、６．２％のＴａ
Ｃ、４．１％のＶＣ、８．２％のＭｏ₂ Ｃ、６．２％の
Ｃｏ及び４．６％のＮｉから成る粉末混合物を調製した
が、この場合全てのＷＣは２０％のＷ、６２％のＴｉ、
１１．８５％のＣ及び５．８５％のＮから成る組成の
（Ｔｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）を構成するように加えてある。
この混合物からＴＮＭＧ１６０４０８ＱＦ型のインサー
トブランクを加圧成形し、それを１４３０℃で９ミリバ
ールのＡｒの雰囲気で焼結した。

【００２０】このインサートの合金構造は図１に示され
る。この図は所謂バック散乱モードの４０００倍の走査
電子顕微鏡マイクログラフである。この図では、次の四
種のコアがその色調コントラストにより区分することが
出来る。 コア種 コントラスト １Ａ 黒色 １Ｂ 灰色 １Ｃ 白色 ２Ａ 明灰色

【００２１】これらのコアとそれに係わるリムにおける
金属含有量及びバインダ相組成の金属含有量はエネルギ
ー分散法で決定され、その値は下記の表１に示してあ
る。コア２Ａが他のコア１Ａ−１Ｃよりも著しく肉薄で
且つリムを多く拡散させていることから、信頼性の高い
分析を得ることは出来なかった。しかしコア１Ａ−１Ｃ
を囲むリムとは別の組成をコア２Ａを囲むリムが有して
いると信じる理由は皆無である。

【００２２】 表１ コアとリムの種類 重量％で表した全金属組成（平均含有量） Ｔｉ Ｖ Ｃｏ Ｎｉ Ｍｏ Ｔａ Ｗ コア１Ａ 92.2 0.3 0.6 0.4 1.5 2.0 3.3 コア１Ｂ 75.6 0.9 0.5 0.3 2.4 3.0 17.6 コア１Ｃ 29.2 1.0 0.6 0.2 2.0 2.6 64.4 コア２Ａ 46.6 5.5 2.1 1.2 11.5 9.7 23.4 リム１Ａ 59.0 3.5 0.7 0.5 9.2 9.2 18.0 リム１Ｂ 57.5 3.9 1.0 0.6 8.7 9.3 19.0 リム１Ｃ 57.9 3.7 1.7 1.0 7.9 8.8 19.1 リム２Ａ 肉薄過ぎて、分析不能 バインダ相 5.7 2.6 43.2 27.5 8.1 2.5 10.4

【００２３】表１から、コア１Ａ−１Ｃを囲むリムが同
一である、即ち誤差限界内の偏差しかないことは明白で
ある。このことからこれは同一組成であるとみなされる
ことになる。これはチタンの含有量と重元素の含有量に
おいて良く合っている。

【００２４】表１から、コア１Ａが金属元素としてチタ
ンを主として含有し、コア１Ｂ，１Ｃは相異なるＴｉと
Ｗの含有量を有しているが、残余の金属元素では同じ含
有量を有している事実も明白である。コア２Ａでは他の
コア１Ａ−１Ｃよりも残余の金属元素の含有量が大き
い。リムでは、コア１Ｂよりも幾分タングステン含有量
は大きいが、コア２Ｂよりはこの含有量は小さい。この
関係は、実際の炭窒化物合金の平均組成をどのように選
定するかに依存するものであって、本発明の特徴構成で
はない。

【００２５】例２ 市場で入手可能なチタン基炭窒化物合金である、仕上工
作用の耐摩耗タイプの合金と、断続工作とならい工作用
のタフタイプの合金の二種類を例１の本発明品合金と比
較した。同一インサートタイプ、即ちＴＮＭＧ１６０４
０８ＱＦを用いた。エッジラデイウス（ｅｄｇｅ ｒａ
ｄｉｕｓ）は全てのインサートで同じであった。

【００２６】ＳＳ２２３４の管の正面工作で、摩耗抵抗
をテストした。管径はＤｏ＝９５mm，Ｄｉ＝５０mmであ
った。 切削データ： 速度＝４００ｍ／分 送り＝０．１５mm／rev. 切込み＝０．５mm 同一度合のフランク摩耗Ｖ_B と破損に至るまでの相対寿
命としては次の結果となった。 相対寿命 （Ｖ_B ） （破損） 発明品 １．０ １．１ 摩耗抵抗タイプ品 １．０ １．０ タフタイプ品 ０．４ ０．６ タフネス強度はＳＳ２２４４−０５に対し、断続旋削工
作でテストした。その切削データは以下の通りであっ
た。 速度＝１１０ｍ／分 送り＝０．１０mm／rev. 切込み＝１．５mm 摩耗抵抗タイプ品の参照品と較べた破損せずに生き残っ
たインサート品率「ビクトリー」（ｖｉｃｔｏｔｙ）％
で表すと、結果は次の通りであった。 ビクトリー％ 発明品 ９０ タフタイプ品 ９３ 摩耗抵抗タイプ品（参照） ５０

【００２７】上記例は発明品合金がタフタイプ品と同じ
タフネス強度を有し、同時に摩耗抵抗タイプ品と同じ摩
耗抵抗を有していることを示している。

【００２８】

【発明の効果】本発明のサーメット合金は、切削インサ
ートに適用すると、従来のサーメット合金製のものに較
べ、従来品が発揮する最高の摩耗抵抗を損うことなくタ
フネス強度が向上しているので、断続旋削やならい工作
に有効な切削工具の材料として極めて有益なサーメット
合金といえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】四種のコアに係わるコア−リム構造を有する本
発明に係わる焼結炭窒化物合金の金属構造を示す図面に
代る４０００倍の電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２Ａ…四種のコア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラース フルトマン スウェーデン国，エス−121 57 ヨハネ ショブ，ニッサスティゲン ７

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｔｉと、Ｗと、Ｚｒ，Ｈｔ，Ｖ，Ｎｂ，
   Ｔａ，Ｍｏ及びＣｒの１種或いは複種の金属とに基づく
   コア−リム構造の硬質構成物質を５−３０重量％のＣｏ
   及び／或いはＮｉ基のバインダ相内に含んで成るチタン
   基焼結炭窒化物合金において、 少くとも７０％の該硬質構成物質は全金属含有量を１０
   ０重量％にしたときに、ＴｉとＷの含有量が相異なる四
   種のコア（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び２Ａ）を有し、コア
   （１Ａ）は１−５％のＷと９０−９５％のＴｉを含有
   し、コア（１Ｂ）は１５−２５％のＷと６５−８５％の
   Ｔｉを含有し、コア（１Ｃ）は５０−７５％のＷと２０
   −４０％のＴｉを含有し、そしてコア（２Ａ）は２０−
   ３０％のＷと３０−６０％のＴｉを含有し、各種コアの
   占有率が少くとも５％であることを特徴とするチタン基
   焼結炭窒化物合金。
2. 【請求項２】 該リムが各種コアにおいて実質的に同一
   組成を有していることを特徴とする、請求項１に記載の
   合金。
3. 【請求項３】 コア（２Ａ）が＜０．５μｍのサイズを
   有し、その占有率が少くとも５０％であることを特徴と
   する、請求項１或いは２に記載の合金。
4. 【請求項４】 重量％で表して、１０−１５％のＷＣ、
   ５０−６０％のＴｉＣ＋ＴｉＮ、＜８％のＴａＣ、＜５
   ％のＶＣ及び＜１０％のＭｏ₂ Ｃを含むが、ＴａＣ＋Ｖ
   Ｃ＋Ｍｏ₂ Ｃが＜２０％であり、Ｃｏ＋Ｎｉが５−２０
   ％である、斯ゝる組成を有していることを特徴とする、
   請求項１−３のいづれか１項に記載された合金。
5. 【請求項５】 Ｔｉと、Ｗ及び／或いはＭｏと、Ｚｒ，
   Ｈｔ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ及びＣｒの１種或いは複種の金属
   とに基づくコア−リム構造を有する硬質構成物質をＣｏ
   及び／或いはＮｉ基の５−３０重量％のバインダ相内に
   含有して成るチタン基焼結炭窒化物合金を、粉砕、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、 タングステンの全部が、重量％で表して、１８−２２％
   のＷ、６０−６５％のＴｉ、１１．５−１２．２％のＣ
   及び５．５−６．２％のＮを含む組成を有する（Ｔｉ，
   Ｗ）（Ｃ，Ｎ）になるように加えることを特徴とするチ
   タン基焼結炭窒化物合金の製造方法。