JPH0978171A - 炭窒化物金属複合材料およびサーメット部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性があり、しかも靭性の高いサーメッ
トで、特に鉄系の金属材料と無潤滑摺動運動を行った
時、摩擦熱発生による高温条件下で、鉄系の金属材料に
対しての凝着現象をなくし、摩擦，摩耗あるいは欠け等
の損傷を防ぐ優れた無潤滑摺動特性を示す炭窒化物金属
複合材料及びサーメット工具の提供。 【解決手段】 Ｎｉを含まないステンレス金属粉末を５
〜４０重量％と、残部が炭化チタン粉末と窒化チタン粉
末と炭化モリブデン粉末、或いは、炭窒化チタン粉末と
炭化モリブデン粉末であり、成分としての炭窒化チタン
に対する炭化モリブデン粉末の比率を５〜１５重量％と
し、炭窒化チタンの組成はＴｉＣｘＮ１−ｘに換算し
て、ｘ＝０．３〜０．７にある混合粉末を成形後熱処理
した炭窒化物金属複合材料であり、さらに、セラミック
相としての炭窒化チタン粒子６０〜９５重量％に対し、
炭窒化チタンモリブデンが粒子表層に固溶した炭窒化チ
タン粒子を１０〜３０重量％含有し、これらの粒子間に
存在する５〜４０重量％のＮｉを含まないステンレス相
を持つ組織構造の炭窒化物金属複合材料と、この炭窒化
物金属複合材料で作られたサーメット部品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄系の金属材料と
の無潤滑摺動特性に優れた炭窒化物金属複合材料及びサ
ーメット部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従末の金属加工工具用材料としては、工
具鋼（ＳＫＤ材）、超硬合金、高速度鋼等が常用されて
いたが、連続加工、断続加工等加工条件が変わることに
よって、工具母材の摩耗損耗が激しくなったり、衝撃が
加わる加工条件の場合欠けや折れ等の損傷が多く発生し
ていた。次に、これに代わる工具用材料として、炭窒化
チタンを母材とするサーメットが開発された。その例と
して、特開平６−１７２９１３号に示されるようなＴｉ
ＣＮ−Ｎｉ系、或いは特開平７−１５０２８６号公報に
はＴｉＣＮ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣＮ−ＷＣ−Ｎｉ
系のものなどが開示され、「日本金属学会会報第２２巻
第４号」（１９８３）年にはＴｉＣ基サーメットの進歩
と現状と題して窒素添加のＴｉＣ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉサー
メットについての研究結果が発表されている。

【０００３】特開平６−１７２９１３号の場合、緻密な
焼結材を得ようとした場合、炭窒化チタンの結晶粒径が
租大化するため、靭性あるいは強度が低下して、構造部
材としての用途に限界があった。また、特開平７−１５
０２８６号公報、「日本金属学会会報第２２巻第４号」
の場合は、これら靭性、強度の低下は改善されたが、金
属結合相がＮｉであるため、鉄系金属材料と無潤滑摺動
運動をおこなわせると、凝着現象を起こし、摩擦，摩耗
あるいは損傷すると言う問題点は依然として残ってお
り、事実上十分とは言えなかった。

【０００４】更に特開平７−１０９５３４号公報に示さ
れているような、炭窒化チタン粉７０〜９５重量％とス
テンレス鋼粉５〜３０重量％から得られる炭窒化チタン
焼結体が知られている。しかし、この場合に得られる焼
結体についても、セラミックス成分である炭窒化チタン
焼結粒子と金属相との粒界には金属結合相のＮｉによる
固溶体が形成されていることにより、得られる焼結体を
鉄系金属材料と無潤滑摺動を行わせると、やはり、凝着
現象を起こし、摩擦，摩耗あるいは損傷すると言う問題
点は依然として残っており、事実上十分とは言えなかっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の炭窒
化チタンを母材とするサーメットにおいて、母材自身は
機械的硬さが高く、結合相のＮｉは母材の粒界領域に連
結した状態で存在し、耐摩耗性があり、しかも靭性の高
いサーメットではあるが、特に鉄系の金属材料と無潤滑
摺動運動を行わせると、摩擦熱発生による高温条件下
で、結合相であるＮｉが鉄系の金属材料と容易に凝着し
て、摺動部材としての応用範囲に限界が現れた現況を打
開し、鉄系の金属材料に対しての凝着現象をなくし、摩
擦摩耗あるいは欠け等の損傷を防ぐことができる、優れ
た無潤滑摺動特性を示す炭窒化物金属複合材料及びサー
メット部品の提供にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｎｉを含まな
いステンレス金属粉末を５〜４０重量％と、残部が炭化
チタン粉末と窒化チタン粉末と炭化モリブデン粉末、或
いは、炭窒化チタン粉末と炭化モリブデン粉末であり、
成分としての炭窒化チタンに対する炭化モリブデン粉末
の比率を５〜１５重量％とし、炭窒化チタンの組成はＴ
ｉＣｘＮ１−ｘに換算して、ｘ−０．３〜０．７にある
混合粉末を成形後熱処理した炭窒化物金属複合材料であ
る。

【０００７】さらに、セラミック相としての炭窒化チタ
ン粒子６０〜９５重量％に対し、炭窒化チタンモリブデ
ンが粒子表層に固溶した炭窒化チタン粒子を１０〜３０
重量％含有し、これらの粒子間に存在する５〜４０重量
％のＮｉを含まないステンレス相を持つ組織構造の炭窒
化物金属複合材料であり、サーメット部品にこの複合材
料を使用することで実現した。

【０００８】なお、粉末から複合材料に変化しても炭窒
化チタン及びステンレスの構成割合に変化はない。

【０００９】Ｎｉを含まないステンレスとしては、フェ
ライト系ステンレスとマルテンサイト系ステンレスがあ
りその主成分は、Ｆｅと１３〜１８％のＣｒであるため
鉄系の金属材料に対しては無潤滑摺動運動を繰り返して
行っても、凝着，摩耗，損傷を起こすこともない。

【００１０】Ｎｉを含まないステンレス金属粉末または
ステンレス相を５〜４０重量％とするのは、まず、Ｎｉ
を除くことで炭窒化物金属複合材料における、鉄系の金
属材料と無潤滑摺動運動を行う時の、結合金属相と鉄系
の金属材料との凝着をなくす。

【００１１】次に、ステンレス成分が５重量％未満の場
合、得られる炭窒化物金属複合材料の硬さは非常に高く
なり、耐摩耗性に優れるか、靭性あるいは機械的な強さ
が低く、欠け，割れ等の問題があり、４０重量％を越え
ると得られる炭窒化物金属複合材料の靭性及び室温にお
ける機械的な強さは非常に高くなるが、硬さ及び高温に
おける靭性，機械的強さが低下する等の問題があり、従
来の超硬合金，工具鋼あるいは高速度鋼、サーメット等
が使用されている分野に適用することは困難になってく
る。

【００１２】本発明のような複合材料を含む焼結材料の
製造過程においては、高温加熱，保持および冷却という
操作があるが、焼き入れ処理によって硬質になるマルテ
ンサイト系ステンレスの性質は、複合材料の特性向上に
より有効なものと言える。

【００１３】炭化チタン粉末と窒化チタン粉末の使用比
率は、モル比で炭化チタン：窒化チタン＝３：７ 〜
７：３の割合で合計が炭窒化チタン粉末成分と同量にな
るように配合する。

【００１４】炭窒化チタンを１００として炭化モリブデ
ン粉末を５〜１５重量％使用する。炭化モリブデンが５
重量％より少ないと、得られた炭窒化物金属複合材料中
に存在する炭窒化チタン粒子の表層に生成する炭窒化チ
タンモリブデン固溶体の生成量が少なくなりすぎて、炭
窒化チタン粒子の粗大粒が生成して炭窒化物金属複合材
料の強度低下となる。１５重量％を越えると得られた炭
窒化物金属複合材料中に存在する炭窒化チタン粒子の表
層に生成する炭窒化チタンモリブデン固溶体の生成量が
多くなりすぎ、炭窒化チタンの有している高硬度，耐摩
耗性等の好ましい特性が阻害される。

【００１５】組成構造として、炭窒化チタン粒子相の６
０〜９５重量％に対し、炭窒化チタンモリブデンがその
粒子表層に固溶した炭窒化チタン粒子が１０〜３０重量
％含有される。この炭窒化チタンモリブデンが表層に固
溶した炭窒化チタン粒子が全炭窒化チタン中の１０重量
％より少ないと、炭窒化チタン粒子の粗大粒の存在が影
響して炭窒化物金属複合材料の強度低下となり、３０重
量％を越えると炭窒化チタンの有している高硬度，耐摩
耗性等の特性が阻害される等の問題がある。

【００１６】炭窒化チタン粒子、および炭窒化チタンモ
リブデンが表層に固溶した炭窒化チタン粒子と、これら
の粒子問にステンレス相を存在させた構造の炭窒化物金
属複合材料は、摩耗や損傷が大幅に軽減され、従来の超
硬合金，工具鋼（ＳＫＤ材），あるいは高速度鋼、サー
メット等が常用されている分野であるサーメット部品と
して適用できる。

【００１７】サーメット部品としては、切削工具用チッ
プバイト、圧延用ロール（精密、冷間）、伸線用ダイ
ス、引き抜きダイス、成形用ダイス、深絞りダイス、冷
間塑性加工用型（抜き型、絞り型、成形型、押し出し
型、スリッタ）、熱間塑性加工用型（鋳造型、押し出し
用ステム／ダイス／ライナ他）等に用いられる。

【００１８】

【作用】本発明は、炭窒化チタン粒子及び炭窒化チタン
モリブデンが表層に固溶した炭窒化チタン粒子とそれら
の粒子間に存在するＮｉを含まないステンレス相とから
なる組織構造を形成させた、鉄系の金属材料との無潤滑
摺動特性に優れた炭窒化物金属複合材料である。

【００１９】適正な比率に配合した炭化チタン粉末、窒
化チタン粉末、炭化モリブデン粉末およびＮｉを含まな
いステンレス粉末の混合物、或いは炭窒化チタン粉末、
炭化モリブデン粉末、およびＮｉを含まないステンレス
粉末の混合物を成形後熱処理することにより、炭窒化チ
タン粒子と炭窒化チタンモリブデンが表層に固溶した炭
窒化チタン粒子とが入り交じった状態となり、その粒子
間にＮｉを含まないステンレス相が連続的或いは不連続
的に存在する組織構造が得られる。

【００２０】Ｎｉを含まないステンレス金属粉末として
は、現在フェライト系ステンレスとマルテンサイト系ス
テンレスがある。フェライト系ステンレスの標準組成は
Ｃｒを１８％含んでいて、高温，低温域ともにフェライ
ト相であり、冷間加工によって硬化する。マルテンサイ
ト系ステンレスの標準組成はＣｒを１３％含んでいて、
高温からの焼き入れ処理によって硬化し、炭素含有率が
高いものほど硬質になる性質を有している。

【００２１】炭窒化チタン粒子、炭窒化チタンモリブデ
ンが表層に固溶した炭窒化チタン粒子と、それらの粒子
間に存在するステンレス相である組織構造とするために
は、熱処理条件として、窒素あるいはアルゴンのような
不活性雰囲気、真空などの非酸化性雰囲気が望ましく、
無加圧焼結法、真空焼結法、ホットプレス法、真空ホッ
トプレス法あるいは熱間静水圧プレス法等があり、温度
は１５００〜１８００°Ｃの範囲であればよい。

【００２２】前述のような熱処理によってＮｉを含まな
いステンレス粉末の液相が高温で生成するとともに、炭
窒化チタン粒子或いは炭化チタン粒子と窒化チタン粒子
とが高温で安定な炭窒化チタン固溶体に変化し、共存す
る炭化モリブデン粒子が炭窒化チタン粒子の表層で液相
を介在して炭窒化チタンモリブデン固溶体を生成する。
この炭窒化チタンモリブデン固溶体が生成することによ
って、炭窒化チタン粒子の粒成長が抑制され、しかも高
温下ではＮｉを含まないステンレス相の液相がこれらの
粒子間に存在しているために、熱処理後には炭窒化チタ
ン粒子と表層に炭窒化チタンモリブデン固溶体が存在す
る炭窒化チタン粒子とそれらの粒子間に存在するステン
レス相からなる組織構造である炭窒化物金属複合材料が
得られる。ステンレス相がＮｉを成分中に含んでいる場
合、鉄系金属材料と無潤滑摺動運動を繰り返しているう
ちに、摺動部分は摩擦熱によって高温状態となるため
に、炭窒化物金属複合材料中の結合金属相が鉄系金属材
料と局部的に相互拡散をおこす。このために、炭窒化物
金属複合材料と鉄系金属材料とは凝着現象を示し、摩擦
摩耗あるいは損傷する。

【００２３】炭窒化チタンの組成はＴｉＣｘＮ１−ｘに
換算して、ｘ＝０．３〜０．７とした。ｘ値がこの範囲
内にあると、緻密な炭窒化物金属複合材料が得られ、し
かも、その複合材料中に存在する炭窒化チタン粒子は微
細で粒径がそろっているために、機械的な特性が高く、
特性のバラツキも少ない。ｘ値がこの範囲よりも大きく
なると炭窒化物金属複合材料の硬度と強度が低下し、ｘ
値がこの範囲よりも小さくなると炭窒化物金属複合材料
の酸化抵抗性が低下する結果になる。これらの諸結果
は、本発明による炭窒化物金属複合材料と同様のをサー
メット部品として適用する場合に致命的な欠点となる。

【００２４】

【実施例】以下表１から表５に本発明の実施例を示す。

【００２５】表１から表５の各配合割合による混合粉末
を、１．０ｔｏｎ／ｃｍ²で加圧成形したのち、アルゴ
ン雰囲気中１７００°Ｃで４時間熱処理して、炭窒化物
金属複合材料を作製、得られた複合材料の特性評価結果
を示す。

【００２６】ここで、無潤滑摺動性は、高張力炭素鋼Ｓ
ＣＭｎ１の平板材と上記炭窒化物金属複合材料による円
柱状材とを使ったピンオンディスク法により評価した。

【００２７】押し付け荷重５０Ｎ、摺動速度１ｍ／ｓ、
摺動距離５０００ｍとした。

【００２８】

【表１】 表１は、特にステンレス粉末の種類及び使用量を変化さ
せたもので、実施例１〜３のＮｉを含まないステンレス
粉末としてマルテンサイト系ステンレスＳＵＳ４４０Ｃ
の配合割合が本発明の特許請求の範囲内にある炭窒化物
金属複合材料は、緻密で高硬度，高強度であり、かつ鉄
鋼材料との無潤滑摺動運動においては、凝着，欠け等の
発生もなく良好であり、実施例４のＮｉを含まないフェ
ライト系ステンレスＳＵＳ４３０の配合による複合材料
も実施例１〜３同様に良好な結果が得られた。なお、マ
ルテンサイト系とフェライト系を同量で比較するとマル
テンサイト系の方が硬度，強度の点で優れている。

【００２９】ＳＵＳ４４０Ｃの配合割合が本発明の特許
請求の範囲より少ない比較例１の場合は、靭性不足が主
原因で無潤滑摺動運動によって欠けが発生し、反対に多
い比較例２，３の場合は凝着を起こしている。また、比
較例４のオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３０４の配
合の場合、数値範囲内ではあるが凝着を起こし実用上で
問題となる。

【００３０】

【表２】 表２は、ステンレス粉末の使用量を固定した例を示す。
その中で実施例５〜７及び比較例５，６は、炭化モリブ
デンも一定量とし、炭窒化チタンの組成に換算して炭化
チタンと窒化チタンの配合割合を変化させた例で、ま
た、実施例８〜１０及び比較例７，８は炭窒化チタンの
組成に換算した炭化チタン粉末と窒化チタン粉末と共に
炭化モリブデン粉末の使用量も変化させた例であり、本
発明品は緻密で高硬度，高強度であり、かつ鉄鋼材料と
の無潤滑摺動特性は、凝着や欠け発生もなく良好であっ
た。

【００３１】なお、比較例５，６の配合割合で窒化チタ
ン寄りになると硬度が低下して、無潤滑摺動運動によっ
て欠けや凝着を起こし、炭化チタン寄りになると硬度は
高いが粗大粒を含む組織となって無潤滑摺動運動によっ
て欠けが発生した。比較例７は炭化モリブデンが少ない
ため、得られた炭窒化物金属複合材料は粗大粒を含む組
織となって強度が低下し、比較例８では炭化モリブデン
が多すぎて硬度が低下し、いずれも無潤滑摺動運動によ
って欠けが発生した。

【００３２】

【表３】 表３は、炭窒化チタン粉末と炭化モリブデン粉末及び各
種ステンレス粉末の組み合わせの例で炭窒化チタン組成
の炭化チタンと窒化チタンの構成比率を一定として示
す。

【００３３】実施例１１〜１３及び比較例９〜１１はマ
ルテンサイト系ステンレスＳＵＳ４４０Ｃの変化にによ
る例であり、実施例１１はフェライト系ステンレスＳＵ
Ｓ４３０を使用した例、比較例１２はＮｉを含むオース
テナイトＳＵＳ３０４を使用した例を示す。

【００３４】Ｎｉを含まないステンレス粉末が本発明の
特許請求の範囲内での使用による実施例１１〜１４の炭
窒化物金属複合材料は、いずれも緻密で高硬度，高強度
であり、かつ鉄鋼材料との無潤滑摺動運動において欠
け，凝着が発生もなく良好であった。、これに対し他の
粉末が特許請求の範囲内であっても、比較例９のように
ステンレス粉末が少なすぎれば靭性不足が主原因となっ
て、鉄鋼材料との無潤滑摺動運動により欠けが発生し、
比較例１０，１１のように多すぎれば摩擦熱による高温
条件下で硬さは低下し凝着を起こしている。また、Ｎｉ
を含むオーステナイト系ステンレスの場合は規程内であ
っても鉄鋼材料との無潤滑摺動運動で凝着を起こし、実
用上問題となる。

【００３５】

【表４】 表４は、表３と同様の構成ではあるが、ステンレス粉末
を固定し、炭化モリブデンを変化させた例であり、実施
例１５〜１７は特許請求の範囲内、比較例１３は少ない
例、比較例１４は多い場合の例を示す。

【００３６】実施例における本発明の炭窒化物金属複合
材料は、緻密で高硬度，高強度であり、鉄鋼材料との無
潤滑摺動運動においても欠け，凝着は発生せず良好であ
り、少ない場合は粗大粒を含む組織となって強度が低下
し、また、多い場合は硬度が低下して無潤滑摺動運動に
よって欠けが発生した。

【００３７】

【表５】 表５は、ステンレス粉末と炭化モリブデン粉末および、
炭窒化チタン粉末の使用量を固定し、炭窒化チタンの組
成としてＴｉＣｘＮ１−ｘのＸ値を各段階に変化させる
ことによるその特性を示す。

【００３８】炭窒化チタンの組成でＸ値が０．３〜０．
７の範囲内であれば、炭窒化物金属複合材料は緻密で高
硬度かつ高強度であり、鉄鋼材料との無潤滑摺動運動に
よる欠けや凝着は発生もなく良好である。

【００３９】しかし、炭窒化チタンの組織が炭化チタン
寄りになると、得られた炭窒化物金属複合材料の硬度は
高いが、粗大粒を含む組織となって無潤滑摺動運動によ
り欠けが発生し、窒化チタン寄りになると、硬度は低下
して無潤滑摺動運動によつて凝着を起こした。

【００４０】本発明の炭窒化物金属複合材料を鉄系の金
属材料である、高張力炭素鋼の冷間塑性加工用のサーメ
ット部品として使用したが、鉄系の金属材料であっても
塑性加工時に欠けることもなく、また、相手材に凝着す
ることもなかった。

【００４１】

【発明の効果】本発明によって得られた炭窒化物金属複
合材料は、炭窒化チタン粒子と炭窒化チタンモリブデン
が表層に固溶した炭窒化チタン粒子及びこれらの粒子間
に存在するＮｉを含まないステンレス相を持つ組織構造
であるため、鉄系の金属材料との無潤滑摺動特性に優
れ、金属材料に対しての凝着現象もなく、摩擦摩耗ある
いは欠け等の損傷を防ぐことができ、サーメット部品と
しても広く適用できる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉを含まないステンレス金属粉末を５
   〜４０重量％と、残部が炭化チタン粉末と窒化チタン粉
   末と炭化モリブデン粉末であり、炭化チタン粉末と窒化
   チタン粉末の合量に対する炭化モリブデン粉末の比率を
   ５〜１５重量％とし、炭化チタン粉末と窒化チタン粉末
   との比率は、炭窒化チタンの組成ＴｉＣｘＮ１−ｘに換
   算して、ｘ＝０．３〜０．７である混合粉末を成形後熱
   処理した炭窒化物金属複合材料。
2. 【請求項２】 Ｎｉを含まないステンレス金属粉末を５
   〜４０重量％と、残部が炭窒化チタン粉末と炭化モリブ
   デン粉末であり、炭窒化チタンに対する炭化モリブデン
   粉末の比率を５〜１５重量％とし、炭窒化チタンの組成
   はＴｉＣｘＮ１−ｘとしてｘ＝０．３〜０．７である混
   合粉末を成形後熱処理した炭窒化物金属複合材料。
3. 【請求項３】 セラミック相としての炭窒化チタン粒子
   ６０〜９５重量％に対し、炭窒化チタンモリブデンが粒
   子表層に固溶した炭窒化チタン粒子を１０〜３０重量％
   含有し、これらの粒子間に存在する５〜４０重量％のＮ
   ｉを含まないステンレス相を持つ組織構造の炭窒化物金
   属複合材料。
4. 【請求項４】 炭窒化チタン粒子、および炭窒化チタン
   モリブデンが表層に固溶した炭窒化チタン粒子と、これ
   らの粒子間に存在するＮｉを含まないステンレス相を持
   つ組織構造の炭窒化物金属複合材料によるサーメット部
   品。