JPH10168537A - 切削工具用被覆サーメット - Google Patents

切削工具用被覆サーメット

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JPH10168537A
JPH10168537A JP33120696A JP33120696A JPH10168537A JP H10168537 A JPH10168537 A JP H10168537A JP 33120696 A JP33120696 A JP 33120696A JP 33120696 A JP33120696 A JP 33120696A JP H10168537 A JPH10168537 A JP H10168537A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のサーメットは、高速領域のフライス切削
加工での耐摩耗性および耐欠損性の点で耐久性を有する
耐摩耗性と耐欠損性を有していない。 【解決手段】硬質相と、鉄族金属を含む結合相4とから
なり、N/(C+N)原子比が0.4〜0.7であり、
硬質相が、主として周期律表第4a族元素の炭化物、窒
化物等からなる1μm以下の芯部と、主として周期律表
第5a、6a族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からな
る周辺部とからなる第1のB1型結晶1と、1μmより
も大きい芯部と、周辺部とからなる第2のB1型結晶2
と、芯部が存在しない主として周期律表第5a、6a族
元素の炭化物、窒化物等からなる第3のB1型結晶3と
から構成され、第1、第3のB1型結晶が10〜150
μmの大きさの凝集部Aとして点在するサーメットの表
面に硬質層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性、靱性に
優れたサーメットに関し、特にフライス切削工具用とし
て使用した場合、高速切削における耐摩耗性および耐欠
損性が良好な切削工具用被覆サーメットに関する。
【0002】
【従来技術】近年、切削工具用サーメットとして、周期
律表第4a、5a、6a族元素の炭化物、窒化物、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。
【0003】かかるサーメットとして、これまでTiC
を主成分とするTiC基サーメットを主流として、この
系に窒化物を添加したTiCN基サーメットが数多く提
案されている。
【0004】これらサーメットにおいて、硬質相を形成
している炭素(C)及び窒素(N)の比率は、これらサ
ーメットの靱性及び硬度を決定する大きな要因であり、
最近では窒素の比率を高めることにより、これらサーメ
ットの靱性を高めようとする試みがなされている。
【0005】これらTiCN基サーメットとして、特公
昭56−51201号等の先行技術が挙げられる。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及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。
【0006】また、最近に至り上記のTiCN基サーメ
ットに対して各種の改良がなされ、例えば、特公昭59
−17176号では、サーメット表面に内部よりも高硬
度な層を形成して耐摩耗性を向上させることが提案さ
れ、特公昭58−14498号では、表面層の窒素量を
低減して表面を高硬度化したサーメットが提案されてい
る。また、特公平5−13762号では、表面に単相構
造の硬質相と結合相とからなる表面相を形成することに
より高速切削において耐摩耗性を改善することが提案さ
れている。
【0007】さらに、これらのサーメットの耐摩耗性を
さらに向上させるために、TiC、TiN、TiCN、
Al2 3 などの周期律表第4a族元素またはAlの酸
化物、窒化物、炭化物、炭窒化物などを被覆することも
提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の先行技術によれば、耐摩耗性を高めるために、いずれ
もサーメット表面を焼成条件等の改善によって、特殊な
硬質層を形成しようとすものであるが、このような高硬
度層の形成によって、靱性が低下する等の弊害が生じ、
その結果、耐摩耗性と耐欠損性が必要とされる切削性能
全体としての改善には至っていない。しかも、刃先が高
温になるような高速切削に時における耐摩耗性に対して
は、従来のサーメットでは不十分であり、さらなる改善
が求められている。
【0009】特に、フライス切削加工は、連続的に切削
する通常の旋削とは異なり、断続的に切削を行うため
に、機械的な衝撃が大きく、しかも加工能率を向上させ
るため切削速度150m/min以上の高速領域のフラ
イス切削加工を行う場合には、従来のサーメット工具で
は、工具の異常摩耗が起こったり、靱性が不十分なため
に耐欠損性に劣るなどの問題があった。
【0010】また、表面にCVD法やPVD法により硬
質層を形成することにより、耐摩耗性を向上することが
できるものの、この硬質層を支える母材自体の靱性が低
いと、硬質層とともに刃先が欠損してしまい、硬質層を
被覆したことによる効果を十分に発揮できないという問
題があった。
【0011】
【課題を解決するための手段】そこで本発明者は、優れ
た耐摩耗性を発揮しつつ、耐欠損性に優れるサーメット
について検討を行った結果、耐摩耗性を硬質層の被覆に
よって改善すると同時に、この硬質層を被覆するサーメ
ット母材中の硬質相を、主として周期律表第4a族元素
の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる芯部と、そ
の芯部を囲むように存在する主として周期律表第5a、
6a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる
周辺部とからなる有芯構造のB1型結晶により構成し、
その結晶群のうち、その芯部の粒径が1μm以下の結晶
相と、粒径が1μmより大きい結晶相と、芯部を有しな
い結晶相とを共存させ、このうち、芯部の粒径が1μm
以下の結晶相と芯部を有しない結晶相とが、複数相凝集
した凝集部を形成し、これがサーメット母材中に点在し
た構造を呈する時、サーメット母材の強度および靱性が
飛躍的に向上し、高速切削時においても、高い耐摩耗性
と耐欠損性が実現できることを見出した。
【0012】即ち、本発明の切削工具用被覆サーメット
は、Tiの炭化物、窒化物あるいは炭窒化物と、周期律
表第4a、5a、6a族元素の炭化物、窒化物、炭窒化
物及びこれらの複合化合物のうちの1種以上とからなる
硬質相と、少なくとも鉄族金属を含む結合相とから構成
され、窒素/(炭素+窒素)で表される原子比が0.4
〜0.7の割合からなるサーメットにおいて、前記硬質
相が、主として周期律表第4a族元素の炭化物、窒化物
あるいは炭窒化物からなる粒径が1μm以下の芯部と、
該芯部を囲むように存在する主として周期律表第5a、
6a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる
周辺部とから構成される第1のB1型結晶と、主とし
て、周期律表第4a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭
窒化物からなる粒径が1μmよりも大きい芯部と、該芯
部を囲むように存在する主として周期律表第5a、6a
族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる周辺
部とから構成される第2のB1型結晶と、芯部が存在し
ない主として周期律表第5a、6a族元素の炭化物、窒
化物あるいは炭窒化物からなる第3のB1型結晶とから
構成され、前記第1および第3のB1型結晶が10〜1
50μmの平均粒径の凝集部として点在するサーメット
母材の表面に、周期律表第4a族元素およびAlの炭化
物、窒化物、炭窒化物のうちの少なくとも1種を含む硬
質層を被覆してなることを特徴とするものである。
【0013】より具体的には、前記サーメット母材にお
ける前記凝集部が0.5μm〜50μmの間隔をもって
点在し、また、前記凝集部の周囲を前記第2のB1型結
晶および前記結合相が取り囲んだ組織からなることを特
徴とするものである。
【0014】従来のサーメットによれば、クラックの先
端がマトリックス中の均一に分散した硬質粒子に達する
とクラックが偏向され、その繰り返しにより徐々にクラ
ックのエネルギーが消失し、クラックの進展が止まり、
また粒子間の圧縮応力によってもエネルギーの進展が抑
制されるという強化機構からなる。
【0015】これに対して、本発明におけるサーメット
母材によれば、上記のような均一分散型に対して、有芯
構造のB1型結晶相において、芯部の粒径の小さい、あ
るいは芯部が存在しない、主として周期律表第5a、6
a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる結
晶相を不均一に分散させ、サーメット中にこれらの硬質
相粒子が密に存在する凝集部として結合相中に点在させ
た組織により、飛躍的に強度及び靭性を高めることがで
きる。
【0016】この理由について考察するに、クラックの
先端がサーメット中を進展するとき、結合相からなるマ
トリックス中では容易に進展し、また、主として周期律
表第4a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物から
なる芯部となる結晶相部では、ある程度進展を抑制する
が、クラックは急激に進展する。しかし、マトリックス
中に点在する高靱性の凝集部が存在する部分では、クラ
ックは靱性の高い硬質相が凝集しているために、従来の
均一分散型に比較してクラックのエネルギーを急激に消
失させることができ、それによりクラックはその凝集領
域でそれ以上進展できなくなるためと考えられる。
【0017】これにより、このサーメットを母材とし
て、その表面に硬質層を形成した場合、耐摩耗性を向上
させることができるとともに、母材の耐欠損性を向上さ
せることができる結果、特に耐衝撃性が要求されるフラ
イス切削用としても優れた効果を発揮することができ
る。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明におけるサーメット母材の
組織構造を図1に示す。図1に示すように、本発明にお
けるサーメット母材は、硬質相と結合相により構成さ
れ、硬質相は、主としてTi等の周期律表第4a族元素
の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる粒径が1μ
m以下の芯部と、該芯部を囲むように存在する主として
周期律表第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるいは
炭窒化物からなる周辺部とから構成される第1のB1型
結晶1と、主としてTi等の周期律表第4a族元素の炭
化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる粒径が1μmよ
りも大きい芯部と、該芯部を囲むように存在する主とし
て周期律表第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるい
は炭窒化物からなる周辺部とから構成される第2のB1
型結晶2と、芯部が存在しない主として周期律表第5
a、6a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物から
なる第3のB1型結晶3と、から構成される。これらの
硬質相間には、鉄族金属を主とする結合相4がマトリッ
クスとして存在する。
【0019】上記のB1型結晶において、上記芯部は、
Ti等の周期律表第4a族元素の炭化物、窒化物あるい
は炭窒化物を主として含むが、これらの成分以外に周期
律表第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒
化物が固溶している。また、この芯部においては、窒素
/(炭素+窒素)で表される比率が0.5以上と、窒素
に富むもので高硬度であるが靱性に乏しい相である。
【0020】また、芯部を囲むように存在する主として
周期律表第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるいは
炭窒化物からなる周辺部は、これらの成分以外に周期律
表第4a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物が固
溶しており、窒素/(炭素+窒素)で表される比率が
0.5より低い、炭素に富むものであり、前記芯部より
も硬度は低いが靱性に富む相である。
【0021】さらに、結合相は、鉄族金属を主として含
むものであるが、それ以外に、炭素、周期律表第5a、
6a族元素などが含まれる場合もある。
【0022】かかるサーメットにおいて、断続切削や湿
式切削において靭性を高め耐欠損性を向上させるために
は、上記の周辺部の相を多量に含む組織にすることがよ
いが、その場合、サーメットとしての耐摩耗性が低下し
てしまう。
【0023】そこで、本発明によれば、上記周辺部の相
を多量に含む相を不均一に分散させることで、構造的に
靭性を向上させながら耐摩耗性の低下を防止することが
できる。具体的には、図1に示すように、周辺部の相を
多量に含む、即ち、芯部の粒径が小さいか、あるいは芯
部を有しない第1のB1型結晶1と、第3のB1型結晶
3とが複数個凝集した凝集部Aを点在させる。また、こ
の凝集部Aは、10〜150μm、特に50〜120μ
mの大きさで存在し、さらに、この凝集部Aは、隣接す
る凝集部A同士が、0.5μm〜50μm、特に2〜3
0μmの間隔をもって点在するものであり、凝集部A
は、第2のB1型結晶2と結合相4によって囲まれた組
織構造を形成することにより、従来よりも靭性に富み耐
摩耗性にも優れるサーメットを得ることができる。
【0024】なお、本発明における周期律表第4a族元
素としては、Ti以外に、Zr、Hf等が挙げられ、周
期律表第5a族元素としては、Ta、V、Nb等が挙げ
られ、周期律表第6a族元素としては、W、Mo等が好
適に使用される。
【0025】このような組織からなるサーメットを製造
するには、組成として、Tiの炭化物、窒化物、あるい
は炭窒化物を60〜90重量%と、Ti以外の周期律表
第4a族元素あるいは周期律表第5a、6a族元素の群
から選ばれる少なくも1種の炭化物、窒化物あるいは炭
窒化物を5〜20重量%、特に10〜18重量%の割合
で含有するとともに最終焼結体の窒素/(窒素+炭素)
で表される原子比が0.4〜0.7の範囲内となるよう
に制御された硬質相成分を80〜95重量%と、鉄族金
属から成る結合相成分を5〜20重量%の割合で配合す
る。
【0026】特に、前述したような凝集部を容易に形成
するには、硬質相成分中のTiの炭化物、窒化物、ある
いは炭窒化物を70〜80重量%と比較的多く配合して
その他の周期律表5a,6a族の化合物量を10〜18
重量%と比較的少なく配合し、上記窒素/(窒素+炭
素)の原子比が0.45〜0.65と比較的多くなるよ
うに配合する。また、上記鉄族金属量は5〜15重量%
に調製するのがよい。
【0027】なお、前述したような、主として周期律表
第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物
からなる結晶相からなる凝集部Aを形成する上で、用い
るTiの炭化物、窒化物、炭窒化物原料粉末は0.5〜
2μmの比較的微粉であり、また、周期律表第5a、6
a族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物原料粉末は3〜1
0μmと比較的大きいことが望ましい。これは、Ti化
合物の平均粒径が2μmより大きく、周期律表第5a,
6a族元素化合物の平均粒径が3μmより小さいと凝集
部は形成されにくくなるためである。
【0028】次に、上記の割合からなる混合物を所望の
成形手段、例えば、金型プレス,冷間静水圧プレス,押
出し成形等により任意の形状に成形後、焼成する。
【0029】焼成は、真空中あるいは窒素中で、140
0〜1600℃で焼結を行うが、これに際して、窒素/
(窒素+炭素)原子比で表される焼結体中の比率が0.
4〜0.7となるよう雰囲気を調整することが必要であ
る。特に、前述したような組織を形成するには、室温か
ら1300℃までの昇温速度を10〜25℃/minと
して組織が不均一の状態のまま1300℃まで昇温した
後、1300℃〜焼成温度までの領域を室温〜1300
℃までの昇温速度よりも少し遅く3〜10℃/minの
速度で昇温して緻密化させる。そして、室温から焼成温
度に到達する間を1×10-1torr以下の真空中と
し、焼結温度到達後に窒素ガスを20〜100torr
の圧力で導入して0.5〜3時間焼結を行い、降温過程
を昇温時と同様な真空中で降温速度15〜25℃/mi
nで降温するのがよい。しかも、焼成温度を1500℃
〜1600℃の高い温度に保持するのが有効的であり、
焼成温度が1500℃より低いと、前述した特殊な組織
は形成されにくい。
【0030】さらに、本発明によれば、上記サーメット
母材の表面に、厚さ0.1〜10μmの硬質層を形成す
る。この硬質層としては、Ti、Zrなどの周期律表第
4a族元素およびAlの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸
化物のうち、少なくとも1種を含むもので、例えば、T
iC、TiN、TiCN、TiCNO、TiAlN。
【0031】TiAlNO、Al2 3 等が好適に用い
られ、これは、単層あるいは複数層として形成される。
この硬質層は、周知のCVD、PVD法により形成する
ことができるが、特にPVD法により形成することが望
ましい。これは、PVD法における成膜温度はCVD法
よりも低いために、硬質層とサーメット母材との界面に
脆化層が生成するのを防止できるためである。また、硬
質層の層構成としては、サーメット母材側の最下層とし
て、窒素を含む層であることが望ましい。これは、サー
メット母材における脆化層の生成を抑制するとともに、
付着強度の向上を図ることができるためである。
【0032】上記のような硬質層を形成することによ
り、工具表面の硬度と高めることができる結果、工具の
耐摩耗性を向上させることができ、工具の長寿命化を図
ることができる。なお、硬質層の厚みが0.1μmより
薄いと耐摩耗性向上効果が期待できず、10μmよりも
厚いと、硬質層を形成する化合物が本来有する脆性が顕
著となり、耐欠損性が低下することに起因する工具寿命
の劣化を引き起こすためである。
【0033】
【実施例】原料粉末として平均粒径が1〜1.5μmの
TiC、TiN、TiCNと平均粒径が3〜5μmのW
C、Mo2 C、NbC、TaC、VC、CoおよびNi
を用い、表1の組成に調合後、粉砕を行い、バインダー
を添加したものをSDKN1203形状にプレス成形
し、室温〜1300℃まで20℃/minの昇温速度で
焼成し、1300〜1500℃までは10℃/minの
昇温速度で焼成し、1500℃で窒素ガスを20〜10
0torr導入し、1時間焼成し、その後、20℃/m
inの速度で降温した。
【0034】得られた各焼結体に対して、電子顕微鏡写
真により硬質相粒子凝集領域の大きさ及び硬質相粒子が
疎の層の厚みを数点測定し平均値を求めた。また、得ら
れた焼結体に対し、硬質相の炭素、窒素を定量分析し、
窒素/(窒素+炭素)原子比を求めた。次いで、切削工
具の形状に加工した後、その表面にPVD法またはCV
D法によって、表2の層構成の硬質層を形成した。
【0035】次に上記試料を用いて下記に示す切削条件
でフライス切削試験を行い、切削後のフランク摩耗量及
び刃先の欠損率として、各試料について10個の工具を
1コーナーづつ切削試験して、切削後の刃先にチッピン
グが認められた数を調べた。
【0036】結果を表2に示す。
【0037】(摩耗試験) 被削材 S50C 切削速度 250m/min 切り込み 2mm 送り 0.3mm/rev. 切削時間 30min (欠損試験) 被削材 SCM440(1本溝入り) 切削速度 200m/min 切り込み 2mm 送り 0.3mm/rev. 切削時間 10min
【0038】
【表1】
【0039】
【表2】
【0040】表1および表2の結果から明らかなよう
に、試料No.9、10、11、13では、サーメット母
材の窒素/(窒素+炭素)比率が0.4より小さく、ま
たは凝集部は形成されず、その結果、摩耗および欠損の
大きいものであった。周期律表第5a,6a族元素化合
物粉末の平均粒径が小さい粉末を用いて作製したサーメ
ットを母材とする試料No.12では、サーメット母材中
に第2のB1型結晶が生成されず、所望の特性は得られ
なかった。Ti化合物粉末として、平均粒径の大きい粉
末を用いた試料No.14では、サーメット母材の第2の
B1型結晶の粒子径が大きすぎるために凝集部は形成さ
れたものの、凝集部の径が小さすぎるために、十分な効
果が得られなかった。さらに、試料No.15では、サー
メット母材の(窒素+炭素)比率が0.7を越えるもの
であり、しかも凝集部は形成されたが、第2のB1型結
晶が微粒となり凝集部の径が大きくなり所望の耐摩耗
性、耐欠損性は得られなかった。
【0041】これらの比較例に対して、本発明の被覆サ
ーメットによれば、摩耗量は、当該サーメットで0.2
mm以下、また欠損試験では、当該サーメットで欠損率
30%以下の優れた耐摩耗性と耐欠損性を示した。
【0042】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の切削工具用
被覆サーメットによれば、サーメット母材中に主として
周期律表第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるいは
炭窒化物からなる結晶相を不均一に分散させ、サーメッ
ト中にこれらの硬質相粒子が密に存在する凝集部を点在
させることにより、母材の強度および靱性を飛躍的に高
めることができるために、切削工具として、優れた耐摩
耗性と耐欠損性、特にフライス切削時に優れた耐欠損性
を有するサーメットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のサーメットの組織構造を説明するため
の模式図である。
【符号の説明】
1 第1のB1型結晶 2 第2のB1型結晶 3 第3のB1型結晶 4 結合相 A 凝集部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Tiの炭化物、窒化物あるいは炭窒化物
    と、周期律表第4a、5a、6a族元素の炭化物、窒化
    物、炭窒化物及びこれらの複合化合物のうちの1種以上
    とからなる硬質相と、少なくとも鉄族金属を含む結合相
    とから構成され、窒素/(炭素+窒素)で表される原子
    比が0.4〜0.7の割合からなり、前記硬質相が、主
    として周期律表第4a族元素の炭化物、窒化物あるいは
    炭窒化物からなる粒径が1μm以下の芯部と、該芯部を
    囲むように存在する主として周期律表第5a、6a族元
    素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる周辺部と
    から構成される第1のB1型結晶と、主として、周期律
    表第4a族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物から
    なる粒径が1μmよりも大きい芯部と、該芯部を囲むよ
    うに存在する主として周期律表第5a、6a族元素の炭
    化物、窒化物あるいは炭窒化物からなる周辺部とから構
    成される第2のB1型結晶と、芯部が存在しない主とし
    て周期律表第5a、6a族元素の炭化物、窒化物あるい
    は炭窒化物からなる第3のB1型結晶とから構成され、
    前記第1および第3のB1型結晶が10〜150μmの
    平均粒径の凝集部として点在してなるサーメット母材の
    表面に、周期律表第4a族元素およびAlの炭化物、窒
    化物、炭窒化物のうちの少なくとも1種を含む硬質層を
    被覆してなることを特徴とする切削工具用被覆サーメッ
    ト。
  2. 【請求項2】前記サーメット母材における前記凝集部が
    0.5μm〜50μmの間隔をもって点在する請求項1
    記載の切削工具用被覆サーメット。
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