JPS63286551A - 超硬質炭窒化物合金 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はタフネスが向上し、２超硬質炭窒化物合金（セ
メンテッドカーボニトライドアロイ）に関する。

〔従来技術〕

炭化チタン基合金はスチール物品の仕上加工に使用され
てきているが、幾つかの重要な物性に制約があるために
その適用範囲は極めて限定されている。

ＴｉＣ基切削切削工具度とタフネスは一般：こＷＣＣ切
切削工具り大きく低下し、従ってより早い送り切削及び
／或いは断続切削（インターラップトカッティング）を
伴う分野におけるＴＩＣ基工具の使用が制約されている
。可塑変形抵抗もこれまた概して極めて貧弱であり、こ
れにより一段と高度の切削スピードと送りを伴う切削工
具としての使用は大きく制約される。ＴｉＣ基工具はＷ
Ｃ基工具より一段と低く、非常に小さな熱伝導度しか有
していない、その結果熱クラツクが深刻な問題となって
いる。

ある程度、この種の問題は合金化添加剤としてＴ　ｉ　
Ｎを用いることで克服されている。ＴｉＮは強度とタフ
ネスを向上させるグレンサイズを減少させる。またＴｉ
Ｎは工具の熱伝導度を増大させ、その結果熱クラツク抵
抗が向上する。可塑変形抵抗も幾つかの理由で（その１
つはバインダによる合金化の強化、即ち固溶体硬化性の
増大である）向上する。

しかし、充分なタフネスに欠けることが今もなお多くの
適用にとって大きな障害となっている。

このことがこれまでの超硬質炭窒化物を従来の超硬質炭
化物よりも小さな送り速度で使用せざるを得ない理由で
ある。

〔発明の目的〕

本発明は特に上述の不利益をもたらす劣る物性を向上さ
せた、特にタフネス挙動を改良、向上させた超硬質炭窒
化物を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明の超硬質炭窒化物はチタン、ジルコニウム、ハフ
ニウム及びこれら金属の相互固溶体の窒化物、炭化物及
び炭窒化物及びその相互固溶体から選ばれた少くとも１
つの硬質化合物の５〜５０ｖｏ１．％、好ましくは１５
〜３５ｖｏｌ、％のウィスカー：周期律表のＶＩｂ　（
Ｔｉ　　、　Ｚｒ　、Ｈｆ）、Ｖｂ（Ｖ。

や窒化物の固溶体とこれらの金属の固溶体を含む２５〜
８２ＶＯ１６％の硬質相；及び鉄、コバルト及びニッケ
ルから成る群から選ばれた少くとも１つの元素の３〜２
５ＶＯ１，％のバインダ金属を含んで成る。

上記構成を特徴とする超硬質炭窒化物では、従来のこの
種超硬質炭窒化物よりタフネス挙動が格段に向上してい
る。

ＤＢ２１０１８９Ｎ西独特許）は炭化物ウィスカーの製
造方法を開示して、いる。これでは、ウィスカーを金属
、セラミック又はプラスチック等の従来の材料を強化（
補強）する要素として使用することを示唆している。

またＤＢ２２１４８２４は、炭化物をＷｌＭＯｌＴｉ　
。

Ｔａ　、Ｃｒ　、Ｚｒ及びＨｆのファイバー或いはウィ
スカーを含有せしめ、且つＦｅ　、　Ｃｏ又はＮ１の薄
層で被覆して強化することを開示している。

［ｌ５Ｐ３．５０７．６３２の例４から、０．２％Ｔｉ
Ｃウィスカー等でウィスカー強化された超硬質炭化物材
料は公知である。このＵＳＰの例６はＷ、Ｔａ。

Ｔｉ及びＮｂの窒化物に基づく鉄のバインダを含む硬質
材料組成であって、ＴｉＮウィスカーを含有している組
成物を開示している。

ＪＰ５９−５４６７５、ＪＰ５９−５４６７６及びＪＰ
５９−５４６８０　（特開昭）　はＳｉＣウィスカーで
強化したＳｉ、Ｓ、又はＳｉＣ材料を開示している。

ぬれ特性を改善するめに、ＷＣとＭｏ、Ｃのような他の
炭化物を添加して成るＴｉＣ基超基質硬質炭化物んど不
変のＴｉＣコア（内芯部）及びバインダ合金と主インタ
フェースを形成するＷＣとＭＯ□Ｃに富んだリム（外周
部）を形成している。しかし、後者の固溶体相は焼結中
にグレンが生長しがちであり、その結果グレンは可成り
大きなサイズになる。これは強度と耐摩耗特性の両者の
向上にとって障害となる。

ところが、本発明では、ＴｉＮの添加がＴｉＣ基炭化炭
化物レン成長を減じる、即ち抑制する。

その主たる理由はバインダに接する第２の相が今やバイ
ンダ相に溶解する傾向を弱める炭窒化物から成るからで
ある。それ故ＴｉＮは合金体の強度と破壊しん性に対し
好ましい影響を与える。更にＴｉＮはＴｉＣより高い熱
伝導性を有している。

その結果として合金体の熱伝導性が増大し、所定の切削
データにおいて切刃温度を低下させ且つその温度分布を
一層均等化させる。

それ故に、ＴｉＮは熱クラツク抵抗、液／拡散耐摩耗の
ような温度制御耐摩耗メカニズム及び可塑変形性向に対
し好ましい影響を与える。

Ｍｏ２ＣとＷＣは硬質相のぬれ特性を向上させるし、更
に合金体の強度を向上させることになるグレン改善影響
力を有している。ＭＯとＷはまたバインダ合金の固溶体
強化力により可塑変形性向を減じる。

ＶＣは炭窒化物の硬度を増大させる。従ってこれは合金
体のフランク摩耗抵抗を増大させる。

ＴｉＮ添加により達成されたＴｉＣ基超基質硬質炭化物
良にも拘わらず、機械的特性は強度と破壊しん性に関し
て従来の超硬質炭化物より劣る。

従って、ＴｉＣ又はＴｉＮ基の超硬質炭窒化物は仕上げ
或いは半仕上げ工作に主として使用されることになる。

ところが、チタン、ジルコニウム及びノ翫フニウム及び
これら金属の相互固溶体の窒化物、炭化物及び炭窒化物
か、ら選択された少くとも１つの硬質化合物のウィスカ
ーを添加することで、特にタフネス挙動が顕著に改良さ
れるという驚くべき事実が発見された。これらのウィス
カーは、０．５〜１０ｐｍ径と２．５〜１００）＋ｍ長
を有し、長／径比（アスペクト比）が好ましくは５〜２
０であることを特徴とする単結晶である。

これらのウィスカーは高化学安定性を有し、超硬質炭窒
化物の本来的に良好な耐摩耗抵抗を劣化させない。

本発明は、発明品のＳＥＭマイクログラフである第１図
に示される。このマイクグラフは（１）構造中のクラッ
ク振れと（２）ＴｉＮウィスカー≠＝≠を示している。

実際の工具材料は、湿式ミルで処理され、ＩＶｂ。

ｖｂ及びＶＩｂ族から選択した金属の炭化物及び／或い
は窒化物及び／或いは炭窒化物及び鉄族金属（鉄、コバ
ルト及びニッケル）の群から選択した少くとも１つの金
属の適宜量を単結晶ウィスカーと共に混合しである。そ
の後の乾燥操作により得られた混合体粉末を適宜の外形
に加圧成形し、それを加圧下又は加圧せずに理論密度又
は近理論密度で焼結する。焼結は真空で行うことが出来
るが、合金体に多量の窒化物がある場合には窒素雲囲気
が必要となる。

焼結後に均衡ホットプレス（ｈｏｔ　ｉｓｏｓｔａｔｉ
ｃｐｒｅｓｓｉｎｇ）によって残留閉気孔をもし有れば
除去し得る。　　　・ ウィスカー補強の利用は破壊しん性の著しい増大をもた
らす。この改良のメカニズムはウィスカーと母材（マト
リックス）間の負荷移転、クラック振れ（ｃｒａｃｋ　
ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）及びウィスカープルアウト（ｐ
ｕｌｌｏｕｔ）であり得る。

これらのメカニズムはクラック成長がウィスカーとマト
リックス間の弱いインターフェースに沿って生じる事態
に依存し左右される。それだけに、ウィスカーとマトリ
ックス間の結合力は重要なパラメータである。ウィスカ
ー強化の影響を最適にするには、マトリックスとウィス
カー間の化学反応を最小に抑え、インターフェースが好
ましい破壊路になり得るよう結合力を充分小さくするこ
とが肝要である。化学反応は、ウィスカーとマトリック
ス間の元素拡散を阻止するウィスカー材料による適宜の
薄い層によって影響をこうむる。炭化物ウィスカー（あ
る程度は炭窒化物ウィスカーでも）は概して炭窒化物マ
トリックスと反応してウィスカーとマトリックスの両者
に強く結合した中間相を形成する。この場合、タフネス
の増大は極で緩慢である。従ってウィスカーは反応性の
弱い表面相を形成（被覆）するように処理されるのが好
ましい。他方、窒化物ウィスカーはマトリックスとの反
応性が弱く、中間相（ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ）　は生成
されない。この種のウィスカーは、それ故に表面処理を
施こすことなく使用することが出来、従ってそれだけ好
ましいものといえる。しかし、焼結時間と温度は出来る
限り短く且つ低くしてウィスカー材料の劣化を回避する
ことが肝要である。

この観点から、焼結温度は１６００℃より低く抑えなけ
ればならない。

Ｘ線回折分析（ＸＲＤ）は上記の要件がみたされている
ことを確認チェックするのに有効な方法である。バイン
ダと炭窒化物固溶体マトリックスからのピークの他に、
未反応（米麦の格子パラメータ）ウィスカー単結晶材料
からのピークも存在しなければならない。

〔実施例〕

本発明の理解を容易にするために、本発明に係わる切削
工具材料の製造とその特性に関して事例を以下に説明す
る。ウィスカー材料はＣＶＤ法で製造されたが、類似の
成果はこれとは別のウィスカー製法に依っても得られる
ことは当業者にとって自明である。

例１ 窒化チタンウィスカーは、ＴｉＣ１，、Ｎ、及びＨ２の
混合気から約１２００℃の温度のＣＶＤ反応によりニッ
ケルスポンジを被覆（コーティング）する処置により生
成された。得られた被覆物としてのウィスカー結晶はニ
ッケルスポンジから超音波処理とアセトン浴中での機械
的ブラッシングで取り出された。ウィスカーの大勢は０
．５〜２μｍ径と２０〜１１００ｐ長のものであった。

３Ｑｖｏｌ、％の窒化チタンウィスカーを３５ｖｏｌ。

％のＴ　ｉ　Ｃ，ｌ　Ｑｖｏｌ、％のＴ　ｉ　Ｎ、　２
ｖｏｌ、％のＴａＣ，４ｖｏｌ０％のＶＣ，５ｖｏｌ、
％のＭｏ２Ｃ５６ｖｏｌ、％のＣＯ及び３ｖｏｌ６％の
Ｎｌから成る粉末混合物と湿式ブレンドしてミル処理さ
れた。真空乾燥の後、混合体はトライブレンドしてから
加圧成形しブランク５ＮＧＮ１２０４１２を製作した。

このブランクを１０トル（Ｔｏｒｒ）の窒素雰囲気下で
、１５５０℃の温度で１時間理論密度の９９．６％にな
るように焼結した。この焼結材料のＸＲＤは三種の相：
ＴｉＣ固溶体；Ｎｉ−Ｃｏバインダ；及びＴｉＮ；から
のピークを示した。ＴｉＮの格子パラメータは４．２４
Ａであり、この値はウィスカー原材料のものと同じであ
った。

破壊しん性（Ｋ　ｔ　ｃ　）をインデンテーション法（
ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）で測定した。

ピラミッド形ダイヤモンドインデンタを用いて刻印し、
）（ｔｃはインデンタのコーナから生じているクラック
の長さから算出した。測定のための参照サンプルには、
ウィスカー含有材料と殆んど同じであるが全てのＴｉＮ
が等軸グレンとして存在する組成物を用いた。しかし、
参照材料におけるＷとＭｏの含有量は、減少させなけれ
ばならなかった。その理由はこの場合ＴｉＮが他の添加
炭化物材料と共に固溶体を生成し、しかもＭＯとＷの量
が減少しなければエータ相が生成してしまうからである
。参照材料のＸＲＤは二種の相、即ちＴｉ（Ｃ・Ｎ）固
溶体の相とＮｉ−Ｃｏバインダの相のみを示していた。

Ｋｔｃ測定の結果は表１に示されている。

表１ 組成（ｖａｔ、％） ＴｉＣＴａＣＶＣＭｏ、ＣＷＣＴｉＮ　ＴｉＮｗ　Ｃｏ
　Ｎｉ　Ｌｃ（１）３９２４　３３４０　−６３７．４
（２）３５　　　　２４　　　　　５５１０　　　　３
０　　６　　　３　　１０．２（１）は先行技術品、（
２）は本発明品この表から、ＴｉＮウィスカーの組込み
が破壊しん性を著しく高めたことが明らかである。破壊
しん性は突発故障なしに機械的応力に抵抗する材料の能
力を示すパラメータである。

例２ インサート５ＮＧＮ１２０４１２を表１に従って二種の
パウダーブレンドから製作し、このインサートをスチー
ルの連続と断続の両方の旋削操作で試験した。

ａ）基本的タフネス スチール５Ｓ２２４４の断続切削作業におけるタフネス
挙動を試験した。工作物はスペーサを介してボルトで固
定された小さなギャップを有する２枚のスチール板から
成る。最大送り能力は送り速度を３０秒毎に０．　Ｏ５
ｆｆ１ｍ／回転だけ増加させた切削テストで決定された
。

ｌバリアント当り総数３０個の切刃をテストし、その内
５０％の切刃が健在（生き残り）な段階での送り速度を
最大送り速度と決定した。

表２ 最大送り速度ｍｍ／回転 （１）　０．２５ （２）　０．４０ 表２に示すように、ウィスカー強化が高機械負荷に抵抗
する能力を著しく向上させている。

ｂ）耐摩耗性（摩耗抵抗） 摩耗抵抗は０．２０ｆｎｆｆｌ／回転の送り速度、カッ
ト深さ１．Ｑｍｍ、及び２３０ｍ／分の切削速度の条件
下でスチールＳＫＦ　２５の連続旋削作業によってテス
トされた。この作業での支配的な摩耗はクレータ摩耗で
あったが、フ・ランク摩耗も生じた。

以下余白 表　　３ 総体的摩耗抵抗 フランク摩耗　　　　クレータ摩耗 （１）　　　　　１．１　　　　　　　　　０．９５（
２）　　　　　０．９　　　　　　　　　１．０５表３
に示すように、二種のバリアント間で摩耗抵抗に有意な
差は存在しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる超硬質炭窒化物の金属構造を示
す電子顕微鏡写真である。 図において二１：クラック振れ １：ＴｉＮウィスカー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、及びこれら金
   属の相互固溶体の窒化物、炭化物及び炭窒化物から選択
   した少くとも１つの硬質化合物のウィスカーを５〜５つ
   ｖｏｌ．％；周期律表のIVｂ、Ｖｂ及び／或いはVIｂの
   族から選択した金属の炭化物及び／或いは窒化物とこれ
   ら炭化物や窒化物の固溶体とこれら金属の固溶体を含む
   硬質相を２５〜８２ｖｏｌ．％；及び鉄、コバルト、及
   びニッケルから成る群から選択した少くとも１つの元素
   のバインダ金属を３〜２５ｖｏｌ．％含んで成り、Ｘ線
   回折分析により同定される、炭化物及び／或いは窒化物
   及びその固溶体を含む硬質相；バインダ金属；及びウィ
   スカー単結晶相の三相混合物を含んで成る構造を形成し
   ている超硬質炭窒化物合金。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の合金から成る炭窒化
   物基切削工具。