JP2828512B2 - 被覆TiCN基サーメット - Google Patents

被覆TiCN基サーメット

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JP2828512B2 JP2416055A JP41605590A JP2828512B2 JP 2828512 B2 JP2828512 B2 JP 2828512B2 JP 2416055 A JP2416055 A JP 2416055A JP 41605590 A JP41605590 A JP 41605590A JP 2828512 B2 JP2828512 B2 JP 2828512B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、靱性に優れ
た被覆TiCN基サーメットおよびその製法に関するも
ので、特に切削工具として被削材の切削加工後の仕上面
に優れた被覆TiCN基サーメットに関する。
【0002】
【従来技術】従来から、切削用焼結体としてはWC−C
oを主成分とする超硬合金が主として用いられていた
が、最近ではTiの炭化物、窒化物、炭窒化物を主成分
とするサーメット焼結体が用いられている。
【0003】このようなサーメット系焼結体としてはT
iCを主成分とし、鉄族金属を結合相とし、さらに周期
律表第4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒
化物を硬質相成分として加えたTiC基サーメットが主
流であった。しかし乍らこのようなTiC基サーメット
焼結体では耐熱性、強靱性に劣ることから、上記組成に
さらにTiN等の窒化物、炭窒化物を含有させることが
提案された。これは、TiN自体が靱性に富むことによ
り、焼結体に靱性を付与するとともに、熱伝導率が高い
ことにより、耐熱衝撃性、耐熱塑性変形性を向上させよ
うとするものである。
【0004】そこで、従来よりTiNを含有するTiC
基サーメットに対し、さらに各種の改良がなされてい
る。例えば特公昭59−14534号では、液晶出現温
度以下で窒素を炉内に導入し、焼結体表面に靱性に富む
軟化層を形成させることが、また、特公昭59−171
76号ではCO還元雰囲気で焼成することにより、特定
の硬度を有する硬質層を形成させることが、さらに、特
公昭60−34618号によれば焼成後の降温時にCO
雰囲気と成すことにより表面内部とも均一な機械特性を
有するサーメットを得ることが提案されている。
【0005】しかし乍ら、前記先行技術によれば、硬度
あるいは靱性のいずれかについてのみ検討されるにとど
まり、高硬度および高靱性の双方を必要とする工具用材
料としては切削性能の上で未だ不十分である。
【0006】かかる問題に対して、本出願人は、液相出
現温度以上にて窒素を導入後、焼結最高温度到達後に窒
素ガス圧力を低減することにより、焼結体の表面に内部
よりも高硬度、高靱性の改質部を形成したTiCN基サ
ーメットを提案した。
【0007】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
TiCN基サーメットによれば、焼結体中の表面部のT
i含有比率が内部に比較して低いことに起因して、特に
鉄系材料を被削材として切削加工した場合、焼結体表面
部に多量に存在するWや結合金属等と被削材とが反応
し、被削材の表面に荒れが生じるという問題があること
がわかった。
【0008】よって、本発明は、ポア、ボイドがなく、
TiNの持つ特性を充分に発揮し、耐熱性、耐摩耗性、
靱性に優れるとともに被削材の切削加工後の表面が良好
な工具用の材料を提供することを目的とするものであ
る。
【0009】
【問題点を解決するための手段】本発明者は上記欠点に
対し研究を重ねた結果、本出願人が先に提案した、表面
に内部よりも高硬度、高靱性の改質部を有するTiCN
基サーメットを母材とし、その表面に母材よりも多くの
Tiを含有し、平均粒径が0.4μm以下、且つ鉄族金
属の含有量が100ppm以下のTiを含有する硬質膜
を被覆することにより、サーメット母材の有する優れた
特性を生かしつつ、被削材とサーメットとの反応性が極
力低減され、切削後の被削材表面が良好なサーメットが
得られることを知見し本発明に至った。
【0010】本発明において母材となるTiCN基サー
メットは、硬質相成分として、Tiの炭化物、窒化物あ
るいは炭窒化物を50乃至80重量%、特に55乃至6
5重量%と、W,Mo等の周期律表第6a族元素の炭化
物を10乃至40重量%、特に15乃至30重量%の割
合で含有する。
【0011】このような硬質相成分において、Tiの量
が50重量%を下回ると耐摩耗性が低下し、90重量%
を越えると焼結性が低下し好ましくない。また、第6a
族元素は粒成長抑制、結合相との濡れ性を向上させる効
果を有するが、10重量%を下回ると上記効果が得られ
ず、硬質相が粗大化し、硬度、強度が低下する。また4
0重量%を越えるとη相等の不健全相が生じると共に焼
結が困難となる。
【0012】また、硬質相成分としては上記の他、耐ク
レータ摩耗性向上を目的としてTa、Nb、さらには耐
塑性変形性を向上させることを目的としてZr、V、H
f等の窒化物、炭化物、炭窒化物を5乃至40重量%の
割合で含むことも可能であるが、40重量%を超えると
耐摩耗性劣化、ポア、ボイドの発生が著しく増加する傾
向にあり好ましくない。
【0013】一方、結合相はFe、Co、Ni等の鉄族
金属を主体として成るもので、一部、硬質相形成成分が
含まれる場合がある。
【0014】焼結体全体として硬質相成分は60乃至9
5重量%、結合相成分は5乃至40重量%の割合から成
る。
【0015】本発明における組成上の特徴は、硬質相成
分中において(窒素/炭素+窒素)で表される原子比が
0.4乃至0.6、特に0.4乃至0.5の範囲に設定
される点にある。即ち、この原子比が0.4を下回ると
靱性、耐摩耗性の向上が望めず、本発明の目的が達成さ
れず、0.6を越えると焼結体中にポア、ボイドが発生
し、工具としての信頼性が低下する。
【0016】本発明におけるTiCN基サーメットはこ
のような構成により、窒素を多量に含むことによる靱
性、耐摩耗性、耐熱性の向上効果を長期に旦り維持する
ことができ、工具としての長寿命化、高信頼性を図るこ
とが可能性となる。しかも焼結後の焼結体に対し研磨工
程等を行うことなく、製品化することも可能となる。さ
らに、サーメットの表面からおよそ1000μmまでの
表層部に内部より高硬度、高靱性の改質部が存在すると
いう特徴を有する。この改質層の存在によって、被覆工
具の母材として従来のサーメットと比較して切削工具と
しての耐摩耗性、耐欠損性を大きく向上させることが可
能となった。
【0017】しかし、上記のサーメットは、表層部に高
硬度、高靱性の改質層が形成されるメカニズム上、サー
メットの表層部にはTi等の鉄族金属との反応性が小さ
い金属の含有比率が小さく、W等の第6a族金属および
結合金属量が大きいことに起因して、例えば構造用合金
鋼SCM435を被削材として切削を行うと、サーメッ
ト中のWや鉄族金属が反応し、切削後の仕上げ面が荒れ
ることがある。そこで本発明によれば、かかるTiCN
基サーメットの表面にTiを含有する硬質膜を被覆する
ことを特徴とする。
【0018】この硬質膜は、サーメット母材と被削材と
の反応性を抑制させるために、硬質膜のTi量が母材の
Ti量よりも多い膜とすることにより前述したサーメッ
トの被削材との反応性を抑制することができる。また、
サーメット表面に前述の硬質膜を形成する際に、サーメ
ット表面に富む鉄族金属が硬質膜中に拡散し、これが硬
質膜の硬度、被削材との低反応性等の硬質膜本来の特性
を劣化させてしまう。よってこの硬質膜は、その膜中に
含有される鉄族金属量を100ppm以下、特に70p
pm以下に制御することが必要である。
【0019】さらに、硬質膜を構成する結晶の粒径は、
膜の硬度、強度を左右する要因となり、その結晶粒径が
小さいほど硬質且つ高強度、高靱性な被膜となる。よっ
て本発明によれば、この硬質膜の結晶粒径が0.4μm
以下、特に0.3μm 以下に制御することにより硬質膜
としての本来の機能を発揮するとともに、膜中破壊に起
因する粒脱落、しいては膜剥離を防止することができ
る。
【0020】なお、Ti量がサーメット母材中のTi量
よりも多いTi含有硬質膜としては、TiC、TiN、
TiCN等が好適であり、これらの膜中には場合により
酸素が含まれることもある。
【0021】この硬質膜は、サーメット表面に1〜10
μmの厚みで被覆することが望ましく、膜厚が1μmよ
り小さいと被削材との反応性抑制効果が小さく、被削材
の表面に荒れが生じやすく、10μmより厚いと母材と
被覆層との熱膨張差に起因して使用時に膜剥離を生じや
すい。
【0022】本発明の被覆TiCN基サーメットにおい
て、母材となる上記TiCN基サーメットを製造する方
法は、例えば特開平2−15139号に記載された方法
に基づき容易に製造することができる。
【0023】かかるTiCN基サーメットの表面にTi
含有硬質膜を形成する方法としては具体的には、熱CV
D法、プラズマCVD法、レーザCVD法等の化学気相
成長法(CVD法)、スパッタリング法、イオンプレー
ティング法等の物理的蒸着法(PVD法)、あるいは気
相含浸法等が採用できるが、本発明に基づき硬質膜の粒
径を0.4μm 以下に制御するにはイオンプレーティン
グ法、スパッタリング法が望ましい。
【0024】また、鉄族金属の硬質膜中への混入量を1
00ppm以下に制御するとともに母材との膜付着強度
を考慮した場合、イオンプレーティング法、プラズマC
VD法が望ましく、特にイオンプレーティング法によれ
ば成膜温度が低いことに起因して膜の結晶粒の制御が容
易で、しかも母材からの鉄族金属の拡散が抑制されるた
めに膜中への混入を防止することができる。また、成膜
にあたっては、反応炉内の設備等において鉄族金属製の
部品を極力排除するように考慮することも必要である。
以下、本発明を次の例で説明する。
【0025】
【実施例】原料粉末として平均粒径が1〜1.5μm の
Ti(CN)、TiN、TiC、WC、Mo2 C,Nb
C、NbN、VC、NiおよびCoを用い、表1の組成
に調合後、振動ミルで粉砕を行い、バインダーを添加し
たものをTNGA332チップ形状にプレス成形し、3
00℃で脱バインダー後、この成形体を焼成炉内に配置
し、約1300℃の液相出現温度以降に70atmの圧
力の窒素ガスを導入し 、1500℃の焼成最高温度ま
で昇温後、圧力を徐々に減圧し最終的に真空まで減圧し
た。得られたサーメットについてその表面部と内部との
硬度および靱性を測定したところ、いずれも表層部の方
が硬度、靱性ともに高くなっており、表層部に改質部が
形成されていることを確認した。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、(N/C+
N)原子比を求めた。
【0026】次に、各サーメットを母材としてイオンプ
レーティング法により母材温度を300〜700℃に設
定し、3μmの厚みになるようにTiN、TiCN、T
iCNO膜を形成した。また、被覆膜における平均結晶
粒径をSEM写真により、また、膜中の鉄族金属量をI
CP分析により測定した。
【0027】次に各試料に対し、下記条件で耐摩耗試
験、耐欠損試験を行い、耐摩耗試験ではフランク摩耗量
(mm)を測定し、耐欠損試験では、試験後欠損が生じ
なかったコーナ数を調べた。
【0028】摩耗試験 被削材 SCM435 切削速度 200m/min 切り込み 2mm 送り 0.3mm/rev 切削時間 10min 耐欠損試験 被削材 SCM435(丸棒Ns−40) 4ツ溝入り 切削速度 100m/min 切削時間 1min 切り込み 2mm 送り 0.2mm/rev
【0029】また、仕上げ面の評価として。表面粗さ計
を用いて、被削材仕上げ面状態をRmaxにて表現する
手法により、この値が10s以上のものを×、10s未
満のものを○として評価した。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】表1および表2の結果から明らかなよう
に、(N/C+N)比が0.4を下回る試料番号3は焼
結体表面に粗れが生じており、耐摩耗性も悪い。逆に比
が0.6を越える試料番号4では良好な焼結体を得られ
ず、耐摩耗テストができなかった。
【0033】
【発明の効果】以上、詳述した通り、本発明の被覆Ti
CN基サーメットによれば、窒素は所定量含有するとと
もに、表面部に内部よりも高硬度、高靱性を有する改質
相が存在するサーメットの表面にTi含有硬質膜を形成
することにより、優れた耐摩耗性、耐欠損性を有し、且
つ被削材との反応性が抑制されることによりサーメット
母材の特性を維持しつつ、被削材の切削加工後の表面を
良好なものとすることができる。

Claims (1)

    (57)【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
    を50乃至80重量%、周期律表第6a族元素の炭化物
    を10乃至40重量%の割合で含有するとともに、(窒
    素/炭素+窒素)で表される原子比が0.4乃至0.6
    の範囲にある硬質相成分60乃至95重量%と、鉄族金
    属を主成分とする結合相成分5乃至40重量%とから構
    成され、表面から1000μmまでの表層部に内部より
    高靱性、高硬度の改質部が存在するTiCN基サーメッ
    トの表面に、該TiCN基サーメットよりも多くのTi
    を含有し、平均粒径0.4μm以下、鉄族金属含有量が
    100ppm以下のTiを含有する硬質膜を被覆してな
    ることを特徴とする被覆TiCN基サーメット。
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