JP3850086B2 - 硬質層被覆サーメット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱衝撃性、耐欠損性、耐摩耗性に優れたサーメットに関し、特に切削工具材料として用いた場合、断続切削性能に優れる硬質層被覆サーメットに関する。
【0002】
【従来技術】
近年、切削工具材料、耐摩耗工具材料などに周期律表第4a、5a、6a族元素の複炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属からなる結合金属相によって構成されるサーメットが広く用いられている。かかるサーメットとしては、これまでTiCを主成分とするTiC基サーメットが主流であったが、このTiC基サーメットが古くから工具材料として用いられていた超硬合金に比較して靱性が劣るために、この系に窒化物を添加することにより靱性を改善したいわゆるTiCN基サーメットが提案された。
【0003】
このTiCN基サーメットの代表例として特公昭56−51201号が挙げられ、ここでは、(Ti,W,Ta,Mo)CNからなる硬質相と、Ni、Coからなる結合金属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およ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。
【0004】
また、硬質相を形成する炭素(C)および窒素(N)はサーメットの靱性および硬度を決定する大きな要因であり、最近では窒素を多量に含有させることによりサーメットの靱性を高めようとする試みもなされている。
【0005】
ところが、最近に至り上記のTiCN基サーメットに対してその表面部の組織を換えることにより耐摩耗性や靱性をさらに高めようといった改良がなされている。例えば特公昭59−14534号では、焼成時に液相出現温度以下で窒素を炉内に導入することによって焼結体表面に靱性に富む軟化層を形成することが、また特公昭59−17176号では焼成をCOを含む還元雰囲気内で行うことにより内部より高硬度の層を形成することが提案されている。
【0006】
また、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 O3 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。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のサーメットにおいては、耐摩耗性あるいは耐欠損性のいずれかを改善するにとどまり、双方の特性を満足するには至っていない。特に、高速切削による高温化やそれに伴う熱衝撃などによって、切削工具に対しては、さらに優れた耐摩耗性とともに高靱性化による耐欠損性が要求される。
【0008】
耐摩耗性については、その表面に硬質層等を被覆することによりある程度は解決できるものの、被覆する母材として靱性が低いと、大きな熱衝撃や機械的衝撃が加わった場合に、硬質層および母材ともに刃先の欠損を引き起こし使用が不可能になることがあった。
【0009】
よって、本発明は、強靱なサーメットからなる母材表面に硬質層を形成して、耐摩耗性および耐欠損性に優れた硬質層被覆サーメットを提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ね、特に母材となるサーメットにおける耐熱衝撃性、耐欠損性を改良するための方法について検討した結果、鉄族金属からなる結合金属相に、硬質相成分の周期律表第4a、5a、6a族金属を積極的に固溶させることにより、サーメットの耐欠損性、耐熱衝撃性を飛躍的に向上させることができ、それにより硬質層を被覆した場合には、優れた耐摩耗性と耐欠損性を兼ね備えた優れた切削工具となることを見いだし、本発明に至った。
【0011】
即ち、本発明の硬質層被覆サーメットは、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物の1種以上と、Tiを除く周期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物, 窒化物, 炭窒化物から選ばれた1種または2種以上(但し、炭化物のみ、または窒化物のみの組み合わせを除く。)とを合計で70〜95重量%と、鉄族金属を5〜30重量%の割合からなる組成物を焼成してなり、周期律表第4a、5a、6a族金属の炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属を含む結合金属相とから構成されるサーメット母材表面に、周期律表第4a族元素、Alの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のうちの少なくとも1種からなる硬質層を被覆してなる硬質層被覆サーメットにおいて、前記母材の結合金属相中に周期律表第4a、5a、6a族金属が合計で10〜40原子%の割合で固溶しているとともに、固溶する周期律表第4a、5a、6a族金属の原子比による割合が図1の3元図において、下記の点A、B、C、D
第4a族 第5a族 第6a族
点A 89 1 10
点B 60 1 39
点C 60 20 20
点D 70 20 10
で囲まれる範囲内にあるとともに、前記硬質層の最下層をTiN層によって形成したことを特徴とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明におけるサーメット母材は、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物の1種以上と、Tiを除く周期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物, 窒化物, 炭窒化物から選ばれた1種または2種以上(但し、炭化物のみ、または窒化物のみの組み合わせを除く。)とを合計で70〜95重量%と、鉄族金属を5〜30重量%の割合からなる組成物を焼成してなり、周期律表第4a、5a、6a族金属の炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属を含む結合金属相とから構成される。
【0013】
特に、硬質相形成成分としては、Tiの他に更にWおよびTa、Nbを必須成分として含有するのが望ましい。また、該サーメットの硬質相の原子比による組成を〔 (M1)a (M2)b (M3)c 〕(Cu Nv )z (式中、M1 は第4a族、M2 は第5a族、M3 は第6a族元素をそれぞれ示す。)と表した時、
0.75≦a≦0.95
0.05≦b+c≦0.25
0<b/(b+c) ≦0.95、a+b+c=1
0.30≦v≦0.70、u+v=1
0.80≦z≦1.0
を満足するものである。特に、M1 はTiを主成分とするもので、M2 としてはTaを、M3 としてはWを必須とするのが望ましく、さらには、(a+b+c)に対する (M1)中のTi量が前記式中のaとして0.85≦a≦0.92であることが望ましい。
【0014】
上記組成範囲において、aが0.75より小さいか、または(b+c)が0.25より大きいと、焼結性が低下し、結合金属相中への遷移金属元素の固溶が不十分となりやすく、aが0.95より大きいかまたは(b+c)が0.05より小さいと耐欠損性の向上があまり期待できない。また、b/(b+c)が0.95を越えると焼結性が低下する傾向にある。
【0015】
本発明のサーメットにおける大きな特徴は、結合金属相全体に占める第4a族、第5a族、第6a族金属量が10〜40原子%、特に15〜35原子%と、従来の一般的なサーメットにおける固溶量(約1〜5原子%)に比較して大きいことにある。この固溶量が10原子%よりも少ないと固溶強化が不十分となり十分な耐欠損性が得られず、40原子%を越えると焼結性が低下し耐欠損性が急激に低下する。
【0016】
特に、固溶する周期律表の第4a族、第5a族、第6a族の構成比は図1の3元図において、下記の点A、B、C、D
で囲まれる範囲内にあることが重要である。
【0017】
これは、第5a族が1原子%未満では耐欠損性、耐摩耗性が不十分となり、20原子%を越えると焼結性が低下し特に耐欠損性が不十分となるためである。また、第4a族が89原子%を越えると、突発的な欠損が発生し、60原子%より少ないと塑性変形が大きくなるためである。
【0018】
一方、サーメット中の窒素量および炭素量は、サーメットの機械的特性、熱的特性を決定する要因として非常に重要であり、特に窒素量が増加するに従い、耐欠損性が向上し、結合金属相への第4a族、第5a族、第6a族金属の固溶量が増加する傾向にあるが、窒素量が過多になると焼成時の結合金属相との濡れの問題で焼結性が低下するという問題が生じる。よって前記硬質相の組成式において窒素量(v)が0.3より小さいと耐欠損性が不十分となり、0.7を越えると焼結体内にボイドが発生し信頼性に欠き、固溶による強化が不十分となる。望ましくは、0.4≦v≦0.6である。
【0019】
また、窒素、炭素量のM1 、M2 、M3 の合量に対する比率(z)が0.8より小さいと焼結性が劣化しボイドが残留し、1.0より大きいと遊離炭素が発生するために強度低下を引き起こす結果となる。望ましくは0.85≦z≦1.0である。
【0020】
本発明において結合金属相を形成する鉄族金属としては、Niおよび/またはCoが挙げられ、望ましくはNiとCoから構成され、特にCo/Ni+Coのモル比が0.5〜0.9であることが耐摩耗性向上の点からよい。
【0021】
上記の本発明のサーメット母材を製造するための方法としては、例えば、まず前述したTi、W、Ta、Nb等の周期律表第4a、5a、6a族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の粉末および鉄族金属粉末を最終焼結体が上述した割合に成るように秤量混合した後にプレス成形、押し出し成形、射出成形等の成形手段で成形後、焼成する。
【0022】
焼成は、真空中あるいは還元性雰囲気中で1400〜1800℃の温度で行う。焼結中の任意の温度において、N2 、CO、Ar、Heなどのガスを0〜760Torr導入して雰囲気調整を行うこともある。
【0023】
特に、結合金属相に対する第4a族、第5a族、第6a族元素の固溶量を前述したように増量させるには、1200〜1400℃の液相出現温度前後で保持することで結合金属相中への遷移金属の固溶量を制御でき、その保持時間が長いほど固溶量を増加させることができる。特に0.5〜5時間の範囲が適当である。
【0024】
また、上記の1200〜1400℃の温度域での保持のかわりに、15℃/min以下の速度でゆっくり昇温して調整してもよい。また、調合時の炭化物、窒化物、炭窒化物中の含有炭素量、窒素量を調製することでも遷移金属の固溶量を制御できる。
【0025】
また、焼成最高温度では、焼結体の表面の荒れを抑制するために、焼成温度到達前および到達後0.5〜2時間程は窒素圧1〜100torrの雰囲気で焼成した後、真空中で0.1〜1時間程度保持するのがよい。
【0026】
また、本発明によれば、上記の系に対して特性を改善する目的でさらにZr、Hf、Cr、およびV等の炭化、窒化物、炭窒化物等を添加して特性の改善を図ることができる。
【0027】
また、本発明によれば、上記の構成からなる強靱性を有するサーメットを母材として、その表面に周期律表第4a族元素、Alの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のうちの少なくとも1種からなる硬質層を被覆してなる。具体的には、TiC,TiCN,TiN、Al2 O3 ,TiAlN、TiAlON等が好適であり、これらは単層あるいは複数の層により構成することができる。望ましくは、母材側から、最下層をTiN層とするのがよい。これは、脆化層の生成を抑制すると同時に、付着強度の向上を図ることができるためである。この硬質層は、全体厚みとして、0.5〜10μmの厚みで形成するのがよい。
【0028】
【実施例】
原料粉末としてTiN、TiCN、WC、TaC、NbC、Mo2 C、VC、Ni、Coの各粉末を用いて組成が表1の割合に成るように秤量混合した後、1.5ton/cm2 の圧力でSDKN1203用のフライスチップ形状にプレス成形し、これを真空炉に入れ、窒素圧20torr中で徐々に昇温して1350℃での保持時間を表1のように設定し、さらに最高温度で1〜2時間保持し、後半の30分を真空に戻して保持した後、放冷した。得られた焼結体は、いずれも表面の滑らかな良好な表面を有していた。そして、得られたサーメット焼結体の表面にCVD法によって、表1に示す層構成からなる硬質層を形成した。
【0029】
得られたサーメット焼結体に対しては、結合金属相に固溶する第4a族、第5a族、第6a族金属量を測定した。測定は、焼結体を粉砕後、塩酸で結合金属相のみを選択的に溶解した後、該溶液をICP発光分光分析にて定量し、結果は表2に示す。
【0030】
また、作製した硬質層被覆サーメットに対して、下記に示す切削条件で切削試験を行い、切削性能の確認を行った。欠損までの衝撃回数とフランク摩耗量を調べ結果は表2に示した。
【0031】
(断続試験)
被削材 SCM440H
切削速度 200m/min
切り込み 2mm
送り 0.26mm/tooth
(摩耗試験)
被削材 S50C
切削速度 250m/min
切り込み 2mm
送り 0.2mm/tooth
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
表1、2の結果から明らかなように、結合金属相への固溶量を10〜40原子%とし、各遷移金属の固溶比率が点A、B、C、Dの範囲にある試料No.1〜8は、耐欠損性までの衝撃回数も1000回を越えるものであり、しかも摩耗量も0.10mm以下と優れたものであった。
【0035】
これに対して、結合金属相中への遷移金属の固溶量が40原子%よりも多い試料No.13では焼結性が悪いために耐欠損性、耐摩耗性が大きく劣化し、固溶量が10原子%よりも少ない試料No.12では、一次境界部が異常摩耗した。
【0036】
また、固溶量が10〜40原子%の範囲であっても、点A、B、C、Dの範囲から逸脱する試料No.9〜11では、いずれも本発明品のような優れた耐欠損性と耐摩耗性は得られなかった。
【0037】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の硬質層被覆サーメットは、母材となるサーメットの結合金属相中に多量の遷移金属を特定比率で固溶させることにより、母材自体の耐欠損性、耐熱衝撃性を大幅に改善し、しかもその表面に硬質層を有することから、切削工具として優れた耐摩耗性を有するとともに、耐欠損性を改善することができ、切削特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の硬質層被覆サーメットにおける結合金属相中の第4a族、第5a族、第6a族金属の固溶量を示す3元図である。
Claims (1)
- Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物の1種以上と、Tiを除く周期律表第4a、5a、6a族金属の炭化物, 窒化物, 炭窒化物から選ばれた1種または2種以上(但し、炭化物のみ、または窒化物のみの組み合わせを除く。)とを合計で70〜95重量%と、鉄族金属を5〜30重量%の割合からなる組成物を焼成してなり、周期律表第4a、5a、6a族金属の炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属を含む結合金属相とから構成されるサーメット母材表面に、周期律表第4a族元素、Alの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のうちの少なくとも1種からなる硬質層を被覆してなる硬質層被覆サーメットにおいて、前記母材の結合金属相中に周期律表第4a、5a、6a族金属が合計で10〜40原子%の割合で固溶しているとともに、固溶する周期律表第4a、5a、6a族金属の原子比による割合が図1の3元図において、下記の点A、B、C、D
第4a族 第5a族 第6a族
点A 89 1 10
点B 60 1 39
点C 60 20 20
点D 70 20 10
で囲まれる範囲内にあるとともに、前記硬質層の最下層をTiN層によって形成したことを特徴とする硬質層被覆サーメット。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33120796A JP3850086B2 (ja) | 1996-12-11 | 1996-12-11 | 硬質層被覆サーメット |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP33120796A JP3850086B2 (ja) | 1996-12-11 | 1996-12-11 | 硬質層被覆サーメット |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10168538A JPH10168538A (ja) | 1998-06-23 |
JP3850086B2 true JP3850086B2 (ja) | 2006-11-29 |
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ID=18241102
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33120796A Expired - Fee Related JP3850086B2 (ja) | 1996-12-11 | 1996-12-11 | 硬質層被覆サーメット |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3850086B2 (ja) |
-
1996
- 1996-12-11 JP JP33120796A patent/JP3850086B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH10168538A (ja) | 1998-06-23 |
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