JPWO2008146856A1 - サーメット - Google Patents

Abstract

耐熱衝撃性、耐欠損性に優れたサーメットを提供する。周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上の硬質粒子２を、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相３にて結合してなり、０．１〜３ｎｍ厚みの結合相層５を介して硬質粒子２同士がネック部４を形成して連結した連結部６が存在しているサーメット１である。

Description

本発明は、切削工具部材、耐摩耗性工具部材等に適する靱性と硬度をともに備えたサーメットに関するものである。

耐摩耗性工具や切削工具用合金として用いられるサーメットは、ＴｉＣＮを主成分とする硬質粒子をＣｏやＮｉの結合相にて結合した構造からなるものが多用されている。かかるサーメットは硬質粒子間を結合相にて結合した構成からなるものが知られている。例えば、特許文献１では、低硬度の結合相を強化してサーメットの耐摩耗性を高めるために結合相中に侵入型金属炭化物の結晶粒を分布させた構造としたサーメットが記載されている。

また、従来のサーメットの他の構成として、硬質相は硬質粒子同士が連続的に繋がった、いわゆる硬質粒子の骨格構造（スケルトン構造）を構成し、結合相はこの硬質相のスケルトン構造の空隙を埋めるように存在したものも知られている。このスケルトン構造においては、硬質粒子の連結部には結合相が介在しなかった。そのために、サーメットはクラックの伝播に対して抵抗力がなくて脆く、切削工具として用いた場合には苛酷な切削条件で切削すると欠損が発生していた。そこで、特許文献２では、原料粉末として表面を結合相で被覆した硬質粒子の原料粉末を用いること、および混合工程を経ることなく、圧力のかかる方向性の少ない静水圧（ＣＩＰ）法や条件をコントロールしたプレス成形法等の成形方法を用いて成形体を作製することを採用した。これによって、原料粉末中に被覆された結合相層が剥離しない成形体を作製できた。そのために、これを焼成することによって、結合相が硬質粒子の周囲に均一に存在した焼結体を作製でき、抗折力および断続切削による工具寿命の向上が見られたことが記載されている。
特開平１１−５０１８１号公報 特開平４−１５７１３２号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載されるようなサーメットでは、いずれも硬質粒子同士が焼結し難くてネック部の成長が阻害される場合があった。このような場合においては、サーメットの硬度および塑性変形性が低くて、切削工具としての耐摩耗性や耐欠損性に劣るものであった。また、逆に、硬質粒子同士の焼結が進んでネック部が成長した場合にはネック部が硬質粒子で連続的に繋がった脆いスケルトン構造となってしまい、サーメットの耐欠損性が悪いという問題があった。

本発明は上記課題に対し、サーメットの耐塑性変形性および耐欠損性の向上を図ることを目的とする。

本発明のサーメットは、周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上の硬質粒子を、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相にて結合してなるサーメットにおいて、０．１〜３ｎｍ厚みの結合相層を介して前記硬質粒子同士がネック部を形成して連結した箇所が存在しているものである。

ここで、上記構成において、断面組織の顕微鏡写真において観察される複数の前記硬質粒子の外周総長さＬ_ｐに対して、前記ネック部に介在している結合相層の総長さＬ_ｃｔの比（Ｌ_ｃｔ／Ｌ_ｐ）が０．１以上であることが望ましい。

なお、上記構成において、前記硬質粒子の平均粒径が０．１〜０．９μｍであることが望ましい。また、前記硬質粒子の内部にＴｉＮ微粒子が存在していることが望ましい。さらに、上記構成において、ＲｕまたはＲｅを０．１〜５質量％の割合で含有することが望ましい。 また、Ｍｎを、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％で含有することが望ましい。

本発明のサーメットによれば、０．１〜３ｎｍ厚みの結合相層を介して前記硬質粒子同士がネック部を形成して連結した箇所が存在している。これによって、サーメットの耐塑性変形性が高く、かつ耐欠損性を高めることができる。

ここで、断面組織の顕微鏡写真において観察される複数の前記硬質粒子の外周総長さＬ_ｐに対して、前記ネック部に介在している結合相層の総長さＬ_ｃｔの比（Ｌ_ｃｔ／Ｌ_ｐ）が０．１以上であることによって、サーメットの耐塑性変形性と靭性をともに高く維持できる。

また、前記硬質粒子の平均粒径が０．１〜０．９μｍであることが、サーメットの硬度を高める点で望ましい。

さらに、前記硬質粒子の内部にＴｉＮ微粒子が存在していることが、サーメットの靭性をさらに高める点で望ましい。

また、ＲｕまたはＲｅを０．１〜５質量％の割合で含有することが望ましい。これによって、結合相を強化してクラックの進展を抑制できる。また、高温においても硬質粒子の連結状態に生じるずれを小さくできる。これらよって、耐塑性変形性および耐欠損性を高めることができる。

さらに、本発明のサーメットによれば、ＲｕまたはＲｅの一部または全部に代えてＭｎを含有させてもよい。Ｍｎの含有量は、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％で含有することが、サーメットの靭性が向上する点で望ましい。

本発明のサーメット（以下、単にサーメットと略す。）について、その任意箇所についての透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ像）である図１（ａ）を基に説明する。なお、図１（ｂ）は従来のサーメットの一例についての透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ像）である。図２は図１（ａ）の要部拡大写真である。図３は、図２の点ａ、点ｂ、点ｃについて、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）による組成分析結果を示すチャートである。

図１〜３によれば、本発明のサーメット１は、周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上の硬質粒子２を、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相３にて結合してなる。そして、０．１〜３ｎｍ厚みの結合相層５を介して硬質粒子２同士がネック部４を形成して連結した箇所（以下、連結部６と称す。）が存在している。

これによって、硬質粒子２間が強固に連結されるとともに、硬質粒子２間での衝撃吸収力も高い。その結果、サーメット１の硬度および耐塑性変形性が高く、かつ耐欠損性を高めることができる。

すなわち、硬質粒子２間の連結状態が悪くてネック部４を形成しない場合には、サーメット１の硬度および耐塑性変形性が低下する。また、ネック部４に結合相層５が存在しないか、存在しても結合相層５の厚みが０．１ｎｍより薄い場合には、ネック部４における衝撃吸収力が弱い。逆に、結合相層５の厚みが３ｎｍより厚い場合には、サーメット１の硬度が低下して耐摩耗性が低下する。しかも、高温で力が加わると硬質粒子２間の連結状態にずれが生じてしまいサーメット１の表面が塑性変形してしまうおそれがある。

なお、本発明におけるネック部４とは、隣接する硬質粒子２（図１の２ａ、２ｂ）のうちの小さいほうの硬質粒子２（２ａ）において、硬質粒子２（２ａ）内に引き得る最長の線分長さＬ_ａ（以後、長径と称す。Ｌ_ａ、Ｌ_ｂはそれぞれ硬質粒子２ａ、２ｂの長径を示し、Ｌ_ａ≦Ｌ_ｂである。）に対して、硬質粒子２同士（２ａ、２ｂ）が接する長さＬ_ｃの比（Ｌ_ｃ／Ｌ_ａ）が０．３以上である箇所を指す。また、ネック部４に結合相層５が存在するか否かについては、図２に示すようにネック部４の顕微鏡でネック部４を拡大して観察を行い、図３に示すように、結合相層５の位置（点ｂ）の組成を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付随のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）にて測定する。この場合、硬質粒子２の位置（点ａ、点ｃ）の組成に比較してＣｏやＮｉの結合相のピーク強度が高くなるので、結合相層５が存在するか否かを確認することができる。なお、点ｂでの組成分析においては、分析する領域が狭いために結合相層５に隣接する硬質粒子２の成分も検出されている。

また、図３から明らかなとおり、Ｒｕは点ａ、ｃの硬質粒子２よりも点ｂの結合相層５中に多く存在していることがわかる。これによって、結合相層５が強化されて高温になっても変形しにくく、サーメット１の耐塑性変形性に寄与している。

ここで、断面組織の顕微鏡写真において観察される複数の硬質粒子２の外周総長さＬ_ｐに対して、ネック部４に介在している結合相層の総長さＬ_ｃｔの比（Ｌ_ｃｔ／Ｌ_ｐ）が０．１（１０％）以上、望ましくは０．３〜０．５（３０〜５０％）であることによって、サーメット１の硬度と靭性をともに高く維持できる点で望ましい。なお、本発明における測定に際しては顕微鏡写真中に存在する任意１０個の硬質粒子２について測定する。具体的には、硬質粒子２が１０〜１５個ぐらい観察される程度の倍率の顕微鏡写真を撮り、この顕微鏡写真中に存在する任意１０個の硬質粒子２について、１０個の硬質粒子２の外周総長さＬ_ｐを算出するとともに、隣接する硬質粒子との間でネック部４を形成している硬質粒子２については顕微鏡でネック部４を拡大して観察を行い結合相層５が存在するか否かを確認する。

また、硬質粒子２の平均粒径が０．１〜０．９μｍであることが、サーメットの硬度を高める点で望ましい。

さらに、硬質粒子２の内部にＴｉＮ微粒子（図示せず。）が存在していることによって、サーメット１の靭性をさらに高めることができる。

また、サーメット１中にはＲｕまたはＲｅを０．１〜５質量％の割合で含有することで、結合相を強化してクラックの進展を抑制できるとともに、高温においても硬質粒子の連結状態に生じるずれを小さくできる。これによって耐塑性変形性および耐欠損性を高めることができる。

さらに、上記ＲｕまたはＲｅの一部または全部をＭｎに代えて含有させても、サーメットの耐塑性変形性および耐欠損性の向上を図ることができる。このとき、Ｍｎの含有量は、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％であることが望ましい。これによって、サーメットの焼結性が改善される。そして、靭性を維持したまま硬度が向上する。その結果、例えば切削工具として用いた場合には、切削工具としての耐摩耗性が向上する。

このとき、結合相３の含有量が５質量％以上であると靱性がよくて耐欠損性が高い。また、結合相３の含有量が１５質量％以下であるとサーメット１の耐摩耗性および耐塑性変形性が高い。よって、結合相３の含有比率は５〜１５質量％であることが望ましい。

なお、顕微鏡にて断面組織観察した場合、硬質粒子２の少なくとも一部が芯部と周辺部の有芯構造粒子になっていることが望ましい。かかる有芯構造粒子をなす硬質粒子２は、粒成長制御効果を有し、サーメット１が微細で均一な組織となる。また、結合相３との濡れ性に優れるために、サーメット１の高強度化に寄与する。

また、サーメット１中の炭素量は、硬度および耐熱衝撃性を高めるとともに、良好な表面状態を達成する点で、６〜９質量％、特に６．５〜７．５質量％であることが望ましい。

なお、本発明のサーメットによれば、切削工具、掘削工具、刃物等の工具等の各種用途へ応用可能である。とりわけ、すくい面と逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工する切削工具として用いた場合には上述した優れた効果を発揮することができる。もちろん、他の用途に用いた場合であっても優れた機械的信頼性を有するものである。

（製造方法）
次に、本発明のサーメットの製造方法について説明する。

まず、原料粉末を調合し混合する。

原料粉末として、ＴｉＣＮ粉末と、ＴｉＮ粉末、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＶおよびＮｂのうちの１種以上の金属元素を含有する炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種の原料粉末と、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末の少なくとも一方とを混合して混合粉末を調整する。

この時、各原料粉末のマイクロトラック法による平均粒径について、ＴｉＣＮ粉末が２μｍ以下、特に０．０５〜１．５μｍであり、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末の平均粒径は２μｍ以下、特に０．０５〜１．５μｍであることが望ましい。これによって、サーメットの焼結性を高めることができる。さらには、結合金属原料粉末として、ＣｏおよびＮｉを所定の比率で含有する固溶体粉末を用いることが、さらに焼結性を高める点で望ましい。なお、他の原料粉末の平均粒径は０．０５〜３μｍであることが望ましい。

そして、この混合粉末にバインダーを添加して、プレス成形、押出成形、射出成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形する。

次に、本発明によれば、下記の条件にて焼成することにより、上述した所定の形状、サイズ、密度のＴｉＮ微粒子を硬質粒子中に析出、分散させることができる。

焼成条件としては、Ｍｎを添加しない場合には、（ａ）窒素分圧２００〜９００ｋＰａの雰囲気下にて、１１００〜１２００℃の第１の焼成温度から１３００℃〜１４００℃の第２の焼成温度までを０．１℃／分〜３℃／分昇温し、（ｂ）次いで、前記第２の焼成温度に到達した時点で、焼成炉内の雰囲気ガスを真空引きして真空雰囲気を維持するか、または真空引きした後に焼成炉へのガスの出入りを遮断した自生雰囲気（窒素分圧２ｋＰａ以下とする。）とした中で、前記第２の焼成温度から１４５０〜１６００℃の第３の焼成温度まで５℃／分〜１５℃／分で昇温して、（ｃ）（ｂ）の雰囲気を維持した状態で焼成温度にて１〜２時間保持し、（ｄ）窒素分圧０．０１〜１００ｋＰａの雰囲気下にて降温する、（ａ）〜（ｄ）の条件にて行うことが、上述した構造のサーメットを作製できる点で望ましい。

一方、Ｍｎを添加する場合の焼成条件は、（ａ’）真空中にて室温から１２００℃まで昇温する工程、（ｂ’）真空中にて１２００℃から１３３０〜１３８０℃の焼成温度（温度Ｔ_１と称す）まで０．１〜２℃／分の昇温速度ｒ_１で昇温する工程、（ｃ’）温度Ｔ_１にて焼成炉内の雰囲気を３０〜２０００Ｐａの不活性ガス雰囲気に切り替えて温度Ｔ_１から１４５０〜１６００℃の焼成温度（温度Ｔ_２と称す）まで４〜１５℃／分の昇温速度ｒ_２で昇温する工程、（ｄ’）３０〜２０００Ｐａの不活性ガス雰囲気中のまま温度Ｔ_２にて０．５〜２時間保持する工程、（ｅ’）この焼成温度に保ったまま炉内の雰囲気を真空に変えてさらに３０〜６０分間保持する工程、（ｆ’）温度Ｔ_２から１１００℃まで冷却速度５〜１５℃／分で真空冷却する工程、（ｇ’）１１００℃に下がった時点で不活性ガスを０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａのガス圧で導入して急速冷却する工程の（ａ’）〜（ｇ’）の工程を順に行う焼成パターンにて焼成する。

表１に示すＴｉＣＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＭｏＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末、ＮｉとＣｏの固溶体粉末、上記ＴｉＣＮ粉末の表面にＣｏとＮｉとの混合メッキを施した粉末を用いて表１に示すような成分組成に配合した。次に、これをステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、水にて湿式混合し、パラフィンを３質量％添加、混合した後、この混合粉末を２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８にプレス成形した。そして、真空中、１２００℃（第１の焼成温度）までを１０℃／分で昇温し、次に焼成炉内を表２のガス圧ｐ_１まで高めて１３００℃（第２の焼成温度）までを０．８℃／分で昇温し、さらに焼成炉内を真空または自生雰囲気で表２のガス圧ｐ_２として表２に示す焼成温度（第３の焼成温度）まで８℃／分で昇温し、この焼成温度で１時間焼成後、冷却する表２の条件で焼成した。

得られた焼結体表面をダイヤモンド砥石によって加工し、下記条件にて切削性能を評価した。また、各試料について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、硬質粒子について観察し、硬質粒子間のネック部形成の有無、およびネック部形成部における結合相層の有無を確認した。結果は表２または３に示した。
切削条件１（耐摩耗性試験）
切削速度：２５０ｍ／分
送り ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ（＋０．０５ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み ：２．０ｍｍ
被削材 ：ＳＣＭ４３５
切削状態：湿式（エマルジョン）
評価項目：逃げ面における摩耗量が０．２ｍｍに達するまでの切削時間（分）
切削条件２（耐欠損性試験）
切削速度：１５０ｍ／分
送り ：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ（＋０．０５ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み ：２．０ｍｍ
被削材 ：Ｓ４５Ｃ
切削状態：湿式（エマルジョン）
評価項目：欠損に至るまでの衝撃回数（回）

表１〜３より、１２００℃〜１３００℃までの焼成雰囲気において窒素分圧２００ｋＰａ以下の試料Ｎｏ．１２、および焼成温度が１６００℃より高い試料Ｎｏ．１６では、ネック部は見られるもののネック部に結合相層が形成されず、耐欠損性が劣るものであった。また、ＣｏおよびＮｉの含有量が多い試料Ｎｏ．１３では、硬度および塑性変形性が低くて耐摩耗性が低下した。さらに、１２００℃〜１３００℃までの焼成雰囲気において窒素分圧９００ｋＰａを超える試料Ｎｏ．１４、１３００℃〜焼成温度までの焼成雰囲気において窒素分圧２ｋＰａを超える試料Ｎｏ．１７では、結合相層の厚みが３ｎｍを超えてしまい耐摩耗性が悪化した。また、焼成温度が１５００℃より低い試料Ｎｏ．１５、および表面にＣｏとＮｉの複合メッキを施したＴｉＣＮ原料粉末を用いた試料Ｎｏ．１８では、Ｌ_ｃ／Ｌ_ａが０．３以上のネック部が形成されず、耐摩耗性、耐塑性変形性および耐欠損性とも低いものであった。

これに対して、本発明に従った結晶組織を有する試料Ｎｏ．１〜１１では、いずれも耐摩耗性、耐塑性変形性および耐欠損性とも良好な特性であった。

表４に示す原料粉末を用いて表４に示すような成分組成に配合し、実施例１と同様に混合、プレス成形し、表５の焼成条件以外は実施例１と同じ条件で焼成してサーメットを得た。得られたサーメットを実施例１と同様に加工して切削性能を評価した。また、各試料について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、硬質粒子について観察し、硬質粒子間のネック部形成の有無、およびネック部形成部における結合相層の有無を確認した。結果は表６に示した。

表４〜６から明らかなとおり、（ｂ）工程の焼成雰囲気が真空ではなくて不活性ガス雰囲気であり、かつ（ｅ）工程を経ずに焼成した試料Ｎｏ．２２では、切削評価において耐摩耗性および耐欠損性がともに低下した。これに対して、本発明に従った結晶組織を有する試料Ｎｏ．１９〜２１では、いずれも耐摩耗性、耐塑性変形性および耐欠損性とも良好な特性であった。

（ａ）は本発明のサーメットの任意箇所における透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ像）であり、（ｂ）は従来のサーメットの任意箇所における透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ像）である。 図１（ａ）の要部拡大写真である。 図２の点ａ、点ｂ、点ｃについて、Ｘ線分散分光分析による組成分析結果を示すチャートである。

符号の説明

１：サーメット（サーメット）
２（２ａ、２ｂ）：硬質粒子
３：結合相
４：ネック部
５：結合相層
６：連結部

Claims (6)

1. 周期表第４、５および６族金属のうちの１種以上の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上の硬質粒子を、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相にて結合してなるサーメットにおいて、０．１〜３ｎｍ厚みの結合相層を介して前記硬質粒子同士がネック部を形成して連結した箇所が存在しているサーメット。
2. 断面組織の顕微鏡写真において観察される複数の前記硬質粒子の外周総長さＬ_ｐに対して、前記ネック部に介在している結合相層の総長さＬ_ｃｔの比（Ｌ_ｃｔ／Ｌ_ｐ）が０．１以上である請求項１記載のサーメット。
3. 前記硬質粒子の平均粒径が０．１〜０．９μｍである請求項１記載のサーメット。
4. 前記硬質粒子の内部にＴｉＮ微粒子が存在している請求項１記載のサーメット。
5. ＲｕまたはＲｅを０．１〜５質量％の割合で含有する請求項１記載のサーメット。
6. Ｍｎを、結合相中に０．５〜１質量％で、硬質相中に０．００４〜０．０１質量％で含有することを特徴とする請求項１記載のサーメット。