JPH02217359A - 炭窒化チタン系強靭化セラミックス - 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〕 本発明は高強度１強靭性を有する超硬合金あるいはサー
メットからなる素材と、高強度、高硬度を有するセラミ
ックスとを接合してなる新規な耐摩耗性材料に関し、切
削工具用材料や高耐摩耗性機械部品用材料等に広く利用
できる炭窒化チタン系強靭化セラミックスに係る。

〔従来の技術〕

従来、／Ｍ１２０．系セラミックス、ＡＱ□Ｏ１ＴｉＣ
系セラミックス、Ｓｉ３Ｎ、系セラミックス、Ｚｒ０．
、ＳｉＣ系セラミックス等の高強度、高硬度を有するセ
ラミックスと超硬合金あるいはサーメットとの接合は難
しく、ＰＣＤ法、ＣＶＤ法により超硬合金の表面にＴ　
ｘ　Ｎ　、　Ａ　Ｑ　ｚ　Ｏ３゜ＴｉＣ等をコーティン
グするのみであり、他の接合法はいまだ実用化されてい
ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

近年、産業の発展による作業の効率化に伴い、高速での
切削が要求されつつある。しかし、従来の超硬合金、サ
ーメットあるいはコーティングチップは高速切削におい
て耐摩耗性に劣るという欠点を有する６また。Ａｌ１，
０．系セラミックス、ＡＪ、０．−ＴｉＣ系セラミック
ス、Ｓｉ。

Ｎ４系セラミツクスのチップは高速切削で耐摩耗性に優
れるが、欠けやすいため、極く一部にしか使用されてい
ない現状にある。このため、切削工具用材料としてセラ
ミックスの強靭化が求められている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、高密度、高硬度を有する炭窒化チタン−炭化
クロム−炭化硼素系セラミックスの表層部と、高強度、
強靭性の超硬合金あるいはサーメットの内層部とを、Ｆ
ｅ、　Ｃｏ、Ｎｉの群から選ばれた少なくとも１種の粉
末、板状あるいは棒上のもので接合することにより、こ
れら表層部および内層部が一体化され、切削時の刃先欠
損に対する効果が著しい複合材料からなる炭窒化チタン
系強靭化セラミックスにより前記問題点を解決したもの
である。なお、以下に示す百分率は重量による。

第１図に本発明の断面４！ｊ成図を示す、この第１図に
おいて、１は表層部、２は内層部をそれぞれ示す。

本発明において、表層部１は、（Ａ）炭素と窒素とが任
意の比率とされた炭窒化チタン粉末１〜９９％、（Ｂ）
炭化クロム粉末０．１〜９０％、（Ｃ）Ｂ、Ｃ粉末０．
１〜５％からなる混合粉末、もしくはこれにさらに（Ｄ
）ＡＱ、０．粉末０．１〜３０％および（Ｅ）ＴｉＢ、
、ＣｒＢ、、ＴａＢ、、ＭｏＢ、、Ｍｎ　Ｂ　、　、　
　Ｖ　Ｂ　、　、　　Ｎ　ｂ　Ｂ　、　、　　Ｈｆ　Ｂ
　、、ＡＱＢ、、ＺｒＢ２の二硼化合属、ＴｉＢ、Ｃｒ
Ｂ、ＴａＢ、ＭｎＢｌＭｏＢ、ＶＢ、ＮｂＢ、ＨｆＢ、
ＺｒＢの一硼化金属およびＷ、Ｂ、、Ｍｏ、Ｂ、の五二
硼化金属の群から選ばれた少なくとも１種以上の硼化金
属を全重量に対し９５％以下添加した混合粉末を常圧焼
結、ホットプレス、ＨＩＰ処理してなる炭窒化チタン系
強靭化セラミックスである。

内層部２は（Ｆ）炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタ
ン、炭化タングステン、炭化モリブデンおよび炭化クロ
ムの群から選ばれた少なくとも１種の粉末に（Ｇ）Ｆｅ
、Ｎｉ、Ｃｏの群から選ばれた少なくとも１種の鉄族金
属を全重量に対し、１〜５０％添加した混合粉末を焼結
してなる超硬合金、またはサーメットである。

これら表層部１および内層部２は先に説明したように−
（Ｈ）Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの群から選ばれた少なくとも１
種の金属粉末、板状、棒状のもので接合することにより
、炭窒化チタン系強靭化セラミックスが得られる。

本発明の表層部１における（Ａ）成分である炭窒化チタ
ン粉末は平均粒径２μｍ以下、望ましくは１μｍ以下の
ものとする。そして、この（Ａ）成分を全重量に対し、
１〜９９％添加する。（Ｂ）成分の炭化クロムとしては
Ｃｒ、Ｃ，Ｃｒ４Ｃ１Ｃｒ、Ｃ，があり、これらの１種
または２種以上を全重量に対し、０．１〜９０％添加す
る。これら炭化クロムの平均粒径は２μ−以下、望まし
くは１μ−以下のものとする。添加成分（Ｃ）である８
４Ｇは０．１〜５％の量で著しくち密化が促進され、高
硬度、高強度になる。０．１％未満、あるいは５％を越
える量になるとち密化が難しくなる。添加成分ＣＤ）の
ＡＱ、０．は０，１〜３０％の添加量で著しくち密化が
促進され、硬度、靭性が向上する。　３０％を越える添
加量になるとち密化が難しく、硬度の低下を招く、Ａ２
□Ｏ３の平均粒径は２μ識以下、望ましくは１μｍ以下
がよい、また、添加成分（Ｅ）の硼化金属としては、全
重量に対し、９５％以下を添加してよい、勿論。

硼化金属の平均粒径も２μｍ以下、望ましくは１μ鳳以
下がよい。

本発明の内層部２（母材）における超硬合金。

サーメットの主成分（Ｆ）の平均粒径は２μｍ以下、望
ましくは１μ−以下がよい、また、主成分（Ｆ）の結合
剤である鉄族金属（Ｇ）単味若しくは、２種以上を混合
してもよい、平均粒径は２μｍ以下が望ましい。

本発明の接合は、接合成分（Ｈ）の１種または２種以上
の粉末、板状、棒状のもので、表層部１の炭窒化チタン
系セラミックスと内層部２を構成する超硬合金、サーメ
ットと加熱し、接合を行う、接合により、炭窒化チタン
系セラミックスは、溶融金属の影響を受け、著しく靭性
が向上する。この効果により切削時のチップの欠損を防
止する一因と考えられる。

本発明の炭窒化チタン系セラミックス、超硬合金、サー
メット材料は、前記した各成分を混合し、これまで知ら
れている製法で製造することができる。また、接合に関
してもこれまでに知られている方法で接合できるもので
ある０例えば、炭窒化チタン系セラミックス、超硬合金
、サーメット原料粉末混合粉を成形圧１００〜１０００
ｋｇ／ｃａｔで一軸プレスを行い、次いで、ラバープレ
スにより１　ｔｏｎ／　ａＪ〜１０ｔｏｎ／　ａＪの圧
力下で、得られた圧粉体を真空中または、アルゴン中な
どの中性もしくは還元性雰囲気下で１２００〜１７００
℃で５〜３００分間焼結する。さらにＨＩＰにより１〜
２　ｔｏｎ／　ａｊの圧力下で１１５０〜１７００℃ア
ルゴン雰囲気中で５〜３００分間焼結する。焼結した炭
窒化チタン系セラミックスと超硬合金、あるいはサーメ
ットとをアルゴン雰囲気あるいは真空下で加熱を行い、
Ｆｅ４Ｃ０．Ｎｉ金属を固溶拡散あるいは溶融させ接合
する。

以下に本発明の炭窒化チタン系強靭化セラミックスから
なる耐摩耗性材料につき、その実施例を挙げてより詳し
く説明する。

実施例１ 第１表に示す組成の炭窒化チタン系強靭化セラミックス
および比較例材料は、第１表に示す如く、Ｔｉ（Ｃｏ、
ｓＮｏ、ｓ）、Ｔｉ（Ｃｏ、　ｔＮｏ、　ａ）、Ｔｆ（
Ｃｏ、ｉＮｏ、ｔ）、ＴｉＣ１ＴｉＮおよびＷＣに対し
Ｃｒｚ　Ｃｚ　、　Ａ　Ｑ　ｘ　Ｏｓ、Ｂ４Ｃ，ＴｉＢ
、、ＣｏおよびＮｉ粉末を種々の割合に配合した混合粉
を十分に混合した後、金型成形、ラバープレス成形によ
り圧粉体を得て、真空中またはアルゴン雰囲気中にて第
１表に示す各温度にて９０分間焼結して得たものである
。

（以下余白） これら各試料につき、それぞれ抗折力、ビッカース硬度
、破壊靭性を測定し、それらの結果を第１表に示す。

また、第１表中の代表的な組成であるＴｉ（Ｃｏ、ａＮ
ｏ、ａ）　　２０Ｃｒ、Ｃｚ　　２Ｂ４Ｃ系セラミツク
スとＴｉ（Ｃｏ、ａＮｏ、ａ）　　１６ｃｒ、Ｃ：、−
３ＯＮｉ系サーメツト、あるいはＴｉ（Ｃｏ、ａＮｏ、
ａ）　　２０Ｃｒ。

Ｃ２−２Ｂ４Ｃ系セラミツクスとＷＣ１０Ｃｏとの接合
をＮｉ粉の塗布により１３００℃、具空雰囲気下で行っ
た。得られた複合材の接合部付近のビッカース硬度、破
壊靭性を測定し、それらの結果を第２表に示す。

（以下余白） 第２表より、Ｎｉ＠）による接合によりセラミックスの
破壊靭性値が増大し、著しくセラミックスが有する脆性
が改善される。また、この効果により、接合用今風、例
えばＮｉ粉量をコントロールすることでより強靭化する
ことができる。

また、いうまでもなく、耐摩耗性が要求される面は高硬
度（２０００Ｋｇ／ｃｍ”以上）の炭窒化チタン系セラ
ミックスの特性を有している。

炭窒化チタン系セラミックスは第１表に示す如（、Ｂ、
Ｃの量が５％を越えると空隙が増大し、抗折力、硬度が
低下する傾向にあるので。

Ｂ、Ｃの量は５％以内とすることが好ましい。

また、ＡＱｚＯｓの量は５〜１５％の範囲で、高硬度、
高強度を示すが、３０％を越えると空隙が増大し、抗折
力が低下する傾向にあるので、Ａｇ２Ｏ３の量は３０％
以内とすることが望ましい。

実施例２ 本発明に係る炭窒化チタン系強靭化セラミックス耐摩耗
性材料の切削工具材としての適性を調査するため、−船
釣な稙造林である炭素鋼８４５Ｇを被剛材とし、実施例
１における試料Ｎａ２．７．２２および比較材としてＡ
ｇ２０．系セラミックスおよびＴｉＮ系サーメットを用
いて切削した。これらの結果を第３表〜第５表に示す。

（以下余白） 第３表における切削条件： チップ形番 切り込み 送り 切削時間 切削速度 ＳＮＭＮ４３３ ０．５ｍｍ ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ ５分間 ３００ｍ／ｍｉ口 第４表 第４表における切削条件： チップ形番　ＳＮＭＮ４３３ 切り込み 切削時間 切削速度 第５表 ０．５ａ＋ｍ １分間 ３００＠／ｗｉｎ 第５表における切削条件： チップ形番　ＳＮＭＮ４３３ 切り込み　　１　、０＋ｅ＋＋＋ 切削時間　　１分間 切削速度　　３００＋／ｗｉｎ 第３表より、本発明の試料Ｎｎ２２のチップが現有する
サーメットあるいはＡＱ、０３系セラミツクス（黒セラ
）に比べ、優れた耐摩耗性を示すことがわかる。これは
本発明の試料Ｎａ２２の切削部が試料ＮＱ２と同組成を
有しているために、試料Ｎａ２チツプと同様な耐摩耗性
を示しているためである。

第４表および第５表より、本発明の試料Ｎａ２２のチッ
プは全く欠損せず、切り込み１ｍｍ、送り０．３５ｍｍ
／ｒｅｖの条件でも切削可能であった。これに反し、Ａ
ｌ、０３系セラミツクス、Ｎａ　２、Ｎａ　７は切り込
み１ｍ＋ｓ、送り０．１４ｍｍ／ｒｅｖでも刃先が欠損
し、切削不能になった。これらの結果から、本発明の素
材構成のものは高負荷に耐え、高耐摩耗性に優れている
ことを示している。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高硬度、強靭化
の炭窒化チタン系セラミックス材料が得られ、切削工具
用材料や耐摩耗性材料として広範囲に利用でき、その効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炭窒化チタン系強靭化セラミックス材
料の断面構成図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．上下両表層部が炭窒化チタン１〜９９重量％、炭化
   クロム０．１〜９０重量％、Ｂ＿４Ｃ０．１〜５重量％
   からなる炭窒化チタン系セラミックスであり、内層部が
   炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭化タングス
   テン、炭化モリブデン、炭化クロムの群から選ばれた少
   なくとも１種５０〜９９重量％、残部が結合相としてＦ
   ｅ、Ｎｉ、Ｃｏの群から選ばれた少なくとも１種１〜５
   ０重量％からなる超硬合金もしくはサーメットからなり
   、これら表層部および内層部をＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群か
   ら選ばれた少なくとも１種の粉末、板状あるいは棒上の
   もので接合してなる炭窒化チタン系強靭化セラミックス
   。
2. ２．表層部がさらにＡｌ＿２Ｏ＿３０．１〜３０重量％
   、およびＴｉＢ＿２、ＣｒＢ＿２、ＴａＢ＿２、ＭｏＢ
   ＿２、ＭｎＢ＿２、ＶＢ＿２、ＮｂＢ＿２、ＨｆＢ＿２
   、ＡｌＢ＿２、ＺｒＢ＿２、ＴｉＢ、ＣｒＢ、ＴａＢ、
   ＭｎＢ、ＭｏＢ、ＶＢ、ＮｂＢ、ＨｆＢ、ＺｒＢ、ｗ＿
   ２Ｂ＿５、Ｍｏ＿２Ｂ＿５の硼化金属の群から選ばれた
   少なくとも１種９５重量％以下含有したものである請求
   項１記載の炭窒化チタン系強靭化セラミックス。
3. ３．表層部が０．１〜１０ｍｍの厚さを有し、内層部が
   ０．１ｍｍ以上の厚さを有する請求項１または２記載の
   炭窒化チタン系強靭化セラミックス。