JPH0413842A - ＴｉＣＮ基サーメット - 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、耐摩耗性、靭性に優れたＴｉＣＮ基サーメッ
トに関し、特に切削工具として好適なサーメットに関す
る。

（従来技術） 近年、切削用焼結体として、周期律表第１Ｖａ、Ｖａ、
Ｖｉａ族元素の複炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属
からなる結合相によって構成されるサーメットが用いら
れるようになった。

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耐欠損性が劣るために、この系に窒
化物を添加することにより靭性を改善したいわゆるＴｉ
ＣＮ基サーメットが提案されている。

このＴｉＣＮ基サーメットにおける硬質相は、Ｔｉ、Ｗ
の複炭窒化物から構成され、さらに硬質相形成成分とし
てＭｏ、Ｔａ等の炭化物や窒化物等が添加されているが
、このうちＭｏやＭｏ２Ｃは、硬質相の結合相との濡れ
性を改善することから硬質相成分として必須成分とされ
ている。また、ＴａＣはサーメットの耐酸化性を改善す
るとともに切削工具としてのクレータ摩耗の進行を抑制
する効果を有することから実用性の点から必須の成分と
されてきた。

また、硬質相を形成する炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）は
サーメットの靭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
メットの靭性を高めようとする試みがなされている。

ところが、最近に至りＴｉＣＮ基サーメットに対して各
種の改良がなされ、例えば特公昭６３３０１７号では、
ＭｏやＭｏ２Ｃが窒素を多量に含む系に対しては結合相
との濡れ性改善効果が発揮されず、焼結性を阻害すると
いう理由からＭｏやＭｏ２Ｃを添加せず、しかもＴｉＮ
からなる相を析出した系が提案され、その他、硬質成分
としてＮｂＣを添加しサーメットの耐熱衝撃性や耐酸化
性を改善することなども提案されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、これらのＴｉＣＮ基サーメットによれば
、これらの技術改良はサーメットの本質的な改良には至
っておらず、これまで工具材料として主流である超硬合
金に対する切削特性の劣化は依然として残っている。し
かも、切削条件が厳しくなる傾向にために工具材料とし
てもより高い特性のものが要求されている。

そこで、従来のサーメットの組成について種々検討した
ところ、組織上有芯構造を形成するサーメットへＭｏや
Ｍｏ２Ｃを添加すると、Ｍｏ自体がＴｉＣに比較して硬
度、熱伝導率、ヤング率、耐酸化性等の特性においてＴ
ｉｃに比較して劣るために工具材料として特に耐摩耗性
の低下を招く傾向にあるために、特公昭６３−３０１７
号にて提案されるようにＭｏを添加しない方がよいを考
えられる。しかしながら、特公昭６３−３０１７号の構
成によれば、ＴｉＮ相の析出はＴｉＮ相自体が金属との
濡れ性に劣るために結合相との界面が破壊源となり強度
が劣化するという問題を有している。

一方、Ｔａの耐酸化性効果は窒素を多量に含有するサー
メットではその効果はほとんどなく、逆に焼結性を阻害
し、緻密体を得るためにはＭｏを無添加とする場合には
特に焼結温度を貰く設定する必要があるために焼結体粒
子の粒成長を引起しサーメットの耐摩耗性を低下すると
いう問題があることがわかった。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は、上記の知見から耐摩耗性、耐欠損性、耐
酸化性に優れたサーメットの組成について検討をおこな
った。その結果、硬質相を形成する金属成分としてＴｉ
、Ｗを必須成分とし、従来これにＭｏやＴａを添加して
いたのに対してこれらの代わりに、ＮｂおよびＶを選択
してそれぞれ特定の範囲で配合するとともに系中のＭｏ
およびＴａの量を極力小さくすることによって優れた切
削特性を有するＴｉＣＮ基サーメットが得られることを
知見し本発明に至った。

即ち、本発明はＴｉ、Ｗ、Ｎｂおよび■を含有する硬質
相と、鉄族金属からなる結合相とから構成されるＴｉＣ
Ｎ基サーメットであって、該サーメットの全体組成から
前記鉄族金属を除く他の成分組成を（（Ｔ　ｉ）ａ　（
Ｎｂ、Ｖ）ｂ　（Ｗ）ｃ〕（ＣｕＮｖ）ｚと表した時、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１．０．５０≦ａ≦０．９５．０．０５≦
ｂ＋ｃ≦０．５．０．４０≦ｂ　／　ｂ　＋　ｃ≦０．
８０．０．４０≦ｖ≦０．６０．０．８０≦ｚ≦１．０
、ｕ＋ｖ＝１を満足するとともに、ＭｏおよびＴａの量
がそれぞれ０．５重量％以下であることを特徴とするも
のである。

次に、本発明のＴｉＣＮ基サーメットにおいて各金属元
素の比率を上記の範囲に設定した理由を述べる。

まず、硬質相を形成する成分として、Ｔｉは、およそＴ
ｉＣＮとして焼結体内に存在するが、このＴｉ量（ａ）
が０．５より少ないとサーメット工具としての特徴であ
る耐摩耗性、金属に対する低い親和性が不十分となり、
０．９５を越えると耐欠損性に劣ることとなる。なお、
ａは０．７０　＜　ａ≦０．９であることが特に望まし
い。

また、Ｎｂ、■、Ｗは、硬質相を形成する補助＝　５ ＝　６ 的成分で、いずれもサーメットの粒成長を抑制する効果
を有し、微細な結晶構造を形成させサーメットの強度、
靭性を高める作用をなす。よって、これらの合量（ｂ＋
ｃ）が０．０５より少ないと耐欠損性が不十分となり、
０．５より大きいと耐摩耗性が劣るとともに被削材との
反応性が高く成る傾向にある。なお、（ｂ＋ｃ）値は０
．１０≦ｂ＋ｃ≦０．３０であることが特に望ましい。

これらのうち、ＷはＷＣとして硬質相の結合相との濡れ
性を改善するとともに靭性を高める作用をなすために必
須の成分であるが、硬質相が（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮから構成
される場合は、耐摩耗性、耐酸化性、耐欠損性等の特性
が実用的レベルに達していないというに問題がある。そ
こで、硬質相を強化し緒特性を向上することを目的とし
てＭｏやＴａ等の炭化物が必須の成分としてこれまで使
用されたが、前述した通りＭ　ＯＺ　Ｃ自体、硬質相主
成分であるＴｉＣあるいはＴｉＣＮに比較して特性が劣
るために逆にサーメットの特性を劣化させてしまう。ま
た、焼結性は系中の結合相の量に大きく左右されるが、
結合相が同量である場合、ＴａＣの添加により焼結性が
低下するために高温焼成が必要となり、これにより結晶
の粒径が大きくなるためにサーメットの耐摩耗性が劣化
する。

これに対してＮｂは炭化物としてＭｏ２Ｃに比較してそ
れ自体価れた特性を有するためにサーメットの特性改善
に太き（寄与するとともに焼結性に影響を与えないため
に、サーメットの耐摩耗性、耐酸化性、耐欠損性を向上
することができることがわかった。また、■はＶＣとし
てＮｂとともに硬質相を形成することによりＮｂの添加
効果をを助長し、特にサーメットの高速切削時の耐摩耗
性を大きく向上することができる。

このような関係から、Ｗ、Ｎｂ、Ｖの含量（ｂ十ｃ）に
対するＮｂと■の含量（ｂ）の割合（ｂ／　ｂ　＋　ｃ
　）が前記式において０．４より小さいと耐摩耗性、耐
酸化性に劣り、逆に０．８より大きいと耐欠損性が低下
する。なお、Ｎｂ／Ｖの原子比は１〜１０、特に１〜５
であることが望ましい。

一方、窒素および炭素の量はサーメットの硬度および靭
性を決定する要因として非常に重要であり、特に窒素の
量が増加するに従い、靭性が向上する傾向にあるが、窒
素の量が過多になると焼成時の窒化物の分解によるガス
がボイド中に焼結体中に残留するという問題が生じる。

よって前記式において窒素量（Ｖ）が０．４より小さい
と、靭性が低下し耐欠損性が不十分となり、０．６を越
えると焼結体内にボイドが発生し信顛性に欠けるように
なる。

また、窒素、炭素量のＴｉ、Ｗ、Ｎｂ、■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
めに強度劣化を引き起こす結果となる。望ましくは０．
８５≦ｚ≦１．０である。

本発明において結合相を形成する鉄族金属としては、Ｎ
ｉおよび／またはＣｏが挙げられ、望ましくはＮｉとＣ
ｏ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。

また、この鉄族金属は系中において３〜３０重量％、特
に５〜２０重量％の割合で存在することが望ましい。

本発明のサーメットは、前述したＴｉ、Ｗ、、Ｎｂ、■
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
で成形し、これを真空中、窒素中の雰囲気あるいは還元
性雰囲気中で１４００〜１６００°Ｃの温度で焼成する
ことによって得られる。

なお、焼成において鉄族金属との濡れ性に優れるＭｏ量
を抑えたことに起因して焼結性が若干低下する場合もあ
るが、この場合には鉄族金属の量を増やすか、または炭
素を０．０５〜３重量％程度添加することにより焼結性
は改善される。

さらに、用いるＴｉ化合物系原料粉末として、Ｔｉｃ、
ＴｉＣＮ、ＴｉＮ等が挙げられるが、ＴｉＮは場合によ
り最終焼結体中にＴｉＮ相として残存することがあるが
、このＴｉＮ相は、それ自体結合相との濡れ性が悪いこ
とから結合相とＴｉ−Ｉ　Ｏ− Ｎ相との界面がクランクの起点となりサーメットの機械
的特性を劣化させてしまう。よって、原料としてＴｉｃ
やＴｉＣＮを用い、多量のＴｉＮ粉末の添加を行わず、
ＴｉＮ相が形成されないように考慮すべきである。

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等の炭化物、窒化物、炭窒化
物等を添加することもできる。

以下、本発明を次の例で説明する。

（実施例） 原料粉末として平均粒径が１〜１，５μｍのＴｉＣ，Ｔ
ｉ　ＣＮ、ＷＣ，ＮｂＣ１ＶＣ，ＮｉおよびＣｏの各粉
末を用いて最終焼結体の組成が第１表の割合に成るよう
に秤量混合した後、１．５ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力でＴＮ
ＧＡ１６０４０８用のチップ形状にプレス成形した。な
お第１・表中、試料Ｎｏ。

１７はＮｂのみでＶを含まず、Ｎｏ、　１８は■のみで
Ｎｂを含まない系である。次に、これらの成形体を１４
００〜１６００°Ｃの温度で真空雰囲気で１時間焼成し
た。得られた焼結体に対して組織観察を行ったところ、
Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、■の複炭窒化物からなる硬質相と、結
合相から構成されＴｉＮ相の析出は認められなかった。

これらの焼結体に対してＪＩＳＲ１６０１に従い３点曲
げ抗折強度、ビッカース硬度並びにビッカース硬度用ダ
イヤモンド圧子を用いて荷重２０Ｋｇで圧痕法により破
壊靭性を測定した。

次に、各試料を用いて下記に示す切削条件で寧耗試験、
欠損試験を行い、切削後のフランク摩耗量ならびに非欠
損コーナー数を調べた。

（摩耗試験） 被削材 切削速度 切り込み 送り 切削時間 （欠損試験） 被削材 切削速度 切り込み ３０Ｍ４３５　（４本溝入り） １００ｍ／ｍｉｎ ｍｍ ＣＭ４３５ ２００ｍ／ｍｉｎ ｍｍ ０．３ｍｍ／ｒｅｖ ０ｍ１ｎ １２＝ 送り　　　　　　０．３　ｍｍ／　ｒ　ｅ　ｖ切削時間
　　　　１ｍ１ｎ 結果は第２表に示した。゛ （比較例１） Ｎｉ２重量％、Ｃｏ８重量％、その他の成分が（Ｔ　ｉ
　ｏ、５ｉＷｏ、ｏ５Ｍ　ｏ　ｏ、　ｔｏ）（Ｃｏ、５
ｓＮｏ、４５）　ｏ、ｑ。

からなる組成に成るように秤量混合する以外は実施例と
同様に焼成し試料Ｎ０１９とした。得られた焼結体に対
して実施例と同様な特性の測定を行った。その結果は第
２表に示す。

（比較例２） Ｎｉ２重量％、Ｃｏ８重量％、その他の成分が（Ｔ　ｉ
ｏ、ｇ５Ｗｏ、ｏｓＴａｏ、ｔｏ）（Ｃｏ、５５Ｎｏ、
ａｉ）　０．９゜からなる組成に成るように秤量混合す
る以外は実施例と同様に焼成し試料Ｎｏ、２０を得た。

この焼結体に対して実施例と同様な特性の測定を行った
。

その結果は第２表に示す。

（以下余白） 第１表および第２表によれば、従来から硬質相耐欠損性
も本発明品に比較して劣るものであった。

これに対して本発明の試料はいずれも優れた切削性能を
示すが、Ｔ　ｉ、、Ｗ、Ｎｂ、Ｃ，Ｈの組成が本発明の
範囲を逸脱する試料はいずれも満足すべき結果が得られ
なかった。

（発明の効果） 以上、詳述した通り、本発明のＴｉＣＮ基サーメットは
、硬質相成分としてＭｏおよびＴａを代わりにＮｂおよ
びＶを選択することにより優れた耐摩耗性、耐欠損性を
示し、工具用材料として長寿命化を図るこができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｔｉを主体とし、Ｗ、ＮｂおよびＶを含有する硬
   質相と、鉄族金属からなる結合相とから構成されるＴｉ
   ＣＮ基サーメットであって、該サーメットの全体組成か
   ら前記鉄族金属および不可避不純物を除く他の成分組成
   を〔（Ｔｉ）＿ａ（Ｎｂ、Ｖ）＿ｂ（Ｗ）＿ｃ〕（Ｃ＿
   ｕＮ＿ｖ）＿ｚと表した時、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５０
   ≦ａ≦０．９５、０．０５≦ｂ＋ｃ≦０．５、０．４０
   ≦ｂ／ｂ＋ｃ≦０．８０、０．４０≦ｖ≦０．６０、０
   ．８０≦ｚ≦１．０、ｕ＋ｖ＝１を満足するとともに、
   ＭｏおよびＴａの量がそれぞれ０．５重量％以下である
   ことを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット。
2. （２）前記ＮｂとＶとの原子比（Ｎｂ／Ｖ）が１〜１０
   の範囲にある請求項（１）記載のＴｉＣＮ基サーメット
   。