JPH04231467A

JPH04231467A - 被覆ＴｉＣＮ基サーメット

Info

Publication number: JPH04231467A
Application number: JP2416052A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Konishi; 小西　裕久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1992-08-20
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JP2771337B2

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】

【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基サーメットに関し、特に切削工具とし
て被削材仕上面が良好な被覆ＴｉＣＮ基サーメットに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、切削用焼結体として、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。

【０００３】かかるサーメットとしては、これまでＴｉ
Ｃを主成分とするＴｉＣ基サーメットが主流であったが
、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
ることにより靱性を改善したいわゆるＴｉＣＮ基サーメ
ットが提案された。

【０００４】このＴｉＣＮ基サーメットの典型例として
特公昭５６−５１２０１号が挙げられ、ここでは、（Ｔ
ｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ）ＣＮからなる硬質相と、Ｎｉ，Ｃ
ｏからなる結合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。

【０００５】また、この先行技術によれば、硬質相形成
成分としてＭｏやＭｏ２　Ｃは、有芯構造の周辺部に存
在して硬質相の結合相との濡れ性を改善することから硬
質相における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。

【０００６】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がなさ
れている。

【０００７】ところが、最近に至り上記のＴｉＣＮ基サ
ーメットに対して各種の改良がなされ、硬質相成分の改
良や有芯構造における芯部あるいは周辺部の改良がなさ
れている。例えば特公昭６３−３０１７号では、Ｍｏや
Ｍｏ２　Ｃ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Ｍｏ２　Ｃを添加せず、しかも組織的に
ＴｉＮ相を生成することが提案され、また特開昭６４−
３９３４２号では硬質成分としてＴｉ、Ｔａ、Ｗの他に
ＮｂＣを添加しサーメットの耐熱衝撃性や耐酸化性を改
善することが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、これ
らの先行技術によれば、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。

【０００９】そこで、本発明者は従来のサーメットの組
成について種々検討したところ、硬質相成分としてのＭ
ｏやＭｏ２　Ｃの添加は、結合相との濡れ性改善には効
果を有するものの、Ｍｏ２　Ｃ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
大きく劣るために有芯構造においてＭｏを含む周辺部の
存在は工具材料として特に耐摩耗性の低下を招く傾向に
ある。

【００１０】よって、特公昭６３−３０１７号と同様硬
質相形成成分としてＭｏを無添加とする方がよいと考え
られるが、特公昭６３−３０１７号の構成によれば、Ｔ
ｉＮ相の析出は、ＴｉＮ自体が結合相との濡れ性が非常
に悪いために焼結体内で、ＴｉＮ相と結合相との界面が
破壊点となり強度を劣化させる要因となることがわかっ
た。

【００１１】一方、特開昭６４−３９３４２号によれば
、Ｎｂの耐酸化性効果は認められるが、硬質相形成成分
としてＴａの添加による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発揮されず、逆に焼結
性を阻害し、緻密体を得るためには焼結温度を高く設定
する必要があるために焼結体粒子の粒成長を引き起しサ
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。

【００１２】さらに耐摩耗性、耐欠損性以外の項目とし
て被削材仕上面に関し、従来サーメットにおいては結合
相成分である鉄族金属並びに硬質相形成成分があるＷ等
と被削材とが反応し、切削加工面に荒れが生じるという
問題があった。

【００１３】

【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、耐酸化性ならびに被削材
仕上面の品質に優れたサーメット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を添加する
代わりにＮｂを選択してこれらを特定の範囲で配合し、
有芯構造における周辺部にＷとともにＮｂを存在させる
ことにより周辺部を有効的に改質することができ、これ
により耐摩耗性、耐欠損性、耐酸化性を向上できること
、さらにこのサーメットを母材としてその表面にＴｉに
富む粒径の小さなＴｉを含有する硬質膜を被覆すること
により被削材との反応性を抑制し、仕上面に優れた工具
が得られることを知見し、本発明に至った。

【００１４】即ち、本発明は、少なくともＴｉ、Ｗおよ
びＮｂを必須成分として含有する硬質相と、鉄族金属か
らなる結合相とから構成されるＴｉＣＮ基サーメットで
あって、該サーメットの全体組成における前記鉄族金属
を除く他の成分組成が、下記数　　　　　　（Ｔｉ　ａ　　Ｎｂ　ｂ　　Ｗ　ｃ）（Ｃ
ｕ　Ｎｖ　）ｚ　　　式中、０．５０≦ａ≦０．９５、
０．０５≦ｂ＋ｃ≦０．５、　　　　　　　　０．０４
≦ｂ／ｂ＋ｃ≦０．９５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１　　　　　　
　　０．４０≦ｖ≦０．６０、ｕ＋ｖ＝１　　　　　　
　　０．８０≦ｚ≦１．０　　を満足するとともに、前
記硬質相が有芯構造を呈し、Ｔｉおよび窒素は芯部に富
み、Ｗ、Ｎｂおよび炭素は周辺部に富む構造からなるＴ
ｉＣＮ基サーメットを母材とし、その表面に該サーメッ
トよりＴｉに富み、１００ｐｐｍ以下で実質的に鉄族金
属を含まず、平均粒径が０．４μｍ以下である被膜を被
覆してなることを特徴とするものである。

【００１５】本発明の被覆ＴｉＣＮ基サーメットは、基
本的に硬質相並びに結合相からなる母材と、その母材表
面に形成された硬質被覆層から構成されるものである。

【００１６】サーメット母材において、硬質相を形成す
る主成分であるＴｉは、焼結体内におよそＴｉＣＮとし
て存在し、その量はサーメットの強度や硬度を決定する
大きな要因であり、このＴｉ量（ａ）が前記数１におい
て０．５より少ないとサーメット工具の特徴である耐摩
耗性、金属に対する親和性が不十分となり、０．９５を
越えると耐欠損性が低下する。なお、Ｔｉ量（ａ）は０
．７０≦ａ≦０．９であることが特に望ましい。

【００１７】また、Ｎｂ、Ｗは、硬質相を形成する補助
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、
靱性を高める作用をなす。よって、数１におけるＮｂと
Ｗの合量の比率（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。

【００１８】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靱性を高める作用を
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、硬質相を強化し諸特性を向上するこ
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Ｍｏ２　Ｃ自体
、硬質相主成分であるＴｉＣや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。

【００１９】これに対してＮｂは炭化物としてＭｏ２　
Ｃに比較してそれ自体優れた特性を有するためにサーメ
ットの特性改善に大きく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。

【００２０】このような関係から、Ｗ、Ｎｂの合量（ｂ
＋ｃ）に対するＮｂ量（ｂ）の割合（ｂ／ｂ＋ｃ）が数
１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。

【００２１】なお、本発明におけるサーメットによれば
、サーメット母材へのＭｏおよびＭｏ化合物の添加は上
述した理由から避けるべきで、その量はサーメット母材
中０．５重量％以下に制御することが望ましい。

【００２２】また、Ｍｏと同様にＴａは、系の耐酸化性
を向上しクレータ摩耗を抑制する効果を有するとされ、
従来から必須の成分とされてきたが、本発明の系におい
てはその効果はほとんどなく、むしろ焼結性を阻害する
傾向にある。よって本発明のＴｉＣＮ基サーメット中の
Ｔａ量も０．５重量％以下であることが望ましい。

【００２３】一方、窒素および炭素の量はサーメットの
硬度および靱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、靱性が向上する傾向
にあるが、窒素の量が過多になると焼成時の窒化物の分
解によるガスが焼結体のボイド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、靱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頼性に欠
けるようになる。

【００２４】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。

【００２５】本発明において結合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。

【００２６】また、この鉄族金属は系中において３〜４
０重量％、特に５〜３０重量％の割合で存在することが
望ましい。

【００２７】上述したサーメットによれば、表層部にお
けるＴｉ量が低いことに起因して、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等が被削材と反応し、仕上げ面が荒れる場合があ
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。

【００２８】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量を母材の
Ｔｉ量、特に表層部のＴｉ量よりも富んだ膜にすること
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、サーメット表面に硬質膜を形成
する際に、サーメット表面において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１００
ｐｐｍ以下、特に７０ｐｐｍ以下に制御することが必要
である。

【００２９】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、高靱性な膜となる。よって
本発明によれば、この硬質膜の結晶粒径を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。

【００３０】なお、Ｔｉ量がサーメット中のＴｉ量より
も富むＴｉ含有硬質膜としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ
ＣＮ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。

【００３１】この硬質膜は、サーメット表面に１〜１０
μｍ　の厚みで被覆するのが望ましく、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、１０μｍ　より厚いと母材と
の硬質膜間の熱膨張差により使用時に膜剥離し易くなる
。

【００３２】次に、上記被覆ＴｉＣＮ基サーメットを製
造する方法について説明すると、まず、原料粉末として
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前述した割合に成るよう
に秤量混合する。

【００３３】次に、上記混合粉末をプレス成形、押し出
し成形、射出成形等の周知の成形手段で成形後、焼成す
る。

【００３４】焼成では、有芯構造が形成されるように焼
成条件を調整することが必要で、具体的には、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１４０
０〜１６００℃の温度で焼成することによって得られる
。なお、鉄族金属との濡れ性に優れるＭｏ量を抑えたこ
とにより若干焼結性が低下する場合もあるが、この場合
は鉄族金属量を増やすか、または炭素粉末を０．０５〜
３重量％添加することにより焼結性は改善される。

【００３５】また、用いるＴｉ化合物系原料粉末として
は、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ等が挙げられるが、Ｔｉ
Ｎ粉末を多量に用いると特開昭６４−３９３４２号に開
示の通り最終焼結体中にＴｉＮ相として残存することが
あるが、このＴｉＮ相は、前述したとおりサーメットの
機械的特性を劣化させてしまうため、原料としてＴｉＣ
やＴｉＣＮを用い、ＴｉＮ相が形成されないように考慮
すべきである。

【００３６】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
化物、窒化物、炭窒化物等を添加し、前述した数１にお
いて、ＴｉあるいはＮｂの一部を置換することにより特
性の改善を図ることができ、特にＮｂの一部をＶで置換
することによりＮｂの作用効果をさらに助長し、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。この時のＮｂ／Ｖの原子比は１〜１０、特に
２〜６であることが望ましい。

【００３７】次に、上記のようにして得られたサーメッ
トの表面にＴｉを含有する硬質膜を形成する。具体的に
は、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、レーザＣＶＤ等の化学
気相成長法（ＣＶＤ法）、スパッタリング、イオンプレ
ーティング等の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）、あるいは気
相含浸法等が採用されるが、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、プラズマＣＶＤ法、スパッタリングが望ましい。

【００３８】また、鉄族金属の硬質膜中への混入量を１
００ｐｐｍ以下に制限するとともに膜付着強度を考慮し
た場合、イオンプレーティング、プラズマＣＶＤ法が等
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微粒化制御が
容易であり、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。

【００３９】

【作　　用】本発明において用いられるＴｉＣＮ基サー
メット中の硬質相形成成分の１つであるＮｂは、炭化物
としてＭｏ２　Ｃに比較してそれ自体優れた特性を有す
るために有芯構造における周辺部にＷとともに存在する
ことにより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。

【００４０】また、ＭｏおよびＴａ等は硬質相形成成分
としては後述する実施例から明らかなように、耐摩耗性
、耐欠損性および仕上げ面において本発明と比較して劣
るもので、その量が増える程特性は劣化する。

【００４１】さらに、かかる母材では、表面部のＴｉ量
が内部よりも比率的に小さくなるために被削材との反応
性が高くなる傾向にあるが、この母材表面へのＴｉ含有
硬質膜の形成により、表面部のＴｉの比率を高めること
ができるために被削材との反応性が抑制され、被削材の
加工後の表面状態を良好なものにすることができる。

【００４２】

【実施例】原料粉末として平均粒径が１〜１．５μｍ　
のＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＷＣ、ＮｂＣ、Ｍｏ２　Ｃ、Ｔａ
Ｃ、Ｎｉ、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ＴＮＧＡ１６０４０８用のチップ形
状にプレス成形した。次にこれらの成形体を１４００〜
１６００℃の焼成温度で真空雰囲気で１時間焼成した。

【００４３】その結果、得られた焼結体の組織の電子顕
微鏡により確認したところ、いずれも硬質相は有芯構造
を呈しており、ＴｉＮ相の析出は見られなかった。また
、試料番号１についてはＴＥＭにより有芯構造の芯部と
周辺部の元素量を調べた。その結果を図１、図２に示し
た。これらの図によれば、Ｔｉは芯部に多量に存在し、
Ｗ、Ｎｂは周辺部に多量に存在することがわかる。

【００４４】硬質膜は、イオンプレーティング法により
母材温度を３００〜７００℃に設定して３μｍ　の膜厚
になるようにＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ膜を形成し
た。また、被膜における結晶の平均粒径をＳＥＭにより
、膜中の鉄族金属の含有量をＩＣＰ分析により測定した
。

【００４５】次に、各試料を用いて下記に示す切削条件
で摩耗試験および欠損試験を行い、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。結果は表１に
示した。

【００４６】（摩耗試験）被削材　　　　　　　　ＳＣＭ４３５切削速度　　　　　　２５０ｍ／ｍｉｎ切り込み　　　
　　　２ｍｍ送り　　　　　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅｖ切削時間
　　　　　　１０ｍｉｎ

【００４７】（欠損試験）被削材　　　　　　　　ＳＣＭ４３５（４本溝入り）切
削速度　　　　　　１００ｍ／ｍｉｎ切り込み　　　　
　　２ｍｍ送り　　　　　　　　　　０．３ｍｍ／ｒｅｖ切削時間
　　　　　　１ｍｉｎ

【００４８】また、仕上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
にて行い、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。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】表１及び表２によれば、本発明の試料はい
ずれも優れた切削性能を示すが、母材においてＴｉ、Ｗ
、Ｎｂ、Ｃ、Ｎの組成及び被膜特性がが本発明の範囲を
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。

【００５２】また、母材が本発明の範囲内の組成であっ
ても、その表面の被覆層の平均粒径および鉄族金属の含
有量が多い試料では好ましい特性が得られなかった。

【００５３】

【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ＴｉおよびＷに加え
、Ｎｂを必須成分として選択し、有芯構造の周辺部にＮ
ｂを存在させ、さらに表面に所定の被膜を形成すること
により優れた耐摩耗性、耐欠損性を有するとともに被削
材の切削加工後の仕上面の品質を高めることができ、工
具用材料として長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被覆ＴｉＣＮ基サーメットにおける母
材中の有芯構造の芯部のＴＥＭ分析結果を示す。

【図２】本発明の被覆ＴｉＣＮ基サーメットにおける母
材中の有芯構造の周辺部のＴＥＭ分析結果を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　少なくともＴｉ、ＷおよびＮｂを含有
し有芯構造を呈してなる硬質相と、鉄族金属からなる結
合相とから構成され、全体組成から前記鉄族金属および
不可避不純物を除いた他の成分組成を〔　（Ｔｉ）ａ　
（Ｎｂ）ｂ　（Ｗ）ｃ〕〔（Ｃ）ｕ　（Ｎ）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
．９５、０．４０≦ｖ≦０．６０、０．８０≦ｚ≦１．
０、ｕ＋ｖ＝１を満足し、且つ前記有芯構造において、
Ｔｉおよび窒素は芯部に富み、Ｗ、Ｎｂおよび炭素は周
辺部に富むＴｉＣＮ基サーメットの表面に、該サーメッ
ト中のＴｉ量よりも富み、平均粒径が０．４μｍ以下、
鉄族金属の含有量が１００ｐｐｍ以下のＴｉを含有する
硬質膜を被覆してなることを特徴とする被覆ＴｉＣＮ基
サーメット。
【請求項２】　　前記ＴｉＣＮ基サーメット中のＭｏ含
有量が０．５重量％以下である請求項１記載の被覆Ｔｉ
ＣＮ基サーメット。