JPH06172913A

JPH06172913A - 炭化チタン基サーメット合金

Info

Publication number: JPH06172913A
Application number: JP8755091A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nakahara; 雄一中原; Katsuhiko Kojo; 勝彦古城
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1994-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】焼結時の脱窒という問題を有さないＴｉＣサ
ーメット合金の結合相を強化することにより、Ｔｉ(Ｃ,
Ｎ)基サーメット合金と同等以上の硬さを有するととも
に、優れた靱性を有するＴｉＣ基サーメット合金を提供
する。【構成】炭化チタンを主体とする硬質相とＣｏおよび
Ｎｉの１種または２種を主体とする結合相とからなる炭
化チタン基サーメット合金であって、結合相中のＴｉお
よびＭｏ含有量が０．８５≦Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)、
６wt.%≦Ｔｉ＋Ｍｏの条件を満足する炭化チタン基サー
メット合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化チタン(以後「Ｔ
ｉＣ」と言う)基サーメット合金に関し、特に結合相を
強化することにより高強度、高靭性を兼備したＴｉＣ基
サーメット合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、窒素を含有する窒化チタン(以後
「Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)」と記す)基合金が工具用サーメット合金
として主流をなしている。このＴｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメッ
ト合金は、従来のＴｉＣ基サーメット合金に比べ、室温
強度、耐酸化性、ならびに切削性能が改良されている。

【０００３】ＴｉＣ基、Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金
はともに芯部(それぞれＴｉＣ,Ｔｉ(Ｃ,Ｎ))とこれを取
り囲む周辺組織(それぞれ(Ｔｉ,Ｍｏ)Ｃ,(Ｔｉ,Ｍｏ)
(Ｃ,Ｎ)）からなる有芯構造の粒子により硬質相を形成
しているが、Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金は粒子径が
窒素含有によって微細化されている。そしてこの粒子微
細化により室温強度を改善したとされている。

【０００４】またＴｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金は、優
れた高温強度を有することも知られている。

【０００５】「粉体および粉末冶金,第３０巻第３号(19
83.4)」に窒素を含むＴｉＣ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ合金の高温
強度関して詳しく述べられているが、当該合金が優れた
高温強度を有するのは所謂結合相中にＭｏがより多く固
溶し結合相の動的回復が抑えられたためと説明されてい
る。ここで、結合相へのＭｏ固溶のメカニズムは前記文
献には記載されていないが、以下によるものと推測する
ことができる。すなわち、真空焼結時にＴｉ(Ｃ,Ｎ)か
ら脱窒により過飽和となったＴｉが、Ｍｏ₂ＣのＣと結
合して炭化物を形成し、余剰分のＭｏが結合相中に固溶
するのである。

【０００６】また、結合相のＭｏ固溶量は、窒素量が多
いほど多くなり、またＭｏの供給源であるＭｏ₂Ｃの添
加量が多いほど多いことが、前記文献に述べられてい
る。例えば、ＴｉＣ_0.7Ｎ_0.3−１１%Ｍｏ₂Ｃ-２４%Ｎｉ
の配合組成(wt.%)からなる合金で結合相中のＭｏ量は
３.４wt.%(Ｔｉ固溶量９.３wt.%)、ＴｉＣ_0.7Ｎ_0.3−１
９%Ｍｏ₂Ｃ-２４%Ｎｉ合金(配合組成wt.%)のＭｏ量が１
０.０wt.%(Ｔｉ固溶量９.３wt.%)であるのに対し、窒素
を含まないＴｉＣ−１１%Ｍｏ₂Ｃ-２４%Ｎｉ合金(配合
組成wt.%)のＭｏ量は０.２wt.%(Ｔｉ固溶量１２.７wt.
%)、ＴｉＣ−１９%Ｍｏ₂Ｃ-２４%Ｎｉ合金のＭｏ量は
１.８wt.%(Ｔｉ固溶量１６.３wt.%)となっている。この
結果からすると、窒素を含まないＴｉＣ基サーメット合
金ではＭｏ₂Ｃ添加量を増加させたとしても結合相強化
を図ることは極めて困難であろうことが容易に理解でき
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにＴｉ(Ｃ,
Ｎ)基サーメット合金はＴｉＣ基サーメット合金に比べ
優れた特性を有しているが、真空焼結時に脱窒し、合金
の表面と内部との間に性質変化を生じたり、組織中にポ
アが生じ易いという問題点がある。そして、組織中にポ
アが生じた場合には、Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金が
本来有すべき強度が得られなくなってしまう。

【０００８】この問題点については、焼結時に窒素ガス
を導入したり、あわせて昇温条件をコントロールする等
の提案が種々なされている（例えば特開平２−９３０３
６号、同２−１４５７４１号等）。しかし、生産性の点
では上記提案は望ましくない。

【０００９】さらに、Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金
は、ＴｉＣ基サーメット合金に比べ高硬度は得られ易い
が靭性の点で劣るという性質を有している。これについ
ても種々改善案が提案されており、本出願人も特開昭６
３−８３２４１号においてＷＣをＴｉＣＮとの固溶体と
は別個に単独で添加する手法を提案したが、本質的な改
善はなされていない。

【００１０】そこで本発明は、焼結時の脱窒という問題
を有さないＴｉＣサーメット合金の結合相を強化するこ
とにより、Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金と同等以上の
硬さを有するとともに、特に優れた靱性を有するＴｉＣ
基サーメット合金の提供を課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述の先行技術より、Ｍ
ｏの固溶量を増加させれば結合相の強化は達成されるで
あろうことは当業者であれば容易に予測がつく。しか
し、ＴｉＣ基サーメット合金の場合Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サー
メット合金のようにＭｏ₂Ｃ添加量を増加させても結合
相中のＭｏ固溶量を増加させることができないことは前
述のとおりである。

【００１２】結合相中にＭｏが比較的多く固溶している
ＴｉＣ基サーメット合金が「超硬合金と焼結硬質材料
基礎と応用（鈴木等，昭和６１年２月，丸善）」第３１
６乃至第３３２頁に記載されている。例えば、ＴｉＣ−
１０%Ｍｏ−３０%Ｎｉ合金(配合組成wt.%)でＴｉ約１１
wt.%、Ｍｏ約２wt.%、ＴｉＣ−２０%Ｍｏ−３０%Ｎｉ合
金(配合組成wt.%)でＴｉ約１０wt.%、Ｍｏ約４wt.%、Ｔ
ｉＣ−３０%Ｍｏ−３０%Ｎｉ合金(配合組成wt%)でＴｉ
約９wt.%、Ｍｏ約６wt.%の値を示しており、Ｍｏを金属
Ｍｏとして添加すれば炭化物(Ｍｏ₂Ｃ)として添加する
場合に比べ結合相中のＭｏ量を増加させることができる
ものと解される。そこで本発明者は、ＴｉＣ基サーメッ
ト合金に関し結合相に固溶させるためのＭｏの供給源を
炭化物(Ｍｏ₂Ｃ)としてではなく金属Ｍｏとすることに
ついて詳細な検討を行った。

【００１３】その結果、金属Ｍｏの添加量を増加させる
ことにより結合相中のＭｏ固溶量は増加するが、単に結
合相中のＭｏ固溶量が増加するのみではなく、Ｔｉ固溶
量と所定の関係にある場合に結合相強化が図られ、その
結果Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)基サーメット合金と同等の硬さを有し
つつ、靱性を著しく改善することができることを知見す
るに至った。

【００１４】本発明はこの知見に基づきなされたもの
で、炭化チタンを主体とする硬質相および結合相とから
なる炭化チタン基サーメット合金であって、結合相中の
ＴｉおよびＭｏ含有量が６wt.%≦Ｔｉ＋Ｍｏおよび０．
８５≦Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)の条件を満足することを
特徴とする炭化チタン基サーメット合金である。以下本
発明を詳細に説明する。

【００１５】本発明において、結合相中のＴｉおよびＭ
ｏ含有量を６wt.%≦Ｔｉ＋Ｍｏとするのは、結合相強化
のために最低限必要な量であるからである。ここで、Ｔ
ｉおよびＭｏ含有量は、結合相中における重量%であ
り、後述の実施例で詳述するＩＣＰ（inductively coup
led plasma)発光分析法により求めることができる。

【００１６】優れた靭性、硬さを兼備するためには、結
合相中のＴｉおよびＭｏ含有量の総量を上記範囲とする
だけでなく、ＭｏとＴｉの量比が０．８５≦Ｍｏ(wt.%)
／Ｔｉ(wt.%)の条件を満足する必要がある。それは、後
述の実施例で示すように０．８５未満では靭性の改善が
図られないからである。

【００１７】本発明サーメット合金の硬質相はＴｉＣを
主体とするが、他の炭化物を含有させることも許容す
る。特に、炭化タングステン（以下「ＷＣ」と記す）は
焼結性向上にも有効な物質であり、添加するのが望まし
い。その場合のＷＣの添加量は、５vol.%≦ＷＣ≦５０v
ol.%の範囲とするのが望ましい。５vol.%未満では焼結
性向上の効果を十分に得ることができず、一方５０vol.
%を越えると切削工具として使用した場合の切粉溶着が
無視できなくなるからである。

【００１８】次に結合相は、ＣｏおよびＮｉの１種また
は２種を主体とし、その強化元素として硬質相のＴｉＣ
の構成元素であるＴｉおよびＭｏを含有する。硬質相に
ＷＣを使用する場合には、硬質相強化元素としてＷも含
まれることになる。ＣｏおよびＮｉの１種または２種の
量が多くなると、硬質相の量が相対的に減少し硬さが低
下する。したがって、ＣｏおよびＮｉの１種または２種
の添加量は１５vol.%以下が望ましく、より望ましくは
１０vol.%である。

【００１９】本発明サーメット合金の組織は、硬質相と
結合相とからなるが、硬質相はいわゆる有芯構造をなし
ている。硬質相としてＴｉＣおよびＷＣを含む場合に
は、相対的にＴｉに富みＷの乏しい中心組織と、（Ｗ，
Ｍｏ）に富みＴｉの乏しい周辺組織からなる有芯構造を
なしている。なお、周辺組織のＭｏは結合相強化の為に
添加されたＭｏに起因するものである。

【００２０】次に本発明サーメット合金の製造方法につ
いて説明する。本発明サーメット合金の製造方法の特徴
は、結合相強化元素であるＭｏを炭化物（Ｍｏ₂Ｃ）と
してではなく、金属Ｍｏとして添加する点にある。その
理由はすでに述べたように、金属Ｍｏとして添加した方
が炭化物として添加するよりもより多く結合相に固溶さ
せることができるからである。

【００２１】また、金属Ｍｏで添加すると、周辺組織を
構成する炭化物である（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ）Ｃを微細化さ
せるという効果をも有し、靭性向上に寄与するものと考
えられる。

【００２２】さらに、金属Ｍｏ添加により、炭化物粒子
同士の接触（以下「スケルトン」と言う）を低減すると
いう効果を発揮し、靭性向上に寄与する。すなわち、Ｔ
ｉＣ基サーメット合金はＷＣ基超硬合金に比べスケルト
ンの表面積が２〜３倍程度大きいためクラックの伝播抵
抗を下げる為に靭性を劣下させている。特にＭｏ₂Ｃと
して添加すると周辺組織にMoが炭化物として残る傾向が
強く、結合相中へのＭｏ固溶を低減させてしまう。しか
しながら金属Ｍｏとして添加すれば、炭化物として添加
する場合に比べて周辺組織に入るＭｏ量が減り、結合相
に固溶するＭｏ量が増えスケルトンの低減に寄与するの
である。

【００２３】金属Ｍｏとしては、純Ｍｏのほか結合相の
構成元素であるＣｏ、Ｎｉとの合金として添加すること
もできる。

【００２４】また、Ｍｏの全量を金属Ｍｏとして添加す
る必要はなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で金属
Ｍｏを主体としつつ炭化物（Ｍｏ₂Ｃ）を添加すること
も許容される。

【００２５】

【実施例】以下本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。

【００２６】表１および表２に示す配合組成となるよう
にＴｉＣ,ＷＣ,Ｍｏ,Ｃｏ,Ｎｉ粉末を準備した。粉末の
粒度は、平均粒径でＴｉＣ：1.5μm,ＷＣ:1.5μm,Ｃ
ｏ：2.0μm,Ｎｉ：2.5μm,Ｍｏ：3.0μmである。

【００２７】これらの原料粉末を変性アルコール中に入
れ、アトライターを用い４hr.混合した。なお、サーメ
ットを作る場合の混合量は、硬質相の成分であるＴｉ
Ｃ,ＷＣを全体の60〜90wt%とし、結合相の成分であるＣ
ｏ,Ｎｉと単独添加のＭｏを全体の10〜40wt%になるよう
に配合を行った。上記混合物に、成形助剤として可塑剤
（パラフィン）を約4wt%添加、乾燥し、篩いにかけてSN
P432(SNGN120408)に成形後、1500〜1550℃で1hr.真空焼
結した。

【００２８】この試料を用いビッカース硬度,靭性を表
すクラック抵抗(kg/mm),結合相中の元素の固溶量(結合
相中の溶解量を100%として求めたwt.%）を求めた。

【００２９】ビッカース硬度は、JIS規格に準じダイア
モンド圧子で30kgの荷重をかけ、図５に示すようにa,b
の距離を計り、硬度換算表より求めた。

【００３０】クラック抵抗(kg/mm)は、ビッカース硬度
と同じ様にダイアモンド圧子で50kgの荷重をかけ、図６
に示すようにc,d,e,fの距離を計り、荷重／(c+d+e+f)の
式により求めた。

【００３１】結合相中の元素固溶量は、結合相を混酸水
溶液で溶解,抽出し、ICP(inductive-ly coupled plasm
a)発光分析によって結合相中の各元素を定量することに
より求めた。

【００３２】表３にビッカース硬度,靭性を表すクラッ
ク抵抗(kg/mm),結合相中のＴｉ＋Ｗ量(wt.%)、Ｔｉ＋Ｗ
＋Ｍｏ量(wt.%)、Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)を示す。な
お、表１〜表３において、○は本発明合金を、また△は
比較合金を示す。

【００３３】本発明合金は、いずれも硬さHv１６００以
上、及びクラック抵抗６５(kg/mm)以上という従来合金
（試番１１,１２）では得られていない特性をクリアし
ている。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】図１に、表３におけるＭｏ添加量と硬度、クラック抵抗
の関係を示す。縦軸に硬度(Hv)とクラック抵抗(kg/mm)
にＭｏ添加量(vol.%)を示している。図１よりＭｏ添加
量を６%以上１２%以下にすることによりHvで１６００以
上の硬さ、およびクラック抵抗６５(kg/mm)以上の特性
を得ることができることがわかる。また、図１におい
て、硬さが高くなるにつれてクラック抵抗も高くなって
いる点が特に注目される。硬さとクラック抵抗は相反す
る特性であり、一般に、硬さが高くなるにつれてクラッ
ク抵抗は低くなるというのが当業界の常識だからであ
る。

【００３６】図２に、表３におけるＭｏ添加量と、結合
相の総量(wt.%)、および結合相中のＴｉ,Ｍｏ,Ｗ固溶量
の関係を示す。この図から結合相総量はMo添加量が7.7
〜11.7vol%(9.8〜15.3wt%)の範囲で増えるにつれ減少す
る傾向にあるが、Ｔｉ,Ｍｏ固溶量は逆に増加する傾向
にある。また、当該範囲では結合相中のＭｏがＴｉよ
り多く固溶しているが、それ以外の範囲ではＴｉがＭｏ
より多く固溶していることがわかる。さらに、Ｗ固溶量
は、Ｍｏ添加量に拘らずほぼ一定の値を示している。

【００３７】図３に、表３におけるＭｏ添加量と、結合
相中のＴｉ+Ｍｏ+Ｗ固溶量の関係を示すが、Ｍｏ添加量
が11.7vol.%までの範囲ではＭｏ添加量が増加するに従
いＴｉ+Ｍｏ+Ｗ固溶量も増加していることがわかる。ま
た、Hvで1600以上の硬さ、およびクラック抵抗６５(kg/
mm)以上の特性を得ることができるＭｏ添加量の範囲に
対応するＴｉ+Ｍｏ+Ｗ固溶量はおよそ７〜２８wt.%であ
る。次に、図４にＭｏ添加量とＭｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)
との関係を示す。図４より、Ｍｏ添加量が５.５%以上の
場合には、Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)はおよそ０.８５以
上となっていることがわかる。

【００３８】以上の図１〜図４の結果を整理すると、
Hvで1600以上の硬さ、およびクラック抵抗６５(KG/mm)
以上の特性を得るためにはＭｏ添加量をおよそ５.５Wt.
%以上１１%以下にすればよく(図１)、このＭｏ添加量の
範囲において、結合相中のＴｉ+Ｍｏ+Ｗ固溶量は７〜
２８wt.%（Ｔｉ+Ｍｏとしては６wt.%以上）の範囲にあ
り(図３)、また、ＭｏのほうがＴｉよりも多く結合相
中に固溶し(図２)、さらにＭｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)は
０.８５以上の値をしめす(図４)、ことがわかる。

【００３９】

【表５】サーメットの結合相分析(wt%) Ti+Mo Ti+Mo+W Ti/Mo 硬さクラック試番 (wt%) (wt%) Ｈｖ抵抗 Ti W Mo Co Ni kg/mm △ 1 2.8 0.1 0.5 40.7 55.9 3.3 3.4 0.18 1450 75 △ 2 3.4 0.7 2.0 39.2 54.6 5.4 6.1 0.59 1760 65 ○ 3 3.3 1.1 4.2 35.1 56.3 7.5 8.6 1.27 1810 75 ○ 4 3.8 0.9 4.9 35.0 55.5 8.7 9.6 1.29 1720 79 ○ 5 4.9 1.1 6.4 33.2 54.5 11.3 12.4 1.31 1710 84 ○ 6 6.5 1.2 7.5 32.8 51.9 14.0 15.2 1.15 1730 91 ○ 7 8.7 1.1 10.1 31.3 48.9 18.8 19.9 1.16 1670 92 ○ 8 14.0 1.3 12.5 29.4 42.8 26.5 27.8 0.89 1680 78 ○ 9 12.7 1.0 11.6 27.5 47.1 24.3 25.3 0.91 1640 75 △ 10 13.9 1.0 10.4 23.5 51.1 24.3 25.3 0.75 1530 58 従 11 2.9 0.9 1.3 65.2 29.7 4.2 5.1 0.45 1740 45 来材 12 2.3 1.5 6.3 60.5 29.4 8.6 10.1 2.3 1525 75

【００４０】ここで、図１〜図３によると、Ｔｉ+Ｍｏ+
Ｗ固溶量が多くなりすぎるとクラック抵抗が劣下すると
いう結果になっているが、これはＭｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.
%)が適正でないためと考えられ、Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.
%)本発明の範囲内にあればＴｉ+Ｍｏ+Ｗ固溶量が多くな
っても優れたクラック抵抗を示すものと推測される。

【００４１】すなわち、ＴｉＣ基サーメット合金におい
て、結合相強化により優れた靭性と硬さを兼備させるた
めには、結合相中のＭｏとＴｉの固溶量を０.８５≦Ｍ
ｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)の関係を維持させつつＴｉ+Ｍｏ
を６wt.%以上または、Ｔｉ+Ｍｏ＋Ｗを７wt.%以上とす
ればよいものと判断される。

【００４２】

【発明の効果】以上説明のように、本発明によるとＴｉ
ＣＮ基サーメット合金と同等の硬さを有しつつ靭性を著
しく改善したＴｉＣ基サーメット合金を得ることがで
き、しかもこのＴｉＣ基サーメット合金は真空焼結時の
脱窒によるポアの発生という問題が生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｍｏ添加量と硬さおよびクラック抵抗の関係を
示すグラフである。

【図２】Ｍｏ添加量と結合相総量およびＴｉ,Ｍｏ,Ｗの
結合相中における固溶量の関係を示すグラフである。

【図３】Ｍｏ添加量と結合相中におけるＴｉ+Ｍｏ+Ｗ固
溶量の関係を示すグラフである

【図４】Ｍｏ添加量と結合相中におけるＴｉ／Ｍｏの関
係を示すグラフである

【図５】ビッカース硬度測定法を示す図である。

【図６】クラック抵抗測定法を示すグラフである。

【符号の説明】

なし

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化チタンを主体とする硬質相とＣｏお
よびＮｉの１種または２種を主体とする結合相とからな
る炭化チタン基サーメット合金であって、結合相中のＴ
ｉおよびＭｏ含有量が０．８５≦Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.
%)、６wt.%≦Ｔｉ＋Ｍｏの条件を満足することを特徴と
する炭化チタン基サーメット合金。
【請求項２】炭化チタンおよび炭化タングステンを主
体とする硬質相とＣｏおよびＮｉの１種または２種を主
体とする結合相とからなる炭化チタン基サーメット合金
であって、結合相中のＴｉおよびＭｏ含有量が０．８５
≦Ｍｏ(wt.%)／Ｔｉ(wt.%)、７wt.%≦Ｔｉ＋Ｍｏ＋Ｗの
条件を満足することを特徴とする炭化チタン基サーメッ
ト合金。