(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相とから構成されたサーメットであって、硬質相は、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の中の２種または３種と、ＷＣ相とから構成され、第１硬質相はＴｉを含み第１硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％未満であり、第２硬質相はＴｉを含み第２硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％以上であり、第３硬質相はコアとリムからなり、第３硬質相のコアはＴｉを含み第３硬質相のコアに含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％未満であり、第３硬質相のリムはＴｉを含み第３硬質相のリムに含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％以上であり、サーメットの断面組織における第２硬質相の面積率Ｖ2と、サーメットの断面組織における第３硬質相のリムの面積率Ｖ3Rと、サーメットの断面組織における第１硬質相と第２硬質相と第３硬質相の面積率の総合計Ｖ123は、（（Ｖ2＋Ｖ3R）／Ｖ123）＜０．４を満足するサーメット。
【請求項２】
第１硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量が５原子％未満である請求項１に記載のサーメット。
【請求項３】
第１硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量が１原子％未満である請求項１または請求項２に記載のサーメット。
【請求項４】
第２硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量の合計が１０〜３０原子％であり、第３硬質相のリムに含まれる金属元素に対するＷ量の合計が１０〜３０原子％である請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーメット。
【請求項５】
サーメットの断面組織におけるＷＣ相の面積率が１〜５５面積％である請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーメット。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項に記載のサーメットの表面に硬質膜を被覆した被覆サーメット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具など用いられるサーメットおよび被覆サーメットに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーメットは優れた耐摩耗性を有し、サーメットを用いて切削加工すると平滑で美しい仕上げ面が得られることから、仕上げ切削などに広く用いられている。サーメットに関する従来技術としては、サーメットの炭窒化物相の分布を制御して靱性を向上させたサーメットがある（例えば、特許文献１参照。）。また、炭窒化物の構造を制御して性能を向上させたサーメットがある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３５９４８１号
【特許文献２】特許第２６９７５５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、切削加工では、さらなる高能率加工が求められている。例えば、切削工具の交換回数を減らすことで高能率加工が可能となるため、従来よりも長寿命の切削工具が求められている。従来のサーメットおよび被覆サーメットは耐摩耗性に優れるが、欠損しやすく、寿命が短いという問題があった。本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、耐摩耗性および耐欠損性に優れたサーメットおよび被覆サーメットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、サーメットの耐摩耗性を低下させずに耐欠損性を向上させる方法を検討してきた。その結果、サーメットの欠損が主に熱衝撃によって生じること、熱衝撃によるサーメットの欠損を減少させるためにはサーメットの熱伝導率を向上させることが非常に有効であることが分かった。サーメットの熱伝導率を向上させるためには、熱伝導率の高いＷＣ相を含有させるとよいが、ＷＣ相が多いと耐摩耗性が低下するため必要以上の増加させることはできない。このため、ＷＣ相以外の硬質相であるＴｉ含有物の熱伝導率を向上させる必要性が出てきた。さらに研究を重ねたところ、Ｔｉ含有物に含まれるＷ量を減少させるとＴｉ含有物の熱伝導率が向上することを見出した。
【０００６】
すなわち、本発明のサーメットは、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相と、鉄族金属を主成分とする結合相とから構成されたサーメットであって、硬質相は、第１硬質相、第２硬質相および第３硬質相の中の２種または３種と、ＷＣ相とから構成され、第１硬質相はＴｉを含み第１硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％未満であり、第２硬質相はＴｉを含み第２硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％以上であり、第３硬質相はコアとリムからなり、第３硬質相のコアはＴｉを含み第３硬質相のコアに含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％未満であり、第３硬質相のリムはＴｉを含み第３硬質相のリムに含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％以上であり、サーメットの断面組織における第２硬質相の面積率Ｖ2と、サーメットの断面組織における第３硬質相のリムの面積率Ｖ3Rと、サーメットの断面組織における第１硬質相と第２硬質相と第３硬質相の面積率の総合計Ｖ123は、（（Ｖ2＋Ｖ3R）／Ｖ123）＜０．４を満足するサーメットである。
【０００７】
これまでの研究の結果、ＴｉＣＮなどのＴｉ含有物の熱伝導率は、Ｔｉ含有物へのＷの固溶により低下することがわかった。特にＴｉ含有物に含まれる金属元素に対するＷ量が１０原子％以上になると熱伝導率は急激に低下することがわかった。そのため、優れた熱伝導性を示すサーメットを得るためには、Ｗ量が１０原子％以上のＴｉ含有物を減少させるとともに、Ｗ量が１０原子％未満のＴｉ化合物を増加させるとよいことが明らかとなってきた。本発明のサーメットの硬質相を、（１）金属元素に対するＷ量が１０原子％未満のもの、（２）金属元素に対するＷ量が１０原子％以上１００原子％未満のもの、（３）金属元素に対するＷ量が１００原子％のものに分類すると、（１）Ｔｉを含み金属元素に対するＷ量が１０原子％未満である第１硬質相と第３硬質相のコア、（２）Ｔｉを含み金属元素に対するＷ量が１０原子％以上である第２硬質相と第３硬質相のリム、（３）ＷＣ相に分類することができる。本発明のサーメットの断面組織における、第２硬質相の面積率Ｖ2と、第３硬質相中のリムの面積率Ｖ3Rと、第１硬質相と第２硬質相と第３硬質相の面積率の総合計Ｖ123が、（（Ｖ2＋Ｖ3R）／Ｖ123）＜０．４であると熱衝撃による欠損が減少し工具寿命が増加する。逆に（（Ｖ2＋Ｖ3R）／Ｖ123）≧０．４であると欠損が生じやすく十分な性能を示さない。
【０００８】
第２硬質相と第３硬質相のリムにはＴｉとＷが含まれるが、強靭化のためにＴｉ、Ｗ以外の周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素を含ませても好ましい。また、第１硬質相と第３硬質相のコアにはＴｉが含まれるが、強靭化のためにＴｉ以外の周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素を含ませても好ましい。
【０００９】
第１硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量は５原子％未満であると熱伝導率はさらに高まり耐熱性が向上し、Ｗ量は１原子％未満であるとさらに耐熱性を高めることができるので好ましい。また、第２硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量および第３硬質相のリムに含まれる金属元素に対するＷ量をそれぞれ３０原子％以下、すなわち、１０〜３０原子％とすると、耐熱性の低下を抑えることができるので、さらに好ましい。
【００１０】
本発明のサーメットの断面組織におけるＷＣ相の面積率が１面積％以上になると靱性が向上し、ＷＣ相の面積率が５５面積％を超えると十分な耐摩耗性を得ることができないので、ＷＣ相の面積率は１〜５５面積％であると好ましい。
【００１１】
本発明の結合相は硬質相と硬質相を強固に結合させてサーメットの強度を高める作用がある。本発明における鉄族金属を主成分とする結合相とは、鉄族金属または鉄族金属に周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅの少なくとも１種を５０重量％未満固溶させたものである。本発明において鉄族金属とはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅを示す。その中でも、結合相がＣｏ、Ｎｉの１種または２種からなると、機械的強度が向上するのでさらに好ましく、その中でも結合相がＣｏからなるとサーメットと硬質膜との密着性が向上するのでさらに好ましい。なお、硬質相成分の結合相への固溶または結合相の特性向上のため、結合相の鉄族金属に周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素を５０重量％未満固溶させると好ましい。結合相の鉄族金属にＳｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｕが５０重量％未満含まれると焼結性が向上するので好ましい。また、結合相の鉄族金属にＲｕ、Ｒｈ、Ｒｅを３０重量％以下含有させると耐摩耗性が向上するので好ましい。
【００１２】
本発明のサーメットの断面組織における、結合相の面積率が３面積％未満、硬質相の面積率が９７面積％を超えると、本発明のサーメットに十分な靱性を付与することができず、結合相の面積率が２０面積％を超え、硬質相の面積率が８０面積％未満になると、十分な耐摩耗性が得られない。そのため、結合相の面積率は３〜２０面積％、硬質相の面積率は８０〜９７面積％であると好ましい。
【００１３】
本発明のサーメットの表面に、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法により周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ，Ｓｉの酸化物、炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体、硬質炭素膜などの硬質膜を被覆した被覆サーメットはさらに耐摩耗性に優れる。硬質膜の具体例としては、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、Ａｌ2Ｏ3、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などを挙げることができる。硬質膜の総膜厚は０．１μｍ以上になると耐摩耗性が向上し、３０μｍを超えて厚くなると耐欠損性が低下するので、０．１〜３０μｍが好ましい。
【００１４】
本発明のサーメットは、例えばＴｉＣやＴｉＣＮ粉と、ＷＣ粉と、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の粉末と、鉄族金属の粉末とを所定の配合組成となるように混合した混合物を、
（Ａ）非酸化雰囲気で常温から１２００〜１３００℃の第１加熱温度まで昇温させる工程と、
（Ｂ）１２００〜１３００℃の第１加熱温度で２０Ｔｏｒｒ以上の窒素およびアルゴン混合雰囲気で３０分間以上保持する工程と、
（Ｃ）１２００〜１３００℃の第１加熱温度から１４２０〜１６００℃の第２加熱温度まで昇温時に５Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気に５分間以上保持したのち圧力１０Ｔｏｒｒ以上の窒素雰囲気で昇温させる工程と、
（Ｄ）１４２０〜１６００℃の第２加熱温度にて圧力１０Ｔｏｒｒ以上の窒素雰囲気で保持する工程と
（Ｅ）冷却する工程と
を含むサーメットの製造方法により得ることができる。
【００１５】
工程（Ａ）において、混合物を非酸化雰囲気で昇温させることにより混合物の酸化を防いでいる。非酸化雰囲気として、具体的には、真空中、窒素雰囲気、不活性ガス雰囲気、水素雰囲気などを挙げることができる。工程（Ｂ）の雰囲気の圧力は２０Ｔｏｒｒ以上が好ましく、これにより焼結体の内部と表面部の窒素量を等しくすることができる。また、工程（Ｃ）では、５Ｔｏｒｒ以下の非酸化性雰囲気で５分間以上保持することで焼結性を高めることができる。工程（Ｃ）（Ｄ）での窒素雰囲気の圧力は１０Ｔｏｒｒ以上が好ましく、これにより第２硬質相を少なくすることができる。なお、窒素雰囲気の圧力が３００Ｔｏｒｒを超えて高くなるとサーメットの焼結性が低下するので、窒素雰囲気の圧力は１０〜３００Ｔｏｒｒであると好ましい。
【００１６】
本発明のサーメットの具体的な製造方法としては、以下の方法が挙げられる。ＴｉＣＮ粉と、ＷＣ粉と、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体の粉末と、鉄族金属の粉末を用意する。これらの粉末を所定の重量比率に秤量し、溶媒とともに湿式ボールミルにて混合し、混合後に溶媒を蒸発させて混合物を乾燥させる。得られた混合物にパラフィン等の成形用のワックスを添加して所定の形状に成形する。なお、成形する方法としては、プレス成形、押出成形、射出成形などを挙げることができる。成形した混合物を焼結炉に入れて、真空中で３５０〜４５０℃まで昇温してワックスを除去させた後、真空中または窒素雰囲気で４５０℃から１２００〜１３００℃の第１加熱温度まで昇温させたのち、５０Ｔｏｒｒの窒素およびアルゴン混合雰囲気で６０分間保持したのち、混合物を１２００〜１３００℃の第１加熱温度から１４２０〜１６００℃の第２加熱温度まで１Ｔｏｒｒの非酸化性雰囲気で２０分間保持して、その後、圧力１０Ｔｏｒｒ以上の窒素雰囲気で昇温させ、窒素雰囲気で１４２０〜１６００℃の第２加熱温度にて１０〜６０分間保持する。その後、１４２０〜１６００℃の第２加熱温度から常温まで冷却する。
【００１７】
本発明のサーメットの表面に、従来のＣＶＤ法やＰＶＤ法により硬質膜を被覆することにより本発明の被覆サーメットを得ることができる。
【００１８】
本発明のサーメットおよび被覆サーメットは、耐摩耗性および耐欠損性に優れるため、切削工具として用いると優れた切削性能を発揮する。そのため、本発明のサーメットおよび被覆サーメットを切削工具として用いると、従来よりも工具寿命を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のサーメットおよび被覆サーメットは耐摩耗性および耐欠損性に優れ、工具に使用すると工具寿命を長くする効果が得られる。
【実施例１】
【００２０】
サーメットの原料粉末として、平均粒径１．４μｍのＴｉＣ、平均粒径１．５μｍのＴｉ（Ｃ0.5Ｎ0.5）粉、平均粒径１．５μｍのＴｉ（Ｃ0.3Ｎ0.7）粉、平均粒径１．７μｍの（Ｔｉ0.92Ｎｂ0.05Ｚｒ0.01Ｗ0.02）（Ｃ0.5Ｎ0.5）粉、平均粒径１．７μｍの（Ｔｉ0.91Ｔａ0.05Ｗ0.04）（Ｃ0.5Ｎ0.5）粉、平均粒径１．６μｍの（Ｔｉ0.82Ｎｂ0.09Ｗ0.09）（Ｃ0.5Ｎ0.5）粉、平均粒径１．５μｍの（Ｗ0.5Ｔｉ0.2Ｔａ0.3）Ｃ粉、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉、 平均粒径１．５μｍのＴａＣ粉、平均粒径１．５μｍのＮｂＣ粉、 平均粒径１．５μｍのＭｏ2Ｃ粉、平均粒径１．６μｍのＣｒ3Ｃ2粉、平均粒径１．１μｍのＶＣ粉、平均粒径１．０μｍのＺｒＣ粉、平均粒径１．２μｍのＨｆＣ粉、平均粒径１．３μｍのＣｏ粉、平均粒径１．６μｍのＮｉ粉を用意した。これらを用いて、表１に示す配合組成に秤量した。
【００２１】
【表１】
0005381616.tif 000002
【００２２】
秤量した混合粉末を湿式ボールミルにて混合・粉砕した後、溶媒を蒸発させて、混合物を乾燥させた。乾燥させた混合物にパラフィンを添加して、プレス成形した。ここで、発明品１〜８については、プレス成形した混合物を焼結炉に入れて、真空中で常温から４５０℃まで徐々に昇温してパラフィンを蒸発させた後、真空中で４５０℃から１２５０℃の第１加熱温度まで昇温させ、５０Ｔｏｒｒの窒素およびアルゴン混合雰囲気で６０分間保持したのち、さらに、混合物を１２５０℃の第１加熱温度から１５００℃の第２加熱温度までの昇温工程において１Ｔｏｒｒの非酸化性雰囲気で２０分間保持したのち１５０Ｔｏｒｒの窒素雰囲気で昇温させ、同じ圧力の窒素雰囲気で１５００℃の第２加熱温度にて６０分間保持して、室温まで冷却した。一方、比較品１〜４については、プレス成形した混合物を焼結炉に入れて、真空中で常温から４５０℃まで徐々に昇温してパラフィンを蒸発させた後、真空中で４５０℃から１２８０℃まで昇温させた。さらに、真空中で１２８０℃から１４８０℃まで昇温させ、１４８０℃にて真空中で５０分間保持した。その後、真空中で１４８０℃から常温まで冷却した。
【００２３】
得られたサーメットの内部の断面組織を走査電子顕微鏡にて観察し、走査電子顕微鏡付属のＥＤＳを用いながら、第１硬質相、第２硬質相、第３硬質相のコアおよびリムのＷ量を分析した。さらにＷＣ相、結合相も含めた各相の面積％を測定した。これらの結果は表２、３に示した。ＶWCはＷＣ相の面積％、Ｖ1は第１硬質相の面積％、Ｖ2は第２硬質相の面積％、Ｖ3Cは第３硬質相のコアの面積％、Ｖ3Rは第３硬質相のリムの面積％、Ｖ123は第１硬質相と第２硬質相と第３硬質相の面積％の総合計（Ｖ123＝Ｖ1＋Ｖ2＋Ｖ3C＋Ｖ3R）、Ｖbは結合相の面積％、Ｃ1Wは第１硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量の原子％、Ｃ2Wは第２硬質相に含まれる金属元素に対するＷ量の原子％、Ｃ3CWは第３硬質相のコアに含まれる金属元素に対するＷ量の原子％、Ｃ3RWは第３硬質相のリムに含まれる金属元素に対するＷ量の原子％を示す。また、Ｖ2、Ｖ3R、Ｖ123から求めた（Ｖ2＋Ｖ3R）／Ｖ123の値も表２に示した。
【００２４】
【表２】
0005381616.tif 000003
【００２５】
【表３】
0005381616.tif 000004
【００２６】
また、サーメットの各相に含まれる成分を、走査電子顕微鏡付属のＥＤＳを用いて分析した。その結果を表４に示した。なお、結合相に含まれる成分については、結合相全体に対して５０重量％以上の元素を主成分とし、結合相全体に対して５０重量％未満の元素を微量成分とした。また、結合相に鉄族元素が２種以上含まれている場合、鉄族元素の合計が結合相全体に対して５０重量％以上であれば、その鉄族元素を主成分とした。
【００２７】
【表４】
0005381616.tif 000005
【００２８】
作製したサーメットに研削とホーニングを施し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８形状に加工した。さらにＰＶＤ法により厚さ２．５μｍのＴｉＡｌＮを被覆して発明品１〜８、比較品１〜４の被覆サーメットを得た。また、発明品７のサーメット基材に、膜構成が（基材側）平均膜厚０．２μｍＴｉＮ−平均膜厚２．０μｍＴｉ（Ｃ，Ｎ）−平均膜厚０．６μｍＡｌ2Ｏ3−平均膜厚０．２μｍＴｉＮ（最表面側）（平均総膜厚３μｍ）である硬質膜をＣＶＤ法により被覆したものを発明品９とした。得られた被覆サーメットを用いて切削試験１、２を行った。
【００２９】
［切削試験１］
耐欠損性評価試験
試料形状：ＳＮＧＮ１２０４０８
被削材：Ｓ４０Ｃ（形状：円柱に４本の溝を入れた略円柱状）
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
雰囲気：湿式切削
試験回数：３回
寿命の判定基準：欠損するまでの衝撃回数を寿命とする。なお、衝撃回数が２５０００回になるまでに欠損しない場合は、その時点で試験を終了する。
【００３０】
表５に切削試験１の結果を示した。
【００３１】
【表５】
0005381616.tif 000006
【００３２】
［切削試験２］
耐摩耗性評価試験
試料形状：ＳＮＧＮ１２０４０８
被削材：Ｓ４０Ｃ（形状：円柱）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
雰囲気：湿式切削
寿命の判定基準：欠損したとき、または、最大逃げ面摩耗量ＶBmaxが０．３ｍｍ以上になったときを寿命とする。
【００３３】
表６に切削試験２の結果を示した。
【００３４】
【表６】
0005381616.tif 000007
【００３５】
表６に示されるように、発明品の加工時間が２４分以上であり、比較品の加工時間は、２０分２０秒以下であった。発明品は、比較品よりも切削性能が優れることが分かる。
【００３６】
切削試験１と切削試験２の結果を点数化した。すなわち、切削試験１の衝撃回数について、２５０００回以上を３点、２００００回以上を２点、１５０００回以上を１点、１５０００回未満を０点とし、１回目から３回目までの結果を平均した。また、切削試験２の加工時間について、３０分以上を３点、２０分以上３０分未満を２点、１０分以上２０分未満を１点とした。切削試験１の点数の平均値と切削試験２の点数を合計し、その値を総合評価の結果とした。点数が大きいほど切削性能に優れる。得られた総合評価の結果は表７に示した。
【００３７】
【表７】
0005381616.tif 000008
【００３８】
表７に示されるように発明品の切削試験１の平均値は２〜３点であり耐欠損性に優れることが分かる。発明品の切削試験２の結果は２〜３点であり耐摩耗性に優れることが分かる。耐欠損性と耐摩耗性がバランスよく優れる発明品は総合評価において４．０〜５．０点と高い点数になった。比較品は発明品よりも総合評価の点数が低い。このことは総合的な切削性能が発明品よりも劣ることを示している。例えば、比較品１については、切削試験２において２点であり優れた耐摩耗性を示すが、切削試験１の平均値は１．３点であり、総合評価は３．３点になった。比較品４については、切削試験１および切削試験２がいずれも１．０点であり、総合評価では２．０点になった。
【実施例２】
【００３９】
実施例１における被覆前の発明品４、５のサーメット基材、比較品１、４のサーメット基材と同一のサーメットを作製し、研削とホーニングを施してＩＳＯ規格ＴＮＧＮ１６０４０８形状に加工した。これらに被覆処理をせずに、それぞれを発明品１０、１１、比較品５、６のサーメットとして切削試験３を行った。試料内容は表８に示す。
【００４０】
【表８】
0005381616.tif 000009
【００４１】
［切削試験３］
耐摩耗性評価試験
試料形状：ＴＮＧＮ１６０４０８
被削材：Ｓ４０Ｃ（形状：円柱状）
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２．０ｍｍ
送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
雰囲気：乾式切削
寿命の判定基準：１０コーナを最大１５分間切削して、欠損したとき、または、最大逃げ面摩耗量ＶBmaxが０．３ｍｍ以上になったときを寿命とする。
【００４２】
表９に切削試験３の結果を示した。
【００４３】
【表９】
0005381616.tif 000010
【００４４】
表９から発明品１０、１１のサーメットは比較品５、６のサーメットよりも耐欠損性および耐摩耗性に優れることが分かる。