(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Tiを含有する化合物を硬質相として具える硬質材料であって、
前記硬質相として、
Tiの窒化物、及びTiの炭窒化物の少なくとも1種のTi化合物からなるTi化合物相と、
Tiと、周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)とを含むTi複合化合物からなるTi複合化合物相とを含有し、
前記硬質材料の断面をとり、この断面に対する前記Ti化合物相の面積率をa、前記Ti複合化合物相の面積率をbとするとき、0.5≦(a/b)を満たし、
前記断面における前記Ti化合物相の合計面積に対して50％以上がTiの窒化物である硬質材料。
【請求項２】
前記硬質相として、WCを含有し、
前記硬質材料の断面をとったとき、この断面に対する前記WCの面積率が10面積％以上60面積％以下である請求項1に記載の硬質材料。
【請求項３】
前記硬質材料の熱伝導率が20W/m・K以上70W/m・K以下である請求項1又は請求項2に記載の硬質材料。
【請求項４】
Moの含有量が5質量％以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の硬質材料。
【請求項５】
X線回折を行ったとき、TiN(220)のピーク及びTiWC2(220)のピークが検出され、
前記TiN(220)のピークの積分強度をα、TiWC2(220)のピークの積分強度をβとするとき、(α/β)≧0.3を満たす請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の硬質材料。
【請求項６】
前記Ti化合物相の平均粒径が1μm以上である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の硬質材料。
【請求項７】
前記硬質相として、WCを含有し、
前記WCの平均粒径が2μm以上である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の硬質材料。
【請求項８】
前記硬質相は、前記Ti化合物相を中心組織とし、前記Ti複合化合物相を周辺組織としたコアリム構造の粒子を含む請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の硬質材料。
【請求項９】
前記硬質相は、前記Ti化合物相の外周が前記Ti複合化合物相に囲まれていない単体Ti化合物相を20％以下含有する請求項8に記載の硬質材料。
【請求項１０】
前記硬質相は、前記Ti複合化合物相の内部に前記Ti化合物相を含んでいない単体Ti複合化合物相を20％以下含有する請求項8又は請求項9に記載の硬質材料。
【請求項１１】
請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の硬質材料から構成された切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Tiを含む化合物を硬質相に含む硬質材料、及び切削工具に関する。特に、熱伝導率が高く、耐熱性に優れる切削工具、及び耐熱性に優れる切削工具を構築することができる硬質材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削工具の本体材料にサーメットと呼ばれる硬質材料が利用されている。サーメットは、代表的には、Tiの炭化物(炭化チタン:TiC)やTiの炭窒化物(炭窒化チタン:TiCN)といったTiを含有する化合物を硬質相とし、CoやNiといった鉄族金属を結合相とした焼結体である。特許文献1は、TiCを主たる硬質相としたサーメット、特許文献2は、TiCNを主たる硬質相としたサーメットを開示している。サーメットは、炭化タングステン(WC)を主たる硬質相とする超硬合金と比較して、1.希少資源であるWの使用量を低減できる、2.耐摩耗性に優れる、3.鋼の切削加工における仕上げ面が美麗である、4.軽量である、といった利点を有する。
【０００３】
一般的なサーメットでは、硬質相を構成する粒子として、TiCやTiCNを中心組織(コア)とし、TiとTi以外の別の金属元素(例えば、W)との双方を含む複合化合物を、コアの周囲を囲う周辺組織(リム)としたコアリム構造と呼ばれる粒子を含む(特許文献2の図1,図2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平06-172913号公報
【特許文献２】特開2010-031308号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のサーメットでは、熱伝導率が低く、耐熱性を改善することが望まれている。
【０００６】
本発明者らが調べたところ、TiとWとの炭窒化物といった、Tiと、周期表4族、5族、6族の金属元素(Tiを除く)とを含むTi複合化合物は、WCに比較して熱伝導率が著しく低く、TiCやTiNに比較しても熱伝導率が低い、との知見を得た。主としてリムを構成するTi複合化合物は、固溶体構造をとることで、熱伝導を支配するフォノンの散乱が起こり易いため、熱伝導性に劣ると考えられる。そして、このような低熱伝導率の複合化合物を多く含むことで、サーメットの熱伝導率が大きく低下する、との知見を得た。特に、TiCを主たる硬質相としたサーメットを製造するにあたり、原料にTiC粉末を用いると、Ti複合化合物を生成し易く、コアリム構造の粒子では、リムが厚く(大きく)なり易い。また、TiCNを主たる硬質相としたサーメットにおいてもTi複合化合物が多いと、熱伝導率が低下する。
【０００７】
Ti複合化合物が多いサーメットからなる切削工具では、温度が最も高くなる刃先の熱を、切削工具の内部を経て放熱できず、刃先及びその近傍に熱がこもり易くなる。そのため、例えば、刃先温度の影響が大きいすくい面摩耗(クレーター摩耗)や熱亀裂、これらに起因する欠損が増大し易くなり、性能の低下が生じ得る。従って、高速切削(例えば、切削速度200m/min以上)を行う場合などといった刃先温度が高くなり易い切削条件や、加熱と冷却とが繰り返される切削条件などであっても、耐摩耗性や耐欠損性などの性能の低下を抑制でき、耐熱性に優れる切削工具の開発が望まれる。また、このような耐熱性に優れる切削工具を構築することができる素材の開発が望まれる。
【０００８】
一方、WCは、一般に熱伝導率が高い。従って、サーメットの原料にWCを用いて、焼結体中にWCを再析出させることが考えられる。しかし、原料にWCを用いても、このWCが分解してWを含むTi複合化合物が生成される。WCの添加量によっては、Ti複合化合物にWが含有されて、WCが実質的に析出されず、焼結体中にWCが存在しない、又は少ない場合がある。Ti複合化合物が多い上に、WCが存在しない又は少ないことで、サーメットの熱伝導率が低くなる。
【０００９】
そこで、本発明の目的の一つは、耐熱性に優れる切削工具を構築することができる硬質材料を提供することにある。また、本発明の別の目的は、耐熱性に優れる切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、サーメットのような、Tiを含む化合物を硬質相として含有する硬質材料を対象として、耐熱性に優れる構成を検討した。そして、原料を調整して、種々の組織の硬質材料を作製して検討した結果、熱伝導率が非常に低いTi複合化合物相の存在割合を特定の範囲に抑えることで、硬質材料の熱伝導率を大幅に高められる、との知見を得た。また、Ti複合化合物相の存在割合は、原料に用いる組成を調整することで特定の範囲に抑えられる、との知見を得た。本発明は、上記知見に基づくものである。
【００１１】
本発明の硬質材料は、Tiを含有する化合物を硬質相として具え、上記硬質相として、以下のTi化合物相と、Ti複合化合物相とを具える。
Ti化合物相:Tiの窒化物、及びTiの炭窒化物の少なくとも1種のTi化合物からなる相
Ti複合化合物相:Tiと、周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)とを含むTi複合化合物からなる相
そして、上記硬質材料の断面をとり、この断面に対する上記Ti化合物相の面積率をa、上記Ti複合化合物相の面積率をbとするとき、0.5≦(a/b)を満たす。
【００１２】
本発明の硬質材料は、熱伝導率が低いTi複合化合物相の面積率が、Ti化合物相の面積率の2倍以下、更に同等以下である(好ましくはTi化合物よりも少ない)ため、熱伝導性を高められる。従って、本発明の硬質材料から構成される切削工具は、刃先が高温となるような切削条件(例えば、切削速度が200m/min以上といった高速切削)や、冷熱サイクルを行う切削条件(例えば、被削材との接触と切削液による冷却とが繰り返されるフライス加工やエンドミル加工等)などを利用する場合にも、刃先及びその近傍の熱を良好に逃すことができる。そのため、この切削工具は、刃先及びその近傍に熱がこもることを効果的に抑制できる。このように本発明の硬質材料は、刃先及びその近傍が長時間高温に保持されることや、冷熱サイクルが繰り返されることによる切削性能の低下を招き難く、耐熱性に優れる切削工具を構築することができる。特に、WCを含有する形態では、熱伝導率をより高め易い。
【００１３】
本発明の一形態として、上記硬質相として、WCを含有し、上記硬質材料の断面をとったとき、この断面に対する上記WCの面積率が10面積％以上60面積％以下である形態が挙げられる。
【００１４】
上記形態は、熱伝導率が高いWCを十分に含有することで、熱伝導率を高め易い。また、上記形態は、WCの析出量が上述の特定の範囲を満たすように原料に用いるWCをある程度少なくすることで、(1)WCが十分に存在しながらも、TiとWとを含むTi複合化合物の過剰な生成を抑制できる、(2)原料に用いるWCの量を低減でき、希少資源であるWの使用量を低減できる、という効果を奏する。
【００１５】
本発明の一形態として、上記硬質材料の熱伝導率が20W/m・K以上70W/m・K以下である形態が挙げられる。
【００１６】
上記形態は、熱伝導率が十分に高く、耐熱性に優れる。また、上記形態は、熱伝導率を上述の特定の範囲とすることで、原料に用いるWCの量を低減でき、希少資源であるWの使用量を低減できる。
【００１７】
本発明の一形態として、Moの含有量が5質量％以下である形態が挙げられる。
【００１８】
原料にMo2CといったMoを含む化合物を用いた場合、例えば、Ti化合物相と結合相との濡れ性を高められ、焼結性を向上でき、緻密な焼結体を得易い。しかし、Moを過剰に含むと、TiとMoとを含むTi複合化合物が生成され易く、リムの増大を招き、ひいては熱伝導性の低下を招く。上記形態は、原料に用いるMoを含む化合物の含有量を制限することで、Ti複合化合物の存在割合を低減でき、熱伝導性の低下を抑制できる。
【００１９】
本発明の一形態として、X線回折を行ったとき、TiN(220)のピーク及びTiWC2(220)のピークが検出され、上記TiN(220)のピークの積分強度をα、TiWC2(220)のピークの積分強度をβとするとき、(α/β)≧0.3を満たす形態が挙げられる。
【００２０】
上記形態は、原料にTiNを多めに使用し、焼結条件を調整してTiNを析出させることで製造できる。原料にTiNを多めに使用することでTiWC2などのTi複合化合物の生成を低減し易く、上記形態は、熱伝導率が低いTi複合化合物が比較的少なく、耐熱性に優れる。
【００２１】
本発明の一形態として、上記Ti化合物相の平均粒径が1μm以上である形態が挙げられる。
【００２２】
上記形態は、Ti化合物相が大きいことで、微粒の場合よりも熱伝導性を高められる。また、上記形態は、原料にある程度大きなTi化合物粉末を使用することで製造されることから、微細な粉末を用いた場合に比較して、焼結時に化合物の溶解や析出が行われ難い。従って、上記形態は、Ti複合化合物の存在割合を低減でき、熱伝導性の低下を抑制できる。この点からも、上記形態は、耐熱性に優れる。
【００２３】
本発明の一形態として、上記硬質相として、WCを含有し、上記WCの平均粒径が2μm以上である形態が挙げられる。
【００２４】
上記形態は、熱伝導率が高いWCを含有する上に、WCが大きいことで熱伝導率を向上でき、耐熱性により優れる。また、上記形態は、原料にある程度大きなWC粉末を使用することで製造されることから、微細な粉末を用いた場合に比較して、焼結時にWCの溶解やWを含む複合化合物の析出が行われ難い。従って、上記形態は、TiとWとを含むTi複合化合物の存在割合を低減でき、熱伝導性の低下を抑制できる。この点からも、上記形態は、耐熱性に優れる。
【００２５】
本発明の一形態として、上記断面における上記Ti化合物相の合計面積に対して50％以上がTiの窒化物(TiN)である形態が挙げられる。
【００２６】
上記形態は、原料にTiNを一定量以上使用し(多めに使用し)、焼結条件を調整してTiNを析出させることで製造できる。原料にTiNを多めに使用することで、Ti複合化合物の生成を低減し易く、上記形態は、熱伝導率が低いTi複合化合物の存在割合を低減できて、耐熱性に優れる。
【００２７】
本発明の一形態として、上記硬質相は、上記Ti化合物相を中心組織とし、上記Ti複合化合物相を周辺組織としたコアリム構造の粒子を含む形態が挙げられる。
【００２８】
コアリム構造の粒子は、結合相との濡れ性に優れるTi複合化合物相を具えることで、結合相との濡れ性を高められて焼結性を向上できる。上記形態は、コアリム構造の粒子が存在することで、緻密な焼結体とすることができる。
【００２９】
本発明の一形態として、上記硬質相は、上記Ti化合物相の外周が上記Ti複合化合物相に囲まれていない単体Ti化合物相を20％以下含有する形態が挙げられる。
【００３０】
上記形態は、熱伝導率が低いリム:Ti複合化合物を有しない単体Ti化合物相を含有することで、熱伝導性を高められる。また、単体Ti化合物相の含有量が特定の範囲であることで、上記形態は、焼結性の低下を抑制できる。
【００３１】
本発明の一形態として、上記硬質相は、上記Ti複合化合物相の内部に上記Ti化合物相を含んでいない単体Ti複合化合物相を20％以下含有する形態が挙げられる。
【００３２】
上記形態は、結合相との濡れ性に優れる単体Ti複合化合物相を含むことで焼結性に優れ、緻密な焼結体にし易い。また、熱伝導率が低い単体Ti複合化合物相の含有量が特定の範囲であることで、上記形態は、単体Ti複合化合物相を含有することによる熱伝導性の低下を抑制できる。
【００３３】
本発明の切削工具は、上述の本発明の硬質材料から構成されている。
【００３４】
本発明の切削工具は、耐熱性に優れる本発明の硬質材料から構成されることで、耐熱性に優れ、長期に亘り、良好な切れ味を有することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の硬質材料は、耐熱性に優れる切削工具を構築することができる。本発明の切削工具は、耐熱性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】(A)は、本発明の硬質材料の組織を説明する模式図、(B)は、一般的なサーメットの組織を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
[硬質材料]
本発明の硬質材料は、セラミックスからなる硬質相と、鉄族金属を主成分として硬質相を結合する結合相とを含み、残部が不可避不純物から構成される焼結体である。硬質相として、Ti化合物相、及びTi複合化合物相の少なくとも二つの相を含む。
【００３８】
＜硬質相＞
(Ti化合物相)
Ti化合物は、Tiの窒化物:TiN、及びTiの炭窒化物：TiCNの少なくとも1種とし、好ましくはTiCを実質的に含有しない。本発明者らが調べた結果、原料にTiCを利用すると、TiNやTiCNを利用する場合よりもTiとWとを含む複合化合物といったTi複合化合物を形成し易く、Ti複合化合物の存在割合が増加し易い、との知見を得た。そこで、原料に用いるTiCの使用量をできるだけ少なくする、好ましくは用いない。その結果、焼結体は、TiCが少ない(焼結体を100質量％として20質量％以下)、又は実質的に存在しない。一方、原料にTiNを利用すると、好ましくはTiNを多く用いると、上述のTi複合化合物を形成し難く、リムの生成を抑制し易い、との知見を得た。また、TiN以外ではTiCNが好ましい、との知見を得た。そこで、硬質相として、積極的に存在させるTi化合物相は、TiN及びTiCNの少なくとも1種とする。
【００３９】
特に、硬質材料の断面をとり、後述するようにTi化合物相(TiN,TiCN,TiC)を抽出してその合計面積をとったとき、この合計面積を100％として、50％以上、更に70％以上がTiNである形態が好ましい。
【００４０】
また、X線回折を行ったとき、TiN(220)のピーク及びTiWC2(220)のピークを有しており、TiN(220)のピークの積分強度:αがTiWC2(220)のピークの積分強度:βに対して大きいこと、具体的には、(α/β)≧0.3を満たすことが好ましい。TiWC2は、後述するTi複合化合物の一つである。種々の組成のTi複合化合物について調べた結果、Ti複合化合物の組成比が多少変化しても、TiWC2のピークは近い位置に検出される(概ね同じ位置である)との知見を得た。そこで、Ti複合化合物の指標として、TiWC2を採用する。ピーク強度比:α/βが大きいほど、熱伝導率が低いTiWC2が相対的に少ないといえ、熱伝導性に優れる。(α/β)は、TiNが多い形態であると大きくなる傾向にあり、0.5以上、更に1.0以上がより好ましい。
【００４１】
なお、硬質相や結合相、元素の含有量の測定は、例えば、XRDなどで化合物や金属元素の同定を行い、EDX,EPMA,蛍光X線,IPC-AESなどを用いて組成を分析することで行える。
【００４２】
(Ti複合化合物相)
Ti複合化合物は、Tiと、周期表4族、5族、及び6族から選択される1種以上の金属元素(Tiを除く)と、炭素(C)、窒素(N)、及び酸素(O)から選択される1種以上の元素との化合物から選択される1種以上が挙げられる。代表的には、Tiと上記金属元素とを含む炭化物、窒化物、酸化物、炭窒酸化物及び炭窒化物から選択される1種以上が挙げられる。具体的には、(Ti,W,Mo,Ta,Nb)(C,N)、(Ti,W,Nb)(C,N)、(Ti,W,Mo,Ta)(C,N)、(Ti,W,Mo,Zr)(C,N)、(Ti,W,Mo)(C,N)、(Ti,W,Mo)N、TiWC2などが挙げられる。特に、炭窒化物が挙げられる。
【００４３】
(存在形態)
Ti化合物相とTi複合化合物相とは、代表的には、コアとなるTi化合物の周囲を囲むように、リムとなるTi複合化合物が存在するコアリム構造で存在する。コアリム構造の粒子は、結合相との濡れ性に優れるリムを具えることで、焼結性を高められ、緻密な焼結体とすることができる。また、コアリム構造の粒子は、相対的に熱伝導性に優れるTi化合物相を内包するため、熱伝導性にも優れる。従って、硬質材料の断面をとり、この断面に存在するTi化合物相及びTi複合化合物相の合計面積を後述するように求めたとき、この合計面積を100％として、コアリム構造の粒子を60％以上含有することが好ましい。製造条件などによっては、Ti化合物相は、Ti複合化合物に覆われず露出された単体相(単体Ti化合物相)でも存在し得る。Ti複合化合物相は、Ti化合物相を内包していない単体相(単体Ti複合化合物相)でも存在し得る。単体Ti化合物相は、熱伝導性に優れるものの焼結性に劣ることから、その含有量は、上述の断面におけるTi化合物相の合計面積(コアリム構造の粒子中のTi化合物相の面積と単体Ti化合物相の面積との合計面積)を100％として20％以下、更に10％以下が好ましい(0％を含む)。単体Ti複合化合物相は、焼結性に優れるものの熱伝導性に劣ることから、その含有量は、上述の断面におけるTi複合化合物相の合計面積(コアリム構造の粒子中のTi複合化合物相の面積と単体Ti複合化合物相の面積との合計面積)を100％として20％以下、更に10％以下が好ましい(0％を含む)。
【００４４】
(Ti化合物相とTi複合化合物相との存在割合)
本発明では、Ti複合化合物相の含有量がある程度少ない。具体的には、硬質材料の断面において、Ti化合物相の面積率：aとTi複合化合物相の面積率：bとの比:a/bが0.5以上を満たす。熱伝導率が低いTi複合化合物相が少なめであることで、熱伝導率の低下を抑制できる。上述の面積率の比：a/bの値が大きいほど、Ti複合化合物相が十分に少なく、熱伝導率の低下を抑制でき、1≦(a/b)、更に2≦(a/b)を満たすことが好ましい。但し、a/bが大き過ぎると、結合相との濡れ性に劣る単体Ti化合物相が多く存在することになり、焼結性の低下を招くことから、(a/b)≦10を満たすことが好ましい。
【００４５】
上述の面積率の測定は、以下のように行う。硬質材料の断面を電子顕微鏡や光学顕微鏡といった組織観察が可能な手法で断面像を撮影した後、市販の画像解析ソフトを用いて、取得した画像を画像解析して、硬質相(主としてTi化合物相、Ti複合化合物相、適宜WCなど)及び結合相をそれぞれ抽出する。抽出した各相の面積を求め、更に、求めた面積を用いて面積率を求める。特に、走査型電子顕微鏡:SEMによる画像を用いると、画像解析を行い易く作業性に優れる。観察時の倍率は、硬質相の粒径によって適宜選択できるが、1000倍〜5000倍が利用し易い。SEM像では、代表的には、WCが白、Ti化合物が黒、Ti複合化合物と結合相とがグレー、といったコントラストで表わされる。そのため、Ti複合化合物相と結合相とを分離し難い場合がある。この場合、Ti複合化合物相と結合相との双方を含む面積率から、結合相の配合比率を差し引くことで、Ti複合化物相の面積率を計算する。結合相の配合比率は、上述のEDX,EPMAなどの組成分析を利用することで求められる。例えば、取得した画像において、黒領域(Ti化合物相)の面積率をa、グレー領域(Ti複合化合物相及び結合相の合計領域)の面積率をx、結合相の配合比率(面積率)をcとすると、Ti複合化合物相の面積率：bは、b＝x-cと求められ、a/bが求められる。
【００４６】
上記面積率の測定は、硬質材料の断面において、表層領域を除く内部領域について行う。表層領域とは、硬質材料の最表面から内部に向かって厚さ1mmまでの領域、及び硬質材料の最表面から内部に向かって、硬質材料の平均厚さの10％までの領域のいずれか小さい方とする。硬質材料の表面及びその近傍には、使用する原料や焼結条件によっては、改質層が生成される可能性がある。そのため、上記断面において少なくとも表層領域を除いた領域＝内部領域から測定領域を選択する。上記断面における硬質材料の中心及びその近傍などの十分に内部に位置する箇所を測定領域とすることが好ましい。上述の結合相の面積率は、結合相の体積率を以下のようにして求め、求めた体積率と等価とする。組成分析によって各元素の質量割合を求め、各元素の質量割合やX線回折などから、硬質材料中の化合物の組成及び質量割合を決定する(推定する)。そして、結合相の質量割合及び密度と、化合物の質量割合及び密度とを用いて、結合相の体積率を算出する。
【００４７】
(その他の硬質相)
硬質相として熱伝導率が高いWCを含む形態は、熱伝導性を高められて好ましい。WCの含有量が多いほど、熱伝導率を高められるが、上述のように希少資源であるWの使用量の増大を招く上に、Ti複合化合物を生成し易くなり、好ましくない。従って、WCの含有量は、硬質材料の断面をとったとき、この断面に対する面積率が10面積％以上60面積％以下が好ましく、20面積％以上50面積％以下がより好ましい。
【００４８】
(粒子径)
硬質相を構成する粒子は、一般に、その粒径が大きいほど、熱伝導性を高め易く好ましい。特に、Ti化合物相の平均粒径(コアリム構造の場合、コアの平均粒径)は、1μm以上が好ましく、1μm〜4μm程度がより好ましい。Ti複合化合物相の平均粒径(コアリム構造の場合、コアを含むリムの平均粒径)が1.5μm〜4.5μm程度が好ましい。WCを含有する場合、WCの平均粒径は、2μm以上が好ましく、2μm〜6μm程度がより好ましい。
【００４９】
＜結合相＞
結合相は、結合相を100質量％として、80質量％以上が鉄族金属であることが好ましく、特に、焼結時の液相移動が生じ難いCoが好ましい。その他、原料に起因すると考えられる元素が含有(固溶)されることを許容する。結合相の含有量は、硬質材料を100質量％として、8質量％以上20質量％以下が挙げられる。
【００５０】
＜その他の含有物＞
その他、硬質材料は、Cr,Ta,Nb,Zr,V,Moなどの金属、(Ta,Nb)C,VC,Cr3C2,NbC,Mo2Cなどの金属化合物を合計で20質量％以下の範囲で含有することができる。これらの金属や金属化合物を含有する形態は、粒成長の抑制効果や、結合相への固溶による靭性の向上効果が期待できる。但し、Mo2CといったMoを含む化合物を多く用いると、Ti複合化合物を生成し易く、リムが厚くなり易い。従って、硬質材料中のMoの含有量は、5質量％以下、更に3質量％以下が好ましい。MoやMoを含む化合物を含有していなくてもよい。
【００５１】
組成や各相の含有量、後述する熱伝導率が所望のものとなるように原料の組成や含有量、平均粒径を調整する。
【００５２】
＜熱伝導率＞
本発明では、Ti複合化合物相が比較的少ないことで、熱伝導率が高い。硬質相の組成や含有量、粒径にもよるが、例えば、熱伝導率が20W/m・K以上を満たす形態が挙げられる。熱伝導率が高いほど刃先及びその近傍からの熱を外部に伝え易く、刃先及びその近傍に熱がこもることを抑制でき、耐熱性に優れる切削工具を構築できる。従って、熱伝導率は、30W/m・K以上、更に40W/m・K以上が好ましい。但し、熱伝導率は、硬質材料中のWCの含有量に相関があり、WCを多く含むほど熱伝導率が高くなるものの、原料に用いるWの使用量が増加することから、70W/m・K以下が好ましい。
【００５３】
＜用途＞
本発明の硬質材料は、後述するような種々の切削工具の素材に好適に利用することができる。
【００５４】
[切削工具]
本発明の切削工具は、上述の特定の硬質相を具える本発明の硬質材料から構成される。この切削工具は、種々の形状、大きさを有することができる。代表的には、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、ドリル、フライス、エンドミル、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどが挙げられる。
【００５５】
[製造方法]
本発明の硬質材料は、一般的なサーメットと同様な製造方法によって製造することができる。具体的には、原料粉末を用意して混合した後、適宜造粒を行い、造粒粉末を金型に供給して押圧し、所望の形状のプレス成形体を作製し、このプレス成形体を焼結することで得られる。
【００５６】
原料粉末は、TiN,TiCN,TiCといったTiを含む化合物の合計を100質量％とするとき、50質量％以上、更に70質量％以上、特に75質量％以上がTiNからなる粉末とすると、熱伝導率が低いTi複合化合物を形成し難く好ましい。Tiを含む化合物からなる原料粉末は、TiN粉末とTiCN粉末との混合粉末、又はTiN粉末のみが好ましく、Ti複合化合物を形成し易いTiCは用いないことが好ましい。原料に用いるTiNが多いほど、TiNが多く存在する形態を製造し易い。また、TiとWとを含む複合化合物(代表的には炭窒化物)を原料粉末に用いると、Ti複合化合物を形成し易く、焼結体の熱伝導率が低下し易い。そのため、TiとWとを含む複合化合物も原料粉末に用いないことが好ましい。
【００５７】
WCを含有する硬質材料とする場合、原料にWC粉末を比較的多めに用いる(好ましくは原料粉末中の20質量％超)。後述する試験例に示すように原料に用いるWC粉末が少ないと、焼結体中にWCが実質的に存在せず、原料のWC粉末はTi複合化合物相の形成にのみ利用される傾向にある。その他、周期表4族,5族,及び6族から選択される1種以上の金属元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物から選択される1種以上の化合物(上述のTiN,TiCN,TiC及びWCを除く)からなる粉末を原料に添加することができる。上述のようにMo2CといったMo化合物の添加量は少ない方が好ましく、原料粉末の合計を100質量％として、5質量％以下が好ましく、用いなくてもよい。
【００５８】
更に、所定量を秤量した原料粉末を混合する工程では、混合時間が短い方がTi複合化合物の生成を抑制し易い、との知見を得た。混合時間を短くすることで、原料粉末を構成する金属化合物が過度に粉砕されることを抑制できる。その結果、金属化合物の微粉末を低減でき、焼結工程においてこの微粉末の溶解(固溶)及び再析出を抑制できるため、Ti複合化合物の生成を抑制し易い。また、混合時間を短くすることで、原料粉末の粒径を維持し易くなり、硬質相を比較的大きくすることができ(平均粒径:1μm〜4.5μm程度)、放熱性を高められる。混合にボールミルなどを利用する場合、具体的な混合時間は、2時間〜15時間程度が挙げられる。又は、粉砕メディアを用いないメディアレス混合とすると、原料粉末の粒径を更に維持し易い。メディアレス混合は、例えば、原料粉末にエタノールやアセトンなどの有機溶媒を合わせてスラリーとし、このスラリーに超音波を照射しながら、粉砕メディアを用いることなく混合する手法が挙げられる。
【００５９】
焼結条件は、例えば、真空雰囲気で1300℃〜1500℃に0.5時間〜3.0時間保持することが挙げられる。
【００６０】
その他、ホーニングといった刃先処理、CVD法やPVD法による被覆膜の形成などを適宜行うことができる。
【００６１】
[試験例1]
種々の組成の原料粉末を用いて、硬質相としてTiを含有する化合物からなる相を含む焼結体を作製し、組織観察を行った。また、この焼結体を切削工具として、切削性能を調べた。
【００６２】
この試験では、原料粉末として表1に示す組成の粉末を用意した。試料No.1-200は、比較試料であり、WC-Co基超硬合金のみからなる焼結体である。用意した各粉末の平均粒径は、WC:3μm、TiCN:3μm、TiN:2μm、TiC:3μmである。原料粉末に用いたTiを含む化合物：TiN,TiCN,TiCの合計を100質量％とするときのTiNの質量割合(％)を表1に示す。
【００６３】
表1に示す各組成の粉末をエタノール中、ボールミルによって混合した。混合時間は、表1に示す時間(時間)とした。混合後、各組成の粉末を造粒して、平均粒径100μmの造粒粉末を得る。造粒粉末を秤取り、金型(型番:SNGN120408)に各粉末を供給して、1ton/cm2の圧力でプレス成形し、プレス成形体を作製する。得られたプレス成形体を真空雰囲気、1430℃×60minの条件で焼結して焼結体を得る。
【００６４】
【表１】
0005534567.tif 000002
【００６５】
得られた各焼結体について、組成をSEM-EDX装置を用いて調べた。その結果、試料No.1-1〜No.1-8は、TiN及びTiCNの少なくとも一方：Ti化合物相と、TiとWとを含有する複合化合物：Ti複合化合物相とが存在し、試料No.1-110は、Ti化合物相が実質的に存在しなかった。また、試料No.1-6を除く試料No.1-1〜No.1-5,No.1-7,No.1-8は、WCが存在した。更に、試料No.1-1〜No.1-8はいずれも、Moの含有量が5質量％以下であり、原料に用いたMo2Cの添加量と同等以下であった。
【００６６】
得られた各焼結体を切断し、焼結体の断面をSEMによって観察した。その結果、試料No.1-1〜No.1-8の焼結体(硬質材料1)はいずれも、図1(A)に示すように、硬質相として、Ti化合物相12を中心組織とし、Ti複合化合物相13を周辺組織とするコアリム構造の粒子10が存在する。そして、これらの焼結体はいずれも、コアリム構造の粒子10におけるコア:Ti化合物相12が大きく、リム:Ti複合化合物相13が薄い。また、試料No.1-1〜No.1-8は、Ti化合物相12のみからなる単体Ti化合物相20の粒子やTi複合化合物相13のみからなる単体Ti複合化合物相30の粒子が若干存在する。一方、原料にTiNを用いずTiCを用いた試料No.1-100,No.1-110の焼結体(硬質材料100)は、図1(B)に示すように、リム:Ti複合化合物相13が厚いコアリム構造の粒子110が存在する上に、単体Ti複合化合物相30が比較的多く存在する。
【００６７】
上述の焼結体の断面のSEM像を用いて、Ti化合物とTi複合化合物とをそれぞれ抽出し、各断面におけるTi化合物相の面積率をa、Ti複合化合物相の面積率をbとし、その比:a/bを求めた。その結果を表3に示す。また、断面におけるTi化合物相の合計面積に対するTiNの面積割合(％)を求めた。その結果も表3に示す。
【００６８】
更に、上述の焼結体の断面のSEM像を用いてWCを抽出し、上述の断面におけるWCの面積率(％)を求めた。その結果を表3に示す。
【００６９】
更に、上述の焼結体の断面のSEM像を用いて、Ti化合物相の合計面積に対する単体Ti化合物相の面積率(％)、Ti複合化合物相の合計面積に対する単体Ti複合化合物相の面積率(％)を求めた。これらの結果も表3に示す。
【００７０】
更に、抽出したTi化合物相の平均粒径(μm)、WCの平均粒径(μm)を求めた。これらの結果も表3に示す。平均粒径は、上述の焼結体の断面のSEM像(5000倍)と、画像解析装置:Mac-VIEW(株式会社マウンテック製)とを用いて、各粒子(n≧30)について水平方向のferet径及び垂直方向のferet径のそれぞれを測定し、測定した水平方向のferet径と垂直方向のferet径との平均とした。
【００７１】
更に、上述の焼結体の断面に対してX線回折を行い、TiN(220)のピーク及びTiWC2(220)のピークの有無を調べた。そして、TiN(220)のピークの積分強度をα、TiWC2(220)のピークの積分強度をβとするときの比:α/βを求めた。その結果も表3に示す。この試験では、X線回折の対象を焼結体の断面としたが、焼結体の表面でもよい。
【００７２】
得られた各焼結体から熱特性を測定するための試験片を作製し、熱伝導率(W/m・K)を調べた。その結果を表3に示す。ここでは、熱伝導率は、熱伝導率＝比熱×熱拡散率×密度によって算出する。比熱及び熱拡散率の測定には、市販の測定器を利用できる。例えば、アルバック理工株式会社製  TC-7000を用いる場合、各焼結体から測定用試料(8mm×8mm×1.5mm)を切り出し、レーザーフラッシュ法にて、比熱と熱拡散率とを測定できる。密度は、アルキメデス法にて求められる。上記測定用試料の切り出しが難しい形状や大きさの焼結体である場合には、例えば、市販のサーマルマイクロスコープにて熱浸透率を測定したり、示差走査熱量測定(DSC)を用いて比熱を測定したりして、熱浸透率＝(熱伝導率×密度×比熱)1/2を用いて、熱伝導率を算出することができる。
【００７３】
得られた各焼結体に研削加工(平面研磨)を施した後、刃先処理加工を施し、切削工具を得る。得られた切削工具を表2に示す条件で切削試験(旋削加工)を行って、切削性能を調べた。その結果を表3に示す。この試験では、切削性能として、10分間の切削試験後における欠損の有無を目視及び顕微鏡を利用して確認した。
【００７４】
【表２】
0005534567.tif 000003
【００７５】
【表３】
0005534567.tif 000004
【００７６】
表3に示すように、Ti化合物相の面積率とTi複合化合物の面積率との比:a/bが0.5以上である硬質材料から構成された試料No.1-1〜No.1-8の切削工具は、刃先が高温となるような切削(ここでは、切削速度が200m/min以上といった高速切削)を行った場合でも、耐摩耗性に優れる上に、欠損し難く、靭性にも優れることが分かる。また、試料No.1-1〜No.1-8は、WC-Co基超硬合金である試料No.1-200よりも熱伝導率が低いもののある程度高いことが分かる。具体的には、試料No.1-1〜No.1-8は、熱伝導率が20W/m・K以上であり、組成によっては更に熱伝導率が高い。更に、試料No.1-1〜No.1-8は、単体Ti複合化合物相も少ないことが分かる。これらのことから、上述のような刃先が高温となる切削条件であっても、試料No.1-1〜No.1-8の切削工具が優れた切削性能を有していた理由は、熱伝導率が低いTi複合化合物が少なく、硬質材料の熱伝導率の低下を抑制でき、切削時に生じた刃先の熱を外部に逃して、刃先及びその近傍に熱がこもることを抑制できたため、と考えられる。
【００７７】
特に、試料No.1-1〜No.1-8においてWCを含有する場合、WCの含有量が多いほど、硬質材料の熱伝導率が高く、面積率が10％以上であると、25W/m・K以上であるものも得られることが分かる。また、試料No.1-1〜No.1-8においてTi化合物相やWCの平均粒径が大きいほど、熱伝導率が高い傾向にあることが分かる。更に、試料No.1-1〜No.1-8は、単体Ti複合化合物相及び単体Ti化合物相の双方が少ないことから、両相の多くはコアリム構造の粒子として存在し、コアリム構造の粒子は、Ti複合化合物相が薄い、といえる。
【００７８】
そして、このような耐熱性に優れる試料No.1-1〜No.1-8は、原料にTiCやTi複合化合物を用いず、TiNやTiCNを用いること、好ましくはTiNを多く利用する(具体的にはTiNの割合を50質量％以上、更に70質量％以上とする)ことで、製造できるといえる。原料にTiNを多く用いるほど、また原料の混合時間を短くするほど、焼結体中のTiNの面積割合が多くなったり(例えば、TiNの面積割合が50％以上)、焼結体におけるTiN(220)のピークの積分強度の比:α/βが大きくなったりしている(例えば、α/βが0.3以上)。また、MoやMo化合物の添加量を5質量％以下、好ましくは用いないことでも、α/βを大きくすることができる。更に、原料にWC粉末を用いる場合、使用量が少ないと(ここでは原料全体に対して20質量％以下)、焼結体中にWC相が存在し難く、原料粉末中のWは、Ti複合化合物相として存在し得ると考えられる。一方、WC粉末の使用量がある程度多いと、WC相が析出されて、熱伝導性に優れるといえる。従って、WC粉末を原料に用いる場合には、少なくともWC相が析出可能な量(原料粉末の20質量％超、更に30質量％以上)とすることが好ましいといえる。このように原料粉末の組成を調整することで、焼結体の組織を変化させて、Ti複合化合物の生成を抑制することで、熱伝導率をより高めることができるといえる。
【００７９】
なお、試料No.1-1〜No.1-8について、Ti化合物相の平均粒径と同様にして基材中のTi複合化合物の平均粒径を求めたところ(コアリム構造の粒子については、リムの外径を測定)、Ti複合化合物:1.5μm〜2.5μmであった。
【００８０】
[試験例2]
原料粉末として、平均粒径が異なる粉末を用意して、試験例1と同様に焼結体を作製して組織を調べた。
【００８１】
この試験では、表4に示す平均粒径の粉末を用意し、表4に示す配合比とした以外の点は、試験例1と同様にして焼結体を作製した。得られた焼結体を試験例1と同様に断面をとり、SEMによって組織観察を行った。その結果を表5に示す。
【００８２】
【表４】
0005534567.tif 000005
【００８３】
【表５】
0005534567.tif 000006
【００８４】
表5に示すように、同じ組成の原料粉末であっても、大きな粉末とすると共に、混合時間を短めにすることで、硬質相が大きい焼結体(例えば、Ti化合物相の平均粒径が1μm以上、WCの平均粒径が2μm以上の焼結体)が得られることが分かる。また、硬質相の平均粒径が大きな焼結体は、熱伝導率が高いことが分かる。更に、WCの平均粒径が焼結体の熱伝導率に大きく影響していることが分かる。大きな粉末を原料に用意しても、混合時間が長いと、焼結体中の硬質相が微細になり、熱伝導率が低下することが分かる。従って、Tiを含有する化合物からなる相を硬質相とする硬質材料であって、熱伝導率が高いものを製造するには、原料にTiN粉末を多めに用いると共に比較的大きな粉末とし、混合時間を短くすることが好ましいといえる。
【００８５】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能である。例えば、工具形状、組成などを適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の硬質材料は、切削工具の素材に好適に利用できる。本発明の切削工具は、特に、刃先が高温となるような条件(例えば、高速切削など)や冷熱サイクルが行われる条件での切削加工に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
1,100  硬質材料  10,110  コアリム構造の粒子
12  Ti化合物相  13  Ti複合化合物相
20  単体Ti化合物相  30  単体Ti複合化合物相
【図１】
0005534567.tif 000007