(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、及びこれらの複合化合物のうち少なくとも１種以上を主成分としＴｉを除く４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種以上とからなる硬質相と、鉄族金属のうち少なくとも１種からなる結合相とにより構成されるサーメット工具において、表面からの深さ２００μｍ〜１０００μｍ領域でのビッカース硬度Ｈｖの幅が７５以下であるとともに破壊靱性値が表面から深さ１０００μｍにかけてほぼ連続的に増大し、表面からの深さ１００μｍでの破壊靭性値と深さ１０００μｍでの破壊靭性値の比が１．１以上であり、さらに表面からの深さ１００μｍでのビッカース硬度Ｈｖが１４００以上であることを特徴とする切削加工用サーメット工具。
【請求項２】
Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、及びこれらの複合化合物のうち少なくとも１種以上を主成分としＴｉを除く４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種以上とからなる粉末と、鉄族金属のうち少なくとも１種からなる粉末とを混合、粉砕し、バインダーを添加し、所定圧力で成形する工程と、該工程で得られた成形体を窒素雰囲気中、前記成形体より発生するガスの雰囲気中またはこれらの混合雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で３０分〜１時間保持する工程と、該工程の温度に保持したまま雰囲気ガスを排出して真空雰囲気中で３０分〜２時間保持する工程と、を含むことを特徴とする切削加工用サーメット工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，耐熱衝撃性、耐欠損性、耐摩耗性に優れた切削加工用サーメット工具に関し、特に鋼の切削に適したサーメット工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具用サーメット工具としては，周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属からなる硬質相によって構成されるサーメット工具が一般的である。
【０００３】
かかる工具を構成するサーメットとして，TiC を主成分とするTiC 基サーメットを主流として，この系に添加物を添加したTiCN基サーメットが提案されている。
【０００４】
またこれらのサーメットの表層部を改質することにより、耐摩耗性または靭性を改善する試みが成されている。
【０００５】
このような表面を改質したサーメットとしては、特公昭６０−３４６１８号公報に開示されるようなものが知られている。この公報に開示されるサーメットでは、従来のサーメットは表層部に不均一層（表面への金属相のしみ出しと、その内部の硬質層）が存在しており、これら表層部を研削しないで、工具として用いると、表面が脆いために欠けやすくなるという欠点を有していることを知見したため、表層まで均一なサーメットを得るべく、焼成条件を改善することが開示されている。
【０００６】
また、特公昭５９−１４５３４号公報及び特公昭５９−１５９７０号公報では、表面から内部に向かい連続的に硬くなる硬度分布を有し、且つ表面硬さが内部硬さに対して５〜２０％低くなる表面硬化層を有するサーメットが開示されておりこれにより優れた靭性を有することができ、特に断続旋削やフライス切削等の重切削において優れた性能を有することが開示されている。
【０００７】
更に、特公昭５９−１７１７６号公報では、表面から内部に向かい連続的に低くなる硬度分布を有し、且つ表面硬さが内部硬さに対して５〜３０％高くなる表面硬化表層有するサーメットが開示されており、これにより優れた耐摩耗性及び耐塑性変形性をする焼結硬質合金が得られることが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特公昭６０−３４６１８号開示のサーメットでは、焼成条件を改善して表層まで均一な構造とすることができ、耐欠損性を向上することができる一方、破壊靭性が低化するという問題があった。
【０００９】
また、前記特公昭５９−１４５３４号公報及び特公昭５９−１５９７０号公報に開示されるサーメットでは、表面硬さが内部に対して５〜２０％低くなる表面軟化層の存在により靭性を向上させることができるが、耐摩耗性が劣化するという問題があった。
【００１０】
更に、前記特公昭５９−１７１７６号公報に開示されるサーメットでは、表面硬さが内部硬さに対して５〜３０％高くなる硬化層の存在により耐摩耗性を向上させることができるが、破壊靭性が低下して耐欠損性が劣化するという問題があった。
【００１１】
このように、従来のサーメットでは硬度と破壊靭性とは反比例的な物性であり、硬度を向上させれば破壊靭性が低下し、逆に破壊靭性を向上させれば硬度が低下するというようにサーメットの本質的な改良は困難であった。即ち、上記した何れの方法でも硬度と破壊靭性の両方を向上せしめ、耐摩耗性と耐欠損性とを共に改善するということはできなかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らはサーメットの焼結条件について種々検討したところ、焼成中の雰囲気を制御することにより深さ方向への破壊靭性値の変化具合を良好に制御でき、しかも、工具の硬度を低下させずに破壊靭性を向上させることを知見し本発明に至った。
【００１３】
すなわち、本発明の切削加工用サーメット工具は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、及びこれらの複合化合物のうち少なくとも１種以上を主成分としＴｉを除く４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種以上とからなる硬質相と、鉄族金属のうち少なくとも１種からなる結合相とにより構成されるサーメット工具において、表面からの深さ２００μｍ〜１０００μｍ領域でのビッカース硬度Ｈｖの幅が７５以下であるとともに破壊靱性値が表面から深さ１０００μｍにかけてほぼ連続的に増大し、表面からの深さ１００μｍでの破壊靭性値と深さ１０００μｍでの破壊靭性値の比が１．１以上であり、さらに表面からの深さ１００μｍでのビッカース硬度Ｈｖが１４００以上であることを特徴とする。
また、本発明の切削加工用サーメット工具の製造方法は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、及びこれらの複合化合物のうち少なくとも１種以上を主成分としＴｉを除く４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種以上とからなる粉末と、鉄族金属のうち少なくとも１種からなる粉末とを混合、粉砕し、バインダーを添加し、所定圧力で成形する工程と、該工程で得られた成形体を窒素雰囲気中、前記成形体より発生するガスの雰囲気中またはこれらの混合雰囲気中で１５００〜１７００℃の温度で３０分〜１時間保持する工程と、該工程の温度に保持したまま雰囲気ガスを排出して真空雰囲気中で３０分〜２時間保持する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の切削加工用サーメット工具（以下、サーメット工具と略称する）は以下のようにして得ることができる。例えば、所定量のＴｉＣＮ、ＷＣ、ＴａＮ、Ｍｏ２Ｃ、Ｎｉ、Ｃｏの粉末を混合、粉砕しバインダーを添加し所定圧力で成型する。これを１５００〜１７５０℃の温度で３０分〜１時間、窒素雰囲気または成形体より発生するガスの雰囲気中でいったん保持する。その後温度は一定に保持したまま雰囲気ガスを排出し３０分〜２時間真空雰囲気で保持することによって本発明のサーメットが得られる。
【００１６】
ここで焼成温度が１５００℃よりも低いと緻密体が得られず、１７００℃よりも高いと表面付近の焼結肌荒れ、金属成分の蒸発による破壊靭性値の低下をもたらし工具として十分な性能を得られない。
【００１７】
また雰囲気保持時間が３０分以下だと硬度が低く、また深さ２００〜１０００μｍの深部領域での硬度が一定とはならない。雰囲気保持時間が１時間以上だと破壊靭性値が深部ほど高くなる性質を得られない。また、その後の真空保持時間が３０分以下であると深部ほど破壊靭性値が高くなる性質が得られず、２時間以上だと焼結体表面が変形し逃げ面未研磨品を工具として使用する際に精度を保てない。
【００１８】
なお、これらの製造条件外のものは、概ね製造条件内のものに比べると耐摩耗性、耐欠損性ともに劣る傾向がある。
【００１９】
以上の理由から、本発明において好適なサーメット工具の焼成条件を上記のようにした。
【００２０】
また、上述のようにして得られるサーメット工具は、Tiの炭化物、窒化物、炭窒化物、及びこれらの複合化合物のうち少なくとも１種以上を主成分とし、Ｔｉを除く４ａ，５ａ，６ａ族炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種以上からなる硬質相と，鉄族金属のうち少なくとも１種からなる結合相よりなることを基本構成としたもので、その物性としては、表面より深部に行くに従い靭性がほぼ連続的に高くなり、硬度が２００〜１０００μｍ以上の深さにおいてはほぼ一定の硬度を示すことを特徴とする。
【００２１】
より詳細には、硬度Ｈｖの幅が深さ２００μｍ〜１０００μｍの領域で差が７５以下でほぼ一定であり、他方、破壊靱性値は表面から深さ１０００μｍにかけてほぼ連続的に向上することを特徴とする。この時、深さ１００μｍと１０００μｍでの破壊靱性値の比が１．１以上となることが重量である。ここで、内部に向かって靭性が連続的に向上しなければ工具としての耐欠損性が得られず、湿式切削や断続切削時に工具が欠損してしまう。一方、破壊靭性の向上に伴い硬度が低下すると、工具として十分な耐摩耗性が得られない。
【００２２】
このような構成による本実施形態のサーメット工具は、破壊靭性が表面から深部にかけて連続的に向上するので耐欠損性に優れるとともに、硬度が深部でも表面部位でもほとんど変わらないので、耐摩耗性にも優れる。すなわち、硬度と破壊靭性の両方を向上せしめ、これにより、耐摩耗性と耐欠損性の両方共に改善した画期的なサーメット工具である。
【００２３】
なお、表面からの深さ１００μｍでの硬度Ｈｖが１４００以下の場合、或いは、破壊靱性値が７．５以下である場合には、前記硬度と破壊靱性の数値範囲にあっても、十分な性能を発揮できないことが判った。
【００２４】
【実施例１】
原料粉末としてＴｉＣＮ：５７ｗｔ％、ＷＣ：８ｗｔ％、ＴａＣ：７ｗｔ％、Ｍｏ２Ｃ：７ｗｔ％、ＮｂＣ：３ｗｔ％、Ｎｉ：９ｗｔ％、Ｃｏ：９ｗｔ％を混合粉砕した後１．５ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で成型を行った。
【００２５】
ついでこの成形体を表１に示す温度と時間で窒素と成型体から発生するガスの混合雰囲気で一旦保持した後、表１に示す温度と時間で、窒素と成形体から発生するガスの混合雰囲気中にて保持しさらにガスを排出し真空雰囲気にした後に表１に示す温度と時間で行い焼結体を得た。
【００２６】
【表１】
0003677374.tif 000002
【００２７】
特性の測定は焼結したサンプルを１０゜傾斜させて、すくい面の２つの角をカットしてしまうように表面を研削したサンプルを作成し、荷重２０ｋｇにてビッカース硬度と、ＩＦ法による破壊靭性値を測定した。
【００２８】
測定箇所は切欠いた面の２つの傾斜端部のうち一方と中央部位とで各１０の深さで測定した。
【００２９】
その他、切削テストは以下の条件にて行った。
【００３０】
（摩耗試験１）
被削材    Ｓ５０Ｃ
切削速度  ２５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み  ２ｍｍ
送り      ０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
状態      乾式
切削時間  ２０．５分
（摩耗試験２）
被削材    ＳＫＤ１１
切削速度  １２０ｍ／ｍｉｎ
切り込み  ２ｍｍ
送り      ０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
状態      乾式
切削時間  ４．２５分
（欠損試験）
被削材    ＳＣＭ４４０
切削速度  １００ｍ／ｍｉｎ
切り込み  ０．２〜０．６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ各送りにて４０ｍｍの長さを切削
状態      乾式
切削時間  各送りにて４０ｍｍ切削後欠損無ければ送りを０．５／ｔｏｏｔｈ上げる
これらの試験結果、および、焼結状態、表面状態の観察結果を特性測定の結果を表１に示す。
【００３１】
なお、表１において硬度分布の欄で「一定」とあるのは、深さ２００μｍ〜１０００μｍの領域での硬度Ｈｖの幅が７５以下とほぼ一定であることを意味する。また破壊靱性の欄で「内部高」とあるのは、破壊靱性値が深さ１００μｍと１０００μｍでの破壊靱性値の比が１．１以上となるように表面から深さ１０００μｍにかけてほぼ連続的に向上していることを意味する。
【００３２】
以下、本実施例の試験結果を説明する。
【００３３】
表１に示すように試料Ｎｏ．１は、硬度分布が「一定」で、破壊靱性が「内部高」であった。しかしながら、表面から１００μｍの深さでの硬度Ｈｖが１４００未満であったため、摩耗幅がいずれも０．２ｍｍ以上であり耐摩耗性に問題があり、また、欠損した送りも０．３と小さかった。これは、焼成温度が１４００°と低くそのため多孔状に焼結してしまったためと考えられる。
【００３４】
また、試料Ｎｏ．７は、雰囲気保持時間が０．２５時間と短すぎ、その結果、深部ほど硬度が低くなってしまっており、摩耗幅も０．２ｍｍ以上で、欠損した送りも０．３と小さかった。他方、試料Ｎｏ．８は、雰囲気保持時間が２．０時間と長すぎて破壊靱性が表面部と深部とでほぼ同一レベルとなってしまった。その結果、摩耗幅は０．２ｍｍ以上で、欠損した送りもさらに小さかった。
【００３５】
さらに、試料Ｎｏ．９は真空保持時間が０．２５時間と短すぎて破壊靱性が表面部と深部とでほぼ同一レベルとなってしまった。その結果、摩耗幅は比較的小さかったが、欠損した送りが０．２５とかなり小さかった。他方、試料Ｎｏ．１０は硬度分布、破壊靱性の勾配ともに良好であるとともに表面からの深さ１００μｍでの硬度Ｈｖが１４００以上で、且つ、破壊靱性値も７．５以上と大きかった。しかしながら、真空保持時間が３時間と長すぎたため、表面の変形がおこってしまい、その結果、表面研摩なしの場合、摩耗幅は０．２ｍｍ以上で、欠損した送りも比較的小さかった。なお、この試料Ｎｏ．１０は、表面研摩をすれば加工工数が上がるが表面良好な切削性能となるので、本発明の範囲のものとする。
【００３６】
また、試料Ｎｏ．１１は、試料Ｎｏ．１０は硬度分布、破壊靱性の勾配ともに良好であったが、焼成温度が高すぎるため表面から１００μｍでの破壊靱性値が７．５未満と低く、その結果、欠損した送りが０．２ｍｍと非常に小さく、さらに、摩耗幅も大きかった。
【００３７】
これらに対して、試料Ｎｏ．２〜６はいずれも前記焼成条件の範囲内で作製したもので、硬度分布、破壊靱性の勾配ともに良好であるとともに表面からの深さ１００μｍでの硬度Ｈｖが１４００以上で、且つ、破壊靱性値も７．５以上と大きかった。さらに、緻密状に焼結され、表面状態も良好であり、これらの結果、Ｓ５０Ｃでの摩耗幅が０．１５ｍｍ未満、ＳＫＤ１１での摩耗幅が０．２０未満と小さく、他方、欠損した送りが０．５ｍｍ以上と大きかった。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明のサーメット工具は物性が表面より深部にいくに従い, 靭性がほぼ連続的に高くなり、硬度が２００〜１０００μｍ以上の深さにおいてはほぼ一定の硬度を示すことを特徴とするもので、しかも、靱性、硬度とともに高いものであることから、切削加工における耐摩耗性、耐欠損性の両方が向上する。
【００３９】
これにより、加工仕上がりが良い高性能、且つ、高寿命で経済的な切削工具とすることができるという極めて優れた効果を奏するものである。