(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉの炭化物、窒化物を主成分とし、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物を１種又は２種以上含有してなる硬質相と、Ｆｅ族金属で結合してなる結合相とからなるＴｉＣＮ基サーメット工具において、該ＴｉＣＮ基サーメット工具は少なくとも、Ｗ、Ｃｏ及びＮｉとを含む複合炭化物、複合炭窒化物の１種を含有するとともに、該複合炭化物、複合炭窒化物を、焼結後の５０００倍のミクロ組織観察で０．１〜１０面積％含有させたことを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の鋼や鋳鉄などの切削に用いられるＴｉＣＮ基サーメット工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工具に用いる、ＴｉＣＮ等を基とするサーメット合金の組織において、金属元素として周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属とＦｅ族金属とを含む複合炭化物、複合炭窒化物等の相（Ｍ６ＣＮ相、Ｍ７ＣＮ相等多様な化合物が存在するため、以下、単にη相と称する。）が現れることは嫌われていた。何故ならばη相は偏析しやすく破壊起点となりやすいからである。しかしながら、近年の製造技術の進歩により微細なη相を均一に分散させることが可能となったため、η相を新たなる硬質相として積極的に利用する動きが見られる。その例として特開２０００−１３５６０６号、特開２０００−２３７９０３号の公報に記載されたサーメットがある。これらはＷ、Ｃｏ、Ｃからなるη相を用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明ではη相を積極的に利用しながら、さらにη相そのものを改質することによって、サーメット全体としての靭性を改善し、工具として用いたときに良好な耐欠損性、ひいては良好な耐摩耗性を実現するサーメット工具を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｔｉの炭化物、窒化物を主成分とし、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物を１種又は２種以上含有してなる硬質相と、Ｆｅ族金属で結合してなる結合相とからなるＴｉＣＮ基サーメット工具において、該ＴｉＣＮ基サーメット工具は少なくとも、Ｗ、Ｃｏ及びＮｉとを含む複合炭化物、複合炭窒化物の１種を含有するとともに、該複合炭化物、複合炭窒化物を、焼結後の５０００倍のミクロ組織観察で０．１〜１０面積％含有させたことを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット工具である。
【０００５】
ここにＷとＣｏとＮｉを含む複合炭化物、複合炭窒化物とは所謂η相の一種であると考えられるが、従来技術で用いられたη相と異なり、これにＮｉを含有させたことにより上記課題が解決される。即ち、従来技術に記載したサーメット工具と較べ靭性が格段に向上し、良好な耐欠損性を得ることが出来、また、靭性を従来技術に記載した工具と同程度に設定するならば、より高硬度の工具となり、耐摩耗性が飛躍的に向上する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、具体的には、焼結後のミクロ組織において、硬質相は以下の相を有する。
（１）Ｔｉの炭化物、窒化物を主成分とし、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物が固溶し、芯部と周辺部で構成された有芯構造の相（以下、第一硬質相と称する。）。
第一硬質相は焼結後のミクロ組織観察で６０〜９０面積％含有する。
（２）Ｔｉの炭化物、窒化物を主成分とし、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物が固溶し、Ｗに富みＴｉ又はＴｉ、Ｍを含む窒素に乏しい炭窒化物からなる芯部とＴｉとＷとＭを主体とする窒素に富む炭窒化物からなる周辺部で構成された有芯構造の相（以下、第二硬質相と称する。）。
第二硬質相は焼結後のミクロ組織観察で５〜２０面積％含有する。
（３）Ｔｉの炭化物、窒化物を主成分とし、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物とＦｅ族金属との複合炭化物、複合炭窒化物、例として、（Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ）炭化物からなる相（以下、第三硬質相と称する。）。
第三硬質相は焼結後のミクロ組織観察で０．１〜１０面積％含有する。
【０００７】
これらは以下の理由による。先ず、第三硬質相の量は、結合金属、特にＮｉを含有させることにより、η相と分散させても、その強度を高めることが出来、その量が０．１面積％未満では耐摩耗性の向上が図れず、また、分散させる上限を１０面積％程度まで挙げることが出来た。更に、１０面積％を超えると、さすがにη相が偏析しやすくなり、靭性が急激に低下し、切刃に欠けやチッピング（微小欠け）が発生し易くなるからである。
【０００８】
第一硬質相の量が６０面積％未満では、硬さの高い第一硬質相の量が不足するため、耐摩耗性が急激に低下するようになり、一方その割合が９０面積％を越えると、靭性が低下するようになるという理由によるものである。また、第二硬質相の量の量は、第一硬質相に比べ硬さが相対的に低い第二硬質相の量が５面積％未満では靭性が不足するためであり、また、その量が２０面積％を超えると、耐摩耗性が急速に劣化するためである。
【０００９】
尚、第三硬質相は次のように分析して確認する。まず、本発明のサーメットを薄膜化し、透過型電子顕微鏡により当該硬質相をＥＤＸによって分析する。表１に後述の実施例の試料番号ａのサーメットについて第三硬質相及び結合相の金属成分を電解放射型透過電子顕微鏡を用いてＥＤＸ分析した結果を示す。尚、単位は重量％である。分析箇所を図１、２に示し、図１は、分析個所の明視野像、図２は、暗視野像であり、図１は原子番号によるコントラストが明確になるため、重元素ほど白く、軽元素ほど黒く観察されるため、Ｗが主であるη相は白く、結合相はやや黒っぽく、第一硬質相の芯部はもっとも黒く観察され、各硬質相、結合相の差異が明確に現れる。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表１より、第三硬質相は、硬質相を形成する元素としてはＷが多く、若干のＴｉ、Ｔａが固溶し、結合金属としてはＣｏ、Ｎｉが存在し、その比は合金全体の組成と略同じであった。
【００１２】
本発明の更なる実施形態は、第一硬質相における芯部のうち、断面ミクロ組織上０．０２μｍ２以上の面積を有するもの数が１０００μｍ２当たり１０００個以下とすると靭性がさらに向上する。この理由は、Ｔｉに富む粒子の数と破壊靭性値の目安としてしばしば使用されるクラック抵抗（ビッカース硬さ計で圧痕をつけたときに、その荷重を４隅に生じるクラックの長さの合計で除した値（ｋｇｆ/ｍｍ））とが極めて強い相関を持ち、クラック進展経路の観察より、比較的粒子が細かいほどクラックが進展しやすく、Ｔｉに富む粒子は有芯構造を形成しているものにおいてはその芯部、周辺部が観察されないものにおいてはそのものが微細であるためである。すなわち、いずれの場合もＴｉに富む粒子が小さく、したがって同じ組成で考えるとその数が多いほどクラックが容易に進展するからである。Ｔｉに富む粒子はＴｉが軽元素であるため走査型電子顕微鏡像としては黒色粒子として観察されるもので、この像を適当な画像解析ソフトにて数値化することにより計測することが出来る。さらに好ましくはＴｉに富む粒子のうち０．０２μｍ２以上の面積を有するもの数が１０００μｍ２当たり８００個以下である。本発明のサーメット工具を実施例により具体的に説明する。尚、実施例は本発明を具体例により例示するものであり、本発明は実施例により限定されるものではない。
【００１３】
【実施例】
（実施例１）
原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有する、ＴｉＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０（重量比））粉末、（Ｔｉ、Ｔａ）ＣＮ（ＴｉＣ／ＴｉＮ／ＴａＣ＝４０／３０／３０（重量比））、ＴｉＮ粉末、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＺｒＣ粉末、Ｗ粉末、Ｃｏ粉末、及びＮｉ粉末を用い、表１ａ〜ｄに示される配合組成（重量％）に配合し、アトライターで８時間湿式混合した。これを乾燥した後、１５０ＭＰａでプレス成形し、成形体を脱脂の後、０．１〜１Ｔｏｒｒの所定の窒素圧力下で１４００〜１５５０℃の所定の温度で１時間保持し焼結し炉冷することにより、ＩＳＯ形番ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ形状の切削チップを作製した。また、比較例として表１、ｅ〜ｈに示す配合組成の従来例を上記と同様の方法にて作製した。
【００１４】
【表２】
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【００１５】
焼結後の総炭素量（重量％）をＴＣとして表２に併記する。これら各試料を、上記同様に各硬質相の濃淡により、適当な画像解析ソフトにて数値化することにより、各硬質相及び結合相を計測し、その面積率も表３に示す。
【００１６】
【表３】
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【００１７】
上記本発明例、従来例のサーメット工具を用いて、
被削材：ＪＩＳ、ＳＫＤ１１、焼き鈍し状態、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２ｍｍ／刃、
切り込み：１．０ｍｍ、
の条件で熱間ダイス鋼の正面フライス切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗量を評価した。これらの結果を併せて表３に併記する。
【００１８】
表３より本発明例は、熱間ダイス鋼の切削において、逃げ面摩耗量は、１０分切削後で同じ結合相量の本発明例試料番号ｂと従来例、試料番号ｈとの比較で、試料番号ｂが０．２３ｍｍであり、試料番号ｈの０．３９より２／３程度の摩耗量であり、更に、２０分切削をしても本発明例４試料とも切削できているのに対し、従来例では欠けにより、寿命となっている。
【００１９】
（実施例２）
実施例１の試料番号ａ〜ｄ及びこれらと同一組成で焼結条件を変更した試料番号ｉ〜ｌにより、ＩＳＯ形番ＳＥＥＮ１２０３ＡＦＴＮ形状の切削チップを実施例１と同様の方法にて作製した。また、実施例１の従来例、試料番号ｅ〜ｈも準備した。次に、これらの組織写真から（走査型電子顕微鏡、５０００倍）市販の画像解析ソフトを用いて、第一硬質相中のＴｉに富む粒子のうち０．０２μｍ２以上の面積を有するもの数を１０００μｍ２当たりの個数として求めた。表４に組織観察による各相の面積率、Ｔｉに富む粒子の単位面積当たりの個数を示す。
【００２０】
【表４】
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【００２１】
表４より、本発明例の工具では、第三硬質相が２〜５面積％分散しており、且つ、第一硬質相中のＴｉに富む粒子の数が、７３０〜１３３０と分際している。続いて、上記本発明例、従来例のサーメット工具を用いて、
被削材：プラスチック用金型鋼焼き入れ状態（ＨＲＣ４０）、
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２ｍｍ／刃、
切り込み：２．０ｍｍ、
の条件でプラスチック金型鋼の正面フライス切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗量を評価した。これらの結果を併せて表４に示す。
【００２２】
表４より本発明例、試料番号ａ〜ｄは、正面フライスによる繰り返しの食い付きの衝撃により１５分迄は、正常な摩耗を示したが、３０分後までは保たずに欠損した。また、同試料番号ｉ〜ｌの各試料は、第三硬質相を多くした試料であり、摩耗量も更に少なく、また、欠損もなく良好な状態を示した。次に、従来例の試料番号ｅ〜ｈは、摩耗量も大きく、特に、１５分保たずに試料番号ｅは欠損した。
【００２３】
【発明の効果】
上述のように、上述のように、本発明のＴｉ基サーメット工具は、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性を示すものであり、切削加工の高能率化、低コスト化に大いに寄与し工業上極めて有意義である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の分析箇所を示す電子顕微鏡写真（明視野像）である。
【図２】本発明の実施例の分析箇所を示す電子顕微鏡写真（暗視野像）である。
【符号の説明】
１  結合相分析箇所
２  第三硬質相分析箇所
【図１】
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【図２】
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