(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉを主成分とした（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ）ＣＮから選ばれた少なくとも１種以上の主硬質相とＷＣ硬質相とＮｉ及び／もしくはＣｏ並びに不可避不純物を含む結合相とからなるＷＣを１０ｗｔ％以上含んだ原料粉末で形成されたサーメットにおいて、
最表面はＷＣが３体積％以下、結合相が３体積％以下、残部がＮａＣｌ型硬質相であり、
表面から１μｍ以上、１００μｍ以内の範囲に結合相が内部方向に１μｍ当たり０．０５体積％以上の最高濃度勾配を示して増加する領域が存在し、この結合相の増加開始点よりも表面側の結合相量が５体積％以下であり、
さらに、表面から５０μｍ以内のＷＣ量が５体積％以下であり、ＷＣ粒子が表面から内部に向けて漸次増加を示し、かつ５００μｍ以内で合金平均ＷＣ体積％になり、
表面から深さ１μｍ以上の位置から前記結合相が最高濃度勾配を示して増加する位置までの領域に最表面との比で１．０１倍以上かつ４０ｋｇ／ｍｍ2 以上の圧縮残留応力を有していることを特徴とするサーメット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、耐熱衝撃性、耐摩耗性および靱性に優れ、特に切削工具に適用した場合に極めて優れた性能を発揮する窒素含有焼結硬質合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｔｉを主成分とする窒素含有焼結硬質合金（以下サーメットと称する）は、ＷＣを主成分とする窒素含有焼結硬質合金（以下超硬合金と称する）と並んで切削工具としてすでに実用化されている。
【０００３】
しかしながら、サーメットは、湿式旋削や切り込み変動の激しい旋削（倣い旋削）、或いはフライス切削において、欠損という点で超硬合金より信頼性に乏しい合金であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、種々の切削における現象を詳細に分析した結果、以下の知見を得た。
【０００５】
切削中の切削工具は、被削材と接している部分や切り屑が当たるすくい面で部分的に高温環境にさらされる。これらの部分は切削油により冷却、もしくは空冷されるが、この方法では表面近傍部のみが冷却され、表面近傍部直下は、高温状態を維持したままなので熱膨張の差から、表面近傍部には引っ張り応力が作用する。この応力により工具の表面に亀裂が導入され、著しい強度劣化を招くのである。
【０００６】
サーメットと超硬合金を比較すると、サーメットの熱伝導度は超硬合金の約半分であり、しかも熱膨張率に関しては、超硬合金の１．３倍である。いずれの特性においても耐熱衝撃性では超硬合金に対し不利なものである。これらの特性が、サーメットの欠損に対する信頼性低下の原因である。しかし、仕上げ面の美しさと資源的な有利さを持つＴｉを含有した窒素含有焼結硬質合金については熱伝導度の向上と熱膨張率の低減が従来から研究されていたが、おのずと限界があり、耐欠損性に優れるものは実現できていない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、Ｔｉを主成分とした（Ｔｉ，Ｗ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｎｂ，Ｔａ）ＣＮから選ばれた少なくとも１種以上の主硬質相とＷＣ硬質相とＮｉ及び／もしくはＣｏ並びに不可避不純物を含む結合相とからなるＷＣを１０ｗｔ％以上含んだ原料粉末で形成されたサーメットにおいて、
最表面はＷＣが３体積％以下、結合相が３体積％以下、残部がＮａＣｌ型硬質相であり、
表面から１μｍ以上、１００μｍ以内の範囲に結合相が内部方向に１μｍ当たり０．０５体積％以上の最高濃度勾配を示して増加する領域が存在し、この結合相の増加開始点よりも表面側の結合相量が５体積％以下であり、
さらに、表面から５０μｍ以内のＷＣ量が５体積％以下であり、ＷＣ粒子が表面から内部に向けて漸次増加を示し、かつ５００μｍ以内で合金平均ＷＣ体積％になり、
表面から深さ１μｍ以上の位置から前記結合相が最高濃度勾配を示して増加する位置までの領域に最表面との比で１．０１倍以上かつ４０ｋｇ／ｍｍ2 以上の圧縮残留応力を有していることを特徴とするサーメットを提供する。
発明者らは、耐衝撃性に優れ、耐摩耗性、靱性をも向上させる手段を種々検討研究した結果、サーメットの表面近傍部に圧縮残留応力を付与する方法が、最も有効であるとの知見を得た。熱環境の変化に伴い、サーメットの表面近傍部には、前述の通り引っ張り応力が働き、サーメットそのものの耐力を上回った場合、亀裂（熱亀裂）が生じ、サーメットの強度が低下して最終的に欠損へと至る。これは、サーメットの耐力を向上させることが耐熱衝撃性向上につながることを意味する。
【０００８】
この耐力向上策として、発明者等はサーメットの表面部に圧縮残留応力を付与することが最も効果的であるという結論に達した。以下に圧縮残留応力を付与するための構造およびメカニズムについて詳細に述べるが、本発明のサーメットはその圧縮残留応力の付与により耐熱衝撃性が向上するのは勿論、従来サーメットと比較して耐摩耗性と靱性を格段に向上させることも可能となった。
【０００９】
本発明のサーメットは、真空下で昇温し、焼結中（１４００℃〜１５５０℃）の雰囲気を浸炭雰囲気、もしくは加窒雰囲気とし、表面近傍部にＴｉ成分を多く含有する硬質相とゼロ乃至は若干の結合相とを含む構造とし、脱炭雰囲気にて冷却することで表面近傍直下から漸次結合相の占める体積率を増加させている構造に特徴がある。冷却速度を従来冷却速度の０．０５〜０．８倍にすることにより、表面近傍直下から結合相が漸次、急激に内部方向へ増加し、これにより、所望の圧縮残留応力を表面近傍部に付与することが可能となる。
【００１０】
上記構造は、表面近傍部分がＴｉを主成分とする硬質相（もしくは硬質相と若干の金属相）のみで構成されることから、従来サーメットに比して優れた耐摩耗性を発揮し、しかも表面近傍部直下では結合相に富んでいることから靱性にも優れる。
【００１１】
また、ＷＣを１０ｗｔ％以上含む原料粉末を用い、加窒雰囲気で焼結すると、ＷＣ粒子を存在させ、かつ表面近傍から内部に向けてＷＣ体積％が合金平均ＷＣ体積％に向けて増加していくサーメットを作成しうることがわかった。表面近傍部はＴｉを主成分とする硬質相が大部分占めることから、耐摩耗性に優れ、かつ近傍直下のＷＣ粒子の存在で熱の拡散がスムーズに行われ、熱応力の発生を低減させると共に、ヤング率の向上効果でサーメット全体の靱性を強化しうるという知見も得た。なお、本サーメットは、表面に金属成分もしくは金属成分とＷＣが若干シミ出す場合があるが、その厚みは５μｍ以下なので切削性能には影響しない。
【００１２】
以下、本発明における限定条件と限定理由について述べる。
【００１３】
まず表面に圧縮残留応力を付与することは、上述の通り合金そのものの耐力の向上につながる。発明者らの研究によると表面近傍部の硬質相の圧縮残留応力値が４０ｋｇ／ｍｍ２  以上あると、耐熱衝撃性が従来サーメットより向上し、超硬合金なみの耐熱衝撃性が得られ好ましい。
【００１４】
さらに、表面から１μｍ以上、１００μｍ以内の領域に最表面より大きな圧縮残留応力を配置することにより、万が一、最表面部に欠陥が導入されても、最表面直下にある圧縮応力で亀裂の伝播が減衰し、サーメットの欠損には至らないという知見も得た。このような応力配置は、最表面から内部に向けて結合相が図１に示すような分布になった場合に可能であり、その時の応力分布は図２のようになるという知見を得た。同条件を満たす最高圧縮残留応力値が、最表面の圧縮残留応力値の１．０１倍以上になると、耐亀裂進展性に効果を発揮する。しかもその値が４０ｋｇ／ｍｍ２  以上であると、超硬合金なみの耐亀裂進展性を示す。しかし最高圧縮残留応力が表面から１００μｍ以上内部にある構造は、図１および図２から推定できるように、最表面の圧縮残留応力値が低くなり、耐熱衝撃性が低下して好ましくない上、表面近傍部に１００μｍ以上の幅で硬くて脆い層を形成することになり、靱性の低下を招く。
【００１５】
これに対し、結合相が５体積％以下である領域が表面から１μｍ以上１００μｍ以内であると、靱性の低下を招かず、しかも優れた耐摩耗性を得ることが可能である。
【００１６】
結合相が存在しないか、もしくは１体積％以下でその領域幅が１μｍ以上５０μｍ以内ならより好ましい（図３参照）。
【００１７】
発明者等は、圧縮残留応力と結合相の表面部から内部に向けての分布との相関について研究した結果、内部に向けて金属結合相の濃度勾配（単位距離当たりの増分）が大きければ大きいほど結合相増加開始点近傍での圧縮残留応力が大きくなるという知見を得た（図３参照）。
【００１８】
さらなる研究で超硬合金なみの耐熱衝撃性を得るには、内部方向に向けて結合相の最高濃度勾配（１μｍ当たりの結合相増加量）が０．０５体積％以上を示さなければならないことも判明した。さらに、結合相増加開始点より表面側に向けて金属結合相の体積％が５体積％以下であり、その構造を維持する領域幅を１μｍ以上１００μｍ以内有していれば耐摩耗性と靱性は、従来サーメットより優れる。
【００１９】
表面部分より内部に多くのＷＣ粒子を存在させることにより、表面部でＴｉ本来の耐摩耗性を維持しつつ内部で靱性を向上させることが可能となる。耐摩耗性の観点から、表面から５０μｍ以内の領域ではＷＣ量を５体積％以下にすることが望ましい。さらにＷＣ粒子の存在で、熱伝導度の向上が促され、耐熱衝撃性もＷＣ粒子の存在しないサーメットに比べて向上し、またヤング率の向上で耐欠損性が非常に優れる。
【００２０】
以下、実施例にて詳しく説明する。
【００２１】
【実施例】
原料粉末として、下記の（イ）〜（ヘ）を用意した。
（イ）平均粒径１．５μｍの（Ｔｉ０．７、Ｗ０．２、Ｎｂ０．０５、Ｔａ０．０５）（Ｃ０．７、Ｎ０．３）の粉末を８２重量％、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末１２重量％、同じ平均粒径のＣｏ粉末６重量％
（ロ）平均粒径１．５μｍの（Ｔｉ０．９、Ｗ０．０５、Ｎｂ０．０２５、Ｔａ０．０２５）（Ｃ０．７、Ｎ０．３）の粉末を４９重量％、平均粒径２μｍのＷＣ粉末を３７重量％、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末とＣｏ粉末をそれぞれ７重量％
（ハ）平均粒径１．５μｍの（Ｔｉ０．６、Ｗ０．２、Ｎｂ０．２）（Ｃ０．７、Ｎ０．３）の粉末を８２重量％、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末とＣｏ粉末をそれぞれ９重量％
（ニ）平均粒径１．５μｍの（Ｔｉ０．８、Ｗ０．１、Ｎｂ０．１）（Ｃ０．４、Ｎ０．６）の粉末を４９重量％、平均粒径２μｍのＷＣ粉末を３７重量％、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末とＣｏ粉末をそれぞれ７重量％
（ホ）平均粒径１．５μｍの（Ｔｉ０．７、Ｗ０．３）（Ｃ０．７、Ｎ０．３）の粉末を８２重量％、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末とＣｏ粉末をそれぞれ１２重量％、６重量％
（ヘ）平均粒径１．５μｍの（Ｔｉ０．７、Ｗ０．３）（Ｃ０．７、Ｎ０．３）の粉末を４９重量％、平均粒径２μｍのＷＣ粉末を３７重量％、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末とＣｏ粉末をそれぞれ７重量％
以上の各原料粉末を湿式混合の後、必要形状に型押し成形した。その後、真空下で昇温し、焼結（１４００℃〜１５５０℃）の雰囲気を浸炭雰囲気もしくは、加窒雰囲気とし、真空下で冷却することにより後述するＡ−１〜Ａ−５、Ｂ−１〜Ｂ−８、Ｃ−１〜Ｃ−６の各試料を作成した。
【００２２】
−実施例１−
試料Ａ−１〜Ａ−５の圧縮残留応力値を表１に示す。なお、圧縮残留応力は、Ｘ線残留応力測定法で行い、応力値算出にあたり、ヤング率４６０００、ポアソン比０．２３を使用した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
上記試料Ａ−１、Ａ−２、Ａ−３、Ａ−４、Ａ−５を用いて表２に示す切削条件で切削し、併記の判定方法により評価した。各試料の結果を表３に示す。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
【表３】
0003605838.tif 000004
【００２７】
−実施例２−
表４に試料Ｂ−１〜Ｂ−８の結合相の分布状態を示す。
【００２８】
【表４】
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【００２９】
上記試料Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−３、Ｂ−４、Ｂ−５、Ｂ−６、Ｂ−７、Ｂ−８を用いて表５に示す切削条件で切削し、併記の判定方法により、各試料について評価した結果を表６に示す。
【００３０】
【表５】
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【００３１】
【表６】
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【００３２】
−実施例３−
表７に試料Ｃ−１〜Ｃ−６の圧縮残留応力値および結合相の分布状態を示す。
【００３３】
【表７】
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【００３４】
上記試料Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−３、Ｃ−４、Ｃ−５、Ｃ−６を用いて表８に示す切削条件で切削し、併記の判定方法により、各試料の評価を行った結果を表９に示す。
【００３５】
【表８】
0003605838.tif 000009
【００３６】
【表９】
0003605838.tif 000010
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のサーメットは、表面近傍部に圧縮残留応力を付与して耐力を向上させたので、耐熱衝撃性に優れるだけでなく、耐摩耗性、靱性も従来サーメットに比べて格段に向上し、切削工具として利用すると、工具の性能及び信頼性が飛躍的に高まると言う効果が得られる。
【００３８】
なお、本発明のサーメットは、超硬合金なみの耐熱衝撃性が得られるので、切削工具だけでなく、耐摩耗部材などとして利用することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】結合相の分布状態の一例を示す図表
【図２】図１の結合相分布での圧縮残留応力分布を示す図表
【図３】結合相であるＣｏの分布と強度との関係を示す図表
【図１】
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【図２】
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【図３】
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