(57)【要約】【課題】切削工具の原料粉末等に使用される、所定の炭素及び窒素含有割合からなる炭窒化チタン粉末を簡易な方法で製造する。【解決手段】  組成式：ＴｉＮＸ（但し、Ｘは原子比で、０．４≦Ｘ≦０．８）を満足する窒化チタン粉末と、炭素粉末とを混合し、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、真空雰囲気のいずれかの雰囲気中で、１５００〜２１００℃の温度範囲で高温熱処理することにより、所定の炭素及び窒素含有割合からなる炭窒化チタン粉末を得る。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化チタンを、
組成式：ＴｉＮＸ
で表した場合に、０．４≦Ｘ≦０．８（但し、Ｘは原子比を示す）を満足する窒化チタン粉末と、炭素粉末とを混合し、該混合粉末を窒素雰囲気、アルゴン雰囲気あるいは真空雰囲気のいずれかの雰囲気中において、１５００〜２１００℃の温度範囲で高温熱処理することを特徴とする炭窒化チタン粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、切削工具等に利用されるサーメットや超硬合金、あるいは、セラミックス等の素原料として用いられる所定の炭素及び窒素含有割合からなる炭窒化チタン粉末を、簡易かつ効率的に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、サーメットや超硬合金、あるいは、セラミックス等の原料粉末として用いられる炭窒化チタン粉末の製造法としては、窒化チタン粉末と炭化チタン粉末との混合粉末を固溶化熱処理して得る方法が知られているが、この製造法では、炭素および窒素の拡散を十分行わせるためには長時間を有するため、効率的な反応が行われず、また、水素化チタン粉末と炭素粉末を原料粉末とし、この混合粉末を、窒素気流中あるいは水素−窒素混合気流中で、１４００℃以下で熱処理し、さらに、１４００〜１７００℃での熱処理（二段階での熱処理）を行うことによって、炭窒化チタン粉末を得る方法も知られているが、この製造法においても、熱処理時に窒素ガスを多く吸収した領域とそうでない領域のアンバランスが生じるため、炭素含有量および窒素含有量の変動が大きく、所望均一組成の炭窒化チタン粉末を得ることは非常に困難であり、これを解消するには、長時間かけた緩やかな窒化処理を行わざるを得なかった。
【特許文献１】特許第３８６９６８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、切削工具等に利用されるサーメットや超硬合金、あるいは、セラミックスの素原料等として用いられる炭窒化チタン粉末の製造方法として、所望組成の炭窒化チタン粉末を簡易かつ効率的に製造する方法を提供することを目的とし、さらに、本発明の製造方法により得たこの炭窒化チタン粉末を原料粉末として用いることによって、サーメット、超硬合金、セラミックス等の焼結体の機械的性質を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者らは、前記課題を解決すべく、炭窒化チタン粉末を製造する際の原料粉末及びその製造工程について、鋭意研究を行なったところ、
（ａ）炭窒化チタン粉末製造用の原料粉末として、窒化チタン（但し、組成式：ＴｉＮＸで表した場合、０．４≦Ｘ≦０．８（Ｘは原子比）を満足する）粉末と炭素粉末とを混合し、この混合粉末を、高温熱処理し、炭素と窒素を充分拡散させることによって、チタン粉末、酸化チタン粉末あるいは水素化チタン粉末等を原料粉末として用いた前記従来炭窒化チタン粉末の製造法に比して、簡易かつ効率的に所望組成の炭窒化チタン粉末を製造し得ること。
【０００５】
（ｂ）上記高温熱処理は、具体的には、組成式：ＴｉＮＸ（但し、Ｘは原子比で、０．４≦Ｘ≦０．８）を満足する窒化チタン粉末と、炭素粉末との混合粉末を、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気あるいは真空雰囲気のいずれかの雰囲気中において、１５００〜２１００℃の温度範囲で高温加熱することにより行われ、そして、この高温熱処理によって、窒化チタン粉末粒子中での炭素および窒素の十分な拡散を行わせ、前記原料粉末のＴｉＮＸのＸの値を調整することにより、また、熱処理雰囲気を選択することにより、所望組成の炭窒化チタン粉末を製造し得ること。
【０００６】
（ｃ）上記製造方法によって製造した本発明の炭窒化チタン粉末を原料粉末とし、これを焼結して得た焼結体は、炭窒化チタン粉末の組成の乱れが極めて小さいため、焼結体としても均質な安定した機械特性を示すこと。
以上、（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、
「窒化チタンを、
組成式：ＴｉＮＸ
で表した場合に、０．４≦Ｘ≦０．８（但し、Ｘは原子比を示す）を満足する窒化チタン粉末と、炭素粉末とを混合し、該混合粉末を窒素雰囲気、アルゴン雰囲気あるいは真空雰囲気のいずれかの雰囲気中において、１５００〜２１００℃の温度範囲で高温熱処理することを特徴とする炭窒化チタン粉末の製造方法。」
に特徴を有するものである。
【０００８】
以下に、本発明の製造方法について、より具体的かつ詳細に説明する。
【０００９】
一般的に、窒化チタン粉末は、金属チタン粉末あるいは水素化チタン粉末を窒素雰囲気下で熱合成することにより得ているが、その際の反応熱が大きいために、処理温度の厳密な制御が必要とされるほか、粉末の粒度、粉体の層厚および雰囲気の窒素分圧等を細かく制御しなければならず、これらの反応条件の調整が不十分であると、粉末の溶融化が生じたり、窒化反応が阻害される恐れがあった。そのため、窒素が充分に固溶した窒化チタン（例えば、組成式ＴｉＮＸにおいて、Ｘ＝１である窒化チタン）粉末を得るには、２段階以上の窒化処理あるいは長時間をかけた緩やかな窒化処理が必要とされていた。
【００１０】
しかし、本発明では、炭素粉末と混合する窒化チタン粉末を、
組成式：ＴｉＮＸ
で表した場合、Ｘ＝１であるような窒化チタン粉末（高級）を必要とせず、むしろ、Ｘ値が０．４以上０．８以下である低級窒化チタン粉末を用いることが必要であることを知見した。
その理由は次のとおりである。
【００１１】
つまり、Ｘの値が０．４〜０．８である窒化チタン粉末に、炭素粉末を混合し、この混合粉を高温熱処理すると、この温度範囲では、窒化チタンに比して、炭窒化チタンの方がより安定な化合物形態であることから、例えば、Ｘの値が０．６〜０．８である比較的大きなＸ値の窒化チタン粉末を用いた場合には、固相拡散で炭素が窒化チタン中へ拡散・固溶し、一方、窒化チタン中の余剰となった窒素は雰囲気中へと離脱し、その結果、目標組成の炭窒化チタン（例えば、炭窒化チタンの組成式をＴｉＣＹＮＺで表した場合、０．３≦Ｙ≦０．７、０．３≦Ｚ≦０．７、Ｙ＋Ｚ＝１、但し、Ｙ、Ｚはそれぞれ原子比）粉末を簡易にかつ安定的に製造することができる。
【００１２】
また、例えば、Ｘの値が０．４〜０．５である比較的小さなＸ値の窒化チタン粉末を用いた場合には、高温熱処理により固相拡散で炭素が窒化チタン中へ拡散・固溶するが、高温熱処理の雰囲気を窒素ガス雰囲気とすれば、雰囲気中から窒化チタン粉末への窒素の拡散も生じ、前記同様、目標組成の炭窒化チタン粉末を安定的に製造することができる。
【００１３】
ただ、組成式：ＴｉＮＸで示される原料粉末の窒化チタン粉末おいて、Ｘ値が０．８を超えると、既に述べたとおり、いわゆる高級窒化チタン粉末の場合と同様に、Ｘ値が大きい窒化チタン粉末を得る工程が非常に煩雑・困難であること、また、製造する炭窒化チタン粉末の目標組成にもよるが、窒素含有割合の低い炭窒化チタン（Ｚ値が小）粉末を得ようとする場合には、高温熱処理時に脱窒を行うことが必要となり、脱窒するには長時間の熱処理を行わざるを得ず効率的でないこと、逆に、Ｘ値が０．８以下であった場合には、Ｘ値が高い場合に比して、炭素の固相拡散がむしろ促進され、雰囲気の選択等によって効率的かつ自在に目標組成の炭窒化チタン粉末を得ることができ、低級窒化チタンであっても、原料粉末としての使用に全く問題がないことから、Ｘ値を０．８以下とした。
一方、原料粉末である窒化チタン粉末おいて、Ｘ値が０．４未満であると、製造する炭窒化チタン粉末の目標組成にもよるが、窒素含有割合の高い炭窒化チタン（Ｚ値が大）粉末を得ようとする場合には、炭素粉末からの炭素の固相拡散と同時に、雰囲気ガス中から浸窒・拡散を行わざるを得ず長時間を要し、効率的でなくなることから、Ｘ値を０．４以上とした。
したがって、本発明では、原料粉末の窒化チタン粉末を、組成式：ＴｉＮＸで表した場合に、Ｘの値（但し、原子比）を、０．４〜０．８としなければならない。
【００１４】
本発明では、原料粉末としての窒化チタン粉末の平均粒径、炭素粉末の平均粒径を特に定めてはいないが、高温熱処理時に粉末相互の固相拡散を行わせること、また、炭窒化チタンの目標組成に応じて、脱窒・浸窒反応を行う必要も生じることから、粉末の表面積を大きくして反応の促進を図るために、窒化チタン粉末の粒径は２００μｍ以下、また、炭素粉末の粒径は１５０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１５】
本発明では、窒化チタン粉末と炭素粉末との混合粉末を、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気あるいは真空雰囲気のいずれかの雰囲気中で高温熱処理を行うとしているが、いずれの雰囲気中で高温熱処理を行うかは、炭窒化チタンの目標組成に応じて選択すればよい。
【００１６】
即ち、窒化チタン粉末中の窒素含有割合が少なく（Ｘ値が小）、一方、目的とする炭窒化チタン粉末の目標窒素含有量が高い（Ｚ値が大）場合には、窒素雰囲気下で高温熱処理をし、浸窒を行えばよく、また、高温熱処理時に特に窒素の濃度変化が起きないようにするためには、アルゴン雰囲気下で高温熱処理を行えばよく、さらに、窒化チタン粉末中の窒素含有割合が多く（Ｘ値が大）、一方、目的とする炭窒化チタン粉末の目標窒素含有量が少ない（Ｚ値が小）場合には、真空雰囲気下で高温熱処理をし、窒化チタン粉末からの脱窒を促進すればよい。
なお、窒化チタン粉末のＸ値、熱処理雰囲気の選択ばかりでなく、窒化チタン粉末と炭素粉末の配合割合、高温熱処理の保持温度、保持時間によっても、製造される炭窒化チタン粉末の炭素濃度（Ｙ値）、窒素濃度（Ｚ値）は当然変化することから、目標組成（Ｙ値、Ｚ値）の炭窒化チタン粉末を製造するためには、前記諸条件を適切に調整することが必要である。
【００１７】
また、本発明では、ＴｉＮＸ（原子比で、０．４≦Ｘ≦０．８）を満足する窒化チタン粉末と炭素粉末の混合粉末を、１５００〜２１００℃の加熱温度範囲で高温熱処理するとしたが、加熱温度が１５００℃未満では、炭素の固相拡散速度が小さく、窒化チタン粉末へ十分に炭素が拡散・固溶することができないばかりか、窒素の固相拡散速度、雰囲気との間での脱窒・浸窒速度も遅いため、短時間で目標組成の炭窒化チタン粉末を得ることができない。
一方、加熱温度が２１００℃を超えると、粒子成長や焼結現象が発生し、粉末を得るために過酷な粉砕を必要とすることから、高温熱処理を行う温度範囲を１５００〜２１００℃と定めた。
上記温度範囲で高温熱処理を行うことによって、簡易な方法で、しかも短時間で炭素及び窒素の十分な拡散が図られ、目標組成（Ｙ値、Ｚ値）の炭窒化チタン粉末を製造することができた。
そして、この炭窒化チタン粉末を原料粉末として、焼結により焼結切削工具材料を製造したところ、すぐれた機械的特性（例えば、高抗折力、高硬度）を有する均質な切削工具材料を製造することができた。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の炭窒化チタン粉末の製造方法によれば、高級窒化チタン粉末を用いることなく、低級窒化チタン粉末を用いて、簡易な工程で効率的に所望組成の炭窒化チタン粉末を製造することができ、しかも、本発明により製造した窒化チタン粉末を用いることによって、例えば、すぐれた機械的特性を備えた焼結切削工具材料を得ることができるので、工業的な価値は非常に大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を、実施例により具体的に説明する。  
【実施例】
【００２０】
表１に示す平均粒径、Ｘ値の窒化チタン（ＴｉＮＸ）粉末、および、同じく表１に示す平均粒径の炭素粉末を使用し、高温熱処理条件に応じて、所定目標組成の炭窒化チタン粉末が得られるように、同じく表１に示す窒化チタン（ＴｉＮＸ）粉末と炭素粉末との配合割合からなる混合粉末１〜１０を用意した。
なお、表１において、炭窒化チタン粉末の目標炭素含有量をＹ値、また、目標窒素含有量をＺ値として示した。
【００２１】
混合粉末１〜１０（３０ｋｇ）を電気炉内に装入し、表２に示す雰囲気下で、同じく表２に示す加熱温度、加熱時間で高温熱処理後、ボールミル粉砕し、炭窒化チタン粉末１〜１０（以下、本発明粉末１〜１０という）を夫々得た。
上記本発明粉末１〜１０について、赤外線吸収法で炭素含有割合を、また、熱伝導度法で窒素含有割合を測定し、その実測値の平均値を、平均炭素含有量（ＹＭ値）、平均窒素含有量（ＺＭ値）として表３に示す。
表３に示すＹＭ値、ＺＭ値（いずれも実測平均値）と、表１に示したＹ値、Ｚ値（いずれも目標値）との比較から明らかなように、本発明の製造方法によれば、
目標組成どおりの炭窒化チタン粉末を製造し得ることがわかる。
【００２２】
次に、原料粉末として、１．００〜１．５０μｍの平均粒径を有する上記本発明粉末１〜１０、さらに、Ｍｏ２Ｃ粉末、ＺｒＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表４に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を２ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもった炭窒化チタン基サーメットからなる本発明切削工具１〜１０を製造した。
得られた焼結切削工具材料について測定した機械的特性値（抗折力、硬度Ｈｖ）を表５に示す。
【００２３】
さらに、この本発明切削工具１〜１０を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、以下の条件で合金鋼の乾式切削加工試験を行い、試験後の切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、また、各工具についての欠損の有無をＳＥＭにより調査した。
その結果を表６に示した。
被削材：  ＳＣＭ４４０の丸棒
切削速度：  ３５０  ｍ／ｍｉｎ
切込み速度：  １．０  ｍｍ
送り：  ０．２０  ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：  ２０  ｍｉｎ
【比較例】
【００２４】
平均粒径１．０〜２．０μｍの窒化チタン（原子比で、Ｔｉ：Ｎ＝１：１の高級窒化チタン）粉末と、平均粒径  １．００〜２．００μｍの炭化チタン粉末を使用し、表１に示す目標組成の炭窒化チタン（ＴｉＣＹ’ＮＺ’（但し、原子比で、Ｙ’＋Ｚ’＝１））粉末が得られるように、窒化チタン粉末と炭化チタン粉末を配合し、表２に示す雰囲気、加熱温度、加熱時間で高温熱処理を行い、ボールミル粉砕を行った。
【００２５】
得られた炭窒化チタン粉末（以下、比較例粉末１〜３という）について、実施例１の場合と同様に、赤外線吸収法、熱伝導度法により炭素含有割合、窒素含有割合を測定し、その実測値の平均値を、平均炭素含有量（Ｙ’Ｍ値）、平均窒素含有量（Ｚ’Ｍ値）として表３に示す。
【００２６】
次に、上記比較例粉末１〜３を炭窒化チタン原料粉として用い、表４に示される各種粉末を配合し、実施例と同様にして、切刃部分にＲ：０．０３のホーニング加工を施してＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４０８のチップ形状をもった炭窒化チタン基サーメットからなる比較例切削工具１〜３を製造した。
得られた焼結切削工具材料について測定した機械的特性値（抗折力、硬度Ｈｖ）を表５に示す。
【００２７】
また、この比較例切削工具１〜３を用いて、実施例と同様な条件で切削加工試験を行った。
そして、試験後の切刃の逃げ面摩耗幅を測定し、また、各工具についての欠損の有無をＳＥＭにより調査した。
その結果を表６に示した。
【００２８】
【表１】
2008303127.tif 000002
【００２９】
【表２】
2008303127.tif 000003
【００３０】
【表３】
2008303127.tif 000004
【００３１】
【表４】
2008303127.tif 000005
【００３２】
【表５】
2008303127.tif 000006
【００３３】
【表６】
2008303127.tif 000007
【００３４】
表１、表２に示される原料粉、製造条件の比較から、本発明粉末１〜１０は、低級窒化チタン粉末を原料粉末として用い、これを炭素粉末と混合し、短時間の高温熱処理で炭窒化チタン粉末を製造することができるので、高級窒化チタン粉末を原料とする比較例粉末１〜３に比して、高級窒化チタン粉末の調製という煩雑な工程を必要としないばかりか、高温熱処理時間の短縮化を図ることもできるので、本発明によれば、炭窒化チタン粉末の製造において、製造工程の簡易化、効率化を図ることができる。
また、表５、６に示される諸特性の対比からも明らかなように、本発明により製造した炭窒化チタン粉末を焼結することにより得た焼結体（例えば、焼結切削工具材料）はすぐれた機械的特性を有し、さらに、これを切削工具として使用した場合にも耐摩耗性、耐欠損性の点ですぐれた工具特性を示し、比較例粉末１〜３から製造した焼結体（例えば、焼結切削工具材料）、切削工具と比較して、その機械的特性、切削工具特性は何ら遜色のあるものではなかった。
【００３５】
以上のとおり、本発明の製造方法は、簡易かつ効率的な工程で炭窒化チタン粉末を製造し得るものであり、さらに、本発明により得た炭窒化チタン粉末を用いて製造した焼結体、例えば、焼結切削工具材料は、すぐれた機械的特性、切削工具特性を備えるものであることから、本発明の工業的な価値は非常に大きい。