(57)【要約】【課題】  本発明は、金属の切削加工に適用するため、特にフライス作業用のＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃ、Ｎ及びＣｏを含有する焼結チタン基炭窒化物合金に関する。【解決手段】  この合金は、Ｔｉと、９〜１４ａｔ％のＣｏと、不純物レベルのＮｉ及びＦｅと、１〜＜３ａｔ％のＮｂと、３〜８ａｔ％のＷとを含み、且つ０．５０〜０．７５のＣ／（Ｎ＋Ｃ）比を有する。非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアの量は、２６〜３７ｖｏｌ％の硬質相と、Ｔｉ、Ｎｂ及びＷを含む１種以上の複炭窒化物である残部とを保持する必要がある。発明した合金は、鋼のフライス加工に特に有益である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアを含む硬質相を含むミクロ組織を有するフライス作業用のＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃ、Ｎ及びＣｏを含有するチタン基炭窒化物合金であって、
Ｔｉと、９〜１４ａｔ％のＣｏと、不純物レベルのＮｉ及びＦｅと、１〜＜３ａｔ％のＮｂと、３〜８ａｔ％のＷと、０．５０〜０．７５のＣ／（Ｎ＋Ｃ）比を有するＣとＮと、を含有し、
非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアの量が、前記硬質相の２６〜３７ｖｏｌ％であり、且つ残部が、１種以上の複炭窒化物相である、
ことを特徴とするフライス作業用のＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃ、Ｎ及びＣｏを含有するチタン基炭窒化物合金。
【請求項２】
前記合金が、１０〜１３ａｔ％のＣｏを含有することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項３】
前記合金が、１．５〜２．５ａｔ％のＮｂを含有することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項４】
前記合金が、３〜４ａｔ％のＷを含有することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項５】
非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアの量が、前記硬質相の２７〜３５ｖｏｌ％であり、且つ残部が１種以上の複炭窒化物相であることを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項６】
Ｘが０．４６〜０・７０の値であるＴｉＣＸＮ１−Ｘの硬質相の粉末にＣｏの粉末と共にＮｂＣとＷＣを混合して所望の化学組成した後、所望の形状に加圧成形してからＮ２−ＣＯ−Ａｒ雰囲気で１３７０〜１５００℃の温度範囲で１．５〜２時間焼結することによって、非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアを含む硬質相を含有するミクロ組織を有するフライス作業用のＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃ、Ｎ及びＣｏを含有する焼結チタン基炭窒化物合金を製造する方法であって、
所望の量の非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアを得るために、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）粉末量は、５０〜７０ｗｔ％の粉末混合物とし、
その粒径は、１〜３μｍであり、且つ、
非固溶Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）コアが硬質相の２６〜３７ｖｏｌ％となるように、焼結温度と焼結時間とを選択する、
ことを特徴とする焼結チタン基炭窒化物合金を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主組成物としてのＴｉと、コバルトバインダ相と、を含む焼結炭窒化物合金に関し、この合金は、金属切削加工用の工具材料、特に鋼のフライス作業に使用する場合に、特に改良された特性を備える。さらに、特に、本発明は、特別な化学組成の炭窒化物基硬質相に関し、この化学組成では、非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアの量は、最大の耐研削摩耗性に対して最適化され、一方、ＣｏとＮｂとの含有量が、所望の靭性と塑性変形に対する抵抗力とを与えることを同時に最適化する。
【背景技術】
【０００２】
すなわち、サーメットと呼ぶチタン基炭窒化物合金は、金属切削目的に広く使用される。ＷＣ−Ｃｏ基材料に比較して、サーメットは、高温の鋼に接触した場合、たとえサーメットが被覆されていなくて実質的に低い強度であるが、優れた化学的安定性を備える。これは、サーメットが仕上げ加工作業に対して最も適切であり、この仕上げ加工作業は、限定された切刃への機械的負荷と、仕上げ加工をする部材に対する高い面仕上げの要求と、によって一般的に特徴付けられる。
【０００３】
サーメットは、一般的にＣｏ及びＮｉの金属バインダ相中に埋め込まれた炭窒化物硬質相を含む。この硬質相粒は、ほとんどの場合異なる構成物を有する１種以上のリムによって取り囲まれるコアを備える複雑な組織を有する。Ｔｉに加えて、第ＶＩａ族の元素、通常はＭｏとＷとの双方が添加されて、バインダと硬質相との間の湿潤性を促進し、且つ固溶体硬化によってバインダ相を強化する。第ＩＶａ族及び／または第Ｖａ族の元素、例えばＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａが、今日入手可能な全ての市販の合金に添加される。サーメットは、粉末冶金法を用いて製造される。バインダ相を形成する粉末と、硬質相を形成する粉末とが混合されて、加圧成形され且つ焼結される。炭窒化物を形成する元素は、単一のまたは複合の炭化物、窒化物及び／または炭窒化物として添加される。
【０００４】
焼結する際に、この硬質相は、液状バインダ相中に部分的にまたは完全に溶解する。Ｗのようないくつかのものは容易に溶解しするが、Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)のような他のものはさらに安定であり、焼結時間の終わりに溶解しないで部分的に残留できる。冷却中に、溶解組成物は、非固溶硬質相粒子上に複合層としてか、または上記コア−リム組織を形成するバインダ相中に核生成として析出する。
【０００５】
最近の数年間、切削工具の適用におけるサーメットの主特性、主に、靭性、耐磨耗性、耐組成変形性を制御するために、種々の試行が成されてきた。特に、バインダ相及び／または硬質相、及び硬質相中のコア−リム組織の形成の化学について多くの仕事が成されてきた。ほとんどの場合この３つの特性の１つまたは最大で２つが、第３の特性を犠牲にして、同時に最適化することが可能となる。
【０００６】
米国特許第５，３０８，３７６号が開示するサーメットは、硬質相構成物の少なくとも８０ｖｏｌ％が、幾つかの、好ましくは少なくとも２種の、コア及び／またはリムの組成に関して異なる硬質相タイプを有するコア−リム構造粒子を含む。これらの個々の硬質相タイプの各々は、硬質相の合計含有量が体積で１０〜８０％好ましくは２０〜７０％からなる。
【０００７】
特開平６−２４８３８５号が開示するＴｉ−Ｎｂ−Ｗ−Ｃ−Ｎサーメットは、１ｖｏｌ％以上の硬質相が、これらの粒子化学組成に関わらずに、コアのない粒子を含む。
【０００８】
ヨーロッパ特許８７２５６６Ａ号が開示するサーメットは、異なるコア−リム比率の粒子が共存する。チタン基合金の組織を走査型電子顕微鏡で観察した場合、合金中に硬質相を形成する粒子が、黒色コア部と、この黒色コア部周りに位置する灰色で現れる周辺部とを有する。いくらかの粒子は、大コアと呼ばれる全粒子面積の少なくとも３０％が黒色コア部占有領域を有し、且ついくらかは、小コアと呼ばれる全粒子面積の３０％未満が黒色コア部占有領域を有する。大コアを有する粒子の量は、コアを有する粒子の総量の３０〜８０％である。
【０００９】
米国特許第６，００４，３７１号が開示するサーメットは、種々のミクロ組織構成物を有し、すなわち、金属化学組成は原材料粉末によって決定される残存物のコアと、焼結の際に形成されるタングステン豊富コアと、焼結の際に形成される中間タングステン含有物を含む外側リムと、コバルト中の少なくともチタンとタングステンとの固溶体のバインダ相とである。この靭性と耐磨耗性とは、原材料としての量を変化させ際に、ＷＣ、(Ｔｉ、Ｗ)Ｃ、及び／または(Ｔｉ、Ｗ)(Ｃ、Ｎ)を添加によって変化する。
【００１０】
米国特許第３，９９４，６９２号は、Ｃｏバインダ相中にＴｉ、Ｗ及びＮｂからなる硬質相を有するサーメット化学組成を開示する。この特許に開示されるようなこれらの合金の技術的特性は、見栄えがしない。
【００１１】
上記の開示と比較して著しい改良が、米国特許第６，３４４，１７０号に示されている。Ｔｉ−Ｔａ−Ｗ−Ｃ−Ｎ−Ｃｏ系において化学組成と焼結時間とを最適化することによって、改良された靭性と塑性変形に対する抵抗とが達成された。靭性と塑性変形に対する抵抗とを最適化するために利用する二つの因子は、ＴａとＣｏとの含有量である。純Ｃｏ基バインダの使用は、ＣｏとＮｉ間の固溶体硬化の相違のために、靭性挙動に関しては、混合したＣｏ−Ｎｉ基バインダにわたって大きな利点となる。しかしながら、他の二つの性能因子とともに、同時に耐研削摩耗性を最適化するための教示がされていない。しかるに、耐研削磨耗性は、フライス作業にはおいてほとんど具体的に必要である最適化はされていなくて、一方塑性変形に対する抵抗は、旋削加工の適用と同様に通常は重要でない。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５，３０８，３７６号
【特許文献２】特開平６−２４８３８５号
【特許文献３】ヨーロッパ特許８７２５６６Ａ号
【特許文献４】米国特許第６，００４，３７１号
【特許文献５】米国特許第３，９９４，６９２号
【特許文献６】米国特許第６，３４４，１７０号
【特許文献７】ヨーロッパ特許１０５２２９７Ａ号
【特許文献８】米国特許第５，３１４，６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は上記及びその他の課題を解決することである。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、実質的に改良された耐摩耗性を備え、靭性と塑性変形に対する抵抗を維持する一方で、当業界のサーメットの状態と同一レベルを維持するサーメット材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
実質的に改良された耐磨耗性を有する一方で、当業界のサーメットの状態と同一レベルを維持する材料を設計及び製造することが可能であることが判明した。これは、Ｔｉ−Ｎｂ−Ｗ−Ｃ−Ｎ−Ｃｏ系合金を加工することによって達成された。
【００１６】
Ｔｉ−Ｎｂ−Ｗ−Ｃ−Ｎ−Ｃｏ系において、１組の限定が、所定の適用範囲において、意図する最適特性を与えることが分かった。さらに具体的には、耐研削摩耗は、非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアの量を最適化することによって、靭性と塑性変形に対する抵抗との所定の水準に対して、最大となる。非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアの量は、Ｎｂ及びバインダ含有量のような他の因子に独立させて変化させることができる。したがって、全ての３つの主切削性能基準を同時に最適化することが可能になった。例えば、３つは、靭性、耐研削摩耗及び塑性変形に対する抵抗である。
【００１７】
図１は、走査型電子顕微鏡において、背面反射法により観察した本発明に従う合金のミクロ組織を示し、
Ａは、非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)−コアを表わし、
Ｂは、場合によってはＡ−コアを取り囲んでいる複合炭窒化物層を表わし、且つ
Ｃは、Ｃｏバインダ相を表わす。
【００１８】
一つの態様において、本発明は、フライス作業用に特に有効なチタン基炭窒化物合金を提供する。この合金は、Ｔｉ−Ｎｂ−Ｗ−Ｃ−Ｎ及びＣｏからなる。走査型電子顕微鏡による後方散乱で観察した場合、この組織は、図１に描写されるように、Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)の黒色のコアＡと、時にはＡコアを取り囲んでいる灰色の複合炭窒化物層Ｂと、ほとんど白色のＣｏバインダ相からなる。
【００１９】
本発明にしたがい、耐研削磨耗性は、非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)−コア(Ａ)の量を最適化することによって、所定のレベルの靭性と組成変形に対する抵抗力とに対して最適化することができる。大量の非固溶コアが、耐研削磨耗性に対して都合が良い。しかしながら、これらのコアの最大量は、靭性は高い水準の非固溶コアでもって減少するので、具体的な適用に対する充分な靭性の要求度により限定される。したがって、この量は、硬質相が２６〜３７ｖｏｌ％好ましくは２７〜３５ｖｏｌ％最も好ましくは２８〜３２ｖｏｌ％であり、且つ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＷを含有する１種以上の複合炭化物層である残部に維持すべきである。
【００２０】
Ｔｉ(Ｃ＋Ｎ)の化学組成は、ＴｉＣＸＮ１−Ｘのようにさらに厳密に定義することができる。これらのコアの中でこのＣ／（Ｃ＋Ｎ）の原子比率Ｘは、０．４６〜０．７０好ましくは０．５２〜０．６４最も好ましくは０．５５〜０．６１とすべきである。
【００２１】
この焼結合金において全体的なＣ／(Ｃ＋Ｎ)比率は、０．５０〜０．７５とすべきである。
【００２２】
非固溶コアの平均結晶粒径Ａは、０．１〜２μｍとすべきであり、且つ硬質相の平均結晶粒径は、０．５〜３μｍの非固溶コアを含む。
【００２３】
ＮｂとＣｏとの含有量は、想定される適用範囲に対して所望の特性を与えるために、適切に選択すべきである。
【００２４】
フライスへ作業は、生産性と信頼性とに高い要求が設定され、このことは、耐研削磨耗性と比較的高い靭性とに対する高抵抗力の必要性、さらに塑性変形に対する十分な抵抗力を備えることと置き換えられる。この組合せは、１．０〜＜３．０ａｔ％好ましくは１．５〜２．５ａｔ％のＮｂ含有量と、９〜１４ａｔ％好ましくは１０〜１３ａｔ％のＣｏ含有量とによって最もよく達成される。Ｗは、充分な湿潤性を得るために必要である。Ｗの含有量は、容認できない高多孔性レベルを回避するために、３〜８ａｔ％好ましくは４ａｔ％未満にすべきである。
【００２５】
さらに均一で大きな耐磨耗性を必要とする幾つかのフライス作業には、本発明のボディを、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＭＴＣＶＤまたは同様の技術を用いて、薄い耐磨耗性の被膜で被覆することが有利となる。ＷＣ−Ｃｏ基材料またはサーメットに今日使用される被膜及び被覆技術のいずれもが、もちろん、被膜の選択は塑性変形及び材料の靭性にも影響を及ぼすとはいえ、直接適用できるように挿入物の化学組成を決めることに注意すべきである。
【００２６】
本発明の別の態様において、焼結チタン基炭窒化物合金を製造する方法を提供する。ＴｉＣＸＮ１−Ｘの硬質構成体の粉末は、Ｘが０．４６〜０．７０好ましくは０．５２〜０．６４最も好ましくは０．５５〜０．６１であり、上記に定義されたような化学組成にＣｏ粉末とともにＮｂＣ及びＷＣが混合され、そして所望の形状のボディに加圧成形される。焼結は、Ｎ２−ＣＯ−Ａｒ雰囲気中で１３７０〜１５００℃において１．５〜２時間、好ましくはヨーロッパ特許第１０５２２９７Ａに記載された技術を用いて実施される。所望量の非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアを得るために、Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)粉末の量は５０〜７０ｗｔ％に、その粒径は１〜３μｍにすべきであり、そして焼結温度と焼結時間とは、適切に選ぶ必要がある。この明細書に従って所望のミクロ組織を得るために必要な条件を実験によって決定することは当業者の範囲内である。
【００２７】
実施例１
公称化学組成（ａｔ％）が３９．５のＴｉと、３．７のＷ、１．７のＮｂと、１０．０のＣｏとであって、０．６２のＣ／（Ｎ＋Ｃ）比（合金Ａ）の粉末混合物が、
１．４３μｍの粒径を有する６２．０ｗｔ−％のＴｉＣ０．５８Ｎ０．４２、
１．７５μｍの粒径を有する１７．９ｗｔ−％のＮｂＣ、
１．２５μｍの粒径を有する１７．９ｗｔ−％のＷＣ、及び
１５．４ｗｔ−％のＣｏ、
の湿式混合法によって準備された。
【００２８】
この粉末を、スプレー乾燥して、且つＳＥＫＮ１２０３−ＥＤＲのインサートに加圧成形した。このインサートはＨ２中で脱ワックスして、ＥＰ−Ａ−１０５２２９７にしたがって１．５時間１４８０℃のＮ２−ＣＯ−Ａｒ中で焼結し、その後、研削加工と慣用の刃処理とが続けられた。インサートの磨いた断面を標準金属学技術によって準備し、且つ走査型電子顕微鏡を用いて特長を示した。図１は、後方散乱法で観察したこの断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１に示すように、黒い粒子(Ａ)は非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアであり、そして薄い灰色領域(Ｃ)はバインダ相である。残りの灰色粒子(Ｂ)は、Ｔｉ、Ｎｂ及びＷを含む炭窒化物からなる硬質相の部分である。画像解析を用いて、非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアＡの量は、硬質相が３１．３ｖｏｌ％であることを決定した。
【００２９】
実施例２(比較例)
フライス加工等級の市販の十分に確立されたサーメットのインサート（合金Ｂ）は、米国特許第５，３１４，６５号にしたがって製造された。
【００３０】
合金Ｂの化学組成（ａｔ％）は、０．６２のＣ／（Ｎ＋Ｃ）を有する３４．２のＴｉと、４．１のＷ、２．５のＴａと、２．０のＭｏと、０．８のＮｂと、８．２のＣｏと、４．２のＮｉとである。
【００３１】
特徴づけは、実施例１に示すような同一の方法で行なった。画像解析を用いて、非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コアＡの量は、硬質相が２０．３ｖｏｌ％であることを決定した。
【００３２】
実施例３
実施例１及び２の２種のチタン基合金のインサートＳＥＫＮが、フライス作業で試験された。靭性試験は、直径８０ｍｍのＳＳ２５４１で作られたロッドで単一刃のエンドミルを用い行なった。２５０ｍｍの直径を有するこのカッタボディはこのロッドに対して中心に配置された。用いた切削因子は、切削速度が１３０ｍ／ｍｉｎで切り込み深さが２．０ｍｍであった。異なる種類当たり１０個のインサートの試験をした後の、５０％の破壊に相当する送り量は、本発明にしたがう合金Ａに対しては０．３８ｍｍ／回転であり、合金Ｂに対しては０．３５ｍｍ／回転であった。
【００３３】
実施例４
実施例１及び２の２種のチタン基合金のインサートＳＥＫＮが、フライス作業で試験された。工具寿命は、０．３ｍｍを超える基準の逃げ面摩耗Ｖｂで決定された。この試験材料は、ＳＳ１６７２鋼であり、切削条件は次のとおりであり、すなわち、幅４８ｍｍで長さ６００ｍｍの矩形状の工作物に沿う単一刃の乾式フライス加工で、切り込み深さは１．０ｍｍで、送りは０．１０ｍｍ／回転で、切削速度は４００ｍｍ／ｍｉｎであった。
【００３４】
８０ｍｍの直径を有するこのカッタボディは工作物に対して中心に配置された。各合金の３種の切刃が試験された。工具寿命は、Ｖｂ＞０．３ｍｍであった。フライス加工された長さは、ｍｍで示し、各切刃について、下の表に示す。
切刃の数                    
１            ２            ３        
合金Ａ    １３２００    １５０００    １３８００    
合金Ｂ    １２０００    １２６００    １０８００    
【００３５】
実施例３〜３の結果を要約すると、本発明にしたがう合金が比較例の合金と比較して全体に渡って改良された切削挙動が得られたことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、走査型電子顕微鏡において、後方散乱法により観察した本発明に従う合金のミクロ組織を示す。
【符号の説明】
【００３７】
Ａ…非固溶Ｔｉ(Ｃ、Ｎ)コア
Ｂ…灰色粒子、硬質相
Ｃ…薄い灰色領域、バインダ相
【図１】
2004169185.tif 000003