(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属からなる結合相５〜３０質量％で硬質粒子を結合してなり、前記硬質粒子の一部がＴｉＣＮを含有する芯部と周辺部とで構成される有芯構造粒子からなるＴｉＣＮ基サーメットであり、
前記有芯構造粒子は、周辺部が前記結合金属を含有する第一有芯構造粒子と、芯部および周辺部が前記結合金属を含有する第二有芯構造粒子とを含むＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項２】
前記第一有芯構造粒子は、ＴｉＣＮからなる芯部と、ＴｉとＴａ、Ｎｂ、Ｗ、ＺｒおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種との複合炭窒化物ならびに前記結合金属からなる周辺部とで構成され、
前記第二有芯構造粒子は、ＴｉＣＮおよび前記結合金属からなる芯部と、ＴｉとＴａ、Ｎｂ、Ｗ、ＺｒおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種との複合炭窒化物ならびに前記結合金属からなる周辺部とで構成されている請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項３】
前記第一有芯構造粒子の存在割合ｐ1と前記第二有芯構造粒子の存在割合ｐ2との比率ｐ1／（ｐ1＋ｐ2）が０．３〜０．７である請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項４】
前記硬質粒子の平均粒径が１．５μｍ以下である請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項５】
前記第二有芯構造粒子の芯部において、Ｔｉを９４〜９９．５質量％、Ｃｏおよび／またはＮｉを総量で０．５〜６質量％の割合で含有する請求項２記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項６】
前記第一有芯構造粒子および第二有芯構造粒子の周辺部において、Ｔｉを４０〜８０質量％、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、ＺｒおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種を総量で１５〜５９質量％、Ｃｏおよび／またはＮｉを総量で１〜５質量％の割合で含有する請求項２記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項７】
請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメットからなり、すくい面と逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具。
【請求項８】
請求項７記載の切削工具における前記切刃を切削物に当てて切削加工を行う切削物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具部材や耐摩耗性工具部材等に適する靱性および硬度を備えたＴｉＣＮ基サーメット、このＴｉＣＮ基サーメットを用いた切削工具、ならびにこの切削工具によって加工される被削物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具部材や耐摩耗性工具部材用の合金として超硬合金（ＷＣ基焼結合金）があるが、鉄鋼切削においてクレータ摩耗しやすく、これを改善するためにサーメット合金が開発されている。サーメットとしては、ＴｉＣを主成分とするＴｉＣ基サーメットが開発されたが、靱性が不充分であるとしてＴｉＮを添加したＴｉＣＮ基サーメットが多く実用化されている。【０００３】
ＴｉＣＮ基サーメットとして、その機械的特性に最も影響を与える硬質粒子を、芯部と周辺部とからなる２重もしくは３重の有芯構造粒子とすることにより、硬度および靱性を向上できることが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。【０００４】
また、特許文献３では、硬質粒子として芯部と周辺部とが周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属（硬質金属）の炭窒化物等からなり、かつ前記硬質金属の組成が芯部および／または周辺部で異なる複数種類の有芯構造粒子を含むことにより、耐摩耗性（切削抵抗）を低下させることなく耐欠損性（タフネス）を向上できると記載されている。【０００５】
特許文献４では、有芯構造粒子をなす硬質粒子内にＣｏおよび／またはＮｉの結合金属からなる超微粒合金粒子を分散分布させることによって、焼結性が改善され、結合相の含有量が少ないサーメットでも緻密化できると記載されている。【０００６】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載されているような、従来の有芯構造粒子からなる硬質粒子では、機械的特性や切削性能の改良に限界があり、特に表面に硬質コーティング膜を備えたＷＣ基焼結合金に匹敵する耐熱衝撃性および耐欠損性の向上が望まれていた。【０００７】
また、特許文献３のように、芯部／周辺部の組成が異なる複数種類の有芯構造粒子が存在する場合でも、有芯構造粒子をなす硬質粒子が硬質金属の炭窒化物等のみからなるので、サーメットの熱伝導が悪く、切削によって切刃に生じた熱を効率よく放熱することができず、その結果、切刃の温度が上昇して耐熱衝撃性および耐欠損性が低下するという問題があった。【０００８】
さらに、特許文献４のように、結合金属の超微粒合金粒子を硬質粒子中に分散分布させる方法では、サーメットの焼結性は改善されるものの、硬度の低い結合金属が粒子として存在するとともに、もともと結合相の含有比率が少なく結合力が低いので、焼結体の強度が低下してしまい、また、結合金属粒子が欠損やチッピングを引き起こす要因となるおそれがある。【０００９】
【特許文献１】特開平２−２５４１３１号公報
【特許文献２】特開平１０−２８７９４６号公報
【特許文献３】特開平３−１７０６３７号公報
【特許文献４】特開平１１−２２９０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、耐熱衝撃性、耐欠損性および耐摩耗性に優れたＴｉＣＮ基サーメット、このＴｉＣＮ基サーメットを用いた切削工具、ならびにこれを用いた被削物の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属からなる結合相で硬質粒子を結合してなり、前記硬質粒子の一部がＴｉＣＮを含有する芯部と周辺部とで構成される有芯構造粒子からなるＴｉＣＮ基サーメットにおいて、前記有芯構造粒子が、周辺部が前記結合金属を含有する第一有芯構造粒子と、芯部および周辺部が前記結合金属を含有する第二有芯構造粒子とを含む場合には、サーメットの硬度および靭性を高く維持しつつ、かつ耐熱衝撃性および耐欠損性を向上させることができるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。【００１２】
すなわち、本発明のＴｉＣＮ基サーメットは、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属からなる結合相５〜３０質量％で硬質粒子を結合してなり、前記硬質粒子の一部がＴｉＣＮを含有する芯部と周辺部とで構成される有芯構造粒子からなるものであり、前記有芯構造粒子は、周辺部が前記結合金属を含有する第一有芯構造粒子と、芯部および周辺部が前記結合金属を含有する第二有芯構造粒子とを含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＴｉＣＮ基サーメットによれば、硬質粒子の一部が、ＴｉＣＮを含有する芯部と、周辺部とで構成される有芯構造粒子からなり、該有芯構造粒子が、周辺部のみに結合金属を含有させた第一有芯構造粒子と、芯部および周辺部に結合金属を含有させた第二有芯構造粒子との２種類の有芯構造粒子を共存させるので、硬質粒子の硬度および靭性を高く維持しつつ、かつ熱伝導効率を高めることができ、その結果、局所的に発生した熱を素早く放熱することができ、サーメットの耐熱衝撃性および耐欠損性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるＴｉＣＮ基サーメットの断面組織を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による拡大画像であり、（ｂ）は、（ａ）における第一有芯構造粒子を示す拡大画像である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる切削工具を示す概略説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜ＴｉＣＮ基サーメット＞
以下、本発明の一実施形態にかかるＴｉＣＮ基サーメット（以下、単にサーメットと略す）について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態にかかるサーメットの任意箇所についての断面組織を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による拡大画像であり、（ｂ）は、（ａ）における第一有芯構造粒子を示す拡大画像である。【００１６】
図１（ａ）に示すように、本実施形態にかかるサーメット１は、結合相２で硬質粒子３を結合してなる。結合相２は、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属からなり、サーメット１総量に対して５〜３０質量％で硬質粒子３を結合している。これに対し、結合相２の含有量が５質量％より少ないと、靱性が著しく低下するので耐欠損性が低下し、３０質量％を超えると、サーメット１の耐摩耗性および耐塑性変形性が低下する。【００１７】
また、顕微鏡で断面組織観察したとき、すなわち図１（ａ）に示すように、硬質粒子３の一部が、ＴｉＣＮを含有する芯部４と、周辺部５とで構成される有芯構造粒子６からなる。このような有芯構造粒子６をなす硬質粒子３は、粒成長制御効果を有するのでサーメット１が微細で均一な組織になる。また、結合相２との濡れ性にも優れるので、サーメット１の高強度化に寄与する。【００１８】
ここで、図１（ａ），（ｂ）に示すように、有芯構造粒子６は、周辺部５ａが前記結合金属（Ｃｏおよび／またはＮｉ）を含有する第一有芯構造粒子６ａと、芯部４ｂおよび周辺部５ｂが前記結合金属を含有する第二有芯構造粒子６ｂとを含む。このような２種類の有芯構造粒子６ａ，６ｂを有芯構造粒子６が含むと、硬質粒子３の硬度および靭性を高く維持しつつ、かつ熱伝導効率を高めることができるので、局所的に発生した熱を素早く放熱することができ、その結果、サーメット１の耐熱衝撃性および耐欠損性が向上する。【００１９】
一方、有芯構造粒子６が所定の有芯構造粒子６ａ，６ｂの両方を含まないと、局所的に発生した前記熱を素早く放熱することができないとともにサーメット１の靭性が不十分となるか、またはサーメット１の硬度が低下してしまうので、サーメット１の耐熱衝撃性、耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができない。このため、サーメット１を例えば後述する切削工具に用いた場合には、工具寿命が短くなる。【００２０】
有芯構造粒子６が第一有芯構造粒子６ａと第二有芯構造粒子６ｂとを含むとは、有芯構造粒子６中において、これら２種類の有芯構造粒子６ａ，６ｂがそれぞれ独立して存在（共存）していることを意味する。有芯構造粒子６ａ，６ｂの存在の有無およびその組成については、例えば後述するように、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で断面組織観察してエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）により測定することができる。【００２１】
特に、第一有芯構造粒子６ａは、ＴｉＣＮからなる芯部４ａと、ＴｉとＴａ、Ｎｂ、Ｗ、ＺｒおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種との複合炭窒化物ならびに前記結合金属からなる周辺部５ａとで構成され、第二有芯構造粒子６ｂは、ＴｉＣＮおよび前記結合金属からなる芯部４ｂと、ＴｉとＴａ、Ｎｂ、Ｗ、ＺｒおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種との複合炭窒化物ならびに前記結合金属からなる周辺部５ｂとで構成されているのが好ましい。有芯構造粒子６ａ，６ｂがこのように構成されていると、サーメット１の耐熱衝撃性、耐欠損性および耐摩耗性がより向上する。【００２２】
第一有芯構造粒子６ａの存在割合ｐ1と第二有芯構造粒子６ｂの存在割合ｐ2との比率ｐ1／（ｐ1＋ｐ2）が０．３〜０．７であるのが好ましい。これにより、サーメット１の硬度と靭性をともに高く維持することができる。【００２３】
硬質粒子３の平均粒径は１．５μｍ以下であるのが好ましい。これにより、サーメット１の硬度を高めることができる。前記平均粒径の下限値としては、極端な微粒による耐欠損性の低下を抑制する上で、０．４μｍ以上であるのがよい。前記平均粒径は、サーメット１の顕微鏡による断面組織観察において硬質粒子３をルーゼックス画像解析法で測定して得られる値である。【００２４】
第二有芯構造粒子６ｂの芯部４ｂにおいて、Ｔｉを９４〜９９．５質量％、Ｃｏおよび／またはＮｉを総量で０．５〜６質量％の割合で含有するのが好ましい。これにより、サーメット１を高硬度に維持しつつ、耐熱衝撃性を高めることができる。なお、Ｔｉ、ＣｏおよびＮｉの含有量は、金属元素としての値である。【００２５】
また、第一有芯構造粒子６ａおよび第二有芯構造粒子６ｂの周辺部５ａ，５ｂにおいて、Ｔｉを４０〜８０質量％、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、ＺｒおよびＭｏから選ばれる少なくとも１種を総量で１５〜５９質量％、Ｃｏおよび／またはＮｉを総量で１〜５質量％の割合で含有するのが好ましい。これにより、サーメット１が高靭性でありかつ耐熱衝撃性および耐欠損性を高めることができる。なお、上記と同様にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、ＣｏおよびＮｉの含有量は、金属元素としての値である。
上記した芯部４ａ，４ｂ、周辺部５ａ，５ｂの組成および組成比については、上記と同様に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で断面組織観察してエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）により測定することができる。【００２６】
なお、第一有芯構造粒子６ａ，第二有芯構造粒子６ｂ以外に、非有芯構造粒子が、顕微鏡で断面観察したときに、硬質粒子３全体に対して３０面積％以下の割合で存在していてもよい。また、平均粒径が５０ｎｍ以下であれば、有芯構造粒子６内に結合金属の凝集部が別途存在していてもよい。【００２７】
サーメット１中の炭素量は、硬度、耐熱衝撃性および良好な表面状態を達成する点で６〜９質量％、特に６．５〜７．５質量％であることが望ましい。【００２８】
＜製造方法＞
次に、上記で説明したサーメット１の製造方法について説明する。まず、原料粉末を調合し混合する。具体的には、前記原料粉末としては、通常のＴｉＣＮ粉末と、予めＣｏおよび／またはＮｉの結合金属を含有させたＴｉＣＮ−Ｃｏ／Ｎｉドープ粉末の両方を使用するのが好ましい。これに、ＴｉＮ粉末、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、ＶおよびＮｂのうちの１種以上の金属元素を含有する炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末を混合した混合粉末を調整する。【００２９】
この時、各原料粉末のマイクロトラック法による平均粒径について、通常のＴｉＣＮ粉末が２μｍ以下、特に０．０５〜１．５μｍであり、かつＴｉＣＮ−Ｃｏ／Ｎｉドープ粉末が２μｍ以下、特に０．０５〜１．５μｍであることが、上述した２種類の有芯構造粒子６ａ，６ｂを再現よく作製できる点で望ましい。【００３０】
さらに、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末の平均粒径は２μｍ以下、特に０．０５〜１．５μｍであることが、サーメット１の焼結性を高めるために望ましい。結合金属原料粉末として、ＣｏおよびＮｉを所定の比率で含有する固溶体粉末を用いることが、さらに焼結性を高める点で望ましい。なお、他の原料粉末の平均粒径は０．０５〜３μｍであることが望ましい。【００３１】
そして、この混合粉末にバインダーを添加して、プレス成形、押出成形、射出成形等の公知の成形方法によって所定形状に成形して焼成する。この焼成の条件としては、例えば以下（ａ）〜（ｄ）の条件で焼成するのが好ましい。すなわち、（ａ）第１の焼成温度から１３００℃までを０．１℃／分〜３℃／分昇温し、ついで（ｂ）窒素分圧０〜１３５０Ｐａの雰囲気下１３００℃から１４００〜１６００℃の第２の焼成温度までを５℃／分〜１５℃／分で昇温し、（ｃ）保持して、（ｄ）降温する。この（ａ）〜（ｄ）の条件で焼成を行うと、上述した所定の形状、サイズおよび密度のＴｉＣ微粒子を硬質粒子３中に析出、分散させることができるので、サーメット１を効率よく得ることができる。【００３２】
＜切削工具＞
上記で説明した本実施形態のサーメット１は、耐熱衝撃性および耐欠損性に優れた効果を発揮するものであり、例えば切削工具、掘削工具、刃物等の工具等の各種用途へ応用可能であるが、特に切削工具として用いた場合には、上述した優れた効果を発揮することができる。【００３３】
前記切削工具としては、例えば図２に示すように、サーメット１からなり、すくい面２１と逃げ面２２との交差稜線部に形成された切刃２３を被切削物に当てて切削加工するための切削工具２０であるのが好ましい。この切削工具２０における切刃２３を、例えば鉄やアルミニウム等の金属や耐熱合金等に当てて切削加工を行うと、工具寿命の長い切削工具として使用することができる。特に、高硬度焼き入れ鋼などの難削材加工においても、優れた切削性能を発揮する。【００３４】
なお、サーメット１を切削工具以外の他の用途、例えば金型や圧延ロール、ダイス、ガイド等の耐摩耗性部材、ブレード、軸受等に用いた場合であっても、優れた機械的信頼性を有する。【００３５】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００３６】
［実施例］
表１に示す平均粒径のＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣＮ−１０質量％Ｃｏドープ粉末、ＴｉＮ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｎｉ粉末、Ｃｏ粉末、ＮｉとＣｏの固溶体粉末を準備し、これらを表１に示すような成分組成に配合した。【００３７】
ついで、上記の配合物をステンレス製のボールミルと超硬ボールとを用いて、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）にて湿式混合し、パラフィンを３質量％添加して混合した。ついで、この混合粉末を２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップ形状にプレス成形した後、表１に示す条件で焼成して焼結体を得た（表１中の試料Ｎｏ．１〜１０）。
なお、表１中の試料Ｎｏ．５については、ＣｏおよびＮｉ源として、Ｎｉ：５質量％とＣｏ：６．５質量％との割合からなる固溶体粉末と、Ｎｉ粉末５質量％との両方を用いた。【００３８】
【表１】
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【００３９】
得られた焼結体表面をダイヤモンド砥石によって加工し、下記条件にて切削性能を評価した。また、各試料について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）により有芯構造粒子について観察し、第一有芯構造粒子と第二有芯構造粒子の存在の有無、それら芯部と周辺部の組成比を確認した。これらの結果を表２に示す。【００４０】
さらに、得られたスローアウェイチップを用いて、以下の切削条件で切削加工を行い、切削工具としての性能を評価した。
（切削条件）
切削速度：３００ｍ／分
送り    ：０．２５〜０．４０ｍｍ／ｒｅｖ（＋０．０５ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み  ：２．０ｍｍ
被削材  ：ＳＣＭ４３５  ５ｍｍ×４本溝
切削時間：６０秒（各送りの切削時間）
切削状態：湿式（エマルジョン）【００４１】
【表２】
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【００４２】
表２から明らかなように、所定条件で焼成して硬質粒子として２種類の有芯構造粒子、すなわち第一有芯構造粒子および第二有芯構造粒子が確認された試料Ｎｏ．１〜７では、比較例である試料Ｎｏ．８〜１０に対して、切削寿命が長いのがわかる。【００４３】
また、試料Ｎｏ．１〜７のスローアウェイチップで加工した被削材（ＳＣＭ４３５）の加工面は光沢のある平滑な加工面となっており、安定した切削加工ができていた。これに対して、試料Ｎｏ．８〜１０のスローアウェイチップで加工した被削材の加工面は白濁して光沢のないものであった。
【図１】
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【図２】
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