(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＣＮ粉末と、（Ｗ，Ｃｏ）合金粉末と、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種と、を少なくとも混合した混合粉末を成形し、真空もしくは１００Ｔｏｒｒ以下の不活性雰囲気中で室温から１２００℃まで加熱し、１２００℃から０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度ａで１２５０〜１３５０℃の焼成温度Ａまで昇温し、次いで１５〜２５℃／ｍｉｎの昇温速度ｂで１４００〜１５５０℃の焼成温度Ｂまで昇温し、所定時間維持後、８０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度ｃで最高焼結温度から１２００℃まで不活性ガスを０．３ＭＰａ〜３．０ＭＰａで導入し、室温まで真空で冷却することを特徴とするＴｉＣＮ基サーメットの製造方法。
【請求項２】
前記（Ｗ，Ｃｏ）合金原料粉末のＷ／Ｃｏの比率が１５質量％〜５０質量％であることを特徴とする請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｔｉ基サーメットとその製造方法および切削工具に関し、特に、硬度に優れるとともに超硬合金に匹敵する耐熱衝撃性を有して高速切削においても優れた切削性能を長期に亘って発揮するＴｉ基サーメット製切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、耐摩耗性工具や切削工具用合金としてＴｉＣやＴｉＣＮを主成分とするＴｉ基サーメットが開発されており、特に靭性を改善したＴｉＣＮを主体とするＴｉ基サーメットが広く用いられている。かかるＴｉ基サーメットにおいては、一般的に結合金属としてＴｉＣＮ粒子との濡れ性を高めるためにＮｉ（ニッケル）が添加されており、加えて、サーメットの靭性および熱伝導性向上の目的でＣｏ（コバルト）が添加される。
【０００３】
最近、このようなサーメットに対して特に耐欠損性を向上させることが求められており、例えば、本出願人は、特許文献１にて、４ａ、５ａ、６ａ族金属の配合比率、特にＷ（タングステン）の含有比率を制御するとともに、結合金属の８０モル％以上をＣｏにて形成することにより、サーメットの湿式加工時の耐欠損性を向上できることを提案した。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｔａ（タンタル）とＷ（タングステン）の含有量とＣ（炭素）とＮ（窒素）の含有比率を調整するとともに、サーメットの結合金属（バインダー）をＣｏ中に溶解する固溶体強化を図ることによって、耐摩耗性を維持したままサーメット工具の突発欠損を抑制できると記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２１６６０３号公報
【特許文献２】特開２０００−３３６４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２のように、結合金属中に占めるＣｏの含有割合を高めたサーメットであっても、サーメットの熱伝導率が低い点、および熱膨張率が大きいという問題があり、特に過酷な条件の切削加工を行うと切刃温度が上昇して高温になりやすく、かつ切刃が繰り返しの熱伸縮によって熱疲労し、最終的に突発欠損に至るという問題を解消することはできなかった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、特に過酷な切削条件、例えば高速切削やドライ加工のような加工条件であっても、表面における熱伝導率の向上および熱膨張率の低減による熱疲労による突発欠損を防止して、耐欠損性および耐摩耗性に優れたＴｉ基サーメットおよびその製造方法並びにこれを用いた切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、サーメット中の結合金属としてＣｏの含有割合を高めるとともに、少なくともＷ（タングステン）を必須として含有せしめ、かつＷ濃度が内部から表面に向かって増加し表面から１０μｍ深さまでの領域で最大となる表面領域を有する構成とすることにより、特に過酷な切削条件、例えば高速切削やドライ加工のような加工条件であっても、サーメット表面における靭性向上、および熱伝導率向上と熱膨張率を小さくすることによる熱疲労の低減を図ることができる結果、繰り返し加工しても切刃に突発欠損が発生することなく、耐欠損性および耐摩耗性に優れたＴｉ基サーメットとなることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明のＴｉ基サーメットは、ＴｉおよびＷと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、少なくともＣｏを８０モル％以上の割合で含有する鉄族金属からなる結合相：１０〜２０質量％にて結合してなり、Ｗ濃度が内部から表面に向かって増加し表面から１０μｍ〜１００μｍ深さまでの領域で最大となる表面領域を有することを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記表面領域における前記Ｗ元素の最大含有量をＷｓ、表面から１ｍｍ以上の深さにおける前記Ｗ元素の内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉ＝１．３〜２．０となることが、耐塑性変形性を高める点で望ましい。
【００１０】
また、前記硬質相の平均粒径が２μｍ以下であることが、サーメットの硬度および強度を高めて、サーメットの耐摩耗性を向上させる点で望ましく、このように硬質相の粒径が微粒化する場合一般的には焼結性が低下する傾向にあるが、本発明によれば、後述するＷの添加方法の工夫によって硬質相の粒径が微粒となっても焼結性が低下することなく緻密化した焼結体を得ることができる。
【００１１】
さらに、前記Ｔｉ基サーメット任意断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）において、前記硬質相が黒色の第１硬質相と灰白色の第２硬質相とからなり、前記サーメット内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎが０．０５〜１．５μｍで、前記サーメット内部の全体に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎが４０〜８０面積％からなるとともに、前記サーメット表面に前記第１硬質相の平均粒径ｄ１ｓｆと前記サーメット内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１〜３で、前記サーメット表面部に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｆと前記サーメット内部における第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎとの比（Ｓ１ｓｆ／Ｓ１ｉｎ）が０．３〜０．７からなる表面領域ｓｆが存在することが、サーメットの硬度、強度向上とサーメット表面における耐熱衝撃性向上をともに満足して耐摩耗性および耐欠損性を最適化できる点で望ましい。
【００１２】
さらには、前記サーメット内部における前記第２硬質相の平均粒径ｄ２ｉｎが０．６〜２μｍで、前記サーメット内部の全体に占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｉｎが５〜４０面積％からなるとともに、前記サーメット表面領域における前記第２硬質相の平均粒径ｄ２ｓｆが１〜３μｍでｄ２ｉｎより大きく、前記サーメット表面部の全体に占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｓｆが５０〜８０面積％からなることが、サーメットの耐摩耗性および耐欠損性の最適化の点で望ましい。
【００１３】
また、本発明のＴｉ基サーメットの製造方法は、ＴｉＣＮ粉末、（Ｗ，Ｃｏ）合金粉末、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、を少なくとも混合した混合粉末を成形し、真空中で１２００℃まで加熱し、１２００℃から０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度ａで１２５０〜１３５０℃の昇温速度Ａまで昇温し、次いで不活性ガスを０．３ＭＰａ〜３．０ＭＰａで導入しながら１５〜２５℃／ｍｉｎの昇温速度ｂで１４００〜１５５０℃の焼成温度Ｂまで昇温し、真空中で所定時間維持した後、８０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度ｃで最高焼結温度から１２００℃まで不活性ガスを０．３ＭＰａ〜３．０ＭＰａで導入し、室温まで真空で冷却することを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記（Ｗ，Ｃｏ）合金原料粉末中に占めるＷ元素の含有量が１５質量％〜５０質量％であることが、サーメット中の硬質粒子と結合金属との濡れ性を高めることができるとともに、上記Ｗの濃度分布に制御する点で望ましい。
【００１５】
また、本発明の切削工具は、被削材に切刃を当てて加工するものであって、上記Ｔｉ基サーメットからなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、サーメット中の結合金属としてＣｏの含有割合を高めるとともに、少なくともＷ（タングステン）を必須として含有せしめ、かつＷ濃度が内部から表面に向かって増加し表面から１０μｍ深さまでの領域で最大となる表面領域を有する構成とすることにより、特に過酷な切削条件、例えば高速切削やドライ加工のような加工条件であっても、サーメット表面における靭性向上、および熱伝導率向上と熱膨張率を小さくすることによる熱疲労の低減を図ることができる結果、繰り返し加工しても切刃に突発欠損が発生することなく、耐欠損性および耐摩耗性に優れたＴｉ基サーメットとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のＴｉ基サーメットは、ＴｉおよびＷと、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上との複合金属炭窒化物からなる硬質相を、少なくともＣｏを８０モル％以上の割合で含有する鉄族金属からなる結合相：１０〜２０質量％にて結合してなり、Ｗ濃度が内部から表面に向かって増加し表面から１０〜１００μｍ深さまでの表面領域で最大となることを特徴とする。
【００１８】
ここで、結合相の含有量が１０質量％より少なくなるとサーメットの耐欠損性が急激に低下してしまう。逆に結合相の含有量が２０質量％より多くなるとサーメットの耐塑性変形性および耐摩耗性が急激に低下してしまう。望ましい結合相の含有量は１３〜１７質量％である。また、結合相中のＣｏ含有量が８０モル％より少ないとサーメットの耐欠損性が低下してしまう。さらに、前記表面領域において、前記サーメット中に含有されるＷ濃度が最大となる位置が表面から深さ１０μｍ以下、もしくは内部から表面に向かって減少するかまたは同じであると、サーメットの熱伝導率が悪化するとともに熱膨張率が大きくなって熱疲労が大きくなる結果、突発欠損が発生しやすくなる。また、表面でのＷ元素濃度が最大となる位置が表面からの深さで１００μｍ以上であると耐摩耗性が急激に悪化することに加えて、サーメット表面の耐塑性変形性が悪化してサーメット表面が変形してしまう。
【００１９】
ここで、Ｗは硬質相中に含有されるとともに、一部は結合金属中および結合金属中に固溶されるか、または硬質相と結合相との界面に存在することが望ましく、具体的には、前記Ｔｉ基サーメットを粉砕し、＃２０メッシュを通した粉砕粉末を５０℃の希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）中で２４時間溶解してろ過したろ液中に、ろ液中の総金属量に対してタングステンを２〜２０質量％の割合で含有することが固溶体強化により硬質相と結合相との結合力を強化して、Ｎｉ含有量の少ない焼結体であっても充分に焼結性のよい焼結体を作製することができる。
【００２０】
なお、前記Ｗ元素の最大含有量をＷｓ、Ｗ元素の表面から１ｍｍ以上の深さにおける内部含有量をＷｉとしたとき、Ｗｓ／Ｗｉ＝１．３〜２．０となることが、耐塑性変形性を高める点で望ましい。
【００２１】
なお、本発明において、上記サーメット基体の表面と内部におけるＷ元素濃度を測定するには、サーメット断面について波長分散型電子分光分析（ＥＰＭＡ（ＷＤＳ））にて各元素分布を測定することによって特定することができ、サーメット基体の表面（１０μｍ以内）から内部にわたって元素濃度の深さ方向の分布を測定し、元素濃度がバラツキの範囲内で一定となるまでの元素濃度（本発明では表面からの深さが１０００μｍの地点での深さ２μｍの範囲内における元素濃度の平均値と規定する。）分布によって判定することができる。また、表面領域の厚みもサーメット基体の表面から内部に向かって元素濃度の深さ方向の分布から求めることができ、内部の元素濃度に対していずれかの元素濃度が測定データのバラツキの振幅よりも大きくなるよう変化した地点を表面領域の始まりと特定できる。
【００２２】
また、前記硬質相の平均粒径が２μｍ以下であることが、サーメットの硬度および強度を高めて、サーメットの耐摩耗性を向上させる点で望ましい。
【００２３】
ここで、上記サーメットの粒径および組織については、硬質相として、Ｔｉと、Ｔｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上、特にＷ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｈｆの群から選ればれる少なくとも１種との複合金属炭窒化物からなり、特に、硬質相は、Ｔｉ（ＴｉＣＮ）からなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、ＴａおよびＮｂのうちの１種以上との複合化合物からなる周辺部とから構成される２重有芯構造、または３重有芯構造をなしていることが、粒成長制御効果を有しサーメット基体が微細で均一な組織となるとともに、結合相との濡れ性に優れてサーメットの高強度化に寄与する点で望ましい。
【００２４】
詳細には、前記Ｔｉ基サーメット任意断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）において、前記硬質相が黒色の第１硬質相と灰白色の第２硬質相とからなり、前記サーメット内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎが０．０５〜１．５μｍで、前記サーメット内部の全体に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎが４０〜８０面積％からなるとともに、前記サーメット表面に前記第１硬質相の平均粒径ｄ１ｓｆと前記サーメット内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１〜３で、前記サーメット表面部に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｆと前記サーメット内部における第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎとの比（Ｓ１ｓｆ／Ｓ１ｉｎ）が０．３〜０．７からなる表面領域ｓｆが存在することが、サーメットの耐摩耗性および耐熱衝撃性をともに満足できる点で望ましい。
【００２５】
さらには、前記サーメット内部における前記第２硬質相の平均粒径ｄ２ｉｎが０．６〜２μｍで、前記サーメット内部の全体に占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｉｎが５〜４０面積％からなるとともに、前記サーメット表面領域ｓｆにおける前記第２硬質相の平均粒径ｄ２ｓｆが１〜３μｍでｄ２ｉｎより大きく、前記サーメット表面部の全体に占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｓｆが５０〜８０面積％からなることが、サーメットの耐摩耗性および耐欠損性の最適化の点で望ましい。
【００２６】
なお、本発明によれば、上記Ｔｉ基サーメット基体の表面に、（Ｔｉｘ，Ｍ１−ｘ）（ＣｙＮ１−ｙ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表わされる硬質被覆層を単層または２層以上の複層被覆してもよい。
【００２７】
なお、上述したＴｉ基サーメットは、耐摩耗部材等への応用も可能であるが、特に被削材に切刃を当てて加工する切削工具として好適に利用可能である。
【００２８】
（製造方法）
次に、上記本発明のサーメット製切削工具を作製する方法について説明する。
【００２９】
まず、ＴｉＣＮ粉末と、（Ｗ，Ｃｏ）合金粉末、それ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属のうちの１種以上の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末の少なくとも１種、を少なくとも混合した混合粉末を準備する。ここで、本発明によれば、Ｃｏの原料供給源として（Ｗ，Ｃｏ）合金粉末を用いることが重要であり、これによって、Ｃｏ含有比率の高いサーメットの硬質相と結合金属相との濡れ性を高めることができるとともに、Ｗの濃度分布を本発明の構成に制御することができる。
【００３０】
すなわち、上記原料粉末のうち、Ｃｏの添加方法として一般的なＣｏ粉末を用いた場合には焼結体中のＷ濃度分布状態を上述した範囲内に制御することができず、また、固溶体強化効果が小さくなる。
【００３１】
ここで、前記（Ｗ，Ｃｏ）合金原料粉末のＷ／Ｃｏの比率が１５質量％〜５０質量％であることが、サーメット中の硬質相と結合金属との濡れ性を高めることができるとともに、上記Ｗの濃度分布に制御する点で望ましい。
【００３２】
また、本発明によれば、表面領域のＷ濃度分布を制御するためにはＴｉＣＮ原料粉末として平均粒径１．０μｍ以下、特に０．７μｍ以下の粉末を、（Ｗ，Ｃｏ）合金原料粉末として平均粒径２．０μｍ以下、特に１．０μｍ以下の原料粉末を用いることが望ましく、これに加えて後述する焼成条件にて焼成することにより前述の表面領域に制御することができる。
【００３３】
次に、上記混合粉末を所定形状に成形した後、真空中で１２００℃まで加熱し、１２００℃から０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度ａで１２５０〜１３５０℃の昇温速度Ａまで昇温し、次いで不活性ガスを０．３ＭＰａ〜３．０ＭＰａで導入しながら１５〜２５℃／ｍｉｎの昇温速度ｂで１４００〜１５５０℃の焼成温度Ｂまで昇温し、真空中で所定時間維持した後、８０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度ｃで最高焼結温度から１２００℃まで不活性ガスを０．３ＭＰａ〜３．０ＭＰａで導入し、室温まで真空で冷却する。
【００３４】
そして、得られたサーメット基体に対して所望により研磨等の表面加工処理した後、所望により化学的蒸着法または物理的蒸着法等のコーティング法を用いて硬質被覆層を単層または２層以上被覆することにより、本発明のサーメット製切削工具を作製することができる。
【００３５】
また、コーティング法として、従来のＮｉを含有するサーメットでは化学蒸着法によって硬質被覆層を形成すると硬質被覆層中に異常粒成長が発生して被覆層の耐摩耗性が損なわれるという不具合が発生する場合があったが、本発明においてはサーメット基体中のＮｉ含有量が少ないために化学蒸着法にて形成した硬質被覆層においても良好な膜質の被覆層となる。
【実施例】
【００３６】
原料粉末として、平均粒径０．７μｍのＴｉＣＮ粉末と、いずれも０．５〜２μｍのＴｉＮ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＷＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、および平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末、Ｃｏ粉末およびおよびその他鉄族金属を含む結合金属相に表１に示すＷ含有量（Ｗ重量／（Ｃｏ重量＋Ｗ重量））を有する（Ｗ，Ｃｏ）固溶体粉末を用い、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで５４時間湿式混合し、乾燥した。
【００３７】
次に、上記混合粉末を用いて、成形圧９８ＭＰａでプレス成形し、この成形体を１２００℃まで２〜１５℃／ｍｉｎで制御しながら昇温した後、表１の焼成条件で昇温して焼成温度Ｂで１時間焼成し、表１に示す条件で冷却してＣＮＭＧ１２０４０８形状のサーメット工具を作製した。
【００３８】
得られたサーメット製切削工具に対して、断面について、サーメット基体の表面近傍について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付随の波長分散型電子分光分析法（ＥＰＭＡ）を用いて、表面から５０μｍ深さまでを５μｍ深さ×５００μｍの領域ごとで面分析し、５０〜４００μｍ深さまでを２０μｍ深さ×５００μｍ、４００〜１０００μｍ深さまでを１００μｍ深さ×５００μｍで測定して各領域におけるＷ元素濃度を測定し、これをマッピングして表面領域の厚みを定量化するとともに、１０００μｍでの値をＷｉ（内部におけるＷ濃度）として、内部濃度Ｗｉ基準に対する表面領域の最大Ｗｓ濃度を質量％（表中ｗｔ％と表記）表示で、またその比（Ｗｓ／Ｗｉ）を表示した。
【００３９】
また、サーメット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、各試料について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、７０００倍の写真任意５箇所について市販の画像解析ソフトを用いて７ｍｍ×７ｍｍの領域で画像解析を行い、硬質相（第１硬質相、第２硬質相）の存在状態を確認した。結果は表２に示した。
【００４０】
さらに、上記サーメットを粉砕し＃２０メッシュを通した粉砕粉末１ｇに塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）溶液を加え、スターラーにて攪拌し２４時間５０℃で加熱溶解した溶液をろ過した。この溶液に希塩酸（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）溶液を加えて５０ｍｌ定容とし、このろ液について、ＩＣＰ法によってろ液中のＷを含む各金属の含有量および含有比率を測定した。結果は表２に示した。
【００４１】
また、得られた切削工具について、下記切削条件Ａ、Ｂにて切削評価を行った。結果は表２に耐摩耗性および耐欠損性として表記した。
【００４２】
切削条件Ａ（耐摩耗性試験）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：２．０ｍｍ
切削時間：３０分
切削油：エマルジョン（湿式）
評価項目：試験後の逃げ面摩耗幅
切削条件Ｂ（耐欠損性試験）
被削材：Ｓ４５Ｃ
被削材：４本溝入り丸棒
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
送りおよび切削時間：０．１ｍｍ／ｒｅｖで１０秒間切削後、送りを０．０５ｍｍ／ｒｅｖずつ上げて各１０秒間ずつ切削（最大送り０．５ｍｍ／ｒｅｖまで）
切込み：２ｍｍ
評価項目：欠損するまでの総切削時間
【表１】
0004703122.tif 000002
【表２】
0004703122.tif 000003
【００４３】
表１、２に示される結果から、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜６では、いずれも連続切削および断続切削のいずれでも高速切削にもかかわらず、摩耗が少なく、突発欠損が発生することなく優れた切削特性を示している。これに対して、結合金属中のＣｏ含有率が８０モル％より少ない試料Ｎｏ．７、８では、靭性が低くて突発欠損が発生してしまい、また、原料粉末として（Ｗ，Ｃｏ）固溶体原料粉末でなくＣｏ粉末を用いた試料Ｎｏ．１０でも固溶体強化が不十分で摩耗量が多く、かつ突発欠損が発生した。さらに、試料Ｎｏ．９においては、降温時の雰囲気を真空としたために所定のＷ元素濃度分布ができず、やはり突発欠損の発生を止めることはできなかった。