(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＣＮと、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、VａおよびVIａ族の金属の中から選択される少
なくとも１種の金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも一種を含む硬質相を、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相１〜３０重量％にて結合してなるＴｉＣＮ基サーメットであって、該ＴｉＣＮ基サーメットの任意断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真において、前記硬質相が金属成分としてＴｉを８０重量％以上含有する第１硬質相と金属成分としてＴｉが３０〜７０重量％、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、VａおよびVIａ族の金
属の中から選択される少なくとも１種の金属の総量が７０〜３０重量％、ＣｏおよびＮｉの結合相金属の総量が０〜３重量％の割合からなる第２硬質相とからなり、
前記サーメット中の表面に前記第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｓが８０面積％以上で深さ５μｍ以下の極表面領域が存在するとともに、該極表面領域の内側に表面領域が存在し、該極表面領域から２０μｍ深さまでの範囲を表面領域、該表面領域の内側を内部としたとき、
前記内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎが０．０５〜１．５μｍで、前記内部の全体に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎが５０〜７０面積％からなるとともに、
前記表面領域における前記第１硬質相の平均粒径ｄ１ｓｆと前記内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１〜３で、前記表面領域に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｆと前記内部における第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎとの比（Ｓ１ｓｆ／Ｓ１ｉｎ）が０．３〜０．７からなり、
前記表面領域ｓｆに占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｓｆと前記内部に占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｉｎとの比Ｓ２ｓｆ／Ｓ２ｉｎが１．５〜４であることを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項２】
前記表面領域ｓｆにおける前記第２硬質相の平均粒径ｄ２ｓｆと前記サーメットの内部における第２硬質相の平均粒径ｄ２ｉｎとの比ｄ２ｓｆ／ｄ２ｉｎが１．５〜１．７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具部材、耐摩耗性工具部材等に適する靱性と硬度をともに備えたＴｉＣＮ基サーメット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基サーメットやＴｉＣＮ基サーメットが開発されており、特に靭性を改善したＴｉＣＮ基サーメットが広く用いられている。
【０００３】
かかるＴｉＣＮ基サーメットにおいては、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、特許文献１では、硬質相の固溶状態、具体的には芯部が黒色の有芯構造をなす硬質相と芯部が白色の有芯構造をなす硬質相との存在割合、およびその粒度を最適化することによって高速切削等にて発生する熱衝撃に対して優れた耐久性を改善できることが開示されている。
【特許文献１】特開平８−１９９２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１にて開示されたサーメットにおいても熱衝撃に対する耐久性は未だ不十分で切削性能の改良に限界があり、更なる耐熱衝撃性の改善および耐欠損性、耐摩耗性の向上が求められていた。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのもので、その目的はＴｉＣＮ基サーメットの硬質相の固溶状態を場所毎に適正化して組織の最適化を図ることにより更なる耐欠損性の向上および耐欠損性、耐摩耗性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、原料粉末の粒径、焼成条件の適正化によって、上記硬質相の固溶状態を各部分に合わせてそれぞれ最適化し、サーメット内部において硬質相の微粒化による強度、硬度向上と、サーメット表面における硬度維持と耐熱衝撃性向上とをともに満足させることができる結果、サーメット全体としての耐欠損性および耐摩耗性がともに向上するとともに、サーメットの耐摩耗性を維持できることを知見した。
【０００７】
すなわち、本発明のＴｉＣＮ基サーメットは、ＴｉＣＮと、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、
VａおよびVIａ族の金属の中から選択される少なくとも１種の金属の炭化物、窒化物およ
び炭窒化物の少なくとも一種を含む硬質相を、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相１〜３０重量％にて結合してなるＴｉＣＮ基サーメットであって、該ＴｉＣＮ基サーメットの任意断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真において、前記硬質相が金属成分としてＴｉを８０重量％以上含有する第１硬質相と金属成分としてＴｉが３０〜７０重量％、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、VａおよびVIａ族の金属の中から選択される少なくとも１種の金
属の総量が７０〜３０重量％、ＣｏおよびＮｉの結合相金属の総量が０〜３重量％の割合からなる第２硬質相とからなり、
前記サーメット中の表面に前記第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｓが８０面積％以上で深さ５μｍ以下の極表面領域が存在するとともに、該極表面領域の内側に表面領域が存在し、該極表面領域から２０μｍ深さまでの範囲を表面領域、該表面領域の内側を内部としたとき、
前記内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎが０．０５〜１．５μｍで、前記内部の全体に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎが５０〜７０面積％からなるとともに、
前記表面領域における前記第１硬質相の平均粒径ｄ１ｓｆと前記内部における第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１〜３で、前記表面領域に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｆと前記内部における第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎとの比（Ｓ１ｓｆ／Ｓ１ｉｎ）が０．３〜０．７からなり、
前記表面領域ｓｆに占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｓｆと前記内部に占める第２硬質相の面積比率Ｓ２ｉｎとの比Ｓ２ｓｆ／Ｓ２ｉｎが１．５〜４であることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、上記構成において、前記表面領域ｓｆにおける前記第２硬質相の平均粒径ｄ２ｓｆと前記サーメットの内部における第２硬質相の平均粒径ｄ２ｉｎとの比ｄ２ｓｆ／ｄ２ｉｎが１．５〜１．７であることを特徴とする。
【０００９】
また、上記構成において、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、該サーメット内部に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎが４０〜８０面積％であることを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記構成において、前記第１硬質相が金属成分としてＴｉを８０重量％以上含有するとともに、前記第２硬質相が金属成分としてＴｉが３０〜７０重量％、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、VａおよびVIａ族の金属の中から選択される少なくとも１種の金属の総量
が７０〜３０重量％、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相金属の総量が０〜３重量％の割合からなることが、サーメットの硬度を高めつつ靭性を維持できる点で重要である。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明のＴｉＣＮ基サーメットによれば、硬質相の固溶状態を各部分に合わせてそれぞれ最適化し、サーメット内部において硬質相の微粒化による強度、硬度向上と、サーメット表面における硬度維持と耐熱衝撃性の向上とをともに満足させることができる結果、サーメット全体としての耐欠損性および耐摩耗性がともに向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のＴｉＣＮ基サーメット（以下、単にサーメットと略す。）について、その表面を含む任意断面についての走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である図１（ａ）および内部の任意断面についてのＳＥＭ写真である図１（ｂ）を基に説明する。
【００１３】
図１によれば、本発明のＴｉＣＮ基サーメット（以下、単にサーメットと略す。）１は、ＴｉＣＮとＴｉ以外の周期律表IVａ、ＶａおよびVIａ族の金属の中から選択される少なくとも１種の金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも一種とが固溶してなる硬質相２を、１〜３０重量％のＣｏおよび／またはＮｉの結合相３で硬質相２を結合した構成からなり、図１によれば、硬質相２は、黒色の第１硬質相２ａと灰白色の第２硬質相２ｂとからなり、本発明によれば、サーメット１の内部（図１（ｂ））とは異なる組織からなる表面領域ｓｆ（図１（ａ））が存在する。
【００１４】
図１によれば、サーメット１内部（図１（ｂ）：ｉｎ）における第１硬質相２ａの平均粒径ｄ１ｉｎが０．０５〜１．５μｍで、サーメット１内部において第１硬質相２ａが占める面積比率Ｓ１ｉｎが４０〜８０面積％からなるとともに、サーメット１表面（図１（ａ））に第１硬質相２ａの平均粒径ｄ１ｓｆと、前記サーメット１内部における第１硬質相２ａの平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１〜３で、サーメット１表面部に占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｓｆとサーメット内部に占める第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（図１（ａ）：ｓｆ）が存在している。
【００１６】
これによって、サーメット１の強度を高めることができるとともに、サーメット１表面における硬度を維持しつつ、熱伝導率、ヤング率を高めてサーメット１の表面における耐熱衝撃性を向上でき、特に高速切削、高送り切削や湿式切削等過酷な熱衝撃が発生するような条件においてもサーメット１の耐摩耗性および耐欠損性を向上させることができる。
【００１７】
なお、上記平均粒径（ｄ１、ｄ２）および面積比率（Ｓ１、Ｓ２）は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真について市販の画像解析装置を用いることによって測定することができる。
【００１８】
ここで、上記サーメット１内部における第１硬質相２ａの平均粒径ｄ１ｉｎが０．０５μｍより小さいと、硬質相同士の凝集によって組織が不均質となり強度低下を招くとともに、サーメット１内部の熱伝導率が低下する傾向にある。逆に、ｄ１ｉｎが０．５μｍを超えると、サーメット１の強度、硬度が低下していずれも耐欠損性、耐摩耗性が低下する傾向にある。ｄ１ｉｎの望ましい範囲は０．１〜０．３μｍである。
【００１９】
また、第１硬質相２ａの面積比率Ｓ１ｉｎが５０面積％より少ないか、または７０面積％より多いと、サーメット１の強度、硬度が低下する。Ｓ１ｉｎの範囲は５０〜７０面積％である。
【００２０】
さらに、サーメット１内部における第２硬質相２ｂの平均粒径ｄ２ｉｎは０．６μｍ〜２μｍであることが第２硬質相２ｂの分散状態を良好として強度を高める点で望ましい。ｄ２ｉｎのさらに望ましい範囲は０．８〜１．５μｍである。
【００２１】
また、サーメット１内部に占める第２硬質相２ｂの面積比率Ｓ２ｉｎは５〜４０面積％であることが、サーメット１の粒子を微粒なまま十分に焼結せしめることができ、強度が向上する点で望ましい。面積比率Ｓ２ｉｎのさらに望ましい範囲は１０〜３０面積％である。
【００２２】
一方、サーメット１の表面領域ｓｆにおいては、サーメット１表面に第１硬質相２ａの平均粒径ｄ１ｓｆとサーメット１内部における第１硬質相２ａの平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１よりも小さいと熱伝導率および耐塑性変形性が低下してしまい、逆に、前記比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が３よりも大きいとサーメット１表面における硬度が低下して耐摩耗性が低下する傾向にある。なお、サーメット１表面領域における第２硬質相２ｂの平均粒径ｄ２ｓｆは１μｍ〜３μｍであることが、サーメット１表面の熱伝導率および耐塑性変形性を維持するとともに耐欠損性を高める点で望ましい。ｄ２ｓｆの望ましい範囲は１．２〜２μｍである。
【００２３】
また、サーメット１表面領域ｓｆに占める第１硬質相２ａの面積比率Ｓ１ｓｆは５面積％〜４０面積％であることが、サーメット１表面の熱伝導性および塑性変形性を向上させる点で望ましい。Ｓ１ｓｆの望ましい範囲は７〜２５面積％である。
【００２４】
また、サーメット１表面領域ｓｆ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占める第１硬質相の面積比率Ｓ１ｉｎとの比（Ｓ１ｓｆ／Ｓ１ｉｎ）が図２のように０．３より小さいとサーメット１の熱伝導率および耐塑性変形性が低下し、逆に０．７を超えると第１硬質相および結合相不足によってサーメット１表面の耐欠損性が低下する傾向にある。面積比率の比（Ｓ１ｓｆ／Ｓ１ｉｎ）は１．１〜２、特に１．２〜１．８であることが望ましい。
【００２５】
なお、第２硬質相２ｂの面積比率Ｓ２ｓｆは５０〜８０面積％、特に６０〜７５面積％であることが、サーメット１表面の耐欠損性および耐摩耗性の点で望ましい。
【００２６】
さらに、本発明によれば、灰白色の第２硬質相２ｂの中心には白色部２ｃが存在するとともに、サーメット１内部（図１（ｂ））における白色部２ｃの存在割合がサーメット１表面（図１（ａ））における白色部２ｃの存在割合よりも多いことが、サーメット１内部の硬質相２（２ａ、２ｂ）を微粒化してサーメット１の強度を高めるとともにサーメット１表面における硬質相２（２ａ、２ｂ）の固溶状態を最適化してサーメット１の耐熱衝撃性を高める点で望ましい。
【００２７】
また、第１硬質相２ａとしては、金属成分としてＴｉを８０重量％以上含有することが望ましく、特に、Ｔｉが８０〜９８重量％、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、ＶａおよびVIａ族の金属の中から選択される少なくとも１種の金属、特にＷ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＮｂおよびＶの一種以上、さらにＷを必須として含有する金属（本発明では固溶体金属と称す。）の総量が１〜１５重量％、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種の結合相金属の総量が０〜３重量％の割合からなることが望ましい。
【００２８】
さらに、前記灰白色の第２硬質相２ｂとしては、第１硬質相２ａに対して固溶体金属を多く含有することが望ましく、特に、Ｔｉが３０〜７０重量％、固溶体金属の総量が７０〜３０重量％、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相金属の総量が０〜３重量％の割合からなることが望ましい。なお、上記硬質相中の金属成分の含有比率は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）のエネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）にて測定可能である。
【００２９】
また、本発明によれば、硬質相２は、第１硬質相２ａを芯部とし、第２硬質相２ｂを周辺部とする２重有芯構造をなしていることが、粒成長抑制効果を有しサーメット１が微細で均一な組織となるとともに、結合相３との濡れ性に優れるためにサーメット１の高強度化に寄与する点で望ましいが、全ての硬質相２が有芯構造をなしていなくてもよい。有芯構造の場合、第２硬質相２ｂの面積は、中心部の第１硬質相２ａの面積を除いた環状部の面積である。
【００３０】
また、本発明によれば、サーメット１の強度、硬度、耐熱衝撃性のバランスを最適化する上で、ｄ２ｓｆ／ｄ２ｉｎ＝１．５〜１．７、Ｓ２ｓｆ／Ｓ２ｉｎ＝１．５〜４であることが望ましい。
【００３１】
さらに、サーメット１の耐欠損性および耐摩耗性の両立を図るために表面領域ｓｆの厚みは２０〜１００μｍ、特に３０〜５０μｍとすることが望ましい。また、表面領域ｓｆのさらに表面部に位置する極表面に、第１硬質相２ａの面積比率Ｓ１ｓが８０面積％以上の極表面領域ｓｓが存在することが、サーメット１の耐摩耗性を維持できる点で重要である。
【００３２】
なお、サーメット１におけるビッカース硬度は極表面領域ｓｓで最大値をとり、内部に向かって次第にビッカース硬度が低下していくことが望ましい。これにより、高い耐摩耗性と耐欠損性の両方を有することができる。
【００３３】
また、本発明によれば、サーメット１の表面に別途硬質被覆層を被着形成してもよい。
【００３４】
（製造方法）
次に、本発明のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法について説明する。
【００３５】
まず、平均粒径０．１〜１．２μｍ、特に０．２〜０．９μｍのＴｉＣＮ粉末と、平均粒径０．１〜２μｍのＴｉＮ粉末、上述した固溶体金属の炭化物粉末、窒化物粉末または炭窒化物粉末のいずれか１種と、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末とを混合した混合粉末を調整する。
【００３６】
本発明によれば、上記ＴｉＣＮ原料粉末の平均粒径を０．１〜１．２μｍの範囲に制御することが重要であり、この平均粒径が０．１μｍより小さいと原料が凝集してサーメットが不均質な組織となり、逆に１．２μｍを超えるとサーメットを上述した組織とすることができない。なお、ＴｉＣＮ原料粉末は他の固溶体金属原料とともに焼結によって第１硬質相と第２硬質相との有芯構造を形成することから、第１の硬質相２ａの平均粒径はＴｉＣＮ原料粉末の平均粒径より小さくなる傾向にある。
【００３７】
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する。
【００３８】
次に、上記成形体を、平均粒径０．１〜１．２μｍのＴｉＣＮ粉末と、Ｔｉ以外の周期律表IVａ、ＶａおよびVIａ族の金属の中から選択される少なくとも１種の金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の粉末と、Ｃｏおよび／またはＮｉとを調合して所定形状に加工した後、（ａ）０．７〜２℃／ｍｉｎの昇温速度で１１５０〜１２５０℃まで昇温し、次いで（ｂ）５〜１５℃／ｍｉｎの昇温速度で１４００〜１５００℃まで昇温し、さらに（ｃ）４〜１４℃／ｍｉｎの昇温速度で１５００〜１６００℃まで昇温するとともに、前記昇温工程（ｂ）（ｃ）において窒素ガスまたは不活性ガスを１０〜１５０Ｐａの雰囲気となるように充填し、前記昇温工程（ｃ）の最高温度にて所定時間維持し、降温する。
【００３９】
本発明によれば、上記焼成時の昇温速度、および降温時に所定量の不活性ガスを充填した状態で降温することによって上述した組織のサーメットを作製することができる。
【実施例１】
【００４０】
マイクロトラック法による測定にて平均粒径０．７μｍ、または２μｍのＴｉＣＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＮｂＣ粉末、平均粒径１．１μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．８μｍのＺｒＣ粉末、平均粒径１．０μｍのＶＣ粉末、平均粒径２．４μｍのＮｉ粉末、および平均粒径１．９μｍのＣｏ粉末を表１に示す割合で調整した混合粉末をステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、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重量％添加、混合した後、２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８にプレス成形し、表１に示す焼成条件で焼成した。なお、昇温工程（ｂ）、（ｃ）においてはＮ２ガスを表１に示す量だけ注入した。
【００４１】
得られ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７μｍ×７μｍ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。
【００４２】
（切削条件）
切削評価１
切削方法：旋削
連続切削（耐摩耗性評価）
切削速度：２３０ｍ／ｍｉｎ
送り    ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み  ：２．０ｍｍ
被削材  ：ＳＣＭ４３５
切削状態：湿式（エマルジョン）
切削時間：１０分
評価項目：逃げ面摩耗幅（ｍｍ）
切削評価２
切削方法：旋削
断続切削（耐欠損性評価）
被削材：Ｓ４５Ｃ
被削材：４本溝入り丸棒
切削速度：１００ｍ／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
切削状態：湿式（エマルジョン）
【表１】
0005127264.tif 000002
【表２】
0005127264.tif 000003
【００４３】
表１、２より、本発明品である試料Ｎｏ．１〜４では、耐摩耗性と耐欠損性のともに優れた結果を示した。これに対して、単純な焼成パターンで焼成した試料Ｎｏ．５では、表面に所定の表面領域が形成されず、耐摩耗性および耐欠損性がともに低下した。原料として平均粒径２μｍのＴｉＣＮ粉末を用いた試料Ｎｏ．６では、焼結体内部の硬質粒子の平均粒径ｄ１ｉｎが１．５μｍを超えて硬度および強度が低下した結果、工具の摩耗が早期に進行した。さらに、昇温工程Ｂにおける昇温速度が４℃より遅く、焼成温度Ｃが１６００℃を超える試料Ｎｏ．７では第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が１．１より小さく摩耗が激しいものであった。さらには、昇温速度Ａが０．７℃／ｍｉｎより遅く、昇温工程ｂおよびｃにて不活性ガスを導入しなかった試料Ｎｏ．８では第１硬質相の平均粒径ｄ１ｉｎとの比（ｄ１ｓｆ／ｄ１ｉｎ）が３を超えて大きく耐摩耗性が低下した。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のＴｉＣＮ基サーメットの（ａ）表面、（ｂ）内部についての走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】従来のＴｉＣＮ基サーメットの（ａ）表面、（ｂ）内部についての走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４５】
１：ＴｉＣＮ基サーメット
２：硬質相
２ａ：第１硬質相
２ｂ：第２硬質相
３：結合相
ｉｎ：サーメット内部
ｓｆ：サーメット表面領域
ｓｓ：サーメット極表面領域
【図１】
0005127264.tif 000004
【図２】
0005127264.tif 000005