(57)【要約】【課題】耐塑性変形性、耐溶着性を向上させて耐摩耗性を向上させると共に、靱性や耐欠損性も改善した切削工具用サーメットを提供する。【解決手段】ＣｏおよびＮｉの少なくとも１方を主成分とする結合相：５〜２０体積％と、残りが周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相とでなるサーメットにおいて、サーメット全体に対するＺｒの含有重量％をＺ、Ｈｆの含有重量％をＨ、酸素の含有重量％をＯと表した場合に、１≦Ｚ＋Ｈ≦１０、０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）≦Ｏ≦０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）を満足するサーメット。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｏおよびＮｉの少なくとも１方を主成分とする結合相：５〜２０体積％と、残りが周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相とでなるサーメットにおいて、サーメット全体に対するＺｒの含有重量％をＺ、Ｈｆの含有重量％をＨ、酸素の含有重量％をＯと表した場合に、１≦Ｚ＋Ｈ≦１０、０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）≦Ｏ≦０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）を満足するサーメット。
【請求項２】
ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の酸化物を含有しない請求項１に記載のサーメット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刃先交換型チップ，ドリル，エンドミルなどの切削工具に使用されるサーメットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴｉＣＮ−ＷＣ−Ｎｉ系に代表されるサーメットは、鋼切削における優れた耐摩耗性と共に仕上げ面が美麗なために多用されている。しかし、断続切削における欠損やチッピングの発生と共に、高速切削における塑性変形に起因する急激な摩耗が問題となっている。そこで、Ｚｒ化合物の添加や酸素の含有あるいは減少により耐塑性変形性と耐欠損性を改善しようとしたサーメットがある。
【０００３】
Ｚｒ，Ｈｆの炭化物、窒化物を添加したサーメットとしては、硬質相の芯部が（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮからなる炭窒化チタン系サーメット製切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。この炭窒化チタン系サーメット製切削工具は、Ｚｒ化合物の添加によって耐塑性変形性を改善したものではあるが、焼結性が低下して巣孔を発生し易く、酸素含有量が増大するために、耐欠損性が低下すると言う問題がある。
【０００４】
一方、酸素の含有量を限定したサーメットとしては、組成式（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ）ＣＮまたは（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｍ）ＣＮ（ただしＭはＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＣｒのうちの１種または２種以上）で表わされる複合金属炭窒化物を主体とする硬質相を有し、かつ酸素含有量を０．０８重量％以下としたサーメット製切削工具がある（例えば、特許文献２参照。）。このサーメットは、酸素量を著しく低減することによって耐欠損性を向上させたものではあるが、酸素含有による耐塑性変形性の改善は期待できないと言う問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−５４０５５号公報
【特許文献２】特開平７−２２３１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鋼切削に使用されるサーメットには、更なる耐欠損性、耐チッピング性の向上と、耐塑性変形性、耐溶着性の改善による耐摩耗性の向上とが求められている。上述のような問題を有する従来のサーメットでは、こうした要求に応えられなくなってきた。そこで、本発明は耐塑性変形性、耐溶着性を向上させると共に、靱性、耐欠損性を改善したサーメットの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、サーメットの耐欠損性と耐摩耗性の改善について検討していた所、Ｚｒ，Ｈｆの炭化物、窒化物を少量添加すると酸素含有量が増大し、耐塑性変形性、耐溶着性などが改善されて耐摩耗性が向上すること、これらの添加量が多くなると酸素含有量も増加し、巣孔やＺｒ，Ｈｆの酸化物を生じるために耐欠損性が急激に低下すること、従って、Ｚｒ，Ｈｆの炭化物、窒化物の添加量に応じた最適な酸素含有量とする必要があること、最適な酸素含有量のサーメットを得るには、昇温中または焼結中の高温領域で窒素ガスを導入すれば良いと言う知見を得て本発明を完成するに至ったものである。
【０００８】
すなわち、本発明のサーメットは、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１方を主成分とする結合相：５〜２０体積％と、残りが周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる硬質相とでなるサーメットにおいて、サーメット全体に対するＺｒの含有重量％をＺ、Ｈｆの含有重量％をＨ、酸素の含有重量％をＯと表した場合に、１≦Ｚ＋Ｈ≦１０、０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）≦Ｏ≦０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）を満足するものである。
【０００９】
本発明の切削工具用サーメットにおける結合相は、具体的には２０重量％以下のＭｏ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｃｒなどの硬質相成分を固溶したＣｏ合金、Ｎｉ合金などを挙げることができる。固溶したこれらの金属元素の中でも、Ｃｒは焼結性を改善して巣孔の発生を防止するので好ましい。結合相量は、サーメット全体に対して５体積％未満では、靱性の低下により耐欠損性が劣化し、逆に２０体積％を超えて多くなると、硬さの低下により耐摩耗性や耐塑性変形性が劣化するために、５〜２０体積％と定めた。
【００１０】
本発明の切削工具用サーメットにおける硬質相は、Ｔｉを主成分とし、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方と酸素を必須元素とする周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，酸化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなるものである。具体的には、芯部がＴｉＣ，Ｔｉ（ＣＮ）であり、周辺部が（ＴｉＭｏＺｒ）（ＣＯ）、（ＴｉＭｏＨｆ）（ＣＮＯ），（ＴｉＭｏＷＴａＺｒ）（ＣＮＯ）などである有芯構造粒子、（ＴｉＷ）Ｃ，（ＴｉＷＴａ）（ＣＮ），（ＴｉＺｒ）（ＣＮＯ），（ＴｉＷＴａＨｆ）（ＣＮＯ）などの固溶体、ＴｉＮ，Ｔｉ（ＣＮ），ＺｒＮなどの単独粒子、およびこれらの混合粒子を挙げることができる。硬質相は、硬質相全体に対してＴｉを４０重量％以上含有するもので、Ｔｉが硬質相全体に対して４０重量％未満では、耐摩耗性の低下が著しい。また、硬質相の一部または全部は、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方と酸素とを含有する複合炭窒酸化物固溶体からなっている。
【００１１】
本発明のサーメットは、サーメット全体に対するＺｒの含有重量％をＺ、Ｈｆの含有重量％をＨ、酸素の含有重量％をＯと表した場合に、１≦Ｚ＋Ｈ≦１０、０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）≦Ｏ≦０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）を満足するものである。ここで、酸素の含有重量％：Ｏの下限、上限を定める式は次の様な観点から作成したものである。具体的には、Ｏの下限を求める式：０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）において、ＺとＨに掛ける係数の０．２６と０．１５は、それぞれＺｒＯ2とＨｆＯ2の酸素含有量を基準とし、（    ）の値に掛ける係数の０．２は酸素の含有効果が発揮できるＴｉ系複合炭窒化物への酸素固溶量を意味し、定数の０．１０はＺｒ，Ｈｆを含有しない場合の酸素量を意味している。一方、Ｏの上限を求める式：０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）において、ＺとＨに掛ける係数の０．２６と０．１５は、それぞれＺｒＯ2とＨｆＯ2の酸素含有量を基準とし、（    ）の値に掛ける係数の０．３は酸素がＴｉ系複合炭窒化物に固溶できる限度を意味し、定数の０．１５はＺｒ，Ｈｆを含有しない場合の酸素量を意味している。
【００１２】
Ｚ＋Ｈが１未満では塑性変形の抑制効果が少なくて耐摩耗性に劣り、Ｚ＋Ｈが１０を超えて大きくなると硬さが低下すると共に焼結が困難となるために、１≦Ｚ＋Ｈ≦１０と定めた。また、酸素の含有範囲を示す式において、酸素の含有重量％：Ｏが、０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）から算出される値未満では耐塑性変形性や耐溶着性の改善が不十分で耐摩耗性に劣り、逆に０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）から算出される値を超えて大きくなると、耐欠損性の低下が顕著となるため、０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）≦Ｏ≦０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）と定めた。
【００１３】
ここで、本発明のサーメットにおける硬質相の一部または全部は、ＺｒおよびＨｆの少なくとも１方と酸素とを含有する複合炭窒酸化物固溶体からなっている。具体的には、前述の（ＴｉＭｏＺｒ）（ＣＯ）、（ＴｉＭｏＨｆ）（ＣＮＯ），（ＴｉＭｏＷＴａＺｒ）（ＣＮＯ）、（ＴｉＺｒ）（ＣＮＯ），（ＴｉＷＴａＨｆ）（ＣＮＯ）などのＢ１型の立方晶化合物である。これらの複合炭窒酸化物固溶体は、焼結過程において混合粉末中に不可避に含有される酸素とＺｒ，Ｈｆを含む粒子が反応し、一旦はＺｒＯ2，ＨｆＯ2を生じた後、炭素還元されてＺｒ（ＮＯ），Ｈｆ（ＣＮＯ）などに変化し、焼結に伴ってＴｉの炭化物，窒化物に固溶されて形成されたものである。
【００１４】
一方、酸素の含有重量％：Ｏが過多になると、複合炭窒酸化物固溶体の硬質相以外にＺｒおよびＨｆの少なくとも１方の酸化物の単独粒子が残存する。しかし、これらの酸化物は、硬さや靱性が低いばかりでなく焼結性を害するので、実質的に含有しないことが好ましい。なお、具体的な酸化物として、ＺｒＯ2，ＨｆＯ2およびＺｒ（ＮＯ），Ｚｒ（ＣＮＯ），Ｈｆ（ＣＯ），（ＺｒＨｆ）（ＣＯ）などが挙げられる。これらの酸化物は、透光性を有することから光学顕微鏡によって容易に判別でき、組織中に独立した黒色粒子あるいは黒褐色粒子として観察されるものである。
【００１５】
本発明のサーメットの製造方法は、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１方からなる結合相形成粉末と、主成分としてＴｉの炭化物，窒化物，炭窒化物とＺｒおよびＨｆの少なくとも１方を必須元素とする周期律表５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物，炭窒化物からなる硬質相形成粉末との混合粉末を成形し、昇温中の１１００〜１３００℃の温度範囲において、１ｋＰａ以上のＮ2ガスを導入した後に焼結する方法である。
【００１６】
一般に、サーメットの混合粉末は１．５〜２．５重量％の酸素を含有しているが、真空中での焼結中による炭素還元によってサーメット焼結体では０．１〜０．５重量％に減少する。しかし、Ｚｒ，Ｈｆの添加量が多くなると真空中の昇温では含有酸素量を低減させることが困難となる。この理由は、昇温中の５００〜１０００℃で発生するＣＯ2ガスによりＺｒ，Ｈｆが優先的に酸化されてＺｒＯ2，ＨｆＯ2となり、これらの酸化物はさらに高温に加熱しても炭素還元されにくいためである。これらの酸化物の還元には、１１００℃以上から緻密化が急激になる１３００℃までの温度範囲で窒素ガスを導入し、還元窒化することが有効である。
【００１７】
この還元窒化反応は、例えば、２ＺｒＯ2＋４Ｃ＋Ｎ2→２ＺｒＮ＋４ＣＯで表され、窒素分圧を高め、かつ発生するＣＯガスの分圧を低下させる必要がある。具体的には、焼結炉内に１０〜１，０００ｋＰａ程度の圧力で窒素ガスを導入し、ガスフローするか、脱気とガス導入を繰り返すことによって発生したＣＯガスを炉外に排出するものである。一方、１４００〜１５５０℃の焼結雰囲気は、窒化あるいは脱窒を防止するために、０．１〜３ｋＰａの窒素ガスを導入することが好ましい。
【００１８】
本発明のサーメットは、含有される所定量のＺｒ，Ｈｆと酸素が耐塑性変形性、耐溶着性などを改善して耐摩耗性を向上させる作用をし、昇温中または焼結中の高温領域で導入する窒素ガス雰囲気が、酸素を低減させてＺｒとＨｆの添加量に見合った酸素の含有量に調整する作用をしているものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のサーメットは、従来のＺｒ，Ｈｆ化合物を含有したサーメットに比べて、酸素の含有重量％が調整されているために耐欠損性と耐摩耗性が同時に改善され、工具寿命が向上すると言う効果がある。
【実施例１】
【００２０】
市販されている平均粒径が１．０〜１．５μｍのＴｉＣ，ＴｉＣ0.5Ｎ0.5，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ2Ｃ，ＷＣ，ＴａＣ，ＺｒＣ，ＺｒＮ，ＨｆＣ，ＨｆＮ，Ｃｒ2Ｎおよび平均粒径が０．０２μｍのカ−ボンブラック（Ｃと略記）の各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにヘキサン溶媒、超硬合金製ボールと外掛けで３重量％のパラフィンワックスを挿入し、４８時間の混合および粉砕を行った後、加熱により溶媒を蒸発させて乾燥した混合粉末を得た。
【００２１】
これらの粉末をＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８形状用の金型に充填し、２００Ｍｐａの圧力でもってプレス成形して圧粉体を作製し、カーボン粉末を塗布したカーボン板上に設置して焼結炉内に挿入した。そして、表１に併記した雰囲気の条件番号（条件の詳細は表２に示す。）の条件内容に従って５℃／ｍｉｎの速度で昇温した。１３５０℃からはすべての試料番号について、１ｋＰａのＮ2ガスを導入し、表１に併記した温度で１時間の加熱保持を行って、本発明品１〜７および比較品１〜７のサーメットチップを得た。
【００２２】
【表１】
2007262504.tif 000002
【００２３】
【表２】
2007262504.tif 000003
注）＊記載した雰囲気処理以外の条件（表２中では「なし」と表示した。）は、５Ｐａの真空を維持する。また、Ｎ2の表示は、窒素ガスを導入し、所定の圧力を維持して窒素ガスを流す。
【００２４】
まず、得られた本発明品１〜７および比較品１〜７のサーメットチップの各１個について、＃２３０のダイヤモンド砥石で全面を０．２ｍｍの深さに研磨し、超硬合金製乳鉢中で１００＃以下に粉砕し、酸素分析装置で酸素の含有重量％を測定した。その結果を表３に示す。また、表１の配合組成から算出したＺｒとＨｆの合計、およびＯの下限を求める式：０．１０＋０．２×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）から算出したＯの下限およびＯの上限を求める式：０．１５＋０．３×（０．２６×Ｚ＋０．１５×Ｈ）から算出したＯの上限を表３に併記した。
【００２５】
【表３】
2007262504.tif 000004
【００２６】
表３の酸素分析結果によれば、本発明品は、Ｏの実測値が、式から算出されるＯの下限からＯの上限までの範囲にあるが、比較品は、Ｚｒの含有重量％：ＺとＨｆの含有重量％：Ｈとの合計：Ｚ＋Ｈが１≦Ｚ＋Ｈ≦１０の範囲を外れるか、あるいは、Ｏの実測値が、Ｏの下限からＯの上限までの範囲から外れている。
【００２７】
次に、別のサーメットチップの各１個について、＃２３０のダイヤモンド砥石で外周部の１面を０．２ｍｍの深さに研磨し、１．０μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工した後、ビッカース圧子を用いた荷重：１９６Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ１ｃ（ＩＦ法）を測定した。その結果を表４に示す。また、ラップ加工面について、光学顕微鏡と走査電子顕微鏡による観察と組織写真の画像処理を行い、金属結合相，０．２〜１μｍの巣孔，酸化物相（光学顕微鏡で黒色粒子に見える。）の含有体積％を求めて表４に併記した。
【００２８】
【表４】
2007262504.tif 000005
【実施例２】
【００２９】
実施例１で得た本発明品１，２，３，５と比較品１，２，４，５，７のサーメットチップを＃４００のダイヤモンド砥石で上下面と外周を湿式研削し、刃先部に０．１５ｍｍ×−２５°のホーニング加工を施すことによって、ＳＮＧＮ１２０４０８の切削用チップをそれぞれ得た。これらのチップを用いて、被削材：４本溝入り炭素鋼Ｓ４５Ｃ，切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．５ｍｍ，送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式の断続旋削試験を行った。そして、刃先が欠損，チッピングを発生するか、あるいは、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍに達するまで時間を測定した。その結果を表５に示す。
【００３０】
【表５】
2007262504.tif 000006
【００３１】
表５の結果を見ると、比較品が塑性変形に伴う急激な摩耗やチッピング、欠損を起こし易いのに対して、本発明品は正常な摩耗や微少なチッピングが進行するために、長寿命となっている。