(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｏおよび／またはＮｉを主体とする結合相５〜３０重量％で硬質分散相を結合してなるＴｉＣＮ基サーメットにおいて、前記硬質分散相内に平均粒径が１〜６０ｎｍのＴｉＮ微粒子が分散していることを特徴とするＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項２】
電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記硬質分散相が、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ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有芯構造をなすとともに、前記周辺部内に前記ＴｉＮ微粒子が分散していることを特徴とする請求項１記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項３】
前記ＴｉＮ微粒子を含む硬質分散相が、硬質分散相全体に対して３０面積％〜８０面積％の割合で存在することを特徴とする請求項１または２記載のＴｉＣＮ基サーメット。
【請求項４】
ＴｉＣＮ粉末と、ＴｉＮ粉末と、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、ＺｒおよびＮｂのうちの１種以上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種と、金属Ｗ粉末と、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末を混合した混合粉末を成形した後、室温から８００〜１１００℃の第１の焼成温度まで昇温し、前記第１の焼成温度から１３００℃までを０．１℃／ｍｉｎ〜３℃／ｍｉｎで昇温し、ついで、１３００℃から１４００〜１５００℃の第２の焼成温度まで５℃／ｍｉｎ〜１５℃／ｍｉｎで昇温して保持し、さらに、１５００〜１６００℃の第３の焼成温度まで４℃／ｍｉｎ〜１４℃／ｍｉｎの範囲内で前記第２の焼成温度に昇温したときの昇温速度より遅い速度で昇温して保持し、前記第３の焼成温度から１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ〜２０℃／ｍｉｎで降温し、さらに１０００℃から室温まで降温する条件で焼成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５】
前記混合粉末中に平均粒径５μｍ以下の金属Ｗ粉末を０．５〜１．２重量％の割合で添加することを特徴とする請求項４記載のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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基サーメットとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
耐摩耗性工具や切削工具用合金として超硬合金（ＷＣ基焼結合金）が知られているが、鉄鋼の切削におけるクレータ摩耗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提案されている。
【０００３】
また、ＴｉＣＮ基サーメットにおいては、その機械的特性に最も影響を与える硬質分散相を芯部と周辺部からなる２重もしくは３重の有芯構造とすることにより、硬度及び靱性を向上できることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の有芯構造からなる硬質分散相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。
【０００５】
本発明は上記従来の技術で解決し得なかった課題を解決するためのもので、その目的はＴｉＣＮ基サーメットの破壊靱性の向上により更なる耐熱衝撃性および耐欠損性の向上を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題に対し、有芯構造を呈する硬質分散相の組織構成について検討した結果、前記硬質分散相内に平均粒径が１〜６０ｎｍのＴｉＮ微粒子を分散せしめることによって耐熱衝撃性、耐欠損性が向上することを知見した。
【０００７】
すなわち、本発明のＴｉＣＮ基サーメットは、Ｃｏおよび／またはＮｉを主体とする結合相５〜３０重量％で硬質分散相を結合してなるＴｉＣＮ基サーメットにおいて、前記硬質分散相内に平均粒径が１〜６０ｎｍのＴｉＮ微粒子が分散していることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記硬質分散相が、ＴｉＣＮからなる芯部と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ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有芯構造をなすとともに、前記周辺部内に前記ＴｉＮ微粒子が分散していることが望ましい。
【０００９】
また、電子顕微鏡写真にて観察した場合、前記ＴｉＮ微粒子の平均粒径が１〜６０ｎｍであること、前記ＴｉＮ微粒子を含む硬質分散相が、硬質分散相全体に対して１０面積％〜８０面積％の割合で存在することが望ましい。
【００１１】
さらに、本発明のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法は、ＴｉＣＮ粉末と、ＴｉＮ粉末と、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、ＺｒおよびＮｂのうちの１種以上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種と、金属Ｗ粉末と、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末を混合した混合粉末を成形した後、室温から８００〜１１００℃の第１の焼成温度まで昇温し、前記第１の焼成温度から１３００℃までを０．１℃／ｍｉｎ〜３℃／ｍｉｎで昇温し、ついで、１３００℃から１４００〜１５００℃の第２の焼成温度まで５℃／ｍｉｎ〜１５℃／ｍｉｎで昇温して保持し、さらに、１５００〜１６００℃の第３の焼成温度まで４℃／ｍｉｎ〜１４℃／ｍｉｎの範囲内で前記第２の焼成温度に昇温したときの昇温速度より遅い速度で昇温して保持し、前記第３の焼成温度から１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ〜２０℃／ｍｉｎで降温し、さらに１０００℃から室温まで降温する条件で焼成することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、前記混合粉末中に平均粒径５μｍ以下の金属Ｗ粉末を０．１〜１．２重量％の割合で添加することが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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、その任意箇所についての拡大イメージ像である図１を基に説明する。
【００１４】
図１によれば、本発明のサーメット１は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主体とする結合相２を５〜３０重量％で硬質分散相３を結合した構成からなり、図１によれば、硬質分散相３は、ＴｉＣＮからなる芯部４と、Ｔｉと、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｚｒ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５とから構成される２重有芯構造をなしている。かかる有芯構造をなす硬質分散相３は、粒成長制御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２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。
【００１５】
また、本発明によれば、結合相２の含有量が５重量％より少ないと、靱性の劣化が激しく、耐欠損性が著しく低下し、逆に、結合相２の含有量が３０重量％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。
【００１６】
なお、サーメット１中には上記結合相２、硬質分散相３以外に不可避不純物が含まれていてもよい。また、芯部４は基本的にＴｉＣＮからなるがＴｉ以外の他の金属元素が１０ａｔｏｍ％以下、特に５ａｔｏｍ％以下、さらに２ａｔｏｍ％以下、の割合で含有されていてもよい。また、硬質分散相３は芯部４と周辺部５からなる２重有芯構造であるが、芯部３と周辺部５の間に周辺部５とは異なる構成からなる他の周囲部が存在する３重有芯構造をなすものであってもよい。
【００１７】
本発明によれば、図１に示されるように硬質分散相３内にＴｉＮ微粒子７が分散してなることが大きな特徴であり、これによって高靭性のＴｉＮ微粒子７がクラックを偏向してクラックの進展を抑制する結果、硬質分散相３の耐熱衝撃性と耐欠損性が向上するという効果が得られる。
【００１８】
さらに、ＴｉＮ微粒子７は硬質分散相３内の芯部４または周辺部５のいずれに存在していてもよいが、ＴｉＮ微粒子７のなじみがよく剥離等を生じない点で周辺部５内に分散することが望ましい。
【００１９】
また、ＴｉＮ微粒子７の粒径は、硬度を向上させるために１〜６０ｎｍとすることが重要であり、特に３０〜５０ｎｍとすることが望ましく、かかる微小な粒径に制御するためにはＴｉＮ微粒子７が焼成中に析出したものであることが望ましい。
【００２０】
さらに、電子顕微鏡写真にて観察した場合、ＴｉＮ微粒子７は四角形や六角形等の多角形形状をなすことがクラックの偏向効果が高まって耐欠損性が向上する点で望ましい。
【００２１】
また、硬度および靭性、耐熱衝撃性を向上させるためには、硬質分散相３全体に対してＴｉＮ微粒子７を含有する硬質分散相３が硬質分散相全体に対して３０面積％〜８０面積％、特に４０面積％〜６０面積％の割合で存在することが望ましい。なお、ＴｉＮ微粒子７を含有する硬質分散相の硬質分散相全体に対する面積％とは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）５×１０4倍で観察したときに、ＴｉＮ微粒子が析出している硬質分散相の面積の割合である。
【００２２】
さらに、クラックの進展を抑制して耐熱衝撃性を向上させるという点で、ＴｉＮ微粒子７は硬質分散相３の周辺部５内に１μｍ2あたり１０個〜１００００個の密度割合で存在することが望ましい。
【００２３】
また、ＴｉＮ微粒子７の結晶方位は該ＴｉＮ微粒子７の周囲を包み込む硬質分散相３の結晶方位とは異なる方位をなすことが、クラックの偏向性がより向上してクラックの進展をより抑制できる点で望ましい。なお、粒子の結晶方位は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の制限視野電子線回折像にて解析することができる。
【００２４】
（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。
【００２５】
まず、ＴｉＣＮ粉末とＴｉＮ粉末、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、ＺｒおよびＮｂのうちの１種以上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粉末を混合して混合粉末を調整する。
【００２６】
本発明によれば、上記混合粉末に対して、平均粒径５μｍ以下の金属Ｗ粉末を０．５〜１．２重量％の割合で添加することが、上述した所定の形状、サイズ、密度のＴｉＮ微粒子を硬質分散相中に析出、分散せしめる点で重要である。
【００２７】
そして、上記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。
【００２８】
次に、本発明によれば、下記の条件にて焼成することにより、上述した所定の形状、サイズ、密度のＴｉＮ微粒子を硬質分散相中に析出、分散させることができる。焼成条件としては、（ａ）例えば、圧力が１Ｐａ〜１５Ｐａの真空中で室温から８００〜１１００℃の第１の焼成温度まで昇温する。（ｂ）前記第１の焼成温度から１３００℃までを０．１℃／ｍｉｎ〜３℃／ｍｉｎ昇温する。（ｃ）ついで１３００℃から１４００〜１５００℃の第２の焼成温度まで５℃／ｍｉｎ〜１５℃／ｍｉｎで昇温して（ｄ）特に０．５〜３時間保持し、（ｅ）さらに１５００℃〜１６００℃の第３の焼成温度まで４℃／ｍｉｎ〜１４℃／ｍｉｎの範囲内で前記第２の焼成温度に昇温したときの昇温速度とは異なる速度で昇温して、（ｆ）その温度を特に０．５〜２時間保持し、（ｇ）前記第３の焼成温度から１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ〜２０℃／ｍｉｎで降温し、（ｈ）さらに１０００℃から室温まで降温する、（ａ）〜（ｈ）の条件にて行うことが重要である。
【００２９】
すなわち、上記焼成条件のうち、（ｂ）の昇温速度が０．１℃／ｍｉｎより遅いと炭素の一部が揮発してしまいＴｉＮ微粒子が析出せず、逆に（ｂ）の昇温速度が３℃／ｍｉｎより速いと炭素の硬質分散相への固溶が十分に進行せず、ＴｉＮ微粒子が析出せず焼結不良となる。また、（ｃ）の昇温速度が５℃／ｍｉｎより遅いと、表面付近のＴｉＮ微粒子が存在する硬質分散相の成長が不充分となり、耐摩耗性が低下し、逆に（ｃ）の昇温速度が１５℃／ｍｉｎより速いと表面付近の硬質分散相が過剰に増加することで、耐欠損性が低下する。また、（ｃ）工程においては窒素分圧０〜１３５０Ｐａ下で焼成することが表面状態が荒れることなく焼結体全体が緻密化する点で望ましい。
【００３０】
本発明によれば、上記焼成工程のうち（ｃ）〜（ｆ）工程のように１４００〜１６００℃の間に第２の焼成温度と第３の焼成温度との２つの保持温度およびその温度にいたる昇温速度を上記のとおりに制御することによって、焼結体表面にボイドが発生する等の不具合なく焼成でき、かつ、硬質分散相内にＴｉＮ微粒子を分散せしめることができる。すなわち、第２の焼成温度において、ＴｉＣＮ粉末と金属Ｗ粉末とが反応してＴｉＮ＋ＷＣを析出せしめることができるとともに、各昇温速度を上記範囲とすることによって局部的な過焼結や金属粉末の溶融、蒸発を抑制して均質で制御された特性を有するサーメットを作製することができる。また、（ｇ）の降温速度が１０℃／ｍｉｎより遅いと、表面付近の結合相が揮散し焼肌にボイドを発生させる。逆に（ｇ）の降温速度が２０℃／ｍｉｎより速いとＴｉＮ微粒子が析出せず焼結体表面付近に異常粒成長が起こり、破壊源となる。
【００３１】
【実施例】
（実施例）  平均粒径１．０μｍのＴｉＣＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ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２．０μｍ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２．４μｍのＮｉ粉末、平均粒径１．９μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．４μｍの金属Ｗ粉末、平均粒径１．０μｍのＣ粉末を用いて表１に示すような成分組成に配合し、これをステンレス製ボールミルと超硬ボールを用いて、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）にて湿式混合し、パラフィンを３重量％添加、混合した後、この混合粉末を２００ＭＰａでＣＮＭＧ１２０４０８にプレス成形し、表１に示す条件で焼成した。
【００３２】
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、得られた切削工具で下記条件にて耐欠損性を評価する切削評価をおこなった。また、各試料について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、硬質分散相中のＴｉＮ微粒子の有無、存在状態を確認した。さらに、各試料の破壊靭性（ＫiC）を測定した。結果はそれぞれ表２に示した。
切削条件
切削方法：旋削
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
送り    ：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ
切込み  ：２．０ｍｍ
被削材  ：ＳＣＭ４３５  ４本溝付き
切削状態：湿式（エマルジョン）
上記の切削条件において、切削工具が欠損するまで切削しつづけて、欠損するまでの切削時間を測定した。
【００３３】
【表１】
0004172754.tif 000002
【００３４】
【表２】
0004172754.tif 000003
【００３５】
表１より、硬質分散相の周辺部に平均粒径が１〜６０ｎｍのＴｉＮ微粒子の存在を確認できた試料Ｎｏ．１〜６では、破壊靭性が１０．０よりも高い値で、切削寿命が６５秒以上と長かった。
【００３６】
これに対して、硬質分散相の周辺部にＴｉＮ微粒子が確認できなかった試料Ｎｏ．８〜１０では、破壊靭性も９．０以下と低い値をとり、切削寿命がすべて５０秒以下と短かった。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のＴｉＣＮ基サーメットによれば、所定の比率からなる硬質分散相と結合相のうちの硬質分散相内に平均粒径が１〜６０ｎｍのＴｉＮ微粒子を分散せしめることによって、硬質分散相の破壊靭性を向上させることができるとともに、熱膨張係数を低めて熱履歴に対する耐久性を高めることができる結果、サーメットの耐熱衝撃性、耐欠損性が向上する。
【００３８】
また、本発明のＴｉＣＮ基サーメットの製造方法によれば、ＴｉＣＮ粉末と、ＴｉＮ粉末と、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、ＺｒおよびＮｂのうちの１種以上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種と、金属Ｗ粉末と、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末を混合した混合粉末を成形した後、室温から８００〜１１００℃の第１の焼成温度まで昇温し、上記第１の焼成温度から１３００℃までを０．１℃／ｍｉｎ〜３℃／ｍｉｎで昇温し、ついで、１３００℃から１４００〜１５００℃の第２の焼成温度まで５℃／ｍｉｎ〜１５℃／ｍｉｎで昇温して保持し、さらに、１５００〜１６００℃の第３の焼成温度まで４℃／ｍｉｎ〜１４℃／ｍｉｎの範囲内で上記第２の焼成温度に昇温したときの昇温速度より遅い速度で昇温して保持し、上記第３の焼成温度から１０００℃までを１０℃／ｍｉｎ〜２０℃／ｍｉｎで降温し、さらに１０００℃から室温まで降温する条件で焼成することから、硬質分散相内にＴｉＮ微粒子が分散したＴｉＣＮ基サーメットを容易に製造することができ、もって破壊靭性が大きく、熱履歴に対する耐久性の高いＴｉＣＮ基サーメットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＴｉＣＮ基サーメットの任意箇所における拡大イメージである。
【符号の説明】
１：ＴｉＣＮ基サーメット（サーメット）
２：結合相
３：硬質分散相
４：芯部
５：周辺部
７：ＴｉＮ微粒子
【図１】
0004172754.tif 000004