(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの群から選択された少なくとも１種を基とした硬質構成材と、この硬質構成材を囲むＣｏバインダー相とを含有する焼結チタニウム基炭窒化物合金から成る切削工具インサートであって、
前記合金は厚さ５〜６０μｍの窒素の豊富な表面領域を有し、
該窒素の豊富な表面領域は前記Ｃｏバインダー相の含有量が該合金の内部と同一であり、
該Ｃｏバインダー相は該合金の内部から表面まで全面的に分布しており、
該表面はＣｏ含有量が該内部の５０〜１５０％の範囲である、
ことを特徴とする切削工具インサート。
【請求項２】
前記表面のＸ線回折図が、Ｔｉ基硬質相から発生する二組のピークと、Ｃｏ基のバインダー相から発生する一組のピークとを含み、ＴｉＮ（２００）／ＴｉＣＮ（２００）の強度比が＞０．５であることを特徴とする請求項１記載の切削工具インサート。
【請求項３】
不可避的不純物を別にしてチタニウムに加えて、２〜１５原子％のタングステン及びモリブデンの少なくとも１種と、
チタニウム、タングステン及びモリブデンを別にして、０〜１５原子％のＩＶａ族及びＶａ族の少なくとも１種の元素と、
１０〜６０原子％の範囲の平均Ｎ／（Ｃ＋Ｎ）比とともに、５〜２５原子％のコバルトと、
を含有することを特徴とする請求項１または２記載の切削工具インサート。
【発明の詳細な説明】
本発明は、主成分としてチタニウムを有する炭窒化物合金の液相焼結物体に関し、この焼結物体は改良された性質を備えさらに具体的には高い耐摩耗性と耐塑性変形とを組み合わせて持つ鋭い刃先を必要とする切削作業において切削工具材料として使用する。これは窒素雰囲気中でこの材料を熱処理することによって達成することができた。
チタニウム基炭窒化物合金は、サーメットと呼ばれ、金属切削工業界においてはインサート材料として今日十分に確立されていて、特に仕上げ加工用として使用されている。これらは金属バインダー相で取り囲まれた炭窒化物硬質構成物からなる。硬質構成物粒は、別の組成のリムで取り囲まれた芯を有する一般的に複雑な組織である。
チタニウムに加え、ＶＩａ族元素、主にモリブデンとタングステンの双方、時にはクロムを、バインダーと硬質構成材との濡れ性を促進するために、且つ固溶体効果によってバインダー相を強化するために添加する。また、ＩＶａ族元素及び／またはＶａ族元素すなわちＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ及びＴａを、今日入手可能な全ての市販合金に添加する。これらの全ての添加元素は、一般的に炭化物、窒化物及び／または炭窒化物として添加される。硬質構成材の粒径は一般的に＜２μｍである。一般的にバインダー相は、主にコバルト及びニッケルとの双方の固溶体である。バインダー相の量は一般的に３〜２５ｗｔ％である。時には、その上に他の元素例えばアルミニウムが添加され、このアルミニウムはバインダー相を硬化させるため、及び硬質構成材とバインダー相との間の濡れ性を改善させるためと言われる。
ＷＣ−Ｃｏ基材料に比較してサーメットが有する主な利点は、比較的高い耐摩耗性と化学的不活性とが表面被膜を付与することなく達成できることである。この多孔性は、鋭い刃先を必要とする最終仕上げ作業に主に利用され、そして化学的不活性は少ない送りと高い速度で切削するために主に利用される。しかしながら、これらの所望の性質は、靱性と刃の安全性並びに製造容易性を犠牲にして達成される。最も好都合の材料は多量の窒素を含有し（ほとんどが５０％を越えるＮ（Ｎ＋Ｃ）、これが、脱炭に原因する多孔性のために困難であった従来の方法によって焼結することができる。また高窒素含有量が、研磨することを困難な材料にする。研磨加工は鋭くて欠陥の無い刃及び激しい寸法公差を達成するために必要である。理想的には最終仕上げ作業の対して、当業者は製造を簡便にするため窒素含有量を調整して低くした状態であるが、しかしＰＶＤ被膜材料またはＣＶＤ被膜材料のような耐摩耗性を備えるが被膜していないサーメットであることを望んでいる。
米国特許第４，４４７，２６３号は、表面相に全くバインダー相が無いところに、炭窒化物またはオキシ炭窒化物単独またはそれらの組み合わせの耐摩耗性表面相を備えたチタニウム基炭窒化物合金を開示する。この相は、１１００〜１３５０℃でＮ2、ＣＯ及び／またはＣＯ2の雰囲気中で予備圧力のもとでの熱処理によって達成される。
別の例は米国特許第５，３３６，２９２号に示され、この例においては表面層は、少量のバインダー相を含むが、しかしバインダー相が豊富な領域に対して鮮明な界面によって材料内部からは分離されている。この層は、Ｎ2及び／またはＮＨ3場合によってＣＨ4、ＣＯ及びＣＯ2の少なくとも１種と組み合わせ雰囲気中で、１１００〜１３５０℃で１〜２５時間大気圧またはそれより高い圧力の雰囲気での熱処理によって達成される。
焼結されたチタニウム基炭窒化合金を提供することが本発明の目的であり、この合金は高窒素含有量であり５〜６０μｍの厚い表面領域を得るために熱処理が施される。この熱処理は、焼結サイクルの冷却する過程に含まれる処理工程として、または別の処理工程、例えば任意の研削加工作業が実施されたあとの最終製造工程として、実施される。
図１は、本発明のインサートの一部を示す２０００Ｘの顕微鏡写真である。
図２は、本発明のインサートの一部のＣｏ、Ｎ、Ｗ、Ｔｉ及びＣのＥＭＰＡ（電子マイクロプローブ分析）の線走査である。
図３は、本発明のインサートの熱処理した表面のＸ線回折図である。
本発明の焼結したチタニウム基炭窒化合金は、２〜１５原子％好ましくは２〜６原子％のタングステン及び／またはモリブデンを含有する。この合金は、チタニウムを別にして０〜１５原子％のＩＶａ族及び／またはＶａ族の元素、好ましくは０〜５原子％のタンタル及び／またはニオブを含有する。バインダー相形成元素としては、５〜２５原子％好ましくは９〜１６原子％のコバルトを添加する。この合金は、１０〜６０原子％好ましくは１０〜４０原子％の範囲にあるＮ／（Ｃ＋Ｎ）を有する。Ｃ、Ｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ及びＣｏを別にして、最も好ましい元素が任意に添加しない。５〜６０μｍ好ましくは１５〜５０μｍ最も好ましくは２０〜４０μｍに厚い表面領域において、窒素含有量が表面に向かって減少する。この豊富さは、主に熱処理の際に形成されるＴｉＮ粒の存在のためであり、Ｘ線回折によって識別できる。これらのＴｉＮ粒は別々に成長することができるが、しかしエピタキシャルにも成長することができ、炭窒化物粒を取り囲み少なくとも部分的に外側殻を形成する。さらに、窒素の豊富な領域は、本体とほぼ同一であり、そして表面まで全面的に分布するバインダー相含有量を有する。表面のコバルト含有量は、表面に向かうＣｏ勾配が熱処理以前に存在するか否かに依存して、本体の体積の５０〜１５０％、好ましくは７５〜１３０％、最も好ましくは９０〜１２５％である。すなわち、この豊富領域は被膜でなく、且つ硬質相の層のない実質的にバインダー相を含まない。別の実施例において、この表面領域のおけるＣｏ含有量は、物体の内部と実質的に同一である。表面のＸ線回折図は、Ｔｉ含有硬質相が顕著なピークとして示され、一つはＴｉＮから発生するピークあり、もう一つのピークは混合された立方炭窒化物相から発生するものである。ＴｉＮ（２００）／ＴｉＣＮ（２００）の強度比は、＞０．５好ましくは＞１最も好ましくは＞１．５である。同一の回折図に、Ｃｏ基バインダー相から発生する顕著なピークも観察される。
この合金は、不可避的不純物を別にして、ニッケル及び／または鉄を含む必要はない。これらのより高水準のバインダー形成元素のために、所望の顕微鏡組織を製造することはできない。代わりに、実質的にバインダー相の無し硬質相表面層が形成される。この層は、高価な被膜作業の代わりにとして先の発明者によって示されるが、しかしＣＶＤ被膜及びＰＶＤ被膜に比較して劣った性質を備える。
本発明の別の態様では、焼結した炭窒化物合金が提供され、その合金においては炭化物、炭窒化物及び窒化物の粉末がＣｏと混合され規定の組成にされて、そして所望の形のグリーン物体に加圧成形される。真空中でまたは制御されたガス雰囲気中で、１３７０〜１５００℃の温度範囲において、好ましくはスウェーデン特許第９７０１８５８−４号に記載の技術を使用して、グリーン物体は液相焼結される。焼結温度から直接の冷却工程または、別工程として、インサートを、１１５０〜１２５０℃の温度で、５００〜１５００ミリバール好ましくは１０００〜１５００ミリバールの窒素ガスからなる雰囲気中で、１〜４０時間好ましくは１０〜２５時間の間熱処理するかのいずれかである。
上記の特別な組成に対して全く驚くべきことが判明し、硬質相の表面層を得ることなくサーメットの化学的不活性、耐摩耗性及び耐塑性変形性を強化するために、脱炭を用いることが可能である。この理由は、比較的高い窒素圧力の炉内で、Ｃｏ基バインダー層における表面からの窒素拡散がチタニウムの拡散よりもかなり早いことにあることが判明した。この理由で、ＴｉＮが表面よりもむしろ材料内部に核生成する。表面から所定の深さでのＴｉＮの形成速度は、その深さでの窒素活性度によって決定される。Ｔｉは、硬質相粒の縁から最も顕著に取り出される。すなわち、この縁が少なくともある程度溶解され、粒径の減少をもたらす。この縁からの過剰なＶ族とＶＩ族との元素が、表面から拡散して、そして材料の内部に存在している硬質相粒子に再析出する。後者の再析出過程によって、ほんの僅かにバインダー相が豊富な窒化表面領域が、少なくとも比較的長い処理時間の間に現れることができる。もしこれが望ましくない場合は、熱処理前にインサートの表面領域に調整されたバインダー相の枯渇を形成することによって、逆に作用させることができる。これは上記特許明細書に記載された技術を用いることによって、好ましく実行される。かなりの量の鉄とニッケルとをこの合金に添加すると、バインダー相中のチタニウムの溶解度は劇的に増加する。同様にこれはチタニウムの拡散速度を増加させ、その代わり硬質相の表面層が形成される。
この処理は焼結する雰囲気中の反応ガスによって制御されるので、この雰囲気で不活性にされた表面上にインサートを配置することは、明らかな利点である。この優れた実施例は、ＷＯ９７／４０２−０３に記載されるようにイットリアで被覆されたトレーである。
実施例１
４０．７％のＴｉ、３．６％のＷ、３０．４％のＣ、１３．９％のＮ及び１１．４％のＣｏの化学組成を有する粉末混合物が、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＷＣ及びＣｏの原材料粉末から製造された。Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）及びＷＣの粉末の平均粒径は、１．４μｍであった。この粉末混合物は、湿式混合されて乾燥され、そして形式ＴＮＭＧ１６０４０８−ＰＦのインサートのグリーン物体に加圧成形された。この物体は、１４３０℃で９０分間１０ミリバールのＡｒ雰囲気中で液相焼結された。この焼結過程において材料全体に巨視的なＣｏ勾配を達成するために、液相バインダー層が中心部に形成されて表面に向かって伝播する逆方向溶融を備える技術が使用され、表面のＣｏ含有量は合金中心部の含有量の８５％であった。この方法はスウェーデン特許第９７０１８５８−４号に記載される。この工程の冷却する過程には、窒化工程が物体が１０１３ミリバールの窒素ガス中で１２００℃で２０時間の熱処理が成されることが含まれる。
インサートの研磨された横断面は標準冶金的技術で準備され、光学顕微鏡と電子顕微鏡の解析（ＥＭＰＡ）とによって特徴を示された。光学顕微鏡は、インサートが図１のブロンズ色の約４０μｍの厚い表面層が黄金色であることを示した。図２は、材料の表面から５００μｍまでの範囲のＣｏ、Ｎ、Ｗ、Ｔｉ及びＣのＥＭＰＡの線走査分析を示す。明らかに、約３０μｍの厚い表面領域に、窒素含有量が実質的に表面に向かって増加し、Ｔｉ含有量はＷとＣ含有量が減少するまで増加する。同じ領域において、Ｃｏ含有量は増加して表面でバルク量の約１２５％に達する。図３は熱処理された表面のＸ線回折を示す。明らかに、所定のＴｉ基硬質相が二つの異なるピーク系で上昇し、ＴｉＮから発生したものは、炭窒化物相から発生したもう一つのもののほぼ２倍の強度を有した。回折図にはＣｏピークも示される。
実施例２（比較例）
性能試験の参照として、ＴＮＭＧ１６０４８−ＰＦインサートは、原子％で８．３％のＣｏ、４．２％のＮｉ、３４．８％のＴｉ、２．５％のＴａ、０．８％のＮｂ、４．２％のＷ、２％のＭｏ、２６．６％のＣ及び１６．６％のＮからなる粉末混合物から製造され、そして従来の方法で液晶焼結された。これらのインサートは、約４μｍの厚みのＴｉ（Ｃ、Ｎ）層と、１μｍ未満の厚みのＴｉＮ層とで物理蒸着技法（ＰＶＤ）を使用して被膜された。これは、旋削加工に対してＰ２５の範囲以内の十分に確立されたＰＶＤ被膜サーメット等級であった。
実施例３
実施例１及び実施例２のインサートの耐摩耗性と耐塑性変形性を調査するために、長さ方向の旋削加工作業が実施された。工具寿命は、塑性変形または０．３ｍｍを越える逃げ面摩耗による刃の破損である。一つの試験は、主に耐摩耗性を試験するために冷却剤とともに実施された。もう一つの試験は、主に耐塑性変形性を試験するために冷却剤無しで実施された。工具寿命に達するに必要な時間は、各切れ刃に対して測定された。各試験において、バリアント当たり３個の刃が試験された。速度は２７５ｍ／分であり、送りは０．２ｍｍ／回転であり、切り込み深さは２ｍｍであり、そして工作物材料はＳＳ２５４１であった。結果を以下の表１に示す。
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結果を比較すると、窒化処理工程は耐摩耗性と耐塑性変形性の双方を劇的に改良した。窒化工程を除いた本発明にしたがう未被膜インサートは、この試験に含まれているために意味のないことであることに注目すべきである。冷却剤のない耐塑性変形性は１〜３分以上持ちこたえるためには不十分である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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