(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、Ｔｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物, 窒化物, 炭窒化物から選ばれた１種または２種以上（但し、炭化物のみ、または窒化物のみの組み合わせを除く。）とを合計で７０〜９５重量％と、鉄族金属を５〜３０重量％の割合からなる組成物を焼成してなり、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属を含む結合金属相とから構成されるサーメット母材表面に、周期律表第４ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のうちの少なくとも１種からなる硬質層を被覆してなる硬質層被覆サーメットにおいて、前記母材の結合金属相中に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属が合計で１０〜４０原子％の割合で固溶しているとともに、固溶する周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の原子比による割合が図１の３元図において、下記の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
第４ａ族    第５ａ族    第６ａ族
点Ａ        ８９          １        １０
点Ｂ        ６０          １        ３９
点Ｃ        ６０        ２０        ２０
点Ｄ        ７０        ２０        １０
で囲まれる範囲内にあるとともに、前記硬質層の最下層をＴｉＮ層によって形成したことを特徴とする硬質層被覆サーメット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱衝撃性、耐欠損性、耐摩耗性に優れたサーメットに関し、特に切削工具材料として用いた場合、断続切削性能に優れる硬質層被覆サーメットに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、切削工具材料、耐摩耗工具材料などに周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の複炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属からなる結合金属相によって構成されるサーメットが広く用いられている。かかるサーメットとしては、これまでＴｉＣを主成分とするＴｉＣ基サーメットが主流であったが、このＴｉＣ基サーメットが古くから工具材料として用いられていた超硬合金に比較して靱性が劣るために、この系に窒化物を添加することにより靱性を改善したいわゆるＴｉＣＮ基サーメットが提案された。
【０００３】
このＴｉＣＮ基サーメットの代表例として特公昭５６−５１２０１号が挙げられ、ここでは、（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ）ＣＮからなる硬質相と、Ｎｉ、Ｃｏからなる結合金属相とから構成されるサーメットが開示され、硬質相がＴｉや窒素に富む芯部と、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏおよび炭素に富む周辺部とから構成された有芯構造を呈することが述べられている。
【０００４】
また、硬質相を形成する炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）はサーメットの靱性および硬度を決定する大きな要因であり、最近では窒素を多量に含有させることによりサーメットの靱性を高めようとする試みもなされている。
【０００５】
ところが、最近に至り上記のＴｉＣＮ基サーメットに対してその表面部の組織を換えることにより耐摩耗性や靱性をさらに高めようといった改良がなされている。例えば特公昭５９−１４５３４号では、焼成時に液相出現温度以下で窒素を炉内に導入することによって焼結体表面に靱性に富む軟化層を形成することが、また特公昭５９−１７１７６号では焼成をＣＯを含む還元雰囲気内で行うことにより内部より高硬度の層を形成することが提案されている。
【０００６】
また、これらのサーメットの耐摩耗性をさらに向上させるために、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ2 Ｏ3 などの周期律表第４ａ族元素またはＡｌの酸化物、窒化物、炭化物、炭窒化物などを被覆することも提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のサーメットにおいては、耐摩耗性あるいは耐欠損性のいずれかを改善するにとどまり、双方の特性を満足するには至っていない。特に、高速切削による高温化やそれに伴う熱衝撃などによって、切削工具に対しては、さらに優れた耐摩耗性とともに高靱性化による耐欠損性が要求される。
【０００８】
耐摩耗性については、その表面に硬質層等を被覆することによりある程度は解決できるものの、被覆する母材として靱性が低いと、大きな熱衝撃や機械的衝撃が加わった場合に、硬質層および母材ともに刃先の欠損を引き起こし使用が不可能になることがあった。
【０００９】
よって、本発明は、強靱なサーメットからなる母材表面に硬質層を形成して、耐摩耗性および耐欠損性に優れた硬質層被覆サーメットを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ね、特に母材となるサーメットにおける耐熱衝撃性、耐欠損性を改良するための方法について検討した結果、鉄族金属からなる結合金属相に、硬質相成分の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属を積極的に固溶させることにより、サーメットの耐欠損性、耐熱衝撃性を飛躍的に向上させることができ、それにより硬質層を被覆した場合には、優れた耐摩耗性と耐欠損性を兼ね備えた優れた切削工具となることを見いだし、本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明の硬質層被覆サーメットは、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、Ｔｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物, 窒化物, 炭窒化物から選ばれた１種または２種以上（但し、炭化物のみ、または窒化物のみの組み合わせを除く。）とを合計で７０〜９５重量％と、鉄族金属を５〜３０重量％の割合からなる組成物を焼成してなり、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属を含む結合金属相とから構成されるサーメット母材表面に、周期律表第４ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のうちの少なくとも１種からなる硬質層を被覆してなる硬質層被覆サーメットにおいて、前記母材の結合金属相中に周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属が合計で１０〜４０原子％の割合で固溶しているとともに、固溶する周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の原子比による割合が図１の３元図において、下記の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
第４ａ族    第５ａ族    第６ａ族
点Ａ        ８９          １        １０
点Ｂ        ６０          １        ３９
点Ｃ        ６０        ２０        ２０
点Ｄ        ７０        ２０        １０
で囲まれる範囲内にあるとともに、前記硬質層の最下層をＴｉＮ層によって形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明におけるサーメット母材は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上と、Ｔｉを除く周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物, 窒化物, 炭窒化物から選ばれた１種または２種以上（但し、炭化物のみ、または窒化物のみの組み合わせを除く。）とを合計で７０〜９５重量％と、鉄族金属を５〜３０重量％の割合からなる組成物を焼成してなり、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭窒化物からなる硬質相と、鉄族金属を含む結合金属相とから構成される。
【００１３】
特に、硬質相形成成分としては、Ｔｉの他に更にＷおよびＴａ、Ｎｂを必須成分として含有するのが望ましい。また、該サーメットの硬質相の原子比による組成を〔 (Ｍ1)a  (Ｍ2)b  (Ｍ3)c 〕（Ｃu Ｎv ）z （式中、Ｍ1 は第４ａ族、Ｍ2 は第５ａ族、Ｍ3 は第６ａ族元素をそれぞれ示す。）と表した時、
０．７５≦ａ≦０．９５
０．０５≦ｂ＋ｃ≦０．２５
０＜ｂ／（ｂ＋ｃ) ≦０．９５、ａ＋ｂ＋ｃ＝１
０．３０≦ｖ≦０．７０、ｕ＋ｖ＝１
０．８０≦ｚ≦１．０
を満足するものである。特に、Ｍ1 はＴｉを主成分とするもので、Ｍ2 としてはＴａを、Ｍ3 としてはＷを必須とするのが望ましく、さらには、（ａ＋ｂ＋ｃ）に対する (Ｍ1)中のＴｉ量が前記式中のａとして０．８５≦ａ≦０．９２であることが望ましい。
【００１４】
上記組成範囲において、ａが０．７５より小さいか、または（ｂ＋ｃ）が０．２５より大きいと、焼結性が低下し、結合金属相中への遷移金属元素の固溶が不十分となりやすく、ａが０．９５より大きいかまたは（ｂ＋ｃ）が０．０５より小さいと耐欠損性の向上があまり期待できない。また、ｂ／（ｂ＋ｃ）が０．９５を越えると焼結性が低下する傾向にある。
【００１５】
本発明のサーメットにおける大きな特徴は、結合金属相全体に占める第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族金属量が１０〜４０原子％、特に１５〜３５原子％と、従来の一般的なサーメットにおける固溶量（約１〜５原子％）に比較して大きいことにある。この固溶量が１０原子％よりも少ないと固溶強化が不十分となり十分な耐欠損性が得られず、４０原子％を越えると焼結性が低下し耐欠損性が急激に低下する。
【００１６】
特に、固溶する周期律表の第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族の構成比は図１の３元図において、下記の点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
0003850086.tif 000002
で囲まれる範囲内にあることが重要である。
【００１７】
これは、第５ａ族が１原子％未満では耐欠損性、耐摩耗性が不十分となり、２０原子％を越えると焼結性が低下し特に耐欠損性が不十分となるためである。また、第４ａ族が８９原子％を越えると、突発的な欠損が発生し、６０原子％より少ないと塑性変形が大きくなるためである。
【００１８】
一方、サーメット中の窒素量および炭素量は、サーメットの機械的特性、熱的特性を決定する要因として非常に重要であり、特に窒素量が増加するに従い、耐欠損性が向上し、結合金属相への第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族金属の固溶量が増加する傾向にあるが、窒素量が過多になると焼成時の結合金属相との濡れの問題で焼結性が低下するという問題が生じる。よって前記硬質相の組成式において窒素量（ｖ）が０．３より小さいと耐欠損性が不十分となり、０．７を越えると焼結体内にボイドが発生し信頼性に欠き、固溶による強化が不十分となる。望ましくは、０．４≦ｖ≦０．６である。
【００１９】
また、窒素、炭素量のＭ1 、Ｍ2 、Ｍ3 の合量に対する比率（ｚ）が０．８より小さいと焼結性が劣化しボイドが残留し、１．０より大きいと遊離炭素が発生するために強度低下を引き起こす結果となる。望ましくは０．８５≦ｚ≦１．０である。
【００２０】
本発明において結合金属相を形成する鉄族金属としては、Ｎｉおよび／またはＣｏが挙げられ、望ましくはＮｉとＣｏから構成され、特にＣｏ／Ｎｉ＋Ｃｏのモル比が０．５〜０．９であることが耐摩耗性向上の点からよい。
【００２１】
上記の本発明のサーメット母材を製造するための方法としては、例えば、まず前述したＴｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の粉末および鉄族金属粉末を最終焼結体が上述した割合に成るように秤量混合した後にプレス成形、押し出し成形、射出成形等の成形手段で成形後、焼成する。
【００２２】
焼成は、真空中あるいは還元性雰囲気中で１４００〜１８００℃の温度で行う。焼結中の任意の温度において、Ｎ2 、ＣＯ、Ａｒ、Ｈｅなどのガスを０〜７６０Ｔｏｒｒ導入して雰囲気調整を行うこともある。
【００２３】
特に、結合金属相に対する第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族元素の固溶量を前述したように増量させるには、１２００〜１４００℃の液相出現温度前後で保持することで結合金属相中への遷移金属の固溶量を制御でき、その保持時間が長いほど固溶量を増加させることができる。特に０．５〜５時間の範囲が適当である。
【００２４】
また、上記の１２００〜１４００℃の温度域での保持のかわりに、１５℃／ｍｉｎ以下の速度でゆっくり昇温して調整してもよい。また、調合時の炭化物、窒化物、炭窒化物中の含有炭素量、窒素量を調製することでも遷移金属の固溶量を制御できる。
【００２５】
また、焼成最高温度では、焼結体の表面の荒れを抑制するために、焼成温度到達前および到達後０．５〜２時間程は窒素圧１〜１００ｔｏｒｒの雰囲気で焼成した後、真空中で０．１〜１時間程度保持するのがよい。
【００２６】
また、本発明によれば、上記の系に対して特性を改善する目的でさらにＺｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、およびＶ等の炭化、窒化物、炭窒化物等を添加して特性の改善を図ることができる。
【００２７】
また、本発明によれば、上記の構成からなる強靱性を有するサーメットを母材として、その表面に周期律表第４ａ族元素、Ａｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のうちの少なくとも１種からなる硬質層を被覆してなる。具体的には、ＴｉＣ，ＴｉＣＮ，ＴｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ等が好適であり、これらは単層あるいは複数の層により構成することができる。望ましくは、母材側から、最下層をＴｉＮ層とするのがよい。これは、脆化層の生成を抑制すると同時に、付着強度の向上を図ることができるためである。この硬質層は、全体厚みとして、０．５〜１０μｍの厚みで形成するのがよい。
【００２８】
【実施例】
原料粉末としてＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＷＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｍｏ2 Ｃ、ＶＣ、Ｎｉ、Ｃｏの各粉末を用いて組成が表１の割合に成るように秤量混合した後、１．５ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力でＳＤＫＮ１２０３用のフライスチップ形状にプレス成形し、これを真空炉に入れ、窒素圧２０ｔｏｒｒ中で徐々に昇温して１３５０℃での保持時間を表１のように設定し、さらに最高温度で１〜２時間保持し、後半の３０分を真空に戻して保持した後、放冷した。得られた焼結体は、いずれも表面の滑らかな良好な表面を有していた。そして、得られたサーメット焼結体の表面にＣＶＤ法によって、表１に示す層構成からなる硬質層を形成した。
【００２９】
得られたサーメット焼結体に対しては、結合金属相に固溶する第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族金属量を測定した。測定は、焼結体を粉砕後、塩酸で結合金属相のみを選択的に溶解した後、該溶液をＩＣＰ発光分光分析にて定量し、結果は表２に示す。
【００３０】
また、作製した硬質層被覆サーメットに対して、下記に示す切削条件で切削試験を行い、切削性能の確認を行った。欠損までの衝撃回数とフランク摩耗量を調べ結果は表２に示した。
【００３１】
（断続試験）
被削材    ＳＣＭ４４０Ｈ
切削速度  ２００ｍ／ｍｉｎ
切り込み  ２ｍｍ
送り      ０．２６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
（摩耗試験）
被削材    Ｓ５０Ｃ
切削速度  ２５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み  ２ｍｍ
送り      ０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
【００３２】
【表１】
0003850086.tif 000003
【００３３】
【表２】
0003850086.tif 000004
【００３４】
表１、２の結果から明らかなように、結合金属相への固溶量を１０〜４０原子％とし、各遷移金属の固溶比率が点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの範囲にある試料Ｎo.１〜８は、耐欠損性までの衝撃回数も１０００回を越えるものであり、しかも摩耗量も０．１０ｍｍ以下と優れたものであった。
【００３５】
これに対して、結合金属相中への遷移金属の固溶量が４０原子％よりも多い試料Ｎo.１３では焼結性が悪いために耐欠損性、耐摩耗性が大きく劣化し、固溶量が１０原子％よりも少ない試料Ｎo.１２では、一次境界部が異常摩耗した。
【００３６】
また、固溶量が１０〜４０原子％の範囲であっても、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの範囲から逸脱する試料Ｎo.９〜１１では、いずれも本発明品のような優れた耐欠損性と耐摩耗性は得られなかった。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の硬質層被覆サーメットは、母材となるサーメットの結合金属相中に多量の遷移金属を特定比率で固溶させることにより、母材自体の耐欠損性、耐熱衝撃性を大幅に改善し、しかもその表面に硬質層を有することから、切削工具として優れた耐摩耗性を有するとともに、耐欠損性を改善することができ、切削特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の硬質層被覆サーメットにおける結合金属相中の第４ａ族、第５ａ族、第６ａ族金属の固溶量を示す３元図である。
【図１】
0003850086.tif 000005