JPH07508312A - タフネス及び／或いは摩耗抵抗の改良された極端に微細な粒状の焼結チタン基炭窒化物合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 タフネス及び／或いは摩耗抵抗の改良された極端に微細な粒状の焼結チタン基炭 窒化物合金 本発明は主成分としてチタンを有する、好ましくは金属切削用途に向けられた焼 結炭窒化物合金に関する。

チタン基炭窒化物合金、通常サーメットと称される合金は、高切削速度で仕上加 工するのに多用される切削工具の材料として充分に確立されている。つい最近に は、この合金の用途は、例えば一段と脆いタングステン基硬質材料に較べ一段と タフネスを要する用途に向けて拡張されており、この用途拡張は、例えばサーメ ット合金中のバインダ相と窒素の含有量を高めることにより可能にしている。

タフネスを高める別の方策はスウェーデン特許出願第９００４１２１−１号に開 示されており、それでは極端に微細な粒状合金をメルトで冶金学的に製造した金 属間プレアロイ（インターメタリックプレアロイ）を用いて作成される。

チタン基炭窒化物合金の焼結中には、溶体析出が生じる。結果として、この種の 合金の非常に普遍的な組織はコアーリム構造の硬質成分グレンである。この分野 の昔の特許には米国特許第３．９７１．６５６号かあり、これはＴｉとＮに富ん だコアとＭｏ、　Ｗ及びＣに富んだリムを開示している。充分にバランスのとれ た割合になるコアーリム構造の適当な組合せによって、抵抗、タフネス及び／或 いは塑性変形に関する最適の特性をスウェーデン特許出願第８９０２３０６−３ 号に開示の通りに得ることか出来る。

スウェーデン特許出願第９１０１３８５−４号は相対的に微細な粒状母材中にコ アーリム構造の相対的に粗いグレンを含む組織のチタン基炭窒化物合金を開示し ている。

ＥＰ−Ａ４４７３８８とＥＰ−Ａ４６４３９６は金属酸化物や金属それ自体の浸 炭浸窒化によって直接に炭窒化物を製造する方法を開示している。

本発明によれば、５Ｅ９００４１２１−１に係る材料の特性をタフネス強度と摩 耗抵抗に関して更に改良することが出来ることが判明した。原プレアロイ粉末に 相対的に粗い粒状の硬質成分を追加することにより原プレアロイ材に較へ摩耗抵 抗が向上した及び／或いはタフネス強度が著しく向上した材料が得られる。

図１は本発明に係る合金のミクロ金属組織を５０００倍の倍率で示す。

図２は本発明に係る合金の別の例のミクロ金属組織を５０００倍の倍率で示す。

図において、Ａは集塊、Ｂは母材（マトリックス）及びＣは遷移域を表す。

本発明により、今や７Ｏ−９７ｖｏ１．％の硬質構成物質であって、この物質中 ではチタンが支配的に占める硬質構成物質形成物である、即ち５０モル％を越え る金属元素がチタンである、斯＼る構成の硬質構成物質を有する合金が提供され るに至った。その他に存在する金属はＺｒ、　Ｈｆ、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｃ ｒ、　Ｍｏ及び／或いはＷである。　Ｆｅ、　Ｎｉ及び／或いはＣｏ基、好まし くはＮｉ及び／或いはＣｏ基のバインダ相には少量のＡＩを通常は存在させても よい。

本発明に係る材料は２工程で製造される。その第１の工程としては、上記の５Ｅ ９００４１２１−１に開示されているように、Ｃ，Ｎ、Ｂ及び／或いは○を意図 的に添加していない硬質構成物質形成用とバインダ相形成用の金属のプレアロイ （ｐｒｅａｌｌｏｙ）を鋳込んで、原子スケールにおいて混合された２種の該形 成用金属の脆性金属間相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ　ｐｈａｓｅｓ）の鋳造 プレアロイを製造する、斯５る鋳込み工程を含む方法によって作成される。この プレアロイを次に＜５０μｍのグレンサイズの粉末に粉砕する。得られた粉末は 、次に浸炭浸窒化により原位置（ｉｎ　５ｉｔｕ）で極端に微細な５０．１μｍ 径の粒状になった硬質構成物質粒子がバインダ相金属内に存在する斯Ｎる組織の 生成物となる。このようにして、プレス処理用の粉末が得られるが、このプレス 用粉末には非常に溶融温度が高く、その結果としてメルト冶金学的処理が難しい 斯＼る相思外の粉末添加物は存在しない。従って、このように製造された粉末は ５０．１μｍの微細に粒化した粒子に特徴がある。

第２の工程では、本発明に係る別の硬質構成物質が加えられるが、これは焼結状 態におけるユニークな組織により得られる材料に特別の物性を付与する。この追 加される硬質構成物質は、元素の周期律表のＩＶ、Ｖ及び■族の金属の炭化物、 窒化物及び／或いは炭窒化物、好ましくはＴｉ　（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ、　Ｔａ） 　Ｃ，（Ｔｉ、　ＴａＸＣ，Ｎ）、（Ｔｉ。

ＷＸＣ，Ｎ）、　（Ｔｉ、　Ｔａ、　Ｖ）（Ｃ，Ｎ）及び／或いは（Ｔｉ、　Ｔ ａ、　Ｗ）（Ｃ，Ｎ）等から焼結合金の所望特性プロフィルによって選定された ものを含む。

この追加される硬質構成物質粉末は狭いサイズ分布で、化学的純度が高い等軸グ レンを本質的に有し、好ましくは金属の酸化物や金属それ自体の浸炭浸窒により 直接的に製造される。第１工程で得られた粉末との混合は過度の粉砕（ミリング ）を避けるために非常に注意深く行くべきである。良好な混合を行う１つの方法 は追加の硬質構成物質粉末を先ず別の工程で非集塊化しておき、次いで従前式ド ライミキサーで混合するものである。別の方法はこの粉末をミリング時間の終了 間際に加えるものである。

更に摩耗抵抗が高められた事例では、支配的な量の追加硬質構成物質が２０−２ ００μｍ１好ましくは４０−８０μｍの直径の集塊として添加され、この集塊を 砕かれないように注意して良好な混合状態にする。

更に、焼結の後に追加硬質構成物質かく１μｍのプレアロイ母材の平均グレンサ イズより　］、、５５１１５倍好ましくは１．５−５倍の平均グレンサイズを有 するように追加硬質構成物質のグレンサイズを選定する。追加硬質構成物質粉末 の適切なグレンサイズは結果としては０．８−５μｍ、好ましくは０．８−３μ ｍである。

追加硬質構成物質の適切な含有量はプレアロイ粉末の１０−５０ｗ、　ｔ、％、 好ましくは２０−４０ｗ、ｔ、％である。

プレアロイ粉末と追加構成物質の粉砕混合物はスプレィドライ処理、加圧処理及 び焼結処理等の公知方法を用いて切削インサートを製造するのにその材料として 適用される。

本発明に係る材料の焼結された金属組織は図】に示されており、これは第１の硬 質構成物質粒子がコアーリム構造になる非常に微細な粒状にプレアロイ化した母 材（マトリックス）に特徴がある。第２の、即ち追加硬質構成物質のグレン（黒 色に見える）はプレアロイ母材に良く分散されているが、その原特質を保持して いる、即ち本質的にリムを有しておらず、その原形態、原化学組成及び原グレン サイズのままである。

図２は別の事例のミクロ組織を示している。Ａは微細粒状マトリックス（母材） Ｂ中のバインダ相の充填された集塊である。図１に示すように、この集塊の硬質 構成物質はリムに欠けており、その原形態、原化学組成及び原グレンサイズを維 持している。集塊はバインダ相の欠乏した数μｍｍ領領域によって囲まれている 。

本発明に係る切削インサートは優れた摩耗抵抗を呈すだけでなく、優れたタフネ ス特性を有している。これには幾つかの理由がある追加硬質構成物質を所定の硬 質材料組成物に加えることは硬質構成物質をその分だけ増大させると共に、総バ インダ相をそれに応じて低減させ得ることを意味し、これが必然的に摩耗抵抗を 増大させる。

この場合に併せて増大するタフネス強度は得られた結果の組織による可能性かあ る。既述のように、追加硬質構成物質の平均グレンサイズは微細粒状プレアロイ のグレンサイズより大きい。しかし、これは硬質構成物質容積に対しバインダ相 容積を増大させることからタフネスを低下させる反作用として働くことを意味す る。更に、追加硬質構成物質は従来のチタン基炭窒化物において存在するような 形態では存在しない。これは当該硬質構成物質がこの種の合金における脆性相と して知られるリムを殆んど完全に欠いているという意味である。向上するタフネ ス挙動のもう１つの可能な説明は、例えばＴ１Ｃｏ　ｉＮｏ　ｉ或いはＴ１Ｃｏ 、　Ｊｏ、　＋を炭化物に富んだ出発原木：１組成物に添加すると、タフネスの 観点から当然に好ましい相対的に窒化物に富んだ組成になるという事実である。

得られた組織が良好なタフネス挙動をもたらすクラック停止作用を発揮し得る有 利な内部応力を金属Ｔｉ、　Ｔａ、Ｖ、　Ｃｏ及びＮｉのプレアロイを真空誘導 炉において、Ａｒの保護ガス（４００ｍｂａｒ）中で１４５０°Ｃの温度で製造 した。とりへて鋳造して成るインゴットの組成は重量％て表して、Ｔｉ６６、　 Ｔａ８．　Ｖ６゜Ｎｉ８及びＣｏ１２てあった。冷却した後、このインゴットを ６１ｍｍのグレンサイズに粉砕した。得られた粉末はミル媒体液としてパラフィ ンを用いたボールミルで必要なカーボンを添加した状態で５５０８ｍのグレンサ イズに摩砕（ミリング）した。この混合材料をステンレス板上に注いて搭載（７ 、その板を密封炉に入れた。ミル媒体液は１００−３００℃の温度で水素カスを 流すことにより除去された。その後、粉末は窒素ガスの添加により固相において 浸炭浸窒化された。総サイクル時間は処理を遅らせるための３度の真空排気の時 間を含めて７時間であった。浸炭は本質的に５５０−９００°Ｃの温度で生起し た。

次いで最後に生成された炭窒化物は窒素ガス中で冷却された。

最終粉末品の製造は従来方法で実施された。即ち、前記炭窒化物に追加粉末（Ｗ ＣとＭｏ　２Ｃ）を加えて、摩砕し、それを通常のスプレィ乾燥することにより 最終粉末品を得た。

この粉末は原形態で１．４μｍの平均グレンサイズを有する２０ｗ、　ｔ、％の ＴｉＣＮ５０１５０　（ＦＳＳＳ）と湿式混合した。得られた粉末は集塊が解離 していない状態であった。この混合物をボールミルで低い速度で３０分間撹拌し 、それからスプレィ乾燥してプレス可能な粉末が例１に係る追加硬質構成物質を 添加していないプレアロイ粉末（合金Ａ）と、モル％で表してＴｉ６２．４．　 Ｔａ、２．３．　Ｖ４．７．　Ｗ６．２゜Ｍｏ７．　Ｃｏ１０及びＮ＋７．４の 金属組成物とを材料にして、タイプＴＮＭＧ１６０４０８−ＱＦのインサート（ 植刃）を製作した。本発明に係る例１の合金、即ち合金Ａに２０ｗ、　ｔ、％の ＴｉＣＮ５０１５０を添加して成るもの（合金Ｂ）を、上記インサートと同じ形 状寸法のインサート製作のための材料として使用した。両種の合金のインサート を同時に焼結して、同し、エランランウス（ｅｄｇｅｒａｄｉｕｓ）とラウンデ ィング（ｒｏｕｎｄｉｎｇ）を有する製品を得た。両種のインサート品は破損す るまで断続切削工作でテストした。この場合、各種合金製インサートを２０個テ ストし　／二。

最初段階の切削データは以下の通りであった。

Ｖ−１１，０ｍ／分 子　ｏ　＝　０．１１ｍｍ／　ｒｅｖ ａ＝１．５ｍｍ 工作材ｔに５Ｓ２２４４ 送りは全インサートか破損するまで直線的に増大させた。その後に、累積破損頻 度を時間と破損の関数として定めた。特定の送り（ｍｍ／　ｒｅｖ）　ニオケル ５０％値（ｖａｌｕｅ）の破損頻度をタフネス強度のための比較数値として用い た。

結果： 合金Ａ　０．１４５ 合金合金本発明品）　０．２２ 個々の結果を見ると、合金Ｂが２０個中１９個優れていた。従って、上記結果は 充分得心のいくものである。

同じ合金を用いて、摩耗抵抗テストを実施した。テスト１は下記の切削データに よる５Ｓ２５４１の縦旋削工作であった。

Ｖ＝　４００ｍ／分 子　ｏ　＝０．１５＋＋ｕ＋＋／　ｒｅｖａ＝１．０ｍｍ フランク摩耗を連続的に測定した。３回のテストを行った。１５分の係合時間後 のＶＢは下記の表に与えられる。

（１／　１０ｍｍにおけるＶＢ） 平均値 合金Ａ　Ｏ，３５０，３６０，２９０，３３合合金（本発明品）　０．２１　０ ．２４　０．２４　０．２３フランク摩耗は本発明に係る合金Ｂにおいて明らか に顕著に優れている。

同じ工作材片での合金の工具寿命を確定した。工具寿命の判断基準は塑性変形と した。切削データは上述の通りであった。

結果 工具寿命（分） 平均値 合金Ａ　２０　１６　１７．５　１７．８合金Ｂ１本発明品　６３．５　３５　 ２７．５　４２従って、本発明に係る合金は格段と良好な工具寿命を有していた 。

テスト２は下記の切削データによる５Ｓ２２３４のチューブの面旋削時の摩耗抵 抗試験であった。

Ｖ＝　４００ｍ／分 子　＝　０．１５ｍｍ／　ｒｅｖ ａ＝１．ｏｍｍ 係合時間／セクション：０．１１分 所定工具寿命としてＶＢ　＝　０．３ｍｍを選定した。この値には、合金Ａでは １３０セクシヨンの工作（１４，３分に相当）で達したが、本発明に係る合金Ｂ では同じＶＢ値に１８５セクシヨン（２０，４分に相当）の工作後に達した。従 って、合金Ｂにとって有利な顕著な相違が見い出される。完全な工具寿命はこの 工作では試験しなかった。いづれの合金の場合も、この所定ＶＢ値に達した後に は破損しなかった。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ及び／或いはＷに基づく硬 質構成物質と、Ｃｏ及び／或いはＮｉに基づく３−３０％のバインダ相を含有す る金属切削用の焼結チタン基炭窒化物合金において、この合金組織は相対的に微 細な平均グレンサイズが＜１μｍの硬質構成物質を有するマトリックスと、その 中に良好に分散した０．８−５μｍの平均グレンサイズで、コアーリム構造を有 していない粗い硬質構成物質のグレン及び／或いはその集塊とを含み、粗い硬質 構成物質グレンの該平均グレンサイズは該マトリックス中のグレンの平均グレン サイズより＞１．５倍もあり、粗い硬質構成物質の量は該マトリックスの１０− ５０ｗ．ｔ．％であり、該マトリックスは金属間プレアレイを＜５０μｍの粒子 サイズに砕いた粉末にし、これを浸炭浸窒化によりバインダ相金属中において直 径が≦０．１μｍの極端に微細に原位置でグレン化された硬質構成物質が生成さ れている斯ゝる粉末から作られていることを特徴とする焼結チタン基炭窒化物合 金。
2. ２．該粗硬質構成物質グレンが狭いグレンサイズ分布の本質的に等軸形態のもの であることを特徴とする、請求項１に記載の合金。
3. ３．該粗硬質構成物質グレンが金属の酸化物或いは金属それ自体の浸炭浸窒化に より直接生成されていることを特徴とする、請求項１或いは２に記載の合金。
4. ４．該粗硬質構成物質グレンがＴｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔ ａ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ，Ｖ）（Ｃ，Ｎ）及び ／或いは（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）を含むことを特徴とする、請求項１−３ のいづれか１項に記載の合金。
5. ５．合金中の硬質構成物質がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ及 び／或いはＷに基いていて、これがＣｏ及び／或いはＮｉに基づく３−３０％の バインダ相を伴うものである斯ゝる焼結チタン基炭窒化物合金を摩砕、加圧及び 焼結の粉末冶金法によって製造する方法において、 相対的に粗いグレンサイズを有する少くとも１種の集塊化した及び／或いは非集 塊化した硬質構成物質を以下の粉末、即ちＣ，Ｎ，Ｂ及び／或いはＯを意図的に 添加することなく硬質構成物質形成金属とバインダ相形成金属のプレアロイを鋳 造により当該両種の金属が原子のスケールで混合されて成る脆性の金属間相の鋳 造プレアロイを製造し、当該鋳造プレアロイのグレンサイズが＜５０μｍになる 粉末を製造し、そして当該粉末を浸炭浸窒化処理によりバインダ相金属の中に直 径≦０．１μｍの極端に微細にグレン化した硬質構成物質を原位置で生成させる 工程を含む方法によって製造された斯ゝる微粒化硬質構成物質粉末に添加するこ とを特徴とする焼結チタン基炭窒化物合金の製造方法。
6. ６．該粗硬質構成物質グレンが狭いグレンサイズ分布で本質的に等軸形態のもの であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. ７．該粗硬質構成物質グレンが金属の酸化物或いは金属それ自体の浸炭浸窒化に より直接に製造されることを特徴とする、請求項５或いは６に記載の方法。
8. ８．該粗硬質構成物質グレンがＴｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｔ ａ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ），（Ｔｉ，Ｔａ，Ｖ）（Ｃ，Ｎ）及び ／或いは（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）を含む、請求項５−７のいづれか１項に 記載の方法。