JPH0288742A - 表面調質焼結合金及びその製造方法並びにその合金に硬質膜を被覆してなる被覆表面調質焼結合金 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、切削工具用部材、耐摩耗工具用部材、耐衝撃
工具用部材又は装飾用部材を含めた主に構造用材料とし
て適した表面調質焼結合金及びその製造方法並びにその
表面調質焼結合金に硬質膜を被覆してなる被覆表面調質
焼結合金に関するものである。

（従来の技術） ＴｉＣ−ＴｉＮ　−Ｎｉを基本組成とするＮ含有のＴｉ
Ｃ基焼結合金は、ＴｉＣ−Ｎｉを基本組成とするＮ無含
有のＴｉＣ基焼結合金に比べて強度及び耐塑性変形性に
すぐれる傾向がある。このことがらＮ含有の゛［ｉＣ基
焼結合金は、例えば切削工具用部材として用いる場合に
は重切削領域又は高送り領域にまで広い範囲で実用でき
る傾向になる。これらの用途領域では、工具部材を低価
格にする必要から焼結合金の表面を研摩又は研削などを
施さないで焼結後の表面状態、所謂焼肌面の状態のまま
で用いる場合がある。

Ｎ含有のＴｉＣ基焼結合金は、焼肌面の状態のままで用
いると、研摩又は研削した面の状態で用いる場合に比べ
て欠損又はチッピングが生じゃずいという問題がある。

このよりなＮ含有のＴｉＣ基焼結合金における表面層の
問題を解決しようとしたものの代表例としては、特開昭
５４−１０１７０４号公報がある。

（発明が解法しようとする問題点） 特開昭５４−１０１７０４号公報は、Ｎ及び／又はＯ含
有のＴｉＣ基焼結合金における焼結合金の表面から０．
００５〜０．２ｍｍまでの硬度が表面から１．Ｏｍｍの
硬度の１．０２（９以下にした焼結合金である。この特
開昭５４−１０１７０４号公報は、焼結合金の全焼結過
程のうち冷却過程のＣｏガス分圧を胃温および焼結過程
のＣｏガス分圧より高くし、表面部における酸素量を内
部における酸素量より多くすることにより、金属結合相
の浸み出しを抑え、表面部と内部における硬さを均一に
し、その結果表面部の硬脆化を解決したものであるけれ
ども、焼結合金中の酸素の濃度勾配を利用するため、酸
素を必須成分としなければならないこと及びそのために
強度及び耐欠損性に対して未だ不充分であるという問題
がある。

本発明は、上記のような問題点を解決したもので、具体
的にはＮ含有のＴｉＣ基焼結合金の表面部と内部におけ
る結合相の平均含有量を、特開昭５４１０１７０４号公
報による方法とは、全く異なる方法により均一にするこ
と、表面部と内部における硬さを均一にすることまたは
、表面部と内部における結合相の含有量と硬さの両方を
均一・にすることにより、強度及び耐欠損性にすぐれた
焼肌面を有するＮ含有のＴｉＣ基焼結合金及びその製造
方法並びにその焼結合金に硬質膜を被覆してなる被覆表
面調質合金の提供を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、焼肌面を有するＮ含有のＴｉＣ基焼結合
金が研摩面又は研削面でなるＮ含有のＴｉＣ基焼結合金
に比べて強度及び耐欠損性に劣るという原因を検討して
いた所、特開昭５４−１０１７０４号公報に記載されて
いるように、確かに表面に結合相が浸み出しその直下に
内部よりも硬質な層が存在するが、その硬質相の厚さは
０．５ｍｍ前後にも及ぶのに対し、結合相の浸み出しに
よる結合相富化層は高々ＩＯμｍ程度であることを見出
した、ずなわち表面部の硬質相の生成は、結合相の浸み
出しが主因ではなく、昇温及び焼結過程における脱窒素
現象が主因であり、この知見に基いて焼結合金の表面部
と内部の結合相量を均一にすることまたは表面部と内部
の硬さを均一にすることにより焼結合金の強度及び耐欠
損性が向上すること、また焼結合金の表面部と内部の結
合相量の均一化と共に硬さを均一化すると、更に強度及
び耐欠損性が向上するという知見を得た。この知見に基
いて、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の表面調質焼結合金は、ＴｉとＣ（炭
素）とＮ（窒素）を必須成分として含有し、他にＺｒ、
　ｌｌｆ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　
Ｗの中の少なくとも１種を含有してなる硬質相７５〜９
５重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする結
合相と不可避不純物とからなる焼肌面を有する焼結合金
であって、該焼結合金の焼肌面から０．０５ｍｍ内部ま
での表面層における結合相の平均含有量が焼結合金の内
部における結合相の平均含有量の０．７〜１．２倍であ
ることを特徴とするものである。

本発明の表面調質焼結合金における焼結合金は、従来の
Ｎを含有したＴｉＣ基焼結合金の成分組成、例えば前述
の特開昭５４−１０１７０４号公報に記載の成分組成な
どすべてが対象になり得るものであるが酸素は必須成分
とはしない。その自焼結合金を構成している硬質相は、
具体的には、例えばＴｉＣ，ＴｉＮ、　Ｔｉ（Ｃ，Ｎｌ
、　　（Ｔｉ、Ｍ）Ｃ，（Ｔｉ、ＭＡＮ。

（Ｔｉ、Ｍｌ　（ＣＮ）　　（但し、Ｍは　Ｚｒ、　Ｈ
ｆ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ。

Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｗの中の少なくとも１種を示す。）の
中の少なくとも１種からなるものであり、焼結合金を構
成しているもう一方の結合相は、Ｃｏ及び／又はＮｉが
結合相中の少なくとも５０体積％を占め、他に、例えば
硬質相を形成している化合物中の金属元素やＦｅ、　　
Ａｌ１．　Ｍｎなどの含有したものである。

また、本発明の表面調質焼結合金における焼結合金の焼
肌面とは、焼結後の表面状態、又は焼結後に水や有機溶
媒で洗浄及び乾燥した後の表面状態、もしくは焼結後に
サンドブラスト処理などで焼肌面の付着物を取り除いた
表面状態を代表的な面として挙げることができる。

本発明の表面調質焼結合金は、焼結合金の焼肌面から０
．０５ｍｍ内部までの表面層における結合相の平均含有
量を内部における結合相の平均含有量に近づけたもので
、このことにより焼結合金の強度及び耐欠損性を向上さ
せたものである。この表面層と内部における結合相の含
有量の他に、さらに表面層における平均硬さを内部にお
ける平均硬さの０．９５〜１．１０倍に制御することに
よって一層焼結合金の強度及び耐欠損性を向上させるこ
とができる。

本発明の表面調質焼結合金の製造方法は、周期律表４ａ
、　５ａ、　６ａ族金属の炭化物、窒化物及びこれらの
相互固溶体の中の少なくとも１種の粉末と、Ｃｏ及び／
又はＮｉを主成分とする粉末とでなる混合粉末を用いて
、従来の粉末冶金法でもってＴｉとＣとＮとを必須成分
とし、他にＺｒ、　Ｈｆ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａ。

Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｗの中の少なくとも１種を含有してな
る硬質相７５〜９５重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉ
を主成分とする結合相と不可避不純物とからなる焼結合
金を得るための製造方法であって、粉末冶金法での各製
造工程の内、焼結工程における温度及び雰囲気が１３０
０℃以下の第１温度領域では真空又は不活性ガスの雰囲
気とし、１３００℃を超える第２温度領域では０．１〜
２０ｔｏｒｒの窒素ガス雰囲気とし、さらに該第２温度
領域における窒素圧力を高温になるほど高くすることを
特徴とするものである。

本発明の表面調質焼結合金を製造する場合には、出発物
としての混合粉末中の含有炭素量及び含有窒素量の調整
が重要であり、さらに製造工程の内の焼結工程における
温度及びそのときの雰囲気を微細に制御することが重要
である。特に、焼結工程における第１温度領域よりも液
相の発生と共に焼結が進行する第２温度領域における窒
素圧力を微細に制御することにより焼結合金の表面層中
の結合相の含有量及び硬さの調整が可能となる。また前
述のように１表面部硬質相の生成は昇温及び焼結過程に
おける脱Ｎ現象に起因しているので、焼結合金を脱Ｎし
難い低炭素合金とすることも有効である。

このようにして得られる表面調質焼結合金の表面に、例
えば従来から行われているような物理蒸着法（ＰＶＤ法
）や化学蒸着法ｔＣＶＤ法）でもって、この表面調質焼
結合金よりも硬さの高い硬質膜、具体的には、例えば周
期律表の４ａ、　５ａ、　６ａ族金属の炭化物、窒化物
、炭酸化物、窒酸化物及びこれらの相互固溶体並びに窒
化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミ
ニウム、酸窒化アルミニウム、立方晶窒化ホウ素、ダイ
ヤモンドの中の少なくとも１種の単層又は多重層でなる
硬質膜を被覆することにより被覆表面調質焼結合金とす
ることも好ましいことである。特に、被覆表面調質焼結
合金は、前述の表面調質焼結合金の製造方法における第
２温度領域で焼結が完了した後、高窒素圧力の雰囲気状
態で一定時間さらに保持して窒化膜でなる硬質膜を表面
調質焼結合金の表面に形成することにより得ると、工程
が簡略化できること及び設備の増設の必要がないことか
ら好ましいことである。この被覆表面調質焼結合金にお
ける硬質膜の厚さは、硬質膜の材質、用途及び形状によ
って選定する必要があり、人体０．１〜ｌＯμｍ厚さが
実用的で好ましいものである。

（作用） 本発明の表面調質焼結合金は、焼肌面から０、０５ｍｍ
内部までの表面層における結合相の平均含有量を従来の
焼結合金に比べて多くしたことにより、焼結合金の強度
及び耐欠損性を高める作用をしているものである。

また、本発明の表面調質焼結合金の製造方法は、焼結」
−程における第１温度領域での雰囲気から第２温度領域
での雰囲気への切換え、並びに第２温度領域での温度上
界に従って窒素圧力を漸増することにより、硬質相の粒
成長抑制と共に焼結合金の表面層での脱窒が抑制される
という作用をしているものである。

実施例１ 平均粒度１〜２μｍ内にある市販のＴｉＣ。

ＴｉＮ、　ＭＯ２Ｃ，Ｎｉの各粉末を用いて４０ｗＬ％
ＴｉＣ−３０ｗＬ％ＴｉＮ　−１５ｗｔ％Ｍｏ、Ｃ−１
５ｗＬ％Ｎｉに配合し、この配合粉末とアセトンとボー
ルを混合容器に入れて７２時間の湿式混合粉砕した。こ
うして得た混合粉末にパラフィンを少量添加して後、Ｓ
ＮＭＮＩ２０４０８（ＪＩＳ規格の形状）が得られるよ
うにプレス成形した。このプレス成形により得た圧粉体
からパラフィンを加熱除去した後、０．０５Ｌｏｒｒの
真空中、室温から１２００℃までを４時間で昇温、次い
で１２００℃〜１４５０℃までを第１表に示す雰囲気中
、３℃／ｍｉｎで昇温し、さらに１４５０℃で１時間保
持して焼結した。焼結後は、５０℃／ｍｉｎの速度で冷
却して本発明の焼結合金１〜４及び従来の焼結工程に相
当する比較の焼結合金１〜４を得た。

こうして得た本発明品１〜４及び比較品１〜４のそれぞ
れの焼結合金の表面層と内部を走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ　）　、電子線マイクロアナライザ（ＥＩ’ＭＡ）及
びビッカース硬度計により調査し、その結果を第２表に
示した。

第　　２　　表 なお、結合相量は、焼結合金を傾斜角１０°に研摩し、
この研摩面をＥＰＭＡを用いて加速電圧２［１１ｔＶ。

２ＱＸ　３０μｍ２の面分析条件で５点の平均値により
求めたものである。特に、結合相量と硬さは、表面層内
での変動が大きいことから表面から内部へ向っての等間
距離による５点の平均値として求めた。

次に、本発明品１〜４及び比較品１〜４を用いて、下記
の［Ａ）及び＋８）の条件により切削試験を行い、その
結果を第３表に示した。

ｔＡ）　　耐摩耗性切削条件 被削材　　　５４８Ｃ（Ｈ，２５０）　２５０　ｍｍφ
チップ形状　ＳＮＭＮ４３２ （０，ｌＸ−３０度直線ホーニング） 切削速度　　１６０ｍ／ｍｉｎ 切込みｆｉｌ　　　１．５ｍｍ 送り量０．３　ｍｍ／ｒｅｖ 切削時間　　２０　　ｍ１ｎ （Ｂ）　　耐欠損性切削条件 被削材　　　３４８Ｃ（ＩＩ８２３０）　　１２０ｍｍ
φチップ形状 切削速度 切込み量 送り量 評　　価 ４本スロットと付 ＳＮＭＮ４３２ （０，ｌＸ−３０度直線ホーニング） １００　ｍ／ｍ１ｎ １．５ｍｍ ０．３　ｍｍ／ｒｅｖ １０分間の切削を１０回繰返し、 うち１０分以内に欠損した割合 で評価 以下余白 （発明の効果） 本発明の表面調質焼結合金は、従来のＮ含有のＴｉＣ基
焼結合金に比較して耐摩耗性においては殆ど同等である
が強度にすぐれていることから切削試験における耐欠損
性で約２〜３倍も高い効果があるものである。また、こ
の表面調質焼結合金の表面に硬質膜を被覆してなる本発
明の被覆表面調質焼結合金は、耐摩耗性が著しくすぐれ
ると共にさらに一層耐欠損性もすぐれるという効果があ
る。これらのことから、本発明の焼結合金は、従来のＮ
含有のＴｉＣ基焼結合金の用途範囲から、さらに耐衝撃
性及び耐欠損性を必要とする用途範囲までと、広い用途
範囲を有し、安定性も高いという産業上有用な材料及び
その製造方法である。

特許出願人　東芝タンガロイ株式会社

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＴｉとＣ（炭素）とＮ（窒素）を必須成分として
   含有し、他にＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ
   、Ｗの中の少なくとも１種を含有してなる硬質相７５〜
   ９５重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする
   結合相と不可避不純物とからなる焼肌面を有する焼結合
   金において、該焼結合金の焼肌面から０．０５ｍｍ内部
   までの表面層における結合相の平均含有量が焼結合金の
   内部における結合相の平均含有量の０．７〜１．２倍で
   あることを特徴とする表面調質焼結合金。
2. （２）特許請求の範囲の請求項第１項に記載の表面調質
   焼結合金の表面に表面調質焼結合金の表面に該表面調質
   焼結合金よりも硬さの高い硬質膜を被覆してなることを
   特徴とする被覆表面調質焼結合金。
3. （３）ＴｉとＣ（炭素）とＮ（窒素）を必須成分として
   含有し、他にＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ
   、Ｗの中の少なくとも１種を含有してなる硬質相７５〜
   ９５重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする
   結合相と不可避不純物とからなる焼肌面を有する焼結合
   金において、該焼結合金の焼肌面から０．０５ｍｍ内部
   までの表面層における平均硬さが焼結合金の内部におけ
   る平均硬さの０．９５〜１．１０倍であることを特徴と
   する表面調質焼結合金。
4. （４）特許請求の範囲の請求項第３項に記載の表面調質
   焼結合金の表面に該表面調質焼結合金よりも硬さの高い
   硬質膜を被覆してなることを特徴とする被覆表面調質焼
   結合金。
5. （５）ＴｉとＣ（炭素）とＮ（窒素）を必須成分として
   含有し、他にＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ
   、Ｗの中の少なくとも１種を含有してなる硬質相７５〜
   ９５重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする
   結合相と不可避不純物とからなる焼肌面を有する焼結合
   金において、該焼結合金の焼肌面から０．０５ｍｍ内部
   までの表面層における結合相の平均含有量が焼結合金の
   内部における結合相の平均含有量の０．７〜１．２倍で
   あり、かつ該表面層における平均硬さが焼結合金の内部
   における平均硬さの０．９５〜１．１０倍であることを
   特徴とする表面調質焼結合金。
6. （６）特許請求の範囲の請求項第５項に記載の表面調質
   焼結合金の表面に表面調質焼結合金の表面に該表面調質
   焼結合金よりも硬さの高い硬質膜を被覆してなることを
   特徴とする被覆表面調質焼結合金。
7. （７）周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化
   物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の粉末
   と、Ｃｏ及び／又はＮｉを主成分とする粉末とでなる混
   合粉末から焼結工程を経て、ＴｉとＣとＮとを必須成分
   とし、他にＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、
   Ｗの中の少なくとも１種を含有してなる硬質相７５〜９
   ５重量％と、残りＣｏ及び／又はＮｉを主成分とする結
   合相と不可避不純物とからなる焼結合金を得るための製
   造方法において、前記焼結工程における温度及び雰囲気
   が１３００℃以下の第１温度領域では真空又は不活性ガ
   スの雰囲気とし、１３００℃を超える第２温度領域では
   ０．１〜２０ｔｏｒｒの窒素ガス雰囲気とし、さらに該
   第２温度領域での窒素圧力を高温になるほど高くするこ
   とを特徴とする表面調質焼結合金の製造方法。