JPH07197146A - 工具用焼結体及びその製造方法 - Google Patents
工具用焼結体及びその製造方法Info
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- JPH07197146A JPH07197146A JP5355223A JP35522393A JPH07197146A JP H07197146 A JPH07197146 A JP H07197146A JP 5355223 A JP5355223 A JP 5355223A JP 35522393 A JP35522393 A JP 35522393A JP H07197146 A JPH07197146 A JP H07197146A
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Landscapes
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 切削工具材料等に要求される特性である靭
性、強度、加工性、硬度及び耐摩耗性などの全てを満足
した工具用焼結体を提供する。 【構成】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの
遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混
合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金属2
〜30容量%及び粒径1〜40μm微粒ダイヤモンド1
0〜50容量%からなる焼結体であって、微粒ダイヤモ
ンド表面が周期律表第4a、5a、6a族の遷移金属の
炭化物で被覆され、かつ該焼結体を構成する鉄族金属中
又はその表面にカーボンが析出している工具用焼結体。
性、強度、加工性、硬度及び耐摩耗性などの全てを満足
した工具用焼結体を提供する。 【構成】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの
遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混
合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金属2
〜30容量%及び粒径1〜40μm微粒ダイヤモンド1
0〜50容量%からなる焼結体であって、微粒ダイヤモ
ンド表面が周期律表第4a、5a、6a族の遷移金属の
炭化物で被覆され、かつ該焼結体を構成する鉄族金属中
又はその表面にカーボンが析出している工具用焼結体。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、切削工具等の材料に
好適に用いられる焼結体及びその製造方法に関し、特に
優れた靭性、強度、耐摩耗性などを有する工具用焼結体
及びその製造方法に関する。
好適に用いられる焼結体及びその製造方法に関し、特に
優れた靭性、強度、耐摩耗性などを有する工具用焼結体
及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミニウム合金、銅合金などの非鉄金
属、セラミックス、コンクリート、ゴム、プラスチック
スなどの非金属材料の切削工具には、優れた靭性、強
度、加工性、硬度、耐摩耗性といったことが要請され
る。現在、切削工具用の材料として広く使用されている
超硬合金、サーメットは、セラミックスと金属との複合
材料であり、かなりの耐摩耗性を有し、靭性、強度、加
工性において優れているが、それでも最近の高速切削化
に対する厳しい要求特性には、必ずしも十分に満足した
ものとは言えなくなっている。
属、セラミックス、コンクリート、ゴム、プラスチック
スなどの非金属材料の切削工具には、優れた靭性、強
度、加工性、硬度、耐摩耗性といったことが要請され
る。現在、切削工具用の材料として広く使用されている
超硬合金、サーメットは、セラミックスと金属との複合
材料であり、かなりの耐摩耗性を有し、靭性、強度、加
工性において優れているが、それでも最近の高速切削化
に対する厳しい要求特性には、必ずしも十分に満足した
ものとは言えなくなっている。
【0003】こうした最近の高速切削化の傾向から、切
削工具用材料として2〜20μm程度の微粒ダイヤモン
ド粉末に少量のCo等のバインダーを添加して焼結した
ダイヤモンド焼結体が、超高圧下で製造されることによ
る著しい高価格にもかかわらず、その高い耐摩耗性ゆえ
に注目を集めている。
削工具用材料として2〜20μm程度の微粒ダイヤモン
ド粉末に少量のCo等のバインダーを添加して焼結した
ダイヤモンド焼結体が、超高圧下で製造されることによ
る著しい高価格にもかかわらず、その高い耐摩耗性ゆえ
に注目を集めている。
【0004】しかしながら、ダイヤモンド焼結体切削工
具は、超硬合金などと比較して十分な靭性、強度を備え
たものとは言えず、被削材によってはチッピング摩耗、
刃先破損を起こすといった問題を生じていた。
具は、超硬合金などと比較して十分な靭性、強度を備え
たものとは言えず、被削材によってはチッピング摩耗、
刃先破損を起こすといった問題を生じていた。
【0005】さらに、ダイヤモンド焼結体の製造工程で
は、通常50kb以上の超高圧を必要とし著しく製造コ
ストを引上げるため、この点の改善が強く望まれてい
た。
は、通常50kb以上の超高圧を必要とし著しく製造コ
ストを引上げるため、この点の改善が強く望まれてい
た。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、切削工具
用材料としての要求特性である靭性、強度、加工性、硬
度及び耐摩耗性などの全てを満足した工具用焼結体を、
ダイヤモンド焼結体と比較して低圧下で焼結し、経済的
に得ようとするものである。
用材料としての要求特性である靭性、強度、加工性、硬
度及び耐摩耗性などの全てを満足した工具用焼結体を、
ダイヤモンド焼結体と比較して低圧下で焼結し、経済的
に得ようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、周期律表
第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固
溶体20〜85容量%、鉄族金属2〜30容量%及び粒
径1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%か
らなる焼結体であって、微粒ダイヤモンド表面が周期律
表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物
で被覆され、かつ該焼結体を構成する鉄族金属中又はそ
の表面にカーボンが析出していることを特徴とする工具
用焼結体[請求項1]、第2の発明は、周期律表第4
a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化
物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体
20〜85容量%、鉄族金属2〜30容量%、周期律表
第4a、5a、6a族いずれかの遷移金属により外割り
で0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μmの微粒
ダイヤモンド10〜50容量%を混合した原料混合物
を、温度950〜1150℃、圧力1〜30kbで焼結
することを特徴とする工具用焼結体の製造方法[請求項
2]、第3の発明は、周期律表第4a、5a、6a族の
いずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくは
これらの混合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、
鉄族金属の酸化物が鉄族金属換算で2〜30容量%、周
期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属によ
り外割りで0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μ
mの微粒ダイヤモンド10〜50容量%を混合した原料
混合物を、温度500〜900℃の還元雰囲気中で還元
処理した後、温度950〜1150℃、圧力1〜30k
bで焼結することを特徴とする工具用焼結体の製造方法
[請求項3]、および、第4の発明は、基本組成がWC
−Coである超硬合金の原料を成形した基板又はMoを
主成分とする(Mo,W)Cと鉄族金属とからなるサー
メットの原料を成形した基板の上に、周期律表第4a、
5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、
硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体20
〜85容量%、鉄族金属2〜30容量%、周期律表第4
a、5a、6a族のいずれかの遷移金属により外割りで
0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μmの微粒ダ
イヤモンド10〜50容量%を混合した原料混合物で成
形した成形板を積層し、温度950〜1150℃、圧力
1〜30kbで焼結、接合した工具用焼結体[請求項
4]である。
第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固
溶体20〜85容量%、鉄族金属2〜30容量%及び粒
径1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%か
らなる焼結体であって、微粒ダイヤモンド表面が周期律
表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物
で被覆され、かつ該焼結体を構成する鉄族金属中又はそ
の表面にカーボンが析出していることを特徴とする工具
用焼結体[請求項1]、第2の発明は、周期律表第4
a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化
物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体
20〜85容量%、鉄族金属2〜30容量%、周期律表
第4a、5a、6a族いずれかの遷移金属により外割り
で0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μmの微粒
ダイヤモンド10〜50容量%を混合した原料混合物
を、温度950〜1150℃、圧力1〜30kbで焼結
することを特徴とする工具用焼結体の製造方法[請求項
2]、第3の発明は、周期律表第4a、5a、6a族の
いずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくは
これらの混合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、
鉄族金属の酸化物が鉄族金属換算で2〜30容量%、周
期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属によ
り外割りで0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μ
mの微粒ダイヤモンド10〜50容量%を混合した原料
混合物を、温度500〜900℃の還元雰囲気中で還元
処理した後、温度950〜1150℃、圧力1〜30k
bで焼結することを特徴とする工具用焼結体の製造方法
[請求項3]、および、第4の発明は、基本組成がWC
−Coである超硬合金の原料を成形した基板又はMoを
主成分とする(Mo,W)Cと鉄族金属とからなるサー
メットの原料を成形した基板の上に、周期律表第4a、
5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、
硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体20
〜85容量%、鉄族金属2〜30容量%、周期律表第4
a、5a、6a族のいずれかの遷移金属により外割りで
0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μmの微粒ダ
イヤモンド10〜50容量%を混合した原料混合物で成
形した成形板を積層し、温度950〜1150℃、圧力
1〜30kbで焼結、接合した工具用焼結体[請求項
4]である。
【0008】以下にこれらの発明をさらに説明する。第
1の発明の工具用焼結体は、周期律表の第4a、5a、
6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物
もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体と、鉄族金
属と、周期律表第4a、5a、6a族の遷移金属の炭化
物で被覆された微粒ダイヤモンドとで構成される。
1の発明の工具用焼結体は、周期律表の第4a、5a、
6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物
もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体と、鉄族金
属と、周期律表第4a、5a、6a族の遷移金属の炭化
物で被覆された微粒ダイヤモンドとで構成される。
【0009】これらの中で結合相を構成する物質は、周
期律表の第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこ
れらの固溶体と、鉄族金属とである。
期律表の第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこ
れらの固溶体と、鉄族金属とである。
【0010】周期律表の第4a、5a、6a族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体は、工具として使用する場
合に、高温硬度、強度、熱伝導性及び化学的安定性に優
れ、超硬合金、サーメット等の工具用焼結体で用いられ
ているものと本質的な相違はない。これらの中ではタン
グステンカーバイドが好適に用いられるが、外にチタン
カーバイド等も好んで用いることができる。
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体は、工具として使用する場
合に、高温硬度、強度、熱伝導性及び化学的安定性に優
れ、超硬合金、サーメット等の工具用焼結体で用いられ
ているものと本質的な相違はない。これらの中ではタン
グステンカーバイドが好適に用いられるが、外にチタン
カーバイド等も好んで用いることができる。
【0011】これらの含有率は、20〜85容量%とす
る。これが20容量%未満では結合相の硬度、剛性、耐
摩耗性が低下するため好ましくない。また、これが85
容量%を超えると、鉄族金属、微粒ダイヤモンドの含有
率が相対的に低下し焼結体の強度、靭性、耐摩耗性が低
下するため好ましくない。
る。これが20容量%未満では結合相の硬度、剛性、耐
摩耗性が低下するため好ましくない。また、これが85
容量%を超えると、鉄族金属、微粒ダイヤモンドの含有
率が相対的に低下し焼結体の強度、靭性、耐摩耗性が低
下するため好ましくない。
【0012】結合相を構成する物質として、上記の外に
鉄族金属を2〜30容量%含むようにする。この鉄族金
属は周期律表第4a、5a、6a族遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物との濡れ性が非常に良く、粘性流動によ
り緻密化を促進し、結合相中に分散した微粒ダイヤモン
ドの保持力が強固となる。
鉄族金属を2〜30容量%含むようにする。この鉄族金
属は周期律表第4a、5a、6a族遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物との濡れ性が非常に良く、粘性流動によ
り緻密化を促進し、結合相中に分散した微粒ダイヤモン
ドの保持力が強固となる。
【0013】鉄族金属の含有率が2容量%未満では結合
相の緻密化がはかられず、結合相の高靭化、高強度化を
達成することができない。また、これが30容量%を超
えると結合相の硬度、剛性、耐摩耗性が低下するため好
ましくない。
相の緻密化がはかられず、結合相の高靭化、高強度化を
達成することができない。また、これが30容量%を超
えると結合相の硬度、剛性、耐摩耗性が低下するため好
ましくない。
【0014】上記の外は、表面に周期律表第4a、5
a、6a族の遷移金属の炭化物で被覆された微粒ダイヤ
モンドである。微粒ダイヤモンドはその固有の著しい硬
度ゆえに焼結体の耐摩耗性の向上及び焼結体中に分散す
ることによる焼結体の強靭化に役立つ。その含有率は1
0〜50容量%である。これが10容量%未満では十分
な耐摩耗性を有した焼結体が得られず、微粒ダイヤモン
ド分散による靭性の向上がはかれない。またこれが50
容量%を超えると結合相の緻密化が阻害され、緻密な焼
結体を得ることができない。ここに用いる微粒ダイヤモ
ンドは、粒径が平均で1〜40μmの範囲のものを用い
る。粒径が1μm未満の場合、微粒ダイヤモンドが脱落
しやすいため耐摩耗性が低下し、40μmを越えたもの
を用いると工具刃先の強度が低下するため、工具刃先が
欠損しやすく、この焼結体で得られた工具の工具寿命が
短くなってしまうので好ましくない。被覆された微粒ダ
イヤモンドを使用することによって、炭化物で被覆され
た微粒ダイヤモンドと結合相を形成する物質の濡れ性を
改善し、塑性変形し難いダイヤモンド同志が直接に接す
る部分を排除し、かつ結合相を形成する塑性変形し易い
物質の塑性変形によってダイヤモンド粒子間の空隙を充
填し緻密化し、機械的物性に優れた焼結体を可能にす
る。
a、6a族の遷移金属の炭化物で被覆された微粒ダイヤ
モンドである。微粒ダイヤモンドはその固有の著しい硬
度ゆえに焼結体の耐摩耗性の向上及び焼結体中に分散す
ることによる焼結体の強靭化に役立つ。その含有率は1
0〜50容量%である。これが10容量%未満では十分
な耐摩耗性を有した焼結体が得られず、微粒ダイヤモン
ド分散による靭性の向上がはかれない。またこれが50
容量%を超えると結合相の緻密化が阻害され、緻密な焼
結体を得ることができない。ここに用いる微粒ダイヤモ
ンドは、粒径が平均で1〜40μmの範囲のものを用い
る。粒径が1μm未満の場合、微粒ダイヤモンドが脱落
しやすいため耐摩耗性が低下し、40μmを越えたもの
を用いると工具刃先の強度が低下するため、工具刃先が
欠損しやすく、この焼結体で得られた工具の工具寿命が
短くなってしまうので好ましくない。被覆された微粒ダ
イヤモンドを使用することによって、炭化物で被覆され
た微粒ダイヤモンドと結合相を形成する物質の濡れ性を
改善し、塑性変形し難いダイヤモンド同志が直接に接す
る部分を排除し、かつ結合相を形成する塑性変形し易い
物質の塑性変形によってダイヤモンド粒子間の空隙を充
填し緻密化し、機械的物性に優れた焼結体を可能にす
る。
【0015】第2の発明は、第1の発明の工具用焼結体
の製造方法である。ここで用いる原料とその配合比と
を、周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金
属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又
はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金属2〜30
容量%、周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷
移金属により外割りで0.1〜5容量%被覆された粒径
1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%とし
た理由は、これまでに説明したところと同様である。
の製造方法である。ここで用いる原料とその配合比と
を、周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金
属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又
はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金属2〜30
容量%、周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷
移金属により外割りで0.1〜5容量%被覆された粒径
1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%とし
た理由は、これまでに説明したところと同様である。
【0016】後述するように、被覆した遷移金属とダイ
ヤモンド表面の相転移により生じたカーボンは焼結時に
容易に反応し、微粒ダイヤモンドを包み込むように炭化
物を形成する。遷移金属で被覆する方法としてはPVD
法、CVD法等があるが、被覆量は微粒ダイヤモンドに
対して外割りで0.1〜5容量%とする。被覆量が0.
1容量%未満では、被覆による効果が認められず、5容
量%を超えると、後に述べるようにダイヤモンド表面に
炭化物が効果的に生成せず、未反応の被覆遷移金属が残
留し緻密な焼結体が得られない。
ヤモンド表面の相転移により生じたカーボンは焼結時に
容易に反応し、微粒ダイヤモンドを包み込むように炭化
物を形成する。遷移金属で被覆する方法としてはPVD
法、CVD法等があるが、被覆量は微粒ダイヤモンドに
対して外割りで0.1〜5容量%とする。被覆量が0.
1容量%未満では、被覆による効果が認められず、5容
量%を超えると、後に述べるようにダイヤモンド表面に
炭化物が効果的に生成せず、未反応の被覆遷移金属が残
留し緻密な焼結体が得られない。
【0017】第3の発明は、第2の発明で用いる原料中
の鉄族金属のかわりに鉄族金属の酸化物を用い、これを
鉄族金属換算で2〜30容量%混合した原料混合物を、
温度500〜900℃の還元雰囲気中で還元処理した
後、高温高圧下で焼結するというものである。これによ
って焼結体の抗折力すなわち強度を一段と上げることが
できる。鉄族金属の酸化物を鉄族金属換算で2〜30容
量%とした理由は、第1の発明で述べたところと同様で
ある。還元雰囲気としては水素雰囲気が好ましく、処理
温度は500〜900℃である。500℃未満の温度で
は鉄族金属の酸化物が還元されず、また900℃を超え
る温度では、原料ダイヤモンド表面より著しい相転移が
起こり、黒鉛が多量に生じるため好ましくない。この還
元処理によって下記の反応が進行する。 M−O + H2 → M + H2O ここで、Mは鉄族金属である。鉄族金属の酸化物として
は、結合相への分散性を考慮して粒径1μm以下のもの
が好ましい。
の鉄族金属のかわりに鉄族金属の酸化物を用い、これを
鉄族金属換算で2〜30容量%混合した原料混合物を、
温度500〜900℃の還元雰囲気中で還元処理した
後、高温高圧下で焼結するというものである。これによ
って焼結体の抗折力すなわち強度を一段と上げることが
できる。鉄族金属の酸化物を鉄族金属換算で2〜30容
量%とした理由は、第1の発明で述べたところと同様で
ある。還元雰囲気としては水素雰囲気が好ましく、処理
温度は500〜900℃である。500℃未満の温度で
は鉄族金属の酸化物が還元されず、また900℃を超え
る温度では、原料ダイヤモンド表面より著しい相転移が
起こり、黒鉛が多量に生じるため好ましくない。この還
元処理によって下記の反応が進行する。 M−O + H2 → M + H2O ここで、Mは鉄族金属である。鉄族金属の酸化物として
は、結合相への分散性を考慮して粒径1μm以下のもの
が好ましい。
【0018】このように鉄族金属の酸化物を鉄族金属の
かわりに使用することによって、焼結体強度が向上する
理由は、通常のボールミル等の混合方法では、原料の多
少の粉砕と同時に混合がなされるが、Co等の鉄族金属
はその固有の展性、延性ゆえに、混合時に金属粒子同志
が水アメのように接着しやすいといった問題があった。
しかし、混合時に鉄族金属の酸化物を用いることによ
り、酸化物は破砕性が良いので、酸化物同志が接着する
ことなく均一に混合され、還元処理を経た鉄族金属は均
一に組織中に分散することになる。これによって、焼結
体強度が向上するものと考えられる。
かわりに使用することによって、焼結体強度が向上する
理由は、通常のボールミル等の混合方法では、原料の多
少の粉砕と同時に混合がなされるが、Co等の鉄族金属
はその固有の展性、延性ゆえに、混合時に金属粒子同志
が水アメのように接着しやすいといった問題があった。
しかし、混合時に鉄族金属の酸化物を用いることによ
り、酸化物は破砕性が良いので、酸化物同志が接着する
ことなく均一に混合され、還元処理を経た鉄族金属は均
一に組織中に分散することになる。これによって、焼結
体強度が向上するものと考えられる。
【0019】第3の発明に基づいて行った結果では、鉄
族金属を原料としたものに比べ、鉄族金属の酸化物を原
料としたものの方が20%以上抗折力に優れていた。
族金属を原料としたものに比べ、鉄族金属の酸化物を原
料としたものの方が20%以上抗折力に優れていた。
【0020】第4の発明は、基本組成がWC−Coであ
る超硬合金の原料成形基板又はMoを主成分とする(M
o,W)Cと鉄族金属とからなるサーメット原料成形基
板上に、第2の発明で用いる原料混合物の成形板を積層
配置し、これらを同時に温度950〜1150℃、圧力
1〜30kbで焼結、接合したものである。基板となる
超硬合金及びサーメットは、いずれも靭性、剛性、熱伝
導性及び耐蝕性に優れ、切削工具として使用するのに適
している。この工具用焼結体は、焼結温度が950〜1
150℃と低温度にて得られるため、通常の超硬合金、
サーメットあるいは市販ダイヤモンド焼結体の焼結プロ
セスにおいて認められる液相は、超硬合金あるいはサー
メット基板中には出現しないが、高圧力下での焼結であ
るため、十分に固相焼結し、ダイヤモンドを含む硬質層
との接合強度も十分である。そして、このようにダイヤ
モンドを含む硬質層と基板層とを同時焼結すると、基板
層が硬質層に比較して高強度であるため、一体物として
の抗折力すなわち強度を一段と上げることができる。ま
た、ダイヤモンドを含む硬質層に比較して基板層は著し
く加工が容易であるため、工具作製のためのコストが低
減できるなどの利点を有する。ダイヤモンドを含む硬質
層及び基板層の厚さは、経済性、工具仕様及び強度を考
慮して決定すれば良いが、それぞれ0.5mm以上あれ
ば十分である。
る超硬合金の原料成形基板又はMoを主成分とする(M
o,W)Cと鉄族金属とからなるサーメット原料成形基
板上に、第2の発明で用いる原料混合物の成形板を積層
配置し、これらを同時に温度950〜1150℃、圧力
1〜30kbで焼結、接合したものである。基板となる
超硬合金及びサーメットは、いずれも靭性、剛性、熱伝
導性及び耐蝕性に優れ、切削工具として使用するのに適
している。この工具用焼結体は、焼結温度が950〜1
150℃と低温度にて得られるため、通常の超硬合金、
サーメットあるいは市販ダイヤモンド焼結体の焼結プロ
セスにおいて認められる液相は、超硬合金あるいはサー
メット基板中には出現しないが、高圧力下での焼結であ
るため、十分に固相焼結し、ダイヤモンドを含む硬質層
との接合強度も十分である。そして、このようにダイヤ
モンドを含む硬質層と基板層とを同時焼結すると、基板
層が硬質層に比較して高強度であるため、一体物として
の抗折力すなわち強度を一段と上げることができる。ま
た、ダイヤモンドを含む硬質層に比較して基板層は著し
く加工が容易であるため、工具作製のためのコストが低
減できるなどの利点を有する。ダイヤモンドを含む硬質
層及び基板層の厚さは、経済性、工具仕様及び強度を考
慮して決定すれば良いが、それぞれ0.5mm以上あれ
ば十分である。
【0021】これらの原料混合物は、ボールミル等の混
合機によって混合され、これを粉末のままあるいは型押
し成形の後、HIP装置、ピストンシリンダー装置等の
高温高圧発生装置で950〜1150℃、1〜30kb
の熱力学的に黒鉛の安定な領域で固相焼結する。これに
よって原料中に分散した微粒ダイヤモンドは、鉄族金属
のもつ触媒作用によって表面より微量相転移して、この
相転移により生じたカーボンとダイヤモンド表面に被覆
した周期律表第4a、5a、6a族遷移金属とが容易に
反応し、微粒ダイヤモンドを包むように炭化物を生成す
ると共に、鉄族金属中又はその表面に微量のカーボンが
析出し結合相が強靭化する。そして、この焼結条件は市
販のダイヤモンド焼結体の焼結条件に比較して、温度、
圧力共に著しく低いものである。圧力及び温度に関する
熱力学的な黒鉛安定領域とダイヤモンド安定領域は図1
に示す通りである。
合機によって混合され、これを粉末のままあるいは型押
し成形の後、HIP装置、ピストンシリンダー装置等の
高温高圧発生装置で950〜1150℃、1〜30kb
の熱力学的に黒鉛の安定な領域で固相焼結する。これに
よって原料中に分散した微粒ダイヤモンドは、鉄族金属
のもつ触媒作用によって表面より微量相転移して、この
相転移により生じたカーボンとダイヤモンド表面に被覆
した周期律表第4a、5a、6a族遷移金属とが容易に
反応し、微粒ダイヤモンドを包むように炭化物を生成す
ると共に、鉄族金属中又はその表面に微量のカーボンが
析出し結合相が強靭化する。そして、この焼結条件は市
販のダイヤモンド焼結体の焼結条件に比較して、温度、
圧力共に著しく低いものである。圧力及び温度に関する
熱力学的な黒鉛安定領域とダイヤモンド安定領域は図1
に示す通りである。
【0022】温度が950℃未満では焼結体は緻密化せ
ず、また1150℃を超える場合は、著しいダイヤモン
ドの相転移が起こり黒鉛が多量に生じ、ダイヤモンド固
有の耐摩耗性が損なわれるため好ましくない。
ず、また1150℃を超える場合は、著しいダイヤモン
ドの相転移が起こり黒鉛が多量に生じ、ダイヤモンド固
有の耐摩耗性が損なわれるため好ましくない。
【0023】圧力が1kb未満では、950〜1150
℃の温度領域において結合相が緻密化しないため、高密
度の焼結体が得られず、また30kbを超えると、ダイ
ヤモンド安定領域における焼結であるので、ダイヤモン
ド表面に相転移によるカーボンが生成しないため、微粒
ダイヤモンド表面に炭化物が生成し難く、また結合相の
強靭化がなされないため好ましくない。
℃の温度領域において結合相が緻密化しないため、高密
度の焼結体が得られず、また30kbを超えると、ダイ
ヤモンド安定領域における焼結であるので、ダイヤモン
ド表面に相転移によるカーボンが生成しないため、微粒
ダイヤモンド表面に炭化物が生成し難く、また結合相の
強靭化がなされないため好ましくない。
【0024】本発明焼結体においてはX線回折等の手法
では、黒鉛のピークはほとんど認められなかったが、透
過型電子顕微鏡(TEM)及びオージェ電子分光法等に
よる観察により、結合相を形成する分散ダイヤモンドに
近接した鉄族金属中又はその表面に、ナノメートルオー
ダーの非常に微細なカーボンの析出しているのが認めら
れた。このようなカーボンは市販されているWC−Co
超硬合金、サーメット及びダイヤモンド焼結体の鉄族金
属中又はその表面には一切認められない。本発明焼結体
で結合相が強靭化される理由については、必ずしも明ら
かにはなっていないが、以下のように推測される。すな
わち、微細カーボンの析出によって、それがピン止め的
作用をして、鉄族金属中又はその表面に存在する転移の
移動を抑制し、マクロ的に微小亀裂の進行を止め、焼結
体全体として強靭化されたものと考えられる。またTE
M観察によると、市販WC−Co超硬合金、サーメット
及びダイヤモンド焼結体中の鉄族金属結晶粒の大きさが
サブミクロンから大きいものでは数百ミクロンであるの
に対し、本発明焼結体の場合、液相の生じない低温度で
焼結されること、微細カーボンの析出により、鉄族金属
結晶粒の大きさがサブグレイン化されるため非常に小さ
くサブミクロン以下であることが認められた。これによ
り鉄族金属中又はその表面の応力集中が分散され、これ
も強靭化に寄与しているものと考えられる。さらに、焼
結条件が市販のダイヤモンド焼結体の焼結温度(140
0℃以上)、焼結圧力(50kb以上)に比較して温
度、圧力共に著しく低いために、本発明焼結体内部に、
焼結過程において生成する歪量が小さいことも考えられ
る。これも強靭化に寄与しているものと考えられる。
では、黒鉛のピークはほとんど認められなかったが、透
過型電子顕微鏡(TEM)及びオージェ電子分光法等に
よる観察により、結合相を形成する分散ダイヤモンドに
近接した鉄族金属中又はその表面に、ナノメートルオー
ダーの非常に微細なカーボンの析出しているのが認めら
れた。このようなカーボンは市販されているWC−Co
超硬合金、サーメット及びダイヤモンド焼結体の鉄族金
属中又はその表面には一切認められない。本発明焼結体
で結合相が強靭化される理由については、必ずしも明ら
かにはなっていないが、以下のように推測される。すな
わち、微細カーボンの析出によって、それがピン止め的
作用をして、鉄族金属中又はその表面に存在する転移の
移動を抑制し、マクロ的に微小亀裂の進行を止め、焼結
体全体として強靭化されたものと考えられる。またTE
M観察によると、市販WC−Co超硬合金、サーメット
及びダイヤモンド焼結体中の鉄族金属結晶粒の大きさが
サブミクロンから大きいものでは数百ミクロンであるの
に対し、本発明焼結体の場合、液相の生じない低温度で
焼結されること、微細カーボンの析出により、鉄族金属
結晶粒の大きさがサブグレイン化されるため非常に小さ
くサブミクロン以下であることが認められた。これによ
り鉄族金属中又はその表面の応力集中が分散され、これ
も強靭化に寄与しているものと考えられる。さらに、焼
結条件が市販のダイヤモンド焼結体の焼結温度(140
0℃以上)、焼結圧力(50kb以上)に比較して温
度、圧力共に著しく低いために、本発明焼結体内部に、
焼結過程において生成する歪量が小さいことも考えられ
る。これも強靭化に寄与しているものと考えられる。
【0025】
【作用】以上のように、遷移金属の炭化物、窒化物、硼
化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体及び鉄
族金属とからなる結合相形成材料と、遷移金属で被覆さ
れた微粒ダイヤモンドとを所定の割合で均一に配合した
原料混合物を、熱力学的に黒鉛の安定な温度、圧力で焼
結すると、微粒ダイヤモンドの一部が相転移し、その結
果生成したカーボンが遷移金属と反応し微粒ダイヤモン
ド表面に炭化物を生成すると共にこれが鉄族金属中又は
その表面に析出し、結合相が高靭化、高強度化された工
具用焼結体が得られる。
化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体及び鉄
族金属とからなる結合相形成材料と、遷移金属で被覆さ
れた微粒ダイヤモンドとを所定の割合で均一に配合した
原料混合物を、熱力学的に黒鉛の安定な温度、圧力で焼
結すると、微粒ダイヤモンドの一部が相転移し、その結
果生成したカーボンが遷移金属と反応し微粒ダイヤモン
ド表面に炭化物を生成すると共にこれが鉄族金属中又は
その表面に析出し、結合相が高靭化、高強度化された工
具用焼結体が得られる。
【0026】
【実施例】粒径1μm以下の結合相形成原料を用い、周
期律表第4a、5a、6a族の遷移金属で被覆された微
粒ダイヤモンドを配合し、ポットミルで十分に混合して
得た原料混合物を成形し、直径30mm、厚さ2mmの
予備成形体を得た。この成形体と、あらかじめ作製した
直径30mm、厚さ2mmのWC−15wt%Coから
なる超硬合金予備成形体とを積層し、800℃の水素雰
囲気中で還元処理を施した後、ピストンシリンダー型高
温高圧発生装置に挿入した。発熱体としては黒鉛ヒータ
ーを使用し、固体圧力媒体としては、ろう石及び六方晶
窒化硼素を使用した。原料配合比、焼結条件は表1〜表
3に示す通りであり、加熱保持時間は10分とした。な
お、鉄族金属酸化物(平均粒径0.2μm)を使用した
ときは、還元した場合の配合比に換算した。また、表1
及び表2に本発明例焼結体の試験結果を、表3に比較例
焼結体の試験結果を併せ示してある。
期律表第4a、5a、6a族の遷移金属で被覆された微
粒ダイヤモンドを配合し、ポットミルで十分に混合して
得た原料混合物を成形し、直径30mm、厚さ2mmの
予備成形体を得た。この成形体と、あらかじめ作製した
直径30mm、厚さ2mmのWC−15wt%Coから
なる超硬合金予備成形体とを積層し、800℃の水素雰
囲気中で還元処理を施した後、ピストンシリンダー型高
温高圧発生装置に挿入した。発熱体としては黒鉛ヒータ
ーを使用し、固体圧力媒体としては、ろう石及び六方晶
窒化硼素を使用した。原料配合比、焼結条件は表1〜表
3に示す通りであり、加熱保持時間は10分とした。な
お、鉄族金属酸化物(平均粒径0.2μm)を使用した
ときは、還元した場合の配合比に換算した。また、表1
及び表2に本発明例焼結体の試験結果を、表3に比較例
焼結体の試験結果を併せ示してある。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
【表3】
【0030】得られた本発明の同時焼結体は、ダイヤモ
ンドを含有する硬質層と超硬合金部分が強固に一体化し
たものであった。また微粒ダイヤモンドを被覆した遷移
金属は、すべて炭化物に変化していた。この同時焼結体
を、放電加工によって切断して、切削工具及び抗折力試
験片を作製した。工具形状はISOミリ呼びTNGN1
60304であり、抗折力試験片形状は、JIS R
1601に従ったが、焼結体寸法の制約上、試験片寸法
は2mm×1.5mm×20mm(±0.05mm)と
し、スパンは15mmとした。比較のため、市販K10
種超硬合金(表3中の比較例No.13)及び市販ダイ
ヤモンド焼結体(表3中の比較例No.14)を準備し
て、同様な形状に加工した。被削材には、セメントモル
タルを使用した。また切削条件としては、切削速度75
m/分、切込み;0.5mm、送り;0.13mm/回
転とし、平均逃げ面摩耗幅が0.3mmとなったところ
で寿命とした。抗折力試験は、JIS R 1601に
従い、3点曲げ強度(kg/mm2)を測定して調べ
た。
ンドを含有する硬質層と超硬合金部分が強固に一体化し
たものであった。また微粒ダイヤモンドを被覆した遷移
金属は、すべて炭化物に変化していた。この同時焼結体
を、放電加工によって切断して、切削工具及び抗折力試
験片を作製した。工具形状はISOミリ呼びTNGN1
60304であり、抗折力試験片形状は、JIS R
1601に従ったが、焼結体寸法の制約上、試験片寸法
は2mm×1.5mm×20mm(±0.05mm)と
し、スパンは15mmとした。比較のため、市販K10
種超硬合金(表3中の比較例No.13)及び市販ダイ
ヤモンド焼結体(表3中の比較例No.14)を準備し
て、同様な形状に加工した。被削材には、セメントモル
タルを使用した。また切削条件としては、切削速度75
m/分、切込み;0.5mm、送り;0.13mm/回
転とし、平均逃げ面摩耗幅が0.3mmとなったところ
で寿命とした。抗折力試験は、JIS R 1601に
従い、3点曲げ強度(kg/mm2)を測定して調べ
た。
【0031】本発明より組成、焼結条件のはずれた比較
焼結材料及び市販の焼結材料の場合、工具刃先が欠損す
るものもあり、工具寿命が短いのに対し、本発明焼結体
は優れた強度、靭性及び耐摩耗性を有しているので、工
具逃げ面の摩耗状態は定常摩耗であり、工具寿命も大幅
に優れていた。
焼結材料及び市販の焼結材料の場合、工具刃先が欠損す
るものもあり、工具寿命が短いのに対し、本発明焼結体
は優れた強度、靭性及び耐摩耗性を有しているので、工
具逃げ面の摩耗状態は定常摩耗であり、工具寿命も大幅
に優れていた。
【0032】
【発明の効果】この発明によれば、切削工具材料として
要求される、靭性、強度、加工性、硬度及び耐摩耗性な
どの全てを満足した工具用焼結体を、熱力学的に黒鉛の
安定な領域である低圧領域で焼結することができるの
で、従来のダイヤモンド焼結体に比較して製造コストを
大幅に低下させ、優れた工具用焼結体ができるようにな
った。
要求される、靭性、強度、加工性、硬度及び耐摩耗性な
どの全てを満足した工具用焼結体を、熱力学的に黒鉛の
安定な領域である低圧領域で焼結することができるの
で、従来のダイヤモンド焼結体に比較して製造コストを
大幅に低下させ、優れた工具用焼結体ができるようにな
った。
【図1】 圧力及び温度に関する熱力学的な黒鉛安定領
域とダイヤモンド安定領域を示す線図。
域とダイヤモンド安定領域を示す線図。
Claims (4)
- 【請求項1】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金
属2〜30容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモ
ンド10〜50容量%からなる焼結体であって、微粒ダ
イヤモンド表面が周期律表第4a、5a、6a族のいず
れかの遷移金属の炭化物で被覆され、かつ該焼結体を構
成する鉄族金属中又はその表面にカーボンが析出してい
ることを特徴とする工具用焼結体。 - 【請求項2】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金
属2〜30容量%及び周期律表第4a、5a、6a族の
いずれかの遷移金属により外割りで0.1〜5容量%被
覆された粒径1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜5
0容量%を混合した原料混合物を、温度950〜115
0℃、圧力1〜30kbで焼結することを特徴とする工
具用焼結体の製造方法。 - 【請求項3】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金
属の酸化物が鉄族金属換算で2〜30容量%、周期律表
第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属により外割
りで0.1〜5容量%被覆された粒径1〜40μmの微
粒ダイヤモンド10〜50容量%を混合した原料混合物
を、温度500〜900℃の還元雰囲気中で還元処理し
た後、温度950〜1150℃、圧力1〜30kbで焼
結することを特徴とする工具用焼結体の製造方法。 - 【請求項4】 基本組成がWC−Coである超硬合金の
原料を成形した基板又はMoを主成分とする(Mo,
W)Cと鉄族金属とからなるサーメットの原料を成形し
た基板の上に、周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体20〜85容量%、鉄族金
属2〜30容量%、周期律表第4a、5a、6a族のい
ずれかの遷移金属により外割りで0.1〜5容量%被覆
された粒径1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50
容量%を混合した原料混合物で成形した成形板を積層
し、温度950〜1150℃、圧力1〜30kbで焼
結、接合した工具用焼結体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5355223A JPH07197146A (ja) | 1993-12-29 | 1993-12-29 | 工具用焼結体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5355223A JPH07197146A (ja) | 1993-12-29 | 1993-12-29 | 工具用焼結体及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07197146A true JPH07197146A (ja) | 1995-08-01 |
Family
ID=18442674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5355223A Pending JPH07197146A (ja) | 1993-12-29 | 1993-12-29 | 工具用焼結体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07197146A (ja) |
-
1993
- 1993-12-29 JP JP5355223A patent/JPH07197146A/ja active Pending
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