JPS58130246A - 高温特性のすぐれた切削工具用焼結材料およびその製造法 - 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】 この発明は、すぐれた高温特性を有し、特に高温特性が
要求される高速切削や高送９切削に切削工具として使用
した場合にすぐれた切削性能を発揮する焼結材料および
その製造法に関するものである。

一般に、鋼の切削加工に際して、切削速度を速くしたり
、送シ量を多くしたシすると、切削工具の刃先温度が上
昇し、刃先が摩耗よシは、むしろ高温に原因する塑性変
形によって使用寿命に至る場合が多く、この傾向は、近
年の高速切削化および高能率切削化によって増々強くな
９つつある。

しかしながら、現在実用に供されている、分散相が主と
してＷ炭化物やＴ１炭化物で構成され、一方結合相が主
として鉄族金属で構成されている超硬合金やサーメット
は、刃先温度が１０００℃を越えると急激に軟化するよ
うになるために、これらの超硬合金やサーメットは勿論
のこと、これらの表面に硬質被覆層を形成した表面被覆
超硬合金や表面被覆サーメットにおいても、その使用条
件は刃先温度が１０００℃を若干上例る程度に制限され
ている。一方、Ｍ酸化物を主成分とするセラミックは、
高温において高硬度とすぐれた耐酸化性を示すことから
、高速切削用の切削工具として実用に供されてはいるが
、その刃先は耐衝撃性に欠け、信□頼性の不十分なもの
であるため、高速切削に際しては低い送シ量で使用され
ているのが現、状である。

また、近年、高速切削や高能率切削化の切削工具材料と
して、ＷあるいはＭｏなどの高融点金属からなるマトリ
ックス中に、ＷおよびＴｉの炭化物を層状に分散させた
組織を有する鋳造合金（例えば米国特許第３，６　９　
０，９　６　２号明細書参照）が提案され、注目された
が、この鋳造合金は、融点が２７００℃と著しく高く、
しかも鋳造合金であるために形状付与が困難であるばか
シでなく、耐酸化性および耐衝撃性も不十分であること
から、広く実用化されるには至っていない。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、高速切
削や高送り切削が可能なすぐれた高温特性を有する切削
工具用材料、すなわち耐摩耗性，耐塑性変形性，耐酸化
性，および耐衝撃性にすぐれた切削工具を粉末冶金法を
用いて製造すべく研究を行なった結果、原料粉末として
、金属炭化物粉末，金属窒化物粉末，金属炭窒化物粉末
，金属硼化物粉末，金属炭硼化物粉末，金属炭窒硼化物
粉末，およびＷ粉末を用意し、これら原料粉末のうちの
２種以上を用いて所定の配合組成に配合し、通常の条件
で混合し、プレス成形し、ついでこの結果の圧粉体を、
非酸化性雰囲気中、温度：　２０００〜２７００℃の高
温、すなわち完全固溶体化温度で焼結し、この焼結温度
から冷却して温度：　１０００〜１６００℃で化合物析
出処理を行ない、原子係で、Ｔｉ：　５　〜２　５％，
　ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種：５〜２０％
，　ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種：５〜２０
％，Ｃ：１５〜４０％，Ｎ、１〜１５％，Ｂ：１〜１０
％を含有し、残シがＷと不可避不純物（ただしＷ：２０
〜５５％含有）からなる組成を有し、かつ分散相が、Ｔ
１とＣとＮとＢとを主成分とする化合物相と、Ｚｒおよ
びＨｆのうちの１種または２種とＣとＮとＢとを主成分
とする化合物相との微細硬質相からなシ、一方結合相が
Ｗを主成分とするＷ基合金からなる組織を有する焼結合
金を製造すると、この結果の焼結材料は、すぐれた耐摩
耗性，耐塑性変形性，耐酸化性。

および耐衝撃性を有し、したがってこれらの高温特性が
要求される高速切削や高送り切削に切削工具として使用
した場合に著しくすぐれた切削性能を発揮するという知
見を得たのである。

この発明は上記知見にもとづいてなされたものであって
、以下に材料の成分組成範囲および焼結温度を上記の通
シに限定した理由を説明する。

（ａ）　　Ｔｉ Ｔ１成分は、素地中に微細な硬質相として分散するＴｉ
とＣとＮとＢを主成分とする化合物相を形成して材料に
高硬度を付与せしめ、もって材料の耐摩耗性を向上させ
る作用をもつが、その含有量が５％未満では化合物析出
処理工程で所望の量の前記化合物を析出させることがで
きず、この結果所望の耐摩耗性を確保することができな
いものとなり、一方２５チを越えて含有させると相対的
に結合相に比して前記分散相を形成する化合物相が多く
なりすぎて材料の耐衝撃性が劣化するようになることか
ら、その含有量を５〜２５％と定めた。

（ｂ）　　ＺｒおよびＨｆ この両成分もＴ１と同様にＺｒおよびＨｆのうちの１種
または２種とＣとＮとＢとを主成分とし、かつ素地中に
微細な硬質相として分散する化合物相を形成して材料の
耐摩耗性を向上させる作用をもつが、その含有量が５％
未満ではＴ１と同様に高硬度、すなわち高耐摩耗性を確
保することができず、一方２０％を越えて含有させると
同様に前記分散相を形成する化合物相が多くなりすぎ、
材料の耐衝撃性が劣化するようになることから、その含
有量を５〜２０チと定めた。

（ｃ）　　ＮｂおよびＴａ この両成分には、上記の２種の化合物相中に拡散し、か
つ素地に固溶して材料の耐酸化性を向上させる作用があ
るが、その含有量が５％未満では前記作用に所望・の効
果が得られず、一方２０％を越えて含有させると、材料
の耐摩耗性に劣化傾向が現われるようになることから、
その含有量を５〜２０％と定めた。

（ａ）　　Ｃ Ｃ成分には、上記のように２種の化合物相を形成し、材
料の耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が
１５％未満では硬質分散相の量が相対的に少なすぎて所
望の耐摩耗性を確保することができず、一方４０％を越
えて含有させると、結合相に対する前記化合物相の割合
が多くなりすぎて材料の耐衝撃性が劣化するようになる
ことから、その含有量を１５〜４０％と定めた。

（ｅ）　　Ｎ Ｎ成分には、上記化合物相を微細化して材料の耐衝撃性
を一段と向上させる作用があるが、その含有量が１チ未
満では所望の耐衝撃性を確保することができず、一方１
５％を越えて含有させると、焼結時にＮの分解量が多く
なって材料中に巣が形成されるようになり、この結果耐
衝撃性が劣化するようになることから、その含有量を１
〜１５％と定めた。

（ｆｌ　　Ｂ Ｂ成分には、上記のように素地中に均一に分散する硬質
の化合物相をより硬化して材料の耐摩耗性を向上させる
作用があるが、その含有量が１％未満では所望の耐摩耗
性が得られず、一方１０％を越えて含有させると材料の
耐衝撃性が劣化するようになることから、その含有量を
１〜ｌＯ％と定めだ。

（ｇｌ　　Ｗ Ｗ成分は、その一部が上記の化合物相中に拡散するが、
残９の大部分は素地の結合相を構成し、この結合相は池
の合金成分が固溶したＷ基合金からなるので、材料はす
ぐれた耐塑性変形性、および耐衝撃性をもったものにな
る。しかし、その含有量が２０％未満では、相対的に上
記結合相の量が少なすぎて、特に耐衝撃性が劣化するよ
うになり、一方５５％を越えて含有させると相対的に分
散相が少なくなりすぎて材料の耐摩耗性が低下するよう
になることから、その含有量を２０〜５５チと定めた。

なお、この発明の焼結材料は、不可避不純物として、　
Ｆ　ｅ　ｒ　Ｎ　ｉ＋　ＣＯ！　Ｃｒ　！　Ｍｏ　Ｔ　
Ｓ　Ｉ　ＨＭ　Ｈおよび白金族金属（Ｐｔ、　Ｐｄ、　
Ｒｈ、　Ｒｕ、　Ｉｒ、　Ｏｓ　）のうちの１種または
２種以上を含有しても、その合計含有量が２％以下であ
れば、この焼結材料のもつ特性が何ら損なわれるもので
はない。

（ｈ）　　焼結温度 ２０００℃未満の焼結温度では焼結時の組織が完全固溶
体とならず、この結果焼結後の化合物析出処理工程で、
Ｗ基合金素地に微細な硬質化合物相が均一に分散した組
織を得ることができず、この結果所望の耐摩耗性および
耐衝撃性を確保することができないものとなり、一方２
７００℃を越えた焼結温度にすると、液相が出現するよ
うになって形状保持が困難となることから、焼結温度を
２０００〜２’７００℃と定めた。

（１）化合物析出処理温度 その温度が１０００℃未満では、分解析出する化合物の
量が少なすぎて、微細な硬質化合物が均一に分散した組
織を得ることができず、一方その温度が１６００℃を越
えると、分解析出が起らず、このように化合物析出処理
温度が１０００〜１６００℃の温度範囲から外れると所
望の耐摩耗性および耐衝撃性を確保することができない
ものであシ、かかる点から化合物析出処理温度を１００
０〜１６００℃と定めた。

つきに、この発明の焼結材料およびその製造法を実施例
により具体的に説明する。

実施例　１ 原料粉末として、平均粒径：１．０μｍを有するＴＩＣ
粉末、同１．２　ｐ　ｍの（ＴｉＯ，５８Ｗｏ、４２　
）　Ｃ粉末、同１．５μｎのＺｒＣ粉末、同１０μｍの
（Ｈｆ　ｏ４５Ｎｂｏ５５）Ｃ粉末、同１．２　／１　
ｍのＴａＣ粉末、同１．５μｍのＴ　Ｉ　Ｎ粉末、同１
．２　μｍのＴ　ｉＢ２粉末、および同１．１μｍの゛
・■粉末を用意し、これら原料粉末のうちの２種以上を
適宜組合せて所定組成に配合し、ボールミルにて７２時
時間式混合し、乾燥した後、１５ｋｇ／−の圧力にてプ
レス成形して圧粉体とし、ついで、この圧粉体をＨ２気
流中、温度：　８００　℃に１時間保持して予備焼結処
理した後、１０ｔｏｒｒの真空中、温度：　２６００℃
に１時間保持の条件で焼結し、焼結終了後、この焼結温
度から１５００℃までの温度範囲を７５０℃／ｈｒの冷
却速度で冷却し、１５００℃に３時間保持の条件で化合
物析出処理を行なうことによって第１表に示される成分
組成をもった本発明焼結材料１〜６および比較焼結材料
１〜８をそれぞれ製造した。

なお、比較焼結材料１〜８は、いずれも構成成分のうち
のいずれかの成分含有量（第１表に※印を付したもの）
がこの発明の範囲から外れた組成をもつものである。

ついで、この結果得られた本発明焼結材料１〜６および
比較焼結材料１〜８のそれぞれから、５ＮＰ４３２　　
の形状をもった切削チップを作製し、被削材：　ＪＩＳ
−８ＮＣＭ−８（硬さ：）（Ｂ２６０）。

切削速度：　２２０　ｍ／ｍ１ｔｒ、送り　：　０．３
　ｍｍ／ｒｅｖ、　。

切込み：２羽、切削時間：１０分の条件での連続重速切
削試験、並びに被剛材：　Ｊ　Ｉ　Ｓ　−ＳＮＣＭ−８
（硬さ　ＨＢ２８０）、切削速度：　２００　ｍ１ｍｍ
　。

送ｐ：０．２ｍｍ、切込み：２朋、切削時間：３分の条
件での断続高速切削試験を行ない、連続高速切削試験で
は、チップ切刃におけるフランク摩耗深さとクレータ摩
耗深さを測定し、また断続高速切削試験では、試験切刃
数１０個のうちの欠損発生切刃数を測定した。これらの
測定結果を第１表に合せて示した。なお、第１表には、
比較の目的でＡｎ酸化物を主成分とするセラミックス切
削チップ、およびＶＪ炭化物を主成分とする超硬合金基
体の表面に化学蒸着法によりＴ１炭化物（ＴｉＣ）およ
びＭ酸化物（Ａ＋！　２０　ｓ　）を７μｍの合計平均
層厚で被覆してなる表面被覆超硬合金切削チップ（従来
切削チップ１，２という）の同一条件での切削試験結果
も示した。

第１表に示される結果から明らかなように、従来切削チ
ップｌは、特に耐衝撃性に劣るために試験切刃全数に欠
損が発生し、また従来切削チップ２はすぐれた耐衝撃性
をもつので断続高速切削試験では本発明焼結材料と同等
のすぐれた切削性能を示すものの、耐摩耗性に劣るため
に連続高速切削試験では摩耗の大きなものとなっている
。これに対して、本発明焼結材料１〜６は、断続および
連続高速切削試験のいずれにおいてもすぐれた高速およ
び高送り切削性能を発揮することが明らかである。さら
に比較焼結材料１〜８に見られるように、構成成分のう
ちのいずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れる
と、連続および断続高速切削試験の少なくともいずれか
において劣った切削試験結果を示すようになるのである
。

実施例　２ 実施例１で用いた原料粉末に加えて、さらに平均粒径：
１．２μｍの（Ｔｉｏ５ｓＷｏ、ｔｚ　）　ＣＯ，９５
粉末、および同ＩＱμｍのＴ　ｉ　Ｃ０，５Ｎ　ｏ５粉
末を用意し、これら原料粉末を適宜組合せて用いて所定
組成に配合し、この配合粉末を実施例１におけると同一
の条件で混合し、プレス成形し、さらに予備焼結処理し
た後、１０−２ｔｏｒｒの真空中、温度：２１００℃に
２時間保持して焼結し、焼結後、固溶体組織を保持して
いる前記焼結温度から１３００℃までの温度範囲を７５
０℃／ｈｒの冷却速度で冷却し、１．３００℃に５時間
保持して化合物析出処理を行ない、第２表に示される成
分組成をもった本発明焼結材料７〜１１．および同じく
構成成分のうちのいずれかの成分含有量（第２表に※印
を付したもの）がこの発明の範囲から外れた組成を有す
る比較焼結材料９〜１４をそれぞれ製造した。

ついで、上記本発明焼結材料７〜１１および比較焼結材
料９〜１４から、それぞれ５ＮＰ４３；３の形状をもっ
た切削チップを作製し、被削材　ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８
（硬さ：ＨＢ２５０）、切削速度：１００ｍ／ｍｍ、送
’）　：　０．８　ｍｍｌ　ｒｅｖ、　、切込み、８朋
、切削時間：１０分の条件で連続高速シ切削試験を行な
い、フランク摩耗深さとクレータ摩耗深さを測定した。

この測定結果を第２表に示した。

また、第２表には、比較の目的で、いずれも市販のＷ炭
化物を主成分とする超硬合金基体の表面に化学蒸着法に
よ＃）６μｍの平均層厚でＴ１炭化物の硬質層を被覆し
たものからなる表面被覆超硬合金切削チップ、およびＰ
２ＯのＷ炭化物を主成分とする超硬合金切削チップ（以
下従来切削チップ３．４という）の同一条件での切削試
験結果も示した。

第２表に示されるように、実施例１におけると同様の結
果を示し、本発明焼結材料７〜１１で作製された切削チ
ップは、いずれも従来切削チップ３．４および比較焼結
材料９〜１４で作製された切削チップに比して一段とす
ぐれた切削性能を発揮することが明らかである。

上述のように、この発明によれば、高温特性。

すなわち耐摩耗性、耐塑性変形性、耐酸化性、および耐
衝撃性にすぐれた焼結材料を通常の粉末冶金法を用いて
製造することができ、したがってこの結果の焼結材料を
、前記の高温特性が要求される高速切削や高送り切削に
切削工具として用いた場合に著しくすぐれた切削性能を
発揮するのである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　Ｔｉ：　５〜２５％、　ＺｒおよびＨｆのう
   ちの１種または２種：５〜２０％、　ＮｂおよびＴａの
   うちの１種または２種：５〜２０％、Ｃ：１５〜４０％
   。 Ｎ：１〜１５％、Ｂ：１〜１０％を含有し、残シがＷと
   不可避不純物（ただしＷ：２０〜５５％含有）からなる
   組成（以上原子％）を有し、かつ分散相が、Ｔ１とＣと
   ＮとＢとを主成分とする化合物相と、ＺｒおよびＨｆの
   うちの１種または２種とＣとＮとＢとを主成分とする化
   合物相との微細硬質相からな９、一方結合相が、Ｗを主
   成分とするＷ基合金からなる組織を有することを特徴と
   する特許（２）原料粉末として、金属炭化物粉末，金属
   窒化物粉末，金属炭窒化物粉末，金属硼化物粉末。 金属炭硼化物粉末，金属炭窒硼化物粉末，およびＷ粉末
   を用意し、これら原料粉末のうちの２種以上を用いて所
   定配合組成に配合し、通常の条件で混合し、プレス成形
   し、ついでこの結果の圧粉体を、非酸化性雰囲気中、温
   度：　２０００〜２７００℃の高温で完全固溶体化焼結
   した後、非酸化性雰囲気中、温度：　１０００〜１６０
   ０℃で化合物析出処理を行ない、Ｔ１；５〜２５％，　
   ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種二５〜２０％，
   ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種＝５〜２０チ，
   Ｃ：１５〜４０％，Ｎ：１〜５％，Ｂ：１〜１０％を含
   有し、残９がＷと不可避不純物（ただしＷ：２０〜５５
   チ含有）からなる組成（以上原子％）を有し、かつ分散
   相が、Ｔ１とＣとＮとＢとを主成分とする化合物相と、
   ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種とＣとＮとＢと
   を主成分とする化合物相との微細硬質相からなり、一方
   結合相が、Ｗを主成分とするＷ基合金からなる組織を有
   する焼結材料を製造することを特徴とする特許 具用焼結材料の製造法。