JPS58130247A - 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速シ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、刃先が摩耗よりは、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
りつつある。

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Ｔｉ炭化物で構成され、一方結合相が主
として鉄族金属セ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、とわ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℃を若干上廻る程度に制限され
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、高速切削や高送り切削用の切削工具材料と
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Ｔ１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
ばかりでなく、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，金属酸化物粉末，金属炭酸化物粉末，金属炭酸
室イヒ物粉末，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：　２０００〜２７０
０℃の高温、すなわち完全固溶体イヒ温度で焼結し、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％ｆ、Ｔ１．５〜２５
％，　ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種：５〜２
０％，　ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種１５〜
２０％，Ｃ：１５〜４０チ，　　ｌ−１　：　１〜１５
％．０：１〜１０％を含有し、残りがＷと不可避不純物
（ただしＷ：２０〜５５チ含有）からなる組成を有し、
かつ分散相が、」１とＣとＮと０とを主成分とする化合
物相と、Ｚｌ・およびＨｆのうちの１種または２種とＣ
とＮとＯ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ｋ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Ｔ１
とＣとＮと○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１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％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０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υ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
耐摩耗性が低下するようになることから、その含有量を
５〜２０％と定めた。

（ｄ）　　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
１５ｑ６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
合が多くなシ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チと定めた。

（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％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。

（ｆ）０ ０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
１〜１０％と定めた。

（ｇｌ　　Ｖ７ Ｗ成分は、その一部が上記の化合物相中に拡散するが、
残りの大部分は素地の結合相を構成し、この結合相は他
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υ、一方５５％を越えて含有させると相対的に分
散相が少なくなシすぎて材料の耐摩耗性が低十するよう
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、　Ｎｉ、　Ｃｏ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｓｉ、　Ａｌ
、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、その合計含有惜が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シ、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
２０００〜２７００℃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
ものであり。

かかる点から化合物析出処理温度を１０００〜１６００
℃と定めた。

つぎに、この発明の焼結材料およびその製造法を実施例
によシ具体的に説明する。

実施例 原料粉末として、平均粒径：１．０μｍを有するＴ１ｃ
粉末、同１２μｍの（Ｔｉｏ５ｓＷｏ４ｚ）　Ｃ粉末、
同１、５　μｍのＺｒＣ粉末、同１．０μｍの（Ｈｆ　
ｏ４ａＮｂｏ５５）Ｃ粉末、同１．２μｍのＴａＣ粉末
、同１．５７１　ｍのＴＮ（粉末、同１．５７１　ｍの
ＴｉＣ０，６ＮＯ，２００２粉末９同］、　２　μｍの
Ｔ　ｉＣｏ、ｓ　ＯＯ，２粉末、および同１．２　ｐ　
ｍのＷ粉末を用意し、これら原料粉末のうちの２徨以上
を適宜組合せて所定組成に配合し、ボールミルにて７２
時間湿式混合し、乾燥した後、１５　ｋｇ／　Ｍ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、温度口８００℃に１時間保持して予備焼結
処理した後、ｌ　Ｏｔｏｒｒ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〜Ｂ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−８
５−８ＮＣ（硬さ：ＨＢ２６０）。

切削速度：　２３０　ｍ／ｍ１ｙｒ、送り：０３６　ｍ
ｌ／ｒｅＶ−＋切込み：２朋、切削時間：１０分の条件
での連続高速切削試験、並びに被削材：　Ｊ　Ｉ　Ｓ　
−８ＮＣＨ−８（硬さ：ＨＢ２８０）、切削速度：２０
０ｍ／ｒｒｕｎ。

送ｐ　：　０．２４ｍｌ、切込み：２ｍｍ＋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ＡＡ酸化物を主成分とするセラミ
ックス切削チップ、および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ｐＴｉ炭化物（ＴｉＣ
）およびＭ酸化物（Ａｆｆｉ２０ｇ）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、また従来切削テップ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：
１．２μ７ｎの（Ｔ　ｉ　ｏ、ａｓ　Ｗ　Ｏ，４２）　
Ｃ０，９）粉末、および同１．０μｍのＴｌＣｏ５Ｎｏ
５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、１０ｔｏｒｒ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７
５０　’Ｃ／ｈｒの冷却速度で冷却し、１３００℃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５ＮＰ４３２の形状をもった
切削チップを作製し、被削材　ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（
硬さ：ＨＢ　２５０　）　、切削速度。

１００　ｍ１ｍ１ｎ　、送ｐ　：　０．８５１１７ｒｅ
ｖ、　　、切込み１０、、、切削時間；１０分の条件で
連続高速り切削試験を行ない、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
より、６μｍの平均層厚でＴｉ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速シ切削に
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。

出願人　　三菱金属株式会社 代理人　　富　　１）　和　　夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１Ｔｉ　：　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％。 ｊ、Ｊ　：　１〜１５％、０：１〜１０％を含有し、残
   υ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、Ｔ
   １とＣとＮと０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Ｏ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こと
   を特徴とする特許性のすぐれた切削工具用焼結材料。 （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，金属酸化物粉末。 金属炭酸化物粉末，金属炭酸窒化物粉末，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，Ｔｉ：５〜２５％，　
   ＺｒおよひＪ｛ｆ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
   チ，Ｃ：１５〜４０％，Ｎ：１〜５％，０：１〜１０％
   を含有し、残シが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Ｏとを主成分とする化合物相
   と，Ｚｒおよ９ｆｆｆのうちの１種または２種とＣとＮ
   とＯ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。