JPS5843463B2 - 切削工具用高硬度焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高圧相窒化硼素、セラミック質物質および金
属からなる組成物に、更に硼素を含有させた高硬度焼結
体であり、その組成物の焼結のし易さおよび切削性能の
いずれも優れた切削工具用高硬度焼結体に関するもので
ある。

高圧相窒化硼素は、爆薬の爆発などで発生する衝撃的超
高圧によって合成されるウルツ鉱型窒化硼素（以下、Ｗ
ＢＮと称する）とプレス圧力によって発生する静的超高
圧によって合成される立方晶系窒化硼素（以下、ＣＢＮ
と称する）との２種類があり、いずれもダイヤモンドに
次ぐ高硬度を有し、またこれら高圧相窒化硼素はダイヤ
モンドにみられるようた鉄との反応性かたいため、鉄お
よびその合金の切削および研削に適しているので、最近
、高性能の鉄加工用材料として着目されている材料であ
る。

このように有用な高圧相窒化硼素をたとえば切削用途に
用いるには高圧相窒化硼素を高温高圧下で焼結する必要
がある。

ところが、高温高圧下で焼結することは工業的に困難を
伴なう。

そこでより低温低圧下で焼結することが必要となる。

しかし高圧相窒化硼素は高硬度であるため、低温では焼
結しがたい。

それで高圧相窒化硼素に、より低温で焼結が容易た材料
を添加して、高圧相窒化硼素のみより低い焼結温度で焼
結すること、かつ被削材の性質に合せてその焼結体の切
削性能を高圧相窒化硼素のみの焼結体の切削性能より向
上させることが行われている。

このような目的で高圧相窒化硼素に添加される前記材料
としては、たとえば、ＩＶａ族およびＶａ族の金属の炭
化物、窒化物。

硼化物などのセラミック質物質がある。

また、前記の高圧相窒化硼素とセラミック質物質との混
合粉体に金属粉体を混合焼結することにより、高圧相窒
化硼素とセラミック質物質との粒子間空隙に金属が高温
で溶解して流れ込み、それらの粒子と金属との間に固溶
体や化合物を作って焼結体として強固に固めることが行
われていた。

このようにして得られる従来の高圧相窒化硼素。

セラミック質物質および金属を含む焼結体は高圧相窒化
硼素のみの焼結体より、比較的に低温低圧下で容易に焼
結することができ、かつ一応は実用的な硬度と切削時の
耐摩耗性を有するものであるが、更に焼結時の高温高圧
条件を緩和し工業的製造を容易にすること、および実用
上から更に高硬度で切削時の耐摩耗性に優れた高圧相窒
化硼素を含む焼結体を得ることが望まれていた。

本発明は、前記のような工業的製造上からの要請および
実用的な品質および性質上からの要請に応じ得る焼結体
を求めて鋭意研究した結果、得られたもので、前記のよ
うは高圧相窒化硼素、セラミック質物質および金属を含
む従来の焼結体の原料組成物に更に硼素を添加して焼結
することによって、従来の焼結体より低温で焼結するこ
とができ、かつ得られた焼結体の性質が、従来の焼結体
より高硬度で抗折力と切削時の耐摩耗性において優れた
切削工具用高硬度焼結体を提供するものである。

すなわち、本発明の切削工具用高硬度焼結体は、高圧相
窒化硼素１０〜８０体積係、ＩＶａ族およびＶａ族金属
の炭化物、窒化物および硼化物からなる群から選ばれる
１種または２種以上のセラミック質物質１９〜８０体積
係および後記の金属１〜３０体積幅を含む組成物に、さ
らに前記の金属１００体積部に対し硼素１０〜３００体
積部を添加し焼結してなることを特徴とするものである
。

本発明で用いられる高圧相窒化硼素は前述のようにＷＢ
ＮおよびＣＢＮの２種類があり、そのいずれか一方また
は両者の混合物を用いることができる。

ＷＢＮとＣＢＮとの混合比率は目的とする高硬度焼結体
の性質および他の配合原料の種類に応じて任意に設定さ
れる。

本発明の切削工具用高硬度焼結体の原料組成物における
高圧相窒化硼素の含有率は１０〜８０体積幅であり、１
０体体積幅満では高硬度焼結体として十分た性質を備え
ることができず、また８０体体積幅越えては他の配合原
料の含有率が相対的に少なくなり、良好な焼結体が得ら
れがたい。

本発明で用いられるセラミック質物質とは、■ム族金属
であるチタン、ジルコニウムおよびハフニウムの炭化物
、窒化物および硼化物とＶａ族金属であるくくナジウム
、ニオブおよびタンタルの炭化物、窒化物および硼化物
とからなる群から選ばれる１種または２種以上のセラミ
ック質物質である。

本発明の切削工具用高硬度焼結体の原料組成物における
セラミック質物質の含有率は１９〜８０体積係であり、
１９体体積幅満または８０体体積幅越えては良好な焼結
体が得られがたい。

また前記のセラミック質物質に加えて、他のセラミック
質物質、すなわち■ａ族およびＶａ族以外の金属、たト
エばマグネシウム、アルミニウム、ケイ素、クロム、イ
ツトリウム、モリブデン、タングステン、硼素などの金
属の炭化物、窒化物および酸化物、ＩＶａ族およびＶａ
族金属の酸化物等を本発明の切削工具用高硬度焼結体の
性質を改良するために添加しても良い。

本発明で用いられる金属は、マグネシウム、アルミニウ
ム、ケイ素、銅、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、
チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオ
ブ、タンタル、クロム、モリブデンおよびタングステン
であり、これらの１種または２種以上が用いられる。

本発明の切削工具用高硬度焼結体の原料組成物における
前記の金属の含有率は１〜３０体積係であり、１体積幅
未満ではその強固た結合効果を発揮し得す、靭性のあ−
る焼結体となし得す、また３０体積幅を越えては高硬度
の焼結体とたし得たい。

次に本発明の特徴として用いられる硼素は、非晶質また
は結晶質のいずれでもよく、その高硬度焼結体における
含有量は、ともに含有される金属の１００体積部に対し
１０〜３００体積部であり、好ましくは５０〜２８０体
積部である。

この含有量が１０体積部未満では次に述べる効果を発揮
し得す、３００体積部を越えてはともに含有される金属
の焼結体における結合効果を阻害する。

このようた本発明の切削工具用高硬度焼結体の組成にお
いて硼素を添加することによって、従来の高圧相窒化硼
素焼結体より高硬度で抗折力と切削時の耐摩耗性に優れ
た焼結体とすることができるとともに、硼素を添加しな
い従来の焼結体組成物より低温度で焼結しても良好た高
硬度焼結体が得られるという製造技術上きわめて有利な
効果を有している。

上記の優れた特性と効果は、硼素の有する物理化学的特
性によると考えられる。

すなわち、多くの金属は硼素を添加することによってそ
の融点が低下する。

この現象はたとえば高圧相窒化硼素やダイヤモンドある
いは超硬合金の焼結によく用いられる鉄族金属の場合に
著しい。

コバルトの場合、常圧下で単一では１４９５℃がその融
点とされているが、約１３体積％の硼素を添加すると融
点は１０９５（、まで低下する。

同様に鉄の場合、約１２体積係の硼素の添加により、融
点が１５３４℃から１１５０℃まで低下し、ニッケルの
場合、約１３体積係の硼素の添加により１４５３℃の融
点が１０７０℃まで低下する。

このように硼素は金属の融点を降下させて、低い温度で
金属を流体化させ、より低い温度で焼結体中の金属の流
動を伴う焼結の進行を可能にするという利点の他に、硼
素は、ＩＶａ族金属と結合して硬度と融点が高い金属硼
化物となって焼結体の性質を向上させるという利点があ
る。

すなわちＩＶａ族金属の炭化物、窒化物、硼化物は、厳
密には金属と炭素、窒素あるいは硼化の化学的当量比が
七〇組成から理論的に計算した値からずれており、実際
の値は金属が過剰とたっているので、添加した硼素はそ
の未結合の■ａ族金属と結合して上記の高硬度、高融点
の硼化物となり、同時にそのよりな化学結合をする際に
、焼結体の組織を緊密にする。

更に、硼素は前配りような金属と共融して金属の融点を
下げたり、ＩＶａ族金属との化合物を作らなくでも、そ
れ自体、高融点、高硬度であるため、共融体を作ったり
、化合物を作ったりするりに必要な置板上に過剰に添加
しても不都合は生じたい。

また、本発明の切削工具用高硬度焼結体組成としては、
添加する金属は前記のような硼素の添加によって融点の
低下する金属に限らず、たとえばアルミニウムのように
逆に融点の上昇する金属も使用することができる。

この場合、たとえばアルミニウムは、常圧下では６６０
℃の融点であるため、あらかじめ硼素との共融体とせず
におのおのの粉体を添加しておけば、一旦溶解したアル
ミニウムが高圧相窒化硼素のぬれを良くし、焼結体組成
物全体の焼結を助けるとともに硼素を溶解して最終的に
焼結体中により融点の高い共融体を作って共存すること
が予想されるので、前記のような融点が上昇するような
金属を用いても不都合は生じない。

また、単に金属と硼素の共融体を生成するのみでなく、
焼結条件や添加金属の種類によっては、硼素を添加する
ことによって焼結時に金属硼化物が生成し、それが焼結
体の焼結強度や耐熱性および硬度を向上させることもあ
る。

本発明において焼結体組成物に硼素が加えられることに
よる利点は、前記のような効果に留まらず、より低温、
低圧での焼結が可能に耽るという製造上の有利さも挙げ
られる。

すなわち、高圧相窒化硼素を焼結する場合は、常圧では
高温で高圧相窒化硼素は安定でなく、軟かい低圧相窒化
硼素に相転換するため、高硬度の焼結体が得られない。

従って高硬度の焼結体を得るためには高圧相窒化硼素の
安定た高圧高温下で焼結しなげればならない。

高圧相窒化硼素の安定な高圧高温領域は第１図に示すよ
うに、温度が上昇するとともに圧力が上昇するので、高
温で焼結する場合は高い圧力で焼結しなければならず、
一方、低い温度で焼結する場合はより低い圧力でよいこ
ととなる。

従って本発明において硼素を添加することにより金属の
溶融して流動化する温度が低下するために焼結温度か硼
素を添加しない場合より低くでもかまわないということ
は、同時に焼結時の負荷圧力も低くてもかまわたいとい
うことにたる。

それによって高圧を発生するための高度な技術の要求度
が緩和され、また高圧装置の応力負荷が低減されるため
に装置寿命が延長されるという利益が生ずる。

以上、詳細に説明したように、本発明は高圧相窒化硼素
とＩＶａ族およびＶａ族金属の炭化物、窒化物および硼
化物の１種または２種以上と金属とを含む焼結体の焼結
原料に硼素を添加することによって高硬度、高性能の焼
結体が巾広い焼結条件で得られるもので、従来製造が極
めて困難とされていた高圧相窒化硼素の焼結体かより困
難度が低く得られるもので、産業上極めて有用な発明で
ある。

次に実施例によって本発明を具体的に説明する。

実施例 Ｉ ＷＢＮ５０体積係、炭化チタン体積体積係、窒化チタン
１７体積饅、ニッケル２．４体積幅、モリブデン１．６
体積％、アルミニツム４体積幅、非晶質硼素８体積幅（
すなわち、金属１００体積部に対し硼素１００体積部の
割合で添加）合計１０ｇを超硬合金製ボーフレミルに入
れ、アセトン５０ｍを添加して２４時間混合した。

使用した前記の原料粉はすべて平均粒径３μｍ以下のも
のである（以下の各側においても特に断らない限り同様
である）。

混合を終えた原料粉は、アセトンを乾燥除去してからニ
トロセルロース５重量係を添加して厚さ２ｍｍ、直径１
０ｍ７ＩＬの円板状に銭形し、これを外径１１ｍｍ、高
さ５．５間、厚さ０．５ ｍｍのモリブデンカプセルに
炭化タングステン９０重量係とコバルト１０重量係とか
らたる混合粉の厚さ３ｍ７ＩＬ１直径１０１ｍの成形体
を収めた上に重ねて入れた後、１０″ ｔｏｒｒ、７０
０℃で１時間脱ガス処理をした。

脱ガス処理後、ただちに原料粉を収めたこのモリブデン
カプセルをそのままベルト式超高圧装置に入れ、１５５
０℃、５５ｋｂの温度と圧力を１５分間保持して焼結を
行った。

このようにして、ＷＢＮを含む本発明の切削工具用高硬
度焼結体部分に炭化タングステン−コバルト焼結体部分
（以下、超硬合金基盤と称する）が強固に接着している
焼結体を得た。

次にこの焼結体のＷＢＮを含む焼結体部分の表面をダイ
ヤモンド砥石で研磨して平滑とし、マイクロビッカース
硬度計でビッカース硬度を測定したところ、３８００
Ｋｙ／ｉＡであった。

また、この焼結体をダイヤモンド切断刃で切断して切削
チップを作成し、鋼製のバイト柄に超硬合金基盤側で銀
ロー付げして切削試験を実施した。

被削材として硬度ＨＲＣ６０に熱処理した５ＫＨ９種鋼
を用い、切削速度９６ｍ／ｍｊｎ。

切込み０．２ ｍｍ、送り０．１１ ｍｒｎ／ ｒｅｖ
として切削したところ、フランク摩耗が０．２ｍｔｎに
達するのにろ分間かかった。

比較例 １ 実施例１の焼結原料組成から硼素を除いた組成について
、実施例１と同様の方法で焼結を行った。

得られた焼結体について、実施例 と同様の方法で硬度
測定および切削試験を行った。

その結果、ビッカース硬度は３４００に９／−であり、
フランク摩耗が０．２ｍｍに達するのに要した時間は１
４分間であった。

比較例 ２ 焼結原料組成を比較例１と同じにし、焼結条件を圧力６
５ ｋｂ 、温度１６５０℃としたほかは実施例１と同
様にして焼結を行った。

その結果得られた焼結体は実施例１と同様の試験の結果
、ビッカース硬度は３６ｏｏＫり／−、フランク摩耗が
Ｑ、２ｍｍに達する時間は２２分間であった。

すなわち、硼素を含有しない焼結原料組成で、実施？ｌ
１１の焼結体の試験結末に近い性能の焼結体を得るため
には、実施例１の焼結条件より高温、高圧を要すること
が比較例１と比較例２とによって示された。

実施例 ２ 焼結原料をＷＢＮ３０体積係、ＣＢＮ３０体積係、二硫
化チタン１５体積係、炭化タンタル１０体積係、コバル
ト１．２体積係、タングステン０．８体積係、アルミニ
ウム２体積係、非晶質硼素１１体積係（すなわち金属１
００体積部に対し硼素２７５体積部の割合）のものを用
いたほかは実施例１と同じようにして実験を繰り返えし
た。

そノ結果得られた焼結体はビッカース硬度３９００ Ｋ
ｇ／ｙｎｍ、フランク摩耗が０．２ ｍｍに達するのに
要した時間は３０分間であった。

比較例 ３ 実施例２の焼結原料組成から非晶質硼素を除いた組成を
用いたほかは実施例２と同様の実験を行った。

得られた焼結体はビッカース硬度３５００Ｋｇ／ ｍｉ
で、フランク摩耗が０．２ ｍｘに達する時間は１４
分間であった。

実施例 ３ ＣＢＮ７０体積幅、炭化タンタル１２体積係、窒化バナ
ジウム９体積係、ニッケル２．４体積係、マンガン１体
積％、モリブデン０．６体積％、アルミニウム４体積係
、非晶質硼素１体積係（すなわち金属ｉｏｏ体積部に対
し、硼素１２．５体積部の割合）を焼結原料とし、焼結
条件とその後の試験条件を実施例１と同様にして実験を
行った。

得られた焼結体の硬度はビッカース硬度３６００匂／己
で、フランク摩耗が０．２ｍｍに達するのに要する時間
は２４分間であった。

比較例 ４ 実施例３の焼結体組成から非晶質硼素を除いた組成を用
いたほかは実施例３と同様の実験を行った。

その結果得られた焼結体の硬度はビッカース硬度３３０
０ Ｋｇ／ｍ１１で、フランク摩耗が０．２ ｕｒｎに
達するのに要した時間は１８分間であった。

実施例 ４ 実施例１の焼結実験を繰り返えした。

ただし、焼結の際の温度を１４００℃とした。

その結果得られた焼結体はビッカース硬度３１００Ｋｇ
／ｖｔａで、硬度ＨＲＣ６０に熱処理した５ＫＤＩＩ種
鋼を切削速度９６ｍ／ｌＴｌ１ｌＩＬ、切込み０．５１
！７１１．送り０．１１ｒａｍ／ ｒｅｖとして切削し
たところ、フランク摩耗が０、２ ｕｒｎに達するのに
要した時間は２３分間であった。

比較例 ５ 実施例４の実験を焼結体組成かも非晶質硼素を除いた組
成で実施した。

得られた焼結体はビッカース硬度１９００Ｋｙ／７Ｉ２
ｆｆｌで、実施例４と同様の切削試験の結果、刃先が数
秒で欠損し、切削、に耐えなかった。

実施例 ５ ＷＢＮ１２体積饅、炭化チタン４０体積係、アルミニウ
ム３体積係、ニッケル８体積係、モリブデン３体積係、
結晶質の硼素で平均粒径が２μｍのもの３４体積係（す
たわち、金属１００体積部に対して硼素２４２．９体積
部の割合）を焼結原料として実施例１と同様の実験を行
った。

ただし、焼結時の圧力は５２’ｋｂ、温度は１３７０″
しとした。

得られた焼結体はビッカース硬度２３００ｋＶｍｙＡで
、硬度ＨＲＣ５８に熱処理した５ＵＪ２種鋼を切削速度
９６ｍ／１ＴＩＬＬ切り込み０．５朋、送り０、１１
ｔｕｒｎ／ ｒｅｖで切削したところ、フランク摩耗が
０．２ ｍｍに達するのに１６分間を要した。

比較例 ６ 実施例５と同様の実験を結晶質硼素を除いた組成で行っ
た。

その結果得られた焼結体はビッカース硬度１８００Ｋｇ
／−で、実施例５と同様の切削試験を実施したところフ
ランク摩耗かｕ、 ２ ｍｍに達するのに要した時間は
１分以下であった。

実施例 ６ 実施例１と同様の焼結実験を行った。

ただし、実施例１の焼結原料組成からアルミニウムを除
いた組成で行った。

その結果得られた焼結体のビッカース硬度は３９００Ｋ
ｇ／ｉ♂であった。

焼結体のＸ線回折試験を行ったところ、ＷＢＮ、ＣＢＮ
。

炭化チタン、窒化チタン、ニッケル、モリブデンの他に
硼化ニッケル（ＢＮｉ２ ｔＮｉ２ＢＩＮｉＢＮｉ４Ｂ
３）および硼化モリブデン（ＢＭｏ２ 。

ＭＯ８２、Ｍ ｏ Ｂ 、 Ｍ ｏ Ｂ４）の存在が認
められた。

実施例 ７〜１１ 次の表−１に示す焼結原料組成および製造条件で焼結し
、それぞれの焼結体を得た。

得られたそれぞれの焼結体のビッカース硬度および切削
試験結果について表−１に示す。

比較例７〜１１ 次の表−１に示すような非晶質硼素を含まない焼結原料
組成および製造条件で焼結し、それぞれの焼結体を得た
。

得られたそれぞれの焼結体のビッカース硬度および切削
試験結果について表−１に示す。

参考例 １ 焼結原料をＷＢＮ３０体積饅、ＣＢＮ３０体積係、二硫
化チタン１５体積係、酸化アルミニウム１０体積部、コ
バルト１．２体積部、タングステン０．８体積幅、アル
ミニウム２体積幅、非晶質硼素１１体体積部すたわち金
属１００体積部に対し硼素２７５体積部の割合）のもの
を用いたほかは実施例１と同じようにして実験を繰り返
えした。

その結果得られた焼結体はビッカース硬度４０００Ｋｇ
／ｍｒｉ’ フランク摩耗が０．２ ｍｍに達するのに
要した時間は２６分間であった。

参考例 ２ ＣＢＮ７０体積係、炭化タンタル１２体積幅、炭化硼素
５体積幅、窒化バナジウム４体積係、ニッケル２．４体
積部、マンガン１体積係、モリブデン０．６体積部、ア
ルミニウム４体積部、非晶質硼素１体積部（すたわち金
属１００体積部に対し、硼素１２．５体積部の割合）を
焼結原料とし、焼結条件とその後の試験条件を実施例１
と同様にして実験を行った。

得られた焼結体の硬度はビッカース硬度３６００に９／
−で、フランク摩耗が０．２ｍｍに達するのに要する時
間は２２分間であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は高圧相窒化硼素の安定領域を示す温度圧力関係
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高圧相窒化硼素１０〜８０体積係、ＩＶａ族および
   Ｖａ族金属の炭化物、窒化物および硼化物からなる群か
   ら選ばれる１種または２種以上のセラミック質物質１９
   〜８０体積係および下記の金属から選ばれる１種または
   ２種以上の金属１〜３０体積係を含む組成物に、さらに
   前記の金属１００体積部に対し硼素１０〜３００体積部
   を添加し焼結してなることを特徴とする切削工具用高硬
   度焼結体。 金属：マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、銅、マン
   ガン、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、ジルコニウム
   、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム
   、モリブデン、タングステン。