JPS5929667B2 - 靭性および耐摩耗性にすぐれた切削工具用焼結材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特にすぐれた耐摩耗性と靭性が要求される
高硬度鋼などの切削に使用した場合に、すぐれた切削特
性を示す立方晶窒化硼素含有の緻密な焼結材料に関する
ものである。

近年、苛酷な使用条件下での切削に際して比較的良好な
切削特性を示す切削工具用焼結材料として、立方晶窒化
硼素を主成分（一般に含有量９０容量係以上）と−少量
の金属成分を含有した焼結材料（この場合鉄族金属、タ
ングステンカーバイドが原料粉末の混合時および高温高
圧焼結時に容器などよシ混入含有する）′が提案され、
市販されてお択確かに前記焼結材料は、約１１００℃ま
での高温まで安定で、かつダイヤモンドに次ぐ著しく高
い硬さをもつ立方晶窒化硼素を主成分として含有するた
め、耐摩耗性にすぐれ、しかも鉄族金属およびこれらの
合金に対して反応しにくい性質をもつものであるため、
高硬度鋼やＮｉ基耐熱合金の切削加工に使用されている
。

しかしながら、上記従来焼結材料は、上記のように高硬
度をもつものの、十分な靭性を備えたものではないため
に、この靭性不足が原因で切削時にチッピング摩耗を起
しやすく、したがって本来具備しているすぐれた耐摩耗
性を十分に発揮することができないのが現状である。

本発明者等は、上述のような観点から、靭性および耐摩
耗性にすぐれた切削工具用焼結材料を得べく研究を行な
った結果、洗結材料を、 （ａ） 高温硬さ、弾性係数、および熱伝導性がいず
れも高く、一方熱膨張係数が小さく、さらにスケルトン
組織を形成し易く、しかも前記スケルトン組織は抗折強
度が大きく、結合相を構成する焼結助剤金属とのぬれ性
も良好な、組成式：％式％ ） ） で現わされる立方晶高融点化合物固溶体と、（ｂ）
スケルトン組織の形成を促進しかつスケルトンの強固な
接合を行なう、Ａｌ＊ＮｔｓｃｏｍＦｅｓＭｎ、および
Ｓｉのうちの１種または２種以上からなる焼結助剤金属
と、 （ｃ） 高硬度を有する立方晶窒化硼素、から構成す
ると、上記焼結助剤金属によって強固に結合された、上
記立方晶窒化硼素と上記立方晶高融点化合物固溶体の３
次元スケルトン組織を有し、したがって前記スケルトン
組織によるすぐれた靭性と、前記立方晶窒化硼素による
すぐれた耐摩耗性とを有する焼結材料が得られ、この焼
結材料を、特に高硬度鋼の切削に使用した場合にきわめ
てすぐれた切削性能を示す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、切
削工具用焼結材料を、 上記立方晶高融点化合物固溶体：ｌＯ〜６０容量係、 上記焼結助剤金属＝０．２〜５容量係、 上記立方晶窒化硼素および不可避不純物：残択 からなる成分組成で構成したことに特徴を有するもので
ある。

つぎに、この発明の焼結材料において、成分組成範囲お
よび立方晶高融点化合物固溶体を上述のように限定した
理由を説明する。

■ 立方晶高融点化合物固溶体 （ａ） 含有量 原材粉末として使用される立方晶高融点化合物固溶体（
（Ｔｉｍ＊Ｔａｎ、Ｗｌ−ｍ ｎ）（Ｃｘ＊Ｎｙ ｍ
０１ｘ ｙ ） ｚ ）粉末は、例えばＴｉＣ粉末
、ＴｉＮ粉末、ＴｉＯ粉末、ＴａＣ粉末、ＴａＮ粉末、
およびＷＣ粉末を適宜割合に配合し混合した後、１５０
０℃以上の高温で固溶化する方法や、他の還元反応を伴
う固溶体合成法などによって調製されるが、その含有量
が１０容量係未満では、靭性に富んだスケルトン組織を
十分に形成することができないため、靭性低下および強
度低下をきたすようにな択一方６０容量係を越えて含有
させると、硬度低下が著しくなって所望の耐摩耗性を確
保することができなくなることから、その含有量を１０
〜６０容量係と定めた。

（ｂ） ｍの値 ｍの値が０．４未満では、Ｔｉの含有量が少な過ぎて所
望の高温硬さおよび化学的安定性を確保することができ
なくなシ、一方０．８を越えた値にすると、Ｔｉの含有
量が多くな多過ぎて、上記立方晶高融点化合物固溶体の
もつすぐれた抗折強度および熱伝導性が低下するように
なることから、その値を０．４〜０，８と定めた。

（ｃ） ｎの値 ｎの値が０．１未満では、Ｔａ成分によってもたらされ
る良好な熱伝導率が低下するようになると共に、焼結材
料に形成されるスケルトン組織の抗折強度が低下するよ
うになシ、一方０．５を越えた値にすると、高温硬さが
低下するようになることから、その値を０．１〜０．５
と定めた。

また、Ｗの含有割合を示す（１−ｍ−ｎ）の値は０．１
〜０．５にするのがよく、その値が０．１未満では、Ｗ
含有量が少な過ぎて上記立方晶高融点化合物固溶体のも
つ上記の諸性質が劣化するようになり、一方０．５を越
えた値にするとＷの含有量が多くな多過ぎて固溶しない
ＷＣｌが残存するようになって単一の化合物固溶体を形
成するととができなくなるからである。

（Ｃ）・Ｘの値 Ｘの値が０．１未満では、Ｃの含有量が少なくな多過ぎ
て高温硬さが低下するようになる一方、Ｘの値を０．９
を越えて大きくすると、Ｃの含有量が多くなり過ぎて熱
伝導率が低下するようになることから、Ｘの値を０．１
〜０．９と定めた。

（ａ） ｙの値 ｙの値が０．１未満では、相対的にＣの含有量が多くな
り過ぎて熱伝導率が低下するようになシ、一方０．９を
越えて多くすると、相対的にＣの含有量が少なくな〃過
ぎて高温硬さが低下するようになることから、ｙの値を
０．１〜０．９と定めた。

またＯ（結合酸素）の値１−ｘ−ｙに関しては、０．０
１〜０．５の範囲内にあるのが望ましく、これは、この
値が０．０１未満では耐酸化性が低下して摩耗進行が早
くな択一方、０．５を越えた値にするとＯに対するＣお
よびＮの含有量が相対的に少なくなって高温硬さが低下
するようになるという理由からである。

（ｅ）ｚの値 ２の値が０．８未満では（Ｃ十Ｎ十〇）の含有量に対す
る（ Ｔ ｉ ＋ Ｔａ ＋Ｗ ）の含有量が相対的に
多くなって高温硬さが低下するようになシ、一方１．０
を越えた値にすると逆に（Ｔｊ＋Ｔａ＋Ｗ）の含有量が
少なくなって単一な化合物固溶体を形成するのが困難と
なシ、遊離炭素が存在するようになることから、２の値
を０．８〜１．０と定めた。

（２）焼結助剤金属の含有量 焼結助剤金属としては、立方晶窒化硼素と立方晶高融点
化合物固溶体とからなる３次元スケルトン組織の形成を
促進ムかつ前記両成分とのぬれ性がよく、しかも前記両
成分と強固に結合する作用のあるＡ Ｉ ＃ Ｎ １
ｇ ＣＯ＃ Ｆ ｅ ｍ Ｍｎ ｓおよびＳｉのうちの
１種または２種以上が用いられるが、その含有量が０．
２容量係未満では、前記作用に所望の効果が得られず、
しかも焼結時に著しく高い温度と圧力を必要とするよう
になり、一方５容量係を越えて含有させると、高温硬さ
が低下するようになることから、その含有量を０．２〜
５容量係と定めた。

さらに、この発明の焼結材料は公知の超高圧超高温発生
装置を使用して製造される。

すなわち、立方晶高融点化合物固溶体粉末、立方晶窒化
硼素粉末、および焼結助剤金属粉末を所定割合に配合し
、鉄製ボールミル中で乾式あるいは湿式混合法により混
合して均質な混合粉末とした後、前記混合粉末を鋼製あ
るいは高融点金属製の容器に封入し、ついで例えば特公
昭３８−１４号公報に記載されるような超高圧超高温発
生装置に装入−圧力および温度を上げて最終的に圧力４
０〜６０Ｋｂ、温度１２００〜１８００℃と１この最高
圧力および温度に数分〜数１０分保持し、冷却後、圧力
を開放することによって製造される。

つぎに、この発明の焼結材料を実施例によシ説明する。

実施例 １ 原料粉末として、予め高温合成法で調製した、（Ｔｉｏ
、６ ＴａＯ，Ｉ Ｗ□、３ ） （Ｃｏ、７２
Ｎｏ、２３００．０５）。

、９．の組成を有する平均粒径０．８μｍの立方晶高融
点化合物固溶体粉末＝２０容量係と、同１．０μｍの立
方晶窒化硼素粉末ニア９容量係と、同１．０μｍのＮｉ
粉末＝１容量係とを配合しこの配合粉末を超硬ボールミ
ル中でアセトンを溶媒として使用し、２４時間混合−乾
燥した。

ついで、この結果得られた混合粉末を、直径１０ｍｍφ
×高さｌＯｍｒｎの寸法をもったステンレス鋼（ＳＵＳ
３０４）製管内に詰め、真空引きしながら同材質の蓋を
溶接して密封した。

このように上記混合粉末を充填密封した上記管を公知の
超高圧超高温発生装置に装入し、最高付加圧力６０Ｋｂ
、最高加熱温度１４００℃の条件で、１０分間保持し、
圧力解放と冷却を行なうことによって本発明焼結材料を
製造した。

この結果得られた本発明焼結材料は、原料粉末と実質的
に同一の組成（Ｔ ｉｇ、６ Ｔ’ａ０．１ ｗｏ、３
）（Ｃ０，７２ＮＯ，２３００，０５）０．９５を有す
る立方晶高融点化合物固溶粒子と立方晶窒化硼素子とが
緻密に結合したスケルトン組織を有するものであった。

つぎに、上記本発明焼結材料、および比較の目的で、上
記の従来公知の立方晶窒化硼素基焼結材料、すなわちＣ
ｏ：６容量係を含有し残シが実質的に立方晶窒化硼素か
らなる組成を有する立方晶窒化硼素基焼結材料より、切
断および研磨により切削用切刃を形成Ｌ ＷＣＣ超超硬
合金製チップ銀ろうにてろう付けすることによって本発
明焼結材料製切削工具および従来焼結材料製切削工具を
製造した。

上記両切削工具について、 被削材：ＪＩＳ、ＳＮＣＭ−８（ＨＲＣ： ５２）、切
削速度：１２０ｒｎ／ｒｒＩｉｎ、 送多：０，１朋／ ｒｅｖｓ 切込み： ０． Ｉ Ｉ＆ の条件で乾式切削試験を行ない、逃げ面摩耗が０、２
ｍｍに至るまでの切削時間を測定したところ、本発明焼
結材料製切削工具は５８分を要したのに対して、従来焼
結材料製切削工具は４分で前記摩耗量に達ムこの結果か
ら本発明焼結材製切削工具はすぐれた切削性能を示すこ
とが明らかである。

実施例 ２ 第１表に示される成分組成をもつように、予め公知の高
温合成法で調製した各種速成の平均粒径１．２μｍを有
する立方晶高融点化合物固溶体粉末と、同１μｍの立方
晶窒化硼素粉末と、同１．０μｍの焼結助剤金属粉末と
を配合しこれらの配合粉末よシ実施例１におけると同一
の条件で焼結して本発明焼結材料１〜１０および比較焼
結材料１〜３をそれぞれ製造した。

なお、比較焼結材料１〜３は、この発明の範囲から外れ
た成分組成をもつものである。

また、比較の目的で、この発明にかかる立方晶高融点化
合物固溶体粉末とは異った組成（第１表参照）を有する
が、平均粒径は同一にして、同じく高温合成法で調製さ
れた高融点化合物固溶体粉末、ＴｉＣ粉末、およびＴｉ
Ｎ粉末を使用しこれに第１表に示される成分組成をもつ
ように、それぞれ同一平均粒径の立方晶窒化硼素粉末と
必要に応じて焼結助剤金属粉末とを被合−さらに立方晶
窒化硼素粉末を主成分とする配合粉末を用意し、同様に
これらの配合粉末よシ実施例１におけると同一の条件で
焼結して比較焼結材料４〜８をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明焼結材料１〜ｌＯおよび比較焼
結材料１〜８より、実施例１におけると同様に切削工具
を製造し、 被削材：ＪＩＳ、ＳＮＣＭ−８（ＨＲＣ：５０）、切削
速度：１００ｒｒＬ／ｍｉｎ、 送り：０．１５朋／ ｒｅｖｓ 切込み：Ｑ、２ｍｍ。

の条件で乾式切削試験を行ない、逃げ面摩耗が０．２朋
に至るまでの切削時間を測定した。

この測定結果を第１表に合せて示した。

第１表に示される結果から明らかなように、上記所定の
組成を有する立方晶高融点化合物固溶体を含有するこの
発明の焼結材料は、これを鋼、特に高硬度鋼の切削に使
用した場合にすぐれた切削性能を示すのである。

上述のように、この発明の焼結材料は、鋼、特に高硬度
鋼や、Ｎｉ基耐熱合金の切削に要求されるすぐれた靭性
および耐摩耗性を有するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 組成式： （Ｔｉｍ＊ＴａｎｓＷ１−ｍ−ｎ）（Ｃ
   ｘ＃Ｎｙ ＊ ０１ Ｘ ’／ ） Ｚ ｓただし
   ｍ ： Ｏ−４〜０．８ Ｉｎ ： ０．１〜０．５
   ａ ｘ ： ０．１〜０．９ 、 ｙ ： ０．１〜０
   ．９ 、１−ｘ−ｙ ： ０．０１〜０．５ ＃ Ｚ
   ： ０．８〜１．０で現わされる立方晶高融点化合物固
   溶体＝ｌＯ〜６０容量係、 Ａｌ＊Ｎ１５ｃｏ＊ＦｅｍＭｎ５およびＳｉのうちの１
   種または２種以上からなる焼結助剤金属＝０．２〜５容
   量係、 立方晶窒化硼素および不可避不純物：残シ、からなるこ
   とを特徴とする靭性および耐摩耗性にすぐれた切削工具
   用焼結材料。