JPS6022057B2 - 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

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
た場合にすぐれた切削性能を発揮する競結材料およびそ
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
、送り量を多くしたりすると、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、この頃向は、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ツトは勿論
のこと、これらの表面に硬質被覆相を形成した表面被覆
超硬合金や表面被覆サーメツトにおいても、その使用条
件は刃先温度が１０００ｑｏを若干上廻る程度に制限さ
れている。一方、Ｎ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り量で使用され
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
藤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３６９０９６２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℃を著
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、および耐衝撃曲こすぐれた切削工具を粉末冶金法を
用い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、金属棚化物粉末、金属炭棚化物粉末、
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℃の温度、すな
わち完全固溶体化温度で煉結し、この焼結温度から冷却
して温度：１０００〜１６００００で化合物析出処理を
行ない、原子％で、Ｔｉ：５〜２５％、ＺｒおよびＨｆ
のうち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％
、Ｂ：１〜１０％を含有し、残りが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
つ分散層が、ＴｉとＣ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
鱗結合金を製造すると、この結果の嫌結材料は、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
切削や高送に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煉結温度を上記の通
りに限定した理由を説明する。‘ａー ＴｉＴｉ成分は
、素地中に微細な硬質相として分散するＴｉとＣと８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％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ー ＺｒおよびＨｆこの両成分もＴｉと同様にＺｒ
およびＨｆのうちの１種または２種とＣ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Ｔｉ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％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
つ素地に固溶した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。

（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
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｝ 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
作用があるから、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。

‘ｆ】Ｗ Ｗ成分は、その一部が上記の化合物相中に拡散するが、
残りの大部分は素地の結合相を構成し、この結合相は上
記の分散相を構成する成分が固溶した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％と定めた。なお
、この発の結材料は、不可避不純物して、Ｆｅ，Ｎｉ，
Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｎおよび白金族金属（Ｐｔ，
Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒ山 ｌｒ，瓜）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。

‘ｇー 暁結温度 ２００び０未満の競結温度では暁綾時の組織が完全団溶
体とならず、この結果暁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楓
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
７００ｑｏを越えた暁結温度にすると、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、暁結温度
を２０００〜２７００℃と定めた。

‘ｈ｝ 化合物析出処理温度 その温度が１０００００未満では、分解析出する化合物
の星が少なすぎて、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１６０ぴ０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１０
００〜１６００午０と定めた。

つぎに、この発明の暁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：１．０×ｍを有するＴＩＣ
粉末、同１．２〆ｍの（Ｔｉｏ．強Ｗｏ．舵）Ｃ粉末、
同１．５〆ｍのＺｒＣ粉末、同１．０〆ｍの（日ら．４
５Ｎ〜．母）Ｃ粉末、同１．２仏ｍのＴａＣ粉末、同１
．叫ｍのＴｉＢ２粉末、および同０．８ムｍのＷ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７幼時間湿式混合
し、乾燥した後、１５ｋ９ノリの圧力にてプレス成形し
て圧粉体とし、ついで、この圧粉体を比気流中、温度：
８００℃に１時間保持して予備焼結処理した後、１０‐
ｌｔｏｎの真空中、温度：２６００００に１時間保持の
条件で競結し、暁結終了後、この焼緒温度から１５００
００までの温度範囲を７００ｏｏ／ｈｒの冷却速度で冷
却し、１５００ｑｏ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
もった本発明暁結材料１〜６および比較嬢結材料１〜６
をそれぞれ製造した。

なお、比鮫焼結材料１〜６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※印第１表を付した
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給材料１〜６および
比鮫焼結材料１〜６のそれぞれから、ＳＮＰ４３２の形
状をもった切削チップを作製し、被削材：ＪＩＳ・ＳＮ
ＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２６０）、切削速度：２０肌／ｍ
ｉｎ、送り：０．３肋／ｒｅｖ、切込み：２肋、切削時
間：１び分の条件での連続高速切削試験、並びに被削材
：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２８０）、切削速
度、１８０肌／ｍｉｎ、送り：０．２側、切込み：２肋
、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ＩＮ固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、比較の目的で山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りＴｉ炭化物（ＴＩＣ）
およびＡＩ酸化物（山２０３）を７仏のの合計平均層厚
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１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、本発明齢緒材料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切削性
能を発揮することが明らかである。さらに比鮫焼結材料
１〜６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．かのの（Ｔｉｏ．５８Ｗｏ．４２）ＣＯ．短粉末、
および同１．０ｗ仇のＴＩＣ岬馬．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、さらに予楠焼結処理した後、１０‐２
ｔｏｎの真空中、温度：２１００℃に２時間保持して暁
結し、煉結後、固溶体組織を保持している前記競結温度
から１２００ｑ０までの温度範囲を７００ｑｏ／ｈｒの
冷却速度で冷却し、１２００ｑｏに５時間保持して化合
物析出処理を行なうことによって第２表に示される成分
組成をもった本発明暁結材料７〜１０、および同じく構
成成分のうちのいずれかの成分含量（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
鮫焼結材料７〜１１をそれぞれ製造した。

ついで、上記本発明焼結材料７〜１０および比鮫焼縞材
料７〜１ １から、それぞれＳＮＰ４３２の形状をもっ
た切削チップを作成し、被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８
（硬さ：ＨＢ２５０）、切削速度：８０の／ｍｉｎ、送
り：０．７５肋／ｒｅｖ、切込み：８肌、切削時間：１
ぴ分の条件で連続高送り切削試験を行なし、、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錨
硬合金基体の表面に化学蒸着法により６Ａｍ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Ｐ３０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、本発明焼緒材料７〜１０で作製された切削チ
ップは、いずれも従釆切削チップ３，４および比較暁結
材料７〜１１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、第２表す
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治金法を用いて製
造することができ、したがって、この結果の暁結材料を
、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)

1. 【特許請求の範囲】 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％、Ｂ：１〜１
   ０％を含有し、残りがＷと不可避不純物（ただしＷ：２
   ０〜５５％含有）からなる組成（以上原子％）を有し、
   かつ分散相が、ＴｉとＣ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
   することを特徴とする高温特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、金属硼化物粉末
   、金属炭硼化物粉末、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：２０００〜２７
   ００℃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：１０００〜１６００℃で化合物析出処理を行
   ない、Ｔｉ：５〜２５％、ＺｒおよびＨｆのうち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％、Ｂ：１〜１
   ０％を含有し、残りがＷと不可避不純物（ただしＷ：２
   ０〜５５％含有）からなる組成（以上原子％）を有し、
   かつ分散相が、ＴｉとＣ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高温特性のす
   ぐれた切削工具用焼結材料の製造法。