JPS6022059B2 - 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、切削速度を遠くしたり
、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１０００ｑｏ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、祉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℃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：２０００〜２７００００の高
温、すなわち完全団溶体化温度で焼結し、この暁精温度
から冷却して、温度：１０００〜１６００午０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：１
５〜４０％、Ｎ：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％含
有）からなる組成を有し、かつ分散相が、ＴｉとＣとＮ
と○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０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暁結合金を製造す
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０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競給夕温度を上記の
通りに限定した理由を説明する。

‘ａ’ 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Ｎと○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０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
有させると相対的夕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Ｔｉ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○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
有量は２〜２０％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
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Ｚ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ので、そＺ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１５％を越えて含有させると、競結時に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。

‘０ 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％禾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。

‘ｇ’Ｗ Ｗ成分は、その一部が上記の化合物相に拡散するが、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
、この発明の焼結材料は、不可避不純物として、Ｆｅ，
Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，山、および白金族金属
（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，ｌｒ，０ｓ）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、この暁綾材料のもつ特性が何ら損なわれる
ものではない。

０‘ｈ｝ 孫結温度 ２０００℃未満の暁結温度では競結時の組織が完全固溶
体とならず、この結果凝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、この結タ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
２７００ｑｏを越えた凝結温度にすると、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、競縞温
度を２０００〜２７０ぴ０と定めた。

０‘ｉー 化合物析出処理温度 その温度が１０００ｑｏ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１６００００
を越えると、分解析出が起らず、このよ夕うに化合物析
出処理温度が１０００〜１６００ｑｏ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１０００〜１６００ｑｏと定めた。

つぎに、この発明の暁続材料およびその製造法０を実施
例により具体的に説明する。実施例 原料粉末として、平均粒怪：１．０Ｋｍを有するＴＩＣ
粉末、同１．２〆ｍの（Ｔｉｏ．歌Ｗｏ．班）Ｃ粉末、
同１．５ｒｍのＺｒＣ粉末、同１．０仏ｍの（日ら．４
５ＮＡ．タ南）Ｃ粉末、同１．２ムｍのＴａＣ粉末、同
１．鬼ｍのＴＩＮ粉末、同１．５仏ｍのＴＩＣｏ，６Ｎ
Ｏ．２０ｏ．２粉末、同１．をｍのＴＩＣｏ．８０小２
粉末、および同１．２ｋｍのＷ粉末を用意し、これら原
料粉末のうちの２種以上第１表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、１５ｋｇ／嫌の圧力にてプレス成形して圧粉体と
し、ついで、この圧粉体を日２気流中、温度：８００℃
に１時間保持して予備焼結処理し後、１０−，ｔｏｍの
真空中、温度：２６００ｑｏに１時間保持の条件で競結
し、競給終了後、この焼結温度から１５００ｑ０までの
温度範囲を７５０℃／ｈｒの冷却速度で冷却し、１５０
０ｑｏ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および比鮫焼結材料１〜８をそれぞれ製
造した。

なお、比鮫焼結材料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
比鮫焼結材料１〜８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：２３０の／
ｍｉｎ、送り：０．３６肋／ｒｅｖ、切込み：２肋、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：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２８０）、切
削速度：２００の／ｍｉｎ、送り：０．２４肋、切込み
：２側、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、説酸切刃数１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ＡＩ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
合金基体の表面にイｂ学蒸着法によりＴｉ炭化物（ＴＩ
Ｃ）およびＡＩ酸化物（山２０３）を７仏ｍ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（従釆
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かなように、従
釆切削チップ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嬢結材
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、本発明競結材料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
比較暁結材料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
平均粒隆：１．かｍの（Ｔｉｏ．５８Ｗｏ．４２）Ｃｏ
．歯粉末、および同１．叫ｍのＴＩＣ船Ｎ船粉末を用意
し、それら原料粉末を適宜縫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、１
０‐２ｔｏｎの真空中、温度：２１００℃に２時間保持
して競結し、競結後、固溶体組織を保持している前記焼
結温度から１３０び０までの温度範囲を７５ぴ○／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
った本発明暁結材料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鮫焼結
材料９〜１４をそれぞれ製造した。

ついで、上記本発明凝結材料７〜１１および比較嬢結材
料９〜１４から、それぞれＳＮＰ４３２の形状をもった
切削チップを作製し、被削材：ＪＩＳ・ＯＳＮＣＭ−８
（硬さ：ＨＢ２５０）、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．８５側／ｒｅｖ、切込み：１０側、切削時間
：１０分の条件で連続高送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、いずれも市第２表販の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、６仏肌の
平均層厚でＴｉ炭３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、本発明暁綾材料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および比鮫焼結
材料９〜１４で作製された切削手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
すぐれた糠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)

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％、Ｎ：１〜１
   ５％、Ｏ：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（以上
   原子％）を有し、かつ分散相が、ＴｉとＣとＮとＯ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１０００〜１６００℃で化合物析出処
   理を行ない、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％、Ｏ：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（以上原子％）を有し、かつ分散相が、ＴｉとＣとＮ
   とＯ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。