JPS6023180B2 - 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給材料および
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‘ま、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、Ａク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、
その刃先は耐摩耗性に欠け、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
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、
Ｎｉ−Ａ〆合金粉末、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：２０００〜２
７００ｑｏの高温、すなわち完全固熔体化温度で暁結し
た後、非酸化性雰囲気中、前記焼鯖温度から冷却して１
０００〜１６００℃の温度範囲内の所定の温度に所定時
間保持の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％，ＮｄおよびＴａのうちの１種または２種：５〜
２０％，Ｎｉ：０‐５〜３‐０％，Ａ〆；○‐５〜２‐
０％（Ａそ／Ｎｉ：０．２５〜０．５），Ｃ三１５〜４
０％，Ｎ：１〜１５％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とを主成分とする化合物
相と、Ｚｒおよびｍのうちの１種または２種とＣとＮ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Ｎｉ−Ａそ金属間化合物とＷを主成分とするＷ
基合金からなる組織を有する競結合金を製造０すると、
この結果の暁結材料は、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、したがつ．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暁結温度を上記の通
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Ｎ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％未満では焼
絹工程における間溶状態からの冷却過程における化合物
析出処理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Ｈｒ 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、かつ素地に固落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ー ＮｉおよびＡＺ これらの両成分には、結合相を構成するＷの競給性を向
上させると共に、Ｎｉ３Ａメからなる金属間化合物を形
成し、分散相を構成する化合物相と結合相との結合強度
を向上させ、もって材料の耐衝撃性を著しく向上させる
作用があるが、その含有量がＮｉ：０．５％未満および
Ａ〆：０．５％未満では前記作用に所望の効果が得られ
ず、一方Ｎｉ：３．０％およびＡ〆：２．０％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Ｎｉ：０．５〜３．０％およびＡ
そ：０．５〜２．０％と定めた。

｛ｅ）Ｃ Ｃ成分には、上記のように２種の化合物相を形成して材
料の耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が
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
から、その含有量を１５〜４０％と定めた。

‘ｆ）ＮＮ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１５％を越えて含有させると、嫁結時にＮの分解
量が多くなって材料中の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。

【ｇ｝ 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、並びにＮｉおよびＡそが園
熔した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
、この発明の焼給材料は、不可被不純物として、Ｆｅ，
Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ、および白金族金属（Ｐｔ，Ｐ
ｄ，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
、この暁結材料のもつ特性が何ら損なわれるものではな
い。

（ｈ｝ 競結温度 ２０００ｑｏ禾満の焼結温度では煉結時の組織が完全固
溶体とならず、この結果焼緒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ないので、所望の耐摩耗性および
耐衝撃性を確保することができず、一方２７００午０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〜
２７００ｑｏと定めた。

｛ｉ｝ 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、この結果材料は耐摩耗性および耐
衝撃性の劣ったものとなり、一方その温度が１６００つ
０を越えるても同様の量の化合物および金属間化合物の
分解析出を行なわしめることができないことから、その
温度を１０００〜１６００ｏｏと定めた。

なお、この発明の切削工具用嘘結材料は、それ自体単独
で用いることができるが、これを、結合相形成成分とし
てのＮｉおよびＡそのうちの１種または２種：２５〜６
０％、同じくＭｏおよびＷのうちの１種または２種：５
〜２０％を含有し、残りが硬質分散相形成成分としての
周期律表の傘，亀および路族の金属の炭化物および窒化
物のうちの１種または２種以上と不可被不純物からなる
組成（以上原子％）を有するサーメット基体上に重ね合
わせ、この状態で、例えば１０‐２ｔｏｎの真空中、温
度：１３７０ｑｏに３粉ン間保持して両者を接合し、複
合材として使用してもよく、この場合は一段と耐衝撃性
が増大するようになる。

また、上記の本発明焼結材料の単体あるいは複合材の表
面に、化学蒸着法を用いて、周期律表の傘，弦、および
飴族金属の炭化物、窒化物、および酸化物、並びにこれ
らの２種以上の固港体、さらに酸化アルミニウム（以下
Ａ〆２０３で示す）、酸化ジルコニウム（以下Ｚｒ０２
で示す）のうちの１種の単層または２種以上の複層から
なる硬質被覆層を０．５〜１５ムｍの平均層厚で被覆し
た状態で使用すると一段とすぐれた耐酸化性を示すよう
になる。

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仏ｍを有するＴＩＣ
粉末、同１．２〃ｍの（Ｔｉｏ．５８Ｗｏ．４２）Ｃ粉
末、同１．５ム ｍのＺｒＣ粉末、同１．０仏 ｍの（
ＨｆＭ５Ｎ体．５５）Ｃ粉末、同１．２山肌のＴａＣ粉
末、同１．５仏ｍのＴＩＮ粉末、同１．７仏ｍのＮｉ−
Ａそ合金（Ａそ：３１．５重量％含有）粉末、同２．５
仏ｍのＮｉ粉末、および同１．２仏ｍのＷ粉末を用意し
、これら原料粉末の２種以上を適宜組合せて所定の配合
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／磯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：８０
ｑｏに１時間保持して予備焼結処理した後、１０‐１の
ｒｒの真空中、温度：２６００３０に１時間保持の条件
で焼結し、競結終了後、この焼結温度から１５００ｏｏ
までの温度範囲を７００ｑ０／ｈｒの冷却速度で冷却し
、この１５００９０に３時間保持の条件で化合物析出処
理を施すことによって第１表に示される成分組成をもっ
た本発明暁結材料１〜６および比鮫焼結材料１〜７をそ
れぞれ製造した。

なお、比較屍結材料１〜７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暁結材料１〜６および
比較暁結合金１〜７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：２３０ｍ′
ｍｉｎ、送り：０．４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：１４皿／ｍｉｎ、送り：０．２７５肋、切込み：
２側、切削時間：３分の条件での断続切削試験を行ない
、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２表に合せて示した。なお、第１
表には、比較の目的でＡ〆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黍着法によりＴｉ炭化物（ＴＩＣ
）およびＡ〆酸化物（Ａ夕２０３）を７山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。船賊 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
をつので断続切削試験では本発明競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〜
７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
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：
１．２仏ｍの（Ｔｉｏ．５８Ｗｏ．４２）Ｃｏ．９５粉
末、および同１．０りｍのＴＩＣｏ．５Ｎ。

功労末を用意し、これら原料粉末を適宜組合せて用いて
所定の配合組成に配合し、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、１０‐２ｔｏｍの真空中、温度：２１
００こ０に１時間保持して糠結し、暁結後、固溶体組織
を保持している前記焼結温度から１２００ｏｏまでの温
度範囲を７００ｏｏ／ｈｒの冷却速度で冷却し、この１
２００℃に５時間保持の条件で化合物析出処理を施すこ
とによって第２表に示される成分組成をもった本発明糠
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８〜１３
をそれぞれ製造した。船船 ついで、上記本発明競結材料７〜１０および比鮫焼結材
料８〜１，３から、それぞれＳＮＰ４３２の形状をもっ
た切削チップ作製し、被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（
硬さ：ＨＢ２５０）、切削速度：１１５：ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．８仇吻′ｒｅｖ．、切込み：５肌、切削時間
：ＩＱ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すると共に、被削
材：ＳＮＣＭ−８（硬さＨＢ２８０）、切削速度：１０
０ｍ′ｍｉｎ、送り：０．３側／ｒｅｖ．、切込み：２
帆、切削時間：３分の条件で断続切削試験を行ない、１
の固の謙験切刃のうちの欠損刃数を測定した。

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６ｒｍ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におけると同機の結
果を示し、本発明焼結材料７〜１０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
合金８〜１３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。

実施例 ３ 実施例２で製造した本発明焼結材料８を ＳＮＰ５２３の形状をもった切削チップに研磨し、その
切削チップを、平均粒蓬：２．０〃ｍを有するＴｉ（Ｃ
Ｏ．７ＮＯ．３）粉末、同０．８山ｍのＭｏ粉末、同２
．５山ｍのＮｉ粉末、および同１．７仏ｍのＮｉ−Ａそ
合金（Ａそ：３１．５％含有）粉末を原料粉末として用
いて、Ｔｉ（Ｃ。

．７Ｎ。．３）：４５％，Ｍｏ：１０％，Ｎｉ：４３％
，Ａそ：２％の配合組成（以上原子％）に配合し、ボー
ルミルにて６畑時間湿式混合し、乾燥した後、１５ｋ９
／柵の圧力でプレス成形して圧粉体とし、この圧粉体を
１０‐ｌｔｏｎの真空中、温度：１４００℃に１時間保
持して焼結し、ついで研磨加工を施すことによって製造
した、上記配合組成と実質的に同一の最終成分組成を有
し、かつＳＮＰ５２３の形状をもったサーメットチップ
の上に重ね合わせ、この状態で１０‐４ｔｏｍの真空中
、温度：１３７０ｑｏに３０分間保持して両者を接合し
た。この結果得られた本発明複合切削チップを、被削材
：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２６０）、切削速
度：１２仇ｈ′ｍｉｎ、送り：０．８仇岬／ｒｅｖへ切
込み：５個、切削時間；１０分の条件での連続高送り切
削試験、および被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（硬さ：
ＨＢ２８０）、切削速度：１２０ｍ／ｍｊｎ、送り：０
．３５側／ｒｅｖ．ト切込み：３肋、切削時間：３分の
条件での断続切削試験に供したところ、連続高送り切削
試験では、チップ切刃におけるフランク摩耗深さ：０．
１３肋、同クレータ摩耗深さ：３０ムｍを示し、また断
続切削試験では、試験切刃数帆固のうち欠損を生じた切
刃は皆無であった。

実施例 ４ 実施例１で製造した本発明焼結材料２の切削チップを用
い、この切削チップを公知の化学蒸着装層にそう入し、
その表面に、まず反応温度：１０２０℃、反応ガス組成
：日２：９６％、ＴＩＣそ４：２％，Ｃ比：２％（以上
容量％）、反応時間：１５０分の条件で処理して平均層
厚：６仏ｍを有するＴＩＣを被覆し、ついで同じ温度で
、Ｑ：９６％，ＴＩＣそ４：２％，ＣＨ４：１．９５％
，ＣＯ：０．０５％（以上容量％）からなる組成を有す
る反応ガスを１Ｍ分間流して平均層厚：１一ｍを有する
Ｔｉ（ＣＭＯ。

．３）を被覆し、さらに引続いて、残留ガスを完全に除
去した後、反応温度：１０００００、反応ガス組成：比
：９３％，ＡそＣそ３：３％，Ｃ０２：４％（以上容量
％）、反応時間：１００分の条件で処理して平均層厚：
１仏ｍのＡ夕２０３を被覆した。この結果得られた３層
被覆の本発明表面被覆チップを、実施例１と同機の切削
条件で連続高速切削試験と断続切削試験に供したところ
、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：０．０８肌、同クレータ摩耗深さ：１０山ｍ
を示し、また断続高速切削試験では、試験切刃数１の固
のうち１個に欠損が生じただけであった。

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
すぐれた暁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競結材料を、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％、Ｎｉ：０．５〜３．０％，Ａｌ
   ：０．５〜２．０％（Ａｌ／Ｎｉ＝０．２５〜０．５）
   ，Ｃ：１５〜４０％，Ｎ：１〜１５％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Ｎｉ−Ａｌ金
   属間化合物と、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
   、金属炭窒化物紛末、Ｎｉ−Ａｌ合金粉末、およびＷ粉
   末を用意し、これら原料粉末のうち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％，Ｎｉ：
   ０．５〜３．０％，Ａｌ：０．５〜２．０％（Ａｌ／Ｎ
   ｉ＝０．２５〜０．５），Ｃ：１５〜４０％，Ｎ：１〜
   １５％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Ｎｉ−Ａｌ金属間化合物と、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。