JPS607021B2 - 高温特性のすぐれた切削工具および耐摩耗工具用焼結材料 - 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、特にこれらの特
性が要求される高速切削や高送り切削用切削工具として
、さらに特に熱間で使用される鍛造型や押出し型、並び
に鋳造型をはじめとする各種耐摩耗工具用として使用す
るのに適した暁結材料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し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、近年の高速切削
化および高能率切削化によって、この傾向は増々強くな
っている。

しかしながら、現在実用に供されている炭化タングステ
ンや炭化チタンなどを硬質相とし、鉄族金属（Ｆｅ、Ｎ
ｉ、Ｃｏ）を主成分とする結合相で構成された超硬合金
やサーメットは、刃先温度が１０００ｏｏを越えると急
激に軟化するようになるため、これら超硬合金やサ−メ
ット、さらに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１０００００を若干上廻る程度に
制限されている。一方、酸化アルミニウムを主成分とす
るセラミックが、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、高速切削工具として実用に供されて
はいるが、刃先の高温における安定性に欠け、信頼性の
不十分なものであるため、低い送り量の条件でのみ高速
切削に使用されているのが現状である。

また、鍛造型や押出し型、さらに鋳造型などの各種耐熱
耐摩耗工具の製造には、高速度鋼やダイス鋼が使用され
ているが、これら材料製耐摩耗工具の使用温度はせし、
ぜし、５００こ０までであり、使用温度が５００ｏｏを
越えると全く使用に耐えないものである。

一方、使用温度が５００ｏｏを越えるような耐摩耗工具
の製造には、比較的すぐれた高温特性を有するＭｏ合金
が使用されるが、このＭｏ合金製耐熱耐摩耗工具におい
ても耐酸化性および耐摩耗性に関して満足な特性を示さ
ないのが実状であり、このように特に切削工具および耐
熱耐摩耗工具の分野では高温特性、すなわち高温強度、
高温硬さ、高縞靭性、および耐酸化性にすぐれた材料の
開発が望まれているのである。そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、高温特性のすぐれた材料を開発
すべ〈研究を行なった結果、硬質分散相が、特定組成の
複合金属炭蓋酸化物と窒化アルミニウムで構成され、か
つ結合相が、Ｗ、またはＭｏおよびＲｅの１種または２
種を含有するＷ合金で構成された焼結材料は、高温強度
、高温硬さ、および高温鍬性が高く、かつすぐれた耐酸
化性を有し、したがってこの焼結材料を、切削工具とし
て使用した場合には安定した高速切削および高送り切削
が可能となり、さらに耐熱耐摩耗工具として使用した場
合にもすぐれた性能を発揮するという知見を得たのであ
る。

したがって、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、硬質分散相形成成分としての組成式：
｛Ｔｉｗ（Ｈｆ、Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ
），Ｗ−Ｘ‐ｙ｝・（Ｃ，−ｕ‐ＶＮＶ○ｕ）ｚ、（た
だし、原子比で、ｗ／（ｗ十ｘ）３０．５〜ｏ．８、（
ｗ＋ｘ十ｙ）：０．６０〜０．９５、ｙ：０．０１〜０
．２０、ｕ：０．００５〜０．０５０、ｖ：０．００５
〜０．３０、ｚ．０．５〜０．９にして、Ｈｆ＞Ｚｒ、
Ｎｂ〉Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有する複合金属炭窒酸化物：
１０〜８０％、同じく硬質分散相としての窒化アルミニ
ウム（以下山Ｎで示す）：０．５〜１０．０％を含有し
、必要に応じて結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２０
％およびＲｅ：１〜２０％のうちの１種または２種（た
だしＷ＞Ｍｏ、Ｗ＞Ｒｅ、およびＷ＞Ｍｏ＋Ｒｅ）を含
有し、残りが結合相形成成分としてのＷと不可避不純物
からなる組成（以上重量％）を有する高温特性のすぐれ
た切削工具および耐摩耗工具用暁結合金に特徴を有する
ものである。

つぎに、この発明の暁続材料において、成分組成範囲を
上記の適切こ限定し理由を説明する。

刺硬質分散相形成成分としての複合金属炭窒酸化物この
複合金属炭窒酸化物には、材料の高温強度、高温硬さ、
耐酸化性、耐熱性、および靭性を向上させる作用があり
、特に、この複合金属炭窒酸化物の構成成分であるＺｒ
およびＨｆには、暁給過程での自身を含めた硬質分散相
形成成分の粒成長を抑制すると共に、高温での材料自体
の硬さ抵下を抑制する作用があり、この場合結合相との
競絹性および高温特性を良好な状態に保つためにＨｆ＞
Ｚｒとする必要があり、また同じくＮｂおよびＴａには
耐酸化性を向上させる作用があり、この場合も材料自体
の軽量化および低コスト化の点からＮｂ＞Ｔａとする必
要があり、さらに同じくＷおよびＭｏには、分散相自身
の轍性および耐熱性を向上させるほか、結合相との結合
強度を高めて焼緒材料自体の鋤性を向上させる作用があ
り、この場合も前記の特性を確保するためにはＷ＞Ｍｏ
とする必要がある。

したがって、上記の複合金属炭窒酸化物のもつ特性を焼
結材料に十分に付与せしめるためには１０％以上の含有
が必要であるが、一方８０％を越えて含有させると、相
対的に結合相が少なくなりすぎて靭性が不足するように
なることから、その含有量を１０〜８０％としなければ
ならない。

つぎに、上記複合金属炭窒酸化物の組成式に関して説明
する。

■（ｗ＋ｘ十ｙ）の原子比 （ｗ＋ｘ＋ｙ）の原子比が０．６未満では、相対的にＷ
およびＭｏの含有量が多くなりすぎてＷ２Ｃ相およびＭ
ｏ２Ｃ相が形成するようになり、この結果材料の轍性お
よび耐酸化性が低下するようになり、一方０．９５を越
えた原子比にすると、相対的にＷおよびＭｏの含有量が
少なすぎて、Ｗを主成分とする結合相との暁絹性が急激
に悪くなり、結合強度の低下を招き、材料に籾性不足が
生じるようになることから、（ｗ十×十ｙ）の原子比を
０．６０〜ｏ．９５と定めた。

■ ｗ／（ｗ＋ｘ）の原子比 ｗ／（ｗ＋ｘ）の原子比が０．５未満では、相対的にＴ
ｉに比してＨｆおよびＺｒの量が多くなりすぎ、Ｗを主
成分とする結合相との暁結性の低下をもたらすばかりで
なく、ひいては複合金属炭窒酸化物の粗粒化および耐酸
化性の低下をも招くようになり、一方０．８を越えた原
子比にすると、逆にＴｉの量が多くなりすぎて複合金属
炭窒酸化物の粒成長が著しくなると共に「耐酸化性の低
下をきたすようになることから、ｗ／（ｗ＋ｘ）の原子
比を０．５〜０．８と定めた。

■ ｙの原子比 ｙの原子比が０．０１禾満では、ＮｂおよびＴａによる
すぐれた耐酸化性を確保することができず、一方０．２
を越えた原子比になると、相対的にＮｂおよびＴａの量
が多くなりすぎて靭性および耐摩耗性の低下をきたすよ
うになることから、ｙの原子比を０．０１〜０．２０と
定めた。

■ ｕの原子比 ｕの原子比が０．００５禾満では、複合金属炭窒酸化物
中の酸素含有量が炭素含有量および窒素含有量に比して
低くなりすぎ、いわゆる酸素不足をきたして所望の耐熱
性を確保することができなくなり、したがって切削工具
として使用した場合には切削時に被削材に溶着するよう
になり、一方０．０５を越えた原子比にすると、逆に酸
素含有量が相対的に多くなりすぎて、結合相との暁絹性
の低下、ひいては複合金属炭窒酸化物自体の粗大化をき
たすようになって所望の高硬度および高軸性を確保する
ことができなくなることから、ｕの原子比を０．００５
〜０．０５０と定めた。

■ ｖの原子比 ｖの原子比が０．００５未満では、窒素含有量が炭素お
よび酸素含有量に比して低くなりすぎ、複合金属炭窒酸
化物自体の耐酸化性および硬さが低下するようになり、
一方０．３を越えた原子比になると、複合金属炭窒酸化
物自体が粗大化して硬度低下をきたすようになることか
ら、ｖの原子比を０．００５〜３０と定めた。

■ ｚの原子比 ｚの原子比が０．５未満では、複合金属炭窒酸化物を構
成する金属成分に対する炭素、窒素、および酸の非金属
成分の含有量が少なすぎて所望の高硬度を確保すること
ができず、一方０．９を越えた原子比にすると逆に非金
属成分の方が金属成分に比して多くなりすぎ、複合金属
炭窒酸化物自体が腕化するようになることから、ｚの原
子比を０．５〜０．９と定めた。

‘ｂ｝ 硬質分散相形成成分としての山Ｎ山Ｎ成分は、
複合金属炭窒酸化物とは独立して結合相中に分散し、も
ってＷ自体の焼絹性向上に寄与するばかりでなく、Ｗと
強固に結合して材料の鞠性を向上させ、さらに材料の耐
酸化性を著しく向上させて高温使用での安定性を増大さ
せる作用があるが、その含有量が０．５％未満では前記
作用に所望の効果が得られず、一方１０．０％を越えて
含有させると材料の硬さ低下が著しくなることから、そ
の含有量を０．５〜１０．０％と定めた。

‘ｃ｝ 結合相形成成分としてのＭｏＭｏ成分には材料
の特性、特にＷ成分によってもたらされる特性を何ら損
なうことなく、Ｗ成分の一部を代替することができる性
質があり、したがってＭｏ成分の含有によって材料コス
トの低減がはかれるほか、軽量化をはかることもできる
ので、必要に応じて含有されるが、そ含有量が１％未満
では所望のコスト軽減および軽量化をはかることができ
ず、一方２０％を越えて含有させると耐酸化性および高
温特性が低下するようになることから、その含有量を１
〜２０％と定めた。

‘ｄ）結合相形成成分としてのＲｅ Ｒｅ成分には、結合相中に全量固熔して、結合相自体の
耐酸化性および鋤性を向上させるほか、硬質分散相の粒
成長を抑制し、もって耐摩耗性を向上させる作用がある
ので、必要に応じて含有されるが、その含有量が１％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耐熱性が低下するようになることか
ら、その含有量を１〜２０％と定めた。

なお、この発明の凝結材料は、通常の粉末冶金法を適用
し、例えば真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中、温度
：１８００〜２３００ｑ０に加熱保持の条件で焼結され
、また必要に応じて暁結後の材料に対して圧力：１５０
０〜２００正気圧、温度：１５００〜２０００℃の条件
で熱間静水圧プレス処理を施してやるとよく、さらに研
削後の材料に焼鈍処理を施してやることも有効である。
つぎに、この発明の嘘綾材料を実施例により比較例と対
比しながら具体的に説明する。

実施例 まず、原料粉末としての複合金属炭窒酸化物粉末を調製
する目的で、平均粒径：１．０仏肌のＴＩＣ粉末（０２
：０．３％含有）、同１．１仏ののＴＩＮ粉末（０２：
０．３％含有）、同０．６ＡｍのＴｉ○粉末（０２：２
４．８％含有）、同１．０仏肌のＺｒＣ粉末（０２：０
．２％含有）、同１．０仏のの日に粉末（０２：０．１
５％含有）、同１．１〃肌のＮ比粉末（０２：０．２％
含有）、同１．０ム仇のＴａＣ粉末（０２：０．１５％
含有）、同０．８ぶれのＷ粉末（０２：０．０５％含有
）、および同０．８山肌のＭｏ粉末（０２：０．１％含
有）を用意し、これら粉末を所定割合に配合し、ボール
ミルにて混合した後、５００ｋｇ／地の圧力でプレスし
て圧粉体を成形し、ついでこの圧粉体を、１０‐３ｔｏ
ｒｒの圧力を有する真空中、温度：２１００ｏｏに１時
間保持した後、炉冷し、粗粉砕し、引続いて湿式ボール
ミル中にて４糊時間粉砕を行なうことによって、それぞ
れ第１表に示される種々の組成を有する複合金属炭窒酸
化物粉末を製造した。

ついで、この結果得られた複合金属炭窒酸化物粉末、平
均粒蚤：１．５山肌を有する山Ｎ粉末、同１．５山肌の
Ｗ粉末、同０．６山肌のＭｏ粉末、および同３．０仏机
のＲｅ粉末を原料粉末として用い、これら原料粉末を同
じく第１表に示される配合組成に配合し、緑式ボールミ
ルにて混合し、乾燥した後、１．５ｔｏｎ′ｃ冶の圧力
で圧粉体に成形し、１０‐４ｔｏｎの真空中、温度：２
０００ｑｏに１時間保持して焼結することによって、実
質的に配合組成と同一の成分組成を有する本発明焼結材
料１〜３０および比鮫焼結材料１〜１３をそれぞれ製造
した。

なお、比鮫焼結材料１〜９は、原料粉末として組成式を
満足しない複合金属炭窒酸化物粉末を使用したものであ
り、また比鮫焼絹材料１０〜１３は、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た組成
をもつものである（いずれの場合も第１表に※印を付し
て表示した）。第１表の１ 第１表の２ １ の３ 第２表の１ パ２ の２ ついで、この結果得られた本発明競結材料１〜３０およ
び比鮫焼結材料１〜１３について、常温でのロックウェ
ル硬さ（Ａスケール）および１０００ｏｏでのビッカー
ス硬さを測定すると共に「抗折力を測定した。

また、これら暁結材料よりＳＮＰ４３２の形状をもった
切削チップを切り出し、被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：
ＨＢ３２０）、切削速度：１５０の′ｍｉｎ、切込み：
１．５肋、送り：０．４柳／ｒｅｖ．、の条件での高速
連続切削試験、および被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：Ｈ
Ｂ２７０）、切削速度：６０机′ｍｉｎ、切込み：２肌
、送り：０．７物／ｒｅｖ．、の条件での高送り連続切
削試験を行ない、いずれの試験においても切削チップの
逃げ面摩耗が０．３肋に至るまでの切削時間を測定した
。さらに上記の各種暁結材料より切り出した切削チップ
を用いて、被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２７０を
有し、かつ８０仇帆×２５０柳×１００側の寸法を有す
る板材）、切削速度：１００肌／側、切込み：１．５肌
、送り：段階的に変化、各送りでの切削時間：２側の条
件で断続切削試験を行ない、刃先に欠損が生じた時点の
送り量をチェックし、切削籾性を評価した。これらの測
定結果を第２表にまとめて示した。第２表に示される結
果から、本発明暁結材料１〜３０は、いずれも高強度、
並びに常温および高温硬さを有し、かつすぐれた高速お
よび高送り切削性能をもつことが明らかである。

これに対して、比較競結材料１〜１３は、特に硬さ、強
度、および切削特性のいずれもが本発明暁結材料１〜３
０に比して全体的に劣ったものになっている。

上述のように、この発明の焼結材料は、高強度、高硬度
、および高鋤性を有し、さらに耐熱性および耐酸化性に
もすぐれているので、切削工具、特に高送および高速り
切削工具として用いた場合にすぐれた切削性能を安定的
に長期に亘って発揮するばかりでなく、線引きダイスや
熱間鍛造ダイス、さらに軸受および圧延ローラなどの耐
摩耗工具として使用した場合にもすぐれた性能を長期に
亘つて発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ、Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ）＿１＿−＿
   ｗ＿−＿ｘ＿−＿ｙ｝・（Ｃ＿１＿−＿ｕ＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）ｚ、（ただし、原子比で、ｗ／（ｗ＋ｘ）：
   ０．５〜０．８、（ｗ＋ｘ＋ｙ）：０．６０〜０．９５
   、ｙ：０．０１〜０．２０、ｕ：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、ｚ：０．５〜０．９に
   して、Ｈｆ＞Ｚｒ、Ｎｂ＞Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有する複
   合金属炭窒酸化物：１０〜８０％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化アルミニウム：０．５〜１０．０％
   を含有し、残りが結合相形成成分としてのＷと不可避不
   純物からなる組成（以上重量％）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および耐摩耗工具用焼
   結材料。 ２ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ、Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ）＿１＿−＿
   ｗ＿−＿ｘ＿−＿ｙ｝・（Ｃ＿１＿−＿ｕ＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）ｚ、（ただし、原子比で、ｗ／（ｗ＋ｘ）：
   ０．５〜０．８、（ｗ＋ｘ＋ｙ）：０．６０〜０．９５
   、ｙ：０．０１〜０．２０、ｕ：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、ｚ：０．５〜０．９に
   して、Ｈｆ＞Ｚｒ、Ｎｂ＞Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有する複
   合金属炭窒酸化物：１０〜８０％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化アルミニウム：０．５〜１０．０％
   を含有し、さらに結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２
   ０％（ただしＷ＞Ｍｏ）を含有し、残りが結合相形成成
   分としてのＷと不可避不純物からなる組成（以上重量％
   ）を有することを特徴とする高温特性のすぐれた切削工
   具および耐摩耗工具用焼結材料。 ３ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ、Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ）＿１＿−＿
   ｗ＿−＿ｘ＿−＿ｙ｝・（Ｃ＿１＿−＿ｕ＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）ｚ、（ただし、原子比で、ｗ／（ｗ＋ｘ）：
   ０．５〜０．８、（ｗ＋ｘ＋ｙ）：０．６０〜０．９５
   、ｙ：０．０１〜０．２０、ｕ：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、ｚ：０．５〜０．９に
   して、Ｈｆ＞Ｚｒ、Ｎｂ＞Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有する複
   合金属炭窒酸化物：１０〜８０％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化アルミニウム：０．５〜１０．０％
   を含有し、さらに結合相形成成分としてのＲｅ：１〜２
   ０％（ただしＷ＞Ｒｅ）を含有し、残りが結合相形成成
   分としてのＷと不可避不純物からなる組成（以上重量％
   ）を有することを特徴とする高温特性のすぐれた切削工
   具および耐摩耗工具用焼結材料。 ４ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ、Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ）＿１＿−＿
   ｗ＿−＿ｘ＿−＿ｙ｝・（Ｃ＿１＿−＿ｕ＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）ｚ、（ただし、原子比で、ｗ／（ｗ＋ｘ）：
   ０．５〜０．８、（ｗ＋ｘ＋ｙ）：０．６０〜０．９５
   ・ｙ：０．０１〜０．２０、ｕ：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、ｚ：０．５〜０．９に
   して、Ｈｆ＞Ｚｒ、Ｎｂ＞Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有する複
   合金属炭窒酸化物：１０〜８０％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化アルミニウム：０．５〜１０．０％
   を含有し、さらに結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２
   ０％、同じく結合相形成成分としてのＲｅ：１〜２０％
   （ただしＷ＞Ｍｏ＋Ｒｅ）を含有し、残りが結合相形成
   成分としてのＷと不可避不純物からなる組成（以上重量
   ％）を有することを特徴とする高温特性のすぐれた切削
   工具および耐摩耗工具用焼結材料。