JPS6119589B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、すぐれた靭性および耐熱耐摩耗性
を有し、特に切削工具用材料として使用するのに
適した超高圧焼結材料に関するものである。 一般に、鋳鉄などの鉄系金属材料や、アルミニ
ウム、アルミニウム合金、銅、および銅合金など
の非鉄金属材料、さらにプラスチツク、ゴム、黒
鉛、セラミツクなどの非金属材料などの切削に使
用される切削工具には、高硬度、すぐれた耐摩耗
性、靭性、および熱的化学的安定性などの特性を
備えることが要求されている。 近年、かかる要求を満足すべく、主成分がダイ
ヤモンドからなる超高圧焼結材料が提案され、前
記超高圧焼結材料は常温は勿論のこと、比較的高
温においても高硬度を有し、すぐれた耐摩耗性を
示すことから、衝撃の加わるような苛酷な条件下
での仕上げ切削工具用材料として使用されてい
る。 確かに、上記超高圧焼結材料製切削工具によれ
ば、上記鉄系金属材料や非鉄金属材料の切削に際
して、高速切削が可能となるために、構成刃先が
つきにくく、すぐれた仕上げ面が得られるという
利点がもたらされる。 このように上記従来超高圧焼結材料は、主成分
が著しく高い硬さを有するダイヤモンドで構成さ
れているために、上記鉄系金属材料や非鉄金属材
料、および非金属材料の切削に切削工具として使
用した場合に、すぐれた耐摩耗性を示すものの、
十分な靭性を備えたものではないため、この靭性
不足が原因で切削時にチツピング摩耗を起し易
く、この結果本来具備しているすぐれた耐摩耗性
を十分発揮することができず、また十分な高温耐
酸化性（耐熱性）を備えていないために、温度上
昇を伴なう切削には使用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、
高温耐酸化性（耐熱性）、および耐摩耗性を兼ね
備えた切削工具材料を得べく、ダイヤモンドに着
目して研究を行なつた結果、ダイヤモンド粉末
に、立方晶窒化ほう素（以下立方晶BNで示す）
粉末と、周期律表の4a、5a、および6a族の金属の
炭化物、窒化物、炭窒化物、およびほう化物のう
ちの１種または２種以上（以下これらを総称して
金属の炭・窒・ほう化物という）からなる粉末と
を同じく周期律表の4a、5a、および6a族の金属の
けい化物のうちの１種または２種以上（以下これ
らを総称して金属のけい化物という）からなる粉
末とを配合したものを原料粉末として使用し、超
高圧焼結を施すと、ダイヤモンド粒子同志、立方
晶BN粒子同志、金属の炭・窒・ほう化物粒子同
志、および金属のけい化物粒子同志の相互接触が
なく、ダイヤモンド粒子、立方晶BN粒子、金属
の炭・窒・ほう化物粒子、および金属のけい化物
粒子、が相互に隣接し合い、しかもその粒界では
前記各粒子を構成する成分の拡散が生じて強固な
粒子間結合が形成されている緻密な組織の焼結材
料が得られ、この結果得られた焼結材料は、ダイ
ヤモンド粒子によつてもたらされるすぐれた耐摩
耗性と、立方晶BN粒子、金属の炭・窒・ほう化
物粒子、および金属のけい化物粒子、によつても
たらされるすぐれた靭性および高温耐酸化性（耐
熱性）とを兼ね備えるという知見を得たのであ
る。 したがつて、この発明の超高圧焼結材料は、上
記知見にもとづいてなされたもので、容量％で、 ダイヤモンド：20〜80％、 立方晶BN：５〜50％、 金属の炭・窒・ほう化物：１〜30％、 金属のけい化物および不可避不純物：１〜30
％、 からなる組成を有することに特徴がある。 ついで、この発明の超高圧焼結材料において、
成分組成範囲を上述のように限定した理由を説明
する。 (a) ダイヤモンド ダイヤモンド自体は、周知のようにモース硬
さ：10、ヌープ硬さ：8000Kg／mm²（荷重100
ｇ）を有し、現存する物質中、最も高い硬さを
有する物質であるが、その含有量が20容量％未
満では、所望の耐摩耗性を確保することができ
ず、一方80容量％を越えて含有させると、ダイ
ヤモンド粒子相互間の接触度合が大きくなり、
特に靭性に富んだ金属の炭・窒・ほう化物粒子
と、特に高温耐酸化性にすぐれた立方晶BN粒
子、および金属のけい化物粒子と、ダイヤモン
ド粒子との強固な粒子間結合が不十分となり、
この結果靭性低下をきたして切削時にチツピン
グ摩耗が生じやすくなることから、その含有量
を20〜80容量％と定めた。望ましくは30〜60容
量％の含有がよい。 また、この発明の超高圧焼結材料の製造に際
して、原料粉末として使用されるダイヤモンド
粉末は、すぐれた焼結性を確保する目的で、平
均粒径50μｍ以下、一般には同10μｍ以下の粉
末粒径をもつものを使用するのが好ましく、さ
らに市販のメタルコートのダイヤモンド粉末を
原料粉末として使用してもよい。 (b) 立方晶BN 立方晶BNは、温度1200℃以上、圧力40Kb以
上、望ましくは温度1800℃以上、圧力60Kb以
上の条件で合成されるもので、ダイヤモンドに
次ぐ硬さ、すなわちビツカース硬さで6000〜
7000Kg／mm²を有し、かつダイヤモンドより高温
まで安定した性質をもつと共に、鉄族金属に対
して反応しにくい性質をもつ成分であるが、そ
の含有量が５容量％未満では、所望の高温耐酸
化性および鉄族金属に対する耐反応性を確保す
ることができず、一方50容量％を越えて含有さ
せると、相対的にダイヤモンドの含有量が少な
くなり過ぎて、ダイヤモンドのもつ高硬度を焼
結材料に十分反映させることができず、この結
果耐摩耗性の低下をもたらすようになることか
ら、その含有量を５〜50容量％に定めた。な
お、望ましくは20〜40容量％の含有がよい。 (c) 金属の炭・窒・ほう化物 例えば、炭化チタン（以下TiCで示す）は融
点：3147℃、微少硬さ：3000Kg／mm²（荷重100
ｇ）、窒化チタン（以下TiNで示す）は融点：
3205℃、微少硬さ：2000Kg／mm²、ほう化チタン
（以下TiB₂で示す）は融点：2980℃、微少硬
さ：3400Kg／mm²をそれぞれ有するように、金属
の炭・窒・ほう化物はいずれも高融点高硬度を
有すると共に、ダイヤモンドに比して高温にお
ける耐酸化性にすぐれた物質であり、しかも金
属の炭・窒・ほう化物には、上述のように焼結
時にダイヤモンド粒子、立方晶BN粒子、およ
び金属のけい化物粒子の間で粒界拡散を生じさ
せて強固な粒子間結合を形成する作用があるほ
か、それ自体が焼結性にすぐれたものであるた
め、ダイヤモンド粒子間を立方晶BN粒子、お
よび金属のけい化物粒子と共存した状態で埋め
た緻密な組織を形成し、靭性に寄与する作用が
あるが、その含有量が１％未満では前記作用に
所望の効果を確保することができず、一方30容
量％を越えて含有させると、相対的にダイヤモ
ンドの含有量が少なくなつて、ダイヤモンドの
もつ高硬度を焼結材料に十分反映することがで
きず、この結果耐摩耗性の低下をきたすように
なることから、その含有量を１〜30容量％と定
めた。 また、この発明の超高圧焼結材料の製造に際
して、原料粉末として使用される金属の炭・
窒・ほう化物粉末は微粉のものが好ましく、平
均粒径10μｍ以下の微細な粉末を使用するのが
望ましい。 (d) 金属のけい化物 例えば、けい化チタン（以下Ti₅Si₃で示す）
は融点：2120℃を有するように、金属のけい化
物は、いずれも高融点を有し、しかもダイヤモ
ンドおよび金属の炭・窒・ほう化物に比して高
温における耐酸化性にすぐれた物質であり、さ
らにダイヤモンド、立方晶BN、および金属の
炭・窒・ほう化物に比して軟質であるため、超
高圧焼結中に容易に変形すると共に、粒子間で
辷りを生じてダイヤモンド粒子、立方晶BN粒
子、および金属の炭・窒・ほう化物粒子間を緻
密に埋め、この結果靭性向上が図られるように
なる作用をもつが、その含有量が１容量％未満
では、前記作用に所望の効果を得ることができ
ず、一方30容量％を越えて含有させると、相対
的にダイヤモンドの含有量が少なくなつて、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１〜30容量％と定めた。
なお、望ましくは５〜20容量％の含有がよい。 なお、この発明の超高圧焼結材料の製造に際し
て、原料粉末として使用される金属のけい化物粉
末は、金属の炭・窒・ほう化物粉末と同様に、望
ましくは平均粒径10μｍ以下の微細粉末の使用が
よい。 さらに、この発明の超高圧焼結材料は、通常の
粉末治金法により、公知の超高圧超高温発生装置
を使用して製造することができる。 すなわち、原料粉末としてのダイヤモンド粉
末、立方晶BN粉末、金属の炭・窒・ほう化物粉
末、および金属のけい化物粉末を所定割合に配合
し、この配合粉末を鉄製ボールミルなどの混合機
において長時間混合して均質な混合粉末とし、つ
いでこの混合物粉末を、例えば特公昭36−23463
号公報に記載されるような超高圧高温発生装置に
おける鋼製あるいは高融点金属製の容器内に封入
し、圧力および温度を上げ、最高圧力：54〜
70Kb、最高温度：1400〜1800℃の範囲内の圧力
および温度に数分〜数10分保持した後、冷却
し、、最終的に圧力を解放することからなる基本
的工程によつて製造することができる。 つぎに、この発明の超高圧焼結材料を実施例に
より説明する。 実施例 １ 原料粉末として、それぞれ市販の平均粒径３μ
ｍのダイヤモンド粉末：50容量％、同６μｍの立
方晶BN粉末：20容量％、同１μｍのTiC粉末：
10容量％、および同１μｍのTi₅Si₃粉末：20容量
％、を配合し、この配合粉末を超硬合金製のボー
ルミル中で溶媒としてアセトンを使用して４時間
混合した後、乾燥した。ついで、この混合粉末を
直径10mmφ×高さ10mmのステンレス鋼（JIS・
SUS304）製の管内に詰め、真空引きしながら超
硬合金（p20）製の蓋を前記管の両側端部に溶接
し、前記管を密封した。 このように上記混合粉末を充填密封した管を、
公知の超高圧高温発生装置に装着し、最高付加圧
力：60Kb、最高加熱温度：1450℃の条件で10分
間保持して焼結した後、冷却し、圧力解放を行な
うことによつて第１表に示される成分組成をもつ
た本発明超高圧焼結材料（以下発明材料という）
１を製造した。この結果得られた本発明材料１
は、ダイヤモンド、立方晶BN、TiC、および
Ti₅Si₃、が均一に分散した緻密な組織を有した。

【表】 ついで、比較の目的で、第１表に示されるよう
に、この発明の範囲から外れた成分組成を有する
比較超高圧焼結材料（以下比較材料という）１〜
８を、第１表に示される最終成分組成になるよう
に原料粉末の配合割合を変える以外は、上記本発
明１の製造に適用したと同一の条件で製造した。 つぎに、上記本発明材料１、比較材料１〜８、
および同様に比較の目的で用意した従来公知の主
成分がダイヤモンドからなる超高圧焼結材料（以
下従来ダイヤモンド材料という）から、切断およ
び研磨手段によつて切削用切刃を切出し、この切
刃を炭化タングステン基超硬合金製チツプに銀ろ
うを使用してろう付けすることにより本発明材料
製切削工具１、比較材料製切削工具１〜８、およ
び従来ダイヤモンド材料製切削工具をそれぞれ製
造した。 この結果得られた上記各種切削工具を用いて、 切削速度：400ｍ／min、 送り：0.1mm／rev.、 切り込み：0.2mm、 切削油：なし、 の条件で鋳鉄（FC30）部材の仕上げ面加工を行
ない、上記各種切削工具の逃げ面摩耗が0.2mmに
到るまでの切削時間を測定した。この測定結果を
第２表に示した。

【表】 第２表に示されるように、本発明材料は、これ
を切削工具として使用した場合、この発明の範囲
から外れた成分組成を有する比較材料および従来
ダイヤモンド材料に比してきわめてすぐれた切削
特性を示すことが明らかである。 実施例 ２ 配合粉末を、いずれも市販の平均粒径３μｍの
ダイヤモンド粉末：40容量％、同６μｍの立方晶
BN粉末：30容量％、同１μｍのTiC粉末：10容
量％、同1.5μｍのTiN粉末：５容量％、同１μ
ｍのTiB₂粉末：５容量％、および３μｍのTi₅Si₃
粉末：10容量％、から構成し、混合時間を１時間
とする以外は、上記実施例１における本発明材料
１の製造の場合と同一の条件で、実質的に前記配
合粉末組成と同一の最終成分組成をもつた本発明
材料２を製造した。 この本発明材料２と、実施例１で示したと同じ
従来ダイヤモンド材料より、それぞれ実施例１に
おけると同一の条件で切削工具を製造し、この切
削工具を用いて、アルミニウム合金部材の穴あけ
加工を行ない、工具寿命に至るまでの加工個数を
測定したところ、従来ダイヤモンド材料製の切削
工具では13000個しか加工することができなかつ
たのに対して、本発明材料２製の切削工具は、４
倍以上の45000個を加工することができた。 実施例 ３ 配合粉末を、いずれも市販の平均粒径１μｍの
ダイヤモンド粉末：40容量％、同６μｍの立方晶
BN粉末：30容量％、同1.5μｍのTiN粉末：10容
量％、同２μｍのTaN粉末：５容量％、同３μｍ
のTi₅Si₃粉末：10容量％、および同３μｍの
Ta₅Si₃粉末：５容量％から構成し、混合時間を10
時間とする以外は、実施例１において本発明材料
１を製造した場合と同一の条件で、実質的に前記
配合粉末組成と同一の最終成分組成をもつた本発
明材料３を製造した。 ついで、実施例１におけると同様に製造した本
発明材料３製の切削工具および上記従来ダイヤモ
ンド材料製の切削工具を用いて、 切削速度：350m／min 送り：0.12mm／rev.、 切り込み：0.2mm、 切削油：使用、 の条件で銅合金部材の仕上げ面加工を行ない、上
記両切削工具が寿命に到るまでに何個の部材を加
工できるかを測定したところ、本発明材料３製の
切削工具は7000個を加工することができたのに対
して、従来ダイヤモンド材料製の切削工具は4000
個しか加工することができず、この結果より本発
明材料はすぐれた切削特性をもつことが明らかで
ある。 上述のように、この発明の超高圧焼結材料は、
すぐれた靭性、高温耐酸化性、および耐摩耗性を
兼ね備えているので、特に切削工具用材料として
使用した場合に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 ダイヤモンド：20〜80％、 立方晶窒化ほう素：５〜50％、 周期律表の4a、5a、および6a族の金属の炭化
   物、窒化物、炭窒化物、およびほう化物のうちの
   １種または２種以上：１〜30％、 周期律表の4a、5a、および6a族の金属のけい化
   物のうちの１種または２種以上および不可避不純
   物：１〜30％、 （以上容量％）からなる組成を有することを特
   徴とする靭性を具備する耐熱耐摩耗性超高圧焼結
   材料。