JPS6143307B2

JPS6143307B2 -

Info

Publication number: JPS6143307B2
Application number: JP53151484A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Ueda; Kenichi Nishigaki; Taijiro Oonishi
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1978-12-09
Filing date: 1978-12-09
Publication date: 1986-09-26
Also published as: JPS5580776A

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、セラミツクス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、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
備えた切削工具用材料を得べく、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CBNで示す）粉末
と、周期律表の4a，5a、および6a族金属の炭化
物、同4aおよび5a族金属の窒化物および炭窒化
物、並びに同4a族金属のほう化物のうちの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、けい化チ
タン（けい化チタンには、Ti₅Si₃やTiSi₂などが
あるが、以下代表してTi₅Si₃で示す）粉末と、さ
らに炭化ほう素（以下B₄Cで示す）、炭化けい素
（以下SiCで示す）、および窒化けい素（以下Si₃N₄
で示す）のうちの１種または２種以上（以下これ
を総称して炭・窒化物という）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、CBN粒子
同志、金属の炭・窒・ほう化物粒子同志、けい化
チタン粒子同志、および炭・窒化物粒子同志の相
互接触がなく、ダイヤモンド粒子、CBN粒子、
金属の炭・窒・ほう化物粒子、けい化チタン粒
子、および炭・窒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
た超高圧焼結材料は、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、CBN粒子、
金属の炭・窒・ほう化物粒子、けい化チタン粒
子、および炭・窒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：10〜70％、 CBN：５〜50％、金属の炭・窒・ほう化物：１〜30％、けい化チタン：0.1〜10％、炭・窒化物および不可避不純物：１〜30％、からなる組成を有し、かつすぐれた靭性、耐熱
性、および耐摩耗性を有する切削工具用超高圧焼
結材料に特徴を有するものである。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通り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10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70容量％を越えて含有させると、ダイ
ヤモンド粒子相互的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CBN粒子、
けい化チタン粒子、および炭・窒化物粒子と、
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10〜70容量％と定めた。望ましく
は30〜50容量％の含量がよい。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) CBN CBN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6000〜7000
Kg／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20〜35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、CBN粒子、けい化チタ
ン粒子、および炭・窒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CBN粒
子、けい化チタン粒子、および炭・窒化物粒子
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) けい化チタン例えば、Ti₅Si₃は融点：2120℃を有するよう
に、けい化チタンは、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、CBN、金属の炭・
窒・ほう化物、および炭・窒化物に比して軟質
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、CBN粒子、金属の炭・窒・ほう化物粒
子、および炭・窒化物粒子用を緻密に埋め、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0.1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10
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0.1〜10容量％と定めた。なお、望
ましくは２〜６容量％の含有がよい。 (e) 炭・窒化物例えば、SiCは融点：2827℃、微少ヌープ硬
さ：3000Kg／mm²（荷重100ｇ）を有するよう
に、これら炭・窒化物はいずれも高融点高硬有
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
炭・窒化物には、焼結時に、上述のようにダイ
ヤモンド粒子、CBN粒子、金属の炭・窒・ほ
う化物粒子、およびけい化チタン粒子の相互粒
界での成分拡散に寄与して強固な粒子間結合を
形成せしめる作用があるほか、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CBN粒子、金属の炭・窒・ほう化物粒
子、およびけい化チタン粒子と共存した状態で
埋めた緻密な組織を形成して靭性向上に寄与す
る作用があるが、その含有量が１容量％未満で
は、前記作用に所望の効果が得られず、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。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炭・窒化物粉
末、および上記のけい化チタン粉末は、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、CBN粉末、金属の炭・窒・ほう化物粉
末、けい化チタン粉末、および炭・窒化物粉末
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。原料粉末として、それぞれ市販の平均粒径：３
μｍを有するダイヤモンド粉末、同６μｍの
CBN粉末、いずれも0.2〜２μｍの範囲内の平均
粒径を有する各種の金属の炭・窒・ほう化物粉
末、同３μｍのTi₅Si₃粉末、同３μｍのSiC粉
末、同４μｍのB₄C粉末、および同２μｍの
Si₃N₄粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ
第１表に示される配合組成に配合し、これに溶媒
としてアセトンを加え、炭化タングステン基超硬
合金製のボールミル中で４時間混合し、乾燥した
後、直径：10mm×高さ：10mmの寸法をもつステン
レス鋼（JIS・SUS304）製の管内に詰め、真空引
きしながらJIS・p20の炭化タングステン基超硬
合金製の蓋を前記管の両側端部に溶接して密封
し、ついで、これ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実質的に配合
組成と同一の成分組成をもつた本発明超高圧焼結
材料１〜18、および比較超高圧焼結材料１〜８を
それぞれ製造した。この結果得られた本発明超高圧焼結材料１〜18
は、いずれもダイヤモンド、CBN、金属の炭・
窒・ほう化物、Ti₅Si₃、および炭・窒化物が均一
に分散した緻密な組織をもつものであつた。なお、比較超高圧焼結材料１〜８は、いずれも
構成成分のうちの少なくとも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。つぎに、上記の本発明超高圧焼結材料１〜18、
および比較超高圧焼結材料１〜８、並びに第１表
に示される組成をもつた従来公知の主成分がダイ
ヤモンドからなる市販の超高圧焼結材料から、切
断および研磨により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
うを用いてろう付けした状態で、被削材：FC30、切削速度：200m／min、切込み：１mm、切削油：なし、の条件での鋳鉄の仕上げ面加工切削試験、並びに被削材：Al―Si合金（Si：８重量％含有）、切削速度：300m／min、送り：0.1mm／rev.、切込み：0.5mm、

【表】

【表】切削油：なし、の条件でのAl合金の仕上げ面加工切削試験を行
ない、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅
が0.2mmに達するまでの切削時間を測定した。こ
れらの測定結果を第１表に示した。第１表に示される結果から、本発明超高圧焼結
材料１〜18は、いずれも市販の超高圧焼結材料に
比して、著しくすぐれた靭性および耐熱性を有
し、かつこれと同等のすぐれた耐摩耗性を有する
ので、きわめて長い切削時間を示すのに対して、
市販の超高圧焼結材料は、靭性および耐熱性不足
が原因で比較的短かい切削時間しか示さないこと
が明らかである。また、比較超高圧焼結材料１〜８に見られるよ
うに、構成成分のうちの少なくともいずれかの成
分含有量でもこの発明の範囲から外れると、靭
性、耐熱性、および耐摩耗性のうちの少なくとも
いずれかの性質が劣つたものになるので、所望の
切削性能を示さず、比較的短時間の切削時間しか
示さないものである。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、耐熱性（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

【特許請求の範囲】１ダイヤモンド：10〜70％、立方晶窒化ほう素：５〜50％、周期律表の4a，5a、および6a族金属の炭化物、
同4aおよび5a族金属の窒化物および炭窒化物、並
びに同4a族金属のほう化物のうちの１種または２
種以上：１〜30％、けい化チタン：0.1〜10％、炭化ほう素、炭化けい素、および窒化けい素の
うちの１種または２種以上および不可避不純物：
１〜30％、からなる組成（以上容量％）を有することを特徴
とする靭性および耐熱耐摩耗性のすぐれた切削工
具用超高圧焼結材料。