JPS621464B2

JPS621464B2 -

Info

Publication number: JPS621464B2
Application number: JP58048499A
Authority: JP
Inventors: Hironori Yoshimura; Naohisa Ito; Kenichi Nishigaki; Katsuaki Anzai
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1983-03-23
Filing date: 1983-03-23
Publication date: 1987-01-13
Also published as: JPS59173237A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、高靭性および高硬度を有し、さら
にすぐれた耐摩耗性、耐塑性変形性、および耐衝
撃性を有し、したがつて、これらの特性が要求さ
れる高速切削や、高送り切削および深切り込み切
削などの重切削に用いられる切削工具として、さ
らに熱間圧延ロール、熱間線引ロール、熱間圧縮
ダイス、熱間鍛造ダイス、および熱間押出しパン
チなどの比較的長時間高温にさらされる熱間加工
用工具として使用した場合にすぐれた性能を発揮
する超耐熱焼結合金およびその製造法に関するも
のである。近年、加工能率向上のために高速切削化や高送
り切削化が検討されているが、切削速度を高くし
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
に起因する塑性変形によつて使用寿命に至る場合
が多い。しかしながら、現在実用に供されている硬質相
が主として炭化タングステン（以下WCで示す）
や炭化チタン（以下TiCで示す）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
WC基超硬合金やTiC基サーメツトは、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WC基超硬合金やTiC基サーメツ
トは勿論のこと、これらの表面に硬質被覆層を形
成したものにおいても、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。また、硬質相がTiとＷの複合炭化物固溶体
（以下、（Ti、Ｗ）Ｃで示す）あるいは、複合炭
窒化物固溶体（以下、（Ti、Ｗ）CNで示す）で構
成され、一方結合相がＷ―Mo合金で構成された
サーメツトが提案され、このサーメツトを高速切
削や重切削に切削工具として用いる試みもなされ
ているが、この従来サーメツトは、焼結性が悪
く、しかも原料粉末として使用される（Ti、
Ｗ）Ｃ粉末あるいは（Ti、Ｗ）CN粉末における
Ｃ濃度が比較的高いために、焼結時にその一部が
Ｗ粉末の一部と反応して脆いW₂Cを形成し、こ
のW₂Cの存在によつて耐衝撃性の劣つたものと
なることから、十分満足する切削性能を示さない
のが現状である。そこで、本発明者等は、上述のような観点か
ら、特にすぐれた耐塑性変形性および耐衝撃性、
されに耐摩耗性が要求される鋼などの高速切削や
重切削に切削工具として使用するのに適した材料
を開発すべく研究を行つた結果、重量％で、 Tiの炭化物、窒化物、および炭窒化物（以
下、それぞれTiC、TiN、およびTiCNで示
し、これらを総称してTiの炭・窒化物とい
う）のうちの１種または２種以上の粉末：50〜
30％、 ZrおよびHfの炭化物、窒化物、および炭窒
化物（以下、それぞれZrC、ZrN、ZrCN、
HfC、HfN、およびHfCNで示し、これらを総
称して（Zr、Hf）の炭・窒化物という）のう
ちの１種または２種以上の粉末：５〜35％、酸化マグネシウム（以下MgOで示す）粉
末：0.5〜10％、Ｗ粉末：残り、 TiC、TiN、およびTiCNのうちの１種また
は２種以上の粉末：５〜30％、 ZrC、ZrN、ZrCN、HfC、HfN、および
HfCNのうちの１種または２種以上の粉末：５
〜35％、 MgO：0.5〜10％、酸化アルミニウム（以下Al₂O₃で示す）およ
び酸化イツトリウム（以下Y₂O₃で示す）のう
ちの１種または２種の粉末：0.5〜10％、Ｗ粉末：残り、以上またはの配合組成をもつた圧粉体を、
真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中、1800〜
2700℃の範囲内の高温で焼結すると、硬質相形成成分としてのTiと、Ｗと、Zrお
よびHfのうちの１種または２種との複合炭化
物固溶体および複合炭窒化物固溶体（以下、そ
れぞれ（Ti、Ｗ、Zr、Hf）Ｃおよび（Ti、
Ｗ、Zr、Hf）CNで示す）のうちのいずれか１
種：10〜60％、同じく硬質相形成成分としてのMgO：0.01
〜１％、結合相形成成分としてのＷおよび不可避不純
物：残り、硬質相形成成分としての（Ti、Ｗ、Zr、
Hf）Ｃおよび（Ti、Ｗ、Zr、Hf）CNのうちの
いずれか１種：10〜60％、硬質相形成成分としてのMgO：0.01〜１
％、同じく硬質相形成成分としてのAl₂O₃および
Y₂O₃のうちの１種または２種：0.5〜10％、結合相形成成分としてのＷおよび不可避不純
物：残り、以上またはの組成、並びに上記の（Ti、
Ｗ、Zr、Hf）Ｃおよび（Ti、Ｗ、Zr、Hf）CN
が、TiとＷに富む相と、ZrおよびHfのいずれ
か、または両方に富む相との２相構造を有する超
耐熱焼結合金が得られ、この超耐熱焼結合金にお
いては、焼結時に、MgOが、この焼結工程で形
成された（Ti、Ｗ、Zr、Hf）Ｃおよび（Ti、
Ｗ、Zr、Hf）CN（以下、これを総称して複合
炭・窒化物固溶体という）中のＣ成分と反応し
て、この複合炭・窒化物固溶体中のＣ成分が減少
するようになり、この結果焼結性が著しく向上す
るようになると共に、脆いW₂Cが形成しにくく
なることから、すぐれた耐衝撃性をもつようにな
り、さらに硬質相としての複合炭・窒化物固溶体
が、上記のように微細なＷとTiに富む相と、同
じく微細なZrおよびHfのいずれか、または両方
に富む相との２相構造をもつことから、耐摩耗性
および耐塑性変形性が一段と向上したものとな
り、したがつて、これを高速切削や重切削などの
切削工具として用いた場合にはすぐれた切削性能
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
のであつて、以下に配合組成および成分組成、並
びに焼結温度を上記の通りに限定した理由を説明
する。 (a) 複合炭・窒化物固溶体この成分は、主体硬質相形成成分であつて、焼
結合金にすぐれた耐摩耗性と耐塑性変形性を付与
する作用をもつものであり、かつこの硬質相は、
原料粉末として、Tiの炭・窒化物粉末および
（Zr、Hf）の炭・窒化物粉末を配合することによ
つて形成されるが、その配合量がそれぞれ５％未
満では前記複合炭・窒化物固溶体の含有量が10％
未満となつてしまい、前記作用に所望の効果が得
られず、一方Tiの炭・窒化物粉末にあつては30
％を越え、かつ（Zr、Hf）の炭・窒化物粉末に
あつては35％を越えて、それぞれ配合すると、前
記複合炭・窒化物固溶体の含有量が60％を越えて
高くなりすぎ、焼結合金の靭性が著しく低下する
ようになることから、Tiの炭・窒化物粉末の配
合量を５〜30％、（Zr、Hf）の炭・窒化物粉末の
配合量を５〜35％と定めて、焼結合金中の複合
炭・窒化物固溶体の含有量が10〜60％となるよう
にした。 (b) MgO MgOは、その大半が焼結時に、この焼結工程
で形成された複合炭・窒化物固溶体中のＣと反応
して、この複合炭・窒化物固溶体中のＣ量を減少
させると同時に、焼結性を改善し、かつそのわず
かな量が焼結合金中に残留して耐衝撃性を著しく
向上させる作用をもつが、その配合量が0.5％未
満では所望の焼結性改善効果が得られないばかり
でなく、焼結合金中に残留するMgOの量が0.01
％未満となつてしまつて所望の耐衝撃性を確保す
ることができず、一方10％を越えた配合量にする
と、焼結温度が低い場合は焼結合金中のMgO含
有量が１％を越えて高くなつてしまい、この結
果、焼結合金の耐塑性変形性が低下するようにな
るばかりでなく、焼結合金中に巣が形成され易く
なつて耐衝撃性も劣化するようになることから、
MgOの配合量を0.5〜10％、すなわちMgOの含有
量を0.01〜１％と定めた。 (c) Al₂O₃およびY₂O₃ これらの成分は、そのほとんどが素地中に均一
に分散して焼結性を向上させると共に、焼結合金
の耐摩耗性および耐衝撃性をさらに一段と向上さ
せる作用をもつので必要に応じて配合（含有）さ
れるが、その配合（含有）量が0.5％未満では前
記作用に所望の向上効果が得られず、一方その配
合（含有）量が10％を越えると、焼結合金の耐衝
撃性および耐塑性変形性に劣化傾向が現われるよ
うになることから、その配合（含有）量を0.5〜
10％と定めた。 (d) Ｗおよび不可避不純物Ｗは、その一部が硬質相に固溶するが、大部分
は結合相として存在して硬質相と強固に結合し、
焼結合金にすぐれた耐衝撃性を付与する作用を有
するものである。また、不可避不純物として
Mo、Cr、Fe、Ni、Co、Re、Pt、およびPdなど
のうちの１種または２種以上を含有しても、それ
ぞれの成分含有量が１％以下であれば焼結合金の
特性が何ら損なわれるものではない。 (e) 焼結温度焼結温度が1800℃未満では、MgOの蒸発が不
十分で、このため焼結合金における炭素量の減少
が少なく、所望の焼結性および耐衝撃性を確保す
ることができず、一方2700℃を越えた焼結温度に
すると、焼結合金に液相が発生して、その形状が
変化するようになることから、焼結温度を1800〜
2700℃と定めた。つぎに、この発明の超耐熱焼結合金を実施例に
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1.5μｍを有する
TiC粉末、同1.2μｍのTiN粉末、同1.0μｍのZrC
粉末、同1.5μｍのHfC粉末、同0.4μｍのMgO粉
末、同0.5μｍのAl₂O₃粉末、同0.4μｍのY₂O₃粉
末、および同0.8μｍのＷ粉末を用意し、これら
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、ボールミルにて72時間湿式粉砕混合
し、乾燥した後、15Kg／mm²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760torrの
窒素雰囲気中で、それぞれ第１表に示される温度
に２時間保持の条件で焼結することによつて、同
じく第２表に示される成分組成をもつた本発明焼
結合金１〜31および比較焼結合金１〜５をそれぞ
れ製造

【表】

【表】した。ついで、この結果得られた本発明焼結合金１〜
31および比較焼結合金１〜５の硬さ（ロツクウエ
ル硬さＡスケール）および抗折力を測定すると共
に、これよりSNP433の形状をもつた切削チツプ
を切出し、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B250）、切削速度：200m／min、送り：0.3mm／rev.、切込み：２mm、切削時間：10min、の条件での高速連続切削試験、並びに、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B270）、切削速度：120m／min、送り：0.4mm／rev.、切込み：３mm、切削時間：3min、の条件での断続切削試験を行ない、上記高速連続
切削試験では、切刃の逃げ面摩耗幅およびすくい
面摩耗深さを測定し、また上記断続切削試験では

【表】

【表】 10個の試験切刃のうち、その刃先に欠損が発生し
た切刃数を測定した。これらの測定結果を第３表
に示した。また、比較の目的で、ISOのP10グレ
ードのWC基超硬合金製切削チツプ（以下従来切
削チツプ１という）およびTiC―10％Mo―15％
Niの組成（以上重量％、以下％は重量％を示
す）を有するTiC基サーメツト製切削チツプ（以
下従来切削チツプ２という）についても上記の切
削条件で切削試験を行ない、この結果も第３表に
示した。第３表に示される結果から明らかなように、本
発明焼結合金１〜31は、いずれも高硬度および高
靭性を有し、いずれの切削試験でもすぐれた耐摩
耗性および耐衝撃性を示すのに対して、MgOを
含有しない比較焼結合金１、並びに（Ti、Ｗ、
Zr）Ｃを含有しない比較焼結合金２、３は、焼結
性および耐衝撃性に劣るものであるために、特に
連続切削試験では全切刃あるいはほとんどの切刃
に欠損が発生し、また（Ti、Ｗ、Zr）Ｃの含有
量がこの発明の範囲から高い方に外れた比較焼結
合金４、５は、比較的すぐれた耐摩耗性を示すも
のの、靭性が劣るものであるため、断続切削試験
ではほとんどの切刃に欠損が発生した。さらに従
来切削チツプ１、２は耐摩耗性および耐衝撃性に
劣り、きわめて悪い切削性能しか示さないことが
明らかである。実施例２原料粉末として、実施例１で用いた原料粉末の
ほかに、平均粒径1.5μｍを有するTiC₀.₇N₀.₃粉
末、同1.2μｍのTiC₀.₆N₀.₄粉末、同1.0μｍの
TiC₀.₅N₀.₅粉末、同1.5μｍのTiC₀.₄N₀.₆粉末、同
1.2μｍのZrC₀.₇N₀.₃粉末、および同1.0μｍの
HfC₀.₇N₀.₃粉末（以上重量比）を用意し、これら
原料粉末を、第４表に示される配合組成に配合し
た後、実施例１におけると同一の条件で湿式粉砕
混合し、乾燥し、成形して圧粉体とし、ついでそ
れぞれ第４表に示される各種圧力のN₂ガスある
いはArガス雰囲気中、温度：2000℃に２時間保
持の条件で焼結することによつて、第５表に示さ
れる成分組成をもつた本発明焼結合金32〜49をそ
れぞれ製造した。

【表】

【表】ついで、この結果得られた本発明焼結合金32〜
49について、硬さおよび抗折力を測定すると共
に、これよりSNP433の形状をもつた切削チツプ
を切出し、さらに比較の目的で用意したISOの
P30グレードのWC基超硬合金製切削チツプ（以
下従来切削チツプという）と共に、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B265）、切削速度：100m／min、送り：0.8mm／rev.、切込み：４mm、切削時間：10min、の条件での高送り連続切削試験、並びに、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B275）、切削速度：100m／min、送り：0.45mm／rev.、切込み：３mm、切削時間：3min、の条件での断続切削試験を行ない、実施例１にお
けると同様に、それぞれ切刃の逃げ面摩耗幅およ
びすくい面摩耗深さ、並びに欠損切刃数を測定し

【表】た。これらの測定結果を第６表に合せて示した。第６表に示される結果から、本発明焼結合金32
〜49は、いずれも高硬度および高靭性を有し、高
送り連続切削および断続切削においてすぐれた切
削性能を示すのに対して、従来切削チツプ３は特
に耐塑性変形性に劣るために高送り連続切削試験
では３分で切削不能となるものであつた。実施例３原料粉末として、実施例１で用いた粉末のほか
に、さらに不純物として、平均粒径0.8μｍのMo
粉末、同2.5μｍのNi粉末、同1.2μｍのCo粉末、
および同3.0μｍのRe粉末を用意し、これら原料
粉末をそれぞれ第７表に示される配合組成に配合
した後、実施例１におけると同一の条件で湿式粉
砕混合し、乾燥し、成形して圧粉体とし、ついで
これらの圧粉体を、300torrの窒素雰囲気中で、
それぞれ第６表に示される温度に２時間保持の条
件で焼結することによつて、同じく第８表に示さ
れる成分組成をもつた本発明焼結合金50〜79およ
び比較焼結合金６〜13をそれぞれ製造した。

【表】

【表】つぎに、これらの本発明焼結合金50〜79および
比較焼結合金６〜13について、硬さおよび抗折力
を測定すると共に、これよりSNP433の形状をも
つた切削チツプを切出し、さらに比較の目的で用
意したISOのP40グレードのWC基超硬合金製切
削チツプ（以下従来切削チツプ４という）と共
に、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B265）、切削速度：60m／min、送り：0.7mm／rev.、切込み：10mm、切削時間：3min、の条件での高送り連続切削試験、並びに、被削材：SNCM―８（硬さ：Ｈ_B275）、切削速度：80m／min、送り：0.5mm／rev.、切込み：３mm、切削時間：3min、の条件での断続切削試験を行ない、実施例１にお
けると同様に、それぞれ切刃の逃げ面摩耗幅およ

【表】

【表】びすくい面摩耗深さ、並びに欠損切刃数を測定し
た。これらの測定結果を第９表に合せて示した。第９表に示される結果から、本発明焼結合金50
〜79は、いずれも高硬度および高靭性を有し、い
ずれの切削試験でもすぐれた性能を示し、特に本
発明焼結合金56〜59、および同76〜79に見られる
ように、Mo、Ni、Co、またはReなどの不純物を
含有しても、その含有量が１％以下であれば焼結
合金の特性にほとんど影響を及ぼさないことが明
らかである。これに対してMgOまたはAl₂O₃の配
合（含有）量がこの発明の範囲から高い方に外れ
た比較焼結合金６および７、複合炭・窒化物固溶
体の含有量がこの発明の範囲から低い方に外れた
比較焼結合金８および９、不純物たるNiの含有
量が１％を越えて高い比較焼結合金10および11、
さらに焼結温度がこの発明の範囲から外れて低い
条件で製造した比較焼結合金12および13において
は、いずれも靭性不足が原因で、きわめて悪い切
削性能しか示さず、また従来切削チツプ４は、本
発明焼結合金とほぼ同等のすぐれた耐衝撃性をも
つものの、耐塑性変形性に劣るために高送り連続
切削試験では0.8分で切削不能に至るものであつ
た。上述のように、この発明の超耐熱焼結合金は、
高靭性および高硬度を有し、かつ耐摩耗性、耐塑
性変形性、および耐衝撃性にすぐれているので、
これらの特性が要求される鋼の高速切削や重切削
などに切削工具として用いた場合にすぐれた切削
性能を示し、さらに熱間圧延ロール、熱間線引ロ
ール、熱間圧縮ダイス、熱間鍛造ダイス、さらに
は熱間押出しパンチなどの比較的長時間高温にさ
らされる熱間加工用工具として用いた場合にもす
ぐれた性能を長期に亘つて発揮するなど工業上有
用な特性を有するのである。

Claims

【特許請求の範囲】１硬質相形成成分としてのTiと、Ｗと、Zrお
よびHfのうちの１種または２種との複合炭化物
固溶体および複合炭窒化物固溶体のうちのいずれ
か１種：10〜60％、同じく硬質相形成成分としての酸化マグネシウ
ム：0.01〜１％、結合相形成成分としてのＷおよび不可避不純
物：残り、からなる組成（以上重量％）を有し、かつ上記の
複合炭化物固溶体および複合炭窒化物固溶体は、
TiおよびＷに富む相と、ZrおよびHfのいずれ
か、または両方に富む相との２相構造を有するこ
とを特徴とする高靭性および高硬度を有し、かつ
耐摩耗性、耐塑性変形性、および耐衝撃性にすぐ
れた超耐熱焼結合金。２硬質相形成成分としてのTiと、Ｗと、Zrお
よびHfのうちの１種または２種との複合炭化物
固溶体および複合炭窒化物固溶体のうちのいずれ
か１種：10〜60％、同じく硬質相形成成分としての酸化マグネシウ
ム：0.01〜１％、同じく硬質相形成成分としての酸化アルミニウ
ムおよび酸化イツトリウムのうちの１種または２
種：0.5〜10％、結合相形成成分としてのＷおよび不可避不純
物：残りからなる組成（以上重量％）を有し、かつ上記の
複合炭化物固溶体および複合炭窒化物固溶体は、
TiおよびＷに富む相と、ZrおよびHfのいずれ
か、または両方に富む相との２相構造を有するこ
とを特徴とする高靭性および高硬度を有し、かつ
耐摩耗性、耐塑性変形性、および耐衝撃性にすぐ
れた超耐熱焼結合金。