JP2502362B2 - 工具用高硬度焼結体 - Google Patents

工具用高硬度焼結体

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JP2502362B2 JP1052962A JP5296289A JP2502362B2 JP 2502362 B2 JP2502362 B2 JP 2502362B2 JP 1052962 A JP1052962 A JP 1052962A JP 5296289 A JP5296289 A JP 5296289A JP 2502362 B2 JP2502362 B2 JP 2502362B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、立方晶窒化硼素(以下cBNという)を用
いた工具用高硬度焼結体の改良に関する。
〔従来の技術〕 cBNは、ダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、その
焼結体は種々の切削工具に使用されている。切削工具に
適したこの種のcCBN焼結体の一例が、特開昭53−77811
号公報に開示されている。
上記先行技術には、cBNを体積%で80−40%含有し、
残部が周期律表第IV a,V a,VI a族遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれらの混合物または
相互固溶体化合物を主体としたもの、さらにこれにAlお
よび/またはSiを添加したものからなる焼結体が開示さ
れている。この先行技術のcBN焼結体では、上記したよ
うな化合物が焼結体組織中において連続した結合相をな
している。
上記高硬度工具用焼結体では、結合化合物として、周
期律表第IV a,V a,VI a族遷移金属の炭化物、窒化物、
硼化物、硅化物またはこれらの相互固溶体化合物が用い
られているが、これらの化合物は熱伝導性に優れ高硬度
であるため、この焼結体は切削工具として一般的に高い
性能を示す。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記の特開昭53−77811号公報に開示
され、現在市販されている焼結体においても、例えば、
鋼の高速切削では切削条件によりクレーター摩耗が発達
し、したがって、比較的寿命が短かい場合があった。
そこで、本発明は上記した従来のcBN焼結体よりも耐
クレーター性に優れ、鋼の高速切削を可能とするcBN焼
結体を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、上述の目的を達成するために鋭意検討
した結果、20体積%以上70体積%未満のcBN粉末と、残
部下記の結合材粉末とを混合してなる混合粉末を用いて
cBNの安定な条件で超高圧焼結すれば、従来のcBN焼結体
よりも硬度が高く、かつ耐クレーター性に優れる高硬度
工具用焼結体の得られることを見い出した。
すなわち、本発明は、2〜20重量%のAlまたはAlとTi
との化合物より選択された少なくとも1種以上と、2〜
20重量%のW、WCもしくはWとTiの化合物より選択され
た少なくとも1種以上と、残部がTiNZ,TiCZ,Ti(C,
N)Z,(Ti,M)NZ,(Ti,M)CZ,および(Ti,M)(C,N)
から成る群から選択した少なくとも1種以上のTi化合物
(ただし、MはTiを除く周期律表IV a,V a,VI a族の遷
移金属元素であり、0.1≦z<0.45)よりなり、かつ結
合材に含有されるTiとTi以外の周期律表第IV a,V a,VI
a族遷移金属元素Mの割合が原子比でTi:M=67:33〜97:3
となるような結合材粉末をcBNと混合して得られた混合
粉末を超高圧焼結して得られた焼結体を提供する。
この発明のcBN焼結体は、cBNの他、Tiの炭化物、窒化
物もしくは炭窒化物またはこれらの相互固溶体、硼化チ
タン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、タングス
テン化合物およびタングステン等を結合材中に含んでお
りcBN粒子は結合材相を介して相互に接合されている。
〔作用〕
本発明の焼結体が耐クレーター性に優れているのは以
下の理由によるものと推測される。
一般にクレーター摩耗が発達するのは高温の切り屑が
工具すくい面を摩擦することにより結合材が摩耗し、cB
N粒子が脱落していくことによるものと考えられてい
る。したがって、cBN焼結体の耐クレーター性を向上さ
せるには結合材の高温下での耐摩耗性を高くすること、
cBNと結合材または結合材自体が強固に接合させること
が必要であり、また工具すくい面は高温となるため上記
した結合材の強度、cBNと結合材もしくは結合材自体の
接合力が高温下でも低下しないことが必要である。
この発明では、結合材中のTi化合物やAlが高温高圧下
での焼結時にcBNと反応し硼化チタン、硼化アルミニウ
ム、窒化チタン、窒化アルミニウムが生成しそれらによ
ってcBNと結合材を強固に接合するものと考えられる。
特にTiNZ,TiCZ,Ti(C,N)Z,(Ti,M)NZ,(Ti,M)CZ,お
よび(Ti,M)(C,N)から成る群から選択された少な
くとも1種のTi化合物(ただし、MはTiを除く周期律表
第IV a,V a,VI a族の遷移金属元素であり、0.1≦z<0.
45)中の過剰なTiはcBN結晶と反応し易くTiB2やTiNを生
成する。
TiB2の生成はTiB2の硬度が高く耐摩耗性に優れてお
り、cBNや結合材との結合力も強くかつ高温下でもそれ
らの特性が低下しないので好ましい。上記Ti化合物の一
般式中のzは0.1≦z<0.45の範囲内とするが、その理
由は、zが0.45を越えるとTiB2の生成量が減少し、結合
材の強度や耐摩耗性が低下し好ましくないからである。
またzが0.1未満では焼結体中の結合材に金属Tiとして
残存するため結合材の耐摩耗性は劣化する。
Tiの窒化物、炭窒化物に周期律表第IV a,V a,VI a族
遷移金属の窒化物、炭窒化物を固溶また混合すれば、結
合材の強度や耐摩耗性はさらに高くなり、Ti化合物のみ
を結合材として用いた場合よりもさらに特性が改善され
る。この結合材中のTi含有量は、TiとTi以外の周期律表
第IV a,V a,VI a族金属の原子比で67:33〜97:3となるこ
とが必要である。Tiの含有量が67%未満では、結合材と
cBNとの結合力が低下して好ましくない。他方、上記原
子比が97%を越えると結合材の耐摩耗性ならびに強度が
低下する。
Alの結合材中の含有量は、2〜20重量%とする。Alは
cBN粒子と結合材の結合力を向上させる作用を有する
が、その含有量が2%未満ではその効果が少なく、20%
を越えると結合材全体の硬度が低下し、耐摩耗性も劣化
する。
W,WCおよび/またはWとTiの化合物からなる群から選
択される少なくとも1種の含有量は2〜20重量%とす
る。その含有量が2%未満では結合材の強度の改善がな
されず、20%を越えるとTi化合物の含有量が低下し、cB
Nと結合材との接合強度が低下し好ましくない。特に上
述した化学式におけるMとしてWを用いた場合には、結
合材の強度が改善され良好な特性を示すことがわかっ
た。
この発明の焼結体では、上述したような結合材よりな
る結合相によりcBN粒子が保持されている。こゝでcBNの
含有量は20体積%以上70体積%未満とする。その理由
は、cBN粒子が20体積%未満では硬度が低下してcBN焼結
体としての特性が発揮されず、他方cBN粒子が70体積%
以上では焼結体の靭性が低下し性能が劣化する。
〔発明の効果〕
この発明では、cBNにTi化合物、Al、WC等を含む結合
材を混合し超高圧高温下で焼結して得られ、結合材中に
はAlが2〜20重量%含有され、硼化アルミニウム、窒化
アルミニウム等を形成しており、また該結合材中にはW
成分が2〜20重量%含有され、これはW,W化合物等とし
て存在し、さらにはTiの炭化物、窒化物、炭窒化物等が
含有されるので、結合材の強度が高く、cBNと結合材ま
たは結合材自体の接合強度が優れている高硬度工具用焼
結体を得ることができる。特にこの発明の焼結体は耐ク
レーター摩耗性に優れているので鋼や鋳鉄の高速切削等
の用途に適する。
実施例1 Tiを含有する窒化物または炭窒化物粉末と、アルミニ
ウム粉末およびWC粉末とを混合し、これを超硬合金製の
ポットおよびボールを用いて平均粒度1μm以下の第1
表に示す組織を有する結合材粉末を作製した。これらの
結合材粉末と、粒度3μm以下のcBN粉末とを体積比で4
5対55となるように混合し、混合粉末を作製した。Mo製
の容器にWC−10重量%Co組成の超硬合金からなる円板を
入れた後これらの混合粉末を充填した。次に、該容器を
超高圧、高温装置にいれ、圧力50kb、温度1250℃で25分
間焼結した。
得られた焼結体をX線回折により調べたところ、全て
の焼結体に於て、cBN、Tiを含む窒化物、炭化物および
炭窒化物、TiB2,AlB2,AlNとWの硼化物、炭化物もしく
はWと思われるピークが観察された。
これらの焼結体のピッカース硬度測定結果を第2表に
示す。
上記各焼結体を切削加工用チップに加工し、直径が10
0mmであり、SUJ 2(HRC59−61)からなる丸棒を切削し
た。切削条件は、切削速度:210m/分、切込み:0.15mm、
送り:0.1mm/rev、乾式である。刃先が欠損するまでの切
削時間を測定したところ、第2表に示す結果が得られ
た。
なお、第1表に於て原子比〔Ti:M〕はTiと周期律表第
IV a,V a,VI a族の遷移金属元素との原子比を示す。
第1〜2表中、試料No.8〜12は比較例である。
実施例2 (Ti0.9Zr0.1)(C0.50.50.25、AlおよびWC粉末
を混合し、1μm以下の粒度の結合材を得た。この結合
材の組成は、重量%で、76%(Ti0.9Zr0.1)(C0.5
0.50.25−12%Al−12%WCである。なお、結合材中のT
iとWの原子比は86.1対13.9である。この結合材粉末とc
BN粉末とを第3表に示すように混合し混合粉末を作製し
た。
得られた混合粉末を実施例1と同様にして超高圧焼結
し、焼結体を得た。さらに、これらの焼結体を加工し、
切削加工用のチップとした。
上記のようにして得られたチップを用いて、直径300m
mのSCM435(HRC22)からなる丸棒の外周を切削した。切
削条件は、切削速度580m/分、切込み;0.6mm、送り;0.2m
m/rev、乾式である。切削可能であった時間を測定した
ところ、第3表に示す結果が得られた。第3表中、試料
No.18,19は比較例である。
実施例3 第4表に示したZ値の(Ti0.90.05Nb0.05)(C0.2
0.8粉末と、Al粉末とWC粉末を混合し、1μm以
下の粒度の結合材粉末を得た。これら結合材粉末の組成
は80重量%(Ti0.90.05Nb0.05)(C0.20.8−1
2重量%Al−8重量%WCである。これらの結合材粉末
と、粒度3〜5μmのcBN粉末とを体積比で50対50とな
るように混合し、混合粉末を作製した。
得られた混合粉末を実施例1と同様にして超高圧焼結
し、焼結体を得た。これらの焼結体のビッカース硬度測
定結果を第4表に示す。
上述のようにして得られた焼結体を加工し、切削加工
用のチップとして、直径80mmのSKD11種(HRC60)からな
る丸棒の外周を切削した。切削条件は、切削速度230m/
分、切込み;0.15mm、送り;0.08mm/rev、乾式である。切
削可能であった時間を第4表に示す。
なお第4表において原子比〔Ti:M〕は結合材中のTiと
Tiを除く周期律表第IV a,V a,VI a族遷移金属元素の割
合を示す。第4表中、試料No.20,26,27は比較例を示
す。
実施例4 実施例1と同様にして第5表に示す組織を有する結合
材粉末を作製した。これらの結合材粉末と粒度2μm以
下のcBN粉末とを体積比で70対30となるように混合し、
混合粉末を得た。次にこれらの混合粉末を実施例1と同
様にして超高圧焼結し、焼結体を得た。これらの焼結体
のビッカース硬度測定結果を第5表に示す。
次に、これらの焼結体を加工し、切削加工用のチップ
として、直径70mmの浸炭焼入れ鋼SNCM415(HRC58〜61)
からなる丸棒の外周を切削した。切削条件は、切削速度
180m/分、切込み;0.1mm、送り;0.08mm/rev、乾式であ
る。切削可能であった時間を第6表に示す。
なお第5表において原子比〔Ti:M〕は結合材中のTiと
Tiを除く周期律表第IV a,V a,VI a族遷移金属元素の割
合を示す。第5〜6表中、試料No.31〜33は比較例を示
す。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C22C 29/02 C04B 35/58 103H

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】立方晶型窒化硼素粉末を20体積%以上70体
    積%未満含有し、残部が結合材粉末からなる混合粉末を
    超高圧、高温下で処理することにより得られる焼結体に
    おいて、前記結合材がAlおよびAlとTiとの化合物からな
    る群から選択される少なくとも1種2〜20重量%(Al換
    算)、W、WCおよびWとTiの化合物からなる群から選択
    される少なくとも1種2〜20重量%、および残部がTi
    NZ,Ti(C,N)Z,TiCZ,(Ti,M)NZ,(Ti,M)(C,N)
    よび(Ti,M)CZからなる群から選択される少なくとも1
    種のTi化合物(ただし、MはTi以外の周期律表IV a,V
    a,VI a族の遷移金属元素であり、0.1≦z<0.45であ
    る)よりなり、かつ結合材に含有されるTiとTi以外の周
    期律表第IV a,V a,VI a族遷移金属元素Mの割合が原子
    比でTi:M=67:33〜97:3であり、前記立方晶型窒化硼素
    が結合相を介して相互に結合されている工具用高硬度焼
    結体。
  2. 【請求項2】前記焼結体が立方晶窒化硼素の他にTiN,Ti
    C,Ti(C,N),(Ti,M)N,(Ti,M)Cおよび(Ti,M))
    (C,N)からなる群から選択した1種以上のTi化合物、
    硼化チタン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、タ
    ングステン化合物ならびにタングステンの一種以上を含
    む、請求項(1)に記載の工具用高硬度焼結体。
  3. 【請求項3】Mがタングステンである請求項(1)また
    は(2)に記載の工具用高硬度焼結体。
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