JP2502363B2 - 工具用高硬度焼結体 - Google Patents

工具用高硬度焼結体

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JP2502363B2 JP1052963A JP5296389A JP2502363B2 JP 2502363 B2 JP2502363 B2 JP 2502363B2 JP 1052963 A JP1052963 A JP 1052963A JP 5296389 A JP5296389 A JP 5296389A JP 2502363 B2 JP2502363 B2 JP 2502363B2
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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
敵したこの種のcBN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IVa,Va,VIa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IVa,Va,VIa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。
〔問題点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
工具く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、1〜20重量%の鉄族金属の少
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)z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
除く周期律表第IVa,Va,VIa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IVa,Va,VIa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粉末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焼結体では、生成物中に立方晶窒化硼
素の他、TiN,TiC,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、鉄属金属化合物の1種以上を含み、また焼結
体組織においてcBN粒子は結合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磨耗し、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)N2,(Ti,M)Cz,および(T
i,M)(C,N)z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IVa,Va,VIa
族の遷移金属元素であり、0.1≦z<0.45)中の過剰なT
i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や結合材との接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IVa,Va,VIa族金属
の窒化物、炭窒化物を固溶または混合すれば、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IVa,
Va,VIa族遷移金属の原子比で67:33〜97:2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。A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%
を越えると結合材自体の硬度が低下し、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%とな
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。
また鉄族金属を1種以上結合材中に1−10重量%含有
させることにより結合材の強度及び硬度はさらに高くな
り、焼結体の特性は一層改善される。これは鉄族金属と
TiB2,AlB2などの硼化物とのぬれ性が高いため、焼結体
中の硼化物がより強く結合するためと考えられる。鉄族
金属の含有量が1重量%未満の場合には特性の改善はみ
られず、10重量%を越えると結合材自体の強度及び硬度
が低下し好ましくない。
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、鉄族金属、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、さらには鉄族金属1〜20重量%な
らびに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、鉄族金属粉末および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1
μm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45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51kb、温
度1300℃で20分間焼結した。
得られた焼結体をX線回析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
ビ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、SKD11種(HRC60−62)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:
0.2mm、送り:0.12mm/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Tiを除く周
期律表第IVa,Va,VIa族の遷移金属元素との原子比を示
す。
実施例2 (Ti0.9W0.1)No.20、Al、WCおよび鉄族金属の1種以
上の粉末を混合し、1μm以下の粒度の結合材混合粉末
を得た。この結合材の組成は75%((Ti0.9W0.1)No.20
−12%Al−10%WC−3%Niであった。なお、結合材中の
TiとWの原子比は86.2対13.8である。この結合材粉末と
cBN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、直径が3
0.0mmのSCM435種(HRC22)からなる丸棒の外周を切削し
た。切削条件は、切削速度560m/分、切込み;1.0mm、送
り;0.5mm/rev、乾式、であった。
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。
試料No.20および21は比較例を示す。
実施例3 第4表に示したZ値の(Ti0.8Zr0.1Ta0.1)(C
0.4N0.6)z粉末と、Al粉末とWC粉末およびCo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
材混合粉末の組成は70重量%(Ti0.8Zr0.1Ta0.1)(C0.4
N0.6)z−15重量%Al−12重量%WC−3重量%Coである。
この結合材粉末とcBN粉末とを体積比で40対60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SUJ2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250m/
分、切込み;0.13mm、送り;0.10mm/rev、乾式とし、切削
可能であった時間を第4表に示す。第4表において原子
比〔Ti:M〕は結合材中のTiとTi以外の周期律表第IVa,V
a,VIa族遷移金属元素の割合を示す。
試料No.22,28および29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100mmの窒化処理を行ったSNCM645(HRC6
7)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;0.07mm、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IVa,Va,VIa族遷移金属元素の割合を
示す。
試料No.33〜35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)、鉄族金属の少なくとも1種1〜20重量%、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TiNz,Ti(C,N)z,Ti
    Cz,(Ti,M)Nz,(Ti,M)(C,N)zおよびおよび(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IVa,Va,VIa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IVa,Va,VIa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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