JP2691048B2 - 工具用焼結材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、焼入鋼や超硬合金等の高硬度材料或いは耐
熱合金等の切削加工や塑性加工の際に用いられる工具用
焼結材料に関する。

＜従来の技術＞ 焼入鋼或いはニッケル基耐熱合金やコバルト基耐熱合
金等の高硬度材料を加工する場合、一般にはタングステ
ン等の高融点金属の炭化物粉末を鉄やコバルトやニッケ
ル等の鉄系金属で焼結結合させた超硬合金が利用されて
来た。

近年、上述した超硬合金が工具としてではなく、加工
対象物として採用されつつあることに加え、加工条件に
対する厳しい要求に対応するため、より高性能な工具と
して焼結ダイヤモンドや立方晶窒化硼素（以下、CBNと
記述する）焼結体等を用いたものが開発されている。焼
結ダイヤモンドは、ダイヤモンドの粉粒を超硬合金を結
合剤として高温高圧下で焼結したものであるが、炭素と
の親和力が強い鋼等の加工には根本的に不向きである。
この点、ダイヤモンドに次ぐ硬度のCBN焼結体は鉄系金
属との反応が少ないことから、ダイヤモンド以外のあら
ゆる加工対象物、特に焼入鋼や超硬合金等の高硬度材料
の他にニッケル基耐熱合金やコバルト基耐熱合金等の加
工に有効である。

従来のCBN焼結体は、CBNの粉粒に結合相となる炭化チ
タンや窒化チタン等のセラミックスを単独で混ぜ、焼結
性の改善のため金属成分を添加してこれらを高温高圧下
で焼結したものがほとんどである。結合相の材料として
は、上記の他に硅素やジルコニウムの炭化物或いは硅素
やジルコニウムの窒化物、更にはアルミニウムとチタン
との金属間化合物やアルミニウムとジルコニウムとの金
属間化合物等が知らてれいる。

＜発明が解決しようとする課題＞ 従来のCBN焼結体を用いた工具では、高温領域下で結
合相の硬度低下が発生するため、工具自体が高温となる
ような加工の際には、結合相からのCBNの粉粒の脱落が
起こり易く、耐摩耗性の低下を招来するものが多い。
又、このような工具を長時間の自動運転を行う加工機械
に組込む場合、突発的な工具欠損が発生することは、加
工機械等の損傷や設備稼動率の低下等の点で絶対に避け
るべきであるが、従来のこの種のCBN焼結体は高い耐摩
耗性を追求するあまり、靭性が充分なものとは云えなか
った。

本発明はこのような事情に鑑み、結合相のCBNの粉粒
の担持能力を向上させ、特に高温時での耐摩耗性を改善
した工具用焼結材料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＞ 前記目的を達成するために種々検討を重ねた結果、結
合相として、窒化チタンを主成分とすると共に酸化アル
ミニウムに酸化ジルコニウムを一定比率で添加した混合
粉粒を副成分としたものを用いることにより、結合相の
CBN粉粒の担持能力が上昇し、耐摩耗性、耐欠損性が向
上することを知見した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、
本発明に係る工具用焼結材料は、立方晶窒化硼素の粉粒
40〜70体積％と、結合相の主成分となる窒化チタン15〜
45体積％と、結合相の副成分となる酸化アルミニウム及
び酸化ジルコニウムの混合粉粒15〜25体積％とからなる
組成を有し、且つ上記結合相の副成分の組成が酸化アル
ミニウム95〜99体積％に対して酸化ジルコニウム１〜５
体積％の比率となっていることを特徴とする。

ここで、本発明を、従来のCBN焼結工具と比較しつつ
説明する。

まず、従来のCBN焼結工具の摩耗状況を図面を参照し
ながら説明する。第４図（ａ），（ｂ）は焼入鋼を切削
したときのCBN焼結工具の逃げ面及びすくい面の摩耗状
況を模式的に示すものである。両図に示すように、切削
過程において、工具刃先部10のCBN粒11が結合相12から
脱落し、脱落したCBN粒11が被削材13と逃げ面10aとの境
界を通過する際に、逃げ面10aに条痕ａが残こされ、こ
の条痕ａが逃げ面摩耗幅（V_B）、すなわち耐摩耗性を決
めていると考えられる。なお、図中、10bはすくい面を
示す。そして、このCBN粒11の脱落は、該CBN粒11を担持
する機能を有する刃先部の結合相12の被削材13に接して
いる部位が摩耗により後退し、外力（切削力、熱応力
等）がCBN粒11を担持する力を越えた段階で、CBN粒11と
結合相12との粒界での剥離、あるいは結合相12の切損に
よりCBN粒が刃先部10から脱落すると考えられる。

また、このようなことから、CBN焼結工具では、CBN粒
は切刃として、また、結合相はその切刃の担持体として
の機能を有するものと考えられる。

このような見地から、本発明による工具用焼結材料で
CBN焼結工具を作製した場合のCBN粒と結合相との機能を
考えてみる。

まず、切刃としてのCBN粒は、ダイヤモンドに次ぐ硬
さを有し、且つダイヤモンドの欠点とされる鉄族金属と
の反応性も低いので、高い耐摩耗性を有することが期待
でき、切刃として要求される機能を充分に満たしている
と考えられる。

一方、結合相は、上述した摩耗機構から考えると、次
の４つの特性を有する必要があると考えられる。

すなわち、結合相の耐摩耗性を高くして摩耗による刃
先の結合相の後退速度を低く抑えるために、 切削時切刃温度における硬度が高いこと、 切削時切刃温度における被削材（鋼，鉄族金属な
ど）との反応性が低いこと、 が要求される。

また、CBN粒と結合相との粒界で剥離による脱落が起
こりにくくするために、 CBN粒との間で相互に拡散，反応し、強固に接着す
ること、 さらに、結合相が焼結体として健全であるために、 焼結性が良好で（低い焼結温度で緻密化する）、強
度、靭性が高いこと、 が要求される。

したがって、このような各特性について本発明に係る
結合相を考察してみる。

第１図はCBN焼結工具の各種係合相の硬度を示すもの
であるが、一般に周期率表第4a,5a,6a族遷移金属の炭化
物、硼化物、窒化物の硬度が高い。本発明に用いる窒化
チタン（以下、TiNと表記する）はこれらに含まれて硬
度が高く、また、酸化アルミニウム（以下、アルミナ又
はAl₂O₃と表記する）は、切削時刃先温度における硬度
が高い値を示しているので、本発明における結合相は上
述したの特性は満足すると考えられる。

第２図は、各種結合相の切削時刃先温度における鋼に
対する生成自由エネルギ（ΔG_T゜）を示す。

かかる生成自由エネルギを、鋼等との反応性の指標と
すると、周期率表第4a,5a,6a族遷移金属の炭化物、窒化
物、すなわち本発明に用いるTiN、並びに本発明に用い
るアルミナ、酸化ジルコニウム（以下、ZrO₂又はジルコ
ニアと表記する）などの酸化物は反応性が低いものと推
測され、本発明に用いる結合相は上述したの特性を満
足すると考えられる。

また、結合相とCBN粒との反応性を、指標として同様
に生成自由エネルギを用いて評価した場合、焼結温度
（1400〜1800℃）で反応する可能性があるのは、周期率
表第4a,5a,6a族遷移金属の炭化物、硼化物、窒化物の中
でも、TiN、窒化ニオブ（以下、NbNと表記する）の他、
数種に限られる。したがって、本発明は結合相の主成分
としてTiNを含むので、上述したの特性も有すると考
えられる。

次に、焼結体の健全性に関する上述したの特性を調
べるため、TiNのみを結合相とするCBN焼結工具を製作し
て切削試験を行った。製作したCBN焼結工具は、粒径１
〜３μｍのCBN粒50体積％と、粒径0.5〜２μｍのTiN粉
末50体積％とをボールミルで混合し、後述する従来公知
の超高圧発生装置を用いて圧力50キロバール（以下、Kb
と表記する）、焼結温度1400〜1750℃、焼結時間0.5〜3
0分の条件で超高圧焼結し、これを工具形状に刃付した
ものである。これを切削試験〔被削材SUJ2（硬度H_RC62
以上）、切削速度100m/min、送り0.1min/rev、切込み0.
1mm〕に供したところ、焼結温度、焼結時間等の条件に
よらず、従来のCBN焼結工具の耐摩耗性、耐欠損性には
及ばなかった。また、かかるCBN焼結工具の破断面を顕
微鏡観察したところ、TiN粒界で破断していることが観
察された。

したがって、本発明では、焼結性が高く、且つ上述し
た特性，も合せ持つアルミナをTiNに添加すること
により、健全性の高い焼結体を得ている。また、本発明
ではアルミナに微量のジルコニアを添加することによ
り、焼結性を向上させている。

このように、本発明ではTiNに、特定量のアルミナ及
びジルコニアを添加した結合相とすることにより、上述
したの特性をも満足していると考えられる。

次に、本発明の作用を述べる。

CBNは工具用焼結材料としての主体をなすものであ
り、これが40体積％未満ではCBN自体の硬度を反映させ
ることが困難となり、充分な耐摩耗性を得られない。逆
に、このCBNが90体積％を越えると、焼結時にその一部
が六方晶に相転位を起こして焼結性が悪化するため、靭
性の低下により微小なチッピングや欠損が発生する。

一方、結合相の主成分となるTiNは、高融点、高硬度
で、鋼との反応性が低いという特性を有し、且つ硬度に
ついては通常の焼入鋼の精密切削条件での刃先温度にお
いて最も高い値を示す材料の１つである。また、TiNは1
000℃付近から急激な硬度低下を示して焼結温度（1400
℃）以上の高温域では軟質化して流動し易い状態になる
ものと考えられる。したがって、焼結時にはCBN粒間へT
iNの流動が可能になり、焼結体の緻密化に効果的である
ことが推測できる。さらに、TiNはCBN粒との反応が期待
できるため、結合相とCBN粒との接着が生じ、健全性が
高く特性の良好な焼結体が得られる。

また、結合相の副成分であるアルミナは、高融点、高
硬度で、鋼との反応性が低い特性を有し、上述した通り
結合相の材料成分としてTiNと並ぶ優れた特性を有する
が、CBN粒との反応性が期待できない。したがって、ア
ルミナは結合相の主成分として使用する場合にはCBN粒
との反応性を改善するために金属成分等の添加が必要と
なるが、本発明では主成分であるTiNの焼結性が大幅に
改善するという作用を示す。これによりCBN焼結材料と
しての健全性が向上し、工具材料として耐摩耗性、耐欠
損性の高い材料が提供できる。

本発明においてアルミナは、CBN粒とTiN粒とからなる
CBN焼結材料の主構成要素の隙間を満たすように添加、
焼結されるものであり、TiN粒とTiN粒との粒間では両者
を接着する役割を果たす。

また、アルミナのこのような役割から考えて、アルミ
ナ自体の焼結性についても良好であることが不可欠であ
るが、本発明ではアルミナ95〜99体積％にジルコニアを
１〜５体積％添加した組成を結合相の副成分とすること
により、その焼結性の向上を図っている。

アルミナへのジルコニアの添加量を変化させた実験の
結果を第３図に示すが、ジルコニアを１体積％未満添加
した場合にはその添加の効果が表われず、一方、５体積
％を越えて添加した場合には焼結性が相対的に不良で、
耐摩耗性が低下することが認められた。なお、ここでの
耐摩耗性の評価は、切削速度170m/分、送り20μm/主軸
回転、切り込み20μｍ、被削材SUJ2（硬さH_RC62）で行
った。

次に、CBN粒及び、結合相の主成分、副成分の組成
（配合比率）について説明する。

CBN粒と結合相の主成分とを混合する際に生じる隙間
に、副成分（アルミナとジルコニア１〜５体積％の混合
粉末）が充填され、且つその副成分が焼結後にCBN粒及
び結合相の主成分の隙間を充たすと共に、副成分の焼結
体が焼結体中で網目状の連結した構造となるためには、
副成分は理論的に15体積％以上の添加が必要であると考
えられる。

また、CBN粒と結合相主成分との配合比率について考
えると、上述したようにCBN粒の最小含有量は40体積％
が望ましく、結合相の副成分が最小量（15体積％）のと
きに主成分の比率が最大となる。したがって、結合相主
成分の配合比率の最大は45体積％となる。一方、副成分
と同様に結合相の主成分自体が網目状の連結した構造と
するためには、主成分も15体積％以上添加する必要があ
る。

さらに、結合相において副成分の添加量が主成分の添
加量を越えると、本来の耐摩耗性が損われるため、副成
分の最大比率は25体積％となる。

以上説明した本発明の工具用焼結材料は、従来から公
知の超高圧焼結装置を使用して製造できる。すなわち、
まず、CBN粉粒と結合相の主成分、副成分とを所定の混
合比率でボールミル等で混合して均一な混合粉末とす
る。次いで、圧粉成形プレス等で混合粉末を圧粉成形
し、これをジルコニウムなどの高融点金属製の容器内に
充填する。その後、例えばニューセラミックス（198
8）、Vol1,No.6,P43に記載の超高圧焼結技術により、温
度を1400〜1800℃、圧力を40〜60Kbとし、この圧力、温
度で、0.5〜30分間保持した後、冷却して圧力を除き、
焼結体を製造する。

＜実 施 例＞ 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

無触媒法で合成された１から３マイクロメートル（以
下、μｍと表記する）の範囲の粒径のCBNと、平均粒径
が0.5〜1.5μｍのTiNと、平均粒径が0.3μｍのアルミナ
とジルコニアの混合粉末（97:3体積比）とからなり且つ
これらの体積比を50:30:20（＝CBN:TiN:Al₂O₃/ZrO₂）に
調整した混合物を、炭化タングステン（以下、WCと表記
する）基超硬合金で内張りした小形の遊星運動型ミル内
で装入し、更にこれらの混合を促進する目的でこれら粉
粒の総体積の35％に相当する量のメチルアルコールをミ
ル内に加え、蓋をしてこれらを３時間混練した。そし
て、不活性ガス雰囲気にてミルの蓋を取り、ミルを120
℃に加熱してメチルアルコールを蒸発させ、混練された
原料粉体の乾燥を行った。

一方、塩化ナトリウム（以下、ごれをNaClと表記す
る）の粉粒を内径８ミリメートル、長さ10ミリメートル
の円筒状に加圧成形してなるNaCl製の容器本体に、同様
にして作成したNaCl製の下蓋を一体的に取付け、これら
の内面に厚さ20μｍのジルコニウム箔を張り付け、更に
この中に直径7.8ミリメートル、厚さ２ミリメートルのW
C基超硬合金製の円板を載置したものを用意しておく。

そして、乾燥終了後の前記原料粉体をあらかじめ粉末
成形プレス等で6mmの厚みに圧粉成形し、これを不活性
ガス雰囲気にてこの容器本体内の前記円板上に装入す
る。そして、更にこの上に前述したのと同一なWC基超硬
合金製の円板を載置し、又この上に厚さ20μｍのジルコ
ニウム箔を重ねたのち、前述と同様にして作成したNaCl
製の上蓋を容器本体に嵌め込み、これら容器本体と下蓋
と上蓋とからなる容器内に原料粉末を密封する。

次に、超高圧発生装置に上述した容器を取付け、50Kb
の圧力と1650℃の温度とを30分間保持し、原料粉末を焼
結させて両端にWC基超硬合金が結合した円柱状の工具用
焼結材料を得た。そして、この工具用焼結材料を前記円
板が結合した状態のまま切り出してバイト用の切刃を仕
上げ、これを予め用意しておいた四角形のWC基超硬合金
製チップに銀ろうを介して固定し、すくい角０度、逃げ
角５度、ノーズ曲率半径が１ミリメートルの切削工具を
作成した。

この切削工具を用い、ロックウエル硬さが62の丸棒状
をなす高炭素軸受鋼（SUJ2）に対して切削速度が毎分17
0メートル、切込み量が20μｍ、バイトの送り速度が主
軸一回転当り20μｍとなるようにして100メートルの長
さに相当する距離だけ旋削した後、切刃の逃げ面の摩耗
幅及びこの切刃を構成するCBN焼結材料のビッカース硬
さを、前記原料粉末を構成する各粉粒の比率を変えて測
定した。なお、この旋削加工中には切削油を噴霧供給し
た。

これらの測定結果を第１表に示すが、ちなみに窒化チ
タンに金属成分を添加した組成を結合相として使用した
市販のCBN焼結工具のビッカース硬さは2500、切刃の逃
げ面の摩耗幅は45μｍであった。

第１表に示す結果から明らかなように、CBNの粉粒を4
0〜70体積％且つ結合相の主成分を15〜45体積％、副成
分を15〜25体積％含むもの（試料番号:2〜7,9〜12,14〜
19）は、切刃の逃げ面の摩耗幅が32〜45μｍの範囲に収
まり、良好な耐摩耗性を有していることから、結合相の
高温硬度、被削材との非反応性等の特性向上、アルミナ
／ジルコニア添加による焼結性向上による効果が現われ
ていることが確認できた。また、CBNの粉粒が40体積％
未満のもの（試料番号:1）や70体積％を越えるもの（試
料番号:20）では、切刃に欠損が発生しているが、CBNの
粉粒が40〜70体積％の範囲にあるものでは切刃に欠損を
発生することなく旋削加工に供することができる。

＜発明の効果＞ 本発明の工具用焼結材料によると、高温時での硬度が
高いTiNを主成分とし、焼結性の良好なアルミナ／ジル
コニアを副成分とする結合剤を用いたので、結合相のCB
N粒の担持能力が従来のものよりも向上し、特に高温時
での耐摩耗性を改善するとともに、健全な焼結体が得ら
れるため耐欠損性の向上が見られる。

【図面の簡単な説明】 第１図はCBN焼結工具の結合相材料の硬度を示す説明
図、第２図はCBN焼結工具の結合相材料の被削材との反
応性を示す説明図、第３図はアルミナへのジルコニアの
添加した場合の実験結果を示す説明図、第４図（ａ）は
CBN焼結工具の摩耗を説明する模式図、第４図（ｂ）は
そのＡ部拡大図である。 図面中、 10は工具刃先部、 10aは逃げ面、 10bはすくい面、 11はCBN粒、 12は結合相、 13は被削材である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角田 英雄 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 山田 福司 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−60679（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−62862（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】立方晶窒化硼素の粉粒40〜70体積％と、結
   合相の主成分となる窒化チタン15〜45体積％と、結合相
   の副成分となる酸化アルミニウム及び酸化ジルコニウム
   の混合粉粒15〜25体積％とからなる組成を有し、且つ上
   記結合相の副成分の組成が酸化アルミニウム95〜99体積
   ％に対して酸化ジルコニウム１〜５体積％の比率となっ
   ていることを特徴とする工具用焼結材料。