JP2954996B2 - Sintered materials for tools - Google Patents

Sintered materials for tools

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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あるいは
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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a sintered material for a tool used in cutting or plastic working of a hard material such as hardened steel or cemented carbide, or a heat-resistant alloy. About.

<従来の技術> 焼入鋼ある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れた超硬合金が利用され
て来た。
<Prior art> When machining hardened steel or a high-hardness material such as a nickel-base heat-resistant alloy or a cobalt-base heat-resistant alloy, generally, a carbide powder of a high-melting point metal such as tungsten is mixed with an iron-based metal such as iron, cobalt or nickel. Sintered cemented carbide has been used.

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、硬質粒をセラミックスで結合した焼結ダイヤモン
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材として高温高圧
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を硬質粒として添加した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。
In recent years, in addition to the above-mentioned cemented carbide being used not as a tool but as an object to be machined, and in order to respond to strict requirements for machining conditions, as a more sophisticated tool, a hard grain bonded with ceramics has been used. Those using sintered diamond, sintered cubic boron nitride (hereinafter referred to as CBN), and the like have been developed. Sintered diamond is
Although diamond particles are sintered under a high temperature and a high pressure using a cemented carbide as a binder, they are fundamentally unsuitable for processing of steel or the like having a strong affinity for carbon. In this regard, the CBN sintered body in which CBN with the hardness next to diamond is added as hard grains has little reaction with iron-based metals, and therefore, all the objects to be processed other than diamond, especially hardened steel and cemented carbide, etc. It is effective for processing nickel-based heat-resistant alloys, cobalt-based heat-resistant alloys, and the like, in addition to hard materials.

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あるいは複合
して混ぜ、焼結性の改善のために金属成分を添加し、こ
れらを高温(1300〜1800℃)、高圧(30〜80Kb(キロバ
ール))下で焼結して製造されている。なお、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れている。
Conventional CBN sintered bodies are prepared by mixing ceramics such as titanium carbide or titanium nitride, which serves as a binder phase, alone or in combination with the CBN powder, adding a metal component to improve sinterability, (1300-1800 ° C) and high pressure (30-80Kb (kilobar)). In addition, as the material of the binder phase, in addition to the above, silicon or zirconium carbide or silicon or zirconium nitride, furthermore, an intermetallic compound of aluminum and titanium, an intermetallic compound of aluminum and zirconium, and the like are known. I have.

<発明が解決しようとする課題> CBN焼結工具は、焼入鋼の精密切削加工用として従来
の砥石(研削加工)にかえて使用されるようになってき
ている。切削工具としてのCBN焼結工具の特長は、耐摩
耗性が高く、仕上面積度(粗さ)が高いことにあるが、
この特長はダイヤモンドに次ぐ硬さを有するCBN粒が40
〜60体積%の割合で工具に含まれているために発現して
いる。
<Problems to be Solved by the Invention> CBN sintered tools are increasingly used for precision cutting of hardened steel instead of conventional grinding wheels (grinding). The features of CBN sintered tools as cutting tools are that they have high wear resistance and high finish area (roughness).
This feature is made up of 40 CBN grains, which have the hardness next to diamond
It is manifested because it is contained in tools at a rate of ~ 60% by volume.

このように硬質のCBN粒をセラミックスの結合相に分
散したCBN焼結工具は切削工具として優れた特長を有す
るが、一方で次のような種々の問題がある。なお、ダイ
ヤモンド焼結工具とCBN焼結工具とは、製造方法が類似
しており、そのために生ずる問題も同様であるので、ダ
イヤモンド焼結工具も次に述べるような問題を有してい
る。
A CBN sintered tool in which hard CBN grains are dispersed in a binder phase of ceramics has excellent characteristics as a cutting tool, but has the following various problems. Note that the diamond sintering tool and the CBN sintering tool are similar in manufacturing method, and the problems caused thereby are also the same. Therefore, the diamond sintering tool also has the following problems.

まず第一には、CBN粒が高価なことである。通常添加
するCBN粒の粒径は0.5〜6μmであり、ダイヤモンドの
合成と同様に超高圧合成により製造される。この方法は
圧力50〜70Kb、温度1500〜1700℃にて結晶を成長させる
もので、専用の超高圧合成設備を使い、合成に長い時間
を要するものであるため、製品であるCBN粒が高価なも
のとなっている。
First, CBN grains are expensive. The particle size of the CBN particles usually added is 0.5 to 6 μm, and is produced by ultra-high pressure synthesis as in the synthesis of diamond. This method grows crystals at a pressure of 50 to 70 Kb and a temperature of 1500 to 1700 ° C. Using a special ultra-high pressure synthesis equipment and requiring a long time for synthesis, the product CBN grains are expensive. It has become something.

また第二には、上述したCBN粒の製造方法にも関係す
るが、CBN粒とセラミックス結合相との焼結を超高圧下
で行わなければならないことである。すなわち、CBN粒
を大気圧下で加熱すると1200℃近辺から相変態を起こし
て立方晶から大方晶に変わり(CBNがhBNに相変態す
る)、この結果生成するhBNはグラファイト構造の窒化
硼素(BN)であって硬度が低く、工具材料としては使用
できないからである。一方、CBN粒とセラミックス結合
相とを一体に焼結するためには、CBN粒の相変態が起こ
る1200℃以上に加熱する必要があるからである。このた
め、上述した超高圧合成設備を使って超高圧下で加熱し
て焼結することが必要となる。
Secondly, the sintering of the CBN particles and the ceramic binder phase must be performed under an ultra-high pressure, although it is related to the above-mentioned method for producing the CBN particles. In other words, when CBN grains are heated under atmospheric pressure, a phase transformation occurs around 1200 ° C and changes from cubic to large crystals (CBN undergoes a phase transformation to hBN), and the resulting hBN is boron nitride (BN ), Which has low hardness and cannot be used as a tool material. On the other hand, in order to integrally sinter the CBN particles and the ceramic binder phase, it is necessary to heat the CBN particles to 1200 ° C. or more at which phase transformation occurs. For this reason, it is necessary to heat and sinter under ultra-high pressure using the above-mentioned ultra-high pressure synthesis equipment.

一般にCBN焼結工具材料を焼結する条件は、圧力40〜6
0Kb、温度1400〜1800℃であるが、超高圧合成では1回
の運転で製造できる焼結体のサイズが小さく且つ焼結に
長い時間を要するため、工具が高価なものとなり、適用
先が限定されてしまうのが現状である。
Generally, the conditions for sintering CBN sintered tool materials are pressures of 40 to 6
0Kb, temperature 1400-1800 ℃, but in ultra-high pressure synthesis, the size of the sintered body that can be manufactured in one operation is small and sintering requires a long time, so the tool becomes expensive and the application destination is limited. It is the present situation that is done.

このように、硬質粒分散型焼結工具の代表例であるCB
N焼結工具は工具として優れた特長を有するが今後さら
にその適用分野を拡げてゆくためには、種々の問題があ
る。そこで、CBN焼結工具と同様な優れた特長を有するC
BN粒に代わる硬質粒を用いて、新たな硬質粒分散型焼結
工具を開発することが要望されている。
Thus, CB which is a representative example of the hard grain dispersion type sintered tool
N-sintered tools have excellent features as tools, but there are various problems in expanding their application fields in the future. Therefore, C, which has the same excellent features as CBN sintered tools,
There is a demand to develop a new hard grain dispersion type sintering tool using hard grains instead of BN grains.

本発明はこのような事情に鑑み、耐摩耗性が高く、靱
性に優れ、しかも安価な工具用焼結材料を提供すること
を目的とする。
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide an inexpensive sintered material for tools having high wear resistance, excellent toughness, and low cost.

<課題を解決するための手段> 前記目的を達成する本発明に係る工具用焼結材料は、
単結晶アルミナであって、粒径が1〜10μmの結晶粒を
40〜80体積%含み、残部がセラミックスの連続した結合
相からなることを特徴とする。
<Means for Solving the Problems> A sintered material for a tool according to the present invention that achieves the above objects,
A single-crystal alumina having a grain size of 1 to 10 μm
It is characterized by containing 40 to 80% by volume, with the balance being a continuous binder phase of ceramics.

ここで、本発明を、従来の硬質粒分散型焼結工具の代
表であるCBN焼結工具と比較しつつ説明する。
Here, the present invention will be described in comparison with a CBN sintered tool, which is a representative of conventional hard grain dispersion type sintered tools.

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5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が粒内で折損あ
るいは結合相12から脱落し、この折損片あるいは脱落し
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が残され、この条痕aが逃げ面
摩耗幅(VB)、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の折損あるいは脱落が生ずる過程では、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を割る力あるいは担持する力
を越えた段階で、CBN粒11の折損、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。
First, the state of wear of a conventional CBN sintered tool will be described with reference to the drawings. FIGS. 5 (a) and 5 (b) schematically show the state of wear of the flank and rake face of a CBN sintered tool when cutting hardened steel. As shown in both figures, in the cutting process, the CBN grains 11 of the tool tip 10 are broken or fallen off from the binder phase 12 in the grains, and the broken pieces or the dropped CBN grains 11 form the work material 13 and the flank 10a. When passing through the boundary of the flank, a streak a is left on the flank 10a, and it is considered that the streak a determines the flank wear width (V B ), that is, the wear resistance. In the drawings, 10b indicates a rake face. In the process in which the CBN grains 11 are broken or dropped,
Work material of the binder phase 12 of the cutting edge having the function of carrying the grains 11
At the stage where the part in contact with 13 recedes due to wear and the external force (cutting force, thermal stress, etc.) exceeds the force to split or support the CBN grain 11, the CBN grain 11 breaks, It is considered that the CBN particles fall off the cutting edge portion 10 due to the separation at the grain boundary with the C12 or the breakage of the binder phase 12.

このことから、結合相に対して硬質粒の耐摩耗性が数
倍高い工具では、結合相のみが選択的に摩耗して硬質粒
が結合相から突き出た状態になり、これが外力に耐えら
れずに硬質粒の折損、脱落に至ると考えられ、むしろ折
損、脱落が生じ易くなることから上述した通り逃げ面が
早く摩耗することになると考えられる。
For this reason, in a tool in which the wear resistance of hard grains is several times higher than that of the binder phase, only the binder phase is selectively worn, and the hard grains protrude from the binder phase, which cannot withstand external force. It is considered that the hard particles are likely to be broken or dropped, and rather the break or drop is liable to occur, so that the flank is considered to be quickly worn as described above.

すなわち、主に工具の耐摩耗性に着目した場合には、
硬質粒の耐摩耗性が結合相に対して高い程良いとは言え
ず、硬質粒の引張強度、靱性などの性質が優れているこ
とが重要である。
That is, when focusing mainly on the wear resistance of the tool,
It cannot be said that the higher the wear resistance of the hard grains with respect to the binder phase, the better, and it is important that the hard grains have excellent properties such as tensile strength and toughness.

さらに、CBN焼結工具を用いた切削試験から、硬質粒
を分散させた工具では、CBN粒が被削材の面粗さを高精
度に維持すること、及び工具の硬度を高めて刃先部の変
形を少なくすることに役立っていることがわかった。特
に、前者は耐摩耗性と同じ程度に重要な特長である。
Furthermore, from cutting tests using CBN sintered tools, in tools with hard grains dispersed, CBN grains maintain the surface roughness of the work material with high accuracy, and increase the hardness of the tool to increase the cutting edge It turned out that it was helpful in reducing deformation. In particular, the former is as important a feature as the abrasion resistance.

したがって、硬質粒としては、結合相より大幅に耐摩
耗性の高くないもの、つまり硬度が大幅には高い必要は
ないが、切削時の刃先温度(800〜1000℃)において結
合相より高い硬度を有するものであり、且つ折損を起こ
しにくく、引張強度、靱性が高い材料が適しており、こ
のような硬質粒を使った硬質粒分散型工具であれば、高
い耐摩耗性と高精度の面粗さが得られるものと考えられ
る。
Therefore, as hard grains, those that are not significantly higher in wear resistance than the binder phase, that is, the hardness does not need to be significantly higher, but have a higher hardness than the binder phase at the cutting edge temperature (800 to 1000 ° C) during cutting. A material that has high tensile strength and toughness is suitable because it has high wear resistance and high precision surface roughness. Is considered to be obtained.

本発明で用いる硬質粒はこのような条件に適合するも
のである。なお、硬質粒は、被削材と反応するものであ
ってはならないので、両者の標準生成自由エネルギ変化
(ΔGT゜cal/mol)が正値である必要がある。
The hard particles used in the present invention meet such conditions. Since the hard grains must not react with the work material, the change in standard free energy of formation (ΔG T゜ cal / mol) of both must be a positive value.

ここで結晶粒界の占める体積比率が0.01%以下で且つ
純度が99.99%以上の結晶粒とは、単結晶粒あるいはこ
れに準ずる多結晶粒などをいう。また、ここで単結晶粒
に準ずる多結晶粒とは、例えば共沈法などで製造される
多結晶粒をいう。
Here, the crystal grain in which the volume ratio occupied by the crystal grain boundary is 0.01% or less and the purity is 99.99% or more means a single crystal grain or a polycrystal grain equivalent thereto. In addition, the polycrystal grain equivalent to the single crystal grain here means a polycrystal grain produced by, for example, a coprecipitation method.

硬質粒の具体的な材料としては、周期率表第4a,5a,6a
族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物、炭窒化
物及び酸化物、又はアルミニウムの酸化物等を挙げるこ
とができる。
As a specific material of the hard grains, periodic table 4a, 5a, 6a
Examples thereof include carbides, nitrides, borides, silicides, carbonitrides and oxides of group transition metals, and oxides of aluminum.

なお、ダイヤモンド及びこれに次ぐ硬度を有するCBN
は前述のように高価である点、焼結時に高圧(30〜70K
b)にしなければならない点、および硬度が他のセラミ
ックス、金属間化合物に比べて大幅に高い点などから、
本発明における硬質粒には含まれない。
In addition, diamond and CBN with hardness next to this
Is expensive as mentioned above, high pressure during sintering (30-70K
b) and the hardness is much higher than other ceramics and intermetallics.
It is not included in the hard grains in the present invention.

一方、組合相としてはセラミックスを用いるが、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。
On the other hand, although ceramics is used as the combination phase, it is considered that it is necessary to have the following four characteristics in view of the wear mechanism described above.

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。
That is, in order to increase the wear resistance of the binder phase and to suppress the retreat speed of the binder phase at the cutting edge due to wear, the hardness at the cutting edge temperature during cutting is high, and the work material (steel, And low reactivity with iron group metals).

また、硬質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、 硬質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、靱性が高いこと、 が要求される。
Also, in order to make it difficult for the hard grains and the binder phase to fall off due to peeling at the grain boundaries, they must diffuse and react with each other and firmly adhere to each other. In order to be sound, good sinterability (densification at low sintering temperature) and high strength and toughness are required.

したがって、このような各特性を有するセラミックス
を結合相とするのが好ましい。以下に具体的に考察して
みる。
Therefore, it is preferable to use ceramics having such properties as the binder phase. The following is a concrete consideration.

第1図はCBN焼結工具の各種結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。特に窒化チタン(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
表記する)は、切削時刃先が温度(800〜1000℃)にお
ける硬度が高い値を示している。
FIG. 1 shows the hardness of various binder phases of a CBN sintered tool. In general, carbides, borides and nitrides of transition metals of Groups 4a, 5a and 6a of the periodic table have high hardness. In particular, titanium nitride (hereinafter referred to as TiN) is contained therein and has high hardness,
In addition, aluminum oxide (hereinafter referred to as alumina or Al 2 O 3 ) has a high hardness at a temperature (800 to 1000 ° C.) at the cutting edge during cutting.

第2図は、各種結合相の切削時刃先温度(800〜1000
℃)における鉄に対する生成自由エネルギ(ΔGT゜cal/
mol)を示す。
Figure 2 shows the cutting edge temperature (800-1000
Free energy of formation (ΔG T゜ cal /
mol).

かかる生成自由エネルギを、鉄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、一部の硼化物及びアルミナ、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、これらは組合相の材料とし
て使用できる。
When such free energy of formation is used as an index of reactivity with iron or the like, carbides, nitrides, some borides, alumina, and zirconium oxide (hereinafter, ZrO 2) of transition metals of Groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table are used. Or zirconia) is presumed to have low reactivity, and these can be used as materials for the combined phase.

また、については硬質粒と結合相との反応性の指標
としてと同様に標準生成自由エネルギ(ΔGT゜cal/mo
l)により評価すればよく、については結合相の主成
分に対して焼結を促進する助剤を添加することにより健
全な結合相を得ることができる。
In addition, the standard free energy of formation (ΔG T゜ cal / mo
The evaluation can be made according to l). About the above, a sound binder phase can be obtained by adding an auxiliary agent for promoting sintering to the main component of the binder phase.

このようにして選択された結合相材料と上述した硬質
粒とから、本発明に係る硬質粒分散型焼結工具を製造す
るには、ホットプレス法あるいは超高圧焼結法などを適
用する。
In order to manufacture the hard grain dispersion type sintering tool according to the present invention from the binder phase material selected as described above and the hard grains described above, a hot press method or an ultra-high pressure sintering method is applied.

ホットプレス法による場合には、まず、結合相材料と
硬質粒とをボールミル等で混合し、これを金型を用いて
粉末成形プレスで圧粉成形して所定の形状にする。次
に、この圧粉成形体をホットプレスの黒鉛型に装填し、
真空あるいは不活性雰囲気中で温度800〜2400℃、圧力
〜1Kbをかけ、数分〜数時間保持して焼結体を製造す
る。
In the case of using the hot press method, first, the binder phase material and the hard particles are mixed by a ball mill or the like, and the mixture is compacted by a powder compacting press using a mold into a predetermined shape. Next, this green compact was loaded into a graphite mold of a hot press,
A sintered body is manufactured by applying a temperature of 800 to 2400 ° C. and a pressure of 1 Kb in a vacuum or an inert atmosphere, and holding for several minutes to several hours.

また、超高圧焼結法は、CBN焼結工具材料を製造する
のと同様な方法である。この方法では、ホットプレス法
と同様にして得た圧粉成形体をジルコニウムなどの金属
箔で包み、さらに圧力媒体となる食塩の圧粉成形体で包
み、これを黒鉛製のヒータリングに組込み、ダイヤモン
ド合成に使用されるベルト型装置にパイロフェライト等
の圧力媒体を介して装填し、温度800〜1800℃、圧力40
〜60Kbをかけ、数分〜数時間保持して焼結体を製造す
る。
Further, the ultra-high pressure sintering method is a method similar to that for producing a CBN sintered tool material. In this method, the green compact obtained in the same manner as the hot press method is wrapped with a metal foil such as zirconium, and further wrapped with a green compact of a salt serving as a pressure medium, and this is incorporated into a graphite heater ring. A belt-type apparatus used for diamond synthesis is charged via a pressure medium such as pyroferrite, and the temperature is set to 800 to 1800 ° C and the pressure is set to 40 ° C.
6060 Kb is applied and held for several minutes to several hours to produce a sintered body.

このようにして得られる本発明の焼結体は、特に超高
圧焼結法で製造したものの方がより高密度に焼結する
が、これを切削工具として使用した場合には5〜10%耐
摩耗性が向上する。
The sintered body of the present invention obtained in this way sinters at a higher density especially when manufactured by the ultra-high pressure sintering method, but when it is used as a cutting tool, it has a 5-10% resistance. Abrasion is improved.

上述したようにホットプレス法あるいは超高圧焼結法
で製造される本発明の工具用焼結材料は、硬質粒を組合
相に分散して配置した焼結体とすることで、焼入鋼等の
高硬度材料の切削加工において高い耐摩耗性と高精度の
面粗さを達成しようとするものであるので、その機能か
ら考えて結合相は焼結体組織上で連続した相をなすこと
が要求される。つまり、結合相が連続した相となすこと
により、該結合相が硬質粒を充分に強固に把持し、且つ
焼結体として高い靱性を具備することが可能となり、工
具として所期の性能を持つに至る。そして、このように
結合相を連続した相となるためには、硬質粒の含有量を
体積で80%以下とする必要がある。一方、硬質粒を分散
した効果は含有量が体積で40%を割ると発揮されないこ
とから、硬質粒の含有量は体積で40〜80%の範囲である
必要がある。
As described above, the sintered material for a tool of the present invention produced by the hot press method or the ultra-high pressure sintering method is a sintered body in which hard grains are dispersed and arranged in a combined phase to obtain hardened steel or the like. In order to achieve high wear resistance and high-precision surface roughness in the cutting of high hardness materials, the bonding phase must be a continuous phase on the sintered body structure in view of its function. Required. In other words, by making the binder phase a continuous phase, it becomes possible for the binder phase to grip hard particles sufficiently firmly, and to have high toughness as a sintered body, and to have the expected performance as a tool. Leads to. In order to make the binder phase a continuous phase, the content of the hard particles must be 80% or less by volume. On the other hand, since the effect of dispersing the hard particles is not exhibited when the content is less than 40% by volume, the content of the hard particles needs to be in the range of 40 to 80% by volume.

また同様に結合相を連続した相となすためには、結合
相の材料を、硬質粒のまわりに配位する必要があり、こ
のためには硬質粒と結合相材料の粉末を混合した際に、
硬質粒の表面を結合相材料の粉末が含むようになる条件
を満たすようにすることが必要であり、例えば結合相材
料の粉末の粒径を硬質粒の粒径より小さな粒径とするこ
とで達成される。
Similarly, in order to make the binder phase a continuous phase, it is necessary to coordinate the material of the binder phase around the hard grains, and for this purpose, when the hard grains and the powder of the binder phase material are mixed, ,
It is necessary to satisfy the condition that the surface of the hard particles contains the powder of the binder phase material.For example, by making the particle size of the powder of the binder phase material smaller than the particle size of the hard particles. Achieved.

一方、結合相材料の粉末として、工業的に生産されて
いるのは、粒径0.2μm〜1μmであるので、上記条件
より硬質粒の粒径を、結合相材料の粉末粒径の2倍とす
ると、0.4μmより大きな粒径が必要となる。また被削
材の仕上面粗さをRmax3.2μm以下とすると、硬質粒の
粒径は10μm以下となるものと考えられるので、硬質粒
の粒径の範囲は好適には1μm〜10μmとなる。
On the other hand, since the particle size of the binder phase material produced industrially is 0.2 μm to 1 μm, the particle size of the hard particles is twice as large as the powder particle size of the binder phase material. Then, a particle size larger than 0.4 μm is required. When the surface roughness of the work material is R max 3.2 μm or less, the particle size of the hard particles is considered to be 10 μm or less, so the range of the particle size of the hard particles is preferably 1 μm to 10 μm. .

第3図は、硬質粒として体積40%の単結晶アルミナ粒
を用い、残部を結合相として窒化チタン(TiN)50体積
%及びアルミナ(Al2O3)10体積%とし、これを超高圧
焼結法で焼結体とした場合の組織を示したものである。
同図に示すように、灰色に見える単結晶アルミナ粒の間
隙に白く見える相のTiNが配位して完全に緻密な焼結体
となっており、TiNは連続して単結晶アルミナ粒の結合
相となっている。
FIG. 3 shows that 40% by volume of single crystal alumina particles are used as hard particles, and 50% by volume of titanium nitride (TiN) and 10% by volume of alumina (Al 2 O 3 ) are used as a binder phase. It shows the structure when a sintered body is formed by a sintering method.
As shown in the figure, TiN of a white-looking phase is coordinated in the gaps between the single-crystal alumina grains that appear gray, forming a completely dense sintered body, and TiN is continuously bonded to the single-crystal alumina grains. Are in phase.

第4図(a)は第3図に示す焼結体を工具形状に加工
して切削試験に供した結果を示すものである。ここで、
被削材は焼入鋼(SUJ2、硬度HRC62)、切削条件は切削
速度100m/min、送り0.1mm/rev、切り込み0.1mmの同一条
件で切削した後の刃先部の顕微鏡写真である。
FIG. 4 (a) shows the results of processing the sintered body shown in FIG. 3 into a tool shape and subjecting it to a cutting test. here,
Workpiece is hardened steel (SUJ2, hardness H RC 62), the cutting conditions are photomicrographs of the cutting edge portion after cutting under the same conditions of cutting speed 100 m / min, Feed 0.1 mm / rev, cut 0.1 mm.

また、比較のため、従来のCBN焼結工具及び結合相組
成のみで焼結した工具について同様に切削試験に供した
ときの刃先部の顕微鏡写真を第4図(b),(c)に示
す。なお、CBN焼結工具の結合相は上記実施例((a)
のもの)と同一組成とし、また、CBNの含有比率は40体
積%とした。
For comparison, micrographs of the cutting edge of the conventional CBN sintered tool and a tool sintered only with the binder phase composition when subjected to a cutting test are shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c). . The binder phase of the CBN sintered tool is the same as in the above embodiment ((a)
), And the CBN content was 40% by volume.

これらの結果を見ると、(b)は切刃部のシャープな
線状となるCBN焼結工具の刃先摩耗形態を示しており、
一方(c)は切刃部が丸味をおび、切刃の中央部は塑性
変形を生じて形態が異なっている。
Looking at these results, (b) shows the cutting edge wear form of the CBN sintered tool with a sharp linear cutting edge,
On the other hand, in (c), the cutting edge portion is rounded, and the central portion of the cutting edge is plastically deformed and has a different form.

これに対し、単結晶アルミナを用いた本発明の工具
(a)では、CBN焼結工具に酷似した刃先摩耗形態を示
しており、硬質粒として結合相に分散した単結晶アルミ
ナがCBN粒と同じ機能を持つことが確認された。
On the other hand, the tool (a) of the present invention using single-crystal alumina shows a cutting edge wear pattern very similar to a CBN sintered tool, and the single-crystal alumina dispersed in the binder phase as hard grains is the same as the CBN grains. It was confirmed that it had a function.

<実 施 例> 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。<Examples> Hereinafter, the present invention will be described based on examples.

(実施例1) 硬質粒として平均粒径3μmの単結晶Al2O3粒と、平
均粒径1μmのTiN粉末と、平均粒径0.2μmのAl2O3
末を体積でそれぞれ40%,50%,10%の割合に調合して乳
鉢で混合した。この粉末に滑剤を1%加え、粉末成形プ
レスで外径4mm、厚み1.5mmの圧粉成形体とした。
(Example 1) As hard particles, single-crystal Al 2 O 3 particles having an average particle size of 3 μm, TiN powder having an average particle size of 1 μm, and Al 2 O 3 powder having an average particle size of 0.2 μm were respectively 40% and 50% by volume. %, 10% and mixed in a mortar. A 1% lubricant was added to this powder, and a powder compact having a diameter of 4 mm and a thickness of 1.5 mm was formed by a powder compacting press.

これをまず真空炉内で10-2Torrの真空度で800℃で2
時間加熱し、脱ロウした。この圧粉体を厚さ20μmのジ
ルコニウム箔で包み、ベルト型超高圧装置にて超高圧焼
結した。この際、圧力シール用ガスケットとしてはパイ
ロフェライトを、ヒータは黒鉛円筒を用いた。黒鉛ヒー
タと上記試料圧粉体の間は食塩を加圧して成形した圧粉
成形体を充填した。超高圧焼結は圧力をまず55Kbに上げ
たのち温度を1650℃に上げて30分間保持し、その後温度
を下げ、圧力を徐々におろした。得られた焼結体は外径
約4mm、厚さ約1mmの緻密なものであった。これをダイヤ
モンド砥石で平面に加工した後、アルミナ製のスローア
ウェイチップのコーナにロウ付けで接着して工具を作成
した。
This is first done in a vacuum furnace at 800 ° C with a vacuum of 10 -2 Torr.
Heated for hours and dewaxed. This green compact was wrapped in a zirconium foil having a thickness of 20 μm, and was subjected to ultra-high pressure sintering using a belt type ultra-high pressure device. At this time, pyroferrite was used as a gasket for pressure sealing, and a graphite cylinder was used as a heater. Between the graphite heater and the sample green compact, a green compact formed by pressing salt was filled. In ultra-high pressure sintering, the pressure was first raised to 55 Kb, then the temperature was raised to 1650 ° C and held for 30 minutes, after which the temperature was lowered and the pressure was gradually reduced. The obtained sintered body was a dense one having an outer diameter of about 4 mm and a thickness of about 1 mm. This was processed into a flat surface with a diamond grindstone, and then bonded to the corner of an alumina indexable insert by brazing to form a tool.

比較のために、硬質粒として3μmのCBN粒を添加し
たものと硬質粒を含まず、結合相組成のみからならセラ
ミックス工具を作成した。なお、セラミックス工具につ
いては、原料粉末は前述のTiNとアルミナを体積で83%
と17%の割合にし、これに滑剤を1%加え上述と同様な
方法で工具とした。
For comparison, a ceramic tool was prepared by adding only 3 μm of CBN particles as hard particles and by using only the binder phase composition without including the hard particles. For ceramic tools, the raw material powder contains the aforementioned TiN and alumina in 83% by volume.
And a 17% ratio, and 1% of a lubricant was added thereto to obtain a tool in the same manner as described above.

切削試験は上記本実施例の硬質粒分散型工具とセラミ
ックス工具で同一の条件で実施した。条件は切削速度10
0m/min、送り0.1mm/rev、切り込み0.1mm、被削材は焼入
鋼(SUJ2、硬度HRC62)とした。
The cutting test was performed under the same conditions for the hard grain dispersion type tool of the present embodiment and the ceramic tool. Conditions are cutting speed 10
0 m / min, Feed 0.1 mm / rev, cuts 0.1 mm, the workpiece was hardened steel (SUJ2, hardness H RC 62).

この結果、本実施例の工具は、切削距離4kmで逃げ面
摩耗幅が0.17mm、被削材の表面粗さが1.6〜2.0μmとな
ったのに対し、結合相組成のセラミックス工具では逃げ
面摩耗幅が0.22〜0.26mm、被削材の表面粗さが2.6〜3.6
μmとなった。すなわち、硬質粒の添加により耐摩耗性
及び被削材の表面粗さ精度が向上した。
As a result, the tool of the present example had a flank wear width of 0.17 mm at a cutting distance of 4 km and a surface roughness of the work material of 1.6 to 2.0 μm, whereas the flank face of a ceramic tool having a binder phase composition Wear width 0.22-0.26mm, surface roughness of work material 2.6-3.6
μm. That is, the addition of the hard particles improved the wear resistance and the surface roughness accuracy of the work material.

一方、CBN焼結工具は逃げ面摩耗幅が0.2〜0.24mm、被
削材の表面粗さが2.0〜2.5μmであり、本実施例の工具
はCBN焼結工具と比較しても、これを上まわる特性を示
した。
On the other hand, the CBN sintered tool has a flank wear width of 0.2 to 0.24 mm, and the surface roughness of the work material is 2.0 to 2.5 μm. It showed better properties.

(実施例2) 実施例1と同一の組成である平均粒径3μmの単結晶
Al2O340体積%、平均粒径1μmのTiN粉末50体積%、平
均粒径0.2μmのAl2O3粉末10体積%の混合粉末を超高圧
焼結にかえてホットプレス法で焼結して工具を作成し
た。
(Example 2) Single crystal having the same composition as that of Example 1 and having an average particle size of 3 µm
Sintered by hot pressing instead of ultra-high pressure sintering a mixed powder of 40% by volume of Al 2 O 3, 50% by volume of TiN powder having an average particle size of 1 μm, and 10% by volume of Al 2 O 3 powder having an average particle size of 0.2 μm And created a tool.

ホットプレスの条件は真空(10-2Torr)中温度1650
℃、圧力1000kgf/cm2とし、1時間保持して焼結した。
得られた焼結体からダイヤモンドカッタでスロウアウェ
イ工具を切り出し、切削試験に供した。実施例1と同一
の切削条件で試験を実施したところ、切削距離4kmで逃
げ面摩耗幅が0.18mm、被削材の表面粗さが1.8〜2.4μm
であり、超高圧焼結により作成した本発明の工具よりは
劣るが、実施例1に記載の同一結合相組成のCBN焼結工
具に比べて、同等もしくはそれ以上の特性を示した。
Hot pressing conditions are vacuum (10 -2 Torr) medium temperature 1650
C., the pressure was set to 1000 kgf / cm 2, and the mixture was held for 1 hour for sintering.
A throw-away tool was cut out from the obtained sintered body with a diamond cutter and subjected to a cutting test. When a test was conducted under the same cutting conditions as in Example 1, the flank wear width was 0.18 mm at a cutting distance of 4 km, and the surface roughness of the work material was 1.8 to 2.4 μm.
Although it is inferior to the tool of the present invention prepared by ultra-high pressure sintering, it exhibited the same or better characteristics than the CBN sintered tool of the same binder phase composition described in Example 1.

(実施例3) 第1表の硬質粒と結合相組成の粉末を各別に混合し
た。
(Example 3) The hard particles and the powder of the binder phase composition shown in Table 1 were separately mixed.

使用した硬質粒の平均粒径は、3〜10μm(0.4μm
は参考例)で、ブリッジマン法、ベルヌーイ法等により
作成した単結晶を粉砕して単結晶粒として使用した。ま
た、参考としてAl2O3は単結晶の他、共沈法により作成
した高純度多結晶粒も使用した。
The average grain size of the hard grains used is 3 to 10 μm (0.4 μm
Is a reference example), and a single crystal prepared by a Bridgman method, a Bernoulli method, or the like was used by pulverization and used as single crystal grains. For reference, a single crystal as well as high-purity polycrystalline grains prepared by a coprecipitation method were used as Al 2 O 3 .

焼結は実施例2と同様にホットプレス法で行なった
が、得られた焼結体はいずれの場合も緻密質であった。
The sintering was performed by the hot press method as in Example 2, but the obtained sintered bodies were dense in each case.

なお、第1表中、No.2〜4,6〜8は本試験例を、No.1,
5,9〜15は参考例を示す。
In Table 1, Nos. 2 to 4 and 6 to 8 correspond to this test example, while Nos.
5, 9 to 15 show reference examples.

また、第2表にアルミナについて、純度99.5〜99.95
%の多結晶粒と単結晶粒添加との比較を示す。本表にも
あるように、単結晶粒に比べ、多結晶粒を添加した場合
には耐摩耗性が20〜30%悪いことがわかる。この理由
は、多結晶粒は含まれる不純物が粒界にあり、これが低
融点であるため、高温での硬度が低いためと推測され
る。したがって、本発明では、結晶粒界の占める体積比
率が0.01%以下で且つ純度が99.99%以上の結晶粒を用
いる必要がある。
Table 2 shows that alumina has a purity of 99.5 to 99.95.
5 shows a comparison between the addition of a single crystal grain and the addition of a single crystal grain of the same type. As shown in this table, it can be seen that the abrasion resistance is lower by 20 to 30% when polycrystalline grains are added than when single crystal grains are added. The reason is presumed to be that impurities contained in the polycrystalline grains are present at the grain boundaries, which have a low melting point, and thus have low hardness at high temperatures. Therefore, in the present invention, it is necessary to use crystal grains whose volume ratio occupied by crystal grain boundaries is 0.01% or less and whose purity is 99.99% or more.

以上実施例で示したように、本発明による焼結体は高
硬度で耐摩耗性が高いので、焼入鋼等の高硬度材料の切
削用工具以外にも、例えば塑性加工用の型材(引抜きダ
イス、プレス型等)にも適したものである。
As shown in the above examples, the sintered body according to the present invention has high hardness and high wear resistance. Therefore, in addition to cutting tools for hardened materials such as hardened steel, for example, molds for plastic working (drawing) Dies, press dies, etc.).

<発明の効果> 以上説明したように、本発明の工具用焼結材料は、単
結晶アルミナであって、粒径が1〜10μmの結晶粒を40
〜80体積%含み、残部がセラミックスの連続した結合相
からなることを特徴とする工具用焼結材料ものなので、
結合相組成のみからなるセラミックス工具に比べて耐摩
耗性及び被削材の表面粗さ精度が向上し、CBN焼結工具
と同等の性能を有するものであり、しかもCBN焼結工具
と比べて安価に製造できるものである。
<Effects of the Invention> As described above, the sintered material for a tool according to the present invention is a single-crystal alumina having a grain size of 1 to 10 μm,
It is a sintered material for tools characterized by containing up to 80% by volume and the remainder consisting of a continuous binder phase of ceramics.
Abrasion resistance and surface roughness accuracy of the work material are improved compared to ceramic tools consisting only of the binder phase composition, and they have the same performance as CBN sintered tools, and are inexpensive compared to CBN sintered tools It can be manufactured.

【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図及び第4図(a),(b),
(c)は焼結体表面の粒子構造を示す顕微鏡写真、第5
図(a)はCBN焼結工具の摩耗を説明する模式図、第5
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。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory view showing the hardness of a binder phase material of a CBN sintered tool, and FIG. 2 is an explanatory view showing the reactivity of a binder phase material of a CBN sintered tool with a work material. , FIGS. 3 and 4 (a), (b),
(C) is a micrograph showing the particle structure of the sintered body surface, and FIG.
FIG. 5A is a schematic diagram for explaining the wear of a CBN sintered tool, and FIG.
FIG. 2B is an enlarged view of the portion A. In the drawing, 10 is a tool edge, 10a is a flank, 10b is a rake face, 11 is a CBN grain, 12 is a binder phase, and 13 is a work material.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市来崎 哲雄 広島県広島市西区観音新町4丁目6番22 号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (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 東京都千代田区丸の内2丁目5番1号 三菱重工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−52668(JP,A) 特表 平2−501209(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Tetsuo Ichizaki, Hiroshima 4-6-22 Kannon Shinmachi, Nishi-ku, Hiroshima-shi, Hiroshima In-house Hiroshima Research Laboratory Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. No. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Nagasaki Laboratory (72) Inventor Fukushi Yamada 2-5-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (56) References JP-A-64-52668 (JP, A) Hei 2-501209 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】単結晶アルミナであって、粒径が1〜10μ
mの結晶粒を40〜80体積%含み、残部がセラミックスの
連続した結合相からなることを特徴とする工具用焼結材
料。
1. A single-crystal alumina having a particle size of 1 to 10 μm.
A sintered material for a tool, comprising 40 to 80% by volume of m crystal grains, and a balance consisting of a continuous binder phase of ceramics.
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