JPH02282444A

JPH02282444A - 工具用焼結材料

Info

Publication number: JPH02282444A
Application number: JP1100266A
Authority: JP
Inventors: Eihiko Tsukamoto; 塚本　頴彦; Tsuneo Egawa; 庸夫江川; Tetsuo Ichikizaki; 哲雄市来崎; Isao Hirata; 平田　勇夫; Fukuji Yasuda; 安田　福司
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1990-11-20
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JP2634236B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分計〉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乙とから、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の粉粒に結合剤として炭
化チタンや窒化チタン等のセラミックスを混ぜ、これら
を高温高圧下で焼結したものがほとんどである。結合剤
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。

〈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焼結体は高い硬
度を追求するあまり、靭性が充分なものとは云えなかっ
た。

く課題を解決するための手段〉本発明者らは、セラミックスの中でも特に破壊靭性の高
い部分安定化ジルコニア（以下、ＰＳＺと記述する）に
着目すると共に酸化アルミニウム（アルミナ：以下、Ａ
ｌ２Ｏ３と記述する）が窒化チタンや硼化チタン等と同
程度の常温硬度を有し、しかも６００から８ｏｏ℃の範
囲の高温状態における硬度がこれらよりも高い点に着目
し、これらＰｓＺやＡｊ　　ＯがＣＢＮの結合剤として
有効かどうか種々の実験を行った。

本発明は、かかる実験結果をふまえてなされたものであ
り、第一番目の本発明による工具用焼結材料は、４０か
ら９０体積％のＣＢＮの粉粒と、５から５５体積％のＰ
ＳＺの粉粒と、１から１０体積％のアルミニウム（以下
、Ａｊと記述する）及びチタン（以下、Ｔ　ｉと記述す
る）のうちの少なくとも一方の粉粒とを焼結してなるも
のである。

ここで、ＰＳＺの安定化剤としては酸化イツトリウムの
他に酸化カルシウム等を採用することも場合によっては
可能である。

又、第二番目の本発明による工具用焼結材料は、４０か
ら９０体積％のＣＢＮの粉粒と、５から５５体積％のＺ
　ｒ　Ｏ，の粉粒とＡＪ、０３の粉粒であってこの混合
物に占める前記ＺｒＯの割合が１０から３０体積％のも
のと、１から１０体積％のＡｊ及びＴｉのうちの少なく
とも一方の粉粒とを焼結してなるものである。

この場合、ＣＢＮの粉粒と、ＺｒＯ□の粉粒とＡｊ、Ｏ
，の粉粒との混合物か或いはＰＳＺの粉粒と、ＡＩ及び
Ｔｉのうちの少なくとも一方の粉粒とを均一に混合攪拌
したのち、これを高融点材料の容器に装入して熱間静水
圧加圧装置（ＨＩ　Ｐ）等の超高圧発生装置により例え
ば４０から６０キロバール（以下、Ｋｂと記述する）の
範囲で加圧しつつ１２００から１８００℃の範囲で加熱
し、この状態を０．５から３０分程度保持することによ
って、本発明の工具用焼結材料を得る。

く作　　　用〉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
の一部が大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、ｐｓｚやＺｒＯ２とＡｌ２Ｏ，との混合物はＣＢ
Ｎの結合剤としての特性を発揮するため、これらが５体
積％未満では工具用焼結材料中に占めるＣＢＮの量が相
対的に多くなり過ぎ、焼結性が悪化して耐摩耗性や靭性
の低下を招来する。逆に、乙のＰＳＺや混合物が５５体
積％を越えると、ＣＢＮの量が相対的；こ少なくなり過
ぎてしまい、ＣＢＮ自体の硬度を工具用焼結材料に反映
させることが困難となり、やは９耐摩耗性の低下を招く
こととなる。なお、−船釣な傾向としてｋｌ、０３に対
するＺ　ｒ　Ｏ３の割合を多くするほど靭性が向上し、
逆（こＡｊ　０　の割合を多くするほど結合相の硬度力
τ高くなる。以上の兼ね合いから、Ａｌ５Ｏ１２こ対し
てＺ　ｒ　Ｏ，を１０から３０体積％の割合ζこ収める
ことが望ましい。

又、ＡｊやＴｉはＣＢＮの粒界に拡散して空隙のない緻
密な焼結組織を形成するため、工具用焼結材料の靭性を
著しく向上させる。

この場合、これらが１体積％未満でｔよ充分な靭性を得
られない。、逆に、これらが１０体積％を越えると結合
相の硬度を低下させるように働くため、耐摩耗性が悪化
してしまう。

く実　施　例〉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と記述する）の範囲の粒径のＣＢＮと、酸化イツ
トリウムを３モル％添加して作成した平均粒径が０．３
μｍのＰＳＺと、平均粒径が０．１μｍのＡｊ又はＴｉ
又はＡｊ及びＴｉとを炭化タングステン（以下、ＷＣと
記述する）超超硬合金で内張すした小形の遊星運動型ミ
ル内に装入し、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、これをＮａＣｊと記述す
る）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ＮａＣｊ製の容器本体に、
同様にして作成したＮａＣｊ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ＷＣ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不活性ガス雰囲気
にてこの容器本体内の前記円板上に６ミリメードルの厚
みになるように装入して突棒で突き固め、更にこの上に
ｉ述ｔ、りのと同一なＷＣ基超硬合金製の円板を載置し
、又乙の上に厚さ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Ｎａ　Ｃｊ製の上蓋を容
器本体に嶽め込み、これら容器本体と下蓋と上蓋とから
なる容晋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、５０Ｋ
ｂ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ＷＣＣ超超硬合金結合した円柱
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Ｗ
ＣＣ超超硬合金製チップ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ミリメートルのバイト
を作成した。

このバイトを用い、ロックウェル硬さが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
１２０メートル、切込み量が２０μｍ、バイトの送り速
度が主軸−回転当り３０μｍ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
げ面の摩耗量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、と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
ンを結合剤として使用した市販のＣＢＮ焼結材料を用い
た鳩舎のビッカース硬さは２５００．切刃の逃げ面の摩
耗量は４０μｍであった。

この第１表に示す結果から明らかなように、ＣＢＮの粉
粒を６５体積％含むもの（試料番号：１−１３〜１−１
５）は、切刃の逃げ面の摩耗量が３６から３７μｍ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
合相の高靭化による効果が現われていることを確認でき
た。又、ＣＢＮの粉粒が４０体積％未満のもの（試料番
号＝　１−１）や９０体積％を越えるもの（試料番号：
　１−２２）では、切刃に欠損を発生しているが、ＣＢ
Ｎの粉粒が４０から９０体積％の範囲にあるもの（試料
番号：　１−２〜１−２１）では、切刃に欠損を発生す
る乙となく旋削加工に供することができる。

次に、第１表に記載のＣＢＮの粉粒と、平均粒径がそれ
ぞれ０．３μｍのＺｒＯ２の粉粒とＡｊ、０．の粉粒と
からなり且つこれらの体積比を３　：　７　（＝Ｚ　ｒ
　Ｏ２：　Ａ　ｊ、０．）に調整した混合物と、第１表
に記載のＡＩ又はＴｉ又はＡｊ及びＴｉとから前述と同
様にしてＣＢＮ第１表焼結材料を作成し、各粉粒の比率を変えて切刃の逃げ面
の摩耗量及びとのＣＢＮ焼結材料のビッカース硬さを測
定した。

これらの測定結果を第２表に示す。

／／／／表この第２表から明らかなように、ＣＢＮの粉粒を６５体
積％含むもの（試料番号：　２−１３〜２−１５）は、
切刃の逃げ面の摩耗量が３４から３５μｍの範囲に収ま
り、高い耐摩耗性を有していることから結合相の高靭化
による効果が現われていることを確認できた。

又、ＣＢＮの粉粒が４０体積％未満のもの（試料番号：
２−１）や９０体積％を越えるもの（試料番号：２−２
２）では、切刃に欠損を生じているが、ＣＢＮの粉粒が
４０から９０体積％の範囲にあるもの（試料番号：　２
−２〜２−２１）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、靭性の高い部分安定
化ジルコニアか或いは高温時での硬度が高いＡｊ、Ｏ，
を主体とする結合剤を用いたので、ＣＢＮの保持能力が
従来のものよりも向上し、耐摩耗性を向上させることが
できろと共にチッピングや欠損の少ない工具用焼結材料
を提供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）４０から９０体積％の立方晶窒化硼素の粉粒と、
５から５５体積％の部分安定化ジルコニアの粉粒と、１
から１０体積％のアルミニウム及びチタンのうちの少な
くとも一方の粉粒とを焼結してなる工具用焼結材料。
（２）部分安定化ジルコニアの安定化剤が酸化イットリ
ウムである請求項（１）に記載した工具用焼結材料。
（３）４０から９０体積％の立方晶窒化硼素の粉粒と、
５から５５体積％の酸化ジルコニウムの粉粒と酸化アル
ミニウムの粉粒との混合物であってこの混合物に占める
前記酸化ジルコニウムの割合が１０から３０体積％のも
のと、１から１０体積％のアルミニウム及びチタンのう
ちの少なくとも一方の粉粒とを焼結してなる工具用焼結
材料。