JPH0313539A - 高靭性・高硬度焼結体およびその製法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高硬度で優れた耐摩耗性を有すると共に靭性
の優れた焼結体およびその製法に関し、この焼結体は、
高硬度鋼やＮｉ基もしくはＣＯ基超超合金を対象とする
切削工具用あるいは軸受や線引ダイス等の耐摩耗性工具
用の素材として有用である。

［従来の技術］ 上記の様な切削工具や耐摩耗性部材の素材としては、従
来より炭化タングステン（ＷＣ）基の超硬材料が使用さ
れてきた。しかし需要者の要求は、より優秀な工具材料
を求めるに至っている。

こうした要望に沿う工具用材料として、立方晶窒化硼素
に少量のＡ１と鉄族金属を含有させた焼結体（特開昭４
８−１７５０３号公報）、あるいはセラミックスを結合
材として用いた立方晶窒化硼素焼結体（特公昭５７−３
６３１号公報）等が提案された。ところがこれらの素材
により製作された切削工具は、微小切込みの連続切削の
如く比較的負荷の小さい切削条件の下では優れた切削性
能を発揮するが、切込みの大きい場合、あるいは断続切
削の如く衝撃が繰返し加えられる苛酷な切削条件の下で
は必ずしも満足のいく性能は得られず、耐欠損性や耐ピ
ツチング性に問題がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであっ
て、その目的は、大きな負荷がかかり、あるいは衝撃力
の加わる様な条件で使用した場合でも優れた切削性能を
発揮する、耐欠損性、耐ピツチング性および耐摩耗性に
優れた、高靭性で高強度の焼結体並びにその製法を提供
しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決することのできた本発明に係る焼結体の
構成は、 ■高圧相型窒化硼素：２０〜６０重量％、■Ｔｉの炭化
物、窒化物、炭窒化物の１　ｆ１以上＝２０〜６０重量
％、 ■Ｍｏの炭化物：上記■成分１００重量部に対し５〜３
０重量部、 ■Ｎｉ　　　　：上記■成分１００重量部に対し５〜３
０重量部、 からなるところに要旨を有するものであり、この焼結体
は、高圧相型窒化硼素粉末、または該粉末とＴｉの炭化
物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種よりなる粉末を
原料粉末とし、該原料粉末をＭＯの炭化物とＮｉを主成
分とするサーメットボール、またはＴｉの炭化物、窒化
物、炭窒化物の少なくとも１種、Ｍｏの炭化物およびＮ
ｉを主成分とするサーメットボールを用いて混合し、混
合操作中における該ボールの摩耗により該ボール成分粉
末を前記原料粉末中に混入せしめ、得られる混合粉末を
、粉末状もしくは型押成形した後高圧・高温で焼結する
ところに要旨を有するものである。

〔作用］ 本発明者らは、セラミックスを結合材とする高圧相型窒
化硼素が耐欠損性や耐ピツチング性を欠く理由を明確に
すべく研究を行なったところ、上記諸欠点の原因は、結
合相を構成するセラミックスの靭性不足によるものであ
ることが明らかとなった。そこで結合相の靭性不足を改
善すべく更に研究を進めた結果、高圧相型窒化硼素■を
、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種■
と、ＭＯの炭化物■およびＮｉ■を主成分とする複合材
（サーメットを含む）を結合相として焼結一体化したも
のは全体として優れた靭性を示すものとなり、高圧相型
窒化硼素の卓越した高硬度特性とも相まって、耐摩耗性
、耐欠損性、耐ピツチング性の優れた焼結体が得られる
ことを知った。

ここで結合相の主体となるセラミックスとしてＴｉの炭
化物、窒化物、炭窒化物を選択したのは、これらが硬質
で耐熱性に優れ且つ高圧相型窒化硼素とのなじみが良く
てそれらと均質な焼結体を形成し易いからであり、しか
もこれらのセラミックスはＭｏ炭化物やＮｉと複合する
ことによって靭性を著しく改善し得るからである。

次に本発明に係る焼結体の成分組成を定めた理由を明確
にする。

■高圧相型窒化硼素：２０〜６０重量％、高圧相型窒化
硼素はダイヤモンドに次ぐ硬質材料であって、耐摩耗性
を高める為の主成分であり、２０重量％未満では超硬質
成分量が不足することとなって満足のいく切削性および
耐摩耗性が得られない。しかし高圧相型窒化硼素が多過
ぎる場合は、結合相を構成する下記■、■、■成分が不
足気味となって焼結不良となり、高正相型窒化硼素の脱
落が起こって切削性および耐摩耗性が低下してくるので
、６０重量％以下に抑えなければならない。高圧相型窒
化硼素のより好ましい含有率は３０〜５０重量％である
。

■Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上：２０〜
６０重量％、 結合相の主体となる成分であって、２０重量％未満では
焼結不良となフて焼結体の性能が極端に悪くなる。しか
し６０重量％を超えると、高圧相型窒化硼素量が相対的
に少なくなって切削性および耐摩耗性が乏しくなったり
、あるいは後述するＭｏ炭化物やＮｉ量が不十分となっ
て焼結体の靭性が低下し、耐欠損性や耐ピツチング性に
問題が生じてくので、２０〜６０重量％、より好ましく
は３０〜５０重量％の範囲に選定すべきである。

■ＭＯの炭化物二上記■成分１００重量部に対し５〜３
０重量部、 （ｄ）Ｎｉ　　：上記■成分１００重量部に対し５〜３
０重量部 これらの成分は結合相の靭性を改善するうえで欠くこと
のできない成分であり、■成分、■成分のいずれも５重
量部未満では結合相の靭性を十分に高めることができな
い、しかしこれらが多過ぎると結合相の主体となる前記
■成分が不足気味となって焼結性が低下し、焼結体の物
性がかえって悪くなるので、３０重量部以下に抑えるべ
きである。■、■各成分のより好ましい含有率は７〜２
０重量部の範囲である。

尚本発明で結合相を構成する上記■、■および■成分は
、夫々の粉粒体混合物が焼結工程で複合−株化して結合
相を構成したものであってもよく、あるいはこれら３成
分の複合体であるサーメット合金（例えばＴ　ｉ　Ｃ−
Ｔ　ｉ　Ｎ−Ｍｏ２　Ｃ−Ｎｉ等）の粉粒体を焼結させ
て一体の結合相を構成したものであってもかまわない。

しかしサーメット合金は通常のセラミックスに比べては
るかに焼結性が良いので、結合相を構成する上記■、■
、■はサーメット合金粉末の形態で前記■成分と混合し
て焼結するのが最善である。

本発明の焼結体は上記■、■、■および■成分を必須の
構成々分として焼結−株化したものであるが、これら各
成分が前記好適含有率範囲を外れない範囲で微量のＷＣ
，Ａ　Ｉ　Ｎ、　Ａ　１２０ｓ　。

Ｃｏ等を含有させて焼結体の物性を一層高めることも有
効である。

ところで上記４成分よりなる焼結体は、４成分の粉体を
均一に混合し、混合粉末の状態で型に充填し或は圧粉成
形した後高圧下に加熱焼結することによって得られるが
、より有利な方法を例示すると次の通りである。

即ちその方法とは、前記■、■成分を含むサーメット合
金ボール、或は前記■、■、■の各成分を含むサーメッ
ト合金ボールの装入されたボールミル、アトライター、
振動ミル等の混合装置に高圧相型窒化硼素粉末を投入し
て混合し、混合工程で該ボールの摩耗によって生ずるサ
ーメット合金を高圧型窒化硼素粉末に混入させる方法で
ある。

即ち高圧相型窒化硼素は、■、■成分を含むサーメット
合金あるいは■、■、■成分を含むサーメット合金に比
べてはるかに硬質であり、これらの合金ボールと共に高
圧相型窒化硼素粉末を混合するとボール成分は摩耗して
高圧相型窒化硼素粉末中へ混入していく、従って■、■
、■成分を微粉砕する工程が省略されるばかりでなく、
高圧相型窒化硼素粉末は相互に衝突し合って微粉砕され
つつ混合されるので、均一で微細な混合粉末が得−られ
る。このときサーメット合金ボールとして■、■成分だ
けからなるサーメット合金を使用するときは、所定量の
■成分を予め粉末として高圧相を窒化硼素粉末と共に該
サーメット合金ボールを用いて混合すればよい。また■
成分の一部を粉末状態で投入し、残部をサーメット合金
ボールの摩耗によって補給する様に行なうことも可能で
ある。尚混合による■、■、■成分の混入比率は、サー
メット合金ボールの成分組成を変えることによって容易
に調整することができ、また各成分の混入量はサーメッ
ト合金ボールの大きさや混合条件（攪拌速度や回転速度
等）および混合時間によって任意にコントロールするこ
とができ、それにより前記成分組成を満たす微細均一な
混合粉末を容易に得ることができる。尚ここで言うボー
ルは、大きさや形状において格別に制限されないもので
あることは言うまでもない。

この様にして得られる混合粉末は、粉末状態で型に充填
し、あるいは型押成形した後、高圧下で加熱焼結すると
、高強度で且つ高靭性の焼結成形体を得ることができる
。尚焼結条件は、原料粉末、殊に高圧相型窒化硼素が熱
変質を起こすことなくこれらを密に焼結一体化し得る範
囲で自由に選定できるが、−数的な条件として示すなら
ば、１３００〜１７００℃で４０〜７０キロバ一ル程度
で加圧・加熱する方法である。

［実施例］ 平均粒径３μｍの高圧相型窒化硼素粉末と、平均粒径１
μｍのＴｆＣ，ＴｉＮ、Ｔｉｃ、、。

Ｎ　Ｏ，３の各粉末を、Ｔｉｃ−１５％ＴｉＮ−２０％
ＭＯ□Ｃ−２０％Ｎｉよりなるサーメット合金ボールま
たはＴ　ｉ　ｃｏ、７　Ｎｏ、３−２０％Ｍｏ２　Ｃ−
１５％Ｎｉよりなるサーメット合金ボール（いずれも平
均径４ｍｍ）の装入されたボールミルに投入し、エチル
アルコールを混合溶媒として混合することにより、サー
メット合金成分を原料粉末中に混入せしめ、混合時間を
調整することによって第１表に示す成分組成の混合粉末
を得た。尚比較例Ａ°については、プラスチックボール
を使用し振動ミルによって混合した。

この混合粉末を乾燥し、型押成形した後真空炉において
１０−’Ｔｏｒｒで１０００℃×１時間保持して脱ガス
し、次いでベルト型超高圧・高温発生装置により６０キ
ロバ一ルＸ１５００℃×１５分の条件で焼結して焼結体
を得た。

得られた焼結体から切削チップを作製し、被剛材として
溝付円柱状のＳＣＭ４３５．（Ｈ＊ｃ６０）を用いて、
外周を長手方向に断続切削し、切削チップが欠損するま
での時間を測定した。但し切削条件は、切削速度：　１
００　ｍ／ｍｉｎ　、切込み二０．３　ａ＋ｍ、送り：
　（１，１５ｍ　／　ｒａｖとした。

結果を第１表に一括して示す。

第１表より次の様に考えることができる。

（１）符号Ａ−Ｅは本発明で定める要件を充足する実施
例で、欠損までの寿命はいずれも比較例Ａ°の３倍を超
えており、切削部材としての寿命はいずれも非常に優れ
ている。

（２）符号Ａ°〜Ｅ゛は、以下に示す如く本発明で定め
る要件のいずれかを欠く比較例であり、欠損までの寿命
はいずれも本発明の１７３以下に短縮されている。

符号Ａ’：Ｍｏ炭化物およびＮｉが配合されていない。

符号Ｂ’：Ｍｏ炭化物およびＮｉの量が規定範囲未満で
ある。

符号Ｃ’：Ｍｏ炭化物およびＮｉの量が過剰である。

符号Ｄ°　：セラミックス含量が過剰で高圧相型窒化硼
素が不足している。

符号Ｅ′　：高圧相型窒化硼素量が過剰でＭ。

炭化物およびＮｉの量が不足して いる。

［発明の効果コ 本発明は以上の様に構成されており、Ｔｉ系セラミック
スを結合相とする高圧相型窒化硼素系焼結体の結合相に
、所定のＭｏ炭化物とＮｉを含有させて結合相の靭性を
高めることにより、高圧相型窒化硼素系焼結体の耐摩耗
性を損なうことなくその靭性を高めることができ、切削
工具、軸受、線引ダイス等の耐摩耗工具用素材としての
寿命を著しく延長し得ることになった。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　（ａ）　高圧相型窒化硼素：２０〜６０重量％
   、（ｂ）　Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の１種以上
   ：２０〜６０重量％、 （ｃ）　Ｍｏの炭化物：上記（ｂ）成分１００重量部に
   対し５〜３０重量部、 （ｄ）　Ｎｉ：上記（ｂ）成分１００重量部に対し５〜
   ３０重量部、 からなることを特徴とする高靭性・高硬度焼結体。
2. （２）　高圧相型窒化硼素粉末、または該粉末とＴｉの
   炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種よりなる粉
   末を原料粉末とし、該原料粉末をＭｏの炭化物とＮｉを
   主成分とするサーメットボールを用いて混合し、混合操
   作中における該ボールの摩耗により該ボール成分粉末を
   前記原料粉末中に混入せしめ、得られる混合粉末を、粉
   末状もしくは型押成形した後高圧・高温で焼結すること
   を特徴とする請求項（１）に記載の焼結体の製法。
3. （３）　高圧相型窒化硼素粉末、または該粉末とＴｉの
   炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種よりなる粉
   末を原料粉末とし、該原料粉末を、Ｔｉの炭化物、窒化
   物、炭窒化物の少なくとも１種、Ｍｏの炭化物およびＮ
   ｉを主成分とするサーメットボールを用いて混合し、混
   合操作中における該ボールの摩耗により該ボール成分粉
   末を前記原料粉末中に混入せしめ、得られる混合粉末を
   、粉末状もしくは型押成形した後、高圧・高温で焼結す
   ることを特徴とする請求項（１）に記載の焼結体の製法
   。