JPH0551261A

JPH0551261A - 工具用焼結材料

Info

Publication number: JPH0551261A
Application number: JP3209634A
Authority: JP
Inventors: Eihiko Tsukamoto; 頴彦塚本; Tsuneo Egawa; 庸夫江川; Tetsuo Ichikizaki; 哲雄市来崎; Hideo Tsunoda; 英雄角田; Fukuji Yamada; 福司山田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-08-21
Filing date: 1991-08-21
Publication date: 1993-03-02
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JP2971203B2

Abstract

(57)【要約】【目的】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する。【構成】ＴｉＣを主成分とし、アルミナ／ジルコニ
ア，ＡｌＮ及びＳｉＣ針状結晶を副成分とする結合材を
用いることにより、結合相のＣＢＮ粒の担持能力を向上
させ、高温時での耐摩耗性，耐欠損性の高い材料とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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。

【０００３】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れている。

【０００４】

【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、靱性が充分なものとは云えなかった。

【０００５】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。

【０００６】

【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、窒化アルミニウム及び炭化硅素の針状結晶を一定比
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、酸化
ジルコニウム、窒化アルミニウム及び炭化硅素の針状結
晶との混合粉粒１５〜３５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
５０〜６５体積％、酸化ジルコニウム１〜５体積％、窒
化アルミニウム２０〜４０体積％及び炭化硅素の針状結
晶５〜１５体積％の比率となっていることを特徴とす
る。

【０００７】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。

【０００８】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。図４（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、ＣＢ
Ｎ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。

【０００９】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ＣＢ
Ｎ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。

【００１０】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、ＣＢ
Ｎ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、靱性が高いこと、が要求される。

【００１１】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。図１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。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Ａｌ
₂Ｏ₃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。

【００１２】図２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、窒化アル
ミニウム（以下、ＡｌＮと表記する）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。

【００１３】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、ＡｌＮ、
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Ｔ
ｉＮ、副成分の一成分としてＡｌＮを含むので、上述し
たの特性も有すると考えられる。

【００１４】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０．５〜３０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_RC６
２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。

【００１５】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
添加し、さらに，の特性を持ち、焼結時に高い活性
を有するＡｌＮを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、さ
らに炭化硅素の針状結晶（以下、ＳｉＣ針状結晶と表記
する）を添加することにより靱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，ジ
ルコニア，ＡｌＮ及びＳｉＣ針状結晶を添加した結合相
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。

【００１６】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４
０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７０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、靱性の
低下により微小なチッピングや欠損が発生する。

【００１７】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１０００℃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ＴｉＮ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。

【００１８】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、焼結時に高い活
性を有するＡｌＮを添加することにより、焼結性を大幅
に改善している。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とＡｌＮ
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。

【００１９】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
不可欠であり、さらに靱性の向上が必要であるが、本発
明ではアルミナにジルコニア及び炭化硅素の針状結晶を
添加した組成を結合相の副成分とすることにより、その
焼結性及び靱性の向上を図っている。

【００２０】ここで副成分の組成について説明する。こ
れまでの説明に記したように、ＣＢＮ焼結材料の結合相
はそれ自体も耐摩耗性の高い工具であることが必要であ
る。したがって組成を任意に選べるのではなく、その組
成成分が重要となってくる。そこで組成成分を変えた結
合相のみの工具材料を試作し、切削試験で耐摩耗性を評
価した。条件は切削速度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。

【００２１】まず成分をアルミナと窒化アルミニウムに
限定して組成成分を調べたところ、アルミナの体積％に
対する窒化アルミニウムの体積％が１／３以下ではアル
ミナのもろさが現われ逃げ面摩耗幅が７０μｍ以上とな
り、また、同様に４／５以上では窒化アルミニウムの硬
度の低くさが現われ、逃げ面摩耗幅が７０μｍ以上とな
ることがわかった。この検討から副成分のアルミナと窒
化アルミニウムは３：１〜５：４（体積％比）の範囲で
混合する必要があることがわかった。

【００２２】次に、上記適正な範囲に混合された２成分
系に対するＳｉＣ針状結晶の添加量についても、同様な
実験から５体積％未満ではその添加の効果が現れず、１
５体積％以上では焼結性が低下してかえって靱性の低下
を招くことが認められた。

【００２３】さらに、上記２成分にＳｉＣ針状結晶を添
加した３成分系へのジルコニアの添加量を変化させその
影響を見た。試験の結果を図３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、前出と同じ条件
で行った。

【００２４】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した際に生じる隙間に、副成分
（アルミナ５０〜６５体積％とジルコニア１〜５体積％
と、ＡｌＮ２０〜４０体積％，ＳｉＣ針状結晶５〜１５
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。

【００２５】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。

【００２６】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３５体積％となる。

【００２７】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
（１９８８）、Vol.１，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４
０〜６０Ｋｂ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。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００２９】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とＡｌＮ、及び
ＳｉＣ針状結晶との混合粉末（５７：３：３０：１０体
積比）とからなり且つこれらの体積比を４５：３０：２
５（＝ＣＢＮ：ＴｉＮ：Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂，Ａｌ
Ｎ、及びＳｉＣ針状結晶）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ＷＣ基超硬合金製の円板を載置した
ものを用意しておく。

【００３０】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２０
μｍ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。

【００３１】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。

【００３２】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１７０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Ｃ
ＢＮ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。

【００３３】本実施例及び組成の体積％を変えて同様な
切削試験を行ない、得られた測定結果を表１及び表２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。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】表１及び表２に示す結果から明らかなよう
に、ＣＢＮの粉粒を４０〜７０体積％且つ結合相の主成
分を１５〜４５体積％、副成分を１５〜３５体積％含む
もの（試料番号：２〜６，９〜１３，１６〜２０，２２
〜２９）は、切刃の逃げ面の摩耗幅が３２〜３９μｍ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，ＡｌＮ及びＳｉＣ針状結晶添加
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：３０）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。

【００３７】

【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、焼結時の活性を
高めるＡｌＮ、及び焼結性の良好で且つ靱性の高いアル
ミナ／ジルコニア，ＳｉＣ針状結晶を副成分とする結合
剤を用いたので、結合相のＣＢＮ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】

【図１】ＣＢＮ焼結工具の結合相材料の硬度を示す説明
図である。

【図２】ＣＢＮ焼結工具の結合相材料の被削材との反応
性を示す説明図である。

【図３】アルミナへジルコニアを添加した場合の実験結
果を示す説明図である。

【図４】ＣＢＮ焼結工具の摩耗を説明する模式図及びそ
のＡ部拡大図である。

【符号の説明】

１０工具刃先部１０ａ逃げ面１０ｂすくい面１１ＣＢＮ粒１２結合相１３被削材

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者山田福司東京都千代田区丸の内二丁目５番１号三菱重工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【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，酸化ジル
コニウム，窒化アルミニウム及び炭化硅素の針状結晶の
混合粉粒１５〜３５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５０〜６
５体積％、酸化ジルコニウム１〜５体積％，窒化アルミ
ニウム２０〜４０体積％、及び炭化硅素の針状結晶５〜
１５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。