JPS58181844A - 高温特性のすぐれた切削工具および耐摩耗工具用焼結材料 - 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】 この発明は、すぐれた高温特性を有し、特にこれらの特
性が要求される高速切削や高送り切削用切削工具として
，さらに特に熱間で使用される鍛造型や押出し型、並び
に鋳造型をはじめとする各種耐摩耗工具用として使用す
るのに適した焼結材料に関するものである。

一般に、鋼の切削加工に際して、切削速度を速くしたり
、送り量を多くしたりすると、切削工具の刃先温度が上
昇し、刃先が摩耗よりは、むしろ高温に原因する塑性変
形によって使用寿命に至る場合が多く、近年の高速切削
化および高能率切削化によって、この傾向は増々強くな
っている。

しかしながら、現在実用に供されている炭化タングステ
ンや炭化チタンなどを硬質相とし、鉄族金属（　Ｆｅ，
　Ｎｉ　、　Ｃｏ　）を主成分とする結合相で構成され
た超硬合金やサーメットは、刃先温度が１０００℃を越
えると急激に軟化するようになるため、これら超硬合金
やサーメット、さらにこれらの表面に硬質被覆層を形成
した表面被覆超硬合金や表面被覆サーメットにおいても
、その使用条件は、刃先温度が１０００℃を若干土煙る
程度に制限されている。

一方、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックが、
高温において高硬度とすぐれた耐酸化性を示すことから
、高速切削工具として実用に供されてはいるが、刃先の
高温における安定性に欠（す、信頼性の不十分なもので
あるため、低い送り量の条件でのみ高速切削に使用され
ているのが現状である。

また、鍛造型や押出し型、さらに鋳造型などの各種耐熱
耐摩耗工具の製造には、高速度鋼やタ゛イス鋼が使用さ
れているが、これら材料製耐摩耗工具の使用温度はせい
ぜい５００℃までであり、使用温度が５００℃を越える
と全く使用に耐えないものである。一方、使゛用温度が
５００℃を越えるような耐摩耗工具の製造には，比較的
すぐれた高温特性を有するＭｏ合金が使用されるが、こ
のＭｏ合金製耐熱耐摩耗工具においても耐酸化性および
耐摩耗性に関して満足な特性を示さないのが実情であり
、このように特に切削工具および耐熱耐摩耗工具の分野
では、高温特性、すなわち高温強度。

高温硬さ．高温靭性，および耐酸化性にすく゛れた材料
の開発が望まれているのである。

そこで、本発明者等は、上述のような観点力・ら、高温
特性のすぐれた材料を開発すべく研究を行なった結果、
硬質分散相が、特定組成の複合金属炭窒酸化物と、窒化
チタンと、窒化アルミニウムで構成され、かつ結合相が
、Ｗ、またはＭｏおよびＲｅの１種または２種を含有す
るＷ合金で構成された焼結材料は、高温強度、高温硬さ
、および高温靭性が高く、かつすぐれた耐酸化性を有し
、したがってこの焼結材料を、切削工具として使用した
場合には安定した高速切削および高送り切削が可能とな
り、さらに耐熱耐摩耗工具として使用した場合にもすぐ
れた性能を発揮するという知見を得たのである。

したがって、この発明は、上記知見にもとづいてなされ
たものであって、硬質分散相形成成分としての組成式： ％式％） （ただし、原子比で、ｗ／（ｗ＋ｘ）：０５〜０８゜（
ｗ＋ｘ＋ｙ　）　：　０．６０〜０．９５．　ｙ　：　
０．０１〜０、２０．　　ｕ　：Ｏ，Ｏ○５〜０．０５
０．　　ｖ　：０．００５〜０．３０゜２．０５〜０９
にして、Ｈｆ＞Ｚｒ、　Ｎｂ＞Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有す
る複合金属炭窒酸化物：１０〜８０％、同じく硬質分散
相としての窒化チタン（以下。

ＴｉＮで示す）：１〜１０％および窒化アルミニウム（
以下、ｌｄＮで示す）：０５〜１０％を含有し、必要に
応じて結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２０％および
Ｒｅ：１〜２０％のうちの１種または２種（ただしＷ　
）Ｍｏ　＋　Ｗ　＞　Ｒｅ＊およびＷ　）　Ｍｏ＋　Ｒ
ｅ）を含有し、 残りが結合相形成成分としてのＷと不可避不純物からな
る組成（以上重量％）を有する高温特性のすぐれた切削
工具および耐摩耗工具用焼結合金に特徴を有するもので
ある。

つぎに、この発明の焼結材料において、成分組成範囲を
上記の通りに限定した理由を説明する。

（ａ）　　硬質分散相形成成分としての複合金属炭窒酸
化物 この複合金属炭窒酸化物には、材料の高温強度。

高温硬さ、耐酸化性、耐熱性、および靭性を向上させる
作用があり、特に、この複合金属炭窒酸化物の構成成分
であるＺｒおよびＨｆには、焼結過程での自身を含めた
硬質分散相形成成分の粒成長を抑制すると共に、高温で
の材料自体の硬さ低下を抑制する作用があり、この場合
結合相との焼結性および高温特性を良好な状態に保つた
めにＨｆ）Ｚｒとする必要があり、また同じ（Ｎｂおよ
びＴａには、耐酸化性を向上させる一作用があり、この
場合も材料自体の軽量化および低コスト化の点からＮｌ
）：＞Ｔａとする必要があり、さらに同じくＷおよびＭ
Ｏには、分散相自身の靭性および耐熱性を向上させるほ
か、結合相との結合強度を高めて焼結材料自体の靭性を
向上させる作用があり、この場合も前記の特性を確保す
るためにはＷ）Ｍｏとする必要がある。

したがって、上記の複合金属炭窒酸化物のもつ特性を焼
結材料に十分に付与せしめるためには１０％以上の含有
が必要であるが、一方８０％を越えて含有させると、相
対的に結合相が少なくなりすぎて靭性が不足するように
なることから、その含有量を１０〜８０％としなければ
ならない。

つぎに、上記複合金属炭窒酸化物の組成式に関して説明
する。

■　（ｗ　＋　ｘ　十Ｙ　）の原子比 （ｗ　＋　ｘ　＋　Ｖ　）の原子比が０６未満では、相
対的にＷおよびＭＯの含有量が多くなりすぎてＷ２Ｏ相
およびＭｏ２Ｃ相が形成するようになり、この結果材料
の靭性および耐酸化性が低下するようになり、一方０．
９５を越えた原子比にすると、相対的にＷおよびＭｏの
含有量が少なすぎて、Ｗを主成分とする結合相との焼結
性が急激に悪くなり、結合強度の低下を招き、材料に靭
性不足が生じるようになることから、（ｗ　十ｘ　十Ｙ
　）の原子比を０６０〜０９５と定めた。

■　ｗ　／　（ｗ　十ｘ　）の原子比 ｗ／（ｗ十ｘ）の原子比が０５未満では、相対的にＴ１
に比してＨｆおよびＺｒＯ量が多くなりすぎ、Ｗを主成
分とする結合相との焼結性の低下をもたらすばかりでな
く、ひいては複合金属炭窒酸化物の粗粒化および耐酸化
性の低下をも招くようになり、一方ｏ８を越えた原子比
にすると、逆にＴ１の量が多くなりすぎて複合金属炭窒
酸化物の粒成長が著しくなると共に、耐酸化性の低下を
きたすようになることから、ｗ　／　（ｗ　十ｘ　）の
原子比を０６５〜０８と定めた。

■　ｙの原子比 ｙの原子比が０．Ｃ）１未満では、ＮｂおよびＴａによ
るすぐれた耐酸化性を確保することができず、一方０２
を越えた原子比になると、相対的にＮｂおよびＴａの量
が多くなりすぎて靭性および耐摩耗性の低下をきたすよ
うになることから、ｙの原子比を０、０１−０．２０と
定めた。

■　Ｕの原子比 Ｕの原子比が０００５未満では、複合金属炭窒酸化物中
の酸素含有量が炭素含有量および窒素含有量に比して低
くなりすぎ、いわゆる酸素不足をきたして所望の耐熱性
を確保することができなくなり、したがって切削工具と
して使用した場合には切削時に被削材に溶着するように
なり、一方０．０５を越えた原子比にすると、逆に酸素
含有量が相対的ダ多くなυすぎて、結合相との焼結性の
低下、ひいては複合金属炭窒酸化物自体の粗大化をきた
すようになって所望の高硬度および高靭性を確保するこ
とができなくなることから、Ｕの原子比を０．００５〜
０．０５０と定めた。

■　■の原子比 Ｖの原子比が０．００５未満では、窒素含有量が炭素お
よび酸素含有量に比して低くなりすぎ、複合金属炭窒酸
化物自体の耐酸化性および硬さが低下するようになシ、
一方ｏ３を越えた原子比になると、複合金属炭窒酸化物
自体が粗大化して硬度低下をきたすようになることがら
、■の原子比を０００５〜０．３０と定めた。

■　２の原子比 ２の原子比が０５未満では、複合金属炭窒酸化硬度を確
保することができず、一方０９を越えた原子比にすると
逆に非金属成分の方が金属成分に比して多くなりすぎ、
複合金属炭窒酸化物自体が脆化するようになることから
、２の原子比を０５〜０９と定めた。

（ｂ）　　硬質分散相形成成分としてのＴｉＮＴｉＮ成
分は、複合金属炭窒酸化物とは独立して結合相中に分散
し、前記複合金属炭窒酸化物な微細化して材料の靭性な
向上させる作用をもつが。

その含有量が１チ未満では前記作用に所望の効果が得ら
れず、一方１０％を越えて含有させると、結合相を構成
するＷとの結合強度が低下するようになって靭性が劣化
するようになることから、その含有量を１〜ｌＯ％と定
めた。

（Ｃ）　　硬質分散相形成成分としてのＡｌＮＡｔ！Ｎ
成分も、複合金属炭窒酸化物と分離した状態で結合相中
に分散存在し、もってＷ自体の焼結性向上に寄与するば
かりでなく、Ｗと強固に結合して材料の靭性を向上させ
、さらに材料の耐酸化性を著しく向上させて高温使用で
の安定性を増大させる作用があるが、その含有量が０５
％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方１０
０チを越えて含有させると材料の硬さ低下が著しくなる
ことから、その含有量を０５〜１０．０％と定めた。

（（１）　　結合相形成成分としてのＭＯＭｏ成分には
材料の特性、特にＷ成分によってもたらされる特性を何
ら損なうことなく、Ｗ成分の一部を代替することができ
る性質があり、したがってＭｏ成分の含有によって材料
コストの低減がはかれるほか、軽量集をはかることもで
きるので、必要に応じて含有されるが、その含有量が１
％未満では所望のコスト軽減および軽量化をはかること
ができず、一方２０％を越えて含有させると耐酸化性お
よび高温特性が低下するようになることから、その含有
量を１〜２０％と定めた。

ｔｅｌ　　結合相形成成分としてのＲｅＲｅ成分には、
結合相中に全量固溶して、結合相自体の耐酸化性および
靭性な向上させるほか、硬質分散相の粒成長を抑制し、
もって耐摩耗性を向上させる作用があるので、必要に応
じて含有されるが、その含有量が１％未満では前記作用
に所望の効果が得られず、一方２０％を越えて含有させ
ると耐熱性が低下するようになることから、その含有量
を１〜２０％と定めた。

なお、この発明の焼結材料は、通常の粉末冶金法を適用
し１例えば真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中、温度
：１８００〜２３００℃に加熱保持の条件で焼結され、
また必要に応じて焼結後の材料に対して圧カニ１５００
〜２０ｏＯ気圧、＠度：１５００〜２０ｏｏ℃の条件で
熱間静水圧プレス処理を施してやるとよく、さらに研削
後の材料に焼鈍処理を施してやることも有効である。

つぎに、この発明の焼結材料を実施例により比較例と対
比しながら具体的に説明する。

実施例 まず、原料粉末としてめ複合金属炭窒酸化物粉末を調製
する目的で、平均粒径：１ｏμｍのＴｉＣ粉末（０２：
０．３％含有）、同１．１μｍのＴｉＮ粉末（０２：０
．３％含有）、同０．６１ｔｍのＴｉＯ粉末（０２：２
４．８％含有）、同１．０μｍのＺｒＣ粉末（ｏ２：０
２チ含有）、同１．０μｍのＨｆＣ粉末（０２：０．１
５係含有）、同１．１７１　ｍのＮｂＣ粉末（０２：０
２％含有）、同１．○μｍのＴａＣ粉末（Ｏ□：０．１
５％含有）。

同０．８μｍのＷ粉末（０２：０．０５％含有）、およ
び同０６８μｍのＭｏ粉末（０２：０，１チ含有）を用
意し、これら粉末を所定割合に配合し、ボールミルにて
混合した後、５００　ｋｇ／ｃｒ／１の圧力でプレスし
て圧粉体を成形し、ついでこの圧粉体を、１０−”ｔｏ
ｒｒの圧力を有する真空中、温度　２１００℃に１時間
保持した後、炉冷し、粗粉砕し、引続いて湿式ボールミ
ル中にて４８時間粉砕を行なうことによって、それぞれ
第１表に示される種々の組成を有する複合金属炭窒酸化
物粉末を製造した。

ついで、この結果得られた複合金属炭窒酸化物粉末、平
均粒径：１．０μｍを有するＴｉＮ粉末、同１、５μｍ
のＡｌ２Ｎ粉末、同１．５μｍのＷ粉末、同０６μｍの
Ｍｏ粉末、および同３０μｍのＲｅ粉末を原料粉末とし
て用い、これら原料粉末を同じく第１表に示される配合
組成に配合し、湿式ボールミル中にて混合し、乾燥した
後、１．５　ｔｏｎ／ｃｒ！の圧力で圧粉体に成形し、
１０　　ｔｏｒｒの真空中、温度。

２０００℃に１時間保持して焼結することによって、実
質的に配合組成と同一の成分組成を有する本発明焼結材
料１〜３４および比較焼結材料１〜１４をそれぞれ製造
した。なお、比較焼結材料１〜９は、原料粉末として組
成式を満足しない複合金属炭窒酸化物粉末を使用したも
のであり、また比較焼結材料ｌＯ〜１４は、構成成分の
うちのいずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れ
た組成をもつものである（いずれの場合も第１表に※印
を付して表示した）。

ついで、この結果得られた本発明焼結材料１〜３４およ
び比較焼結材料１−１４について、常温でのロックウェ
ル硬さくＡスケール）およ７１０００℃でのビッカース
硬さを測定すると共に、抗折力を測定した。また、これ
ら焼結材料よりＳ　Ｎ　Ｐ　４３２の形状をもった切削
チップを切り出し、被削材。

ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ３２０）、切削速度、１５０
ｍ　１ｍ１ｎ　、切込み：１．５ｇ、送り：　０．４　
ｙ＋ｚ／ｒｅｖ、、の条件で９高速連続切削試験、およ
び被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：Ｈ，Ｂ２７０）、切削
速度’、　５　Ｑ　７７１　／　Ｍ。

切込み、２朋、送り：　０．　’７　ｍｍ／ｒｅｖ、の
条件での高送り連続切削試験を行ない、いずれの試験に
おいても切削チップの逃げ面摩耗が０３１１１１Ｘに至
るまでの切削時間を測定した。さらに上記の各種焼結材
料より切り出した切削チップを用いて、被剛材。

ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２　’７０を有し、かつ８０
０朋×２５０朋Ｘ　１００　ｍ、の寸法を有する板材）
。

切削速度：１００ｍ／簡、切込み　１．５．、、送り：
段階的に変化、各送りでの切削時間：２馴の条件で断続
切削試験を行ない、刃先に欠損が生じた時点の送り量を
チェックし、切削靭性を評価した。

これらの測定結果を第２表にまとめて示した。

第２表に示される結果から、本発明焼結材料１〜３４は
、いずれも高強度、並びに常温および高温硬さを有し、
かつすぐれた高速および高送り切削性能をもつことが明
らかである。

これに対して、比較焼結材料１〜１４は、特に硬さ９強
度、および切削特性のいずれもが本発明焼結材料１〜３
４に比して全体的に劣ったものになっている。

上述のように、この発明の焼結材料は、高強度。

高硬度、および高靭性を有し、さらに耐熱性および′耐
酸化性にもすぐれているので、切削工具、特に高速およ
び高送り切削工具として用いた場合にすぐれた切削性能
を安定的に長期に亘って発揮するばかりでなく、線引き
ダイスや熱間鍛造ダイス、さらに軸受および圧延ローラ
などの耐摩耗工具として使用した場合にもすぐれた性能
を長期に亘って発揮するのである。

出願人　　三菱金属株式会社 代理人　　富　　１）　和　夫

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　硬質分散相形成成分としての組成式。 （Ｔ　ＩＷ　（Ｈｆ＋　Ｚｒ　）ｘ　（Ｎｂ＋　Ｔａ　
   ）”ｌ’　（Ｗ＋　ＭＯ）　１−ｗ−ｘ−ｙ　）・（Ｃ
   １−ｕ　−ｖＮｖＯｕ　）　ｚ＋（ただし、原子比で、
   ｗ／（ｗ＋ｘ　）：　０．５〜０．８．　　（ｗ＋ｘ＋
   ｙ　）　：　０．６０〜’０．９５．　ｙｏ、０１〜０
   ．２０．　　ｕ　：０．００５〜０．０５０．　ｖ：ｏ
   、００５〜ｏ、３０．ｚ：０５〜０９にして、Ｈｆ　＞
   Ｚｒ、　Ｎｂ＞Ｔａ。 Ｗ）Ｍｏ）を有する複合金属炭窒酸化物、１０〜８０チ
   、 同じく硬質分散相形成成分としての窒化チタン：１−１
   ０％および窒化アルミニウム：０５〜ｌＯ％を含有し。 残りが結合相形成成分としてのＷと不可避不純物からな
   る組成（以上重量％）を有することを特徴とする特許 耗工具用焼結材料。
2. （２）　　硬質分散相形成成分としての組成式：％式％
   ） （ただし、原子比で、Ｗ／（ｗ＋ｘ　）：０５〜０８。 （　ｗ十ｘ＋ｙ　）　：　０．６　０〜０．９　５，　
   Ｙ　：　０．０　１〜０、　２　０，　　ｕ　：０．０
   ０５〜０．０５０，　　ｖ　：０．００５〜０．３０。 ｚ　：　０．５〜０．９にして，　Ｈｆ　）Ｚｒ，　Ｎ
   ｂ＞Ｔａ，　Ｗ　：＞Ｍｏ）を有する複合金属炭窒酸化
   物；１０〜８０％、同じく硬質分散相形成成分としての
   窒化チタン：１−１０％および窒化アルミニウム：０５
   〜１０％を含有し、 さらに結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２０％（ただ
   しＷ）Ｍｏ）を含有し、 残シが結合相形成成分としてのＷと不可避不純物からな
   る組成（以上型ｍ％）を有することを特徴とする高温特
   性のすぐれた切削工具および耐摩耗工具用焼結材料。
3. （３）硬質分散相形成成分としての組成式：（Ｔｉｗ（
   Ｈｆ、　Ｚｒ　）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ　）ｙ（Ｗ、　Ｍｏ　
   ）　ｘ　−Ｗ−Ｘ−ｙ）　’　（Ｃ１−ｕ−ｖＮＶＯｕ
   ）　ｚ。 （ただし、原子比で、ｗ　／　（ｗ　十ｘ　）　：　０
   ．５〜０．８゜（ｗ＋ｘ＋ｙ　　）　　：　　０．６０
   〜０．９　５．　　Ｙ　　：　　０．０１〜０、２　０
   　、　　ｕ　　：　０．００５〜０．０５０．　　ｖ　
   　：０．００５〜０．３０゜ｚ：０．５〜０．９にして
   、　Ｈｆ＞Ｚｒ、　Ｎｂ＞Ｔａ、　Ｗ＞Ｍｏ）を有する
   複合金属炭窒酸化物：１０〜８０％、同じく硬質分散相
   形成成分としての窒化チタン。１〜１０％および窒化ア
   ルミニウム：０５〜１０チを含有し、 さらに結合相形成成分としてのＲｅ：１〜２０％（ただ
   しＷ　＞Ｒｅ　）を含有し、 残りが結合相形成成分としてのＷと不可避不純物からな
   る組成（以上重量％）を有することを特徴とする特許 耗工具用焼結材料。
4. （４）硬質分散相形成成分としての組成式：％式％） （ただし、原子比で、ｗ／（ｗ十ｘ　）：０．５〜０８
   。 （　ｗ＋ｘ＋ｙ　）：　０．６０〜０．９５，Ｙ：００
   １〜０、　２　０　、　　ｕ　：０．００５〜０．０５
   ０，　　ｖ　：０．００５〜０．３０。 ｚ：０．５　〜０．９にして、Ｈｆ　＞Ｚｒ　、　Ｎｂ
   　＞Ｔａ　、Ｗ＞Ｍｏ　）を有する複合金属炭窒酸化物
   　１０〜８０％、同じく硬質分散相形成成分としての窒
   化チタン、１〜１０％および窒化アルミニウム．０５〜
   １０％を含有し、 さらに結合相形成成分としてのＭＯ　１〜２０％。 同じく結合相形成成分としてのＲｅ：１〜２０％（ただ
   しＷ　＞Ｍｏ　＋Ｒｅ　）を含有し、残りが結合相形成
   成分としてのＷと不可避不純物からなる組成（以上重量
   ％）を有することを特徴とする高温特性のすぐれた切削
   工具および耐摩耗工具用焼結材料。