JPS601380B2 - 高温特性のすぐれた切削工具用材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、すぐれた高濠特性を有し、特にこれらの特
性が要求される高速切削や高送り切削に使用した場合に
すぐれた性能を発揮する切削工具用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、Ｎ
ｉ、Ｃｏ）を結合相とする籍硬合金やサーメットは、刃
先温度が１０００ｑｏを越えると急激に軟化するように
なるため、これらの超硬合金やサーメット、さらにはこ
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℃を若干上廻る程度に制限されている。
なかでも、酸化アルミニウムを主成分としたセラミック
は、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いるが「この
セラミックでも刃先の高温における安定性に欠け、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
使用されているのが実情である。そこで、本発明者等は
、上述のような観点から、高速切削や高送り切削が可能
な高温特性にすぐれた切削工具用材料を得べ〈研究を行
なった結果、‘ａ｝ 硬質相を、Ｔｉを主成分とする化
合物相と、ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種を主
成分とする化合物相と、ＮｂおよびＴａのうちの１種ま
たは２種を主成分とする化合物相との微細な３相から構
成し、一方結合相を、Ｗを主成分とする高融点金属相で
構成した組織とすると、高温において高硬度、高鰍性、
およびすぐれた耐酸化性を示し、この結果安定した高速
切削および高送り切削が可能となり、かつ、この組織は
「Ｔｉ：２．５〜３４．０％、ＺておよびＨｆのうちの
１種または２種：３．７〜６４．０％、ＮｂおよびＴａ
のうちの１種または２種：１〜３１％、酸素：０．０１
〜１．３％、Ｃ：１．２〜９．３％を含有し、残りが基
本的にＷと不可避不純物からなり、しかも、原子比で、
条件式：〔ＴＷ（Ｚｒ、Ｈｆ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙＷ，
−ｗ−ｘ−ｙ〕。

〔〇ｕＣ，一ｕ〕Ｚ（ただし、ｗ／（ｗ＋ｘ）：０．３
〜０．８、（ｗ十ｘ十ｙ）：０．３〜０．８ ｙ：０．
０１〜０．２、ｕ：０．００５〜０．１、ｚ：０．２〜
０．７）、を満足する組成（以上重量％）とすることに
よって得られること。

｛ｂ｝ さらにＭｏを１〜１８％の範囲で含有させると
、材料特性を何らそこなうことなく、材料比重並びにコ
ストの低減化がはかれること。

｛ＣＩ さらに、また鉄族金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）の
うちの１種または２種以上を１〜５％の範囲で含有させ
ると、焼結性が一段と改善されるようになること。

以上ｔａ｝〜｛ｃに示される知見を得たのである。

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、以下に成分組成および条件式を上記の通りに限定し
た理由を説明する。Ａ 成分組成 （ａ）Ｔｊ Ｔｉは炭素および酸素などと結合して、硬質相を構成す
る３相のうちの１相の化合物相を形成し、材料に高硬度
を付与せしめて、材料の耐摩耗性を向上させる作用があ
るが、その含有量が２．５％未満では、材料の凝結工程
での固溶状態からの冷却過程で、所望の量の微細なＴｉ
を主成分とする化合物相が析出分離せず、したがって高
硬度を確保することができず、一方３４．０％を越えて
含有させると相対的に硬質相が多くなりすぎて鞠性が劣
化するようになることから、その含有量を２．５〜３４
．０％と定めた。

‘ｂ｝ ＺｒおよびＨｆ これらの成分もＴｉと同様に炭素および酸素などと結合
して硬質相を構成する３相のうちの１相の化合物相を形
成して材料の耐摩耗性を向上せしめる作用があるが、そ
の含有量が３．７％未満では、固溶状態からの冷却に際
して所定量のＺｒおよびｍを主成分とする化合物相が析
出分離せず（Ｔｊ系化合物相とＺｒおよび／またはＨｆ
系化合物相が同時に析出した場合に硬質相は微細となる
）、したがって材料に高硬度を付与せしめることができ
ず、一方６４．０％を越えて含有すると、Ｔｉと同様鋤
性劣化をきたすようになることから、その含有量を３．
７〜６４．０％と定めた。

｛ｃ｝ ＮｂおよびＴａ これらの成分もＴｉ、Ｚｒ、およびＨｆと同様に硬質相
を構成する３相のうちの１相の化合物相を形成し、特に
耐酸化性を著しく向上させる作用があるが、その含有量
が１％未満では所望のすぐれた耐酸化性を確保すること
ができず、一方３１％を越えて含有させると、轍性が低
下するようになることから、その含有量を１〜３１％と
定めた。

肌酸素 酸素は上記の通りＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、およびＴａ
と結合して化合物相を形成し、特に炭窒酸化物を形成し
て材料の硬度および耐酸化性を上げる作用があるが、そ
の含有量が０．０１％未満では相対的に炭窒化物量が多
くなって、切削時の被削村との溶着性が増し、耐摩耗性
が劣化するようになり、一方１．３％を越えて含有させ
ると、硬質相が粗大化し易くなって級性が劣化し、かつ
硬さ低下をきたすようになることから、その含有量を０
．０１〜１．３％と定めた。

｛ｅ｝炭素 上記の通り炭素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、場
合によってはＷと結合して硬質相を構成する炭化物およ
び炭酸化物を形成し、耐摩耗性および耐酸化性を向上さ
せる作用があるが、その含有量が１．２％未満では所定
の量および硬さの硬質相を確保することができず、一方
９．３％を越えて含有させると、相対的に硬質相に比し
て結合相の割合が少なくなり過ぎ、靭性が劣化するよう
になることから、その含有量を１．２〜９．３％と定め
た。

｛ｆー ＭｏＭｏ成分には、材料の比重を下げ、かつ材
料のもつ特性を何らそこなうことなく、相対的にＷ含有
量を低下せしめてコストの低減をはかることのできる作
用があるが、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１８％を越えて含有させると、
高温特性の全体的劣化をもたらすようになることから、
その含有量を１〜１８％と定めた。

■ 鉄族金属鉄族金属には、材料の焼絹性を一段と向上
せしめる作用があるが、その含有量が１％未満では所望
の暁鯖性向上効果が得られず、一方５％を越えて含有さ
せると、高温特性が劣化するようになることから、その
含有量を１〜５％と定めた。

Ｂ 条件式 【ａ’（ｗ十×十ｙ）の原子比 （ｗ＋ｘ十ｙ）の原子比が０．３未満では、硬質相の量
が結合相に比して少なくなり過ぎて所望の高硬度、すな
わちすぐれた耐摩耗性並びにすぐれた耐酸化性を確保す
ることができず、一方逆にその原子比が０．８を越える
と、相対的に結合相の量が少なくなり過ぎて所望の高級
性を確保することができなくなることから、（ｗ＋ｘ＋
ｙ）の原子比を０．３〜０．８％と定めた。

｛ｂ｝ ｗ／（ｗ＋ｘ）の原子比 ｗ／（ｗ＋ｘ）の比が、原子比で０．３禾満では、相対
的にＴｉを主成分とする化合物相の析出量が、Ｚｒおよ
び／またはＨｆを主成分とする化合物相に比して少なく
なり過ぎ、硬質相の微細化に寄与するＴｊ系化合物とＺ
ｒおよび／またはＨｆ系化合物の共存が実質的に不可能
となり、この結果硬質相はＺて、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａを主
成分とする化合物相主体となり、微細構造を維持するこ
とができなくなって硬度および靭性の低下をきたし、一
方、この比が０．８を越えると、逆にＺｒおよび／また
はＨｆを主成分とする化合物相の量がＴｉを主成分とす
る化合物相に比して少なくなりすぎ、同様な理由で微細
構造を確保することができなくなることから、その原子
比を０．３〜ｏ．８と定めた。

【ｃ）ｙの原子比 ｙの原子比が０．０１禾満では、上記のようにＮｂおよ
び／またはＴａ系化合物相の量が少な過ぎて所望のすぐ
れた耐酸化性を確保することができず、一方０．２を越
えた原子比になると、実質的に靭性劣化をきたすように
なることから、その原子比を０．０１〜０．２と定めた
。

｛ｄ｝ ｕの原子比ｕの原子比が０．００５未満では、
硬質相を構成する化合物相における酸素含有量が炭素含
有量に比して低くなりすぎ、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ず、したがって切削時に被
削材に溶着するようになり、一方この比が０．１を越え
ると、炭素に比して酸素の量が多くなりすぎ、硬質相の
粗大化をきたすようになって所望の高硬度および高鋤性
を確保することができなくなることから、その原子比を
０．００５〜０．１と定めた。

｛ｄ） ｚの原子比この値はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、および
必要に応じて含有させたＭｏ、鉄族金属と、炭素および
酸素との割合を定めたもので、この値が０．２％未満で
は、相対的に硬質相の量が少なくなりすぎて、所望の高
硬度を確保することができず、一方この値が０．７を越
えると、炭素および酸素の量が多くなりすぎ、結合相を
構成するＷまでが炭化物を形成するようになって結合相
量の不足をきたし、鰍性が劣化するようになることから
、この比を０．２〜０．７％と定めた。

つぎに、この発明の切削工具用材料を実施例により具体
的に説明する。

実施例 原料粉末として、平均粒径１．０ム肌のＴ℃粉末（酸素
：０．３％含有）、同１．０ぷ机のＺｒＣ粉末（酸素：
０．２％含有）、同１．０〃肌のＨｆＣ粉末（酸素：０
．１５％含有）、同１．１仏ののＮｂＣ粉末（酸素０．
２％含有）、同１．０〃肌のＴａＣ粉末（酸素：０．１
５％含有）、同０．８山肌のＷ粉末（酸素：０．０５％
含有）、同０．８ｒ肌のＭｏ粉末（酸素：０．１％含有
）、同２仏ののＦｅ粉末（酸素：０，４％含有）、同１
．１山肌のＮｉ粉末（酸素：０．３％含有）、および同
１．０仏肌のＣｏ粉末（酸素：０．３％含有）を用意し
、これら原料粉末を所定割合に配合し、ボールミルにて
混合し、１０００ｋｇ／仇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、１ｏｏ〜１０‐２ｔｏｎ
の圧力を有する真空中、温度：２１００ｑ０に１時間保
持した後、２１００ｑｏから１０００『０の範囲を２０
０ｑＣ／ｈｒの冷却速度で冷却することによって、実質
的に第１表に示される最終成分組成および条件式（第１
表の式中、ＭはＭｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）を有する本発
明材料１〜２１および比較材料１〜１０をそれぞれ製造
した。

なお、比較材料１〜１０は、いずれも構成成分のうちの
いずれかの成分（第１表には※印で表示）がこの発明の
範囲から外れた組成をもつものである。Ｓ 船 職 Ｓ 船 船 この結果得られた本発明材料１〜２１および比較材料１
〜１０のロックウェル硬さ（Ａスケール）および抗折力
を測定すると共に、これよりＳＮＰ４３２の形状をもっ
た切削チップを取り出し、被削材：ＳＮＣＭ−８（ＨＢ
３２０）、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切込み：２側
、送り：０．７側′ｒｅｖ．の条件で切削試験を行ない
、逃げ面摩耗が０．３側に至るまでの切削時間を測定し
、合せて刃先状況も観察した。

これらの結果を第２表にまとめて示した。第２表 第２表に示される結果から、本発明材料１〜２１はいず
れも高硬度および高劉性を有し、かつすぐれた切削性能
を示すものであるのに対して、比較材料１〜１０は、こ
れらの特性のうち少なくともいずれかの特性が劣ったも
のになっている。

上述のように、この発明の材料は、高硬度と高靭‘性、
さらにすぐれた耐酸化性を有し、しかもこれらの特性は
、硬質相が微細な３相横造をもち、結合相が高融点金属
であるＷを主成分とする金属相で構成されているので高
温においても確保され、したがって、これを切削工具と
して使用し、かつ高速切削および高送り切削を適用した
場合にもすぐれた切削性能を安定的に長期に亘つて発揮
するなど工業上有用な特性を有するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｔｉ：２．５〜３４．０％、ＺｒおよびＨｆのうち
   の１種または２種：３．７〜６４．０％、ＮｂおよびＴ
   ａのうちの１種または２種：１〜３１％、酸素：０．０
   １〜１．３％、Ｃ：１．２〜９．３％、Ｗおよび不可避
   不純物：残りからなる組成（以上重量％）を有し、かつ
   原子比で、〔Ｔｉｗ（Ｚｒ、Ｈｆ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ
   Ｗ＿１＿−ｗ＿−ｘ＿−ｙ〕・〔ＯｕＣ＿１＿−ｕ〕ｚ
   、（ただし、ｗ／（ｗ＋ｘ）：０．３〜０．８、（ｗ＋
   ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８、ｙ：０．０１〜０．２、ｕ
   ：０００５〜０．１、ｚ：０．２〜０．７）、の条件式
   を満足し、さらに硬質相が、Ｔｉを主成分とする化合物
   相と、ＺｒおよびＨｆのいずれか、または両方を主成分
   とする化合物相と、ＮｂおよびＴａのいずれか、または
   両方を主成分とする化合物相と微細な３相からなり、一
   方結合相がＷを主成分とする高融点金属相からなる組織
   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
   用材料。 ２ Ｔｉ：２．５〜３４．０％、ＺｒおよびＨｆのうち
   の１種または２種：３．７〜６４．０％、ＮｂおよびＴ
   ａのうちの１種または２種：１〜３１％、酸素０．０１
   〜１．３％、Ｃ：１．２〜９．３％、Ｍｏ：１〜１８％
   、Ｗおよび不可避不純物：残りからなる組成（以上重量
   ％）を有し、かつ原子比で、〔Ｔｉｗ（Ｚｒ、Ｈｆ）ｘ
   （Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ）＿１＿−＿ｗ＿−＿ｘ＿
   −＿ｙ〕・〔ＯｕＣ＿１＿−ｕ〕ｚ、（ただし、ｗ／（
   ｗ＋ｘ）：０．３〜０．８、（ｗ＋ｘ＋ｙ）：０３〜０
   ．８、ｙ：０．０１〜０．２、ｕ：０．００５〜０．１
   、ｚ：０．２〜０．７）、の条件式を満足し、さらに硬
   質相が、Ｔｉを主成分とする化合物相と、ＺｒおよびＨ
   ｆのいずれか、または両方を主成分とする化合物相と、
   ＮｂおよびＴａのいずれか、または両方を主成分とする
   化合物相との微細な３相からなり、一方結合相がｗを主
   成分とする高融点金属相からなる組織を有することを特
   徴とする高温特性のすぐれた切削工具用材料。 ３ Ｔｉ：２．５〜３４．０％、ＺｒおよびＨｆのうち
   の１種または２種：３．７〜６４．０％、ＮｂおよびＴ
   ａのうちの１種または２種：１〜３１％、酸素０．０１
   〜１．３％、Ｃ：１．２〜９．３％、鉄族金属（Ｆｅ、
   Ｎｉ、Ｃｏ）のうちの１種または２種以上：１〜５％、
   Ｗおよび不可避不純物：残りからなる組成（以上重量％
   ）を有し、かつ原子比で、〔Ｔｉｗ（Ｚｒ、Ｈｆ）ｘ（
   Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）＿１＿−＿ｗ
   ＿−＿ｘ＿−＿ｙ〕・〔ＯｕＣ＿１＿−ｕ〕ｚ、（ただ
   し、ｗ／（ｗ＋ｘ）：０．３〜０．８、（ｗ＋ｘ＋ｙ）
   ：０．３〜０．８、ｙ：０．０１〜０．２、ｕ：０００
   ５〜０．１、ｚ：０．２〜０．７）、の条件式を満足し
   、さらに硬質相が、Ｔｉを主成分とする化合物相と、Ｚ
   ｒおよびＨｆのいずれか、または両方を主成分とする化
   合物相と、ＮｂおよびＴａのいずれか、または両方を主
   成分とする化合物相との微細な３相からなり、一方結合
   相がＷを主成分とする高融点金属相からなる組織を有す
   ることを特徴とする高温特性にすぐれた切削工具用材料
   。 ４ Ｔｉ：２．５〜３４．０％、ＺｒおよびＨｆのうち
   の１種または２種：３．７〜６４．０％、ＮｂおよびＴ
   ａのうちの１種または２種：１〜３１％、酸素：０．０
   １〜１．３％、Ｃ：１．２〜９．３％、Ｍｏ：１〜１８
   ％、鉄族金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）のうちの１種または
   ２種以上：１〜５％、Ｗおよび不可避不純物：残りから
   なる組成を有し、かつ原子比で、〔Ｔｉｗ（Ｚｒ、Ｈｆ
   ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）
   ＿１＿−＿ｗ＿−＿ｘ＿−＿ｙ〕・〔ＯｕＣ＿１＿−ｕ
   〕ｚ、（ただし、ｗ／（ｗ＋ｘ）：０．３〜０．８、（
   ｗ＋ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８、ｙ：０．０１〜０．２
   、ｕ：０．００５〜０．１、ｚ：０．２〜０．７）、の
   条件式を満足し、さらに硬質相が、Ｔｉを主成分とする
   化合物相と、ＺｒおよびＨｆのいずれか、または両方を
   主成分とする化合物相と、ＮｂおよびＴａのいずれか、
   または両方を主成分とする化合物相との微細な３相から
   なり、一方結合相がＷを主成分とする高融点金属相から
   なる組織を有することを特徴とする高温特性のすぐれた
   切削工具用材料。