JPS601388B2 - 切削工具および耐摩耗工具用立方晶型窒化ほう素基超高圧焼結材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高硬度、並びにすぐれた耐摩耗性、鞠性、
耐熱性、および高温強度を有し、特にこれらの特性が要
求される高速度鋼や、Ｎ盤あるいはＣｏ基スーパーアロ
ィなどの被削材の切削工具として、また軸受や線引きダ
イスなどの耐摩耗工具として使用するのに通した立方晶
型窒化ほう素（以下ＣＢＮで示す）基超高圧焼結材料に
関するものである。

従来、この種の切削工具や耐摩耗工具の製造には、比較
的高い硬さと、すぐれた靭性を有する炭化タングステン
（以下ＷＣで示す）基暁給材料が広く使用されてきた。

しかし、このＷＣ基焼給材料は、十分な耐摩耗性を具備
したものでないため、最近の苛酷な使用環境下では十分
満足する性能を発揮し得ないのが現状である。一方、近
年、従来ＷＣ基焼結材料のもつ問題点を解決する材料と
して、きわめてすぐれた耐摩耗性を有し、かつ切削工具
や耐摩耗工具として使用するのに適したＣＢＮ基超高圧
焼緒材料が提案されている。

このＣＢＮ基超高圧焼結材料は、ＣＢＮ粒の結合相によ
って２種類に大別することができ「その１つが、結合相
を鉄族金属、さらにＡＩなどを主成分としたものであり
、もう１つが、窒化チタン（ＴＩＮ）、炭化チタン（Ｔ
ＩＣ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、および酸化アル
ミニウム（ＡＩ２０３）などの成分を主成分とした結合
相で横成されたものである。

しかしながらト前者においては、結合相が金属で構成さ
れているために、高温で軟化しやすく、したがって多大
の熱発生を伴う苛酷な条件下で使用した場合には耐摩耗
性不足が原因で満足すべき性能を発揮しないものであり
、この結果、例えばダイス鋼などの高硬度鋼の切削に使
用するに際しては、熱発生の少ない条件下（負荷の低い
切削条件）でしか適用することができないものである。
また、後者の結合相がセラミック系化合物で構成される
ＣＢＮ基超高圧暁結材料においては、セラミック自体が
元来脆いことに加えて、暁結性も良くないことから、耐
熱性および耐摩耗性にはすぐれているものの、級性不足
が原因で、例えば刃先に大きな衝撃力の加わる切削条件
下（例えば高速度鋼のフライス切削）ではチッピングや
欠損を起し易いものである。そこで、本発明者等は、上
述のような従来ＣＢＮ基超高圧焼結材料のもつ問題点を
解決すべく、特にその結合相に着目し研究を行なった結
果、ＣＢＮ粒子の結合相を、Ｗ−ＴｉｈＣ系合金素地中
に硬質炭化物が析出した組織を有するものとすると、こ
の結果のＣＢＮ基超高圧焼結材料は「高硬度を有し、か
つ耐摩耗性、鞠性、耐熱性「および高温強度にすぐれ、
しかも化学的にきわめて安定したものになり、また、こ
れにＡＩ、Ｂ、Ｚｒ、およびＳｉのうちの１種または２
種を含有させると「これら成分のもつ脱酸作用によって
、ＣＢＮ粒同志およびＣＢＮ粒と結合相の界面の結合力
が一段と強化されるようになることから、よりすぐれた
靭性をもつようになり、さらにＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ
、Ｃｕのうちの１種または２種以上を含有させると、超
高圧下での焼結過程で、結合相同志の結合力が一段と強
化されるようになって「繊密化が促進し、この結果より
強度が向上するようにな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、重量％で（以下％の表示はすべて重量％
を示す）、Ｗ：１６〜８０％、 Ｔｉ：０．８〜２０％、 Ｃ：０．２〜４％、 を含有し、さらに必要に応じて、 ＡＩ、Ｂ「Ｚｒ、およびＳｊのうちの１種または２種以
上（以下これらを総称して靭性向上成分という）：○‐
１〜２％、Ｎｉ「Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ「 およびＣｕのう
ちの１種または２種以上（以下これらを総称して強度向
上成分という）；０．１〜２％、のうちのいずれかトま
たは両方を含有し、ＣＢＮおよび不可避不純物：残り、 からなる組成（ただしＣＢＮ：１８〜６０％含有）をも
っと共に、ＣＢＮ粒子の結合相が、Ｗ−Ｔｊ−Ｃ系合金
の素地中に硬質炭化物が析出した組織を有し、特に切削
工具および耐摩工具として使用した場合に著しくすぐれ
た性能を発揮するＣＢＮ基超高圧暁結材料に特徴を有す
るものである。

なお、この発明のＣＢＮ基超高圧焼給材料が、上記のす
ぐれた特性をもつ理由は、ＣＢＮ粉末と、所定組成のＷ
−Ｔｉ−Ｃ合金粉末あるいは所定組成のＷ−Ｔｉ−Ｃ系
合金を形成するように酢合した混合粉末とからなる原料
粉末を、混合状態で、超高圧暁結すると、その競絹時に
、前記合金粉あるいは合金化粉が塑性流動してＣＢＮ粒
子間に入り込み、ＣＢＮ粒子を取り囲む形で暁結される
結果、焼結時のＣＢＮ粒子の粒成長が抑制されるように
なるほか、焼絹性が促進されるようになることから、強
度、靭性が一段と向上するようになり、さらにこの結果
の結合相はＷに富む金属相と硬質炭化物相との擬２元系
の層状共晶組織、あるいは一次硬質炭化物粒子の析出し
た層状組織をもつようになることから、すぐれた耐摩耗
性、高硬度、および耐熱性を有するようになるものと考
えられる。

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

ｔａ｝ ＷＴＷ成分には、結合相の耐熱性を向上させ、
かつＣＢＮ粒子と結合相間の結合力を強化する作用があ
るが、その含有量が１６％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、一方８０％を越えて含有させると、相対
的に結合相に占める金属相の割合が多くなりすぎて耐摩
耗性が低下するようになることから、その含有量を１６
〜８０％と定めた。

【ｂ）Ｔｊ Ｔｉ成分には「結合相中において主として層状炭化物（
一部Ｗが固浴したＴｉ−Ｗ系複合炭化物）を形成して、
材料の耐摩耗性（硬さ）を向上させる作用があるが、そ
の含有量が０．８％禾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、層状炭化物
に加えて、過大な一次晶出粒状炭化物が形成するように
なり、この結果耐摩耗性は良好でも、靭性の劣化が著し
くなることから、その含有量を０．８〜２０％と定めた
。

（ｃ｝ Ｃ Ｃ成分には、一部は素地に固落し、残りがＷおよび／ま
たはＴｉと硬質炭化物を形成し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０．２％禾満では硬
質炭化物の量が少なすぎて所望の耐摩耗性を確保するこ
とができず、一方４％を越えて含有させると、硬質炭化
物の結合相に占める量が多くなりすぎて、結合相自体が
腕化するようになることから、その含有量を０．２〜４
％と定めた。

‘ｄ｝ 籾性向上成分 上記の通り、ＡＩ、Ｂ、Ｚｒ、およびＳｊ成分には、材
料の靭性を一段と向上させる作用があるので、特に高靭
性が要求される場合に含有されるが、その含有量が０．
１％未満では所望の籾性改善効果が得られず、一方２％
を越えて含有させると、腕化するようになることから、
その含有量を０．１〜２％と定めた。

‘ｅ｝ 強度向上成分 同様に、Ｎｊ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＣｕ成分には
、材料の強度をより一層高める作用があるが、その含有
量が０．１％未満では所望の強度向上効果が得られず、
一方２％を越えて含有させると、高温強度が低下するよ
うになることから、特に高強度が要求される場合のこれ
ら成分の含有量を０．１〜２％と定めた。

なお、この発明のＣＢＮ基超高圧焼縞材料におけるＣＢ
Ｎの含有量は１８〜６０％とするのが望ましく、これは
、その含有量が１８％未満では所望のすぐれた耐摩耗性
を確保するのが困難となり、また一方、６０％を越えて
含有させると、材料の靭性低下が著しくなることによる
ものである。

また、この発明のＣＢＮ基暁結材料は、通常、原料粉末
としてＣＢＮ粉末と、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ合金粉末あるいは所
定の結合相組成になるように配合した混合粉末とを使用
し、これら原料粉末を所定割合に配合し、通常の条件で
混合し、ついでこの結果の混合粉末を金属容器内に入れ
、８００〜１２０００Ｃの温度にて脱ガスし、真空封入
を行なった後、ガードル型超高圧発生装置に装填し、圧
力：４０〜７０Ｋｂ、温度：１３００〜１７００００の
超高圧・高温条件下で約５分間以上保持した後、冷却し
て圧力を下げる一連の超高圧暁結工程によって製造する
ことができる。

ついで、この発明のＣＢＮ基超高圧焼結材料を実施例に
より比較例と対比しながら説明する。

実施例 １原料粉末として、平均粒律：２仏のを有する
市販のＣＢＮ粉末と、同ｌｒｍを有し、かつＴｉ：５．
２％、Ｃ：１．４％、Ｗ：残りからなる組成をもった高
温プラズマ法により製造のＷ−Ｔｉ−Ｃ合金粉末を用意
し、これら原料粉末を、ＣＢＮ粉末：５０％、Ｗ−Ｔｉ
−Ｃ合金粉末：５０％の配合組成に配合し、この配合粉
末をボールミル中で２蝿時間湿式混合した後、外径：１
２肌中の金属Ｍｏ製容器に詰め、ついで真空にさらして
脱気した後、密封し、引続いて、この密封容器を公知の
超高圧高温発生装置に装入し、圧力：５郎ｂ、温度：１
４５０ｑｏ、保持時間：３０分の条件で超高圧暁結し、
最終的に冷却後、圧力を徐々に下げることによって、Ｗ
：４７％、Ｔｉ：２．６％、Ｃ：０．７％、ＣＢＮおよ
び不可避不純物：残りからなる最終成分組成をもった本
発明超高圧焼結材料１を製造した。

つぎに、この結果得られた本発明超高圧焼結材料１と、
比較のために用意したＴＮ：１４％含有の市販超高圧焼
結材料について、被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さＨＲＣ；
５２）、切削速度：１２０の／ｍｊｎ、送り：０．１２
肌′ｒｅｖ．、切込み；０．５肋、切削油：なしの条件
（以下切削条件Ａという）、並びに被削材：ダイス鋼Ｓ
ＫＤ−１１（硬さＨＲＣ：６１）、切削速度：１１０ｍ
／ｍｉｎ、送り：０．１側′ｒｅｖへ功込み：０．３側
、切削油：なしの条件（以下切削条件Ｂという）で切削
試験を行ない、フランク摩耗中が０．２側に至るまでの
切削時間をそれぞれ測定した。

この結果、切削条件Ａでは、本発明超高圧嘘給材料１：
３６分、市販超高圧焼結材料：１１分を示し、また切削
条件Ｂでは、本発明超高圧焼結材料１：４３分、市販超
高圧焼結材料：１９分をそれぞれ示し、これらの結果か
ら、本発明超高圧焼結材料１は市販のものに比して一段
とすぐれた切削性能を発揮することが明らかである。実
施例 ２ 原料粉末として、平均粒律：２仏のを有する市販のＣＢ
Ｎ粉末、それぞれ第１表に示される成分組成をもち、か
ついずれも平均粒径を２ｒ机に調製した各種のＷ−Ｔｉ
−Ｃ合金粉末、平均粒蚤：２ｒｗのＡＩ粉末、同２仏の
のＢ粉末、同２仏ののＺｒ粉末、同３仏ののＳｉ粉末、
同２仏仇のＮｊ粉末、同１仏肌のＣｏ粉末、同２ｒｍの
Ｆｅ粉末、同２山ｍのＭｎ粉末、および同２仏ののＣｕ
粉末を用意し、これら原料粉末を同じく第１表に示され
る配合組成に配合する以外は、実施例１におけると同一
の条件で本発明超高圧焼結材料２〜１６および比較超高
圧焼給材料１、２をそれぞれ製造した。

聡舵 この結果得られた本発明超高圧暁結材料２〜１６および
比較超高圧競続材料１、２の最終成分組成および実施例
１における切削条件Ａによる切削試験結果を同じく第１
表に示した。

また、第１表には切削試験終了後の刃先のチッピング発
生状況も示した。第１表に示される結果から、Ｃ成分の
含有量がこの発明の範囲から外れて高い比較超高圧焼続
材料１においては、靭性不足が原因でチッピングの発生
が著しく、この結果寿命時間のきわめて短かし、ものに
なっており、また、同機にＣＢＮの含有量がこの発明の
範囲から外れて低い比較超高圧焼結材料２においては、
耐摩耗性不足が原因で寿命時間の短かし、ものになって
いる。

これに対して、本発明超高圧焼結材料２〜１６は、いず
れもすぐれた切削性能を発揮することが明らかである。
第２表実施例 ３ 原料粉末として、いずれも平均粒蓬：２山肌を有する市
販のＣＢＮ粉末、ＴＩＣ粉末、ＷＣ粉末、およびＷ粉末
、さらに同２ム肌のＮ粉末、同２山肌のＢ粉末、同２ぶ
れのＺｄ粉末、同２〃肌のＳ粉末、同２仏ののＮｉ粉末
、同１仏ののＣｏ粉末、同１仏肌のＦｅ粉末、同２仏肌
のＭ岬扮末、同２仏ののＣｕ粉末を用意し、これら原料
粉末を第２表に示される最終成分組成となるように配合
する以外は、実施例１におけると同一の条件にて本発明
超高圧焼結材料１７〜３０および比較超高圧糠結材料３
〜５をそれぞれ製造した。

この結果得られた超高圧焼結材料の実施例１における切
削条件Ａによる試験結果および試験後のチッピング発生
状況を第２表に合せて示した。

第２表に示される結果から、この実施例においても、実
施例２における場合と同様に、本発明超高圧糠結材料１
７〜３０は、いずれもすぐれた切削特性を示すのに対し
て、構成成分の含有量がこの発明の範囲から外れた比較
超高圧焼結材料３〜５においては、いずれも切削性能の
劣ったものになっている。上述のように、この発明のＣ
ＢＮ基超高圧焼結材料は、高硬度、並びにすぐれた耐摩
耗性、轍性、耐熱性、および高温強度を有するので、こ
れらの特性が要求される高速度鋼や、Ｎ基あるいはＣｏ
基スーパーアロィなどの被削材の切削工具として使用し
た場合は勿論のこと、軸受や線引きダイスなどの耐摩耗
工具として使用した場合にも、きわめてすぐれた性能を
長期に亘つて安定的に確保でき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 Ｗ：１６〜８０％、Ｔｉ：０．８〜２０％、Ｃ：０
   ．２〜４％を含有し、残りが立方晶型窒化ほう素（ただ
   し立方晶型窒化ほう素：１８〜６０％含有）および不可
   避不純物からなる組成（以上重量％）を有し、かつ立方
   晶型窒化ほう素粒の結合相が、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系合金の素
   地中に硬質炭化物が析出した組織を有することを特徴と
   する切削工具および耐摩耗工具用立方晶型窒化ほう素基
   超高圧焼結材料。 ２ Ｗ：１６〜８０％、Ｔｉ：０．８〜２０％、Ｃ：０
   ．２〜４％を含有し、さらにＡｌ、Ｂ、Ｚｒ、およびＳ
   ｉのうちの１種または２種以上：０．１〜２％を含有し
   、残りが立方晶型窒化ほう素（ただし立方晶型窒化ほう
   素：１８〜６０％含有）および不可避不純物からなる組
   成（以上重量％）を有し、かつ立方晶型窒化ほう素粒の
   結合相が、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系合金の素地中に硬質炭化物が
   析出した組織を有することを特徴とする切削工具および
   耐摩耗工具用立方晶型窒化ほう素基超高圧焼結材料。 ３ Ｗ：１６〜８０％、Ｔｉ：０．８〜２０％、Ｃ：０
   ．２〜４％を含有し、さらにＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、
   およびＣｕのうちの１種または２種以上：０．１〜２％
   を含有し、残りが立方晶型窒化ほう素（ただし立方晶型
   窒化ほう素：１８〜６０％含有）および不可避不純物か
   らなる組成（以上重量％）を有し、かつ立方晶型窒化ほ
   う素粒の結合相が、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ系合金の素地中に硬質
   炭化物が析出した組織を有することを特徴とする切削工
   具および耐摩耗工具用立方晶型窒化ほう素基超高圧焼結
   材料。 ４ Ｗ：１６〜８０％、Ｔｉ：０．８〜２０％、Ｃ：０
   ．２〜４％を含有し、さらにＡｌ、Ｂ、Ｚｒ、およびＳ
   ｉのうちの１種または２種以上：０．１〜２％と、Ｎｉ
   、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＣｕのうちの１種または２
   種以上：０．１〜２％を含有し、残りが立方晶型窒化ほ
   う素（ただし立方晶型窒化ほう素：１８〜６０％含有）
   および不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有し
   、かつ立方晶型窒化ほう素粒の結合相が、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ
   系合金の素地中に硬質炭化物が析出した組織を有するこ
   とを特徴とする切削工具および耐摩耗工具用立方晶型窒
   化ほう素基超高圧焼結材料。