JPS6017016B2 - 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、すぐれた高温特性を有し、特にこらの特性
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、この頃向は増々強くな
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）を結合相とする超硬合金やサーメットは、刃
先温度が１０００ｏｏ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の微細な２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，高級性，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％，Ｚｒおよび世のうちの１種または２種：
３．７〜６４．０％，酸素：０．０１〜１．３％，Ｃ：
０．８〜９．３％，窒素：０．０１〜３．３％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：〔Ｔｉｘ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｙＷ，−Ｘ
−ｙ〕〔〇心ＮｖＣ，‐ｕ−Ｖ〕Ｚ （ただし、ｘ／（ｘ十ｙ）：０．３〜０．８（ｘ＋ｙ）
：０．３〜０．８，ｕ：０．００５〜０．１，ｖ：０．
００５〜０．３，ｚ：０．２〜０．７），を満足する組
成（以上重量％，以下％の表示はすべて重量を意味する
）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。

‘ｃ｝ 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、競結性が一段とされるようになること。

以上‘ａ｝〜｛ｄ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｝ Ｔｉ Ｔｉは炭素，窒素，および酸素などと結合して、硬質相
を構成する２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％禾満では、材料の
焼緒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
轍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 これらの成分にもＴｉと同様、炭素，窒 素，および酸素などと結合して、硬質相を構成する２相
（２相が同時に析出して共存した場合に硬質相は微細と
なる）のうちの他の１相の化合物相を形成し、Ｔｉを主
成分とする化合物相との共存において材料の硬度を高め
、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が３
．７％未満では、同様に固溶状態から析出分離量が少な
すぎて高硬度を確保することができず、一方６４．０％
を越えて含有すると、Ｔｉと同様鰯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
めた的酸素 酸素は上記の通りＴｉ，Ｚｒ，およびＨｆ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
を上げる作用があるが、その含有量が０．０１％未満で
は相対的に炭化物量が多くなって、切削時の被削材との
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
って籾性が劣化し、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。

｛ｄ）炭素 上記の通り炭素は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，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窒酸化物
を形成し、耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含
有量が０．８％禾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、鋤性が劣化するようになることから、その含有
量を０．８〜９．３％と定めた。

的窒素 同様に窒素は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆと結合して化合物相を
形成し、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０．０１％未満では所望の量の炭窒酸化物を
形成することができず、この結果切削時に被削性と溶着
するようになって摩耗が著しく進行するようになり、一
方３．３％を越えた含有量になると、硬質相が粗大化す
るようになって再び材料の硬度が低下するようになるこ
とから、その含有量を０．０１〜３．３％と定めた。

【Ｏ Ｍｏ Ｍｏ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。

（ｇ） 鉄族金属鉄族金属には、材料の焼結‘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
は所望の暁結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｝ （ｘ＋ｙ）の原子比 （ｘ＋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靭性を確保することができな
くなることから、（ｘ＋ｙ）の原子比を０．３〜０．８
と定めた。

‘ｂ｝ ｘ／（ｘ＋ｙ）の原子比 ｘ／（ｘ＋ｙ）の比が、原子比で０．３未満では、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
なり過ぎて、硬質相の２相共存が実質的に不可能となり
、この結果硬質相はＺｒおよび／またはＨｆ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轍性の低下をきたし、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、同じ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．
３〜０．８と定めた。

｛ｃ｝ 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
有量および窒素含有量に比して低くなりすぎ、酸素不足
をきたして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綾着するようになり、一方この比
が０．１を越えると、炭素および窒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鞠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）ｖの原子比 ｖの原子比が０．００５未満では、硬質相を構成する化
合物相における窒素含有量が炭素含有量および酸素含有
量に比して低くなりすぎ、実質的に炭窒酸化物の形成が
不十分となって高硬度を確保することが困難となり、一
方この比が０．３を越えると硬質相が粗大化するように
なって、硬度低下をきたすようになることから、その原
子比を０．００５〜０．３と定めた。

｛ｅ｝ 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，窒素，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，窒素，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、鰯性が劣化するようになることから、
この比の値を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１．１仏ののＴＩＮ粉末（酸
素：０．３％含有），同１．０山肌のＴＩＣ粉末（酸素
：０．３％含有），同１．０仏ののＺｒＣ粉末（酸素：
０．２％含有），同１．０山肌のＨｆＣ粉末（酸素：０
．１５％含有），同０．８山肌のＷ粉末（酸素：０．０
５％含有），同０．８山肌のＭｏ粉末（酸素：０．１％
含有），同２．０仏ｍのＦｅ粉末（酸素：０．４％含有
），同１．１仏肌のＮｉ粉末（酸素：０．３％含有），
および同１．０仏のの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、１０００ｋ９／塊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‐
２の「ｒの圧力を有する真空中、温度：２１００ｑｏに
１時間保持した後、２１００ｑｏから１０００ｏｏの範
囲を２００ｑｏ／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，ＮＬ Ｃｏ）を有
する本発明材料１〜１９および比較材料１〜１２をそれ
ぞれ第１表の１第１表の２ 製造した。

なお、比較材料１〜１２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。この結果得られ
た本発明材料１〜１９および比較材料１〜１２のロック
ゥェル硬さ（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（ＨＢ３２０），切削
速度：１５０の／ｍｉｎ，切込み：２側，送り：０．７
肋／ｒｅｖ．の条件で切削試験を行ない、逃げ面摩耗が
０．３脚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１表にまとめて示した。第１表に示さ
れる結果から、本発明材料１〜１９はいずれも高硬度お
よび高籾性を有し、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１〜１２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、高硬度と高轍性を有
し、しかもこれらの特性は硬質相が微細な２相構造をも
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
的に長期に亘っ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％，酸素：０．０
   １〜１．３％，Ｃ：０．８〜９．３％，窒素：０．０１
   〜３．３％，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、〔Ｔｉｘ（Ｚｒ
   ，Ｈｆ）ｙＷ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ〕・〔ＯｕＮｖＣ＿
   １＿−＿ｕ＿−＿ｖ〕＿ｚ（ただし、ｘ／（ｘ＋ｙ）：
   ０．３〜０．８，（ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８，ｕ：０
   ．００５〜０．１，ｖ：０．００５〜０．３，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の微細な２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％，酸素：０．０
   １〜１．３％，Ｃ：０．８〜９．３％，窒素：０．０１
   〜３．３％，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、〔Ｔｉｘ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｙ（Ｗ，Ｍｏ）＿１＿−＿
   ｘ＿−＿ｙ〕・〔ＯｕＮｖＣ＿１＿−＿ｕ＿−＿ｖ〕＿
   ｚ（ただし、ｘ／（ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８，（ｘ＋
   ｙ）：０．３〜０．８，ｕ：０．００５〜０．１，ｖ：
   ０．００５〜０．３，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
   する化合物相との微細な２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％，酸素：０．０
   １〜１．３％，Ｃ：０．８〜９．３％，窒素：０．０１
   〜３．３％，鉄族金属（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ）ののうちの
   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、〔Ｔｉｘ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｙ（Ｗ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ
   ）＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ〕〔ＯｕＮｖＣ＿１＿−＿ｕ＿
   −ｖ〕＿ｚ（ただし、ｘ／（ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８
   ，（ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８，ｕ：０．００５〜０．
   １，ｖ：０．００５〜０．３，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の微細な２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。 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％，酸素：０．０
   １〜１．３％，Ｃ：０．８〜９．３％．窒素：０．０１
   〜３．３％，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（以上重量％）を有
   し、かつ原子比で、〔Ｔｉｘ（Ｚｒ，Ｈｆ）ｙ（Ｗ，Ｍ
   ｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ）＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ〕〔Ｏｕ
   ＮｖＣ＿１＿−＿ｕ＿−＿ｖ〕＿ｚ（ただし、ｘ／（ｘ
   ＋ｙ）：０．３〜０．８，（ｘ＋ｙ）：０．３〜０．８
   ，ｕ：０．００５〜０．１，ｖ：０．００５〜０．３,
   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の微細
   な２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。