JPS601942B2 - 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

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
るのに適した暁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，Ｎ
ｉ，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１０００ｏｏ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１０００ｏｏを若干上廻る程度に
制限されているづ‐−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、高速度鋼やダイス鋼が使用され
ているが、これら材料製耐摩耗工具の使用温度はせし、
ぜし、５００００までであり、使用温度が５００午０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５００ｑｏ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ぐれた材料
の開発が望まれているのである。そこで、本発明者等は
、上述のような観点から、高温特性のすぐれた材料を関
発すべ〈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：
｛Ｔｉｗ（Ｈｆ，Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ，Ｔａ）ｙ（Ｗ，Ｍｏ
），‐ｗ‐ｘ‐ｙ｝・（Ｃ，‐ｕ‐ｖＮｖｏ心）ｚ、（
ただし、原子比で、ｗ／（ｗ＋ｘ）：０．５〜０．８，
（ｗ＋ｘ＋ｙ）：０．６０〜０．９５，ｙ：０．０１〜
０．２０，ｕ：０．００５〜０．０５０，ｖ：０．００
５〜０．３０，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、ＡＩＮで示す）：０．５〜１０％を含有
し、必要に応じて結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２
０％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十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、高温硬さ、耐酸化性、耐熱性、および鞠性を向上
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絹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、また同じくＮ
ｂおよびＴａには、耐酸化性を向上させる作用があり、
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
Ｎｂ＞ｒａとする必要があり、さらに同じくＷおよびＭ
ｏには、分散相自身の鋤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競
緒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＋ｙ）の原子比 （ｗ十×十ｙ）の原子比が０．６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Ｗ２Ｃ相およびＭ
ｏ２Ｃ相が形成するようになり、この結果材料の轍性お
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暁結性が急激
に悪くなり、結合強度の低下を招き、材料に級性不足が
生じるようになることから、（ｗ＋ｘ＋ｙ）の原子比を
０．６０〜ｏ．９５と定めた。

■ ｗ／（ｗ＋ｘ）の原子比 ｗ／（ｗ十ｘ）の原子比が０．５未満では、相対的にＴ
ｉに比してＨｆおよびＺｒの量が多くなりすぎ、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０．８を越えた原
子比にすると、逆にＴｉ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０．５〜０．８と定めた。

■ ｙの原子比 ｙの原子比が０．０１禾満では、ＮｂおよびＴａによる
すぐれた耐酸化性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、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０．００５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に多くなりすぎて、結
合相との暁結性の低下、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
鞠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。

■ ｖ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り、
一方０．３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か
ら、ｖの原子比を０．００５〜０．３０と定めた。

■ ｚの原子比 ｚの原子比が０．５未満では、複合金属炭窒酸化物を構
成する金属成分に対する炭素、窒素、および酸素の非金
属成分の含有量が少なすぎて所望の高硬度を確保するこ
とができず、一方０．９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腕化するようになることから、ｚの
原子比を０．５〜０．９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を微細化して材料の鋤性を向
上させる作用をもつが、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
ようになって鞠性が劣化するようになることから、その
含有量を１〜１０％と定めた。

‘ｃ｝ 硬質分散相形成成分としてのＡＩＮＡＩＮ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自体の焼絹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鞠性を向上させ、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０．５％
未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方１０．
０％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０．５〜１０．０％と定めた。
‘ｄ｝ 結合相形成成分としてのＭｏ Ｍｏ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、軽量化をは
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。

‘ｅ｝ 結合相形成成分としてのＲｅ Ｒｅ成分には、結合相中に全量固溶して、結合相自体の
耐酸化性および鋤性を向上させるほか、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、通常の粉末治金法を適用
し、例えば真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中、温度
：１８００〜２３００ｑ０に加熱保持の条件で焼結され
、また必要に応じて暁結後の材料に対して圧力：１５０
０〜２００ぴ気圧、温度：１５００〜２０００午○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
研削後の材料に暁錨処理を施してやることも有効である
。つぎに、この発明の焼給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、原料粉末としての複合金属炭窒酸化物粉末を調製
する目的で、平均粒径：１．０仏肌のＴＩＣ粉末（０２
：０．３％含有）、同１．１仏ののＴＩＮ粉末（０２：
０．３％含有）、同０．６山肌のＴｉ○粉末（０２：２
４．８％含有）、同１．０〆肌のＺに粉末（０２：０．
２％含有）、同１．０一机のＨｆＣ粉末（０２：０．１
５％含有）、同１．１仏ののＮ比粉末（０２：０．２％
含有）、同１．０仏ののＴａＣ粉末（０２：０．１５％
含有）、同０．８仏ののＷ粉末（０２：０．０５％含有
）、および同０．８仏ののＭｏ粉末（０２：０．１％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、５００ｋ９／地の圧力でプレスし
て圧粉体を成形し、ついでこの圧粉体を、１０‐３ｔｏ
ｍの圧力を有する真空中、温度：２１００ｑｏに１時間
保時した後、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
均粒蓬：１．０仏のを有するＴＩＮ粉末、同１．５仏肌
の山Ｎ粉末、同１．５ｒ肌のＷ粉末、同０．６仏ののＭ
ｏ粉末、および同３．０〆机の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、１．５ｔｏｎ／地の圧力で圧粉体に成形し、１０‐
年ｏｒｒの真空中、温度：２０００００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および比較暁結
材料１〜１４をそれぞれ製造した。

なお、比較焼給材料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、また第１表の１ 第１表の２ 第２表のＩ 第２表の２ 比鮫焼給材料１０〜１４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を
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
び比鮫焼結材料１〜１４について、常温でのロックウェ
ル硬さ（Ａスケール）および１０００００でのビツカー
ス硬さを測定すると共に、抗折力を測定した。

また、これら競結材料よりＳＮＰ４３２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の／脚、切込み：１．
５肋、送り：０．４肌／ｒｅｖ．、の条件での高速連続
切削試験、および被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２
７０）、切削速度：６０の／肋、切込み：２側、送り：
０．７肌／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０．３肋１に至るまでの切削時間を測定した。さらに
上記の各種競結材料より切り出した切削チップを用いて
、被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２７０を有し、か
つ８０仇駁×２５０肋×ｌｏｗ岬の寸法を有する板材）
、切削速度：１００の／側、切込み：１．５側、送り：
段階的に変化、各送りでの切削時間：２肌の条件で断続
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、切削鞠性を評価した。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、比鮫焼結材料１〜１４は、特に硬さ、強
度、および切削特性のいずれもが本発明暁結材料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
、および高鰍性を有し、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
に長期に亘つ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
亘つて発揮するものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ，Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ，Ｔａ）ｙ（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，ｙ：０．０１
   〜０．２０，ｕ：０．００５〜０．０５０，ｖ：０．０
   ０５〜０．３０，ｚ：０．５〜０．９にして、Ｈｆ＞Ｚ
   ｒ，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：０
   ．５〜１０％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。 ２ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ，Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ，Ｔａ）ｙ（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，ｙ：０．０１
   〜０．２０，ｕ：０．００５〜０．０５０，ｖ：０．０
   ０５〜０．３０，ｚ：０．５〜０．９にして、Ｈｆ＞Ｚ
   ｒ，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：０
   ．５〜１０％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
   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。 ３ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ，Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ，Ｔａ）ｙ（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，ｙ：０．０１
   〜０．２０，ｕ：０．００５〜０．０５０，ｖ：０．０
   ０５〜０．３０，ｚ：０．５〜０．９にして、Ｈｆ＞Ｚ
   ｒ，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：０
   ．５〜１０％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。 ４ 硬質分散相形成成分としての組成式：｛Ｔｉｗ（Ｈ
   ｆ，Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ，Ｔａ）ｙ（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，ｙ：０．０１
   〜０．２０，ｕ：０．００５〜０．０５０，ｖ：０．０
   ０５〜０．３０，ｚ：０．５〜０．９にして、Ｈｆ＞Ｚ
   ｒ，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：０
   ．５〜１０％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。