JPS6022058B2 - 高温特性のすぐれた切削工具用焼結材料およびその製造法 - 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、特に高温特性が
要求される高速切削や高送り切削に切削工具として使用
した場合にすぐれた切削性能を発揮する競結材料および
その製造法に関するものである。

一般に、鋼の切削加工に際して、切削速度を遠くしたり
、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、この頃向は、近
年の高速切削化および高能率切削化によって増々強くな
りつつある。

しかしながら、現在実用に供されている、分散相が主と
してＷ炭化物やＴｉ炭化物で構成され、一方結合相が主
として鉄族金属で構成されている超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
ようになるために、これらの超硬合金やサ−メツトは勿
論のこと、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ツトにおいても、その使用
条件は刃先温度が１０００ｑ０を若干上廻る程度に制限
されている。一方、Ｎ酸化物を主成分とするセラミック
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、高速切削用の切削工具として実用に供されてはい
るが、その刃先は耐衝撃性に欠け、信頼性の不十分なも
のであるため、高速切削に際しては低い送り量で使用さ
れているのが現状である。また、近年、高速切削や高送
り切削用の切削工具材料として、ＷあるいはＭｏなどの
高融点金属からなるマトリックス中に、ＷおよびＴｉの
炭化物を層状に分散させた組織を有する鋳造合金（例え
ば米国特許第３６９０９６２号明細書参照）が提案され
、注目されたが、この鋳造合金は、融点が２７００℃と
著しく高く、しかも鋳造合金であるために形状付与が困
難であるばかりでなく、耐酸化性および耐衝撃性も不十
分であることから、広く実用化されるには至っていない
。

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すぐれた高温特性を有する切削
工具用材料、すなわち耐摩耗性、耐塑性変形性、耐酸化
性、および耐衝撃性にすぐれた切削工具を粉末冶金法を
用いて製造すべく研究を行なった結果、原料粉末として
、金属炭化物粉末、金属窒化物粉末、金属炭窒化物粉末
、金属棚化物粉末、金属炭柵化物粉末、金属炭窒棚化物
粉末、およびＷ粉末を用意し、これら原料粉末のうちの
２種以上を用いて配合組成に配合し、通常の条件で混合
し、プレス成形し、ついでこの結果の圧粉体を、非酸化
性雰囲気中、温度：２０００〜２７００ｏｏの高温、す
なわち完全固溶体化温度で焼結し、この暁結温度から冷
却して温度：１０００〜１６００ｑＣで化合物析出処理
を行ない、原子％で、Ｔｉ：５〜２５％、ＺｒおよびＨ
ｆのうちの１種または２種：５〜２０％、ＮｂおよびＴ
ａのうちの１種または２種：５〜２０％、Ｃ：１５〜４
０％、Ｎ：１〜１５％、Ｂ：１〜１０％を含有し、残り
がＷと不可避不純物（ただしＷ：２０〜５５％含有）か
らなる組成を有し、かつ分散相が、ＴｉとＣとＮとＢと
を主成分とする化合物相と、ＺｒおよびＨｆのうち１種
または２種とＣとＮとＢとを主成分とする化合物相との
微細硬質相からなり、一方結合相がＷを主成分とするＷ
基合金からなる組織を有する競結合金を製造すると、こ
の結果の暁結材料は、すぐれた耐摩耗性、耐塑性変形性
、耐酸化性、および耐衝撃性を有し、したがってこれら
の高温特性が要求される高速切削や高送り切削に切削工
具として使用した場合に著しくすぐれた切削性能を発揮
するという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
、以下に材料の成分組成範囲および暁給温度を上記の通
りに限定した理由を説明する。

‘ａ’ＴｉＴｉ成分は、素地中に微細な硬質相として分
散するＴｉとＣとＮとＢを主成分とする化合物相を形成
して材料に高硬度を付与せしめ、もって材料の耐摩耗性
を向上させる作用をもつが、その含有量が５％未満では
化合物析出処理工程で所望の量の前記化合物を析出させ
ることができ、この結果所望の耐摩耗性を確保すること
ができないものとなり、一方２．５％を越えて含有させ
ると相対的に結合相に比して前記分散相を形成する化合
物相が多くなりすぎて材料の耐衝撃性が劣化するように
なることから、その含有量を５〜２５％と定めた。

‘ｂ）ＺｒおよびＨｆこの両成分もＴｉと同様にＺｒお
よびＨｆのうちの１種または２種とＣとＮとＢとを主成
分とし、かつ素地中に微細な硬質相として分散する化合
物相を形成して材料の耐摩耗性を向上させる作用をもつ
が、その含有量が５％未満ではＴｉと同様に高硬度、す
なわち高耐摩耗性を確保することができず、一方２０％
を越えて含有させると同様に前記分散相を形成する化合
物相が多くなりすぎ、材料の耐衝撃性が劣化するように
なることから、その含有量を５〜２０％と定めた。

‘ｃ’ＮｂおよびＴａ この両成分には、上記の２種の化合物相中に拡散し、か
つ素地に固溶して材料の耐酸化性を向上させる作用があ
るが、その含有量が５％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、材料の
耐摩耗性に劣化傾向が現われるようになることから、そ
の含有量を５〜２０％と定めた。

‘ｄＩ Ｃ Ｃ成分には、上記のように２種の化合物相を形成し、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
１５％未満では硬質分散相の量が相対的に少なすぎて所
望の耐摩耗性を確保することができず、一方４０％を越
えて含有させると、結合相に対する前記化合物相の割合
が多くなりすぎて材料の耐衝撃性が劣化するようになる
ことから、その含有量を１５〜４０％と定めた。

‘ｅ’Ｎ Ｎ成分には、上記化合物相を微細化して材料の耐衝撃性
を一段と向上させる作用があるが、その含有量が１％未
満では所望の耐衝撃性を確保することができず、一方１
５％を越えて含有させると、凝結時にＮの分解量が多く
なって材料中に巣が形成されるようになり、この結果耐
衝撃性が劣化するようになることから、その含有量を１
〜１５％と定めた。

‘ｆ’Ｂ Ｂ成分には、上記のように素地中に均一に分散する硬質
の化合物相をより硬化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１％未満では所望の耐摩耗
性が得られず、一方１０％を越えて含有させると材料の
耐衝撃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。

‘ｇ’Ｗ Ｗ成分は、その一部が上記の化合物相中に拡散するが、
残りの大部分は素地の結合相を構成し、この結合相は上
記の分散相を構成する成分が園溶したＷ基合金からなる
ので、材料はすぐれた耐塑性変形性、および耐衝撃性を
もったものになる。

しかし、その含有量が２０％未満では、相対的に上記結
合相の量が少なすぎて、特に耐衝撃性が劣化するように
なり、一方５５％を越えて含有させると相対的に分散相
が少なくなりすぎて材料の耐摩耗性が低下するようにな
ることから、その含有量を２０〜５５％と定めた。なお
、この発明の焼結材料は、不可避不純物として、Ｆｅ．
Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｎ、および白金族金属
（Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒへｌｒ，０ｓ）のうちの１種ま
たは２種以上を含有しても、その合計含有量が２％以下
であれば、この暁縞材料のもつ特性が何ら損なわれるも
のではない。

‘ｈ’競結温度 ２０００℃禾満の嫌続温度では競結時の組織が完全固溶
体とならず、この結果鱗縞後の化合物析出処理工程で、
Ｗ基合金素地に微細な硬質化合物相が均一に分散した組
織を得ることができず、この結果所望の耐摩耗性および
耐衝撃性を確保することができないものとなり、一方２
７００℃を越えた暁結温度にすると、液相が出現するよ
うになって形状保持が困難となることから、競結温度を
２０００〜２７０ぴ０と定めた。

‘ｉー 化合物析出処理温度 その温度が１０００ｏｏ未満では、分解析出する化合物
の量が少なすぎて、微細な硬質化合物が均一に分散した
組織を得ることができず、一方その温度が１６００℃を
越えると、分解析出が起らず、このように化合物析出処
理温度が１０００〜１６００ｑｏの温度範囲から外れる
と所望の耐摩耗性および耐衝鱗性を確保することができ
ないものであり、かかる点から化合物析出処理温度を１
０００〜１６００ｏｏと定めた。

つぎに、この発明の焼結材料およびその製造法を実施例
により具体的に説明する。実施例 １ 原料粉末として、平均粒径：１．０ｒｍを有するＴＩＣ
粉末、同１．２仏ｍの（Ｔｉｏ．斑Ｗｏ．笹）Ｃ粉末、
同１．５仏ｍのＺｒＣ粉末、同１．０仏ｍの（日ら．４
５ＮＬ．馬）Ｃ粉末、同１．２ｒｍのＴａＣ粉末、同１
．＆ｍのＴＩＮ粉末、同１．をｍのＴｉＢ２粉末、およ
び同１．１山ｍのＷ粉末を用意し、これら原料粉末のう
ちの２種以上を適宜組合せて所定組成に配合し、ポール
ミルにて７独時間湿式混合し、乾燥した後、１５ｋｇ／
柵の圧力にてプレス成形して圧粉体とし、ついで、この
圧粉体を日２気流中、温度：８００ｑＣに１時間保持し
て予備焼結処理した後、１０‐ｌｔｏｎの真空中、温度
：２６００℃に１時間保持の条件で暁結し、暁給終了後
、この暁結温度から１５００ｏｏまでの温度範囲を７５
び０／ｈｒの冷却速度で冷却し、１５０ぴ０に３時間保
持の条件で化合物析出処理を行なうことによって第１表
に示される成分組成をもった本発明嬢結材料１〜６およ
び比鮫焼結材料１〜８をそれぞれ製造した。

なお、比較暁結材料１〜８は、いずれも構成成分のうち
のいずれかの成分含有量（第１表に※印を付しもの）が
この発明の範囲から外れた組成をもつものである。

ついで、この結果得られた本発明焼結材料１〜６および
比鮫煉結材料１〜８のそれぞれから、ＳＮＰ４３２の形
状をもった切削チップを作製し、被削材：ＪＩＳ・ＳＮ
ＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２６０）、切削速度：２２０ｍ／
ｍｉｎ、送り：０．３肋／ｒｅｖ、切込み：２側、切削
時間：１■ごの条件での連続高速切削試験、並びに被削
材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２８０）、切削
速度：２００肌／ｍｉｎ、送り：０．２脚、切込み：２
肌、切削時間：３分の条件での断続高速切削試験を行な
い、連続高速切削試験では、チップ切刃におけるフラン
ク摩耗深さとクレータ摩耗深さを測定し、また断続高速
切削試験では、謎険切刃数１個のうちの欠損発生切刃数
を測定した。

これらの測定結果を第１表に合せて示した。なお、第１
表には、比較の目的でＡＩ酸化物を主成分とするセラミ
ックス切削チップ、およびＷ炭化物を主成分とする超硬
合金基体の表面に化学蒸着法によりＴｉ炭化物（ＴＩＣ
）およびＡＩ酸化物（Ｎ２０３）を７仏ｍの合計平均層
厚で被覆してなる表面被覆超硬合金切削チップ（従来切
削チップ１，２という）の同一条件での切削試験結果も
示した。第１表に示される結果から明らかなように、従
来切削チップ１は、特に耐衝撃性に劣るために試験切刃
全数に欠損が発生し、また従来切削チップ第１表２はす
ぐれた耐衝撃性をもつので断続高速切削試験では本発明
焼結材料と同等のすぐれた切削性能を示すものの、耐摩
耗性に劣るために連続高速切削試験では摩耗の大きなも
のとなっている。

これに対して、本発明焼絹材料１〜６は、断続および連
続高速切削試験のいずれにおいてもすぐれた高速および
高送り切削性能を発揮することが明らかである。さらに
比鮫焼結材料１〜８に見られるようにへ構成成分のうち
のいずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れると
、連続および断続高速切削試験の少なくともいずれかに
おいて劣った切削試験結果を示すようになるのである。
実施例 ２ 実施例１で用いた原料粉末に加えて、さらに平均粒径：
１．かｍの（Ｔｉｏ．５８Ｗｏ．４２）ＣＯ．幻粉末、
および同１．０仏ｍのＴＩＣｏ．５ＮＯ．５粉末を用意
し、これら原料粉末を適宜組合せて用いて所定組成に配
合し、この配合粉末を実施例１におけると同一の条件で
混合し、プレス成形し、さらに予備暁結処理した後、１
０‐２ｔｏｍの真空中、温度：２１００℃に２時間保持
して競結し、暁結後、固熔体組織を保持している前記焼
結温度から１３００ｑ０までの温度範囲を７５０ｑｏ／
ｈｒの冷却速度で冷却し、１３００ｑｏに５時間保持し
て化合物析出処理を行ない、第２表に示される成分組成
をもった本発明煉結材料７〜１１、および同じく構成成
分のうちのいずれかの成分含有量（第２表に※印を付し
たもの）がこの発明の範囲から外れた組成を有する比鮫
焼結材料９〜１４をそれぞれ製造した。

ついで、上記本発明暁給材料７〜１１および比較競結材
料９〜１４から「 それぞれＳＮＰ４３２の形状をもっ
た切削チップを作製し、被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ−８
（硬さ：ＨＢ２５０）、切削速度：１００ｍ／職、送り
：０．８側／ｒｅｖ、切込み：８側、切削時間：１０分
の条件で連続高送り切削試験を行ない、フランク摩耗深
さとクレー夕摩耗深さを測定した。

この測定結果を第２表に示した。また、第２表には、比
較の目的で、いずれも市販のＷ炭化物を主成分とする趣
硬合金基体の表面に化学蒸着法により６仏ｍの平均層厚
でＴｊ炭化物第２表 の硬質層を被覆したものとからなる表面被覆超便合金切
削チップ、およびＰ３０のＷ炭化物を主成分とする超硬
合金切削チップ（以下従来切削チップ３，４という）の
同一条件での切削試験結果も示した。

第２表に示されるように、実施例１におけると同様の結
果を示し、本発明競縞材料７〜１１で作製された切削チ
ップは、いずれも従来切削チップ３，４および比較屍結
材料９〜１４で作製された切削チップに比して一段とす
ぐれた切削性能を発輝することが明らかである。

上述のように、この発明によれば、高温特性、すなわち
耐摩耗性、耐塑性変形性、耐酸化性、および耐衝撃性に
すぐれた暁結材料を通常の粉末冶金法を用いて製造する
ことができ、したがってこの結果の焼結材料を、前記の
高温特性が要求される高速切削や高送り切削に切削工具
として用いた場合に著しくすぐれた切削性能を発揮する
のである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｔｉ：５〜２５％、ＺｒおよびＨｆのうちの１種ま
   たは２種：５〜２０％、ＮｂおよびＴａのうちの１種ま
   たは２種：５〜２０％、Ｃ：１５〜４０％、Ｎ：１〜１
   ５％、Ｂ：１〜１０％を含有し、残りがＷと不可避不純
   物（ただしＷ：２０〜５５％含有）からなる組成（以上
   原子％）を有し、かつ分散相が、ＴｉとＣとＮとＢとを
   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種とＣとＮとＢとを主成分とする化合物相との
   微細硬質相からなり、一方結合相が、Ｗを主成分とする
   Ｗ基合金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焼結材料。 ２ 原料粉末として、金属炭化物粉末、金属窒化物粉末
   、金属炭窒化物粉末、金属硼化物粉末、金属炭窒硼化物
   粉末、およびＷ粉末を用意し、これら原料粉末のうちの
   ２種以上を用いて所定配合組成に配合し、通常の条件で
   混合し、プレス成形し、ついでこの結果の圧粉体を、非
   酸化性雰囲気中、温度：２０００〜２７００℃の高温で
   、完全固溶体化焼結した後、非酸化性雰囲気中、温度１
   ０００〜１６００℃で化合物析出処理を行ない、Ｔｉ：
   ５〜２５％、ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種：
   ５〜２０％、ＮｂおよびＴａのうちの１種または２種：
   ５〜２０％、Ｃ：１５〜４０％、Ｎ：１〜１５％、Ｂ：
   １〜１０％を含有し、残りがＷと不可避不純物（ただし
   Ｗ：２０〜５５％含有）からなる組成（以上原子％）を
   有し、かつ分散層が、ＴｉとＣとＮとＢとを主成分とす
   る化合物相と、ＺｒおよびＨｆのうちの１種または２種
   とＣとＮとＢとを主成分とする化合物相との微細硬質相
   からなり、一方結合相が、Ｗを主成分とするＷ基合金か
   らなる組織を有する焼結材料を製造することを特徴とす
   る高温特性のすぐれた切削工具用焼結材料の製造法。