JPS605664B2 - 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熱耐摩耗工具用として使
用するのに適した糠綾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、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
やサーメツトは、刃先温度が１０００ｑＣ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ツトにおいても、その使
用条件は、刃先温度が１００ぴ０を若干上廻る程度に制
限されている。一方、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。

またへ鍛造型や押出し型、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いぜ
し、５００００までであり「 使用温度が５００ｑｏ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、比較的に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合金で構成された暁結材料は、高温強度、高
温硬さ、および高温鞠性が高く、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
もすぐれだ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三
｛Ｔｉｗ（Ｈｆ、Ｚｒ）ｘ（Ｎｂ、Ｔａ）ｙ（Ｗ、Ｍｏ
），‐Ｗ‐Ｘ‐ｙ｝・（Ｃ，−ｕ‐ＶＮＶ○ｕ）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＞Ｚ
ｒ、Ｎｂ＞Ｔａ、Ｗ＞Ｍｏ）を有する複合金属炭窒酸化
物：１０〜８０％、同じく硬質分散相としての窒化チタ
ン（以下、Ｔｉｎで示す）：１〜１０％を含有し、必要
に応じて結合相形成成分としてのＭｏ：１〜２０％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＋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暁結合金に特徴を有するもので
ある。

つぎに「 この発明の暁結材料において「成分組成範囲
を上記の通りに限定した理由を説明する。

ｆａー 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、耐酸化性、耐熱性、および靭・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‘こは、焼絹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
合結合相との焼結‘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Ｎｂ
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Ｎ
ｂ＞Ｔａとする必要があり、さらに同じくＷおよびＭｏ
には、分散相自身の級性および耐熱性を向上させるほか
ト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「上記の複合金属炭姿酸化物のもつ特性を焼
結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轍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十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、この結果材料の鞠性お
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糠緒性が急激
に悪くなり、結合強度の低下を招き「材料に軸」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十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に比して印およびＺｒの量が多くなりすぎ、Ｗを主成
分とする結合相との暁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、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村に溶着するよう
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、結合相との焼結‘
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０．００
５〜０．０５０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禾満では、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
属炭塗酸イ的脇目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
、もって結晶粒を微細化して材料の磯性を著しく向上さ
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、材料製造時に本来焼綾性の悪いＴＩＮ粉末とＷ粉
末との後触個所が増加するようになり、これが原因で焼
結後に材料中に微小ポアが多く残存するようになって材
料の靭性低下が著しくなることから、その含有量を１〜
１０％と定めた。

‘ｃ’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。

｛ｄ’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
耐酸化性および靭‘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％
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、この発明の競結材料は、通常の粉末冶金法を適用
し、例えば真空中「あるいは不活性ガス雰囲気中、温度
：１８００〜２３００℃に加熱保持の条件で暁結され、
また必要に応じて焼結後の材料に対して圧力：１５００
〜２００ぴ気圧、温度：１５００〜２０００００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
削後の材料に競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山肌の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仏ののＴｉ○粉末（０２：２
４．８％含有）、同１．０ム肌のＺに粉末（０２：０．
２％含有入 同１．０仏のの日に粉末（０２；０．１５
％含有）、同１．１〃仇のＮ比粉末（０２…０．２％含
有）、同１．０〃机のＴａＣ粉末（０２：０．１５％含
有）「 同０．８仏仇のＷ粉末（０２；０．０５％含有
）、および同０．８山肌の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
て圧粉体を形成し、ついでこの圧粉体を、１０‐３ｔｏ
ｎの圧力を有する真空中、温度：２１００℃に１時間保
持した後、炉冷し「粗粉砕し、引続いて溢式ボールミル
中にて４錨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
均粒径：１．０仏のを有するＴＩＮ粉末、同１．５〆仇
のＷ粉末、同０．６仏ののＭｏ粉末、および同３．０仏
のの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′流の圧
力で圧粉体に成形し、１０‐４ｔｏｎの真空中、温度：
２０００ｑｏ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１〜３０および比較暁結材料１〜１３をそれぞれ製
造した。

なお、比較競結材料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「 また比較暁結材料１０〜１３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
成をもつものである（いずれの場合も第１表に※印を付
して表示した）。第１表 ２ ついで、この結果得られた本発明焼結材料１〜３０およ
び比鮫焼結材料１〜１３について、常温でのロックウェ
ル硬さ（Ａスケール）および１０００午０でのビッカー
ス硬さを測定すると共に、抗折力を測定した。

また、これら齢結材料より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：１５０ｍ′ｍｊｎ、切込み：
２側、送り：０．４５側／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：１００の′ｍｉｎ、切込み：３柳、
送り：０．７側／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側に至るまでの切削時間を測定した。さ
らに上記の各種焼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仇岬×２５仇帆×１０仇枕の寸法を有する板
材）、切削速度：６０の／ｍｉｎ、切込み：２伽、送り
：段階的に変化、各送りでの切削時間：２側の条件で断
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
、本発明焼給材料１〜３０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、比較健結材料１〜１３は、特に硬さ、強
度、および切削特性のいずれもが本発明焼結材料１〜３
０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
、および高靭性を有し、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＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）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：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、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％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化チタン：１〜１０％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＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）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：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、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％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化チタン：１〜１０％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＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）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：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、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％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化チタン：１〜１０％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＿−＿ｖＮ＿
   ｖＯ＿ｕ）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：０．００５〜０．０５
   ０、ｖ：０．００５〜０．３０、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％、同じく硬質分散相形
   成成分としての窒化チタン：１〜１０％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＞Ｍ
   ｏ＋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。