JPS6119588B2

JPS6119588B2 -

Info

Publication number: JPS6119588B2
Application number: JP53151485A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Ueda; Kenichi Nishigaki; Taijiro Oonishi
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Metal Corp
Priority date: 1978-12-09
Filing date: 1978-12-09
Publication date: 1986-05-17
Also published as: JPS5580777A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、すぐれた靭性および耐熱耐摩耗性
を有し、特に切削工具用材料として使用するのに
適した超高圧焼結材料に関するものである。一般に、鋳鉄などの鉄系金属材料や、アルミニ
ウム、アルミニウム合金、銅、および銅合金など
の非鉄金属材料、さらにプラスチツク、ゴム、黒
鉛、セラミツクなどの非金属材料などの切削に使
用される切削工具には、高硬度、すぐれた耐摩耗
性、靭性、および熱的化学的安定性などの特性を
備えることが要求されている。近年、かかる要求を満足すべく、主成分がダイ
ヤモンドからなる超高圧焼結材料が提案され、前
記超高圧焼結材料は常温は勿論のこと、比較的高
温においても高硬度を有し、すぐれた耐摩耗性を
示すことから、衝撃の加わるような苛酷な条件下
での仕上げ切削工具材料として使用されている。確かに、上記超高圧焼結材料製切削工具によれ
ば、上記鉄系金属材料や非鉄金属材料の切削に際
して、高速切削が可能となるために、構成刃先が
つきにくく、すぐれた仕上げ面が得られるという
利点がもたらされる。このように上記従来超高圧焼結材料は、主成分
が著しく高い硬さを有するダイヤモンドで構成さ
れているために、上記鉄系金属材料や非鉄金属材
料、および非金属材料の切削に切削工具として使
用した場合に、すぐれた耐摩耗性を示すものの、
十分な靭性を備えたものではないため、この靭性
不足が原因で切削時にチツピング摩耗を起し易
く、この結果本来具備しているすぐれた耐摩耗性
を十分発揮することができず、また十分な高温耐
酸化性（耐熱性）を備えていないために、温度上
昇を伴なう切削には使用することができないのが
現状である。本発明者等は、上述のような観点から、靭性、
高温耐酸化性（耐熱性）、および耐摩耗性を兼ね
備えた切削工具材料を得べく、ダイヤモンドに着
目して研究を行なつた結果、ダイヤモンド粉末
に、立方晶窒化ほう素（以下立方晶BNで示す）
粉末と、周期律表の4a、5a、および6a族の金属の
炭化物、窒化物、およびほう化物のうちの１種ま
たは２種以上（以下これらを総称して金属の炭・
窒・ほう化物という）からなる粉末と、同じく周
期律表の4a、5a、および6a族の金属のけい化物の
うちの１種または２種以上（以下これらを総称し
て金属のけい化物という）からなる粉末と、さら
に酸化アルミニウム（以下Al₂O₃で示す）、酸化
イツトリウム（以下Y₂O₃で示す）、および酸化マ
グネシウム（以下MgOで示す）のうちの１種ま
たは２種以上（以下これらを総称して酸化物とい
う）からなる粉末とを配合したものを原料粉末と
して使用し、超高圧焼結を施すと、ダイヤモンド
粒子同志、立方晶BN粒子同志、金属の炭・窒・
ほう化物粒子同志、金属のけい化物粒子同志、お
よび酸化物粒子同志の相互接触がなく、ダイヤモ
ンド粒子、立方晶BN粒子、金属の炭・窒・ほう
化物粒子、金属のけい化物粒子、および酸化物粒
子が相互に隣接し合い、しかもその粒界では前記
各粒子を構成する成分の拡散が生じて強固な粒子
間結合が形成されている緻密な組織の焼結材料が
得られ、この結果得られた焼結材料は、ダイヤモ
ンド粒子によつてもたらされるすぐれた耐摩耗性
と、立方晶BN粒子、金属の炭・窒・ほう化物粒
子、金属のけい化物粒子、および酸化物粒子によ
つてもたらされるすぐれた靭性および高温耐酸化
性（耐熱性）とを兼ね備えるという知見を得たの
である。したがつて、この発明の超高圧焼結材料は、上
記知見にもとづいてなされたもので、容量％で、ダイヤモンド：20〜80％、立方晶BN：５〜60％、金属の炭・窒・ほう化物：１〜30％、金属のけい化物：１〜30％、酸化物および不可避不純物：１〜20％、からなる組成を有することに特徴がある。ついで、この発明の超高圧焼結材料において、
成分組成範囲を上述のように限定した理由を説明
する。 (a) ダイヤモンドダイヤモンド自体は、周知のようにモース硬
さ：10、ヌープ硬さ：8000Kg／mm²（荷重100
ｇ）を有し、現存する物質中、最も高い硬さを
有する物質であるが、その含有量が20容量％未
満では、所望の耐摩耗性を確保することができ
ず、一方80容量％を越えて含有させると、ダイ
ヤモンド粒子相互間の接触度合が大きくなり、
特に靭性に富んだ金属の炭・窒・ほう化物粒子
と、特に高温耐酸化性にすぐれた立方晶BN粒
子、金属のけい化物粒子、および酸化物粒子
と、ダイヤモンド粒子との強固な粒子間結合が
不十分となり、この結果靭性低下をきたして切
削時にチツピング摩耗が生じやすくなることか
ら、その含有量を20〜80容量％と定めた。望ま
しくは40〜60容量％の含有がよい。また、この発明の超高圧焼結材料の製造に際
して、原料粉末として使用されるダイヤモンド
粉末は、すぐれた焼結性を確保する目的で、平
均粒径50μｍ以下、一般には同10μｍ以下の粉
末粒径をもつものを使用するのが好ましく、さ
らに市販のメタルコートのダイヤモンド粉末を
原料粉末として使用してもよい。 (b) 立方晶BN 立方晶BNは、温度1200℃以上、圧力40Kb以
上、望ましくは温度1800℃以上、圧力60Kb以
上の条件で合成されるもので、ダイヤモンドに
次ぐ硬さ、すなわちビツカース硬さで6000〜
7000Kg／mm²を有し、かつダイヤモンドより高温
まで安定した性質をもつと共に、鉄族金属に対
して反応しにくい性質をもつ成分であるが、そ
の含有量が５容量％未満では、所望の高温耐酸
化性および鉄族金属に対する耐反応性を確保す
ることができず、一方60容量％を越えて含有さ
せると、相対的にダイヤモンドの含有量が少な
くなり過ぎて、ダイヤモンドのもつ高硬度を焼
結材料に十分反映させることができず、この結
果耐摩耗性の低下をもたらすようになることか
ら、その含有量を５〜60容量％に定めた。な
お、望ましくは20〜40容量％の含有がよい。 (c) 金属の炭・窒・ほう化物例えば、炭化チタン（以下TiCで示す）は融
点：3147℃、微少硬さ：3000Kg／mm²（荷重100
ｇ）、窒化チタン（以下TiNで示す）は融点：
3205℃、微少硬さ：2000Kg／mm²、ほう化チタン
（以下TiB₂で示す）は融点：2980℃、微少硬
さ：3400Kg／mm²をそれぞれ有するように、金属
の炭・窒・ほう化物はいずれも高融点高硬度を
有すると共に、ダイヤモンドに比して高温にお
ける耐酸化性にすぐれた物質であり、しかも金
属の炭・窒・ほう化物には、上述のように焼結
時にダイヤモンド粒子、立方晶BN粒子、金属
のけい化物粒子、および酸化物粒子の間で粒界
拡散を生じさせて強固な粒子間結合を形成する
作用があるほか、それ自体が焼結性にすぐれた
ものであるため、ダイヤモンド粒子間を立方晶
BN粒子、金属のけい化物粒子、および酸化物
粒子と共存した状態で埋めた緻密な組織を形成
し、靭性に寄与する作用があるが、その含有量
が１％未満では前記作用に所望の効果を確保す
ることができず、一方30容量％を越えて含有さ
せると、相対的にダイヤモンドの含有量が少な
くなつて、ダイヤモンドのもつ高硬度の焼結材
料に十分反映することができず、この結果耐摩
耗性の低下をきたすようになることから、その
含有量を１〜30容量％と定めた。また、この発明の超高圧焼結材料の製造に際
して、原料粉末として使用される金属の炭・
窒・ほう化物粉末は微粉のものが好ましく、平
均粒径10μｍ以下の微細な粉末を使用するのが
望ましい。 (d) 金属のけい化物例えば、けい化チタン（以下Ti₅Si₃で示す）
は融点：2120℃を有するように、金属のけい化
物は、いずれも高融点を有し、しかもダイヤモ
ンドおよび金属の炭・窒・ほう化物に比して高
温における耐酸化性にすぐれた物質であり、さ
らにダイヤモンド、立方晶BN、金属の炭・
窒・ほう化物、および酸化物に比して軟質であ
るため、超高圧焼結中に容易に変形すると共
に、粒子間で辷りを生じてダイヤモンド粒子、
立方晶BN粒子、金属の炭・窒・ほう化物粒
子、および酸化物粒子間を緻密に埋め、この結
果靭性向上が図られるようになる作用をもつ
が、その含有量が１容量％未満では、前記作用
に所望の効果を得ることができず、一方30容量
％を越えて含有させると、相対的にダイヤモン
ドの含有量が少なくなつて、所望の耐摩耗性を
確保することができなくなることから、その含
有量を１〜30容量％と定めた。なお、望ましく
は５〜15容量％の含有がよい。 (e) 酸化物例えば、Al₂O₃は融点：2040℃、微少硬さ：
2720Kg／mm²（荷重50ｇ）を有するように、酸化
物はいずれも高融点高硬度を有し、しかもダイ
ヤモンドおよび金属の炭・窒・ほう化物に比し
て著しくすぐれた高温耐酸化性を有する。また
酸化物は焼結時および切削時にも安定している
ため、他の構成成分を酸化することはない。さ
らに酸化物には、それ自体の高温硬さが金属の
炭・窒・ほう化物に比して低いため、超高圧焼
結中に容易に変形すると共に、粒子間で辷りを
生じてダイヤモンド粒子、立方晶BN粒子、金
属の炭・窒・ほう化物粒子、および金属のけい
化物粒子間を緻密に埋めて靭性を向上させる作
用がある。しかし、その含有量が１容量％未満
では、前記作用に所望の効果を得ることができ
ず、したがつて所望の靭性を焼結材料に付与す
ることはできず、一方20容量％を越えて含有さ
せると、相対的にダイヤモンドの含有量が少な
くなつて、ダイヤモンドのもつ高硬度を焼結材
料に十分反映することができず、この結果耐摩
耗性低下をきたすようになることから、その含
有量を１〜20容量％と定めた。なお、この発明の超高圧焼結材料の製造に際し
て、原料粉末として使用される酸化物粉末、およ
び上記の金属のけい化物粉末は、金属の炭・窒・
ほう化物粉末と同様に、望ましくは平均粒径10μ
ｍ以下の微細粉末の使用がよい。さらに、この発明の超高圧焼結材料は、通常の
粉末治金法により、公知の超高圧超高温発生装置
を使用して製造することができる。すなわち、原料粉末としてのダイヤモンド粉
末、立方晶BN粉末、金属の炭・窒・ほう化物粉
末、金属のけい化物粉末、および酸化物粉末を所
定割合に配合し、この配合粉末を鉄製ボールミル
などの混合機において長時間混合して均質な混合
粉末とし、ついでこの混合物粉末を、例えば特公
昭36−23463号公報に記載されるような超高圧高
温発生装置における鋼製あるいは高融点金属製の
容器内に封入し、圧力および温度を上げ、最高圧
力：54〜70Kb、最高温度：1400〜1800℃の範囲
内の圧力および温度に数分〜数10分保持した後、
冷却し、、最終的に圧力を解放することからなる
基本的工程によつて製造することができる。つぎに、この発明の超高圧焼結材料を実施例に
より説明する。実施例１原料粉末として、それぞれ市販の平均粒径３μ
ｍのダイヤモンド粉末：40容量％、同６μｍの立
方晶BN粉末：30容量％、同１μｍのTiC粉末：
10容量％、同３μｍのTi₅Si₃粉末：10容量％、お
よび同１μｍのAl₂O₃粉末：10容量％とを配合
し、この配合粉末を超硬合金製のボールミル中
で、溶媒としてアセトンを使用して４時間混合し
た後、乾燥した。ついで、この混合粉末を直径10
mmφ×高さ10mmのステンレス鋼（JIS・SUS304）
製の管内に詰め、真空引きしながら超硬合金
（p20）製の蓋を前記管の両側端部に溶接し、前
記管を密封した。このように上記混合粉末を充填密封した管を、
公知の超高圧高温発生装置に装着し、最高付加圧
力：60Kb、最高加熱温度：1450℃の条件で10分
間保持して焼結した後、冷却し、圧力解放を行な
うことによつて第１表に示される成分組成をもつ
た本発明超高圧焼結材料（以下発明材料という）
１を製造した。この結果得られた本発明材料１
は、ダイヤモンド、立方晶BN、TiC、Ti₅Si₃、お
よびAl₂O₃が均一に分散した緻密な組織を有し
た。ついで、比較の目的で、第１表に示されるよう
に、この発明の範囲から外れた成分組成を有する
比較超高圧焼結材料（以下比較材料という）１〜
10を、第１表に示される最終成分組成になるよう
に原料粉末の配合割合を変える以外は、上記本発
明材料１の製造に適したと同一の条件で製造し
た。

【表】つぎに、上記本発明材料１、比較材料１〜10、
および同様に比較の目的で用意した従来公知の主
成分がダイヤモンドからなる超高圧焼結材料（以
下従来ダイヤモンド材料という）から、切断およ
び研磨手段によつて切削用切刃を切出し、この切
刃を炭化タングステン基超硬合金製チツプに銀ろ
うを使用してろう付けすることにより本発明材料
製切削工具１、比較材料製切削工具１〜10、およ
び従来ダイヤモンド材料製切削工具をそれぞれ製
造した。この結果得られた上記各種切削工具を用いて、切削速度：400ｍ／min、送り：0.1mm／rev.、切り込み：0.2mm、切削油：なし、の条件で鋳鉄（FC30）部材の仕上げ面加工を行
ない、上記各種切削工具の逃げ面摩耗が0.2mmに
到るまでの切削時間を測定した。この測定結果を
第２表に示した。第２表に示されるように、本発明材料は、これ
を切削工具として使用した場合、この発明の範囲
から外れた成分組成を有する比較材料および従来
ダイヤモンド材料に比してきわめてすぐれた切削
特性を示すことが明らかである。

【表】実施例２配合粉末を、いずれも市販の平均粒径３μｍの
ダイヤモンド粉末：50容量％、同６μｍの立方晶
BN粉末：25容量％、同１μｍのTiC粉末：５容
量％、同１μｍのTiB₂粉末：５容量％、同３μ
ｍのTi₅Si₃粉末：５容量％、同２μｍのTa₅Si₃粉
末：５容量％、および同１μｍのAl₂O₃粉末：５
容量％から構成し、混合時間を１時間とする以外
は、上記実施例１における本発明材料１の製造の
場合と同一の条件で、実質的に前記配合粉末組成
と同一の最終成分組成をもつた本発明材料２を製
造した。この本発明材料２と、実施例１で示したと同じ
従来ダイヤモンド材料より、それぞれ実施例１に
おけると同一の条件で切削工具を製造し、この切
削工具を用いて、アルミニウム合金部材の穴あけ
加工を行ない、工具寿命に至るまでの加工個数を
測定したところ、従来ダイヤモンド材料製の切削
工具では13000個しか加工することができなかつ
たのに対して、本発明材料２製の切削工具は、４
倍以上の55000個を加工することができた。実施例３配合粉末を、いずれも市販の平均粒径１μｍの
ダイヤモンド粉末：40容量％、同６μｍの立方晶
BN粉末：30容量％、同１μｍのTiN粉末：５容
量％、同５μｍのTaN粉末：５容量％、同１μｍ
のTi₅Si₃粉末：５容量％、同１μｍのTa₅Si₃粉
末：５容量％、同１μｍのAl₂O₃粉末：５容量％
および同１μｍのMgO粉末：５容量％から構成
し、混合時間を１時間とする以外は、実施例１に
おいて本発明材料１を製造した場合と同一の条件
で、実質的に前記配合粉末組成と同一の最終成分
組成をもつた本発明材料３を製造した。ついで、実施例１におけると同様に製造した本
発明材料３製の切削工具および上記従来ダイヤモ
ンド材料製の切削工具、さらに従来高硬度鋼の切
削に用いられている主成分が立方晶BNからなる
超高圧焼結材料（以下従来立方晶BN材料とい
う）製の切削工具を用いて、被削材：JIS−SNCM−８（硬さＨ_RＣ：50）、切削速度：120m／min、送り：0.1mm／rev.、切込み：0.1mm、切削油：なし、の条件で切削試験を行ない、逃げ面摩耗が0.2mm
に到るまでの切削時間を測定したところ、本発明
材料３製の切削工具は150分を要したのに対し
て、従来高硬度鋼の切削には用いられていない従
来ダイヤモンド材料製の切削工具はきわめて短か
い30分で、また従来立方晶BN材料製の切削工具
でも80分で前記摩耗に達した。これらの結果から
本発明材料はきわめてすぐれた切削特性をもつこ
とがわかる。上述のように、この発明の超高圧焼結材料は、
すぐれた靭性、高温耐酸化性、および耐摩耗性を
兼ね備えているので、特に切削工具材料として使
用した場合にすぐれた切削性能を発揮するのであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１ダイヤモンド：20〜80％、立方晶窒化ほう素：５〜60％、周期律表の4a、5a、および6a族の金属の炭化
物、窒化物、炭窒化物、およびほう化物のうちの
１種または２種以上：１〜30％、周期律表の4a、5a、および6a族の金属のけい化
物のうちの１種または２種以上：１〜30％、酸化アルミニウム、酸化イツトリウム、および
酸化マグネシウムのうちの１種または２種以上お
よび不可避不純物：１〜20％、（以上容量％）からなる組成を有することを特
徴とする靭性を具備する耐熱耐摩耗性超高圧焼結
材料。