JPS6146429B2 - - Google Patents

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用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
備えた切削工具用材料を得べく、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、周期律表の4a，5a、および6a族金属の炭化
物、並びにTiの窒化物、炭窒化物、および硼化
物のうちの１種または２種以上（以上これらを総
称して金属の炭・窒・硼化物という）からなる粉
末と、けい化チタン（けい化チタンには、Ti₅Si₃
やTiSi₂などがあるが、以下代表してTi₅Si₃で示
す）粉末と、炭化ほう素（以下B₄Cで示す）、炭
化けい素（以下SiCで示す）、および窒化けい素
（以下Si₃N₄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炭・窒化物という）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、超高圧焼結を行なうと、ダイヤモンド粒子同
志、金属の炭・窒・硼化物粒子同志、けい化チタ
ン粒子同志、および炭・窒化物粒子同志の相互接
触がなく、ダイヤモンド粒子、金属の炭・窒・硼
化物粒子、けい化チタン粒子、および炭・窒化物
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、この結果得られた超高圧焼結材料は、
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、金属の炭・窒・硼化物粒子、けい化
チタン粒子および炭・窒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％、 金属の炭・窒・硼化物：５〜60％、 けい化チタン：１〜30％、 炭・窒化物および不可避不純物：５〜60％、 からなる組成を有し、かつすぐれた靭性、耐熱
性、および耐摩耗性を有する切削工具用超高圧焼
結材料に特徴を有するものである。 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通り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以上（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％を超えて含有させると、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・硼化物粒子および炭・窒化
物粒子と、特に高温耐酸化性（耐熱性）にすぐれ
たけい化チタン粒子と、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。なお、好ましくは40〜80容量％の含有が望
ましい。 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) 金属の炭・窒・硼化物 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、硼化チタン（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・硼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・硼
化物には、上述のように焼結時にダイヤモンド粒
子、けい化チタン粒子、および炭・窒化物粒子の
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けい
化チタン粒子および炭・窒化物粒子と共存した状
態で埋めた緻密な組織を形成する作用があるが、
その含有量が５容量％未満では、相対的にダイヤ
モンドの含有量が多くなり過ぎて前記作用に所望
の効果を得ることができず、この結果靭性低下を
きたすようになり、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
料に充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５〜60容量％に定めた。 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・硼
化物粉末は微粉のものが好ましく、平均粒径：10
μｍ以下の微細な粉末を使用するのが望ましい。 (c) けい化チタン 例えば、Ti₅Si₃は融点：2120℃を有するよう
に、けい化チタンは、高融点を有し、しかもダイ
ヤモンドおよび金属の炭・窒・硼化物に比して高
温における耐酸化性にすぐれた物質であり、さら
に、このけい化チタンは、ダイヤモンドおよび金
属の炭・窒・硼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、金属の炭・窒・硼
化物粒子、および炭・窒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
作用に所望の効果が得られず、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％に定めた。なお、
望ましくは10〜30容量％の含有が好ましい。 (d) 炭・窒化物 例えば、SiCは融点：2827℃、微少ヌープ硬
さ：3000Kg／mm²（荷重100ｇ）を有するように、
これら炭・窒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、しかも炭・窒化物
には、この発明の超高圧焼結材料の製造における
焼結時に、上述のようにダイヤモンド粒子、金属
の炭・窒・硼化物粒子、およびけい化チタン粒子
との相互粒界での成分拡散に寄与して強固な粒子
間結合を形成せしめる作用があるほか、それ自体
が焼結性にすぐれたものであるため、緻密な組織
を形成して靭性向上に寄与する作用があるが、そ
の含有量が５容量％未満では、前記作用に所望の
効果が得られず、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５
〜60容量％に定めた。 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炭・窒化物粉末
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。 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、金属の炭・窒・硼化物粉末、けい化チタン粉
末、および炭・窒化物粉末とを所定割合に配合
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。 原料粉末として、それぞれ市販の平均粒径：３
μｍを有するダイヤモンド粉末、同３μｍの
Ti₅Si₃粉末、同２μｍのSiC粉末、同３μｍの
Si₃N₄粉末、同0.5μｍのB₄C粉末、並びに0.2〜３
μｍの範囲内の平均粒径を有する各種の炭・窒・
硼化物粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ
第１表に示される配合組成に配合し、これに溶媒
としてアセトンを加え、炭化タングステン基超硬
合金製のボールミル中で４時間混合し、乾燥した
後、直径：10mm×高さ：10mmの寸法をもつたステ
ンレス鋼（JIS・SUS304）製管内に詰め、真空引
きしながらJIS・p20の炭化タングステン基超硬
合金製の蓋を前記管の両側端部に溶接して密封
し、ついで、これ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実質的に配合
組成と同一の成分組成をもつた本発明超高圧焼結
材料１〜９、および比較超高圧焼結材料１〜８を
それぞれ製造した。 この結果得られた本発明超高圧焼結材料１〜９
は、いずれもダイヤモンド、金属の炭・窒・硼化
物、Ti₅Si₃、炭・窒化物が均一に分散した緻密な
組織をもつものであつた。 なお、比較超高圧焼結材料１〜８は、いずれも
構成成分のうちの少なくともいずれかの成分含有
量（第１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もつものである。 つぎに、上記の本発明超高圧焼結材料１〜９、
および比較超高圧焼結材料１〜８、並びに第１表
に示される組成をもつた従来公知の主成分がダイ
ヤモンドからなる市販の超高圧焼結材料から、切

【表】 断および研磨により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
うを用いてろう付けした状態で、 被削材：FC25、 切削速度：190ｍ／min、 切込み：0.2mm、 切削油：水溶性油使用、 の条件での鋳鉄の仕上げ面加工切削試験、並びに 被削材：Al−Si合金（Si：20重量％含有）、 切削速度：400ｍ／min、 送り：0.05mm／rev.、 切込み：0.2mm、 切削油：なし、 の条件でのAl合金の仕上げ面加工切削試験を行
ない、いずれの切削試験でも切刃の逃げ面摩耗幅
が0.1mmに達するまでの切削時間を測定した。こ
れらの測定結果を第１表に示した。 第１表に示される結果から、本発明超高圧焼結
材料１〜９は、いずれも市販の超高圧焼結材料に
比して、著しくすぐれた靭性および耐熱性を有
し、かつこれと同等のすぐれた耐摩耗性を有する
ので、きわめて長い切削時間を示すのに対して、
市販の超高圧焼結材料は、靭性および耐熱性不足
が原因で比較的短かい切削時間しか示さないこと
が明らかである。 また、比較超高圧焼結材料１〜８に見られるよ
うに、構成成分のうちの少なくともいずれかの成
分含有量でもこの発明の範囲から外れると、靭
性、耐熱性、および耐摩耗性のうちの少なくとも
いずれかの性質が劣つたものになるので、所望の
切削性能を示さず、比較的短時間の切削時間しか
示さないものである。 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、耐熱性（高温耐酸化性）、および
耐摩耗性を兼ね備えているので、特に切削工具用
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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ダイヤモンド：20〜80％、 周期律表の4a，5a、および6a族金属の炭化物、
   並びにTiの窒化物、炭窒化物、および硼化物の
   うちの１種または２種以上：５〜60％、 けい化チタン：１〜30％、 炭化ほう素、炭化けい素、および窒化けい素の
   うちの１種または２種以上および不可避不純物：
   ５〜60％、 からなる組成（以下容量％）を有することを特徴
   とする靭性および耐熱耐摩耗性のすぐれた切削工
   具用超高圧焼結材料。