JPS63186848A - 焼結硬質合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、切削工具材料として有用な焼結硬質合金及び
その製造方法に関する。

〔従来の技術〕

チタン（’Ｉ’１）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン□
Ｊｏ）　、タングステン（Ｗ）、等の複炭窒化物を硬質
分散相とし、これをニッケル（Ｎｉ）　　やコバルト（
Ｇｏ）　　等の耐熱性金属で結合した焼結硬質合金（以
下、サーメットと称す）は、タングステン、チタン、タ
ンタル等の炭化物を硬質分散相とし、これをコバルト等
の金属で結合した焼結硬質合金（以下、超硬合金と称す
）に比較して、被削材との耐溶着性に優れていることが
ら高速用の切削工具材料として広く使用されている。し
かし、このサーメットは超硬合金と同様に極めて硬い為
に、研削加工性が悪くダイヤモンド砥石による研削以外
では加工できない。

又、か＼るサーメットの製造には、従来からチタンの炭
窒化物の粉末と、モリブデン等の炭化物の粉末とを混合
し、圧縮成形し９、焼結する方法が採られている。近年
、サーメットの切削性能を改善する目的で硬質分散相中
の窒素含有量を増加させることが行なわれているが、窒
素含有量が多くなるほど焼結中の脱窒現象が激しくなシ
、焼結性が低下する。そこで焼結性を維持するために大
量のモリブデンの添加が不ｏＪ欠となシ、益々サーメッ
トの研削加工性を悪化させていた。

然るに、サーメットを切削工具として用いる場合、耐溶
着性が良いことから好んで面精度が要求される仕上げ切
削加工に使用されている。

その為、被剛材の仕上げ面精度及び仕上げ寸法精度の点
から、通常はサーメット工具を研削加工した所謂精密級
（ＪＩＳ　Ｃ−級精度）のスローアウェイチップが用い
られる。しかし、特に最近開発されている窒素含有量の
多いサーメットではダイヤモンド砥石を用いても研削加
工が著しく困難である為、焼結したま＼で研削加工を施
さない焼結肌スローアウェイチップとしてしか切削工具
として実用化されておらず、飛躍的な切削性能の改善に
もかかわらず需要が伸びなかった。

さらに、焼結硬質合金において、その耐摩耗性、靭性等
の特性が、その硬質分散相の組成、特に合金金属元素に
対する非金属元素の比によって、大きく左右されること
は当業者に周知の事実である。例えば、（Ｔｌ、７）（
０，Ｎ）１．ｌ　　という分子式、但しｌはネオブ、タ
ンタル、モリブデン、タングステン等の遷移金属を示す
、で表わされる硬質分散相を、ニッケル、コバルト等の
金属で結合したサーメットの硬さはｍに対し単調増加す
る、即ち、ｍが大きい程硬いことが知られている。した
がって、切削工具にとシ最も重要な耐摩耗性の点からは
、ｍをできるだけ大きくすれば良いことは言うまでもな
い。

一方、（ｒ、ｒ）（ｃＮ）、　　の平衡窒素分圧は、ｍ
に対し単調減少する。即ち、ｍが小さい程、平衡窒素分
圧が低いことも知られている。硬質分散相の平衡窒素分
圧が高いと、該サーメットを焼結中に焼結体から窒素が
抜は出る脱窒現象が生じ、焼結体中の窒素含有量が所定
の量に達しないばかシか、焼結体から不均一に脱窒する
ため、得られたサーメットが均一でなくなシ、結果とし
て焼結体の各面、各辺がそってしまい、焼結肌スＣ１−
アクエイチップとして規格に入らず実用できなくなる。

このような理由から、従来ｍは０．８０以下に調整せざ
るを得なかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、か＼る従来の事情に鑑み、窒素含有量が高く
切削工具として優れた切削性能を有する焼結硬質合金、
特にサーメットの研削加工性及び焼結体の形状の正常性
を改善することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の焼結硬質合金は、 分子式］Ｔ工ｘＭｙＷ２）（ＧＡ−ＮＢ）ｍ但し、原子
比でχ＋ｙ　十ｚ　＝　１、Ａ＋ａ＝　＋、０．５≦ｘ
≦０．９５．０．０１≦ｙ≦０．４．０．０１≦ｚ≦０
．４．０．１≦Ａ≦υ−９，０，１≦Ｂ≦０．９．０．
８５≦ｍ≦１．０５、及びＭはＴ＆、Ｎｂノ一方又に両
方で両方の場合の比率は任意； を有する、チタンと、タンタル及び／又はニオブと、タ
ングステンとの複炭窒化物からなる硬質分散相と、ニッ
ケル及び／又はコバルトを含む３．０〜４０．ａ重量％
の結合金属相とからなり、モリフ゛デンを含まない。

上記焼結硬質合金の製造は、チタンとタングステンの原
料粉末としてこれらを含む複炭窒化物を用いることを特
徴とし、具体的には（１）チタンとタングステンの複炭
窒化物の粉末と、タンタル及び／又はニオブの炭化物及
び／又は窒化物の粉末と、ニッケル及び／又はコバルト
の粉末とを用いるか、又Ｆｉ、ｆ２１チタンとタングス
テンとタンタル及び／又はニオブの複炭窒化物の粉末と
、ニッケル及び／又はコバルトの粉末を用い、通常の方
法に従ってこれらの粉末を混合し、圧縮成形した後に焼
結する。

〔作用〕

サーメットの研削加工性を悪くしている原因を検討し九
結果、硬質分散相中の窒素と結合金属中のモリブデン及
びタングステン、特にモリブデンがその主要因であるこ
とが判明した。しかし、窒素はサーメットの切削性能を
左右する重要な元素であシ、その改善の目的で硬質分散
相中の窒素含有量を増加させることが行なわれているこ
とは前記の通シである。他方、モリブデン及びタングス
テンも窒素含有量が多くなるほど激しくなる脱窒現象を
抑えて焼結性を維持するために不可欠とされてきた。

そこで、本発明者等はサーメットの焼結現象について詳
細に研究し、焼結中の脱窒現象は硬質分散相であるＴｚ
、　Ｔ転Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｗ等の複炭窒化物が形成され
る際、特にＴｘ　　の炭窒化物にＷの炭化物が固溶する
際に起こることを見出し、この脱窒現象を避けるために
Ｔ１　　とＷの原料粉末としてこれらを含む複炭窒化物
を用いることによシ、Ｍｏ　　を含まずに焼結性が良く
研削加工性に優れたサーメットを開発したものである。

又、脱窒現象を大巾に抑えられることから、硬質分散相
の平衡窒素分圧は高くても、焼結中の脱窒現象による諸
問題は殆んど解決されるため、ｍを０．８０以上に調整
することが可能である。

尚、サーメットの硬質分散相を表わす上記分子式におい
て、Ｘが０．５未満ではサーメットの耐摩耗性が不足し
、０．９５を超えると焼結性が劣化するので好ましくな
い。Ｔａ及びＮｂｆ′ｉ、サーメットの耐熱疲労性を向
上させるが、ｙが０．０１未満ではこの効果がなく、ｙ
が０．４を超えると耐摩耗性が不足する。Ｗは焼結性の
向上に不可欠であるが、２が０．０１未満ではその効果
がなく、２が０，４を超えると耐摩耗性が不足する。

又、窒素は切削加工性の向上に必須の元素であるが、Ｂ
が０．１未満ではこの効果がなく、Ｂが０．９を超える
と焼結性が劣化するので好ましくない。ｍは金属元素に
対する非金属元素の割合を示すが、この値が０．８５未
満では結合金属相中にＷが増加してサーメットの研削加
工性が低下するとともに硬質分散相の硬さが不足し、ｍ
が１．０５を超えるとサーメット中に遊離炭素か増加し
て切削性能が著しく劣下する。

〔実施例〕

実施例１ 市販の７１（ＯＮ）粉、ＴａＧ粉及びｗａ粉を混合し、
２００　Ｔｏｒｒ　　の窒素気流中で１６５ＣＩＣで１
時間熱処理して複炭窒化物を形成した。この複炭窒化物
をボールミルで粉砕した後、Ｎ１　　粉及びＣｏ　　粉
を添加し、更にパラフィンを加えてヘキサン中で湿式粉
砕混合した。得られたスラリーをアトマイザ−で乾燥、
造粒した。

得られた粉末を２　ｔｏｎ　／　ｔｗｒ’でＳＮＧ　４
３２のチップ形状に型押しし、１：ｚｏｏｒまでは真空
中で、＋２００Ｃ〜＋４５ＤＣまでは１５　ｔｏｒｒの
窒素気流中で昇温し、そのま＼１４５０Ｃで１時間焼結
した。得られたサーメットの組成は（”０．８８”０．
０７ｗ０，０５）　（００，５１Ｎ０．４９）０．９５
　−７重量％Ｎ１−７重ｉ％Ｇｏであった。

尚、比較例１として同一組成のサーメットを市販のＴ）
、（ＯＮ）粉、ＴａＯ粉、ｗａ粉、Ｎ１粉及びＧ。

粉を用いて上記と同様に焼結して製造し、更に比較例２
として市販のサーメット（住友電気工業■裂Ｔ２５Ａ）
を用意した。

これらのサーメットの研削加工性を試験する為、各チッ
プ側面をＮＯ外周研削機にて同一条件で研削した。実施
例及び比較例１のチップは２時間に１回ドレッシングを
行なえば良かったが、比較例２のチップは５６分に１０
ドレツシングする必要があった。

次に、以下の条件で各チップの切削性能をテストした： 被切削材　ＳｃＭ　４３５　（Ｈ８＝　２５０）　１０
０　Ｘ　１００朋角カツター　〇ＮＦ　４ｊ６ＯＲ 切削速度　１５０ｍ１０ｓｉｎ 送　　　ｐ　　　０．２５ｓｔｙ／　ｒｅｖ　。

切り込み　２．５ｎ 水溶性切削剤使用 その結果、実施例１のチップは１０分間の切削で７ラン
ク摩耗が０．１２ｍであったのに対して、比較例１は１
０分の切削でチンピングし、その間のフランク摩耗が０
．２８ｍであシ、比較例２は６分２８秒の切削でチンピ
ングした。

実施例２ 市販のＴｌ（ＯＮ）粉、ＴａＮｂ０粉及びｗｅ粉を用い
て、実施例１と同様に複炭窒化物を形成し、同様にチッ
プ形状のサーメットを作成した。サーフ２トの組成は（
Ｔ１０．８８”　０．０４Ｎｂ０．０３ｗ０−０５　Ｘ
’０．５ＮＯ，５）０．９６　　’重量ＸＮＩ　　７重
量％Ｃｏであった。

実施例１と同様に研削加工性をテストしたところ２時間
に１回のドレッシングで良く、又切削テストは１０分の
切削でフランク摩耗が０．１４１であった。

実施例６ 市販のＴｉ、（ａＮ）粉及びｗｅ粉を混合し、２００ｔ
ｏｒｒ　　の窒素気流中で１６０００で１時間熱処理し
て複炭窒化物を形成した。この複炭窒化物をボールミル
で粉砕した後、ＴａＮｂ０粉、Ｎｉ　粉及びＣｏ　　粉
を添加し、更にパラフィンを加えてヘキサン中で湿式粉
砕混合した。得られたスラリーをアトマイザ−で乾燥、
造粒した。

得られた粉末を実施例１と同様にして５ＰＧ４２２のチ
ップ形状に焼結した。得られたサーメットの組成は（Ｔ
１０．８８”Ｏ，０ａＮｂ０．０５”０．０５）（’０
．４９Ｎ０．５１）０．９７　　　”５重量％Ｈ１−５
，５重量％Ｃｏ　　であった。

尚、比較例３として市販のサーメット（住友電気工業■
製Ｔｌ２Ａ）を用意した。

実施例３のサーメットの研削加工性は実施例１のそれと
同様であった。

次に、以下の条件で各チップの切削性能をテストした： 被切削材　５４ｓａ（ＨＢ＝ｚａａ） 切削速度　１７０ｍ／ｍ１ｎ 送　　　’）　　　０．１　０　ｗｎａ／　ｒｅｖ。

切シ込み　０．１　ｖｔｘ ホルダー　ＦＰ２１Ｒ−４４Ａ 水溶性切削材使用 その結果、実施例５のチップは３０分間の切削でフラン
ク摩耗が０．０８請であったのに？Ｊ　して、比較例３
ではフランク摩耗が０．１８ｎ肩であった。

ちなみに、ＭＯ粉を用いる以外ｒｊ：″ｌｊ！施例５と
同様に製造して組成がＣＴ１０４８”０．０４Ｎｂ０．
０３”０．０２ｗ０．０３）（ＣＯ０５５Ｎ０．４５）
０．９１　　”５重量％Ｎ１−５．５重量％Ｃｏである
比較例４、及びこれと同一組成であるが複炭窒化物を用
いない従来法で製造した比較例５について研削加工性と
切削性能をテストし７と。その結果、比較例４は５０分
の切削でフランク３プ耗が０．０５．ｌであったが研削
加工では１２分毎にドレッシングが必要であり、比較例
５は２６分３８秒の切削でチッピングし、研削加工では
２１分毎にドレッシングが必要であった。

実施例４ 市販のＴｌ（ＣＮ）粉末及びＷＣ粉を混合し、２００Ｔ
ｏｒｒ　　の窒素気流中で＋６ｏｏｃで１時間熱処理し
て、複炭窒化物を作成した。この複炭窒化物をボールミ
ルで粉砕した後、ＮｂＮ粉末及びＮ１粉末を添加し、更
にパラフィンを加えて、エチルアルコール中で湿式粉砕
混合した。得られたスラリーをアトマイザ−で乾燥・造
粒した。

得られた粉末を、型押し成形したのち真空中で１２００
ｔｌ’まで昇温し、１２００〜１３８０ＣはＩ　ＯＴｏ
ｒｒ　　の窒素気流中で昇温し、１３８０Ｃで５　’ｒ
ｏｒｒ　　の窒素気流中で保持したのち焼結炉内を一旦
真空排気、然るのちＩ　５　Ｔｏｒｒ　　の−酸化炭素
気流中で室＠まで冷却することによって５ＤＫＮ　４５
　ＴＨのチップを焼結した。なお、得らｉ７’ｍ？−メ
７トの組成は”０．８ＯＮｂ０．１５”０．０５）（Ｃ
Ｄ、５８Ｎ０．４０）０．９５　　”重量％Ｎ１であっ
た。

このチップと、比較例６として市販のサーメット（住友
電気工業■製Ｔ２５Ａ）を用意し、以下の条件で切削テ
ストを行なった： 被削材　　８４５０　（Ｈ８＝　２５０）　５０　ｍ　
Ｘ　１００　ｍ角力ツタ−ＦＰＧ４ｔ６ＵＲ 切削速度　１８０ｍ／ｍｚｎ 送　　　？）　　　０．１　２　ｙｔｘ／　ｒｅｖ−切
り込み　３目 水溶性切削剤使用 実施例４のチップは１０分間の切削で７ランク摩耗が０
．０８酊であったのに対し、比較例６では８分１３秒の
切削時に熱亀裂によって欠損してしまった。

実施例５ 市販のＴｌ（（Ｎ）粉、ＴａＣ粉及びｗｃ粉を混合し、
１００Ｔｏｒｒ　　の窒素気流中で１６０ＯＣで２時間
熱処理して複炭窒化物を形成した。この複炭窒化物を、
ＢＥＴで測定した比表面積がＩｎ／Ｉ以上になるまでボ
ールミルで粉砕したものに１Ｎ１粉、　Ｃｏ粉及びパラ
フィン粉を添加し、エチルアルコール中で湿式混合した
。得られたスラリーをアトマイザ−で噴霧乾燥し、造粒
粉を得た。得られた粉末を１．５　ｔｏｎ　／　ｃｒｒ
ｉ’の圧力で型押して成形し、ＶＮＭＧ４４２の圧粉体
を得た。この圧粉体を真空中で＋＋ＳＯＣまで昇温した
後、２０　Ｔｏｒｒ　　の窒素気流を流したまま＋４２
５Ｃまで昇温し、この温度で４０分間焼結を行った。

然る後、Ｉ　５　Ｔｏｒｒ　　の窒素気流中で室温まで
冷却した。以上で得られた本発明法によるサーメットの
組成は（で１０．８８”０．０７”０．０５８Ｇ０．５
６Ｎ０．４４）Ｏ，？−６重ｔ％Ｎ１−６重量ＸＯｏで
あった。

尚、従来法による比較例７として市販のＴ１（ＯＮ）粉
、　ＴａＣ粉、　ｗＣ粉、　ＮＬ粉及びＣｏ粉末をその
まま湿式混合し、実施例５と同様に焼結した。

さらに、添加炭素量及び焼結中の窒素分圧を変えること
によシ、表１に示すようにｍを種々の値に調整した本発
明品及び比較品を作製し九得られた各試料について、下
記の条件で耐摩耗テストを行った結果及びＶＮＭＧ　４
４２チツプの切刃部の直線性についても表１に示す。

被削材　　ＳＯＭ　４５５　（Ｈ８＝　２５０　）切削
速度　１８０　ｍ　／　ｍｚｎ 送　　　　　　リ　　　　０．３６　龍　／ｒｅｖ。

切り込み　２．０　ｎｚ 切削時間　５分間 切削剤　　使用せず 尚、チップの切削部の直線性を示す−を、図で説明する
。第１図の太線は、サーメツト製スローアウェイチップ
ＶＮＭＧ４４２の上面図であって、該チップは頂角３５
°のひし形のチップで内接円半径Ｒ４が１２．７ｓｔ＊
、ノーズ先端半径Ｒ２がｏ、ａ　ｇである。ここでａと
は焼結された切刃の実際の辺ＡＢＣの、本来あるべき直
線ＡＢ（細線）からのずれの最大値であって、図示のよ
うな内側へのそりを十で、また外側へのそシ（ふくれ）
を−とする。

表−１ 〔発明の効果〕 本発明は、窒素含有量が高く、切削特性に優れており、
しかもその器用加工性も著しく改善され念焼結硬質合金
を焼結体の形状の正常性を保持して製造できる有利な方
法であり、本発明による焼結硬質合金は、切削工具とし
て用いるときに、飛躍的な切削性能を有し堺結帆スロー
アウェイチップとしては勿論のこと、精密級の仕上げ切
削加工用の工具としても用い得る任れたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結され九切刃の直線からのずれａを説明する
ための上面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）分子式｛Ｔｉ＿ｘＭ＿ｙＷ＿ｚ｝（Ｃ＿Ａ・Ｎ＿
   Ｂ）＿ｍ但し、原子比でｘ＋ｙ＋ｚ＝１、Ａ＋Ｂ＝ １、０．５≦ｘ≦０．９５、０．０１≦ｙ≦０．４、０
   ．０１≦ｚ≦０．４、０．１≦Ａ≦０．９、０．１≦Ｂ
   ≦０．９、０．８５≦ｍ≦１．０５、及びＭはＴａ、Ｎ
   ｂの一方又は両方で両方の場合の比率は任意； を有する、チタンと、タンタル及び／又はニオブと、タ
   ングステンとの複炭窒化物からなる硬質分散相と、ニッ
   ケル及び／又はコバルトを含む３．０〜４０．０重量％
   の結合金属相とからなる焼結硬質合金。
2. （２）分子式｛Ｔｉ＿ｘＭ＿ｙＷ＿ｚ｝（Ｃ＿Ａ・Ｎ＿
   Ｂ）＿ｍ但し、原子比でｘ＋ｙ＋ｚ＝１、Ａ＋Ｂ＝ １、０．５≦ｘ≦０．９５、０．０１≦ｙ≦０．４、０
   ．０１≦ｚ≦０．４、０．１≦Ａ≦０．９、０．１≦Ｂ
   ≦０．９、０．８５≦ｍ≦１．０５、及びＭはＴａ、Ｎ
   ｂの一方又は両方で両方の場合の比率は任意； を有する、チタンと、タンタル及び／又はニオブと、タ
   ングステンとの複炭窒化物からなる硬質分相と、ニッケ
   ル及び／又はコバルトを含む３．０〜４０．０重量％の
   結合金属相とからなる焼結硬質合金の製造方法であつて
   、チタンとタングステンの複炭窒化物の粉末と、タンタ
   ル及び／又はニオブの炭化物及び／又は窒化物の粉末と
   、ニッケル及び／又はコバルトの粉末とを混合し、圧縮
   成形した後、焼結することを特徴とする上記焼結硬質合
   金の製造方法。
3. （３）分子式｛Ｔｉ＿ｘＭ＿ｙＷ＿ｚ｝（Ｃ＿Ａ・Ｎ＿
   Ｂ）＿ｍ但し、原子比でｘ＋ｙ＋ｚ＝１、Ａ＋Ｂ＝ １、０．５≦ｘ≦０．９５、０．０１≦ｙ≦０．４、０
   ．０１≦ｚ≦０．４、０．１≦Ａ≦０．９、０．１≦Ｂ
   ≦０．９、０．８５≦ｍ≦１．０５、及びＭはＴａ、Ｎ
   ｂの一方又は両方で両方の場合の比率は任意； を有する、チタンと、タンタル及び／又はニオブと、タ
   ングステンとの複炭窒化物からなる硬質分散相と、ニッ
   ケル及び／又はコバルトを含む３．０〜４０．０重量％
   の結合金属相とからなる焼結硬質合金の製造方法であつ
   て、チタンとタングステンと、タンタル及び／又はニオ
   ブの複炭窒化物の粉末と、ニッケル及び／又はコバルト
   の粉末とを混合し、圧縮成形した後、焼結することを特
   徴とする上記焼結硬質合金の製造方法。