JPS63260701A - 高硬度工具用焼結体による焼入鋼の切削方法 - 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〕 この発明は、立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮと略す）を用
いた高硬度工具用焼結体による焼入鋼の切削方法に関す
る。

〔従来の技術〕

ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、その
焼結体は種々の切削工具に使用されている。切削工具に
適したこの種のｃＢＮ焼結体の一例が、特開昭５３−７
７８１１号公報に開示されている。

上記先行技術には、ｃＢＮを体積％で８０〜４０％含有
し、残部が周期律表第１Ｖａ、Ｖａ、Ｖｌａｌ遺族金属
の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれらの混
合物または相互固溶体化合物を主体としたもの、さらに
これらにＡ！および／またはＳｉを添加したものからな
るｃＢＮ結晶体が開示されている。この先行技術のｃＢ
Ｎ焼結体では、上記したような化合物が焼結体組織中に
おいて連続した結合相をなしている。

上記高硬度工具用焼結体では、結合化合物として、周期
律表第ｒＶａ、Ｖａ、■ａ族遷移金属の炭化物、窒化物
、硼化物、硅化物またはこれらの相互固溶体化合物が用
いられているが、これらの化合物は熱伝導性に優れ高硬
度であるため、この焼結体は切削工具として切削条件と
して湿式で切削すると、一般的に高い性能を示す。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記した特開昭５３−　７７８１１号公
報に開示されている焼結体においても、たとえば高硬度
焼入れ鋼の断続切削のような特に厳しい衝撃力が加わる
用途では、切削中に刃先が欠損し、したがってその寿命
が比較的短いという問題があった。この刃先の欠損は、
刃先の強度不足により生じたり、あるいは摩耗、特にク
レータ摩耗が刃先に発生し、刃先が鋭利になるため生じ
たり、あるいは湿式で切削を行ってきたため刃先に熱亀
裂を生じ、欠損に至るものと推測される。

よって、この発明の目的は、上記した従来の立方晶窒化
硼素焼結体よりもさらに強度および耐摩耗性に優れた高
硬度工具用焼結体を用い、本焼結体の優れた切削性能を
発揮するような切削方法を提供することにある。

〔問題点を解決するたｉの手段〕

本願発明者達は、上述の目的を達成するために鋭意検討
した結果、５０〜７５容量％のｃＢＮと、２０〜５０重
量％のＡ！を含み、ＴｉＮｚ、Ｔｉ　（Ｃ、Ｎ　）　ｚ
、ＴｉＣｚ。

（Ｔｉ、Ｍ）Ｃｚ、（Ｔｉ、Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚおよび（
Ｔｉ。

Ｍ）Ｎｚの１種以上Ｔｉ化合物を含み（但し、ＭはＴｉ
を除く周期律表第ｒＶａ、ＶａまたはＶＩａ族遷移金属
元素であり、２は０．５≦ｚ≦０．８５の範囲）、含有
されるＴｉとＴｉを除くＩＶａ、Ｖａ、Ｖｌａ族遷移金
属との原子比が２７３〜９７／　１００であり、タング
ステンを上記Ｔｉ化合物およびＷＣの少なくとも一方の
形態で含み、全タングステン濃度が４〜４０重■％であ
る結合材とを混合し、超高圧・高温下で焼結することに
より得られた焼結体を用い、切削速度を７０ｍ／分〜２
００ｍ／分で、送りが０．０５−０，３ｎ＋ｍ／回転で
、乾式で切削すること、たとえば高硬度焼入鋼の断続切
削のような用途において著しく耐欠損性が向上すること
を見出した。

なお、本発明に用いる焼結体は、ｃＢＮの他、ＴｉＮ、
　Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ）　、　ＴｉＣ，（Ｔｉ、　Ｍ　）　
Ｃ，（’Ｔｉ。

Ｍ）（Ｃ，Ｎ）ｚおよび（Ｔｉ、　Ｍ　）　Ｎ、硼化チ
タン、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、タングス
テン化合物ならびに／またはタングステンを含んでおり
、その組織において、結合相が連続している。

なお焼結は、超高圧装置を用いて２０ｋｂ〜６０ｋｂの
圧力ならびに１０００℃〜１５００℃の温度で行なう。

焼結に先立って、ｃＢＮ粉末と結合材粉末とからなる混
合粉末を成形しておいてもよく、また粉状体のまま焼結
に供してもよい。

〔作用〕

この発明の焼結体が、この発見の切削条件により耐欠損
性が著しく向上するのは、以下の理由によるものと推測
し得る。

焼結体の強度を向上するには、ｃＢＮの含有量が高く、
かつｃＢＮと結合材または結合材自体が強固に接合して
いる必要がある。この発明では、結合材中に２０〜５０
重量％のＡβを含有させることにより、ＡβがｃＢＮと
高温・高圧下での焼結時に反応し、硼化アルミニウムや
窒化アルミニウム等に変化すると同時に、これらのアル
ミニウム化合物がＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、お
よび硼化物と反応し、それによってｃＢＮと結合材、あ
るいは結合材同士を強固に結合するものと考えられる。

ｃＢＮ含有量が焼結体中の５０容量％未満では、焼結体
の強度および硬度が低下し好ましくない。

他方、ｃＢＮ含有量が焼結体中の７５容量％を越えると
、ｃＢＮ同士が接触し、刃先に高応力が付加された場合
など、ｃＢＮ結晶内またはｃＢＮ同士の接合部にクラッ
クが発生し、焼結体の強度が低下する。

八〇の結合材中における含有量は、２０重量％〜５０重
量％であることが必要である。Ａｌの含有量が２０重量
％未満の場合には、ＡρとｃＢＮとの反応が不十分であ
り、結合材によるｃＢＮ結晶の保持力が弱くなる。他方
、Ａｌ含有量が結合材中の５０重量％を越えると、ｃＢ
Ｎと結合材との結合強度が高くなるものの、結合材自体
の硬度が低下するため好ましくない。

また、この発明では、結合材としてＴｉの炭化物、窒化
物、炭窒化物と、Ｔｉを除く周期律表第１Ｖａ、Ｖａ。

ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物またはこれら
の固溶体もしくは混合物を用いることを特徴としている
。特に、遊離ＴｉはｃＢＮ結晶と反応しやす＜、ＴｉＢ
２等の硼化物を形成し、ｃＢＮと強固に結合するため好
ましい。

上記Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物にｒＶａ、Ｖａ。

ＶＴａ族の遷移金属元素の炭化物、窒化物、炭窒化物を
固溶または混合すれば、結合材の強度は大きくなり、Ｔ
ｉ化合物のみを結合材として用いた場合よりもさらに性
能が改善される。この結合材中のＴｉ含有量については
、Ｔｉ含有量と、Ｔｉを除く周期律表第ｒＶａ、Ｖａ、
ＶＩａ族金属含有量との原子比が２／３〜９７／　１０
０となることが必要である。上記原子比が２／３未満で
は、結合材とｃＢＮとの結合力が低下して好ましくない
。他方、上記原子比が９７／　１００を越えると、結合
材の耐摩耗性ならびに強度が低下する。

このような優れた強度を持つ焼結体の性能を十分に発揮
するには切削速度を７（１ｍ／ｌｌｌ１ｎ以上の条件で
切削しなければならない。本発明者等は本焼結体を用い
て種々の切削速度にて切削評価を行った所、切削速度が
７０ｍ　／　ｍｉｎ未満では切削時の抵抗が著しく上昇
し刃先が欠損してしまうことを発見した。従って切削速
度は７０ｍ／ｍｉｎ以上が望ましい。

さらに従来の切削で、一般通例になっている湿式で切削
するのと異なり乾式で切削しなければならない。これは
焼入鋼の断続切削を行う場合、断続部で刃先の温度の変
化により熱亀裂が発生する。

これは湿式で切削を行うと断続部での切削空転時に刃先
の冷却が急激に行なわれるためであると考える。そこで
本発明者等は従来の常識では、刃先温度が上昇し切削に
は不利であると考えられていた乾式で切削を行い、熱亀
裂発生を防止することができることを発見した。

次にこの発見の焼結体において耐摩耗性が改善される理
由としては、結合材自体の耐摩耗性が優れていることに
あると考えられる。

本願発明者達は、純タングステン、タングステン化合物
および／またはＴｉを含有する炭化物、窒化物もしくは
炭窒化物の形態で、タングステンを結合材中の重量で４
〜４０重量％含有させれば、耐摩耗性を改善し得ること
を見出した。タングステン含有量が結合材中の４重量％
未満では耐摩耗性を改善することはできない。

他方、タングステン含有量が４０重量％を越えると、相
対的にＴｉ化合物の含有量が低下し、ｃＢＮと結合材と
の接合強度が弱くなり、好ましくない。

特に、上述した化学式におけるＭとしてＷを用いた場合
には、結合材の耐摩耗性および強度が改善され、良好な
性能を示すことがわかった。

さらにこのような焼結体を用いて切削寿命を向上させる
には、切削速度を２００ｍ／　ｍｉｎ以下で切削しなけ
ればならないことを発見した。これは２００ｍ／旧ｎを
越えると切削時の刃先の温度が著しく上昇し、本発明焼
結体の優れた耐摩耗性が発揮されない。ひいては刃先に
クレータ−摩耗が急激に発達し断続切削時にこのクレー
タ部分゛より刃先が脱落し欠損することを発見した。ま
た切削送りについても０．３ｍｍ／回転を越えると工具
の刃先の温度が著しく上昇し、クレータ−摩耗が発達し
てこのクレータ一部分より刃先が脱落し欠損に至ること
を発見した。従って切削速度は　７０ｍ　／　ｍｉｎ〜
２００ｍ　／　ｍｉｎで、切削送りは０．３ｍｍ１回転
以下で、乾式で行なわなければならない。

この発明の焼結体を製造するにあたっては、Ｔｉを含有
する炭化物、窒化物、炭窒化物としてＴ１Ｎｚ。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ　）　ｚ、ＴｉＣｚ、（Ｔｉ、Ｍ　）　Ｃ
ｚ、（Ｔｉ、Ｍ　）　（Ｃ。

Ｎ　）　ｚ、および（Ｔｉ、Ｍ）Ｎｚ（但し、ＭはＴ１
を除く周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属元素を
示し、０．５≦ｚ≦０．８）で表わされる１種以上のＴ
ｉ化合物粉末と、Ａｎ、Ａ１とＴｉとの金属間化合物、
または６ｇにＡ１とＴｉとの金属間化合物とを加えたも
のと、ＷＣ粉末（ＭがＷの場合には必須ではない）なら
びにｃＢＮ粉末とを混合し、超高圧・高温下で焼結する
。この場合、ＴｉＮｚ、Ｔｉ　（Ｃ、Ｎ）ｚ、　ＴｉＣ
ｚ。

（Ｔｉ、Ｍ　）　Ｃｚ、　（Ｔｉ、　　Ｍ　）　　（Ｃ
、Ｎ）ｚ中に存在する遊離Ｔ１もしくは遊離Ａ１、また
は金屑間化合物として添加したＴｉもしくＭは、ｃＢＮ
と反応し、Ｔ１゜Ａｇの硼化物、窒化物となり、ｃＢＮ
と結合材との接合強度を向上させるものと考えられる。

２の値が０．５未満である場合には、結合材の硬度や耐
摩耗性が低下して好ましくなく、他方、２の値が０．８
５を越えるとｃＢＮと結合材との接合強度が低下する。

よって、上記２は、０．５〜０．８５の範囲にあること
が必要である。

〔発明の効果〕

この発明では、ｃＢＨにＴＩに加えてＭをかなりの割合
で含む結合材を混合し、超高圧下で焼結することにより
、ｃＢＮを５０〜７５体積％含有し、ＴｉＮ。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ，（Ｔｉ、Ｍ）Ｃ，（Ｔｉ、Ｍ
）（Ｃ，Ｎ）および（Ｔｉ、　Ｍ　）　Ｎ、硼化チタン
、硼化アルミニウム、窒化アルミニウム、タングステン
化合物ならびに／またはタングステン等を含む高硬度工
具用焼結体を得ることができる。すなわち、結合材中に
Ｍが２０〜５０重量％含有されており、この八βは硼化
アルミニウムおよび窒化アルミニウムを形成しており、
また該結合材中にタングステンが４〜４０重量％含有さ
れており、このタングステンは、純タングステン、タン
グステン化合物および／またはＴｉを含有する炭化物、
窒化物、または炭窒化物の形態で存在している高硬度工
具用焼結体を用いて刃先が欠損しにくい切削条件である
切削速度が７０ｍ　／　ｍｉｎ　−２００ｍ　／　ｍｉ
ｎ　、送りが０．３ｍｍ１回転以下かつ乾式で切削を行
うとたとえば刃先に高い応力が付加される高硬度焼入れ
鋼の断続切削に有効である。

実施例ｌ ＴｉＮ　ｏ、　ａｓ、　ＰＪＩおよびＷＣ粉末を、重量
比で６．５：３：０．５の割合で混合した後、真空中に
て１２００℃の温度で１時間処理した。処理された粉末
を超硬合金製のボールおよびポットを用いて粉砕し、１
μｍ以下の径の粉末を作成した。次に、得られた粉末と
、粒度１μ以下のｃＢＮ粉末とを、容量％で４二〇の割
合で混合し、ＭＯ製の容器にＷＣ−１０重量％Ｃｏの組
成の円板を入れた後、混合粉末を充填した。この容器を
、超高圧装置内に配置し、圧力５０Ｋｂ、温度１３５０
℃で１５分間処理し焼結を行なった。

得られた焼結体の組織を走査型電子顕微鏡で観察したと
ころ、ｃＢＮ粒子は結合材を介して分散されていた。

これらの焼結体をｘ！１回折により調査したところ、ｃ
ＢＮと（ＴｉＳＷ）（Ｃ，Ｎ）のピークのほかに、ＴＵ
８２．ＡＩ　Ｂ　−、ＡＩＩ　Ｎ　、　Ｗと思われるピ
ークが存在した。また、ＴｉとＷとの原子比を化学分析
により測定したところ、９３ニアであった。

さらに、ｃＢＮ焼結体は、超硬合金製の母材に強固に接
合していることが認められた。

得られた焼結体を切削加工用のチップに加工し、第１表
に示す切削条件にて、ＨＲｃ５８〜６０の５ＫＤ１１種
の鋼からなり、外周に１０ｍｍ径の８個の孔が２０ａ＋
ｍ間隔であけられた外径ＩＱＱｍｍの被削材を切削した
。この切削試験結果を、第１表に併せて示す。

第　　　１　　　表 実施例２ 第４表−１に示す粉末を、所定の割合で混合し、真空中
１３５０℃の温度で１時間処理した。これを超硬合金製
のボールおよびポットを用いて粉砕した。

次に得られた粉末と、１〜２μｍの径のｃＢＮ粉末とを
容量比で４＝６の割合で混合し、混合粉末をＭｏ製容器
に充填した。この容器を超高圧装に内に配置し、温度１
４００℃、圧力５０Ｋｂで２０分間保持し、焼結体を得
た。

得られた焼結体の組織をＳＥＭで観察したところ、ｃＢ
Ｎ粒子は結合材を介して分散していた。

また、Ｘ線回折により調査したところ、ＣＢＮ。

（Ｔｉ、　Ｗ）　Ｎまたは（Ｔｉ、Ｗ）ＣとＴｉＢ　２
　、Ａ２　Ｂ　２、ＡｆｆＮおよびＷの硼化物と思われ
るピークが観察された。

上記焼結体より切削チップを作成し、第２表に併記した
切削条件にて、ＨＲｃ５８〜６２のＳ　ＣＭ　４１５の
浸炭焼入鋼からなり、内径に５ｍｍの溝が４ケ所形戊さ
れた内径５０ｍｍの被削材を切削した。

切削試験結果を第２表に併せて示す。

第２表

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）立方晶窒化硼素を５０〜７５重量％含み、残部が
   結合材よりなる混合物を超高圧焼結して得られた焼結体
   であって、前記結合材は、２０〜５０重量％のＡｌを含
   み、ＴｉＮｚ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）ｚ、ＴｉＣｚ、（Ｔｉ、
   Ｍ）Ｃｚ、（Ｔｉ、Ｍ）（Ｃ、Ｎ）ｚ、および（Ｔｉ、
   Ｍ）Ｎｚで表わされる１種以上を含み、（ＭはＴｉを除
   くIVａ、Ｖａ、またはVIａ族の遷移金属であり、ｚは０
   ．５≦ｚ≦０．８５の範囲）、結合材中のＴｉ含有量の
   Ｔｉを除くIVａ、Ｖａ、VIａ族の遷移金属元素含有量に
   対する割合が原子比で２／３〜９７／１００となるよう
   に含んでおり、かつタングステンを前記Ｔｉ化合物およ
   びＷＣの少なくとも一方の形態で含み、全タングステン
   濃度が４〜４０重量％である、高硬度工具用焼結体を用
   い切削速度を７０ｍ／分〜２００ｍ／分、かつ送りが０
   ．３ｍｍ／回転以下かつ乾式で切削することを特徴とす
   る高硬度工具用焼結体による焼入鋼の切削方法。