JPS635350B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPS635350B2 JPS635350B2 JP57199770A JP19977082A JPS635350B2 JP S635350 B2 JPS635350 B2 JP S635350B2 JP 57199770 A JP57199770 A JP 57199770A JP 19977082 A JP19977082 A JP 19977082A JP S635350 B2 JPS635350 B2 JP S635350B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase
- sintered body
- sintering
- chromium
- cutting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 103
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 84
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 84
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 70
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 56
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 49
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 40
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 39
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 35
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 34
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 150000001845 chromium compounds Chemical class 0.000 claims description 29
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 28
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 23
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 19
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 16
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 14
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 claims description 12
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 130
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 86
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 description 36
- 235000019589 hardness Nutrition 0.000 description 33
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 29
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 29
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- -1 borides Chemical class 0.000 description 18
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 description 17
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 15
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 14
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 10
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 8
- 238000011160 research Methods 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 7
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 230000009970 fire resistant effect Effects 0.000 description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- FXNGWBDIVIGISM-UHFFFAOYSA-N methylidynechromium Chemical compound [Cr]#[C] FXNGWBDIVIGISM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 101100202505 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) SCM4 gene Proteins 0.000 description 4
- VNTLIPZTSJSULJ-UHFFFAOYSA-N chromium molybdenum Chemical compound [Cr].[Mo] VNTLIPZTSJSULJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 229910000856 hastalloy Inorganic materials 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000002436 steel type Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000521 B alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003178 Mo2C Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910009043 WC-Co Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- LGLOITKZTDVGOE-UHFFFAOYSA-N boranylidynemolybdenum Chemical compound [Mo]#B LGLOITKZTDVGOE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000003938 response to stress Effects 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001330 spinodal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RSAQARAFWMUYLL-UHFFFAOYSA-N tic-10 Chemical compound CC1=CC=CC=C1CN1C(CCN(CC=2C=CC=CC=2)C2)=C2C(=O)N2CCN=C21 RSAQARAFWMUYLL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 1
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
本発明は周期律表のIVa、VaおよびVIa族金属
の炭化物、硼化物、窒化物などの耐火性硬質物質
から成り、切削工具としての使用を主目的とする
緻密なセラミツク焼結体に関するものである。
耐火性硬質物質を主材とする切削工具用焼結体
として現在使用されているものには、主材のタン
グステン炭化物をコバルト金属で結合した超硬合
金、主材のチタン炭化物をニツケル金属で結合し
たサーメツト、アルミナを主材とするセラミツ
ク、および主材の立方晶窒化硼素(以下、CBN
と記す)あるいはダイヤモンドに結合材を加え超
高圧下で緻密化した焼結体などがある。本発明の
緻密焼結体は2種以上の耐火性硬質物質から成
り、実質的に結合金属を含有しないことを特徴と
するものである。したがつて上記焼結体のうち、
超硬合金とサーメツトは主材の耐火性硬質物質を
金属で結合した合金であるから、本発明の焼結体
とは構成相が本質的に異なる。
上記の切削工具用焼結体は、必要とする刃先強
度の点から、完全またはほぼ完全な緻密焼結体で
あることが要求される。その製造方法について述
べると、まず超硬合金とサーメツトは液相焼結合
金であるから、焼結過程で発生する液相の表面張
力によつて圧粉体は容易に緻密化する。したがつ
て、これらの合金は1350℃乃至1500℃での普通焼
結によつて、安価に緻密な焼結体を製造すること
ができる。これに対し、固相焼結に基ずくセラミ
ツクの緻密化は液相焼結合金に較べ困難である。
固相焼結は、基本的に拡散現象に基ずくものであ
るから、固相焼結における緻密化に必要な温度
は、主としてその物質の溶融温度に依存する。し
たがつて、たとえばチタン、ジルコン、ハフニウ
ム、タンタル、ニオブなどの炭化物のように、溶
融温度が3000℃以上の高融点物質の固相焼結に
は、2000℃またはそれ以上の高温を必要とするか
ら、装置および技術面での困難さに加え、高温焼
結に伴なう粒成長によつて、焼結体の性質が劣化
する。そのため、今日まで高融点物質を主材とす
る緻密なセラミツクを普通焼結法によつて製造す
ることは不可能視されており、勿論切刷工具材料
としても実用化されていない。
このように耐火性硬質物質の固相焼結による緻
密化が一般に困難であるため緻密焼結体の製法と
して従来種々の方策が採られてきた。低融点物質
あるいは焼結過程において低融点物質を形成する
物質を少量添加することによつて緻密化を促進す
る方法は、その一例である。たとえば、アルミナ
の焼結ではしばしばMgOなどの異種酸化物を少
量添加する。しかし焼結後に焼結体に残存するこ
れらの添加物またはこれらの添加物によつて形成
された物質は、一般に焼結体の特性を著しく劣化
させる。そのため耐火性硬質物質の緻密焼結体の
製造には、むしろホツトプレスがより広範に利用
されている。たとえば70重量パーセントのアルミ
ナと30重量パーセントのチタン炭化物から成る焼
結体は、最近その用途が拡大されつつある切削工
具用アルミナ系セラミツクであるが、その製造に
はホツトプレスが不可欠である。ホツトプレス法
は普通焼結法に較べ生産性が著しく劣り、かつダ
イスなどの消耗により製造コストは高価となる。
さらに別の手段として、普通焼結後、熱間静水圧
プレスによつて完全に緻密化する方法も行なわれ
ている。
ダイヤモンドあるいはCBNを主材とする焼結
体では一般にタングステンやモリブデンなどの高
融点金属あるいはチタン炭化物、チタン窒化物、
アルミナなどの耐火性硬質物質を結合材として固
相焼結する。この場合には、ダイヤモンドあるい
はCBNの焼結過程での変態を防止するため、
45000気圧以上の超高圧下で焼結しなければなら
ない。高融点結合材を使用するにも拘らず、この
超高圧の作用によつて圧粉体は1200℃乃至1400℃
の比較的低温で容易に緻密化する。しかしこれら
の焼結体は、主材の製造と焼結とに超高圧装置を
必要とすることから、他の焼結体に較べ価格が格
段に高価である。
上記のごとく、切削工具用セラミツクは現在一
般に製造コストの高い方法によつて製造されてい
るが、本発明は炭化物、窒化物、硼化物などの耐
火性硬質物質から成る緻密な切削工具用セラミツ
クを、普通焼結法によつて安価に製造する方法に
よるセラミツク焼結体に関するものである。
つぎに、切削工具用焼結体の切削性能について
説明する。切削工具材料が具備すべき代表的な切
削性能特性は、耐摩耗性と耐チツピング性であ
る。ところが、昨今の著しい加工技術の進歩に関
連して切削加工高能率化の要求が高まり、切削工
具材料には従来にない苛酷な切削条件への対応が
迫られている。切削速度の高速化ならびに被削材
の難削化特に硬質化がその代表的なものである
が、従来の切削工具材料の単なる切削性能特性の
改善では、これらの要求に対する十分な対応が不
可能視されることから、新しい工具材料の開発が
強く要望されている。高価なCBN焼結体の実用
化も、この要求に沿つて実現した例である。
具体的にその状況を説明すると、まず切削速度
の高速化に関しては、結合金属を含有する超硬合
金とサーメツトはもつともその対応が困難であ
る。たとえば炭素鋼切削を例にとると、超硬合金
の一般的な実用切削速度の上限は150m/min、サ
ーメツトでは250m/min程度である。これらの液
相焼結合金においても、高速化への対応策として
結合金属相の耐熱特性の改善などが検討されてい
るが、高速化に対して結合金属のもつ本質的欠陥
を完全に克服することは、不可能であり、結局
300m/minが実用切削速度の限界であろうと考え
られている。これに対しセラミツクは高速化への
対応がきわめて有望である。現状のアルミナ系セ
ラミツクでも400m/min乃至500m/minの切削速
度での実用化が可能である。しかしCBN焼結体
は軟質材の高速切削では優れた性能を示すとは限
らない。
他方被削材の硬質化への対応に関しては、刃先
の塑性変形の問題から、サーメツトがもつとも劣
る。アルミナ系セラミツクは被削材との耐溶着
性、高温強度ならびに高温硬度の点では優れた性
能を有するが、高温における低い熱伝導性に関連
し、熱衝撃に起因するクラツク発生の問題があ
る。そのため被削材硬度はHRC55程度が限界で
あり、HRC60以上の焼入鋼切削における実用化
は困難である。したがつて、これらの焼入鋼の切
削は、従来超硬合金による20m/min乃至30m/mi
nでの低速切削が唯一の方法であつた。このよう
な状況に対し、50m/min乃至100m/minでの焼入
鋼切削が可能なCBN焼結体の出現は高硬度材切
削の概念を一変し、将来、研削加工のかなりの分
野を高能率な切削加工に置換し得る可能性も生れ
つつある。この場合、CBN焼結体の格段に高価
な価格が実用上の最大の問題点となろう。
以上の説明から明らかなように、具体的には高
速切削ならびに高硬度材切削における切削性能が
従来のアルミナ系セラミツクより優れ、望ましく
は後者の切削性能がCBN焼結体のそれに近似し、
かつ安価な切削工具材料の出現が強く要望されて
いる。本発明は、この要望への対応を目的とした
安価で高性能な切削工具用セラミツクおよびその
製造方法に関するものである。
ところで、切削速度の高速化あるいは被削材の
硬質化に対応するには、工具材料が従来の材料に
較べ、より優れた高温特性を具備する必要があ
る。切削工具材料として具備すべき高温特性に
は、(1)硬度、(2)強度ならびに靭性、(3)被削材との
耐溶着性、耐酸化性などの化学的安定性および(4)
耐熱衝撃性がある。
周期律表のIVa、VaおよびVIa族の遷移金属の
炭化物、硼化物、窒化物などの耐火性硬質物質
は、高温材料とくに切削工具材料として古くから
着目され、超硬合金やサーメツトの主材として実
用化されているが、上記の高温特性からみた場
合、これらの物質は切削工具材料の主材として、
現在もなお依然としてきわめて有望な物質である
ことに変りはない。その最大の理由は、これらの
物質が一般に高い常温硬度と高い溶融点をもち、
かつ金属的結合を有することに起因する。すなわ
ち、前者は高温における高い硬度と強度とを保償
し、後者は良好な熱伝導性により、酸化物などの
他のセラミツクに較べ優れた耐熱衝撃性を保償す
る。
これらの耐火性硬質物質における優れた高温強
度は、次のような根拠に基ずく。すなわち、物質
の強度が破壊に至る応力によつて規定されるのに
対し、硬度は応力に対する変形の難易に依存す
る。この両特性がともに応力の単位で表わされる
ことからも明らかなように、化学結合の様式や形
態が同一の物質では、両者の間に一定の比例関係
が存在する。脆性材料では硬度測定において亀裂
発生を伴なう局部的破壊が生ずるが、この場合に
も強度と硬度との間にほぼ同様の関係の存在が実
験的に確認されている。一方、多結晶体の再結晶
現象は原子の可動性の増加を意味し、再結晶によ
り変形抵抗は低下する。しかもこの再結晶温度
は、その物質の溶融点に関連する。したがつて、
高い常温硬度と高い溶融点とを有する物質は、本
質的に優れた高温硬度ならびに高温強度を有する
物質と見做すことができる。
The present invention relates to a dense ceramic sintered body made of refractory hard materials such as carbides, borides, and nitrides of metals from groups IVa, Va, and VIa of the periodic table, and whose main purpose is to be used as cutting tools. be. Currently used sintered bodies for cutting tools that are mainly made of refractory hard materials include cemented carbide in which the main material, tungsten carbide, is bonded with cobalt metal, and titanium carbide, the main material, in which nickel metal is bonded. cermet, alumina-based ceramic, and cubic boron nitride (hereinafter referred to as CBN), which is the main material.
) or a sintered body made by adding a binder to diamond and densifying it under ultra-high pressure. The dense sintered body of the present invention is characterized in that it is composed of two or more types of refractory hard materials and contains substantially no binding metal. Therefore, among the above sintered bodies,
Since cemented carbide and cermet are alloys in which the main material is a refractory hard material bonded with metal, their constituent phases are essentially different from the sintered body of the present invention. The above-mentioned sintered body for a cutting tool is required to be a completely or almost completely dense sintered body from the viewpoint of required edge strength. Regarding the manufacturing method, first, since cemented carbide and cermet are liquid-phase sintered alloys, the green compact is easily densified by the surface tension of the liquid phase generated during the sintering process. Therefore, dense sintered bodies of these alloys can be produced at low cost by ordinary sintering at 1350°C to 1500°C. On the other hand, densification of ceramics based on solid phase sintering is more difficult than that of liquid phase sintered alloys.
Since solid phase sintering is fundamentally based on diffusion phenomena, the temperature required for densification in solid phase sintering depends primarily on the melting temperature of the material. Therefore, solid phase sintering of high melting point materials with melting temperatures of 3000°C or higher, such as carbides such as titanium, zircon, hafnium, tantalum, and niobium, requires high temperatures of 2000°C or higher. In addition to equipment and technical difficulties, grain growth associated with high-temperature sintering deteriorates the properties of the sintered body. Therefore, to date, it has been considered impossible to produce dense ceramics based on high-melting-point substances by ordinary sintering methods, and of course they have not been put to practical use as materials for cutting tools. As described above, since it is generally difficult to densify a refractory hard material by solid-phase sintering, various methods have been used to produce a dense sintered body. One example is a method of promoting densification by adding a small amount of a low melting point substance or a substance that forms a low melting point substance during the sintering process. For example, sintering alumina often involves adding small amounts of foreign oxides such as MgO. However, these additives or substances formed by these additives remaining in the sintered body after sintering generally significantly deteriorate the properties of the sintered body. Therefore, hot presses are more widely used in the production of dense sintered bodies of refractory hard materials. For example, a sintered body made of 70% by weight alumina and 30% by weight titanium carbide is an alumina-based ceramic for cutting tools whose use has recently been expanded, but a hot press is essential for its production. The hot pressing method is significantly inferior in productivity to the normal sintering method, and the manufacturing cost is high due to wear and tear of dies and the like.
Still another method is to completely densify the material by hot isostatic pressing after normal sintering. Sintered bodies based on diamond or CBN generally contain high melting point metals such as tungsten and molybdenum, titanium carbide, titanium nitride,
Solid phase sintering is performed using a refractory hard material such as alumina as a binder. In this case, to prevent transformation of diamond or CBN during the sintering process,
It must be sintered under ultra-high pressure of over 45,000 atmospheres. Despite using a high-melting point binder, the green compact is heated to temperatures between 1200℃ and 1400℃ due to the action of this ultra-high pressure.
Easily densified at relatively low temperatures. However, since these sintered bodies require ultra-high pressure equipment for the production and sintering of the main material, they are much more expensive than other sintered bodies. As mentioned above, ceramics for cutting tools are currently manufactured using methods that are generally expensive to manufacture, but the present invention provides a dense ceramic for cutting tools made of refractory hard materials such as carbides, nitrides, and borides. This invention relates to a ceramic sintered body manufactured at low cost by a common sintering method. Next, the cutting performance of the sintered body for cutting tools will be explained. Typical cutting performance characteristics that a cutting tool material should have are wear resistance and chipping resistance. However, with the recent remarkable progress in processing technology, the demand for higher efficiency in cutting processes has increased, and cutting tool materials are being forced to cope with unprecedentedly severe cutting conditions. Typical examples of this are increasing cutting speeds and making work materials more difficult to cut, especially harder, but it is not possible to adequately meet these demands by simply improving the cutting performance characteristics of conventional cutting tool materials. Therefore, there is a strong demand for the development of new tool materials. The practical application of expensive CBN sintered bodies is an example of meeting this requirement. To explain the situation specifically, first of all, it is difficult to increase the cutting speed even though cemented carbide and cermet containing bonding metals have the same capability. For example, when cutting carbon steel, the upper limit of the general practical cutting speed for cemented carbide is 150 m/min, and for cermet it is about 250 m/min. Regarding these liquid phase sintered alloys, improvements in the heat resistance properties of the bonding metal phase are being considered as a countermeasure for increasing speed, but it is still difficult to completely overcome the inherent defects of the bonding metal in order to increase speed. That is impossible, and after all
It is thought that 300m/min is the limit of practical cutting speed. Ceramics, on the other hand, are extremely promising for responding to higher speeds. Even with current alumina-based ceramics, it is possible to put this into practical use at cutting speeds of 400 m/min to 500 m/min. However, CBN sintered bodies do not necessarily show excellent performance in high-speed cutting of soft materials. On the other hand, cermets are not as good at responding to hardening of the work material due to the problem of plastic deformation of the cutting edge. Alumina-based ceramics have excellent performance in terms of welding resistance with work materials, high-temperature strength, and high-temperature hardness, but are associated with low thermal conductivity at high temperatures and have the problem of cracking due to thermal shock. Therefore, the hardness of the workpiece material is limited to about HRC55, making it difficult to put it to practical use in cutting hardened steel with HRC60 or higher. Therefore, the cutting speed of these hardened steels is conventionally 20m/min to 30m/min using cemented carbide.
Low speed cutting at n was the only method. In response to this situation, the advent of CBN sintered bodies that can cut hardened steel at speeds of 50 m/min to 100 m/min has completely changed the concept of cutting hard materials, and will improve many fields of grinding in the future. The possibility of replacing it with efficient cutting is also emerging. In this case, the extremely high price of CBN sintered bodies would be the biggest practical problem. As is clear from the above explanation, specifically, the cutting performance in high-speed cutting and cutting of high-hardness materials is superior to that of conventional alumina ceramics, and preferably the cutting performance of the latter is similar to that of CBN sintered bodies.
There is a strong demand for the emergence of inexpensive cutting tool materials. The present invention relates to an inexpensive, high-performance ceramic for cutting tools and a method for manufacturing the same, aimed at meeting this demand. By the way, in order to cope with higher cutting speeds or harder workpiece materials, tool materials need to have better high-temperature properties than conventional materials. High-temperature properties that a cutting tool material should possess include (1) hardness, (2) strength and toughness, (3) chemical stability such as welding resistance with the work material and oxidation resistance, and (4)
It has thermal shock resistance. Refractory hard substances such as carbides, borides, and nitrides of transition metals in groups IVa, Va, and VIa of the periodic table have long been attracting attention as high-temperature materials, especially cutting tool materials, and are used as main materials for cemented carbide and cermets. Although these substances have been put into practical use, considering the high-temperature properties mentioned above, these substances cannot be used as main materials for cutting tool materials.
Even today, it remains an extremely promising substance. The biggest reason is that these materials generally have high room temperature hardness and high melting point,
This is due to the fact that it has a metallic bond. That is, the former ensures high hardness and strength at high temperatures, and the latter guarantees superior thermal shock resistance compared to other ceramics such as oxides due to its good thermal conductivity. The excellent high-temperature strength of these refractory hard materials is based on the following grounds. In other words, the strength of a material is determined by the stress that causes it to break, whereas the hardness of a material depends on how easily it deforms in response to stress. As is clear from the fact that both of these properties are expressed in units of stress, there is a certain proportional relationship between the two properties in substances with the same type and form of chemical bonding. In brittle materials, localized fracture accompanied by cracking occurs during hardness measurements, and it has been experimentally confirmed that almost the same relationship exists between strength and hardness in this case as well. On the other hand, the recrystallization phenomenon of polycrystals means an increase in the mobility of atoms, and recrystallization reduces deformation resistance. Moreover, this recrystallization temperature is related to the melting point of the material. Therefore,
Materials with high cold hardness and high melting point can be regarded as materials with inherently good high temperature hardness and high temperature strength.
【表】【table】
【表】
第1表にIVa、VaおよびVIa族金属の主要な炭
化物、硼化物、窒化物について、結晶形、溶融点
ならびにビツカース硬度を示す。数値は主として
サムソノフらの文献(G.V.Samsonov and I.M.
Vinitskii:Handbook of Refractory
Compounds、IFI/PLENUM NEW YORK、
1980)から引用した。たゞしVIa族金属の窒化物
は溶融点およびビツカース硬度がいずれもかなり
低く、耐火性硬質物質としての範疇に属さない。
したがつて、本発明の対象外となるので省略し
た。既述の高温強度の観点からこれらの耐火性硬
質物質を比較した場合、炭化物、硼化物、窒化物
のいずれの化合物においても、IVa族およびVa
族金属の化合物が一般に優れた特性を有するのに
対し、VIa族金属の化合物、とりわけクロム化合
物は硬度ならびに溶融点がともに比較的低いこと
が指摘される。
上記の理由から、IVaおよびVa族金属の炭化
物、硼化物、窒化物とクロム化合物を除くVIa族
金属の炭化物、硼化物(以下、当該耐火性硬質物
質と呼ぶ)は、一般に優れた高温強度が期待され
る。しかしこれらの物質では、さらに別の観点か
ら、クリープに基ずく強度低下が問題となる。す
なわち、共有結合性の強いSi3N4やSiCなどの物
質では本質的にクリープが生じ難いことから、ク
リープに基ずく高温強度の低下も一般に小さいこ
とが期待されるのに対し、金属的結合性の強い当
該耐火性硬質物質においては、クリープに基ずく
強度低下に対して考慮を払う必要がある。クリー
プは非常に複雑な現象であり、多くの機構が同時
に進行するが、大別すれば粒界と粒内での塑性変
形に分類することができる。このクリープ特性を
改善する手段として固溶体による強化や異相分散
強化があるが、当該耐火性硬質物質はこの点に関
しても下記のごとくきわめて有利である。
第1表に併記したように、IVaおよびVa族の
炭化物および窒化物は結晶形がすべて立方晶であ
り、硼化物では、クロム硼化物およびモリブデン
硼化物以外はすべて六方晶である。類質同形であ
る場合、これらの物質はたとえば炭化物と窒化物
との組合せのごとく異なる化合物間であつても相
互にきわめて固溶し易く、一般に全率固溶体を形
成することが知られている。サーメツトにおける
TiC―TiN固溶体相の形成は、その一例である。
類質異形の物質間では、固溶は当然限定される
が、一般に相互溶解度が存在する。たとえば
WC、Mo2Cなどの立方晶炭化物は、六方晶炭化
物との固溶炭化物として、超硬合金にはWC―
TiC―TaC―NbC固溶炭化物が、またサーメツト
にはTiC―Mo2C固溶炭化物が実用されている。
さらに有利なことは、第1表に示した耐火性硬質
物質は、化合物および結晶形が異なつても、一般
に比較的安定に共存する傾向がある。このような
特性から、当該耐火性硬質物質を切削工具材料の
主材とする場合、2種以上の当該耐火性硬質物質
を焼結過程で固溶化させたり、あるいは予め固溶
体粉末を調整し、これを原料粉末として使用する
などの方法によつて、主材硬質相を固溶体とする
ことはきわめて容易である。また反対に、2相以
上の硬質相を意図的に共存させることによつて、
焼結体の特性に及ぼす組織的効果を期待すること
も可能である。したがつて2種以上の当該耐火性
硬質物質を主材とするセラミツクでは、上記の方
法によつて、焼結体のクリープ特性のみならずそ
の他の諸特性に関しても、きわめて広範囲に変化
させることが可能である。
ここでも特に指摘されることは、第1表に示し
た耐火性硬質物質において、結晶形に関してもク
ロム化合物は特異な存在であり、Cr3C2、Cr7C3、
Cr3B4およびCrBのみが斜方晶である。この事実
は、これらの斜方晶クロム化合物と当該耐火性硬
質物質との固溶が多分すべて限定されるであろう
ことを示唆するが、これらのクロム化合物と当該
耐火性硬質物質との相互溶解度に関しては、TiC
―Cr3C2系以外は従来ほとんど研究が行なわれて
いない。
以上詳述したごとく、当該耐火性硬質物質は、
切削速度の高速化ならびに被削材の硬質化に対応
する切削工具材料の主材として、特に高温硬度、
高温強度ならびに耐熱衝撃性などの高温特性の点
から、今日もなお依然としてきわめて有望な物質
であると考えられる。このことは、結合相として
TiNなどの当該耐火性硬質物質を40容量パーセ
ント以上も含有するCBN焼結体が高硬度材切削
においてきわめて優れた性能を示すことからも裏
付けられる。本発明の第一の着想は、上記根拠に
基ずく主材としての当該耐火性硬質物質の想定に
ある。
このように優れた特性を有するにも拘らず、当
該耐火性硬質物質を主材とするセラミツクが今日
まで切削工具材料として実用化されなかつた最大
の理由は、既述のごとく高融点に起因する緻密化
の困難さにある。したがつて、当該耐火性硬質物
質を主材とするセラミツクの実用化には、当然適
切な緻密化促進手段の開発が必要である。しか
し、たとえば共有結合性が強く難焼結性物質であ
るSi3N4やSiCを主材とするセラミツクでは、焼
結における緻密化促進手段が重点的に研究されて
成果を挙げているのに対し、当該耐火性硬質物質
の緻密化促進に関しては従来本質的な検討が殆ど
行なわれていないのが実状である。
そこでいま当該耐火性硬質物質の焼結過程にお
ける緻密化促進手段として、クロム炭化物または
クロム硼化物をセラミツク質結合相として規定し
てみる。まず、これらの物質は当該耐火性硬質物
質に較べ硬度および溶融点がともに低く、かつ熱
膨脹係数がかなり大きい。さらに、Cr3C2、
Cr7C3、Cr3B4およびCrBなどの斜方晶化合物は、
当該耐火性硬質物質と結晶が類質異形であるため
に、固溶が限定される結果、恐らく焼結後も独立
相として存在するものと期待される。クロム化合
物のこれらの特徴は、他の焼結体における主材と
結合相との関係、たとえば超硬合金やサーメツト
における主材と結合金属との関係、あるいは
CBN焼結体におけるCBNとTiNなどの結合相と
の関係に類似する。この観点から、クロム化合
物、特に斜方晶クロム炭化物および斜方晶クロム
硼化物は、当該耐火性硬質物質に対する結合相と
しての基本特性を具備するものと解される。
つぎに、これら斜方晶クロム化合物に関する従
来の研究はきわめて限定されたものであり、充分
な知見は得られていないが、Cr3C2に関しては、
シユワルツコツプら(P.Schwarzkopf and R.
kieffer:Refractoky Hard Metals、Mac
Millan.、1953)の著書に次のごとき幾つかの興
味ある事実が明らかにされている。その第一は、
WC―TiC固溶炭化物などの固溶体調整における
拡散促進剤としてのCr3C2の効果である。固相焼
結が本質的に拡散現象に基ずくものであることか
ら、この効果は当該耐火性硬質物質、特に2種以
上の当該耐火性硬質物質と結合相としてのCr3C2
との混合粉末の圧粉体を想定した場合、この
Cr3C2の作用が緻密化の促進に有効であろうと期
待される。第二は当該耐火性硬質物質へのCr3C2
または金属クロムの添加が当該耐火性硬質物質の
耐酸化性能の改善にきわめて顕著な効果を示すこ
とである。当該耐火性硬質物質は切削工具材料と
して具備すべき高温特性のうち、耐酸化性能に関
しては酸化物系セラミツクと比較すれば、本質的
に劣るという一般的な欠点を有する。この欠点に
対し、結合相としてのCr3C2の使用は、Cr3C2ま
たは金属クロムの上記効果によつて、当該耐火性
硬質物質を主材とする焼結体の耐酸化性能の改善
にきわめて有効に作用するものと期待される。
第三の最も興味ある事実は、Cr3C2の立方晶炭
化物への固溶に関する研究結果である。当該耐火
性硬質物質とCr3C2との固溶に関する従来の研究
は、既述のごとくTiC―Cr3C2系が唯一のもので
あるが、Cr3C2はTiC中へかなり多量―たとえば
1700℃乃至1800℃では40重量パーセント以上―固
溶することが知られている。他方クロム―炭素系
状態図の研究によれば、CrCは2000℃以上の高温
では明らかに存在するが、冷却過程でCr3C2と黒
鉛とに分解するため常温では存在し得ない。しか
し、NaCl型の面心立方炭化物、たとえばTiCに
固溶した形ではCrCが常温でも存在する可能性が
示唆されている。このことは結晶形がより単純か
つ安定な類質異形物質への固溶に際し、斜方晶ク
ロム化合物がその溶媒物質の結晶形と同一の形で
固溶する可能性を示唆するものである。
そこでいま、TiCとCr3C2との混合物から成る
圧粉体の焼結過程において、Cr3C2がTiCへCrC
の形で固溶すると仮定すれば、固溶の進行ととも
に残存する未固溶Cr3C2相における炭素の割合は
次第に減少する。その結果、遂には恐らく未固溶
Cr3C2相の表面近傍において、低次炭化物である
Cr7C3またはCr23C6が形成されるであろう。結合
相としてCr7C3を使用した場合も、Cr3C2と結晶
形が同一であるから、上記と類似の反応が起るも
のと期待される。またこの機構は、当該耐火性硬
質物質である二硼化物を主材とし、斜方晶クロム
硼化物Cr3B4またはCrBを結合相とする場合に
も、同様に類似の固溶反応が成立するものと期待
される。すなわちこの場合にはCr3B4またはCrB
が主材と同一結晶形である六方晶クロム硼化物
CrB2の形で主材の二硼化物中へ固溶し、その結
果、未固溶Cr3B4相またはCrB相の表面近傍に
は、低次化合物であるCr5B3またはCr2Bが形成さ
れるであろう。焼結過程における上記の反応機構
と、それに基ずく未固溶結合相表面近傍における
低次化合物の形成とは、拡散固溶に基ずく圧粉体
の緻密化促進に有効であるのみならず、焼結体に
おける主材相と結合相との界面強度の点からも、
きわめて効果的な役割を果すものと考えられる。
このような観点からも、クロム化合物のうち斜方
晶クロム炭化物および斜方晶クロム硼化物(以下
当該クロム化合物と呼ぶ)は、当該耐火性硬質物
質を主材とするセラミツクにおける結合相とし
て、特に適するものと考えられる。
斜方晶炭化物Cr3C2の焼結過程における低次炭
化物の形成に関しては、別の機構に基ずく深津
(粉体および粉末冶金、VO18.1961.P248)の研究
結果がある。深津によれば、Cr3C2はそれ自体
800℃以上において一部がCr7C3と金属クロムと
に解離するとし、Cr3C2―Ni系合金では、この解
離生成物であるCr7C3および金属クロムが優先的
にニツケル相へ固溶してNi―Cr合金を形成する
結果、焼結体にはCr7C3相が存在しないことを確
認している。他方、当該耐火性硬質物質と結合相
としての当該クロム化合物との混合粉末の調整に
は、通常ボールミルまたは振動ミルによる湿式混
合を行なうが、この粉末混合工程において、ポツ
トおよびボールの摩耗によつて少量の鉄族金属が
不可避的に混入する。したがつて、この鉄族金属
を含有する当該焼結体用混合粉末の圧粉体におい
てCr3C2が既述のCrCとしての固溶機構に基ずき、
焼結過過で低次炭化物を形成するとしても、
Cr7C3が鉄族金属へ優先的に固溶する結果、焼結
過程あるいは焼結後の未固溶Cr3C2相の表面近傍
には、恐らくCr23C6のみが低次炭化物として残存
することになる。深津の研究結果において注目す
べき他の点は、Cr3C2相の格子定数が焼結によつ
て変化しないことを確認していることである。こ
の事実はCr3C2相へ鉄族金族であるニツケルが殆
ど固溶しないことを意味する。
最後に、不可避的に混入する鉄族金属の効果に
ついて検討する。まず、少量の鉄族金属の存在が
当該耐火性硬質物質を主材とする圧粉体の緻密化
に対して、一般に顕著な効果を示すことは、きわ
めて良く知られている事実である。その根拠は、
固相反応段階における拡散促進剤としての効果
と、共晶反応によつて発生する液相としての効果
に基ずくものである。当然本発明に係る当該混合
物の圧粉体においても、この鉄族金属の効果は及
ぶであろう。しかしながら、従来一般に知られて
きたように、この鉄族金属が、WC―Co系合金、
TiC―Ni系合金あるいはCr3C2―Ni系合金にみら
れるごとく硬質相へは殆ど固溶せず、焼結後もそ
のほぼ全量が金属相として硬質相の粒界に残存す
るものであれば、当該焼結体のセラミツクとして
の高温特性に対し、この鉄族金属相の存在が決定
的に不利益な影響を及ぼすことは、既述の説明に
よつて充分理解されるところである。
ところが、たとえばクロムの低次炭化物、すな
わちCr7C3およびCr23C6は鉄族金属を固溶するこ
とが、一方凝固型複合材料の研究において明らか
にされている。しかも鉄族金属を固溶したクロム
低次炭化物と金属クロムを固溶した鉄族金属基合
金との系には、共晶反応が存在する。共晶温度
は、(Ni・Cr)―(Cr・Ni)7C3、(Co・Cr)―
(Cr・Co)7C3、(Co・Cr)―(Cr・Co)23C6の各
系において、それぞれ1305℃、1300℃および1340
℃である。これらの共晶温度は、Cr3C2―Ni系の
共晶温度である1175℃に較べ幾分高温であるが、
焼結過程において液相を発生して緻密化を促進す
る効果を十分期待することができる温度である。
以上の検討に基ずいて、主材としての当該耐火
性硬質物質、結合相としての当該クロム化合物お
よび補助金属としての少量の鉄族金属とから成る
圧粉体の緻密化過程を考えた場合、次のごとき焼
結機構を想定することができる。まず焼結初期の
固相反応段階において、斜方晶クロム化合物がよ
り安定かつ単純な結晶形を有する当該耐火性硬質
物質中へこれと同一の形で固溶する。その結果、
未固溶の斜方晶クロム化合物の表面近傍には、ク
ロムの低次化合物が形成される。この低次化合物
の一部、たとえばCr7C3は優先的に鉄族金属中へ
固溶するが、同時に鉄族金属の一部も低次クロム
化合物へ固溶してゆく。やがてクロム低次化合物
を固溶した鉄族金属相の組成が共晶組成に到達
し、主として結合相表面において液相を発生す
る。その結果、圧粉体は1300℃乃至1350℃程度の
温度において急速に緻密化する。その後の昇温過
程、あるいは所定の焼結温度での保持過程におけ
る緻密化の最終段階あるいは緻密化後に、主とし
て結合相粒界に存在する鉄族金属基合金より成る
液相、あるいは液相中の鉄族金属が結合相表面近
傍に残存する低次クロム化合物、たとえばCr23C6
中へ順次固溶してゆくことによつて遂には鉄族金
属相が消失するに至る。
上記の焼結機構に基ずいて得られる緻密焼結体
は、鉄族金属成分を主としてクロムの低次化合物
中に固溶しており、実質的に金属相は存在しな
い。その結果、高温特性の優れた当該耐火性硬質
物質を主材とする緻密なセラミツクが、安価な普
通焼結法によつて得られることになる。本発明の
第二の着想は、以上詳述した根拠ならびに原理に
基ずく当該耐火性硬質物質に対する結合相として
の斜方晶クロム化合物の想定およびこの結合相の
挙動に基ずく焼結機構の想定にある。
この着想に基ずき、1種または2種以上の当該
耐火性硬質物質と1種または2種以上の当該クロ
ム化合物との混合粉末をボールミルあるいは振動
ミルを使用して調整した。これらの混合粉末から
成る圧粉体を種々の条件で普通焼結を行ない、当
該クロム化合物の結合相としての効果を広範な組
成に亘つて検討した。その結果、まずこれらの混
合粉末から成る圧粉体は、不可避的に混入した鉄
族金属の共存によつて、一般にきわめて容易に収
縮し、1350℃乃至1600℃での普通焼結によつて完
全またはほぼ完全に緻密化することが確認され
た。また当該クロム化合物は、その大部分が原則
として焼結後も元の斜方晶化合物の形で結合相と
して独立した相を形成するが、予測したごとくそ
の一部が低次化合物として残存することも確認さ
れた。さらにもつとも重要なことは、不可避的に
混入する鉄族金属は、後述する実施例におけるい
かなる組成物の緻密焼結体においても、金属相と
しては全く存在しないという事実を確認したこと
である。このことによつて、既述の着想に基ずい
て想定した焼結機構の妥当性が立証された。その
結果、本発明によつて得られる緻密焼結体は一般
に硬度がきわめて高くかつ常温強度もアルミナ系
セラミツクに比較して遜色のないものが得られる
ことが明らかとなつた。また、これらの緻密焼結
体の切削性能は、たとえば高硬度材である焼入鋼
の切削において、CBN焼結体と同等またはそれ
以上の耐摩耗特性を示すものが得られることが明
らかとなつた。
以下に本発明の緻密焼結体の製法について詳細
に説明する。まず、1種または2種以上の当該耐
火性硬質物質と、体積率で1パーセント以上80パ
ーセント未満の1種または2種以上の当該クロム
化合物と、焼結後、前記耐火性硬質物質中に固溶
状態で存在し得る限度以下の量の鉄族金属または
鉄族金属基合金との混合粉末を調整する。この場
合、2種以上の当該耐火性硬質物質とは、炭化
物、硼化物、窒化物のうち同一の化合物の2種以
上の組合せ、およびたとえば炭化物と硼化物との
組合せのごとく、異なる2種以上の化合物の組合
せを含むすべての当該耐火性硬質物質の2種以上
の組合せを指し、これらの組合せにおける当該耐
火性硬質物質は、その全量あるいは一部が予め固
溶体に調整された粉末であつても差支えない。ま
た、当該クロム化合物においても、2種以上の組
合せは当該耐火性硬質物質の場合と同様、2種以
上のすべての組合せを指す。
粉末混合には通常の方法、たとえばボールミル
または振動ミルによる湿式混合を行なう。この場
合のポツトおよびボールの素材には、超硬合金、
サーメツト、ハステロイ、ステンレス鋼などを使
用する。混合時間は前者では20時間乃至200時間、
後者では1時間乃至10時間であるが、この粉末混
合工程においてコバルト、ニツケル、鉄などの鉄
族金属または鉄族金属基合金が総量として0.1重
量パーセント乃至2重量パーセント程度不可避的
に混入する。したがつて、前記組成における鉄族
金族または鉄族金属基合金は必ずしも原料粉末と
して配合する必要はなく、原則として混合工程に
おいて混入する鉄族金属または鉄族金属基合金を
以て、これに当てればよい。しかし必要に応じ、
鉄族金属または鉄族金属基合金の含有量を調整す
る目的で、その一部を原料粉末として配合するこ
とは差支えない。たゞし混合粉末中の鉄族金属ま
たは鉄族金属基合金の含有量は、既述のごとく、
この混合粉末から製造する緻密焼結体において、
その全量が耐火性硬質物中に固溶した状態で存在
し得る限度内に調整しなければならない。もしそ
れ以上の鉄族金属または鉄族金属基合金を含有
し、焼結後にこれらの一部が金属相として耐火性
硬質物質相の粒界に存在すれば当該焼結体の高温
特性を本質的に劣化させてしまうからである。
粉末成型、予備焼結などの諸工程において、本
発明の緻密焼結体を製造するための特別の考慮は
一切不要であり、たとえば超硬合金やサーメツト
などの液相焼結合金における製造条件に準じて行
なえばよい。さらに、焼結条件特に焼結雰囲気に
関しても、原則として特別の考慮を払う必要はな
い。10-3mmHg乃至10-4mmHgの真空雰囲気が最も
一般的な焼結雰囲気であるが、各組成物における
蒸気圧を考慮し炉内圧力を10-1mmHg程度に上げ
ることが緻密焼結体を得る上で有効な場合もあ
る。また窒化物を含有する組成では、窒化物の分
解揮散による空孔発生を防止するために、焼結雰
囲気中の窒素分圧を高めることが有効であること
は、窒化物を含有するサーメツトの製造において
良く知られている事実であるが、当然本発明の緻
密焼結体の製造においても有効である。
ここで、本発明の緻密焼結体の組成において、
結合相としての当該クロム化合物の割合を体積率
で1パーセント以上80パーセント未満に限定した
理由は当該クロム化合物の含有量が1容量パーセ
ント以下の場合には焼結性が低下し、1600℃程度
の普通焼結によつて緻密なセラミツク焼結体を得
ることが甚だ困難となるからであり、一方80容量
パーセント以上含有する焼結体ではその特性が当
該クロム化合物の特性に近似するに至り本発明の
目的に適う高硬度の焼結体が得られ難いからであ
る。
なお、本発明の個々の焼結体における緻密化過
程ならびに焼結機構に関しては、未だその詳細を
解明するに至つていない部分もある。たとえば、
Mo2CとCr3C2とから成る組成物では、焼結体中
に片状黒鉛の存在が確認され、この事実はCr3C2
がCr2CとしてMo2C中へ固溶することを示唆する
ものであるが、この場合Cr3C2のMo2Cへの固溶
に際し、未固溶Cr3C2の表面に低次クロム炭化物
が形成されるか否かについては確認するに至つて
いない。
また、本発明の緻密焼結体の製造方法は、普通
焼結法を前提としたものであるが、本発明によつ
て得られる完全またはほぼ完全な緻密焼結体に、
さらに熱間静水圧装置を用いて付加的な加圧焼結
を行なうことによつて、当該焼結体の材質を向上
または安定化することは、本発明の意義を何ら損
うものではない。
さらに本発明の緻密焼結体は切削工具材料とし
ての用途を主目的としたものであるが、本発明に
よつてきわめて広範な組成の緻密焼結体が容易か
つ安価に製造可能なこと、ならびにこれらの焼結
体が本質的に優れた高温特性と耐食性とを有する
耐火性硬質物質から成る高硬度焼結体であること
から本発明の緻密焼結体は、切削工具以外の多く
の分野、たとえば耐熱材料、耐食材料あるいは耐
摩耗性材料としての広範な用途においても優れた
性能を示すものと期待される。
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例 1
クロム炭化物を除くIVa.VaおよびVIa族金属
の各炭化物粉末、すなわち、TiC.ZrC.HfC.VC.
NbC.TaC.Mo2C.WCおよびW2Cの各粉末に、そ
れぞれ結合相として10重量パーセントに相当する
Cr3C2粉末を配合し、ハステロイB合金製ポツト
および超硬合金製ボールを使用して、アセトンを
加え72時間湿式ボールミル混合を行なつた。これ
らの各原料粉末には、いずれも粒度が1μm乃至数
μmの市販粉末を使用した。混合後アセトンを揮
散除去し、粉末に対し2重量パーセントに相当す
るパラフインを成型潤滑剤として添加した。32メ
ツシユの篩を通した各混合粉末には、鉄族金属と
してコバルト、ニツケルおよび鉄が総量にして
0.4重量パーセント乃至0.7重量パーセント検出さ
れた。各混合粉末は、金型を用いて1000Kg/cm2の
圧力で抗折力試験用試片に成型した。これらの圧
粉体を10-1mmHgの真空雰囲気中600℃で1時間予
備焼結してパラフインを揮散除去した後、10-1mm
Hgの真空雰囲気において1400℃、1500℃および
1600℃の各温度にそれぞれ2時間加熱保持して普
通焼結を行なつた。[Table] Table 1 shows the crystal form, melting point, and Vickers hardness of the main carbides, borides, and nitrides of group IVa, Va, and VIa metals. The numerical values are mainly based on the literature of Samsonov et al. (GVSamsonov and IM
Vinitskii: Handbook of Refractory
Compounds, IFI/PLENUM NEW YORK,
(1980). However, nitrides of Group VIa metals have rather low melting points and Vickers hardnesses, and therefore do not belong to the category of refractory hard materials.
Therefore, since it is outside the scope of the present invention, it has been omitted. When comparing these refractory hard materials from the viewpoint of high-temperature strength as mentioned above, it is found that all compounds of carbides, borides, and nitrides have group IVa and Va
It is pointed out that while compounds of group metals generally have excellent properties, compounds of group VIa metals, especially chromium compounds, have relatively low hardness and melting point. For the above reasons, carbides, borides, and nitrides of IVa and Va group metals and carbides and borides of group VIa metals (hereinafter referred to as the refractory hard materials), excluding chromium compounds, generally have excellent high-temperature strength. Be expected. However, these materials have another problem, which is a decrease in strength due to creep. In other words, materials with strong covalent bonds such as Si 3 N 4 and SiC are essentially resistant to creep, so the drop in high-temperature strength due to creep is generally expected to be small. For such fire-resistant hard materials that have strong properties, consideration must be given to the decrease in strength due to creep. Creep is a very complex phenomenon, and many mechanisms proceed simultaneously, but it can be broadly classified into plastic deformation at grain boundaries and within grains. Strengthening with solid solutions and heterophase dispersion reinforcement are methods for improving this creep property, and the refractory hard material is extremely advantageous in this respect as well, as described below. As shown in Table 1, all of the IVa and Va group carbides and nitrides have cubic crystal forms, and all borides have hexagonal crystal forms except for chromium boride and molybdenum boride. It is known that when they are isomorphic, these substances are extremely easy to form a solid solution with each other even in different compounds, such as a combination of a carbide and a nitride, and generally form a solid solution. in cermet
The formation of a TiC—TiN solid solution phase is one example.
Although solid solubility is naturally limited between substances of different types, mutual solubility generally exists. for example
Cubic carbides such as WC and Mo 2 C are solid solution carbides with hexagonal carbides, and WC-
TiC-TaC-NbC solid solution carbide and TiC-Mo 2 C solid solution carbide are used in cermets.
A further advantage is that the refractory hard materials shown in Table 1 generally tend to coexist relatively stably, even though they have different compounds and crystal forms. Due to these characteristics, when using the refractory hard substance as the main material of a cutting tool material, two or more types of the refractory hard substance must be made into a solid solution during the sintering process, or a solid solution powder must be prepared in advance. It is extremely easy to make the main hard phase into a solid solution by using a method such as using the powder as a raw material powder. On the other hand, by intentionally coexisting two or more hard phases,
It is also possible to expect a structural effect on the properties of the sintered body. Therefore, in ceramics whose main materials are two or more kinds of the refractory hard materials, it is possible to change not only the creep properties but also other properties of the sintered body over a very wide range by the above method. It is possible. What is particularly pointed out here is that among the refractory hard materials shown in Table 1, chromium compounds are unique in terms of crystal form, and Cr 3 C 2 , Cr 7 C 3 ,
Only Cr 3 B 4 and CrB are orthorhombic. This fact suggests that the solid solubility of these orthorhombic chromium compounds with the refractory hard material is probably all limited, but the mutual solubility of these chromium compounds with the refractory hard material is likely to be limited. Regarding TiC
-There has been almost no research on anything other than the Cr 3 C 2 system. As detailed above, the fire-resistant hard material is
High-temperature hardness, high-temperature hardness, and
It is still considered to be a very promising material today in terms of high temperature properties such as high temperature strength and thermal shock resistance. This means that as a bonded phase
This is supported by the fact that CBN sintered bodies containing 40% by volume or more of the refractory hard material such as TiN exhibit extremely excellent performance in cutting high-hardness materials. The first idea of the present invention is based on the supposition of the fire-resistant hard material as the main material based on the above-mentioned basis. Despite having such excellent properties, the main reason why ceramics based on the fire-resistant hard material have not been put to practical use as cutting tool materials to date is due to their high melting point, as mentioned above. The problem lies in the difficulty of densification. Therefore, in order to put ceramics mainly made of the refractory hard material into practical use, it is necessary to develop appropriate means for promoting densification. However, for example, in ceramics whose main materials are Si 3 N 4 and SiC, which have strong covalent bonds and are difficult to sinter, methods of promoting densification during sintering have been intensively researched and have produced results. On the other hand, the reality is that almost no essential studies have been conducted on promoting the densification of the fire-resistant hard material. Therefore, as a means for promoting densification in the sintering process of the refractory hard material, chromium carbide or chromium boride will be defined as a ceramic binder phase. First, these materials have lower hardness and melting point than the refractory hard materials, and also have considerably larger coefficients of thermal expansion. Furthermore, Cr 3 C 2 ,
Orthorhombic compounds such as Cr7C3 , Cr3B4 and CrB are
Since the refractory hard material and the crystals are similar in shape, solid solution is limited, and as a result, it is expected that the crystals will probably exist as an independent phase even after sintering. These characteristics of chromium compounds are related to the relationship between the main material and the binder phase in other sintered bodies, such as the relationship between the main material and the binder metal in cemented carbide and cermets, or
This is similar to the relationship between CBN and a binder phase such as TiN in a CBN sintered body. From this point of view, chromium compounds, especially orthorhombic chromium carbides and orthorhombic chromium borides, are understood to have the basic properties as a binder phase for the refractory hard material. Next, conventional research on these orthorhombic chromium compounds is extremely limited and sufficient knowledge has not been obtained, but regarding Cr 3 C 2 ,
P. Schwarzkopf and R.
kieffer: Refractoky Hard Metals, Mac
Millan., 1953) reveals some interesting facts as follows. The first is
This is the effect of Cr 3 C 2 as a diffusion promoter in the preparation of solid solutions such as WC-TiC solid solution carbides. Since solid-phase sintering is essentially based on diffusion phenomena, this effect can be achieved by combining the refractory hard materials, especially two or more such refractory hard materials and Cr 3 C 2 as a binder phase.
Assuming a green compact of mixed powder with
It is expected that the action of Cr 3 C 2 will be effective in promoting densification. The second is Cr 3 C 2 to the refractory hard material.
Another problem is that the addition of metallic chromium has a very remarkable effect on improving the oxidation resistance of the refractory hard material. Among the high-temperature properties that the refractory hard material should possess as a cutting tool material, it has a general drawback of being inherently inferior to oxide-based ceramics in terms of oxidation resistance. To overcome this drawback, the use of Cr 3 C 2 as a binder phase improves the oxidation resistance of the sintered body mainly made of the refractory hard material due to the above effects of Cr 3 C 2 or metallic chromium. It is expected that this will work extremely effectively. The third and most interesting fact is the research result regarding solid solution of Cr 3 C 2 in cubic carbide. As mentioned above, the only previous research on the solid solution of Cr 3 C 2 with the refractory hard material is the TiC-Cr 3 C 2 system, but Cr 3 C 2 is dissolved in TiC in a fairly large amount. for example
It is known that at 1700°C to 1800°C, a solid solution of 40% by weight or more occurs. On the other hand, research on the chromium-carbon system phase diagram shows that CrC clearly exists at high temperatures of 2000°C or higher, but cannot exist at room temperature because it decomposes into Cr 3 C 2 and graphite during the cooling process. However, it has been suggested that CrC may exist even at room temperature in NaCl-type face-centered cubic carbides, such as solid solutions in TiC. This suggests the possibility that the orthorhombic chromium compound is solid-dissolved in the same form as the crystal form of the solvent substance when it is dissolved in a similar variant substance whose crystal form is simpler and more stable. Therefore, in the process of sintering a green compact made of a mixture of TiC and Cr 3 C 2 , Cr 3 C 2 is converted into TiC by CrC.
Assuming that carbon is dissolved in the form of solid solution, the proportion of carbon in the remaining undissolved Cr 3 C 2 phase gradually decreases as the solid solution progresses. As a result, it is probably not solidly dissolved.
Near the surface of the Cr 3 C 2 phase, it is a lower carbide.
Cr7C3 or Cr23C6 will be formed . Even when Cr 7 C 3 is used as the binder phase, it is expected that a reaction similar to that described above will occur since the crystal form is the same as that of Cr 3 C 2 . This mechanism also shows that a similar solid solution reaction occurs when the refractory hard substance diboride is used as the main material and orthorhombic chromium boride Cr 3 B 4 or CrB is used as the binder phase. expected to do so. i.e. in this case Cr 3 B 4 or CrB
Hexagonal chromium boride with the same crystal form as the main material
CrB 2 forms a solid solution in the main material diboride, and as a result, near the surface of the undissolved Cr 3 B 4 phase or CrB phase, lower-order compounds Cr 5 B 3 or Cr 2 B will be formed. The above reaction mechanism in the sintering process and the formation of lower-order compounds near the surface of the undissolved binder phase based on it are not only effective in promoting densification of the green compact based on diffusion solid solution, but also From the viewpoint of the interfacial strength between the main phase and the binder phase in the sintered body,
It is thought that it will play an extremely effective role.
From this point of view, among chromium compounds, orthorhombic chromium carbide and orthorhombic chromium boride (hereinafter referred to as the chromium compounds) are particularly useful as binder phases in ceramics whose main material is the refractory hard substance. It is considered suitable. Regarding the formation of lower-order carbides during the sintering process of orthorhombic carbide Cr 3 C 2 , there are research results by Fukatsu (Powder and Powder Metallurgy, VO18.1961.P248) based on a different mechanism. According to Fukatsu, Cr3C2 itself
It is assumed that a portion of Cr 7 C 3 and metallic chromium dissociate at temperatures above 800°C, and in Cr 3 C 2 -Ni alloys, this dissociation product, Cr 7 C 3 and metallic chromium, preferentially converts into the nickel phase. As a result of forming a Ni-Cr alloy through solid solution, it has been confirmed that the Cr 7 C three phase does not exist in the sintered body. On the other hand, to prepare a mixed powder of the refractory hard material and the chromium compound as a binder phase, wet mixing is usually performed using a ball mill or a vibration mill. Small amounts of iron group metals are unavoidably present. Therefore, based on the above-mentioned solid solution mechanism as CrC, Cr 3 C 2 in the green compact of the mixed powder for sintered body containing this iron group metal,
Even if lower carbides are formed during sintering,
As a result of preferential solid solution of Cr 7 C 3 to iron group metals, only Cr 23 C 6 is probably present as a lower carbide near the surface of the undissolved Cr 3 C 2 phase during or after sintering. It will remain. Another noteworthy aspect of Fukatsu's research results is that he confirms that the lattice constant of the Cr 3 C two- phase does not change upon sintering. This fact means that almost no nickel, which is an iron group metal, is dissolved in the Cr 3 C 2 phase. Finally, we will discuss the effects of iron group metals that are unavoidably mixed. First of all, it is an extremely well-known fact that the presence of a small amount of iron group metal generally has a significant effect on the densification of a compact made mainly of the refractory hard material. The basis for this is
This is based on the effect as a diffusion promoter in the solid phase reaction stage and the effect as a liquid phase generated by the eutectic reaction. Naturally, the effect of the iron group metal will also be exerted on the green compact of the mixture according to the present invention. However, as has been generally known, this iron group metal is a WC-Co alloy,
As seen in TiC-Ni alloys or Cr 3 C 2 -Ni-based alloys, it hardly dissolves into the hard phase, and even after sintering, almost all of it remains as a metal phase at the grain boundaries of the hard phase. For example, it is well understood from the above explanation that the presence of the iron group metal phase has a decisive detrimental effect on the high-temperature properties of the sintered body as a ceramic. However, research on solidified composite materials has revealed that, for example, lower carbides of chromium, ie, Cr 7 C 3 and Cr 23 C 6 , dissolve iron group metals in solid solution. Furthermore, a eutectic reaction exists in the system of a chromium lower carbide containing an iron group metal as a solid solution and an iron group metal-based alloy containing metallic chromium as a solid solution. The eutectic temperature is (Ni・Cr)—(Cr・Ni) 7 C 3 , (Co・Cr)—
(Cr・Co) 7 C 3 , (Co・Cr) - (Cr・Co) 23 C 6 systems, 1305℃, 1300℃ and 1340℃, respectively.
It is ℃. These eutectic temperatures are somewhat higher than the eutectic temperature of the Cr 3 C 2 -Ni system, which is 1175°C, but
This is a temperature at which it is possible to fully expect the effect of generating a liquid phase and promoting densification in the sintering process. Based on the above considerations, when considering the densification process of a compact consisting of the refractory hard material as the main material, the chromium compound as the binder phase, and a small amount of iron group metal as the auxiliary metal, The following sintering mechanism can be assumed. First, in the solid phase reaction stage at the initial stage of sintering, the orthorhombic chromium compound is solid-dissolved in the same form as the refractory hard material having a more stable and simple crystal form. the result,
A lower-order chromium compound is formed near the surface of the undissolved orthorhombic chromium compound. A part of this lower order compound, for example Cr 7 C 3 , is preferentially dissolved in the iron group metal, but at the same time, a part of the iron group metal is also dissolved in the lower order chromium compound. Eventually, the composition of the iron group metal phase containing the lower chromium compound as a solid solution reaches a eutectic composition, and a liquid phase is generated mainly on the surface of the binder phase. As a result, the green compact rapidly becomes densified at a temperature of about 1300°C to 1350°C. At the final stage of densification during the subsequent heating process, or during the holding process at a predetermined sintering temperature, or after densification, a liquid phase consisting mainly of iron group metal-based alloys existing at the binder phase grain boundaries, or a liquid phase in the liquid phase. Lower chromium compounds in which iron group metals remain near the surface of the binder phase, e.g. Cr 23 C 6
As the iron group metal phase gradually dissolves into the solid solution, the iron group metal phase finally disappears. The dense sintered body obtained based on the above-mentioned sintering mechanism has an iron group metal component mainly dissolved in a low-order compound of chromium, and substantially no metal phase is present. As a result, a dense ceramic based on the refractory hard material with excellent high-temperature properties can be obtained by an inexpensive ordinary sintering method. The second idea of the present invention is the assumption of an orthorhombic chromium compound as a binder phase for the refractory hard material based on the grounds and principles detailed above, and the assumption of a sintering mechanism based on the behavior of this binder phase. It is in. Based on this idea, a mixed powder of one or more of the refractory hard materials and one or more of the chromium compounds was prepared using a ball mill or a vibration mill. Green compacts made of these mixed powders were normally sintered under various conditions, and the effect of the chromium compound as a binder phase was investigated over a wide range of compositions. As a result, green compacts made of these mixed powders generally shrink very easily due to the coexistence of iron group metals that are unavoidably mixed in, and are completely shrunk by ordinary sintering at 1350°C to 1600°C. Or, almost complete densification was confirmed. In addition, most of the chromium compounds in principle form an independent phase as a binder phase in the form of the original orthorhombic compound even after sintering, but as expected, some of them remain as lower-order compounds. was also confirmed. Furthermore, what is most important is that it was confirmed that iron group metals that are inevitably mixed do not exist as a metal phase at all in the dense sintered bodies of any compositions in the examples described below. This proved the validity of the sintering mechanism assumed based on the idea mentioned above. As a result, it has become clear that the dense sintered body obtained by the present invention generally has extremely high hardness and room temperature strength comparable to that of alumina ceramic. In addition, it has become clear that the cutting performance of these dense sintered bodies is equivalent to or better than that of CBN sintered bodies when cutting hardened steel, which is a high-hardness material. Ta. The method for manufacturing the dense sintered body of the present invention will be explained in detail below. First, one or more kinds of the refractory hard material and one or more kinds of the chromium compound having a volume percentage of 1% or more and less than 80% are solidified in the refractory hard material after sintering. A mixed powder is prepared with an amount of iron group metal or iron group metal-based alloy that is below the limit that can exist in a solution state. In this case, the two or more types of refractory hard substances include a combination of two or more of the same compound among carbides, borides, and nitrides, and two or more different types, such as a combination of carbides and borides. Refers to all combinations of two or more types of refractory hard substances including combinations of compounds, and even if the refractory hard substances in these combinations are powders in which all or part of the refractory hard substances have been adjusted to a solid solution in advance. No problem. Also, in the case of the chromium compound, the combination of two or more types refers to all combinations of two or more types, as in the case of the refractory hard material. The powders are mixed by conventional methods, such as wet mixing using a ball mill or a vibratory mill. In this case, the pot and ball materials include cemented carbide,
Cermet, Hastelloy, stainless steel, etc. are used. Mixing time for the former is 20 to 200 hours;
In the latter case, the time is 1 to 10 hours, but in this powder mixing step, iron group metals or iron group metal-based alloys such as cobalt, nickel, and iron are unavoidably mixed in a total amount of about 0.1 to 2 weight percent. Therefore, the iron group metal or iron group metal-based alloy in the above composition does not necessarily need to be blended as a raw material powder, but as a general rule, if the iron group metal or iron group metal-based alloy mixed in the mixing process is used. good. However, if necessary,
For the purpose of adjusting the content of the iron group metal or iron group metal-based alloy, a part thereof may be blended as a raw material powder. As mentioned above, the content of iron group metal or iron group metal-based alloy in the mixed powder is as follows:
In the dense sintered body manufactured from this mixed powder,
The total amount must be adjusted within the limit that allows it to exist as a solid solution in the refractory hard material. If the sintered body contains more iron group metals or iron group metal-based alloys, and some of them exist as a metal phase at the grain boundaries of the refractory hard material phase after sintering, the high-temperature properties of the sintered body are essentially affected. This is because it causes deterioration. In various processes such as powder molding and preliminary sintering, there is no need to take any special considerations to produce the dense sintered body of the present invention, and for example, the production conditions for liquid phase sintered alloys such as cemented carbide and cermets do not require any special considerations. Just follow the instructions. Further, in principle, there is no need to pay special consideration to the sintering conditions, especially the sintering atmosphere. A vacuum atmosphere of 10 -3 mmHg to 10 -4 mmHg is the most common sintering atmosphere, but considering the vapor pressure of each composition, it is recommended to increase the furnace pressure to about 10 -1 mmHg to produce a dense sintered body. It may be effective in obtaining . In addition, for compositions containing nitrides, it is effective to increase the nitrogen partial pressure in the sintering atmosphere in order to prevent the generation of pores due to decomposition and volatilization of nitrides. Although this is a well-known fact, it is of course also effective in producing the dense sintered body of the present invention. Here, in the composition of the dense sintered body of the present invention,
The reason why the proportion of the chromium compound as a binder phase was limited to 1% or more and less than 80% by volume is that if the content of the chromium compound is less than 1% by volume, the sinterability decreases, This is because it is extremely difficult to obtain a dense ceramic sintered body by ordinary sintering, and on the other hand, the properties of a sintered body containing 80% by volume or more approach those of the chromium compound, and the present invention This is because it is difficult to obtain a sintered body with high hardness suitable for the purpose. Note that some details of the densification process and sintering mechanism of each sintered body of the present invention have not yet been elucidated. for example,
In the composition consisting of Mo 2 C and Cr 3 C 2 , the presence of flaky graphite in the sintered body was confirmed, and this fact indicates that Cr 3 C 2
This suggests that Cr 3 C is dissolved in Mo 2 C as Cr 2 C, but in this case, when Cr 3 C 2 is dissolved in Mo 2 C, low-order Cr 3 C 2 is formed on the surface of undissolved Cr 3 C 2. It has not yet been confirmed whether chromium carbide is formed. In addition, although the method for producing a dense sintered body of the present invention is based on a normal sintering method, the method for producing a dense sintered body of the present invention is
Further, it does not impair the significance of the present invention to improve or stabilize the material quality of the sintered body by performing additional pressure sintering using a hot isostatic pressure device. Furthermore, although the dense sintered body of the present invention is primarily intended for use as a cutting tool material, it is possible to easily and inexpensively produce dense sintered bodies with an extremely wide range of compositions, and Since these sintered bodies are high-hardness sintered bodies made of refractory hard materials that inherently have excellent high-temperature properties and corrosion resistance, the dense sintered bodies of the present invention can be used in many fields other than cutting tools. For example, it is expected to exhibit excellent performance in a wide range of applications as heat-resistant materials, corrosion-resistant materials, and wear-resistant materials. Examples of the present invention will be described below. Example 1 Carbide powders of group IVa.Va and VIa metals excluding chromium carbide, namely TiC.ZrC.HfC.VC.
NbC.TaC.Mo2C.WC and W2C powders each corresponding to 10 weight percent as binder phase .
Cr 3 C 2 powder was blended, acetone was added, and wet ball mill mixing was performed for 72 hours using a pot made of Hastelloy B alloy and a ball made of cemented carbide. For each of these raw material powders, commercially available powders with a particle size of 1 μm to several μm were used. After mixing, acetone was removed by volatilization, and paraffin corresponding to 2% by weight of the powder was added as a molding lubricant. Each mixed powder passed through a 32 mesh sieve contains the iron group metals cobalt, nickel and iron in total.
0.4 to 0.7 weight percent was detected. Each mixed powder was molded into a specimen for a transverse rupture strength test using a mold at a pressure of 1000 Kg/cm 2 . These compacts were pre-sintered at 600℃ in a vacuum atmosphere of 10 -1 mmHg for 1 hour to volatilize and remove the paraffin, and then
1400℃, 1500℃ and Hg vacuum atmosphere
Normal sintering was carried out by heating and holding at each temperature of 1600°C for 2 hours.
【表】【table】
【表】
各組成物の原料配合組成ならびに得られた焼結
体の相対密度と硬度とを第2表に示す。第2表か
ら、当該耐火性硬質物質である炭化物を主材とし
Cr3C2を結合相とした各組成物は、一般に良好な
焼結性を示し、1600℃あるいはそれ以下の温度で
の普通焼結によつて、ほぼ完全な緻密焼結体とな
ることがわかる。すなわち、各組成物によつて焼
結性は幾分異なるが、いずれの組成物においても
93.7%以上の相対密度が得られた。また、焼結性
の特に良好なTiC.NbCおよびMo2Cを主材とする
各組成物では、1400℃での普通焼結によつて相対
密度はすでに99%以上に達した。
X線回折では各焼結体の構成相として、それぞ
れ主材の各炭化分相とCr3C2相とが検出された。
いずれの焼結体においても、顕微鏡組織観察によ
つて金属相が存在しないことを確認した。代表的
な顕微鏡組織を第1図乃至第3図に示す。倍率は
いずれも1000倍である。腐食には10パーセント蓚
酸溶液を使用し、電解腐食を行なつた。第1図は
焼結性の特に良好な組成物における緻密組織の一
例として、90%Mo2C―10%Cr3C2組成物の1400
℃焼結試片の組織を示したものである。結合相と
してのクロム炭化物は主としてMo2C相の粒界に
存在するが、一部は粒内にも存在しており、良好
な焼結性に基ずくMo2C粒子の急速な粒成長を示
唆する。なお、本焼結体の組織には片状黒鉛が観
察されるが、同様に六方晶炭化物を主材とする90
%W2C―10%Cr3C2組成物の焼結体においても同
様の片状黒鉛の存在が確認された。第2図は焼結
性が若干劣る90%HfC―10%Cr3C2組成物の1600
℃焼結組織である。クロム炭化物はやや大型の結
合相として点在すると同時に、粒界にも細かく分
布して存在する。第3図は90%WC―10%Cr3C2
組成物の1600℃焼結組織であり、きわめて微細な
WC相とクロム炭化物相とが均一に混在する。し
かもこの組成物の焼結体における組織粒度は焼結
温度に依存せず、高温焼結に伴なう粒成長が殆ど
認められない。したがつてこの組成物では、恐ら
くスピノーダル分解が起るものと推定される。
実施例 2
実施例1と同様、TiC粉末に10重量パーセント
に相当するCr3C2粉末を配合し、ボールミルを使
用して実施例1の方法に準じて混合粉末を調整し
た。ただしこの場合のボールにはサーメツト製ボ
ールを使用し、混合時間は96時間とした。この混
合粉末の圧粉体を乾燥水素気流中600℃に1時間
加熱して予備焼結を行なつた後、10-1mmHgの真
空雰囲気において、1400℃に2時間加熱保持して
焼結した。得られた焼結体は100パーセントの相
対密度を示し、硬度および抗折強度は、それぞれ
HRA94.7および68Kg/mm2であつた。また、顕微
鏡組織において金属相の存在は認められなかつ
た。
実施例 3
TiCとCr3C2との組成物におけるCr3C2の体積率
を1パーセントから40パーセントにまで変化させ
た8種類の混合粉末を、実施例1の方法に準じて
調整した。ただし混合時間は96時間とした。成型
潤滑剤としてパラフインは2.5重量パーセントを
添加し、80メツシユの篩を通した。なお比較試料
として、TiC粉末のみを同一条件で混合した粉末
も調整した。各混合粉末は1000Kg/cm2の圧力で抗
折試験用試片に成型し、乾燥水素気流中600℃に
1時間加熱して予備焼結を行なつた後1400℃、
1500℃および1600℃の各温度にそれぞれ2時間加
熱保持して焼結した。ただし、焼結雰囲気には
10-4mmHgの真空雰囲気と、5mmHgの水素雰囲気
とを用いた。後者では各試片をカーボンブラツク
でパツキングして焼結した。第3表に各組成物の
Cr3C2配合量ならびに得られた焼結体の相対密
度、硬度、および抗折強度を示す。二、三の試片
では100パーセントをわずかに越える相対密度を
示したが、これは主として成分間の固溶に基ずく
比容積の変化ならびに、密度の測定精度に起因す
るものと考えられる。これらの相対密度は第3表
においてすべて100パーセントと表記した。
本発明の各組成物では1600℃またはそれ以下の
温度での適当な焼結条件の選択によつて、[Table] Table 2 shows the raw material composition of each composition and the relative density and hardness of the obtained sintered bodies. From Table 2, it can be seen that the main material is carbide, which is the refractory hard substance.
Compositions using Cr 3 C 2 as a binder phase generally exhibit good sinterability, and can be formed into almost completely dense sintered bodies by ordinary sintering at temperatures of 1600°C or lower. Recognize. In other words, the sinterability differs somewhat depending on each composition, but all compositions have
A relative density of 93.7% or higher was obtained. Furthermore, in the compositions mainly composed of TiC.NbC and Mo 2 C, which have particularly good sinterability, the relative density already reached 99% or more by ordinary sintering at 1400°C. In X-ray diffraction, each carbonized phase of the main material and a Cr 3 C 2 phase were detected as constituent phases of each sintered body.
It was confirmed by microscopic structure observation that no metal phase was present in any of the sintered bodies. Typical microscopic structures are shown in FIGS. 1 to 3. All magnifications are 1000x. Electrolytic corrosion was carried out using a 10% oxalic acid solution. Figure 1 shows an example of a dense structure in a composition with particularly good sinterability.
This figure shows the structure of a specimen sintered at ℃. Chromium carbide as a binder phase mainly exists at the grain boundaries of the Mo 2 C phase, but some of it also exists within the grains, contributing to the rapid grain growth of Mo 2 C particles based on good sinterability. suggest. Although flaky graphite is observed in the structure of this sintered body, it is similar to 90% graphite mainly composed of hexagonal carbide.
The presence of similar flaky graphite was also confirmed in the sintered body of the %W 2 C - 10% Cr 3 C 2 composition. Figure 2 shows 1600, a 90% HfC-10% Cr 3 C 2 composition with slightly inferior sinterability.
℃ sintered structure. Chromium carbide is scattered as a rather large binder phase, and at the same time, it is also present in a finely distributed manner at grain boundaries. Figure 3 shows 90% WC - 10% Cr 3 C 2
It is a 1600℃ sintered structure of the composition, with extremely fine
The WC phase and chromium carbide phase are uniformly mixed. Furthermore, the grain size of the structure in the sintered body of this composition does not depend on the sintering temperature, and almost no grain growth accompanying high-temperature sintering is observed. Therefore, it is presumed that spinodal decomposition probably occurs in this composition. Example 2 Similar to Example 1, Cr 3 C 2 powder corresponding to 10% by weight was blended with TiC powder, and a mixed powder was prepared according to the method of Example 1 using a ball mill. However, in this case, a cermet ball was used, and the mixing time was 96 hours. The green compact of this mixed powder was pre-sintered by heating it at 600°C for 1 hour in a stream of dry hydrogen, and then sintered by heating and holding it at 1400°C for 2 hours in a vacuum atmosphere of 10 -1 mmHg. . The obtained sintered body has a relative density of 100%, and the hardness and bending strength are respectively
HRA was 94.7 and 68Kg/ mm2 . Moreover, the presence of a metallic phase was not observed in the microscopic structure. Example 3 Eight types of mixed powders were prepared according to the method of Example 1, in which the volume fraction of Cr 3 C 2 in the composition of TiC and Cr 3 C 2 was varied from 1% to 40%. However, the mixing time was 96 hours. Paraffin was added at 2.5% by weight as a molding lubricant and passed through an 80 mesh sieve. As a comparison sample, a powder prepared by mixing only TiC powder under the same conditions was also prepared. Each mixed powder was molded into a bending test specimen at a pressure of 1000 Kg/cm 2 , pre-sintered by heating at 600°C in a stream of dry hydrogen for 1 hour, and then heated at 1400°C.
Sintering was carried out by heating and holding at each temperature of 1500°C and 1600°C for 2 hours. However, in the sintering atmosphere
A vacuum atmosphere of 10 -4 mmHg and a hydrogen atmosphere of 5 mmHg were used. In the latter case, each specimen was packed with carbon black and sintered. Table 3 shows each composition.
The Cr 3 C 2 content and the relative density, hardness, and bending strength of the obtained sintered body are shown. The second and third specimens showed relative densities slightly over 100%, which is thought to be mainly due to the change in specific volume due to solid solution between components and the accuracy of density measurement. All these relative densities are expressed as 100% in Table 3. By selecting appropriate sintering conditions at a temperature of 1600°C or lower, each of the compositions of the present invention
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
【表】
HRA94.0以上の高い硬度を有する緻密焼結体が
得られた。特に結合相としてのCr3C2の配合量が
10容量パーセント乃至30容量パーセントの範囲の
組成物では、焼結体の特性が一般に優れ、硬度お
よび抗折強度がそれぞれHRA94.5以上および50
Kg/mm2以上の緻密焼結体が得られた。これに対
し、TiC粉末のみを混合した粉末では緻密焼結体
は得られず、本発明の焼結体に較べ硬度および抗
折強度はかなり低いものであつた。
次いで、本発明の組成物における鉄族金属成分
と、Cr3C2との挙動を調査する目的で、焼結体に
おける鉄族金属成分の分布ならびにクロム炭化物
の組成をX線マイクロアナライザーによつて調査
した。その結果、粉末混合工程において不可避的
に混入する鉄族金属成分は、当該焼結体において
金属相としては存在しないこと、ならびにその大
部分がクロムの低次炭化物中に固溶することが確
認された。第4図および第4表に調査結果の一例
を示す。試片はCr3C2を40重量パーセント含有す
る組成物をカーボンブラツクでパツキングし、5
mmHgの水素雰囲気において1500℃で2時間焼結
したものである。まず鉄族金属成分の分布を調べ
た第4図において、Aは当該焼結体の組織を示す
二次電子線像、B,C,D,E、およびFはそれ
ぞれAと同一視野におけるチタン、クロム、ニツ
ケル、コバルトおよび鉄の分布状況を示す。この
図から明らかなように、鉄族金属は粒界に存在せ
ず主としてクロム含有相中に固溶している。しか
しクロム含有相には、(1)かなり高濃度の鉄族金属
成分と共存する相と、(2)鉄族金属成分を余り含有
しない相との2種類の相が存在する。この両相の
成分を分析した結果が第4表である。各相の炭素
含有量から、(1)の鉄族金属成分と共存する相は
Cr23C6、(2)の鉄族金属成分を余り含有しない相は
Cr3C2と判断される。
実施例 4
TiCとCr3C2との組成物に当該耐火性硬質物質
に属する1種または2種以上の異種炭化物を添加
した第5表に示す17種類の混合粉末を、実施例3
に準じて調整した。第5表に示すごとく、異種炭[Table] A dense sintered body with high hardness of HRA94.0 or higher was obtained. In particular, the amount of Cr 3 C 2 as a binder phase is
For compositions in the range of 10 volume percent to 30 volume percent, the properties of the sintered body are generally excellent, with hardness and bending strength of HRA 94.5 or higher and HRA 50, respectively.
A dense sintered body of Kg/mm 2 or more was obtained. On the other hand, a dense sintered body could not be obtained with a powder mixed with only TiC powder, and the hardness and bending strength were considerably lower than the sintered body of the present invention. Next, in order to investigate the behavior of iron group metal components and Cr 3 C 2 in the composition of the present invention, the distribution of iron group metal components and the composition of chromium carbide in the sintered body were measured using an X-ray microanalyzer. investigated. As a result, it was confirmed that the iron group metal components that are inevitably mixed in during the powder mixing process do not exist as a metal phase in the sintered body, and that most of them are dissolved in solid solution in the lower carbides of chromium. Ta. Figure 4 and Table 4 show an example of the survey results. The specimen was made by packing a composition containing 40% by weight of Cr 3 C 2 with carbon black.
It was sintered at 1500°C for 2 hours in a mmHg hydrogen atmosphere. First, in Fig. 4, which examines the distribution of iron group metal components, A is a secondary electron beam image showing the structure of the sintered body, B, C, D, E, and F are titanium in the same field of view as A, respectively. Shows the distribution of chromium, nickel, cobalt and iron. As is clear from this figure, iron group metals are not present at grain boundaries and are mainly dissolved in the chromium-containing phase. However, two types of chromium-containing phases exist: (1) a phase that coexists with a fairly high concentration of iron group metal components, and (2) a phase that does not contain much iron group metal components. Table 4 shows the results of analyzing the components of both phases. From the carbon content of each phase, the phase coexisting with the iron group metal component in (1) is
Cr 23 C 6 , the phase (2) that does not contain much iron group metal component is
It is determined to be Cr3C2 . Example 4 17 types of mixed powders shown in Table 5, in which one or more types of different carbides belonging to the refractory hard substance were added to a composition of TiC and Cr 3 C 2 , were prepared in Example 3.
Adjusted accordingly. As shown in Table 5, different types of coal
【表】【table】
【表】
化物を1種添加した組成物では異種炭化物を単体
炭化物の形で配合したが、2種またはそれ以上の
異種炭化物添加には、固溶炭化物粉末を使用し
た。また混合粉末における鉄族金属量を調整する
目的で、一部の組成物では原料粉末として、少量
のニツケル金属を配合した。その他の混合粉末調
整条件は、実施例3と同一である。
これらの各混合粉末は、金型を使用して所定の
形状に1500Kg/cm2の圧力で成型し、乾燥水素気流
中500℃で1時間予備焼結した後、種々の条件で
普通焼結した。各組成物における焼結条件の一例
と、その場合に得られた各焼結体の相対密度、硬
度および抗折強度を第5表に示した。本発明のい
ずれの組成物においても、相対密度が98%以上の
緻密焼結体が得られた。また顕微鏡組織におい
て、金属相の存在は全く認められなかつた。
次いで当該焼結体の高硬度被削材に対する切削
性能を調査する目的でZrCあるいはHfCをそれぞ
れ25重量パーセント含有し、結合相としての
Cr3C2配合量が30重量パーセントである2種類の
組成物、すなわち第5表の422Cおよび425Cにつ
いて、旋盤による切削試験を実施した。工具は
NILR―44チツプ形状はSNG432であり、刃先に
は角度−25゜、幅0.1mmのネガテイブランドを付け
た。比較試料には市販のCBN焼結体とアルミナ
系セラミツクとを使用した。これらの比較試料は
いずれも市販の状態で試験に供した。
まず被削材に高炭素クロム軸受鋼3種(SUJ3)
の焼入材(硬度:HRC93.5)を選び、周速度50
m/min、切込み0.5mm、送り0.1mm/回転の条件で
乾式切削を行なつた。この場合の比較試料には各
1種類のCBN焼結体と、セラミツクとを使用し
た。前者はTiNを結合材としたものであり、後
者はAl2O3―TiC系セラミツクである。結果を第
5図に示すが、本発明の焼結体の高硬度被削材切
削における耐摩耗特性は、両組成物の焼結体とも
に、CBN焼結体とほぼ同等の性能であることが
確認された。なお、当該焼結体ではCBN焼結体
に較べ幾分大きい境界摩耗が発生したが、切削時
間が120分に至るまでチツピングの発生は全く認
められなかつた。これに対しAl2O3―TiC系セラ
ミツクは切削時間35分において大型のチツピング
が生じ、切削不能となつた。
つぎに、クロムモリブデン鋼4種(SCM4)の
焼入材(硬度:HRC54)を被削材とし、周速度
100m/min、切込み0.5mm、送り0.1mm/回転の条
件で乾式切削試験を行なつた。当該焼結体には、
第5表の425Cを用い、比較試料には4種類の
CBN焼結体と2種類のアルミナ系セラミツクと
を使用した。後者のセラミツクのうち、1種類は
Al2O3―TiC系セラミツクである。摩耗曲線を第
6図に示す。本発明の焼結体の耐摩耗特性は、明
らかに従来のアルミナ系セラミツクより優れるこ
とが確認された。また、CBN焼結体に対しても、
同等またはそれ以上の耐摩耗特性を示すことが確
認された。
実施例 5
TiCとCr3C2との組成物に当該耐火性硬質物質
に属する1種または2種以上の異種化合物を添加
した8種類の配合組成の混合粉末を調整した。こ
の場合の異種化合物の少なくとも1種には、第6
表に示すごとく窒化物を使用した。また、原料粉
末の一部に固溶炭化物を使用した。混合粉末の調
整は実施例3に準じて行なつたが、一部の組成物
についてはボールミル用ポツトにステンレス製ポ
ツトを使用し、混合時間を137時間とした。その
他の混合粉末調整条件は実施例3と同一である。
これらの各混合粉末に成型潤滑剤として3重量
パーセントのパラフインを添加し、金型を用いて
所定の形状に1000Kg/cm2の圧力で成型した。これ
らの圧粉体を10-1mmHgの水素雰囲気において600
℃に1時間加熱して予備焼結を行なつた後種々の
条件で普通焼結した。各組成物における焼結条件
の一例と、その場合に得られた各焼結体の相対密
度、硬度および抗折強度を第6表に示す。いずれ
の組成物においても相対密度が96パーセント以上
の緻密焼結体が得られた。また、顕微鏡組織にお
いても金属相の存在は全く認められなかつた。第
7図は当該焼結体の緻密組織の一例として543C
の組織を示したものであり、検鏡試片をラツプ仕
上げした状態で観察される倍率200倍の顕微鏡組
織である。
実施例 6
Cr3C2を結合相とし、主材に当該耐火性硬質物
質に属する窒化物あるいは硼化物を用い、さらに
当該耐火性硬質物質に属する異種化合物を添加あ
るいは添加しない第7表に示す8種類の混合粉末
を調整した。異種化合物としての炭化物、窒化物
および硼化物には、いずれも各単体化合物を使用
した。混合粉末の調整、成型および予備焼結の各
工程は、すべて実施例5と同一の条件で行なつ
た。予備焼結体は種々の条件で普通焼結した。各
組成物における焼結条件の一例と、各焼結体の相
対密度、硬度および抗折強度を第7表に示す。い
ずれの組成物においても、相対密度が96%以上の
緻密焼結体が得られた。また、これらの各焼結体
の顕微鏡組織には金属相は存在せず、粉末混合工
程において混入する鉄族金属成分はすべて耐火性
硬質物質中へ固溶することが確認された。
次いで、本発明の焼結体の切削性能を調査し
た。[Table] In the composition to which one type of carbide was added, different types of carbides were blended in the form of single carbides, but solid solution carbide powder was used to add two or more types of different types of carbides. In addition, in order to adjust the amount of iron group metal in the mixed powder, some compositions contained a small amount of nickel metal as the raw material powder. Other mixed powder preparation conditions are the same as in Example 3. Each of these mixed powders was molded into a predetermined shape using a mold at a pressure of 1500 kg/ cm2 , pre-sintered at 500°C for 1 hour in a stream of dry hydrogen, and then sintered normally under various conditions. . Table 5 shows an example of the sintering conditions for each composition, and the relative density, hardness, and bending strength of each sintered body obtained in that case. In all of the compositions of the present invention, dense sintered bodies with relative densities of 98% or more were obtained. Further, in the microscopic structure, the presence of any metallic phase was not observed at all. Next, in order to investigate the cutting performance of the sintered body for high-hardness work materials, ZrC or HfC was added at 25% by weight as a binder phase.
Two compositions containing 30 weight percent Cr 3 C 2 , namely 422C and 425C in Table 5, were subjected to lathe cutting tests. The tools are
The NILR-44 tip shape is SNG432, and a negative brand with an angle of -25° and a width of 0.1 mm is attached to the cutting edge. Commercially available CBN sintered bodies and alumina ceramics were used as comparison samples. All of these comparative samples were tested in commercially available condition. First, the work material is high carbon chromium bearing steel type 3 (SUJ3).
Select a hardened material (hardness: HRC93.5) and set the circumferential speed to 50.
Dry cutting was performed under the following conditions: m/min, depth of cut 0.5 mm, and feed rate 0.1 mm/rotation. In this case, one type of CBN sintered body and one type of ceramic were used as comparative samples. The former uses TiN as a binder, and the latter uses Al 2 O 3 -TiC ceramic. The results are shown in Figure 5, and it can be seen that the wear resistance properties of the sintered body of the present invention in cutting high-hardness workpieces are almost equivalent to that of the CBN sintered body for both sintered bodies of both compositions. confirmed. Although the sintered body suffered from slightly larger boundary wear than the CBN sintered body, no chipping was observed at all until the cutting time reached 120 minutes. On the other hand, with Al 2 O 3 -TiC ceramic, large chipping occurred after 35 minutes of cutting time, making it impossible to cut. Next, we used a quenched chromium molybdenum steel type 4 (SCM4) material (hardness: HRC54) as the work material, and
A dry cutting test was conducted under the conditions of 100 m/min, depth of cut 0.5 mm, and feed rate 0.1 mm/rotation. The sintered body has
Using 425C in Table 5, four types of comparison samples were used.
A CBN sintered body and two types of alumina ceramics were used. Among the latter ceramics, one type is
Al 2 O 3 - TiC ceramic. The wear curve is shown in FIG. It was confirmed that the wear resistance of the sintered body of the present invention is clearly superior to that of conventional alumina ceramics. Also, for CBN sintered bodies,
It was confirmed that it exhibited equivalent or better wear resistance properties. Example 5 Eight types of mixed powders were prepared by adding one or more different compounds belonging to the refractory hard material to a composition of TiC and Cr3C2 . In this case, at least one of the different compounds includes a sixth compound.
Nitrides were used as shown in the table. In addition, solute carbide was used as part of the raw material powder. The mixed powder was prepared according to Example 3, but for some compositions, a stainless steel pot was used as the ball mill pot, and the mixing time was 137 hours. Other mixed powder preparation conditions were the same as in Example 3. 3% by weight of paraffin was added as a molding lubricant to each of these mixed powders, and the mixture was molded into a predetermined shape using a mold at a pressure of 1000 kg/cm 2 . These green compacts were heated at 600 °C in a hydrogen atmosphere of 10 -1 mmHg.
After preliminary sintering by heating to 1 hour at 0.degree. C., normal sintering was performed under various conditions. Table 6 shows an example of the sintering conditions for each composition, and the relative density, hardness, and bending strength of each sintered body obtained in that case. In all compositions, dense sintered bodies with relative densities of 96% or more were obtained. Furthermore, no metal phase was observed in the microscopic structure. Figure 7 shows 543C as an example of the dense structure of the sintered body.
This is a microscopic structure observed at 200x magnification on a lapped specimen. Example 6 Cr 3 C 2 is used as the binder phase, nitride or boride belonging to the refractory hard substance is used as the main material, and a different compound belonging to the refractory hard substance is added or not as shown in Table 7 Eight types of mixed powders were prepared. For carbides, nitrides, and borides as dissimilar compounds, respective simple compounds were used. The steps of preparing the mixed powder, molding, and preliminary sintering were all carried out under the same conditions as in Example 5. The pre-sintered bodies were normally sintered under various conditions. Table 7 shows an example of the sintering conditions for each composition, and the relative density, hardness, and bending strength of each sintered body. In all compositions, dense sintered bodies with relative densities of 96% or more were obtained. Further, it was confirmed that no metal phase was present in the microscopic structure of each of these sintered bodies, and that all the iron group metal components mixed in the powder mixing process were dissolved in the refractory hard material. Next, the cutting performance of the sintered body of the present invention was investigated.
【表】
切削試験用試料には第7表の649Cと、実施例
5で調整した538Cとの2種類の組成物の焼結体
を使用した。工具およびチツプ形状はいずれも実
施例4と同一である。まず高炭素クロム軸受鋼3
種(SUJ3)の焼入材(硬度:HRC93.5)を被削
材とし、周速度50m/min、切込み0.5mm、送り0.1
mm/回転の条件で乾式切削を行なつた。摩耗曲線
を第8図に示す。切削条件が同一の実施例4の第
5図との比較からも明らかなように、本発明の両
焼結体は高硬度被削材切削において、きわめて優
れた耐摩耗特性を示す。この場合、境界摩耗は殆
ど発生しなかつた。
つぎに、クロムモリブデン鋼4種(SCM4)の
焼入材(硬度:HRC54)について、周速100m/
min、切込み0.5mm、送り0.1mm/回転の条件で乾
式切削を行なつた。摩耗曲線を第9図に示す。本
発明の焼結体の耐摩耗特性は比較試料として使用
したアルミナ系セラミツクより明らかに優れ、ま
たCBN焼結体に対しても同等またはそれ以上の
性能を有することが確認された。
さらに、高速切削性能を調べる目的で、538C
について鋳鉄FC25(硬度:HB126〜134)を被削
材とし、周速度1000m/min、切込み1.5mm、送り
0.2mm/回転の条件で乾式切削を行なつた。5分
切削後の平均フランク摩耗は0.41mmであつた。こ
れに対しCBN焼結体は切削時間1分でチツピン
グを生じ、切削不能となつた。
実施例 7
TiCに結合相として10重量パーセントのCr3C2
と20重量パーセントのCrBとを配合した組成物の
混合粉末を実施例3と同一の条件で調整した。こ
の混合粉末を実施例3と同一の条件で成型および
予備焼結した後、10-1mmHgの真空雰囲気におい
て1600℃で4時間加熱保持して焼結した。得られ
た焼結体は100パーセントの相対密度を示し、硬
度および抗折強度はそれぞれHRA94.2および56
Kg/mm2であつた。第10図は10パーセント蓚酸溶
液を用いて電解腐食した倍率1000倍の顕微鏡組織
であり、硬質相と結合相との2相から成る完全な
緻密組織が確認される。[Table] Sintered bodies of two types of compositions, 649C shown in Table 7 and 538C prepared in Example 5, were used as cutting test samples. Both the tool and chip shape are the same as in Example 4. First, high carbon chromium bearing steel 3
The work material is hardened SUJ3 material (hardness: HRC93.5), circumferential speed 50 m/min, depth of cut 0.5 mm, feed 0.1.
Dry cutting was performed under the condition of mm/rotation. The wear curve is shown in FIG. As is clear from a comparison with FIG. 5 of Example 4 where the cutting conditions were the same, both sintered bodies of the present invention exhibit extremely excellent wear resistance properties when cutting high-hardness workpiece materials. In this case, almost no boundary wear occurred. Next, regarding the quenched material (hardness: HRC54) of chromium molybdenum steel type 4 (SCM4),
Dry cutting was performed under the following conditions: min, depth of cut 0.5 mm, and feed rate 0.1 mm/rotation. The wear curve is shown in FIG. It was confirmed that the wear resistance of the sintered body of the present invention was clearly superior to that of the alumina-based ceramic used as a comparative sample, and that it had performance equivalent to or better than that of the CBN sintered body. Furthermore, for the purpose of investigating high-speed cutting performance, 538C
About cast iron FC25 (hardness: HB126~134) as work material, circumferential speed 1000 m/min, depth of cut 1.5 mm, feed.
Dry cutting was performed under the condition of 0.2 mm/rotation. The average flank wear after 5 minutes of cutting was 0.41 mm. On the other hand, the CBN sintered body developed chipping after 1 minute of cutting time, making it impossible to cut. Example 7 TiC with 10 weight percent Cr 3 C 2 as binder phase
A mixed powder of a composition containing CrB and 20 weight percent of CrB was prepared under the same conditions as in Example 3. This mixed powder was molded and pre-sintered under the same conditions as in Example 3, and then heated and held at 1600° C. for 4 hours in a vacuum atmosphere of 10 -1 mmHg for sintering. The resulting sintered body exhibits a relative density of 100 percent, with hardness and bending strength of HRA 94.2 and 56, respectively.
It was Kg/ mm2 . Figure 10 shows a microscopic structure at 1000x magnification after electrolytic corrosion using a 10% oxalic acid solution, and a completely dense structure consisting of two phases, a hard phase and a binder phase, is confirmed.
【表】
実施例 8
当該耐火性硬質物質に属する1種または2種以
上の炭化物または硼化物を主材とし、これに結合
相としてCrBを配合した第8表に示す5種類の混
合粉末を調整した。原料粉末の混合には、ハステ
ロイB合金製ポツトおよび超硬合金製ボールを使
用し、ヘキサンを加え3時間湿式振動ミル混合を
行なつた。各混合粉末には成型潤滑剤として3重
量パーセントに相当するパラフインを添加した後
金型を用い1000Kg/cm2の圧力で抗折力試験用試片
に成型した。各圧粉体は露点が−60℃の乾燥水素
気流中600℃で1時間加熱して予備焼結した後
種々の条件で普通焼結した。各組成物における焼
結条件の一例と、得られた焼結体の密度、硬度お
よび抗折強度を第8表に示す。いずれの組成物に
おいても、緻密な焼結体が得られることが確認さ
れた。この場合にも、顕微鏡組織において、金属
相の存在は確認されなかつた。[Table] Example 8 Five types of mixed powders shown in Table 8 were prepared, which were mainly composed of one or more carbides or borides belonging to the refractory hard substance and mixed with CrB as a binder phase. did. A pot made of Hastelloy B alloy and a ball made of cemented carbide were used to mix the raw material powders, hexane was added, and the mixture was mixed in a wet vibration mill for 3 hours. Paraffin corresponding to 3% by weight was added to each mixed powder as a molding lubricant, and then molded into specimens for transverse rupture strength testing using a mold at a pressure of 1000 kg/cm 2 . Each green compact was presintered by heating at 600°C for 1 hour in a dry hydrogen stream with a dew point of -60°C, and then sintered normally under various conditions. Table 8 shows an example of the sintering conditions for each composition and the density, hardness, and bending strength of the obtained sintered bodies. It was confirmed that a dense sintered body could be obtained with any of the compositions. In this case as well, the presence of a metallic phase was not confirmed in the microscopic structure.
第1図は実施例1に記載の配合組成が90%
Mo2C―10%Cr3C2である、本発明焼結体の緻密
組織を示す1000倍の顕微鏡組織である。第2図は
第1図と同様、実施例1における配合組成が90%
HfC―10%Cr3C2である本発明焼結体の1000倍の
緻密な顕微鏡組織を示したものである。第3図も
第1図と同様、実施例1における配合組成が90%
WC―10%Cr3C2である本発明焼結体の1000倍の
緻密な顕微鏡組織を示したものである。第4図は
本発明焼結体における元素の分布状況を示す一例
として、実施例3におけるCr3C2配合量が40容量
パーセントであるTiC―Cr3C2系焼結体の元素分
布を示したものであり、第4図のAは組織を示す
二次電子線像、B,C,D,EおよびFはそれぞ
れAと同一視野におけるチタン、クロム、ニツケ
ル、コバルトおよび鉄の分布状況である。第5図
は実施例4における本発明焼結体と比較試料と
の、高炭素クロム軸受鋼(SUJ3)焼入材の乾式
切削における摩耗曲線を示したものである。第6
図は実施例4における本発明の焼結体と比較試料
との、クロムモリブデン鋼(SCM4)焼入材の乾
式切削における摩耗曲線を示したものである。第
7図は実施例5における本発明焼結体の緻密組織
の一例として、配合組成が35%TiC―25%HfC―
8%NbC―2%TiN―30%Cr3C2である本発明焼
結体のノーエツチ状態における200倍の顕微鏡組
織を示したものである。第8図は実施例5および
実施例6における本発明焼結体の高炭素クロム軸
受鋼(SUJ3)焼入材の乾式切削における摩耗曲
線を示したものである。第9図は実施例5および
実施例6における、本発明焼結体と比較試料との
クロムモリブデン鋼(SCM4)焼入材の乾式切削
における摩耗曲線を示したものである。第10図
は実施例7の配合組成が70%TiC―10%Cr3C2―
20%CrBである本発明焼結体において、緻密組織
が硬質相と結合相との2相から成ることを示す
1000倍の顕微鏡組織である。
Figure 1 shows that the composition described in Example 1 is 90%.
This is a microscopic structure magnified 1000 times showing the dense structure of the sintered body of the present invention, which is Mo 2 C--10% Cr 3 C 2 . Figure 2 is similar to Figure 1, and the composition in Example 1 is 90%.
This figure shows a microscopic structure that is 1000 times more dense than that of the sintered body of the present invention, which is HfC-10%Cr 3 C 2 . Similarly to Figure 1, Figure 3 also shows that the composition in Example 1 is 90%.
This figure shows a microscopic structure that is 1000 times more dense than the sintered body of the present invention, which is WC-10% Cr 3 C 2 . As an example of the distribution of elements in the sintered body of the present invention, FIG. 4 shows the element distribution of the TiC-Cr 3 C 2 based sintered body in which the Cr 3 C 2 content is 40% by volume in Example 3. In Figure 4, A is a secondary electron beam image showing the structure, and B, C, D, E, and F are the distributions of titanium, chromium, nickel, cobalt, and iron, respectively, in the same field of view as A. . FIG. 5 shows wear curves of the sintered body of the present invention in Example 4 and a comparative sample during dry cutting of hardened high carbon chromium bearing steel (SUJ3) material. 6th
The figure shows the wear curves of the sintered body of the present invention in Example 4 and a comparative sample in dry cutting of hardened chromium molybdenum steel (SCM4) material. FIG. 7 shows an example of the dense structure of the sintered body of the present invention in Example 5, where the composition is 35%TiC-25%HfC-
This figure shows the microscopic structure of the sintered body of the present invention, which is 8% NbC-2% TiN-30% Cr 3 C 2 , in a no-etch state at a magnification of 200 times. FIG. 8 shows wear curves in dry cutting of high carbon chromium bearing steel (SUJ3) hardened materials of the sintered bodies of the present invention in Examples 5 and 6. FIG. 9 shows the wear curves of the sintered body of the present invention and the comparative sample in dry cutting of hardened chromium molybdenum steel (SCM4) material in Examples 5 and 6. Figure 10 shows that the composition of Example 7 is 70%TiC-10% Cr3C2-
In the sintered body of the present invention containing 20% CrB, the dense structure consists of two phases: a hard phase and a binder phase.
This is a microscopic structure magnified 1000 times.
Claims (1)
硼化物、窒化物およびクロム化合物を除くVIa族
金属の炭化物、硼化物のうちの1種または2種以
上の各単体化合物紛末またはそれらの固溶体粉末
を硬質相としての主成分とし、結合相としての体
積率が1パーセント以上80%以下の斜方晶クロム
炭化物および斜方晶クロム硼化物のうちの1種ま
たは2種以上の単体化合物粉末またはそれらの固
溶体粉末と、さらに、焼結後当該結合相および硬
質相に固溶した状態で存在し得る限度内の量の補
助金属としての1種または2種以上の鉄族金属粉
末または鉄族金属基合金粉末とから成る粉末混合
物の圧粉体を、焼結後に補助金属の全量が結合相
および硬質相に固溶した状態で存在する条件で普
通焼結することによつて得られる、結合金属相が
存在しないことを特徴とする緻密で高硬度なセラ
ミツク焼結体。1 Carbides of group IVa and Va group metals of the periodic table,
The main component is powder of one or more single compounds of group VIa metal carbides and borides, excluding borides, nitrides, and chromium compounds, or solid solution powders thereof as the hard phase, and as the binder phase. a single compound powder or a solid solution powder of one or more of orthorhombic chromium carbide and orthorhombic chromium boride having a volume percentage of 1% or more and 80% or less, and the bond after sintering. A compact of a powder mixture consisting of one or more iron group metal powders or iron group metal-based alloy powders as auxiliary metals in an amount within the limit that can be present in solid solution in the phase and the hard phase. , dense and high hardness characterized by the absence of a binder metal phase, obtained by normal sintering under conditions where the entire amount of auxiliary metal exists in a solid solution state in the binder phase and hard phase after sintering. Ceramic sintered body.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57199770A JPS5989749A (en) | 1982-11-16 | 1982-11-16 | Dense sintered ceramic body containing chromium compound |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57199770A JPS5989749A (en) | 1982-11-16 | 1982-11-16 | Dense sintered ceramic body containing chromium compound |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5989749A JPS5989749A (en) | 1984-05-24 |
JPS635350B2 true JPS635350B2 (en) | 1988-02-03 |
Family
ID=16413322
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57199770A Granted JPS5989749A (en) | 1982-11-16 | 1982-11-16 | Dense sintered ceramic body containing chromium compound |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5989749A (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63230569A (en) * | 1987-03-20 | 1988-09-27 | イビデン株式会社 | Tic sintered body and manufacture |
US4952532A (en) * | 1987-10-06 | 1990-08-28 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Sintered body having high corrosion resistance and containing ZRB2 |
-
1982
- 1982-11-16 JP JP57199770A patent/JPS5989749A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5989749A (en) | 1984-05-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4945073A (en) | High hardness, wear resistant materials | |
JP6703757B2 (en) | Cermet and cutting tool | |
AU2004321077B2 (en) | Method for consolidating tough coated hard powders | |
AU2017212472B2 (en) | Binder compositions of tungsten tetraboride and abrasive methods thereof | |
US4022584A (en) | Sintered cermets for tool and wear applications | |
RU2578339C2 (en) | Method for producing sintered composite article | |
EP2207906A1 (en) | A diamond metal composite | |
AU627233B2 (en) | High hardness, wear resistant materials | |
US5256608A (en) | High hardness, wear resistant materials | |
US5215945A (en) | High hardness, wear resistant materials | |
EP0480636B1 (en) | High hardness, wear resistant materials | |
CN112941390B (en) | Titanium carbonitride base metal ceramic and preparation method and application thereof | |
JPS635350B2 (en) | ||
US5223460A (en) | High hardness, wear resistant materials | |
CN115404384B (en) | High-entropy ceramic-transition metal combined tungsten carbide-based hard composite material and preparation method thereof | |
JPS6242988B2 (en) | ||
JP3092887B2 (en) | Surface-finished sintered alloy and method for producing the same | |
JP3045199B2 (en) | Manufacturing method of high hardness cemented carbide | |
JPH08260129A (en) | Cubic boron nitride composite cermet tool and its production | |
JPS636618B2 (en) | ||
WO2016114190A1 (en) | Cermet, cutting tool, and method for manufacturing cermet | |
JPH02200744A (en) | Manufacture of tungsten carbide-base sintered hard alloy for cutting tools having less dimension in void defect | |
JP2024092850A (en) | Clad hard metal | |
JPH05302136A (en) | Whisker reinforced sintered hard alloy | |
AU3812193A (en) | Complex multi-phase reaction sintered hard and wear resistant materials |