JP3560629B2 - 工具用高靱性硬質焼結体の製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、優れた靱性、強度、硬度、耐摩耗性及び耐食性を有し、特にアルミニウム、ハイシリコンアルミニウム合金等の切削工具材料として好適な焼結体の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、アルミニウム、ハイシリコンアルミニウム合金等の切削工具材料に用いられる焼結体としては、超硬合金が広く使用されていたが、近年の高速切削化及び精密切削化の傾向に伴い、主成分がダイヤモンドで、Ｃｏ等の金属結合相により固めた超高圧焼結材料が特に注目されている。
【０００３】
このダイヤモンド焼結体は超硬合金に比較して著しく高硬度であるため、特に高速切削において優れた耐摩耗性を示すものの、超硬合金に比較して充分な靱性、強度を備えたものではないため、特に硬質なシリコンを多量に含むアルミニウム合金の切削においては、チッピング摩耗、工具の破損をおこすといった問題を有していた。また、ダイヤモンド焼結体中には概して多量のＣｏ等の結合相が含まれているため、アルミニウム合金切削時に、刃先に構成刃先を生じやすく、それが原因で被削材の面精度が往々にして低下するといった問題もあった。さらに、市販されているダイヤモンド焼結体工具は、通常５０ｋｂ以上の超高圧力下で焼結されるため、超硬合金工具に比較して数十倍以上の価格になるという問題もあった。
【０００４】
吉田らは、ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮという）含有無機複合焼結体は、これを焼結する際には、ダイヤモンド又はｃＢＮが安定ではない（準安定な）圧力温度条件であっても、１２００℃以下の低温度であれば、ダイヤモンド又はｃＢＮの相転移速度が著しく抑えられるため、その結合相を形成する無機材料の緻密化を促進することにのみ効果のある圧力を作用させれば、ダイヤモンド又はｃＢＮ含有無機複合焼結体をある程度緻密化させることが可能であると報告している（第２９回高圧討論会講演要旨集（１９８８年）、特開平２−３０２３７１号公報）。
【０００５】
しかしながら、この圧力が２０００ＭＰａ以内で、１５００℃を超えない温度で焼結するという条件においても、焼結条件は原料により異なるため、必ずしも高硬度の焼結体が得られるというものではなかった。また、硬度の面でも未だ充分ではなかった。
従って、靱性、強度、硬度、耐摩耗性、耐食性、加工性などの特性に優れ、しかも経済的に得ることができ、切削工具材料として好適な焼結体が望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意研究を行った結果、ダイヤモンド粉末及び／又はｃＢＮ粉末と酸化ジルコニウム粉末、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属の炭化物、窒化物を組合わせた原料粉末を、１１００〜１２５０℃で５〜２０ｋｂの、従来のダイヤモンド焼結体に比較して著しく低圧力下で焼結することにより、前記課題を解決した優れた特性を有する工具用高靱性硬質焼結体が得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は、次の（Ａ）〜（Ｃ）：
（Ａ）ダイヤモンド粉末及び／又は立方晶窒化硼素粉末 ３０〜７０容量％、
（Ｂ）酸化ジルコニウム粉末 ２０〜４０容量％、
（Ｃ）周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属の炭化物及び窒化物から選ばれ
る１種又は２種以上 １５〜３０容量％
を含有する原料粉末を、温度１１００〜１２５０℃、圧力５〜２０ｋｂで焼結することを特徴とする工具用高靱性硬質焼結体の製造法を提供するものである。
【０００８】
本発明で用いられる（Ａ）ダイヤモンド粉末及びｃＢＮ粉末としては特に制限されないが、その平均粒径が１０μｍ以下のものが好ましい。平均粒径が１０μｍを超えたものを用いると、刃先強度が低下し、切削加工時に被削材面精度が低下する傾向がある。
これらのダイヤモンド及びｃＢＮは、著しい硬度を有するため、焼結体の硬度、耐摩耗性の向上、さらに結合相中に分散することによる焼結体の強靱化に役立つものである。
【０００９】
ダイヤモンド粉末及びｃＢＮ粉末は、それぞれ単独又はこれらを組合わせて用いることができ、原料粉末中に３０〜７０容量％、好ましくは４５〜６５容量％配合される。３０容量％未満では、充分な硬度、耐摩耗性を有する焼結体が得られず、７０容量％を超えると、連続したネットワークを形成する結合相の割合が低下し、その緻密化が阻害され、緻密でかつ高硬度の焼結体を得ることができない。
【００１０】
このダイヤモンド粉末及びｃＢＮ粉末は、結合相を形成する後記成分（Ｂ）、（Ｃ）のいずれかと同じ物質、すなわち、酸化ジルコニウム並びに周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属の炭化物及び窒化物から選ばれる１種以上の成分により表面をコーティングして用いるのが好ましい。
このようにコーティングすることにより、ダイヤモンド粉末及び／又はｃＢＮ粉末と結合相を形成する物質の濡れ性を改善し、塑性変形し難いダイヤモンド及び／又はｃＢＮ同志が直接に接する部分を排除し、かつ結合相を形成する塑性変形し易い物質の塑性変形によってダイヤモンド粉末及び／又はｃＢＮ粒子間の空隙を充填して緻密化し、機械的物性に優れた焼結体を可能にする。なお、焼結時に付加する圧力はこの緻密化を助長する作用をも有する。
【００１１】
コーティング方法としては特に制限されず、例えばＰＶＤ法、ＣＶＤ法を適用することができる。
また、コーティング量は、ダイヤモンド粉末及び／又はｃＢＮ粉末に対して外割りで０．５〜１５容量％、特に５〜１０容量％であるのが好ましい。０．５容量％未満では充分なコーティング効果が得られず、１５容量％を超えると、ダイヤモンド粉末やｃＢＮ粉末にコーティングされない遊離物質が生成するので好ましくない。
【００１２】
また、（Ｂ）酸化ジルコニウム粉末としては、特に制限されないが、強度、靱性等の点から、イットリウムを１〜４モル％含有するものが好ましい。
酸化ジルコニウム粉末は、原料粉末中に２０〜４０容量％、好ましくは２５〜３５容量％配合される。２０容量％未満では、難焼結性成分である（Ａ）又は（Ｃ）の配合割合が大きくなり、本発明の焼結温度である１１００〜１２５０℃のような、ダイヤモンド又はｃＢＮの相転移速度の非常に遅い低温下での緻密化が行われず、また強度、靱性、耐酸化性、化学的安定性及び耐食性に優れ、アルミニウム合金との化学的親和性が低いといった酸化ジルコニウム特有の特長が生かされない。また、４０容量％を超えると、原料粉末中における成分（Ａ）又は（Ｃ）の配合割合が小さくなるため、耐摩耗性、高温特性等が低下し、良好な焼結体が得られない。
【００１３】
本発明で用いる（Ｃ）周期律表第４ａ、５ａ、６ａの族の遷移金属の炭化物、窒化物としては、例えばＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ、ＴａＣ、ＶＣ、ＭｏＣ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ等が挙げられる。これらは１種又は２種以上を組合わせて用いることができ、さらに、これらの固溶体粉末を用いることもできる。
これらの成分（Ｃ）は、原料粉末中に１５〜３０容量％、好ましくは１５〜２５容量％配合される。１５容量％未満では、切削工具として使用した場合の、これらの化合物に特徴的な高温時の特性（硬度、強度、熱伝導率、熱膨張率）及び通電性を有することによる易加工性が生かされず、３０容量％を超えると、結合相に占めるこれら難焼結性の高融点化合物の割合が多くなり、結合相の緻密化が阻害されるため好ましくない。
【００１４】
本発明においては、まず、前記（Ａ）〜（Ｃ）を含む成分を混合して原料粉末を調製する。この原料粉末は、そのまま又は型押し成型等の処理後、例えばピストンシリンダー型高温高圧発生装置等の高温高圧発生装置を使用し、１１００〜１２５０℃、５〜２０ｋｂの熱力学的にダイヤモンド又はｃＢＮの準安定な領域で焼結する。
【００１５】
焼結温度が１１００℃未満では焼結体は緻密化せず、１２５０℃を超える場合は、ダイヤモンド及び／又はｃＢＮの著しい相転移が起こり、機械的に軟弱な六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）が多量に生じ、ダイヤモンド及び／又はｃＢＮ固有の硬度、耐摩耗性が損なわれる。特に１１５０〜１２００℃で焼結するのが好ましい。
【００１６】
また、焼結圧力が５ｋｂ未満では、１１００〜１２５０℃の温度領域において結合相の緻密化に寄与する圧力の効果が充分に作用しないため、高硬度、高密度の焼結体が得られず、焼結圧力が２０ｋｂを超えると、驚くべきことに焼結体の靱性及び強度が低下する。
２０ｋｂを超える焼結圧力にて得られた焼結体の靱性及び強度が低下する理由については必ずしも完全には解明されていないが、以下の理由によると推測される。すなわち、焼結圧力が高い場合には、焼結体を構成するダイヤモンド及び／又はｃＢＮ並びに結合相粒子が塑性変形すると同時に相当量の歪み、粒内破壊が導入される。この歪み、粒内破壊の存在によって、焼結体の靱性を決定する亀裂の伸長に対する抵抗が著しく低下し、靱性及び強度が低下したものと考えられる。従って、焼結圧力は、５〜２０ｋｂとすることが必要であり、特に５〜１５ｋｂで焼結するのが好ましい。
【００１７】
また、焼結の際には、原料粉末を超硬合金原料基板上に積層配置し、これらを同時に焼結、接合することもできる。
基板となる超硬合金原料としては、ＷＣ−Ｃｏ等が挙げられ、これらは靱性、剛性、及び熱伝導性に優れ、切削工具として使用するのに適しているものである。本発明においては、焼結温度が１１００〜１２５０℃と低いため、通常の超硬合金焼結プロセスにおいて認められる液相は、超硬合金基板中には出現しないが、高圧力下での焼結であるため、充分に固相焼結する。そしてこのように、焼結中に液相が出現しないため、超硬合金に積層配置した上記のダイヤモンド及び／又はｃＢＮ含有硬質層を形成する原料中に、Ｃｏ等の液相が侵入することも無いために、硬質層が変質したり、Ｃｏ等の液相侵入によるダイヤモンド及び／又はｃＢＮの相転移の著しい促進に起因した耐摩耗性の低下もない。
硬質層を形成する焼結体厚さは、用途、経済性及び工具強度を考慮して適宜決定すればよく、０．５〜１０ｍｍが好ましく、０．５〜２ｍｍであるのが更に好ましい。
【００１８】
本発明により得られる焼結体は、成分（Ｂ）及び（Ｃ）が結合相を形成し、この結合相がダイヤモンド及び／又はｃＢＮ粒子間に連続的に分布して強固なネットワークを形成し、その状態が焼結体の靱性を著しく左右する。そして、本発明によれば、靱性、耐欠損性、強度、硬度、耐摩耗性及び加工性に優れた焼結体が得られる。
【００１９】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
表１〜表６に示す組成の原料を混合して原料粉末を調製し、これを表１〜表６に示す圧力及び温度で焼成した。
原料に使用したダイヤモンド粉末及びｃＢＮ粉末の平均粒径は２μｍ程度であるが、他の粒度においても粒径依存性はあまり認められず、物性はほぼ同等であった。結合相に使用した各種化合物粉末は、平均粒径数μｍ以下の市販品を使用した。
また、ダイヤモンド粉末及び／又はｃＢＮ粉末のコーティングは、ＣＶＤ法により行った。
コーティング粒子の表面状態を電子顕微鏡にて観察したところ、いずれの粒子も均一にコーティングされているのが確認された。
【００２１】
得られた焼結体について、相対密度、ビッカース硬度、破壊靱性値（Ｋ_１ｃ）及び曲げ強度を測定した。結果を表１〜表６に示す。
（測定方法）
相対密度：
ＪＩＳ Ｃ ２１４１（電気絶縁用セラミックス材料試験方法）に準じて測定した。
ビッカース硬度：
圧子荷重を５００ｇとし、ＪＩＳ Ｃ ２１４１（ビッカース硬さ試験方法）に準じて測定した。
破壊靱性値（Ｋ_１ｃ）：
ＪＩＳ Ｒ １６０７（ファインセラミックスの破壊靱性試験方法）のＩＦ法に基づき行い、試料には充分に研磨を施した。
曲げ強度：
焼結体を切断して１ｍｍ×１．３ｍｍ×１２ｍｍ（±０．１ｍｍ）の角形試験片を作製した。作製した試験片を、ＪＩＳ Ｒ １６０１（ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法）にのっとり３点曲げ強度を測定した。なお、支点間のスパンは１０ｍｍとした。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
【表４】

【００２６】
【表５】

【００２７】
【表６】

【００２８】
表１〜表６の結果から明らかなように、本発明により得られた焼結体は、相対密度、ビッカース硬度、破壊靱性値及び曲げ強度のいずれも高い値を示した。
【００２９】
また、得られた試料Ｎｏ．１、７及び１１の焼結体と、市販の高靱性酸化ジルコニウムセラミックスの機械的、電気的及び熱的特性を比較した。結果を表７に示す。
【００３０】
【表７】

【００３１】
表７から明らかなように、本発明により得られた焼結体は、切削工具としての耐摩耗性に最も影響する硬度、靱性はもちろんのこと、酸化ジルコニウムセラミックスが切削工具たりえない大きな原因であった比抵抗、熱伝導度及び熱膨張率も大きく改善されていた。
【００３２】
実施例２
表１〜表６に示す試料Ｎｏ．１、６、７、１１、１４、１７、２０及び２２、並びに比較例５、１１に示す組成の原料を混合し、直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍの予備成形体を得た。この成形体と、あらかじめ作製した直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのＷＣ−Ｃｏ超硬合金予備成形体とを、ピストンシリンダー型超高圧装置に装入した。発熱体としては黒鉛ヒーターを使用し、固体圧力媒体としては、蝋石及び六方晶窒化硼素を用いた。焼結条件は表１〜表６に示すとおりであり、圧力１０ｋｂ、温度１１５０℃で１０分間保持して焼結した。
回収された焼結体は、ダイヤモンド又はｃＢＮを含有する硬質層と超硬合金部分が強固に一体化したものであった。
このダイヤモンド及び／又はｃＢＮ／超硬合金同時焼結体を、放電加工によって切断、刃付け加工してＳＰＧＮ３２１の切削工具形状にした。また、比較のため市販ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体（比較例１８、２０）及び市販Ｋ１０種超硬合金についても同様に行った。
【００３３】
被削材としては、幅３０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍのハイシリコンアルミニウム；ＡＣ９Ｂ（ＨＢ；６０）の鋳物を使用し、立型マシニングセンターにて、被削材を長手方向にフライス切削した。切削条件は下記の通りであり、切削試験結果を表８に示した。
切削速度；５００／分、
切り込み；０．２５ｍｍ、
送り ；０．１ｍｍ／回転、
切削油 ；水溶性切削油使用
【００３４】
【表８】

【００３５】
表８の結果から明らかなように、本発明により得られた焼結体を使用した工具の場合には、５００パスでも逃げ面の摩耗幅は０．４〜０．９ｍｍとさほど進行しておらず、定常摩耗であった。これに対し、市販Ｋ１０種超硬合金工具は５パスにてかなり摩耗が進行しており、工具すくい面に被削材が多量溶着していた。また、市販ｃＢＮ焼結体工具（比較例１８）、及び市販ダイヤモンド焼結体工具（比較例２０）では、１００パス後工具刃先を観察したところ、逃げ面にチッピングが生じており、逃げ面の摩耗がかなり進行していた。
また、被削材の仕上げ面は、切削初期で本発明焼結材料を使用した工具の場合、最大面粗さが２μｍであったのに対し、市販ダイヤモンド焼結体工具では、微量の刃先の溶着が災いして最大面粗さが２．５μｍ以上であった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、靱性、強度、硬度、耐摩耗性、耐食性、加工面精度及び加工性に優れ、特にアルミニウム、ハイシリコンアルミニウム合金等の切削工具材料などとして有用な焼結体を低圧力下で経済的に得ることができる。

Claims (3)

1. 次の（Ａ）〜（Ｃ）：
   （Ａ）ダイヤモンド粉末及び／又は立方晶窒化硼素粉末 ３０〜７０容量％、
   （Ｂ）酸化ジルコニウム粉末 ２０〜４０容量％、
   （Ｃ）周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属の炭化物及び窒化物から選ばれ
   る１種又は２種以上 １５〜３０容量％
   を含有する原料粉末を、温度１１００〜１２５０℃、圧力５〜２０ｋｂで焼結することを特徴とする工具用高靱性硬質焼結体の製造法。
2. （Ａ）ダイヤモンド粉末及び／又は立方晶窒化硼素粉末が、酸化ジルコニウム並びに周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の遷移金属の炭化物及び窒化物から選ばれる１種以上でコーティングされたものである請求項１記載の工具用高靱性硬質焼結体の製造法。
3. 原料粉末を超硬合金原料基板上に積層配置して焼結する請求項１又は２記載の工具用高靱性硬質焼結体の製造法。