JPH07185907A - 工具用焼結体及びその製造方法 - Google Patents

工具用焼結体及びその製造方法

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JPH07185907A
JPH07185907A JP5355015A JP35501593A JPH07185907A JP H07185907 A JPH07185907 A JP H07185907A JP 5355015 A JP5355015 A JP 5355015A JP 35501593 A JP35501593 A JP 35501593A JP H07185907 A JPH07185907 A JP H07185907A
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Japan
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sintered body
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group metal
particle size
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JP5355015A
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Makoto Kyoda
誠 鏡田
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Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Chichibu Onoda Cement Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 切削工具材料等に要求される特性である靭
性、強度、加工性、硬度、高温耐酸化性、耐反応性及び
耐摩耗性などの全てを満足した工具用焼結体を提供す
る。 【構成】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの
遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混
合物又はこれらの固溶体15〜75容量%、鉄族金属2
〜30容量%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素5〜
20容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモンド1
0〜50容量%からなる焼結体であって、該焼結体を構
成する鉄族金属中又はその表面にカーボンが析出してい
る工具用焼結体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、切削工具等の材料に
好適に用いられる焼結体及びその製造方法に関し、特に
優れた靭性、強度、耐摩耗性などを有する工具用焼結体
及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルミニウム合金、銅合金などの非鉄金
属、セラミックス、コンクリート、ゴム、プラスチック
スなどの非金属材料の切削工具には、優れた靭性、強
度、加工性、硬度、耐摩耗性といったことが要請され
る。現在、切削工具用の材料として広く使用されている
超硬合金、サーメットは、セラミックスと金属との複合
材料であり、かなりの耐摩耗性を有し、靭性、強度、加
工性において優れているが、それでも最近の高速切削化
に対する厳しい要求特性には、必ずしも十分に満足した
ものとは言えなくなっている。
【0003】こうした最近の高速切削化の傾向から、切
削工具用材料として2〜20μm程度の微粒ダイヤモン
ド粉末に少量のCo等のバインダーを添加して焼結した
ダイヤモンド焼結体が、超高圧下で製造されることによ
る著しい高価格にもかかわらず、その高い耐摩耗性ゆえ
に注目を集めている。
【0004】しかしながら、ダイヤモンド焼結体切削工
具は、超硬合金などと比較して十分な靭性、強度を備え
たものとは言えず、被削材によってはチッピング摩耗、
刃先破損を起こすといった問題を生じていた。
【0005】また、市販のダイヤモンド焼結体は、十分
な高温耐酸化性(耐熱性)を備えていないため、温度上
昇を伴う切削には使用することができず、またダイヤモ
ンドは鉄系金属と反応するため、鉄系金属切削時に容易
に摩耗が進行してしまうのが問題となっていた。さら
に、ダイヤモンド焼結体の製造工程では、通常50kb
以上の超高圧を必要とし著しく製造コストを引上げるた
め、この点の改善が強く望まれていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、切削工具
用材料としての要求特性である靭性、強度、加工性、硬
度、高温耐酸化性、耐反応性及び耐摩耗性などの全てを
満足した工具用焼結体を、ダイヤモンド焼結体と比較し
て低圧下で焼結し、経済的に得ようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、周期律表
第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固
溶体15〜75容量%、鉄族金属2〜30容量%、粒径
10μm以下の立方晶窒化硼素5〜20容量%及び粒径
1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%から
なる焼結体であって、該焼結体を構成する鉄族金属中又
はその表面にカーボンが析出していることを特徴とする
工具用焼結体[請求項1]、第2の発明は、周期律表第
4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒
化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶
体15〜75容量%、鉄族金属2〜30容量%、粒径1
0μm以下の立方晶窒化硼素5〜20容量%及び粒径1
〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%を混合
した原料混合物を、温度950〜1150℃、圧力1〜
30kbで焼結することを特徴とする工具用焼結体の製
造方法[請求項2]、第3の発明は、周期律表第4a、
5a、6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、
硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体15
〜75容量%、鉄族金属の酸化物が鉄族金属換算で2〜
30容量%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素5〜2
0容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモンド10
〜50容量%を混合した原料混合物を、温度500〜9
00℃の還元雰囲気中で還元処理した後、温度950〜
1150℃、圧力1〜30kbで焼結することを特徴と
する工具用焼結体の製造方法[請求項3]、および、第
4の発明は、基本組成がWC−Coである超硬合金の原
料を成形した基板又はMoを主成分とする(Mo.W)
Cと鉄族金属とからなるサーメットの原料を成形した基
板の上に、周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの
遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混
合物又はこれらの固溶体15〜75容量%、鉄族金属2
〜30容量%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素5〜
20容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモンド1
0〜50容量%を混合した原料混合物で成形した成形板
を積層し、温度950〜1150℃、圧力1〜30kb
で焼結、接合した工具用焼結体[請求項4]である。
【0008】以下にこれらの発明をさらに説明する。第
1の発明の工具用焼結体は、周期律表の第4a、5a、
6a族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物
もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体と、鉄族金
属と、微粒立方晶窒化硼素(cBN)と、微粒ダイヤモ
ンドとで構成される。
【0009】これらの中で結合相を構成する物質は、周
期律表の第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこ
れらの固溶体と、鉄族金属とである。
【0010】周期律表の第4a、5a、6a族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体は、工具として使用する場
合に、高温硬度、強度、熱伝導性及び化学的安定性に優
れ、超硬合金、サーメット等の工具用焼結体で用いられ
ているものと本質的な相違はない。これらの中ではタン
グステンカーバイドが好適に用いられるが、外にチタン
カーバイド等も好んで用いることができる。
【0011】これらの含有率は、15〜75容量%とす
る。これが15容量%未満では結合相の硬度、剛性、耐
摩耗性が低下するため好ましくない。また、これが75
容量%を超えると、鉄族金属、微粒cBN、微粒ダイヤ
モンドの含有率が相対的に低下し、焼結体の強度、靭
性、耐摩耗性が低下するため好ましくない。
【0012】結合相を構成する物質として、上記の外に
鉄族金属を2〜30容量%含むようにする。この鉄族金
属はダイヤモンド、cBN及び周期律表第4a、5a、
6a族遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物との濡れ性が
非常に良く、粘性流動により緻密化を促進し、分散した
微粒ダイヤモンド及び微粒cBNの結合相への保持力が
強固となる。
【0013】鉄族金属の含有率が2容量%未満では結合
相の緻密化がはかられず、結合相の高靭化、高強度化を
達成することが出来ない。また、30容量%を超えると
結合相の硬度、剛性、耐摩耗性が低下するため好ましく
ない。
【0014】結合相以外の物質としてcBNがあるが、
cBNは、ダイヤモンドに次ぐ硬さを有し、かつダイヤ
モンドより高温で安定した性質を持つと共に、焼入鋼、
鋳鉄等の鉄系金属に対して反応しにくい性質を持つ物質
であり、耐酸化性、耐反応性に優れている。その含有率
が5容量%未満では、所望の高温耐酸化性及び鉄系金属
に対する耐反応性を確保することができず、20容量%
を超えて含有させると、相対的にダイヤモンド及び結合
相形成物質の含有量が少なくなり過ぎて、耐摩耗性の低
下をもたらすようになり、また結合相形成物質による靭
性、強度等が得られなくなる。なお、ここで用いるcB
Nの平均粒径は10μm以下、好ましくは3μm以下で
ある。10μmを超えると、ダイヤモンド粒子間にcB
N粒子が均一に分散し難く、所望の靭性、強度が得られ
ない。
【0015】上記の外は微粒ダイヤモンドである。微粒
ダイヤモンドはその固有の著しい硬度ゆえに焼結体の耐
摩耗性の向上及び焼結体中に分散することによる焼結体
の強靭化に役立つ。その含有律は10〜50容量%であ
る。これが10容量%未満では十分な耐摩耗性を有した
焼結体が得られず、微粒ダイヤモンド分散による靭性の
向上がはかれない。またこれが50容量%を超えると結
合相の緻密化が阻害され、緻密な焼結体を得ることがで
きない。微粒ダイヤモンドは、粒径が平均で1〜40μ
mの範囲のものを用いる。粒径が1μm未満の場合は脱
落しやすいため耐摩耗性が低下し、40μmを超えたも
のを用いると工具刃先の強度が低下するため、工具刃先
が欠損し、この焼結体で得られた工具の工具寿命が短く
なってしまうので好ましくない。
【0016】第2の発明は第1の発明の工具用焼結体の
製造方法である。ここで用いる原料とその配合比とを、
周期律表第4a、5a、6a族のいずれかの遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこ
れらの固溶体15〜75容量%、鉄族金属2〜30容量
%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素5〜20容量%
及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容
量%とした理由は、これまでに説明したところと同様で
ある。
【0017】第3の発明は、第2の発明の鉄族金属のか
わりに鉄族金属の酸化物を鉄族金属換算で2〜30容量
%混合した原料混合物を、温度500〜900℃の還元
雰囲気中で還元処理した後、高温高圧下で焼結するとい
うものである。これによって焼結体の抗折力すなわち強
度を一段と上げることができる。鉄族金属の酸化物の配
合比を鉄族金属換算で2〜30容量%とした理由は、第
2の発明で述べたところと同様である。還元雰囲気とし
ては水素雰囲気が好ましく、処理温度は500〜900
℃である。500℃未満の温度では鉄族金属の酸化物が
還元されず、また900℃を超える温度では、原料ダイ
ヤモンド表面より著しい相転移が起こり、黒鉛が多量に
生じるため好ましくない。この還元処理によって下記の
反応が進行する。 M−O + H → M + HO ここで、Mは鉄族金属である。鉄族金属の酸化物として
は、結合相への分散性を考慮して粒径1μm以下のもの
が好ましい。
【0018】このように鉄族金属の酸化物を鉄族金属の
かわりに使用することによって、焼結体強度が向上する
理由は、通常のボールミル等の混合方法では、原料の多
少の粉砕と同時に混合がなされるが、Co等の鉄族金属
はその固有の展性、延性ゆえに、混合時に金属粒子同志
が水アメのように接着しやすいといった問題があった。
しかし、混合時に鉄族金属の酸化物を用いることによ
り、酸化物は破砕性が良いので、酸化物同志が接着する
ことなく均一に混合され、還元処理を経た鉄族金属は均
一に組織中に分散することになる。これによって、この
焼結体強度が向上するものと考えられる。第3の発明に
基づいて行った結果では、鉄族金属を原料としたものに
比べ、鉄族金属の酸化物を原料としたものの方が20%
以上抗折力に優れていた。
【0019】第4の発明は、基本組成がWC−Coであ
る超硬合金の原料成形基板又はMoを主成分とする(M
o,W)Cとを鉄族金属とからなるサーメット原料成形
基板の上に、第2の発明で用いる原料混合物を積層配置
し、これらを同時に温度950〜1150℃、圧力1〜
30kbで焼結、接合したものである。基板となる超硬
合金及びびサーメットは、いずれも靭性、剛性、熱伝導
性及び耐蝕性に優れ、切削工具として使用するのに適し
ている。この工具用焼結体は、焼結温度が950〜11
50℃と低温度で得られるため、通常の超硬合金、サー
メットあるいは市販ダイヤモンド焼結体の焼結プロセス
において認められる液相は、超硬合金あるいはサーメツ
ト基板中には出現しないが、高圧力下での焼結であるた
め、十分に固相焼結し、ダイヤモンドを含む硬質層との
接合強度も十分である。そして、このようにダイヤモン
ドを含む硬質層と基板層とを同時焼結すると、基板層が
硬質層に比較して高強度であるため、一体物としての抗
折力すなわち強度を一段と上げることができる。また、
ダイヤモンドを含む硬質層に比較して基板層は著しく加
工が容易であるため、工具作製のためのコストが低減で
きるなどの利点を有する。ダイヤモンドを含む硬質層お
よび基板層の厚さは、経済性、工具仕様および強度を考
慮して決定すれば良いが、それぞれ0.5mm以上あれ
ば十分である。
【0020】これらの原料混合物は、ボールミル等の混
合機によって混合され、これを粉末のままあるいは型押
し成形の後、HIP装置、ピストンシリンダー装置等の
高温高圧発生装置で950〜1150℃、1〜30kb
の熱力学的に黒鉛の安定な領域で固相焼結する。これに
よって原料中に分散した微粒ダイヤモンドは、鉄族金属
のもつ触媒作用によって表面より微量相転移して、鉄族
金属中又はその表面に微量のカーボンが析出し結合相が
強靭化する。そして、この焼結条件は,市販のダイヤモ
ンド焼結体の焼結条件に比較して、温度、圧力共に著し
く低いものである。圧力及び温度に関する熱力学的な黒
鉛安定領域とダイヤモンド安定領域は図1に示す通りで
ある。
【0021】温度が950℃未満では焼結体は緻密化せ
ず、また1150℃を超える場合は、著しいダイヤモン
ドの相転移が起こり黒鉛が多量に生じ、ダイヤモンド固
有の耐摩耗性が損なわれるため好ましくない。
【0022】圧力が1kb未満では、950〜1150
℃の温度領域において結合相が緻密化しないため、高密
度の焼結体が得られず、また30kbを超えると、ダイ
ヤモンド安定領域における焼結となるため、ダイヤモン
ドの相転移に伴う結合相の強靭化がなされないため好ま
しくない。
【0023】本発明焼結体においてはX線回折等の手法
では、黒鉛のピークはほとんど認められなかったが、透
過型電子顕微鏡(TEM)及びオージェ電子分光法等に
よる観察により、結合相を形成する分散ダイヤモンドに
近接した鉄族金属中又はその表面に、ナノメートルオー
ダーの非常に微細なカーボンが析出しているのが認めら
れた。このようなカーボンは市販されているWC−Co
超硬合金、サーメット及びダイヤモンド焼結体の鉄族金
属中又はその表面には一切認められない。本発明焼結体
で結合相が強靭化される理由については、必ずしも明ら
かにはなっていないが、以下のように推測される。すな
わち、微細カーボンの析出によって、それがピン止め的
作用をして、鉄族金属中又はその表面に存在する転移の
移動を抑制し、マクロ的に微小亀裂の進行を止め、焼結
体全体として強靭化されたものと考えられる。またTE
M観察によると、市販WC−Co超硬合金、サーメット
及びダイヤモンド焼結体中の鉄族金属結晶粒の大きさが
サブミクロンから大きいものでは数百ミクロンであるの
に対し、本発明焼結体の場合、液相の生じない低温度で
焼結されること、微細カーボンの析出により、鉄族金属
結晶粒の大きさがサブグレイン化されるため非常に小さ
くサブミクロン以下であること、これにより鉄族金属中
の応力集中が分散され、これも強靭化に寄与しているも
のと考えられる。
【0024】さらに、焼結条件が市販のダイヤモンド焼
結体の焼結温度(1400℃以上)、焼結圧力(50k
b以上)に比較して温度、圧力共に著しく低いために、
本発明焼結体内部に、焼結過程において生成する歪量が
小さいことも考えられる。これも強靭化に寄与している
ものと考えられる。
【0025】
【作用】以上のように、遷移金属の炭化物、窒化物、硼
化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体、鉄族
金属からなる結合相形成材料と、微粒cBN及び微粒ダ
イヤモンドを所定の割合で均一に配合した原料混合物
を、熱力学的に黒鉛の安定な温度、圧力で焼結すると、
微粒ダイヤモンドの一部が相転移し、これが鉄族金属中
又はその表面に析出し、結合相が高靭化、高強度化され
た工具用焼結体が得られると共に、微粒cBNによっ
て、高温耐酸化性と鉄系金属に対する耐反応性に優れる
工具用焼結体が得られる。
【0026】
【実施例】粒径1μm以下の結合相形成原料を用い、微
粒ダイヤモンド及び粒径2μmの微粒cBNを配合し、
ポットミルで十分に混合して得た原料混合物を成形し、
直径30mm、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30mm、厚さ2mm
のWC−15wt%Coからなる超硬合金予備成形体と
を積層し、800℃の水素雰囲気中で還元処理を施した
後、ピストンシリンダー型高温高圧発生装置に挿入し
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、ろう石および六方晶窒化硼素を使用した。
焼結条件は表1〜表3に示す通りであり、加熱保持時間
は10分とした。なお、鉄族金属酸化物(平均粒径0.
2μm)を使用したときは、還元した場合の配合比に換
算した。表1及び表2に本発明例焼結体の試験結果を、
表3に比較例焼結体の試験結果を併せ示す。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
【表3】
【0030】得られた同時焼結体は、ダイヤモンドを含
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。この同時焼結体を、放電加工によって切断し
て、切削工具及び抗折力試験片を作製した。工具形状は
ISOミリ呼びTNGN160304であり、抗折力試
験片形状は、JIS R 1601に従ったが、焼結体
寸法の制約上、試験片寸法は2mm×1.5mm×20
mm(±0.05mm)とし、スパンは15mmとし
た。比較のため、市販K10種超硬合金(表3の比較例
No.13)及び市販ダイヤモンド焼結体(表3の比較
例No.14)を準備して、同様な形状に加工した。
【0031】得られた切削工具を使用して、被削材:F
C20、切削速度:450m/分、送り:0.1mm/
回転、切込み:0.2mm、切削油:水溶性油使用の条
件での鋳鉄の仕上げ面加工切削試験を行ない、切刃の逃
げ面摩耗幅が0.2mmに達するまでの切削時間を測定
した。また、抗折力試験は、JIS R 1601に従
い、3点曲げ強度(kg/mm)を測定して調べた。
【0032】表1及び表2の結果から、本発明例焼結体
No.1〜22は、いずれも市販のダイヤモンド焼結材
料に比して、優れた強度、靭性及び耐熱性を有し、長い
切削時間を示すのに対して、市販のダイヤモンド焼結体
は、耐反応性、強度、靭性及び耐熱性不足が原因で比較
的短い切削時間しか示さないことが明らかである。ま
た、表3の比較例焼結体No.1〜12に見られるよう
に、組成及び焼結条件のうちの少なくともいずれかでも
この発明の範囲から外れると、強度、靭性、耐熱性及び
耐摩耗性のうちの少なくともいずれかの性質が劣ったも
のになるので、所望の切削性能を示さず、比較的短時間
の切削時間しか示さない。上述のように、この本発明体
は、優れた靭性、高温耐酸化性(耐熱性)及び耐摩耗性
を兼ね備えているので、特に切削工具用材料として使用
した場合に優れた切削性能を発揮するのである。
【0033】
【発明の効果】この発明によれば、切削工具材料として
要求される、靭性、強度、加工性、硬度、高温耐酸化
性、耐反応性及び耐摩耗性などの全てを満足した工具用
焼結体を、熱力学的に黒鉛の安定な領域である低圧領域
で焼結することが出来るので、従来のダイヤモンド焼結
体に比較して製造コストを大幅に低下させ、優れた工具
用焼結体ができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 圧力及び温度に関する熱力学的な黒鉛安定領
域とダイヤモンド安定領域を示す線図。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
    かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
    の混合物又はこれらの固溶体15〜75容量%、鉄族金
    属2〜30容量%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素
    5〜20容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモン
    ド10〜50容量%からなる焼結体であって、該焼結体
    を構成する鉄族金属中又はその表面にカーボンが析出し
    ていることを特徴とする工具用焼結体。
  2. 【請求項2】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
    かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
    の混合物又はこれらの固溶体15〜75容量%、鉄族金
    属2〜30容量%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素
    5〜20容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモン
    ド10〜50容量%を混合した原料混合物を、温度95
    0〜1150℃、圧力1〜30kbで焼結することを特
    徴とする工具用焼結体の製造方法。
  3. 【請求項3】 周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
    かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
    の混合物又はこれらの固溶体15〜75容量%、鉄族金
    属の酸化物が鉄族金属換算で2〜30容量%、粒径10
    μm以下の立方晶窒化硼素5〜20容量%及び粒径1〜
    40μmの微粒ダイヤモンド10〜50容量%を混合し
    た原料混合物を、温度500〜900℃の還元雰囲気中
    で還元処理した後、温度950〜1150℃、圧力1〜
    30kbで焼結することを特徴とする工具用焼結体の製
    造方法。
  4. 【請求項4】 基本組成がWC−Coである超硬合金の
    原料を成形した基板又はMoを主成分とする(Mo,
    W)Cと鉄族金属とからなるサーメットの原料を成形し
    た基板の上に、周期律表第4a、5a、6a族のいずれ
    かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
    の混合物又はこれらの固溶体15〜75容量%、鉄族金
    属2〜30容量%、粒径10μm以下の立方晶窒化硼素
    5〜20容量%及び粒径1〜40μmの微粒ダイヤモン
    ド10〜50容量%を混合した原料混合物で成形した成
    形板を積層し、温度950〜1150℃、圧力1〜30
    kbで焼結、接合した工具用焼結体。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018092195A1 (ja) * 2016-11-15 2018-05-24 住友電工ハードメタル株式会社 切削工具

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