JPH07195207A

JPH07195207A - 工具用焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07195207A
Application number: JP5355229A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kyoda; 誠鏡田
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1993-12-29
Publication date: 1995-08-01

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１０〜６５容量％、鉄族金属２
〜３０容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ
_２のうちの１種又は２種以上５〜２０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％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。また、市
販されている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に、温度上昇を伴なう切
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。

【０００５】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１０〜６５容量％、鉄族金属２〜３０容量％、Ａｌ
_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２のうちの１種又は
２種以上５〜２０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１０〜６５容量％、
鉄族金属２〜３０容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｍｇ
Ｏ、ＺｒＯ_２のうちの１種又は２種以上５〜２０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］、および、第３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１０〜６５容量％、鉄族金属２〜３０
容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２のう
ちの１種又は２種以上５〜２０容量％、粒径１０μｍ以
下の立方晶窒化硼素５〜２０容量％及び粒径１〜４０μ
ｍ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９５０〜１１５
０℃、圧力１〜３０ｋｂで焼結、接合した工具用焼結体
［請求項３］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、Ａｌ_２
Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２のうちの１種又は２
種以上と、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、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｚｒ
Ｏ_２のうちの１種又は２種以上と、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、１０〜６５容量％とす
る。これが１０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６５
容量％を超えると、鉄族金属、微粒ダイヤモンドなどの
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
達成することができない。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】結合相を形成するもう一つの物質として、
Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２がある。これ
らの酸化物はいずれも高融点高硬度を有し、しかもダイ
ヤモンド及び周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物に比して優れた高温耐酸化性
（耐熱性）を有する。またこれらの酸化物は焼結時及び
切削時にも安定しているため、ダイヤモンド及び遷移金
属の炭化物、窒化物、硼化物を酸化することはない。さ
らにこれらの酸化物は、それ自体の高温硬さがｃＢＮ及
びダイヤモンドに比して低いため、高圧焼結中に容易に
変形すると共に、粒子間で辷りを生じてダイヤモンド粒
子、ｃＢＮ粒子及び遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物
の粒子間を緻密に埋めて靭性を向上させる作用効果があ
る。しかしその含有率が５容量％未満では、前記の作用
効果を奏することができないことから高温耐酸化性の低
下をきたすようになる。また２０容量％を超えて含有さ
せると、相対的にダイヤモンド、ｃＢＮ又は遷移金属の
炭化物、窒化物、硼化物の含有量が少なくなり過ぎて、
ダイヤモンド及びｃＢＮのもつ高硬度を焼結材料に十分
反映することができず、この結果耐摩耗性低下をきたし
たり、遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物に由来する強
靭化がなされない。

【００１５】結合相以外の物質の１つとしてｃＢＮがあ
る。ｃＢＮはダイヤモンドに次ぐ硬さを有し、かつダイ
ヤモンドより高温ま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
物質であるが、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
ことができない。一方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、前記ダイヤモンドの持つ高硬度を
焼結材料に十分反映させることができず、この結果耐摩
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ｃＢＮの平均粒径は１０μｍ以下、好ましくは３μ
ｍ以下である。１０μｍを超えると、ダイヤモンド粒子
間にｃＢＮが均一に分散し難く、所望の靭性、強度が得
られない。

【００１６】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。その含有率は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。ここに用いる微粒ダイヤモンドは、粒径が平均
で１〜４０μｍの範囲のものを用いる。粒径が１μｍ未
満の場合は微粒ダイヤモンドが脱落しやすいため、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。

【００１７】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１０〜６５容量％、鉄族金属２〜３０
容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２のう
ちの１種又は２種以上５〜２０容量％、粒径１０μｍ以
下の立方晶窒化硼素５〜２０容量％及び粒径１〜４０μ
ｍ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。

【００１８】第３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と鉄族金属とからなるサーメット原料成形基
板上に、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１〜３０
ｋｂで焼結、接合したものである。基板となる超硬合金
及びサーメットは、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９５０〜１１５０
℃と低温度にて得られるため、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ット
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及び
基板層の厚さは、経済性、工具仕様及び強度を考慮して
決定すれば良いが、それぞれ０．５ｍｍ以上あれば十分
である。

【００１９】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。

【００２０】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】本発明の焼結体においては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折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−Ｃ
ｏ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Ｔ
ＥＭ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が認められた。これに
より鉄族金属中又はその表面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。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（１４
００℃以上）、焼結圧力（５０ｋｂ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。

【００２４】

【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、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２のうち
の１種又は２種以上からなる結合相形収材料と、微粒ｃ
ＢＮ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、その
結果生成した微細カーボン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及びＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ
_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２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。

【００２５】

【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℃の真空雰囲気で熱処理を施した後、
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、ろう石及び六方晶窒化硼素を使用した。原料配合
比、焼結条件は表１〜表４に示す通りであり、加熱保持
時間は１０分とした。また、表１及び表２に本発明例焼
結体の試験結果を、表３及び表４に比較例焼結体の試験
結果を併せ示してある。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】得られた本発明の同時焼結体は、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、ＪＩＳＲ１６０１に従ったが、
焼結体寸法の制約上、試験片寸法は２ｍｍ×１．５ｍｍ
×２０ｍｍ（±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４中の
比較例Ｎｏ．１５）及び市販ダイヤモンド焼結体（表４
中の比較例Ｎｏ．１６）を準備して、同様な形状に加工
した。

【００３１】この結果得られた上記各種切削工具を用い
て、切削速度；４００ｍ／分、送り；０．１３ｍｍ／回
転、切込み；０．２ｍｍ、切削油：なし、の条件で鋳鉄
（ＦＣ３０）の仕上げ面加工を行ない、上記各種切削工
具の逃げ面摩耗が０．２ｍｍに達するのに要する時間を
測定した。また、抗折力試験は、ＪＩＳＲ１６０１
に従い、３点曲げ強度（ｋｇ／ｍｍ^２）を測定して調べ
た。

【００３２】表１及び表２に示されるように、本発明焼
結材料は、優れた強度、靭性、耐酸性及び耐摩耗性を有
し、この発明の範囲から外れた組成及び焼結条件を有す
る比較焼結材料及び従来の焼結材料に比してきわめて優
れた切削特性を示すことが明らかである。

【００３３】上述のように、本発明焼結材料は、優れた
強度、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。

【００３４】

【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
で焼結することができるので、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

【特許請求の範囲】

【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１０〜６５容量％、鉄族金
属２〜３０容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｚ
ｒＯ_２のうちの１種又は２種以上５〜２０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１０〜６５容量％、鉄族金
属２〜３０容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｚ
ｒＯ_２のうちの１種又は２種以上５〜２０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】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１０〜６５容量％、鉄族金
属２〜３０容量％、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｚ
ｒＯ_２のうちの１種又は２種以上５〜２０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９５
０〜１１５０℃、圧力１〜３０ｋｂで焼結、接合した工
具用焼結体。