(57)【要約】【課題】耐摩耗性および耐欠損性に優れた硬質複合材料を提供する。【解決手段】ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ホウ素（以下、Ａ群とする）のいずれか１種以上を含む第１相（６０〜９８体積％）、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、タングステン（以下、Ｂ群とする）のいずれか１種以上を含む第２相（２〜４０体積）とを有する硬質複合材料にて切削工具、耐摩部材を構成することにより、従来のセラミック材料と比較して高靱性を有し、超硬材やサーメット材と比較して長寿命な複合材料が、低コストにて得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記Ａ群から選ばれる１種または２種以上からなる第１相を６０〜９８体積％と、
下記Ｂ群から選ばれる１種または２種以上からなる金属相または合金相の第２相を２〜４０体積％とを有する硬質複合材料。
Ａ群：ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ホウ素
Ｂ群：アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、タングステン
【請求項２】
前記第１相の一部が下記第３相と置換した、請求項１に記載の硬質複合材料。
第３相：前記Ａ群から選ばれる１種または２種以上と、前記Ｂ群から選ばれる１種または２種以上の化合物からなる相
【請求項３】
前記第３相の置換量が、硬質複合材料に対して０超３５体積％以下である請求項２に記載の硬質複合材料。  
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の硬質複合材料からなる切削工具。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の硬質複合材料からなる耐摩部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に優れた耐摩耗性と耐欠損性とを備えており、切削工具および耐摩部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具、耐摩部材については、現在までに様々な材質が提案されている。
【０００３】
一般に広く用いられているのは、超硬合金、サーメット、セラミックス、ｃ-ＢＮ等である。超硬合金は、炭化タングステン粉末とコバルト粉末とを混合して焼結したものであり、サーメットは、チタンの炭化物や窒化物とニッケルやコバルト粉末を混合して焼結したものである。また、セラミックスは、酸化アルミニウム等の無機物の粉末を混合して焼結したものであり、ｃ-ＢＮは、窒化ホウ素の分子構造の一つで、結合材を添加し超高圧高温下で焼結したものである。
【０００４】
近年、切削加工の低コストに対する要求は強く、切削工具には耐摩耗性向上による使用寿命の延長化が望まれており、切削工具の高硬度化によるさらなる耐摩耗性の向上がはかられている。一方で、様々な用途に好適に長寿命が得られるｃ-ＢＮ材は、工具費用が極めて高いという問題がある。
【０００５】
寿命と工具費用とを両立させる技術として、たとえば特許文献１には、（Ｗ,Ｃｏ）炭化物からなる微細分散硬質相を結合相として析出させ、一段と優れた耐摩耗性を有するＴｉ系炭窒化物サーメット切削工具が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、α窒化ケイ素及びβ窒化ケイ素を主相とし、チタン炭窒化物などを添加することにより、優れた耐摩耗性を有する切削工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２３７９０３号公報
【特許文献２】特開２００８−０９４６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の特許文献１の技術において、焼結温度から急冷、再加熱を行ない（Ｗ,Ｃｏ）炭化物を微細に析出させることで従来のサーメットより耐摩耗性は向上したが、製造プロセスが複雑であり、製造コストが増加するという問題点を抱えている。
【０００９】
また、特許文献２の技術には、優れた耐摩耗性を有するためには、硬度が高ければ高いほど好ましいと記載されており、窒化ケイ素にチタン炭窒化物などを添加し硬度の向上がみられたが、ビッカース硬度は１８ＧＰａ程度であり、十分な耐摩耗性を有するとは言えない。
【００１０】
一方で、耐摩耗性が十分であるｃ-ＢＮ材は、きわめて価格が高く、形状も単純な板状のもの以外には対応できないという難点がある。
【００１１】
本発明では、ホウ化物に金属を結合相として添加した複合材料およびそれを用いた切削工具、耐摩部材とすることにより、従来技術で未解決だった、寿命と価格とを両立するという問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、ホウ化物に金属を結合相として添加した複合材料およびそれを用いた切削工具、耐摩部材とすることにより、従来技術で未解決だった、寿命と価格とを両立するという問題を解決する。
【００１３】
本発明の複合材料は下記Ａ群より選ばれる１種または２種以上からなる高硬度な第１相：６０〜９８体積％と、下記Ｂ群より選ばれる１種または２種以上からなる高靱性な第２相：２〜４０体積％の２相を有する複合材料である。
Ａ群：ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ホウ素
Ｂ群：アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、タングステン
さらに、この２相に加え、上記Ａ群から選ばれる１種または２種以上と、上記Ｂ群から選ばれる１種または２種以上との化合物からなる第３相を含んでもよい。
【００１４】
前記第１相は高硬度なホウ化物を有するため耐摩耗性を向上させる役割を持つ。第１相に適当な体積分率は６０〜９８体積％であり、この範囲であれば耐摩耗性向上の効果が得られる。複合材料全体に対して６０体積％未満になると、複合材料の硬度が低下し、逆に複合材料全体に対して９８体積％を超えて多くなると、複合材料の靱性が低下することから、複合材料全体に対して６０〜９８体積％が適当な範囲である。
【００１５】
前記第２相は高靱性な金属を有するため耐欠損性を向上させる役割を持つ。第２相に適当な体積分率は２〜４０体積％であり、この範囲であれば耐欠損性向上の効果が得られる。複合材料全体に対して２体積％未満になると、複合材料の靱性が低下し、逆に複合材料全体に対して４０体積%を超えて多くなると、複合材料の硬度が低下することから、複合材料全体に対して２〜４０体積％が適当な範囲である。
【００１６】
前記第３相は、上記Ａ群から選ばれる１種または２種以上と上記Ｂ群から選ばれる１種または２種以上とが、化合物をつくる温度以上で複合材料を焼結する場合に生成さるホウ化物であり、高い硬度を有する。そのため、第２相が２〜４０体積％の範囲であれば第３相は第１相と一部または全部を置換してよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の硬質複合材料を切削工具、耐摩部材に用いることにより、製造コストがｃ-ＢＮと比較して著しく低く、サーメットや超硬合金、セラミックスと比較して耐摩耗性の向上が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の複合材料の走査型電子顕微鏡の反射電子写真。写真において、黒色部分が第１相、白色部分が第２相、灰色部分が第３相である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず、出発原料として２〜４０体積％の前記第２相の金属粉末（アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ニオブ、モリブデン、タングステン）のいずれか１種または２種以上と、残部として第１相のホウ化物粉末（ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、炭化ホウ素）のいずれか１種または２種以上とを混合する。混合方法は両者が混じり合う方法であればどのような方法でもよく、ボールミル、ライカイ機、スターミル、ビーズミルなど公知の混合手段にて２〜１００時間十分に混合する。
【００２０】
混合の際の溶媒はアルコール類や水を用いる。混合メディアにはナイロン、ジルコニア、アルミナ、超硬合金のボール等が使用できる。
【００２１】
この混合粉末を大気、真空、窒素、アルゴン等の雰囲気中にて乾燥し混合粉末を得る。
【００２２】
得られた混合粉末をプレス成形、または混合粉末のまま焼結炉にてガス雰囲気中で焼結する。雰囲気にはアルゴン、窒素、または真空が使用できる。また、焼結にはホットプレス、熱間等方圧加圧、放電プラズマ焼結等が使用でき、焼結温度は第２相の金属種によって大きく異なるが、６００〜２２００℃が適当である。
【００２３】
こうして、本発明は硬質複合材料を得ることができる。得られた材料はホウ化物相と、金属相との少なくとも２相を有する。または、これに加え、第３相として、第１相とは異なるホウ化物相を有する。このホウ化物相は第２相の金属成分がホウ化した硬質相である。
【００２４】
本発明により得られた硬質複合材料は優れた耐摩耗性と耐欠損性とを備えており、切削工具および耐摩部材に適している。また、低コストな製造プロセス、かつ耐摩耗性に優れる高硬度材である。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
出発原料として、そのまま理論密度まで焼結した場合の８０体積％にあたるホウ化チタン粉末と２０体積％のタングステン粉末をボールミルに投入し、ナイロンボールを用いて２０時間湿式混合した。
【００２６】
次に、混合粉末を金型にて９ＭＰａ加圧して成型し、グリーン体を得た。
【００２７】
得られたグリーン体をホットプレス炉に投入し、アルゴン雰囲気中、カーボン型にて一軸方向に２８ＭＰａで加圧しながら２０００℃で２時間焼結して、焼結体を得た。この焼結体を試料１とする。
【００２８】
試料１の密度をアルキメデス法にて調べたところ、相対密度は９８％であった。この焼結体の表面を平面研削盤にて加工し、ダイヤモンドペーストにて鏡面研磨した後、ビッカース硬度（Ｈｖ）と破壊靱性値（Ｋ１ｃ）を調べたところ、硬度は２６００（Ｈｖ）、破壊靱性値（Ｋ１ｃ）は７であった。
【００２９】
また、同試料の結晶構造をＸ線回折装置にて調べたところ、ホウ化チタン、ホウ化タングステン、タングステンの３相を含むことがわかった。
【００３０】
同試料の組織を走査型電子顕微鏡にて調べたところ、コントラストの異なる３つの相があることが分かった（図１）。また、電子線マイクロアナライザにて組成分析を行ったところ、黒色部分がホウ化チタン、白色部分がタングステン、灰色部分がホウ化タングステンであることが分かった。次に、図１を画像解析し、３つの相の面積割合を調べたところ、ホウ化チタンは８１％、タングステンは８％、ホウ化タングステンは１１％であることがわかった。
【００３１】
同試料を切削工具に使用した場合の耐摩耗性、耐欠損性を評価した。
本発明品をＳＮＧＮ１２０４０８（日本工業規格、JISB４１２０：２０１３）に加工し、切削環境は乾式にて普通鋳鉄のワークを切削する、切削試験を実施した。
耐摩耗性は設定加工距離２０００ｍとし、すくい面、逃げ面の摩耗量を走査型電子顕微鏡にて観察し刃先の摩耗量を評価した。耐欠損性については刃先に欠損が生じるまでの加工距離を実測して評価した。
【００３２】
試料１は、３つの相から構成される複合材料であり、これは硬度、靱性がともに高く、耐熱性に優れるというところに特徴がある。そのため、切削工具、耐摩部材として使用する際に好ましい。切削工具、耐摩耗部材に求められる特性は、高硬度、高靱性、耐熱性であり、試料１はいずれの点も満足していた。
【００３３】
（実施例２）
試料１と組成と焼結温度のみを変え、表１に示す組成の様々な試料を作製した。他の製法および評価法は前述の試料１と同様とした。各試料の焼結温度は、各試料が相対密度９７％以上を満たす温度を記載した。試料１と同様の評価まで行った結果を表２に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
【表２】
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表２中「※」印が付記されている試料３、４、１０、１８は本発明の範囲外の比較例である。
【００３６】
表２の結果より、同試料は耐欠損性および耐摩耗性に優れるということが分かる。このような特性は、成分が高硬度なホウ化物と高靱性な金属で、緻密な組織を有するためである。
【００３７】
一方、本実施例の範囲外の比較試料３は、高硬度なホウ化物が多いため耐摩耗性に優れるが、耐欠損性に劣る。また、比較試料４、１０、１８は高靱性な金属が多いため耐欠損性には優れるが、耐摩耗性に劣るため十分な特性が得られなかった。
【００３８】
本発明の２相、または３相とすることで、ｃ-ＢＮのような非常に高価な材料を用いず、従来の超硬合金やサーメット、セラミックスと比較すると、簡便な製造プロセスで低コストに耐摩耗性、耐欠損性に優れた長寿命な切削工具を提供することができた。
【００３９】
（実施例３）
試料１および実施例２中の試料７、９、１５、１７は、耐摩部材として、プレス金型、鍛造金型、耐摩板など、摩耗が問題となる用途に適していた。
【図１】
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