JPS58223671A - 高硬度材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高硬度材およびその製造方法に関するものであ
り、詳しくは、砥粒や耐摩材等に使用される高硬度材お
よびその製造方法に関するものである。

従来より、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ホウ
素、゛ｒルミナ等の高硬度材は、例えば、研削研摩用の
砥粒等に使用されている。

ところで、上記の高硬度材のうち、ダイヤモンドや立方
晶窒化ホウ素は特に優れた高硬度材であるが高価なため
に一般便用には適さない欠点がある。これに対し、アル
ばすは比較的安価ではあるが、性能的に今一つ十分とは
言えない。

本発明者等は、上記実情に鑑み、安価にしてアルだす以
上の或はダイヤモンドと遜色のない性能の高硬度材、就
中、研削研摩用に好適な高硬度材を提供すべく、特に炭
化チタンに注目して鋭意倹約した結果、次の知見を得た
。

すなわち、高硬度材の研削速度は、基本的には硬度の大
小によって異なるのであるが、結晶構造によっても影響
を受け、特定構造よりなる炭化チタンは、硬度の割には
優れた研削能力を発揮する。

本発明は、かかる知見に基き達成されたものであり、新
規な２つのタイプの高硬度材およびそれらの工業的有利
な製造方法を提供するものである。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の一つの高硬度材は、常温におけるビッカース硬
度がユθ００　ＫＦ／−以上で且つ相対密度がｃｒｏ％
以上の炭化チタン（以下、ＴｉＣと的な性物であり、こ
７１が大きい程好ましいのであるが、本発明のＴ１０粒
子からなる高硬度材は、常温におけるビッカース硬度が
ユθθ０　’ｐ／ｄ以上、好ましくは２ｓθθに９．／
−以上であることを必要とする。従って、例えば、ＴＩ
Ｏを主成分とするものの、ニッケル合金（ｎｉ−Ｍｏ、
Ｎ１−Ｍｏ−Ｃ！ｒ）を結合剤として含む焼結合金（す
ごメット）は、常温におけるビッカース硬度が約ｔざ０
０　’９／ｄ　　程度しかなく、本発明の高硬度材には
含まれない。

なお、ビッカース硬度とは、ｍ角７３６°のタイヤモン
ドビラｉツドを試片に押し込み、押型面に働ぐ平均圧力
を測定し、この測定値を硬に９／ｄ　　の値を示す。

また、相対密度は、真密度に対する嵩密度の１分石とし
て表示される値であるが１本発明のＴ１０粒子からなる
高硬度材は、かかる相対密度がｒｏ％以上、好ましくは
り０％以上、更に好ましくは約／θ０％であることを必
要とする。

相対密度が／θ％未満のＴ１０粒子では後記するように
、本発明高硬度材の効果は発現されない。

しかして、本発明の’ｒ１ｃ粒子からなる高硬度材は、
その結晶構造が多結晶であることを最大の特徴とするも
のであり、かかる結晶構造であるが故に、硬度の割には
優れた研削能力を発揮するのである。多結晶構造とした
ことによって研削能力が著しく改善さｎる理由は、必ず
しも明らかではないが、大組、次のように推定され分な
硬度のものではなく、従って、砥粒として使用した場合
、研削中に砥粒の切れ刃が摩耗して研削速度の低下を来
すと考えられるが、多結晶構造であく、ために、研削速
度の低下に伴う研削抵抗の増大により、砥粒の切れ刃先
端が都合よく微破砕して再び鋭い切れ刃が再生し、かか
る自性発刃性が研削速度の低下を十分に補って高い研削
能力を発揮する。

本発明の高硬度材は、このような多結晶構造の微破砕に
よる自性発刃性を巧みに利用したものである。従って、
多結晶構造を構成する結晶粒子（／７ルイン）の大きさ
は、これが小さい程好ましく、砥粒の大きさによっても
異なるが、通當は／θｔｔｍ　以下、好ましくはｊμｍ
以下とされる。

しかして、上記の多結晶構造を利用した自性発刃性は、
Ｔ４０粒子の結晶粒間に多くの９間（Ｖｏｉｄ　）が存
する場合には該梁間による大破砕が生じて十分発現され
ないことがある。従って結晶粒間の梁間は可及的に少な
い程好ましく、本発明の高硬度材は、これがために、　
Ｔ１．Ｃ！多結晶体粒子の相対密度を前記したように！
θ％以上とするのである。

次に、本発明の他の一つの高硬度材につ℃・て説明する
。

この高硬度材は、常温におけるビッカース硬度が、２．
０００　Ｋ９／−以上で且つ相対密度が？θ％以上であ
り、炭化チタンの多結晶体とチタンを除く遷移金属の炭
化物の多結晶体との複合焼結粒子よりなる。

上記の複合粒子よりなる高硬度材は、前述のＴ４０粒子
よりなる高硬度材を更に改善したものである。

すなわち、本発明のＴｉＣ粒子よりなる高硬度材は、後
記するように、焼結処理法によって製造するのが好まし
いが、この方法による場合、と０％以上の相対密度を有
する本発明のＴ１０粒子を得るには比較的強力な焼結条
件を必要とする。複合粒子よりなる高硬度材は、このよ
うな問題点を改善し１、より安価で優れた性能の高硬産
月を提供するものであって、ＴＩＣ多結晶体にＴ１　　
を除く遷移金属の炭化物（以下、単に、遷移金属又は遷
移金属の炭化物という）が均一になるようにして焼結す
ることにより、焼結粒子の緻密化を容易にしたものであ
る。

しかしで、遷移金−１の炭化物としては、各棟のもσ）
を使用できるが、特に、クロノ・、・くす／ヂ ラム、モリフデン又はクンクス苧ンの各炭化物の群かも
選ばれた／又は、２種以上の炭化物が好まし℃・。

なお、常１ＭＡ　Ｉｃおけろビッカース硬度が、：１．
．０００１ｇ、／−以上で且つ、相対密度かと０％以上
であることの技術的、ｔ、義は、前述の゛ｒ１ｏ多結晶
体粒子において述べたものと同義である。

本発明の腹合多結晶体粒子よりなる高硬度材が容易な緻
密化性を有し、焼結処理によって容易に相対密度と０％
以上になることの理由は、十分解明されていないが、現
象論的には、’ｒ１ｃ’多結晶粒子の梁間に遷移金属の
炭化物が単に充填されるということではなく、焼結処理
を遷移金峠又はその炭化物の存在下に行なったことによ
る特異な現象により、結晶粒子間に梁間の少ない多結晶
体粒子が本来的に生成され易く々つたことの結果による
ものと考えられる。

粒子と両成分が固溶化されている焼結粒子とがあるが、
硬度の点からは後者の固溶体焼結粒子が好ましい。

なお、このような固溶化の観点からは、前述しに好まし
い遷移金属炭化物の他に、ジルコニウム、タンタル又は
−・フニウムの炭化物も使用し得るが、炭化クロムは易
緻密化性および固溶化の両銭点から最も好まし２い遷移
金属炭化物である。

複合多結晶体焼結粒子中の遷移金属のνけ。

Ｔ１原子および遷移金＠原子の総量に対してθ、／〜り
θ原子％（原子の個数で表示した自分尤）、好ましくは
オル３θ原子％、特に好ましくは／　０−．２Ｑ原子％
である。

以上説明した本発明の高硬度材は、いずれのタイツのも
のも、用途に従い適当大きさの粒状体として使用される
が、例えば、砥石の場合は！Ｏμｍ〜３Ｍ程度、ラッピ
ング用の場合はオ０１１ｍ程度以下である。

次に、本発明の尚硬度材の製造方法について説明する。

本発明の、ＴｉＣ多結晶体粒子からなる高硬度材および
複合多結晶体焼結粒子からなる高硬度材は、いずれも焼
結処理によって容易に得ることができる。

焼結処理法以外の方法としては、例えば、アルミナ高硬
度材の製法に採用されている溶融処理法の採用も不５Ｊ
能ではないが、この方法では溶融後の冷却固化に長時間
を要し、この間に結晶が大きく成長するために、微結晶
よりなる多結晶体の製造が困難である。

焼結処理法勿は、適当な材料で構成された梨型内に原料
物質を充填し、通電又はアーク等の手段によって原料物
質を高温加熱する方法であり、例えは、黒鉛製の筒状端
型と該筒状端型の両端部から内部に充填された原料物質
を挾み込し、該通電々極を軽圧縮又は型圧縮圧力により
接触させて通′亀加熱を行う方法は好ましい方法である
。

原料物質は、ＴｉＣ多結晶体粒子を製造する場合は、チ
タン原料と炭素質原料の混合物又は炭化チタンであり、
また、複合多結晶体焼結粒子を製造する場合は、チタン
原料、遷移金属原料および炭素質原料の混合物又は炭化
チタンと遷移金属炭化物との混合物であるが、具体的に
は次の通りである。

Ｔ１Ｃ多結晶体粒子を製造する場合には。

（１）炭化チタン粉末、 （２）金属チタン又は容易に炭化されるチタン化合物（
例えは酸化ブタンや水素化チタン等）と炭素の各粉末の
混合物等である。

また、複合多結晶体焼結粒子を製造する場合には、次の
（１１〜（３）の３通り及びそれらを組合せたものが用
いられる。

（１１炭化チタンと遷移金属炭化物の各粉末の混合物、 （２＋　　金属チタン又は容易に炭化されるチタン化合
物（例えば酸化チタンや水素化チタン等）と遷移金属と
炭素の各粉末の混合物。

（３）　　金属チタン又は容易に炭化されるチタン化合
物（例えば酸化チタン＋水素化チタン等）と遷移金属の
酸化物と上記（２）と同様な炭素の各粉末の混合物。

上記において、炭素としては、通常カーボンとかグラフ
゛ｒイト等と呼称されているものであれば格別種類を問
わず、例えばカーボンブラックのようなものでもよい。

原料物質は、粉末状で或はこれを予め成形して使用する
ことができ、十分な圧力で成形した原料物質の場合は、
常圧焼結でもよい。

しかして、いずれの場合においても、原料物質の粒径は
、これが小さ℃・程、多結晶構造を構成する結晶粒子が
微細化されるので好ましく。

通常は平均粒径／〜ｊθμｍ、好ましくは／〜７０μｍ
程度に粉砕して用いられる。なお、金属チタンは靭性が
比較的高いために微粉砕するのが容易ではなく、従って
、水素化チタンにして粉砕するのが好ましい。

焼結処理の条件は、　ＴｉＣ多結晶体粒子を製造する場
合と複合多結晶体粒子を製造する場合とで異なり、前者
の方が強力な条件を必要とすると共に、また、後者にお
いても、固溶化を行う場合には単に焼結する場合に比し
固溶化のためにより高い焼結温度を必要とする。これら
の各条件は、原料物質の平均粒径、構成成分によって異
なるため一概には決定できないが、一般的には属′圧炉
らＩθθ’／／ａｍ”の圧力、に０００℃以上、好まし
くはＩＪ−９０〜４０００℃の温度、数分から数時間の
処理時間の範囲から適宜選択される。

焼結処理後は、生成物を冷却、粉砕し、次いで所望大き
さの粒子を選別することによって本発明の高硬度材が得
られるが、生成物の冷却は、結晶成長を抑制して微結晶
よりなる多結晶体を得るＸｔめに、可及的速かに行うの
が好ましい。

このようにして得られた本発明の高硬度材は、多結晶構
造の微破砕による自性発刃性を巧みに利用して優れム：
研削能力な発揮し、例えば高速の研削加工等に有利に使
用できる。

以下、本発明を実施例により史に詳細に説明する。

実施例／ 粒径１１０１ｔ以下のＴ１粉末７００重量部と粒径５θ
ｌ１ｍ以下の黒鉛粉末２ｊＭＷ部とを磁製乳鉢中で十分
混合した。

上記の原料混合仰を、２００・・Ｋ９／ａｉに加工しな
がら１．７り００℃で６０分間加熱したのち冷却して焼
結体を得た。

焼結処理は、黒鉛製筒状梨型と押圧体オ通電々極より王
として構成された本文記載の装置を用いて行い、加熱時
は該筒状梨型を保温材で被覆し、冷却時はこの保温材を
取り除いた。

冷却後は、焼結体を粉砕し、次いで分級して平均粒径−
０〜７９μｍの粒状体よりなる高硬度材を得た。

なお、焼結体は、相対密度が７００％、常温体でｋ〕つ
た。

こうして得られたＴ匹粒子よりなる高硬度材θ、−２ｊ
　ｃｒｄをオリーブ油θｊｄでよく練ってペースとして
、市販の研摩機を用い次の方法に従ってラツビングテス
トナ行い、高硬度材の研削能力を測定した。

得られた結果を第７表に示す。なお、〃１１１１℃度は
約ｏ、ｔμｍ　Ｒｍａｘ、であつＫ。

［ラッピング方法〕 ラップ板回転数／ｌθｒ、ｐ０ｍ、　、押しつけ圧力／
ｋｙ／ｒ、Ｎの条件で５分間、合並工具、鋼（ＳＫＤ／
／）のラッピングを行い加工量を研削能力とする。

実施例コ〜に 粒径１０μｍ７ｊ以下のＴ１粉末７００重量部、粒径５
０μｍ以下の黒鉛粉末所定重量部および粒径ククμｍ以
下のＯｒ粉末所定重社部を磁製乳鉢で十分混合した。

上記の原料混合物を実施例／と同様にして。

−〇〇’ｐ　／ｃヵ？に加圧しながら、２．２θＯ℃で
７０分間加熱したのち冷却して焼結体を得た。

次いで、粉砕、分級して平均粒径コθ〜ググ７１ｍの粒
状体よりなる高硬度材を得Ｔこ。

こうして得られた高硬度材について実施例／と同様にし
て加工面粗度約θ、Ｊ’　ｔｔ　ｍ　Ｒｍａｘ　、にお
ける研削能力を測定し、得られた結果を第７表に示した
。

なお、これらの高硬度材は、いずれも相対密度が７００
％であり、常温におけるビッカース硬度は、１０θθ却
／−以上であつ１こ。また、結晶構造は、平均粒通約ざ
μｍの微結晶よりなる多結晶体であった。

実施例３及びり 実施例２において、Ｏｒ粉末の代りに■とｃｒの粉末混
合物、ＯｒとＺｒの粉末混合物な用いて、ＴｉＣ−ＶＣ
−ＯｒＣ（実施例３）、Ｔｉｅ　−Ｃｒａ−ＺｒＯ（実
施例グ）の各高硬度材を得た。これらの高硬度材は、い
ずれも相対密度が７００％。

常温におけるビッカース硬度が、１．７θθ々／−以上
であり、平均粒通約／θμｍの微結晶よりなる多結晶体
であった。

上記の各高硬度材について、実施例／と同様にして加工
面粗度約Ｏ０♂μｍ　Ｒｍａｘ、のラッピングが夕１わ
れる粒度の研削能力を測足し、舟ら第１た結果を第１表
に示した。

なお、比較のために、市販のアルミナ粒子、タイヤモン
ド粒子について実施例／と同様にしテ加工面粗度約０．
１μｍＲｍａｘ、のラッピングが行われる粒度の研削能
力を測定し、第７表に併記した。

第　　／　　表 実施例！ 実施例λにおいて、原料混合物として粒径ｇｘμｍ以下
の酸化チタン粉末７００重量部、粒径４０１１ｍ以下の
黒鉛粉末り６．１重量部および粒径ｇｇμｍ以下のクロ
ム粉末７７．５重量部の混合物を用いた他は、実施例／
と同様にして高硬度材を得た。

得られた高硬度材（Ｏｒ／！原子％）は、相対密度が７
００％、常温（ｃおけるビッカース硬度が３．ＯθθＫ
Ｐ／−であり、平均粒通約１０μｍの微結晶によりなる
多結晶体で々、つＴこ。

上記高硬度材について、実施例／と同様にして加工面柑
度約ｏｙｒμｍ　Ｒ１１！ａＸ、のラッピングが行われ
る研削能力を測定したどころ１．２／／−，７，ｍ、９
であった。

実施例４ 粒径７０μｍ以下のチタン粉末／θθＮ冊部粒径！θμ
ｍ↓プ下の黒鉛粉末−！重ψ部および粒径７９８ｍ以下
のクロム粉末を磁製乳鉢中で十分混合した。混合物中の
Ｃｒ量は／！原子％に相当１′る。

得られた混合物を予めｌθθＯＫｆ／ｃｒｄの圧力でベ
レ′ット状に成形し、た後、電気炉中で２．グ０θ℃、
２時間加熱して焼結体を得た。

この焼結体を粉砕、分級して粒状体とし、実施例／と同
様して加工面粗度約θ、！μｍ　Ｒｍａｘ。

のラッピングが行われる研削能力を測定したところ、２
９９ｍ１　　であった。

なお、上記焼結体は、相対密度が／θ０％常出　願　人
　　　株式会社　井上ジャパックス研究所三菱化成工業
株式会社 代　理　人　　弁理士　長谷用　− （ほか７名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　常温におけるビッカース硬度が２ｏｏ。 Ｋ１１／−以上でかつ相対密度がとθ鴨以上の炭化チタ
   ン多結晶体粒子よりなることを特徴とする高硬度材。 （２）　　多結晶体を構成する結晶粒子の大きさが約７
   ０μｍ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の高硬度材。 （３）　　チタン原料と炭素原料の混合物又は炭化チタ
   ンを焼結処理したのち、得られた焼結体を（４）　　ビ
   ッカース硬度が２０００　Ｋｆ／−以上で且つ相対密度
   が？θ％以上であり、炭化チタンの多結晶体とチタンを
   除く遷移金属の炭化物の多結晶体との複合焼結粒子より
   なることを特徴とする高硬度材。 （５）　　チタンを除く遷移金属がクロム、バナジウム
   、モリブデン又はタングステンの群から選ばれた／又は
   コ種以上の金属であることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項記載の高硬度材。 （６）複合焼結粒子が炭化チタンとチタンを除く遷移金
   属の炭化物との固溶体であることを特徴とする特許請求
   の範囲第！項又は第に項記゛載の高硬度材。 （カ　チタンを除く遷移金属の皺がチタン及びチタンを
   除く遷移金属の総祉に対してｏ、ｉ〜グθ原子％である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第！項、第３項又は第
   ２項記載の高硬度材。 （８）　　多結晶体を構成する結晶粒子の大きさが約７
   ０μｍ以下であることを特徴とする特許＃ｈ求の範囲第
   ３項ないし第と項のいずれかに記載の高硬度材。 （］Ｏ）チタン原料、チタンを除く遷移金属原料および
   炭素原料の混合物又は炭化チタンとチタンを除く遷移金
   属の炭化物との混合物を焼結処理したのち、得られた複
   合焼結体を粉砕し、次いで、所望大きさの粒子を選別す
   ることを特徴とする高硬度材の製造方法。 （ｎ）　　チタンな除く遷移金属がクロム、バナジウノ
   ・、モリブデン又はタングステンの群から選ばれた／又
   は２種以上の金属であることを特徴とする特許請求の範
   囲第り項記載の高硬度材の製造方法。 （１２）焼結処理の温度が炭化チタンとチタンを除く遷
   移金属の炭化物との固溶体の生成温度以上であることを
   特徴とする特許請求の範囲第デ項又は第７θ項記載の高
   硬度材の製造方法。 （葛）チタンを除く遷移金属の鼠がチタン及びチタンを
   除く遷移金属の総諺に対しでθ、７〜グθ原子％である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項、第１θ項又は
   、、、第１　／項記載の高硬度材の製造方法。