JP2001081526A - 鉄基超硬合金およびその製造方法 - Google Patents
鉄基超硬合金およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 耐摩耗性、耐食性に優れた鉄合金を結合相と
した超硬合金及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 WCが５０〜９７ｗｔ％と、残部がＦｅを
主成分とする結合相からなり、前記結合相中に０．３５
〜３．０ｗｔ％のＣと、３．０〜３０．０ｗｔ％のＭｎ
と、３．０〜２５．０ｗｔ％のＣｒとを含有する鉄基超
硬合金とする。
した超硬合金及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 WCが５０〜９７ｗｔ％と、残部がＦｅを
主成分とする結合相からなり、前記結合相中に０．３５
〜３．０ｗｔ％のＣと、３．０〜３０．０ｗｔ％のＭｎ
と、３．０〜２５．０ｗｔ％のＣｒとを含有する鉄基超
硬合金とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性、耐食性に
優れた、鉄合金を結合相とした超硬合金およびその製造
方法に関する。
優れた、鉄合金を結合相とした超硬合金およびその製造
方法に関する。
【０００２】
【従来技術】超硬合金は、主としてWC粒度と結合相量に
より、特性を調整することができ、様々な用途に適した
材種が選定されている。超硬合金は、特に硬さを高める
と靭性は低下し、逆に靭性を高めると硬さが低下すると
いう背反的傾向を示す。
より、特性を調整することができ、様々な用途に適した
材種が選定されている。超硬合金は、特に硬さを高める
と靭性は低下し、逆に靭性を高めると硬さが低下すると
いう背反的傾向を示す。
【０００３】その解決策として、合金中に板状のWCを含
有させる方法がある。特開平８−２２５８７８号公報に
開示されるように、Ｆｅ系の合金に対しての試みがなさ
れている。しかし、板状ＷＣを含有する超硬合金の製造
方法として、板状ＷＣを分離抽出して混合する方法、板
状ＷＣを生成し易い化合物を添加する方法が行われてい
るが、このような方法は板状ＷＣの含有割合が低いこ
と、その形状や粒度の制御が困難であることから実用し
難い。実用的な方法として、Ｆｅ中の合金組成を調整す
ることが行われている。特開昭５８−１１０６５５号公
報にはＦｅ−Ｎｉ−Ｃ系さらにＭｎを添加した組成にて
超硬合金を作成することが開示されているが、耐食性に
劣る問題がある。特開平３−７２１４８号公報にはＦｅ
−Ｃｒ−Ｃ系にＣｒ炭化物を分散した結合相組成である
が、耐摩耗性に優れているものの、強度が低く、実用に
は適していない。特開平１０−５３８３２号公報にはＦ
ｅ−Ｃ系の組成の超硬合金であり、鋼との接合のみを考
慮しており、耐食、耐摩材としての利用は困難である。
このように、鉄基超硬合金において、硬さと強度を同時
に向上させることが困難であり、実用に適した鉄基超硬
合金は特殊用途以外ないのが現状である。
有させる方法がある。特開平８−２２５８７８号公報に
開示されるように、Ｆｅ系の合金に対しての試みがなさ
れている。しかし、板状ＷＣを含有する超硬合金の製造
方法として、板状ＷＣを分離抽出して混合する方法、板
状ＷＣを生成し易い化合物を添加する方法が行われてい
るが、このような方法は板状ＷＣの含有割合が低いこ
と、その形状や粒度の制御が困難であることから実用し
難い。実用的な方法として、Ｆｅ中の合金組成を調整す
ることが行われている。特開昭５８−１１０６５５号公
報にはＦｅ−Ｎｉ−Ｃ系さらにＭｎを添加した組成にて
超硬合金を作成することが開示されているが、耐食性に
劣る問題がある。特開平３−７２１４８号公報にはＦｅ
−Ｃｒ−Ｃ系にＣｒ炭化物を分散した結合相組成である
が、耐摩耗性に優れているものの、強度が低く、実用に
は適していない。特開平１０−５３８３２号公報にはＦ
ｅ−Ｃ系の組成の超硬合金であり、鋼との接合のみを考
慮しており、耐食、耐摩材としての利用は困難である。
このように、鉄基超硬合金において、硬さと強度を同時
に向上させることが困難であり、実用に適した鉄基超硬
合金は特殊用途以外ないのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】Ｆｅは通常、フェライ
ト、オーステナイト、マルテンサイト相に区別される。
特にマルテンサイト相については、変態による硬度、強
度の向上により、高強度が必要とされる部材として利用
されている。本発明では、Ｆｅ合金の組成を調整するこ
とで、Ｆｅのマルテンサイト相変態を利用し、硬度およ
び強度を向上させることができ、実用に適する鉄基超硬
合金を提供するものである。
ト、オーステナイト、マルテンサイト相に区別される。
特にマルテンサイト相については、変態による硬度、強
度の向上により、高強度が必要とされる部材として利用
されている。本発明では、Ｆｅ合金の組成を調整するこ
とで、Ｆｅのマルテンサイト相変態を利用し、硬度およ
び強度を向上させることができ、実用に適する鉄基超硬
合金を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の超硬
合金はＷＣが５０〜９７ｗｔ％と残部がＦｅを主成分と
する結合相からなり、Ｆｅ中に０．３５〜３．０ｗｔ％
のＣ、３．０〜３０．０ｗｔ％のＭｎ、３．０〜２５．
０ｗｔ％のＣｒを含有することを特徴とする。請求項２
の鉄基超硬合金は前記Ｆｅ中のＭｎの一部または全てを
Ｎｉで置換したことを特徴とする。請求項３の鉄基超硬
合金は請求項１〜２に記載される超硬合金中のＦｅを主
成分とする結合相がマルテンサイト相であることを特徴
とする。請求項４の超硬合金の製造方法は請求項１〜３
に記載される超硬合金がＷＣ粉末とＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，
Ｍｎの金属および／または合金の粉末とグラファイトお
よび／またはカーボンブラックを混合後、真空中または
非酸化性雰囲気中で１２００〜１６００℃に加熱し焼結
した、または焼結後サブゼロ処理を行ったことを特徴と
する。
合金はＷＣが５０〜９７ｗｔ％と残部がＦｅを主成分と
する結合相からなり、Ｆｅ中に０．３５〜３．０ｗｔ％
のＣ、３．０〜３０．０ｗｔ％のＭｎ、３．０〜２５．
０ｗｔ％のＣｒを含有することを特徴とする。請求項２
の鉄基超硬合金は前記Ｆｅ中のＭｎの一部または全てを
Ｎｉで置換したことを特徴とする。請求項３の鉄基超硬
合金は請求項１〜２に記載される超硬合金中のＦｅを主
成分とする結合相がマルテンサイト相であることを特徴
とする。請求項４の超硬合金の製造方法は請求項１〜３
に記載される超硬合金がＷＣ粉末とＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，
Ｍｎの金属および／または合金の粉末とグラファイトお
よび／またはカーボンブラックを混合後、真空中または
非酸化性雰囲気中で１２００〜１６００℃に加熱し焼結
した、または焼結後サブゼロ処理を行ったことを特徴と
する。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明ではＦｅ合金の組成を調整
することで、相変態を利用し、硬度および強度を向上さ
せることができることを見いだした。以下に組成範囲限
定の理由を説明する。ＷＣが５０ｗｔ％より少ない場
合、硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。ＷＣが９７ｗ
ｔ％より多い場合、焼結が困難であること、また、強度
が低くなる問題がある。Ｆｅ中の添加元素の効果につい
て以下に説明する。ＣはＷＣ粒子の脱炭を抑制する効果
があり、０．３５ｗｔ％以下であると、ＷＣの分解が生
じる。３．０％以上になると遊離炭素が残存し、強度が
低下する。ＭｎはＦｅの相変態を生じる効果がある。３
ｗｔ％以下ではＦｅがフェライト相となり、硬度、強度
の向上の効果が見られない。３０ｗｔ％以上の添加では
Ｆｅがオーステナイト相になり、同様に硬度、強度の向
上の効果が見られない。ＮｉはＭｎと同様の効果を示
し、且つ、耐食性に効果がある。Ｃｒは耐食性に効果が
あり、３ｗｔ％以下では、耐食性の効果が見られない。
２５ｗｔ％以上の添加ではＦｅがフェライト相になり、
硬度、強度の向上の効果が見られない。また、Ｃｒの一
部をＭｏ、Ｓｉで置換しても、同様の効果が見られる。
その他の元素として、Ｃｏ，Ｗ，Ｔｉ，ＡｌがＦｅ中に
含まれると、耐酸化性に効果がある。本発明の具体的製
造方法は、ＷＣ粉末、Ｆｅ、Ｃｒ，Ｎｉ、Ｍｎの金属粉
末あるいはＦｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｍｎなどの
合金粉末とグラファイトおよび／またはカーボンブラッ
クを有機溶媒中でアトライター、振動ボールミルなどの
方法により混合後、真空焼結やＡｒ、Ｎ２中の非酸化性
雰囲気中での焼結、またはＨＩＰ、放電プラズマ焼結な
どにより製造される。焼結したままでは、Ｆｅ結合相の
十分なマルテンサイト変態が生じない場合、サブゼロ処
理を行うことで、マルテンサイト相への変態を進行させ
ることができる。具体的にはサブゼロ処理は―６０℃の
雰囲気中に３時間以上保持する処理のことである。硬質
粒として、ＷＣを利用しているが、その一部をIVａ、V
ａ、VIａ属の炭化物、窒化物、硼化物またはそれらの相
互固溶体の１種以上と置換しても、同様の耐摩耗性を示
す。具体的には、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣ，Ｃｒ３Ｃ２，Ｍｏ２Ｃ、ＴｉＮ，ＺｒＮ，
ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＣｒＮ，ＴｉＣＮ，Ｚ
ｒＣＮ，ＴｉＢ２，ＺｒＢ２，ＨｆＢ２，ＶＢ２，Ｎｂ
Ｂ２，ＴａＢ２，ＣｒＢなどが利用される。さらに、Ｍ
ｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３などの酸化物も利用でき
る。本発明の超硬合金は、通常のＣｏ，Ｎｉを結合相と
する超硬合金と比較して、鋼との接合において、界面で
の異常相の発生もなく、接合することができる。
することで、相変態を利用し、硬度および強度を向上さ
せることができることを見いだした。以下に組成範囲限
定の理由を説明する。ＷＣが５０ｗｔ％より少ない場
合、硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。ＷＣが９７ｗ
ｔ％より多い場合、焼結が困難であること、また、強度
が低くなる問題がある。Ｆｅ中の添加元素の効果につい
て以下に説明する。ＣはＷＣ粒子の脱炭を抑制する効果
があり、０．３５ｗｔ％以下であると、ＷＣの分解が生
じる。３．０％以上になると遊離炭素が残存し、強度が
低下する。ＭｎはＦｅの相変態を生じる効果がある。３
ｗｔ％以下ではＦｅがフェライト相となり、硬度、強度
の向上の効果が見られない。３０ｗｔ％以上の添加では
Ｆｅがオーステナイト相になり、同様に硬度、強度の向
上の効果が見られない。ＮｉはＭｎと同様の効果を示
し、且つ、耐食性に効果がある。Ｃｒは耐食性に効果が
あり、３ｗｔ％以下では、耐食性の効果が見られない。
２５ｗｔ％以上の添加ではＦｅがフェライト相になり、
硬度、強度の向上の効果が見られない。また、Ｃｒの一
部をＭｏ、Ｓｉで置換しても、同様の効果が見られる。
その他の元素として、Ｃｏ，Ｗ，Ｔｉ，ＡｌがＦｅ中に
含まれると、耐酸化性に効果がある。本発明の具体的製
造方法は、ＷＣ粉末、Ｆｅ、Ｃｒ，Ｎｉ、Ｍｎの金属粉
末あるいはＦｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｍｎなどの
合金粉末とグラファイトおよび／またはカーボンブラッ
クを有機溶媒中でアトライター、振動ボールミルなどの
方法により混合後、真空焼結やＡｒ、Ｎ２中の非酸化性
雰囲気中での焼結、またはＨＩＰ、放電プラズマ焼結な
どにより製造される。焼結したままでは、Ｆｅ結合相の
十分なマルテンサイト変態が生じない場合、サブゼロ処
理を行うことで、マルテンサイト相への変態を進行させ
ることができる。具体的にはサブゼロ処理は―６０℃の
雰囲気中に３時間以上保持する処理のことである。硬質
粒として、ＷＣを利用しているが、その一部をIVａ、V
ａ、VIａ属の炭化物、窒化物、硼化物またはそれらの相
互固溶体の１種以上と置換しても、同様の耐摩耗性を示
す。具体的には、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣ，Ｃｒ３Ｃ２，Ｍｏ２Ｃ、ＴｉＮ，ＺｒＮ，
ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＣｒＮ，ＴｉＣＮ，Ｚ
ｒＣＮ，ＴｉＢ２，ＺｒＢ２，ＨｆＢ２，ＶＢ２，Ｎｂ
Ｂ２，ＴａＢ２，ＣｒＢなどが利用される。さらに、Ｍ
ｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３などの酸化物も利用でき
る。本発明の超硬合金は、通常のＣｏ，Ｎｉを結合相と
する超硬合金と比較して、鋼との接合において、界面で
の異常相の発生もなく、接合することができる。
【０００７】
【実施例】表１に示す粉末配合量に混合後、表に示す焼
結条件、サブゼロ処理によりサンプルを作成した。これ
を本発明の１〜１７とした。これらサンプルについて、
硬度、抗折力の測定を行った。その結果を表２に示す。
なお、抗折力測定はＪＩＳＨ５５０１−１９７５の試験
法に準じる。表１での粉末配合量での合金組成について
は、Ｆｅ−６０％Ｃｒ、Ｆｅ−８０％Ｍｎ、Ｆｅ−２０
％Ｎｉのものを使った。
結条件、サブゼロ処理によりサンプルを作成した。これ
を本発明の１〜１７とした。これらサンプルについて、
硬度、抗折力の測定を行った。その結果を表２に示す。
なお、抗折力測定はＪＩＳＨ５５０１−１９７５の試験
法に準じる。表１での粉末配合量での合金組成について
は、Ｆｅ−６０％Ｃｒ、Ｆｅ−８０％Ｍｎ、Ｆｅ−２０
％Ｎｉのものを使った。
【０００８】
【表１】
【０００９】
【表２】 （比較例）比較例について表３，表４に示す。表３の配
合量、焼結条件、サブゼロ処理に基づき、サンプルを作
成した。これらを比較例の１８〜３１とし、硬度、抗折
力の測定を行った。その結果を表４に示す。
合量、焼結条件、サブゼロ処理に基づき、サンプルを作
成した。これらを比較例の１８〜３１とし、硬度、抗折
力の測定を行った。その結果を表４に示す。
【００１０】
【表３】
【００１１】
【表４】
【００１２】表４について、Ｎｏ．１８はＣ含有量が少
なく、ＷＣが分解し、硬度が低い。Ｎｏ．１９はＣ含有
量が多く、遊離炭素が存在し、硬度が低い。Ｎｏ．２０
はＭｎ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフェライト相とな
り、硬度が低い。Ｎｏ．２１はＭｎ含有量が多く、Ｆｅ
結合相がオーステナイト相となり、硬度が低い。Ｎｏ．
２２はＣｒ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフェライト相
となり、硬度が低い。Ｎｏ．２３はＣｒ含有量が多く、
Ｆｅ結合相がオーステナイト相となり、硬度が低い。Ｎ
ｏ．２４はＷＣ含有量が少なく、硬度が低い。Ｎｏ．２
５はＷＣ含有量が多く、強度は低い。Ｎｏ．２６はＣ含
有量が少なく、ＷＣが分解し、硬度が低い。Ｎｏ．２７
はＣ含有量が多く、遊離炭素が存在し、硬度が低い。Ｎ
ｏ．２８はＭｎ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフェライ
ト相となり、硬度が低い。Ｎｏ．２９はＭｎ含有量が多
く、Ｆｅ結合相がオーステナイト相となり、硬度が低
い。Ｎｏ．３０はＣｒ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフ
ェライト相となり、硬度が低い。Ｎｏ．３１はＣｒ含有
量が多く、Ｆｅ結合相がオーステナイト相となり、硬度
が低い。
なく、ＷＣが分解し、硬度が低い。Ｎｏ．１９はＣ含有
量が多く、遊離炭素が存在し、硬度が低い。Ｎｏ．２０
はＭｎ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフェライト相とな
り、硬度が低い。Ｎｏ．２１はＭｎ含有量が多く、Ｆｅ
結合相がオーステナイト相となり、硬度が低い。Ｎｏ．
２２はＣｒ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフェライト相
となり、硬度が低い。Ｎｏ．２３はＣｒ含有量が多く、
Ｆｅ結合相がオーステナイト相となり、硬度が低い。Ｎ
ｏ．２４はＷＣ含有量が少なく、硬度が低い。Ｎｏ．２
５はＷＣ含有量が多く、強度は低い。Ｎｏ．２６はＣ含
有量が少なく、ＷＣが分解し、硬度が低い。Ｎｏ．２７
はＣ含有量が多く、遊離炭素が存在し、硬度が低い。Ｎ
ｏ．２８はＭｎ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフェライ
ト相となり、硬度が低い。Ｎｏ．２９はＭｎ含有量が多
く、Ｆｅ結合相がオーステナイト相となり、硬度が低
い。Ｎｏ．３０はＣｒ含有量が少なく、Ｆｅ結合相がフ
ェライト相となり、硬度が低い。Ｎｏ．３１はＣｒ含有
量が多く、Ｆｅ結合相がオーステナイト相となり、硬度
が低い。
【００１３】耐食性の評価は、水中にサンプルを１日浸
積した後の、表面の変色にて行った。変色がない場合を
○とした。表５に結果を示す。
積した後の、表面の変色にて行った。変色がない場合を
○とした。表５に結果を示す。
【００１４】
【表５】
【００１５】Ｎｏ．２２，３０はＣｒ含有量が少なく、
耐食性に劣る。
耐食性に劣る。
【００１６】
【発明の効果】本発明では、Ｆｅ合金の組成を調整する
ことで、Ｆｅのマルテンサイト相変態を利用し、硬度お
よび強度を向上させることができ、実用に適する鉄基超
硬合金を提供する。
ことで、Ｆｅのマルテンサイト相変態を利用し、硬度お
よび強度を向上させることができ、実用に適する鉄基超
硬合金を提供する。
Claims (4)
- 【請求項１】 WCが５０〜９７ｗｔ％と、残部がＦｅを
主成分とする結合相からなり、前記結合相中に０．３５
〜３．０ｗｔ％のＣと、３．０〜３０．０ｗｔ％のＭｎ
と、３．０〜２５．０ｗｔ％のＣｒとを含有する鉄基超
硬合金。 - 【請求項２】前記結合相中のＭｎの一部または全てをＮ
ｉで置換した請求項１の鉄基超硬合金。 - 【請求項３】請求項１又は２に記載の超硬合金中の結合
相が、マルテンサイト相である鉄基超硬合金。 - 【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の超硬合金
が、ＷＣ粉末と、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｎの金属および
／または合金の粉末と、グラファイトおよび／またはカ
ーボンブラックを混合した後、真空中または非酸化性雰
囲気中で、１２００〜１６００℃に加熱し焼結し、また
は焼結後サブゼロ処理を行うことを特徴とする鉄基超硬
合金の製造方法。
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