JP2002538297A - 焼結超硬合金体及びその用途 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
少なくとも一つの硬質構成成分及びCo−Ni−Feバインダを含む焼結超硬合金体が開示され、バインダは約40〜90重量%のコバルトを含み、バインダの残部はニッケルと鉄から成り、偶発的な不純物を除けばバインダの少なくとも4重量%であって36重量%未満のニッケルと、バインダの少なくとも4重量%であって36重量%未満である鉄とを含み、さらにバインダは約1.5:1〜1:1.5のNi:Fe比を有する。焼結超硬合金体の機械的特性、さらに詳細には靭性及び疲労抵抗の改善を達成するため、超硬合金体内部でバインダ濃度に勾配を持たせるように提案するものである。
Description
【0001】
本発明は、焼結超硬合金体(サーメット)に関する。これは、少なくとも一つ
の硬成分と、40〜90重量%のコバルトを含むコバルト−ニッケル−鉄バイン
ダとを含む。バインダの残部は、偶発的な不純物を除けばニッケル及び鉄から成
り、含まれるニッケルはバインダの少なくとも4重量%であって36重量%未満
であり、含まれる鉄はバインダの少なくとも4重量%であって36重量%未満で
あり、さらにバインダは、約1.5:1〜1:1.5のNi:Fe比を有する。
の硬成分と、40〜90重量%のコバルトを含むコバルト−ニッケル−鉄バイン
ダとを含む。バインダの残部は、偶発的な不純物を除けばニッケル及び鉄から成
り、含まれるニッケルはバインダの少なくとも4重量%であって36重量%未満
であり、含まれる鉄はバインダの少なくとも4重量%であって36重量%未満で
あり、さらにバインダは、約1.5:1〜1:1.5のNi:Fe比を有する。
【0002】
この種類の焼結超硬合金体(サーメット)は、WO99/10549、WO9
9/10550、WO99/10551、WO99/10552及びWO99/
10553として発行された国際特許出願に記述されている。前記の国際特許出
願はさらに、切削工具、切削バイト、ならびに、ドリル及び超硬合金工具及びす
べての種類の工具インサート製作用としての、これらの焼結超硬合金体の用途を
説明している。前記国際特許出願の全体的な内容は、ここでは明示的に引例とし
て取り入れられている。
9/10550、WO99/10551、WO99/10552及びWO99/
10553として発行された国際特許出願に記述されている。前記の国際特許出
願はさらに、切削工具、切削バイト、ならびに、ドリル及び超硬合金工具及びす
べての種類の工具インサート製作用としての、これらの焼結超硬合金体の用途を
説明している。前記国際特許出願の全体的な内容は、ここでは明示的に引例とし
て取り入れられている。
【0003】 「サーメット」という用語は本願で用いられる場合は常に、少なくとも一つの
金属相及び炭化タングステン(WC)のような少なくとも一つのセラミック相を
含む材料のみを示す。本明細書中の用語においては、ダイアモンド及び黒鉛それ
自体は「セラミック」であるとは想定されない。したがって、金属基質中に埋め
込まれているか又は金属合金と結合しているダイアモンド又は黒鉛を含む材料は
、本発明で意味するところの「サーメット」を形成しない。
金属相及び炭化タングステン(WC)のような少なくとも一つのセラミック相を
含む材料のみを示す。本明細書中の用語においては、ダイアモンド及び黒鉛それ
自体は「セラミック」であるとは想定されない。したがって、金属基質中に埋め
込まれているか又は金属合金と結合しているダイアモンド又は黒鉛を含む材料は
、本発明で意味するところの「サーメット」を形成しない。
【0004】 コバルト、ニッケル又は鉄から成るバインダを含む超硬合金の場合、一定の焼
結状況下かつ硬成分混合粉末に対して特定の助剤が添加された後では、バインダ
が濃縮されていると同時に固溶化炭化物に乏しいか、又は含まない層が焼結超硬
合金体の表面付近に形成され、その濃縮層の下には、バインダに乏しいのと同時
に固溶化炭化物が濃縮されている層が形成されることは、独国特許32,11,
047号及び米国特許(再発行)34,180号から知られている。
結状況下かつ硬成分混合粉末に対して特定の助剤が添加された後では、バインダ
が濃縮されていると同時に固溶化炭化物に乏しいか、又は含まない層が焼結超硬
合金体の表面付近に形成され、その濃縮層の下には、バインダに乏しいのと同時
に固溶化炭化物が濃縮されている層が形成されることは、独国特許32,11,
047号及び米国特許(再発行)34,180号から知られている。
【0005】
本発明の目的は、コバルト、ニッケル及び鉄から成るバインダを含むが、Co
−Ni−Feバインダを有する目下利用可能なサーメットと比較すると、改良さ
れた機械的特性、特に強化された疲労抵抗と同時に強化された靭性を示す、新規
な焼結超硬合金体を供することである。
−Ni−Feバインダを有する目下利用可能なサーメットと比較すると、改良さ
れた機械的特性、特に強化された疲労抵抗と同時に強化された靭性を示す、新規
な焼結超硬合金体を供することである。
【0006】
この目的は、超硬合金体の内部においてCo−Ni−Feバインダの濃度が勾
配を有し、またCo―Ni−Feバインダが面心立方構造を備え、張力、歪又は
他の応力によって誘起される相転移を経験しない、当初に規定された種類の、本
発明に基づいた焼結超硬合金体において解決される。
配を有し、またCo―Ni−Feバインダが面心立方構造を備え、張力、歪又は
他の応力によって誘起される相転移を経験しない、当初に規定された種類の、本
発明に基づいた焼結超硬合金体において解決される。
【0007】 Co−Ni―Feバインダの濃度は、好ましくは勾配を有し、この勾配は、超
硬合金体内部からその表面に向かって増大する。合金として存在するのが好まし
いが、必ずしも合金として存在する必要性はない、コバルト、ニッケル及び鉄か
ら成る三成分バインダが、過去にしばしば用いられたコバルトバインダに類似し
た作用を見せるのは予期されないことであったため、この勾配材料は、当業者に
とっては驚くべきものであろう。とりわけ、上記のような焼結超硬合金中のバイ
ンダ分布の結果が得られるとは、予想されていなかった。
硬合金体内部からその表面に向かって増大する。合金として存在するのが好まし
いが、必ずしも合金として存在する必要性はない、コバルト、ニッケル及び鉄か
ら成る三成分バインダが、過去にしばしば用いられたコバルトバインダに類似し
た作用を見せるのは予期されないことであったため、この勾配材料は、当業者に
とっては驚くべきものであろう。とりわけ、上記のような焼結超硬合金中のバイ
ンダ分布の結果が得られるとは、予想されていなかった。
【0008】 もしCo―Ni―Feバインダが超硬合金体の表面付近の領域(「バインダ濃
縮領域」、BEZ)に濃縮されるのであれば、特に有利である。
縮領域」、BEZ)に濃縮されるのであれば、特に有利である。
【0009】 バインダ濃縮領域(BEZ)は、好ましくは、超硬合金体の表面から計測して
、40μmまでの深さに位置する。
、40μmまでの深さに位置する。
【0010】 本発明に基づく焼結超硬合金体の好適な実施例においては、バインダ成分の各
々(Co:Ni:Fe)の比は、バインダの濃縮領域(BEZ)の内部と外部と
では同一である。この実施例においては、濃縮領域へのバインダの分散は、一致
的に、即ちバインダの組成変化を伴わずに進行する。複雑な多種組成システムで
は金属合金の成分の非一致的挙動が常態であって、そうではない反応よりも頻繁
であるので、このこともまた当業者には驚くべきことであろう。
々(Co:Ni:Fe)の比は、バインダの濃縮領域(BEZ)の内部と外部と
では同一である。この実施例においては、濃縮領域へのバインダの分散は、一致
的に、即ちバインダの組成変化を伴わずに進行する。複雑な多種組成システムで
は金属合金の成分の非一致的挙動が常態であって、そうではない反応よりも頻繁
であるので、このこともまた当業者には驚くべきことであろう。
【0011】 本発明に基づく焼結超硬合金体のCo−Ni―Feバインダは、面心立方構造
を有し、張力、歪又は他の応力によって誘起される相転移を経験しない。Co―
Ni−Feバインダは、実質的にオーステナイト状である。
を有し、張力、歪又は他の応力によって誘起される相転移を経験しない。Co―
Ni−Feバインダは、実質的にオーステナイト状である。
【0012】 好ましくは、超硬合金体におけるバインダの割合は4〜10重量%となる。
【0013】 どの所望された組み合わせにおいても、少なくとも一つの硬成分が、好ましく
は、炭化物、窒化物、炭窒化物、これらの混合物及びその固溶体から選択される
。特に好ましい硬成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニ
オブ、タンタル、クロム、モリブデン及びタングステンの炭化物であり、これら
の複数の炭化物の混合物も同様に好適である。炭窒化物の中ではチタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及び
タングステンの炭窒化物、これらの混合物も、硬成分として好ましい。
は、炭化物、窒化物、炭窒化物、これらの混合物及びその固溶体から選択される
。特に好ましい硬成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニ
オブ、タンタル、クロム、モリブデン及びタングステンの炭化物であり、これら
の複数の炭化物の混合物も同様に好適である。炭窒化物の中ではチタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及び
タングステンの炭窒化物、これらの混合物も、硬成分として好ましい。
【0014】 本発明に基づく焼結超硬合金体は、好ましくは、切削インサート、割り出し可
能切削インサート、ならびに超硬合金工具及びあらゆる種類の工具インサートの
製作用として用いられる。
能切削インサート、ならびに超硬合金工具及びあらゆる種類の工具インサートの
製作用として用いられる。
【0015】 本発明は、図面と共に実施例を参照することで、さらに詳細にわたって説明さ
れるであろう。
れるであろう。
【0016】
[実施例1] 最初に、一般的な粉末冶金方法に基づいて硬成分94重量%とバインダ金属6
重量%とから成る混合粉末を調製する。混合粉末は、以下の組成(重量%につい
ては、それぞれ混合粉末全体量に対する。)を有する。 86.5% 粒径5.0μmのWC 5.0% Ta(Nb)C70/30 1.8% TiCN70/30 0.7% TiC 3.6% Co 1.2% Ni 1.2% Fe
重量%とから成る混合粉末を調製する。混合粉末は、以下の組成(重量%につい
ては、それぞれ混合粉末全体量に対する。)を有する。 86.5% 粒径5.0μmのWC 5.0% Ta(Nb)C70/30 1.8% TiCN70/30 0.7% TiC 3.6% Co 1.2% Ni 1.2% Fe
【0017】 硬成分混合物が炭窒化チタン1.8%を含むため、この組成は、混合粉末中に
「窒素濃縮」を有するとして、当業者によって参照される。
「窒素濃縮」を有するとして、当業者によって参照される。
【0018】 次に、この混合粉末から立方体形状の切削工具ブランク(素地)を従来の方法
で作成し、圧縮して圧粉体を形成する。この圧粉体を、好ましくは「焼結HIP
(sinter HIPping)」として知られるプロセスを用いて、約1300〜1760
℃の間の温度、好ましくは約1400〜1600℃の間の温度で、約1.7〜2
06MPa.の圧力下で焼結及び/又は熱静水圧圧縮成形する。焼結は、好まし
くは、特別な温度−時間サイクルを用いて、減圧下又は不活性ガス雰囲気中又は
還元ガス雰囲気中で実施される。
で作成し、圧縮して圧粉体を形成する。この圧粉体を、好ましくは「焼結HIP
(sinter HIPping)」として知られるプロセスを用いて、約1300〜1760
℃の間の温度、好ましくは約1400〜1600℃の間の温度で、約1.7〜2
06MPa.の圧力下で焼結及び/又は熱静水圧圧縮成形する。焼結は、好まし
くは、特別な温度−時間サイクルを用いて、減圧下又は不活性ガス雰囲気中又は
還元ガス雰囲気中で実施される。
【0019】 この方法で製造した焼結超硬合金体は、以下のような物理特性を有していた。 密度:13.96g/cm3 磁気飽和:114[4πσ] 磁界強度(Hc):99[Oe] ビッカース硬度(HV30):1510 気孔率:<A02 e.B (焼結超硬合金の気孔率は、ASTMに基づいて以下のように分類される。 タイプA:直径10μm未満の孔 タイプB:直径10〜40μmの孔 タイプC:遊離炭素による不規則な孔)
【0020】 バインダ合金の三要素の分布及び本体の内部からその表面方向に向かって増大
する各々の濃度勾配は、図1より明らかである。バインダ濃縮は、(元の表面か
らの距離にして)約40μmまでの深さの領域に位置する。(図1を参照のこと
。)
する各々の濃度勾配は、図1より明らかである。バインダ濃縮は、(元の表面か
らの距離にして)約40μmまでの深さの領域に位置する。(図1を参照のこと
。)
【0021】 [実施例2] 混合粉末を以下の組成で調製した。 86.5% WC(平均粒径5.0μm) 5.0% Ta(Nb)C 70/30 2.5% TiC 3.6% Co 1.2% Ni 1.2% Fe
【0022】 この混合粉末を、実施例1で説明したように、焼結超硬合金体を作成するのに
用いた。この例では、硬成分混合物は炭窒化物を含まず、カーバイドのみを含む
が、それ故硬成分混合物が「炭素濃縮」(化学量論比以上のC含有量)を有する
として参照される。
用いた。この例では、硬成分混合物は炭窒化物を含まず、カーバイドのみを含む
が、それ故硬成分混合物が「炭素濃縮」(化学量論比以上のC含有量)を有する
として参照される。
【0023】 この方法を用いて製造した焼結超硬合金体の物理学的特性を以下に示す。 密度:13.87g/cm3 磁気飽和:118[4πσ] 磁界強度(Hc):103[Oe] ビッカース硬度(HV30):1510 気孔率:<A02 e.B C06.
【0024】 図2は、このように製造されたサーメットのバインダ合金内の元素分布を示す
。遊離炭素を含まない領域は、約150〜250μmの深さであると測定された
。
。遊離炭素を含まない領域は、約150〜250μmの深さであると測定された
。
【0025】 [実施例3] 混合粉末を以下の組成で調製した。 86.5% WC(平均粒子サイズ5.0μm) 5.0% Ta(Nb)C 70/30 2.0% TiC 0.5% TiCN 70/30 3.6% Co 1.2% Ni 1.2% Fe
【0026】 化学量論比以上のC含有量をのぞいて、この例では、硬成分混合物は、主成分
として炭化タングステンを含むほかに、炭窒化チタン及び炭化チタンの両方、さ
らに炭化タンタルニオブを含む。
として炭化タングステンを含むほかに、炭窒化チタン及び炭化チタンの両方、さ
らに炭化タンタルニオブを含む。
【0027】 焼結超硬合金体は、実施例1に説明されたように、この混合粉末から製造され
た。この合金体の物理特性は、以下の通りである。 密度:13.88g/cm3 磁気飽和:117[4πσ] 磁界強度(Hc):99[Oe] ビッカース硬度(HV30):1530 気孔率:<A02 e.B C06.
た。この合金体の物理特性は、以下の通りである。 密度:13.88g/cm3 磁気飽和:117[4πσ] 磁界強度(Hc):99[Oe] ビッカース硬度(HV30):1530 気孔率:<A02 e.B C06.
【0028】 これらのサーメットに対するバインダの濃度勾配は、図3に説明されている。
この例では、固溶化炭化物に乏しい領域は、焼結超硬合金体のもとの表面から5
〜10μmの間の距離であると測定され、その一方で遊離炭化物を含まない領域
は、150〜300μmの深さに存在する。
この例では、固溶化炭化物に乏しい領域は、焼結超硬合金体のもとの表面から5
〜10μmの間の距離であると測定され、その一方で遊離炭化物を含まない領域
は、150〜300μmの深さに存在する。
【0029】 本発明に基づく焼結超硬合金体は、従来の方法(PVD、CVD)の被着コー
ティングとともに提供されてもよい。
ティングとともに提供されてもよい。
【図1】 実施例1に基づいて組成された焼結超硬合金体のCo−Ni―Feバインダの
エネルギー分散スペクトル(EDS)である。図中では、バインダ合金の各々、
三つの元素であるCo、Ni及びFeのK線が、層の深さ、即ち超硬合金体の表
面からの距離の関数として、元素の濃度を示す。
エネルギー分散スペクトル(EDS)である。図中では、バインダ合金の各々、
三つの元素であるCo、Ni及びFeのK線が、層の深さ、即ち超硬合金体の表
面からの距離の関数として、元素の濃度を示す。
【図2】 実施例2に基づいて組成された焼結超硬合金体のCo−Ni―Feバインダの
エネルギー分散スペクトル(EDS)である。図中では、バインダ合金の各々、
三つの元素であるCo、Ni及びFeのK線が、層の深さ、即ち超硬合金体の表
面からの距離の関数として、元素の濃度を示す。
エネルギー分散スペクトル(EDS)である。図中では、バインダ合金の各々、
三つの元素であるCo、Ni及びFeのK線が、層の深さ、即ち超硬合金体の表
面からの距離の関数として、元素の濃度を示す。
【図3】 実施例3に基づいて組成された焼結超硬合金体のCo−Ni―Feバインダの
エネルギー分散スペクトル(EDS)である。図中では、バインダ合金の各々、
三つの元素であるCo、Ni及びFeのK線が、層の深さ、即ち超硬合金体の表
面からの距離の関数として元素の濃度を示す。
エネルギー分散スペクトル(EDS)である。図中では、バインダ合金の各々、
三つの元素であるCo、Ni及びFeのK線が、層の深さ、即ち超硬合金体の表
面からの距離の関数として元素の濃度を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C U,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD ,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN, IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,L K,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK ,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO, RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,T M,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU ,ZA,ZW (72)発明者 ヴォルフ、 マンフレート ドイツ連邦共和国 デー−95488 エッカ ースドルフ ラートハウスシュトラーセ 12ベー (72)発明者 シュミット、 ディーター ドイツ連邦共和国 デー−95445 バイロ イト ホフマン−フォン−ファラースレー ベン−シュトラーセ 32 Fターム(参考) 3C046 FF31 FF32 FF39 FF46 FF53 4K018 AB02 AC01 AD03 BA04 BA14 CA11 DA11 DA32 DA33 KA15
Claims (11)
- 【請求項1】 焼結超硬合金体であって、少なくとも一つの硬成分及びCo
−Ni−Feバインダを含み、このバインダは約40〜90重量%のコバルトを
含み、バインダの残部はニッケル及び鉄から成り、偶発的な不純物を除いてバイ
ンダ中の少なくとも4重量%であって36重量%未満であるニッケルと、バイン
ダ中の少なくとも4重量%であって36重量%未満である鉄とを含み、バインダ
は約1.5:1〜1:1.5のNi:Fe比を有するものであって、Co−Ni
−Feバインダの濃度が超硬合金体内部において勾配を有することと、Co−N
i−Feバインダが実質的に面心立方構造を備え、張力、歪又は他の応力により
誘起される相転移を経験しないこととを特徴とする、焼結超硬合金体。 - 【請求項2】 Co−Ni−Feバインダの濃度が勾配を有し、その勾配が
前記超硬合金体の内部からその表面へ向かって増大するのを特徴とする、請求項
1に記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項3】 Co−Ni−Feバインダが前記焼結超硬合金体の表面付近
の一領域(BEZ)に濃縮されることを特徴とする、請求項1又は2のいずれか
に記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項4】 前記濃縮領域(BEZ)が前記超硬合金体の前記表面から計
測して約40μmまでの深さに位置することを特徴とする、請求項3に記載の焼
結超硬合金体。 - 【請求項5】 バインダの各々の成分の比(Co:Ni:Fe)がバインダ
中の濃縮領域(BEZ)と、その部分の外側とで同一であることを特徴とする、
請求項1〜4のいずれかに記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項6】 Co−Ni−Feバインダが実質的にオーステナイト状であ
ることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項7】 前記焼結超硬合金体中のバインダの割合が4〜10重量%に
達する、請求項1〜6のいずれかに記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項8】 少なくとも一つの硬成分が、炭化物、窒化物、炭窒化物、そ
れらの混合物、及びそれらの固溶体から成るグループから選択される、請求項1
〜7のいずれかに記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項9】 少なくとも一つの硬成分が、チタン、ジルコニウム、ハフニ
ウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及び/又はタングス
テンの炭化物から選択された少なくとも一つの炭化物を含む、請求項8に記載の
焼結超硬合金体。 - 【請求項10】 少なくとも一つの硬成分が、チタン、ジルコニウム、ハフ
ニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及び/又はタング
ステンの炭窒化物から選択された少なくとも一つの炭窒化物を含む、請求項8に
記載の焼結超硬合金体。 - 【請求項11】 切削インサート、割り出し可能切削インサート、又は超硬
合金工具及び工具インサート製作用としての、請求項1〜10のいずれかに基づ
く焼結超硬合金体の用途。
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