JP2003533593A

JP2003533593A - クロム・タングステン複合炭化物を含有する鉄基合金およびその製造方法

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Publication number: JP2003533593A
Application number: JP2001584595A
Authority: JP
Inventors: アンデルッソン，カール−ホーカン; ニルッソン，アンデルス; ストホル，ヤン−エリック
Original assignee: プロエングコツーリングアクティエボラーグ
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2003-11-11
Also published as: WO2001088213A1; NO20025499D0; CN1232663C; EP1409755A1; EA200201092A1; SE0001785D0; MXPA02011197A; ZA200209057B; CN1429280A; SE0001785L; AU5898201A; US20090123324A1; CA2409124A1; US20040028548A1; AU2001258982B2; UA75593C2; BR0110886A; BR0110886B1; US7442261B2; NO20025499L

Abstract

(57)【要約】クロム炭化物を含有する鉄基合金の製造方法において、炭素を含有する鉄基溶湯例えば鋳鉄に添加する。溶湯中へのＷＣの溶解を調整するクロムも添加する。得られた溶融合金を鋳造する。クロム・タングステン複合炭化物が鉄基マトリクス中に含有されている合金が製造される。この合金の使用も提示されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野本発明は、耐摩耗性金属材料とその製造方法に関し、特に、アブレシブ摩耗環
境または化学物質暴露環境に曝される用途に用いられる工具、機械要素等の製品
に適した材料に関する。

【０００２】背景種々の工具および機械要素が、製造、パルプ、森林、製鋼等の諸産業や車両用
途、防衛機器で広範に用いられている。

【０００３】工具材料は用途によって切削用材料および塑性加工・パンチ加工用の２つのグ
ループに大別される。これら２つの用途のうちで、切削刃物材料のような切削工
具に対する要求特性が最も厳しい。この用途で材料に要求される特性は、高温で
の高耐摩耗性と高靭性とを兼備することであり、それによって工具の耐アブレシ
ブ摩耗性すなわちアブレシブ摩耗に対する抵抗力をできるだけ高めることである
。

【０００４】工具材料としては、特に工具鋼、高速度鋼、超硬合金が知られている。工具鋼
は単純な手作業用工具に用いられ、使用温度が低く余り大きな力もかからないの
で、刃先の鋭さが十分であればよい。

【０００５】高速度鋼は、炭素と、クロムおよびタングステンと、モリブデンおよびバナジ
ウムと、場合によってはコバルトを、かなり多量に含有している合金鋼である。
高速度鋼は、バナジウムおよびタングステンの含有量に応じて、５００℃程度ま
での高耐摩耗性と高硬さとを兼備している。

【０００６】超硬合金は、製造コストが低いため最も普及している工具材料であり、基本的
にはタングステン炭化物をコバルトで結合した構成である。構成成分である炭化
物の比率を変えることにより種々の用途に適した材料特性を得ることができる。
構成成分である炭化物を例えばチタン炭化物で被覆することにより、耐摩耗性お
よびそれによる工具寿命を高めることができる。また、構成成分である炭化物を
合成ダイアモンドの薄い層で被覆することも試みられている。超硬合金の特性を
向上させるために、サーメットと呼ばれる材料が開発されており、これはコバル
トに代えてニッケルを用い、タングステン炭化物に代えてチタン炭化物またはチ
タン炭窒化物を用いたものである。金属切削用の切削工具は、最適使用時間が１
２〜１３分であり、それを過ぎると摩耗作用によって切削性能や耐久性が悪化す
る。その意味で超硬合金製品は上記の時間を向上させた。刃先の寿命に影響を及
ぼす摩耗機構として、例えば逃げ面摩耗およびチッピングもしくはニッキングが
ある。逃げ面摩耗は、アブレシブ摩耗および凝着摩耗によって工具材料が継続的
に失われることによって生ずる。チッピングもしくはニッキングは、刃先に亀裂
が発生して破壊に至る現象である。

【０００７】多くのセラミック材料は高温での耐摩耗性および強度が優れているが、脆いこ
とが欠点である。

【０００８】材料の面からは、耐摩耗性が優れていて、なおかつ硬さと靭性とを兼ね備えた
材料を製造することは不可能なので、これまでは妥協がなされてきた。単純な用
途の場合、例えば工具形状の設計によって、実用可能な耐摩耗性と強度と具備さ
せることができる。

【０００９】耐摩耗性材料を設計するこれまでの試みとしては、本発明者が提案したように
、白鋳鉄にタングステンと炭素を添加するものである。しかし、最終的に材料特
性を決定するタングステンと炭素との正しい比率を決定することが困難なため、
この試みは成功しなかった。また、タングステンが原料として非常に高価である
ことも、発展を阻害する一因になっていた。

【００１０】従来、工具その他の製品は下記の工程で製造されていた。

【００１１】合金⇒鋳造⇒塑性加工⇒切削加工⇒焼入れ＋焼鈍⇒研磨⇒完成品特開平２−３０１５３９号公報には、Ｎｉ−Ｃｒ系白鋳鉄にＴｉＣおよびＴｉ
ＣＮを添加して硬さおよび耐摩耗性の高い材料を製造する方法が開示されている
。

【００１２】ヨーロッパ特許公報ＥＰ０３８０７１５には、耐アブレシブ摩耗性の高い複合
材料が開示されている。この複合材料は、少なくとも７０％が粒径２〜１５ｍｍ
である炭化物粒子を白鋳鉄に添加したものである。この白鋳鉄は、合金元素を添
加した複合炭化物を含有している。また、この白鋳鉄は、２．５〜４．０％の炭
素を含有しており、ＣｒとＣとの関係（Ｃｒ％／Ｃ％）が１〜１２である。また
、上記公報には、溶融白鋳鉄で炭化物粒子を鋳包む工程を含む上記複合材料の製
造方法も開示されている。

【００１３】米国特許ＵＳ４，３６５，９９７には、複合材料とその製造方法が開示されて
いる。この複合材料は、金属マトリクス中に粒径０．１ｍｍ〜５ｍｍの炭化物粒
子を含有させている。金属マトリクスは、炭素、シリコン、マンガン、バナジウ
ム、クロム、タングステン、アルミニウムおよび鉄を含む。炭化物は、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＴｉＣ、ＴａＣまたはこれらの混合物である。この複合材料の製造は、金
属マトリクスの溶湯に炭化物粒子を添加することにより行なう。炭化物粒子はポ
リマー基マトリクス中に封入されていて、金属マトリクス溶湯中に添加されると
ポリマー基マトリクスが蒸発し、その後溶湯が凝固する。

【００１４】国際出願ＷＯ９４／１１５４１には、鉄や鋼のような工業用鉄系金属の製造方
法が提示されており、この方法では、調整した炭化物粒子（固体状態）を鉄系金
属の溶湯中に添加し、次いで鉄系金属を凝固させる。炭化物粒子は、鉄または鉄
基合金で被覆されており、これにより鉄系金属溶湯と等しいか近い密度となるよ
うに調整されている。このように密度を合わせることにより、炭化物粒子が鉄系
金属溶湯中に均一に分散する。

【００１５】特開昭５９−１０４２６２号公報に開示されている複合材料は、鋼の内層と鋳
鉄の外層を備え、この鋳鉄外層中にはタングステン炭化物粒子またはこれと同様
の硬質炭化物粒子が均一に分散している。また、この材料の製造方法も開示され
ている。その方法においては、予熱した炭化物粒子を鋳鉄溶湯中に添加した後に
、予熱した鋼管の外周をこの溶湯で鋳包む。

【００１６】スエーデン特許公報ＳＥ１８５９３５には、金属溶湯、特に鋳鉄を合金化する
方法が提示されている。この公報には、クロムとタングステンを両方含有し得る
合金が記載されているが、炭化物の構造については何ら記載がない。

【００１７】ヨーロッパ特許公報ＥＰ５７１２１０には、バナジウム炭化物を基材とする耐
食合金が提示されている。この材料は、例えば粉末材料を溶解することにより製
造される。

【００１８】スエーデン特許公報ＳＥ３９９９１１には、鋳鉄系合金に炭化物粒子を添加す
ることが提示されている。しかし、鋳造金属と炭化物との合金化が起きること、
およびこの合金化には利点がないことが記載されているが、溶解と合金化を生じ
させることを意図している訳ではない。クロム炭化物の構造中でタングステンが
置換型に固溶することは記載されていない。

【００１９】ドイツ特許公報ＤＥ６４９６２２には、タングステンおよびクロムを両方含有
し得る合金が記載されているが、炭化物生成におけるこれら両者の相互作用につ
いては何ら記載がない。

【００２０】英国特許公報ＧＢ３４８６４１には、タングステンおよびクロムを両方含有し
得る合金が記載されているが、炭化物生成におけるこれら両者の相互作用につい
ては何ら記載がない。

【００２１】発明の目的本発明の目的の１つは、アブレシブ摩耗に曝される用途に適した材料、特に未
硬化状態で従来材料より高い耐摩耗性を有する材料およびその製造方法を提供す
ることである。

【００２２】本発明のもう１つの目的は、最終製品を得るまでの製造工程数を低減できる材
料を提供することである。最終製品を得るまでの製造工程数は製品の最終コスト
に直結しているので、本発明は耐摩耗性・高強度材料を効率的に製造する方法を
提供する。

【００２３】更に、本発明のもう１つの目的は、超硬合金の損耗材を再利用する方法を提供
することである。

【００２４】発明の概要上記の目的を達成するために、本発明の方法は、耐摩耗性の高い金属材料を製
造する方法において、鉄および炭素を含んで成る母金属を溶解する工程と、得ら
れた母金属溶湯に構成成分として炭化物を含有する小片を添加し、該小片を該母
金属溶湯中に拡散により溶解させる工程と、該溶湯を鋳造する工程とを含むこと
を特徴とする。望ましくは、溶湯への溶解を制御する合金成分を添加する工程を
含み、この合金成分が該溶湯中への炭化物成分の溶解度を制御する。この合金成
分は炭化物を形成し、この合金成分（Ｄ）に基づく上記炭化物の結晶生成時にこ
の炭化物成分が置換型で固溶することにより、この合金成分に基づく炭化物の固
体状態での性質が向上する。しかし、この合金成分（Ｄ）に基づく炭化物は上記
の炭化物成分（Ｅ）には固溶しない。

【００２５】本発明の一実施形態においては、上記の小片は超硬合金の製造過程で発生した
廃材であり、この廃材は上記の炭化物成分を含有する。望ましい実施形態におい
ては、上記小片として、上記炭化物成分を含有する超硬合金の損耗材、例えば超
硬合金製切削工具または超硬合金製ローラーの損耗材を添加する。超硬合金製品
の損耗材を使用できる可能性の根拠は、上記の小片が溶湯中に拡散により溶解す
るので、特定の寸法および表面仕上げ状態とするために、添加すべき小片を機械
加工する必要がないという事実である。すなわち、寸法４０ｍｍまでおよびそれ
より大きい超硬合金製工具はいずれも、そのまま溶湯に添加できる。このことは
、超硬合金製工具は損耗が早くて廃材がすぐに発生するので、また、処理工程が
最少で済むので、経済的な利点となる。超硬合金製品の廃材を用いることによる
もう１つの利点は、所望の炭化物、例えばＷＣがタングステンと炭素から構成さ
れており、これら両成分が炭化物中で分子レベルで対を成しているから、原料バ
ランスが確保された形で利用できるという点である。

【００２６】添加材する小片中には、上記の炭化物成分が通常は粒径１０μｍ以下、望まし
くは１〜５μｍで含有されている。上記炭化物成分の粒子が拡散により十分に溶
解していないと、粒径１０μｍ以下の粒子が最終的な材料中に存在する可能性が
ある。

【００２７】望ましくは、粒子が溶湯中に溶解する前に、上記小片中で上記の炭化物成分が
母金属より低い融点で溶解を起こす金属材料と結合する。この金属材料は望まし
くはコバルトであるが、ニッケルもこれに含めることができる。添加する溶解制
御用合金成分としては望ましくはクロムが含まれるが、バナジウムまたはモリブ
デンもこれに含めることができ、その添加により、最終的な合金の耐食性を高め
ると共に、その溶融状態において溶湯の融点を低下させ、表面張力を低下させる
。母金属は、望ましくは安定化成分および補足的合金成分としてＳｉおよびＭｎ
等を含有し、また一実施形態においては白鋳鉄を構成する。

【００２８】本発明の望ましい実施形態においては、上記炭化物成分はタングステン炭化物
から成るが、チタン炭化物またはニオブ炭化物を含むことができる。一実施形態
においては、上記炭化物成分を最終的な材料の５質量％より多い分量で溶解炉内
の溶湯に添加して溶解させる。他の実施形態においては、上記炭化物成分を、鋳
造の直前に接種法いわゆる超接種法により、最終的な材料の１５質量％未満の分
量で溶融合金中に添加する。この超接種法は、通常の接種法と異なり、最終的な
材料の組成に影響しないように調整した材料を非常に少ない添加量で添加する。
接種材料は、例えば、周知の技術にしたがって鋳鉄溶湯に添加され、核発生サイ
トとして作用して細粒のミクロ組織を形成させる。本発明の超接種法によれば、
最終的な合金の必須成分となる材料を添加し、その添加量は合金の最終的な組成
に対して非常に重要である。上記の炭化物成分は、最終的な材料中に５〜４０質
量％、望ましくは１０〜２０質量％の範囲で含有される。

【００２９】本発明の一実施形態においては、付加的な合金成分を溶湯中に添加し、この付
加的な合金成分が溶湯への上記炭化物成分の溶解を促進し、炭素の親和力を低下
させる。この付加的な合金成分は溶融合金中に容易に溶解可能であり、最終的な
材料の使用特性に影響しない。また、付加的な合金成分は、鋳造後に準安定状態
で存在することにより最終的な材料の焼鈍し易さを高める。望ましくは、付加的
な合金成分として、コバルトまたはニッケルが含まれる。最終的な材料は、ダイ
キャスト法または芯材への鋳包み鋳造によって複合材料を製造するのに用いるこ
とができる。鋳包み鋳造時に望ましくは保護ガスまたは活性ガスを用いて固溶硬
化作用を得る。本発明によれば、鋳包み鋳造の一方法として、鋳造前に芯材を誘
導加熱し、シェルモールド中で鋳包み鋳造を行なう。

【００３０】本発明によれば、最終的な材料によって製造された製品は、リサイクル可能で
あり、その際に、製品または製品の一部分を母金属の溶湯に添加して溶解させる
。

【００３１】以下に、図面を参照し、本発明の望ましい実施形態を説明する。

【００３２】望ましい実施形態の詳しい説明本発明による耐摩耗性・耐久性材料、いわゆる炭化物鋼を製造する方法は下記
の工程により説明できる（図１および図２）。

【００３３】１．合金化ａ）母合金の製造：下記工程を含む。

【００３４】〇母金属の含有成分・合金成分Ａ：鉄等・合金成分Ｂ：シリコンおよびマンガンのような安定化用および補足
的な合金成分を含む・合金成分Ｃ：炭素等〇合金成分Ｄ：クロム、バナジウム、またはモリブデンのような溶解制
限用合金成分、およびｂ）溶解およびタングステン炭化物、チタン炭化物、またはニオブ炭化物
のような炭化物成分Ｅの添加、および任意にコバルトまたはニッケルのような他
の合金成分Ｆを添加。

【００３５】２．鋳造３．機械加工〔１〕合金化工程本発明の方法における母材は、鉄等を含めた母金属Ａと、安定化用および補足
用の合金成分Ｂ、例えばシリコンおよびマンガンと、合金成分Ｃ、例えば炭素と
から成る。母合金は、母金属に溶解制限用合金成分Ｄとして望ましくはクロムを
添加することにより得られるが、合金成分Ｄとしてはバナジウムまたはモリブデ
ンを用いることができる。

【００３６】合金成分Ｄは下記の機能を備えていなくてはならない。

【００３７】〇溶融状態においては、母合金の融点を低下させて表面張力を低下させ且
つ母合金に対する他の材料の溶解度を制限すること、および、〇固体状態においては、腐食を制限する特性に寄与する電気化学的ポテン
シャルを有する所望の特性を持つ炭化物が形成するような、炭化物の生成により
最終的な合金いわゆる炭化物鋼の特性を高める成分であること。

【００３８】合金化段階において、合金成分Ｄは溶融母合金中への炭化物成分Ｅの溶解度お
よび溶解速度を制限する機能を持つ。炭化物成分Ｅは望ましくはタングステン炭
化物として添加するが、チタン炭化物またはニオブ炭化物として添加することも
できる。母合金の過冷を最少にするために炭化物成分Ｅは予熱してから、５質量
％の分量で母合金に添加する。合金成分Ｄの存在によって、添加された炭化物成
分Ｅは合金成分Ｄによって許容される程度にのみ溶解する。これにより製造者は
炭化物成分Ｅの溶解度を制御することができ、炭化物成分Ｅの所望量を最終的な
合金中に未溶解状態で含有させることができる。最終的な炭化物鋼の所望特性に
応じて、一種以上の炭化物成分を添加することができる。

【００３９】炭化物成分Ｅは合金成分Ｄに溶解可能であるが、この逆の関係は成り立たず、
一方的な溶解度が存在する。このことに特に利点があるのは、炭化物鋼の共晶範
囲が大きくなって個々の純金属よりも炭化物鋼の融点が低くなるからである。共
晶範囲の大きさは炭化物成分および母合金の選択に依存する。溶融合金の凝固に
伴い、２種以上の固相が同時に生成して良好な材料特性と鋳造性が得られる。こ
のように、一方的な溶解度の存在により、広い組成範囲に対して鋳造性が良くな
る。

【００４０】付加的な合金成分Ｆを溶融合金に添加することによって、溶融合金中に添加さ
れた炭化物成分Ｅの溶解を更に促進することができる。例えば、炭素の親和性を
低下させる成分が望ましい。コバルトを用いることが望ましいが、ニッケルまた
はアルミニウムも適している。合金成分Ｆは、添加量を少量に制限して、最終的
な合金の特性に過剰に影響しないように容易に溶解し得るようにすべきである。
合金成分Ｆは、鋳造後に準安定状態で存在することによって、焼入れ硬化性を向
上させる機能がある。

【００４１】制御された条件下においては、本発明により炭化物鋼を製造するための上記工
程１ａ）および１ｂ）を阻害する要因はない。炭化物成分Ｅとして例えばタング
ステン炭化物を１５質量％未満、数質量％の分量で、鋳造の直前に溶融合金に添
加することが有利である。このようにすると、この接種法いわゆる超接種法によ
って、顕著な組成変動と粒生成点の増加が生じて、ミクロ組織が微細化すると共
に炭化物量の増加により材料特性が向上する。

【００４２】上記工程１ａ）に適した母合金の一例は、白鋳鉄ＳＳ０４６６である。典型的
な白鋳鉄の初期組成は、２．９質量％以上の炭素、０．７質量％のシリコン、０
．４質量％のマンガン、１８質量％のクロム、１．０質量％のニッケル、０．３
質量％のチタンおよび残部鉄である。

【００４３】上記の白鋳鉄に使用寿命を終えた超硬合金損耗材を合金化する（上記工程１ｂ
））。これによって合金化後の上記白鋳鉄の組成は初期組成から変化しない。そ
れは、本発明の方法によれば、溶融合金の凝固時に再生成した炭化物と結合した
合金成分に対応する炭素量が放出できるからである。

【００４４】最終的な材料すなわち本発明の合金の一実施形態においては、合金組成は質量
％で１〜５％の炭素、１０〜４０％のクロム、２〜４０％のタングステンおよび
残部の鉄およびその他の合金成分である。望ましくは、上記その他の合金成分は
、質量％で０．５〜２％のシリコン、０．３〜１０％のマンガン、０〜７％のニ
ッケル、０〜２．５％のチタン、０〜５％のモリブデン、および０．１〜１５％
のコバルトである。

【００４５】本発明の合金の一実施形態においては、合金組成は質量％で２〜３．５％の炭
素、２０〜３０％のクロム、５〜２０％のタングステン、および残部の鉄おｙび
その他の合金成分である。望ましくは、上記その他の合金成分は、質量％で、０
．８〜１．２％のシリコン、０．４〜２％のマンガン、０．８〜２％のニッケル
、０．２〜０．５％のチタン、０〜１％のモリブデン、および０．５〜５％のコ
バルトである。

【００４６】本発明の合金の一実施形態においては、上記その他の合金成分は、質量％で０
〜５％である。最終的な材料は主たる組織がクロム炭化物であり、これは溶湯の
凝固過程で強力な炭化物形成元素であるクロムが格子構造内の炭素原子と結合し
たものである。このクロム炭化物はタングステン炭化物を固溶するので、本発明
により得られる材料は、クロム炭化物構造の結晶格子中に実質的に固溶しており
、クロムとタングステンの複合炭化物が存在する。

【００４７】下記の表１に、炭化物含有量が１５質量％（ＷＣ−Ｃｏ）である本発明による
炭化物鋼の一実施形態について、化学組成（材料全体としての分析値）を示す。
表に示したレベルは特定のサンプルの分析結果である。

【００４８】

【表１】

【００４９】しかし、有利な形態として、鋳造時に、多少なりとも特定の合金を含む鉄スク
ラップを用いた際に、上記の材料は１５質量％ＷＣ−Ｃｏを含む実施形態の一例
と見ることができ、特徴とする組成は、質量％で、２．５〜３．５％の炭素、８
〜１２％のタングステン、２０〜２８％のクロム、１．６〜２．０％のシリコン
、０．２〜０．４％のマンガン、０．３〜０．５％のニッケル、０．１〜０．２
％のチタン、０〜０．７％のモリブデン、および０．５〜１．０％のコバルトで
ある。

【００５０】図３に、炭化物含有量が１５質量％（ＷＣ−Ｃｏ）である本発明による合金の
一実施形態について、ミクロ組織とその構成相を示す。図中の矢印はそれぞれ、
３０：共晶相、３１：クロム炭化物、３２：クロム炭化物中およびチタン炭化物
中にタングステンが固溶した複合炭化物、３３：マトリクスを示す。この図から
分かるように、溶湯に添加したＷＣ小片は本発明による材料のミクロ組織中で偏
在することがない。これは、例えば誘導溶解炉内の溶湯中に小片が溶解したため
である。

【００５１】図４に、本発明の材料の適用例として、刃先４１を備えたグラニュレータ・ナ
イフ４０を示す。実装業試作により、炭化物含有量が５質量％および１５質量％
であるＷＣ−Ｃｏから成る本発明による合金で鋳造したグラニュレータ・ナイフ
は、標準的な工具材料ＳＳ２３１０（「ＳＳ」はスエーデン標準）と比較して、
耐摩耗性が大幅に異なっていた。また、耐摩耗性に対してＷＣ含有量が影響する
ことも認められた。図５のグラフに、製造期間１ヶ月にわたってＰＶＣのグラニ
ュレーションを行なった際の結果を示す。このグラフでは、一般的な工具材料で
あるＳＳ２３１０を比較材として、耐摩耗性の尺度としてナイフの刃先の体積変
化を示した。横軸に種々のナイフ材料を示しており、「比較材」が標準工具鋼Ｓ
Ｓ２３１０である。また、１はよく知られている白鋳鉄ＳＳ０４６６である。ナ
イフ材料２は、本発明による合金で炭化物鋼ＫＳ５（１）であり、炭化物含有量
５質量％のＷＣ−Ｃｏである。ナイフ材料３も本発明による合金で炭化物鋼ＫＳ
１５（１）であり、炭化物含有量１５質量％のＷＣ−Ｃｏである。２および３は
いずれも、上記の白鋳鉄ＳＳ０４６６を母材としている。本発明による材料２と
３との差および公知材料である比較材と１との差は、非常に顕著である。

【００５２】図５中の４は、改良された白鋳鉄ＳＳ０４６６ＢＴＩであり、所定量のチタン
を含んでいる。この材料は、比較材に比べて耐摩耗性がかなり高い。しかし、こ
のチタン含有白鋳鉄ＳＳ０４６６ＢＴＩを母材として本発明により製造した合金
は、更に耐摩耗性が向上している。ナイフ材料５は本発明による合金で炭化物鋼
ＫＳ（ＢＴＩ）５（１）であり、炭化物含有量が５質量％のＷＣ−Ｃｏである。
ナイフ材料６は炭化物鋼ＫＳ（ＢＴＩ）１５（１）であり、炭化物含有量が１５
質量％のＷＣ−Ｃｏである。特に後者は、比較材およびＳＳ０４６６ＢＴＩに比
べて５〜６倍の耐摩耗性がある。

【００５３】合金化レベルを種々の条件下で調整して、焼鈍により二次的な複合炭化物を析
出させることにより、靭性を調整することができる。実験の結果、誘導加熱を用
いて局所的熱処理を行なえることが分かった。これによって、工具等の部材の刃
先等の部位の靭性を最適化することができる。既知の熱伝導特性と既知の変態条
件について、境界条件の制御により冷却勾配を制御することにより、局所的熱処
理を行なうことができる。複雑な部材については、有限要素解析（ＦＥＡ）に基
づく技術を用いて、このタイプの熱処理のための手段を得ることができる。

【００５４】種々の検討を行なった結果、本発明による最終的な合金としての炭化物鋼の鋳
造まま材（as-cast product）は、最適な切削条件を選択すれば、マルテンサイ
ト系材料に匹敵するコストで、最新の切削工具材料で機械加工できることが明ら
かになった。

【００５５】本発明の方法によれば、本発明の合金で作った製品の損耗材を再利用すること
ができる。このリサイクルシステムは、損耗材をそのまま再溶解および再鋳造し
て新たな製品とする方式でもよいし、あるいは損耗材を母合金として用い更に合
金成分を添加して本発明による新たな溶湯を作製する方式でもよい。また、工具
材料の損耗材、望ましくは超硬合金の損耗材を返り材としてリサイクルし、本発
明の合金を製造することもできる。このようにリサイクルが可能なのは、溶融合
金が完全にもしくは部分的に炭化物または炭化物形成合金元素ＤおよびＥで飽和
しているからである。

【００５６】例えば、本発明により調整した白鋳鉄は、炭化物成分Ｅの含有量が１５質量％
の場合にはブリネル硬さＨＢ６６０、炭化物成分Ｅの含有量が５質量％の場合に
はブリネル硬さＨＢ６５０の硬さが得られる。これに対して、鋳造ままの白鋳鉄
で得られる最高硬さはＨＢ５５０である。

【００５７】本発明によれば、上記のように白鋳鉄を母材として適量の炭化物成分Ｅを添加
することによって、極めて耐摩耗性の高い材料、いわゆる炭化物鋼を得ることが
できる。この炭化物鋼は、後工程として熱処理をする必要なく、その用途に適し
た硬さと靭性との良好な比率および耐摩耗性を備えている。炭化物鋼の良好な特
性は凝固および冷却の制御により達成される。本発明の炭化物鋼に適した用途で
は、焼鈍は不要である。焼鈍すれば、靭性を更に向上させられる。

【００５８】本発明において、高合金白鋳鉄とは、母材の成分以外の合金成分を３質量％以
上含有した鋳造可能な鉄合金を意味する。このような皇后金白鋳鉄は、アブレシ
ブ摩耗が問題になる用途に良く適している。それは、多量の炭素が炭化物として
結合することにより、硬さが上昇して形状および構造の劣化に対する抵抗力が高
まるからである。この炭化物がマトリクス中に埋め込まれた組織は組成に依存し
ており、この組織の調整により耐摩耗性と靭性との組み合わせを最適化できる。
高合金白鋳鉄は高レベルのクロムを含有しているので、マトリクスのミクロ組織
中で炭化物が安定化しており、凝固中のグラファイトの析出が防止される。白鋳
鉄の特徴は、クロム量に応じてフェライト、パーライト、オーステナイトおよび
／またはマルテンサイトから成る母材中に、セメンタイトＦｅ_３Ｃのような鉄炭
化物としての化合物が存在することである。高合金白鋳鉄は高レベルのクロムが
存在するため、マトリクスが完全または部分的にパーライトとなっていて、複合
炭化物の量が合金の耐摩耗性を左右する。合金組成中の炭素に対するクロムの比
率に応じて、クロム炭化物のミクロ硬さはＨＶ８４０〜１４００（ＨＶ５０）で
ある。白鋳鉄中のこのクロム炭化物はクロム量が高く、種類としてはＭ_３Ｃ：Ｈ
Ｖ８４０〜１１００（ＨＶ５０）、Ｍ_７Ｃ_３：ＨＶ１２００〜１８００（ＨＶ５
０）および／またはＭｏ_２Ｃ：ＨＶ１５００（ＨＶ５０）がある。クロムと炭素
との比率が低い場合には、マトリクスはオーステナイトになり、冷却中にパーラ
イトに変態する。白鋳鉄の種類によっては熱処理によりマトリクスをマルテンサ
イトに変態させることによって耐摩耗性を更に高めることができる。

【００５９】〔２〕鋳造工程本発明の方法により炭化物鋼を製造する際には、所望形状の最終製品となるよ
うに鋳造を行なう。溶融合金の冷却速度を制御することによって、炭化物鋼の硬
さを制御できる。すなわち、急速冷却すれば硬さは低くなり、緩速冷却すれば硬
さは高くなる。この性質は本発明の炭化物鋼に特有のものであり、その結果、炭
化物鋼は特有の熱処理特性を示すので、用途に応じて硬さおよび靭性を調整する
ことができる。本発明の炭化物鋼は硬化層深さが鋳造製品のどの断面位置でも実
質的に同じである。通常であれば、断面積の大きい白鋳鉄は最後に凝固する材料
中心部は冷却速度の差によって表面より硬さが低くなる。すなわち、鋳造製品の
断面全体にわたって所望のミクロ組織（それによる機械的性質および硬さ)にす
ることができない。

【００６０】〔３〕機械加工工程最終製品の表面を機械加工することにより仕上げ切削を行い、用途上必要な許
容誤差を満たすようにする。

【００６１】本発明により製造した炭化物鋼は、工具に用いた場合に、予測される寿命が従
来の材料に比べて５倍に達する。

【００６２】応用例本発明の方法を応用して、本発明の炭化物鋼を用いて、いわゆる複合材料を製
造することができる。この場合、炭化物鋼を軽合金または鋼の内部または周囲に
鋳造して一体化すると、炭化物鋼はマルテンサイト鋼と対比されるその機械的性
質を基本的に維持する。すなわち、炭化物鋼はミクロ組織が安定しているので、
９００℃までの高温用途あるいは高温製造法にも、実質的にミクロ組織に変化を
生ずることなく用いることができる。例えば軽合金の内部への鋳包み鋳造は例え
ばダイキャスト法により行なえるし、逆に、高靭性鋼の周囲への鋳包み鋳造はシ
ェルモールド法により行なえる。周囲への鋳包み鋳造は、例えば鋳造鋳型内で鋼
板を誘導加熱により予熱した後に、炭化物鋼の溶湯を鋳型内に充填することによ
り行なえる。この鋳造を種々のタイプの保護雰囲気中、例えば保護ガス中または
活性ガス中で行なうことにより、固溶硬化作用を誘起して高靭性材料と高硬さ材
料との間の遷移をより緩やかにすることができる。

【００６３】本発明の技術をいわゆる鉄基複合材料部材の製造に適用することは、靭性と硬
さ、あるいは靭性と耐摩耗性とを兼備する必要がある種々の用途では非常に有用
である。この方法による複合材料の製造技術は、後工程の機械加工に関しても非
常に意味がある。例えば、ポンプホイールのホイールセンターを被削性の良い工
具鋼で作り、ポンプホイールの残りの部分を本発明の炭化物鋼で作る、といった
ことが可能である。同様に、例えばスターラー（ポンプホイール／インペラー）
の「芯材」に高靭性高を用い、アブレシブ摩耗に曝される部分には本発明の炭化
物鋼を用いることもできる。

【００６４】軽合金の内部に強化材として炭化物鋼を鋳込むことができる。強化材の各部が
軽合金部材の縁部にまで入り込むことによって、耐摩耗性や耐力を高めることが
できる。この方法は、マルテンサイト鋼では鋳造時に焼鈍されてしまうので不可
能である。

【００６５】図１に、本発明による製造工程のフローチャートを示す。工程１では、鉄Ａと
安定化成分Ｂ（例えばシリコンおよび／またはマンガン）と炭素Ｃとから実質的
に成る母金属の溶湯を準備する。

【００６６】工程２では更に添加物を加える。工程２ａでは、溶解度制限成分Ｄ（例えばク
ロム）を添加する。母金属と合金成分Ｄとの溶湯を母合金と呼ぶが、既にある材
料が母合金に対応する成分Ａ〜Ｄから成る所望組成である場合には工程２ａを省
略できる。

【００６７】成分Ｄは、工程２ｂで添加する炭化物成分Ｅの溶解度を制限するために用いる
。炭化物成分Ｅは、例えばタングステン炭化物をコバルトで結合したものであり
、超硬合金製品の使用済材または損耗材の粉末または小片として添加することが
できる。

【００６８】工程２ｃでは、付加的な合金成分Ｆは例えばコバルトまたはニッケルであり、
上記のような優れた特性を備えており、必要に応じて添加できる。もちろん、以
上の各工程で添加した成分は溶湯中に溶解してしまうので、工程２ａ〜２ｃの順
序は決定的なものではなく、同時に行なってもよい。

【００６９】図１で説明した実施形態によれば、最終的な材料すなわち合金を、次の工程３
で鋳造する。冷却後に、材料は直ちに工程４で機械加工でき、工程５の最終的な
部材となる。

【００７０】図２は本発明の別の実施形態を示すものであり、図１の各工程の他に、工程２
ｄを追加したものである。工程２ｄで新たに行なう超接種工程では、鋳造の直前
に、最終的な材料の組成にとってかなり重要性の高い量の炭化物成分を、組成の
主体と成る成分に添加する。この添加量は、最終的な合金の１５質量％以下で、
望ましくは５質量％未満とすることができる。

【００７１】以上、本発明を望ましい実施形態について説明したが、特許請求の範囲の範囲
を逸脱することなく種々の変更が可能であることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による第１の方法のフローチャートである。

【図２】図２は、本発明による第２の方法のフローチャートであり、超接種法を含んで
いる。

【図３】図３は、本発明による材料の一実施形態についてのミクロ組織である。

【図４】図４は、本発明による材料で有利に作製される切削部品を示す。

【図５】図５は、本発明の種々の実施形態および公知の材料について耐摩耗性を示すグ
ラフである。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年８月２３日（２００２．８．２３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項３４】請求項２５〜３１のいずれか１項記載の合金の、鋳鉄溶湯
中に再溶解し該溶湯を鋳造する使用。

【手続補正書】

【提出日】平成１５年１月２３日（２００３．１．２３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２２Ｄ 19/00 Ｂ２２Ｄ 19/00 Ｗ 19/06 19/06 Ｚ 27/04 27/04 Ｄ 27/20 27/20 ＣＣ２２Ｃ 37/08 Ｃ２２Ｃ 37/08 Ａ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ストホル，ヤン−エリックスウェーデン国，エス−224 68 ルンド，ソルブイェルスベーゲン２Ｆターム(参考） 4E093 LC10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高耐摩耗性を備えた合金を製造する方法であって、下記の工
程：鉄（Ａ）および炭素（Ｃ）を含む既存の母金属を溶解する工程、得られた母金属溶湯にタングステン炭化物（Ｅ）を含む超硬合金片を添加する
工程、ここで、該タングステン炭化物（Ｅ）は該母金属溶湯中に拡散により溶解
する、上記溶湯にクロム（Ｄ）を添加する工程、このクロムは、炭化物を形成し、該
溶湯へのタングステン炭化物（Ｅ）の溶解度を制御し、クロム自体はタングステ
ン炭化物（Ｅ）中には溶解しない、溶湯を鋳造する工程、ここで、クロム（Ｄ）を基材とする炭化物構造を有する
合金を形成し、タングステンが上記クロム炭化物構造の結晶格子中に置換型で固
溶する、を含む方法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、上記の超硬合金片は、タング
ステン炭化物を含む超硬合金の損耗材として上記溶湯中に添加することを特徴と
する方法。
【請求項３】請求項２記載の方法において、上記超硬合金片は、超硬合金
製切削工具インサートの損耗材であることを特徴とする方法。
【請求項４】請求項１記載の方法において、上記超硬合金片は、超硬合金
製造過程で発生した、タングステン炭化物（Ｅ）を含む廃材として上記溶湯中に
添加することを特徴とする方法。
【請求項５】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記超
硬合金片は、寸法が４０ｍｍ未満であり、タングステン炭化物（Ｅ）の粒径が１
０μｍ以下であることを特徴とする方法。
【請求項６】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記溶
湯の凝固後におけるタングステン炭化物（Ｅ）の未溶解粒は粒径が１０μｍ以下
であることを特徴とする方法。
【請求項７】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記タ
ングステン炭化物（Ｅ）が、上記溶湯中に溶解する前に、金属質物質と結合し、
これにより母材より低い融点で溶解を起こすことを特徴とする方法。
【請求項８】請求項７記載の方法において、上記タングステン炭化物（Ｅ
）が結合する上記金属質物質がコバルトであることを特徴とする方法。
【請求項９】請求項１記載の方法において、上記クロム（Ｄ）が最終的な
合金の耐食性を高めることを特徴とする方法。
【請求項１０】請求項１記載の方法において、上記クロム（Ｄ）が、溶融
状態において、上記溶湯の融点を低下させ且つ上記溶湯の表面張力を低下させる
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記
母金属が、安定化用および補足用の合金成分としてＳｉおよびＭｎを含有するこ
とを特徴とする方法。
【請求項１２】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記
母金属が白鋳鉄であることを特徴とする方法。
【請求項１３】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、溶解
炉内の上記溶湯に、上記タングステン炭化物（Ｅ）を、最終的な材料の５質量％
より多い分量で添加して溶解させることを特徴とする方法。
【請求項１４】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記
タングステン炭化物（Ｅ）を、最終的な材料の１５質量％未満の分量で、鋳造の
直前に超接種法により、上記溶融合金に添加することを特徴とする方法。
【請求項１５】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記
タングステンが、最終的な材料中に５〜４０質量％の分量で含有されることを特
徴とする方法。
【請求項１６】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、付加
的な合金成分（Ｆ）を上記溶湯に添加し、この付加的な合金成分（Ｆ）が該溶湯
中への上記タングステン炭化物（Ｅ）の溶解を促進することを特徴とする方法。
【請求項１７】請求項１６記載の方法において、上記付加的な合金成分（
Ｆ）が炭素の親和力を低下させることを特徴とする方法。
【請求項１８】請求項１７記載の方法において、上記付加的な合金成分（
Ｆ）が、上記溶融合金に容易に溶解し、最終的な材料の最終的な使用特性に影響
しないことを特徴とする方法。
【請求項１９】請求項１７記載の方法において、上記付加的な合金成分（
Ｆ）が、鋳造後に準安定状態になって最終的な材料の焼入れ硬化性を高める作用
をすることを特徴とする方法。
【請求項２０】請求項１６〜１９に記載の方法において、上記付加的な合
金成分（Ｆ）が、コバルトまたはニッケルを含んで成ることを特徴とする方法。
【請求項２１】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、最終
的な材料が、複合材料の製造において、芯材上へのダイキャスト鋳造または鋳包
み鋳造に用いられることを特徴とする方法。
【請求項２２】請求項２１記載の方法において、鋳包み鋳造の際に、保護
ガスまたは活性ガスを添加して、固溶硬化作用を得ることを特徴とする方法。
【請求項２３】請求項２１記載の方法において、下記の工程：鋳包み鋳造の前に、上記芯材を誘導加熱する工程、シェルモールド内に鋳包み鋳造する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、最終
的な材料で作られた製品がリサイクルプロセスに用いられ、それにより母合金の
溶湯中に添加され溶解されることを特徴とする方法。
【請求項２５】質量％で、１〜５％の炭素、２〜４０％のタングステン、
１０〜４０％のクロム、および残部の鉄およびその他の成分を含み、クロムが合
金中の炭化物構造を形成し、タングステンが上記クロム炭化物構造の結晶格子中
に実質的に溶解している耐摩耗性鋳鉄基合金。
【請求項２６】請求項２５記載の耐摩耗性合金において、上記その他の成
分として、質量％で、０．５〜２％のシリコン、０．３〜１０％のマンガン、０
〜７％のニッケル、０〜２．５％のチタン、０〜５％のモリブデン、および０．
１〜１５％のコバルトを含むことを特徴とする合金。
【請求項２７】請求項２５記載の耐摩耗性合金において、質量％で、２〜
３．５％の炭素、５〜２０％のタングステン、２０〜３０％のクロム、および残
部の鉄およびその他の合金成分を含むことを特徴とする合金。
【請求項２８】請求項２５記載の耐摩耗性合金において、上記その他の成
分として、質量％で、０．８〜１．２％のシリコン、０．４〜２％のマンガン、
０．８〜２％のニッケル、０．２〜０．５％のチタン、０〜１％のモリブデン、
および０．５〜５％のコバルトを含むことを特徴とする合金。
【請求項２９】請求項２５記載の耐摩耗性合金において、上記その他の成
分が、質量％で、０〜５％であることを特徴とする合金。
【請求項３０】請求項２５記載の耐摩耗性合金において、上記その他の成
分として、シリコン、マンガン、ニッケル、チタン、モリブデンまたはコバルト
のいずれかを含むことを特徴とする合金。
【請求項３１】質量％で、２．５〜３．５％の炭素、８〜１２％のタング
ステン、２０〜２８％のクロム、および残部の鉄およびその他の合金成分を含み
、クロムが合金中の炭化物構造を形成し、タングステンが上記炭化物構造の結晶
格子中に実質的に溶解してい耐摩耗性鋳鉄基合金。
【請求項３２】請求項２５〜３１のいずれか１項記載の合金の、切削工具
（４０）の製造への使用。
【請求項３３】請求項３２記載の使用において、上記切削工具がグラニュ
レータナイフ（４０）であることを特徴とする使用。
【請求項３４】請求項２５〜３１のいずれか１項記載の合金の、鋳鉄溶湯
中に再溶解し該溶湯を鋳造する使用。