JP2015067868A - Tungsten heat resistant alloy, friction agitation joint tool, and production method - Google Patents

Tungsten heat resistant alloy, friction agitation joint tool, and production method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat resistant alloy for plastic working capable of satisfying physical properties such as proof and hardness coping with a higher melting point of an object to be worked.SOLUTION: The tungsten heat resistant alloy of the invention comprises: a first phase mainly formed of W; a second phase mainly formed of carbonitride of at least one kind of Ti, Zr, Hf; a third phase disposed between the first phase and the second phase and having solid solutions of W and carbonitride of at least one kind of Ti, Zr, Hf; and inevitable impurities as a balance. A content of the carbonitride is equal to or more than 5 volume% and less than 30 volume%.

Description

本発明は、高温環境下で用いられる塑性加工用工具、特に摩擦攪拌接合工具に適したタングステン耐熱合金とそれを用いた摩擦攪拌接合工具、およびタングステン耐熱合金の製造方法に関する。   The present invention relates to a tungsten heat resistant alloy suitable for a plastic working tool used in a high temperature environment, particularly a friction stir welding tool, a friction stir welding tool using the same, and a method for producing a tungsten heat resistant alloy.

近年、熱間押出用ダイス、継目無製管用ピアサープラグ、射出成形用ホットランナノズル、などの高温環境下で用いられる塑性加工用工具の長寿命化に適する耐熱合金が要求されている。   In recent years, there has been a demand for heat-resistant alloys suitable for extending the life of plastic working tools used in high-temperature environments, such as hot extrusion dies, seamless pipe piercer plugs, and injection molding hot runner nozzles.

特に近年開発の進みつつある摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding、以下FSWとも略す)に用いられる回転工具は、摩擦攪拌接合の適用範囲を拡大するため、高温強度および室温硬度の高い材料の開発が進んでいる。   In particular, rotary tools used for friction stir welding (hereinafter also abbreviated as FSW), which are being developed in recent years, have developed materials with high high-temperature strength and room temperature hardness in order to expand the application range of friction stir welding. It is out.

摩擦攪拌接合は、金属部材の接合部に回転工具を押し当て、その摩擦熱により軟化した被接合材を塑性流動させて接合する方法である。摩擦攪拌接合は既に、アルミニウム、マグネシウムなどの低融点、軟質材料の接合において実用化が進み適用範囲が拡大しつつある。しかし現在は、より高融点、硬質な被接合材への適用を図るために、高温強度、耐磨耗性を向上させた実用寿命を有する工具の開発が求められている。   Friction stir welding is a method in which a rotating tool is pressed against a joint portion of a metal member, and a material to be joined softened by the frictional heat is plastically flowed and joined. Friction stir welding has already been put into practical use in joining low melting point, soft materials such as aluminum and magnesium, and its application range is expanding. However, at present, there is a demand for the development of a tool having a practical life with improved high-temperature strength and wear resistance in order to be applied to a material to be bonded having a higher melting point and harder.

その理由として、FSWでは摩擦熱により被接合材を軟化させた際に、接合条件、被接合材による違いがあるものの、一般には工具の温度が被接合材の融点の70%前後にまで上昇することがあるためである。すなわち低融点のアルミニウムではこの温度が約400℃程度であるのに対し、鉄鋼材では1000〜1200℃に達するため、工具材質にはこの温度域においても被接合材を塑性流動させることが出来る高温強度、靭性および耐摩耗性が要求される。これは、FSW、FSJ(Friction Spot Joining、摩擦点接合)および摩擦攪拌応用技術に使用される工具に共通の課題である。   The reason is that in FSW, when the material to be joined is softened by frictional heat, the temperature of the tool generally rises to around 70% of the melting point of the material to be joined, although there are differences depending on the joining conditions and the material to be joined. Because there are things. That is, this temperature is about 400 ° C. for low melting point aluminum, whereas it reaches 1000 to 1200 ° C. for steel materials. Therefore, the tool material has a high temperature that can cause the material to be joined to plastically flow even in this temperature range. Strength, toughness and wear resistance are required. This is a common problem for tools used in FSW, FSJ (Friction Spot Joining) and friction stir application techniques.

また、摩擦撹拌接合工具や、熱間加工用工具に用いられる材料は、耐摩耗性と耐欠損性が求められるため、高温での強度や硬度だけではなく、靭性も必要とされる。これまで提案されている耐熱材料として、W、Mo系の耐熱合金が挙げられるが、発明者らもMoにTiCNを添加することによって優れた高温特性を示す合金が得られることを見出し、鋭意開発した結果、TiCNの添加量を調整することによって、硬度、強度と靭性のバランスのとれた材料を開発することができた(非特許文献1)。しかし、W、Mo系耐熱合金が工具材料として使用される用途は、加工対象として鉄系材料を想定しているケースが多く、特に炭素鋼やステンレス鋼は変形抵抗が高いため難加工材として位置づけられる。鉄系の材料を熱間塑性加工する場合、工具の使用中の温度が1000℃前後になるため、Mo系母材の工具を使用すると被処理材に主として含まれるFeと工具に主として含まれるMoとが反応し、Fe−Mo系の金属間化合物が工具表面に形成される問題がある。中でもFeMo(μ相)は、硬くて脆い性質があることが知られており(非特許文献2)、工具表面に形成されるとこの金属間化合物相が脱落するため、工具摩耗量を増大させる原因となり得る。一方、同様に高融点材料として知られているWは、工具使用温度域では金属間化合物を形成しないことが状態図からわかるため、Mo系合金を工具材料として用いた場合には金属間化合物を形成する問題があるが、W系合金を用いることによってその問題を解決することができる。 In addition, since materials used for friction stir welding tools and hot working tools are required to have wear resistance and fracture resistance, not only strength and hardness at high temperatures but also toughness is required. The heat-resistant materials that have been proposed so far include W and Mo-based heat-resistant alloys, but the inventors have also found that an alloy exhibiting excellent high-temperature characteristics can be obtained by adding TiCN to Mo, and earnestly developed it. As a result, by adjusting the amount of TiCN added, it was possible to develop a material with a balance of hardness, strength and toughness (Non-Patent Document 1). However, W and Mo heat-resistant alloys are used as tool materials in many cases assuming iron-based materials as processing objects, and carbon steel and stainless steel are particularly difficult to process due to their high deformation resistance. It is done. When hot plastic working of iron-based materials, the temperature during use of the tool is around 1000 ° C., so when using a Mo-based base tool, Fe mainly contained in the workpiece and Mo mainly contained in the tool React with each other to form Fe-Mo intermetallic compounds on the tool surface. Among them, Fe 7 Mo 6 (μ phase) is known to have hard and brittle properties (Non-patent Document 2), and when formed on the tool surface, this intermetallic compound phase falls off, so the amount of tool wear Can be a cause of increase. On the other hand, W, which is also known as a high melting point material, shows from the state diagram that it does not form an intermetallic compound in the tool operating temperature range. Therefore, when a Mo-based alloy is used as a tool material, an intermetallic compound is used. There is a problem of formation, but the problem can be solved by using a W-based alloy.

高融点材料を摩擦撹拌接合するための工具として、W基合金は既に着目されており、W-Re合金や硬質材料との複合材料であるW−Re材料(特許文献1)、W−PcBN(特許文献2)、などが開発されている。また他には、Co基合金(特許文献3、4)、W−TiCN超硬合金(特許文献5、6)、Ni基超合金(特許文献7)、Ir合金(特許文献8)シリコンナイトライド(特許文献9)の摩擦撹拌接合工具が開発されている。   As a tool for friction stir welding of high melting point materials, W-based alloys have already attracted attention. W-Re materials (Patent Document 1) and W-PcBN (composite materials with W-Re alloys and hard materials) Patent Document 2) and the like have been developed. Other examples include Co-based alloys (Patent Documents 3 and 4), W-TiCN cemented carbide (Patent Documents 5 and 6), Ni-based superalloy (Patent Document 7), Ir alloy (Patent Document 8) silicon nitride. The friction stir welding tool of (Patent Document 9) has been developed.

特開2004−358556号公報JP 2004-358556 A 特表2003−532543号公報Japanese translation of PCT publication No. 2003-532543 国際公開第2007/032293号明細書International Publication No. 2007/032293 Specification 特開2011−62731号公報JP 2011-62731 A 特開平06−279911号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-279911 特開昭57−47845号公報JP 57-47845 A 特開2009−255170号公報JP 2009-255170 A 特開2004−90050号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-90050 国際公開第2005/105360号明細書International Publication No. 2005/105360 Specification

粉体粉末冶金協会講演論文要綱集(平成25年度春季大会)、粉体粉末冶金協会、2013年、25頁Powder and Powder Metallurgy Association Lecture Summary (2013 Spring Meeting), Powder and Powder Metallurgy Association, 2013, page 25 Intermetallics, Vol. 15 (2007) 1573-1581Intermetallics, Vol. 15 (2007) 1573-1581 Phase Diagrams of Binary Tungsten Alloys, Indian Institute of Metal(1991) 89Phase Diagrams of Binary Tungsten Alloys, Indian Institute of Metal (1991) 89

上記のように、接合対象が鉄系材料である摩擦攪拌接合工具材料として、種々の材料が開発されている。   As described above, various materials have been developed as friction stir welding tool materials whose joining objects are iron-based materials.

しかしながら、上記材料には以下のような問題があった。   However, the above materials have the following problems.

まず、W−Reは靭性に優れるが摩耗しやすく、PcBNは耐摩耗性に優れるが折損しやすい欠点があった。W−Re/PcBNは耐欠損性と耐摩耗性を両立した非常に優れた材料であるが、高価であるため、実用性に乏しいという問題があった。   First, W-Re is excellent in toughness but easy to wear, and PcBN has a defect that it is excellent in wear resistance but easily breaks. W-Re / PcBN is a very excellent material having both fracture resistance and wear resistance, but it is expensive and has a problem of poor practicality.

一方、Co基合金はチタン合金の接合には有効であるが、ステンレスの接合には耐摩耗性が十分ではなく適用できないという問題があった。   On the other hand, Co-based alloys are effective for joining titanium alloys, but there is a problem that they cannot be applied to stainless steel joints because of insufficient wear resistance.

またNi基超合金は、高温での硬度が低いため耐摩耗材料として不十分であった。   Ni-base superalloys are insufficient as wear-resistant materials because of their low hardness at high temperatures.

さらに、Ir合金は、高融点合金原料のIrが高価である点で実用化が難しいという問題があった。   Furthermore, the Ir alloy has a problem that it is difficult to put it to practical use because Ir, which is a high melting point alloy raw material, is expensive.

一方、W−TiCN超硬合金は切削工具としての使用が主であり、脆性材料であるため、高融点材料を接合する用途には不向きであった。   On the other hand, W-TiCN cemented carbide is mainly used as a cutting tool and is a brittle material, so it is unsuitable for use in joining high melting point materials.

さらに、シリコンナイトライドは、ステンレスの薄板の接合には効果があるが、5mmを超える厚板を接合する場合には、プローブ長が長くなるため折損する可能性が高いという問題があった。   Further, silicon nitride is effective for joining stainless steel thin plates, but when joining thick plates exceeding 5 mm, there is a problem that the probe length is long and the possibility of breakage is high.

このように、従来の摩擦攪拌接合工具材料は、鉄系材料を接合対象とした場合、強度と実用性を両立させた構造はないのが現状であった。   As described above, the conventional friction stir welding tool material does not have a structure having both strength and practicality when iron-based materials are to be joined.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は加工対象物に対応した耐力や硬度等の物性と実用性の双方を充足する、塑性加工用工具用のタングステン耐熱合金を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a tungsten heat-resistant alloy for plastic working tools that satisfies both physical properties such as proof stress and hardness corresponding to the workpiece and practicality. There is.

上記した課題を解決するため、本発明者は、W−TiCN合金について再度検討した。   In order to solve the above-described problems, the inventor examined the W-TiCN alloy again.

上記の通り、WはMoに比べて脆い特性を持つため、Wに、同様に脆性材料である硬質粒子(TiCN)のみを添加して(特に高温での)高強度化、高硬度を達成するのは困難と考えられていた。   As described above, since W has a brittle characteristic compared to Mo, only hard particles (TiCN), which is also a brittle material, is added to W to achieve high strength and high hardness (especially at high temperatures). Was considered difficult.

しかしながら、発明者らは、硬質粒子としてTi、Zr、Hfの炭窒化物を所定の割合でWに添加することにより、脆性を極端に損なうことなく、かつMoの場合よりもさらに優れた特性を併せ持つ耐熱材料を得られることを見出し、本発明をするに至った。   However, the inventors added Ti, Zr, and Hf carbonitrides as hard particles to W at a predetermined ratio, and thus the characteristics superior to those of Mo were obtained without significantly impairing brittleness. The inventors have found that a heat-resistant material can be obtained, and have come to the present invention.

即ち、本発明の第1の態様は、Wを主成分とする第1の相と、Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする第2の相と、前記第2の相の周囲に設けられ、WとTi、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物固溶体を有する第3の相と、を有し、残部が不可避不純物であり、前記炭窒化物の含有量が5体積%以上、30体積%未満である、タングステン耐熱合金である。   That is, the first aspect of the present invention includes a first phase mainly composed of W, a second phase mainly composed of at least one carbonitride of Ti, Zr, and Hf, and the second phase. And a third phase having W and at least one carbonitride solid solution of Ti, Zr, and Hf, the balance being inevitable impurities, and the carbonitride content being 5 It is a tungsten heat-resistant alloy having a volume% or more and less than 30% by volume.

本発明の第2の態様は、第1の態様に記載のタングステン合金を用いた摩擦撹拌接合工具である。   A second aspect of the present invention is a friction stir welding tool using the tungsten alloy described in the first aspect.

本発明の第3の態様は、第2の態様に記載の摩擦撹拌接合工具の表面に、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を含む被膜層を有する、摩擦撹拌接合工具である。   In the third aspect of the present invention, the surface of the friction stir welding tool according to the second aspect is selected from the group consisting of periodic table IVa, Va, VIa, group IIIb elements and group IVb elements other than C. A friction stir welding tool having a coating layer containing carbide, nitride or carbonitride of at least one element or at least one element selected from these element groups.

本発明の第4の態様は、第2の態様または第3の態様に記載の摩擦撹拌接合工具を有する、摩擦撹拌接合装置である。   A fourth aspect of the present invention is a friction stir welding apparatus having the friction stir welding tool according to the second aspect or the third aspect.

本発明の第5の態様は、W粉末と炭窒化物粉末を混合する(a)と、前記(a)により得られた混合粉を室温中で圧縮成形する(b)と、前記(b)により得られた成形体を少なくとも水素あるいは窒素を含む雰囲気にて、1800℃以上、2000℃以下で加熱して焼結する(c)と、を具える、第1の態様に記載のタングステン耐熱合金を製造する製造方法である。   According to a fifth aspect of the present invention, (a) mixing W powder and carbonitride powder, compression-molding the mixed powder obtained in (a) at room temperature (b), and (b) The tungsten heat-resistant alloy according to the first aspect, which comprises: (c) heating and sintering the molded body obtained by 1) at 1800 ° C. or more and 2000 ° C. or less in an atmosphere containing at least hydrogen or nitrogen It is a manufacturing method which manufactures.

本発明によれば、従来よりも加工対象物の高融点化に対応した耐力や硬度等の物性と実用性の双方を充足する、塑性加工用工具用のタングステン耐熱合金を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the tungsten heat-resistant alloy for tools for plastic working which satisfies both physical properties, such as proof stress and hardness corresponding to the high melting point of a workpiece, and practicality compared with the former can be provided.

本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金中の各相の模式図である。It is a schematic diagram of each phase in the tungsten heat-resistant alloy which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金の電子顕微鏡による組織写真を模した図であり、淡色部が第1の相1、濃色部が第2の相2、中間色部が第3の相3を示している。It is the figure which imitated the structure photograph by the electron microscope of the tungsten heat-resistant alloy which concerns on embodiment of this invention, a light color part is the 1st phase 1, a dark color part is the 2nd phase 2, and an intermediate color part is the 3rd phase 3. Is shown. 本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金中の炭窒化物の粒径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the carbonitride in the tungsten heat-resistant alloy which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金中の炭窒化物の粒径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the carbonitride in the tungsten heat-resistant alloy which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the friction stir welding tool which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合工具101を示す側面図である。It is a side view which shows the friction stir welding tool 101 which concerns on embodiment of this invention. 3点曲げ試験の概略を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline of a three-point bending test. 3点曲げ試験の概略を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline of a three-point bending test. 本発明の実施例に係る摩擦攪拌接合工具を形成するタングステン耐熱合金のX線回折結果を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction result of the tungsten heat-resistant alloy which forms the friction stir welding tool which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る摩擦攪拌接合工具を形成するタングステン耐熱合金の断面の拡大写真を模した図である。It is the figure which modeled the enlarged photograph of the cross section of the tungsten heat-resistant alloy which forms the friction stir welding tool which concerns on the Example of this invention.

以下、図面を参照して本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments suitable for the invention will be described in detail with reference to the drawings.

<タングステン耐熱合金組成>
まず、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具(塑性加工用工具)に用いられるタングステン耐熱合金の組成について説明する。
<Tungsten heat-resistant alloy composition>
First, the composition of the tungsten heat-resistant alloy used for the friction stir welding tool (plastic working tool) according to the embodiment of the present invention will be described.

図1は、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金中の各相の模式図であり、図2は、前記タングステン耐熱合金の電子顕微鏡による組織写真である。   FIG. 1 is a schematic view of each phase in a tungsten heat-resistant alloy according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a structure photograph of the tungsten heat-resistant alloy by an electron microscope.

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具に用いられるタングステン耐熱合金は、図1および図2に示すように、Wを主成分とする第1の相1と、Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする第2の相2と、第2の相の周囲に設けられ、WとTi、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物固溶体を有する第3の相3と、を有し、残部が不可避不純物であり、炭窒化物の含有量が5体積%以上、30体積%未満である、タングステン耐熱合金である。なお、図1では炭窒化物がTiCNの場合を例示しており、図2はTiCNの含有量を26.8体積%とした場合を例示している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the tungsten heat-resistant alloy used in the friction stir welding tool according to the embodiment of the present invention includes a first phase 1 mainly composed of W and at least one of Ti, Zr, and Hf. A second phase 2 mainly composed of two carbonitrides, a third phase 3 provided around the second phase and having at least one carbonitride solid solution of W and Ti, Zr, and Hf, The balance is an inevitable impurity, and the content of carbonitride is 5% by volume or more and less than 30% by volume. 1 illustrates the case where the carbonitride is TiCN, and FIG. 2 illustrates the case where the content of TiCN is 26.8% by volume.

また、図1および図2では、第3の相3は、第2の相2の周囲を覆うように形成される。   In FIGS. 1 and 2, the third phase 3 is formed so as to cover the periphery of the second phase 2.

以下、各相および各相を構成する材料について説明する。
<第1の相>
第1の相はWを主成分とする相である。ここでいう主成分とは最も含有量が多い成分であることを意味する(以下同様)。
Hereinafter, each phase and materials constituting each phase will be described.
<First phase>
The first phase is a phase mainly composed of W. The main component here means a component having the highest content (the same applies hereinafter).

具体的には、第1の相は例えばWと不可避不純物で構成されるが、後述する炭窒化物の含有量によっては、第1の相に炭窒化物を構成する元素が固溶している場合もある。   Specifically, the first phase is composed of, for example, W and inevitable impurities, but depending on the content of carbonitride described later, the elements constituting the carbonitride are dissolved in the first phase. In some cases.

第1の相におけるWは高融点、高硬度でかつ高温における強度に優れ、耐熱合金に金属としての物性をもたせるために、必須である。   W in the first phase is indispensable for having a high melting point, high hardness, excellent strength at high temperature, and imparting physical properties as a metal to the heat-resistant alloy.

なお、合金中のWの平均結晶粒径は0.3μm以上、20μm以下であるのが望ましい。これは、平均結晶粒径は0.3μm未満、あるいは20μmを超えると、合金の密度が低くなり過ぎて硬度等の特性を評価できないためである。   The average crystal grain size of W in the alloy is desirably 0.3 μm or more and 20 μm or less. This is because if the average crystal grain size is less than 0.3 μm or exceeds 20 μm, the density of the alloy becomes too low to evaluate characteristics such as hardness.

<第2の相>
第2の相は、Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする相であり、具体的には、例えば上記した炭窒化物と不可避不純物で構成される。
<Second phase>
The second phase is a phase mainly composed of at least one of Ti, Zr, and Hf carbonitride, and specifically includes, for example, the above-described carbonitride and inevitable impurities.

第2の相におけるTi、Zr、Hfの炭窒化物は、Wに添加することにより、後述するように、結晶粒が微細化されて、室温硬度、および高温での0.2%耐力を高めることができるため、必須である。   When added to W, the carbonitrides of Ti, Zr, and Hf in the second phase, as will be described later, crystal grains are refined to increase room temperature hardness and 0.2% yield strength at high temperatures. It is essential because it can.

なお、炭窒化物の代表的なものとしてはTiCNが挙げられるが、TiCNの組成としては、例えばTiC1−x(x=0.3〜0.7)となるものが挙げられ、具体的にはTiC0.30.7、TiC0.50.5、TiC0.70.3などが挙げられる。 A typical carbonitride includes TiCN, and the composition of TiCN includes, for example, TiC x N 1-x (x = 0.3 to 0.7). thereof include TiC 0.3 N 0.7, TiC 0.5 N 0.5, like TiC 0.7 N 0.3.

この中で代表的なものとしては、TiC0.50.5が知られているが、その他の組成の炭窒化チタン、炭窒化ジルコニウム、炭窒化ハフニウムも、TiC0.50.5と同様に結晶粒の微細化の効果が得られる。 Among them, TiC 0.5 N 0.5 is known as a typical one, but titanium carbonitride, zirconium carbonitride, and hafnium carbonitride having other compositions are also TiC 0.5 N 0.5. The effect of crystal grain refinement can be obtained in the same manner as above.

なお、合金中の炭窒化物(例えばTiCN)の含有量が5体積%未満の場合、室温硬度、高温での0.2%耐力を高くする効果が得られず、30体積%以上の場合、靭性が低下するため、上記工具として使用した場合に欠損したり亀裂を生じたりするという不具合が生じる。また、30体積%以上の場合、抗析力がMo−TiCNよりも低下するため、モリブデン耐熱合金に対する優位性が失われる。   In addition, when the content of carbonitride (for example, TiCN) in the alloy is less than 5% by volume, the effect of increasing the 0.2% proof stress at room temperature hardness and high temperature cannot be obtained. Since the toughness is lowered, there is a problem in that the toughness is lost or cracked when used as the tool. On the other hand, when the content is 30% by volume or more, the anti-segregation force is lower than that of Mo-TiCN, so the superiority to the molybdenum heat-resistant alloy is lost.

そのため、合金中の炭窒化物の含有量は5体積%以上、30体積%未満であることが好ましい。   Therefore, the carbonitride content in the alloy is preferably 5% by volume or more and less than 30% by volume.

なお、合金中の炭窒化物の含有量が15体積%を越えると、延性が低下し、脆性破断を起こし易くなるため、合金中の炭窒化物の含有量は5体積%以上、15体積%以下であることが、より好ましく、さらに好ましくは5体積%以上、8体積%以下である。ただし、FSJ用の工具のように、延性より硬度が重要な工具に本発明を適用する場合は、合金中の炭窒化物の含有量が15体積%を越える合金も適用可能である。   In addition, when the content of carbonitride in the alloy exceeds 15% by volume, ductility is lowered and brittle fracture is likely to occur. Therefore, the content of carbonitride in the alloy is 5% by volume or more and 15% by volume. More preferably, it is 5 volume% or more and 8 volume% or less. However, when the present invention is applied to a tool in which hardness is more important than ductility, such as a tool for FSJ, an alloy in which the content of carbonitride in the alloy exceeds 15% by volume is also applicable.

<第3の相>
第3の相は第2の相の周囲に形成される層であり、第1の相のWと第2の相の炭窒化物との固溶体を主成分とし、これと不可避不純物で構成される。
<Third phase>
The third phase is a layer formed around the second phase, and is mainly composed of a solid solution of W of the first phase and carbonitride of the second phase, and is composed of this and inevitable impurities. .

<不可避不純物>
本発明に係る摩擦攪拌接合工具を形成するタングステン耐熱合金は、上記した必須の成分に加え、不可避不純物を含む場合がある。
<Inevitable impurities>
The tungsten heat-resistant alloy forming the friction stir welding tool according to the present invention may contain inevitable impurities in addition to the above-described essential components.

不可避不純物としては、Fe、Ni、Cr、などの金属成分や、C、N、Oなどがある。   Inevitable impurities include metal components such as Fe, Ni, and Cr, and C, N, and O.

<TiCNの粒径>
次に、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具を形成する焼結後のタングステン耐熱合金中の炭窒化物の粒径(第2の相の粒径)について図3および図4を参照して説明する。
<TiCN particle size>
Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 4 regarding the particle size (second phase particle size) of carbonitride in the sintered tungsten heat-resistant alloy forming the friction stir welding tool according to the embodiment of the present invention. I will explain.

図3および図4は本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金中の炭窒化物の粒径分布を示す図である。   3 and 4 are diagrams showing the particle size distribution of carbonitrides in the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention.

ここでは炭窒化物としてTiCNを例に説明するが、炭窒化ジルコニウム、炭窒化ハフニウム等も同様である。   Here, TiCN is described as an example of carbonitride, but the same applies to zirconium carbonitride, hafnium carbonitride, and the like.

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具を形成する焼結後のタングステン耐熱合金中のTiCNの粒径は、平均粒径が0.1μm以上、10μm以下であるのが好ましい。これは、以下の理由によるものである。   The average particle size of TiCN in the sintered tungsten heat-resistant alloy forming the friction stir welding tool according to the embodiment of the present invention is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. This is due to the following reason.

まず、平均粒径を0.1μm以上とする理由について説明する。
仮に、平均粒径を0.1μmよりも小さくする場合、配合するTiCN粉末の平均粒径を0.1μmより小さくする必要がある。しかし、このような微粒子は一般的に凝集し易くなる傾向があり、凝集2次粒子は焼結により顕著な粗大粒を形成し易くなり、また気孔の生成も促し易い。このような顕著な粗大粒子を形成させないためには、焼結温度を低下させる必要があるが、焼結温度の低下は焼結体密度の低下を引き起こしてしまう。
First, the reason why the average particle size is 0.1 μm or more will be described.
If the average particle size is made smaller than 0.1 μm, the average particle size of the TiCN powder to be blended needs to be made smaller than 0.1 μm. However, such fine particles generally tend to be easily aggregated, and the aggregated secondary particles are liable to form remarkable coarse particles by sintering and also facilitate the generation of pores. In order not to form such remarkable coarse particles, it is necessary to lower the sintering temperature. However, the lowering of the sintering temperature causes a decrease in the density of the sintered body.

そのため、TiCNの平均粒径は0.1μm以上であるのが好ましい。   Therefore, the average particle size of TiCN is preferably 0.1 μm or more.

次に、平均粒径を10μm以下とする理由について説明する。
仮にタングステン耐熱合金中のTiCNの平均粒径を10μmよりも大きくする場合、粗粒のTiCNが焼結を阻害して焼結歩留まりが極端に悪くなり、工業的とはいえなくなる恐れがある。さらに焼結できたとしても粗粒のTiCN粒子が破壊の起点となって、機械的強度を低下させる恐れがある。
Next, the reason why the average particle size is 10 μm or less will be described.
If the average particle size of TiCN in the tungsten heat-resistant alloy is larger than 10 μm, the coarse TiCN inhibits the sintering and the sintering yield becomes extremely poor, which may not be industrial. Further, even if sintering is possible, coarse TiCN particles may be the starting point of fracture, which may reduce the mechanical strength.

そのため、TiCNの平均粒径は10μm以下であるのが好ましい。   Therefore, the average particle size of TiCN is preferably 10 μm or less.

また、焼結体の密度上昇と均一性の確保という観点からは、TiCNの平均粒径は0.1μm以上、3μm以下であることがより好ましい。   Further, from the viewpoint of increasing the density of the sintered body and ensuring uniformity, the average particle size of TiCN is more preferably 0.1 μm or more and 3 μm or less.

なお、詳細は後述するが、ここでいう平均粒径とは、線インターセプト法で求めた値のことである。   In addition, although mentioned later for details, the average particle diameter here is the value calculated | required by the line intercept method.

また、合金中のTiCN粒は、図3に示すように、0.1μm以上、5.0μm以下の粒子の個数割合が合金中のTiCN粒全体の40%以上、60%以下の割合であるのが好ましい。これは、前述のように、TiCN粒の平均粒径は0.1μm以上、10μm以下であるのが好ましいが、ひとつのほぼ正規分布の粒度を示している場合、粒度分布がブロード過ぎると焼結体組織の不均一性、即ち焼結体部位に関し特性の不均一性につながる可能性があるためであり、一方、非常に均一な粒度の粉末は得られ難く、製造コストの面でデメリットがあるためである。   Further, as shown in FIG. 3, the TiCN grains in the alloy have a ratio of the number of particles of 0.1 μm or more and 5.0 μm or less of 40% or more and 60% or less of the entire TiCN grains in the alloy. Is preferred. As described above, it is preferable that the average particle size of TiCN particles is 0.1 μm or more and 10 μm or less. However, when the particle size distribution is too broad, it is sintered when the particle size distribution is too broad. This is because it may lead to non-uniform body structure, that is, non-uniform characteristics of the sintered body. On the other hand, it is difficult to obtain a powder with a very uniform particle size, which is disadvantageous in terms of manufacturing cost. Because.

さらに、TiCN粒は、微粒と粗粒を織り交ぜることにより、添加の効果をより高めることができる。具体的には、図4に示すように、粒径が0.1μm以上、3.5μm以下の粒子の個数割合が合金中のTiCN粒全体の20%以上、40%以下の割合であり、5.0μm以上、7.0μm以下の粒子の個数割合が合金中のTiCN粒全体の10%以上、20%以下の割合であるのがより好ましい。このような分布とすることにより、微粒側の粒径が0.1μm以上、3.5μm以下のTiCN粒は、主としてWの粒界に介在することにより、Wの粒界強度を高める効果に寄与する(効果A)。一方、粗粒側の粒径5.0μm以上、7.0μm以下のTiCN粒は、タングステン耐熱合金のバルク全体の硬度を高める効果に寄与する(効果B)。   Furthermore, the effect of addition can be further enhanced by interweaving fine grains and coarse grains with TiCN grains. Specifically, as shown in FIG. 4, the number ratio of particles having a particle size of 0.1 μm or more and 3.5 μm or less is a ratio of 20% or more and 40% or less of the entire TiCN grains in the alloy. It is more preferable that the number ratio of the particles of 0.0 μm or more and 7.0 μm or less is 10% or more and 20% or less of the entire TiCN grains in the alloy. By making such a distribution, TiCN grains having a grain size on the fine grain side of 0.1 μm or more and 3.5 μm or less mainly contribute to the effect of increasing the grain boundary strength of W by intervening in the grain boundary of W. (Effect A) On the other hand, TiCN grains having a grain size of 5.0 μm or more and 7.0 μm or less on the coarse grain side contribute to the effect of increasing the hardness of the entire tungsten heat-resistant alloy (effect B).

なお、粒径が0.1μm以上、3.5μm以下の粒子の個数割合が20%より低いと、粗粒の比率が高くなるため、効果Aが得られ難く、40%より高いと、微粒の比率が高すぎ、効果Bが得られ難いため、好ましくない。   If the number ratio of the particles having a particle size of 0.1 μm or more and 3.5 μm or less is lower than 20%, the ratio of coarse particles is increased, so that the effect A is difficult to be obtained. Since the ratio is too high and it is difficult to obtain the effect B, it is not preferable.

また、粒径が5.0μm以上、7.0μm以下の粒子の個数割合が10%より低いと、粗粒の比率が低くなるため、効果Bが得られ難く、20%より高いと、粗粒の比率が高くなり、効果Aが得られ難いため、好ましくない。   Further, if the number ratio of the particles having a particle size of 5.0 μm or more and 7.0 μm or less is lower than 10%, the ratio of coarse particles becomes low, so that the effect B is difficult to be obtained. This is not preferable because the ratio of the above increases and it is difficult to obtain the effect A.

さらに、合金中の炭窒化物の最大結晶粒径は1μm以上、30μm以下とするのが望ましい。これは、最大結晶粒径は1μm未満、あるいは30μmを越えると、合金の密度が低くなり過ぎて硬度等の特性を評価できないためである。   Furthermore, the maximum crystal grain size of the carbonitride in the alloy is desirably 1 μm or more and 30 μm or less. This is because if the maximum crystal grain size is less than 1 μm or exceeds 30 μm, the density of the alloy becomes too low to evaluate characteristics such as hardness.

<物性>
次に、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具用のタングステン耐熱合金の物性について説明する。
<Physical properties>
Next, the physical properties of the tungsten heat-resistant alloy for friction stir welding tools according to the embodiment of the present invention will be described.

本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金の強度としては、1200℃における0.2%耐力(曲げ相当)が400MPa以上、かつ室温(ここでは20℃、以下同様)におけるビッカース硬度(室温硬度)が500Hv以上である。   As the strength of the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention, the 0.2% proof stress (equivalent to bending) at 1200 ° C. is 400 MPa or more, and the Vickers hardness (room temperature hardness) at room temperature (here 20 ° C., the same applies hereinafter). 500 Hv or more.

タングステン耐熱合金をこのような物性にすることにより、タングステン耐熱合金を例えばFe系、FeCr系、Ti系用等の摩擦攪拌接合部材のような、高融点、高強度が要求される耐熱部材に適用することができる。   By making the tungsten heat-resistant alloy with such physical properties, the tungsten heat-resistant alloy is applied to heat-resistant members that require high melting point and high strength, such as friction stir welding members for Fe-based, FeCr-based, Ti-based, etc. can do.

なお、ここでいう0.2%耐力(曲げ相当)とは、曲げ試験を行い、永久ひずみ量が0.2%となる場合の応力を示すものであり、以下「0.2%耐力(曲げ相当)」と記載する。   The 0.2% proof stress (equivalent to bending) here refers to the stress when the permanent strain amount is 0.2% after a bending test. Equivalent) ”.

なお、本発明がタングステン「耐熱」合金であるにも関わらず、室温硬度を条件にしているのは、以下の理由によるものである。   In spite of the fact that the present invention is a tungsten “heat-resistant” alloy, the room temperature hardness is a condition for the following reasons.

本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金を摩擦攪拌接合工具として用いる場合、工具の摩耗量が工具材料の硬度と密接な関係にあり、硬度が高いほど工具摩耗量を少なくできる効果がある。摩擦攪拌接合の場合、ツールを挿入する際に工具への高い負荷が生じるため、挿入時の摩耗が顕著に現れる。挿入時はまだ工具もワークも発熱が少なく、両者の温度も高くはなっていないため、工具の摩耗量は、室温の硬度に依存することとなる。   When the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention is used as a friction stir welding tool, the wear amount of the tool is closely related to the hardness of the tool material, and the higher the hardness, the more effective the tool wear amount can be reduced. In the case of friction stir welding, since a high load is applied to the tool when the tool is inserted, wear during insertion appears significantly. At the time of insertion, both the tool and the work still generate little heat, and the temperature of both is not high. Therefore, the wear amount of the tool depends on the hardness at room temperature.

また、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金は、摩擦攪拌接合工具そのものとして使用される場合もあるが、多くの場合は摩擦攪拌接合工具母材として使用され、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を含む被膜が表面に被覆され工具とされる。ここで、実際に工具として使用する場合、まず室温にて工具を接合対象材料に強く押し込みながら回転させ、摩擦熱により接合対象物の温度を上昇させる。よって、回転初期の母材の変形、破壊または母材と被覆膜との剥離がないように、母材の室温硬度が高い(500Hv以上である)ことが必要である。
以上がタングステン耐熱合金の条件である。
Further, the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention may be used as a friction stir welding tool itself, but in many cases, it is used as a friction stir welding tool base material, and a periodic table IVa, Va, VIa. Including at least one element selected from the group consisting of Group IIIb elements and Group IVb elements other than C, or a carbide, nitride or carbonitride of at least one element selected from these element groups A coating is coated on the surface to form a tool. Here, when actually used as a tool, first, the tool is rotated while being strongly pushed into the material to be joined at room temperature, and the temperature of the object to be joined is increased by frictional heat. Therefore, it is necessary that the base material has a high room temperature hardness (500 Hv or more) so that the base material is not deformed or broken at the initial stage of rotation or the base material and the coating film are not peeled off.
The above is the conditions for the tungsten heat-resistant alloy.

<製造方法>
次に、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金およびそれを用いた摩擦攪拌接合工具の製造方法について、図5を参照して説明する。
<Manufacturing method>
Next, a tungsten heat-resistant alloy according to an embodiment of the present invention and a method for producing a friction stir welding tool using the same will be described with reference to FIG.

本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金およびそれを用いた摩擦攪拌接合工具の製造方法については、上記した条件を満たす摩擦攪拌接合工具が製造できるものであれば、特に限定されるものではないが、図5に示すような方法を例示することができる。   The tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention and the method for producing a friction stir welding tool using the same are not particularly limited as long as the friction stir welding tool that satisfies the above conditions can be produced. A method as shown in FIG. 5 can be exemplified.

まず、原料粉末を所定の比率で混合して混合粉末を生成する(図5のS1)。   First, the raw material powder is mixed at a predetermined ratio to generate a mixed powder (S1 in FIG. 5).

原料としては、W粉末およびTiCN粉末(または炭窒化チタン、炭窒化ジルコニウム、炭窒化ハフニウム等の炭窒化物粉末)が挙げられるが、以下、各粉末の条件について、簡単に説明する。   Examples of the raw material include W powder and TiCN powder (or carbonitride powders such as titanium carbonitride, zirconium carbonitride, and hafnium carbonitride). The conditions of each powder will be briefly described below.

W粉末は純度99.99質量%以上、Fsss(Fisher Sub-Sieve Sizer)平均粒径0.1μm〜5.0μmのものを用いるのが好ましい。   The W powder preferably has a purity of 99.99% by mass or more and an Fss (Fisher Sub-Sieve Sizer) average particle size of 0.1 μm to 5.0 μm.

なお、ここでいうW粉末純度とは、JIS H 1403記載のタングステン材料の分析方法により得たものであり、Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、Si、Snの値を除いた金属純分を意味する。   In addition, W powder purity here is obtained by the analysis method of the tungsten material of JIS H1403, and is Al, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Pb, Si, Sn. It means the pure metal part excluding the value.

炭窒化物粉末は、純度99.9%以上、Fsss平均粒径0.1μm〜10.0μmのものを用いるのが好ましい。   The carbonitride powder preferably has a purity of 99.9% or more and an Fsss average particle diameter of 0.1 μm to 10.0 μm.

なお、ここでいう炭窒化物粉末の純度とは、Al、Ca、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、Si、Snを除いた純分を意味する。   The purity of the carbonitride powder referred to here means a pure component excluding Al, Ca, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, and Sn.

また、粉末の混合に用いる装置や方法については特に限定されることはなく、例えば、乳鉢、V型ミキサー、ボールミルなど公知の混合機を使用することができる。   Moreover, the apparatus and method used for mixing the powder are not particularly limited, and for example, a known mixer such as a mortar, a V-type mixer, or a ball mill can be used.

次に、得られた混合粉末を圧縮成形し、成形体を形成する(図5のS2)。   Next, the obtained mixed powder is compression molded to form a molded body (S2 in FIG. 5).

圧縮成形に用いる装置は特に限定されるものではなく、一軸式プレス機やCIP(Cold Isostatic Pressing)など公知の成形機を使用すればよい。圧縮の際の条件としては、圧縮の際の温度は室温(20℃)でよい。   The apparatus used for compression molding is not particularly limited, and a known molding machine such as a uniaxial pressing machine or CIP (Cold Isostatic Pressing) may be used. As a condition during compression, the temperature during compression may be room temperature (20 ° C.).

一方、成形圧はCIPの場合、98〜294MPa(室温)であるのが好ましい。これは、成形圧が98MPa未満の場合は成形体が十分な密度を得られず、また、294MPaを超えると、圧縮装置と金型が大型化し、コスト面で不利になるためである。   On the other hand, in the case of CIP, the molding pressure is preferably 98 to 294 MPa (room temperature). This is because if the molding pressure is less than 98 MPa, the molded body cannot obtain a sufficient density, and if it exceeds 294 MPa, the compression device and the mold become large, which is disadvantageous in terms of cost.

次に、得られた成形体を加熱し、焼結する(図5のS3)。   Next, the obtained molded body is heated and sintered (S3 in FIG. 5).

具体的には、少なくとも水素あるいは窒素を含む雰囲気(例えばH、H−Ar、H−N混合雰囲気、減圧N雰囲気等)にて1800℃以上、2000℃以下で加熱するのが好ましい。 Specifically, heating is performed at 1800 ° C. or more and 2000 ° C. or less in an atmosphere containing at least hydrogen or nitrogen (for example, H 2 , H 2 —Ar, H 2 —N 2 mixed atmosphere, reduced pressure N 2 atmosphere, etc.). preferable.

これは、加熱温度が1800℃未満の場合、焼結不十分となり焼結体の密度が低くなるためであり、また、加熱温度が2000℃より高いと、TiCNの分解が進行することにより巨大柱状結晶粒の成長へと至り、その結果タングステン耐熱合金の強度が低下してしまうためである。そのため、焼結する際には、1800℃以上、2000℃以下で焼結するのが好ましい。また、水素あるいは窒素を少なくとも含む雰囲気である理由は、水素は原料粉末が含む酸素の還元作用があり、また窒素は焼結中の脱窒を防ぐ効果があるためである。なお、焼結時の圧力は大気圧で可能であるが、これに限定されず、加圧、減圧のいずれでも焼結可能である。   This is because when the heating temperature is less than 1800 ° C., the sintering is insufficient and the density of the sintered body becomes low, and when the heating temperature is higher than 2000 ° C., the decomposition of TiCN proceeds to cause a huge columnar shape. This is because the crystal grains are grown, and as a result, the strength of the tungsten heat-resistant alloy is lowered. Therefore, when sintering, it is preferable to sinter at 1800 degreeC or more and 2000 degrees C or less. The reason for the atmosphere containing at least hydrogen or nitrogen is that hydrogen has an action of reducing oxygen contained in the raw material powder, and nitrogen has an effect of preventing denitrification during sintering. The pressure at the time of sintering can be atmospheric pressure, but is not limited to this, and sintering can be performed by either pressurization or reduced pressure.

次に、得られた焼結体の相対密度が95%程度であった場合には、不活性雰囲気にて熱間等方圧加圧(Hot Isostatic Pressing 以降HIPとも呼ぶ)することが好ましい。(図5のS4)。ただし、得られた焼結体の相対密度が96%以上となっていれば、HIPを省略しても室温硬度や高温での0.2%耐力を低下させることはほとんどない。   Next, when the relative density of the obtained sintered body is about 95%, it is preferable to perform hot isostatic pressing (hereinafter also referred to as HIP) in an inert atmosphere. (S4 in FIG. 5). However, if the relative density of the obtained sintered body is 96% or more, even if HIP is omitted, the room temperature hardness and the 0.2% yield strength at high temperatures are hardly lowered.

HIPを行う際の具体的な加圧条件としては、温度1400〜1800℃、圧力152.0〜253.3MPaの不活性雰囲気で、HIP処理を行うのが好ましい。これは、この範囲を下回ると密度が上がらなくなり、上回ると大型装置が必要となり製造コストに影響するためである。   As specific pressurizing conditions for performing HIP, it is preferable to perform the HIP treatment in an inert atmosphere at a temperature of 1400 to 1800 ° C. and a pressure of 152.0 to 253.3 MPa. This is because the density cannot be increased below this range, and if it exceeds this range, a large apparatus is required, which affects the manufacturing cost.

このようにして得られた摩擦攪拌接合工具の素材は、切削、研削・研磨等の加工を経て(図5のS5)、摩擦攪拌接合工具が作製される。   The material of the friction stir welding tool thus obtained is subjected to processing such as cutting, grinding and polishing (S5 in FIG. 5), and the friction stir welding tool is produced.

以上が本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金とそれを用いた摩擦攪拌接合工具の製造方法である。   The above is the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention and the manufacturing method of the friction stir welding tool using the same.

<摩擦攪拌接合工具>
本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具を形成するタングステン耐熱合金は、上記の構成を有するものであるが、ここで、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金を用いた摩擦攪拌接合工具の構成について、図6を参照して簡単に説明する。
<Friction stir welding tool>
The tungsten heat-resistant alloy forming the friction stir welding tool according to the embodiment of the present invention has the above-described configuration. Here, the friction stir welding tool using the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention is used. The configuration will be briefly described with reference to FIG.

図6は本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合工具101を示す側面図である。   FIG. 6 is a side view showing the friction stir welding tool 101 according to the embodiment of the present invention.

図6に示すように、摩擦攪拌接合工具101は、接合装置の図示しない主軸と連結されるシャンク102と、接合時に接合対象物の表面と接触するショルダー部103と、接合時に接合対象物に挿入されるピン部104を有している。   As shown in FIG. 6, the friction stir welding tool 101 includes a shank 102 connected to a main shaft (not shown) of the joining device, a shoulder portion 103 that comes into contact with the surface of the joining object during joining, and is inserted into the joining object during joining. The pin portion 104 is provided.

このうち、少なくともショルダー103とピン部104の母材は、本発明に係るタングステン耐熱合金で形成される。   Among these, at least the base material of the shoulder 103 and the pin portion 104 is formed of the tungsten heat-resistant alloy according to the present invention.

また、摩擦攪拌接合工具が使用中の温度によって酸化、また接合対象物と溶着することのないように、タングステン耐熱合金の表面に周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を含む被膜が表面に被覆されるのが好ましい。被膜層の厚さは、1〜20μmが好ましい。被膜層の厚さが1μm未満の場合は、被膜層を設けたことによる効果が期待できない。一方で、被膜層の厚さが20μm以上の場合は、過大な応力が生じ、膜が剥離する恐れがあるため、極端に歩留まりが悪くなる可能性がある。   Further, the periodic table IVa, Va, VIa, IIIb group elements and IVb other than C are applied to the surface of the tungsten heat-resistant alloy so that the friction stir welding tool is not oxidized or welded to the object to be joined by the temperature during use. The surface is coated with at least one element selected from the group consisting of group elements, or a carbide, nitride, or carbonitride of at least one element selected from these element groups. preferable. The thickness of the coating layer is preferably 1 to 20 μm. When the thickness of the coating layer is less than 1 μm, the effect of providing the coating layer cannot be expected. On the other hand, when the thickness of the coating layer is 20 μm or more, an excessive stress is generated and the film may be peeled off, which may extremely deteriorate the yield.

このような被膜(コーティング層)としては、TiC、TiN、TiCN、ZrC、ZrN、ZrCN、VC、VN、VCN、CrC、CrN、CrCN、TiAlN、TiSiN、TiCrN、並びに少なくともこれらの内の2層以上を含む多層膜を有するものが挙げられる。ここで、コーティング層の各元素の組成比率は任意に設定できる。上記TiCNも本願発明に記載のTiC1−x(x=0.3〜0.7)のX値に限定されるものではない。 As such a coating (coating layer), TiC, TiN, TiCN, ZrC, ZrN, ZrCN, VC, VN, VCN, CrC, CrN, CrCN, TiAlN, TiSiN, TiCrN, and at least two or more of these layers And having a multilayer film containing Here, the composition ratio of each element of the coating layer can be arbitrarily set. The TiCN is not limited to the X value of TiC x N 1-x (x = 0.3 to 0.7) described in the present invention.

コーティング層の形成方法は、特に限定されることなく、公知の方法で被膜形成できる。代表的な方法として、アークイオンプレーティングやスパッタリングなどのPVD(Physical Vapor Deposition)処理、化学反応によりコーティングするCVD(Chemical Vapor Deposition)処理、ガス状元素をプラズマにより分解、イオン化しコーティングするプラズマCVD処理などがあるが、いずれの方法でも単層膜から多層膜まで処理可能であり、本願発明のタングステン耐熱合金を母材とした場合に、優れた密着性を発揮できる。   The formation method of a coating layer is not specifically limited, A film can be formed by a well-known method. Typical methods include PVD (Physical Vapor Deposition) processing such as arc ion plating and sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition) processing that coats by chemical reaction, and plasma CVD processing that decomposes and ionizes gaseous elements by plasma. However, any method can be used to process from a single layer film to a multilayer film, and excellent adhesion can be exhibited when the tungsten heat-resistant alloy of the present invention is used as a base material.

このように、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金はタングステンを主成分とする第1の相と、Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする第2の相と、第2の相の周囲に設けられ、WとTi、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を含む固溶体を有する第3の相とを有し、残部が不可避不純物であり、炭窒化物の含有量が5体積%以上、30体積%未満である。   Thus, the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention includes a first phase mainly composed of tungsten, and a second phase mainly composed of at least one carbonitride of Ti, Zr, and Hf, A third phase having a solid solution containing W and at least one carbonitride of Ti, Zr, and Hf provided around the second phase, the balance being inevitable impurities, containing carbonitride The amount is 5% by volume or more and less than 30% by volume.

そのため、本発明の実施形態に係るタングステン耐熱合金を用いた摩擦攪拌接合工具は従来よりも接合対象物(加工対象物)の高融点化に対応した耐力や硬度等の物性と実用性の双方を充足する。   Therefore, the friction stir welding tool using the tungsten heat-resistant alloy according to the embodiment of the present invention has both physical properties and practicality such as proof stress and hardness corresponding to the higher melting point of the object to be joined (working object) than before. Satisfy.

以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated in detail.

(実施例1)
炭窒化物の含有量が異なるタングステン耐熱合金を作製し、室温硬度をモリブデン耐熱合金の場合と比較した。具体的な手順は以下の通りである。
Example 1
Tungsten heat-resistant alloys with different carbonitride contents were prepared, and the room temperature hardness was compared with that of molybdenum heat-resistant alloys. The specific procedure is as follows.

<試料の作製>
まず、原料として、母材(第1相)としてのW粉末および比較例としてMo粉末を、端窒化物としてのTiCN粉末、ZrCN粉末、HfCN粉末を用意した。具体的には、W粉末はアライドマテリアル社製の純度99.99質量%以上、Fsss法による平均粒径が1.2μmのものを用いた。
<Preparation of sample>
First, W powder as a base material (first phase) and Mo powder as a comparative example were prepared as raw materials, and TiCN powder, ZrCN powder, and HfCN powder as end nitrides were prepared. Specifically, W powder having a purity of 99.99% by mass or more and an average particle diameter of 1.2 μm by the Fsss method manufactured by Allied Materials was used.

また、Mo粉末は、アライドマテリアル社製の純度99.99質量%以上、Fsss法による平均粒径が4.3μmのものを用いた。   Moreover, the Mo powder used had a purity of 99.99% by mass or more and an average particle diameter measured by the Fsss method of 4.3 μm manufactured by Allied Materials.

さらに、TiCN粉末には、株式会社アライドマテリアル製のTiCN粉末・品種名5OR08で、純度99.9質量%以上、Fsss法による平均粒径が0.8μmのものを用いた。   Furthermore, TiCN powder manufactured by Allied Material Co., Ltd., having a purity of 99.9% by mass and having an average particle diameter of 0.8 μm by the Fsss method was used as TiCN powder.

また、ZrCN粉末にはアライドマテリアル製のZrCN粉末・品種名、5OV25で、Fsss法による平均粒径が2.0μm〜3.0μmのものを用いた。   The ZrCN powder was ZrCN powder made by Allied Material, product type, 5OV25, and having an average particle size of 2.0 μm to 3.0 μm by the Fss method.

さらに、HfCN粉末は本出願人が試作した、Fsss法による平均粒径が2.0μm〜3.0μmの粉末を用いた。   Further, as the HfCN powder, a powder produced by the present applicant and having an average particle diameter of 2.0 μm to 3.0 μm by the Fsss method was used.

成形性を促進するバインダーとしてパラフィンを用い、W粉末またはMo粉末に対し、TiCN粉末、ZrCN粉末、HfCN粉末のいずれかを上記粉末全体の体積に対し3〜62体積%を添加した。なお、ここでの体積%は、原料を配合する際に重量を計測し、密度で除して体積比率に換算したものである。   Paraffin was used as a binder for promoting the moldability, and 3 to 62% by volume of TiCN powder, ZrCN powder, or HfCN powder was added to W powder or Mo powder with respect to the total volume of the powder. Here, the volume% is obtained by measuring the weight when blending the raw materials and dividing by the density to convert the volume ratio.

次に、これらの粉末を後述する表1に示す配合比率で、乳鉢で混合して混合粉末を作製し、一軸式プレス機を用いて、温度20℃、成形圧3ton/cmの条件下で圧縮成形し、成形体を得た。 Next, these powders are mixed in a mortar at the blending ratio shown in Table 1 to be described later to produce a mixed powder, and using a single screw press machine, at a temperature of 20 ° C. and a molding pressure of 3 ton / cm 3 . The molded product was obtained by compression molding.

次に、得られた成形体を水素雰囲気下(大気圧)で温度1900℃で加熱し、相対密度90%以上の焼結体を得た。   Next, the obtained molded body was heated at a temperature of 1900 ° C. in a hydrogen atmosphere (atmospheric pressure) to obtain a sintered body having a relative density of 90% or more.

さらに、焼結体を処理温度1600℃、Ar雰囲気下、圧力202.7MPaでHIP処理し、相対密度約98%のタングステン耐熱合金、および比較例としてのモリブデン耐熱合金を製作した。   Further, the sintered body was subjected to HIP treatment at a treatment temperature of 1600 ° C. under an Ar atmosphere at a pressure of 202.7 MPa to produce a tungsten heat-resistant alloy having a relative density of about 98% and a molybdenum heat-resistant alloy as a comparative example.

<硬度測定>
次に、得られたタングステン耐熱合金およびモリブデン耐熱合金の硬度測定を行った。
<Hardness measurement>
Next, the hardness of the obtained tungsten heat-resistant alloy and molybdenum heat-resistant alloy was measured.

具体的には(株)アカシ製マイクロビッカース硬度計(型番:AVK)を用い、測定圧子をダイヤモンドとし、大気中で20℃にて測定荷重20kgを15秒間、試料に対して加えることにより、ビッカース硬度を測定した。測定点数は5点とし、平均値を算出した。   Specifically, using a micro Vickers hardness meter (model number: AVK) manufactured by Akashi Co., Ltd., using a diamond as the measurement indenter and applying a measurement load of 20 kg to the sample at 20 ° C. in the atmosphere for 15 seconds, Hardness was measured. The number of measurement points was 5 and the average value was calculated.

結果を表1に示す。

Figure 2015067868
The results are shown in Table 1.
Figure 2015067868

表1から明らかなように、炭窒化物の含有量が5体積%未満(表1では3体積%)の場合、合金の硬度が純タングステンの硬度(Hv400程度)と同程度であり、炭窒化物を添加する効果が得られないことが分かった。   As apparent from Table 1, when the content of carbonitride is less than 5% by volume (3% by volume in Table 1), the hardness of the alloy is about the same as the hardness of pure tungsten (about Hv400), and carbonitriding It turned out that the effect which adds a thing is not acquired.

一方で、炭窒化物の含有量が60%を超えると炭窒化物の割合が多くなり、Mo合金と硬度が変わらなくなるため、非特許文献1に記載のMo−TiCN合金に対する優位性がないことが分かった。   On the other hand, when the content of carbonitride exceeds 60%, the proportion of carbonitride increases, and the hardness does not change from that of the Mo alloy, so there is no advantage over the Mo-TiCN alloy described in Non-Patent Document 1. I understood.

<高温強度測定>
次に、得られた合金の高温強度を評価した。
<High temperature strength measurement>
Next, the high temperature strength of the obtained alloy was evaluated.

摩擦攪拌接合工具は、回転しながら工具の横移動により接合を実施するため、高温での回転曲げに対する強度が必要であるが、高温回転曲げ試験は特殊である。そのためここでは単純曲げ試験により高温強度を評価した。さらに摩擦攪拌接合工具は耐変形性が要求されるため、同じ歪量での評価を実施することを目的として便宜上0.2%の歪を生じた際の応力、すなわち0.2%耐力を用いた(一般に0.2%耐力は引張試験時、降伏点が不明瞭な材料の評価に使用される)。   Since the friction stir welding tool performs welding by lateral movement of the tool while rotating, the strength against rotational bending at high temperature is necessary, but the high-temperature rotating bending test is special. Therefore, the high temperature strength was evaluated here by a simple bending test. Furthermore, since the friction stir welding tool is required to have deformation resistance, for the purpose of carrying out the evaluation with the same strain amount, the stress when 0.2% strain is generated for convenience is used, that is, 0.2% proof stress is used. (In general, 0.2% proof stress is used for evaluation of materials with unclear yield points during tensile testing).

0.2%耐力(曲げ相当)は、以下の手順により測定した。
まず、タングステン耐熱合金およびモリブデン耐熱合金の試料片を長さ:約25mm、幅:2.5mm、厚さ:1.0mmとなるように加工し、表面を#600のSiC研磨紙を用いて研磨した。
The 0.2% yield strength (equivalent to bending) was measured by the following procedure.
First, sample pieces of tungsten heat-resistant alloy and molybdenum heat-resistant alloy were processed to have a length of about 25 mm, a width of 2.5 mm, and a thickness of 1.0 mm, and the surface was polished with # 600 SiC polishing paper. did.

次に、図7および図8に示す模式図のように試料片11をピン13の間隔が16mmとなるようにインストロン社製高温万能試験機(型番:5867型)にセットし、Ar雰囲気下で、1200℃で、クロスヘッドスピード1mm/minでヘッド15を試料に押し付けて、3点曲げ試験を行い、0.2%耐力を測定した。0.2%耐力は、3点曲げ試験における曲げ応力と歪みを下記の式を用いて算出して応力歪み線図を描き、0.2%の永久歪みが生じる応力を解析することによって求めた。   Next, as shown in the schematic diagrams shown in FIGS. 7 and 8, the sample piece 11 is set in an Instron high-temperature universal testing machine (model number: 5867 type) so that the distance between the pins 13 is 16 mm. Then, at 1200 ° C., the head 15 was pressed against the sample at a crosshead speed of 1 mm / min, a three-point bending test was performed, and a 0.2% yield strength was measured. The 0.2% proof stress was obtained by calculating the bending stress and strain in the three-point bending test using the following formula, drawing a stress-strain diagram, and analyzing the stress that causes 0.2% permanent strain. .

曲げ応力=3FL/2bh
曲げ歪み=600sh/L
ここで、F:試験荷重(N)、L:支点間距離(mm)、b:試験片の幅(mm)、h:試験片の厚さ(mm)、s:たわみ量(mm)である。
Bending stress = 3FL / 2bh 2
Bending strain = 600 sh / L 2
Here, F: test load (N), L: distance between fulcrums (mm), b: width of the test piece (mm), h: thickness of the test piece (mm), s: deflection amount (mm). .

さらに、上記測定で荷重とたわみ量との関係が得られるので、破断したときのたわみ量を読み取り、靭性を評価した。ただし、たわみ量は6mm以内が装置限界であり、6mmに達した場合は測定を中断しフルベンドとして扱うことにした。   Furthermore, since the relationship between the load and the amount of deflection can be obtained by the above measurement, the amount of deflection at the time of fracture was read to evaluate toughness. However, the amount of deflection is within 6 mm, which is the device limit, and when it reaches 6 mm, the measurement was interrupted and it was decided to treat it as a full bend.

結果を表2に示す。

Figure 2015067868
The results are shown in Table 2.
Figure 2015067868

表2から明らかなように、WにTiCNを30体積%以上含有させると、MoにTiCNを含有させた場合と比べて抗析力が低下するため、TiCNの含有量は30体積%未満とするのが望ましいことが分かった。   As is apparent from Table 2, when TiCN is contained in W by 30% by volume or more, the segregation power is reduced as compared with the case where TiCN is contained in Mo. Therefore, the content of TiCN is less than 30% by volume. It turned out to be desirable.

また、WにTiCNを15体積%を超えて含有させると、脆性破断を起こすため、TiCNの含有量の上限は15体積%以下とするのがより望ましいことが分かった。   Moreover, when TiCN was contained in W over 15 volume%, since brittle fracture | rupture was raise | generated, it turned out that it is more desirable that the upper limit of content of TiCN shall be 15 volume% or less.

なお、これらの試験で得られた焼結体の炭窒化物の平均粒径は0.7μm、タングステンの平均粒径は0.8μmであった。炭窒化物としては、TiCN以外にZrCN、HfCNも用いたが、TiCNと同等の室温硬度と高温強度が得られた。   In addition, the average particle diameter of the carbonitride of the sintered compact obtained in these tests was 0.7 μm, and the average particle diameter of tungsten was 0.8 μm. As carbonitride, ZrCN and HfCN were also used in addition to TiCN, but room temperature hardness and high-temperature strength equivalent to TiCN were obtained.

<X線回折試験>
次に、上記の合金のうち、WにTiCNを10体積%、20体積%、30体積%、40体積%それぞれ含有させたものについて、以下の条件でX線回折を行った。
<X-ray diffraction test>
Next, among the alloys described above, X-ray diffraction was performed under the following conditions for W containing 10% by volume, 20% by volume, 30% by volume, and 40% by volume of TiCN.

装置:PANalytical製X線回折装置(Empyrean)
管球:Cu(KαX線回折)
ソーラースリット:0.04rad
発散スリットの開き角:1/2°
散乱スリットの開き角1°
管電流:40mA
管電圧:45kV
スキャンスピード:0.33°/min
結果を図9に示す。
Equipment: X-ray diffractometer (Empyrean) manufactured by PANalytical
Tube: Cu (Kα X-ray diffraction)
Solar slit: 0.04 rad
Divergence slit opening angle: 1/2 °
Scattering slit opening angle 1 °
Tube current: 40 mA
Tube voltage: 45kV
Scan speed: 0.33 ° / min
The results are shown in FIG.

図9に示すように、X線回折により得られたピークは、TiCNの体積比率が10体積%、20体積%、30体積%、40体積%いずれの場合も、WとTiCNに起因するピークのみが観察され、TiCNが分解することによって生成される不可避化合物に起因するピークは見受けられなかった。そのため、上記の試料ではTiCNの分解が生じていないことが分かった。   As shown in FIG. 9, the peaks obtained by X-ray diffraction are only peaks caused by W and TiCN regardless of the volume ratio of TiCN being 10% by volume, 20% by volume, 30% by volume, or 40% by volume. Was observed, and no peak attributable to the inevitable compound produced by the decomposition of TiCN was observed. Therefore, it was found that TiCN was not decomposed in the above sample.

(実施例2)
次に、Wに添加する炭窒化物をTiCNとし、TiCNの配合比率を10体積%として、合金中のTiCN、Wの平均粒径およびTiCNの最大粒径を変化させた合金を作製し、相対密度および室温硬度を評価した。
(Example 2)
Next, the carbonitride to be added to W is TiCN, the mixing ratio of TiCN is 10% by volume, TiCN in the alloy, an alloy in which the average particle diameter of W and the maximum particle diameter of TiCN are changed, and relative Density and room temperature hardness were evaluated.

具体的には、TiCNの平均粒径の制御方法は、アライドマテリアル製TiCN粉末(品種名5OR08、5MP15、5MP30)、またはそれを粉砕した粉末を分級処理して調整した粉末を使用し、焼結時間を調整して粒成長の進行を制御する方法で行った。また、タングステンの平均粒径の制御方法は、アライドマテリアル製W粉末を粉砕して分級処理して調整した粉末を使用し、焼結時間を調整して粒成長の進行を制御する方法で行った。   Specifically, the control method of the average particle size of TiCN uses TiCN powder manufactured by Allied Material (variety names 5OR08, 5MP15, 5MP30), or powder prepared by classifying and pulverizing the powder, and sintering. It was performed by adjusting the time and controlling the progress of grain growth. Moreover, the control method of the average particle diameter of tungsten was performed by using a powder prepared by pulverizing and classifying W powder manufactured by Allied Material, adjusting the sintering time, and controlling the progress of grain growth. .

なお、粒径測定はインターセプト法により行った。具体的な手順は以下の通りである。まず、測定箇所となる断面について倍率1000倍の拡大写真を撮り、この写真上において、図10に示すように、任意に直線を引き、この直線が横切る対象となる結晶粒の粒子について、この直線状を横切る個々の結晶粒の粒径を測定し総和を算出した。次に、測定した視野は120μm×90μmとし、50個以上の粒子を測定した。   The particle size was measured by the intercept method. The specific procedure is as follows. First, an enlarged photograph at a magnification of 1000 times is taken for the cross section to be measured, and on this photograph, a straight line is arbitrarily drawn as shown in FIG. The total grain size was calculated by measuring the grain size of each crystal grain across the shape. Next, the field of view measured was 120 μm × 90 μm, and 50 or more particles were measured.

また、観察された結晶粒がW、TiCNのいずれかであるかの判断は、以下の条件でEPMAによる線分析により行った。   Moreover, the judgment whether the observed crystal grain was either W or TiCN was performed by the line analysis by EPMA under the following conditions.

EPMAによる線分析の分析条件
装置 :EPMA1720H(島津製作所製)
加速電圧 :15kV
ビーム電流 :20nA
ビームサイズ :1μm
測定倍率 :5000倍
積分時間 :20s/point
Analysis conditions for line analysis by EPMA Equipment: EPMA1720H (manufactured by Shimadzu Corporation)
Acceleration voltage: 15 kV
Beam current: 20 nA
Beam size: 1μm
Measurement magnification: 5000 times Integration time: 20 s / point

また、相対密度を以下の手順で測定した。ここでいう相対密度とは、作製した試料(バルク)について測定した密度を理論密度で除して%で表した値である。
以下、具体的な測定方法について説明する。
The relative density was measured by the following procedure. The relative density here is a value expressed by% by dividing the density measured for the prepared sample (bulk) by the theoretical density.
Hereinafter, a specific measurement method will be described.

(バルク密度の測定)
バルク密度はアルキメデス法により求めた。具体的には、空中と水中での重量を測定し、下記計算式を用いてバルク密度を求めた。
バルク密度=空中重量/(空中重量−水中重量)×水の密度
(Bulk density measurement)
The bulk density was determined by the Archimedes method. Specifically, the weight in the air and water was measured, and the bulk density was determined using the following formula.
Bulk density = weight in air / (weight in air-weight in water) x density of water

(理論密度の測定)
まず、以下の手順でW−TiCN合金の理論密度を求めた。
(Measurement of theoretical density)
First, the theoretical density of the W—TiCN alloy was determined by the following procedure.

(1)ICP−AESによりバルク材中のTiの質量比率(0〜1)を求め、化学分析によりC、Nの質量比率も求め、TiCNの質量比率(Zc)を算出し、Wの質量比率(Zm)を1−Zcとして算出した。 (1) The mass ratio (0 to 1) of Ti in the bulk material is obtained by ICP-AES, the mass ratio of C and N is also obtained by chemical analysis, the mass ratio (Zc) of TiCN is calculated, and the mass ratio of W (Zm) was calculated as 1-Zc.

(2)Wの密度をMm(=19.3g/cm)、TiCNの密度をMc(=5.1g/cm)とし、上記質量比率を体積比率に換算した。
即ち、TiCNを添加した場合のTiCNの体積比率は以下のように表される。
TiCNの体積比率=[Zc/Mc]/[Zc/Mc+Zm/Mm]
また、Wの体積比率は以下のように表される。
Wの体積比率=[Zm/Mm]/[Zc/Mc+Zm/Mm]
(2) The density of W was Mm (= 19.3 g / cm 3 ), the density of TiCN was Mc (= 5.1 g / cm 3 ), and the mass ratio was converted into a volume ratio.
That is, the volume ratio of TiCN when TiCN is added is expressed as follows.
TiCN volume ratio = [Zc / Mc] / [Zc / Mc + Zm / Mm]
Further, the volume ratio of W is expressed as follows.
Volume ratio of W = [Zm / Mm] / [Zc / Mc + Zm / Mm]

(3)求めた体積比率に密度を乗じてバルク全体の理論密度を求めた。最後に、バルク密度を理論密度で除して相対密度を求めた。
なお、硬度は実施例1と同様に求めた。
(3) The theoretical density of the entire bulk was obtained by multiplying the obtained volume ratio by the density. Finally, the bulk density was divided by the theoretical density to obtain the relative density.
The hardness was determined in the same manner as in Example 1.

結果を表3に示す。

Figure 2015067868
The results are shown in Table 3.
Figure 2015067868

表3から明らかなように、焼結体のTiCNの平均粒径が0.1μm未満または10μmを超える場合、あるいはタングステンの平均粒径が0.3μm未満、または20μmを超える場合、さらにはTiCNの最大粒径が1.0μm未満、または30μmを超える場合は、焼結体の密度が低すぎて相対密度や室温硬度の評価ができなかった。   As is apparent from Table 3, when the average particle size of TiCN in the sintered body is less than 0.1 μm or more than 10 μm, or when the average particle size of tungsten is less than 0.3 μm, or more than 20 μm, the TiCN When the maximum particle size was less than 1.0 μm or more than 30 μm, the density of the sintered body was too low to evaluate the relative density and room temperature hardness.

そのため、TiCNの平均粒径は0.1μm以上、10μm以下、タングステンの平均粒径は0.3μm以上、20μm以下、最大粒径は1.0μm以上、30μm以下であるのが望ましいことが分かった。   Therefore, it was found that the average particle size of TiCN is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, the average particle size of tungsten is 0.3 μm or more and 20 μm or less, and the maximum particle size is preferably 1.0 μm or more and 30 μm or less. .

(実施例3)
Wに添加する炭窒化物をTiCNとし、TiCNの配合比率を10体積%として、焼結体のTiCNの平均粒径を0.7μm、タングステンの平均粒径を0.8μmとして、TiCNの粒径分布を変化させた試料を作成し、粒径分布の影響を評価した。
(Example 3)
The carbonitride added to W is TiCN, the mixing ratio of TiCN is 10% by volume, the average particle size of TiCN in the sintered body is 0.7 μm, the average particle size of tungsten is 0.8 μm, the particle size of TiCN Samples with different distributions were prepared and the effect of particle size distribution was evaluated.

具体的には、アライドマテリアル製の炭窒化チタン粉末(品種名5OR08、5MP15、5MP30)、またはそれを粉砕した粉末を分級処理して調整することによりTiCNの粒径が0.1μm以上、5μm以下の個数割合を制御した。   Specifically, the particle size of TiCN is adjusted to 0.1 μm or more and 5 μm or less by classifying and adjusting a titanium carbonitride powder (variety name 5OR08, 5MP15, 5MP30) manufactured by Allied Material or a powder obtained by pulverizing it. The number ratio was controlled.

結果を表4に示す。

Figure 2015067868
The results are shown in Table 4.
Figure 2015067868

表4に示すように、合金中のTiCN粒のうち、粒径が0.1μm以上、5.0μm以下のものの個数割合が40%と60%のものは、30%のものと比べて室温硬度と相対密度が優れていた。   As shown in Table 4, among the TiCN grains in the alloy, those having a particle size ratio of 0.1 μm or more and 5.0 μm or less having a number ratio of 40% and 60% have room temperature hardness compared to 30%. And the relative density was excellent.

また、60%よりも高いものは、非常に均一な粒度の粉末であり得られ難く、実質的に粉末製造が不可能であり、評価不能であった。   Moreover, it was difficult to obtain a powder having a particle size higher than 60% because it was very difficult to obtain a powder having a very uniform particle size.

この結果から、合金中のTiCN粒のうち、0.1μm以上、5.0μm以下のものの個数割合が40%以上、60%以下のものは、室温硬度と相対密度に優れることがわかった。   From this result, it was found that among the TiCN grains in the alloy, those having a number ratio of 0.1 to 5.0 μm having a number ratio of 40% to 60% are excellent in room temperature hardness and relative density.

(実施例4)
Wに添加する炭窒化物をTiCNとし、TiCNの配合比率を10体積%として、焼結体のTiCNの平均粒径を0.7μm、タングステンの平均粒径を0.8μmとして、TiCNの粒径分布を変化させた試料を作成し、粒径分布の影響を評価した。
Example 4
The carbonitride added to W is TiCN, the mixing ratio of TiCN is 10% by volume, the average particle size of TiCN in the sintered body is 0.7 μm, the average particle size of tungsten is 0.8 μm, the particle size of TiCN Samples with different distributions were prepared and the effect of particle size distribution was evaluated.

具体的には、アライドマテリアル製の炭窒化チタン粉末(品種名5OR08、5MP15、5MP30)、またはそれを粉砕した粉末を分級処理して調整することにより、TiCNの平均粒径が0.1μm以上、3.5μm以下の個数割合、および5μm以上、7μm以下の個数割合を制御した。   Specifically, the average particle diameter of TiCN is 0.1 μm or more by classifying and adjusting titanium carbonitride powder (variety name 5OR08, 5MP15, 5MP30) manufactured by Allied Material, or powder obtained by pulverizing it. The number ratio of 3.5 μm or less and the number ratio of 5 μm or more and 7 μm or less were controlled.

結果を表5に示す。

Figure 2015067868
The results are shown in Table 5.
Figure 2015067868

表5に示すように、合金中のTiCN粒のうち、粒径が0.1以上、3.5μm以下のものの個数割合が20%と40%のものは、10%、50%のものと比べて室温硬度および相対密度が優れていた。   As shown in Table 5, among the TiCN grains in the alloy, the ratio of the number of particles having a particle size of 0.1 to 3.5 μm is 20% and 40% compared to 10% and 50%. The room temperature hardness and relative density were excellent.

同様に、合金中のTiCN粒のうち、粒径が5.0μm以上、7.0μm以下のものの個数割合が10%と20%のものは、5%、30%のものと比べて室温硬度および相対密度が優れていた。   Similarly, among the TiCN grains in the alloy, the number ratio of particles having a particle size of 5.0 μm or more and 7.0 μm or less is 10% and 20%, and the hardness at room temperature is higher than that of 5% and 30%. The relative density was excellent.

この結果から、合金中のTiCN粒のうち、粒径が0.1以上、3.5μm以下のものの個数割合が20%以上、40%以下で、かつ粒径が5.0以上、7.0μm以下のものの個数割合が10%以上、30%以下のものは、室温硬度、0.2%耐力、および相対密度に優れることがわかった。   From this result, among TiCN grains in the alloy, the number ratio of those having a particle size of 0.1 to 3.5 μm is 20% to 40%, and the particle size is 5.0 to 7.0 μm. It was found that those having a number ratio of 10% or more and 30% or less were excellent in room temperature hardness, 0.2% proof stress, and relative density.

(実施例5)
これまで挙げた必要範囲内にあるタングステン合金を用いて、摩擦撹拌接合工具を製作し、ステンレスの摩擦撹拌接合に供した。
(Example 5)
A friction stir welding tool was manufactured using a tungsten alloy within the required range, and was used for stainless steel friction stir welding.

具体的には、日立製作所製2次元摩擦攪拌接合装置を用い、工具回転速度600rpm、走行速度100mm/min、工具押し込み量2.5mm、走行距離100mmとして、実施例1のTiCNの配合比率が10体積%の試料を用い、SUS304の突合せ接合を行い工具の摩耗量を評価した。   Specifically, using a two-dimensional friction stir welding apparatus manufactured by Hitachi, Ltd., with a tool rotation speed of 600 rpm, a travel speed of 100 mm / min, a tool pushing amount of 2.5 mm, and a travel distance of 100 mm, the TiCN blending ratio of Example 1 is 10 Using a volume% sample, SUS304 butt joining was performed to evaluate the amount of wear of the tool.

結果、工具の欠け、割れなど認められず、摩耗も非常に少なく接合状態も良好であった。一方、比較例で示したタングステン合金を用いた場合のうち、特性評価が可能であった例については、摩策撹拌接合工具に供したが、使用中に工具のショルダー部に割れが見受けられたり、プローブが欠損したりする不具合が生じた。 As a result, no chipping or cracking of the tool was observed, the wear was very small, and the joining state was good. On the other hand, among the cases where the tungsten alloy shown in the comparative example was used, the example in which the characteristic evaluation was possible was used for the friction stir welding tool, but cracks were found in the shoulder portion of the tool during use. There was a problem that the probe was missing.

以上、本発明を実施形態および実施例に基づき説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されることはない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment and an Example, this invention is not limited to above-described embodiment.

当業者であれば、本発明の範囲内で各種変形例や改良例に想到するのは当然のことであり、これらも本発明の範囲に属するものと了解される。   It is natural for those skilled in the art to come up with various modifications and improvements within the scope of the present invention, and it is understood that these also belong to the scope of the present invention.

例えば、上記した実施形態では、タングステン耐熱合金を摩擦攪拌接合工具に適用した場合について説明したが、本発明は何らこれに限定されることはなく、ガラス溶融用治工具、高温工業炉用部材、熱間押出し用ダイス、継目無製管用ピアサープラグ、射出成形用ホットランナノズル、鋳造用入子金型、抵抗加熱蒸着用容器、航空機用ジェットエンジン及びロケットエンジンなどの高温環境下で用いられる耐熱性部材に適用することができる。   For example, in the above-described embodiment, the case where the tungsten heat-resistant alloy is applied to the friction stir welding tool has been described, but the present invention is not limited to this, and a glass melting jig, a high-temperature industrial furnace member, Heat resistance used in high temperature environments such as hot extrusion dies, seamless pipe piercer plugs, injection molding hot runner nozzles, casting insert molds, resistance heating vapor deposition containers, aircraft jet engines and rocket engines It can be applied to members.

1 第1の相
2 第2の相
3 第3の相
11 試料片
13 ピン
15 ヘッド
101 摩擦攪拌接合工具
102 シャンク
103 ショルダー部
104 ピン部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st phase 2 2nd phase 3 3rd phase 11 Sample piece 13 Pin 15 Head 101 Friction stir welding tool 102 Shank 103 Shoulder part 104 Pin part

Claims (16)

Wを主成分とする第1の相と、
Ti、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物を主成分とする第2の相と、
前記第2の相の周囲に設けられ、WとTi、Zr、Hfの少なくとも1つの炭窒化物固溶体を有する第3の相と、
を有し、残部が不可避不純物であり、
前記炭窒化物の含有量が5体積%以上、30体積%未満である、タングステン耐熱合金。
A first phase mainly composed of W;
A second phase mainly composed of at least one carbonitride of Ti, Zr, and Hf;
A third phase provided around the second phase and having at least one carbonitride solid solution of W and Ti, Zr, Hf;
And the balance is inevitable impurities,
The tungsten heat-resistant alloy whose content of the said carbonitride is 5 volume% or more and less than 30 volume%.
前記炭窒化物の含有量が5体積%以上、15体積%以下である、請求項1記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to claim 1, wherein the carbonitride content is 5% by volume or more and 15% by volume or less. 前記炭窒化物固溶体を有する第3の相は、前記炭窒化物を主成分とする第2の相の周囲を覆うように形成される請求項1または2に記載のタングステン耐熱合金。   3. The tungsten heat-resistant alloy according to claim 1, wherein the third phase having the carbonitride solid solution is formed so as to cover the periphery of the second phase mainly composed of the carbonitride. 前記第2相の炭窒化物の平均結晶粒径が、0.1μm以上、10μm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein an average crystal grain size of the second phase carbonitride is 0.1 µm or more and 10 µm or less. 前記第2相の炭窒化物の平均結晶粒径が、0.1μm以上、3μm以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein an average crystal grain size of the second phase carbonitride is 0.1 µm or more and 3 µm or less. 前記第2相の炭窒化物粒は、粒径が0.1μm以上、5.0μm以下のものが、前記第2相の炭窒化物粒全体の40%以上、60%以下の個数割合である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The second phase carbonitride grains having a particle size of 0.1 μm or more and 5.0 μm or less are 40% or more and 60% or less of the total number of the second phase carbonitride grains. The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 5. 前記第2相の炭窒化物粒は、粒径が0.1μm以上、3.5μm以下のものが、前記第2相の炭窒化物粒全体の20%以上、40%以下の個数割合であり、5.0μm以上、7.0μm以下のものが、前記第2相の炭窒化物粒全体の10%以上、20%以下の個数割合である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The second phase carbonitride grains having a particle size of 0.1 μm or more and 3.5 μm or less are 20% or more and 40% or less of the total number of the second phase carbonitride grains. , 5.0 μm or more and 7.0 μm or less is the number ratio of 10% or more and 20% or less of the entire second phase carbonitride grains. Tungsten heat-resistant alloy. 前記第2相の炭窒化物の最大粒径は、1.0μm以上、30μm以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 7, wherein a maximum particle size of the second phase carbonitride is 1.0 µm or more and 30 µm or less. 合金中のWの平均粒径が0.3μm以上、20μm以下である、請求項1〜8のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 8, wherein an average particle diameter of W in the alloy is 0.3 µm or more and 20 µm or less. 室温でのビッカース硬度が500Hv以上で、かつ、1200℃で500MPa以上の0.2%耐力(曲げ相当)または抗折力を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 9, having a Vickers hardness at room temperature of 500 Hv or higher and a 0.2% proof stress (equivalent to bending) or a bending strength of 500 MPa or higher at 1200 ° C. . 室温でのビッカース硬度が500Hv以上で、かつ、1200℃で500MPa以上の0.2%耐力(曲げ相当)および延性を有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金。   The tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 10, which has a Vickers hardness at room temperature of 500 Hv or more and a 0.2% proof stress (equivalent to bending) and ductility of 500 MPa or more at 1200 ° C. 請求項1〜11のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金を用いた摩擦撹拌接合工具。   A friction stir welding tool using the tungsten heat-resistant alloy according to any one of claims 1 to 11. 請求項12の摩擦撹拌接合工具の表面に、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を含む被膜層を有する、摩擦撹拌接合工具。   The surface of the friction stir welding tool according to claim 12 is at least one element selected from the group consisting of Group IVa, Va, VIa, Group IIIb elements and Group IVb elements other than C, or a group of these elements A friction stir welding tool having a coating layer containing carbide, nitride, or carbonitride of at least one selected element. 請求項12または13のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合工具を有する、摩擦撹拌接合装置。   A friction stir welding apparatus comprising the friction stir welding tool according to claim 12. W粉末と炭窒化物粉末を混合する(a)と、
前記(a)により得られた混合粉を室温中で圧縮成形する(b)と、
前記(b)により得られた成形体を少なくとも水素あるいは窒素を含む雰囲気にて、1800℃以上、2000℃以下で加熱して焼結する(c)と、
を具える、請求項1〜11のいずれか一項に記載のタングステン耐熱合金を製造する製造方法。
Mixing W powder and carbonitride powder (a);
(B) compressing the mixed powder obtained in (a) at room temperature;
(C) heating and sintering the molded body obtained by (b) at 1800 ° C. or more and 2000 ° C. or less in an atmosphere containing at least hydrogen or nitrogen;
The manufacturing method which manufactures the tungsten heat-resistant alloy as described in any one of Claims 1-11 provided with these.
(d)焼結時または、焼結後に不活性雰囲気にて成形体または焼結体に熱間等方圧加圧を施す、
を有する、請求項15に記載のタングステン耐熱合金を製造する製造方法。
(D) Hot isostatic pressing is applied to the molded body or sintered body in an inert atmosphere after sintering or after sintering.
The manufacturing method which manufactures the tungsten heat-resistant alloy of Claim 15 which has these.
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