JP3046336B2 - 傾斜組成組識の焼結合金及びその製造方法 - Google Patents
傾斜組成組識の焼結合金及びその製造方法Info
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Description
ミルなどの切削工具、ダイ,パンチ,スリッター,ライ
ナー,攪拌棒などの耐摩耗工具、カッタービットなどの
土木建設工具又は化学薬品用ノズル,時計外装部品など
の耐腐蝕性工具に代表される各種の工具もしくは工具部
品として適する傾斜組成組織の焼結合金及びその製造方
法に関するものである。
する結合相とからなっている超硬合金は、各種の工具に
使用されており、その工具の用途に応じて硬質相の粒度
及び種類、結合相量、添加物の種類及び量などを調整
し、耐摩耗性と靱性のバランスを保持させている。しか
し、超硬合金の耐摩耗性と靱性は、一方を向上させると
他方が低下するという二律背反的な傾向にあることか
ら、両方を同時に改善することは非常に困難な問題であ
る。
焼結合金の表面近傍と内部との組成組織を異なるように
した合金があり、その代表的なものとして特開昭54−13
9815号公報,特開平2−209448号公報及び特開平2−20
9449号公報で提案されている。
にした先行技術の内、特開昭54−139815号公報に開示の
焼結合金は、表面から最大深さ1mmまでの内部に向って
連続的に低くなる硬さ分布を有し、しかも内部硬さに対
して表面硬さが5〜30%高い硬質表層をもつ合金であ
る。同公報に開示の焼結合金の硬質表層は、液相出現温
度以下での浸炭雰囲気処理と真空焼結とにより形成させ
たもので、単なる硬質表層の硬質相中の結合炭素量によ
り生じた硬さ分布であることから、耐摩耗性と靱性の両
方を高めるという効果が弱く、結局用途範囲が限定され
るという問題がある。
号公報には、超硬合金の表面に合金の内部よりも結合相
量の減少してなる表面領域を形成させた合金が開示され
ている。これらの公報に開示の超硬合金の表面領域は、
結合相量のみを調整させたものであること、及び結合相
量が連続的に変化しているものでないことから、耐塑性
変形性,耐摩耗性及び靱性を同時に全て向上させるとい
うことが弱く、困難であるという問題がある。
体的には、炭化タングステンを含む金属炭化物を主体と
する硬質相と鉄族金属を主体とする結合相とからなる焼
結合金の表面から0.2〜10mmの内部までに拡散元素を漸
次減少させるように存在させて、かつ結合相の相対濃度
と該炭化タングステンの平均粒径の一方もしくは両方を
漸次増加及び/又は増大させた表面層を形成し、耐摩耗
性,耐塑性変形性,靱性,耐腐蝕性,耐酸化性及び高温
での耐摩耗性,耐欠損性にすぐれる傾斜塑性組織を有す
る焼結合金の提供を目的とするものである。
と靱性が低下し、靱性を向上させると耐摩耗性が低下す
るという問題について検討していた所、超硬合金の製造
工程の内、粉末成形体の焼結時に、拡散が容易で、かつ
表面層を硬化させ得る元素を或る表面領域に亘り傾斜を
もたせて拡散させ、しかも表面層における結合相濃度及
び/又は炭化タングステンの平均粒径の分布を制御して
表面層をさらに硬化すると、超硬合金自体の耐摩耗性,
靱性及び耐塑性変形性が顕著に向上するうという知見を
得たものである。この知見に基づいて、本発明を完成す
るに至ったものである。
金属の少なくとも1種もしくはこれらの相互固溶体,又
はこれらに拡散元素の含有した結合相5〜50体積%と、
残り炭化タングステン,又は炭化タングステンと周期律
表4a,5a,6a族金属の炭化物,炭窒化物及びこれらの相互
固溶体の中の少なくとも1種のBー1型結晶構造の化合
物とでなる硬質相と不可避不純物とからなる焼結合金で
あって、その表面の1部もしくは全面に亘る表面から0.
2〜10mmの内部までの表面層は、Cr,Mo,V,Ta,Al,Ti,Zr,N
b,Hf,W,Si,B,P,Cの中の少なくとも1種の拡散元素が表
面から内部に向かって漸次減少し、かつ該結晶相の相対
濃度と該炭化タングステンの平均粒径の一方もしくは両
方が表面から内部に向かって漸次増加又は増大している
ことを特徴とするものである。
は、Co,Ni,Feの少なくとも1種又はこれらの相互合金か
らなる場合、もしくは結合相中の50体積%以上がCo,Ni,
Feの少なくとも1種で、残りが、例えばCr,Mo,V,Al,Cu,
Mnからなる場合であるが、この内、Co及び/又はNiでな
る場合、あるいはCo及び/又はNiに数%以下の微量の拡
散元素の含有してなる結合相が好ましいことである。
硬質相は、炭化タングステンのみからなる場合、又は炭
化タングステンと周期律表4a,5a,6a族金属の炭化物,炭
窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも1種の
B−1型結晶構造の化合物とからなる場合がある。
部分に、主として結合相に固溶する拡散元素を存在させ
ることにより、内部に比べて硬化させ、その結果焼結合
金自体の耐摩耗性を高めたもので、その厚さが0.2mm未
満では耐摩耗性の向上が弱く、逆に10mmを超えて厚くな
ると靱性の低下及び製造上の困難性を伴うことから、0.
2〜10mmと定めたものである。
層中の結合相に固溶した、例えばCo−Cr,Ni−Cr,Co−V,
Ni−V,Co−Zr,のような状態で存在し、場合によっては
結合相中に、例えばCo3Si,Ni3Al,AlTi3のような金属間
化合物の状態で存在し、場合によっては、例えばCr7C3,
Mo2C,(V,W)C,(Ti,W)C,(Ta,W)Cのような硬質相の
構造で存在するものである。これらの拡散元素の内、V,
Cr,Mo,C,B,Al,Si,Pは、主として結合相に固溶して、表
面層を硬化すると共に、表面層中の結合相量を減少させ
る効果がある。また、拡散元素の内、Ti,V,Cr,Zr,Nb,M
o,Hf,Ta,Wは、表面層を硬化すると共に、表面層中の炭
化タングステの粒子成長を抑制させる効果がある。
く、硬さ向上が大きいことから特に好ましく、結合相濃
度にはCが有効で、WC粒成長抑制にはCo結合相では、V,
Cr,Taが有効で、Ni結合相ではCr,Al,Tiが有効であるこ
とから好ましく、2種以上の拡散元素もさらに好ましい
ものである。
ステンの粒径,結合相濃度については、焼結合金の表面
から内部に向って0.2mmまでの表面層における拡散元素
の平均的濃度(Cs)と内部における拡散元素の平均的濃
度(Ci)との比がCs/Ci=2.0以上で、かつ該表面層にお
ける結合相の平均的濃度(bs)、炭化タングステンの平
均粒径(ds)と、内部における結合相の平均的濃度(b
i)、炭化タングステンの平均粒径(di)との比がbs/bi
=0.9以下及び/又はds/di=0.9以下であることが耐摩
耗性と靱性の両方を高めるのに好ましいことである。
金の表面から内部に向って0.2mmまでの平均ビッカース
硬さ(HVs)と、内部におる平均ビッカース硬さ(HVi)
との比がHVs/HVi=1.10以上であることが好ましいこと
である。
結時又は焼結後にその表面から拡散元素を拡散させれば
よく、その方法としては、例えば拡散させようとする拡
散元素の含有した固体,液体又は気体から拡散させると
いう方法があるけれども、特に次の方法で行うと表面層
の厚さ及び拡散元素の傾斜度合いなどの制御が容易で好
ましいことである。
法は、鉄族金属の少なくとも1種もしくはこれらの相互
固溶体,又はこれらに拡散元素の含有した粉末5〜50体
積%と、残り炭化タングステン,又は炭化タングステン
と周期律表4a,5a,6a族金属の炭化物,炭窒化物及びこれ
らの相互固溶体の中の少なくとも1種のBー1型結晶構
造の化合物とでなる粉末とを粉砕混合して混合粉末を得
る工程、該混合粉末を所定の形状に加圧成形して粉末成
形体を得る工程、拡散元素を含む金属,合金,化合物の
固体物質を粉末成形体に接触させて、真空又は非酸化性
雰囲気中で1250〜1550℃に加熱するか、もしくは拡散元
素を含むガス雰囲気中で1250〜1550℃に加熱する工程と
からなることを特徴とする方法である。この方法におけ
る工程の内、拡散元素を含む固体物質を粉末成形体に接
触させるとは、例えば粉末の固体物質を粉末成形体表面
に一体化成形する方法、粉末成形体の表面に塗付する方
法、又は粉末の固体物質を塗付した焼結用板体に粉末成
形体を載置させる方法、もしくは固体物質中に粉末成形
体を埋設させる方法を挙げることができる。また、固体
物質としては、拡散元素の含有した金属や合金の他に、
例えばTiC,Cr3C2,VC,Ti(C,N),TiNなどの化合物を用い
ることができ、特に周期律表4a,5a,6a族金属の拡散元素
からなる場合に、その炭化物を固体物質として用いると
表面層への脱炭相(Co3W3C)の生成が抑制されるので好
ましいことである。
形体に接触させる固体物質の量によっても調整すること
ができるけれども、結合相中での拡散元素の拡散係数、
焼結のための加熱温度、保持時間によって制御するのが
好ましいことである。
焼結合金の表面に拡散させる場合は、例えば、TiCl4,VO
Cl3,CrO2Cl2,ZrCl4,NbOCl3,MoF6,HfCl4,TaCl5,BCl3,AlC
l3,SiCl4,PCl3などの塩化物又は酸塩化物と、H2及びCH4
の混合気体ガス雰囲気中で行うのが好ましいことであ
る。
が耐摩耗性及び耐塑性変形性を高め、内部が靱性を高め
る作用をし、表面層中の拡散元素と、結合相の相対濃度
及び/又は炭化タングステンの平均粒径との相乗効果で
もって表面層を硬化する作用をし、拡散元素の内、V,C
r,Mo,C,B,Al,Si,Pの場合は、液相出現温度を低下させる
作用をし、その結果焼結(加熱)時に表面で優先的に液
相が出現し、この液相が毛細管現象でもって、内部に向
って急激に移動し、表面部の結合相量を減少させる作用
をし、Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,Wの拡散元素の場合は、
焼結時にWC粒子の成長を抑制する作用をし、その結果表
面層のWC粒径を内部よりも微細にするという作用をして
いるものである。
1.5μmのカーボニルNi粉末,1.2μmのカーボニルFe粉
末,1.1μmのWC/TiC/TaC=50/20/30の固溶体粉末をそれ
ぞれ第1表に示す配合組成に秤量配合し、超硬合金製の
ポットにアセトン溶媒、超硬合金製ボールとともに装入
して48Hr混合粉砕した。乾燥後80℃に加熱しながら1.5w
t%のパラフィンワックスを添加混合し、混合粉末を得
た。
レス面にTiC,VC,Cr,TaC,黒鉛,Al4C3の各粉末もしくはこ
れらの混合粉末からなる第1表の拡散元素粉末を均一に
敷き、その後この下ピンをモールドにセットし、第1表
の配合組成の各混合粉末を充填して1ton/cm2の圧力で加
圧することにより下面に各拡散元素の薄膜が一体化成形
された20φ×25mmの成形体を作製した。得られた成形体
をAlN粉末を敷いたカーボン板に置き、真空炉に装入し
て約10-2Torrの雰囲気中、所定の温度,時間条件で焼結
し、本発明品1〜10を得た。
φ×25mmの成形体を作製し、この片面にパラフィンワッ
クスとヘキサンに混存させたCr3C2粉末あるいはNbC粉末
を所定量塗付した後、同様に真空中焼結し、本発明品1
1,12を得た。一方、成形体をAl2O3粉末とMo2CあるいはB
4C粉末との混合粉末中に埋設し、真空焼結して本発明品
13,14を得た。
vol%H2−0.5vol%CH4−0.1vol%TiCl4からなる混合ガ
ス中で焼結し、本発明品15を得た。
φ×20mm)を切断し表面層と内部について、拡散元素の
濃度,結合相量,WC粒径及びビッカース硬さを測定し
た。結果を拡散処理を施していない通常焼結の超硬合金
と比較して第2表に示した。また、本発明品No4の表面
から内部に向っての拡散元素濃度,結合相Co量,WC粒
径,ビッカース硬さの分布の実測値を第1図及び第2図
に示した。
平均濃度Csと内部での値Ciを測定した。
均濃度bsと内部での値biを測定した。
の平均粒径dsと内部の粒径diを算出(Fulmanの式)し
た。
より0.2mmまでのビッカース硬さHVsと内部の硬さHViを
測定した。
て、外径10φ10mm,切刃部長さ60mm,柄部30mmのソリッド
ドリルを製作し、ダクタイル鋳物FCD60の板材(厚み30m
m)を使用して、切削速度50m/min,送り速度0.2〜0.4mm/
revの条件で穴明けテストを実施した。500穴加工後のコ
ーナー部摩耗量を第3表に示す。
耐摩耗性にすぐれると同時に軸中心の靱性が高いため折
損しにくいものである。
約20×20×30mm3のチップを鋼材にロー付したカッター
ビット20ケを製作し、花崗岩と砂岩の混存した岩盤を1m
3回転掘削を行った。ただし、本発明品を使用したカッ
タービット用チップでは掘削面のみ拡散効果処理を施
し、ロー付面はそのままとした。
摩滅し,3ケが刃先部に大きな欠損が見られた。
可能な状態であった。このときに用いたカッタービット
のチップの鋼材へのロー付時におけるチップ内に発生す
るロー付クラックは、比較品No1が10ケに1ケの割合で
あったのに対し、本発明品No4にはロー付クラックの発
生が見られなかった。
れると同時に、靱性,耐衝撃性にすぐれることから耐欠
損性,耐破損性にもすぐれるもので、その結果切削工
具,耐摩耗工具又は土木建設工具などの工具、工具部品
として用いると高寿命になるという効果があること、特
にドリルやカッタービットのような回転工具として用い
ると従来の焼結合金に比較して高寿命化が顕著である。
部における結合相濃度,拡散元素であるCr,V濃度の分布
状態を表わす曲線図である。 第2図は、実施例の本発明品No4焼結合金の表面から内
部におけるWCの平均粒径,ビッカース硬さの分布状態を
表わす曲線図である。 図中、1:結合相濃度曲線 2:Cr拡散元素の濃度曲線 3:V拡散元素の濃度曲線 4:WCの平均粒径 5:ビッカース硬さ
Claims (5)
- 【請求項1】鉄族金属の少なくとも1種もしくはこれら
の相互固溶体,又はこれらに拡散元素の含有した結合相
5〜50体積%と、残り炭化タングステン,又は炭化タン
グステンと周期律表4a,5a,6a族金属の炭化物,炭窒化物
及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも1種のBー1
型結晶構造の化合物とでなる硬質相と不可避不純物とか
らなる焼結合金において、該焼結合金の表面の1部もし
くは全面に亘る表面から0.2〜10mmの内部までの表面層
は、Cr,Mo,V,Ta,Al,Ti,Zr,Nb,Hf,W,Si、B、P、Cの中
の少なくとも1種の拡散元素が表面から内部に向かって
漸次減少し、かつ該結合相の相対濃度と該炭化タングス
テンの平均粒径の一方もしくは両方が表面から内部に向
かって漸次増加又は増大していることを特徴とする傾斜
組成組織の焼結合金。 - 【請求項2】上記焼結合金の表面から内部に向かって0.
2mmまでの表面層における上記拡散元素の平均的濃度(C
s)と、該内部における上記拡散元素の平均的濃度(C
i)との比がCs/Ci=2.0以上で、かつ該表面層における
上記結合相の平均的濃度(bs)、上記炭化タングステン
の平均粒径(ds)と、該内部における上記結合相の平均
的濃度(bi)、上記炭化タングステンの平均粒径(di)
との比がbs/bi=0.9以下及び/又はds/di=0.9以下であ
ることを特徴とする特許請求の範囲の第1項に記載され
た傾斜組成組織の焼結合金。 - 【請求項3】上記焼結合金の表面から内部に向かって0.
2mmまでの表面層における平均ビッカース硬さ(HVs)
と、該内部における平均ビッカース硬さ(HVi)との比
がHVs/HVi=1.10以上であることを特徴とする特許請求
の範囲の第1項又は第2項に記載された傾斜組成組織の
焼結合金。 - 【請求項4】鉄族金属の少なくとも1種もしくはこれら
の相互固溶体,又はこれらに拡散元素の含有した粉末5
〜50体積%と、残り炭化タングステン,又は炭化タング
ステンと周期律表4a,5a,6a族金属の炭化物,炭窒化物及
びこれらの相互固溶体の中の少なくとも1種のBー1型
結晶構造の化合物の粉末とを粉砕混合して混合粉末を得
る工程、該混合粉末を所定の形状に加圧成形して粉末成
形体を得る工程、Cr,Mo,V,Ta,Al,Ti,Zr,Nb,Hf,W,Si、
B、P、Cの中の少なくとも1種の拡散元素を含む金
属,合金、化合物の固体物質を該粉末成形体に接触させ
て真空又は非酸化性雰囲気中で1250〜1550℃に加熱、も
しくは該拡散元素を含むガス雰囲気中で1250〜1550℃に
加熱する工程とからなることを特徴とする傾斜組成組織
の焼結合金の製造方法。 - 【請求項5】上記鉄族金属がCo及び/又はNiからなり、
上記炭化タングステンが平均粒度0.5μm以下、上記拡
散元素粉末が金属炭化物であることを特徴とする特許請
求の範囲の第4項に記載された傾斜組成組織の焼結合金
の製造方法。
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