JP3474254B2 - 高強度強靭性超硬合金およびその被覆超硬合金 - Google Patents
高強度強靭性超硬合金およびその被覆超硬合金Info
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Description
成分として含有する超硬合金に関し、具体的には、例え
ばバイト,ドリル,エンドミル,リーマ,ブローチに代
表される切削工具、絞り型,しごき型,鍛造型などの塑
性加工工具、打抜き型,スリッターなどの剪断工具に代
表される耐摩耗工具、時計枠,タイピンに代表される装
飾,耐蝕部品として適する高強度強靭性超硬合金に関す
るものである。
V,Nb,Taの炭化物を少量添加した超硬合金は、従
来から実用されており、例えばWCーTaC(NbC)
−Co系超硬合金が鋳物,非鉄金属,非金属などの切削
工具として、またWC−VC−Co系超硬合金が鋼の倣
い切削工具,ドリル,エンドミルとして実用されてい
る。これらのWC以外の炭化物は、焼結時のWC粒成長
を抑制し、かつ冷却時にWC粒界へ析出するため、超硬
合金の硬さおよび耐摩耗性を高め、高温での耐塑性変形
性を改善する効果がある。
金」15(1968)14に記載されているように、W
C以外の炭化物を少量添加した超硬合金は、焼結時にW
C以外の炭化物がCo液相中に完全溶解し、冷却時に数
10μmもの粗大な樹枝状析出物となって晶出するため
に、強度,靭性ともに著しく低下するという問題があ
る。一方、WC以外の炭化物の添加量を溶解限以上に増
加させた超硬合金は、焼結時にCo液相中に溶解しない
粒子が核となって均一に晶出するために、粗大な樹枝状
析出物の晶出を防止できるが、WC以外の炭化物を多量
に添加することにより、強度,靭性および耐すきとり摩
耗性を低下させるという問題がある。
o系超硬合金が多数提案されており、その代表的なもの
に、特開昭61−124548号公報,特開平1−19
1760号公報,特開平2−22438号公報および特
開平2−190439号公報がある。
WC以外の添加物を少量添加した超硬合金の内、特開昭
61−124548号公報には、重量比で、WCを主成
分とする硬質相75〜90%をFe族およびCr族のう
ちの1種以上10〜25%、HfまたはHf炭化物0.
1〜3.2%添加、硬質相の一部をTaCおよびNbC
の1種または2種0.1〜5%で置換した超硬合金につ
いて記載されている。また、特開平1−191760号
公報には、重量比で、Co2〜5.5%、Ti,Ta,
Nb,V,Crの炭化物のうちの1種以上0.2〜2
%、残りが炭化タングステンとする不可避不純物からな
る組成で、かつ炭化タングステンの平均粒径が0.3〜
1.2μmでなるTi合金切削用超硬合金について記載
されている。さらに、特開平2−22438号公報に
は、重量比で、結合相形成成分としてのCoおよびNi
の1種以上8〜20%、Ti,Ta,Nbの炭化物の1
種以上0.2〜5%、残りが炭化タングステンと不可避
不純物からなる組成で、かつ炭化タングステンが炭化タ
ングステンに占める割合で、1μm以下の粒径55〜7
0容量%、2〜4μmの粒径25〜40容量%、1μm
以下の粒径と2〜4μmの粒径の合計80容量%以上で
なる超硬合金製エンドミルについて記載されている。そ
の他、特開平2−190439号公報には、粉末粒径1
〜10μmのWCを主成分とする系に、Ni10〜30
wt%、Cr3C22wt%以下を含み、さらにTaC,
TiC,HfCの1種以上0.1〜2wt%を含む超硬
合金について記載されている。
金は、組成成分または組成成分と炭化タングステンの粒
径の調整でもって、超硬合金の諸特性の向上を達成しよ
うとしたものではあるが、炭化タングステン以外の炭化
物による粗大な樹枝状析出物の晶出が生じて、やはり強
度および靭性を満足するには至っていないという問題が
ある。
もので、具体的には、炭化タングステンを主成分とする
超硬合金中に、炭化タングステン以外の炭化物,窒化
物,炭窒化物でなる少量の分散相を微細で均一に分布さ
せて、略同組成でなる従来の超硬合金に比べて、略同一
硬さに維持し、強度および靭性を顕著に高めた超硬合金
の提供を目的とするものである。
o系合金に、WC以外の炭化物を少量添加した場合に生
じる粗大な樹枝状析出物の晶出の防止について検討して
いたところ、樹枝状析出物の晶出核として働く化合物粒
子を添加;分散させて均一微細な組織の分散相にするこ
と、この化合物としては樹枝状析出物と同一結晶構造お
よび近接した格子定数を有し、Co液相中への溶解度が
低く、かつ合金特性を低下させないこと、これらを満足
するには、WCーCo系合金中に、炭化物,窒化物,炭
窒化物としての分散相に周期律表の4a族元素と周期律
表の5a族元素をある一定比の割合に存在させることで
達成することができるという知見を得て本発明を完成す
るに至ったものである。
重量%の結合相と0.03〜5重量%の分散相と、残り
が炭化タングステンからなる超硬合金であって、該結合
相はCoおよび/またはNiを主成分とし、該分散相は
第1分散相および第2分散相からなり、該第1分散相が
Ti,Zr,Hf,V,Nb,Taの炭化物,窒化物,
これらの相互固溶体であり、該第2分散相がTi,Z
r,Hf,V,Nb,Taの1種以上とWとを含む複合
炭化物,複合窒化物,複合炭窒化物であり、該分散相は
Ti,Zr,Hfの中の1種以上の4a族元素とV,N
b,Taの中の1種以上の5a族元素が含まれており、
該分散相に含まれるTi,Zr,Hfの中の1種以上の
4a族元素が該分散相に含まれるV,Nb,Taの中の
1種以上の5a族元素に対する重量百分率で85%以下
でなり、該分散相が最大径5μm以下で該超硬合金中に
均一に分散されていることを特徴とするものである。
上述の結合相3〜30重量%と、上述の分散相0.03
〜5重量%と、残りが炭化タングステンからなる合金で
あって、該分散相に含まれるTi,Zr,Hfの中の1
種以上の4a族元素が該結合相に対する重量百分率で
0.2〜5%であり、該分散相に含まれるV,Nb,T
aの中の1種以上の5a族元素が該結合相に対する重量
百分率で1〜10%であることを特徴とするものであ
る。
金は、上述の結合相3〜30重量%と、上述の分散相
0.03〜5重量%と、残りが炭化タングステンからな
る合金であって、該分散相に含まれるTi,Zr,Hf
の中の1種以上の4a族元素が該分散相に含まれるV,
Nb,Taの中の1種以上の5a族元素に対する重量百
分率で85%以下でなり、かつ該分散相に含まれるT
i,Zr,Hfの中の1種以上の4a族元素が該結合相
に対する重量百分率で0.2〜5%であり、該分散相に
含まれるV,Nb,Taの中の1種以上の5a族元素が
該結合相に対する重量百分率で1〜10%であることを
特徴とするものである。
的には、例えばCo,NiまたはCo−Niからなる場
合、もしくはこれらにCr,V,Wなどが結合相に対し
て10重量%以下含有している場合があり、特にCrや
Vが結合相中に含有している場合には、炭化タングステ
ンの粒成長抑制効果および耐蝕性効果を高めるので好ま
しいことである。この結合相が超硬合金全体に対して3
重量%未満になると、相対的に炭化タングステンが多く
なって強度および靭性の低下が顕著となり、逆に超硬合
金全体に対して30重量%を超えて多くなると、硬さ,
耐摩耗性および耐塑性変形性の低下が顕著になるため
に、結合相は3〜30重量%と定めたものである。
的には(Ti,Ta)C,(Ti,Ta,W)C、(T
i,Ta,Nb,W)C、(Zr,Nb,W)C、(T
i,V,W)C、(Ti,Ta,W)(C,N)、(H
f,Ta,W)(C,N)のように、4a族元素と5a
族元素を含んだ複合炭化物や複合炭窒化物の場合は、こ
れが単独で存在することもあり、これらの他に例えばT
iC,ZrC,HfC,VC,NbC,TaC,Ti
N,ZrN,HfN,VN,NbN、TaN,Ti
(C,N),Zr(C,N),Hf(C,N),V
(C,N),Nb(C,N),Ta(C,N),(T
i,Zr)C,(Ti,Zr)N,(Ti,Zr)
(C,N)の炭化物、炭窒化物、窒化物を含む2種以上
として存在する場合もある。この分散相は、芯部とその
周辺部との組成成分が異なる2重構造になる傾向が強
く、芯部には4a族元素が、周辺部には5a族元素が多
くなる傾向にあり、化学量論組成になっている場合もあ
るが、ほとんどが非化学量論組成からなっているもので
ある。
Hf,V,Nb,Taの中の1種以上とWとを含む複合
炭化物の存在した分散相、(ロ)超硬合金全体に対して
0.001〜0.5重量%の窒素を含有した窒化物また
は炭窒化物の存在した分散相、(ハ)Zrの炭化物,窒
化物,炭窒化物およびZrを含む複合炭化物,複合窒化
物,複合炭窒化物の中の1種以上の存在した分散相でな
ることが好ましく、特に(イ)と(ハ)の組合わされた
分散相の場合には、靭性の優れた超硬合金が得られ易く
好ましいことである。
量%未満になると、硬さ、耐摩耗性および耐塑性変形の
低下が著しく、逆に超硬合金全体に対して5重量%を超
えて多くなると、粗粒の樹枝状析出物が晶出し、強度お
よび靭性の低下が著しくなる。また、分散相中に存在す
るTi,Zr,Hfの中の1種以上の4a族元素が分散
相に存在するV,Nb,Taの中の1種以上の5a族元
素に対する重量百分率で85%を超えて多くなると、粗
粒の樹枝状析出物が晶出し易くなって、強度および靭性
の低下が著しくなる。
結合相量と相関があり、分散相に含まれるTi,Zr,
Hfの中の1種以上の4a族元素が結合相に対する重量
百分率で0.2%未満になると分散相の晶出核として働
く粒子数が減少し、不均一で粗粒な分散相になり易く、
その結果超硬合金の強度および靭性が低下し易く、逆に
5%を超えて多くなると分散相自体の脆化とその量の増
加により、超硬合金の強度および靭性が低下し易くな
る。一方、分散相に含まれるV,Nb,Taの中の1種
以上の5a族元素が重量百分率で1%未満になると、不
均一で粗粒な分散相になり易く、超硬合金の強度,靭性
および耐塑性変形性が低下し易く、逆に10%を超えて
多くなると、樹枝状析出物を呈しなくなるものの分散相
過多による硬さ,耐摩耗性,強度および靭性が低下し易
くなる。この分散相の最大径は、5μm以下、好ましく
は3μm以下、特に好ましくは2μm以下で均一に分散
していることである。
グステンとでなる本発明の超硬合金を基材とし、この基
材上に、硬質被膜、具体的には、例えば周期律表の4
a,5a,6a族金属の炭化物,窒化物,炭酸化物,窒
酸化物,ホウ化物およびこれらの相互固溶体,または酸
化アルミニウム,酸化ジルコニウム,(Ti,Al)
N,(Ti,Al)(C,N),(Ti,Al)(N,
O),(Ti,Al)(C,N,O),ダイヤモンド,
ダイヤモンド状カーボン,立方晶窒化ホウ素,硬質窒化
ホウ素の中の1種の単層もしくは2種以上の多層でなる
硬質被膜を被覆した被覆超硬合金として用いると耐摩耗
性の向上および長寿命化になることから、好ましいこと
である。この被覆超硬合金における硬質被膜は、総膜厚
さが0.1〜15μm、好ましくは0.5〜10μm、
基材に隣接する硬質被膜が分散相を形成している元素を
含んだ硬質被膜でなることが特に好ましいことである。
る粉末冶金法を応用することにより作製することができ
る。具体的には、例えばCo,Ni,W,Cr3C2など
の結合相形成粉末と分散相形成粉末と炭化タングステン
粉末を混合粉砕して得た混合粉末を所定形状に成形して
圧粉成形体とし、これを真空または非酸化性雰囲気中で
1300〜1550℃に加熱焼結することにより、本発
明の超硬合金を得ることができる。このときの分散相形
成粉末としては、周期律表の4a族金属,5a族金属の
炭化物,窒化物,炭窒化物をそれぞれ単独に用いてもよ
いが、WCも含むこれらの相互固溶体を用いることも好
ましく、また、均一微細な分散相とするために、4a族
金属の酸化物粉末や硝酸塩を用いて、焼結時に還元,炭
化して分散相とすることも好ましく、特に、焼結を窒素
ガス雰囲気中で行うと、4a族金属が窒化されること、
およびその窒化物が安定して、分散相の晶出核として働
く粒子が増加して、より均一微細な分散相になり易く好
ましいことである。
し、この基材上の硬質被膜を被覆する場合は、従来から
行われている化学蒸着法や物理蒸着法でもって被覆する
ことができる。
a族元素と5a族元素の比率が均一微細な分散相を形成
する作用として働き、具体的には、焼結時に4a族元素
の供給物質である、例えば4a族元素の炭化物,窒化
物,炭窒化物が分散相の晶出核として働き、5a族元素
の供給物質である、例えば5a族元素の炭化物を均一分
散させる作用をし、この均一微細な分散相が硬さ,耐摩
耗性,耐塑性変形性,強度および靭性を高める作用をし
ているものである。
1〜3μmの範囲にあるCo,Ni,W,Cr3C2,V
C,NbC,TaC、0.5〜0.9μmの範囲にある
TiN,ZrC,ZrN,HfC,(W,Ti)C[W
C/TiC=70/30]、0.05μmのZrO2お
よび試薬の硝酸ジルコニウム[ZrO (NO3)2]の各
粉末を用いて、表1に示す配合組成に秤量し、ステンレ
ス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共に挿
入し、48時間の混合粉砕後、乾燥して混合粉末を得
た。
ton/cm2の加圧でもって約5.5×9.5×29
mmの圧粉成形体を作製し、アルミナとカーボンの繊維
からなるシート上に設置して、表1に併記する雰囲気と
温度で各1時間、加熱保持することにより本発明品1〜
7および比較品1〜6を得た。こうして得た本発明品1
〜7および比較品1〜6のそれぞれの合金組成をX線回
折,顕微鏡,蛍光X線分析,XMAでもって調べて、そ
の結果を表2に示した。そして、#230のダイヤモン
ド砥石で湿式研削加工し、4.0×8.0×25.0m
mの形状に仕上げて、各合金の試験片を作製した。
を、また試験片の一面を1μmのダイヤモンドペースト
でラップ加工して硬さ(荷重:20kgf)と破壊靭性
値:K1c(IM法,荷重:20kgf)を測定し、そ
の結果を表3に示した。さらに、村上氏液でエッチング
した後、光学顕微鏡によって分散相の分布状態(凝集状
の直径)を観察し、その結果を表3に併記した。
示す配合組成に秤量し、表4に示す焼結条件以外は実施
例1と同様の製造条件を経て焼結し、本発明品8〜10
および本発明を外れた比較品7,8を得た。こうして得
た本発明品8〜10および比較品7,8のそれぞれの合
金組成を実施例1と同様に調べて、その結果を表5に示
した。
〜10および比較品7,8のそれぞれの合金組成を調べ
て、その結果を表6に示した。
なる従来の超硬合金に比べて、硬さの低下がなく、(略
同程度の硬さ)強度が約14〜65%向上し、靭性が約
5〜17%向上するという優れた効果を有するものであ
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 3〜30重量%の結合相と0.03〜5
重量%の分散相と、残りが炭化タングステンからなる超
硬合金であって、該結合相はCoおよび/またはNiを
主成分とし、該分散相は第1分散相および第2分散相か
らなり、該第1分散相がTi,Zr,Hf,V,Nb,
Taの炭化物,窒化物,これらの相互固溶体であり、該
第2分散相がTi,Zr,Hf,V,Nb,Taの1種
以上とWとを含む複合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化
物であり、該分散相はTi,Zr,Hfの中の1種以上
の4a族元素とV,Nb,Taの中の1種以上の5a族
元素が含まれており、該分散相に含まれるTi,Zr,
Hfの中の1種以上の4a族元素が該分散相に含まれる
V,Nb,Taの中の1種以上の5a族元素に対する重
量百分率で85%以下でなり、該分散相が最大径5μm
以下で該超硬合金中に均一に分散されていることを特徴
とする高強度強靱性超硬合金。 - 【請求項2】 3〜30重量%の結合相と0.03〜5
重量%の分散相と、残りが炭化タングステンからなる超
硬合金であって、該結合相はCoおよび/またはNiを
主成分とし、該分散相は第1分散相および第2分散相か
らなり、該第1分散相がTi,Zr,Hf,V,Nb,
Taの炭化物,窒化物,これらの相互固溶体であり、該
第2分散相がTi,Zr,Hf,V,Nb,Taの1種
以上とWとを含む複合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化
物であり、該分散相はTi,Zr,Hfの中の1種以上
の4a族元素とV,Nb,Taの中の1種以上の5a族
元素が含まれており、該分散相に含まれるTi,Zr,
Hfの中の1種以上の4a族元素が該結合相に対する重
量百分率で0.2〜5%でなり、該分散相に含まれる
V,Nb,Taの中の1種以上の5a族元素が該結合相
に対する重量百分率で1〜10%でなり、該分散相が最
大径5μm以下で該超硬合金中に均一に分散されている
ことを特徴とする高強度強靱性超硬合金。 - 【請求項3】 3〜30重量%の結合相と0.03〜5
重量%の分散相と、残りが炭化タングステンからなる超
硬合金であって、該結合相はCoおよび/またはNiを
主成分とし、該分散相は第1分散相および第2分散相か
らなり、該第1分散相がTi,Zr,Hf,V,Nb,
Taの炭化物,窒化物,これらの相互固溶体であり、該
第2分散相がTi,Zr,Hf,V,Nb,Taの1種
以上とWとを含む複合炭化物,複合窒化物,複合炭窒化
物であり、該分散相はTi,Zr,Hfの中の1種以上
の4a族元素とV,Nb,Taの中の1種以上の5a族
元素が含まれており、該分散相に含まれるTi,Zr,
Hfの中の1種以上の4a族元素が該分散相に含まれる
V,Nb,Taの中の1種以上の5a族元素に対する重
量百分率で85%以下でなり、かつ該分散相に含まれる
Ti,Zr,Hfの中の1種以上の4a族元素が該結合
相に対する重量百分率で0.2〜5%でなり、該分散相
に含まれるV,Nb,Taの中の1種以上の5a族元素
が該結合相に対する重量百分率で1〜10%であり、該
分散相が最大径5μm以下で該超硬合金中に均一に分散
されていることを特徴とする高強度強靱性超硬合金。 - 【請求項4】 上記分散相は、Ti,Zr,Hf,V,
Nb,Taの中の1種以上とWとを含む複合炭化物が含
まれていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1
項に記載の高強度強靱性超硬合金。 - 【請求項5】 上記分散相は、超硬合金全体に対して
0.001〜0.5重量%の窒素を含有した窒化物また
は炭窒化物が含まれていることを特徴とする請求項1〜
4のいずれか1項に記載の高強度強靱性超硬合金。 - 【請求項6】 上記分散相は、Zrの炭化物,窒化物,
炭窒化物およびZrを含む複合炭化物,複合窒化物,複
合炭窒化物の中の1種以上が含まれていることを特徴と
する請求項1〜5のいずれか1項に記載の高強度強靱性
超硬合金。 - 【請求項7】 上記請求項1〜6のいずれか1項に記載
の超硬合金を基材とし、該基材上に膜厚0.1〜15μ
mの硬質被膜を被覆したことを特徴とする高強度強靱性
被覆超硬合金。
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JP05297294A JP3474254B2 (ja) | 1994-02-25 | 1994-02-25 | 高強度強靭性超硬合金およびその被覆超硬合金 |
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