JP4039725B2 - 超硬合金と鋼の接合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐摩耗性が要求される鍛造パンチや押出ダイス、押出パンチなどの金型として有用な安価で高寿命の超硬合金と鋼の接合材料およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
WC−Coに代表される超硬合金は耐摩耗性に優れることから金型に代表される耐摩工具で一部使用されている。しかしながら超硬合金は重量が重いため作業性が悪いこと、難加工であること、高価であることが原因で、特に金型の分野では寿命を犠牲にしてダイス鋼やハイス鋼などの鋼が使用されているのが現状である。
【0003】
この改善策として鋼で作製した金型の必要なワーク部分だけ超硬合金をロウ付けしたり、焼きバメする技術が実施されている。しかしながらロウ付け接合は鋼、ロウ材、超硬合金間の熱膨張係数差に起因する高い応力の発生でロウ材や超硬合金にクラックが発生することがある。又ロウ材の濡れ性の悪い場合は接合不良となる。又焼きバメは超硬合金および鋼ケースに非常に高い加工精度が要求され、非常にコストの高いものである。
【0004】
さらにロウ付けおよび焼きバメにより作製された金型は熱間では使用できないという制限もある。なぜなら熱間で使用するとロウ付けの場合はロウが軟化し接合部がはずれてしまい、又焼きバメの場合は鋼と超硬合金の熱膨張係数差の関係で締め付け力が弱まり、超硬合金が浮いたりズレたりする問題が発生するからである。
【0005】
特開昭59−147774号公報には超硬合金と鋼の間に金属箔を挟み込み、電子ビーム溶接で金属箔を溶融させ超硬合金と鋼を接合する製造方法が開示されている。又、特開昭58−128281号公報には超硬合金と鋼の間に金属箔を挟み込み、ホットプレスによる超硬合金と鋼の接合材料の製造方法が開示されている。超硬合金と鋼は熱膨張係数がそれぞれ5〜7×10-6/℃、11〜12×10-6/℃と大きく違うために熱応力緩和の目的でNiなどの金属箔を両者の間に介在させており、実際、超硬合金と鋼を直接接合した材料に比べて接合強度に優れる特徴を持つ。
しかしながらNiをインサート材として超硬合金と鋼を接合した材料は繰り返し疲労が加わる環境で使用するとNi箔内に疲労亀裂が発生し破断してしまうことが多いために応用分野が制限されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように鋼の高寿命化を図るために超硬合金と鋼の接合材料の開発が進められているが、ロウ付けや焼きバメ技術では接合強度不足や熱間で使用できないという制限があるため特定の範囲でしか利用できていない。
またNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料は非常に優れた接合強度を有するにもかかわらずNiが繰り返し疲労に弱いために応用分野が制限されている。したがってNiの繰り返し疲労強度を向上させることで超硬合金と鋼の接合材料の利用範囲が拡大され、特に鋼を耐摩耗性材料として使用していた分野での高寿命化が図れる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記した従来技術の課題を解決するために特にNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料に着目し種々の検討を加えてきた。そして以下に記載するような高い接合強度、高い疲労強度を有するNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料を得ることができた。
すなわちNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料においてNiインサート材の厚みが0.1mm以上0.5mm以下で、かつNiインサート材の格子定数が3.540Å以上3.580Å以下であり、超硬合金のCo量が40重量%以上であることを特徴とするものである。Niインサート材の厚みが0.1mm以上と限定しているのは、0.1mm以下であると本来の目的である超硬合金と鋼との熱応力緩和の役目が果たせず超硬合金にクラックなどが発生するからである。また0.5mm以上であるとNiの延性が悪影響を及ぼし超硬合金と鋼の接合材料が金型として使用した場合、座屈や塑性変形を起こすためである。
【0008】
Niインサート材の格子定数が3.540Å以上3.580Å以下であることは本発明において最も重要な点である。前記したようにNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料は疲労強度が非常に乏しい。これを支配しているのはNiインサート材の疲労強度である。本発明者らはまずNiインサート材の疲労強度の低さに着目し原因を推定した。Niをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料は超硬合金の成分とNi、また鋼成分とNiが相互拡散し接合されている。その中で超硬合金成分であるWのNiインサート材への拡散に着目した。
【0009】
Wの原子半径は1.37×10-10mでNiは1.25×10-10m、Feは1.24×10-10m、Coは1.25×10-10m、Cは0.77×10-10mであり、Wは他原子に比べて原子半径が大きい。本発明者らはWのNiインサート材への固溶量が増加するに従いNiインサート材は固溶強化され疲労強度が低下していくことを見いだした。つまりNiインサート材へのW固溶量を制御してやると実用的な疲労強度を有したNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料が得られる。NiインサートへのWの固溶レベルはNiインサート材の格子定数で判断できるものである。又他成分であるCoや鋼の主成分であるFe,Cも固溶してくるが、Niとほぼ原子半径が等しいか、もしくは小さいことから固溶強化に影響を及ぼさないものである。
【0010】
純Niの格子定数は3.524Åであるが、Niの格子定数を3.540Å以上3.580Å以下と規定しているのは、格子定数が3.540Å未満であるとWの固溶は少なく優れた疲労強度を示すが、金型として実用化した場合、Wによる固溶強化があまりにも少なすぎて規定の厚み内に入っていたとしてもNiインサート材を起点に座屈を起こすためである。格子定数が3.580Åを越えるとWの固溶量が多くなり疲労強度が低下する。尚、Niインサート材の格子定数は3.550〜3.570Åが好ましい。
尚、本接合材料におけるNiインサート材の格子定数はNiインサート材が2mm×2mm以上露出するようにNiインサート材付近を斜めに研削し鏡面研磨した後、微少部X線回折法(測定領域φ1.5mm)により求めた。
【0011】
さらに超硬合金のCo量は40重量%以下が良い。なぜならCo量が40重量%を越えた超硬合金の耐摩耗性はもはやダイス鋼やハイス鋼と差がなく本発明の優位性が損なわれるためである。
【0012】
金型としての実用化を鑑みた場合、Niをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料の超硬合金部分はできるだけCo量の少ない高耐摩耗性超硬合金を付与することが考えられる。しかしながらCo量の少ない超硬合金は靱性に劣るため実用的でない。この問題を解決するために超硬合金がNiインサート材と超硬合金の界面に対して垂直方向に2層以上のCo量の異なる積層構造をとり、Niインサート材と接する最下層から最上層に向けてCo量が階段状に減少し、かつ最下層のCo量が20重量%以上40重量%以下の超硬合金層であることは耐摩耗性と靱性を両立させた非常に好ましい構造である。つまりワーク部となる材料の最表面がCo量の少ない高耐摩耗性超硬合金、その直下がCo量も多い高靱性超硬合金であると万一最表面層にクラックが入ったとしても直下の高靱性層でそのクラックの進展を抑制し欠損を防ぐことができる。又、Co量の少ない最表面層は直下のCo量の多い高靱性層より熱膨張係数が小さいことから最表面層には圧縮残留応力が発生する。この圧縮残留応力の影響で最表面層にクラックが入りにくくなるという利点も生まれる。
【0013】
又最下層の超硬合金のCo量を20重量%以上40重量%以下と規定しているのは、Co量が20重量%未満であるともはや靱性層としての役割を果たさないためである。又40重量%を越えるとダイス鋼やハイス鋼以下の硬度となり、金型として実用化した場合座屈を誘発するためである。好ましくは25重量%以上30重量%以下である。
【0014】
接合する鋼の材種はダイス鋼、ハイス鋼、クロムモリブデン鋼などの高硬度鋼であることが好ましい。なぜなら金型としての実用化を鑑みた場合、鋼部の耐塑性変形性も要求される場合が多いからである。
【0015】
本発明のNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料を得るためには前述の如くNiインサート材内のWの固溶量の制御が肝要となる。電子ビーム溶接による接合はNiを溶融させて接合するために超硬合金から多量のWがNiインサート材内に拡散固溶し所望のW固溶量に制御することは不可能であった。又、ホットプレスによる接合はWの拡散固溶を阻止するために低温での接合を試みたが、Wの固溶量は所望の範囲に入ったものの接合できなかった。高温での接合も試みたが、電子ビーム溶接と同様Wの拡散固溶が著しく疲労強度の乏しいものであった。
【0016】
本発明者らは種々検討を加え、黒鉛ダイ内に鋼、Niインサート材、超硬合金またはCo量の異なる超硬合金をCo量の多い順に充填し、黒鉛パンチにより加圧力100kg/cm2以上800kg/cm2以下のもと、黒鉛パンチおよびダイに直接パルス電流を通電し、900℃以上1350℃以下で1分以上10分以下通電加圧焼結すれば、W固溶量が所望範囲に入っていると判断できる硬度を有したNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料を得ることがわかった。通電加圧焼結技術は異種材料の接合界面で局所的放電による発熱が起こり、異種材料同士が短時間で接合できるという特徴を持つ。この短時間で焼結接合できる特徴を生かし超硬合金成分であるWのNiインサート材への拡散固溶の制御が可能となる。電流をパルス電流にすることは、この特徴をより効果的なものにする点で好ましいことである。なお、出発物質となるNiインサート材の厚みは0.1mm以上0.5mm以下、また超硬合金のCo量はいずれも40重量%以下とする。
【0017】
加圧力を100kg/cm2以上800kg/cm2以下と限定しているのは、100kg/cm2未満であると接合性が不十分で、超硬合金とNiインサート材界面やNiインサート材と鋼界面に未接着ポアが発生し800kg/cm2を越えると鋼材の変形が生じてしまうからである。焼結温度を900℃以上1350℃以下に限定している理由は900℃未満であると所望の加圧力を付与していても界面に未接着ポアが発生し、1350℃を越えると超硬成分であるWのNiインサート材への拡散固溶が活性化し、その固溶量を制御できなくなるからである。又焼結時間を1分以上10分未満に制限しているのは、焼結温度が所望の温度範囲内であったとしても、焼結時間が1分未満であると界面に未接着ポアが生じやすく、10分を越えると超硬成分であるWのNiインサート材への拡散固溶量が多くなりNiインサート材の格子定数が所望範囲以上になってしまうからである。
【0018】
又、本発明のNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料を製造するにあたり、前述の製造方法において出発物質を超硬合金ではなく超硬合金粉末にしても製造することが可能である。ただ超硬合金の場合に比べると焼結温度が1000℃以上1350℃以下と範囲が若干狭くなる。なぜなら1000℃未満であると超硬合金粉末の焼結が完全ではなく、緻密な超硬合金が得られないためである。1350℃以下と限定している理由は超硬合金を出発物質とした場合と同じである。また、超硬合金を出発物質とした場合と同様に、超硬合金粉末のCo量は40重量%以下とする。以下実施例にて本発明を説明する。
【0019】
【発明の実施の形態】
【実施例】
(実施例1) WC−25%Co組成でφ30×5mmの超硬合金ペレットAおよびさまざまな厚みを持ったφ30のNi箔を準備した。またφ30×50mmの鋼材(SKD61)も準備した。
黒鉛型の中に上から超硬合金ペレットA、Ni箔、鋼材の順番に挿入し、加圧力150kg/cm2のもと直流電流を通電し、焼結温度1200℃、焼結時間2分とし、Niインサート材の厚みがさまざまな試料1〜試料5を作製した。さらに比較品としてφ30×55mmの鋼材(SKD61)を試料6として準備した。
【0020】
試料1〜試料6を熱間鍛造パンチとして寿命テストを行った。寿命は鍛造寸法精度が規定値より外れるまでの加工数で判定した。鍛造条件としては、ワークが鋼材(SS41)、鍛造温度が600℃、面圧1t/cm2で行った。
試料1〜試料6の特性並びに鍛造加工数を表1に示す。
【0021】
【表1】
【0022】
(実施例2) WC−20%Co組成でφ30×500mmの超硬合金ペレットB、φ30×0.20mmのNi箔およびφ30×1000mmの鋼材(ハイス鋼)を準備した。
黒鉛型の中に上から超硬合金ペレットB、Ni箔、鋼材の順番に挿入し、加圧力250kg/cm2のもとパルス電流を通電し、焼結温度1200℃、焼結時間の条件を変えてNiインサート材の格子定数が異なる試料7〜試料11を作製した。さらに比較品としてφ30×1500mmの鋼材(ハイス鋼)を試料12として準備した。
【0023】
試料7〜試料12をアルミニウムの押出マンドレルとして寿命テストを行った。寿命は押出製品(パイプ)の中穴寸法精度が規定値からはずれた場合を寿命とし、それまで押出したアルミニウムの総長さで判定した。押出条件としては押出材質がA7003、押出温度が500℃、押出速度15m/minで行った。
試料7〜試料12の物性、焼結時間およびアルミニウムの押出長さを表2に示す。
【0024】
【表2】
【0025】
(実施例3) WC−25%Co組成でφ100×5mmの超硬合金ペレットC、WC−45%Co組成でφ100×5mmの超硬合金ペレットD、φ100×0.20mmのNi箔およびφ100×50mmの鋼材(SKD61)を準備した。黒鉛型の中に上から超硬合金ペレットCもしくはD、Ni箔、鋼材の順番に挿入し、加圧力400kg/cm2のもと直流電流を通電し、焼結温度1000℃、焼結時間4分で試料13,試料14を作製した。さらに比較品としてφ100×55mmの鋼材(SKD61)を試料15として準備した。
試料13〜試料15にφ35の中穴を設け、アルミニウムの押出ダイスとして寿命テストを行った。寿命は押出製品(棒)の外径寸法精度が規定値からはずれた場合を寿命とし、それまで押出したアルミニウムの長さで判定した。押出条件としては押出材質がA7003、押出温度が470℃、押出速度20m/minで行った。
試料13〜15の特性およびアルミニウム押出長さを表3に示す。
【0026】
【表3】
【0027】
(実施例4) さまざまな長さを持ったφ20のWC−5%Co超硬合金ペレット、WC−12%Co超硬合金ペレット、WC−25%Co超硬合金ペレット、WC−18%Co超硬合金ペレット、WC−45%Co超硬合金ペレットを準備した。さらにさまざまな厚みを持ったφ20のNi箔およびφ20×50mmの鋼(SCM435)を準備した。超硬部の厚みが3mmとなるような超硬合金ペレットの組み合わせ、Ni箔、鋼の順に黒鉛型に挿入し、加圧力600kg/cm2のもとパルス電流を通電し、焼結温度1280℃、焼結時間3分で表4に示す構造、特性を持った試料16〜試料24を作製した。比較品として、φ20×53mmの鋼材(SCM435)を試料25として準備した。試料16〜試料25を打ち抜きパンチとして寿命テストを行った。寿命は打ち抜き製品の寸法が規定値よりはずれた場合を寿命とし、それまでの加工数で判定した。打ち抜き条件としては、ワークを1mm厚みのアルミニウム鋼鈑とし、打ち抜き圧力を3t/cm2とした。試料16〜試料25の接合構造、特性および打ち抜き加工数を表4に示す。
【0028】
【表4】
【0029】
(実施例5) WC−25%Co組成で、φ30×4mmの超硬合金ペレット、WC−12%Co組成でφ30×2mmの超硬合金ペレット、WC−25%Co組成でφ30×2mmの超硬合金ペレットおよびWC−25%Co組成で焼成後φ30×4mmになる超硬合金粉末プレス体、WC−12%Co組成で焼成後φ30×2mmになる超硬合金粉末プレス体、WC−25%Co組成で焼成後φ30×2mmになる超硬合金粉末プレス体を準備した。またφ30×0.4mmのNi箔、φ30×60mmの鋼(ハイス鋼)を準備した。
上から超硬合金ペレットもしくは超硬合金ペレット2枚もしくは超硬合金粉末プレス体もしくは超硬合金プレス体2枚、Ni箔、鋼の順に黒鉛型に挿入し、表5に示す如く加圧力250kg/cm2のもとパルス電流を通電し焼結時間2.5分、焼結温度950℃〜1400℃とし試料26〜試料33を作製した。これらの特性を表5に示す。
比較品として上記のWC−25%Co超硬合金ペレット、Ni、鋼材を組み合わせて電子ビーム溶接により作製した試料34およびホットプレスにより加圧力250kg/cm2、焼結温度1150℃、焼結時間2.5分で得た試料35並びにホットプレスにより加圧力250kg/cm2、焼結温度1280℃、焼結時間2.5分で得た試料36を比較品として得た。
さらに60×53mmの鋼(ハイス鋼)を試料37とし準備した。
試料26〜試料37を冷間鍛造パンチとして寿命テストを行った。寿命は鍛造寸法精度が規定値から外れるまでのワーク加工数で判定した。鍛造条件としては、ワークがアルミニウム、鍛造温度が室温、面圧0.5t/cm2で行った。
試料26〜試料37の製造条件、特性並びに鍛造加工数を表5に示す。
なお、加圧力は試料名26〜33が700Kg/cm2、35,36が250Kg/cm2、また焼結時間は試料名*34、*37を除きすべて2.5分、さらに、Niインサート材厚みはすべて0.4mmである。
【0030】
【表5】
【0031】
【発明の効果】
この発明のNiをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料は、Niインサート材の厚みを適正値にすることで、熱応力緩和の役目を発揮させて超硬合金のクラック発生を防止し、また接合材料自体の座屈を防止することができる。また、Niインサート材の格子定数を適正値にすることでW固溶量を制御し接合材料の疲労強度を向上させる効果を有しており、高い接合強度と高い疲労強度を発揮するのである。
Claims (6)
- Niをインサート材とした超硬合金と鋼の接合材料においてNiインサートの厚みが0.1mm以上0.5mm以下で、かつNiインサート材の格子定数が3.540Å以上3.580Å以下であり、超硬合金のCo量が40重量%以下であることを特徴とする超硬合金と鋼の接合材料。
- 超硬合金がNiインサート材と超硬合金の界面に対して垂直方向に2層以上のCo量の異なる積層構造をとり、Niインサート材と接する最下層から最上層に向けてCo量が階段状に減少し、最下層のCo量が20重量%以上40重量%以下の超硬合金層であることを特徴とする請求項1記載の超硬合金と鋼の接合材料。
- 鋼の材種がダイス鋼、ハイス鋼およびクロムモリブデン鋼のいずれかであることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の超硬合金と鋼の接合材料。
- 黒鉛ダイ内に鋼、Niインサート材、超硬合金またはCo量の異なる超硬合金をCo量の多い順に充填し、黒鉛パンチにより加圧力100kg/cm2以上800kg/cm2以下のもと黒鉛パンチおよびダイに直接電流を通電し900℃以上1350℃以下で1分以上10分以下通電加圧焼結することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の超硬合金と鋼の接合材料の製造方法。
但し、
前記Niインサート材の厚みは0.1mm以上0.5mm以下
前記超硬合金のCo量はいずれも40重量%以下 - 黒鉛ダイ内に鋼、Niインサート材、超硬合金粉末またはCo量の異なる超硬合金粉末をCo量の多い順に充填し、黒鉛パンチにより加圧力100kg/cm2以上800kg/cm2以下のもと黒鉛パンチおよびダイに直接電流を通電し、1000℃以上1350℃以下で1分以上10分以下通電加圧焼結することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の超硬合金と鋼の接合材料の製造方法。
但し、
前記Niインサート材の厚みは0.1mm以上0.5mm以下
前記超硬合金粉末のCo量はいずれも40重量%以下 - 通電加圧焼結にパルス電流を用いることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の超硬合金と鋼の接合材料の製造方法。
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