JP4911937B2 - High-strength cemented carbide, manufacturing method thereof and tool using the same - Google Patents

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Description

本発明はWC-Co系高強度・高靭性の超硬合金に関するもので、耐摩耗性、靭性、耐欠損性、耐熱亀裂性に優れており、冷間鍛造用工具、ロール、鉱山工具用ビット、破砕刃、切断刃、その他耐摩耗工具に適用される。本発明におけるWC-Co系とは、WCを主体とする硬質粒子とCoを含む鉄族金属粉とからなるものだけでなく、硬質粒子として周期律表IVa, Va, VIa 族元素のWCを除く炭化物、窒化物、炭窒化物及び硼化物から選択された少なくとも1種を含むものを意味する。   The present invention relates to a WC-Co-based high strength and high toughness cemented carbide, and is excellent in wear resistance, toughness, fracture resistance, and heat cracking resistance, cold forging tools, rolls, bits for mining tools Applicable to crushing blades, cutting blades, and other wear-resistant tools. The WC-Co system in the present invention includes not only hard particles mainly composed of WC and iron group metal powders containing Co, but also excludes WC of the periodic table IVa, Va, VIa group elements as hard particles. Meaning at least one selected from carbides, nitrides, carbonitrides and borides.

一般市販の耐摩耗用超硬合金は WC 硬質相と Co 金属相との複合材料であり、分散型合金の代表的なものである。その機械的特性は、WC 硬質相の粒度と Co 結合金属相量に依存しており、特に硬さと靭性は二律背反の関係にある。その極めて優れた硬さを十二分に生かすために、高強度・高靭性の超硬合金に関して幾多の提案が為されてきた。   A commercially available cemented carbide for wear resistance is a composite material of a WC hard phase and a Co metal phase, and is a typical dispersion alloy. Its mechanical properties depend on the particle size of the WC hard phase and the amount of Co-bonded metal phase, and in particular, hardness and toughness are in a trade-off relationship. In order to make full use of its extremely excellent hardness, many proposals have been made regarding cemented carbide with high strength and high toughness.

例えば、特公昭 47-23049 号公報には最大寸法が 50μm 以下で、その最大寸法が最小寸法の少なくとも3倍である不等寸法の炭化タングステン板状粒子と Fe 族金属とからなる高強度な合金が示されている。しかしながら、不等寸法の板状炭化タングステンは、出発原料に微細な炭化タングステンを用いて、加熱しながら、圧延加工により剪断力を作用させることで、配向した WC 粒成長組織を得るものであり、ニア・ネットな製品形状が要求される各種の耐摩耗超硬製品には、その適用が難しいという問題がある。   For example, Japanese Examined Patent Publication No. 47-23049 discloses a high-strength alloy composed of tungsten carbide plate-like particles having unequal dimensions and a maximum dimension of 50 μm or less and at least three times the minimum dimension and an Fe group metal. It is shown. However, plate-like tungsten carbide of unequal dimensions is intended to obtain an oriented WC grain growth structure by applying a shearing force by rolling while using fine tungsten carbide as a starting material while heating. Various wear-resistant carbide products that require near-net product shapes have a problem that they are difficult to apply.

さらに、特開平 02-274827 号公報では、優れた耐亀裂伝播特性、又は、靭性を有する異方性超硬合金成形体の製造技術に関するものであり、焼結済みの超硬合金を酸化し、還元した後、炭化し、異方性を有する WC と Co の混合粉末を得る方法が記載されているが、使用済みの超硬合金を再生使用する方法であり、専用設備が必要となるため、対応が難しい。   Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 02-274827 relates to a technique for producing an anisotropic cemented carbide molded body having excellent crack propagation resistance or toughness, and the sintered cemented carbide is oxidized and reduced. A method for obtaining a mixed powder of WC and Co that is carbonized and has anisotropy is described later, but this is a method of reusing used cemented carbide and requires special equipment. difficult.

これらの発明は、硬質相として異方性 WC 粒子や板状晶炭化タングステンという特異な粒子形態を採用することで、製品全体が均一な組織構造を有する、高硬度・高靭性の超硬合金の製造法である。これに対して、複合材料として高強度超硬合金の製造方法も提案されている。   These inventions adopt a unique particle form such as anisotropic WC particles or plate-like tungsten carbide as the hard phase, thereby making it possible to produce a high-hardness and high-toughness cemented carbide with a uniform structure throughout the product. It is a manufacturing method. On the other hand, a method for producing a high-strength cemented carbide as a composite material has also been proposed.

即ち、特開平 08-127807 号公報では粒成長促進材を成形体表面から含浸させ、乾燥後に本焼成を行うことで、表層部はセラミックス粒成長組織となり、内部は金属相リッチとなる傾斜複合材料が示されている。   That is, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-127807, a graded composite material in which a grain growth promoting material is impregnated from the surface of a molded body and main firing is performed after drying, whereby the surface layer portion becomes a ceramic grain growth structure and the inside becomes a metal phase rich. It is shown.

さらに、特開 2002-249843 号公報には、被酸化物セラミックス粒子と金属粒子の混合粉末を成型して成形体とし、成型体表面にホウ素化合物含有溶液を塗布して焼結することで、表層部に粒子成長組織と3次元網目構造組織を有する高硬度かつ高強度と高靭性とを兼ね備える複合材料が得られることが示されている。しかしながら、これらの提案では表層部の粒成長組織による強靱化のみであり、例えば、表層部粒度を内質部よりも小さくすることについては言及していない。   Furthermore, JP-A-2002-249843 discloses that a mixed powder of oxide ceramic particles and metal particles is molded to form a molded body, and a boron compound-containing solution is applied to the surface of the molded body and sintered to obtain a surface layer. It is shown that a composite material having both a high hardness, a high strength and a high toughness having a grain growth structure and a three-dimensional network structure in the part can be obtained. However, these proposals are only toughening by the grain growth structure of the surface layer portion, and do not mention, for example, that the particle size of the surface layer portion is smaller than that of the inner quality portion.

他方、特開平04-128330号公報では、金属炭化物を主成分とする硬質層と鉄系金属を結合層とする焼結合金において、焼結前の加圧成形体の表面に各種拡散元素を塗布して液相焼結することにより拡散元素と結合層とを硬質相の表面で反応させ、表面から内部に向かって漸次結合相の濃度が増大するとともに、硬質相の平均粒径が漸次増大する傾斜組成組織を有する焼結合金が提案されている。
特公昭 47-23049 号公報 特開平 02-274827 号公報 特開平 08-127807 号公報 特開 2002-249843 号公報 特開平04-128330号公報
On the other hand, in Japanese Patent Laid-Open No. 04-128330, in a sintered alloy having a hard layer mainly composed of metal carbide and a binding layer composed of iron-based metal, various diffusion elements are applied to the surface of the pressure-formed body before sintering. Then, the diffusion element and the bonding layer are reacted on the surface of the hard phase by liquid phase sintering, and the concentration of the bonding phase gradually increases from the surface to the inside, and the average particle size of the hard phase gradually increases. Sintered alloys having a graded composition have been proposed.
Japanese Patent Publication No. 47-23049 Japanese Patent Laid-Open No. 02-274827 Japanese Unexamined Patent Publication No. 08-127807 JP 2002-249843 Japanese Patent Laid-Open No. 04-128330

超硬合金の主要用途である切削・旋削チップは金型成型により形状が決定されるため、上述の板状晶 WC や異方性 WC 等の適用は極めて容易であるが、複雑な形状を有し、各種の成形加工により製造される耐摩耗超硬合金製品への適用は、極めて困難である。また、従来提案された傾斜組成組織の焼結合金は表層から内部に欠けて結合層の濃度差は比較的小さく、硬質相の平均粒径の増大率も大きいものでないので、表面層の破壊靱性の向上も今一歩であるだけでなく、むしろ組織内部に巣が形成されるという欠点が見出され、実用的でない。
そこで、本発明は、複雑形状の製品に対しても、表層部の高硬度・高靭性化を図り、内部を高強度化した複合構造とすることを目的とし、鋭意研究の結果、硬質粒子の粒度傾斜と結合層の濃度傾斜を同時に行わず、むしろ別々に制御することにより、硬質粒子の粒度傾斜と結合層の濃度傾斜を精度よく制御できることを見出し、所望の超硬質素材を提供するものである。
Cutting and turning tips, which are the main uses of cemented carbide, are determined by die molding, so the application of the above-mentioned plate-like WC and anisotropic WC is extremely easy, but they have complicated shapes. However, application to wear-resistant cemented carbide products manufactured by various forming processes is extremely difficult. In addition, the conventionally proposed sintered alloy with a gradient composition structure lacks from the surface layer to the inside, the concentration difference of the bonding layer is relatively small, and the increase rate of the average particle size of the hard phase is not large, so the fracture toughness of the surface layer This is not only practical, but rather has the disadvantage of forming a nest inside the tissue, which is not practical.
Therefore, the present invention aims to increase the hardness and toughness of the surface layer portion even for products with complex shapes, and to achieve a composite structure with high internal strength. It is found that the particle size gradient of the hard particles and the concentration gradient of the bonding layer can be controlled accurately by controlling the particle size gradient and the concentration gradient of the bonding layer separately, rather than separately, and provide a desired ultra-hard material. is there.

本発明者らは、理想的な高靭性超硬合金は、表層部が粗粒の硬質粒子からなる結合金属の少ない骨格構造組織であり、内部は細粒の硬質粒子からなる結合金属の多い粒子分散組織で構成される必要がある一方、理想的な高強度超硬合金は、表層部が超微粒、微粒の硬質粒子からなる結合金属量の少ない骨格構造組織であり、内部は細粒の硬質粒子からなる結合金属の多い粒子分散組織で構成されるものであることに鑑み、鋭意研究を重ねた結果、本発明に至ったものである。
すなわち、第1の発明は、M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系圧粉成型体に浸炭処理を行い、その後液相焼結を行って液晶焼結温度を指標として表層WC平均粒度を調整することを特徴とする超硬合金素材の製造方法にある。
本発明は、同一出発原料を使用して、液相焼結温度を指標として焼結された表層部の細粒をより微粒化または逆に粗粒化するもので、圧粉成型体表層部に M12C〜M3C組成の複炭化物を形成させ、これを浸炭処理して複炭化物を分解し、極めて微細・活性なWC粒子を生成させるので、最終の液相焼結において液晶焼結温度を指標として、内質部よりも 0.3〜0.7 倍微細な WC 粒子から、1.5〜10 倍粗粒な WC 粒子までを焼結体表層部に生成させることができる。
The present inventors have found that an ideal high toughness cemented carbide is a skeletal structure with a small amount of bonding metal consisting of coarse hard particles in the surface layer, and a particle containing a large amount of bonding metal consisting of fine hard particles inside. On the other hand, an ideal high-strength cemented carbide must be composed of a dispersed structure, while the surface layer part is a skeletal structure with a small amount of bonded metal consisting of ultrafine and fine hard particles, and the inside is fine hard In view of the fact that it is composed of a particle-dispersed structure with a large amount of binding metal composed of particles, the present invention has been accomplished as a result of extensive research.
That is, the first invention is an M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co Carbide treatment is performed on a WC-Co-based green compact with the main component of the surface layer part, and then liquid phase sintering is performed on the surface layer WC using the liquid crystal sintering temperature as an index. A method for producing a cemented carbide material characterized by adjusting an average particle size.
The present invention uses the same starting material, and finer the surface layer portion that has been sintered with the liquid phase sintering temperature as an index. A double carbide with a composition of M 12 C to M 3 C is formed and carburized to decompose the double carbide to produce extremely fine and active WC particles, so the liquid crystal sintering temperature in the final liquid phase sintering Using the index as an index, WC particles that are 0.3 to 0.7 times finer than the inner part to WC particles that are 1.5 to 10 times coarser than the inner part can be formed on the surface layer of the sintered body.

さらに、本発明者らは、表層部硬度の向上と圧縮残留応力の付与を目的として、焼結体表層部に硼化物や珪化物を被覆して、液相焼結温度以下の1200〜1350℃ の温度域で拡散熱処理を行うことで、表層部から内部への結合相の濃度の傾斜により、極めて強靱化した、摩擦係数の低い表層部を有する高強度超硬合金が得られることを見出した。したがって、第2の発明は、M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とするWC-Co系圧粉成型体を液相焼結後得られた焼結体の表面に、融点降下元素であるホウ素や珪素を含む化合物を塗布し、液相焼結温度以下の1200〜1350℃の温度範囲で拡散熱処理することを特徴とする高強度超硬合金の製造方法を提供するものである。第2の発明によれば、M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、鉄族金属Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とするWC-Co系焼結工具であって、ホウ素B又はケイ素Siを重量で0.010〜1.0%の範囲で含む表層部を有し、該表層部が、内質部よりも高い分布密度の硬質粒子を有することを特徴とする高強度超硬合金焼結材が得られる。 Furthermore, the present inventors coated boride and silicide on the surface layer portion of the sintered body for the purpose of improving the surface layer hardness and imparting compressive residual stress, and 1200 to 1350 ° C. below the liquid phase sintering temperature. It was found that a high strength cemented carbide with a surface layer portion having a low friction coefficient that is extremely tough due to the gradient of the concentration of the binder phase from the surface layer portion to the inside can be obtained by performing diffusion heat treatment in the temperature range of . Therefore, the second invention is an M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co , Ni represents one or more of Ni) on the surface of the sintered body obtained after liquid phase sintering of a WC-Co-based green compact with the main component of the surface layer, The present invention provides a method for producing a high-strength cemented carbide comprising applying a compound containing silicon and subjecting it to a diffusion heat treatment in a temperature range of 1200 to 1350 ° C. below the liquid phase sintering temperature. According to the second invention, M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and an iron group metal) WC-Co-based sintered tool comprising at least one of Fe, Co, and Ni) as a main component of the surface layer portion, and containing boron B or silicon Si by 0.010 to 1.0% by weight A high-strength cemented carbide sintered material characterized in that it has a surface layer portion included in the range, and the surface layer portion has hard particles having a distribution density higher than that of the inner quality portion.

また、第3の発明は、第1の発明と第2の発明を組み合わせて、表層部から内部に向けて硬質粒子の粒度傾斜と結合相の濃度傾斜を兼ね備えた超硬合金素材を提供しようとするもので、M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とするWC-Co系圧粉成型体に浸炭処理を行い、その後液相焼結を行って得られた焼結体の表面に、融点降下元素であるホウ素や珪素を含む化合物を塗布し、再度 液相焼結温度以下の1200〜1350℃の温度範囲で拡散熱処理することを特徴とする。上記第3の発明によれば、M12C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系焼結体であって、表層部WC平均粒度が、内質部のそれよりも 0.3〜0.7 倍に小さくなる組織傾斜を有するとともに、表層部の結合金属が内部側に移動した濃度傾斜を有し、表層部硬度が HRA=91〜95、靭性が KIC=15〜23 MN/m3/2 という優れた機械的特性を有する高強度超硬合金焼結工具が得られる。また、M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系焼結体であって、表層部WC 平均粒度が、内質部のそれよりも1.5 倍以上大きい組織傾斜を有するとともに、表層部の結合金属が内部側に移動した濃度傾斜を有し、表層部硬度が HRA=88〜92、靭性が KIC=20〜30 MN/m3/2 という優れた機械的特性を有する高強度超硬合金焼結工具が得られる。 Further, the third invention combines the first invention and the second invention to provide a cemented carbide material having both a hard particle size gradient and a binder phase concentration gradient from the surface layer portion toward the inside. M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and any of Fe, Co, Ni) WC-Co compacted body with the main component of the surface layer part being carburized and then liquid phase sintered on the surface of the sintered body, melting point lowering element A compound containing boron or silicon is applied, and diffusion heat treatment is again performed in a temperature range of 1200 to 1350 ° C. below the liquid phase sintering temperature. According to the third invention, M 12 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and any of Fe, Co, Ni) WC-Co-based sintered body having a main component of the surface layer part, the average WC grain size of the surface layer part being 0.3 to 0.7 times smaller than that of the inner part It has a gradient of the structure in which the bonding metal in the surface layer has moved to the inner side, the hardness of the surface layer is HRA = 91 to 95, and the toughness is K IC = 15 to 23 MN / m 3/2 A high-strength cemented carbide sintered tool having excellent mechanical properties can be obtained. M 3 C type double carbide (M represents one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and one or more of Fe, Co, Ni) Is a WC-Co-based sintered body with a surface layer portion as a main component, and the surface layer portion WC has an average grain size that is 1.5 times larger than that of the inner portion, and the bonding metal of the surface layer portion High-strength cemented carbide sintered tool with excellent mechanical properties such as concentration gradient moved to the side, surface hardness of HRA = 88 to 92, and toughness of K IC = 20 to 30 MN / m 3/2 Is obtained.

以上、本発明によれば、表層部と内質部で全く特性の異なる、ハイブリッドな構造体を持つ焼結工具を提供することができ、得られる超硬合金の硬さ、耐摩耗性、靭性、耐欠損性、耐熱亀裂性に優れている。
また、本発明によれば、加工面が粗粒硬質粒子で形成された高靭性超硬合金を提供するものであり、切断刃や順送金型、引抜工具には加工面が微細硬質粒子で形成された高硬度超硬合金を提供することができる。その他用途として、冷間・温間・熱間鍛造用工具、製缶工具、ロール、鉱山工具用ビット、破砕刃、切断刃、その他耐摩耗工具に適用できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a sintered tool having a hybrid structure having completely different characteristics in the surface layer portion and the inner quality portion, and the hardness, wear resistance, and toughness of the resulting cemented carbide. Excellent in fracture resistance and heat crack resistance.
Further, according to the present invention, a high toughness cemented carbide having a processed surface formed of coarse hard particles is provided, and the processed surface is formed of fine hard particles for a cutting blade, a progressive die, and a drawing tool. A high-hardness cemented carbide can be provided. Other applications include cold / warm / hot forging tools, canning tools, rolls, mining tool bits, crushing blades, cutting blades, and other wear-resistant tools.

(第1の実施形態)
本発明は、M12C〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系焼結体に広く適用することができるが、以下の実施態様ではWC-Co焼結体を中心に説明する。
まず、WC粉、Co粉、及びその他の添加物粉をミリングして、均一分散した混合粉とし、これに潤滑剤である Wax を添加して、準備原料とする。
次に、この原料を所定の寸法形状に圧粉成型し、脱 Wax 目的の予備焼結を行い、その後、さらに追加の寸法形状に成形加工して、ニアネットシェイプな成型品が完成する。この成型品は 30〜50vol% の気孔率を有する。
次のステップとして、この成型品表層部に、表面から深さ 3〜5 mm の範囲に、体積率 50vol% 以上で、次のような相形態を有する複炭化物相を形成する。
M12C [ Co6W6C ]、M6C [ Co3W3C, Co2W4C ]、M3C [ Co3W9C4 ]
( Co 元素は Fe, Ni 元素と置換しても良く、W は Ti, Ta との固溶体でも良い。)
(First embodiment)
In the present invention, M 12 C to M 3 C type double carbide (M is one of at least one of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and any of Fe, Co, Ni) The present invention can be widely applied to a WC-Co-based sintered body whose main component is a surface layer portion, but the following embodiment will focus on the WC-Co sintered body.
First, WC powder, Co powder, and other additive powders are milled to obtain a uniformly dispersed mixed powder, to which Wax as a lubricant is added to prepare a raw material.
Next, this raw material is compacted into a predetermined size and shape, pre-sintered for the purpose of removing Wax, and further shaped into an additional size and shape to complete a near-net-shaped molded product. This molded product has a porosity of 30-50 vol%.
As the next step, a double carbide phase having the following phase form is formed on the surface layer portion of the molded product within a depth of 3 to 5 mm from the surface at a volume ratio of 50 vol% or more.
M 12 C [Co 6 W 6 C], M 6 C [Co 3 W 3 C, Co 2 W 4 C], M 3 C [Co 3 W 9 C 4 ]
(The Co element may be replaced with the Fe and Ni elements, and W may be a solid solution with Ti and Ta.)

この複炭化物の形成手段としては、種々の方法がある。例えば、表面層を各種酸類で酸化した後、熱処理することで、自己還元反応を生じて複炭化物相を形成させたり、あるいは、 W 塩溶液を用いて表層部に W イオンを吸着させ、その後に熱処理することで、同様に複炭化物が形成される、さらには、塩化物として表層部に蒸着させて熱処理する方法で、複炭化物を形成する手段もある。これらの手段はさておき、要は表層部の組成を Co-W-C 3 元状態図にて、WC-γ-η 3相領域に入れてやればよい。ここで、最終焼結体の表層部粒子の微細化には M12C 複炭化物相の形成が必要であり、粒子の粗粒化には M3C 複炭化物相の形成が必要である。 There are various methods for forming this double carbide. For example, by oxidizing the surface layer with various acids and then heat-treating it, a self-reducing reaction occurs to form a double carbide phase, or W ions are adsorbed on the surface layer using a W salt solution, and then A double carbide is similarly formed by heat treatment, and there is also a means for forming a double carbide by a method in which the carbide is deposited on the surface layer as a chloride and heat-treated. Aside from these means, in short, the composition of the surface layer portion may be put in the WC-γ-η three-phase region in the Co-WC ternary phase diagram. Here, the formation of the M 12 C double carbide phase is necessary for the refinement of the surface layer particles of the final sintered body, and the formation of the M 3 C double carbide phase is necessary for the grain coarsening.

その後、浸炭熱処理を行い、複炭化物相を分解して、微細・活性な WC 相を形成させる。これは、600〜1100℃ の温度域で複炭化物相に炭素( C )を供給することで、複炭化物相が分解して WC+Co 2相に変化するため、超微細 WC 粒子が得られる。   Then, carburizing heat treatment is performed to decompose the double carbide phase to form a fine and active WC phase. This is because by supplying carbon (C) to the double carbide phase in the temperature range of 600 to 1100 ° C., the double carbide phase decomposes and changes to a WC + Co 2 phase, so that ultrafine WC particles can be obtained.

ここで、M12C 複炭化物相の浸炭処理は低温側で行うことが必要であり、M3C 複炭化物相の浸炭処理は高温側で行うことが必要である。
あるいは、この段階において窒化熱処理を行うことも可能である。通常の WC 粒子に対する窒化は極めて困難であるが、複炭化物相の分解に伴い生成された微細・活性な WC 粒子の窒化反応は浸炭とほぼ同等と見なされ、同等の温度範囲で WC+Co 以外に WCN, WN の生成が容易に行える。
Here, the carburizing treatment of the M 12 C double carbide phase needs to be performed on the low temperature side, and the carburizing treatment of the M 3 C double carbide phase needs to be performed on the high temperature side.
Alternatively, a nitriding heat treatment can be performed at this stage. Nitriding of ordinary WC particles is extremely difficult, but the nitriding reaction of fine and active WC particles generated by decomposition of the double carbide phase is considered to be almost equivalent to carburizing, and in the same temperature range, WCN other than WC + Co , WN can be generated easily.

最後に、1300〜1500℃ の温度で液相焼結を行い、表層部 WC 粒子の粒子径制御を行う。WC 粒子の微細化は1350℃ 低温焼結で行い、粗粒化は 1400℃ 以上の高温域で焼結する。1350℃ 低温焼結では微細・活性な WC 相は結晶化して、新たな核生成を行うため、母相の未溶解 WC 粒子と併せて結晶成長の核が増大する。この結果、表層部には内質部の細粒 WC 粒よりも小さい微粒 WC 相が生成されることになる。
一方、1400℃ 以上の高温焼結では、液相焼結時にはオストワルド成長に基づき、極めて微細・活性な WC 相は優先溶解し、より大きな既存 WC 粒子に優先析出して粒成長させるものである。
尚、粒成長の程度は、複炭化物組成の影響を受け、結合炭素量比が高い程、粒成長の傾向が大きい。
[ 粒成長の傾向 ] M12C < M6C < M3C
Finally, liquid phase sintering is performed at a temperature of 1300-1500 ° C. to control the particle size of the surface layer WC particles. The WC particles are refined by low-temperature sintering at 1350 ° C, and the coarse particles are sintered at a high temperature range of 1400 ° C or higher. In 1350 ° C low-temperature sintering, the fine and active WC phase crystallizes and forms new nuclei, which increases the number of crystal growth nuclei together with the undissolved WC particles in the parent phase. As a result, a fine WC phase smaller than the fine WC grains in the inner part is generated in the surface layer part.
On the other hand, in high-temperature sintering at 1400 ° C or higher, the very fine and active WC phase preferentially dissolves during liquid phase sintering and preferentially precipitates on larger existing WC particles to grow.
The degree of grain growth is affected by the double carbide composition, and the higher the bond carbon content ratio, the greater the tendency of grain growth.
[Growth tendency] M 12 C <M 6 C <M 3 C

このようにして得られた複合材料は、表層部の粒子径制御域深さが 0.5〜4.5 mm の範囲であり、粒度は微粒子で内部粒度の 0.3〜0.7 倍であり、粗粒子で 1.5〜10 倍の大きさである。
又、この時の結合金属量は、WC 粒子間距離を一定にしようとする冶金的作用のため、粒子径制御した表層部と内質部の硬度差は殆ど変わらない。
The composite material obtained in this way has a particle diameter control region depth of 0.5 to 4.5 mm in the surface layer part, and the particle size is 0.3 to 0.7 times the internal particle size with fine particles and 1.5 to 10 with coarse particles. Double the size.
Further, the amount of the bonded metal at this time is a metallurgical action to keep the WC interparticle distance constant, so the difference in hardness between the surface layer portion and the internal portion where the particle diameter is controlled hardly changes.

追加の工程として、得られた焼結体素材表面にホウ素化合物や珪素化合物の粉末を塗布して、1200〜1350℃ の温度範囲で拡散熱処理することで、表層部の結合金属がホウ素や珪素と反応して液相化し、固相結合金属と液相との界面ではホウ素やケイ素が固相域に拡散するため、固相域の液相化が進み、液相が内部に移動する。このため、表層部は結合金属量が極めて少なくなり、内部は金属リッチな組織構成が得られる。   As an additional step, a boron compound or silicon compound powder is applied to the surface of the obtained sintered body and subjected to diffusion heat treatment in a temperature range of 1200 to 1350 ° C., so that the bonding metal in the surface layer is bonded to boron or silicon. It reacts to form a liquid phase, and boron and silicon diffuse into the solid phase region at the interface between the solid-phase bonded metal and the liquid phase, so that the liquid phase in the solid phase region progresses and the liquid phase moves inside. For this reason, the surface layer portion has an extremely small amount of bound metal, and a metal-rich structure can be obtained inside.

最終的な特性としては、表層部硬度が HRA=88〜95、靭性が KIC=15〜30 MN/m3/2 という高硬度・高靭性の機械的特性が付与され、内部は高強度な機械的特性が付与される。さらに、表層部領域は圧縮残留応力が作用するため、表面負荷応力の高い各種の鍛造工具・プレス工具・鉱山工具関係の用途に最適である。 The final properties are that the surface layer hardness is HRA = 88 to 95, the toughness is K IC = 15 to 30 MN / m 3/2 , the mechanical properties of high hardness and high toughness are given, and the inside is high strength Mechanical properties are imparted. Furthermore, since the compressive residual stress acts on the surface layer region, it is optimal for various forging tools, press tools, mining tools related applications with high surface load stress.

以下に、冷間鍛造金型のヘリカルギア用ダイス、及び掘削工具カッタービットを例にとって説明する。     In the following, description will be given by taking, as an example, a die for a helical gear of a cold forging die and an excavating tool cutter bit.

[ヘリカルギヤ用ダイス試作]
ヘリカルギヤは、図1に示すようにネジ部が緩やかな螺旋形状をしており、製品用途としては自動車のピニオンシャフトが代表的である。従来は切削加工で製造されてきたが、近年では冷間鍛造によって製造されつつある。しかしながら、極めて高い圧力にて鍛造成型するため、早期に金型の歯部に焼き付きやクラックが発生し、寿命が極めて短く、この問題点を解決するために、本発明合金を適用することにした。
[Die prototype for helical gear]
As shown in FIG. 1, the helical gear has a helical shape with a gentle screw part, and a pinion shaft of an automobile is typical as a product application. Conventionally, it has been manufactured by cutting, but in recent years it has been manufactured by cold forging. However, because forging is performed at an extremely high pressure, seizure and cracks occur in the mold teeth at an early stage, and the life is extremely short. In order to solve this problem, the alloy of the present invention is applied. .

1) 原料試作
1.5μWC 粉と 1.1μCo 粉を用いて、C/WC=4.0% に調整した基準組成 WC-15%Co の計量原料 30 kg を準備し、アルコール溶剤を用いて、30 Hr のアトライターミリングを行い、その後、パラフィンワックスを混練して、造粒篩い分けを行い、完成粉末を得る。
1) Prototype production
Prepare 30 kg of metered raw material with a standard composition of WC-15% Co, adjusted to C / WC = 4.0% using 1.5μWC powder and 1.1μCo powder, and perform 30 Hr attritor milling using an alcohol solvent. Thereafter, paraffin wax is kneaded and granulated and sieved to obtain a finished powder.

プレス成型
最終の焼結素材寸法 φ55×115L を得るために、線収縮率 F=1.25 狙いのプレス成型を行い、φ75×170L の圧粉成型体を作製する。
Press molding In order to obtain the final sintered material size φ55 × 115L, press molding aiming at linear shrinkage F = 1.25 is made, and a compacted body of φ75 × 170L is produced.

一次予備焼結
脱ワックス条件は N2 キャリアガス雰囲気下で 350〜400℃ の温度範囲にて実施し、予備焼結は真空雰囲気下 850〜900℃×2 Hr の熱処理条件とした。尚、この温度条件下では収縮挙動は生じていない。
Primary pre-sintering The dewaxing conditions were performed in a temperature range of 350 to 400 ° C. under an N2 carrier gas atmosphere, and the pre-sintering was performed under heat treatment conditions of 850 to 900 ° C. × 2 Hr in a vacuum atmosphere. Note that no shrinkage behavior occurs under these temperature conditions.

成形加工
予備焼結体の収縮率を精度良く算出して加工寸法を計算し、NC 旋盤を用いて略図に示す焼結素材寸法の概略 1.25 倍の寸法形状に成形加工した。尚、内径の刃部形状については成形加工は行わず、円筒形状加工のみとした。
Forming process The shrinkage ratio of the pre-sintered body was accurately calculated to calculate the processing dimensions, and the NC was turned into a shape approximately 1.25 times larger than the sintered material dimensions shown in the diagram. In addition, about the shape of a blade part of an internal diameter, it did not perform a shaping | molding process, but only the cylindrical shape process.

二次予備焼結
ここでは、成形体の強度を向上させるために、1100℃×1Hr の真空雰囲気予備焼結を行った。
Secondary pre-sintering Here, pre-sintering in a vacuum atmosphere of 1100 ° C. × 1 Hr was performed in order to improve the strength of the compact.

浸漬処理
W の供給と酸化剤の供給を併せ持つものとして タングステン酸 ( H2WO4 ) の 40% 水溶液を使用した。手順としては、成形体が入る大きさのステンレスのトレーに成形体が十分に浸る程度まで含浸液を満たし、その中に成形体を 30 sec 間浸す。浸透処理後、取り出した成形体は速やかに温度 120℃ の乾燥機にて乾燥させる。
Immersion treatment
A 40% aqueous solution of tungstic acid (H 2 WO 4 ) was used as a combination of W supply and oxidant supply. The procedure is to fill the impregnating solution until the compact is sufficiently immersed in a stainless steel tray large enough to contain the compact, and soak the compact for 30 seconds. After the infiltration treatment, the removed molded body is immediately dried in a dryer at a temperature of 120 ° C.

還元熱処理
本実施例では真空雰囲気下にて、1000℃×2 Hr の熱処理を行った。T.P による X 線回折の結果では、表層部にてWC, Co 相の他に、Co6W6C [ M12C ], Co3W3C [ M6C ]の二相の複炭化物が確認された。
最終の液相焼結にて、微細粒化した組織を得るには M12C 型の複炭化物相の存在が必要不可欠であり、このためには還元熱処理温度として、900〜1100℃ の温度範囲が好ましい。
Reduction heat treatment In this example, heat treatment was performed at 1000 ° C. × 2 Hr in a vacuum atmosphere. As a result of X-ray diffraction by TP, in addition to WC and Co phases, two-phase double carbides of Co 6 W 6 C [M 12 C] and Co 3 W 3 C [M 6 C] are confirmed in the surface layer. It was done.
In order to obtain a fine grained structure in the final liquid phase sintering, the presence of M 12 C type double carbide phase is indispensable. For this purpose, the reduction heat treatment temperature is in the temperature range of 900 to 1100 ° C. Is preferred.

浸炭熱処理
所定の温度域において、炉内に浸炭性ガスを供給することで、含浸領域に生成された複炭化物相は分解して、極めて微細な WC, Co 相を生成する。
好ましい浸炭温度範囲は 600〜900℃ であるが、本実施例の浸炭雰囲気条件は、温度 900℃×30min、CO+H2 gas 流量 20 ml/minで行った。使用するガスとしては、浸炭性のガスであれば良く、温度範囲が W-C-Co の固相領域であるため、複炭化物から WC+Co への相変態は極めて安定、且つ容易に行われる。
但し、処理温度を 1100℃ 以上に高くすると Co 相への炭素の固溶が進むため、その後の液相焼結において合金組織中に遊離炭素を発生する可能性が高くなる。
Carburizing heat treatment By supplying a carburizing gas into the furnace in a specified temperature range, the double carbide phase generated in the impregnation region is decomposed to generate extremely fine WC and Co phases.
A preferable carburizing temperature range is 600 to 900 ° C., but the carburizing atmosphere conditions in this example were a temperature of 900 ° C. × 30 min and a CO + H 2 gas flow rate of 20 ml / min. The gas to be used may be a carburizing gas, and the temperature range is the solid phase region of WC-Co. Therefore, the phase transformation from double carbide to WC + Co is extremely stable and easy.
However, if the treatment temperature is raised to 1100 ° C or higher, the solid solution of carbon in the Co phase proceeds, so the possibility of generating free carbon in the alloy structure in the subsequent liquid phase sintering increases.

[ 窒化処理のプロセス ]
上記プロセスにおいて、窒化熱処理も実施可能である。生成した複炭化物相に対して N2, N2+NH3 ガス窒化処理を施すことで、複炭化物相の分解による、WC, Co 相以外に、極めて微細な WCN, WN 相が生成できる。
窒化雰囲気条件としては、温度 800〜1000℃×1〜3Hr、ガス流量 20〜100 ml/min 程度が好ましく、その後の液相焼結においては、素材からの N2 脱ガス防止のために、常圧以下での炉内分圧を維持してやればよい。この結果として、成長粒子は内部が WC で成長部分が WCN もしくは WN という有芯構造を持つことになり、極めて耐熱性に優れた特徴を具備することになる。
[Nitriding process]
In the above process, a nitriding heat treatment can also be performed. By subjecting the resulting double carbide phase to N 2 , N 2 + NH 3 gas nitriding, extremely fine WCN and WN phases can be generated in addition to the WC and Co phases due to decomposition of the double carbide phase.
As the nitriding atmosphere conditions, a temperature of 800 to 1000 ° C. × 1 to 3 Hr and a gas flow rate of about 20 to 100 ml / min are preferable, and in the subsequent liquid phase sintering, in order to prevent N 2 degassing from the material, it is usually used. What is necessary is just to maintain the partial pressure in the furnace below the pressure. As a result, the growing particles have a cored structure in which the inside is WC and the growing part is WCN or WN, and it has extremely excellent heat resistance.

液相焼結
真空焼結炉にて 1350℃×1.5Hr の温度条件にて処理された。1350℃ 低温焼結では、微細・活性な WC 相は結晶化して、新たな核生成を行うため、母相の未溶解 WC 粒子と併せて結晶成長の核が増大する。この結果、表層部には内質部の細粒 WC 粒よりも小さい微粒 WC 相が生成されることになる。組織観察の結果、内径表面も含めた表層部領域には 0.5〜1.0μm に微細化した組織が確認できた。
Liquid-phase sintering It was processed in a vacuum sintering furnace at a temperature of 1350 ° C x 1.5Hr. In low temperature sintering at 1350 ° C, the fine and active WC phase crystallizes and forms new nuclei, which increases the nucleus of crystal growth along with the undissolved WC particles of the parent phase. As a result, a fine WC phase smaller than the fine WC grains in the inner part is generated in the surface layer part. As a result of tissue observation, a microstructure refined to 0.5 to 1.0 μm was confirmed in the surface layer region including the inner surface.

ホウ素化合物塗布
こうして得られた焼結体素材の内径面に、BN 20% 濃度のアルコールスラリーを塗布して、温度 40℃ に設定した乾燥機にて 1Hr 乾燥する。
Application of boron compound Apply an alcohol slurry of 20% BN concentration to the inner surface of the sintered material obtained in this way, and dry it for 1 hour in a dryer set at a temperature of 40 ° C.

拡散熱処理
塗布・乾燥後、素材は 1300℃×2Hr の拡散熱処理を行う。表面から内部に向かって硼化物の濃度勾配が形成されるため、表層部の液相は内部への拡散を継続し、最終的には表層部領域に結合金属が殆ど残らず、内部に金属リッチな構造体が形成される。
こうして得られた開発合金の機械的特性は表層部と内部を大別すると次のようになる。
Diffusion heat treatment After coating and drying, the material is subjected to diffusion heat treatment of 1300 ℃ × 2Hr. Since a boride concentration gradient is formed from the surface to the inside, the liquid phase in the surface layer continues to diffuse into the interior, and finally there is almost no bound metal remaining in the surface layer region, and there is a metal rich in the inside. A simple structure is formed.
The mechanical properties of the developed alloy thus obtained are as follows when the surface layer and the interior are roughly divided.

表1

Figure 0004911937
Table 1
Figure 0004911937

比較合金の作製
本開発合金との比較として、1.5μWC ベースの WC-11%Co 合金にて、同寸法形状の
超硬合金素材を作製した。手順としては、WC-11%Co 混合原料を作製し、プレス成型後
900℃ 予備焼結を行い、所望形状に成形加工後、1380℃×1 Hr 真空焼結を行って、素材を作製した。
Preparation of comparative alloy As a comparison with the newly developed alloy, a cemented carbide material of the same size and shape was prepared using a WC-11% Co alloy based on 1.5μWC. The procedure is to prepare a WC-11% Co mixed raw material, and after press molding
After pre-sintering at 900 ° C. and forming into a desired shape, 1380 ° C. × 1 Hr vacuum sintering was performed to produce a material.

ヘリカルギア形状への金型加工
図2に示す金型を製作した。本開発超硬合金を保護するケーシング材料は SNCM8 種とし、超硬合金に対する締め代は 0.5 % としてケーシングを行った。超硬合金の内径は、オス型に成形加工された Cu-W 電極を用いて、放電加工によりヘリカルギア形状に加工され、3級精度の最終仕上げラップ加工が行われた。
合金内径面の仕上げ完了後、ケーシングから取り外して、TiC+TiN CVD コーティングが施されて、再度のケーシングを行い、完成金型に仕上げられる。
Mold processing into helical gear shape The mold shown in Fig. 2 was manufactured. The casing material for protecting the newly developed cemented carbide was 8 types of SNCM, and the allowance for cemented carbide was 0.5%. The inner diameter of the cemented carbide was processed into a helical gear shape by electrical discharge machining using a Cu-W electrode molded into a male shape, and a final finishing lapping with a third grade accuracy was performed.
After finishing the inner surface of the alloy, it is removed from the casing, TiC + TiN CVD coating is applied, the casing is re-executed, and the finished mold is finished.

実機評価
従来のダイス金型は全て CVD ( TiC+TiN ) コーティングが施されているが、ここでは CVD 処理品と無処理品 の比較も行った。
結果を下表に示すが、比較合金で CVD 無処理のダイスが極めて早期の焼き付きを生じ、最も短寿命であり、最も長寿命のダイスは開発合金で CVD 無処理のものであった。
CVD 処理した開発合金の寿命が歯部の欠損により延びなかった理由は、コーティング被膜にクラックが発生して超硬合金母材に伝播したためと考えられる。
このことから、本開発合金はコーティング処理を施さなくても耐摩耗性に優れ、強靱化した構造特性から耐欠損性にも優れ、合わせて疲労寿命も飛躍的に向上した理想的な工具材料であることが明確となった。
Actual machine evaluation All conventional die dies are coated with CVD (TiC + TiN), but here we also compared CVD treated and untreated products.
The results are shown in the table below. In the comparative alloy, the CVD-untreated dies produced extremely early seizure and had the shortest life, and the longest-life dies were developed alloys that were untreated with CVD.
The reason why the lifetime of the CVD-treated developed alloy did not extend due to the missing teeth was thought to be that the coating film cracked and propagated to the cemented carbide base material.
Therefore, this developed alloy is an ideal tool material with excellent wear resistance without any coating treatment, tough structural characteristics, excellent fracture resistance, and dramatically improved fatigue life. It became clear that there was.

表2

Figure 0004911937
Table 2
Figure 0004911937

[ケーシングビット試作]
ケーシングビットは、建築構造物のための基礎工事に使用するビットである。図3に示すように S55C 支持金物に超硬合金がロー付けされた掘削工具である。この工具が、鋼製のパイプ先端に取り付けられて、パイプを回転させながら荷重をかけて、地表から地中に向けて地面を掘削する。掘削する深さは十分な強度を持つ岩盤層に到達するまでの深さであり、例えば 30m までの深さの場合には鋼製パイプを繋いで掘削を進める。掘削性能はビットにロー付けされた超硬合金の特性に大きく支配され、従来は超硬合金の破損を避けるために主として粗粒子系の超硬合金が使用されてきた。しかしながら、極めて高い圧力にて掘削するため、早期に超硬合金刃部に摩耗が進行し、掘削能力維持の妨げとなっていた。逆に中粒から微粒系の超硬合金を使用すると、超硬合金刃部の欠損や破壊が急速に進行する場合がしばしばあり、この場合には掘削が全く進まず、工期の遅延という大きな問題が発生していた。これらの問題点を解決するために、本発明合金を適用することにした。想定される機械的特性は、表層部の硬さは HRA=90〜91.5、破壊靭性では KIC=20〜25 MN/m3/2 を目標値とした。
[Prototype casing bit]
The casing bit is a bit used for foundation work for a building structure. As shown in Fig. 3, it is a drilling tool in which a cemented carbide is brazed to an S55C support metal. This tool is attached to the tip of a steel pipe, applies a load while rotating the pipe, and excavates the ground from the ground toward the ground. The depth of excavation is the depth to reach a bedrock layer with sufficient strength. For example, when the depth is up to 30m, the excavation is carried out by connecting steel pipes. The drilling performance is largely governed by the characteristics of the cemented carbide brazed to the bit, and conventionally, coarse-grained cemented carbide has been mainly used to avoid the fracture of the cemented carbide. However, since the excavation is performed at an extremely high pressure, wear of the cemented carbide blade portion progresses at an early stage, which hinders maintenance of excavation capability. On the other hand, when medium to fine grain cemented carbides are used, chipping and destruction of the cemented carbide blades often proceed rapidly, and in this case, excavation does not proceed at all and the major problem is that the construction period is delayed. Had occurred. In order to solve these problems, the alloy of the present invention was applied. The expected mechanical properties were set to HRA = 90-91.5 for the surface layer hardness and KIC = 20-25 MN / m 3/2 for fracture toughness.

原料試作
ここではヘリカルギア用ダイス試作に用いた原料を使用した。
Prototype of raw material Here, the raw material used for the trial manufacture of the die for the helical gear was used.

プレス成型
最終の焼結素材寸法 40×22×40 を得るために、線収縮率 F=1.25 狙いのプレス成型を行い、50×100×150 の圧粉成型体を作製する。
Press molding In order to obtain the final sintered material size of 40 × 22 × 40, press molding aiming at a linear shrinkage of F = 1.25, and a compact of 50 × 100 × 150 is produced.

一次予備焼結
脱ワックス条件は N2 キャリアガス雰囲気下 350〜400℃ の温度範囲にて実施し、予備焼結は真空雰囲気下 850〜900℃×2 Hr の熱処理条件とした。
Primary pre-sintering The dewaxing conditions were performed in a temperature range of 350 to 400 ° C. in an N 2 carrier gas atmosphere, and the pre-sintering was performed in a vacuum atmosphere at 850 to 900 ° C. × 2 Hr.

成形加工
予備焼結体の収縮率から加工寸法を算出し、ダイヤモンド工具を用いた各種切断機、研削機を用い、焼結素材寸法の概略 1.25 倍の寸法形状に成形加工した。
Forming processing The processing dimensions were calculated from the shrinkage rate of the pre-sintered body, and were processed into a shape approximately 1.25 times the size of the sintered material using various cutting machines and grinding machines using diamond tools.

二次予備焼結
ここでは、成形体の強度を向上させるために、1100℃×1 Hr の真空雰囲気予備焼結を行った。
Secondary pre-sintering Here, in order to improve the strength of the compact, vacuum atmosphere pre-sintering of 1100 ° C. × 1 Hr was performed.

浸漬処理
ここではメタタングステン酸アンモニウム( AMT )と硝酸コバルトの 30% 水溶液を使用した。成形体の浸漬時間は 20 秒間とした。浸漬処理後、取り出した成形体は速やかに温度 120℃ の乾燥機にて乾燥させる。
Immersion treatment A 30% aqueous solution of ammonium metatungstate (AMT) and cobalt nitrate was used here. The immersion time of the molded body was 20 seconds. After the immersion treatment, the removed molded body is immediately dried in a dryer at a temperature of 120 ° C.

還元熱処理
真空雰囲気下にて、1300℃×1 Hr の熱処理を行った。T.P による X 線回折の結果では、表層部領域にてWC, Co 相の他に、Co2W4C [ M6C ] と Co3W9C4 [ M3C ]の二相の複炭化物が確認された。但し、1300℃ 以上の温度域では成形体の緻密化が進行するため、その後の浸炭処理の際に、炭素の内部拡散の進行が極めて遅くなる。
Reducing heat treatment Heat treatment was performed at 1300 ° C. × 1 Hr in a vacuum atmosphere. As a result of X-ray diffraction by TP, two-phase double carbides of Co 2 W 4 C [M 6 C] and Co 3 W 9 C 4 [M 3 C] in addition to the WC and Co phases in the surface layer region Was confirmed. However, in the temperature range of 1300 ° C. or higher, the compacting of the molded body proceeds, and therefore, the progress of carbon internal diffusion becomes extremely slow during the subsequent carburizing treatment.

浸炭熱処理
浸炭雰囲気条件は、温度 1100℃×30min、CO+H2 gas 流量 20 ml/minで行った。使用するガスとしては浸炭性ガスであれば良く、温度範囲が W-C-Co の固相領域であるため、複炭化物から WC+Co への相変態は極めて安定、且つ容易に行われる。
Carburizing heat treatment Carburizing atmosphere conditions were as follows: temperature 1100 ° C x 30 min, CO + H 2 gas flow rate 20 ml / min. The gas used may be a carburizing gas, and the temperature range is the solid phase region of WC-Co. Therefore, the phase transformation from double carbide to WC + Co is extremely stable and easy.

液相焼結
真空焼結炉にて 1420℃×1Hr の温度条件にて処理された。
Liquid-phase sintering It was processed in a vacuum sintering furnace under the temperature condition of 1420 ° C x 1Hr.

ホウ素化合物塗布
こうして得られた焼結体素材の外表面に、B4C 20% 濃度のアルコールスラリーを塗布して、温度 40℃ に設定した乾燥機にて 1 Hr 乾燥した。
Application of Boron Compound On the outer surface of the sintered body material obtained in this way, an alcohol slurry with a B 4 C concentration of 20% was applied and dried for 1 hour in a dryer set at a temperature of 40 ° C.

拡散熱処理
塗布・乾燥後、素材は 1300℃×2 Hr の拡散熱処理を行った。最終的には表層部領域に結合金属が殆ど残らず、内部に金属リッチな構造体が形成される。
こうして得られた開発合金の機械的特性は表層部と内部を大別すると次のようになる。
尚、比較合金として、WC 粒度 6μを用いた WC-14%Co 合金にてビットサンプル及びTP を作製し、比較を行った。
Diffusion heat treatment After coating and drying, the material was subjected to diffusion heat treatment at 1300 ° C x 2 Hr. Eventually, almost no binding metal remains in the surface layer region, and a metal-rich structure is formed inside.
The mechanical properties of the developed alloy thus obtained are as follows when the surface layer and the interior are roughly divided.
In addition, as a comparative alloy, a bit sample and TP were prepared and compared using a WC-14% Co alloy with a WC particle size of 6 μm.

表3

Figure 0004911937
Table 3
Figure 0004911937

ケーシングビット製作
S55C 鍛造品から切削加工により製作した支持金物を熱処理して、HRC=35〜40 硬さに調整した後、超硬合金素材を差し刃形状に高周波ロー付けし、ケーシングビットを完成させた。ビットは L・R のタイプがあり、略図に示した形状は R タイプで、これと勝手違い(線対称)のものが L タイプである。パイプ先端にビットを取り付ける際の配置は、-R-R-L-R-R-L- の順序が一般的であり、ケーシングパイプへの取り付けはこの順序で行った。
Casing bit production
S55C A support metal made by cutting from a forged product was heat-treated and adjusted to HRC = 35-40 hardness, and then a cemented carbide material was high-frequency brazed into a blade shape to complete a casing bit. There are L and R types of bits. The shape shown in the schematic diagram is the R type. The arrangement for attaching the bit to the end of the pipe is generally in the order of -RRLRRL-, and the attachment to the casing pipe was performed in this order.

実機評価
掘削に使用したケーシングパイプは直径 2200mm で、先端に使用するビットは合計36 個である。内訳として、Rタイプが 24個、Lタイプが 12個であった。地質調査の結果では8m から 12m の深さにかけて砂礫層と転石があり、平均的な基礎杭の掘削深さは約 18m であった。ビットの寿命評価は基礎杭1本当たりの交換ビット数で行った。即ち、18m の基礎杭が掘削完了するとパイプ全体を取り出して、ビットの損耗状態を確認し、交換が必要と認められるものは交換を行った。
Evaluation of actual machine The casing pipe used for excavation is 2200mm in diameter, and a total of 36 bits are used at the tip. The breakdown was 24 R type and 12 L type. According to the results of the geological survey, there were gravel layers and boulders from 8m to 12m deep, and the average excavation depth of the foundation pile was about 18m. The life evaluation of the bit was performed by the number of exchange bits per foundation pile. In other words, when the excavation of the 18m foundation pile was completed, the entire pipe was taken out, the worn state of the bit was confirmed, and those that were deemed necessary for replacement were replaced.

これらの結果を下表に示す。明らかに開発合金ビットの寿命が 11〜18倍となっており、比較材よりも安定した高寿命が得られている。
表4

Figure 0004911937
These results are shown in the table below. Obviously, the life of the developed alloy bit is 11 to 18 times longer, which is a longer life than the comparative material.
Table 4
Figure 0004911937

(第2の実施形態)
焼結工具は、内質部とこれを取り囲むように熱処理により形成した表層部とから一体に形成されているが、基本的には、内質部は、硬質粒子とこれら粒子を結合するバインダ金属を含んでおり、第2の実施形態では、表層部は、硬質粒子と、ホウ素Bおよび/またはケイ素Siを必然的に含んでいる。表層部は、バインダ金属を含んでも良いが内質部より少ない含有量であるか、または実質的には含まないのが、表面硬さを高めるために好ましいものである。
(Second Embodiment)
A sintered tool is integrally formed from an inner part and a surface layer part formed by heat treatment so as to surround the inner part. Basically, the inner part consists of a hard particle and a binder metal that binds these particles. In the second embodiment, the surface layer portion necessarily includes hard particles and boron B and / or silicon Si. The surface layer portion may contain a binder metal, but it is preferable that the content is less than or substantially not contained in the inner quality portion in order to increase the surface hardness.

焼結工具中の硬質粒子には、炭化物、窒化物若しくは炭窒化物を含み、特に、炭化物として、WC、TiC、TaC,NbC,VC、Cr、窒化物としてTiN、TaN、NbN、VN、CrN、ZrNから少なくとも1種又は2種以上が利用される。 Hard particles in the sintered tool include carbide, nitride, or carbonitride, and in particular, WC, TiC, TaC, NbC, VC, Cr 2 C 3 as a carbide, TiN, TaN, NbN as a nitride, At least one or more of VN, Cr 2 N, and ZrN are used.

他方のバインダ金属は、鉄族金属、即ち、Fe、Ni、Coから少なくとも1種が選ばれる。耐食性と耐熱性、耐酸化性との点から、好ましくは、Ni又はCoが利用できる。NiとCoとは、表層部中のBを固溶し、WCの共存下で、その硬質のホウ化物NiWB,CoWBを形成して表面硬化に寄与する。ケイ素Siの場合はNiとCoとは、表層部中のSiを固溶し、WCの共存下で、その硬質のケイ化物NiWSi,CoWSiを形成して表面硬化に寄与する。 The other binder metal is at least one selected from iron group metals, that is, Fe, Ni, and Co. From the viewpoint of corrosion resistance, heat resistance, and oxidation resistance, Ni or Co can be preferably used. Ni and Co form a solid solution of B in the surface layer portion, and form hard borides NiWB and CoWB in the presence of WC, thereby contributing to surface hardening. In the case of silicon Si, Ni and Co solid-dissolve Si in the surface layer part, and form hard silicides NiWSi 4 and CoWSi 4 in the coexistence of WC, thereby contributing to surface hardening.

内質部については、硬質粒子とバインダ金属と焼結体であり、バインダ金属と硬質粒子との含有量の比は、5:95から40:60までの範囲にある。硬質粒子の含有量比が、5:95より低いと、バインダ金属が過小で、焼結体が形成できない。この含有量比が、40:60より大きいと、硬質金属が少なく、焼結体は十分に硬くすることができない。   About an internal part, it is a hard particle, a binder metal, and a sintered compact, The ratio of content of a binder metal and a hard particle exists in the range from 5:95 to 40:60. When the content ratio of the hard particles is lower than 5:95, the binder metal is too small to form a sintered body. When this content ratio is larger than 40:60, there are few hard metals and a sintered compact cannot fully be hardened.

バインダ金属と硬質粒子との含有量の比は、好ましくは、5:95から30:70の範囲にある。この含有量の比は、焼結工具の用途に依存して選択されるが、一般には、表面硬さと共に、靭性、特に、耐衝撃性を要求するような用途においては、上記配合量範囲の中で、硬質粒子を減らしてバインダ金属の含有量比が高く、調製される。他方、表面硬さと耐摩耗性を特に要求する用途には、硬質粒子の含有量比を上記の含有量の範囲で高めておく。   The content ratio of binder metal to hard particles is preferably in the range of 5:95 to 30:70. The ratio of this content is selected depending on the use of the sintered tool, but in general, in applications that require toughness, particularly impact resistance, together with surface hardness, Among them, the hard particles are reduced and the content ratio of the binder metal is high and prepared. On the other hand, for applications that particularly require surface hardness and wear resistance, the hard particle content ratio is increased within the above-mentioned content range.

他方、焼結工具の表層部は、後述の如く、上記配合の焼結体の熱処理過程で、焼結体の表面からホウ素Bおよび/またはケイ素Siを拡散させて形成されたホウ素および/またはケイ素Si含有層が利用される。   On the other hand, as will be described later, the surface layer portion of the sintered tool is formed by diffusing boron B and / or silicon Si from the surface of the sintered body in the heat treatment process of the sintered body having the above composition. A Si-containing layer is utilized.

本発明においては、この表層部は、ホウ素Bまたはケイ素Siを単独または合計重量で、0.010〜2.0%の範囲を含むものであり、表層部は、内質部よりも硬質粒子の分布密度を高くされている。特に、表層部のホウ素またはケイ素含有量は、0.050〜1.0%の範囲が好ましい。ホウ素およびケイ素の両者を含む場合は合計量で上記範囲にあるのが好ましい。   In the present invention, the surface layer portion contains boron B or silicon Si alone or in a total weight and is in the range of 0.010 to 2.0%, and the surface layer portion is harder than the internal portion. The distribution density is high. In particular, the boron or silicon content in the surface layer is preferably in the range of 0.050 to 1.0%. When both boron and silicon are included, the total amount is preferably within the above range.

バインダ金属は内質部より低減させている。ホウ素Bまたはケイ素Siの含有量を0.010〜2.00%とするのは、表層部の硬さを確保するためであり、ホウ素またはケイ素0.010%未満では、拡散熱処理中に表層部から内部へのバインダ金属の拡散移動が不十分となり、他方、2.00%を越えると、表層部は、バインダ金属相の内部拡散に伴う体積変化に追随できず、拡散熱処理中に表面クラックが発生しやすくなるからである。ホウ素またはケイ素含有量を0.050〜1.0%とすることにより、表層部から内部へのバインダ金属の拡散を高めることができ、さらに、表面クラック等を有効に防止できる効果がある。これにより、表層部は、内質部に比較して、バインダ金属含有量を相対的に少なくされ、硬質粒子の含有量を高くしてある。これにより、互いに隣接する硬質粒子間の平均間隔を小さくすることができ、これはまた、体積で見積もると、硬質粒子の分布密度は、内質部より高くされており、高密度の硬質粒子によって、表面硬さが、内質部より高くされている。   Binder metal is reduced from the inner part. The content of boron B or silicon Si is set to 0.010 to 2.00% in order to ensure the hardness of the surface layer portion. When the content of boron or silicon is less than 0.010%, the surface layer portion is subjected to the diffusion heat treatment. The diffusion of the binder metal from the inside to the inside becomes insufficient. On the other hand, when it exceeds 2.00%, the surface layer portion cannot follow the volume change accompanying the internal diffusion of the binder metal phase, and surface cracks occur during the diffusion heat treatment. This is because it tends to occur. By setting the boron or silicon content to 0.050 to 1.0%, it is possible to increase the diffusion of the binder metal from the surface layer portion to the inside, and to effectively prevent surface cracks and the like. As a result, the surface layer portion has a relatively small binder metal content and a high hard particle content as compared with the internal portion. This makes it possible to reduce the average interval between adjacent hard particles, which is also estimated by volume, where the distribution density of the hard particles is higher than that of the inner part, and due to the high density of hard particles. The surface hardness is higher than that of the inner part.

硬質粒子の分布密度は、表層部中の表面近くで最も高くして、表層部の深さ方向に向けて軽減し、内質部の分布に近づく。このような硬質粒子の傾斜分布に伴って、バインダ金属の含有量は、表層部で内質部よりも低くされて、硬さ分布も表面近傍から内質部に向けて低下するように傾斜させている。   The distribution density of the hard particles is the highest near the surface in the surface layer portion, is reduced in the depth direction of the surface layer portion, and approaches the distribution of the inner quality portion. Along with the gradient distribution of such hard particles, the content of the binder metal is made lower in the surface layer portion than the inner portion, and the hardness distribution is also inclined so as to decrease from the surface vicinity toward the inner portion. ing.

バインダ金属元素の含有量は、表層部の表面から深さ0.5mmまでの範囲での平均値で、重量で、2%以下とするのが好ましい。このようにして、本発明の工具の表層部は、実質的に、硬質粒子相とホウ化物および/またはケイ化物相とから成り、硬質粒子とホウ素および/またはケイ素化合物の凝集による硬化により、工具表面に高い表面硬さが得られる。   The binder metal element content is an average value in a range from the surface of the surface layer portion to a depth of 0.5 mm, and is preferably 2% or less by weight. In this way, the surface layer portion of the tool of the present invention substantially consists of a hard particle phase and a boride and / or silicide phase, and the tool is hardened by agglomeration of the hard particles and boron and / or silicon compound. High surface hardness can be obtained on the surface.

本発明の焼結工具においては、焼結工具中の硬質粒子の平均粒径は、好ましくは、0.2〜15μmの範囲にあるものが利用される。硬質粒子を細粒化するほど、硬さは大きくなるが、0.2μmより小さいと、硬質粒子相の結合炭素と窒素の変化量が大きくなり、表面硬度の面での安定性が維持できなくなる。他方、15μmを越えると、耐摩耗性が低下するで避けるのがよい。表層部及び内質部の粒径は、工具の用途・形状によって異なるけれども、特に、平均粒径で、0.5〜10μmの範囲が一層好ましく利用される。   In the sintered tool of the present invention, the average particle size of the hard particles in the sintered tool is preferably in the range of 0.2 to 15 μm. As the hard particles are made finer, the hardness increases. However, if the particle size is smaller than 0.2 μm, the amount of change in the bonded carbon and nitrogen in the hard particle phase increases, and the stability in terms of surface hardness cannot be maintained. . On the other hand, if it exceeds 15 μm, it is preferable to avoid it because the wear resistance is lowered. Although the particle diameter of the surface layer portion and the inner quality portion varies depending on the application and shape of the tool, in particular, the average particle size is more preferably in the range of 0.5 to 10 μm.

表層部においては、前述のように、バインダ金属含有量を、低下させており、表層部の組織は、微細な硬質粒子が緻密に分布しており、表層部が、内質部より、互いに隣接する硬質粒子の間の平均間隔が小さくすることができる。このような表層部微細組織が、ホウ化物を含め硬質粒子から成る表層部の硬さを高め、摩擦係数を減じ、耐摩耗性と耐熱強度を高めるのに役立っている。   As described above, in the surface layer portion, the binder metal content is reduced, and in the surface layer portion, fine hard particles are densely distributed, and the surface layer portions are adjacent to each other from the inner quality portion. The average interval between hard particles can be reduced. Such a surface layer microstructure is useful for increasing the hardness of the surface layer portion composed of hard particles including borides, reducing the friction coefficient, and increasing the wear resistance and heat resistance strength.

この表層部においては、上記のように、硬質粒子と共にホウ素を含むが、ホウ素は、バインダ金属と化合して、鉄族金属ホウ化物を形成し、ホウ化物は、硬質粒子間に析出相として存在して、鉄族ホウ化物はそれ自体が硬く、従って、表層部には、鉄族ホウ化物の寄与による硬化が認められる。ホウ化物としては、WCの共存下で、FeWB、NiWB、又はCoWBを含む。ケイ化物としては、WCの共存下で、NiWSi,CoWSiを含む。 In this surface layer portion, as described above, boron is contained together with the hard particles, but boron combines with the binder metal to form an iron group metal boride, and the boride exists as a precipitated phase between the hard particles. Thus, the iron group boride itself is hard, and therefore, hardening due to the contribution of the iron group boride is recognized in the surface layer portion. The boride includes FeWB, NiWB, or CoWB in the presence of WC. The silicide includes NiWSi 4 and CoWSi 4 in the presence of WC.

焼結工具は、上述のように、硬質粒子に、WCを主体として若しくはTiC又はこれらの混合物を使用し、バインダ金属には、Ni又はCoを利用することができる。工具の一例として、硬質粒子をWCとし、バインダ金属をCoとするとき、内質部は、主相として微細な粒子相のWC相と金属Co相(Co固溶体)とから、所要の配合量で決まる組成で構成されるが、表層部は、WC相と、ホウ化物相として、微細に析出したCoWB相と(もしCo相が存在するとすれば、極く少量のCo固溶体相)を含んでいる。また、ケイ化物相として、微細に析出したCoSi相、WSi層,CoWSi層を表層部に含んでいる。 As described above, the sintering tool can use hard particles, WC as a main component or TiC or a mixture thereof, and can use Ni or Co as a binder metal. As an example of the tool, when the hard particles are WC and the binder metal is Co, the inner part is composed of a WC phase of a fine particle phase as a main phase and a metal Co phase (Co solid solution) in a required blending amount. The surface layer portion includes a WC phase and a finely precipitated CoWB phase as a boride phase (if the Co phase is present, a very small amount of Co solid solution phase). . Further, as a silicide phase, a CoSi 2 phase, a WSi 2 layer, and a CoWSi 4 layer that are finely precipitated are included in the surface layer portion.

本発明のWC−Co系焼結工具の表面硬さは、内質部の硬さにも依存するが、特に、Hv1000以上、通常、Hv1400〜1800の範囲であり、ないしはそれ以上、例えば、Hv2300を有するものが好ましい。   The surface hardness of the WC-Co-based sintered tool of the present invention depends on the hardness of the internal part, but is particularly Hv 1000 or more, usually in the range of Hv 1400 to 1800, or more, for example, Hv 2300. Those having the following are preferred.

表層部の厚みは、一般に、表面から内部へ向けての硬さ分布曲線の直線部が、内質部の平均硬さに到達する位置までの距離とすると、表層部厚みは、2mm以上、好ましくは、4mm以上を確保する。   In general, the thickness of the surface layer portion is 2 mm or more, preferably the distance from the surface to the position where the linear portion of the hardness distribution curve from the surface reaches the average hardness of the inner quality portion is 2 mm or more. Secures 4 mm or more.

本発明の表層部は、このようにして、硬質粒子の高密度化と鉄族金属ホウ化物の共存により、表面硬化を果たし、内質部は、硬質粒子とバインダ金属との所要の配合により所要の靭性と硬さ、強度を確保することができるのである。   In this way, the surface layer portion of the present invention achieves surface hardening by increasing the density of hard particles and the coexistence of the iron group metal boride, and the inner portion is required by the required blending of the hard particles and the binder metal. The toughness, hardness and strength can be ensured.

本発明の焼結工具の製造方法について、先ず、焼結体を造るのであるが、焼結体は、硬質粒子と鉄族のバインダ金属との混合粉末を圧縮成形して所望形状の圧粉体とし、次いで、圧粉体を常用の液相焼結により通常の焼結体にする。これにより、緻密化した均一な焼結体を得る。この焼結方法は、従来の方法を利用して、全体が焼結される。焼結後には、焼結体は、適宜、所望形状に精密に切削、研削、放電加工などの機械加工をすることもできる。   Regarding the method for producing a sintered tool of the present invention, first, a sintered body is produced. The sintered body is a green compact of a desired shape by compression molding a mixed powder of hard particles and an iron group binder metal. Then, the green compact is made into a normal sintered body by usual liquid phase sintering. Thereby, a densified and uniform sintered body is obtained. This sintering method is entirely sintered using a conventional method. After sintering, the sintered body can be appropriately machined such as precisely cutting, grinding, electric discharge machining into a desired shape.

次いで、この焼結体の表面には、表面にホウ素又はケイ素被覆層を形成する。この種の被覆層を形成するにホウ素を含むホウ素塗剤を被覆させて、熱処理では、ホウ素被覆層を有する焼結体を加熱して、ホウ素またはケイ素に富む表層部を形成するものである。   Next, a boron or silicon coating layer is formed on the surface of the sintered body. In order to form this kind of coating layer, a boron coating containing boron is coated, and in the heat treatment, the sintered body having the boron coating layer is heated to form a surface layer portion rich in boron or silicon.

この熱処理においては、上記のホウ素被覆層を有する焼結体を、真空中または不活性ガス好ましくは窒素ガス雰囲気中で、上記焼結体内質部における液相温度より低く、且つ、該焼結体中のホウ素含有相の共晶温度より高い温度の範囲で所望時間の加熱保持する。熱処理中に、ホウ素被覆層中のホウ素を焼結体の表面から内部に拡散させて、ホウ素に富む表層部を形成し、表層部中の融液を内質部に拡散移動させ、焼結体の表層部の硬質粒子の分布密度を内質部よりも高くし、冷却後には、表層部には、ホウ素またはケイ素をバインダ金属を含むホウ化物および/またはケイ化物相として析出させ、硬化した表層部を有する焼結工具が得られる。   In this heat treatment, the sintered body having the boron coating layer is lower in the vacuum or in an inert gas, preferably in a nitrogen gas atmosphere, at a temperature lower than the liquid phase temperature in the sintered body, and the sintered body. Heat and hold for a desired time in a temperature range higher than the eutectic temperature of the boron-containing phase therein. During the heat treatment, boron in the boron coating layer is diffused from the surface of the sintered body to the inside to form a surface layer portion rich in boron, and the melt in the surface layer portion is diffused and transferred to the internal material portion, and the sintered body The distribution density of the hard particles in the surface layer portion is made higher than that in the inner quality portion, and after cooling, boron or silicon is precipitated in the surface layer portion as a boride and / or silicide phase containing a binder metal and hardened. A sintered tool having a part is obtained.

本発明の焼結工具の製造方法の詳細について、上記焼結工具について述べたように、硬質粒子には、炭化物、窒化物若しくは炭窒化物を含み、特に、炭化物として、WC、TiC、TaC,NbC,VC、Cr、窒化物としてTiN、TaN、NbN、VN、CrN、ZrNから少なくとも1種又は2種以上が利用される。他方のバインダ金属は、鉄族金属、即ち、Fe、Ni、Coから少なくとも1種が選ばれる。好ましくは、NiとCoが利用できる。 Regarding the details of the manufacturing method of the sintered tool of the present invention, as described for the sintered tool, the hard particles include carbide, nitride, or carbonitride, and in particular, as carbide, WC, TiC, TaC, NbC, VC, Cr 2 C 3 and at least one or more of TiN, TaN, NbN, VN, Cr 2 N, and ZrN are used as nitrides. The other binder metal is at least one selected from iron group metals, that is, Fe, Ni, and Co. Preferably, Ni and Co can be used.

バインダ金属としてのNi又はCoがBまたはSiを含有すると、Ni−BまたはNi−Si合金またはCo−BまたはCo−Si合金合金ないし、Ni−W−BまたはNi−W−Si合金またはCo−W−BまたはCo−W−Si合金は、その共晶温度が、NiまたはCoと上記炭化物との合金系固相線温度より低いので、Ni−W−BまたはNi−W−Si合金またはCo−W−BまたはCo−W−Si合金を熱処理に利用して、後述の如く、表層部での硬質粒子の分布を内質部より高くして、表面硬化するのに利用される。   When Ni or Co as the binder metal contains B or Si, Ni—B or Ni—Si alloy or Co—B or Co—Si alloy alloy, or Ni—W—B or Ni—W—Si alloy or Co— Since the eutectic temperature of the WB or Co—W—Si alloy is lower than the alloy solidus temperature of Ni or Co and the above carbide, the Ni—WB or Ni—W—Si alloy or Co -W-B or Co-W-Si alloy is used for heat treatment, and as described later, the distribution of hard particles in the surface layer portion is made higher than that in the inner portion, and is used for surface hardening.

硬質粒子の原料とバインダ金属原料の粉末とは、硬質粒子とバインダ金属の含有量の比は、好ましくは、5:95ないし30:70の範囲にある。この含有量の比は、焼結工具の用途に依存して選択されるが、一般には、表面硬さと共に、靭性、特に、耐衝撃性を要求するような用途においては、上記配合量範囲の中で、硬質粒子を減らしてバインダ金属の含有量比が高く、調製される。他方、表面硬さと耐摩耗性を特に要求する用途には、硬質粒子の含有量比を上記の含有量の範囲で高めておく。   The ratio of the content of the hard particles and the binder metal in the hard particle raw material and the binder metal raw material powder is preferably in the range of 5:95 to 30:70. The ratio of this content is selected depending on the use of the sintered tool, but in general, in applications that require toughness, particularly impact resistance, together with surface hardness, Among them, the hard particles are reduced and the content ratio of the binder metal is high and prepared. On the other hand, for applications that particularly require surface hardness and wear resistance, the hard particle content ratio is increased within the above-mentioned content range.

原料の硬質粒子は、平均粒径で、0.2〜15μmの範囲が好ましく利用され、好ましくは、0.5〜10μmの範囲である。   The hard particles of the raw material have an average particle diameter of preferably 0.2 to 15 μm, and preferably 0.5 to 10 μm.

上記原料硬質粒子を使用して、焼結と熱処理により、製品工具中の表層部及び内質部の粒径が得られるが、工具の用途・形状によって異なるけれども、特に、焼結工具中の硬質粒子の平均粒径は、平均粒径で、0.2〜15μmの範囲が利用される。上述の如く、硬質粒子を細粒化するほど、表面硬さは大きくなるが、0.2μmより小さいと、硬質粒子相の結合炭素と窒素の変化量が大きくなり、表面硬度の面での安定性が維持できなくなる。他方、15μmを越えると、耐摩耗性が低下するので避けるのがよい。表層部及び内質部の粒径は、工具の用途・形状によって異なるけれども、特に、平均粒径で、0.5〜10μmの範囲が一層好ましく利用される。   By using the above raw material hard particles, the particle size of the surface layer part and the internal part in the product tool can be obtained by sintering and heat treatment, although it varies depending on the application and shape of the tool. The average particle diameter of the particles is an average particle diameter, and a range of 0.2 to 15 μm is used. As described above, as the hard particles are made finer, the surface hardness increases. However, if the particle size is smaller than 0.2 μm, the amount of change in the bonded carbon and nitrogen in the hard particle phase increases, and the surface hardness is stable. Sex cannot be maintained. On the other hand, if it exceeds 15 μm, the wear resistance is lowered, so it should be avoided. Although the particle diameter of the surface layer portion and the inner quality portion varies depending on the application and shape of the tool, in particular, the average particle size is more preferably in the range of 0.5 to 10 μm.

硬質粒子とバインダ金属との混合粉は、所望形状の圧粉体に圧縮成形され、圧粉体は、従来の焼結部品と同様に、焼結される。焼結は、予備焼結した後本焼結を行ない緻密な焼結体を得るが、これは、例えば、従来の液相焼結を適用することができる。   The mixed powder of hard particles and binder metal is compression-molded into a green compact having a desired shape, and the green compact is sintered in the same manner as a conventional sintered part. Sintering is performed after pre-sintering and then main sintering is performed to obtain a dense sintered body. For example, conventional liquid phase sintering can be applied.

本発明のホウ素またはケイ素被覆工程においては、ホウ素またはケイ素を含む塗剤を焼結体の表面に塗布するが、このためのホウ素被覆材は、ホウ素化合物を含み、ホウ素の酸化物、窒化物又は炭化物、又は、これらの前駆体、例えば、炭酸塩や水酸化物、を含む。例えば、SiB、BN、BC、B、HBO、ボラン、又は有機ホウ素化合物等を塗材に使用することができる。ケイ素被覆材としては、ケイ素化合物を含み、炭化物又は窒化物、硼化物、又はこれらの前駆体、あるいは金属間化合物、等を含む。より具体的には、Si, SiH4, SiCl4, SiC, Si3N4, SiB6, 又はCoSi2, MoSi2, CrSi2, WSi2, 又はシラン類、ポリシランポリマー類、その他有機ケイ素化合物等が挙げられる。 In the boron or silicon coating step of the present invention, a coating agent containing boron or silicon is applied to the surface of the sintered body, and the boron coating material for this purpose contains a boron compound, and boron oxide, nitride or Contains carbides or their precursors, such as carbonates and hydroxides. For example, SiB 6 , BN, B 4 C, B 2 O 3 , H 3 BO 3 , borane, or an organic boron compound can be used for the coating material. The silicon coating material includes a silicon compound, and includes a carbide or nitride, a boride, or a precursor thereof, or an intermetallic compound. More specifically, Si, SiH4, SiCl4, SiC, Si3N4, SiB6, or CoSi2, MoSi2, CrSi2, WSi2, or silanes, polysilane polymers, and other organosilicon compounds may be mentioned.

ホウ素被覆材は、これらのホウ素化合物を含んで、焼結体に表面に被覆する、塗材は、この表面に直接適用されても良いが、被覆の確実性から、好ましくは、これらのホウ素化合物を水又は非水溶剤中に懸濁させてスラリ状の塗液に調製して、上記焼結体の表面に塗布する。塗布は、例えば、塗液を焼結体の表面に刷毛塗りする方法、スプレーなどで吹き付ける方法、塗液浴中に焼結体を浸漬して引き揚げる方法などが取られる。次いで、焼結体表面で塗液を乾燥させて、被覆材を残すようにする。   The boron coating material contains these boron compounds and coats the surface of the sintered body. The coating material may be applied directly to this surface, but from the certainty of coating, these boron compounds are preferable. Is suspended in water or a non-aqueous solvent to prepare a slurry-like coating solution, which is applied to the surface of the sintered body. The application may be performed by, for example, brushing the coating liquid on the surface of the sintered body, spraying it with a spray or the like, or dipping the sintered body in a coating bath and pulling it up. Next, the coating liquid is dried on the surface of the sintered body to leave the coating material.

塗液は、焼結体の全面に塗布しても良いが、また、焼結工具の硬化すべき表面を限定し、他の表面部位には、適当なマスキングを施して、ホウ化物含有被覆材の被覆を防止するようにすれば、熱処理工程によって所望の面域だけに上記の表層部が形成され、表層部により工具の表面硬化をすることができ、当該他の表面部位は、相対的に軟質で高い靭性を保持できる。   The coating liquid may be applied to the entire surface of the sintered body, but the surface to be cured of the sintered tool is limited, and appropriate masking is applied to other surface portions to provide a boride-containing coating material. If the coating is prevented, the surface layer portion is formed only in a desired surface area by the heat treatment process, and the surface of the tool can be hardened by the surface layer portion. It is soft and can retain high toughness.

一方、別手段としてのホウ化物またはケイ化物の被覆工程として、塩化物、フッ化物、又は、水素化物や有機金属化合物を加熱炉中に導入して分解させて、焼結体表面に蒸着被覆する方法もある。この方法は、一般には化学蒸着法[CVD]と呼ばれるものであるが、従来の常圧CVD法と減圧CVD法以外に、近年ではプラズマCVD法、熱CVD法、あるいはレーザーCVD法などが開発されており、蒸着による成膜速度は0.lμm/sec以上にまで、向上している。   On the other hand, as a boride or silicide coating process as another means, chloride, fluoride, hydride or organometallic compound is introduced into a heating furnace and decomposed, and vapor deposition coating is performed on the surface of the sintered body. There is also a method. This method is generally called a chemical vapor deposition method [CVD], but in addition to the conventional atmospheric pressure CVD method and the low pressure CVD method, recently, a plasma CVD method, a thermal CVD method, or a laser CVD method has been developed. The film formation rate by vapor deposition is improved to 0.1 lμm / sec or more.

この時の原料ソースとして使用される材料としては、塩化物として、3塩化ホウ素や4塩化ケイ素があり、フッ化物としては3フッ化ホウ素や4フッ化ケイ素があり、水素化物は、水素化ボロン(ボラン)として、ジボラン、ペンタボラン、ジヒドロボランや、これらの誘導体があり、水素化ケイ素(シラン)として、モノシラン、ジシラン等がある。有機金属化合物としては、有機ホウ素化合物や有機ケイ素化合物があり、例えば、トリアルキルホウ素やクロロシラン、アルコキシシラン等があり、より具体的にはトリメチルホウ素、トリエチルホウ素、トリ-n-プロピルホウ素やトリ-n-ブチルホウ素等があり、又、ジクロロメチルシラン、クロロジメチルシラン、クロロトリメチルシランやテトラメチルシラン等がある。その他化合物として、有機ボロン酸類もある。   Materials used as raw material sources at this time include boron trichloride and silicon tetrachloride as chloride, boron trifluoride and silicon tetrafluoride as fluoride, and hydride is boron hydride. Examples of (borane) include diborane, pentaborane, dihydroborane, and derivatives thereof, and examples of silicon hydride (silane) include monosilane and disilane. Examples of organometallic compounds include organoboron compounds and organosilicon compounds, such as trialkylboron, chlorosilane, and alkoxysilane, and more specifically, trimethylboron, triethylboron, tri-n-propylboron, and tri- n-Butylboron and the like, and dichloromethylsilane, chlorodimethylsilane, chlorotrimethylsilane, tetramethylsilane and the like. Other compounds include organic boronic acids.

具体的には、これらの化合物をガス状にして、所定流量のキャリアガスにより、化合物が分解可能な炉内温度に設定された加熱炉内に、ガス状化合物を導入し、焼結体表面に化合物の分解によるホウ化物又はケイ化物を蒸着させる。所定時間の継続的な分解・蒸着反応が進むことで、焼結体表面に所定被膜厚さの被覆金属層が形成される。
この時の被膜厚さの調整は、ガス濃度、キャリアガス流量、加熱温度、加熱時間、等によって制御される。
Specifically, these compounds are made into a gaseous state, and the gaseous compound is introduced into a heating furnace set at a furnace temperature at which the compound can be decomposed with a carrier gas at a predetermined flow rate, and is introduced into the surface of the sintered body. Borides or silicides from the decomposition of compounds are deposited. As the continuous decomposition / deposition reaction proceeds for a predetermined time, a coated metal layer having a predetermined film thickness is formed on the surface of the sintered body.
Adjustment of the film thickness at this time is controlled by gas concentration, carrier gas flow rate, heating temperature, heating time, and the like.

一方、別の被覆手段として、半溶融状態にまで加熱した硼化物や珪化物の粉末凝集体を高速で焼結体表面に溶射することにより、緻密な硼化物や珪化物の金属被膜を形成できる。これら硼化物や珪化物としては、SiB,SiC、Si,BN、BCが挙げられる。 On the other hand, as another coating means, a dense boride or silicide metal coating can be formed by thermally spraying a powder aggregate of boride or silicide heated to a semi-molten state on the surface of the sintered body at high speed. . Examples of these borides and silicides include SiB 6 , SiC, Si 3 N 4 , BN, and B 4 C.

熱処理においては、表面にホウ素またはケイ素を含んで乾燥被覆材を被覆した焼結体は、次に、真空中で保持して加熱されて熱処理を行なう。熱処理の温度は、上記の硬質粒子と鉄族のバインダ金属との合金系の組成から定まる固相線温度ないし共晶温度よりは低くして、焼結体の内質部に焼結体組成では融液を造らない温度であって、且つ、表面で被覆層からのホウ素またはケイ素と硬質粒子とバインダ金属とを含む合金系の共晶温度よりは高い温度に選ばれる。   In the heat treatment, the sintered body whose surface contains boron or silicon and is coated with the dry coating material is then heated while being held in vacuum. The temperature of the heat treatment should be lower than the solidus temperature or eutectic temperature determined from the alloy composition of the hard particles and the iron group binder metal, and the sintered body composition should The temperature is selected so as not to form a melt and higher than the eutectic temperature of the alloy system containing boron or silicon, hard particles, and a binder metal from the coating layer on the surface.

即ち、本願発明は、ホウ素またはケイ素を含む共晶温度が、ホウ素またはケイ素を含まない焼結体の共晶温度より低いことを利用して、熱処理温度は、それら共晶温度の間の温度に設定して、表面ないし表層部のみに一部融液を形成するのである。この融液は、ホウ素と鉄族金属の大部分と硬質粒子の極く一部とから成り、大部分の硬質粒子は、固体のまま残存している。   That is, the present invention utilizes the fact that the eutectic temperature containing boron or silicon is lower than the eutectic temperature of the sintered body not containing boron or silicon, and the heat treatment temperature is set to a temperature between these eutectic temperatures. By setting, a part of the melt is formed only on the surface or the surface layer. This melt is composed of most of boron and iron group metals and a very small portion of hard particles, and most of the hard particles remain solid.

WC−Co系焼結工具においては、WC−Co擬二元系合金の状態図から、共晶温度は、約1320℃であり、他方、Co−B系は、Co側共晶点(、即ち、Co−CoBの共晶温度)が約1110℃であるので、熱処理温度は、1150〜1310℃が利用され、好ましくは、1200〜1300℃の範囲が利用される。 In the WC-Co-based sintered tool, from the phase diagram of the WC-Co pseudo-binary alloy, the eutectic temperature is about 1320 ° C, while the Co-B system has a Co-side eutectic point (ie, Since the eutectic temperature of Co—Co 3 B) is about 1110 ° C., the heat treatment temperature is 1150 to 1310 ° C., preferably 1200 to 1300 ° C. is used.

また、WC−Ni系焼結工具においてはWC−Ni擬二元系合金の状態図から、共晶温度は、約1390℃であり、他方、Ni−B系は、Ni側共晶点(即ち、Ni−NiBの共晶温度)が約1090℃であるので、熱処理温度は、上記両方の共晶温度の間で、1150〜1380℃の範囲が利用され、好ましくは、1200〜1370℃の範囲が利用される。 Further, in the WC-Ni based sintered tool, from the phase diagram of the WC-Ni pseudo binary alloy, the eutectic temperature is about 1390 ° C, while the Ni-B based is the Ni side eutectic point (ie , Ni—Ni 3 B eutectic temperature) is about 1090 ° C., and therefore, the heat treatment temperature is in the range of 1150 to 1380 ° C., preferably 1200 to 1370 ° C. between the two eutectic temperatures. A range of is used.

さらに、TiC−Co系とTiC−Ni系とは、共に、液相出現温度が約1270℃であるので、TiC−Co系とTiC−Ni系の焼結工具においては、熱処理温度は、1200〜1250℃が好ましい。さらに、MoC−Ni系の共晶温度は、約1250℃であるので、上記1200〜1250℃の温度範囲で、TiC−MoC−Ni系の拡散熱処理も実施することができ、この系においては、MoCの配合が、TiC−Co系ないしTiC−Ni系における炭化物粒成長の抑制と焼結性の改善を図ることができる。上述のような熱処理過程における液相の出現や化合物の形成やあるいは拡散移動は、ケイ素についても同様であり、Co-Si 系の Co 側液相出現温度は 1200℃ 近傍であり、Ni-Si では Ni-30%Si 組成にて液相出現温度は 1000℃ 以下まで低下する。
これらのことから、WC-Co 系合金におけるケイ素拡散熱処理温度は、1250〜1320℃ が利用され、WC-Ni 系合金では1150〜1350℃ の範囲が利用される。
Furthermore, since both the TiC-Co system and the TiC-Ni system have a liquidus appearance temperature of about 1270 ° C., in the TiC-Co system and the TiC-Ni system sintering tool, the heat treatment temperature is 1200-200. 1250 ° C is preferred. Furthermore, since the eutectic temperature of the Mo 2 C—Ni system is about 1250 ° C., the TiC—Mo 2 C—Ni system diffusion heat treatment can also be carried out in the temperature range of 1200 to 1250 ° C. In the system, mixing of Mo 2 C can suppress the growth of carbide grains and improve the sinterability in the TiC—Co or TiC—Ni system. The appearance of the liquid phase, the formation of compounds, and the diffusion transfer in the heat treatment process as described above are the same for silicon. The Co-side liquid phase appearance temperature of the Co-Si system is around 1200 ° C. The liquid phase appearance temperature drops to 1000 ° C or less with Ni-30% Si composition.
For these reasons, the silicon diffusion heat treatment temperature in the WC-Co alloy is 1250 to 1320 ° C, and the WC-Ni alloy is in the range of 1150 to 1350 ° C.

上記温度範囲で熱処理をしたとき、熱処理の初期においては、焼結体表面に被覆しているホウ素含有被覆層中のホウ素が表面で鉄族金属と反応して、表面にはホウ素を含む低い温度の共晶組成を含む融液が形成されるが、但し、焼結体の内部は、ホウ素を含まないので、その処理温度で融解しない固体のままである。熱処理時間の経過に伴なって、表面部位の融液は、ホウ素を随伴しながら、内部の金属を溶解し内部に浸透する。融液の内部への浸透拡散に伴って、表面近くは、融液が少なくなり、硬質粒子の濃度ないし分布密度が高くなる。   When heat treatment is performed in the above temperature range, at the initial stage of the heat treatment, boron in the boron-containing coating layer coated on the surface of the sintered body reacts with the iron group metal on the surface, and the surface contains boron at a low temperature. However, since the inside of the sintered body does not contain boron, the melt remains a solid that does not melt at the processing temperature. As the heat treatment time elapses, the melt on the surface portion dissolves the internal metal and penetrates into the interior while accompanying boron. Along with the permeation and diffusion into the melt, the melt is reduced near the surface, and the concentration or distribution density of the hard particles is increased.

このホウ素またはケイ素の含有量が高く硬質粒子密度が高くなった領域が、表層部であるが、表層部は、互いに隣合う粒子の間隔が小さく、しかも、残留しているホウ素またはケイ素の含有量も高くなる。所望の処理時間後に、冷却ないし放冷すれば、表層部は、ホウ素またはケイ素とバインダ金属との化合物を形成して、ホウ化物またはケイ化物が析出する。表層部は、ホウ化物またはケイ化物と、分布密度の高い硬質粒子から成る層を構成し、しかし、この製造方法では、表層部の硬質粒子は、殆ど成長せずに、高密度化するので、表面の硬化を実現することができる。   The region where the boron or silicon content is high and the hard particle density is high is the surface layer portion, but the surface layer portion has a small interval between adjacent particles, and the remaining boron or silicon content. Also gets higher. If the substrate is cooled or allowed to cool after the desired treatment time, the surface layer portion forms a compound of boron or silicon and a binder metal, and a boride or silicide precipitates. The surface layer portion constitutes a layer composed of boride or silicide and hard particles having a high distribution density. However, in this manufacturing method, the hard particles in the surface layer portion are hardly grown and are densified. Curing of the surface can be realized.

熱処理後の表層部のホウ素またはケイ素含有量は、熱処理前被覆材中のホウ素またはケイ素化合物の種類と、焼結体表面積当たりのホウ素またはケイ素被覆量により制御することができる。例えば、ホウ素被覆層中のホウ素は、金属ホウ素B元素に換算して、被覆面に対して5.0〜40mg/cmの範囲にあるのが好ましい。この範囲では、表層部が、ホウ素Bを、上述の如く、重量で、0.050〜0.50%の範囲で含有することができる。表層部で、ホウ素のこのような高い含有量は、ホウ素が、鉄族金属の化合物として存在するからである。ケイ素においても同様である。 The boron or silicon content in the surface layer portion after the heat treatment can be controlled by the type of boron or silicon compound in the coating material before the heat treatment and the boron or silicon coating amount per surface area of the sintered body. For example, boron in the boron coating layer is preferably in the range of 5.0 to 40 mg / cm 2 with respect to the coating surface in terms of metal boron B element. In this range, the surface layer portion can contain boron B in the range of 0.050 to 0.50% by weight as described above. In the surface layer portion, such a high content of boron is because boron exists as a compound of an iron group metal. The same applies to silicon.

本発明の製造方法をWC−Co系焼結工具に適用した場合には、表面硬さは、内質部の硬さにも依存するが、内質部の表面硬さよりヴィッカース硬さHv700以上、特に、Hv1000以上、通常、Hv1400〜1800の範囲であり、ないしはそれ以上、例えば、Hv2300を有するものが好ましい。   When the manufacturing method of the present invention is applied to a WC-Co-based sintered tool, the surface hardness depends on the hardness of the inner part, but the Vickers hardness Hv 700 or more than the surface hardness of the inner part, In particular, Hv1000 or more, usually in the range of Hv1400 to 1800, or more, for example, those having Hv2300 are preferred.

表層部の厚みは、一般に、表面から内部へ向けての硬さ分布曲線の直線部が、内質部の平均硬さに到達する位置までの距離とすると、表層部厚みは、3mm以上、好ましくは、6mm以上を確保することができる。   Generally, the thickness of the surface layer part is 3 mm or more, preferably the distance from the surface to the position where the straight line part of the hardness distribution curve from the surface reaches the average hardness of the internal part Can secure 6 mm or more.

本発明の焼結工具には、切削工具、塑性加工具、鉱山・土木建築用の削岩ビット等に広く適用することができる。   The sintered tool of the present invention can be widely applied to cutting tools, plastic working tools, rock drill bits for mining / civil engineering and the like.

切削工具の例として、単一工具刃、フライス、ドリルやリーマなどがあるが、ドリルとリーマは、硬質粒子の粒子系1.0μm以下の超微粒子の焼結体で、工具長さLに対するその直径Dとの比(L/D比)が高い形状であるから、靭性の高い材質が要求されるが、本発明の構造にして、中心部で高い靭性とし、表層部が高い硬さと微細組織とすることにより、表層部が、刃先の構成に有利な高硬度として、工具寿命を高めることができる。   Examples of cutting tools include single tool blades, milling cutters, drills and reamers, but drills and reamers are sintered bodies of ultrafine particles with a hard particle size of 1.0 μm or less, and their tool length L Since the shape with a high ratio to the diameter D (L / D ratio) is required, a material with high toughness is required. However, the structure of the present invention has high toughness at the center and high hardness and microstructure in the surface layer. By doing so, the surface layer portion has a high hardness advantageous for the configuration of the cutting edge, and the tool life can be increased.

加工具の例として、プレス金型や鍛造用のダイ、パンチなどを含み、これらに本発明の焼結工具が適用できる。金型として、例えば、製缶用金型は、従来は、セラミック材料やNi基超合金が使用されているが、セラミックは、表面欠損を生じやすく、超合金は金属組織の調製が難しいのであるが、本発明によれば、WC−Co系焼結体をホウ素拡散熱処理を行なってホウ素を含んで硬質粒子の分布密度を高くして、高硬度とし、高い耐摩耗性、耐凝着と、耐食性により、金型寿命の高い金型とすることができる。   Examples of the processing tool include a press die, a forging die, a punch, and the like, and the sintered tool of the present invention can be applied to them. As a mold, for example, a mold for can making has conventionally used a ceramic material or a Ni-based superalloy. However, a ceramic tends to cause surface defects, and a superalloy is difficult to prepare a metal structure. However, according to the present invention, the WC-Co-based sintered body is subjected to boron diffusion heat treatment to increase the distribution density of the hard particles containing boron, thereby increasing the hardness, high wear resistance, and adhesion resistance. Due to the corrosion resistance, a mold having a long mold life can be obtained.

加工具には、鋼管用の引抜きダイと線引き用のプラグをも含み、従来の超硬合金は、焼き付き性の問題があり、焼き付き防止に超硬合金の表面にTiNのコーティングを施して使用される場合があるが、焼き付きを生じやすく、本発明の焼結工具としてWC−Co系を使用してホウ素拡散熱処理を行なうことにより、表層部のCoWB(またはSi)が摩擦係数を小さくして、耐凝着性が改善されて、工具の長寿命化を図ることができる。   The processing tool also includes a drawing die for steel pipes and a plug for wire drawing, and conventional cemented carbide has a problem of seizure, and is used with a TiN coating on the surface of the cemented carbide to prevent seizure. In some cases, seizure is likely to occur, and by performing boron diffusion heat treatment using a WC-Co system as a sintering tool of the present invention, CoWB (or Si) of the surface layer portion reduces the friction coefficient, The adhesion resistance is improved and the tool life can be extended.

他の加工具の例には、アルミニウム合金用の熱間押出しダイがあり、ダイは、従来の熱間型用鋼に代えて、本発明の焼結工具とすることにより、押出し温度500℃前後で、表層部のCoWBまたはCoWSi相の存在下で、耐凝着性が改善されて、ダイ寿命を改善することができる。   Examples of other processing tools include hot extrusion dies for aluminum alloys, and the die is a sintered tool of the present invention, instead of the conventional hot mold steel, and the extrusion temperature is around 500 ° C. Thus, in the presence of the CoWB or CoWSi phase in the surface layer portion, the adhesion resistance is improved and the die life can be improved.

さらに、後方押出し用の冷間鍛造パンチは、圧縮負荷が大きく、加工材との摩擦力も極めて高く、過酷な条件で用いられているが、このためにコーティング処理をして、用いることが多いのであるが、ここに、本発明を適用して、パンチの靭性不足による折損事故を防止し、パンチのベアリング部の焼付き摩耗を軽減して、工具寿命を改善することができる。   Furthermore, the cold forging punch for backward extrusion has a large compression load and extremely high frictional force with the work material, and is used under severe conditions. For this reason, it is often used after coating treatment. However, the present invention can be applied here to prevent breakage accidents due to insufficient punch toughness, reduce seizure wear of the bearing portion of the punch, and improve tool life.

市販の平均粒径1.5μmのタングステンカーバイドWC粉末と、同1.3μmの金属コバルトCo粉末とを混合して、WCに10%含有したCoと、WCに20%含有のCoとの2種類の混合物に調製した。混合粉末は、圧縮成型して、圧粉体を中間焼結して、焼結後の寸法が直径30mm×長さ30mmの寸法になるように成形加工した後、真空中で1400℃で1時間の液相焼結を行い、それぞれの焼結材を得た。   Two types, Co containing 10% in WC and Co containing 20% in WC, obtained by mixing commercially available tungsten carbide WC powder having an average particle diameter of 1.5 μm and 1.3 μm metallic cobalt Co powder. To the mixture. The mixed powder is compression-molded, the green compact is subjected to intermediate sintering, and is molded so that the size after sintering is 30 mm diameter × 30 mm length, and then in vacuum at 1400 ° C. for 1 hour. Liquid phase sintering was performed to obtain respective sintered materials.

次に、熱処理のホウ素源には、炭化ホウ素BCを用いて、ホウ素含有被覆材の調製のために、市販の炭化ホウ素BCをエタノールを用いてボールミルにより、30時間粉砕してBCを9%含有するスラリに調製した。スラリにポリエチレンイミンを加えて、被覆用のホウ素含有塗液とした。 Next, boron carbide B 4 C is used as a boron source for the heat treatment, and commercially available boron carbide B 4 C is pulverized with ethanol for 30 hours using ethanol in order to prepare a boron-containing coating material. A slurry containing 9% 4 C was prepared. Polyethyleneimine was added to the slurry to obtain a boron-containing coating solution for coating.

塗布法には浸漬法を利用して、焼結材を塗液中に浸漬した後取出し、次いで、40℃の乾燥機中で乾燥させて、試料とした。   A dipping method was used for the coating method, and the sintered material was taken out after being dipped in the coating solution, and then dried in a dryer at 40 ° C. to prepare a sample.

比較例として、上記の焼結素材に、ホウ素含有被覆材を適用しないで、そのまま用いた。
上記の実施例試料と比較例試料は、次の条件で拡散熱処理を行った。試料は、真空炉中で保持して、炉内圧40〜80Paに制御し、昇温速度5℃/minで加熱し、1200℃、1250℃及び1280℃の3水準の熱処理温度に3時間保持し、拡散熱処理を行い、後に炉令した。
As a comparative example, the above-described sintered material was used as it was without applying a boron-containing coating material.
The above example samples and comparative example samples were subjected to diffusion heat treatment under the following conditions. The sample is held in a vacuum furnace, controlled to a furnace pressure of 40-80 Pa, heated at a heating rate of 5 ° C./min, and held at three heat treatment temperatures of 1200 ° C., 1250 ° C. and 1280 ° C. for 3 hours. Diffusion heat treatment was performed, and the furnace order was given later.

熱処理した試料は、長さ15 mmの位置で切断して、切断面を研磨した後、断面組織の顕鏡観察を行い、その後表面から深さを変えてビッカース硬さ計による硬さ測定を行った。   The heat-treated sample was cut at a position of 15 mm in length, the cut surface was polished, the microscopic observation of the cross-sectional structure was performed, and then the hardness was measured with a Vickers hardness meter while changing the depth from the surface. It was.

ホウ素被覆処理をしたWC−20%Coの焼結工具について、細粒の硬質粒子(粒径1〜2μm)を用いて、BCの9%塗液に浸漬して被覆し、ホウ素による拡散熱処理した試料ついての断面組織について、図4(A)に示すように、内質部の組織写真では、WC粒子群の中に、多数の明瞭な白色の金属Co相が認められる。図4(B)は、この試料の表層部の組織を示すが、緻密な炭化物WCを有し、白色の金属相は殆ど認められない。これらの組織を比較すると、熱処理過程で、表面近傍の金属Co相が内部に移動した結果であり、図4(A)と図4(B)とを比較して、表層部と内部とは、共に、WC粒子の粒子径に殆ど差違は認められない。 Boron-coated WC-20% Co sintered tool was coated by dipping in 9% B 4 C coating solution using fine hard particles (particle size of 1-2 μm) and diffusion by boron Regarding the cross-sectional structure of the heat-treated sample, as shown in FIG. 4 (A), in the structure photograph of the internal part, many clear white metallic Co phases are recognized in the WC particle group. FIG. 4B shows the structure of the surface layer portion of this sample, but it has a dense carbide WC and almost no white metal phase is observed. When these structures are compared, it is the result of the metal Co phase near the surface moving inside during the heat treatment process. Compared to FIG. 4 (A) and FIG. 4 (B), the surface layer part and the inside are In both cases, there is almost no difference in the particle diameter of the WC particles.

同様に、WC−20%Co組成の粗粒の硬質粒子(粒子径3〜6μm)を用いて、BCの9%塗液に浸漬して被覆し、ホウ素による拡散熱処理した焼結体について、図5(A)に内質部と、図5(B)に表層部と、の断面組織の顕微鏡写真で示して、比較しているが、この図から、拡散熱処理において、表層部(図5(B))は、内質部(図5(A))に比してバインダ金属相(図5(A)中白色の相に見える)が低減すること、但し、両者では硬質粒子(WC粒子)の粒子径が殆ど変化していないことが判る。 Similarly, a sintered body subjected to diffusion heat treatment with boron by using a coarse hard particle (particle diameter: 3 to 6 μm) having a WC-20% Co composition, dipped in a 9% coating solution of B 4 C and coated. FIG. 5A shows a micrograph of the cross-sectional structure of the inner part and FIG. 5B shows the cross-sectional structure for comparison. 5 (B)) reduces the binder metal phase (appears as a white phase in FIG. 5 (A)) compared to the internal part (FIG. 5 (A)), but in both cases, hard particles (WC It can be seen that the particle diameter of the particles is almost unchanged.

他方、被覆未処理の比較例の組織は、表層部・内部とも図4(A)に類似して大きな組織変化は認められなかった。   On the other hand, as for the structure of the comparative example which has not been coated, a large structural change was not recognized in both the surface layer part and the inside, similar to FIG.

次に、硬さ測定結果を表5、及び図6に示す。図から明らかなように、被覆処理の素材には、硬さ分布に明瞭な勾配が認められた。上記の熱処理範囲で、温度が低いほど表面硬さは高く、また、表層部厚みは小さいことが判る。熱処理温度を高くすると、融液の内部への拡散が進行して表層部が相対的に厚く、表面の硬さが低下する傾向がある。即ち、表層部と内質部との硬さ差はHV=300〜600程度有り、さらに熱処理温度の高い試料の方が勾配の深さが大きい。   Next, the hardness measurement results are shown in Table 5 and FIG. As is clear from the figure, a clear gradient was recognized in the hardness distribution in the material of the coating treatment. In the above heat treatment range, it can be seen that the lower the temperature, the higher the surface hardness and the smaller the surface layer thickness. When the heat treatment temperature is increased, diffusion of the melt into the interior proceeds, the surface layer portion is relatively thick, and the surface hardness tends to decrease. That is, the difference in hardness between the surface layer portion and the inner quality portion is about HV = 300 to 600, and the sample having a higher heat treatment temperature has a larger gradient depth.

表5

Figure 0004911937
Table 5
Figure 0004911937

硬さの勾配領域はホウ素Bの拡散領域でもあり、熱処理温度を高くすることにより、ホウ素Bの内部拡散が進行したためと考えられた。表層部硬さ向上の主要因は、表層部金属相の減少により表層部側の粒子間距離が小さくなったことによるものであり、CoWBの形成による硬さ向上効果も寄与しているものと考えられる。未処理品については、当然のことながら、ほぼ一様な硬さ分布が得られた。   The hardness gradient region is also a boron B diffusion region, and it was considered that the internal diffusion of boron B progressed by increasing the heat treatment temperature. The main factor for improving the hardness of the surface layer is that the interparticle distance on the surface layer side is reduced due to the decrease in the metal phase of the surface layer, and the hardness improvement effect due to the formation of CoWB is also considered to contribute. It is done. As a matter of course, a substantially uniform hardness distribution was obtained for the untreated product.

表層部から厚さ2mmの試料を切り出して、ホウ素B含有量をICP−MS法により測定したところ、280〜330mg/kgの分析結果が得られ、Bの拡散が確認できた。   When a sample having a thickness of 2 mm was cut out from the surface layer portion and the boron B content was measured by an ICP-MS method, an analysis result of 280 to 330 mg / kg was obtained, and diffusion of B could be confirmed.

実施例3で調製した焼結素材を用いて、BCスラリ濃度を9%と、18%と、24%との3水準にした被覆条件にて被覆し、熱処理条件は、加熱速度5℃/minで、熱処理温度を1280℃で3時間の熱処理を行なった。 The sintered material prepared in Example 3 was used for coating under the coating conditions in which the B 4 C slurry concentration was 9%, 18%, and 24%, and the heat treatment was performed at a heating rate of 5 ° C. / Min, and a heat treatment temperature of 1280 ° C. for 3 hours.

得られた試料を中央部で切断して研磨した後、断面組織の観察を行い、その後表面から深さを変えてビッカース硬さ計による硬さ測定を行った。この結果を表6と図7に示した。   After the obtained sample was cut and polished at the center, the cross-sectional structure was observed, and then the hardness was measured with a Vickers hardness meter while changing the depth from the surface. The results are shown in Table 6 and FIG.

表6

Figure 0004911937
Table 6
Figure 0004911937

表6と図7を見ると、粒径1.5μmのタングステンカーバイドWC粉末を用いたWC−10%CoとWC−20%Coとは、共に、実施例1と比較して、拡散深さは2〜5mmと大きく、被覆材濃度に比例して拡散深さは大きくなっていることがわかる。   Referring to Table 6 and FIG. 7, both WC-10% Co and WC-20% Co using tungsten carbide WC powder having a particle size of 1.5 μm are compared with Example 1 in terms of diffusion depth. It is as large as 2 to 5 mm, and it can be seen that the diffusion depth increases in proportion to the coating material concentration.

このように、被覆材濃度、従ってホウ素の表面添加量と、熱処理温度の条件を設定することにより、表層部に適切に硬さ分布を得ることがわかる。   Thus, it can be seen that the hardness distribution can be appropriately obtained in the surface layer portion by setting the coating material concentration, that is, the surface addition amount of boron, and the heat treatment temperature conditions.

実施例4で熱処理した試料について、表層部のX線回折を行ったが、図示しないが、回折チャートには、CoWBに相当する回折ピークが認められた。このことから、表層部の硬さ向上に硬質なホウ化物粒子の効果が寄与したものと考えられる。   The sample heat-treated in Example 4 was subjected to X-ray diffraction of the surface layer portion. Although not shown, a diffraction peak corresponding to CoWB was observed in the diffraction chart. From this, it is considered that the effect of the hard boride particles contributed to the improvement of the hardness of the surface layer portion.

次に、市販の平均粒径0.55μmのWC粉末と、以下同じく平均粒径1.3μmの金属Co粉末とクロム炭化物Crの粉末と、バナジウム炭化物VCの粉末とを混合して、組成WC−20%Co−0.7%Cr−0.4%Vの混合粉を作り、圧粉成型して、圧粉体とした。実施例3と同様にして、圧粉体を中間焼結をしてのち切削加工により、直径30mm、長さ30mmの円柱体とし、同様に、1350℃×1時間の真空焼結を行い試験用の焼結材とした。 Next, a commercially available WC powder having an average particle diameter of 0.55 μm, a metal Co powder having an average particle diameter of 1.3 μm, a chromium carbide Cr 3 C 2 powder, and a vanadium carbide VC powder are mixed, A mixed powder having the composition WC-20% Co-0.7% Cr-0.4% V was made and compacted to obtain a compact. In the same manner as in Example 3, the green compact was subjected to intermediate sintering and then cut into a cylindrical body having a diameter of 30 mm and a length of 30 mm. Similarly, vacuum sintering at 1350 ° C. × 1 hour was performed for testing. The sintered material was used.

ホウ素被覆材には、実施例3と同様に炭化ホウ素BC含有のスラリ状塗液を用いたが、さらに、市販の六方晶系窒化ホウ素(h−BN)と、をエタノール中に30時間のボールミル粉砕し、得られた9%h−BNスラリにポリエチレンイミンを加えてBN被覆用塗液とした。 As the boron coating material, a slurry-like coating liquid containing boron carbide B 4 C was used in the same manner as in Example 3. Further, commercially available hexagonal boron nitride (h-BN) was added to ethanol for 30 hours. Was then pulverized by ball milling, and polyethylene imine was added to the obtained 9% h-BN slurry to prepare a coating solution for BN coating.

上記焼結素材は、BC含有スラリの被覆処理と、これとは別に、BN含有のスラリ状塗液との被覆処理の2種類の被覆を行なった。他方、実施例1で調製したWC−10%CoとWC−20%Coとの焼結素材には、BN被覆処理を行い。乾燥後に何れの試料とも1280℃で3時間の拡散熱処理を行った。   The sintered material was subjected to two types of coating: a BC-containing slurry coating process and a coating process with a BN-containing slurry coating solution. On the other hand, the sintered material of WC-10% Co and WC-20% Co prepared in Example 1 was subjected to BN coating treatment. After drying, all samples were subjected to diffusion heat treatment at 1280 ° C. for 3 hours.

熱処理した試料は、表面から深さを変えてビッカース硬さ計による硬さ測定を行った。この結果を表7と図8に示した。   The heat-treated sample was subjected to hardness measurement with a Vickers hardness meter while changing the depth from the surface. The results are shown in Table 7 and FIG.

表7

Figure 0004911937
Table 7
Figure 0004911937

表7と図8を見ると、超微粒子系に属する平均粒径0.55μmのWC粉末を用いた試料WC−20%Co−0.7%Cr−0.4%Vでは、BC被覆処理で、表層部硬さがHV硬さ2050にも達しており、拡散熱処理の効果が認められる。   Referring to Table 7 and FIG. 8, in the sample WC-20% Co-0.7% Cr-0.4% V using WC powder having an average particle size of 0.55 μm belonging to the ultrafine particle system, The surface layer hardness reaches HV hardness 2050, and the effect of diffusion heat treatment is recognized.

BN被覆したWC−10%CoとWC−20%Coは、共に、拡散深さは3〜4mmであって、実施例1と比較して小さくなっており、表層部硬さも低くなっていることがわかる。これは、h−BNが高温安定な化合物であるため、金属相との反応が進みにくいことによるものと考えられる。   BN-coated WC-10% Co and WC-20% Co both have a diffusion depth of 3 to 4 mm, which is smaller than that of Example 1, and the surface layer hardness is also low. I understand. This is presumably because h-BN is a high-temperature stable compound and thus the reaction with the metal phase is difficult to proceed.

ここでは、金属蒸着被覆工程として、金属塩化物である3塩化ホウ素[BCl]と、メタン[CH]、水素[H]を用いた実施例について説明する。
図9に示すCVD装置を用いた。3塩化ホウ素[BCl]と、メタン[CH]、水素[H]のガスボンベ11,12,13から流量計3および調整弁4を介して加熱炉1に調製されたガスが供給される。なお、加熱炉1には水封ポンプ2が連結されており、加熱炉内を所望の減圧に設定できるようになっている。この加熱炉1内に、実施例3で用いた2種類の焼結体をセットしておき、下表に示す化学蒸着条件でCVD処理を行った。処理後の焼結体表面のBC成膜厚さを確認したところ、およそ12〜15μmであった。
この実施例では、減圧CVD処理であったが、さらに膜厚を増大させるには、熱CVD法やレーザーCVD法を用いればよく、所望の被覆層厚さが得られる。
Here, the metal vapor deposition coating process, the boron trichloride is a metal chloride [BCl 3], methane [CH 4], examples will be described using hydrogen [H 2].
The CVD apparatus shown in FIG. 9 was used. Boron trichloride [BCl 3 ], methane [CH 4 ], and hydrogen [H 2 ] gas cylinders 11, 12, and 13 are supplied to the heating furnace 1 through the flow meter 3 and the regulating valve 4. . A water ring pump 2 is connected to the heating furnace 1 so that the inside of the heating furnace can be set to a desired reduced pressure. Two types of sintered bodies used in Example 3 were set in the heating furnace 1, and CVD treatment was performed under the chemical vapor deposition conditions shown in the following table. When checking B 4 C deposition thickness of the sintered body surface after treatment, it was approximately 12~15Myuemu.
In this embodiment, the low-pressure CVD process is used, but in order to further increase the film thickness, a thermal CVD method or a laser CVD method may be used, and a desired coating layer thickness can be obtained.

表8 BC蒸着条件

Figure 0004911937

上記被膜層は上記実施例3〜5と同様の熱処理により、所定の拡散熱処理効果が認められた。 Table 8 B 4 C deposition conditions

Figure 0004911937

The coating layer had a predetermined diffusion heat treatment effect by the same heat treatment as in Examples 3 to 5.

一般的な温間や熱間領域で用いられる超硬合金は、WC平均粒度が 3 μm以上であるため、いわゆる中粒から粗粒域の WC 粉を用いて、評価を行った。
市販の平均粒度 5.7 μm の WC 粉と 1.3 μm の Co 粉、1.5 μm の Ni 粉、さらに Cr-C 粉を用いて、WC-13%Co-2%Ni-1%Cr [ 15LB ]と、WC-18%Co-4%Ni-1.5%Cr [ 22HB ]組成に調合、混合した。得られた混合粉末から、実施例1と同形状の圧粉成型体を作製した後、真空中で 1380℃×1 Hr の液相焼結を行い、それぞれの焼結素材を得た。
次に、熱処理のケイ素源として、炭化ケイ素 SiC を用いて被覆材を調整した。調整の方法は実施例1と同様に行い、15% SiC 含有エタノール塗剤を準備した。浸漬法により焼結素材表面に被覆し、乾燥し、拡散熱処理を行った。熱処理温度は 1300℃×3 Hr とした。尚、被覆処理をしない素材そのままの試料も比較評価を行った。
熱処理後の試料は、長さ 15 mm の位置で切断し、切断面を研磨後、断面組織観察を行い、その後、表面から深さを変えてビッカース硬度計による硬さ測定を行った。
組織観察の結果については、表層部深さ 2 mm 程度までが WC 粒子の分布密度に向上が認められ、それより内部では明らかにバインダ金属が多い組織形態であった。
硬度測定の結果は、表9および図10に示す。
Cemented carbides used in general warm and hot regions have a WC average particle size of 3 μm or more, so we evaluated them using so-called medium to coarse WC powders.
WC-13% Co-2% Ni-1% Cr [15LB] and WC using a commercially available average particle size of 5.7 μm WC powder, 1.3 μm Co powder, 1.5 μm Ni powder, and Cr-C powder. Prepared and mixed in -18% Co-4% Ni-1.5% Cr [22HB] composition. A compacted body having the same shape as in Example 1 was produced from the obtained mixed powder, and then liquid phase sintering was performed at 1380 ° C. × 1 Hr in vacuum to obtain respective sintered materials.
Next, a coating material was prepared using silicon carbide SiC as a silicon source for heat treatment. The adjustment method was the same as in Example 1, and a 15% SiC-containing ethanol coating was prepared. The surface of the sintered material was coated by a dipping method, dried and subjected to diffusion heat treatment. The heat treatment temperature was 1300 ° C x 3 Hr. In addition, comparative evaluation was also performed on the sample as it was without the coating treatment.
The heat-treated sample was cut at a position of 15 mm in length, the cut surface was polished, the cross-sectional structure was observed, and then the hardness was measured with a Vickers hardness meter while changing the depth from the surface.
As a result of the structure observation, an improvement in the distribution density of WC particles was observed up to a depth of about 2 mm, and the structure of the structure was clearly rich in binder metal.
The results of the hardness measurement are shown in Table 9 and FIG.

表9

Figure 0004911937

図10から明らかなように、粗粒 WC を使用しているため、硬さとしては比較的低い値であるが、内質部と比較すると、表層部硬さは顕著な増大が認められた。
又、ケイ素の拡散深さは、硬さ傾斜部と見なすと、ホウ素拡散素材よりも小さく、これはホウ素とケイ素の元素特性の違いによるものと考えられた。しかしながら、バインダ金属の拡散移動はホウ素と同様の挙動を示すことが確認され、温間・熱間工具に致命的なヒートクラックの抑制に対する表面圧縮残留応力の効果、並びに耐熱性、耐酸化性が付与されることは、高温領域に適用される工具として極めて有用な特徴を有するものである。
又、被覆材として、SiB6 を使用すれば、ホウ素とケイ素の両特性が複合した表層部特性が得られる。 Table 9
Figure 0004911937

As apparent from FIG. 10, since coarse WC is used, the hardness is a relatively low value, but the surface layer hardness is remarkably increased as compared with the inner part.
Further, the diffusion depth of silicon is considered to be smaller than that of the boron diffusion material when it is regarded as a hardness gradient portion, which is considered to be due to the difference in elemental characteristics between boron and silicon. However, it has been confirmed that the diffusion movement of the binder metal shows the same behavior as boron, and the effect of surface compressive residual stress on the suppression of heat cracks that are fatal to warm and hot tools, as well as heat resistance and oxidation resistance. Being imparted has extremely useful characteristics as a tool applied to a high temperature region.
Further, when SiB 6 is used as a coating material, surface layer characteristics in which both characteristics of boron and silicon are combined can be obtained.

[性能試験]
試料作製
市販の平均粒径 1.5μm の WC 粉末、Co 粉末を WC-14%Co 組成に秤量配合し、ステンレス製ポットにエタノール溶媒、超硬合金ボールと共に挿入して 30 Hr 粉砕混合した。得られた原料スラリーは攪拌機に投入して溶剤を乾燥後、1.5 wt%のパラフィンワックスを添加し、70℃に加熱混合して完成粉末を作製した。同様に、市販の平均粒径 3.2μm の WC 粉末、Co 粉末を WC-17%Co 組成に秤量配合し、ミリング・乾燥・ワックス混合を行って、完成粉末を作製した。
次に、φ25 mm のプレス金型を使用して、金型キャビティ内に完成粉末を充填し、1 ton/cm2 の圧力で加圧することにより、φ25×30L mm の圧粉成型体を作製した。
得られた圧粉成型体は予備焼結炉により 900℃ の脱脂予備焼結を行ってから傾斜処理( PD )に供した。一部の予備焼結体は、1350℃ 真空焼結を行って焼結体としてから傾斜処理( SG )に供した。追加として、3.2μm のWC 粉を用いた WC-17%Co 合金の焼結体を作製し、ほぼ同条件の傾斜処理( VG )に供した。
[performance test]
Sample preparation Commercially available WC powder and Co powder with an average particle size of 1.5 μm were weighed and blended into a WC-14% Co composition, inserted into a stainless steel pot together with ethanol solvent and cemented carbide balls, and pulverized and mixed for 30 hours. The obtained raw material slurry was put into a stirrer and the solvent was dried. Then, 1.5 wt% paraffin wax was added, and heated to 70 ° C. to prepare a finished powder. Similarly, commercially available WC powder and Co powder with an average particle size of 3.2 μm were weighed and blended into a WC-17% Co composition, and milled, dried and mixed with wax to produce a finished powder.
Next, using a φ25 mm press mold, the finished powder was filled into the mold cavity and pressed at a pressure of 1 ton / cm 2 to produce a φ25 × 30 L mm compact. .
The obtained green compact was degreased and pre-sintered at 900 ° C. in a pre-sintering furnace and then subjected to a gradient treatment (PD). Some pre-sintered bodies were vacuum-sintered at 1350 ° C. to form sintered bodies and then subjected to a gradient treatment (SG). In addition, a sintered body of WC-17% Co alloy using WC powder of 3.2 μm was prepared and subjected to a gradient treatment (VG) under almost the same conditions.

傾斜処理
ここでは拡散材として #200− B4C 粉末を用いた。ボールミルによりエタノールと B4C 粉末を 5 Hr 粉砕混合し、さらに PEI で調整した B4C 塗布材を準備し、傾斜処理対象の予備焼結体及び焼結体の外表面に所定量塗布して乾燥し、表10に示す諸条件にて傾斜処理を行った。こうして得られた傾斜処理合金は、各試料中央部で切断・研磨して、組織観察、元素濃度分析、硬度測定等の特性確認を行った。
Inclination treatment Here, # 200-B 4 C powder was used as a diffusion material. Ethanol and B 4 C powder are pulverized and mixed for 5 hours with a ball mill, and a B 4 C coating material prepared by PEI is prepared. A predetermined amount is applied to the outer surface of the pre-sintered body and sintered body to be tilted. It dried and the inclination process was performed on various conditions shown in Table 10. The gradient-treated alloy thus obtained was cut and polished at the center of each sample, and characteristics such as structure observation, element concentration analysis, and hardness measurement were confirmed.

表10 WC(1.5μ)-14%Co 傾斜処理条件

Figure 0004911937
Table 10 WC (1.5μ) -14% Co Tilting condition
Figure 0004911937

組織特性
サンプルPD125, PD130 は分散した黒色の斑点として見える明瞭な「巣」が残留しており、合金素材として内部欠陥を包含した状態である。このような素材で合金工具を作製すると、「巣」が破壊起点となるために、使用開始後極めて短時間で破壊することは明らかである。
さらに、傾斜処理温度を上げた PD135, PD140 では、完全な焼結緻密化により内部欠陥である「巣」は殆ど認められないが、Co 結合相の濃度傾斜は、表面から内部にかけて極めて不明瞭なものとなっている。これは母材全体に液相が出現するために、表面の B 拡散領域から内部の未拡散領域に至る範囲で、液相の濃度均一化が進むためであると思われる。又、表面層と内部での WC 粒子サイズに差異は認められない。
一方、焼結体から傾斜処理を行った SG120, SG125, SG130 では、内部欠陥としての「巣」は全く認められない。又、傾斜組織としては、表層部から内部にかけての Co 結合相の濃度傾斜が極めて明瞭に確認できる。このように予備焼結体から傾斜処理を行う場合と、焼結体から傾斜処理を行う場合とは対照的な組織傾斜を示し、焼結母材の液相出現温度以下で傾斜処理を行うことが重要であることが分かる。なお、予備焼結体から傾斜処理を行っても粒子成長組織も全く認められない。
Tissue characteristics Samples PD125 and PD130 have clear “nests” that appear as dispersed black spots, and include internal defects as an alloy material. When an alloy tool is made of such a material, the “nest” becomes a starting point of destruction, so that it is apparent that the tool breaks in a very short time after the start of use.
Furthermore, in PD135 and PD140, which have increased the gradient treatment temperature, there is almost no “nest” that is an internal defect due to complete sintering densification, but the concentration gradient of the Co-bonded phase is very unclear from the surface to the interior. It has become a thing. This seems to be because the liquid phase appears in the entire base material, so that the concentration of the liquid phase is made uniform in the range from the surface B diffusion region to the internal non-diffusion region. There is no difference in the WC particle size between the surface layer and the inside.
On the other hand, in the SG120, SG125, and SG130 that have been subjected to the gradient treatment from the sintered body, no “nest” as an internal defect is recognized. As the gradient structure, the concentration gradient of the Co bonded phase from the surface layer to the inside can be confirmed very clearly. In this way, the gradient treatment is performed in contrast to the case where the gradient treatment is performed from the pre-sintered body and the case where the gradient treatment is performed from the sintered body, and the gradient treatment is performed below the liquid phase appearance temperature of the sintered base material. Is important. Note that no grain growth structure is observed even when the pre-sintered body is inclined.

硬さ特性
表層部から内部に至るHV 測定による硬さの分布を 図11に示す。尚、組織欠陥が認められた PD125, PD130 は測定値がばらつくため、データとして記載を省略した。
まず、予備焼結体からの傾斜処理において、PD135, PD140 では、母材内部硬さと比較して HV=300 程度の表面硬さ向上が認められる。これは、表層部で凡そ 3 % の Co 結合相量の減少による硬さの向上と、拡散元素である B の固溶強化や析出強化による硬さの向上の相乗作用と考えられるが、SG125.130による表面硬さと比較すると HV=200〜300 程度硬さが低い。
予備焼結体からの傾斜処理においては、本願発明で用いる B, Si 元素、特に B 元素は活性化エネルギーが小さく、拡散速度が速いため、液相存在下では急速に拡散が進行する。このため表層部に濃縮した状態とはならず、顕著な固溶強化や析出強化にはあまり寄与しない。
これに対して、焼結体から傾斜処理を行った SG120〜SG130 では、全体に表面硬さの著しい向上が認められる。傾斜処理温度が高くなると、傾斜領域の深さも深くなる傾向が認められる。因みに、これより傾斜処理温度を高くすると、例えば 1400℃処理では素材全体に液相が出現する温度域にはいるため、PD140 と同等程度まで表面硬さは低下する。
Hardness characteristics Fig. 11 shows the hardness distribution by HV measurement from the surface layer to the inside. Since the measured values of PD125 and PD130 in which tissue defects were recognized varied, the description was omitted as data.
First, in the inclination treatment from the pre-sintered body, PD135 and PD140 show an improvement in surface hardness of about HV = 300 compared to the internal hardness of the base metal. This is considered to be a synergistic effect of improving hardness by reducing the amount of Co-bonded phase by about 3% in the surface layer, and improving hardness by solid solution strengthening and precipitation strengthening of the diffusion element B. SG125. Compared with the surface hardness by 130, the hardness is about HV = 200-300.
In the gradient treatment from the pre-sintered body, the B and Si elements used in the present invention, especially the B element, have a small activation energy and a high diffusion rate, so that diffusion proceeds rapidly in the presence of a liquid phase. For this reason, it does not become the state concentrated in the surface layer part, and does not contribute so much to remarkable solid solution strengthening and precipitation strengthening.
On the other hand, in SG120 to SG130 in which the gradient treatment is performed from the sintered body, a remarkable improvement in the surface hardness is recognized as a whole. As the tilting process temperature increases, the slope of the tilted area tends to increase. Incidentally, if the gradient treatment temperature is made higher than this, the surface hardness is lowered to the same level as PD140 because the liquid phase appears in the whole material in the 1400 ° C treatment, for example.

Co 濃度比較と HV-Co 相関関係
表層部から内部に至るEDAX 分析による Co 量の濃度分布を 図12に示す。予備焼結体からの傾斜処理:PD135, PD140 の Co 濃度分布は、表面から内部に向かって増大しているが、極めて緩やかであり、表面/内部の濃度比bs/bi は PD135=0.66, PD140=0.87 を示した。
これに対して、本願発明による SG120, SG125, SG130 では表面の Co 濃度が著しく小さく、表面から 2 mm 近傍の位置では急激な増大傾向を示している。上記同様に算出した bs/bi は SG120=0.54, SG125=0.39, SG130=0.28 となり、極めて小さいことが特徴である。
Co concentration comparison and HV-Co correlation Figure 12 shows the concentration distribution of Co by EDAX analysis from the surface layer to the inside. Inclination treatment from pre-sintered body: Co concentration distribution of PD135 and PD140 increases from the surface to the inside, but is very gentle, and the surface / internal concentration ratio bs / bi is PD135 = 0.66, PD140. = 0.87.
On the other hand, SG120, SG125, and SG130 according to the present invention have a remarkably small Co concentration on the surface, and show a sharp increasing tendency at a position near 2 mm from the surface. The bs / bi calculated in the same manner as described above is SG120 = 0.54, SG125 = 0.39, SG130 = 0.28, and is characterized by being extremely small.

表面層の破壊靭性評価
さらに、本願発明では、結合相量が大幅に低減した高硬度の表面層と、結合相量が増大した内部、という組織構成の故に、傾斜化した表面層には大きな圧縮残留応力が発生する。IF 法による破壊靭性評価から、これらの一例を示す。
これは、表面層の HV 圧痕から伝播したクラックを示しているが、傾斜組織の表面から内部方向 のクラック長が、これとは垂直方向のクラック長よりも極めて短かった。このことは、本願発明による傾斜組織が表面層に効果的な圧縮残留応力を付与するために、表面から内部方向への破壊が生じにくいことを示唆しており、高硬度・高靭性という相反する特性を兼ね備えることを示している。
Fracture toughness evaluation of surface layerFurthermore, in the present invention, because of the structure of a hard surface layer with a significantly reduced amount of binder phase and an interior with an increased amount of binder phase, the inclined surface layer has a large compression. Residual stress is generated. An example of these is shown from the fracture toughness evaluation by IF method.
This indicates a crack propagated from the HV indentation in the surface layer, but the crack length in the internal direction from the surface of the gradient structure was much shorter than the crack length in the vertical direction. This suggests that the inclined structure according to the present invention imparts an effective compressive residual stress to the surface layer, so that the fracture from the surface to the internal direction is unlikely to occur, which is contradictory to high hardness and high toughness. It shows that it has characteristics.

以上の結果を要約すると、メタロイド系元素として、B, Si, P から特に B の化合物として B4C を選択して傾斜処理を実施し、各種の評価を行った結果、次のことがわかった。
1)本願発明では、焼結体から傾斜処理をするため、内部欠陥は生じない。
2)本願発明の傾斜処理では HV=400〜500 程度の硬度傾斜が得られる。
3)本願発明の傾斜処理では WC 粒度に関係なく傾斜組織が得られる。
4)本願発明の傾斜処理では表面層の結合相濃度が著しく低下することで傾斜組織が得られる。
5)本願発明の傾斜処理では WC 粒子の成長は生じず、粒子サイズの制御とは無関係に傾斜組織が得られる。
6)本願発明の傾斜処理では表面層に圧縮残留応力が生じるため、表面層の破壊靭性が大幅に向上する。
Summarizing the above results, B 4 C was selected as the metalloid element from B, Si, P, and in particular, B 4 C was applied, and various evaluations were performed. As a result, the following was found. .
1) In this invention, since an inclination process is performed from a sintered compact, an internal defect does not arise.
2) In the gradient treatment of the present invention, a hardness gradient of about HV = 400 to 500 is obtained.
3) In the gradient treatment of the present invention, a gradient structure can be obtained regardless of the WC grain size.
4) In the gradient treatment of the present invention, a gradient structure can be obtained by significantly reducing the binder phase concentration in the surface layer.
5) In the gradient treatment of the present invention, the growth of WC particles does not occur, and a gradient structure can be obtained regardless of the particle size control.
6) Since the compressive residual stress is generated in the surface layer in the gradient treatment of the present invention, the fracture toughness of the surface layer is greatly improved.

ネジ部が緩やかな螺旋形状を有するヘリカルギアを示す正面図。The front view which shows the helical gear in which a screw part has a gentle spiral shape. ヘリカルギアの金型を示す正面図。The front view which shows the metal mold | die of a helical gear. S55C支持金物に超硬合金がロー付けされた掘削工具を示す正面図。The front view which shows the excavation tool by which the cemented carbide was brazed to the S55C support metal fitting. 本発明の実施例に係る焼結工具の製造方法により、細粒の硬質粒子(粒径1〜2μm)を用いて、BCの9%塗液に浸漬して被覆し熱処理した焼結体の断面金属組織についての金属顕微鏡写真で、(A)は内質部を、(B)は表層部を、それぞれ示す。A sintered body obtained by dipping in a 9% coating solution of B 4 C, using a fine hard particle (particle size of 1 to 2 μm), covering, and heat-treating the sintered tool according to the embodiment of the present invention. (A) shows an internal part and (B) shows a surface layer part, respectively. 本発明の実施例に係る焼結工具の製造方法により、粗粒の硬質粒子(粒径3〜6μm)を用いて、BCの9%塗液に浸漬して被覆し熱処理した焼結体の断面金属組織についての金属顕微鏡写真で、(A)は内質部を、(B)は表層部を、それぞれ示す。Sintered body obtained by dipping in a 9% coating solution of B 4 C using a coarse hard particle (particle size: 3 to 6 μm), covering, and heat-treating the sintered tool according to the embodiment of the present invention. (A) shows an internal part and (B) shows a surface layer part, respectively. 本発明の実施例3に係る製造方法により製造した焼結体の表面から深さ方向での硬さの変化を示す図。The figure which shows the change of the hardness in the depth direction from the surface of the sintered compact manufactured by the manufacturing method which concerns on Example 3 of this invention. 別の実施例4に係る焼結体の表面から深さ方向での硬さの変化を示す図。The figure which shows the change of the hardness in the depth direction from the surface of the sintered compact which concerns on another Example 4. FIG. さらに別の実施例5に係る焼結体の表面から深さ方向での硬さの変化を示す図。Furthermore, the figure which shows the change of the hardness in the depth direction from the surface of the sintered compact concerning another Example 5. FIG. 被膜層を形成するCVD装置の概略図。Schematic of the CVD apparatus which forms a film layer. 本発明の実施例6に係る製造方法により製造した焼結体の表面から深さ方向での硬さの変化を示す図。The figure which shows the change of the hardness in the depth direction from the surface of the sintered compact manufactured by the manufacturing method which concerns on Example 6 of this invention. 表層部から内部に至るHV 測定による硬さの分布を示すグラフ。The graph which shows distribution of hardness by HV measurement from a surface layer part to an inside. 表層部から内部に至るEDAX分析によるCo濃度の分布を示すグラフ。The graph which shows distribution of Co density | concentration by EDAX analysis from a surface layer part to the inside. IF 法による破壊靭性評価試験の結果を示す顕微鏡写真。Photomicrograph showing results of fracture toughness evaluation test by IF method.

Claims (13)

M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系圧粉成型体に浸炭処理を行い、その後液相焼結を行って液相焼結温度を指標として液相焼結温度の上昇に従い、表層WC平均粒度が増大するように調整することを特徴とする超硬合金素材の製造方法。 M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and one or more of Fe, Co, Ni) WC-Co compacted green body with the main component of the surface layer part being carburized, followed by liquid phase sintering and increasing the liquid phase sintering temperature using the liquid phase sintering temperature as an index, A method for producing a cemented carbide material, characterized in that the average particle size of the surface layer WC is increased. M12C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系圧粉成型体を浸炭処理温度が600〜900℃ で、液相焼結温度が1300℃ 以上の温度で処理し、表層部WC平均粒度が、出発原料のそれよりも小さくなる組織傾斜を形成する請求項1記載の製造方法。 M 12 C type double carbide (M is at least one of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and at least one of Fe, Co, Ni) The WC-Co compacted green body, which is the main component of the part, is treated at a carburizing temperature of 600 to 900 ° C. and a liquid phase sintering temperature of 1300 ° C. or higher. The manufacturing method of Claim 1 which forms the structure | tissue inclination smaller than it. M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とするWC-CO系圧粉成型体を浸炭処理温度800〜1100℃ で、液相焼結温度1350℃ 以上の温度で処理し、表層部WC平均粒度が、内質部のそれよりも大きい組織傾斜に形成する請求項1記載の製造方法。 Surface layer of M 3 C type double carbide (M represents one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and one or more of Fe, Co, Ni) The WC-CO green compact molded as the main component is treated at a carburizing temperature of 800 to 1100 ° C and a liquid phase sintering temperature of 1350 ° C or higher. The manufacturing method according to claim 1, wherein the structure is formed to have a larger tissue inclination. 得られた焼結体の表面に、ホウ素や珪素を含む化合物を塗布し、液相温度以下の1200〜1350℃の温度範囲で拡散熱処理する請求項1記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein a compound containing boron or silicon is applied to the surface of the obtained sintered body, and diffusion heat treatment is performed in a temperature range of 1200 to 1350 ° C. below the liquidus temperature. M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とするWC-Co系圧粉成型体の液相焼結後、その焼結体の表面に、融点降下元素であるホウ素や珪素を含む化合物を塗布し、再度 液相焼結温度以下の1200〜1350℃の温度範囲で拡散熱処理することを特徴とする高強度超硬合金焼結工具の製造方法。 M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and one or more of Fe, Co, Ni) After the liquid phase sintering of the WC-Co green compact with the main component of the surface layer portion, a compound containing boron or silicon as melting point lowering elements is applied to the surface of the sintered body, and again A method for producing a sintered tool of high-strength cemented carbide, characterized by performing diffusion heat treatment in a temperature range of 1200 to 1350 ° C. below the liquid phase sintering temperature. ホウ素被覆層中ホウ素が、金属ホウ素元素に換算して、被覆面に対して5.0〜40mg/cmの範囲にあることを特徴とする請求項5に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 5, wherein boron in the boron coating layer is in the range of 5.0 to 40 mg / cm 2 with respect to the coating surface in terms of metallic boron element. M12C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系焼結体であって、表層部WC平均粒度が、内質部のそれよりも 0.3〜0.7 倍に小さくなる組織傾斜を有するとともに、表層部の結合金属が内部側に移動した濃度傾斜を有している高強度超硬合金焼結工具。 M 12 C type double carbide (M is at least one of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and at least one of Fe, Co, Ni) WC-Co-based sintered body as a main component of the surface part, and the surface layer part WC average grain size has a structure inclination that is 0.3 to 0.7 times smaller than that of the internal part, and the surface layer part A high-strength cemented carbide sintered tool having a concentration gradient in which the bonded metal is moved inward. 表層部硬度が HRA=91〜95、靭性が KIC=15〜23 MN/m3/2 という優れた機械的特性を有する請求項7記載の高強度超硬合金焼結工具。 The high-strength cemented carbide sintered tool according to claim 7, having excellent mechanical properties such that the surface layer hardness is HRA = 91 to 95 and the toughness is K IC = 15 to 23 MN / m 3/2 . M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とする WC-Co系焼結体であって、表層部WC 平均粒度が、内質部のそれよりも1.5 倍以上大きい組織傾斜を有するとともに、表層部の結合金属が内部側に移動した濃度傾斜を有している高強度超硬合金焼結工具。 Surface layer of M 3 C type double carbide (M represents one or more of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and one or more of Fe, Co, Ni) WC-Co-based sintered body with the main component of the surface part, and the surface layer part WC average grain size is 1.5 times greater than that of the inner part part, and the surface layer part has a bonded metal on the inner side. A high-strength cemented carbide sintered tool with a shifted concentration gradient. 表層部硬度が HRA=88〜92、靭性が KIC=20〜30 MN/m3/2 という優れた機械的特性を有する請求項9記載の高強度超硬合金焼結工具。 The high-strength cemented carbide sintered tool according to claim 9, which has excellent mechanical properties such that the surface layer hardness is HRA = 88 to 92 and the toughness is K IC = 20 to 30 MN / m 3/2 . M12C型〜M3C型複炭化物(MはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの何れか1種以上と、鉄族金属Fe,Co,Niの何れか1種以上を示す)を表層部の主成分とするWC-Co系焼結工具であって、ホウ素B又はケイ素Siを重量で0.010〜1.0%の範囲で含む表層部を有し、該表層部が、内質部よりも高い分布密度の硬質粒子を有することを特徴とする高強度超硬合金焼結工具。 M 12 C type to M 3 C type double carbide (M is at least one of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and any of iron group metals Fe, Co, Ni) WC-Co-based sintered tool having a main component of a surface layer portion, the surface layer portion including boron B or silicon Si in a range of 0.010 to 1.0% by weight. The high-strength cemented carbide sintered tool, wherein the surface layer portion has hard particles having a distribution density higher than that of the internal portion. 前記内質部中の鉄族金属(Fe,Co,Niの何れか1種以上)と硬質粒子WCとの含有量の重量比が、5:95ないし40:60の範囲にある請求項11に記載の高強度超硬合金焼結工具。   The weight ratio of the content of the iron group metal (one or more of Fe, Co, Ni) and the hard particles WC in the inner part is in the range of 5:95 to 40:60. The high-strength cemented carbide sintered tool described. 表層部の表面から深さ0.5mmまでの範囲でのバインダ金属の含有量が、重量で2%以下である請求項11に記載の焼結工具。

The sintered tool according to claim 11, wherein the binder metal content in the range from the surface of the surface layer portion to a depth of 0.5 mm is 2% or less by weight.

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