JP6124877B2 - 汎用性を有するＦｅＮｉバインダー - Google Patents

Description

本発明は、硬質化材料（Haertetraeger）と、ＦｅＣｏＮｉまたはＦｅＮｉを基礎とする結合用基礎合金とを含んだ組成物の焼結によって得られる複合材料の製造方法に関する。さらに、本発明は、上記方法によって得られる焼結複合材料ならびに、工具または構造部品、とくに成形、破砕または切削工具への該焼結材料の使用に関する。

超硬合金は、硬質化材料、たとえば炭化物および結合用合金からなる焼結された複合材料である。超硬合金は非常に多様に使用され、たとえば、実質的にあらゆる公知の材料の加工に使用される。超硬合金は、さらに、たとえば構造部品として、成形工具または破砕工具としてまたは、特に耐摩耗性、機械的強度または高温強度が重視されるその他の多様な目的に使用される。頻度の高い用途分野は金属材料の切削加工である。この場合、切削、成形および摩擦プロセスにより、局所的に限定されて、８００℃超に及ぶ高温が発生する。その他の場合、たとえば鍛造、線引きまたは圧延に際して、金属加工材料の成形プロセスが高温で実施される。その際、工具は、超硬合金の変形を生じ得る機械的応力にさらされる。したがって、高温クリープ抵抗（実際には、ほとんどの場合、それに代えて高温硬さが測定される）は超硬合金工具の重要な一特性である。ただしまた、あらゆる用途に際して、破壊靭性（Ｋ₁Ｃ）も重要な値である。というのも、さもなければ、工具または構造部品は機械的ピーク荷重に耐えることができずに破断し得るからである。耐摩耗性、高温硬さ、破壊靭性ならびにそれらと関連した強度（後者は、ほとんどの場合、曲げ破壊強度として表される）は、超硬合金組成物の炭化物相のサイズとその割合を経て調整することが可能である。

ただしその他に、超硬合金の特性は、使用される結合用合金によっても大きく左右される。破壊靭性、腐食および高温硬さは、主として、結合用合金とそのベースの性質によって決定される。本発明は、硬度（ＩＳＯ ３８７８に準拠したビッカース硬度）、破壊靭性（Ｋ₁Ｃ、亀裂長とビッカース硬度圧痕の値からＳｈｅｔｔｙの式によって算定）ならびに高温硬さの点で、Ｃｏを基礎とする結合用合金を使用した従来通例の超硬合金の特性に等しい、ＦｅＮｉまたはＦｅＣｏＮｉを基礎とする結合用合金を使用した新規の超硬合金に関する。

さまざまな理由から、特殊な超硬合金には、基礎合金としてのコバルトに代えて、その他のバインダー基礎合金が使用される。たとえば、一般市販のニッケル金属粉末およびコバルト金属粉末として入手可能な、不可避な不純物を含んだ純金属も"結合用基礎合金"と解される。

たとえば、Ｎｉ金属粉末は、酸中で耐腐食性、耐酸化性または非磁化性を有する超硬合金の製造に基礎合金として使用される。液相での焼結により、Ｎｉを基礎とする結合用合金が形成される。この結合用合金は、たとえば金属粉末としてもしくは炭化物として当該超硬合金組成物に添加されたＷ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏまたはその他の元素を含み、純Ｎｉから液相焼結時の合金化によって形成される結合用合金がそれらを含有していることにより、こうして生ずるＮｉ基礎合金がもたらされる。これらの元素は、純ニッケルに比較して、優れた耐食性をもたらす。バインダー基礎合金としてＮｉを使用した超硬合金は、Ｃｏ基合金で結合された超硬合金に比較して硬度値が低いために汎用性がない。さらに、Ｎｉ基礎合金で結合された超硬合金は、比較的低い高温硬さを特徴としている。したがって、これらは金属加工材料の切削加工にも使用されない。

さらに、ＦｅＣｏＮｉ基礎合金が超硬合金バインダーとして知られている。ただし、短所は、約１２質量％のバインダー含有量に至るまでＧｒｉｆｆｉｔｈの式による強度に比例したそれらの低いＫ₁Ｃ値である。たとえば、７．５％のＦｅＣｏＮｉ４０／２０／４０を有した炭化タングステンベース（平均粉末直径：０．６μｍ）の硬質化材料からなる超硬合金のＫ₁Ｃ値は８．２〜９．５ＭＰａ ｍ^１／２であり、他方、同じ容積比率のコバルト（ＦｅＣｏＮｉ４０／２０／４０に比較してコバルトの密度が高いために８質量％に相当）を有した超硬金属のＫ₁Ｃ値は９．５ＭＰａ ｍ^１／２に達する。

バインダーとしてＦｅＣｏＮｉ基礎合金を有した超硬合金の高温硬さは、高温に際して、コバルト基礎合金で結合されたそれよりもほとんどの場合に低い。

さらに、ＦｅＮｉ基礎合金がバインダーとして知られている。米国公開第２００２／０１１２８９６号は、３５〜６５％のＮｉおよび６５〜３５％のＦｅを基礎としたＦｅＮｉ合金を開示している。ただし、開示された基礎合金ＦｅＮｉ５０／５０の室温時の強度は比較的低い。たとえば、７．４％のＦｅＮｉ５０／５０（このバインダーの容積比率は、ＦｅＮｉ５０／５０の密度が低いために、８質量％のコバルトに相当）を有した超硬合金は８．５ＭＰａ ｍ^１／２のＫ₁Ｃを有するにすぎない。

さらに、Ｗｉｔｔｍａｎｎ（ＴＵ Ｗｉｅｎ）の論文から、１０〜５０％のＮｉ、９０〜５０％のＦｅを有したＦｅＮｉ基礎合金が知られている。これらは、たとえば１５％Ｎｉおよび８５％Ｆｅの場合、非常に高いＫ₁Ｃ値を有する（バインダー基礎合金としてのコバルトで達成可能なそれについては以下に公表されたＷｉｔｔｍａｎｎの結果を参照のこと：Ｌ．Ｐｒａｋａｓｈ ｕｎｄ Ｂ．Ｇｒｉｅｓ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ １７ｔｈ Ｐｌａｎｓｅｅ Ｓｅｍｉｎａｒ ２００９， Ｖｏｌ．２， ＨＭ ５／１）。これはＦｅＮｉ７５／２５についても同様である（上記出典参照のこと。同所では"Ａ２５００"と称される）。ただし、ＦｅリッチのＦｅＮｉ結合用基礎合金による超硬合金の高温硬さは、４００℃を上回る場合、Ｃｏ基礎合金で結合されたそれを著しく下回っており、これはＦｅＮｉ８２／１８の基礎合金の例で明らかとなる（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ， Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ａｎｄ Ｈａｒｄ Ｍｅｔａｌｓ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ， ２００８、同所では"Ｍ１８００"と称される）。

超硬合金焼結によって調整可能な、結合金属合金中でのタングステンの最大溶解度により、超硬合金の高温硬さと、使用されたＦｅＣｏＮｉ基礎合金の組成との相関性を説明する試みがなされている（Ｂ．Ｇｒｉｅｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＥＵＲＯＰＭ ２００９ Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ、２００９年１０月１０〜１２日）。ただし、それによれば、ＦｅＮｉ基礎合金を有した超硬合金の最大高温硬さは、純Ｎｉを有する結合用合金と同じでなければならないであろう。というのも、この場合、結合用合金中でのタングステンの最大溶解度は約２５質量％で生ずるからである。しかしながら、実際には、ＦｅＮｉ５０／５０基礎合金を有した超硬合金は、結合用合金中でのタングステン溶解度は最大１９．４％であり、高温硬さの点では、コバルト基礎合金を有したそれ（結合用合金中でのＷの最大溶解度２０％）と同等である。タングステン溶解度はより高いにもかかわらず、Ｎｉ基礎合金を有した超硬合金は高温硬さの点では上記双方に劣っており、したがって、高い高温硬さが重要となる用途、たとえば金属切削加工には使用されない。

さらに、欧州特許第１４８８０２０号から、特殊鋼の切削加工時に生ずる付着摩耗の低減を目的とした特別な切削加工用の、ｆｃｃ構造を有する、超硬合金バインダーとして１０〜７５％のＣｏを有したＦｅＣｏＮｉ基礎合金が知られている。オーステナイト系ＦｅＣｏＮｉ基礎合金によるこの種の超硬合金の高温硬さは、コバルト基礎合金によるそれよりも著しく劣っている。さらに、これらのオーステナイト系結合用合金からなる超硬合金の強度値は、コバルト基礎合金で結合されたその種の超硬合金に比較して、低いであろうと想定される。

国際公開第２０１０／０４６２２４号は、ＦｅＣｏＮｉ、Ｃｏ、Ｎｉおよびモリブデンと合金化したＮｉを基礎とする、モリブデンをドープした粉末状金属粉末の使用を開示している。ただし、４００℃を超える場合、ＷＣ８％およびＣｏ８２％の最大磁気飽和の高温硬さは十全には達成されない（ＷＯ−Ａ２−２０１０／０４６２２４の図２）。さらに、Ｋ₁Ｃは超硬合金の炭素含有量に非常に大きく左右されるが（ＷＯ−Ａ２−２０１０／０４６２２４の実施例４）、これは焼結の工業現場において変動する気味がある。したがって、求められる特性（硬度、Ｋ₁Ｃおよび高温硬さ）の確実な達成は炭素収支の制御に敏感に左右されるが、これは工業的条件下において必ずしも常に保証されているとは限らない。

上記を総括して、Ｎｉ基礎合金、ＦｅＮｉ基礎合金も、ＦｅＣｏＮｉ基礎合金も、超硬合金バインダーとして、工業的汎用が可能であると同時にＫ₁Ｃ、硬度および高温硬さの点でコバルトを基礎とする結合用合金で結合されたそれと同等な超硬合金をもたらすことはないと言える。しかしながら、コバルトによる健康被害ならびに資源保全の点を顧慮すれば、結合用合金ベースとしてのコバルトを、ＦｅＮｉまたはコバルトの比率の低い（できるだけ１０％を下回る）ＦｅＮｉに完全に代えるようにすることが望ましいであろう。とりわけ、結合用合金中およびバインダー基礎合金中の鉄の含有は、水と酸素の存在におけるＷＣとコバルトの接触腐食時に生ずるようなハイパーオキシドラジカルの生成の減少または回避をもたらす。

さらに、超硬合金工業において、超硬合金の粉塵発生環境と結びついて観察される肺線維症の発症の統計的に有意な増加が認められた。この症状は"ハードメタル肺"とも称される。粉末冶金製造工程つまり粉末状の超硬合金組成物のプレスおよび焼結による超硬合金の通例の製造に際し、工程に起因して、吸入性粉塵が放出される。同じく、焼結されたまたは予備焼結された状態の超硬合金に研削加工が施される場合にも、非常に微細な、吸入性粉塵（研削加工粉塵）が発生する。さらに、とりわけ、主としてコバルト含有超硬合金の場合には、予備焼結された超硬合金の研削加工または焼結された超硬合金の研削加工に際しても、急性吸入毒性が発生し得る。したがって、本発明の目的は、労働保護の改善の趣旨により、急性毒性作用の少ない超硬合金つまり焼結複合材料を提供することであった。

さらに、本発明の目的は、高温硬さに関しても、同じく、硬度および破壊靭性に関しても、従来の技術から通例のコバルト基礎合金を有する複合材料と少なくとも同等な超硬合金をもたらす複合材料製造方法を提供することである。

今や、意外なことに、ＮｉリッチのＦｅＮｉ結合用基礎合金による一定の超硬合金は、硬度、高温硬さおよび破壊靭性（Ｋ₁Ｃ）に関して、コバルト結合用基礎合金で結合されたそれと同等であることが見いだされた。これは、一方で、ベースとしての純ニッケルの挙動、他方で、ＦｅＮｉ５０／５０の挙動からは、線形補間によってこうした結果を得ることはできないという限りで、全く予想外である。このことが、おそらく、このようにして結合された超硬合金がこれまで知られてこなかったことの理由であると思われる。

今や、驚くべきことに、上記の従来の技術から生ずる諸問題は本発明によって製造された複合材料によって解決可能であることが見出された。

本発明の対象は、
ａ）少なくとも１の硬質化材料と、
ｂ）以下すなわち
α）ニッケル６６〜９３質量％、
β）鉄７〜３４質量％および
γ）コバルト０〜９質量％
を含んだ結合用基礎合金と
を含有した組成物（この場合、結合用基礎合金の質量割合は足して１００質量％となる）の焼結を含んでなる複合材料製造方法である。

本発明の範囲において、用語"超硬合金"と"焼結された複合材料"とは同義として使用される。

本発明の好ましい実施形態において、結合用基礎合金は、１：２〜１：１３、好ましくは１：２．５〜１：１２、さらに好ましくは１：３〜１：１０、特に１：３〜１：９、特に好ましくは１：４〜１：８、たとえば１：４〜１：７の鉄：ニッケルの質量比を有する。

とりわけ、６６〜９０質量％、好ましくは７０〜９０質量％のニッケルを有する結合用基礎合金によって優れた結果を得られる。
１０〜３４質量％の鉄を有する結合用基礎合金が好適である。とりわけ、結合用基礎合金中の鉄含有量は１０〜３０質量％であるのが好適である。

コバルトが毒性を有するために、結合用基礎合金中のその含有量をできるだけ低く保つのが好ましい。したがって、結合用基礎合金は、８質量％未満、好ましくは５質量％未満、とりわけ１質量％未満のコバルトを含有しているのが好ましい。

特に好ましい実施形態において、結合用基礎合金は基本的にコバルト無含有である。さらに別の好ましい実施形態において、結合用基礎合金は基本的にその他の元素無含有、特に、ニッケルおよび鉄以外のその他の金属無含有である。非金属、たとえば炭素、酸素および窒素は結合用基礎合金中に存在してよく、しかも焼結複合材料中にそれらが含有されていることは望ましくもあり、またそれらは焼結時に全面的または部分的に蒸発し得るために、受け入れ可能である。

本発明の趣旨で基本的に無含有とは、当該元素が、それぞれ結合用基礎合金の総質量を基準として、０．５質量％未満、好ましくは０．１質量％未満、さらに好ましくは０．０８質量％未満、特に０．０２質量％未満、とりわけ０．００１質量％未満、たとえば０．００５質量％未満の量で存在していることを意味している。

本発明による方法のさらに別の好ましい実施形態において、結合用基礎合金は、０．１質量％未満、好ましくは０．０８質量％未満、特に０．０２質量％未満、とりわけ０．０１質量％未満のモリブデンを含有している。

組成物のさらに別の重要な成分は硬質化材料である。本発明の好ましい実施形態において、硬質化材料は、炭化物、窒化物、ホウ化物および炭窒化物からなる群から選択されている。これらは、特に好ましくは、周期系の第４、５または６副族元素のうちの１以上の元素を含有している。これらは、二元硬質化材料、とくに炭化タングステンであっても、三元硬質化材料、たとえばタンタル−ニオブ−混合炭化物、チタン炭窒化物またはタングステン−炭化チタンまたは、四元硬質化材料、たとえばタングステン−チタン−炭窒化物またはタングステン−チタン−ニオブ−炭化タンタルであってもよい。

特に好ましい実施形態において、硬質化材料は、炭化チタン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化モリブデン、タンタル−ニオブ−混合炭化物、チタン炭窒化物、タングステン−炭化チタン、タングステン−チタン炭窒化物および特に炭化タングステンからなる群から選択されている。

好ましい実施形態において、硬質化材料は、硬質化材料の総質量を基準として、少なくとも５０質量％の炭化タングステンを含んでいる。さらに別の好ましい実施形態において、硬質化材料は、硬質化材料の総質量を基準として、少なくとも５０質量％のチタン炭窒化物を含んでいる。

硬質化材料は、好ましくは、粉末状である。有利な実施形態において、粉末は、０．０１〜１５０μｍ、好ましくは０．１〜１００μｍの平均粒子直径を有する。

平均粒径はＡＳＴＭ Ｂ３３０に準拠して決定される。

硬質化材料は、好ましくは、８００ｋｇ／ｍｍ^２、とくに１０００ｋｇ／ｍｍ^２超の硬度を有する（ＩＳＯ ６５０７， Ｔｅｉｌ ２に準拠して測定）。

本発明による方法に使用される組成物は、好ましくは、種々の粉末状成分を含有していてよい。ＦｅＮｉまたはＦｅＣｏＮｉを基礎とするバインダー基礎合金は事前合金化されたまたは溶融体から得られた粉末によって供されてよいが、あるいはまた、金属粉末によって、つまり、たとえば鉄粉末、ニッケル粉末および場合によりコバルト粉末によって供されてもよい。

好ましい実施形態において、硬質化材料および／または結合用基礎合金は粉末状である。特に好ましい実施形態において、結合用基礎合金は合金粉末である。

本発明による方法に使用される組成物は、場合によりさらに、添加剤以外のその他の成分、たとえば金属、たとえば、レニウム、モリブデン、クロムおよびアルミニウムからなる群から選択された金属を含有していてよい。好ましくは、特に、元素としてのタングステンまたは元素としての炭素は、これらが焼結による複合材料の炭素含有量の補正に適しているために、使用可能である。ただしまた、金属間化合物、たとえばＮｉ₃Ａｌまたは焼結時に分解する窒化クロムも、被焼結組成物に加えられてもよい。これらの添加剤は２０質量％まで、好ましくは１０質量％までに達してよく、この質量表示は組成物の総質量を基準としている。

好ましい実施形態において、本発明による方法に使用される組成物は、それぞれ組成物の総質量を基準として、５０質量％〜９７質量％の硬質化材料、さらに好ましくは６０質量％〜９６質量％、とくに７０質量％〜９６質量％の硬質化材料を含んでいる。

さらに別の好ましい実施形態において、組成物は、それぞれ組成物の総質量を基準として、３〜５０質量％の結合用基礎合金、好ましくは４〜４０質量％、特に４〜３０質量％の結合用基礎合金を含有している。

結合用基礎合金、硬質化材料および場合により存在する添加剤からなる総質量は足して１００質量％となる。

焼結は、好ましくは、１０００℃を上回る温度、特に好ましくは１１００℃を上回る温度、特に１１５０℃〜１６００℃の温度にて実施される。好ましくは、焼結は、液相の存在において実施される。結合用基礎合金は、焼結プロセス中、全面的または部分的に液体の形で存在しているのが特に好ましい。

焼結時間は組成物に応じて変化させることが可能である。通例、焼結は、少なくとも５分間、好ましくは少なくとも１０分間行なわれる。焼結温度が高くなれば、完全な圧縮に必要な時間が短縮可能となるために、焼結時間と焼結温度とは互いに関連している。必要な焼結時間および特に焼結温度は、さらに、結合用基礎合金の含有量に大幅に左右される。たとえば、結合用基礎合金の含有量が２０質量％であれば、焼結温度は１２５０℃にまで低下させることができると考えられるが、他方、結合用基礎合金の含有量が５質量％であれば、１４００℃を上回る温度が望ましい。実現可能な焼結時間は、焼結炉を任意の速度で焼結温度に急速加熱したり冷却したりすることはできないために、焼結炉の熱容量に依存している。ただし、非常に短い焼結時間はマイクロ波焼結またはいわゆるＳＰＳ焼結によって実現可能である。

本発明による方法は、好ましい実施形態において、以下のステップすなわち
ａ）上述したように、硬質化材料および結合用基礎合金を含有した組成物の溶剤中分散液を用意するステップと、
ｂ）分散液を粉砕するステップと、
ｃ）分散液の乾燥により粉末を製造するステップと、
ｄ）粉末のプレスによって、または可塑剤を利用して行う粉末の押出しによって圧縮成形体を製造するステップと、
ｅ）成形体ないし押出成形体を焼結するステップと
を含んでいる。

ステップａ）に述べた分散液の用意は、好ましい実施形態において、硬質化材料と結合用基礎合金粉末とを含有した粉末状組成物に溶剤を加えることによって行なわれる。好ましい溶剤は、１ｂａｒ時に、沸点＜２５０℃を有する溶剤である。特に好ましいのは、アルコール、とくに脂肪族アルコール、たとえばエタノール、および水またはそれらの混合物、たとえば水と有機溶剤、とくに水とアルコールとからなる混合物である。また、特に、ケトンおよび炭化水素、たとえばアセトンおよび脂肪族炭化水素、たとえばヘプタンおよびヘキサンからなる群から選択される有機溶剤も好ましい。

ステップａ）で製造された分散液の粉砕は、当業者によく知られた粉砕ツールによって実施することができる。特に好ましくは、分散液の粉砕はボールミルまたは、特に好ましくは超硬合金球を備えた磨砕機にて行なわれる。

上記の分散液は、乾燥ステップ前に、場合により、さらに有機助剤、たとえばワックス、分散助剤、防止剤、接着剤または乳化剤を含んでいてよい。

好ましい実施形態において、ステップｂ）に続いて、分散液の乾燥による粉末の製造が行なわれる。分散液は、たとえば、噴霧乾燥させるまた減圧下で乾燥させることが可能である。この場合、減圧下で容易に分留可能な低沸点溶剤を溶剤として使用するのが有利であることが判明した。

さらに別の好ましい実施形態において、圧粉体または押出成形体を製造するために、ステップｃ）から得られた乾燥粉末が使用される。乾燥粉末の締固めは、好ましくはそれに適した金型で行なわれるかまたは静水圧圧縮成形によって行なわれる。

続いて、ステップｅ）において、圧粉体または押出成形体は焼結される。好ましい実施形態において、焼結は、保護ガス雰囲気の存在においてまたは減圧下で行なわれる。

さらに別の好ましい実施形態において、焼結された複合材料は、別個のまたは工程に組み込まれた再圧縮ステップにて高圧でさらに圧縮される。

さらに別の好ましい実施形態において、締固めおよび焼結は同時に、好ましくは、電場または電流を付加的に使用して行なわれる。これにより、焼結および締固め中の高温が得られる。

本発明の方法によって得られた複合材料は、場合により、その後に、必要な形状に合わせて研磨されるが、その際、金属切削加工用の工具には、ほとんどの場合、化学蒸着技法（ＣＶＤ）または物理蒸着技法（ＰＶＤ）または両者のコンビネーション技法によって、さらにコーティングを施すことが可能である。

本発明のさらなる対象は、本発明の方法によって得られる焼結された複合材料である。

本発明による複合材料は、結合用合金として、Ｆｅ、Ｎｉならびに場合によりＣｏからなる群の１以上の元素を含んでいる。このベース以外に、結合用合金中には、上記の元素とは異なって結合用合金中の当該含有量が自由選択不可であって、その含有量は焼結時の溶解度および平衡発生の結果である元素が含まれている。これらは、特に、Ｗ、ＭｏおよびＣｒであり、ただしまた、より僅少量のその他の炭化物形成金属（たとえば、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ）もそうであり、さらに、特に炭素、ただしまた、非炭化物形成金属、たとえばレニウムおよびルテニウムもそうである。したがって、焼結された超硬合金中に存在する結合用合金は、焼結時に初めて、基礎合金と、超硬合金中になお含有されているその他の成分との平衡発生とから形成される。基礎合金はこうした元素を既に含有していてもよい。ただし、結合用合金の最終的な組成は、焼結およびその後の超硬合金の冷却時に初めて生ずる。

さらに、結合用合金はまた、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃからなる群から選択された１以上の元素を含有していてもよい。これらの元素は、ＦｅＮｉ基礎合金中でも、その他の基礎合金中でも、限定された溶解度を有するにすぎず、それらの含有量は、それらの溶解度が温度に左右されるため、熱力学的安定性に応じた炭化物の溶解度積の原理に基づき、焼結時および冷却時に炭素含有量に付加的に依存して生ずる。したがって、本発明による結合用合金中におけるこれらの元素の総和は、焼結された複合材料の結合用合金の総質量を基準として、一般に３０質量％を下回っている。

好ましい実施形態において、本発明による焼結された複合材料の結合用合金は、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｂ、ＮおよびＣからなる群から選択された１以上の元素を３０質量％まで有している。

上記元素の選択および含有量は、結合用合金の特性に影響を及ぼす。それゆえ、たとえば、Ｗ，ＣｒおよびＭｏは、それらの最大５〜２５質量％のレベルの溶解度によって、高温硬さを高める。したがって、工業的製造現場では、結合用合金中のこれらの元素の含有量をできるだけ高くし、ただし、有害な炭素欠乏相（いわゆるη相）を生じないようにして超硬合金の炭素含有量を低下させることが企図される。Ｃｏ基礎合金を有する超硬合金中の実際に溶解したタングステン含有量は磁気飽和によって決定される。純ＷＣＣｏ超硬合金のＣｏ含有量の磁気飽和が純コバルトの７０％を下回っていれば、η相が形成される。ただし、工業的には、工程安全性の理由から、この限度に対して安全余裕が保たれる。

本発明による焼結された複合材料（超硬合金）は、所期の用途の要件に応じ、研磨およびコーティングが可能である。これらは、さらに、工具ホルダに挿し込み、接合、はんだ付けまたは拡散溶接することが可能である。

本発明による超硬合金は、現今、コバルト、ニッケル、ＣｏＮｉ、ＦｅＮｉまたはＦｅＣｏＮｉを基礎とする結合用合金を有する超硬合金が使用されているすべての用途に使用可能である。

焼結および場合により研磨仕上げ加工または放電仕上げ加工後に得られる超硬合金は、有利には、所定の形状を有する。その形状は、特に好ましくは、縦長であってよく（たとえば、焼結された丸棒からの削り出し）、ただし、特に好ましくは、材料、たとえば金属、石材および複合材料の旋盤加工またはフライス加工用に板状であってもよい。あらゆる場合にあって、超硬合金工具は、窒化物、ホウ化物、酸化物または超硬質層（たとえばダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素）からなる、好ましくは１以上のコーティングを有していてよい。これらのコーティングはＰＶＤ法またはＣＶＤ法またはそれらの組み合わせによってまたは変法によって被着され、被着後に内部応力状態が変化していてもよい。また、その他の任意の形状および用途用の超硬合金部品、たとえば鍛造型、成形型、リーマ、構造部品、カッタ、打ち抜きダイ、ロール、プレスダイ、はんだ付け用五角形ドリルビット、採鉱ビット、コンクリートおよびアスファルトのフライス加工用フライス工具、メカニカルシールも好適であると共に、その他のいずれの任意の形状および用途も好適と考えられる。

少なからぬ用途用に、超硬合金は、また、焼結時に生ずる表面を有していてよく、場合により、続いてコーティングが施されまたは無コーティングで使用することが可能である。

本発明のさらなる対象は、本発明による焼結された複合材料を工具または構造部品に使用することである。特に、本発明による焼結された複合材料は、成形工具または破砕工具に使用可能である。特に好ましい実施形態において、工具は、金属加工材料の切削用または金属加工材料の高温での成形用の工具であり、たとえば、鍛造、線引きまたは圧延用の工具である。

本発明のさらなる対象は、以下すなわち
α）ニッケル６６〜９３質量％、
β）鉄７〜３４質量％および
γ）コバルト０〜９質量％
を含んだ基礎合金を、複合材料または工具の製造に使用することである。

図１は、高温硬さの測定結果を示している。 図２は、実施例４の結果を示している。 図３は、実施例１、４の結果を対比して示している。

本発明を以下の実施例によって詳細に説明するが、ただし、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。

実施例
実施例１（本発明によらない比較実施例）
ＡＳＴＭ Ｂ３３０による粒径０．６μｍの炭化タングステン（タイプＷＣ ＤＳ６０、メーカー：Ｈ．Ｃ． Ｓｔａｒｃｋ ＧｍｂＨ、ドイツ ゴステル）４６０ｇを、一般市販のコバルト粉末（タイプ"ｅｆｐ"、メーカー：Ｕｍｉｃｏｒｅ、ベルギー）４０ｇと共に、９４％エタノール０．５７リットルを満たしたボールミル中で１４時間にわたり６３ＵｐＭ（回転／分）にて混合粉砕した。５ｋｇの超硬合金球が使用された。焼結後に、異なった炭素含有量と共に、超硬合金ないしそれに含有されているコバルトを基礎とする結合用合金の異なった磁気飽和が生ずるように、炭素含有量の異なる２つの試料（"高炭素"ないし"低炭素"）が製造された。

得られた懸濁液から、真空中にて、蒸留によってエタノールを分離し、得られた超硬合金粉末を軸方向に１５０ＭＰａにて圧縮し、１４２０℃で焼結した。板状の超硬合金片を研削、研磨して、その特性を検査した。双方のロットは焼結体として、η相も炭素析出も示さなかった。焼結後の炭素含有量の相違ならびにそれに起因する結合金属合金中のタングステン含有量の相違は、焼結時の物質交換の結果である。したがって、タングステンおよび場合により炭素成分を有する、コバルトを基礎とした結合金属合金が生じている。

第１表

双方の場合、硬度試験機にて、室温硬度をＩＳＯ３８７８に基づくビッカース硬度ＨＶ３０として測定すると共に、８００℃までの選択された温度時の高温硬さを保護ガス下で測定した（図１）。そのため、双方の超硬合金試料を再度焼結した。得られた試料片は、"低炭素"試料の場合、密度１４．７９ｇ／ｃｍ^３、磁気飽和１２７（＋／−１）Ｇｃｍ^３／ｇ（理論的に可能な磁気飽和の７８．５％に相当）を有していた。"高炭素"試料は、平均にて、密度１４．７５（＋／−０．０１）、磁気飽和１３３（＋／−１）（理論的飽和の８２％に相当）を有していた。

破壊靭性Ｋ₁ＣはＳｈｅｔｔｙの式によって決定された：
Ｋ₁Ｃ＝０．００２８×９．８１×（ＨＶ３０／Ｒ）^１／２（ＭＰａ ｍ^１／２）
Ｒ＝亀裂抵抗＝３０／亀裂長の総和（μｍ）×１０００
ＨＶ３０＝荷重３０ｋｇ時のビッカース硬度（ｋｇ／ｍｍ^２）
実施例２（本発明による）
２つの試料は、粒径０．６μｍの炭化タングステン４６１．５ｇならびに、１５質量％のＦｅと８５質量％のＮｉとからなる合金粉末３８．５ｇで構成された結合金属ベースからなっていたことを除き、実施例１と同様に実施した。この超硬合金試料の炭素含有量は、１４４０℃にて６０分間に及ぶ焼結後にη相も炭素析出も生じないようにすべく、ススの添加によって調整された（"低炭素"試料については５．５５％、"高炭素"試料については５．６５％）。焼結後の炭素含有量の相違ならびにそれに起因する結合金属合金中のタングステン含有量の相違は、焼結時の物質交換の結果である。したがって、タングステンおよび場合により炭素成分を有する、質量比１：５．７の鉄とニッケルとを基礎とした結合金属合金が生じている。

１４２０℃にて６０分間に及ぶ焼結を行なった後の金属組織学的検査の結果を以下の第２表に示す：
第２表

室温硬度は実施例１よりも僅かに低いが、これはオーステナイト系基礎合金の低い硬度および高い可塑性に起因している。ただし、破壊靭性は硬度がやや低いことを顧慮しても、実施例１と少なくとも同じレベルにある。焼結体中の炭素含有値の上昇は、磁気飽和の上昇および（グラファイトの密度が低いせいで）密度の低下と相関している。

高温硬さは先に述べたようにして測定された（結果については、図１参照のこと）。そのため、手元の超硬合金試料から新たな焼結体が製造された。この場合、"低炭素"試料によって、密度１４．８１ｇ／ｃｍ^３、磁気飽和５４〜５５Ｇｃｍ^３／ｇが達成された。"高炭素"試料によれば、密度１４．７７〜１４．７９ｇ／ｃｍ^３、磁気飽和７０．５〜７２．５Ｇｃｍ^３／ｇが達成された。η相に対する限界は５１Ｇｃｍ^３／ｇ未満であり、炭素析出に対する限界は約７５Ｇｃｍ^３／ｇである。したがって、焼結片は、η相および炭素析出を生じなかった。それゆえ、双方の焼結ロットは、炭素含有量につき、中領域および高領域にあり、低領域にはなかったが、このことが高い高温硬さを助長したものと考えられよう。

高温硬さの推移を示す図１は、ＦｅＮｉを基礎とする結合用基礎合金を有する本発明の超硬合金は、炭素含有量が中度および高度であっても、コバルトベースで結合されたタイプの超硬合金の高温硬さのレベルにあり、同じ容積比率の結合用基礎合金を有すると共に、炭素ウィンドウの下側半分内にあり、それゆえ、好適な高温硬さを有することを示している。したがって、こうして得られた高温硬さの結果は、結合用基礎合金の性質によって決定されている。

こうした効果は、当初レベルの硬度が実施例１に比較して低くても、現れる旨強調することができる。

また、有利なことに、この結合用基礎合金の場合、以下の特性つまりＫ₁Ｃおよび高温硬さは、超硬合金の炭素含有量に僅かに左右されるにすぎないことも明らかになる。

高温硬さ曲線中の室温硬度は実施例１および２の上記の表から得られるものと一致しないが、それは別の硬度試験機つまり高温硬さ試験機によって測定されたからである。

実施例３（本発明によらない比較実施例）
実施例２と同様に、ＷＣ（粒径０．６μｍ）および結合金属ベースとしての７．５％のＦｅＣｏＮｉ合金粉末（Ａｍｐｅｒｓｉｎｔ［登録商標］ＭＡＰ Ａ６０５０、メーカー；Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ ＧｍｂＨ、ドイツ、組成：Ｆｅ４０％、Ｃｏ２０％、Ｎｉ４０％）から、異なった試料が製造された。結合用基礎合金の容積比率は実施例１と同じである。

こうして得られた、η相も炭素析出も含有していなかった超硬合金は、１６２６〜１６４８のＨＶ３０を有していた。Ｋ₁Ｃ値は、ほとんどの場合、８．５〜８．９ＭＰａ ｍ^１／２であった。ただ、炭素析出領域に対する限界近辺での炭素含有量の高い非常に狭い領域でのみ、Ｋ₁Ｃにつき９．３〜９．５の値が確認された。

高温硬さの点でＦｅＣｏＮｉ基礎合金が劣っていることは、国際公開第２０１０／０４６２２４号（同所、実施例１および図１）により既に公開された。

総じて、ＦｅＣｏＮｉ４０／２０／４０ベース結合による超硬合金は、Ｋ₁Ｃおよび高温硬さの点で、結合用合金ベースとしてのコバルトで結合された超硬合金よりも劣っている。

実施例４（本発明によらない比較実施例）
実施例１と同様に、結合用基礎合金として７．４質量％のＦｅＮｉ５０／５０合金粉末（Ａｍｐｅｒｓｉｎｔ［登録商標］ＭＡＰ Ａ５０００、メーカー：Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ ＧｍｂＨ、ドイツ）を用いて超硬合金を製造した。結合用基礎合金の容積比率は実施例１と同じである。こうして得られた、η相も炭素析出も生じなかった超硬合金は、１６１９〜１６３６のＨＶ３０値を有していた。Ｋ₁Ｃ値は８．３〜８．６ＭＰａ ｍ^１／２であった。図２は、結合用合金の基礎としてコバルトを有する当該超硬合金の高温硬さと同じであることを示している。

したがって、ＦｅＮｉ５０／５０を基礎とする結合用合金を用いた超硬合金は確かに少なくとも同じ高温硬さを有しているが、比較的低いＫ₁Ｃ値を示し、これにより、こうして結合された超硬合金は汎用性を有していない（図３）。たとえば、このバインダー基礎合金を有する超硬合金は金属の旋盤切削加工には使用可能であるが、そのＫ₁Ｃ値が低いために機械的衝撃強度が十分でなく、フライス加工には使用することができない。

実施例５（部分的に本発明による。当該箇所は＊にて表示）
実施例１と同様に、ＦｅＮｉ比（３５／６５〜０／１００）の相違する超硬合金を製造した。すべての場合に、結合用基礎合金の容積比率は実施例１と同じであった。結合用基礎合金中のＦｅ：Ｎｉ比の変化は、実施例４と同じＦｅＮｉ５０／５０（Ｆｅ：Ｎｉ比、１：１）およびＮｉ粉末（メーカー；Ｖａｌｅ−Ｉｎｃｏ、イギリス、タイプ２５５）を所望のＦｅ：Ｎｉ比が生ずると共に実施例１の容積比率が達成される量で使用することによって調整された。試料中の炭素含有量を付加的に変化させることにより、すべての超硬合金が焼結後に炭素析出もη相も生じていないことを確実にした。すべての超硬合金を一緒に、１４２０℃にて６０分間焼結した。

以下の第３表はこうして得られた結果をまとめたものである：
第３表

図２および３は、実施例４の結果ならびに実施例１、４の結果を対比して示したものである。

硬度はニッケル含有量の増加につれてごく僅かに低下するにすぎないが、他方、Ｋ₁Ｃ値はやや上昇し、約６５％Ｎｉ時に、実施例１の比較超硬合金の値に達することが明らかになる。これはその値が１０を越えると比較的大きな相対誤差を生ずる傾向のあるＫ₁Ｃにも当てはまる。Ｋ₁Ｃ値は亀裂長からＳｈｅｔｔｙの式によって計算した。亀裂長が非常に短い場合には、顕微鏡下の亀裂長の読み取りに際して大きな相対誤差が生じ、他方、短い亀裂長は高いＫ₁Ｃ値を結果することから、Ｋ₁Ｃの相対誤差は測定値自体と共に不断に増加するが、このことは図から十分看取することができる。

しかしながら、驚くべきことに、５０％Ｎｉから予想外に高い９０％のＮｉ含有量に至るまで、硬度はほとんど低下しない。硬度の推移は、驚くべきことに、９０％Ｎｉの値に至るまでほぼコンスタントであり、その後急激に低下する。補間法により、実施例１の相対的に低い硬度値から結果する所要の硬度レベルは９３％までのＮｉ含有量時に達成されると推定することができる。

実施例１のＷＣＣｏ超硬合金の特性コンビネーションは約３４／６６（約１：２に相当）〜７／９３（約１：１３に相当）のＦｅ／Ｎｉ比で達成され、それを下回るとＫ₁Ｃは低下し、それを上回ると硬度は非常に激しくかつ大きく低下する。

Claims (7)

1. 下記成分
   ａ）硬質化材料としての炭化タングステンと、
   ｂ）以下
   α）ニッケル７０〜９０質量％、および
   β）鉄１０〜３０質量％
   からなる結合用基礎合金と
   からなる組成物（この場合、前記結合用基礎合金の質量割合は足して１００質量％となる）の焼結を含んでなる複合材料の製造方法。
2. 前記結合用基礎合金は、１：３〜１：９の鉄：ニッケルの質量比を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記結合用基礎合金は合金粉末として存在することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 以下のステップ
   ａ）硬質化材料および結合用基礎合金粉末を含有した組成物の溶剤中分散液を用意するステップと、
   ｂ）前記分散液を粉砕するステップと、
   ｃ）前記分散液の乾燥により粉末を製造するステップと、
   ｄ）前記粉末の圧縮によって圧縮成形体を、または可塑剤を用いた粉末の押出しによって押出成形体を製造するステップと、
   ｅ）前記圧縮成形体あるいは押出成形体を焼結するステップと
   を含んでなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法により得られた複合材料を、工具または構造部品に用いる使用。
6. 前記工具は成形工具または破砕工具であることを特徴とする、請求項５に記載の使用。
7. 前記工具は、金属加工材料の切削用または金属加工材料の高温での成形用の工具であることを特徴とする、請求項５または６に記載の使用。

Images