JPH01301835A - ＷＣ／ＴｉＣ系炭化物富化高速度鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速度鋼合金基質にＷＣ／ＴｉＣ系炭化物を
均一に富化分散させたＷＣ／ＴｉＣ系炭化物富化高速度
鋼の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

高速度鋼基質にＭＣ型炭化物又はＭＮ型窒化物（以下単
にＭＣと略記）を富化し、靭性の低下を可及的に小さく
抑えて硬度を高めようとする試みは従来からある。ＭＣ
の代表はＴｉ、ＶＺｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ等の炭化物、
窒化物及び炭窒化物である。粉末冶金法によれば、富化
自体には困難はない（参考文献特開昭５７−１６４９５
８号公報、特開昭５７−１８１３６７号公報、特開昭５
８−１８１８４８号公報）。

基質自体の改質の試みも数多い。しかしＭＣ富化との関
連で捉えたものは皆無である。

Ｃ発明が解決しようとする問題点〕 ところでこれらＭＣ炭化物富化高速度鋼を具体的な工具
にして耐摩耗性を調べてみると、上記目標は一応達成さ
れてると思われるにも拘わらず、満足な結果に至る事例
は数少ない。従って有用性もこれら事例に限られる。

二つの理由が考えられる。一つは結果物でみたＭＣ粒子
と高速度鋼基質との濡れの不足である。これが律速とな
るときは、ＭＣに期待される物性上の有用性が発揮され
ない侭に終わる。

もう一つはＭＣの物性自体に問題がある場合である。

従来法は処女ＭＣ粉を用いる点で共通し、濡れの不足を
窺わせる。用いるＭＣの物性にも問題なしとしない。そ
こで本発明は、物性の有用性には疑義のないＷＣ／Ｔｉ
Ｃ系ＭＣの再生粉を用いて、虐れの問題点への接近を図
った。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、高速度鋼組成の鉄基合金粉とＭＣ炭化物粉か
ら成る混合組成物成形体を真空中又は不活性雰囲気中で
焼結するＭＣ炭化物富化高速度鋼の製造に於て、ＭＣ炭
化物粉が亜鉛処理法又は高熱処理法によるＷＣ／Ｔｉｃ
系再生粉であることを特徴とする（発明１）。

高速度鋼組成の鉄基合金粉（以下単に基質粉と略記）に
は、以下の再生粉との混合が均質になるべ（充分細かく
且つ固相域で理論密度の約９５％以上に緻密化する焼結
性のよいものを用いる。望ましい基質粉の一つは共還元
粉である（参考文献特公昭５６−９２０２号公報）。こ
れは合金構成金属の酸化物と炭素の混合粉砕物を実質的
に粉状の侭で水素、炭素還元し、同時にスポンジ化を防
ぎ乍ら合金化させてしまうもので、−次粒径は１〜２μ
ｍと細かく、不規則形状のせいもあって、焼結性はよい
。他にカーボニル金属粉を主体にした炭化物との混合物
も目的に適う。アトマイズ粉も細がいものは有用たりう
る。

本発明のＭＣは処女粉ではなく、再生粉である。市販の
ものにあっては、組成を近似する使用済の超硬合金又は
サーメット合金を出発材にするので、再生粉も混合物と
なるが、本発明では主成分がＷＣ単体又はｗｃとＴｉＣ
の固溶体を対象とする。後者は更にＴａＣ，ＮｂＣ。

ＴｊＮ、Ｔ１ＣＮの一種又は二種以上との固溶体を含む
。以上を無下ｉｃの場合を含めＷＣ／ＴｉＣ系炭化物又
は弔にＷＣ／ＴｉＣ，時にはＭＣと略称する。単独富化
時の焼結温度を同じうする二種以上のＭＣの混合物は、
濡れ性に関する限り、単体物と均等である。

再び市販の再生粉についてみると、本発明の再生粉は、
出発材の超硬合金又はサーメット合金にあった結合材を
残したものである。これら結合材はＣｏ、Ｃｏ／Ｎｉ合
金、Ｎｉの−っがら成り、時には少量のＡ／、Ｃｒ、Ｍ
ｏ等を含む。量的には１０％前後である。これらの構造
は、再生処理法に応じて、結合材がＭＣ粒子を完全被覆
してる（亜鉛処理法による）かＭＣ粒子の一部に付着し
てる（高熱処理法による）かに分かれる（参考文献、松
原邦弥太；工業レアメタルＮｏ、７７、　１９８２．　
　ＰｔＯ２〜１１２）。尚、本文では結果物が全てであ
るから、処理法限定を再生粉の構造又は／及び焼結性限
定と同義に用い、出発材等の如何を問わない。

その他の焼結技術に関しては、通常のそれに変らない。

〔作用〕

一例きして、実施例１の条件下でみた処女Ｗ　Ｃ／　Ｔ
　ｉ　Ｃ（５０／　５０％）粉富化成形体は、１３２０
℃以下では焼結（緻密化）しない。この温度は、基質粉
単独でみたときは、液相域になる。

一般には処女ＷＣ／ＴｉＣと基質には濡れが生しにくい
。

対して上記相当組成を含む再生粉富化の成形体は全てこ
れ以下の温度で緻密化する。この差異は結合材の有無か
らくる。特に亜鉛処理粉についてみれば、このことは自
明であって、濡れはＭＣ粒子を被覆する結合材と基質と
のそれになるので、濡れの不足が生じる理由を見出し難
い。事実低い焼結温度で足る（実施例１の合金１）。高
熱処理粉にあっては、焼結温度は高くも低くもありうる
。

〔効果〕

焼結温度の高低は、緻密化に必要な濡れの出現の難易を
表わす尺度にすぎず、その結果生じる結合力としてみた
濡れの大小とは関係があるときもあれば、ないときもあ
る。とまれ結果物の耐摩耗性がよいという事実は、少な
くとも実用上必要な結合力が形成されており、この上に
ＷＣ／ＴｉＣの物性上の有用性が発揮されることを示す
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

耐摩耗性と抗折力の関連は定かでないが、抗折力も材料
評価のもう一つの指標であり、濡れに関係する。特に低
抗折力は望ましくない。高熱処理再生粉使用のときは、
このことが起こりうる。そこで、 〔問題点を解決するための手段〕 発明１のＭＣ炭化物を、高熱処理法による高ＴｉＣモル
分率のＷＣ／ＴｉＣ系再生粉に限定することが、発明２
となる。

〔作用〕

高熱処理粉粒子は、表面の一部にしか結合材を有するに
すぎないから、残りの裸の部分が緻密化に必要な濡れの
出現の難易を実質的に決めることになる。格子歪等の影
響を別にすれば、この点では処女粉に変わらない。いず
れについても、焼結温度とＷＣ／ＴｉＣ粒子のＴｉＣモ
ル分率とには正の相関がみとめられる。このことは、粒
子表面に濡れの出現を妨げる酸化膜が形成され、その厚
さがＴｊＣ濃度に関係するとみれば、理解し易い。−旦
膜が破れてしまえば、焼結温度が高い程強い濡れが形成
される。濡れの出にくさとは裏腹になる。

他方再生粉にあっては、結合材付着部からの濡れの伝播
によっても、濡れは進行する。これと単に膜が破れて形
成される濡れとは重畳し、競合する。焼結温度が高い程
、前者が優位に立ち、同じ温度で処女粉に可能な濡れよ
りも強い濡れを形成する。

〔効果〕

従って再生粉についてみれば、高ＴｉＣモル分率のとき
は、焼結温度が高くなり強い濡れ（高い抗折力）が得ら
れることになる。しかし焼結温度は、基質扮との関わり
があるので、これを特定してはじめて、モル分率の限定
は意味をもつ。共還元基質粉についてみれば、モル分率
０．４以下のときは、抗折力は低い。望ましくは０．６
以上である。

基質粉の必要条件は、発明１の構成で触れたが、此かる
基質粉は概ね単独では低い焼結温度をもち（例として共
還元粉）、結果として再生粉との混合組成物も低い温度
で焼結するものとなる。高い焼結温度となる点では、ア
トマイズ粉が望ましい。現状アトマイズ粉には、逆に上
の必要条件を満たす上で困難があるが、この困難は多分
に経済的なものであり、アトマイズ技術の進歩に解決を
期待しうる。その度合いに応じて、本発明及び次の発明
は、発明１に吸収されていく。

尚モル分率１，０の純ＴｉＣは、物性上の理由から発明
１でも対象外であるが、その焼結挙動も上に述べたとこ
ろと異なる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

発明２に適う高ＴｉＣモル分率粉は、どの程度の抗折力
で良しとするかの基準にも関係する。

一応これが与えられたとして、上記を除く低ＴｉＣモル
分率粉についてみるに、焼結温度さえ上げられれば、抗
折力は高ＴｉＣモル分率粉並になると期待できる。然し
焼結温度は、再生粉の属性であって、我々にとっては、
制御因子ではない。それ以下では焼結せず、以上では再
生粉の焼結体中での分散性が失われる。そこで〔問題点
を解決するための手段〕 発明１のＭＣ炭化物の一部を高ＴｉＣモル分率のＷＣ／
ＴｉＣ系再生粉又はこれと焼結温度を同等とする処女Ｍ
Ｃ粉、残部を高熱処理法による低ＴｉＣモル分率のＷＣ
／ＴｉＣ系再生粉又は亜鉛処理法によるＷＣ／ＴｉＣ系
再生粉とすることが、発明３となる。

〔作用〕

本成形体の焼結温度は、再生粉間の混合比に応じて、同
一富化率でみた高、低ＴｉＣモル分率粉単独富化時の焼
結温度をそれぞれ上限及び下限とする中間値になる。本
発明では可及的にこの中間値を上限側に偏らせる。この
中間温度は、低ＴｉＣモル分率粉単独でみたときは過焼
結温度であるが、高ＴｉＣモル分率粉の存在が凝集を阻
止し、分散性を損わない。この温度利得は、低ＴｉＣモ
ル分率粉にとっては濡れの利得になる。高ＴｉＣモル分
率粉にとっては、本来の焼結温度の低下である。この温
度損失は濡れの損失を窺わせる。しかし事実はそうなら
ない。思うに低ＴｉＣモル分率粉の存在が成形体の収縮
を助けるので、高ＴｉＣモル分率粉が濡れるに至るには
、単独時程の温度を必要としないからである。−旦濡れ
が出はじめれば、その後は発明２の〔作用〕で述べた通
りとなる。

〔効果〕

得られる抗折力は、混合比如何に拘わらず、同一富化率
でみた高ＴｉＣモル分率粉単独時のそれとほぼ同一にな
る。低ＴｉＣモル分率粉については、焼結温度を上げた
ことに同じい。

高ＴｉＣモル分率粉をして、低ＴｉＣモル分率粉の凝集
阻止機能だけで足るとすれば、同等の焼結温度をもつ処
女ＭＣ粉で代替できる。結果物は、処女ＭＣ粉富化だけ
従来ＭＣ富化高速度鋼としての性格をもつことになるが
、少なくとも全量の１／３までには容易に抑えられるの
で、十分有用だりうる。ＭＣには、ＴｉＣとＶＣｌＮｂ
Ｃ，ＴａＣ等との固溶体、ＴｉＮ単独。

ＴｉＮとＶＣ，ＴｉＣ，ＶＮ、ＮｂＮ等との固溶体が適
う。

亜鉛処理粉については、結合材被覆層が完全である限り
、焼結温度を上げる理由を欠く。然し現実の粒子には不
完全なものがあり、抗折力を下げる点では、低ＴｉＣモ
ル分率の高熱処理粉に似る。従って焼結温度を上げる実
益はある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

再生粉の結合材は、焼結に至るまでの及びその結果とし
ての濡れとの係わりでは、組成、多寡を問わない。焼結
後は基質に固溶する。先に述べた市販の高ＴｉＣモル分
率粉は、多分にＮｉ又はＮｉ／Ｃｏ合金を結合材にもち
、このＮｉが基質に固溶して、基質の熱処理挙動に変化
を与える。問題の発端は如上の通りであるが、以下では
Ｎｉが入ってくる経緯ではなく入った結果だけを問題に
する。はじめから基質に入っていても同じだからである
。

Ｎｉの基質に及ぼす影響は、−言で云えばオーステナイ
ト（Ａ）の安定化である。（参考文献Ｒ，Ｆ、　Ｈｅｈ
ｅ　ｖａｎｎ　ａｎｄ＾、　Ｒ，Ｔ＋ｏｉａｎｏ　；　
Ｉ「ｏｎ　ＡｇｅＤｅｃ、　１８．１９５ｇ、　Ｐ９４
〜９６．　Ｄｅｃ、　２５．１９５８．　Ｐ５２〜５６
）。

このため焼鈍軟化が困難になり、結果として硬い材料を
受けとることになる。切削加工を予定する場合には欠点
となる。無Ｎｉ高速度鋼にあっては、鋼種の如何を問わ
ずほぼ一律に適用できる焼鈍条件が妥当しなくなるのも
不便である。

更に焼入性が損われて残留オーステナイト（Ｒ，Ａ、）
が多くなる。これを全てマルテンサイト（Ｍ）化するこ
とは、可能ではあるが困難を伴う。

他方Ｒ，Ａ、は高速度鋼の物性改善に役立ちうる。Ｒ，
Ａ、　　とＭを併存させれば、靭性が高まり、衝撃荷重
に強くなる。Ｒ，Ａ、の分解による新しいＭの生成で古
いＭの劣化を相殺し、焼戻し抵抗の持続を図ることもで
きる。同時にＲ，Ａ、は硬度の犠牲を要求する。

此様にＮｉの作用を単独で捉えたときは、利益はない。

本発明はＭＣ富化との関連で本作用を捉える。そこで 〔問題点を解決するための手段〕 発明１乃至３の結果物の基質がＮｉを含むことが、発明
４となる。

〔効果〕

先ず焼鈍無比の問題は、粉末冶金法では、本質的な問題
ではない。そもそも切削加工の省略を前提とするものだ
からである。

焼鈍無比は熱間工具にあっては望ましい特性である。例
えば実施例１の発明合金５（３，１％Ｎｉ）は、９００
℃オーステナイト化後の通常の焼鈍条件では、ＨＲＣ６
２〜６３以下には鈍らない。

無Ｎｉ時のパーライト変態曲線が低温、長時間側に移動
し、通常の冷却経路はこれと交差しなくなるからである
。Ｍ変態点が常温近傍にあるので、上記硬さの中味はＡ
の固溶硬化と再生ＭＣ粉による分散強化である。熱に弱
いＭに硬さを頼る通常の熱間工具に比較すれば、耐熱性
で優る。

従来の焼入焼戻材でのＭとＲ，Ａ、の併存は、硬度か靭
性かいずれか一方の選択に外ならなかった。本発明では
、硬度の不足は再生ＭＣ粉の富化で補えるので、硬度も
靭性も高くすることができる。

換言すれば、Ｎ１添加と粉末冶金的ＭＣ富化は、効果も
現象も独立であるが、重畳によって前者の弊だけが消失
し後者の効が強められる。

Ｎｉの効果は１％でも現われ、通常は２〜４％で足る。

熱間工具用にはもっと多くてよいと思われる。上限につ
いては定かでないが１０％を越すとは考えにくい。

〔実施例〕

以下本願発明の実施例について説明する。

次の手順で発明合金を作製し、焼結挙動と物性を調べた
。

１００部（重量）の基質粉、Ｘ部の再生粉、及び基質粉
についてみた炭素調整のための炭素（最終目標１．２５
％）を４８時間ボールミルで湿式（シクロヘキサン）混
合粉砕し、次に４％パラフィンを加えて加熱乾燥後１５
０メツシユの篩網を通して調整粉とした。

これを１１／ｃａｒで成形し、脱パラフィンに続いて真
空焼結した（昇温：５℃／分、保持・１時間）。焼結温
度（Ｔｓ：℃）は、焼結密度が９５％以上で、且つ焼結
体中の再生粉の分散性が損われない温度として予め探し
たものである。

次に焼結体に熱間等方圧縮処理（１１５０℃×４０分Ｘ
　１５００気圧）を施して、真密度化した。尚この処理
は通常条件による焼鈍を兼ねている。

焼入れ焼戻しは、基質粉単独でみたときの最適条件（１
２４０℃焼入れ、５６０℃Ｘ９０分×３回焼戻し）を採
用し、全合金に共通とした。

・基質扮 ５Ｋ１１５７相当組成（１０％Ｗ−３，５％Ｍｏ−４％
Ｃｒ　−３，５％Ｖ−１０％Ｃｏ　−１，２５％Ｃ（目
標）−残Ｆｅと不可避不純物）の共還元粉（平均−欠粒
径１．７μｍ、残存酸素０．４７％）。

・再生粉（平均粒径１μｍ前後）　　　　　ゝ組成と再
生処理法を第１表に示す。

結果を第２表に示す。

合金１〜４は発明１でみた結果物である。高熱処理粉に
も、焼結温度でみた緻密化の難易が亜鉛処理粉（合金１
）に劣らないものがある（合金２）。

合金２．　３．　４は発明２に係わる。焼結温度はこの
順に５０〜６０℃づつ高くなる。富化率を異にするが、
これとの関わりは小さい。第１表に於いて、ＴｉＮをＴ
ｉＣに、ＴａＣをＷＣに同値としたＢ、Ｃ，ＤのＴｉＣ
モル分率は手釣０．２．　０．４．　０．７となり、焼
結温度の高低に対応する。合金２．３の富化率を３［Ｉ
　Ｖ／Ｖに想定したとき、合金４との抗折力の隔差は非
常に大きくなる。ばらつきの範囲内で、抗折力の大小も
焼結温度の高低に対応する。合金４が最も望ましい（発
明２）。

合金５．６は、合金４のＤの一部をＢ又はＣで置換した
発明３の結果物である。富化率は合金４にほぼ同じい。

従ってこれら王者は、焼結温度の差異に拘わらず、同等
の抗折力をもつべきであり、事実持つ。

合金４．５．６は発明４の結果物である。

Ｎｉ量はＤ粉に由来するとみたときの値である。

合金４．５の焼鈍硬度は非常に高く、切削加工を寄せつ
けない。尤もこれは通常の焼鈍条件下でみてのことであ
って、特殊な焼鈍条件下では５０台に軟化する。使用条
件とはかけ離れた条件なので、耐熱性とは矛盾しない。

合金６も炉冷では軟化しない。

焼入硬度とＮｉ量には、小さい乍らも明白な相関がある
。これは多量の残留オーステナイトを含んでることを示
すものであって、焼戻し条件を変えれば、ＨＲＣ７３〜
７４（ＨＲＡｌ１８．５〜８９、０）に硬化する。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）高速度鋼組成の鉄基合金粉とＭＣ炭化物粉から成
   る混合組成物成形体を真空中又は不活性雰囲気中で焼結
   するＭＣ炭化物富化高速度鋼の製造に於て、ＭＣ炭化物
   粉が亜鉛処理法又は高熱処理法によるＷＣ／ＴｉＣ系再
   生粉であることを特徴とするＷＣ／ＴｉＣ系炭化物富化
   高速度鋼の製造方法。
2. （２）ＭＣ炭化物粉が高熱処理法による高ＴｉＣモル分
   率のＷＣ／ＴｉＣ系再生粉である請求項１記載のＷＣ／
   ＴｉＣ系炭化物富化高速度鋼の製造方法。
3. （３）ＭＣ炭化物粉の一部が高熱処理法による高ＴｉＣ
   モル分率のＷＣ／ＴｉＣ系再生粉又はこれと焼結温度を
   同等にする処女ＭＣ粉、残部が高熱処理法による低Ｔｉ
   Ｃモル分率のＷＣ／ＴｉＣ系再生粉又は亜鉛処理法によ
   るＷＣ／ＴｉＣ系再生粉である請求項１記載のＷＣ／Ｔ
   ｉＣ系炭化物富化高速度鋼の製造方法。
4. （４）結果物の基質がＮｉを含む請求項１乃至３記載の
   ＷＣ／ＴｉＣ系炭化物富化高速度鋼の製造方法。
5. （５）鉄基合金粉が共還元粉である請求項１乃至４記載
   のＷＣ／ＴｉＣ系炭化物富化高速度鋼の製造方法。