JPH02111823A - 高融点金属結合サーメツトの製造方法 - 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〕 不発明は高融点金属をその結合金属とした硬質合金の製
造方法に関するもので、切削工具。

耐摩工具、ロール、ダイス、金型、ピントその他の硬質
合金を利用する分野等に利用されて有効なものである。

〔従来の技術〕

切削工具、耐摩工具、ロール、ダイス、金型ビット等に
用いる硬質な材料としては超硬合金。

セラミックス、コーティング工具等種々の材料が知られ
ている。

例えば硬質合金の代表でらる超硬合金は、硬質なＷＣ，
ＴｉＣ，ＴａＣ等の炭化物をＦｅ族金属のＣＯで結合し
た合金である。ＣＯに挨えて他のＦｅ族金属であるＮｉ
、Ｆｅ　を結合金属とした合金、さらに硬質相をＴｉＣ
を主としてこれに窒化物を加えた合金もサーメットとし
て知られているが、いずれも結合金属にＦｅ族金属を用
いる点では本質的に同じ範鋳の合金であり、広義の超硬
合金と考えられる。これら広義の超硬合金は、低温での
使用では硬質相の炭化物、窒化物の効果により優れた耐
摩耗性を示すが、１０００℃以上の高温では結合金属の
Ｃｏ、Ｎｉ等が軟化し始め、塑性変形が著しくなるため
工具として使用に耐えなくなる。

これに対し結合金属を排し、炭化物、菫化物又は酸化物
のみで焼結したセラミックスが１）高い耐熱性、ｆＪｆ
摩耗性を示すが靭性の而が信頼性に欠けるため、広く使
用されるには至っていない。

また、超硬合金の結合金属を強化するため例えばＮｉ３
Ａｔ等の金楓間化合物を析出させる方法も提案されてい
るが、これも本質的な解決にはなっていない。

更に、超硬合金を基材として、この表面にＴｉＣ，Ｔｉ
Ｎ、　Ａｔ２０．等のセラミックスの薄膜を被膜したい
わゆるコーティング工具があり耐摩耗性の向上に効果を
示すが、被覆層の厚みが高々数十ミクロンであるため、
耐熱性の面での効果は小さかった。

以上のように超硬合金の耐熱性は結合金属であるＦｅ族
金属により律されると言える。そこで、この結合金属を
高融点金属で置き換えれば耐熱性の向上が図れるはずで
あり、実際そのような試みがなされている。

レリえは特公昭５ｌ−４７ｏ５４号公報には、Ｔｉ−Ｗ
−Ｃ系の共晶点を利用して、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ，−ニーＷ
の合金を２５００℃前後の温度に加熱浴融して鋳造する
、いわゆる溶製法で作成することが提案されている。し
かし低強度、　ＷＡｉ：加工性０組成の制限などの問題
からこの合金は広く使用されるには至らなかった。

また、これと同様の合金を粉末冶金法により製造する試
みも行われているが、結合金属が高融点金属であること
から、焼結已度が低いと敬′ｆＩｆじが進まず、一方焼
結温度を高くすると硬質相の（Ｔｉｅ）自−Ｘが著しい
粒成長を起こすという二律背反がちシ、良好な合金を得
るには困難があった。

これに対し、新しい製造法として加圧自己燃焼焼結法を
応用する試みがある。自己燃焼とは、化合物が生成する
際に放出する生成熱で反応を連鎖的に進め、外部からの
加熱なしで化合物を生成する現象をいい、高い生成熱を
有する化合物の合成法として注目を集めている。加圧自
己燃焼焼結法は、この自己燃焼を加圧下で行なうことに
より、化合物の生成と緻密化を同時に達成しようとする
方法である。

前述の（Ｔｉｅ）　ｃｌ−８−Ｗ合金を例にとって、そ
の代表的工程を説明する。まず、原料のＴｉ、Ｗ。

Ｃの各々の粉末を配合、混合して成型の後、カプセル中
に真空封止する。次にこのカプセルをＴ１　　とＣを等
モル量混合した混合粉中に埋め込み、全体をＨＩＰ装置
に入れ、５００〜１０００℃、１００〜２０００気圧に
保持する。この状態で、周囲に配したＴｉ　−Ｃ混合粉
に強熱着火する。着火されたＴ１　　とＣはＴｉＣとな
る際に１８５ｋＪ／ｍｏ１という生成熱を放出し、この
熱で反応は連続的に進行し、瞬時に６０００℃近い高温
が得られる。カプセル内のＴｉ−Ｗ−Ｃ混合粉において
も、こめ高温に助けられる形で同じ反応が進み温度が上
昇する。また、このＴｉ−Ｗ−Ｃ混合粉はカプセル中に
真空封止されているので、ＨＩＰにより等方的な圧力が
加わることで緻密化が速やかに進む。この手法の特徴は
、高温が容易に得られること、反応が短時間に完了する
ことである。従って、粉末冶金法で問題となる粒成長が
始んどなく、エネルギー的にも有利である。

〔発明が解決しようとする課題〕 加圧自己燃焼焼結法は前記の如く、高融点金属を結合相
とするサーメットの製造法として優れているが、得られ
た焼結体中は耐熱性は向上するものの、機械的強度が劣
化するという問題があった。

本発明はこの問題を解消して、加圧自己燃焼焼結法によ
り耐熱性、靭性、機械的強度の向上した高融点金属結合
サーメットを製造できる方法を提供することを目的とす
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、加圧自己燃焼焼結法で得た焼結体の機械
強度劣化につき鋭意研究の結果、この合金中に数ミクロ
ンから数十ミクロンの空孔が残存しておシ、またとの空
孔は閉孔を形成していることを解明した。本発明はこれ
らの知見に基づくもので、加圧自己燃焼焼結法により得
た焼結体にさらにＨＩＰ処理を施こし、空孔を消滅させ
ることで、完全に緻密化するもので、これにより合金の
強度は飛蘭的に向上することが確認できた。

すなわち本発明は、Ｔ１１５〜４０原子俤、Ｃ１２〜４
５Ｊｊｊ４．子慢ならびに残部がＷ、　Ｔａ、Ｍｏ。

Ｒｅ　　のうちの１種又は２種以上および不可避不純物
からなる高融点金属結合サーメットを製造するに際し、
加圧自己燃焼焼結法によって焼結体を得た後、該焼結体
を温度１５００℃以上２５００℃以下、圧力１００気圧
以上６０００気圧以下の条件でＨＩＰ処理することを特
倣とする高融点金属結合サーメットの製造方法である。

加圧自己燃焼焼結法は、原料粉末を収納する気密容器の
外側に配した金属元素と非金項元素の混合物の一部を加
熱することにより連鎖的に進む反応の反応熱を利用する
ように行なうことが、本発明の特に好ましい実施態様で
ある。

また本発明に係わる高融点金属結合サーメットは、上記
組成のうちのＴ１　の５０％以下をＺｒ。

Ｈｆ、　Ｖ、　ＮｂおよびＣｒのうちの１種又は２種以
上で置換することが可能であり、またＣの５０チ以下を
Ｂ、Ｎ、Ｏのうちの１ｍ又は２種以上で置換することも
可能である。

本発明は原料粉末を組成に応じて配合し、まず１＠加工
又は静水圧加工によシ所定形状に加圧成形した後、ガラ
スカプセル等の缶封答器中に真空封止し、加圧自己燃焼
焼結法により焼結体を得るまでは従来法と同じである。

ここに言う加圧自己燃焼焼結法とは、組成に応じて配合
した原料を気密容器内に挿入した後、加圧雰囲気下で強
熱し、自己燃焼を開始させ、反応合成と焼結機密化を同
時に進行させる焼結法である。

気密容器の材料としては、パイレックスガラス、石英ガ
ラス等のガラス材料の他、ステンレス、ニッケル、白金
等に金属も使用することができる。加圧力は１００〜５
００　ａｔｍの１＆囲内が好ましい。＋　００　ａｔｍ
未満では緻密化が十分進まず、５０　Ｏａｔｍを越えて
も効果は変わらず、圧力容器、加圧機構が大型となシコ
スト上好ましくない。

加圧自己燃焼焼結に際し、原料粉末を収納する気密容器
の外側に配した金属元素と非金属元素の混合物の一部を
加熱することにより、連鎖的に進む反応の反応熱を利用
するように行うことは本発明の特に好ましい実施態様で
ある。この時、外側に配する金属元素と非金属元素の混
合物は、気密容器内の原料に着火するためのものでｂる
から、容器内の原料と同じである必要はなく、Ｔｉ−Ｃ
，Ｔｉ−Ｂ、８１−Ｃ等が用いられる。また、一部を加
熱する方法として、Ｗ線や可撓性黒鉛の板を抵抗加熱で
赤熱する方法が簡便でよく用いられるが、勿論この方法
に限定されるものではない。

〔作　用〕

前記の如く本発明は高融点金蝙結合サーメットを製造す
るに際し、加圧自己燃焼焼結法にて焼結体を得た後、該
焼結体を１５００℃以上２５００℃以下、１００気圧以
上３０００気圧以下の条件でＨＩＰ処理を施こすことで
、完全に緻密化した焼結体を得るものである。

本発明が製造する高融点金槙結合サーメットは、その組
成がＴ１　が１５〜４０原子チ、Ｃが１２〜４５原子斧
で残部がＷ、　Ｔａ、　ＭＯ，Ｒｅ　　の１種又は２種
以上と不可避的不純物からなるものである。Ｔ１　はＣ
と結合して硬質のＴｉＣを形成すると同時に反応生成熱
を出し自己燃焼を進める。Ｔ１　が１５原子う未満では
硬度不足でサーメットの耐摩耗性が劣ると共に、自己燃
焼反応が速かに進行しない。また、４０原子％を越える
と靭性不足になシ好ましくない。Ｃについてもこれと同
様で、１２原子チ未滴ではサーメットの耐摩耗性が劣り
自己燃焼反応の速度が小さくな夛、４５原子喝を越える
と靭性不足をきたすので、１２〜４５ｗ、子チの範囲内
が好ましい。結合相としての高融点金属としては、Ｗ。

Ｔａ、　Ｍｏ、　Ｒｅの１種又／ｉ２種以上であシ、こ
れと不可避的不純物を合せたものが残部（１５〜７５原
子％）である。Ｗ、　Ｔａ、　Ｍｏ、　Ｒｅの１種又は
２種以上は結合金属として合金に靭性を付与するが、上
記限定範囲より少ない場合には靭性が不足し又多すぎる
と耐摩耗性が劣るので好ましくない。

本発明においては、　Ｔｉ　の５０％以下ｊｚＺｒ。

Ｈｆ、　Ｖ、　ＮｂおよびＣｒのうちの１種又は２　ｔ
４Ｊｉ以上で置換することも可能であり、これらの置換
は耐熱性、耐ｒ−ｉ化性の向上に効果がある。

さらに、Ｃの５０％以下をＢ、　Ｎ、　Ｏのうちの１種
又は２種以上で置換することも可能で、これらの置換は
硬質相の粒径を微粒化する効果がある。

本発明の方法は、まず上記の組成になるよう各原料粉末
を混合して力ＩＥ底成形、成形体をガラスカプセル中に
真空封止して、Ｔ１とＣの等モル縫混合粉末中に埋込み
、全体を５００〜１０００℃、１００〜２０００気圧で
ＨＩＰＬ、この状態でＴｉ−Ｃ混合粉に強熱着火させ、
自己燃焼焼結させるまでの工程は従来法と同じである。

前記のようにＴｉ　−Ｃの生成熱による高温によって、
カプセル内の反応も同様に進み自己燃焼焼結するに加え
、ＨＩＰされているので微密化される。短時間の反応な
ので粒成長がない。

以上で得られた焼結体を再度ＨＩＰ処理する点に本発明
の特徴がある。処理条件は温度１５００℃以上２５００
℃以下、圧力１００気圧以上３０００気圧以下が好まし
い。１５００℃未満では完全な＃密化が進まず、２５０
０℃を越えると粒成長が著しくなり、同時に軟化して変
形が大きくなる。特に好ましくは１８００Ｃから２２０
０℃の範囲内であって、この範囲内であれば速やかな緻
密化が期待でき、粒成長も小さい。また、圧力１００気
圧未満では緻密化が進まず、３０００気圧を越えても効
果は変らずコストが高くなるので経訝的でないので好ま
しくない。

〔実施例〕

実施例Ｉ Ｔ１５０原子う、Ｃ５５原子俤、Ｗ３５原子チに配合し
た粉末を湿式ボールミルにより２０時間粉砕混合した。

この原料混合粉末を１５＋ｍ＋φＸ５０ｍ１ｍ＋の円柱
状に圧力１　ｔＯ”７ｃｍ２で加圧成形し、成形体をガ
ラスカプセル中に真空封止した。

このカブセルラＴ１　　とＣとを等モル量混合した粉末
中に埋め込み、全体をＨＩＰ装置内に入れ、温度を７０
０℃に昇温後、Ａｒガスにて１０００気圧に加圧した。

１０００気圧に到達後直ちにガラスカプセルのまわりの
Ｔ１／ｃ′６＃、金粉に通じたＷ線に通電し強熱着火し
た。反応終了後冷却し、ガラスカプセルから焼結体を取
り出した。

次にこの焼結体をＨＩＰｉ置に入れ、２０００Ｃ，２０
００気圧で１時間保持するａｒｐ処理を行ない、本発明
によるサーメットを得た。このサーメットから研削加工
により４　ｍｓ　Ｘ　８　ｍ　Ｘ３０曝の抗折試験片を
作製して、抗折試験を行ない、さらにロックウェル硬さ
を測定した。

比較のために同一組成で加熱自己燃焼焼結工程のみを行
なって得たサーメット（比較品Ａ）と、やはり同一組成
で溶製法により作製したサーメット（比較品Ｂ）につい
ても、同様にサンプルを得て性能評価した。結果を表１
に示す。

これよシ本発明によれば高融点金属結合サーメットの抵
折力が飛躍的に向上し、硬度も優れることがわかる。

表 実スイｒｔｙリ　２ 実施例１に準じ表２に示す組成のサーメットを実施例２
として試作した（Ｎｏ、１〜１Ｂ）。

各サーメットのＨＩＰ処理粂件及びその特性を表６に示
す。′！た、試作したサーメットでＪＩＳＳＮＧＮ１２
０４０Ｂの切削チップを作與し、これを用いて下記にテ
スト１，２に挙げる条件で切削試験を行った。この殖来
も表３に示す。

テスト１ 被削材；インコネル７１８、切削速度；６０ｍ　／　ｍ
ｉｎ　、切込み：１．５ｍ、送す：ＣＬ５６ｍ／ｒｅｖ
　、時間：１０分間、切削後の逃げ面摩耗（Ｖｓ　）で
評価した。

テスト２ 被削材：８０Ｍ４４０、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
切込み；２諷、送り；α５　ｍ／　ｒ８Ｎ／　、時間；
１分間、２０コーナーでテストし、欠損したコーナーの
数で評価した。

さらに、本発明から外れる組成の比較品（ＮＯ６１９〜
２２）及び本発明から外れる製造性による比較品（Ｎｏ
、　＋　９〜２６）とこれらを用いた切削チップも試作
した。これらについても実施例２の場合と同様に表２及
び表３に併せて示す。

得られた結果から本発明の優れていることが明らかに理
解できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は非常に緻密で耐熱性、耐
摩耗性に優れかつ高靭性の高融点金Ｖ４結合サーメット
が製造できるので、重切削工具、超高速切削工具等とし
て、有用な工具材料を提供することができる。また、本
発明は構造材料の製造方法としても有効な方法である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｔｉ１５〜４０原子％、Ｃ１２〜４５原子％なら
   びに残部がＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｅのうちの１種又は２種
   以上および不可避不純物からなる高融点金属結合サーメ
   ットを製造するに際し、加圧自己燃焼焼結法によつて焼
   結体を得た後、該焼結体を温度１５００℃以上２５００
   ℃以下、圧力１００気圧以上３０００気圧以下の条件で
   ＨＩＰ処理することを特徴とする高融点金属結合サーメ
   ットの製造方法。
2. （２）加圧自己燃焼焼結法は、原料粉末を収納する気密
   容器の外側に配した金属元素と非金属元素の混合物の一
   部を加熱することにより連鎖的に進む反応の反応熱を利
   用するように行なうことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の高融点金属結合サーメットの製造方法。
3. （３）Ｔｉの５０％以下をＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂおよび
   Ｃｒのうちの１種又は２種以上で置換したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の高融点金
   属結合サーメットの製造方法。
4. （４）Ｃの５０％以下をＢ、Ｎ、Ｏのうちの１種又は２
   種以上で置換することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第５項のいずれかに記載の高融点金属結合サーメ
   ットの製造方法。