JPH0215622B2

JPH0215622B2 -

Info

Publication number: JPH0215622B2
Application number: JP60033904A
Authority: JP
Inventors: Yasuro Taniguchi; Hisashi Sasaki; Mitsuo Ueki; Keiichi Kobori
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1985-02-22
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1990-04-12
Also published as: JPS61194131A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、切削用工具、耐摩耗用工具及び耐衝
撃用工具に適する被覆焼結合金の製造方法に係
り、具体的には焼結合金の表面に表面層を作製
し、この表面層の表面に被覆層を形成することに
より耐摩耗性は勿論のこと耐塑性変形性、耐欠損
性を向上させた高靭性被覆焼結合金の製造方法に
関する。（従来の技術）従来、炭化タングステン基焼結合金の表面に周
期律表4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、酸
化物、ホウ化物、ケイ化物、硫化物及びこれらの
相互固溶体並びにアルミニウムの酸化物、窒化
物、酸窒化物の中の少なくとも１種の単層又は２
種以上からなる多重層の被覆層を形成してなる被
覆焼結合金は多数提案され、その一部は広く実用
されている。これらの被覆焼結合金は、被覆層が
耐摩耗性の向上にすぐれた効果を発揮するもの
の、焼結合金自体のもつ靭性を低下させる傾向に
ある。そこで被覆層と焼結合金のそれぞれを追究
することによつて被覆焼結合金の寿命向上を目的
とする試みが行なわれている。（発明が解決しようとする問題点）被覆焼結合金の耐欠損性を高めて寿命を向上さ
せる１つの方法として、焼結合金表面部の靭性を
高める方法がある。その方法としては、例えば焼
結合金の表面にCoなどの金属をメツキする方法、
又は焼結合金中に含有しているFe、Co、Niなど
をその表面部にしみ出させる方法、更には焼結合
金を液相が発生する温度以上に加熱して、その表
面を浸炭させる方法などがある。しかしながらこ
れらの方法では、表面部が単に軟質な層からなる
焼結合金になつているだけである。この軟質な層
の表面に被覆層を形成した被覆焼結合金は、靭性
が向上し、耐欠損性がすぐれているけれども負荷
が作用すると焼結合金表面部の軟質な層に塑性変
形が生じ易くなるために、例えば切削用工具とし
て使用すると重負荷の加わるような切削領域又は
高温状態になるような切削領域では刃先が変形し
て短寿命になるという問題がある。本発明は、上記のような従来の製造方法により
得る被覆焼結合金の問題点を解決したもので、具
体的には焼結合金の表面部が軟質な層と硬質な層
とを交互に形成した表面層で、しかも軟質な層と
硬質な層が焼結合金の表面に対し平行に配置した
表面層として存在させ、この表面層の表面に被覆
層を形成させる高靭性被覆焼結合金の製造方法の
提供を目的とする。（問題点を解決するための手段） Gurlad（Ｊ・Metals（1954）、285）によると、
WC−Co焼結合金は、合金炭素量によつて液相出
現温度が異なり、第１図に示すように低炭素合金
の方が高炭素合金に比べて約60℃高く、固相線
ABは略直線的に変化することを明らかにしてい
る。このことは、同一温度下であつても合金炭素
量によつて焼結合金の結合剤であるCoが液相(L)、
固相＋液相（β＋Ｌ）、固相（β）と変りうるこ
とを示している。そこで本発明者らは、焼結合金における高炭素
合金側で結合相が液相又は固相＋液相となる温度
以上で、かつ低炭素合金側で結合相が固相である
温度、例えば第２図に示した斜線部分の温度にお
いて、高炭素合金側で焼結合金の表面部のみを脱
炭すると、焼結合金の内部は液相状態にもかかわ
らず焼結合金の表面部は全て固相になるという考
えのもとに追究した。その結果、焼結合金の表面
部は凝固収縮により合金の内部に対して圧縮応力
を作用させ、そのために焼結合金内部の液相は合
金の表面部に向つて移動して合金表面部では結合
相が富化される。このとき、焼結合金の表面部を
脱炭することによつて移動した液相状態の結合相
は直ちに固相になる。このような過程を繰り返す
ことによつて焼結合金の表面部は、結合相が富化
され、しかも合金の内部に比べて軟質な層と硬質
な層が合金の表面に対して平行に作製されること
を究明することによつて本発明を完成するに至つ
たものである。すなわち、本発明の高靭性被覆焼結合金の製造
方法は、炭化タングステンと周期律表4a、5a、
6a族金属の炭化物、窒化物もしくはこれらの相
互固溶体の中の少なくとも１種とでなる金属化合
物粉末とFe、Co、Niの中の少なくとも１種の金
属粉末との混合粉末を圧粉体又は成形体にし、次
いで真空又は非酸化性ガス雰囲気中で無加圧もし
くは加圧しながら昇温して表面層を有する焼結合
金を作製し、該表面層を有する焼結合金の表面に
被覆層を形成してなる被覆焼結合金の製造方法に
おいて、前記表面層は、焼結合金に液相が生じ、
かつ焼結合金の低炭素領域及び／又は低窒素領域
では固相となる温度領域内で焼結合金の表面部の
みを脱炭及び／又は脱窒させることによつて焼結
合金内部よりも軟質な層と硬質な層とを交互に積
層させたことを特徴とするものである。このよう
な本発明の高靭性被覆焼結合金の製造方法におけ
る出発原料は、従来から使用されている市販の粉
末が使用でき、特に出発原料中の炭素量及び／又
は窒素量は焼結合金としたときに炭素及び／又は
窒素の不足によつてη相（W₃Co₃）Ｃなどの第３
相が生じない、例えば高炭素及び／又は高窒素領
域側に調節した粉末を使用することが望ましい
が、特に脱炭及び／又は脱窒処理後に少なくとも
合金表面部に遊離炭素が生じないような炭素量及
び／又は窒素量である方が得られる焼結合金の強
度上から一層望ましいものである。また、出発原
料中の炭素量及び／又は窒素量の不足によつてη
相などの第３相が生じる領域もしくは炭素量及
び／又は窒素量が不足傾向であるけれどもη相な
どの第３相が生じない低炭素及び／又は低窒素領
域側にある出発原料粉末を使用する場合は、出発
原料粉末の配合時に炭素を添加したり、又は焼結
時に水素とメタン、窒素、アンモニア、ヒドラジ
ンなどのガスにより浸炭及び／又は窒化処理を施
すことによつて本発明の高靭性被覆焼結合金の製
造方法として使用することもできる。このような
出発原料粉末の混合粉砕は、ステンレス製容器又
はステンレスに超硬合金を内張りした容器を使用
して、スチールボール、超硬合金製ボールもしく
は不純物の混入を防ぐために表面被覆したボール
と共に乾式で混合粉砕したり、あるいはヘキサ
ン、アルコール、ベンゼン、アセトンなどの有機
溶剤を容器に加えて湿式で混合粉砕する。こうし
て混合粉砕した粉末は、カーボン又は黒鉛製の焼
結用モールドに詰めて、真空又は非酸化性ガス雰
囲気中でそのまま圧粉体として直接ホツトプレス
による高周波加圧焼結もしくは非酸化性雰囲気ガ
ス、例えばAr雰囲気ガスによる加圧焼結によつ
て焼結したり、混合粉砕した粉末を金型成形、押
出し成形、スリツプキヤステイングによる成形又
はラバープレスなどで液圧成形した成形体を必要
に応じて焼結温度よりも低い温度で予備焼結及び
機械加工した後真空中又は非酸化性ガス雰囲気中
で無加圧焼結（普通焼結）、減圧ガス焼結、加圧
ガス焼結もしくは機械や油圧加圧しながら焼結す
ることができる。また、このような方法で１度焼
結したものを熱間静水圧加圧（HIP）処理を行な
つて焼結合金の緻密化の促進及び強度の向上を計
ることもできる。焼結温度は、出発原料粉末の種
類又は配合成分もしくは前述した製造条件によつ
ても異なるが1300℃〜1500℃で相対密度100％近
傍の緻密な焼結合金が得られる。焼結後、必要な
らば焼結合金表面を研摩加工してから反応炉内に
セツトし、次いで反応炉内を真空に保持しながら
焼結合金に液相が生じ、かつ焼結合金の低炭素及
び／又は低窒素側では固相となる温度領域内、こ
の温度領域内は焼結合金の組成によつて異なるが
特に1290℃〜1360℃が望ましく、この温度領域内
で炉内にH₂＋H₂O、H₂＋CO＋CO₂などの脱炭性
のガスを導入するか、あるいは高真空に保持する
と、焼結合金の表面は脱炭又は脱窒処理されて固
相となり、前述の様な機構によつて焼結合金の表
面には焼結合金の内部に比べて結合相を富んだ軟
質な層と炭化タングステンと周期律表4a、5a、
6a族金属の炭化物、窒化物もしくはこれらの相
互固溶体の中の少なくとも１種とでなる金属化合
物に富んだ硬質な層とが交互に積層した表面層が
作製される。例えばWC−Co系焼結合金の場合
は、焼結合金内部に比べてCoに富んだ軟質な層
とWCに富んだ硬質な層からなり、WC−（WC／
TiC／TaC）固溶体−Co系焼結合金の場合は、
焼結合金内部に比べてCoに富んだ軟質な層とWC
及び／又は（WC／TiC／TaC）固溶体に富んだ
硬質な層が作成される。このとき作製される表面
層は、焼結合金の炭素量及び／又は窒素量又は脱
炭、脱窒性雰囲気のガス質及び流量もしくは脱炭
及び／又は脱窒処理温度と処理時間などによつて
調整することができ、特に軟質な層の厚み及び組
織形態の調整ができる。例えば、焼結合金の炭素
量及び／又は窒素量は、焼結合金の表面部と内部
とでその差が大きいほど軟質な層が明瞭となり、
炭素量及び／又は窒素量の差が小さいと軟質な層
が不明瞭で連続的な組織形態となる。また、脱炭
及び／又は脱窒処理温度は、その温度から徐冷す
ると軟質な層の生成がより顕著となる。脱炭処理
については、前述の雰囲気ガスによる方法の他に
焼結後の焼結合金をアルミナなどの脱炭力のある
粉末中に埋めて加熱する方法によつてもよい。焼
結合金の表面を脱炭及び／又は脱窒処理すると、
その処理条件によつては焼結合金の表面層の特に
表面には有害なη相などが生じることがあるが、
この場合は、焼結合金に液相が生じる温度以下で
真空焼鈍するか、又は浸炭及び／又は窒化処理す
ることによつてη相を分解し健全な組織にするこ
ともできる。このようにして得た表面層を有する焼結合金の
表面に従来の化学蒸着法（CVD）又はイオンプ
レーテイング、スパツタリングなどの物理蒸着法
（PVD）によつて周期律表4a、5a、6a族金属の炭
化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、硫
化物及びこれらの相互固溶体並びにアルミニウム
の酸化物、窒化物、酸窒化物の中の少なくとも１
種の単層又は２種以上からなる多重層の被覆層を
形成することができる。焼結合金の表面に生じた
η相の分解は、被覆層の形成工程中に行なうこと
もできる。（作用）本発明の高靭性被覆焼結合金の製造方法は、従
来の粉末冶金における焼結合金の製造方法の内、
焼結工程をそのまま連続して脱炭及び／又は脱窒
処理工程を行なつたり、又必要ならば従来の被覆
層形成工程の前処理として焼鈍又は浸炭及び／又
は窒化処理を行なつて、次にそのまま連続して被
覆層の形成工程にすることもできるという簡易な
製造方法である。また、本発明の製造方法によつ
て得る被覆焼結合金は、軟質な層と硬質な層とが
交互に積層した状態に作製した表面層の表面に耐
摩耗性のすぐれた被覆層を形成したもので表面層
が被覆焼結合金の靭性を高めて耐欠損性の効果を
発揮すると共に耐塑性変形性に対してもすぐれた
効果を発揮するものである。このために耐食性及
び耐摩耗性にすぐれた被覆層自体の特性を充分に
発揮することができるものである。（実施例）実施例１市販の平均粒径0.7μｍ〜3.0μｍの各種出発原料
粉末を使用して、炭素量が化学量論値よりも0.15
％高い高炭素領域である86％WC−３％TiC−６
％TaC−５％Co（重量％）組成に配合し、これを
湿式ボールミル混合乾燥後JIS規格のTNMN332
形状が焼上がるように成形し、この成形体を1400
℃で１時間、５×10^-2Torrの真空中で焼結した。
次いで焼結合金を1330℃で10分間真空中で保持し
ながら炉内にH₂＋CO₂（１：１）の混合ガスを導
入して２分間脱炭処理した。そして再度真空とし
た後1250℃で２時間焼鈍を行なつた。焼鈍後の焼
結合金の表面には、約40μｍ深さに軟質な層と硬
質な層とからなる表面層が作製されていた。この
表面層を有する焼結合金の表面にCVDによつて
TiC層を5μｍ被覆して得た本発明の製造方法によ
る試料Ａ。比較として、試料Ａと同一出発原料粉末を用い
て脱炭ガス導入工程を除き他は全く試料Ａと同様
の熱履歴を与えた焼結合金の表面にCVDによつ
てTiC層を5μｍ被覆して得た比較試料Ｂ。この比
較試料Ｂの焼結合金は、表面層が存在してなく遊
離カーボンの析出がみられるものであつた。ま
た、試料Ａと同様の出発原料粉末を用いて、炭素
量のみ化学量論値である同一組成のものを配合、
成形したものを1400℃で１時間、５×10^-2Torr
の真空中で焼結した焼結合金の表面にCVDによ
つてTiC層を5μｍ被覆して得た比較試料Ｃ。この
比較試料Ｃの焼結合金は、表面層が存在していな
いものであつた。こうして得た試料Ａ、Ｂ、Ｃを使用して下記に
示す条件で外周旋削による切削試験を行ない、第
１表に示す結果を得た。 (a) 耐欠損性試験（乾式切削）被削材 S48C（H_B260）等間隔４本スロツト入切削速度 100ｍ／min 切込み量 1.5mm 送り速度 0.24mm／rev (b) 耐塑性変形性試験（乾式切削）被削材 SNCM439（H_B290）切削速度 150ｍ／min 切込み量 1.5mm 送り速度 0.4mm／rev 切削時間 3min

【表】実施例２市販の平均粒径0.7μｍ〜7.0μｍの各種出発原料
粉末を使用して、炭素量が化学量論値よりも0.25
％高い高炭素領域である85％WC−４％TiCN−
６％TaC−５％Co（重量％）組成に配合し、これ
を実施例１と同様にして焼結し、この焼結合金を
1340℃で５分間５×10^-6Torrの高真空中で保持
して脱窒処理した。次いで、実施例１と同様に焼
鈍した後CVDによりTiCNを5μｍ被覆した。こ
の工程中における焼結後の焼結合金表面は、遊離
炭素が生じていた。また、脱窒処理後の焼結合金
の表面は、3μｍ深さのη相を有する最表面と軟
質な層及び硬質な層からなる30μｍ深さの表面層
が存在していた。さらに、焼鈍後の焼結合金表面
は、η相がなくなり、軟質な層と硬質な層からな
る33μｍ深さの表面層が存在したものであつた。（発明の効果）以上の結果、本発明の高靭性被覆焼結合金の製
造方法は、被覆層自体の有する耐摩耗性及び耐食
性は勿論のこと耐欠損性及び耐塑性変形性にすぐ
れた被覆焼結合金が簡易に得られることから従来
から使用されている被覆焼結合金の製造方法から
更に耐衝撃性を必要とするような切削用工具、例
えばフライス切削用工具、ドリル、リーマ、エン
ドミルなどの回転用切削工具から耐摩耗用工具、
例えばスリツタ、金型工具など、従来の旋削用切
削工具やメカニカルシール、ノズル、バルブ、ゲ
ージなどの耐摩耗用工具よりも更に広い用途向け
の被覆焼結合金の製造方法として利用できる産業
上有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Gurlandが示したＷ−Co−Ｃ三元状
態図断面。第２図は、第１図に従つて高炭素合金
側と低炭素合金側によつて生じる液相と固相との
関係を示す温度範囲の１例。

Claims

【特許請求の範囲】１炭化タングステンと周期律表4a、5a、6a族
金属の炭化物、窒化物もしくはこれらの相互固溶
体の中の少なくとも１種とでなる金属化合物粉末
とFe、Co、Niの中の少なくとも１種の金属粉末
との混合粉末を圧粉体又は成形体にし、次いで真
空又は非酸化性ガス雰囲気中で無加圧もしくは加
圧しながら昇温して表面層を有する焼結合金を作
製し、該表面層を有する焼結合金の表面に被覆層
を形成してなる被覆焼結合金の製造方法におい
て、前記表面層は、焼結合金に液相が生じ、かつ
焼結合金の低炭素領域及び／又は低窒素領域では
固相となる温度領域内で焼結合金の表面部のみを
脱炭及び／又は脱窒させることによつて焼結合金
内部よりも軟質な層と硬質な層とを交互に積層さ
せたことを特徴とする高靭性被覆焼結合金の製造
方法。２上記温度領域内が1290℃〜1360℃であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高靭性
被覆焼結合金の製造方法。