JPH03202404A - Combined hard alloy material - Google Patents

Combined hard alloy material

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JPH03202404A
JPH03202404A JP1339985A JP33998589A JPH03202404A JP H03202404 A JPH03202404 A JP H03202404A JP 1339985 A JP1339985 A JP 1339985A JP 33998589 A JP33998589 A JP 33998589A JP H03202404 A JPH03202404 A JP H03202404A
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Yasuhiro Shimizu
靖弘 清水
Toshio Nomura
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Abstract

PURPOSE:To drastically improve wear resistance while keeping excellent toughness by manufacturing a combined hard alloy material composed of sintered hard alloy in the center part and sintered alloy steel on the outer circumferential part under the specific condition. CONSTITUTION:The sintered hard alloy in the center part has composition composed of 50-95vol% one or more kinds of carbide, nitride, carbo-nitride of IVa, Va, VIa group elements in the periodical table and the balance of iron group metal with inevitable impurities. Further, the sintered alloy steel on the outer circumferential part is constituted of dispersing 15-60vol% first hard phase of TiN particles having <=0.3mum particle diameter and 1-10vol% second hard phase of TiN particles having 1-3mum particle diameter into 30-84vol% alloy steel of bonding phase. Then, this alloy steel is composed of wt.% of 2.5-4.5% Cr, 1.5-5.0% Mo, 2.0-6.0% W, 0.3-1.2% C, 1.5-15% Co, <=0.5% Mn, <=0.5% Si and the balance of Fe with inevitable impurities, and the intermediate part between the center part and outer circumferential part, has the composition, which is varied continuously or stepwise from the composition in the center part to the composition on the outer circumferential part.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、切削工具等の材料として用いられる複合硬
質合金材に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to a composite hard alloy material used as a material for cutting tools and the like.

[従来の技術] 切削工具等の材料として最も一般的には高速度工具鋼ま
たは超硬合金が用いられている。
[Prior Art] High-speed tool steel or cemented carbide is most commonly used as a material for cutting tools and the like.

高速度工具鋼は、主としてCr、Mo、WSV。High-speed tool steels are mainly Cr, Mo, and WSV.

CoおよびCを合金成分として含有し、Feをマトリッ
クスとする合金鋼である。高速度工具鋼においては、各
合金成分を調整することにより、工具材料に適した特性
を調整すると同時に、熱処理によってもその特性を変化
させることができる。
It is an alloy steel containing Co and C as alloy components and having Fe as a matrix. In high-speed tool steel, by adjusting each alloy component, properties suitable for the tool material can be adjusted, and at the same time, the properties can be changed by heat treatment.

−船釣に高速度工具鋼は優れた靭性を有するため、高い
信頼性が要求される切削工具の材料として用いられてい
る。高速度工具鋼の製造方法としては、溶解鋳造法や、
アトマイズ粉を熱間静水圧プレス処理(HIP、Hot
  1sostattc  pressing)等によ
って固める粉末冶金法が広く用いられている。
- High-speed tool steel for boat fishing has excellent toughness and is therefore used as a material for cutting tools that require high reliability. Manufacturing methods for high-speed tool steel include melt casting,
The atomized powder is subjected to hot isostatic pressing (HIP, Hot
Powder metallurgy methods are widely used, in which the powder is solidified by methods such as 1sostat pressing.

また、上記のように靭性に優れた高速度工具鋼に耐摩耗
性を付加するために、炭化物や窒化物の量を増加させる
方法が提案されている。たとえば、特開昭55−583
50号公報、特開昭58−181848号公報には、高
速度工具鋼粉末と炭化物、窒化物等の粉末とを混合して
焼結する方法が、マトリックス中に炭化物や窒化物の量
を増加させる方法として提案されている。さらに、特公
昭60−18742号公報には、高速度工具鋼のマトリ
ックス中に極めて微細なTiN粒子を分散させた材料が
提案されている。特開昭60−2648号公報、特開昭
61−179845号公報には、マトリックス中に極め
て微細なTiN粒子が分散させられた高速度工具鋼と、
高速度工具鋼等の合金鋼とが複合された工具材料が提案
されている。
Furthermore, in order to add wear resistance to high-speed tool steel which has excellent toughness as described above, a method has been proposed in which the amount of carbides and nitrides is increased. For example, JP-A-55-583
No. 50 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 58-181848 disclose a method of mixing and sintering high-speed tool steel powder with powders such as carbides and nitrides to increase the amount of carbides and nitrides in the matrix. has been proposed as a method to do so. Furthermore, Japanese Patent Publication No. 60-18742 proposes a material in which extremely fine TiN particles are dispersed in a matrix of high-speed tool steel. JP-A-60-2648 and JP-A-61-179845 disclose a high-speed tool steel in which extremely fine TiN particles are dispersed in a matrix;
Tool materials composited with alloy steels such as high-speed tool steels have been proposed.

一方、超硬合金は、WC,TtC,TaC,Nbc等の
炭化物をCo′pNiをベースとして焼結した合金であ
る。この超硬合金は、靭性という面では高速度工具鋼に
劣るが、高摩耗性に優れているため、高速切削において
その特徴を発揮する工具材料となる。超硬合金も、その
組成によって工具材料として適した特性を調整すること
ができるが、さらにその硬質相の粒径を適宜変えること
によってもその特性を調整することができる。なお、超
硬合金は、原材料としての粉末を混合、プレス、焼結す
る一連の工程からなる粉末冶金的な手法によって製造さ
れ得る。
On the other hand, cemented carbide is an alloy obtained by sintering carbides such as WC, TtC, TaC, and Nbc using Co'pNi as a base. Although this cemented carbide is inferior to high-speed tool steel in terms of toughness, it has excellent high abrasion resistance, making it a tool material that exhibits its characteristics in high-speed cutting. The properties of cemented carbide suitable for use as a tool material can be adjusted by changing its composition, but the properties can also be adjusted by appropriately changing the grain size of its hard phase. Note that cemented carbide can be manufactured by a powder metallurgy method consisting of a series of steps of mixing, pressing, and sintering powder as a raw material.

[発明が解決しようとする課題] 上述のように、高速度工具鋼は靭性に優れるものの、耐
摩耗性が不十分であるため、高速切削に適した工具用材
料として用いることは困難である。
[Problems to be Solved by the Invention] As described above, although high-speed tool steel has excellent toughness, it has insufficient wear resistance, so it is difficult to use it as a tool material suitable for high-speed cutting.

高速度工具鋼の耐摩耗性を向上させるためには、合金成
分を増し、マトリックス中の炭化物の量を増加させるこ
とが通常の手法として用いられる。
In order to improve the wear resistance of high speed tool steels, increasing the alloying content and increasing the amount of carbides in the matrix are commonly used.

しかしながら、高速度工具鋼の特徴である優れた靭性を
維持したままで、耐摩耗性の向上を達成することは容易
ではない。
However, it is not easy to achieve improved wear resistance while maintaining the excellent toughness that characterizes high-speed tool steel.

すなわち、合金成分を増加させることにより高速度工具
鋼中の炭化物の量は増加し、耐摩耗性は上昇する反面、
靭性の急速な低下が起こる。特に、溶解鋳造法によって
製造される場合には、高速度工具鋼中における炭化物の
体積はたかだか15体積%程度であり、これを越える量
の炭化物をマトリックス中に含有させると、工具として
実用可能な靭性を得ることができない。また、粉末冶金
法によって炭化物の量を多少増加させることができるが
、それでも増加させ得る炭化物の量はたかだか30体積
%程度までである。
In other words, by increasing the alloy components, the amount of carbides in high-speed tool steel increases, and the wear resistance increases, but on the other hand,
A rapid decrease in toughness occurs. In particular, when manufactured by the melt casting method, the volume of carbides in high-speed tool steel is at most about 15% by volume, and if more than this amount of carbides is included in the matrix, it cannot be used as a practical tool. Unable to obtain toughness. Further, although the amount of carbides can be increased to some extent by powder metallurgy, the amount of carbides that can be increased is about 30% by volume at most.

高速度工具鋼粉末に炭化物、窒化物等の粉末を混合し、
焼結する方法によれば、理論上は任意の量の炭化物、窒
化物を含有させることは可能となる。ところが、この場
合においても硬質相を増加させるにつれて靭性の低下が
起きることは不可避である。−膜内に、粒径が数μの粉
末を用いて混合し、圧縮成形後、焼結すると、これらの
炭化物、窒化物等の硬質セラミックスの量が増えるにつ
れて高速度工具鋼の粉末の粒界に炭化物、窒化物が網目
状に集合してしまう。このように、炭化物、窒化物が集
合してしまうと、靭性の低下は許容できない程度になる
。この対策として、炭化物、窒化物をサブミクロンオー
ダの超微粒にすることも考えられる。しかしながら、こ
のような超微粒子は凝集しやすく、均一に分散させるこ
とは容易ではない。そのため、所望の特性を有するよう
に、炭化物、窒化物が分散させられた高速度工具鋼の組
織を得ることはできないのが現状である。
By mixing powders such as carbides and nitrides with high-speed tool steel powder,
According to the sintering method, it is theoretically possible to contain any amount of carbide or nitride. However, even in this case, it is inevitable that as the hard phase increases, the toughness will decrease. - When powders with a particle size of several microns are mixed into the film, compression molded, and then sintered, as the amount of hard ceramics such as carbides and nitrides increases, the grain boundaries of the powder of high-speed tool steel increase. carbides and nitrides aggregate in a network. When carbides and nitrides aggregate in this way, the toughness decreases to an unacceptable degree. As a countermeasure to this problem, it is possible to make carbides and nitrides into ultrafine particles on the order of submicrons. However, such ultrafine particles tend to aggregate, and it is not easy to uniformly disperse them. Therefore, it is currently impossible to obtain a structure of high-speed tool steel in which carbides and nitrides are dispersed so as to have desired properties.

さらに高速度工具鋼においては、弾性係数が後述の超硬
合金より小さいため、切削加工時の変形が大きくなり、
高い精度が要求される工具等の用途には使用することが
できないという問題点があった。
Furthermore, since the elastic modulus of high-speed tool steel is smaller than that of cemented carbide, which will be discussed later, deformation during cutting increases.
There was a problem in that it could not be used for applications such as tools that required high accuracy.

一方、超硬合金は、高速度工具鋼とは異なり、耐摩耗性
に優れているが、十分な靭性を有しない。
On the other hand, unlike high-speed tool steel, cemented carbide has excellent wear resistance but does not have sufficient toughness.

そのため、超硬合金は信頼性が要求される工具の材料に
は適用されていない。超硬合金の靭性を向上させる方法
として、硬質相の炭化物を微細にする方法が採用されて
いる。しかしながら、この方法にも限界があり、得られ
る靭性は高速度工具鋼の靭性にははるかに及ばない。通
常、超硬合金中に含まれる炭化物の量は80〜90体積
%程度である。用途によって靭性を高めるために、この
炭化物の量を60体積%程度まで低下させた組成の超硬
合金が製造されるが、耐摩耗性が急激に低下し、切削工
具の材料として実用に耐えない。
Therefore, cemented carbide is not used as a material for tools that require reliability. As a method of improving the toughness of cemented carbide, a method of making carbides in the hard phase finer has been adopted. However, this method also has its limitations, and the toughness obtained falls far short of that of high-speed tool steel. Usually, the amount of carbide contained in cemented carbide is about 80 to 90% by volume. In order to improve toughness depending on the application, cemented carbide is manufactured with a composition in which the amount of carbide is reduced to about 60% by volume, but the wear resistance rapidly decreases and it cannot be used as a material for cutting tools. .

以上のように、従来の切削工具用材料として用いられる
高速度工具鋼および超硬合金は、それぞれ欠点を有し、
実用上、それらの欠点を生じさせない条件下でしか使用
することができない。そのため、高速度工具鋼または超
硬合金の特性を十分発揮することができないという問題
点があった。
As mentioned above, high-speed tool steel and cemented carbide used as materials for conventional cutting tools each have drawbacks.
In practice, they can only be used under conditions that do not cause these drawbacks. Therefore, there was a problem that the characteristics of high-speed tool steel or cemented carbide could not be fully exhibited.

そこで、この発明の目的は、高速度工具鋼の特徴である
優れた靭性を維持すると同時に、耐摩耗性を大幅に向上
させた複合硬質合金材を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a composite hard alloy material that maintains the excellent toughness characteristic of high-speed tool steel and at the same time has significantly improved wear resistance.

[課題を解決するための手段〕 この発明に従った複合硬質合金材は、焼結硬質合金から
なる中心部分と、その中心部分を被覆し、焼結合金鋼か
らなる外周部分とを備える。焼結硬質合金は、周期律表
Na、Va、VIa族元素の炭化物、窒化物および炭窒
化物の一種以上を、その中心部分において50体積%以
上95体積%以下含有し、その残部が鉄族金属および不
可避不純物からなる。外周部分を構成する焼結合金鋼は
、第1の硬質相と、第2の硬質相と、結合相とからなる
。第1の硬質相は、外周部分において15体積%以上6
0体積%以下含有し、粒径が0. 3μm以下のTiN
粒子からなる。第2の硬質相は、外周部分において1体
積%以上10体積%以下含有し、粒径が1μm以上3μ
m以下のTiN粒子からなる。結合相は、外周部分にお
いて30体積%以上84体積%以下含有し、第1の硬質
相および第2の硬質相をその中に分散し、結合するため
の合金鋼からなる。その合金鋼は、Crを2.5重量%
以上4.5重量%以下、Moを1.5重量%以上5.0
重量%以下、Wを2.0重量%以上6゜0重量%以下、
Cを063重量%以上1.2重量%以下、Coを1.5
重量%以上15重量%以下、Mnを0.5重量%以下、
Siを0.5重量%以下含有し、その残部がFeおよび
不可避不純物からなる。
[Means for Solving the Problems] A composite hard alloy material according to the present invention includes a central portion made of a sintered hard alloy, and an outer peripheral portion covering the central portion and made of sintered alloy steel. The sintered hard alloy contains at least 50% by volume and 95% by volume of one or more of carbides, nitrides, and carbonitrides of Na, Va, and VIa group elements of the periodic table, and the remainder is iron group elements. Consists of metals and unavoidable impurities. The sintered alloy steel constituting the outer peripheral portion includes a first hard phase, a second hard phase, and a bonding phase. The first hard phase is 15% by volume or more6 in the outer peripheral portion.
Contains 0% by volume or less, and has a particle size of 0. TiN less than 3μm
Consists of particles. The second hard phase contains 1% by volume or more and 10% by volume or less in the outer peripheral portion, and has a particle size of 1μm or more and 3μm.
It consists of TiN particles with a size of less than m. The binder phase contains 30% by volume or more and 84% by volume or less in the outer peripheral portion, and is made of alloy steel for dispersing and binding the first hard phase and the second hard phase therein. The alloy steel contains 2.5% by weight of Cr.
4.5% by weight or less, Mo 1.5% by weight or more and 5.0% by weight
Weight% or less, W from 2.0% to 60% by weight,
C: 0.63% by weight or more and 1.2% by weight or less, Co: 1.5% by weight
% by weight or more and 15% by weight or less, Mn not more than 0.5% by weight,
It contains 0.5% by weight or less of Si, and the remainder consists of Fe and unavoidable impurities.

中心部分と外周部分との間の中間部分は、中心部分の組
成から外周部分の組成へと連続的または段階的に変化す
る組成を有する。この中間部分は、100μm以上5m
m以下の厚みを有するのが好ましい。
The intermediate portion between the center portion and the outer circumferential portion has a composition that changes continuously or stepwise from the composition of the center portion to the composition of the outer circumferential portion. This intermediate part is 100μm or more and 5m
It is preferable to have a thickness of m or less.

好ましくは、TiN中におけるTiの50原子%以下は
、2「、Hf、V、Nb5Ta、Cr。
Preferably, 50 atomic % or less of Ti in TiN is 2', Hf, V, Nb5Ta, Cr.

Mo、W、AiおよびSiよりなる群から選ばれた一種
以上の元素で置換されていればよい。
It may be substituted with one or more elements selected from the group consisting of Mo, W, Ai, and Si.

また、好ましくは、TiN中におけるNの50原子%以
下は、ESCおよびOよりなる群から選ばれた一種以上
の元素で置換されていればよい。
Preferably, 50 atomic % or less of N in TiN may be substituted with one or more elements selected from the group consisting of ESC and O.

さらに、焼結合金鋼からなる外周部分の厚みは、0.0
8mm以上で、かつ複合硬質合金材の全体の厚みの0.
 3以下であればよい。
Furthermore, the thickness of the outer peripheral portion made of sintered alloy steel is 0.0
8 mm or more, and the total thickness of the composite hard alloy material is 0.
It is sufficient if it is 3 or less.

[作用] この発明に従った複合硬質合金材によれば、外周部分を
構成する焼結合金鋼中に分散させられる硬質相としての
TiN粒子は、高速度工具鋼のみでは不足する耐摩耗性
を高める。TiNは、ビッカース硬さでHv2000k
g/mm2程度であり、−船釣な高速度工具鋼のHv8
00〜1000kg/mm2の2倍以上の硬さを有する
。この硬質のTiNを分散させることにより、高速度工
具鋼の硬さはHvlO00kg/mm2以上になり、耐
摩耗性の著しい向上が達成される。また、TiNは、鋼
との反応性が少なく、切削時の凝着摩耗を抑制し、切削
面の面粗度を向上させる。
[Function] According to the composite hard alloy material according to the present invention, TiN particles as a hard phase dispersed in the sintered alloy steel constituting the outer peripheral portion have wear resistance that is insufficient in high-speed tool steel alone. enhance TiN has a Vickers hardness of Hv2000k.
g/mm2, - Hv8 of high-speed tool steel for boat fishing.
The hardness is more than twice that of 00 to 1000 kg/mm2. By dispersing this hard TiN, the hardness of the high-speed tool steel becomes HvlO00 kg/mm2 or more, and a significant improvement in wear resistance is achieved. Furthermore, TiN has little reactivity with steel, suppresses adhesive wear during cutting, and improves the surface roughness of the cut surface.

この硬質相としてのTiNを高速度工具鋼中に分散させ
るのに、従来の技術によれば、TiN粒子が大きいため
、TiNの量が増えると強度の急激な低下が生じていた
。これに対し、本発明によれば、TiN粒子の粒径を0
. 3μm以下に抑えることにより、TiN粒子は均一
かつ微細に分散し強度低下の軽減が可能となる。
According to the conventional technology for dispersing TiN as a hard phase into high-speed tool steel, the strength of the tool steel sharply decreases as the amount of TiN increases because the TiN particles are large. On the other hand, according to the present invention, the particle size of the TiN particles is reduced to 0.
.. By suppressing the thickness to 3 μm or less, the TiN particles are uniformly and finely dispersed, making it possible to reduce the decrease in strength.

基本となる硬質相としてのTiN粒子は、上記のように
微細に分散することが必要である。しかしながら、一部
の硬質相としてのTiN粒子を、1μm以上の一定の粒
径を有するように分散させることにより、マトリックス
中に発生した亀裂が進展するのを抑えることが可能にな
り、その結果、破壊靭性値が向上する。また、このよう
な1μm以上の粒径を有するTiN粒子の存在により、
すき取り摩耗が抑えられる。このような粗粒のTiN粒
子の粒径は、1μm未満では上記の効果が十分でなく、
3μmを越えると強度の低下が生ずる。
The TiN particles as the basic hard phase need to be finely dispersed as described above. However, by dispersing some TiN particles as a hard phase to have a constant particle size of 1 μm or more, it is possible to suppress the cracks generated in the matrix from propagating, and as a result, Fracture toughness value improves. In addition, due to the presence of TiN particles having a particle size of 1 μm or more,
Squeezing wear is suppressed. If the particle size of such coarse TiN particles is less than 1 μm, the above effects will not be sufficient;
If the thickness exceeds 3 μm, the strength will decrease.

また、粗粒のTiN粒子の量が1体積%未満では上記の
効果が発揮できず、10体積%を越えると上述のように
強度が急激に低下する。なお、粒径が0. 3μm以下
のTiN粒子の量は15体積%以上60体積%以下であ
ることが適切である。15体積%未満では、TiNを硬
質相として分散させることによる耐摩耗性の向上という
効果が小さく、60体積%を越えると靭性がやや低下す
る。
Furthermore, if the amount of coarse TiN particles is less than 1% by volume, the above effects cannot be achieved, and if it exceeds 10% by volume, the strength will drop sharply as described above. In addition, if the particle size is 0. The amount of TiN particles having a diameter of 3 μm or less is suitably 15% by volume or more and 60% by volume or less. If it is less than 15% by volume, the effect of improving wear resistance by dispersing TiN as a hard phase will be small, and if it exceeds 60% by volume, the toughness will decrease slightly.

一方、上記の硬質相をその中に分散し、結合するための
結合相は、高速度工具鋼の焼入時におけるマトリックス
組成に近いものである。基本的には、焼入処理によって
一次炭化物を析出させない組成にすることが最も重要で
ある。高速度工具鋼によってもたらされる靭性は、この
マトリックス組成によって得られるものである。本発明
においても、このマトリックス組成を採用することによ
り、最大の効果を得ることができる。Fe以外の合金成
分が、規定される下限値未満では十分な強度を得ること
ができず、上限値を越えると靭性が低下する。
On the other hand, the binder phase for dispersing and bonding the above-mentioned hard phase therein has a matrix composition close to that of the high-speed tool steel during quenching. Basically, it is most important to create a composition that does not precipitate primary carbides during the quenching process. The toughness provided by high speed tool steels is due to this matrix composition. Also in the present invention, the maximum effect can be obtained by employing this matrix composition. If the alloy components other than Fe are below the specified lower limit, sufficient strength cannot be obtained, and if they exceed the upper limit, the toughness decreases.

マトリックス中に分散させられる硬質相は、TiNを主
成分とし、これに結合相マトリックスの成分がある程度
固溶したものでもよい。また、TiN中のTiの50原
子%までをZr、Hf、V。
The hard phase to be dispersed in the matrix may be mainly composed of TiN, with some of the components of the binder phase matrix dissolved therein. In addition, up to 50 atomic % of Ti in TiN is replaced by Zr, Hf, and V.

N b ST a SCr s M o、W、All、
およびSiの群から選ばれた一種以上の元素で置換する
ことが可能である。同様に、TiN中のNの50原子%
までをBSCおよびOよりなる群から選ばれた一種以上
の元素で置換することも可能である。これらの置換は、
合金の耐熱性、耐摩耗性、靭性等の向上に効果がある。
N b ST a SCr s M o, W, All,
It is possible to substitute with one or more elements selected from the group consisting of and Si. Similarly, 50 atom% of N in TiN
It is also possible to replace up to one element selected from the group consisting of BSC and O. These substitutions are
It is effective in improving the heat resistance, wear resistance, toughness, etc. of the alloy.

しかしながら、50原子%を越える置換は、TiNの特
性を損なうことになるので好ましくない。
However, substitution exceeding 50 atom % is not preferable because it impairs the properties of TiN.

上述のように構成される焼結合金鋼は、それ自体でも切
削工具等の工具材料として満足する特性を発揮し得る。
The sintered alloy steel configured as described above can exhibit satisfactory characteristics as a tool material for cutting tools and the like.

しかし、上記の焼結合金鋼を外周部分として用いる複合
化の手法を導入することにより、−層の性能向上を図る
ことかできる。
However, by introducing a composite method using the above-mentioned sintered alloy steel as the outer peripheral portion, it is possible to improve the performance of the -layer.

まず、芯材として焼結硬質合金、いわゆる超硬合金を採
用することにより、工具材料全体としての剛性を大幅に
改善することが可能となる。その結果、工具の加工精度
が向上するとともに、その工具によって加工された面の
面粗度が良好になる。
First, by employing a sintered hard alloy, so-called cemented carbide, as the core material, it is possible to significantly improve the rigidity of the tool material as a whole. As a result, the machining accuracy of the tool improves, and the surface roughness of the surface machined by the tool improves.

外周部分は、上述の焼結合金鋼によって構成されるので
、高速度工具鋼の有する靭性を維持したまま、耐摩耗性
が向上した切削工具用の刃先が得られる。なお、焼結合
金鋼の表面に硬質セラミックスの被膜をコーティングす
ると、さらに性能を向上させる上で良い結果をもたらす
。この皮膜の材料としては、TiNが好ましいが、Ti
CあるいはTi  (CN)を用いてもよく、さらにそ
の上にALOaを被覆してもよい。
Since the outer peripheral portion is made of the above-mentioned sintered alloy steel, a cutting tool edge with improved wear resistance can be obtained while maintaining the toughness of high-speed tool steel. Incidentally, coating the surface of the sintered alloy steel with a hard ceramic film brings about good results in further improving the performance. As the material for this film, TiN is preferable, but TiN
C or Ti (CN) may be used, and ALOa may be further coated thereon.

芯材を構成する超硬合金と、外周部分を構成する焼結合
金鋼は、熱膨脹係数に代表される特性値がかなり異なっ
ているため、両者を接合した場合、その界面に歪みが生
じ、亀裂や割れなどの欠陥が発生することがある。この
両者の特性値の差を低くするように組成を適宜選択する
ことにより、この問題はある程度解決され得る。しかし
ながら、そうすれば、逆に両者の最良の性能が発揮され
得る組成を選択することができなくなる。この発明によ
れば、両者の組成と特性とを連続的または段階的に変化
させた中間相を介在させることにより、上記の問題が解
決されている。好ましくは、この中間相の厚みが、10
0μm以上5mm以下の範囲で適宜選択され得る。中間
相の厚みが100μm未満では、上記のような中間相を
介在させる効果が認められず、5mmを越えると中間相
の存在の意義が薄れる。
The cemented carbide that makes up the core material and the sintered alloy steel that makes up the outer periphery have quite different characteristic values, such as the coefficient of thermal expansion, so when they are joined together, distortion occurs at the interface, causing cracks. Defects such as cracks and cracks may occur. This problem can be solved to some extent by appropriately selecting the composition so as to reduce the difference in the characteristic values between the two. However, if this is done, it becomes impossible to select a composition that can exhibit the best performance of both. According to the present invention, the above problem is solved by interposing an intermediate phase in which the composition and properties of both are changed continuously or stepwise. Preferably, the thickness of this mesophase is 10
The thickness can be appropriately selected within the range of 0 μm or more and 5 mm or less. If the thickness of the mesophase is less than 100 μm, the effect of intervening the mesophase as described above will not be observed, and if it exceeds 5 mm, the significance of the presence of the mesophase will be diminished.

[実施例] 第1図は、この発明にしたがった複合硬質合金材を概念
的に示す断面図である。この図によれば、焼結合金鋼か
らなる外周部分1は、焼結硬質合金からなる中心部分2
を被覆している。外周部分1と中心部分2との間には、
組成が連続的または段階的に変化させられた中間部分3
が介在している。
[Example] FIG. 1 is a sectional view conceptually showing a composite hard alloy material according to the present invention. According to this figure, an outer peripheral portion 1 made of sintered alloy steel and a central portion 2 made of sintered hard alloy
is covered. Between the outer peripheral part 1 and the central part 2,
Intermediate portion 3 whose composition is changed continuously or stepwise
is intervening.

実施例1 超硬合金からなる棒の外周に、後述の超硬合金の組成か
ら合金鋼の組成まで連続的に組成を変化させた合金相が
溶射被覆された。超硬合金の組成は、WCが75体積%
、TiCが7.5体積%、TaCが4.0体積%、Co
が13.5体積%であった。また、超硬合金の棒の直径
は4 m m s長さは200mmであった。溶射被覆
処理は、供給される粉末の組成を順次変えていくことに
より、所望の組成になるように調整して行われた。この
ようにして溶射被覆された超硬合金からなる棒の外周に
、所定の組成を有する合金鋼粉末が被覆させられた後、
冷間静水圧成形(CI P、  c o 1 diso
static  preSsing)により成形された
。合金鋼粉末の組成は、硬質相として平均粒径0.2μ
mのTiN粒子が35体積%、平均粒径0,18μmの
VC粒子が10体積%、平均粒径2,5μmのTiN粒
子が5体積%、結合相としての高速度工具鋼の粉末が5
0体積%であった。高速度工具鋼の粉末の組成は、Cr
が4゜0重量%、Moが3.5重量%、Wが2.0重量
%、Coが8.5重量%、Cが0.5重量%、その残部
がFeと不可避不純物であった。
Example 1 The outer periphery of a rod made of cemented carbide was coated by thermal spraying with an alloy phase whose composition was continuously changed from the composition of cemented carbide to the composition of alloy steel, which will be described later. The composition of the cemented carbide is 75% by volume of WC.
, TiC 7.5% by volume, TaC 4.0% by volume, Co
was 13.5% by volume. The cemented carbide rod had a diameter of 4 mm and a length of 200 mm. The thermal spray coating treatment was carried out by sequentially changing the composition of the supplied powder to obtain the desired composition. After the outer periphery of the rod made of cemented carbide that has been spray coated in this way is coated with alloy steel powder having a predetermined composition,
Cold isostatic pressing (CIP, co 1 diso
static preSsing). The composition of the alloy steel powder has an average particle size of 0.2 μ as a hard phase.
35% by volume of TiN particles of m, 10% by volume of VC particles with an average particle size of 0.18 μm, 5% by volume of TiN particles with an average particle size of 2.5 μm, 5% by volume of high-speed tool steel powder as a binder phase.
It was 0% by volume. The powder composition of high-speed tool steel is Cr
was 4.0% by weight, Mo was 3.5% by weight, W was 2.0% by weight, Co was 8.5% by weight, C was 0.5% by weight, and the remainder was Fe and unavoidable impurities.

このようにして、厚み2mmの合金鋼粉末からなる外周
部分が形成された。この成形体を軟鋼製の筒状容器に入
れ、脱気処理を施しながら、温度500℃まで加熱し、
真空封止された。その後、この成形体に熱間静水圧プレ
ス処理が施された。
In this way, a 2 mm thick outer peripheral portion made of alloy steel powder was formed. This molded body was placed in a cylindrical container made of mild steel and heated to a temperature of 500°C while being deaerated.
Vacuum sealed. Thereafter, this molded body was subjected to hot isostatic pressing treatment.

熱間静水圧プレス処理の条件は、温度1130℃におい
て、圧力媒体として用いられるA「ガスの気圧を100
0kg/Cm2とした。このようにして得られた焼結体
から直径6mmのドリルが試作された。このドリルの断
面組織においては、中心部分に直径4mmの超硬合金か
らなる部分が位置し、その外周を、厚み0.5mmの中
間層を介在させて、焼結合金鋼からなる部分が0.5m
mの厚みで取り囲んでいた。ドリルには、所定の溝と刃
先が成形された。
The conditions for the hot isostatic pressing treatment are as follows: At a temperature of 1130°C, the pressure of the A gas used as a pressure medium is 100°C.
It was set to 0 kg/Cm2. A drill with a diameter of 6 mm was prototyped from the sintered body thus obtained. In the cross-sectional structure of this drill, a portion made of cemented carbide with a diameter of 4 mm is located at the center, and a portion made of sintered alloy steel is placed around the outer periphery with an intermediate layer having a thickness of 0.5 mm. 5m
It was surrounded by a thickness of m. Predetermined grooves and cutting edges were molded into the drill.

比較のため、中心部分に超硬合金を含まない焼結合金鋼
製のドリルが試作された。本発明品および比較品の試作
ドリルと市販の超硬合金製および高速度工具鋼製のドリ
ルを用いて切削試験が行われた。切削条件は以下のとお
りであった。
For comparison, a prototype drill made of sintered alloy steel without cemented carbide in its center was produced. Cutting tests were conducted using prototype drills of the present invention and comparison products, and commercially available drills made of cemented carbide and high-speed tool steel. The cutting conditions were as follows.

被削材: 550C 切削速度:50m/min 送り速度:0.25mm/rev 加工深さ:12mm 切削試験の結果は第1表に示される。Work material: 550C Cutting speed: 50m/min Feed speed: 0.25mm/rev Machining depth: 12mm The results of the cutting test are shown in Table 1.

第1表 試験結果によれば、超硬合金からなるドリルでは、加工
穴数が少ない初期においては摩耗が小さいが、加工穴数
が多くなると、刃先に微妙なチッピングが発生し、これ
が原因となって摩耗が大きくなることが認められた。ま
た、比較品では、発明品と比べてやや劣っていた。加工
された穴の拡大代で比較すると、本発明品が20μm程
度であったのに対し、比較品は50μm程度であった。
According to the test results in Table 1, with drills made of cemented carbide, wear is small in the early stages when the number of holes to be machined is small, but as the number of holes to be machined increases, subtle chipping occurs on the cutting edge, and this is the cause. It was observed that wear increased. Furthermore, the comparative product was slightly inferior to the invented product. When comparing the enlargement allowance of the processed hole, the inventive product had an enlargement of about 20 μm, while the comparative product had an enlargement of about 50 μm.

実施例2 所定の組織形態を有する硬質相粒子が40体積%、平均
粒径2.3μmのTiN粒子が10体積%、高速度工具
鋼のマトリクスが50体積%になるように各粒子が均一
に分散した合金鋼粉末と、超硬合金粉末とが準備された
。硬質相粒子は、TiN粒子の周囲を(Ti  W  
Mo)(CN)の固溶体が取り囲むように形成された組
織形態を有していた。この硬質相粒子の平均粒径は0.
12μmであり、TiN粒子の周囲を取り囲む固溶体の
厚みは0.02μmであった。マトリクスを構成する高
速度工具鋼の組成は、Crが3.8重量%、Moが5.
5重量%、Wが2.5重量%、COが10.0重量%、
Cが0.45重量%、その残部がFeと不可避不純物で
あった。また、超硬合金の粉末の組成は、WCが85体
積%、Coが15体積%であった。
Example 2 Each particle was uniformly distributed so that the hard phase particles having a predetermined structure form were 40% by volume, the TiN particles with an average particle size of 2.3 μm were 10% by volume, and the matrix of high-speed tool steel was 50% by volume. Dispersed alloy steel powder and cemented carbide powder were prepared. The hard phase particles surround the TiN particles (Ti W
It had a structure in which a solid solution of Mo)(CN) was formed surrounding it. The average particle size of these hard phase particles is 0.
The thickness of the solid solution surrounding the TiN particles was 0.02 μm. The composition of the high-speed tool steel constituting the matrix is 3.8% by weight of Cr and 5.8% by weight of Mo.
5% by weight, W 2.5% by weight, CO 10.0% by weight,
C was 0.45% by weight, and the remainder was Fe and unavoidable impurities. The composition of the cemented carbide powder was 85% by volume of WC and 15% by volume of Co.

合金鋼粉末と超硬合金粉末とは、第2表で示される割合
で混合された。
Alloy steel powder and cemented carbide powder were mixed in the proportions shown in Table 2.

第2表 焼結された超硬合金の上に、混合粉末1、混合粉末2、
合金鋼粉末の順に粉末を置いた後、加圧成形された。得
られた成形体は、窒素分圧20Torrの雰囲気中で焼
結された。このようにして得られた複合硬質合金材から
丸棒が切り出された。
Table 2 On top of the sintered cemented carbide, mixed powder 1, mixed powder 2,
After placing the powder in the order of alloy steel powder, it was pressed and formed. The obtained compact was sintered in an atmosphere with a nitrogen partial pressure of 20 Torr. A round bar was cut out from the composite hard alloy material thus obtained.

丸棒からは、エンドミル用の所定の形状を有する切削工
具を作製した。この切削工具を用いて、以下の条件で切
削試験を行なった。
A cutting tool having a predetermined shape for an end mill was made from the round bar. A cutting test was conducted using this cutting tool under the following conditions.

被削材:5US304ステンレス鋼 切削速度:40m/min 送り速度:0.15mm/1刃 加工幅:2.Omm 加工深さ:10mm 切削試験結果によれば、本発明に従った複合硬質合金材
からなるエンドミルを用いれば、特に問題なく加工が可
能であり、加工された溝の側面の鉛直線からのずれは、
最大でも0.05mmと極めて高精度であった。なお、
比較のため、超硬合金からなるエンドミルを用いると、
加工開始直後に刃先が欠けてしまい、切削不能となった
。また、高速度工具鋼からなるエンドミルを用いると、
摩耗が急速に進行するため、切削することが全くできな
かった。
Work material: 5US304 stainless steel Cutting speed: 40m/min Feed speed: 0.15mm/1 blade machining width: 2. Omm Machining depth: 10 mm According to the cutting test results, if the end mill made of composite hard alloy material according to the present invention is used, machining is possible without any particular problem, and the deviation of the side surface of the machined groove from the vertical line teeth,
The accuracy was extremely high, at most 0.05 mm. In addition,
For comparison, if an end mill made of cemented carbide is used,
Immediately after machining started, the cutting edge chipped, making cutting impossible. Additionally, if you use an end mill made of high-speed tool steel,
No cutting was possible due to rapid wear.

上記実施例2で得られた複合硬質合金材の接合部の組成
分析結果は、第2図に示されている。また、比較のため
、中間層を介在させないで超硬合金からなる中心部と焼
結合金鋼からなる外周部とを直接接合した場合の組成分
析結果は第3図に示されている。第2図において、中間
層の厚みは約0.8mmであった。
The compositional analysis results of the joint of the composite hard alloy material obtained in Example 2 are shown in FIG. For comparison, FIG. 3 shows the compositional analysis results when the central part made of cemented carbide and the outer peripheral part made of sintered alloy steel were directly joined without intervening an intermediate layer. In FIG. 2, the thickness of the intermediate layer was approximately 0.8 mm.

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、高速度工具鋼の靭性
を維持した状態で、その耐摩耗性を超硬合金に匹敵する
レベルまで向上させた合金材を得ることができる。また
、切削工具として使用した場合、剛性が高く、高い精度
の切削加工が可能となる。そのため、この発明の複合硬
質合金材は、切削工具用材料に用いられることにより、
切削加工の能率向上、信頼性の向上に貢献することがで
きる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an alloy material whose wear resistance is improved to a level comparable to that of cemented carbide while maintaining the toughness of high-speed tool steel. can. Furthermore, when used as a cutting tool, it has high rigidity and enables highly accurate cutting. Therefore, the composite hard alloy material of the present invention can be used as a material for cutting tools.
It can contribute to improving cutting efficiency and reliability.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、この発明に従った複合硬質合金材を概念的に
示す断面図である。 第2図は、実施例2において得られた複合硬質合金材の
接合部の組成分析結果を示すグラフである。 第3図は、比較例として中間層を介在させずに超硬合金
からなる中心部分と焼結合金鋼からなる外周部分とを直
接接合した場合の接合部の組成分析結果を示すグラフで
ある。 第1
FIG. 1 is a sectional view conceptually showing a composite hard alloy material according to the present invention. FIG. 2 is a graph showing the compositional analysis results of the joint of the composite hard alloy material obtained in Example 2. FIG. 3 is a graph showing the compositional analysis results of a joint in the case where, as a comparative example, a central part made of cemented carbide and an outer peripheral part made of sintered alloy steel were directly joined without intervening an intermediate layer. 1st

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)焼結硬質合金からなる中心部分と、 前記中心部分を被覆し、焼結合金鋼からなる外周部分と
を備え、 前記焼結硬質合金は、周期率表IVa、Va、VIa族元素
の炭化物、窒化物および炭窒化物の1種以上を前記中心
部分において50体積%以上95体積%以下含有し、そ
の残部が鉄族金属および不可避不純物からなり、 前記焼結合金鋼は、前記外周部分において、粒径が0.
3μm以下のTiN粒子からなる第1の硬質相を15体
積%以上60体積%以下、粒径が1μm以上3μm以下
のTiN粒子からなる第2の硬質相を1体積%以上10
体積%以下、ならびに前記第1の硬質相および前記第2
の硬質相をその中に分散し、結合するための合金鋼から
なる結合相を30体積%以上84体積%以下含有してお
り、 前記合金鋼は、Crを2.5重量%以上4.5重量%以
下、Moを1.5重量%以上5.0重量%以下、Wを2
.0重量%以上6.0重量%以下、Cを0.3重量%以
上1.2重量%以下、Coを1.5重量%以上15重量
%以下、Mnを0.5重量%以下、Siを0.5重量%
以下含有し、その残部がFeおよび不可避不純物からな
り、前記中心部分と前記外周部分との間の中間部分は、
前記中心部分の組成から前記外周部分の組成へと連続的
または段階的に変化する組成を有する、複合硬質合金材
。 (2)前記TiN粒子中におけるTiの50原子%以下
は、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、A
lおよびSiよりなる群から選ばれた1種以上の元素で
置換されている、請求項1に記載の複合硬質合金材。 (3)前記TiN粒子中におけるNの50原子%以下は
、B、CおよびOよりなる群から選ばれた1種以上の元
素で置換されている、請求項1または2に記載の複合硬
質合金材。(4)前記外周部分の厚みは、0.08mm
以上でかつ、当該複合硬質合金材の全体の厚みの0.3
以下である、請求項1ないし3のいずれかに記載の複合
硬質合金材。 (5)前記中間部分の厚みは、100μm以上5mm以
下である、請求項1ないし4のいずれかに記載の複合硬
質合金材。
[Scope of Claims] (1) A central portion made of a sintered hard alloy; and an outer circumference portion covering the central portion and made of sintered alloy steel, wherein the sintered hard alloy is made of periodic table IVa, The sintered alloy contains at least 50% by volume and 95% by volume of one or more of carbides, nitrides, and carbonitrides of Va, Group VIa elements in the central portion, and the remainder consists of iron group metals and unavoidable impurities. The steel has a grain size of 0.
The first hard phase consisting of TiN particles with a particle size of 3 μm or less is 15% by volume or more and 60% by volume or less, and the second hard phase consisting of TiN particles with a particle size of 1 μm or more and 3 μm or less is 1% by volume or more and 10% by volume or less.
% by volume or less, and the first hard phase and the second hard phase.
The alloy steel contains 30% by volume or more and 84% by volume or less of a binder phase made of alloy steel for dispersing and bonding a hard phase of Cr, and the alloy steel contains Cr of 2.5% by weight or more and 4.5% by weight. % by weight or less, Mo from 1.5% by weight to 5.0% by weight, W from 2% to 5.0% by weight.
.. 0% to 6.0% by weight, C 0.3% to 1.2% by weight, Co 1.5% to 15% by weight, Mn 0.5% by weight or less, Si 0.5% by weight
The remainder consists of Fe and unavoidable impurities, and the intermediate portion between the central portion and the outer peripheral portion is
A composite hard alloy material having a composition that changes continuously or stepwise from the composition of the central portion to the composition of the outer peripheral portion. (2) 50 atomic% or less of Ti in the TiN particles is Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, A
The composite hard alloy material according to claim 1, wherein the composite hard alloy material is substituted with one or more elements selected from the group consisting of L and Si. (3) The composite hard alloy according to claim 1 or 2, wherein 50 atomic % or less of N in the TiN particles is replaced with one or more elements selected from the group consisting of B, C, and O. Material. (4) The thickness of the outer peripheral portion is 0.08 mm.
or more, and 0.3 of the total thickness of the composite hard alloy material
The composite hard alloy material according to any one of claims 1 to 3, which is as follows. (5) The composite hard alloy material according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the intermediate portion is 100 μm or more and 5 mm or less.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1046316C (en) * 1994-12-13 1999-11-10 北京科技大学 Making of steel bonded carbide using reaction sintering process
JP2007237259A (en) * 2006-03-09 2007-09-20 Furuya Kinzoku:Kk Tool for friction stir welding, its manufacturing method, welding method using the same tool, and workpiece obtained by the same method

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