JPH04128330A - 傾斜組成組識の焼結合金及びその製造方法 - 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、旋削工具、フライス工具、ドリル、エンドミ
ルなどの切削工具、タイ、パンチ。

スリッター、ライナー、撹拌棒などの耐摩耗工具、カッ
タービットなどの土木建設工具又は化学薬品用ノズル、
時計外装部品などの耐腐蝕性工具に代表される各種の工
具もしくは工具部品として適する傾斜組成組織の焼結合
金及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） ｗＣを主成分とする硬質層とＣＯ及び／又はＮｉを主成
分とする結合相とからなっている超硬合金は、各種の工
具に使用されており、その工具の用途に応じて硬質相の
粒度及び種類、結合相量、添加物の種類及び量などを調
整し、耐摩耗性と靭性のバランスを保持させている。し
かし、超硬合金の耐摩耗性と靭性は、一方を向上させる
と他方が低下するという二律背反的な傾向にあることか
ら１両方を同時に改善することは非常に困難な問題であ
る。

この問題を解決しようとしたものに、超硬合金などの焼
結合金の表面近傍と内部との組成組織を異なるようにし
た合金があり、その代表的なものとして特開昭５４−１
３９８１５号公報、特開平　２−２０９４４８号公報及
び特開平２−２０９４４９号公報で提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 焼結合金の表面近傍と内部との組成組織を異なるように
した先行技術の内、特開昭５４−１３９８１５号公報に
開示の焼結合金は、表面から最大深さ１ｍｍまでの内部
に向って連続的に低くなる硬さ分布を有し、しかも内部
硬さに対して表面硬さが５〜３０％高い硬質表層をもつ
合金である。この同公報に開示の焼結合金の硬質表層は
、液相出現温度以下での浸炭雰囲気処理と真空焼結とに
より形成させたもので、単なるの硬質表層の硬質相中の
結合炭素量により生じた硬さ分布であることから、耐摩
耗性と靭性の両方を高めるという効果が弱く。

結局用途範囲が限定されるという問題がある。

また、特開平２−２０９４４８号公報及び特開平２−２
０９４４９号公報には、超硬合金の表面に合金の内部よ
りも結合相量の減少してなる表面領域を形成させた合金
が開示されている。これらの公報に開示の超硬合金の表
面領域は、結合相量のみを調整させたものであること、
及び結合相量が連続的に変化しているものでないことか
ら、耐塑性変形性。

耐摩耗性及び靭性を同時に全て向上させるということが
弱く、困難であるという問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、炭化タングステンを含む金属炭化物を主体とす
る硬質相と鉄族金属を主体とする結合相とからなる焼結
合金の表面から０２〜ｌ　Ｏｍｍの内部までに拡散元素
を漸次減少させるように存在させて、かつ結合相の相対
濃度と該炭化タングステンの平均粒径の一方もしくは両
方を漸次増加及び／又は増大させた表面層を形成し、耐
摩耗性、耐塑性変形性、靭性、耐腐蝕性、耐酸化性及び
高温での耐摩耗性、耐欠損性にすぐれる傾斜組成組織を
有する焼結合金の提供を目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者は、従来の超硬合金が耐摩耗性を向上させると
靭性が低下し、靭性を向上させると耐摩耗性が低下する
という問題について検討していた所、超硬合金の製造工
程の内、粉末成形体の焼結時に、拡散が容易で、かつ表
面層を硬化させ得る元素を成る表面領域に亘り傾斜をも
たせて拡散させ、しかも表面層におｃする結合相濃度及
び／又は炭化タングステンの平均粒径の分布を制御して
表面層をさらに硬化すると、超硬合金自体の耐摩耗性、
靭性及び耐塑性変形性が顕著に向上するという知見を得
たものである。この知見に基づいて、本発明を完成する
に至ったものである。

すなわち５本発明の傾斜組成組織の焼結合金は、鉄族金
属を主成分とする結合相５〜５０体積％と、残り炭化タ
ングステンを含む金属炭化物を主成分とする硬質相と不
可避不純物とからなる焼結合金であって、その表面の１
部もしくは全面に亘る表面から０．２〜１０ｍｍの内部
までの表面層は、Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｖ、　Ｔａ、　Ａｌ
２．　Ｔｉ、　Ｚｒ、　Ｎｂ、　Ｈｆ、　１１．　Ｓｉ
。

Ｂ、　Ｐ、　Ｃの中の少なくとも１種の拡散元素が表面
から内部に向って漸次減少し、かつ該結合相の相対濃度
と該炭化タングステンの平均粒径の一方もしくは両方が
表面から内部に向って漸次増加又は増大していることを
特徴とするものである。

この本発明の傾斜組成組織の焼結合金における結合相は
、Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅの少なくとも１種又はこれらの
相互合金からなる場合、もしくは結合相中の５０体積％
以上がＣｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅの少なくとも１種で、残り
が、例えばＣｒ、　Ｍｏ、　Ｖ、＾１２．　Ｃｕ、　Ｍ
ｎからなる場合であるが、この内、ＣＯ及び／又はＮｉ
でなる場合、あるいはＣＯ及び／又はＮｉに数％以下の
微量の拡散元素の含有してなる結合相が好ましいことで
ある。

この結合相の他に、本発明の焼結合金を構成している硬
質相は、炭化タングステンのみからなる場合、又は炭化
タングステンと周期律表４ａ、　５ａ、　６ａ族金属の
炭化物、炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少なく
とも１種のＢ−１型結晶構造の化合物とからなる場合が
ある。

この本発明の焼結合金を構成している表面層は、その部
分に、主として結合相に固溶する拡散元素を存在させる
ことにより、内部に比べて硬化させ、その結果焼結合金
自体の耐摩耗性を高めたもので、その厚さが０．２ｍｍ
未満では耐摩耗性の向上が弱く、逆にｌ　Ｏｍｍを超え
て厚くなると靭性の低下及び製造上の困難性を伴うこと
から、０．２〜１０ｍｍと定めたものである。

この表面層中に存在させる拡散元素は、主として表面層
中の結合相に固溶した、例えばＣｏ−ＣｒＮｉ−Ｃｒ、
　Ｃｏ−Ｖ、　　Ｎｉ−Ｖ、　　Ｃｏ−Ｚｒ、のような
状態で存在し、場合によっては結合相中に、例えばＣＯ
コＳｉ、　　Ｎｉ５ＡＩ１．、　　＾ｌＴｉ５のような
金属間化合物の状態で存在し、場合によっては、例えば
ＣｒｔＣ３゜Ｍｏ、Ｃ，（Ｖ、１ｌ）Ｃ，（Ｔｉ、ＷＩ
Ｃ，ｆＴａＪｌｃのような硬質相の構造で存在するもの
である。これらの拡散元素の内、Ｖ、　Ｃｒ、　Ｍｏ、
　Ｃ，Ｂ、　Ａ　１２．　Ｓｉ、Ｐは、主として結合相
に固溶して、表面層を硬化すると共に、表面層中の結合
相量を減少させる効果がある。また、拡散元素の内、Ｔ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、　Ｍｏ、　Ｈｆ、Ｔａ、　
＊は、表面層を硬化すると共に、表面層中の炭化タング
ステンの粒子成長を抑制させる効果がある。

さらに、拡散元素の内、Ｃｒ、　Ｍｏは、強度低下が少
なく、硬さ向上が大きいことから特に好ましく、結合相
濃度にはＣが有効で、ＷＣ粒成長抑制にはＣｏ結合相で
は、Ｖ、　Ｃｒ、　Ｔａが有効で、Ｎｉ結合相ではＣｒ
、　　Ａｌ１．　Ｔｉが有効であることから好ましく。

２種以上の拡散元素もさらに好ましいものである。

特に、表面層中における拡散元素の濃度、炭化タングス
テンの粒径、結合相濃度については、焼結合金の表面か
ら内部に向って０．２ｍｍまでの表面層における拡散元
素の平均的濃度（Ｃｓ）と内部における拡散元素の平均
的濃度（Ｃｉ）との比がＣｓ／Ｃ１＝２．０以上で、か
つ該表面層における結合相の平均的濃度（ｂｓ）、炭化
タングステンの平均粒径（ｄｓ）と、内部における結合
相の平均的濃度（ｂｉ）、炭化タングステンの平均粒径
（ｄｉ）との比がｂｓ／ｂｉ＝０．９以下及び／又はｄ
ｓ／ｄ　ｉ　＝　０．９以下であることが耐摩耗性と靭
性の両方を高めるのに好ましいことである。

さらに、この表面層における硬さについては、焼結合金
の表面から内部に向って０．２ｍｒｒＩまでの平均ビッ
カース硬さ（ＨＶｓ）と、内部における平均ビッカース
硬さ（ＨＶｉ）　との比が）ＩＶｓ／ＨＶｉ＝　１．１
０以上であることが好ましいことである。

本発明の傾斜組成組織の焼結合金は、粉末圧粉体の焼結
時又は焼結後にその表面から拡散元素を拡散させればよ
く、その方法としては１例えば拡散させようとする拡散
元素の含有した固体、液９又は気体から拡散させるとい
う方法があるけれとも、特に次の方法で行うと表面層の
厚さ及び拡慇元素の傾斜度合いなどの制御が容易で好ま
しいことである。

すなわち、本発明の傾斜組成組織の焼結合金の製造方法
は、鉄族金属を主成分とする粉末５〜５体積％と、残り
炭化タングステンを含む金属炭化物を主成分とする粉末
とを粉砕混合して混合粉末を得る工程、該混合粉末を所
定の形状に加圧成形して粉末成形体を得る工程、拡散元
゛素を含む金属０合金、化合物の固体物質を粉末成形体
に接触させて、真空又は非酸化性雰囲気中で１２５０〜
１５５（℃に加熱するか、もしくは拡散元素を含むガス
雰囲気中で１２５０〜１５５０℃に加熱する工程とから
なることを特徴とする方法である。この方法における工
程の内、拡散元素を含む固体物質を粉末成形体に接触さ
せるとは、例えば粉末の固体物質を粉末成形体表面に一
体化成形する方法、粉末成形体の表面に塗付する方法、
又は粉末の固体物質を塗付した焼結用板体に粉末成形体
を載置させる方法、もしくは固体物質中に粉末成形体を
埋設させる方法を挙げることができる。また、固体物質
とし、では、拡散元素の含有した金属や合金の他に、例
えばＴｉＣ，Ｃｒ、Ｃ２，ＶＣ，ＴｉｆＣ，Ｎｉ．　Ｔ
ｉＮなどの化合物を用いることができ、特に周期律表４
ａ、　５ａ、　６ａ族金属の拡散元素からなる場合には
、その炭化物を固体物質として用いると表面層中への脱
炭相（ＣｏＪ−Ｃ１の生成が抑制されるので好ましいこ
とである。

表面層中の拡散元素の量又は表面層の厚さは、粉末成形
体に接触させる固体物質の量によっても調整することが
できるけれども、結合相中での拡散元素の拡散係数、焼
結のための加熱温度、保持時間によって制御するのが好
ましいことである。

また、拡散元素を含むガス雰囲気によって拡散元素を焼
結合金の表面に拡散させる場合は、例えば　Ｔｉｃｊ！
　ａ、　　ＶＯｌｌｔ　ｘ、　　Ｃｒ０ｉＣｊ２　ａ、
　　ＺｒＣｊ！　４ＮｂＯＣｆｉ　、、　ＭｏＦａ、　
ＨｆＣＡ、、　ＴａＣ１！、、、　　ＢＣｌ２５゜Ａβ
　Ｃｌ２１　Ｓ＋ＣＩ２４．　　ＰＣρ、などの塩化物
又は酸塩化物と、Ｈ２及びＣＨ，の混合気体ガス雰囲気
中で行うのが好ましいことである。

（作用） 本発明の傾斜組成組織の焼結合金は、主として表面層が
耐摩耗性及び耐塑性変形性を高め、内部が靭性を高める
作用をし、表面層中の拡散元素と、結合相の相対濃度及
び／又は炭化タングステンの平均粒径との相乗効果でも
って表面層を硬化する作用をし、拡散元素の内、Ｖ、　
Ｃｒ、　Ｍｏ、　Ｃ，ＢＡＪ２．　Ｓｉ、　Ｐの場合は
、液相出現温度を低下させる作用をし、その結果焼結（
加熱）時に表面で優先的に液相が出現し、この液相が毛
細管現象でもって、内部に向って急激に移動し、表面部
の結合相量を減少させる作用をし、Ｔｉ、　Ｖ、　Ｃｒ
、　Ｚｒ、　Ｎｂ。

Ｍｏ、　Ｈｆ、Ｔａ、　＊の拡散元素の場合は、焼結時
にｗＣ粒子の成長を抑制する作用をし、その結果表面層
のｗＣ粒径を内部よりも微細にするという作用をしてい
るものである。

（実施例） 市販の平均粒径が０．１μｍと３．０μｍの―Ｃ粉末、
　Ｃｏ粉末、’　１．５μｍのカーボニルＮ：粉末、１
．２μｍのカーボニルＦｅ扮末、　　１．ｌｕｍのＷＣ
／Ｔ　ｉ　Ｃ／ＴａＣ＝　５０／２０／３０の固溶体粉
末をそれぞれ第１表に示す配合組成に秤量配合し、超硬
合金製のポットにアセトン溶媒、超硬合金製ボールとと
もに装入して４８　Ｈｒ混合粉砕した。乾燥後８０℃に
加熱しなから１．５冑Ｌ％のパラフィンワックスを添加
混合し、混合粉末を得た。

次に２Ｄφのプレスモールドを使用し、その下ピンのプ
レス面にＴｉＣ，ＶＣ，Ｃｒ、　ＴａＣ，黒鉛。

八４４Ｃ２の各粉末もしくはこれらの混合粉末からなる
第１表の拡散元素粉末を均一に敷き、その後この下ビン
をモールドにセットし、第１表の配合組成の各混合粉末
を充填して］　ｔｏｎ／ｃｍ”の圧力で加圧することに
より下面に各拡散元素の薄膜が一体化成形された２Ｄφ
Ｘ　２５ｍｍの成形体を作製した。

得られた成形体をへβＮ粉末を敷いたカーボン板に置き
、真空炉に装入して約１０−”Ｔｏｒｒの雰囲気中、所
定の温度９時間条件で焼結し、本発明品ｌ〜１０を得た
。

また、第１表に示す配合組成の各混合粉末を用いて、２
０φＸ　２５ｍｍの成形体を作製し、この片面にパラフ
ィンワックスとヘキサンに混存させたＣｒ５Ｃｉ粉末あ
るいはＮｂＣ粉末を所定Ｎ塗付した後、同様に真空中焼
結し１本発明品１１．１２を得た。一方、成形体をＡ℃
２０３粉末とＭＯ２ＣあるいはＢ、Ｃ粉末との混合粉末
中に埋設し、真空焼結して本発明品１３．１４を得た。

さらに第１表の配合組成の混合粉末の成形体をＮ２−１
０ｖｏｊ２％１１２−０．５　ｖｏｗ％ＣＨａ　−０，
Ｉ　ｖａｎ％ＴｉＣβ４からなる混合ガス中で焼結し、
本発明品１５を得た。

以上の条件によって作製された円柱状の焼結体（約２０
φＸ　２０ｍｍ）を切断し表面層と内部について、拡散
元素の濃度、結合相量、ＷＣ粒径及びビッカース硬さを
測定した。結果を拡散処理を施していない通常焼結の超
硬合金と比較して第２表に示した。また、本発明品Ｎｏ
４の表面から内部に向っての拡散元素濃度、結合相Ｃｏ
量１ｗＣ粒径、ピッカス硬さの分布の実測値を第１図及
び第２図に示した。

比較品ｌは、市販のＪＩＳ　ＥＪ相当品比較品２は、市
販のＪＩＳ　Ｐ３０相当品比較品３は、市販のマイクロ
アロイ超硬合金第２表中に示した各因子の測定は、 拡散元素の濃度：　ＥＰＭＡ分析により、表面より０．
２ｍｍまでの平均濃度Ｃｓと内１部での 値Ｃｉを測定した。

結合相量　　　：　ＥＰＭＡ分析により、表面より０．
２ｍｍまでの平均濃度ｂｓと内部での 値ｂｉを測定した。

Ｌ粒径　　　　：　ＳＥＭの組成像から、表面より０．
２ｍｍまでの平均粒径ｄｓと内部 の粒径ｄ１を算出（Ｆｕｌｍａｎの式）ビッカース硬さ
：微少硬度計を用い荷重２００ｇにて、表面より０．２
ｍｍまでのビッ カース硬さ）ＩＶｓと内部の硬さ ＨＶｉを測定した。

次に、本発明品の実用試験結果について述べる。

まず、第２表中の本発明品Ｎｏ１ｌと比較品Ｎｏ３を用
いて、外径１０φ１０ｍｍ、切刃部長さ６０ｍｍ、柄部
３０ｍｍのソリッドドリルを製作し、ダクタイル鋳物Ｆ
ＣＤ６０の板材（厚み３０ｍｍ）を使用して、切削速度
５０ｍ／ｍｉｎ　、送り速度０２〜０．４　ｍｍ／ｒｅ
ｖの条件で穴明はテストを実施した。５００穴加工後の
コーナー部摩耗量を第３表に示す。

第３表 この結果から明らかなように本発明品は外周切刃部の耐
摩耗性にすぐれると同時に軸中心の靭性が高いため折損
しにくいものである。

次に、第２表中の本発明品Ｎｏ４と比較品Ｎｏｌを用い
て、約２０×２０１×３０ｍｍ″のチップを鋼材にロー
付したカッターピット２ａケを製作し、花崗岩と砂岩の
混存した岩盤を１ｍ３回転掘削を行った。ただし、本発
明品を使用したカッターピット用チップでは掘削面のみ
拡散効果処理を施し、ロー付面はそのままとした。

この結果、比較品Ｎｏｌは、２０ケ中５ケが完全に破損
、摩滅し、３ケが刃先部に大きな欠損が見られた。

方、本発明品Ｎｏ４は、全て正常な摩耗で、まだ使用可
能な状態であった。このときに用いたカッターピットの
チップの鋼材へのロー付時におけるチップ内に発生する
ロー付クラックは、比較品Ｎｏｌが１０ケに１ケの割合
であったのに対し、本発明品〜ｏ４にはロー付クラック
の発生が見られなかった。

（発明の効果） 本発明の傾斜組成組織の焼結合金は、耐摩耗性がすぐれ
ると同時に、靭性、耐衝撃性にすぐれることから耐欠損
性、耐破損性にもすぐれるもので、その結果切削工具、
耐摩耗工具又は土木建設工具などの工具、工具部品とし
て用いると高寿命になるという効果があること、特にド
リルやカッタービットのような回転工具として用いると
従来の焼結合金に比較して高寿命化が顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の本発明品Ｎｏ４焼結合金の表面から
内部における結合相濃度、拡散元素であるＣｒ、　Ｖｆ
ｉ度の分布状態を表わす曲線図である。 第２図は、実施例の本発明品Ｎｏ４焼結合金の表面から
内部におけるｗＣの平均粒径、ビッカース硬さの分布状
態を表わす曲線図である。 図中、ｌ：結合相濃度曲線 ２：Ｃｒ拡散元素の濃度曲線 ３：Ｖ拡散元素の濃度曲線 ４　：　ｌ！Ｉｃの平均粒径 ５：ビッカース硬さ 特許出願人　東芝タンガロイ株式会社

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄族金属を主成分とする結合相５〜５０体積％と
   、残り炭化タングステンを含む金属炭化物を主成分とす
   る硬質相と不可避不純物とからなる焼結合金において、
   該焼結合金の表面の１部もしくは全面に亘る表面から０
   ．２〜１０ｍｍの内部までの表面層は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ
   、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｓｉ、Ｂ
   、Ｐ、Ｃの中の少なくとも１種の拡散元素が表面から内
   部に向って漸次減少し、かつ該結合相の相対濃度と該炭
   化タングステンの平均粒径の一方もしくは両方が表面か
   ら内部に向って漸次増加又は増大していることを特徴と
   する傾斜組成組織の焼結合金。
2. （２）上記焼結合金の表面から内部に向って０．２ｍｍ
   までの表面層における上記拡散元素の平均的濃度（Ｃｓ
   ）と、該内部における上記拡散元素の平均的濃度（Ｃｉ
   ）との比がＣｓ／Ｃｉ＝２．０以上で、かつ該表面層に
   おける上記結合相の平均的濃度（ｂｓ）、上記炭化タン
   グステンの平均粒径（ｄｓ）と、該内部における上記結
   合相の平均的濃度（ｂｉ）、上記炭化タングステンの平
   均粒径（ｄｉ）との比がｂｓ／ｂｉ＝０．９以下及び／
   又はｄｓ／ｄｉ＝０．９以下であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の傾斜組成組織の焼結合金。
3. （３）上記焼結合金の表面から内部に向って０．２ｍｍ
   までの表面層における平均ビッカース硬さ（ＨＶｓ）と
   、該内部における平均ビッカース硬さ（ＨＶｉ）との比
   がＨＶｓ／ＨＶｉ＝１．１０以上であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の傾斜組成組織
   の焼結合金。
4. （４）鉄族金属を主成分とする粉末５〜５０体積％と、
   残り炭化タングステンを含む金属炭化物を主成分とする
   粉末とを粉砕混合して混合粉末を得る工程、該混合粉末
   を所定の形状に加圧成形して粉末成形体を得る工程、Ｃ
   ｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、
   Ｗ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃの中の少なくとも１種の拡散元素
   を含む金属、合金、化合物の固体物質を該粉末成形体に
   接触させて真空又は非酸化性雰囲気中で１２５０〜１５
   ５０℃に加熱するか、もしくは該拡散元素を含むガス雰
   囲気中で１２５０〜１５５０℃に加熱する工程とからな
   ることを特徴とする傾斜組成組織の焼結合金の製造方法
   。
5. （５）上記鉄族金属がＣｏ及び／又はＮｉからなり、上
   記炭化タングステンが平均粒度０．５μｍ以下、上記拡
   散元素粉末が金属炭化物であることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の傾斜組成組織の焼結合金の製造方
   法。