JPH04280805A - 元素周期律表の第5(m*)および第6(m**)副族の遷移金属類(m、m*、m**)の炭窒化物硬質物質、それらの製造方法、およびそれらの使用 - Google Patents

元素周期律表の第5(m*)および第6(m**)副族の遷移金属類(m、m*、m**)の炭窒化物硬質物質、それらの製造方法、およびそれらの使用

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JPH04280805A
JPH04280805A JP3171827A JP17182791A JPH04280805A JP H04280805 A JPH04280805 A JP H04280805A JP 3171827 A JP3171827 A JP 3171827A JP 17182791 A JP17182791 A JP 17182791A JP H04280805 A JPH04280805 A JP H04280805A
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carbon
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ゲルハルト・ギレ
Schultrich Bernd
ベルント・シユルトリツヒ
Fehrman Michael
ミヒヤエル・フエールマン
Rutendolf-Prutzeboski Monika
モニカ・ルテンドルフ−プルツエボスキ
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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】
【0001】本発明は粉末冶金に関するものである。そ
れは機械加工および成形器具に有利に応用することがで
きる。さらに、炭窒化物硬質物質は耐摩耗性および腐食
抑制性層の理由のために使用することができる。
【0002】チタンおよび他の金属の炭窒化物からなる
硬質物質は公知である(E.ルディ(Rudy)他、P
roc. of the 8th Plansee S
eminar、1974、Reutte、2巻、30頁
、およびH.ドイ(Doi)、Proc. of th
e Int.Conf. Science of Ha
rd Materials、Rhodos、1984、
489−523頁)。これらの炭窒化物硬質物質は一相
または数相を有しており、後者の場合にはそれらはスピ
ノード状に(spinodally)分離されている。 両方の場合とも、全ての金属および非金属成分類は熱力
学的平衡にある。 多相のスピノード状に分離された炭窒化物硬質物質の場
合には、個々の相は実質的に同じ格子定数を示しており
、すなわち差異はX−線写真により検出することができ
ない。スピノード状に分離されているが1個だけの格子
定数を有するこれらの炭窒化物硬質物質は一相型と比べ
てわずかに改良されているが、例えば比較的高い有孔性
をもたらす気体処理、焼結中の劣悪でしかも部分的に異
なっている圧縮性能(表面付近)などを含む欠点が少な
くとも部分的に残っている。両方の場合とも、これらの
欠点のために焼結方法および関連する構造展開が最適で
なくなりすなわち特に例えばNi、Co、Feの如き液
体金属との相互作用に関して好ましくない構造をもたら
しそして焼結技術に関して相当な労力を要することとな
る。
【0003】ドイツ公告明細書2 420 768は、
これらの硬質物質の製造方法を記載している。この方法
の一変法では、窒化物および金属粉末混合物を10時間
以内で1,400℃−1,800℃の範囲内の温度にお
いて窒化することにより炭窒化物予備合金が製造される
【0004】この公知の方法の他の変法では、予備製造
された炭化物および窒化物を10時間以内で1,700
℃−2,300℃において均質化し、その後、反応ケー
キの寸法を減少させそして>75μmの粒子寸法に粉砕
する。
【0005】他の予備成型された炭化物合金の添加およ
びその後の均質化により、希望する組成物を製造する。 これらの二変法の欠点は、多段階方法、10時間までの
か焼時間、および高くとも2,300℃までの温度によ
り引き起こされる高費用である。
【0006】本発明の目的は、焼結時に窒素の変性によ
り比較的高い有孔性をもたらす気化工程を引き起こさず
、良好な圧縮性能を示し、しかも最適な溶解および結晶
化並びに構造展開方法を与えるであろう炭窒化物硬質物
質を開発すること、並びに先行技術と比較して費用が相
当減少されるであろうこの硬質物質の製造方法を提供す
ることである。本発明の他の目的は該硬質物質に関する
用途を提供することである。
【0007】本発明に伴う問題は、焼結性能および関連
する構造展開が最適となるであろう炭窒化物硬質物質を
提供し、それの製造方法を開発し、そして可能な用途を
示唆することであった。
【0008】本発明に従うと、これらの問題は特許請求
の範囲に示されている如くして解決される。本発明に従
う硬質物質は本発明に従う硬質物質および/または他の
硬質物質並びに適当な結合用金属(例えばFe、Niお
よび/もしくはCo)または適当な結合用金属合金の適
当な複合体を液相中での焼結により製造することにより
硬質物質/結合用金属複合体用に有利に使用することが
できる。
【0009】さらに、本発明に従う炭窒化物硬質物質は
構造部品および器具の表面近くでの耐摩耗性層の成分と
して有利に使用することができる。
【0010】部分的にだけ熱力学的に平衡でありそして
異なる粉末粒子間に分布されている種々の相からなる本
発明に従う炭窒化物硬質物質が、該組成物および合成混
合物の製造方法によりそして合成条件により、製造され
る。特に元素周期律表の第4および第6副族の金属類に
関して、合成条件を供するか焼中に起きる合成混合物中
の金属の不均質分布が化学反応および物理的方法により
あまり影響を受けないことが見いだされた。
【0011】非金属成分である窒素および炭素を異なる
非金属/金属親和性に従い且つ個々の型の粒子中の金属
分布に従い金属格子中に加えられる。金属原子と比較し
ての非金属原子のはるかに大きい運動性の影響は、熱力
学的平衡に近くなるかまたは適当な合成条件が選択され
るならそれの相当する金属:(炭素/窒素)および炭素
:窒素比が個々の型の粒子中で局部的に制定されること
である。従って、平衡は部分的に制定されると言われる
。個々の型の粒子中の平衡条件の制定はX線写真相分析
および格子定数測定により、金属および非金属成分類の
電子線顕微鏡分析および化学的分析により、示される。
【0012】従って、一段階方法で、異なる粉末粒子間
に分布されておりそして個別的には熱力学的に平衡であ
るが全体としてはすなわち全成分に関しては平衡が存在
していないような少なくとも二相を含有している炭窒化
物を製造できること、並びに適当な金属類を用いるとこ
れらの炭窒化物は液相生成により対応する複合体中での
最適な構造展開をもたらす。特に、驚くべきことに炭熱
的還元および炭窒化をほぼ完全に実施することができす
なわち金属成分類の分布中での相当均質化する必要なし
に≦0.2%質量部分の酸素の残存含有量および≦0.
01%質量部分の未結合炭素の含有量を制定することが
できる。
【0013】先行技術に従うと、異なる炭化物、窒化物
および炭窒化物を別個の合成で製造しそして次に適当に
混合しそして硬質物質複合体用に使用するか、或いは複
合炭窒化物を均質化しそして長期か焼によりスピノード
状に分離し、すなわち熱力学的平衡状態にさせる。
【0014】それらの比較的簡単でしかも安価な製造と
は別に、本発明に従う硬質物質は改良されそして最適に
された焼結性により特徴づけられており、それらが部分
的にだけ制定された熱力学的平衡に寄与しておりそして
これまでに専門家が持っていた考えによるとこのような
ことは予期できないものであった。
【0015】2種以上の型の粒子を含有している2相以
上を有する本発明に従う炭窒化物硬質物質をもたらす合
成における熱力学的に調節された方法の他に、熱力学的
に誘発されるセグメント化工程が起きることがありそし
て別の相(例えばTi−Zr−CまたはTi−Zr−N
系中の分離)をもたらすこともあり得る。これらの熱力
学的に誘発される分離工程は硬質物質のその後の使用に
正の影響を有する。混合物の組成の他に、2個以上の相
および種々の型の粒子を有する本発明に従う炭窒化物硬
質物質の熱力学的に調節された粒子を測定機で測定する
ための要素には、金属および金属酸化物粉末の粒子計測
因子、か焼温度、か焼時間およびか焼雰囲気が包含され
る。例えば、≦1.5μmの6/(密度・比BET表面
積)の粒子寸法dBETを有するTiO2粉末およびそ
れらの粒子寸法でそこに適用されるMoおよび/または
W粉末すなわち1μm≦dBET≦5μmの粒子寸法を
有するものを使用することが有利である。さらに、狭い
粒子寸法分布を有するTiO2、ZrO2並びにMoお
よび/またはW粉末並びに≦0.1%質量部分の灰含有
量を有するカーボンブラックを使用することも有利であ
る。確実に合成気体が最少の水分含有量を有しているこ
と並びに合成容器中の混合物の見掛け密度および充填水
準をできるだけ低くすることが最良である。
【0016】炭素含有量および窒素含有量に関する条件
の他に、硬質物質複合体(セルメット)および粉末噴霧
用に考えられている炭窒化物硬質物質は残存酸素および
未結合炭素の含有量に関する厳しい条件に合致すること
が必要であり(実施例参照のこと)、その理由はこれら
の要素が焼結および湿潤性能に影響を与え、そしてその
結果として対応する複合体および保護層の性質に影響を
与えるからである。より特に、残存酸素含有量は例えば
≦0.3%質量部のようにできるだけ低くすべきであり
、一方、炭窒化物の特別な用途によっては未結合の炭素
含有量に関する異なる最適値が必要であるが一般的には
それらは1%質量部以下である。
【0017】これらの条件に従い、合成は炭熱的還元が
希望する残存酸素含有量をもたらすような方法で調節す
べきである。
【0018】低圧範囲で実施される合成では、窒素の不
存在下ですなわち真空条件下でCO生成を伴い起きる金
属酸化物の還元を≦1.5%質量部の残存酸素含有量と
なるまで実施すること並びにその次にCO上での真空ポ
ンプの吸引効果の方が大きいため窒素を流し始めること
が特に推奨される。
【0019】か焼条件は、(a)炭熱的還元に含まれる
化学反応および炭窒化が充分完全に起きすなわち酸素お
よび未結合炭素の要求される残存含有量が得られ、そし
て(b)金属の分布に関する不均質性が充分保たれて本
発明に従う数種の型の粒子および相を含有している不均
質な炭窒化物を得るような方法で常に先覚すべできはな
い。
【0020】本発明はまた、硬質物質/結合用金属複合
体用の本発明に従う炭窒化物硬質物質の使用にも関する
ものであり、ここで複合体は炭窒化物硬質物質並びに任
意の他の硬質金属および結合用金属(例えば好適にはF
e、Niおよび/またはCo)または結合用金属合金か
ら、液相中での焼結により、製造される。好適態様では
、本発明に従う炭窒化物硬質物質が構造部品および器具
の表面近くの耐摩耗性層の一成分として使用される。
【0021】本発明は下記の実施例により説明される。
【0022】
【実施例】実施例1 簡略組成(Ti0.925Mo0.075)(C0.7
5N0.25)を有する本発明に従う炭窒化物硬質物質
を製造するために、1,319gの二酸化チタン(ルチ
ル顔料)、553gのアセチレンカーボンブラックおよ
び128gのモリブデン粉末(粒子寸法dFSSS=3
μm)を130℃において2時間乾燥し、そして次に1
0kgの硬質金属球が充填されている6リットル鋼製容
器中で75−100分−1の回転速度においてボールミ
ル中で乾燥粉砕した。生じた粉末混合物を次にグラファ
イト容器中に加え、そして炭素管式短循環炉中で1,9
50℃において45分間にわたりか焼した。炉中の合成
雰囲気は窒素および水素または窒素およびアルゴンの混
合物(70l/時のN2、110l/時のH2またはA
r)からなっており、それは常圧で流動していた。炭窒
化物硬質物質をふるいにかけて≦500μmとした。
【0023】生成した炭窒化物硬質物質の簡略組成は下
記の価により同定された: C合計=14.35%質量部 C遊離=  0.27%質量部 O2   =  0.15%質量部 N2   =  5.12%質量部 残存酸素含有量とは無関係に、これは簡略組成すなわち
化学量論(Ti0.925Mo0.075)(C0.7
5N0.25)を有する硬質物質に相当していた。該炭
窒化物硬質物質は(A/m)BET=2.3m2/gの
質量−比表面積(N22点方法により測定された)を有
しており、そして本発明に従うと下記の組成、格子定数
および重量成分を有する2型の粉末粒子間に分布されて
いる二相からなっていた: (1)TiC0.68NO.32:a1=0.4301
nm、g1=73%質量部 (2)Ti0.67Mo0.33C:a2=0.431
0nm、g2=27%質量部 実施例2 混合物を実施例1中と同じ方法で製造した。しかしなが
ら、炭窒化物を真空炉中で、中程度の頻度で加熱し、炭
素感知器を用いてそして低圧範囲内の真空中または流動
窒素中での炭素るつぼ中で、合成した。わずかに化学量
論的量より多い合成混合物を閉じられているが充分に気
体透過性である炭素るつぼ中に加えそして真空ポンプの
吸引効果下での除去に対して適当に保護した。このよう
にして真空炉中に加えられた混合物を10k/分の加熱
速度で15Paの真空中で1,600℃に加熱し、そし
てこの温度に30分間保った。次に炉に窒素を流し、そ
して一定温度(1,600℃)において且つ一定窒素分
圧下で合成を完了させた。次に炉を同じ分圧において窒
素を流し続けながら1,100℃に冷却し、1,100
℃から炉中の窒素雰囲気を常圧(0.1MPa)に戻し
、そして冷却を静止窒素雰囲気下で続けた。
【0024】希望する組成 (Ti0.93Mo0.07)(C0.75N0.25
)に相当する混合物バッチを用いて、下記の組成(Ti
0.93Mo0.07)(C0.763N0.23O0
.007)0.988C合計=14.24%の質量部 C遊離=  0.26%の質量部 O2   =  0.16%の質量部 N2   =  5.00%の質量部、1.38μmの
フィッシャー粒子寸法dFSSSおよび(A/m)BE
T=2.1m2/g の質量−比表面積を有する硬質物質が上記の合成条件下
で得られた。
【0025】下記の組成 (Ti0.93Mo0.07)(C0.5N0.5)に
従う比較的高窒素含有量に相応する混合物バッチを用い
て、下記の組成 (Ti0.93Mo0.07)(C0.44N0.54
8O0.012)0.975C合計=  8.03%質
量部 C遊離=  0.02%質量部 O2   =  0.31%質量部 N2   =11.67%質量部、 1.18μmのフィッシャー粒子寸法dFSSSおよび
(A/m)BET=1.94m2/g の質量−比表面積を有する硬質物質が上記の合成条件下
で得られた。
【0026】本発明に従うと、両方の硬質物質とも二型
の粉末粒子間に分布されておりそして比較的低い窒素含
有量を有する炭窒化物の場合には下記の組成、格子定数
および重量成分を有する二相からなっていた:(1)T
iC0.70NO.30:a1=0.4298nm、g
1=75%質量部 (2)Ti0.65Mo0.35C:a2=0.431
7nm、g2=25%質量部。
【0027】このようにして製造されそして同定された
炭窒化物硬質物質の利点は、これらの硬質物質とNi、
Co、Fe/結合用金属粉末との混合物の焼結において
特に明白である。先行技術と比較して、最大密度を得る
のに必要な焼結温度は、同一等温焼結時間に関して25
−75Kだけ減少させることができる。
【0028】さらに、脱気現象はなく、焼結性能は焼結
雰囲気および焼結された物質の埋め込みに対する比較的
小さい依存性を示し、該物質は低い有孔性、均質な構造
展開に関して全体的な正の効果を有しており、技術的に
信頼のおける焼結を供し、そして焼結された製品の有利
な性質をもたらす。
【0029】本発明の主なる特徴および態様は以下のと
おりである。
【0030】1.一般的組成(MqM*1−q−pM*
*p)(C1−yNy)zを有する元素周期律表の第4
(M)、第5(M*)および第6(M**)副族の遷移
金属類(M、M*、M**)の炭窒化物硬質物質におい
て、概略組成が0.5≦y≦0.97、0.03≦p≦
0.5、0.80≦p+q≦1の範囲内にあり、z≧0
.90の全体的化学量論zに関しては0.05≦y≦0
.95であり、炭窒化物が別個の粉末粒子にわたり分布
されている少なくとも二相からなっており、そして熱力
学的平衡が非金属類である炭素(C)および窒素(N)
に関しては制定されているが全体的には系に対して制定
されていないことを特徴とする物質。
【0031】2.M=Tiおよび/またはZrであり、
M**=Moおよび/またはWであり、そして0.90
≦p1+q≦1であることを特徴とする、上記1の炭窒
化物硬質物質。
【0032】3.M=Tiでありそしてp+q=1であ
ることを特徴とする、上記1および2の炭窒化物硬質物
質。
【0033】4.炭窒化物が別個の粉末粒子間に分布し
ている二つの立方体相からなることを特徴とする、上記
1、2および3の炭窒化物硬質物質。
【0034】5.二相すなわち重量成分g1およびg2
=1−g1との部分的熱力学的平衡状態で位置する粉末
粒子型が粉末粒子型1および2として存在しておりそし
て下記範囲内の組成を有することを特徴とする、上記1
、2、3および4の炭窒化物硬質物質: 型1: (Tiq1M**p1)(C1−y1Ny1)z1、こ
こでM**=Moおよび/またはW、p1=1−q1、
q1≧0.98、0.06≦y1≦0.96、z1≧0
.98、21%質量部≦q1≦94%質量部 型2: (Tiq2M**p2)(C1−y2Ny2)z2、こ
こでM**=Moおよび/またはW、p2=1−q2、
0.30≦q2≦0.70、y2≦0.04、z2≦0
.95、6%質量部≦q2≦79%質量部。
【0035】6.簡略組成が0.80≦q≦0.97お
よび0.05≦y≦0.50の範囲内にあり、全体的化
学量論zが≧0.95であり、そして部分的熱力学的平
衡における相すなわち粉末粒子型1および2が下記の組
成、成分類g1およびg2、並びに立方体相の格子定数
a1およびa2により同定されていることを特徴とする
、上記1、2、3、4および5の炭窒化物硬質物質:型
1: (Tiq1M**p1)(C1−y1Ny1)z1、こ
こでM**=Moおよび/またはW、p1=1−q1、
q1≧0.98、0.06≦y1≦0.56、z1≧0
.98、29%質量部≦q1≦88%質量部、0.42
80nm≦a1≦0.4305nm 型2: (Tiq2M**p2)(C1−y2Ny2)z2、こ
こでM**=Moおよび/またはW、p2=1−q2、
0.60≦q2≦0.70、y2≦0.04、z2≧0
.95、および12%質量部≦q2≦71%質量部、0
.4310nm≦a2≦0.4320nm。7.一段階
で、金属類Mの酸化物、金属類M**、および任意に金
属類M**、および任意に金属類M*および/またはそ
れらの酸化物並びに炭素からなる粉末混合物を窒素/水
素および/または不活性気体からなる流動気体混合物(
1:0.5−1:5の窒素対水素および/または不活性
気体の分圧比を有する)中で1,800−2,000℃
の温度において短時間であるが酸化物の炭素熱還元には
充分な時間にわたりか焼することを特徴とする、上記1
、2、3、4および5の炭窒化物硬質物質の製造方法。
【0036】8.か焼を気体混合物を用いて常圧下で2
0−60分間の期間にわたり炭素管式短循環炉中で実施
することを特徴とする、上記7の方法。
【0037】9.一段階で、金属類Mの酸化物、金属類
M**、および任意に金属類M**、および任意に金属
類M*および/またはそれらの酸化物並びに炭素からな
る粉末混合物を100Paより良い真空下で1,500
−1,800℃の温度に加熱し、真空ポンプの吸引効果
を減少させずに酸化物の炭素熱的還元が実質的に完了す
るまでこの温度に保ち、そして次に流動窒素下で10P
a−70kPaの圧力下で1,500−1,800℃の
温度において短時間であるが酸化物成分の炭素熱還元に
充分な時間にわたりか焼することを特徴とする、上記1
の炭窒化物硬質物質の製造方法。
【0038】10.一段階方法の第二相中で、真空ポン
プの吸引効果を減少させずに制定された温度における保
持時間が60分までであり、その後、混合物を流動窒素
下で1,500−1,800℃の温度においてそして1
0Pa−70kPaの圧力下で60分以内か焼すること
を特徴とする、上記9の炭窒化物硬質物質の製造方法。
【0039】11.炭窒化物硬質物質並びに任意に他の
硬質物質および結合用金属または結合用金属合金から液
相中での焼結により複合体が製造されるような硬質物質
/結合用金属複合体用の、上記1−10の炭窒化物硬質
物質の使用。
【0040】12.金属類Feおよび/またはNiおよ
び/またはCoを結合用金属として使用することを特徴
とする、上記11の使用。
【0041】13.構造部品および器具の表面近くの耐
摩耗性層の一成分としての、上記1−10の1項以上の
炭窒化物硬質物質の使用。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  一般的組成(MqM*1−q−pM*
    *p)(C1−yNy)zを有する元素周期律表の第4
    (M)、第5(M*)および第6(M**)副族の遷移
    金属類(M、M*、M**)の炭窒化物硬質物質におい
    て、概略組成が0.5≦y≦0.97、0.03≦p≦
    0.5、0.80≦p+q≦1の範囲内にあり、z≧0
    .90の全体的化学量論zに関しては0.05≦y≦0
    .95であり、炭窒化物が別個の粉末粒子にわたり分布
    されている少なくとも二相からなっており、そして熱力
    学的平衡が非金属類である炭素(C)および窒素(N)
    に関しては制定されているが全体的には系に対して制定
    されていないことを特徴とする物質。
  2. 【請求項2】  一段階で、金属類Mの酸化物、金属類
    M**、および任意に金属類M**、および任意に金属
    類M*および/またはそれらの酸化物並びに炭素からな
    る粉末混合物を窒素/水素および/または不活性気体か
    らなる流動気体混合物(1:0.5−1:5の窒素対水
    素および/または不活性気体の分圧比を有する)中で1
    ,800−2,000℃の温度において短時間であるが
    酸化物の炭素熱還元には充分な時間にわたりか焼するこ
    とを特徴とする、請求項1記載の炭窒化物硬質物質の製
    造方法。
  3. 【請求項3】  炭窒化物硬質物質並びに任意に他の硬
    質物質および結合用金属または結合用金属合金から液相
    中での焼結により複合体が製造されるような硬質物質/
    結合用金属複合体用の、請求項1記載の炭窒化物硬質物
    質の使用。
  4. 【請求項4】  構造部品および器具の表面近くの耐摩
    耗性層の一成分としての、請求項1記載の炭窒化物硬質
    物質の使用。
JP3171827A 1990-06-20 1991-06-18 元素周期律表の第5(m*)および第6(m**)副族の遷移金属類(m、m*、m**)の炭窒化物硬質物質、それらの製造方法、およびそれらの使用 Pending JPH04280805A (ja)

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DD22C/3418427 1990-06-20

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