JPH04297544A - Ceramic-metal article and manufacture - Google Patents

Ceramic-metal article and manufacture

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JPH04297544A
JPH04297544A JP3244276A JP24427691A JPH04297544A JP H04297544 A JPH04297544 A JP H04297544A JP 3244276 A JP3244276 A JP 3244276A JP 24427691 A JP24427691 A JP 24427691A JP H04297544 A JPH04297544 A JP H04297544A
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JP
Japan
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titanium
tungsten
hafnium
ceramic
tantalum
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JP3244276A
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Japanese (ja)
Inventor
Sergej T Buljan
セルゲイ・ティー・ブルヤン
Helmut Lingertat
ヘルムート・リンガータート
Steven F Wayne
スティーブン・エフ・ウェイン
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Verizon Laboratories Inc
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GTE Laboratories Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C29/00Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/005Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides comprising a particular metallic binder
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/14Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15Hot isostatic pressing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/23Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces involving a self-propagating high-temperature synthesis or reaction sintering step
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Abstract

PURPOSE: To develop a cutting tool provided with the wear resistance and impact resistance.
CONSTITUTION: The highly dense ceramic-metal article contains 80-95 vol.% granular hard phase and 5-20 vol.% metallic phase, the hard phase consists of carbide, nitride, carbonitride, oxy-carbide, oxy-nitride, and carboxyl-nitride which are hard and high in melting point, of the cubic solid solution of W-Ti, W-Hf, W-Nb, W-Ta, Zr-Ti, Hf-Zr, V-Ti, Nb-Ti, Ta-Ti, and Mo-Ti, while the metallic phase consists of Ni and Al combined with each other of the Ni body Al of 90:10-70:30, and arbitrarily up to 5 wt.% Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, B and C. The article is pre-sintered at the temperature of 1475-1675°C, and its density is increased with the pressure of 34-207MPa at approximately 1575-1675°C by a hot isostatic press. The gradient hardness product can be manufactured by dropping the sintering temperature by at least 50°C below the temperature of the high density stage. The hard phase contains carbide, nitride, carbonitride, oxy-carbide, oxy-nitride, carboxyl-nitride, and boride which are hard and high in melting point, of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and B.
COPYRIGHT: (C)1992,JPO

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、切削工具、耐摩耗部品
等として使用のための金属結合セラミック、例えば炭化
物、窒化物及び炭窒化物物品に関するものであり、特に
は、ニッケル及びアルミニウム両方を含むバインダで結
合されたそうした物品並びにそうした物品を製造する方
法に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to metal-bonded ceramics, such as carbides, nitrides, and carbonitride articles, for use as cutting tools, wear-resistant parts, etc., and more particularly to metal-bonded ceramics, such as carbides, nitrides, and carbonitrides articles containing both nickel and aluminum. The present invention relates to such articles bonded with binders containing the present invention and methods of manufacturing such articles.

【0002】0002

【従来の技術】金属切削用工具材料としてのコバルト結
合炭化タングステン(WC−Co)の開発と実施は、そ
の用途範囲をそれまでの工具鋼の用途範囲を超えて大幅
に拡大した。過去50年にわたって、WC−Co材料へ
のプロセス及び組成に関する改良は、耐摩耗性において
追加的な利益を生み出したが、これら材料に潜在する能
力はコバルトバインダ相の物理的性質により固有に制限
されている。これは、切削速度が金属バインダを軟化す
るに十分の熱を発生する水準にまで増大されるとき顕著
となる。鋼ロールの高速仕上げは、工具インサート(挿
入体)が高温においてその切削用エッジ形態を維持しそ
して摩耗及び変形両方に耐えねばならない金属切削用途
の一例である。
BACKGROUND OF THE INVENTION The development and implementation of cobalt-bonded tungsten carbide (WC-Co) as a tool material for metal cutting has greatly expanded its range of applications beyond that of previous tool steels. Over the past 50 years, process and compositional improvements to WC-Co materials have yielded additional benefits in wear resistance, but the potential capabilities of these materials are inherently limited by the physical properties of the cobalt binder phase. ing. This becomes noticeable when the cutting speed is increased to a level that generates enough heat to soften the metal binder. High speed finishing of steel rolls is an example of a metal cutting application where the tool insert must maintain its cutting edge configuration at high temperatures and resist both wear and deformation.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】残念ながら、一般に「
超硬合金」と呼ばれるWC−Co基金属結合型炭化物焼
結合金はまた、鉄基合金加工物と超硬合金工具表面との
間での界面において高温での化学相互作用により悪影響
を受ける。WC−Co系への立方晶炭化物(即ちTiC
)の添加は、部分的にその結果としての硬度の増大並び
に化学相互反応への耐性の増大の結果として、鋼加工中
の工具性能における或る種の改善につながった。しかし
、そうしたTiC富化WC−Co合金の性能は、TiC
相の低い破壊靭性により影響を受け、これは例えばフラ
イス削り(milling )のような間隔を置いての
切削と関与する機械加工作業中破損しやすい傾向を生み
出した。
[Problem to be solved by the invention] Unfortunately, in general, “
WC-Co-based metal-bonded carbide sintered alloys, referred to as ``cemented carbide'', are also adversely affected by chemical interactions at high temperatures at the interface between the iron-based alloy workpiece and the cemented carbide tool surface. Cubic carbide (i.e. TiC) to WC-Co system
) addition led to certain improvements in tool performance during steel machining, partially as a result of the consequent increase in hardness as well as increased resistance to chemical interactions. However, the performance of such TiC-enriched WC-Co alloys is
Affected by the low fracture toughness of the phase, this created a tendency to fracture during machining operations involving spaced cuts, such as milling.

【0004】従って、硬質鋼旋削の要求に耐えることが
でき(耐摩耗性)また鋼フライス削りの要求に耐えるこ
とができる(耐衝撃性)切削工具として適当な超硬合金
材料が開発さるなら非常に価値あるものとなる。本発明
の課題は、そうした要望に答えるセラミック−金属物品
を開発することである。
It would therefore be of great benefit if a cemented carbide material suitable for cutting tools could be developed that could withstand the demands of hard steel turning (wear resistance) and steel milling demands (impact resistance). becomes valuable. The object of the present invention is to develop a ceramic-metal article that meets these needs.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明の一様相に従えば
、約80〜95容積%の粒状硬質相と約5〜20容積%
の金属相とを含むセラミック−金属物品であって、その
場合該粒状硬質相がジルコニウム−チタン、ハフニウム
−チタン、ハフニウム−ジルコニウム、バナジウム−チ
タン、ニオブ−チタン、タンタル−チタン、モリブデン
−チタン、タングステン−チタン、タングステン−ハフ
ニウム、タングステン−ニオブ及びタングステン−タン
タルから成る群から選択される立方晶固溶体の硬質高融
点炭化物、窒化物、炭窒化物、酸炭化物、酸窒化物、炭
酸窒化物及びその混合物のうちのセラミック材料からな
り、他方該金属相は重量で約90:10〜70:30の
ニッケル対アルミニウムの比率を有するニッケル及びア
ルミニウムの組合せと、0〜5重量%のチタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、
クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、硼素、
炭素及びその組合せから成る群から選択される添加剤と
から実質なり、そして理論密度の少なくとも約95%の
密度を有するセラミック−金属物品が提供される。
According to one aspect of the invention, about 80-95% by volume of a granular hard phase and about 5-20% by volume of a granular hard phase.
a ceramic-metal article comprising a metal phase of zirconium-titanium, hafnium-titanium, hafnium-zirconium, vanadium-titanium, niobium-titanium, tantalum-titanium, molybdenum-titanium, tungsten. - cubic solid solution hard high-melting carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides and mixtures thereof selected from the group consisting of titanium, tungsten-hafnium, tungsten-niobium and tungsten-tantalum; while the metallic phase comprises a combination of nickel and aluminum having a nickel to aluminum ratio of about 90:10 to 70:30 by weight, and 0 to 5% by weight of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum,
Chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, boron,
and an additive selected from the group consisting of carbon and combinations thereof, and having a density of at least about 95% of the theoretical density.

【0006】特定的には、金属相が実質上Ni3 Al
規則化結晶構造或いは前記添加剤と共存する若しくは添
加剤により改質されたNi3 Al規則化結晶構造から
実質上なるようなセラミック−金属物品が提供される。
In particular, the metallic phase is substantially Ni3Al
A ceramic-metallic article is provided which consists essentially of an ordered crystal structure or a Ni3Al ordered crystal structure coexisting with or modified by said additives.

【0007】本発明の別の様相に従えば、表面が芯部よ
り高い硬度を有するセラミック−金属硬度傾斜製品が提
供され、この場合、硬質相は、チタン、ジルコニウム、
ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、
モリブデン、タングステン、コバルト及び硼素から成る
群から選択される元素の硬質高融点炭化物、窒化物、炭
窒化物、酸炭化物、酸窒化物、炭酸窒化物、硼化物及び
その混合物ともなしうる。
[0007] According to another aspect of the invention, a ceramic-metal hardness graded article is provided in which the surface has a higher hardness than the core, wherein the hard phase is titanium, zirconium,
hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium,
It may also be a hard high melting point carbide, nitride, carbonitride, oxycarbide, oxynitride, carbonitride, boride and mixtures thereof of elements selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, cobalt and boron.

【0008】本発明の更に別の様相に従えば、(a)チ
タン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ
、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバ
ルト及び硼素から成る群から選択される元素の硬質高融
点炭化物、窒化物、炭窒化物、酸炭化物、酸窒化物、炭
酸窒化物、硼化物及びその混合物、並びに(b)ジルコ
ニウム−チタン、ハフニウム−チタン、ハフニウム−ジ
ルコニウム、バナジウム−チタン、ニオブ−チタン、タ
ンタル−チタン、モリブデン−チタン、タングステン−
チタン、タングステン−ハフニウム、タングステン−ニ
オブ及びタングステン−タンタルから成る群から選択さ
れる立方晶固溶体の硬質高融点炭化物、窒化物、炭窒化
物、酸炭化物、酸窒化物、炭酸窒化物及びその混合物か
ら成る群から選択されるセラミック材料から実質上なる
約80〜95容積%の粒状硬質相と、重量で約85:1
5〜88:12のニッケル対アルミニウムの比率を有す
るニッケル及びアルミニウムと、0〜5重量%のチタン
、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タ
ンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト
、硼素、炭素及びその組合せから成る群から選択される
添加剤とから実質上なる金属相成分の混合物を真空或い
は不活性雰囲気において約1475〜1675℃におい
て充分の時間予備焼結して気孔を密閉したミクロ組織を
発現せしめる予備焼結段階と、そして前記予備焼結混合
物を熱間等圧プレスにより約1575〜1675℃の温
度で、不活性雰囲気中でそして34〜207MPaの圧
力で高密度化して理論値の少なくとも約95%の密度を
有する物品を生成する高密度化段階とを包含するセラミ
ック−金属物品を製造する方法が提供される。
According to yet another aspect of the invention, (a) a hard high melting point element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt and boron; carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides, borides and mixtures thereof, and (b) zirconium-titanium, hafnium-titanium, hafnium-zirconium, vanadium-titanium, niobium-titanium, Tantalum - titanium, molybdenum - titanium, tungsten -
from cubic solid solution hard high melting point carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides and mixtures thereof selected from the group consisting of titanium, tungsten-hafnium, tungsten-niobium and tungsten-tantalum; about 80-95% by volume of a granular hard phase consisting essentially of a ceramic material selected from the group consisting of: about 85:1 by weight;
Nickel and aluminum with a nickel to aluminum ratio of 5 to 88:12 and 0 to 5% by weight of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, boron, carbon and combinations thereof. Pre-sintering a mixture of metal phase components substantially consisting of an additive selected from the group consisting of a sintering step, and densifying the pre-sintered mixture by hot isostatic pressing at a temperature of about 1575-1675° C. in an inert atmosphere and at a pressure of 34-207 MPa to at least about 95% of the theoretical value. a densification step to produce an article having a density of .

【0009】より特定的には、前記予備焼結段階が約1
475〜1575℃において実施され、その場合焼結温
度が高密度化段階の温度より少なくとも50℃低い温度
で実施される方法が提供される。
More particularly, said pre-sintering step is about 1
A method is provided which is carried out at a temperature of 475-1575°C, where the sintering temperature is at least 50°C lower than the temperature of the densification stage.

【0010】また、より特定的には、ニッケル対アルミ
ニウムの比率が高密度化段階中金属相成分がNi3 A
l規則化結晶構造或いは前記添加剤と共存する若しくは
添加剤により改質されたNi3 Al規則化結晶構造に
実質上変換されるように選択される方法が提供される。
More specifically, the ratio of nickel to aluminum is such that during the densification stage the metallic phase component is Ni3A
1 ordered crystal structure or a Ni3 Al ordered crystal structure coexisting with or modified by said additives is provided.

【0011】[0011]

【作用】金属相が実質上Ni3 Al規則化結晶構造或
いは前記添加剤と共存する若しくは添加剤により改質さ
れたNi3 Al規則化結晶構造から実質なるようなセ
ラミック−金属物品が提供することにより、耐摩耗性及
び耐衝撃性を兼備する切削工具を与える。
By providing a ceramic-metallic article in which the metal phase consists essentially of a Ni3Al ordered crystal structure or a Ni3Al ordered crystal structure coexisting with or modified by the additive, A cutting tool having both wear resistance and impact resistance is provided.

【0012】0012

【実施例】ここでは、セラミック材料の例示として、ニ
ッケル及びアルミニウムを組み合わせた金属間化合物乃
至それを含むバインダにより結合された、タングステン
−チタン固溶体の1種以上の硬質高融点炭化物、窒化物
、酸炭化物、酸窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物乃至硼化
物、或いはタングステンの1種以上の硬質高融点炭化物
、窒化物、酸炭化物、酸窒化物、炭窒化物乃至炭酸窒化
物が挙げられる。これら例示材料は、本発明にセラミッ
ク群の代表例と考えられそして以下の説明は本発明を制
限することを意図するものではない。
[Example] Here, as an example of a ceramic material, one or more hard high melting point carbides, nitrides, oxides of tungsten-titanium solid solution bonded by an intermetallic compound combining nickel and aluminum or a binder containing the same. Examples include carbides, oxynitrides, carbonitrides, carbonitrides and borides, and one or more hard high-melting point carbides, nitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides and carbonitrides of tungsten. These exemplary materials are considered representative of the ceramic family of the present invention, and the following description is not intended to limit the invention.

【0013】代表的な高密度化・金属結合・硬質セラミ
ック体或いは物品は、硬質相成分としての立方晶固溶体
粉末及びバインダ成分として約5〜20容積%の量での
Ni及びAl両粉末の組合せを含む粉末混合物から調製
される。代表的な固溶体粉末は、(Wx,Ti1−x 
)C、(Wx,Ti1−x )N、(Wx,Ti1−x
 )(C,N)、(Wx,Ti1−x )(O,C)、
(Wx,Ti1−x )(O,N)、(Wx,Ti1−
x )(O,C,N)及びその組合せを含む。最も好ま
しくは、xは約0.3〜0.7の重量分率範囲である。 性質(硬度及び破壊靭性)の最適の組合せは、金属バイ
ンダ添加の合計量が約7〜15容積%の範囲にあるとき
に得られる。焼結に際してのまた物理的及び化学的性質
両方のバランスにおいて最善の結果を得るためには、固
溶体硬質相におけるタングステン対チタンの重量比は約
0.3〜3.0、より好ましくは約0.6〜1.5の範
囲とすべきである。約0.3未満のW:Ti比率を有す
る材料は、鋼のフライス削りのための切削工具として使
用される場合のような或る種の用途において重要であり
うる破壊靭性及び耐衝撃性の低下を示す。約3.0を超
える比率は鋼の旋削のための切削工具として使用される
場合のような或る種の用途でやはり重要である耐摩耗性
を向上しない。
A typical densified, metal-bonded, hard ceramic body or article is a combination of a cubic solid solution powder as the hard phase component and both Ni and Al powders in an amount of about 5-20% by volume as the binder component. It is prepared from a powder mixture containing. A typical solid solution powder is (Wx, Ti1-x
)C, (Wx, Ti1-x)N, (Wx, Ti1-x
) (C, N), (Wx, Ti1-x ) (O, C),
(Wx, Ti1-x) (O, N), (Wx, Ti1-
x ) (O, C, N) and combinations thereof. Most preferably, x is in the weight fraction range of about 0.3 to 0.7. The optimum combination of properties (hardness and fracture toughness) is obtained when the total amount of metal binder addition is in the range of about 7-15% by volume. For best results during sintering and in the balance of both physical and chemical properties, the weight ratio of tungsten to titanium in the solid solution hard phase is about 0.3 to 3.0, more preferably about 0. It should be in the range of 6 to 1.5. Materials with a W:Ti ratio of less than about 0.3 suffer from reduced fracture toughness and impact resistance, which can be important in some applications, such as when used as a cutting tool for milling steel. shows. Ratios greater than about 3.0 do not improve wear resistance, which is also important in some applications, such as when used as a cutting tool for turning steel.

【0014】別様には、セラミック材料は代表的に、チ
タン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ
、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、硼素
及びその混合物の化合物を含む。これら硬質相成分の代
表例は、TiC、HfC、VC、TaC、Mo2 C、
WC、B4 C、TiN、Ti(C,N)、TiB2 
或いはWBを含む。粉末混合物は、上記硬質成分、例え
ば炭化タングステンと金属成分としての約5〜20容積
%の量でのNi及びAl両粉末の組合せとを含む。性質
(硬度及び破壊靭性)の最適の組合せは、金属相添加の
合計量が約7〜15容積%の範囲にあるときに得られる
。この例示材料において、炭化タングステンセラミック
成分は、鋼旋削のための切削工具のような用途において
重要である優れた耐摩耗性を与える。金属相は焼結セラ
ミック材料単独よりも一層高い破壊靭性を材料に与えそ
して上記の比率におけるアルミニウム及びニッケルを組
み合わせた金属相はコバルト或いは他の単独金属を上回
るクリープ耐性のような改善された高温性質を与える。
Alternatively, ceramic materials typically include compounds of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, boron, and mixtures thereof. Typical examples of these hard phase components are TiC, HfC, VC, TaC, Mo2C,
WC, B4 C, TiN, Ti(C,N), TiB2
Or it includes WB. The powder mixture comprises the hard components mentioned above, such as tungsten carbide, and a combination of both Ni and Al powders in an amount of about 5-20% by volume as the metal component. The optimum combination of properties (hardness and fracture toughness) is obtained when the total amount of metallic phase addition is in the range of about 7-15% by volume. In this exemplary material, the tungsten carbide ceramic component provides excellent wear resistance, which is important in applications such as cutting tools for steel turning. The metallic phase gives the material higher fracture toughness than the sintered ceramic material alone, and the metallic phase combined with aluminum and nickel in the above ratios provides improved high temperature properties such as creep resistance over cobalt or other single metals. give.

【0015】これら材料のいずれにおいても、上述した
ように、金属粉末成分は、出発配合物の約5〜20容積
%、好ましくは約7〜15容積%を占める。バインダ金
属粉末は約85〜88重量%の量のニッケル及び12〜
15重量%の量のアルミニウム(いずれもバインダ金属
粉末の合計重量に対する割合)を含む。バインダ金属全
体の約5重量%を超えない量での少量のチタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、
クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、硼素及
び/或いは炭素もまた含めることができる。好ましい組
成は12〜14重量%Alそして残部Niである。最も
好ましいバインダ組成において、Ni:Al比率は、N
i3 Al規則化結晶構造を有する、実質上Ni3 A
lバインダの形成をもたらす。Ni3 Alの量はまた
、処理加工条件、例えば処理温度に依存しそして例えば
金属相の100%、40〜80%、50%未満等とサー
メットとしての様々の性質を実現するように選択されう
る。所望量のNi3 Alを実現するに必要とされるN
i:Al粉末の比率は経験的手法で容易に決定しうる。 別法として、予備反応化されたNi3 Alが出発配合
物において使用されうる。
In any of these materials, as mentioned above, the metal powder component represents about 5-20% by volume of the starting formulation, preferably about 7-15% by volume. The binder metal powder contains nickel in an amount of about 85-88% by weight and 12-88% by weight.
It contains aluminum in an amount of 15% by weight (both relative to the total weight of binder metal powder). Minor amounts of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, in amounts not exceeding about 5% by weight of the total binder metal;
Chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, boron and/or carbon may also be included. A preferred composition is 12-14% by weight Al and balance Ni. In the most preferred binder composition, the Ni:Al ratio is N
Substantially Ni3A with i3Al ordered crystal structure
1 resulting in the formation of a binder. The amount of Ni3Al also depends on the processing conditions, e.g. processing temperature, and can be selected to achieve various properties as a cermet, e.g. 100%, 40-80%, less than 50% of the metallic phase, etc. N required to achieve the desired amount of Ni3Al
The ratio of i:Al powder can be easily determined empirically. Alternatively, prereacted Ni3Al can be used in the starting formulation.

【0016】幾つかの組成において、この規則化結晶構
造は、先に挙げた添加剤と共存しうるし或いはそれによ
り改質されうる。切削工具として使用のためのこの材料
の高密度化体における硬質相の好ましい平均粒寸は約0
.5〜5.0μmである。変形抵抗への要件が低い用途
、例えばサンドブラスト用ノズル向けの他の種物品では
、もっと大きな範囲の粒寸、例えば約0.5〜20μm
が満足しうるものとなろう。
[0016] In some compositions, this ordered crystal structure can coexist with or be modified by the additives mentioned above. The preferred average grain size of the hard phase in a densified body of this material for use as a cutting tool is about 0.
.. It is 5 to 5.0 μm. For other types of articles for applications with lower requirements for deformation resistance, such as sandblasting nozzles, a larger range of grain sizes, e.g.
will be satisfactory.

【0017】材料は、既知の方法、例えば焼結、連続サ
イクル焼結、2段焼結+HIP、或いはホットプレスに
より高密度化されうる。これらはすべて斯界で知られて
いるものである。
The material can be densified by known methods such as sintering, continuous cycle sintering, two-stage sintering + HIP, or hot pressing. These are all known in the industry.

【0018】また別の高密度化金属結合硬質セラミック
体或いは物品は、上述したのと同じ全体組成を有するが
、しかし傾斜(勾配づけられた)硬度を示す点で、最も
好ましくは中央部において硬度が低く表面に向けて次第
に増大する硬度を有する点で異なっている。これら特性
を備えるセラミック体を得るためには、高密度化プロセ
スは予備焼結段階を含み、ここでは出発粉末混合物は真
空(例えば約0.1トル)中で或いは不活性雰囲気(例
えば約1気圧)中で約1475〜1575℃、好ましく
は1475〜1550℃の温度に密閉された気孔(独立
気孔)を持つミクロ組織を発現するに充分な時間、例え
ば約0.5〜2時間置かれる。ここで使用するものとし
ての用語「密閉された気孔(独立気孔)を持つミクロ組
織」は、残留する気孔がもはや相互連結されていないミ
クロ組織を意味することを意図する。続いて、セラミッ
ク体は、約34〜207MPaの不活性雰囲気の過剰圧
力の下でそして1575〜1675℃、好ましくは16
00〜1675℃の温度において完全密度を達成するに
充分の時間、例えば0.5〜2時間充分に高密度化され
る。予備焼結温度は最終高密度化温度より少なくとも5
0℃低い。これら傾斜硬度セラミック体は、顕著な耐衝
撃性を示しそしてフライス工具装入体としてまた鋼の間
隔を置いての切削用の工具として特に有用である。
Another densified metal-bonded hard ceramic body or article has the same overall composition as described above, but in that it exhibits a graded hardness, most preferably in the central portion. The difference is that the hardness is low and gradually increases toward the surface. To obtain ceramic bodies with these properties, the densification process includes a presintering step in which the starting powder mixture is heated in a vacuum (e.g., about 0.1 torr) or in an inert atmosphere (e.g., about 1 atm). ) at a temperature of about 1475-1575°C, preferably 1475-1550°C, for a time sufficient to develop a microstructure with closed pores, for example about 0.5-2 hours. The term "microstructure with closed pores" as used herein is intended to mean a microstructure in which the remaining pores are no longer interconnected. Subsequently, the ceramic body is heated under an overpressure of an inert atmosphere of about 34-207 MPa and at 1575-1675°C, preferably 16
Sufficient densification is carried out at a temperature of 0.000 to 1675° C. for a sufficient time to achieve full density, such as from 0.5 to 2 hours. The pre-sintering temperature is at least 5% lower than the final densification temperature.
0℃ lower. These graded hardness ceramic bodies exhibit outstanding impact resistance and are particularly useful as milling tool inserts and as tools for space cutting of steel.

【0019】傾斜硬度がもたらされる深さは予備焼結温
度に依存する。つまり、もし充分に傾斜づけられた硬度
が重要でないなら、同様のプロセスがもっと広範囲の予
備焼結温度、約1475〜1675℃でもって使用でき
そして予備焼結とホットプレス温度との間での50℃温
度差要件は必要とされない。
The depth at which the hardness gradient is produced depends on the presintering temperature. Thus, if fully graded hardness is not important, a similar process can be used with a wider range of presintering temperatures, about 1475-1675°C, and between presintering and hot pressing temperatures of 50°C. °C temperature difference requirements are not required.

【0020】切削工具のような或る種の用途に対しては
、ここで記載した物品は、ある所望される表面特性を与
えるべく高融点物質で被覆されうる。好ましいコーティ
ングは、例えばチタン、タンタル乃至ハフニウムの高融
点金属炭化物、窒化物、及び/或いは炭窒化物、或いは
例えばアルミニウム乃至ジルコニウムの酸化物或いはこ
れら材料の異なった層及び/或いは固溶体としての組合
せの1つ以上の密着した組成的に別個の層を有する。 こうしたコーティングは化学的蒸着(CVD)或いは物
理的蒸着(PVD)のような方法によりそして好ましく
は約0.5〜10μmの合計厚さまで付着されうる。超
硬合金被覆のために適当であるとして斯界で知られるC
VD或いはPVD技術がここで記載した物品を被覆する
のに好ましい。
For certain applications, such as cutting tools, the articles described herein may be coated with high melting point materials to provide certain desired surface properties. Preferred coatings are refractory metal carbides, nitrides and/or carbonitrides of, for example, titanium, tantalum or hafnium, or oxides of, for example aluminum or zirconium, or one of the combinations of these materials as different layers and/or solid solutions. having two or more cohesive, compositionally distinct layers. Such coatings may be deposited by methods such as chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) and preferably to a total thickness of about 0.5-10 μm. C, which is known in the art as being suitable for cemented carbide coatings.
VD or PVD techniques are preferred for coating the articles described herein.

【0021】アルミナ、炭化チタン、窒化チタン、炭窒
化チタン、炭化ハフニウム、窒化ハフニウム或いは炭窒
化ハフニウムのコーティングは代表的にCVDにより被
覆される。上に挙げた他のコーティングは、適用可能で
あるならCVDにより或いはPVDによりいずれでも被
覆されうる。適当なCVD技術の例としては、直接蒸発
及びスパッタリングが含まれる。別法として、高融点金
属或いは先駆物質が上述のセラミック体上に化学的或い
は物理的付着技術により付着されそして続いて炭化及び
/或いは窒化されて高融点金属炭化物、炭窒化物或いは
窒化物コーティングを生成するようにすることもできる
。好ましいCVD方法の有用な特性は、付着コーティン
グの純度並びに付着プロセスの早期段階中付着される層
と基材との間でのまた中間層との間での拡散相互反応に
よりしばしば生じる層密着性の向上である。
Alumina, titanium carbide, titanium nitride, titanium carbonitride, hafnium carbide, hafnium nitride or hafnium carbonitride coatings are typically applied by CVD. The other coatings listed above can be applied either by CVD or by PVD, if applicable. Examples of suitable CVD techniques include direct evaporation and sputtering. Alternatively, a refractory metal or precursor can be deposited on the ceramic body by chemical or physical deposition techniques and subsequently carbonized and/or nitrided to form a refractory metal carbide, carbonitride or nitride coating. It is also possible to generate one. Useful properties of the preferred CVD method include the purity of the deposited coating as well as the layer adhesion often caused by diffusion interactions between the deposited layer and the substrate and between interlayers during the early stages of the deposition process. It's an improvement.

【0022】例えば切削工具のような或る種の用途に対
しては、上述した様々のコーティングの組合せが全体的
性能を向上するように工夫され、その選定は切削工具に
対しては機械加工用途及び加工物材料に依存する。これ
は、例えば、コーティング対基材及びコーティング対コ
ーティングの密着性を改善するコーティング組合せの選
択を通してまた基材のミクロ構造的に影響される性質の
改善を通して達成される。そうした性質の例としては、
基材の硬度、破壊靭性、耐衝撃性、及び化学的不活性を
挙げることができる。
For certain applications, such as cutting tools, combinations of the various coatings described above may be devised to improve overall performance; and depends on the workpiece material. This is achieved, for example, through the selection of coating combinations that improve coating-to-substrate and coating-to-coating adhesion, and through improvement of microstructurally influenced properties of the substrate. An example of such a property is
Mention may be made of the hardness, fracture toughness, impact resistance, and chemical inertness of the substrate.

【0023】次の例は当業者が本発明をより明確に理解
しそして実施することを可能ならしめる目的で呈示する
ものである。これら例は、本発明範囲を制限するもので
はなく、本発明の単なる例示であることを銘記すべきで
ある。
The following examples are presented to enable those skilled in the art to more clearly understand and practice the invention. It should be noted that these examples do not limit the scope of the invention, but are merely illustrative of the invention.

【0024】(例)10容積%の金属バインダ(86.
7重量%Ni及び13.3重量%Al、これはNi3 
Al化学量論比に相当する)及び90容積%硬質相(非
固溶体としての炭化物乃至硼化物、或いは50:50重
量比の固溶体W:Tiにおける(W,Ti)Cのいずれ
か)の粉末混合物から切削工具を調製した。
(Example) 10% by volume of metal binder (86.
7 wt% Ni and 13.3 wt% Al, which is Ni3
A powder mixture of 90% by volume of hard phase (either carbide or boride as a non-solid solution or (W,Ti)C in a solid solution W:Ti in a 50:50 weight ratio) A cutting tool was prepared from.

【0025】(例1)111.52gの(W,Ti)C
及び金属粉末、0.0315gの炭素、4.13gのパ
ラフィン及び150ccのヘプタンから成る装入物を5
00cc容量の炭化タングステン製アトリッターミルに
おいて2000gの3.2mm焼結炭化タングステンボ
ール媒体を使用して120rpmで2−1/2時間ミリ
ングした。ミリング後、ステンレス鋼スクリーンを通し
て追加ヘプタンで洗浄することにより粉末をミリング媒
体から分離した。過剰のヘプタンを徐々に蒸発せしめた
。バインダ(ワックス)の不均一化を防止するために、
この濃厚スラリーを蒸発操作中連続的に混合しそしてケ
ーキ形成粉末をプラスチック製ヘラで小さな乾燥粒子に
粉砕した。乾燥粒子をその後40メッシュ及び80メッ
シュ篩を使用して2段階で分篩した。分篩した粉末をそ
の後138MPaにおいてプレスして、16×16×6
.6mmの寸法を有しそして50〜60容積%の固体分
充填量を有する生の圧縮体を生成した。
(Example 1) 111.52 g of (W,Ti)C
and metal powder, 0.0315 g carbon, 4.13 g paraffin and 150 cc heptane.
Milling was performed in a 00 cc capacity tungsten carbide attritor mill using 2000 g of 3.2 mm sintered tungsten carbide ball media at 120 rpm for 2-1/2 hours. After milling, the powder was separated from the milling media by washing through a stainless steel screen with additional heptane. Excess heptane was slowly evaporated. To prevent the binder (wax) from becoming uneven,
This thick slurry was mixed continuously during the evaporation operation and the cake-forming powder was ground into small dry particles with a plastic spatula. The dried particles were then sieved in two stages using 40 mesh and 80 mesh screens. The sieved powder was then pressed at 138 MPa to form a 16×16×6
.. A green compact was produced having dimensions of 6 mm and a solids loading of 50-60% by volume.

【0026】プレスした圧縮体をグラファイト製ボート
に置き、アルミナ砂で覆いそして室温における水素炉内
に置いた。その後、温度を1時間ごとに100℃づつ昇
温しそして300℃で2時間保持して有機バインダの除
去を完了した。脱ワックスされたサンプルを炉の高温帯
域から移し、室温に冷却しそして水素炉から取り出した
The pressed compacts were placed in a graphite boat, covered with alumina sand and placed in a hydrogen furnace at room temperature. Thereafter, the temperature was increased by 100° C. every hour and maintained at 300° C. for 2 hours to complete the removal of the organic binder. The dewaxed sample was removed from the hot zone of the furnace, cooled to room temperature, and removed from the hydrogen furnace.

【0027】その後、脱ワックスサンプルを2段階、す
なわち予備焼結及び高温等圧プレス(HIP)により高
密度化した。脱ワックスサンプルを、粗いアルミナ砂を
散布しておいたグラファイト製板上で、冷却壁グラファ
イト真空炉内で約0.1トルにおいて1650℃で1時
間予備焼結した。初期昇温は急速に行い、800℃まで
毎分15℃とした。800℃から昇温速度を4.5℃/
分に減じ、サンプルをガス抜きした。予備焼結サイクル
全体を通して、室の圧力を約0.1トルに維持した。
The dewaxed samples were then densified in two steps: pre-sintering and hot isostatic pressing (HIP). The dewaxed samples were presintered at 1650° C. for 1 hour at about 0.1 Torr in a cold wall graphite vacuum furnace on graphite plates that had been dusted with coarse alumina sand. The initial temperature increase was rapid, at 15° C./min up to 800° C. Temperature increase rate from 800℃ to 4.5℃/
The sample was degassed. The chamber pressure was maintained at approximately 0.1 Torr throughout the pre-sintering cycle.

【0028】最終凝結をHIPユニットにおいて165
0℃においてそして207MPaのアルゴン雰囲気中で
1時間約10℃/分の加熱速度を使用して実施した。最
大温度(1650℃)及び圧力(207MPa)に同時
に達するようにしそして約1時間維持しその後室温まで
炉冷した。
Final condensation is carried out in the HIP unit at 165
It was carried out at 0° C. and using a heating rate of about 10° C./min for 1 hour in an argon atmosphere of 207 MPa. Maximum temperature (1650° C.) and pressure (207 MPa) were reached simultaneously and maintained for about 1 hour, after which time the furnace was cooled to room temperature.

【0029】このプロセスにより調製した切削工具は、
図1に示すように、鋼の機械加工において、市販の切削
工具を上回る改善された性能を示した。工具は、104
5鋼の乾式旋削において600ft(180m)/分、
0.016in(0.041cm)/回転、0.050
in(0.13cm)のD.O.C.(depth o
fcut切り込み深さ)の条件で使用した。図1に示さ
れる摩耗値は3つのコーナーにおいて生じた摩耗の平均
値である。 29.1in3 (477cm3 )の金属を除去した
。図1に見られるように、この例の工具は、旋削性能に
おいて市販工具#1と比較して著しく優れたノッチ摩耗
を示し、そして市販工具#2よりも格段に優れた性能を
有する。図1の市販工具と本例の工具との組成及び室温
での硬度を表1に比較して示す。
The cutting tool prepared by this process is
As shown in Figure 1, it showed improved performance over commercially available cutting tools in machining steel. The tool is 104
600 ft (180 m)/min in dry turning of 5 steel;
0.016in (0.041cm)/rotation, 0.050
in (0.13cm) D. O. C. (depth o
fcut cutting depth). The wear values shown in FIG. 1 are the average values of the wear occurring at the three corners. 29.1 in3 (477 cm3) of metal was removed. As seen in FIG. 1, the tool of this example exhibits significantly better notch wear in turning performance compared to commercial tool #1 and has significantly better performance than commercial tool #2. Table 1 shows a comparison of the composition and hardness at room temperature of the commercially available tool in FIG. 1 and the tool of this example.

【0030】(例2)この例の切削工具は、例1と同様
にして調製したが、但し脱ワックス圧縮体を同じ壁冷却
式グラファイト製真空炉において0.1トルにおいて1
500℃で1時間予備焼結した。昇温速度は例1と同じ
とした。すなわち、最初急速に800℃まで15℃/分
としそして800℃からは昇温速度を4.5℃/分に減
じ、ガス抜きをした。
Example 2 The cutting tool of this example was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dewaxed compact was heated at 0.1 Torr in the same wall-cooled graphite vacuum furnace.
Preliminary sintering was performed at 500°C for 1 hour. The temperature increase rate was the same as in Example 1. That is, the heating rate was initially rapidly increased to 800°C at 15°C/min, and from 800°C, the heating rate was reduced to 4.5°C/min to vent gas.

【0031】この例の金属結合炭化物切削工具は、表1
に示されるように、硬度の勾配及び破壊靭性が高密度化
物品の表面からその芯部へと発生する特定のミクロ組織
により特性づけられる。この傾斜硬度切削工具の性能を
機械加工試験により測定し、その結果を図2に示す。こ
の例の工具、例1の工具及び2種の市販工具の耐衝撃性
を鋼加工物(ロックウエル硬度Rc =24)における
乾式フライカッターフライス削り試験により750ft
(225m)/分、4.2in(10.7cm)/回転
、0.125in(0.32cm)のD.O.C.の条
件での標準的なフライス削りカッタ(米国GTE Va
lenite Corporationから市販される
)を使用して測定した。 図2に示される摩耗値は、341衝撃/コーナーにおけ
る4コーナーの平均値である。機械加工試験において使
用した切削工具を組成及び室温硬度と共に表1に示した
The metal-bonded carbide cutting tool of this example is shown in Table 1.
As shown in Figure 1, the hardness gradient and fracture toughness are characterized by a specific microstructure that develops from the surface of the densified article to its core. The performance of this graded hardness cutting tool was measured by machining tests, and the results are shown in FIG. The impact resistance of the tool of this example, the tool of Example 1, and two commercially available tools was determined by a dry fly cutter milling test on a steel workpiece (Rockwell hardness Rc = 24) at 750 ft.
(225 m)/min, 4.2 in (10.7 cm)/rev, 0.125 in (0.32 cm) D. O. C. standard milling cutter (US GTE Va.
(commercially available from Lenite Corporation). The wear values shown in Figure 2 are average values for 4 corners at 341 impacts/corner. The cutting tools used in the machining tests are shown in Table 1 along with their composition and room temperature hardness.

【0032】図2に示すように、この例の工具は、フラ
イス削り性能において、両方の市販工具より優れている
。更に、例2の工具がこの用途に対して最も適当である
が、例1の工具もまたそうした高衝撃用途に対して工業
的に価値があることが認められた。
As shown in FIG. 2, the tool of this example outperforms both commercially available tools in milling performance. Furthermore, although the tool of Example 2 is most suitable for this application, the tool of Example 1 has also been found to be of commercial value for such high impact applications.

【0033】[0033]

【表1】[Table 1]

【0034】(例3〜6)切削工具を例1及び2に対し
て記載したようにして同じ硬質相/金属相粉末を使用し
て調製したが、表2に示す温度及び時間予備焼結しそし
てその幾つかを等圧プレスした。昇温速度は例1と同じ
く最初急速に800℃まで15℃/分そして800℃か
ら昇温速度を4.5℃/分に減少した。X−線回折によ
る特性づけから、圧縮体はそれらの金属相に様々の量の
γ’結晶構造のNi3 Alの形成を証拠づけることが
確認された。
Examples 3-6 Cutting tools were prepared using the same hard phase/metallic phase powders as described for Examples 1 and 2, but presintered at the temperatures and times shown in Table 2. Then some of them were pressed with equal pressure. The heating rate was the same as in Example 1, initially rapidly at 15°C/min up to 800°C, and from 800°C the heating rate was reduced to 4.5°C/min. Characterization by X-ray diffraction confirmed that the compacts evidenced the formation of varying amounts of γ' crystal structure Ni3Al in their metallic phase.

【0035】[0035]

【表2】[Table 2]

【0036】(例7〜10)ニッケル及びアルミニウム
金属相を有するセラミック−金属切削工具を例1に対し
て記載したようにして調製したが、但しその組成は表3
に示すようなものとした。立方晶固溶体(W,Ti)C
基セラミック−金属切削工具の性能を、1045鋼、4
75ft(142.5m)/分、0.012in(0.
03cm)/回転、0.050in(0.13cm)の
D.O.C.の条件での乾式旋削において固溶体炭化物
を含まない同様の工具の性能と比較した。
Examples 7-10 Ceramic-metal cutting tools having nickel and aluminum metallic phases were prepared as described for Example 1, except that the compositions were as shown in Table 3.
It was made as shown in. Cubic solid solution (W,Ti)C
Performance of base ceramic-metal cutting tools, 1045 steel, 4
75ft (142.5m)/min, 0.012in (0.
03cm)/rotation, 0.050in (0.13cm) D. O. C. The performance of a similar tool without solid solution carbide was compared in dry turning under conditions of .

【0037】[0037]

【表3】[Table 3]

【0038】表3に示される摩耗値は、延長された切削
試験中3つのコーナーにおいて生じた摩耗値の平均であ
る。WC−基サーメット工具は延長試験が完了する前に
破損した。残りの試験において、約65〜70in3 
(1064〜1147cm3 )の金属を除去した。表
3に示すように、炭化チタン基サーメット工具は延長さ
れた摩耗性能において同様の炭化タングステン工具(延
長切削試験完了前に破損した)より優れそして炭化タン
グステン及び炭化チタンの混合物に基づく同様の工具の
クレーター摩耗性能をしのいだ。
The wear values shown in Table 3 are the average of the wear values that occurred at the three corners during the extended cutting test. The WC-based cermet tool failed before the extension test was completed. For the remaining tests, approximately 65-70 in3
(1064-1147 cm3) of metal was removed. As shown in Table 3, the titanium carbide-based cermet tool outperformed a similar tungsten carbide tool (which failed before completing the extended cutting test) in extended wear performance and that of a similar tool based on a mixture of tungsten carbide and titanium carbide. Outperformed crater wear performance.

【0039】例10の工具は、それがタングステン及び
チタンの立方晶固溶体炭化物を含んだことを除いてすべ
ての面で同様である。例9及び10の工具は実際上、同
等の化学組成からなり、50:50重量比のタングステ
ン及びチタンを含んだ。しかしながら、驚くべきことに
、この固溶体炭化物含有工具は、機械加工試験において
WC−基工具そして(TiC+WC)−基工具の性能さ
えもしのいだ。固溶体炭化物−基工具はまた、推定上も
っと硬いと思われる例8のTiC−基工具よりフランク
摩耗性能において優れそして均等のクレーター摩耗性能
を示すことが判明した。
The tool of Example 10 was similar in all respects except that it included cubic solid solution carbides of tungsten and titanium. The tools of Examples 9 and 10 were of virtually identical chemical composition, containing a 50:50 weight ratio of tungsten and titanium. However, surprisingly, this solid solution carbide-containing tool outperformed WC-based tools and even (TiC+WC)-based tools in machining tests. The solid solution carbide-based tool was also found to exhibit better flank wear performance and equal crater wear performance than the supposedly harder TiC-based tool of Example 8.

【0040】立方晶固溶体炭化物基工具の驚くべき優秀
性は、表3において掲げた工具の各々の一つのコーナー
において20in3 (328cm3 )の金属除去後
に生じた摩耗の顕微鏡写真である図3〜6において明瞭
に見ることが出来る。図3に例示されるように、炭化タ
ングステン基工具は、最終的に工具の破損につながる激
しいクレーターの発生を示す。図4は、炭化チタン基工
具の激しいノーズ変形を例示するが、この工具は実質上
クレーターの発生を示していない。図5において、(W
C+TiC)基工具における炭化チタンのクレーター発
生に対する耐性と炭化タングステンのノーズ変形に対す
る耐性とを組合せた効果を例示する。本発明の一様相に
従う工具、即ち例10の固溶体炭化物基工具の優秀性が
図6に例示される。ここでは、工具は、実質上クレータ
ーの発生がなくしかも類似の工具のいずれよりも変形及
び摩耗が格段に少ない。
The surprising superiority of cubic solid solution carbide-based tools is illustrated in Figures 3-6, which are micrographs of the wear that occurred after 20 in3 (328 cm3) of metal removal in one corner of each of the tools listed in Table 3. Can be seen clearly. As illustrated in FIG. 3, tungsten carbide-based tools exhibit severe cratering that ultimately leads to tool failure. FIG. 4 illustrates severe nose deformation of a titanium carbide-based tool, which exhibits virtually no cratering. In FIG. 5, (W
This example illustrates the effect of combining titanium carbide's resistance to cratering and tungsten carbide's resistance to nose deformation in a C+TiC)-based tool. The superiority of a tool according to one aspect of the present invention, the solid solution carbide-based tool of Example 10, is illustrated in FIG. Here, the tool is virtually crater-free and exhibits significantly less deformation and wear than any similar tool.

【0041】(例11〜16)10容積%金属相(86
.7重量%Ni及び13.3重量%Al、Ni3 Al
化学量論に相当する)及び90容積%セラミック硬質相
の粉末混合物からセラミック−金属工具を調製した。
(Examples 11 to 16) 10% by volume metallic phase (86
.. 7 wt% Ni and 13.3 wt% Al, Ni3Al
A ceramic-metal tool was prepared from a powder mixture of stoichiometric equivalent) and 90% by volume ceramic hard phase.

【0042】221.28gの炭化タングステン及び金
属粉末、0.0315gの炭素、4.13gのパラフィ
ン及び150ccのヘプタンから成る装入物を、500
cc容量の炭化タングステン製アトリッターミルにおい
て2000gの3.2mm焼結炭化タングステンボール
媒体を使用して120rpmで2−1/2時間ミリング
した。このミリングプロセスを均等の容積%を生成する
ような重量の硬質相を使用して繰り返した。
A charge consisting of 221.28 g of tungsten carbide and metal powder, 0.0315 g of carbon, 4.13 g of paraffin and 150 cc of heptane was
Milling was performed in a cc capacity tungsten carbide attritor mill using 2000 g of 3.2 mm sintered tungsten carbide ball media at 120 rpm for 2-1/2 hours. This milling process was repeated using such weights of hard phase as to produce equal volume percentages.

【0043】ミリング後、各粉末バッチをステンレス鋼
スクリーンを通して追加ヘプタンで洗浄することにより
粉末をミリング媒体から分離した。過剰のヘプタンを徐
々に蒸発せしめた。バインダ(ワックス)の不均一化を
防止するために、この濃厚スラリーを蒸発操作中連続的
に混合しそしてケーキ形成粉末をプラスチック製ヘラで
小さな乾燥粒子に粉砕した。乾燥粒子をその後40メッ
シュ及び80メッシュ篩を使用して2段階で分篩した。 分篩した粉末をその後138MPaにおいてプレスして
16×16×6.6mmの寸法を有しそして50〜60
容積%の固体分充填量を有する生の圧縮体を生成した。
After milling, the powder was separated from the milling media by washing each powder batch through a stainless steel screen with additional heptane. Excess heptane was slowly evaporated. To prevent binder (wax) non-uniformity, this thick slurry was mixed continuously during the evaporation operation and the cake-forming powder was ground into small dry particles with a plastic spatula. The dried particles were then sieved in two stages using 40 mesh and 80 mesh screens. The sieved powder was then pressed at 138 MPa to have dimensions of 16 x 16 x 6.6 mm and 50-60
A green compact was produced having a solids loading of % by volume.

【0044】プレスした圧縮体をグラファイト製ボート
に置き、アルミナ砂で覆いそして室温における水素炉内
に置いた。その後、温度を1時間ごとに100℃づつ昇
温しそして300℃で2時間保持して有機バインダの除
去を完了した。脱ワックスされたサンプルを炉の高温帯
域から移し、室温に冷却しそして水素炉から取り出した
The pressed compacts were placed in a graphite boat, covered with alumina sand and placed in a hydrogen furnace at room temperature. Thereafter, the temperature was increased by 100° C. every hour and maintained at 300° C. for 2 hours to complete the removal of the organic binder. The dewaxed sample was removed from the hot zone of the furnace, cooled to room temperature, and removed from the hydrogen furnace.

【0045】その後、脱ワックスサンプルを2段階、す
なわち予備焼結及び高温等圧プレス(HIP)により高
密度化した。脱ワックスサンプルを、粗いアルミナ砂を
散布しておいたグラファイト製板上で、冷却壁グラファ
イト真空炉内で約0.1トルにおいて1650℃で1時
間予備焼結した。初期昇温は急速に行い800℃まで毎
分15℃とした。800℃から昇温速度を4.5℃/分
に減じた。予備焼結サイクル全体を通して、室の圧力を
約0.1トルに維持した。
The dewaxed samples were then densified in two steps: pre-sintering and hot isostatic pressing (HIP). The dewaxed samples were presintered at 1650° C. for 1 hour at about 0.1 Torr in a cold wall graphite vacuum furnace on graphite plates that had been dusted with coarse alumina sand. The initial temperature was raised rapidly to 800°C at a rate of 15°C per minute. From 800°C, the heating rate was reduced to 4.5°C/min. The chamber pressure was maintained at approximately 0.1 Torr throughout the pre-sintering cycle.

【0046】最終凝結をHIPユニットにおいて165
0℃においてそして207MPaのアルゴン雰囲気中で
1時間約10℃/分の加熱速度を使用して実施した。最
大温度(1650℃)及び圧力(207MPa)に同時
に達するようにしそして約1時間維持しその後室温まで
炉冷した。各高密度化された圧縮体表面のヌープ硬度を
表4に示す。
Final condensation is carried out in the HIP unit at 165
It was carried out at 0° C. and using a heating rate of about 10° C./min for 1 hour in an argon atmosphere of 207 MPa. Maximum temperature (1650° C.) and pressure (207 MPa) were reached simultaneously and maintained for about 1 hour, after which time the furnace was cooled to room temperature. Table 4 shows the Knoop hardness of the surface of each densified compact.

【0047】[0047]

【表4】[Table 4]

【0048】表4に示されるように、上述したようにし
て調製された炭化物圧縮体は、市販の切削工具を上回る
改善された硬度を示した。上に述べたようにして調製さ
れたチタン及びタングステン−チタン工具は、1045
鋼の乾式旋削において475ft(143m)/分、0
.012in(0.03cm)/回転、0.050in
(0.13cm)のD.O.C.の条件で良好な性能を
示した。
As shown in Table 4, the carbide compacts prepared as described above exhibited improved hardness over commercially available cutting tools. Titanium and tungsten-titanium tools prepared as described above were 1045
475 ft (143 m)/min, 0 in steel dry turning
.. 012in (0.03cm)/rotation, 0.050in
(0.13cm) D. O. C. It showed good performance under these conditions.

【0049】(例17)例11−16に対して記載した
ようにして、出発配合物において同じ粉末をそして同じ
プロセスを使用して圧縮体を調製した。但し、脱ワック
ス圧縮体を同じ壁冷却式グラファイト製真空炉において
0.1トルにおいて1500℃で1時間予備焼結した。 昇温速度は例1と同じとした。すなわち、最初急速に8
00℃まで15℃/分としそして800℃からは昇温速
度を4.5℃/分に減じた。
Example 17 Compacts were prepared using the same powder and the same process in the starting formulation as described for Examples 11-16. However, the dewaxed compacts were presintered in the same wall-cooled graphite vacuum furnace at 1500° C. for 1 hour at 0.1 Torr. The temperature increase rate was the same as in Example 1. That is, initially rapidly 8
The heating rate was 15°C/min up to 00°C, and from 800°C the heating rate was reduced to 4.5°C/min.

【0050】例17の金属結合炭化物切削工具は、高密
度化物品の表面からその芯部へと高度の勾配が発現する
特定のミクロ組織により特徴づけられる。
The metal-bonded carbide cutting tool of Example 17 is characterized by a particular microstructure that develops a high degree of gradient from the surface of the densified article to its core.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明は、高度の耐摩耗性を必要とする
硬質の鋼の旋削並びに高度の耐衝撃性を必要とする鋼フ
ライス削りへの要求に耐えることの出来る改善された切
削工具を提供する。本発明はまた、高い強度と耐摩耗性
を必要とする摩耗部品及び他の構造部品を提供する。
The present invention provides an improved cutting tool that can withstand the demands of hard steel turning, which requires a high degree of wear resistance, as well as steel milling, which requires a high degree of impact resistance. provide. The present invention also provides wear parts and other structural parts requiring high strength and wear resistance.

【0052】以上、本発明の好ましい具体例について説
明したが、当業者には、様々の変更や修正が本発明の範
囲から逸脱することなく為しうることが明らかであろう
Although preferred embodiments of the invention have been described, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the scope of the invention.

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

【図1】本発明の一具体例に従う切削工具と市販工具の
機械加工性能を比較するグラフである。
FIG. 1 is a graph comparing the machining performance of a cutting tool according to one embodiment of the present invention and a commercially available tool.

【図2】本発明の二つの具体例に従う切削工具と市販工
具のフライス削り性能を比較するグラフである。
FIG. 2 is a graph comparing the milling performance of a cutting tool according to two embodiments of the present invention and a commercially available tool.

【図3】表3における炭化タングステン基工具の金属除
去後に生じた摩耗の金属組織を示す顕微鏡写真であり、
最終的に工具の破損につながる激しいクレーターの発生
を示す。
FIG. 3 is a micrograph showing the metallographic structure of wear that occurred after metal removal of the tungsten carbide-based tool in Table 3;
Shows severe cratering that ultimately leads to tool failure.

【図4】表3における炭化チタン基工具の金属除去後に
生じた摩耗の金属組織を示す顕微鏡写真であり、激しい
ノーズ変形を示すが、クレーターの発生を実質示してい
ない。
FIG. 4 is a micrograph showing the metallographic structure of the abrasion that occurred after metal removal of the titanium carbide-based tool in Table 3, showing severe nose deformation but virtually no cratering.

【図5】表3における(WC+TiC)基基工具の金属
除去後に生じた摩耗の金属組織を示す顕微鏡写真であり
、(WC+TiC)基工具における炭化チタンのクレー
ター発生に対する耐性と炭化タングステンのノーズ変形
に対する耐性とを組合せた効果を示し、クレーターの発
生を実質示していない。
FIG. 5 is a micrograph showing the metallographic structure of wear that occurred after metal removal of the (WC+TiC)-based tool in Table 3, showing the resistance of titanium carbide to cratering and the nose deformation of tungsten carbide in the (WC+TiC)-based tool. It exhibits a combined effect with resistance, and virtually no cratering occurs.

【図6】例10の固溶体炭化物基工具において金属除去
後に生じた摩耗の金属組織を示す顕微鏡写真であり、工
具は、実質上クレーターの発生がなくしかも類似の工具
のいずれよりも変形及び摩耗が格段に少ない。
FIG. 6 is a photomicrograph showing the metallographic structure of the wear that occurred after metal removal in the solid solution carbide-based tool of Example 10, showing that the tool was substantially free of cratering and showed more deformation and wear than any similar tool. There are far fewer.

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  約80〜95容積%の粒状硬質相と、
約5〜20容積%の金属相とを含むセラミック−金属物
品であって、その場合前記粒状硬質相がジルコニウム−
チタン、ハフニウム−チタン、ハフニウム−ジルコニウ
ム、バナジウム−チタン、ニオブ−チタン、タンタル−
チタン、モリブデン−チタン、タングステン−チタン、
タングステン−ハフニウム、タングステン−ニオブ及び
タングステン−タンタルから成る群から選択される立方
晶固溶体の硬質高融点炭化物、窒化物、炭窒化物、酸炭
化物、酸窒化物、炭酸窒化物及びその混合物のうちから
選択されるセラミック材料からなり、他方前記金属相は
重量で約90:10〜70:30のニッケル対アルミニ
ウムの比率を有するニッケル及びアルミニウムの組合せ
と、0〜5重量%のチタン、ジルコニウム、ハフニウム
、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン
、タングステン、コバルト、硼素、炭素及びその組合せ
から成る群から選択される添加剤とから実質なり、そし
て前記物品が理論密度の少なくとも95%の密度を有す
ることを特徴とするセラミック−金属物品。
1. About 80-95% by volume of a granular hard phase;
about 5-20% by volume of a metal phase, wherein the particulate hard phase is a zirconium-
Titanium, hafnium-titanium, hafnium-zirconium, vanadium-titanium, niobium-titanium, tantalum-
Titanium, molybdenum-titanium, tungsten-titanium,
Among cubic solid solution hard high melting point carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides and mixtures thereof selected from the group consisting of tungsten-hafnium, tungsten-niobium and tungsten-tantalum. selected ceramic materials, while the metallic phase comprises a combination of nickel and aluminum having a nickel to aluminum ratio of about 90:10 to 70:30 by weight, and 0 to 5% by weight of titanium, zirconium, hafnium, and an additive selected from the group consisting of vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, boron, carbon and combinations thereof, and wherein said article has a density of at least 95% of the theoretical density. Ceramic-metal article featuring features.
【請求項2】  金属相がNi3 Al規則化結晶構造
或いは前記添加剤と共存する若しくは添加剤により改質
されたNi3 Al規則化結晶構造から実質上なる請求
項1のセラミック−金属物品。
2. The ceramic-metallic article of claim 1, wherein the metallic phase consists essentially of a Ni3Al ordered crystal structure or a Ni3Al ordered crystal structure coexisting with or modified by said additive.
【請求項3】  物品が1つ以上の密着した組成的に別
個の層で被覆され、該層の各々がチタン、タンタル乃至
ハフニウムの炭化物、窒化物乃至炭窒化物、アルミニウ
ム乃至ジルコニウムの酸化物、或いはこれらの混合物若
しくは固溶体である請求項1のセラミック−金属物品。
3. The article is coated with one or more coherent compositionally distinct layers, each layer comprising a titanium, tantalum or hafnium carbide, a nitride or carbonitride, an aluminum or zirconium oxide, or a mixture or solid solution thereof.
【請求項4】  硬質相が実質上立方晶固溶体であるタ
ングステン−チタン炭化物から成る請求項1のセラミッ
ク−金属物品。
4. The ceramic-metal article of claim 1, wherein the hard phase comprises tungsten-titanium carbide which is a substantially cubic solid solution.
【請求項5】  硬質相におけるタングステン対チタン
の重量比率が約1:3〜3:1である請求項4のセラミ
ック−金属物品。
5. The ceramic-metal article of claim 4, wherein the weight ratio of tungsten to titanium in the hard phase is about 1:3 to 3:1.
【請求項6】  約80〜95容積%の粒状硬質相と、
約5〜20容積%の金属相とを含むセラミック−金属物
品であって、その場合前記粒状硬質相が(a)チタン、
ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タン
タル、クロム、コバルト、モリブデン、タングステン及
び硼素から成る群から選択される元素の硬質高融点炭化
物、窒化物、炭窒化物、酸炭化物、酸窒化物、炭酸窒化
物、硼化物及びその混合物、並びに(b)ジルコニウム
−チタン、ハフニウム−チタン、ハフニウム−ジルコニ
ウム、バナジウム−チタン、ニオブ−チタン、タンタル
−チタン、モリブデン−チタン、タングステン−チタン
、タングステン−ハフニウム、タングステン−ニオブ及
びタングステン−タンタルから成る群から選択される立
方晶固溶体の硬質高融点炭化物、窒化物、炭窒化物、酸
炭化物、酸窒化物、炭酸窒化物及びその混合物から成る
群から選択されるセラミック材料から実質上なり、他方
前記金属相は重量で約90:10〜70:30のニッケ
ル対アルミニウムの比率を有するニッケル及びアルミニ
ウムの組合せと、0〜5重量%のチタン、ジルコニウム
、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム
、モリブデン、タングステン、コバルト、硼素、炭素及
びその組合せから成る群から選択される添加剤とから実
質なり、そして前記物品が表面における大きな硬度から
芯部における減少せる硬度へと勾配づけられた硬度と、
理論密度の少なくとも95%の密度を有することを特徴
とするセラミック−金属物品。
6. About 80-95% by volume of a granular hard phase;
about 5-20% by volume of a metal phase, wherein the particulate hard phase comprises (a) titanium;
Hard high melting point carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides of elements selected from the group consisting of zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, cobalt, molybdenum, tungsten and boron. , borides and mixtures thereof, and (b) zirconium-titanium, hafnium-titanium, hafnium-zirconium, vanadium-titanium, niobium-titanium, tantalum-titanium, molybdenum-titanium, tungsten-titanium, tungsten-hafnium, tungsten-niobium. and ceramic materials selected from the group consisting of cubic solid solution hard high melting point carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides and mixtures thereof selected from the group consisting of tungsten-tantalum. substantially consisting of a combination of nickel and aluminum having a nickel to aluminum ratio of about 90:10 to 70:30 by weight, and 0 to 5% by weight of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, an additive selected from the group consisting of tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, boron, carbon and combinations thereof, and wherein said article is graded from greater hardness at the surface to decreasing hardness at the core. hardness and
A ceramic-metal article characterized in that it has a density of at least 95% of the theoretical density.
【請求項7】  金属相がNi3 Al規則化結晶構造
或いは金属相の容積の約15〜80容積%に量における
前記添加剤と共存する若しくは添加剤により改質された
Ni3 Al規則化結晶構造から実質上なる請求項6の
セラミック−金属物品。
7. The metal phase comprises a Ni3Al ordered crystal structure or a Ni3Al ordered crystal structure coexisting with or modified by the additive in an amount of about 15 to 80% by volume of the volume of the metal phase. 7. The ceramic-metallic article of claim 6 comprising substantially the following.
【請求項8】  物品が1つ以上の密着した組成的に個
別の層で被覆され、該層の各々がチタン、タンタル乃至
ハフニウムの炭化物、窒化物或いは炭窒化物、アルミニ
ウム乃至ジルコニウムの酸化物、或いはこれらの混合物
若しくは固溶体である請求項6のセラミック−金属物品
8. The article is coated with one or more coherent compositionally distinct layers, each layer comprising a titanium, tantalum or hafnium carbide, nitride or carbonitride, an aluminum or zirconium oxide, The ceramic-metal article of claim 6 which is a mixture or solid solution thereof.
【請求項9】  硬質相が実質上立方晶固溶体であるタ
ングステン−チタン炭化物から成る請求項6のセラミッ
ク−金属物品。
9. The ceramic-metal article of claim 6, wherein the hard phase comprises tungsten-titanium carbide which is a substantially cubic solid solution.
【請求項10】  硬質相におけるタングステン対チタ
ンの重量比率が約1:3〜3:1である請求項9のセラ
ミック−金属物品。
10. The ceramic-metal article of claim 9, wherein the weight ratio of tungsten to titanium in the hard phase is about 1:3 to 3:1.
【請求項11】  セラミック−金属物品を製造する方
法であって、(a)チタン、ジルコニウム、ハフニウム
、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン
、タングステン、コバルト及び硼素から成る群から選択
される元素の硬質高融点炭化物、窒化物、炭窒化物、酸
炭化物、酸窒化物、炭酸窒化物、硼化物及びその混合物
並びに(b)ジルコニウム−チタン、ハフニウム−チタ
ン、ハフニウム−ジルコニウム、バナジウム−チタン、
ニオブ−チタン、タンタル−チタン、モリブデン−チタ
ン、タングステン−チタン、タングステン−ハフニウム
、タングステン−ニオブ及びタングステン−タンタルか
ら成る群から選択される立方晶固溶体の硬質高融点炭化
物、窒化物、炭窒化物、酸炭化物、酸窒化物、炭酸窒化
物及びその混合物から成る群から選択されるセラミック
材料から実質上なる約80〜95容積%の粒状硬質相と
、重量で約85:15〜88:12のニッケル対アルミ
ニウムの比率を有するニッケル及びアルミニウムと、0
〜5重量%のチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナ
ジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タン
グステン、コバルト、硼素、炭素及びその組合せから成
る群から選択される添加剤とから実質なる金属相成分の
混合物を、真空或いは不活性雰囲気において約1475
〜1675℃において予備焼結して気孔を密閉したミク
ロ組織を発現せしめる予備焼結段階と、前記予備焼結混
合物を熱間等圧プレスにより約1575〜1675℃の
温度で、不活性雰囲気中でそして34〜207MPaの
圧力で高密度化して理論値の少なくとも約95%の密度
を有する物品を生成する高密度化段階とを包含するセラ
ミック−金属物品を製造する方法。
11. A method of manufacturing a ceramic-metal article, comprising: (a) an element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt and boron. Hard high melting point carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides, borides and mixtures thereof; and (b) zirconium-titanium, hafnium-titanium, hafnium-zirconium, vanadium-titanium,
cubic solid solution hard refractory carbides, nitrides, carbonitrides selected from the group consisting of niobium-titanium, tantalum-titanium, molybdenum-titanium, tungsten-titanium, tungsten-hafnium, tungsten-niobium and tungsten-tantalum; about 80-95% by volume of a particulate hard phase consisting essentially of a ceramic material selected from the group consisting of oxycarbides, oxynitrides, carbonitrides and mixtures thereof, and about 85:15-88:12 by weight nickel. nickel and aluminum having a ratio of 0 to aluminum;
~5% by weight of an additive selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, boron, carbon and combinations thereof. , about 1475 in vacuum or inert atmosphere
a pre-sintering step of pre-sintering at ~1675°C to develop a pore-sealed microstructure; and hot isopressing the pre-sintered mixture at a temperature of about 1575-1675°C in an inert atmosphere. and a densification step at a pressure of 34 to 207 MPa to produce an article having a density of at least about 95% of theoretical.
【請求項12】  予備焼結段階が約1475〜157
5℃において実施されそして焼結温度が高密度化段階の
温度より少なくとも50℃低い温度で実施される請求項
11の方法。
12. The pre-sintering step is about 1475-157.
12. The method of claim 11, wherein the process is carried out at 5[deg.]C and the sintering temperature is carried out at a temperature at least 50[deg.]C lower than the temperature of the densification step.
【請求項13】  ニッケル対アルミニウムの比率が高
密度化段階中金属相成分がNi3 Al規則化結晶構造
或いは前記添加剤と共存する若しくは添加剤により改質
されたNi3 Al規則化結晶構造に実質上変換される
ように選択される請求項11の方法。
13. The ratio of nickel to aluminum during the densification step is such that the metal phase component substantially changes to a Ni3Al ordered crystal structure or a Ni3Al ordered crystal structure coexisting with or modified by the additive. 12. The method of claim 11, wherein the method is selected to be converted.
【請求項14】  硬質相成分がタングステン及びチタ
ンの立方晶固溶体の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸炭化
物、酸窒化物及び炭酸窒化物から成る群から選択される
セラミック材料から実質上なる請求項11の方法。
14. A claim in which the hard phase component consists essentially of a ceramic material selected from the group consisting of carbides, nitrides, carbonitrides, oxycarbides, oxynitrides, and carbonitrides of cubic solid solutions of tungsten and titanium. Method of Section 11.
【請求項15】  硬質相におけるタングステン対チタ
ンの重量比率が約1:3〜3:1である請求項14の方
法。
15. The method of claim 14, wherein the weight ratio of tungsten to titanium in the hard phase is about 1:3 to 3:1.
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