JPH0436428A - 高靭性タングステン焼結合金の製造方法 - 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、高比重で且つ高靭性が要求される弾心材やク
イルなどの用途に好適な高靭性タングステン焼結合金の
製造方法に関する。

〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕高比重で
且つ高靭性が要求される弾心材やタイルなどの用途には
、従来からＷ−Ｎｉ−Ｆｅ系の焼結合金が用いられてき
たが、最近は性能向上の見地から同合金に対する一層の
靭性向上の要求が強くなってきている。

ところで、Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ系の焼結合金は、組織中のＷ
粒同士の結合力が最も弱い。このため、当該合金の靭性
を向上させるにはＷ粒同士の接触粒界を減らすことが重
要である。Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ系焼結合金の場合、焼結工程
において焼結炉の予熱室を経て液相焼結室内に送りこま
れた成形材料を焼結温度で加熱する。数％のＮｉ−Ｆｅ
成分にＷが固溶してなるＮ１−Ｆｅ−Ｗ成分が約１４５
０℃の融点以上に加熱されて液相となり、Ｗ粒同士の接
触粒界へ液相が侵入し、合金組織の緻密化が促進される
。その後、冷却室で冷却することによって焼結中に固相
であったＷ粒の回りを液相から凝固したＮ１−Ｆｅ−Ｗ
成分が取り囲む組織とナリ、Ｎ１−Ｆｅ−Ｗ成分の延性
によって焼結合金の延性が向上する。

従来、この冷却の速さは３〜６℃／ｍｉｎ程度が一般的
であるが、その冷却過程でＷ粒の回りを囲む液相が排出
されて再びＷ粒同士の接触が生してしまい、所期の延性
が得られない。そこで、液相焼結温度から栄、冷させる
ことによりＷ粒同士の再接触を防止し、延性の向上を図
る方法が知られている。しかしながら、液相焼結温度か
ら急冷すると、液相の急速な凝固収縮によるひけ巣（空
孔欠陥）が発生して、延性が大きく劣化するという問題
点があった（Ｇ、Ｐｅｔｚｏｗ　ｅｔ　ａｌ、、”Ｍｏ
ｄｅｒｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｎｔｓ　ｉｎ　Ｐｏｗ
ｄｅｒ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ″、　Ｖｏｌ、　１４　
（１９８１）１８９−２０３．）。

本発明者らは液相焼結温度からの冷却速度について詳細
に研究した結果、液相温度から急冷する際に液相の凝固
収縮により材料の内部（中心付近に）ひけ巣が発生する
こと、及びその中心付近のひけ巣を完全に除去すれば、
タングステン焼結合金の靭性向上に大きな効果が得られ
ることを見出して、本発明をなすに到った。すなわち本
発明は、材料を焼結温度から急冷する際に、材料の中心
部にひけ巣が発生することを抑制して高靭性のタングス
テン焼結合金を得ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、タングステン９０〜９８ｗｔ％、残部がニッ
ケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）とからなりそのニッケルと鉄
との重量比がＮ　ｉ　／　Ｆ　ｅ　＝　０．５〜４で、
更に必要に応じてコバル）（Ｃｏ）０．５ｗｔ％以下を
含むタングステン焼結合金の製造方法であって、液相焼
結後の冷却速度を８°（／ｍｉｎ以上とすると共に、少
な（とも液相焼結温度から液相生成温度までの冷却過程
にある材料の内部に、−端から他端に向かい温度勾配を
付与してひけ巣の欠陥生成位置を制御する。

〔作用〕

材料を１４５０°Ｃ以上の温度に加熱するとＦｅＮｉ成
分にＷが固溶したＦｅ−Ｎ１−Ｗ成分が液相となり、固
相であるＷ粒同士の接触粒界に侵入する。かくして分離
されたＷ粒同士は、冷却速度を８℃／ｍｉｎ以上にして
急冷することにより再接触することが防止され、Ｗ粒の
回りをＦｅＮ１−Ｗ成分が取り囲んだ組織となり、延性
が向上する。本発明は上記栄、冷の際、材料内に温度勾
配を付与する。すると材料内の温度の低い端部側から液
相の凝固が始まり、温度勾配に従って順次凝固が進行す
る。そして材料内の温度が最も高い反対端が最後に凝固
する際に、ひけ巣が発生する。

すなわち、ひけ巣は材料の最後に凝固した端部にしか発
生しない。かくして、この部分を除けば大部分の材料が
無欠陥で得られて、急冷により靭性が向上した高靭性タ
ングステン焼結合金を歩留り良く製造することができる
。

以下、更に詳細に説明する。

本発明のタングステン焼結合金の主組成は、タングステ
ン（Ｗ）が９０〜９８ｗｔ％で、残部がニッケル（Ｎｉ
）と鉄（Ｆｅ）である。Ｗ含有量は、所定の高密度を保
つために９０％以上が必要である。かつ又、タングステ
ン焼結合金を製造する際の液相焼結工程において完全に
緻密化する液相量を確保するため、９８ｗｔ％以下であ
ることが必要である。ＮｉとＦｅは、焼結時に液相を発
生して高密度化を促進し、かつ材料の延性を高める結合
材として添加される。その添加量は、合金量の２〜ｌｏ
ｗｔ％とする。２ｗｔ％未満では十分な液相が発生せず
、高密度化の効果が発揮できない。一方、１０−１％を
越えるとＷの含有量が少なくなりすぎて、合金の高比重
が得られなくなる。又、ＮｉとＦｅの重量比率は、液相
生成温度を下げて効果的な液相焼結を実施するために、
Ｎｉ：Ｆｅ＝０．５〜４の範囲内にすることが好ましい
。

更に、その他の成分として、必要に応しコハル）　（Ｃ
ｏ）を添加することができる。Ｃｏはタングステン焼結
合金の強度を向上させるために添加されるものであるが
、その含有量が多過ぎると延性の劣化を招くから０．５
ｗｔ％以下が適当である。

本発明の高靭性タングステン焼結合金の製造工程は、原
料粉末を混合する混合工程と、この混合粉末を所定の成
形型内で加圧成形する成形工程と、成形した材料を焼結
炉で液相生成温度を越える液相焼結温度に加熱して液相
焼結し、その後冷却ガス気流中で８°（／ｍｉｎ以上の
冷却速度をもって、少なくとも液相焼結温度から液相生
成温度までの冷却過程にある材料の内部に、一端から他
端に向かい温度勾配を付与しつつ急冷する焼結工程と、
焼結完了後の材料を真空熱処理炉内で熱処理する熱処理
工程とよりなっている。焼結工程での冷却の際、材料の
内部に一端から他端に向かい温度勾配を付与する手段に
ついては、特に限定されない。

例えば、棒状の材料を予熱室、液相焼結室、冷却室が連
続している連続焼結炉を用いて焼結するような場合であ
れば、各室に応じて温度設定されている炉内に棒状の材
料を長手方向に挿入する。

これによって、液相焼結温度からの冷却時に、材料内に
進行方向の先端から後端に向かって順次温度が高くなる
温度勾配がつき、後端部に凝固収縮によるひけ巣が形成
される。ひけ巣は材料の後端部にのみ生じるから、他の
部分では良好な延性が得られる。

また例えば、液相焼結温度から冷却する際に、材料の端
部にアルミナ片のような熱伝導の良くないものを接触さ
せて冷却速度を場所により変化させることで、材料内に
温度勾配をつけることも可能である。

かくして本発明によれば、タングステン焼結合金の焼結
工程において、材料を液相焼結温度から８°（／ｍｉｎ
以上の冷却速度で冷却すると共に、材料内に温度勾配を
形成することによって、中心部にはひけ巣がない高靭性
のタングステン焼結合金を製造することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。

原料粉末として種々のロットの水素還元タングステン粉
と、カーボニルニッケル粉と、カーボニル鉄粉と、水素
還元コバルト粉とを用い、混合。

成形、焼結、熱処理の各製造工程を経て化学成分組成の
異なる複数種のタングステン焼結合金を製造して被試験
体とした。

原料粉の混合には■型ミキサーを用いた。成形は冷間静
水圧プレスを用い、２ｔＯｎ／ｃ１１１の圧力で直径２
０ａｏｎ、長さ１４０閣の成形体を得た。

この成形体を、第１図に示すような温度分布のプンシャ
一連続焼結炉Ｒを用いて液相焼結する。

焼結炉Ｒは、予熱室１．液相焼結室２．冷却室３が連続
的に連なっている。上記の成形体である材料Ｚは、炉内
の図示されない搬送装置の進行方向（矢符量Ａ）を長手
方向にして予熱室１の入口から送りこまれる。そして予
熱室１で予熱された後、液相焼結室２においてＨ２気流
中で１５００　”Ｃの液相焼結温度Ｔ１で６０分間にわ
たり加熱される。

液相焼結室２から連続的に冷却室３に移る過程で、材料
Ｚの温度は液相焼結温度Ｔ１から液相生成温度Ｔ、（Ｆ
ｅ−Ｎｉ成分の融点であり、約１４５０°Ｃ）を経て冷
却される。この時の材料Ｚの内部の温度は、冷却室３に
入った前端部が最も低く、液相焼結室２にある後端部が
最も高くなり温度勾配が与えられる。第２図はこの時の
材料Ｚの状態を模式的に示すもので、前端から大部分は
既に冷却室３に入って液相生成温度Ｔ２以下になり凝固
して固相Ｓが生成されているが、未だ液相焼結室２内に
ある後端部は液相生成温度１２以上の温度で液相が存在
している。二〇液相焼結温度ＴＩから少なくとも液相生
成温度Ｔ２以下に到る冷却の速度を表１のように変化さ
せて種々の被試験体を形成した。その冷却速度の調整は
、冷却室中に吹き込むＨ２ガス量を変えることによりお
こなった。

次いで、真空度１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒＯ下で１１５０゛
Ｃ１２時間の真空熱処理を行ない、その後Ａｒガスによ
り２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却した。

表１に被試験体の成分組成と冷却速度を示す。

Ｎｏ、　１〜７は本発明の実施例であり、これに対して
Ｎｏ、　８〜１０は比較例である。比較例については、
急速冷却は行わず一般的な３〜ｂ 却速度で冷却した。

このように形成した１０種の被試験体のそれぞれにつき
、引張強さ、伸び、シャルピー衝撃値を測定し、試験結
果を表１に併記した。ひけ巣は液相焼結室２の最後段に
おいて材料Ｚの後端部にのみ生成することが認められ、
製品には影響を与えなかった。

なお、引張試験は標点距離１６閣、試験速度１閤／ｍｉ
ｎで行い、シャルピー衝撃試験の試験片は１０ｍ＋角、
長さ５５閤、ノツチ無しとした。

表１より、本実施例のタングステン焼結合金と比較例の
ものとは、引張り強さの点では差異がない。一方、伸び
と衝撃値に関しては、明確な差異が認められた。すなわ
ち、急速冷却を行わない比較例のものは靭性向上の効果
がみられないのに対して、実施例のものはいずれも高い
伸びと衝撃値を示しており、急冷による靭性向上の効果
が顕著で、しかも実質的に製品の歩留りを低減させるひ
け巣の発注もなかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、タングステン９
０〜９８ｗｔ％、残部が重量比で０．５〜４の範囲にあ
るニッケルと鉄とからなり、さらに必要に応じてコバル
トを０．５ｗｔ％を含むタングステン焼結合金において
、液相焼結後の冷却速度を８”Ｃ／ｍｉｎ以上とすると
共に、少なくとも液相焼結温度から液相生成温度までの
冷却過程にある材料の内部に、一端から他端に向かい温
度勾配を付与してひけ巣の欠陥生成位置を制御するもの
としたため、靭性の向上が顕著で且つ実質的に歩留りを
低下せしめるひけ巣もないタングステン焼結合金を提供
することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における焼結工程の内容を説明
する模式図、第２図は第１図において焼結室から冷却室
に到る過程での材料内の液相と固相との態様を表した模
式図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タングステン（Ｗ）９０〜９８ｗｔ％、残部がニ
   ッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）とからなりそのニッケルと
   鉄との重量比がＮｉ／Ｆｅ＝０．５〜４である高靭性タ
   ングステン焼結合金の製造方法において、液相焼結後の
   冷却速度を８℃／ｍｉｎ以上とすると共に、少なくとも
   液相焼結温度から液相生成温度までの冷却過程にある材
   料の内部に、一端から他端に向かい温度勾配を付与して
   ひけ巣の欠陥生成位置を制御することを特徴とする高靭
   性タングステン焼結合金の製造方法。
2. （２）タングステン（Ｗ）９０〜９８ｗｔ％、コバルト
   （Ｃｏ）０．５ｗｔ％、残部がニッケル（Ｎｉ）と鉄（
   Ｆｅ）とからなりその重量比がＮｉ／Ｆｅ＝０．５〜４
   である高靭性タングステン焼結合金の製造方法において
   、液相焼結後の冷却速度を８℃／ｍｉｎ以上とすると共
   に、少なくとも液相焼結温度から液相生成温度までの冷
   却過程にある材料の内部に、一端から他端に向かい温度
   勾配を付与してひけ巣の欠陥生成位置を制御することを
   特徴とする高靭性タングステン焼結合金の製造方法。