JPH0483806A - Combined hard alloy material - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
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、W、V。High-speed tool steels are mainly made of Cr, Mo, W, and V.
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
1sostatic 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 solidification is performed by, for example, 1sostatic 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 that high-speed tool steel powder is mixed with powders such as carbides and nitrides,
A method of sintering has been proposed as a method of increasing the amount of carbides and nitrides in the matrix. 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 No. 60-2648 and JP-A No. 61-179845 disclose composites of high-speed tool steel in which extremely fine TiN particles are dispersed in a matrix and alloy steel such as high-speed tool steel. A new tool material has been proposed.
一方、超硬合金は、WCST i CXTaC,Nbc
等の炭化物をCoやN1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 WCST i CXTaC, Nbc
It is an alloy made by sintering carbides such as Co and N1 as bases. 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. In addition,
Cemented carbide can be manufactured by a powder metallurgy method that consists 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。−船釣に、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, compression molded, and sintered, the grain boundaries of the powder in high-speed tool steel increase as the amount of hard ceramics such as carbides and nitrides increases. 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、窒素含有チタン基
焼結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。窒素含有チタ
ン基焼結合金は、原子比でTiを0.45以上0.95
以下、MoおよびWの少なくともいずれかを0.045
以上0.3以下ならびにZr5Hf、V、Nb、Taお
よびCrからなる群より選ばれた少なくとも1種を0゜
05以上0.3以下含む金属元素と、原子比でCを0.
1以上0.9以下およびNを0.1以上0゜9以下含む
非金属元素との化合物からなる硬質分散相を含む。また
、その窒素含有チタン基焼結合金は、その硬質分散相を
結合するためにFe、CoおよびNiの少なくとも1種
以上を含む結合金属を3.0重量%以上40.0重量%
以下含有している。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。[Means for Solving the Problems] A composite hard alloy material according to the present invention includes a central portion made of a nitrogen-containing titanium-based sintered alloy, a central portion coated with the central portion,
and an outer peripheral portion made of sintered alloy steel. The nitrogen-containing titanium-based sintered alloy contains Ti in an atomic ratio of 0.45 or more and 0.95
Below, at least one of Mo and W is 0.045
a metal element containing at least one selected from the group consisting of Zr5Hf, V, Nb, Ta, and Cr in an atomic ratio of 0.05 or more and 0.3 or less and 0.05 or more and 0.3 or less;
1 or more and 0.9 or less and a hard dispersed phase consisting of a compound with a nonmetallic element containing N of 0.1 or more and 0.9 or less. Further, the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy contains 3.0% by weight or more and 40.0% by weight of a binding metal containing at least one of Fe, Co, and Ni to bind the hard dispersed phase.
Contains the following. The sintered alloy steel that makes up the outer peripheral part is
It consists of a first hard phase, a second hard phase, and a binder phase.
第1の硬質相は、外周部分において15体積%以上60
体積%以下含有され、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%以下含有され、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%以下含有され、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る。The first hard phase is 15% by volume or more 60% by volume in the outer peripheral portion.
TiN particles are contained in an amount of vol% or less and have a particle size of 0.3 μm or less. The second hard phase is contained in the outer peripheral portion at 1% by volume or more and 10% by volume or less, 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 is contained in the outer peripheral portion at 30% by volume or more and 84% by volume or less, and is made of alloy steel for dispersing and bonding the first hard phase and the second hard phase therein. The alloy steel contains 2.5% by weight or more of Cr and 4.5% by weight or less, and 1.5% or more of Mo by 5.0% by weight.
0% by weight or less, W from 2.0% to 6.0% by weight, C from 0.3% to 1.2% by weight, and Co from 1% to 1.2% by weight.
It contains 5% by weight or more and 15% by weight or less, Mn by 0.5% by weight or less, Si by 0.5% by weight or less, and the remainder consists of Fe and unavoidable impurities.
好ましくは、焼結合金鋼中のTiN中におけるTiの5
0原子%以下は、Zr、Hf、V、Nb。Preferably, 5 of Ti in TiN in the sintered alloy steel
0 atomic % or less is Zr, Hf, V, and Nb.
Ta、Cr、Mo、W、AtおよびSiよりなる群より
選ばれた1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 Ta, Cr, Mo, W, At, and Si.
また、好ましくは、焼結合金鋼中のTiN中におけるN
の50原子%以下は、B、Cおよび0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ればよい。さらに
、焼結合金鋼からなる外周部分の厚みは、複合硬質合金
材の全体の厚みの0゜05以上0.3以下であればよい
。Preferably, N in TiN in the sintered alloy steel
50 atomic % or less of may be substituted with one or more elements selected from the group consisting of B, C, and 0. Furthermore, the thickness of the outer peripheral portion made of sintered alloy steel may be 0.05 or more and 0.3 or less of the total thickness of the composite hard alloy material.
窒素含有チタン基焼結合金の結合金属において、Fe、
CoおよびNiの40原子%以下は、Cr。In the bonding metal of the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy, Fe,
40 atomic % or less of Co and Ni is Cr.
MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種以
上の金属で置換されていてもよい。窒素含有チタン基焼
結合金の硬質分散相は、Tiの炭化物、窒化物および炭
窒化物の1種以上、MoおよびWの少なくともいずれか
の炭化物、Zr、Hf。It may be substituted with at least one metal selected from the group consisting of Mo and W. The hard dispersed phase of the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy includes one or more of carbides, nitrides, and carbonitrides of Ti, carbides of at least one of Mo and W, Zr, and Hf.
VSNbSTaおよびCrからなる群より選ばれた少な
(とも1種の炭化物、窒化物および炭窒化物の1種以上
を含んでいてもよい。この硬質分散相は、上記金属元素
と上記非金属元素とから構成される固溶体を含んでいて
もよい。VSNbSTa and Cr may contain at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides selected from the group consisting of the metal element and the non-metal element. It may contain a solid solution composed of.
[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
00〜10100Q/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Hv 1000 k g/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.
It has a hardness more than twice that of 00 to 10100Q/mm2. By dispersing this hard TiN, the hardness of the high-speed tool steel becomes Hv 1000 kg/mm2 or more, and a significant improvement in wear resistance is achieved. Also, TiN
has low 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.
基本となる硬質層としての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、
すき取り磨耗が抑えられる。このような粗粒の118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 serving as the basic hard layer 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,
Suppressing wear and tear is suppressed. If the particle size of such coarse 118 particles is less than 1 μm, the above effect 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. Note that the amount of TiN particles having a particle size of 0.3 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、焼入れ処理によっ
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、上限値を超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 alloy components other than Fe are less than the specified lower limit, sufficient strength cannot be obtained, and if they exceed the upper limit, 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、Nb、TaSCrSMo、
W、AtおよびSiの群から選ばれた1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5
0原子%までをB、Cおよび0よりなる群から選ばれた
1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。しかしながら、50原子%を超える置換は、T
iNの特性を損なうことになるので好ましくない。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 can be replaced by Zr, Hf, V, Nb, TaSCrSMo,
It is possible to substitute with one or more elements selected from the group of W, At and Si. Similarly, 5 of N in TiN
It is also possible to substitute up to 0 atomic % with one or more elements selected from the group consisting of B, C, and 0. These substitutions are effective in improving the heat resistance, wear resistance, toughness, etc. of the alloy. However, substitution of more than 50 atom %
This is not preferable because it will impair the characteristics of iN.
上述のように構成される焼結合金鋼は、それ自体でも切
削工具等の工具用材料として満足する特性を発揮し得る
。しかし、上記の焼結合金鋼を外周部分として用いる複
合化の方法を導入することにより、−層の性能向上を図
ることができる。このことは、本願発明者においてすで
に明らかにされており、特願平1−339982号に開
示されている。この開示内容によれば、芯材として超硬
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。The sintered alloy steel configured as described above can exhibit satisfactory characteristics as a material for tools such as cutting tools by itself. 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. This fact has already been clarified by the present inventor and is disclosed in Japanese Patent Application No. 1-339982. According to this disclosure, by employing 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.
しかしながら、超硬合金は外周部分を構成する焼結合金
鋼との熱膨脹係数の差がかなり大きく、接合や熱処理時
の加熱、冷却の際に発生する熱応力が無視できないほど
大きくなることが本願発明者によって明らかとなった。However, the difference in thermal expansion coefficient between cemented carbide and the sintered alloy steel that constitutes the outer peripheral portion is quite large, and the present invention shows that the thermal stress generated during heating and cooling during joining and heat treatment becomes so large that it cannot be ignored. revealed by the person.
そこで、本願発明は、中心部分に窒素含有チタン基焼結
合金、いわゆるTiベースのサーメット合金を採用する
ことにより、この熱応力を緩和することができるという
本願発明者の知見に基づいてなされたものである。Therefore, the present invention was made based on the inventor's knowledge that this thermal stress can be alleviated by employing a nitrogen-containing titanium-based sintered alloy, so-called Ti-based cermet alloy, in the central portion. It is.
すなわち、サーメット合金は超硬合金と高速度工具鋼と
の中間の熱膨脹係数を有しているので、接合や熱処理時
に発生する熱応力の緩和に有効に働く。That is, since cermet alloy has a coefficient of thermal expansion between that of cemented carbide and high-speed tool steel, it works effectively in alleviating thermal stress generated during joining and heat treatment.
一方、サーメット合金は、超硬合金と比較するとそのヤ
ング率がやや低く、工具の剛性を向上させるという観点
からは不利となる。しかしながら、外周部分を構成する
焼結合金鋼と比較すると十分に高い剛性を有しており、
本発明の上記効果を損なうことはない。On the other hand, cermet alloys have a somewhat lower Young's modulus than cemented carbide, which is disadvantageous from the viewpoint of improving tool rigidity. However, it has sufficiently high rigidity compared to the sintered alloy steel that makes up the outer circumference,
This does not impair the above-mentioned effects of the present invention.
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皮膜をコーティングす
ると、さらに性能を向上させる上でよい結果をもたらす
。この皮膜の材料としては、TiNが好ましいが、Tl
cあるいはTi (CN)を用いてもよく、さらにそ
の上にAl、203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. Note that coating the surface of the sintered alloy steel with a hard ceramic film brings about better results in further improving performance. The material for this film is preferably TiN, but Tl
c or Ti (CN) may be used, and Al, 203 may be further coated thereon.
ここでいう焼結合金鋼は、固相焼結、液相焼結のいずれ
の方法によるものでもよいが、粒成長抑制の観点からは
固相焼結の方が好ましい。The sintered alloy steel referred to herein may be produced by either solid-phase sintering or liquid-phase sintering, but solid-phase sintering is preferable from the viewpoint of suppressing grain growth.
[実施例]
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。この図によれば、焼結合金鋼からな
る外周部分1は、窒素含有チタン基焼結合金からなる中
心部分2を包囲している。[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 part 1 made of sintered alloy steel surrounds a central part 2 made of nitrogen-containing titanium-based sintered alloy.
実施例1
硬質相として平均粒径0.1μmのTiN粒子が35体
積%、平均粒径0.08μmのvc粒子が10体積%、
平均粒径1.5μm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50体積%になるように配
合し、乾式ボールミルを用いて混合した。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 As the hard phase, 35% by volume of TiN particles with an average particle size of 0.1 μm, 10% by volume of VC particles with an average particle size of 0.08 μm,
TiN particles having an average particle size of 1.5 μm were blended in an amount of 5% by volume, and high-speed tool steel powder as a binder phase was blended in an amount of 50% by volume, and mixed using a dry ball mill. The composition of the high-speed tool steel powder is 4.0% by weight of Cr, 3.5% by weight of Mo, 2.0% by weight of W, 8.5% by weight of Co, and 0% by weight of C.
5% by weight, the remainder being Fe and unavoidable impurities.
このようにして混合された合金鋼粉末を窒素含有チタン
基焼結合金、いわゆるTiベースのサーメット合金から
なる棒の外周に被覆した後、冷間静水圧成形(CIP、
cold 1sostatic pressing
)により成形した。サーメット合金の組成は、TiCN
(原子比C/N=515)が68重量%、WCが12.
5重量%、TaCが6.0重量%、Coが13.5重量
%であった。また、サーメット合金の棒の直径は5mm
1長さは200mmであった。このようにして、厚み2
mmの合金鋼粉末からなる層が形成された。After the alloy steel powder mixed in this way is coated on the outer periphery of a rod made of a nitrogen-containing titanium-based sintered alloy, so-called Ti-based cermet alloy, cold isostatic pressing (CIP),
cold 1sostatic pressing
). The composition of the cermet alloy is TiCN
(atomic ratio C/N=515) is 68% by weight, WC is 12.
5% by weight, TaC 6.0% by weight, and Co 13.5% by weight. Also, the diameter of the cermet alloy rod is 5mm.
1 length was 200 mm. In this way, thickness 2
A layer consisting of mm of alloyed steel powder was formed.
この成形体は軟鋼型の筒状容器に入れられ、脱気処理が
施されながら、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成形(HI P)
処理が施された。熱間静水圧成形処理の条件は、温度1
130℃において、圧力媒体として用いられるArガス
の気圧を1000kg/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。This molded body was placed in a mild steel cylindrical container, heated to a temperature of 500° C. while being deaerated, and vacuum-sealed. Then, this molded body is subjected to hot isostatic pressing (HIP).
processed. The conditions for hot isostatic pressing treatment are temperature 1
At 130° C., the pressure of Ar gas used as a pressure medium was set to 1000 kg/cm 2 . A drill with a diameter of 6 mm was prototyped from the sintered body thus obtained.
このドリルの断面組織においては、中心部分に直径5m
mのサーメット合金からなる部分が位置し、その外周を
焼結合金鋼からなる部分が0.5mmの厚みで取囲んで
いた。ドリルには、所定の溝と刃先が成形された。In the cross-sectional structure of this drill, the center part has a diameter of 5 m.
A portion made of a cermet alloy of m was located, and its outer periphery was surrounded by a portion made of sintered alloy steel with a thickness of 0.5 mm. Predetermined grooves and cutting edges were molded into the drill.
比較のため、中心部分にサーメット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
製のトリルと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 cermet alloy in its center was manufactured. Cutting tests were conducted using prototype drills of the present invention and comparison products, and commercially available trills made of cemented carbide and high speed tool steel. The cutting conditions were as follows.
被削材: 350C 切削速度:60m/min 送り速度+ 0.20mm/rev 加工深さ:15加工 切削試験の結果は第1表に示される。Work material: 350C Cutting speed: 60m/min Feed speed + 0.20mm/rev Machining depth: 15 machining The results of the cutting test are shown in Table 1.
(以下余白)
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 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
が原因となとって摩耗が大きくなることが認められた。(Leaving space below) According to the test results in Table 1, with drills made of cemented carbide, wear is small when the number of holes machined is small, but when the number of holes machined increases, subtle chipping occurs on the cutting edge. It was recognized that this was due to increased wear.
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30μm
程度であったのに対し、比較品は60μm程度であった
。Furthermore, the comparative product was slightly inferior to the invented product. Comparing the enlargement of the processed hole, the inventive product has an enlargement of 30 μm.
In contrast, the comparative product had a thickness of approximately 60 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
鋼のマトリックスが50体積%になるように各粒子が均
一に分散した組織を有する焼結合金鋼製の筒が準備され
た。硬質相粒子は、TiN粒子の周囲を(TiWMo)
(CN)の固溶体が取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粒子の周囲を取囲む固溶体の厚みは0.
02μmであった。マトリッ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。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. A cylinder made of sintered alloy steel with a dispersed structure was prepared. The hard phase particles surround the TiN particles (TiWMo)
It had a structure in which a solid solution of (CN) was formed surrounding it. The average particle size of this hard phase particle is 0.12 μm
The thickness of the solid solution surrounding the TiN particles is 0.
It was 0.02 μm. The composition of the high-speed tool steel that constitutes the matrix is 3.8% by weight of Cr and 5.5% by weight of Mo.
, W is 2.5% by weight, Co is 10.0% by weight, C is 0.
45% by weight, the remainder being Fe and unavoidable impurities.
また、TiCN(原子比C/N=8/2)が60重量%
、Mo2Cが8.5重量%、WCが10重量%、TaN
が5.5重量%、Coが8重量%、Niが8重量%の組
成のサーメット合金からなる棒が準備された。In addition, 60% by weight of TiCN (atomic ratio C/N=8/2)
, Mo2C 8.5% by weight, WC 10% by weight, TaN
A bar made of a cermet alloy having a composition of 5.5% by weight, 8% by weight of Co, and 8% by weight of Ni was prepared.
この焼結合金鋼製の筒とサーメット合金製の棒とが拡散
接合により一体化された。このようにして得られた複合
硬質合金部材から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。This cylinder made of sintered alloy steel and the rod made of cermet alloy were integrated by diffusion bonding. A cutting tool having a predetermined shape for an end mill was manufactured from the composite hard metal member thus obtained. A cutting test was conducted using this cutting tool under the following conditions.
試作材 S KD 11 (HRc 42)切削速度・
60m/min
送り速度:0.15mm/1刃
加工幅・2.0mm
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0.04mm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。Prototype material S KD 11 (HRc 42) Cutting speed
60m/min Feed rate: 0.15mm/1 blade machining width 2.0mm Machining depth 10mm According to the cutting test results, if the end mill made of composite hard alloy material according to the present invention is used, machining can be performed without any particular problem. It is possible, and the deviation of the sides of the machined groove from the vertical line is
The accuracy was extremely high, with a maximum of 0.04 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.
実施例3
第2表に示される組成の窒素含有チタン基焼結合金を作
製し、これを中心にした複合硬質合金材を実施例1と同
様の外周材および製造方法を用いて試作した。なお、同
時に組成が本発明の範囲から外れた窒素含有チタン基焼
結合金を用いて複合硬質合金材を試作し、比較例とした
。Example 3 A nitrogen-containing titanium-based sintered alloy having the composition shown in Table 2 was prepared, and a composite hard alloy material centered on this was prototyped using the same outer peripheral material and manufacturing method as in Example 1. At the same time, a composite hard alloy material was prototyped using a nitrogen-containing titanium-based sintered alloy whose composition was outside the range of the present invention, and was used as a comparative example.
第2表から明らかなように、本発明品はすべて良好に接
合が達成され、実際の切削テストにおいても十分耐え得
ることが確認できた。一方、比較品においては満足でき
る窒素含有チタン基焼結合金を得ることができなかった
。As is clear from Table 2, it was confirmed that all the products of the present invention achieved good bonding and could sufficiently withstand the actual cutting test. On the other hand, in the comparative product, a satisfactory nitrogen-containing titanium-based sintered alloy could not be obtained.
第2表の比較品において、Tiの量が本発明で規定され
る範囲内の値より小さい試料No、 8によれば接合
に際して冷却時に割れが発生した。また、Tiの量が本
発明で規定される範囲内の値よりも大きい試料No、9
によれば、靭性が不十分だった。Among the comparative products in Table 2, sample No. 8, in which the amount of Ti was smaller than the value within the range specified by the present invention, cracked during cooling during joining. In addition, sample No. 9 in which the amount of Ti is larger than the value within the range defined by the present invention
According to , the toughness was insufficient.
結合金属の量が本発明で規定される範囲内の値よりも小
さい試料No、10によれば、接合時に割れが発生した
。また、結合金属の量が本発明で規定される範囲内の値
よりも大きい試料N o、11によれば、十分な剛性が
得られなかった。結合金属中のCr、Mo、Wの量が多
すぎる試料No、12では、焼結が良好に行なわれず、
巣が発生した。According to sample No. 10, in which the amount of bonded metal was smaller than the value within the range defined by the present invention, cracking occurred during bonding. Further, in Sample No. 11, in which the amount of bonded metal was larger than the value within the range defined by the present invention, sufficient rigidity could not be obtained. In sample No. 12, in which the amounts of Cr, Mo, and W in the bonding metal were too large, sintering was not performed well,
A nest has occurred.
[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、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, when the composite hard alloy material is used as a cutting tool material, it can contribute to improving the efficiency and reliability of cutting.
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。
(ばか2名)−g−FIG. 1 is a sectional view conceptually showing a composite hard alloy material according to the present invention. (2 idiots) -g-
Claims (1)
を備え、 前記窒素含有チタン基焼結合金は、原子比でTiを0.
45以上0.95以下、MoおよびWの少なくともいず
れかを0.045以上0.3以下ならびにZr、Hf、
V、Nb、TaおよびCrからなる群より選ばれた少な
くとも1種を0.005以上0.3以下含む金属元素と
、原子比でCを0.1以上0.9以下およびNを0.1
以上0.9以下含む非金属元素との化合物からなる硬質
分散相を含み、その硬質分散相を結合するためにFe、
CoおよびNiの少なくとも1種以上を含む結合金属を
3.0重量%以上40.0重量%以下含有しており、 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
る、複合硬質合金材。(2)前記焼結合金鋼中のTiN
粒子中におけるTiの50原子%以下は、Zr、Hf、
V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al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)前記焼結合金鋼中のTiN粒子中におけるNの5
0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、当該複合硬質合金材の全
体の厚みの0.05以上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)前記窒素含有チタン基焼結合金の前記結合金属に
おけるFe、CoおよびNiの40原子%以下は、Cr
、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種
以上の金属で置換されている、請求項1ないし4のいず
れかに記載の複合硬質合金材。 (6)前記窒素含有チタン基焼結合金の前記硬質分散相
は、Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物の1種以上、
MoおよびWの少なくともいずれかの炭化物、Zr、H
f、V、Nb、TaおよびCrからなる群より選ばれた
少なくとも1種の炭化物、窒化物および炭窒化物の1種
以上を含む、請求項1ないし5のいずれかに記載の複合
硬質合金材。 (7)前記窒素含有チタン基焼結合金の前記硬質分散相
は、前記金属元素と前記非金属元素とから構成される固
溶体を含む、請求項1ないし6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 nitrogen-containing titanium-based sintered alloy; and an outer peripheral portion surrounding the central portion and made of sintered-alloy steel, the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy comprising: , Ti in atomic ratio is 0.
45 or more and 0.95 or less, at least one of Mo and W from 0.045 to 0.3, and Zr, Hf,
A metal element containing 0.005 or more and 0.3 or less of at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta, and Cr, and an atomic ratio of C of 0.1 or more and 0.9 or less and N of 0.1
Contains a hard dispersed phase consisting of a compound with a non-metallic element containing 0.9 or less, and in order to bond the hard dispersed phase, Fe,
The sintered alloy steel contains 3.0% by weight or more and 40.0% by weight or less of a bonding metal containing at least one of Co and Ni, and the sintered alloy steel has a grain size of 0.5% in the outer peripheral portion.
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
A composite hard alloy material containing the following, with the remainder consisting of Fe and unavoidable impurities. (2) TiN in the sintered alloy steel
50 atomic % or less of Ti in the particles is Zr, Hf,
Substituted with one or more elements selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al and Si,
The composite hard metal material according to claim 1. (3) 5 of N in TiN particles in the sintered alloy steel
Claim 1 or 2, wherein 0 atomic % or less is substituted with one or more elements selected from the group consisting of B, C, and O.
Composite hard alloy material described in . (4) The composite hard alloy material according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the outer peripheral portion is 0.05 or more and 0.3 or less of the total thickness of the composite hard alloy material. (5) 40 atomic percent or less of Fe, Co, and Ni in the bond metal of the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy is Cr.
5. The composite hard alloy material according to claim 1, wherein the composite hard alloy material is substituted with at least one metal selected from the group consisting of , Mo, and W. (6) The hard dispersed phase of the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy includes one or more of Ti carbides, nitrides, and carbonitrides;
Carbide of at least one of Mo and W, Zr, H
The composite hard alloy material according to any one of claims 1 to 5, comprising at least one type of carbide, nitride, and carbonitride selected from the group consisting of f, V, Nb, Ta, and Cr. . (7) The composite hard alloy material according to any one of claims 1 to 6, wherein the hard dispersed phase of the nitrogen-containing titanium-based sintered alloy includes a solid solution composed of the metal element and the non-metal element. .
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WO2002049801A1 (en) * | 2000-12-21 | 2002-06-27 | Element Six (Pty) Ltd | Method of making a cutting tool |
-
1990
- 1990-07-25 JP JP19655290A patent/JPH0483806A/en active Pending
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WO2002049801A1 (en) * | 2000-12-21 | 2002-06-27 | Element Six (Pty) Ltd | Method of making a cutting tool |
JP2004516152A (en) * | 2000-12-21 | 2004-06-03 | エレメント シックス (プロプライエタリイ)リミテッド | Manufacturing method of cutting tool |
US7104160B2 (en) | 2000-12-21 | 2006-09-12 | Robert Fries | Method of making a cutting tool |
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