JPH05171334A - 硬質焼結部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３次元曲面や細孔等の複雑形状を備え且つ材
料本来の高い強度を有する超硬合金製又はステライト相
当合金製の硬質焼結部品を、放電加工等の２次加工その
他の機械加工を施すことなく製造し、提供する。 【構成】 金型内周面や中子ピン外周面の面粗さＲmax
が３μｍ以下の成形金型を用いて射出成形した成形体を
焼結することにより製造される、超硬合金又はステライ
ト相当合金からなり、円板部４のような３次元曲面又は
薄肉部の表面若しくは細孔３の内周面の面粗さＲmaxが
４μｍ以下の焼結肌である硬質焼結部品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複雑形状を有する耐摩
部品や摺動部品等のような超硬合金又はステライト相当
合金からなる硬質焼結部品、及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、耐摩部品や摺動部品等として
ＷＣ系、ＴａＣ系或はＴｉＣ系等の超硬合金、又はＣｏ
−Ｃｒ−Ｗ系のステライト相当合金が使用されている。
これらの合金はＷ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ等の炭化物、窒化
物又は炭窒化物のような硬質粒子をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等
の鉄族金属で結合した組織を持ち、従来から良く知られ
た粉末冶金法により製造されている。即ち、ＷＣ粉末、
ＴａＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末等を所定の合金組成に
合わせて混合し、その原料粉末を型押し成形するか又は
ＣＩＰ成形し、得られた成形体を焼結する方法により製
造されている。

【０００３】しかし、かかる従来の製法では、型押しに
より成形体を得るため、製造できる製品の形状が限られ
又寸法精度に限度がある等の問題があった。即ち、型押
し成形では一軸方向からの成形圧力によって造形される
ので、孔や複数の面がプレス軸に対して傾斜した方向に
沿って存在している場合等は成形が困難であり、孔に対
して溝、ネジ溝、ローレット等が異なる方向に沿って存
在している場合は成形できなかった。又、肉厚が約１.
５倍以上異なる形状では粉末の密度が均一にならず、焼
結時の収縮に差異が生じるため、歪みが発生すると言う
問題があった。

【０００４】又、この様な３次元形状の成形が可能なＣ
ＩＰ成形を用いたとしても、ゴム型中で成形するため良
好な精度が望めなかった。従って、ＣＩＰ成形で３次元
曲面や細孔等を有する複雑形状の部品を得るには、単純
な形状に製造した焼結体を２次加工することが不可欠で
あった。

【０００５】しかしながら、超硬合金やステライト相当
合金は極めて難加工性であるため、ダイヤモンド砥石に
よる研削加工か又は放電加工によらなければ加工出来
ず、とりわけ細孔等の形成には放電加工が必須であっ
た。ところが、超硬合金やステライト相当合金の焼結体
を放電加工すると、外部からの衝撃に対して放電加工を
施した表面から小さな亀裂や破損が生じ、ついには部品
全体の破壊につながることが多かった。

【０００６】又、型押しやＣＩＰによる成形体を更に機
械加工して複雑形状とした後、焼結する方法も知られて
いるが、この方法では成形体に十分な強度がないため薄
肉にする加工や、複雑且つ高精度な加工が出来ないこ
と、機械加工の加工筋から破壊が生じ易くなるためやは
り焼結体の強度が低下してしまう等の問題点があった。
このため従来は、超硬合金製又はステライト相当合金製
の耐摩部品や摺動部品等については、複雑形状のものが
得難く、又機械加工により複雑形状にしたものは材料本
来の強度を生かすことが出来なかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、３次元曲面や細孔等の複雑形状を備え且つ
材料本来の高い強度を有する超硬合金製又はステライト
相当合金製の硬質焼結部品を、放電加工等の２次加工そ
の他の機械加工を施すことなく製造し、提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明においては、硬質焼結部品は超硬合金又はス
テライト相当合金からなり、３次元曲面又は薄肉部の面
粗さＲmaxが４μｍ以下の焼結肌であるか、又は細孔の
内周面の面粗さＲmaxが４μｍ以下の焼結肌であること
を特徴とする。

【０００９】又、本発明の硬質焼結部品の製造方法で
は、成形体の３次元曲面又は薄肉部に対応する箇所の内
周面の面粗さＲmaxが３μｍ以下の成形金型を用いる
か、又は成形体の細孔内周面に対応する外周面の面粗さ
Ｒmaxが３μｍ以下の中子ピンを備えた成形金型を用
い、この成形金型に有機バインダーを混練した超硬合金
又はステライト相当合金の原料粉末を射出成形し、得ら
れた３次元曲面又は薄肉部若しくは中子ピンに対応する
細孔を有する成形体を脱バインダー処理した後、焼結す
ることを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明者らは、超硬合金やステライト相当合金
の硬質焼結部品が放電加工により強度低下を来す原因を
究明するため、放電加工を施した箇所を詳しく調査した
ところ、金属成分の減少や酸化によって表面から約５〜
１０μｍの深さまで変質し、脆化していることが判っ
た。このため、変質し脆化した加工箇所の材料強度が低
下し、外部からの衝撃に対して破壊の起点となっていた
ことが判った。

【００１１】又、放電加工以外の機械加工を施した場合
においても、加工筋のような連続した筋目が破壊の起点
となり易いこと、特に面粗さＲmaxが４μｍを越えるよ
うな筋目を有する表面は強度の低下が大きくなるので、
この部分が細孔や３次元曲面或は薄肉部などであると破
壊の起点となり易いことが判った。

【００１２】本発明はこれらの新たな知見に基づいてな
されたものであり、本発明によれば超硬合金やステライ
ト相当合金からなる複雑形状の硬質焼結部品が、射出成
形法を利用することで放電加工等の２次加工を施すこと
なく得られると同時に、得られる硬質焼結部品の焼結肌
を破壊の起点とならないよう滑らかにすること、特に破
壊の起点となり易い細孔及び３次元曲面や薄肉部の面粗
さＲmaxを４μｍ以下とすることにより、超硬合金やス
テライト相当合金の持つ本来の強度を備えた硬質焼結部
品が得られる。

【００１３】尚、細孔、３次元曲面、薄肉部に比較し
て、それ以外の部分、特に肉厚で単純な形状部分は、外
部からの衝撃が集中しにくく強度的に問題となることが
少ないので、焼結肌を必ずしも面粗さＲmax４μｍ以下
とする必要はないが、出来れば全体の焼結肌を全て面粗
さＲmaxが４μｍ以下にすることが好ましい。

【００１４】本発明による複雑形状の硬質焼結部品は、
従来からプラスチック製品の製造に使用され又最近では
セラミックス製品の製造にも用いられている射出成形法
を超硬合金又はステライト相当合金の粉末冶金法に応用
することにより製造される。即ち、有機バインダーを混
練した原料粉末を成形金型に射出することにより、複雑
形状の耐摩部品や摺動部品等の硬質焼結部品と相似形の
成形体を形成し、この成形体を脱バインダー処理した
後、焼結して硬質焼結部品を得る。

【００１５】原料粉末は、ＷＣ系、ＴａＣ系、ＴｉＣ系
等の超硬合金又はＣｏ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃ系のステライト相
当合金の組成に応じて、ＷＣ粉末、ＴａＣ粉末又はＴｉ
Ｃ粉末等の硬質粒子粉末と、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末又はＦ
ｅ粉末等の結合金属粉末とを適宜混合して用いる。これ
ら原料粉末はボールミルやアトライター等を用い乾式又
は湿式にて混合と同時に粉砕するが、混合及び粉砕が不
十分であると焼結性が阻害されて真密度に近い焼結体が
得られないので、混合粉砕後の原料粉末は粒径２μｍ以
下のものを２０％以上含むことが望ましい。

【００１６】射出成形のため原料粉末に混練する有機バ
インダーは、従来からセラミックス製品等の射出成形に
用いられていたもので良く、例えばポリエチレン、ポリ
プロピレン、ポリスチレン、アクリル、エチレン酢酸ビ
ニル、各種ワックス、パラフィン等を、単独で又は組み
合わせて使用できる。

【００１７】本発明方法において射出成形に用いる成形
金型は、その内周面の表面状態が特に重要である。通常
の成形金型では、金型内周面に金型加工時の加工筋や放
電加工面が残ったままの状態か、若しくはその内周面を
軽く研磨した状態で用いるが、本発明方法による場合に
は滑らかな焼結肌を得るために、金型加工後の金型内周
面を通常の場合より更に滑らかに仕上げる必要がある。

【００１８】即ち、金型内周面の全体又は内周面のうち
少なくとも成形体の３次元曲面部分や薄肉部に対応する
箇所については、面粗さＲmaxを３μｍ以下とする。
又、焼結体の細孔は金型内に可動の中子ピンを挿入する
ことによって形成するが、この中子ピンの外周面の面粗
さＲmaxも３μｍ以下とする。かかる成型金型及び中子
ピンを使用することにより、成形体の及び成形体を焼結
して得られる焼結部品の少なくとも３次元曲面や薄肉部
の表面及び細孔の内周面を、焼結肌のままで面粗さＲma
xを４μｍ以下とすることができる。

【００１９】脱バインダー処理では、混練した有機バイ
ンダーの種類等に応じて成形体を加熱することにより、
成形体から有機バインダーを溶融流出させ又は分解若し
くは昇華させる。しかし、超硬合金やステライト相当合
金からなる成形体は、比重が通常のセラミックス等に比
べて大きいので、脱バインダー処理中の自重による変形
を抑えるよう注意する必要がある。又、脱バインダー処
理の雰囲気は、原料粉末の酸化を抑えるために、真空中
又は水素ガス、窒素ガス、或は不活性ガスのような非酸
化性ガスとすることが好ましい。

【００２０】脱バインダー処理した成形体は、真空中又
は水素ガス中において焼結することにより、所定の複雑
形状を備えた焼結体となる。焼結温度は通常の型押しや
ＣＩＰ成形による成形体の場合と同様で良いが、焼結温
度が高過ぎると成形体の自重による変形が起こりやすく
なるので注意を要する。得られた超硬合金又はステライ
ト相当合金の焼結体は、そのままで３次元曲面又は細孔
等を有する複雑形状の硬質焼結部品とすることができ、
放電加工等の２次加工の必要がない。但し、用途に応じ
て一部表面を研磨加工等により表面仕上げしても良い。

【００２１】本発明の硬質焼結部品は射出成形を利用し
て成形するので、一軸方向からの成形圧力によって造形
する通常の型押し成形と異なり、成形体又は焼結体に切
削加工や放電加工等による２次加工を行うことなく、複
雑形状の焼結部品が精度良く得られる。例えば、従来２
次加工なしには得られなかった図１や図２に示すように
細孔３、６や、３次元曲面を有する硬質焼結部品も、焼
結肌のまま、即ち２次加工を施すことなく得ることが可
能である。

【００２２】その他にも例えば、図３〜図５に示すよう
に孔部７や複数の面がプレス軸に対して傾斜した方向に
沿って設けられている部品、図６のようにロート状孔部
８を有する部品、又は図７のように孔部７に対して溝
９、ネジ溝、ローレット等が異なる方向に沿って設けら
れている部品であっても、本発明では２次加工なしの焼
結肌のままの部品として得ることが可能である。又、図
１、図２及び図４のように肉厚が約１.５倍以上異なる
形状の部品であっても、焼結時の収縮差による歪みが発
生せず、この点からも高強度の部品が得られる。

【００２３】

【実施例１】平均粒径１μｍのＷＣ粉末８８重量％と平
均粒径２μｍのＮｉ粉末１２重量％とを、ボールミルを
用いてエチルアルコール中で３０時間粉砕且つ混合し
た。得られた混合粉末を乾燥した後、これに有機バイン
ダーとして５重量％のパラフィンと２重量％のポリエチ
レンを添加し、ニーダで２時間混練した。この混練物を
射出成形機にて中子ピンを備えた金型内に射出成形し、
図１の部品形状と相似形の成形体を得た。尚、使用した
金型の内周面及び中子ピンの外周面は表面仕上げを施
し、面粗さＲmaxを３μｍ以下とした。

【００２４】得られた成形体を、Ｎ₂ガス中にて昇温速
度２０℃／時間で４５０℃まで加熱して１時間保持する
ことにより、有機バインダーを除去した。次に、脱バイ
ンダー処理後の成形体を真空中において１４００℃で３
０分焼結することにより、組成が８８重量％ＷＣ−１２
重量％Ｎｉの超硬合金からなり、図１に示すごとく角柱
部２の中央に内径１.５ｍｍの細孔３を及び両端に円板
部４を有する、本発明例の部品１を製造した。

【００２５】上記のごとく得られた部品１を本発明例の
部品１ａとし、原料粉末を代えた以外は上記実施例１と
同様にして製造され、図１と同一形状で且つ部品１ａと
は合金組成のみが異なる部品１を本発明例の部品１ｂと
した。即ち、平均粒径３μｍのＴａＣ粉末と平均粒径２
μｍのＮｉ粉末を用いた以外は上記実施例１と同様にし
て、組成が９０重量％ＴａＣ−１０重量％Ｎｉの超硬合
金からなる本発明例の部品１ｂを製造した。

【００２６】比較例として、上記部品１ａ及び１ｂと同
一組成の原料粉末を、中子ピンを有しない以外は上記実
施例１と同じ金型を用いて細孔３のない図１の部品形状
に射出成形し、その後この細孔３のない成形体を上記実
施例１と同様に脱バインダー処理及び焼結し、更に角柱
部２に放電加工により細孔３を形成して図１の形状を有
する比較例の部品１ｃ及び部品１ｄを製造した。又、上
記と同じ細孔３のない成形体を同様に脱バインダー処理
し、真空中で７００℃まで加熱して成形体強度を高めた
状態で機械加工により細孔３を形成した後、同様に焼結
して図１の形状を有する比較例の部品１ｅ及び１ｆを得
た。

【００２７】得られた本発明例の部品１ａと１ｂ、及び
比較例の部品１ｃ〜１ｆについて、それぞれ４個を試料
とし、細孔３の内周面の面粗さＲmaxを測定して平均値
を求め、更に図１の角柱部２に矢印方向の荷重を掛ける
強度試験を行ってそれぞれ破壊荷重を測定し、結果を併
せて下記表１に示した。

【００２８】

【表１】 細孔内周面 破 壊 荷 重 部 品 組 成 系 Ｒmax(μm) （ｋｇ） 本発明例 １ａ：ＷＣ−Ｎｉ系 1.2 73 71 74 84 同 １ｂ：ＴａＣ−Ｎｉ系 1.8 68 50 49 48 比 較 例 １ｃ：ＷＣ−Ｎｉ系 22 29 38 27 32 同 １ｄ：ＴａＣ−Ｎｉ系 19 29 36 31 34 比 較 例 １ｅ：ＷＣ−Ｎｉ系 8.7 65 40 51 47 同 １ｆ：ＴａＣ−Ｎｉ系 10.5 38 42 59 45 尚、強度試験における比較例の部品１ｃ〜１ｆにおける
破壊は、全て放電加工又は機械加工により形成した細孔
３の内周面を起点として起こっていることが観察され
た。

【００２９】

【実施例２】実施例１と同じ原料粉末に同じ有機バイン
ダーを添加混練した実施例１と同じ混練物を、射出成形
機にて中子ピンを備えた金型内に射出成形し、図２の部
品形状と相似形の成形体を得た。尚、使用した金型の内
周面及び中子ピンの外周面は表面仕上げを施し、面粗さ
Ｒmaxを３μｍ以下とした。得られた成形体を実施例１
と同様に脱バインダーを除去した後、真空中において１
４００℃で３０分焼結することにより、組成が８８重量
％ＷＣ−１２重量％Ｎｉの超硬合金からなり、図２に示
すごとく直径０.８ｍｍと直径１.２ｍｍの２種類の細孔
６を複数有する複雑形状の部品５を製造した。

【００３０】上記実施例２で製造した部品５を本発明例
の部品５ａとし、比較例として、上記実施例２と同一組
成の原料粉末を、中子ピンを有しない以外は実施例２と
同じ金型を用いて細孔６のない図２の部品形状に射出成
形し、この細孔６のない成形体を前記実施例１と同様に
脱バインダー処理及び焼結し、更に放電加工により細孔
６を形成して図２の形状を有する比較例の部品５ｃを製
造した。又、同じ細孔６のない成形体を同様に脱バイン
ダー処理し、真空中で７００℃まで加熱して成形体強度
を高めた状態で機械加工により細孔６を形成した後、同
様に焼結して図２の形状を有する比較例の部品５ｅを得
た。

【００３１】得られた本発明例の部品５ａ、及び比較例
の部品５ｃ、５ｅについて、各細孔６の寸法を測定し
た。その結果、本発明例の部品５ａでは、穴径寸法の精
度が±０.０３ｍｍ及び穴ピッチの精度が±０.０５ｍｍ
であり、従来の放電加工等の２次加工を行わなくても十
分な精度が得られた。一方、機械加工により細孔６を設
けた成形体を焼結して製造した比較例の部品５ｅでは、
細孔６の出口周辺に小さな欠けが発生しており、精度も
穴径寸法で±０.１５ｍｍ及び穴ピッチで±０.１２ｍｍ
と遥かに劣っていた。

【００３２】又、焼結後に放電加工により細孔６を形成
した比較例の部品５ｃでは、満足すべき寸法精度が得ら
れるものの、放電加工により細孔６の内周面部分の強度
が低下するので、所定の強度を得るため各細孔６の間の
肉厚が最小でも１.０ｍｍ必要であったが、本発明によ
れば同肉厚を０.５ｍｍまで薄くしても所定の強度が得
られ、薄型軽量の設計が可能となることが判った。

【００３３】更に、各部品の焼結肌の面粗さＲmaxを測
定した所、本発明例の部品５ａは表面及び細孔６の内周
面共に２μｍと極めて滑らかであり、更に表面仕上げが
必要な場合であっても研磨工程に要する工数を大幅に低
減できることが判った。尚、機械加工により細孔６を設
けた成形体を焼結して得た比較例の部品５ｅの細孔６の
内周面は焼結肌であるが面粗さＲmaxは９μｍであり、
従来の型押を用いた粉末冶金法により製造した部品では
表面の面粗さＲmaxが５μｍであった。

【００３４】

【実施例３】平均粒径２μｍのＣｏ粉末５０重量％と、
平均粒径５μｍのＣｒ粉末８重量％と、平均粒径３μｍ
のＷ粉末５重量％と、平均粒径４μｍのＣｒ₇Ｃ₃粉末３
７重量％とを、ボールミルを用いてエチルアルコール中
で３０時間粉砕且つ混合した。得られた混合粉末を乾燥
した後、これに有機バインダーとして６重量％のパラフ
ィンと６重量％のポリエチレンを添加し、ニーダで２時
間混練した。この混練物を中子ピンを備えた金型内に射
出成形し、図１の部品形状と相似形の成形体を得た。
尚、使用した金型の内周面及び中子ピンの外周面は表面
仕上げを施し、面粗さＲmaxを３μｍ以下とした。

【００３５】得られた成形体を、Ｎ₂ガス中にて昇温速
度１５℃／時間で４００℃まで加熱して有機バインダー
を除去した。次に、脱バインダー処理後の成形体を真空
中において１２５０℃で３０分焼結することにより、組
成が５０重量％Ｃｏ−４５重量％Ｃｒ−５重量％Ｗのス
テライト相当合金からなり、図１に示すごとく角柱部２
の中央に内径１.５ｍｍの細孔３を及び両端に円板部４
を有する、本発明例の部品を製造した。

【００３６】本発明例の４個の部品について、細孔３の
内周面の面粗さＲmaxを測定すると共に、図１の角柱部
２に矢印方向の荷重を掛ける強度試験を行って破壊荷重
を測定して得られた各値を表２に示した。又、比較のた
めに、金型の内周面及び中子ピンの外周面の面粗さＲma
xが１０μｍである成形金型を用いた以外上記実施例３
と同様にして、図１に示す形状を有する比較例の部品を
製造し、上記と同様に測定した細孔３の内周面の面粗さ
Ｒmaxと破壊強度を表２に示した。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、ＷＣ系等の超硬合金又
はステライト相当合金からなり、３次元曲面や薄肉部あ
るいは細孔等を有する複雑形状であって寸法精度に優
れ、且つ材料本来の優れた強度を備えた硬質焼結部品
を、放電加工等の２次加工を必要とせずに製造し、提供
することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の一具
体例を示す斜視図である。

【図２】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の他の
具体例を示す斜視図である。

【図３】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の他の
具体例を示す斜視図である。

【図４】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の他の
具体例を示す斜視図である。

【図５】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の他の
具体例を示す斜視図である。

【図６】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の他の
具体例を示す斜視図である。

【図７】本発明の複雑形状を有する硬質焼結部品の他の
具体例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 部品 ２ 角柱部 ３ 細孔 ４ 円板部 ５ 部品 ６ 細孔 ７ 孔部 ８ ロート状孔部 ９ 溝

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超硬合金又はステライト相当合金からな
   り、３次元曲面又は薄肉部の面粗さＲmaxが４μｍ以下
   の焼結肌であることを特徴とする硬質焼結部品。
2. 【請求項２】 超硬合金又はステライト相当合金からな
   り、細孔の内周面の面粗さＲmaxが４μｍ以下の焼結肌
   であることを特徴とする硬質焼結部品。
3. 【請求項３】 成形体の３次元曲面又は薄肉部に対応す
   る箇所の内周面の面粗さＲmaxが３μｍ以下の成形金型
   を用い、有機バインダーを混練した超硬合金又はステラ
   イト相当合金の原料粉末を上記成形金型に射出成形し、
   得られた３次元曲面又は薄肉部を有する成形体を脱バイ
   ンダー処理した後、焼結することを特徴とする請求項１
   記載の硬質焼結部品の製造方法。
4. 【請求項４】 成形体の細孔内周面に対応する外周面の
   面粗さＲmaxが３μｍ以下の中子ピンを備えた成形金型
   を用い、有機バインダーを混練した超硬合金又はステラ
   イト相当合金の原料粉を上記成形金型に射出成形し、得
   られた中子ピンに対応した細孔を有する成形体を脱バイ
   ンダー処理した後、焼結することを特徴とする請求項２
   記載の硬質焼結部品の製造方法。