JPH10219384A - 硬質サーメット材料並びにそれを用いた金属加工用工具及び金属加工用機械部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属結合相の割合が増大しても硬度低下がな
い硬質サーメット材料と、摩耗、欠け、折損などがな
い、耐摩耗性に優れた金属加工用工具と金属加工用機械
部品の提供。 【解決手段】 Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金の金属結合相と、
ＩＶａ、ＶａあるいはＶＩａ族元素の炭化物、窒化物あ
るいは炭窒化物のいずれか１種又は２種以上の結晶粒の
表層に炭化モリブデンが固溶しているセラミックス相と
からなる組織を持った硬質サーメット材料であり、その
中でも金属結合相の割合が５〜４０重量％である硬質サ
ーメット材料と、この硬質サーメット材料で製造された
耐摩耗性を有する金属加工用工具及び金属加工用機械部
品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属加工用工具又
は金属加工用機械部品の材料として利用できる硬質サー
メット材料並びにそれを用いた耐摩耗性を有する金属加
工用工具及び金属加工用機械部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属加工用工具（以下「工具」と
いう。）あるいは金属加工用機械部品（以下「機械部
品」という。）の材料としては、工具鋼や高速度鋼等の
鉄系金属材料、あるいは超硬合金等が常用されていた
が、連続重負荷加工や断続加工等のように、加工条件が
工具や機械部品に対して過酷になることによって、これ
ら工具や機械部品母材の摩耗損耗が激しくなったり、衝
撃が加わる加工条件の場合に欠けや折損等の損傷が多く
発生しており、改善が望まれていた。

【０００３】そこで、これらに代わる工具あるいは機械
部品用の材料として、炭窒化チタンをセラミックス相と
するサーメット材料が開発された。その例として、例え
ば、特開平６−１７２９１３号に開示されるようなＴｉ
ＣＮ−Ｎｉ系、また、特開平７ー１５０２８６号に開示
されたＴｉＣＮ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系やＴｉＣＮ−ＷＣ−
Ｎｉ系のものなどが知られている。さらに、日本金属学
会会報第２２巻第４号（１９８３年）には、「ＴｉＣ基
サーメットの進歩と現状」と題して窒素添加のＴｉＣ一
Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉサーメットについての研究結果が発表さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の工具鋼や高速度
鋼などの鉄系金属材料は、もともと耐摩耗性が十分でな
かった。超硬合金あるいは従来の各種サーメット材料に
おいても、緻密な組織とするためにＣｏやＮｉ系の金属
が主に使用されて金属結合相が形成されてはいるが、こ
れら金属結合相はセラミックス相に比較して低硬度であ
り、やはり耐摩耗性が劣っている。強度や靭性を増大さ
せるために、金属結合相の割合を増大させると、それに
伴って硬度が低下して耐摩耗性が低下するという問題が
あり、耐摩耗性を持った工具あるいは機械部品としての
材料という点では実用上十分とは言えない。

【０００５】即ち、工具あるいは機械部品が工具鋼や高
速度鋼等の鉄系金属材料あるいは超硬合金、サーメット
材料等からなっている場合は、工具や機械部品が被加工
金属材と連続的にあるいは断続的にでも無潤滑摺動運動
を繰り返すことによって、工具や機械部品の金属相が低
硬度であるために塑性変形を起こして、被加工金属材と
の接触面積が増大し、摩擦抵抗が増大する。

【０００６】この状態では摺動部分が摩擦熱によって高
温となるために、これら工具あるいは機械部品と被加工
金属材とは摺動部分において相互拡散から凝着を起こ
し、摩擦摩耗や損傷に至り、工具あるいは機械部品等に
は、欠けや折損などが生じることになる。

【０００７】本発明は、耐摩耗性に優れた硬質サーメッ
ト材料と、それを用いた耐摩耗性を有する工具や機械部
品を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の硬質サーメット
材料は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金の金属結合相と、結晶粒
表層に炭化モリブデンが固溶しているＩＶａ、Ｖａある
いはＶａ族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物のい
ずれか１種又は２種以上で構成するセラミックス相とか
らなる組織である。Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金による金属結
合相の割合は５〜４０重量％が好ましい。

【０００９】さらに、本発明は、この硬質サーメット材
料を工具及び機械部品に用いる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明よる硬質サーメット材料
は、金属結合相がＣｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金である点に特徴
があり、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金の種類としては、金属デ
ータブック［１９８４．１．３０、日本金属学会編．改
訂２版．丸善（株）発行．１３６頁記載］による中位、
硬質等が好ましく、Ｃｒが３０重量％以上で、Ｗが１５
％以上である硬質Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ合金であればより好ま
しい。即ち、本発明による硬質サーメット材料は、従来
のサーメット材料や超硬合金等に使用されているＮｉ、
Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらの合金とは金属結合相が異なって
おり、耐摩耗性が優れている。それは、本発明による硬
質サーメット材料の金属結合相がＣｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金
からなるために、金属結合相自身の硬度が、従来のサー
メット材料や超硬合金の金属結合相の硬度に比較して非
常に高く、それに加えて、金属結合相であるＣｏ−Ｃｒ
−Ｗ系合金と、結晶粒表層に炭化モリブデンが固溶して
いるＩＶａ、ＶａあるいはＶＩａ族元素の炭化物、窒化
物あるいは炭窒化物等のセラミックス結晶粒との濡れ性
が良好であることによって、金属結合相とセラミックス
相との間が強固な結合状態となっており、Ｎｉ、Ｆｅ、
Ｃｏ又はこれらの合金が使用されている従来のサーメッ
ト材料、超硬合金等に比較して非常に増大した耐摩耗性
を得ることができる。

【００１１】さらに、金属結合相の割合が５〜４０重量
％であることによって、耐摩耗性、強度、靭性を兼備し
た硬質サーメット材料が得られ、耐摩耗性の工具や機械
部品として優れた特性を得ることができる。

【００１２】本発明による硬質サーメット材料の金属結
合相は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金粉末を使用することによ
って得られるが、使用する合金粉末の平均粒径は１０μ
ｍ前後であることが好ましい。

【００１３】金属結合相の割合が５重量％未満の場合、
得られる硬質サーメット材料の硬度は非常に高くなり耐
摩耗性は向上するが、靭性あるいは機械的な強さが実用
上十分でなく、欠け、折損等の問題が生じる。また、金
属結合相の割合が４０重量％を越える場合、得られる硬
質サーメット材料の靭性と室温における機械的な強さは
非常に高くなるが、硬さと高温における靭性や機械的強
さが低下する等の問題が生じて、従来の工具鋼や高速度
鋼等の鉄系金属材料、超硬合金、或いはサーメット材料
等が使用されている分野での適用は困難になってくる。

【００１４】ＩＶａ族元素（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、Ｖａ
族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）あるいはＶＩａ族元素（Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗ）の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物とし
ては、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＷＣ、ＴｉＮ、
ＺｒＮ、ＴｉＣＮなどがあり、本発明による硬質サーメ
ット材料におけるセラミックス相として、これらを単独
あるいは複数種類を組み合わせて使用することで目的と
する結果が得られる。

【００１５】本発明における炭化モリブデンの使用は、
耐摩耗性に優れた硬質サーメット材料を得るためには不
可欠であり、その理由は次のとおりである。

【００１６】即ち、本発明による硬質サーメット材料
は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金粉末と、ＩＶａ、Ｖａあるい
はＶＩａ族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物であ
る１種又は２種以上のセラミックス粉末と炭化モリブデ
ン粉末との混合物を焼結することにより得られるが、そ
の焼結過程において、ＩＶａ、ＶａあるいはＶＩａ族元
素の炭化物、窒化物又は炭窒化物等の結晶粒の表層に炭
化モリブデンが固溶することによって、粗大なセラミッ
クス結晶粒の生成が抑制され、微細なセラミックスの結
晶粒間に金属結合相が分布した微細組織の材料が得られ
る。したがって、強度、硬度のいずれもが高い硬質サー
メット材料が得られ、研磨加工した仕上げ面は平滑とな
って、耐摩耗性向上には非常に望ましい状態となる。

【００１７】これらの特徴を有する本発明による硬質サ
ーメット材料は、適正な比率に配合された前述の、セラ
ミック粉末、炭化モリブデン粉末及びＣｏ−Ｃｒ−Ｗ系
合金粉末とからなる混合物を、公知の方法、例えば、ボ
ールミルあるいはアトリションミルを使用した乾式混合
法もしくはそれらによる湿式混合法又はそれらと同様な
混合効果をもたらす方法によって作製し、得られた混合
粉末を金型ー軸成形、冷間静水圧成形等の方法によって
加圧成形後、無加圧焼結法、雰囲気加圧焼結法、熱間静
水圧焼結法、ホットプレス法、その他焼結材料の製造に
使用されるものと同様な熱処理や焼結工程で緻密化させ
ることによって得ることができる。

【００１８】本発明による硬質サーメット材料で工具及
び機械部品を製作すると、セラミックス結晶粒が微細で
あるために研磨加工した仕上げ面が平滑となることと相
俟って、金属結合相が高硬度であるためにＮｉ、Ｆｅ、
Ｃｏ又はこれらの合金を金属結合相としている従来のサ
ーメット材料や超硬合金に比較して、優れた耐摩耗性を
得ることができる。

【００１９】ここで、熱処理における雰囲気条件として
は、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気あるいは真空そ
の他の非酸化性雰囲気が望ましく、熱処理の最高温度は
１３００〜１７００°Ｃの範囲にあれば、本発明による
硬質サーメット材料が得られる。

【００２０】本発明による硬質サーメット材料を使用し
た工具及び機械部品は、従来の工具鋼や高速度鋼などの
鉄系金属材料、超硬合金あるいはサーメット材料を使用
した工具や機械部品に比較して、摩耗や損傷を大幅に軽
減することができる。

【００２１】本発明による硬質サーメット材料の適用が
好ましい工具あるいは機械部品としては、冷間塑性加工
用型（抜き型、絞り型、成形型、押し出し型、スリッ
タ）、熱間塑性加工用型（鋳造型、押し出し用ステム／
ダイス／ライナ他）、圧延用ロールの他に、伸線用ダイ
ス、引き抜きダイス、深絞りダイス、成型用ダイスなど
がある。

【００２２】

【実施例】実施例により、本発明の硬質サーメット材料
の構成割合（重量％）と特性値を詳しく説明する。な
お、ＩＶａ、ＶａあるいはＶＩａ族元素の炭化物、窒化
物あるいは炭窒化物の代表として、炭窒化チタン、炭化
チタン、窒化ジルコニウム、その他を使用した場合につ
いて説明しているが、これ以外の炭化物、窒化物、炭窒
化物でも同様の効果が得られるので、本発明は実施例の
みに限定されるものではない。

【００２３】表１〜表３に示す各配合割合による混合粉
末を１５ＯＭＰａで加圧成形した後、その成形体を１４
００〜１７００℃の常圧アルゴン雰囲気中で１時間保持
して硬質サーメット材料を作製した。これらの硬質サー
メット材料の特性評価結果を表１〜表３に示す。

【００２４】ここで無潤滑摺動性の評価は、高張力炭素
鋼ＳＣＭｎ１の平板材と上記の硬質サーメット材料によ
る円柱状材とを使ったピンオンディスク法により行っ
た。押し付け荷重は５ＯＮ、摺動速度はｌｍ／ｓ、摺動
距離は５０００ｍとした。

【００２５】

【表１】 表１において、金属相の割合を変化させた実施例１〜４
と比較例１及び２の結果によると、本発明による硬質サ
ーメット材料は緻密で高硬度、高強度であり、かつ鉄鋼
材料との無潤滑摺動運動において凝着、欠け等の発生も
なく良好であるが、金属結合相の割合が本発明の範囲外
になると、緻密な硬質サーメット材料が得られるもの
の、硬度、強度と靭性に増減が現れて、鉄鋼材料との無
潤滑摺動運動において凝着摩耗が発生した。

【００２６】比較例３に示すとおり、炭窒化物結晶粒表
層に炭化モリブデンが固溶していないセラミックス相と
金属結合相とからなるサーメット材料の特性値を本発明
による硬質サーメット材料の比較すると、硬度は同等で
あり、セラミックス相の結晶粒径が大きいために、破壊
靭性は増大しているが、曲げ強さが低下しており、研磨
加工した仕上げ表面の粗さも粗くなっていることと相俟
って、耐摩耗性が低下しているため実用上の欠点とな
る。

【００２７】また、表１において実施例５、６に示すと
おり、セラミックス相として炭窒化チタンと炭化タング
ステンとが共存する組成の硬質サーメット材料において
も、実施例１〜４と同様の結果が得られた。

【００２８】比較例４で、超硬合金Ｄ２の使用は、曲げ
強さが非常に高いにもかかわらず、鉄鋼材料との無潤滑
摺動運動によって摩耗が生じ、摺動面には多数の傷跡が
観察された。

【００２９】

【表２】 表２において、金属結合相の割合を変化させた実施例７
〜１０と比較例４、５の結果によると、本発明による硬
質サーメット材料は緻密で高硬度、高強度であり、かつ
鉄鋼材料との無潤滑摺動運動において凝着、欠け等の発
生もなく良好であるが、金属結合相の割合が本発明の範
囲外になると、緻密な硬質サーメット材料が得られるも
のの、硬度や強度と靭性に増減が現れて、鉄鋼材料との
無潤滑摺動運動において凝着摩耗が発生した。

【００３０】また、表２において、実施例１１、１２に
示すとおり、セラミックス相として炭窒化チタンと炭化
タングステンとが共存する組成の硬質サーメット材料に
おいても、実施例７〜１０と同様の結果が得られた。

【００３１】また、表１と表２の結果からわかるよう
に、金属結合相であるＣｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金の組成が変
わっても、本発明の特許請求の範囲内である限りは、本
発明が求める硬質サーメット材料の特徴が得られてい
る。

【００３２】

【表３】 表３は、セラミックス相として結晶粒表層に炭化モリブ
デンが固溶しているＩＶａ、ＶａあるいはＶＩａ族元素
の炭窒化物あるいは炭化物と窒化物が共存している実施
例の結果である。

【００３３】セラミックス相がＩＶａ、ＶａあるいはＶ
Ｉａ族元素の炭窒化物、炭化物あるいは窒化物の単一相
である場合と同様に、セラミックス相がＩＶａ、Ｖａあ
るいはＶＩａ族元素の炭窒化物や炭化物と窒化物が共存
している場合でも、特許請求の範囲内にある限りは高硬
度、高強度かつ高靭性で、鉄鋼材料との無潤滑摺動運動
において凝着、欠け等の発生もない良好な耐摩耗特性を
有する硬質サーメット材料が得られている。

【００３４】次に、実施例１によるサーメット材料と比
較例１によるサーメット材料と比較例４による超硬合金
とから、冷間塑性加工用の絞り型を製作した。

【００３５】これらの絞り型の内径は入り口側が８Ｏｍ
ｍで出口側が６０ｍｍである。これらの絞り型を使っ
て、外径が７５ｍｍ、肉厚が２ｍｍのフェライト系ステ
ンレス管を絞り加工した。

【００３６】比較例１のサーメット材料による絞り型で
５０回絞り加工した結果、絞り型内面には凝着摩耗によ
る傷跡が確認され、絞ったステンレス管外表面には筋状
の擦過傷が確認された。

【００３７】実施例１のサーメット材料による絞り型で
は１００回絞り加工した後でも、このような傷跡は確認
されなかった。

【００３８】比較例４の超硬合金による絞り型で５０回
絞り加工した結果、絞り型内面には凝着摩耗による傷跡
が確認され、絞ったステンレス管外表面には筋状の擦過
傷が確認された。これらの傷の発生程度は比較例１のサ
ーメット材料による絞り型よりも顕著であった。

【００３９】

【発明の効果】本発明による硬質サーメット材料は、緻
密で高硬度、高強度であり、かつ鉄鋼材料との無潤滑摺
動運動において凝着、欠け等の発生もなく良好であり、
耐摩耗性に優れた工具あるいは機械部品として広範囲の
応用が可能である。

【００４０】また、本発明による硬質サーメット材料を
使用した工具あるいは機械部品は、従来の工具鋼や高速
度鋼等の鉄系金属材料、超硬合金あるいはサーメット材
料を使用した工具あるいは機械部品に比較して、摩耗や
損耗が大幅に軽減されて好適である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金の金属結合相と、
   結晶粒表層に炭化モリブデンが固溶したＩＶａ、Ｖａあ
   るいはＶＩａ族元素の炭化物、窒化物あるいは炭窒化物
   のいずれか１種又は２種以上で構成するセラミックス相
   とからなる組織を持った硬質サーメット材料。
2. 【請求項２】 Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金からなる金属結合
   相の割合が５〜４０重量％であることを特徴とする請求
   項１に記載の硬質サーメット材料。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の硬質サーメット材
   料を用いた金属加工用工具。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の硬質サーメット材
   料を用いた金属加工用機械部品。