JPS58110655A - 超硬合金組成物およびその製法 - 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】 本発明は焼結組成物に関するもので、更に詳しく言えば
、繋岩および掘削作業用として特に適する特異な特性お
よび物理的性質を持った超硬合金組成物に関する。

超硬合金組成物は独特な組合せの硬度、圧縮強さおよび
耐摩耗性を有することで知られている。

これらの性質およびその他の理由から、超硬合金組成物
は工業用途において広く使用されている。

その代表例としては、切削工具、引抜きダイス、摩耗部
品、ドリル、並びに硬度、圧縮強さおよび耐摩耗性が極
めて重要とされるその他の用途が挙げられる。

かかる組成物の多数の代表例、それらの使用時における
各種の物理的形態、およびそれらの製造手段は、ヒュー
メニク（Ｈｕｍｅｎｉｋ　）等の米国特許第３３♂タク
乙！号およびフレーン（Ｆｒｅｈｎ　）の同第３’１３
０３／／号明細書中に記載されている。　これらの組成
物は、主として、金属母体中に結合されたたとえば炭化
タングステンの超耐熱性粒子から成っている。　かかる
母体結合剤用の金属としてはコバルトが最も広く使用さ
れているが、その他にも各種の金属が使用されてきた。

たとえば、かかる母体結合剤中にニッケルおよび（また
は）鉄を使用すれば様々な利益の生じることが知られて
いる。　これらの金属は、特定組成物中のコバルトの一
部または全部を置換するために使用されてきた。　かか
る置換の実例は、ヘイル（Ｈａｌｅ　）の米国特許第３
Ｆ／ｌＯｒ／号、クヮース（Ｑｕａａｓ　）の同第３３
７２０６ご号、およびハラ（Ｈａｒａ　）等の同第３７
ダ乙！／り号明線香中に記載されている。　そこには、
ニッケルおよび鉄の両方を含有する合金が炭化タングス
テンおよびその他の炭化物粒子用の母体結合剤として有
用であると述べられている。

超硬合金組成物の重要な性質の一つとして、組成物表面
に生じた小さなひび割れの成長に耐え得る能力が挙げら
れる。　これは、たとえば、かかるひび割れが使用開始
め直後に生じゃすい繋岩機の場合には特に重要である。

　表面ひび割れの成長に対する抵抗性は、破砕靭性また
は（一層厳密に言えは）臨界応力強度パラメータすなわ
ちに□。と呼ばれる。　この性質を最も良く評価するに
は、自然のひび割れの開始および停止を数回にわたって
繰返しながらひび割れの成長に要するエネルギーを正確
に測定するための試験を行えばよい。

もう一つの特に重要な性質は加えられた大きな応力に対
する抵抗性であって、これも塘た繋岩作業の場合に問題
となる。　この性質に関与する硬度は直接に耐摩耗性を
左右し、従ってこのような超硬合金組成物から作られた
製品の実用寿命を決定する。

かかる超硬合金組成物の応汎な使用および研究にもかか
わらず、馨岩作業にとって有用な組成物に関する実質的
な改良は生み出されなかった。

上記性質の一つの向上が達成された場合でも、他の重要
な性質（多くは耐摩耗性や硬度）が犠牲となっている。

　このように、繋岩作業にとって望ましい組合せの性質
を有する組成物は未だ実現していないのである。

さて、本発明は改良された焼結組成物に関するもので、
更に詳しく言えば、特に繋岩および（または）掘削作栗
にとって有用な超硬合金組成物に関する。　かかる組成
物は、上記に述べたような従来技術の欠点の多くを解決
するものである。

本発明の組成物は、一般に、約？θ〜約９７（重量）％
を占めるたとえば炭化タングステンの超耐熱性粒子を含
んでいる。　これらの粒子は、約ｊ〜約！θ（重量）俤
のニッケル、有害な炭素欠乏相または過剰量の生成を防
止するのに十分な量の炭素、および約タオ〜約６０　（
重量）％にゎたる残部の鉄を成分とする合金から成りか
つ組成物全体の約３〜約、２ｏｃ重量）チを占める金属
母体中に結合されている。　一層好適な実施態様の場合
、かかる合金はマンガンを追加含有している。

本発明の超硬合金組成物の主成分は超耐熱性粒子である
。　一般に約？θ〜約り２（重量）％の量で存在するこ
の成分こそ、かがる組成物の用途にとって必要な耐摩耗
性をもたらす主因を成すものである。

一般に、かかる超耐熱性粒子の少なくともタθチ好まし
くは２０〜１００チは炭化タングステンによって構成さ
れる。　これは公知の物理的性質によって本発明の目的
に特に適している。　それに加えて、その他各種の材料
を併用することができろ。　特定の用途に対しては、炭
化チタン、炭化タンタルおよび（プたは）その他公知の
超耐熱材料の粒子を炭化タングステンの粒子に混合する
こともできる。　最も普通には、かかる副次的超耐熱材
料の使用量は粒子の全量を基準として！０（重量）％未
満好ましくは、２０　（重量）チ未満である。

当業界において公知の通り、炭化物粒子の粒度は広範囲
にわたって変わり得る。　とは言え、最も望ましい組合
せの耐摩耗性および破砕靭性な得るためには、炭化物粒
子の粒度は約／／、２〜約／タミクロンまたはそれらの
組合せである。

本発明の超耐熱性粒子に対する母体（マトリックス）結
合剤は合金から成る。　この合金が本発明組成物の物理
的団結性を維持するために役立つわけである。　本発明
の合金は特異な性質を有するため、多くの従来含金に比
べて一層優れた組合せの破砕靭性および耐摩耗性を達成
することができる。

かかる合金は約夕〜約ｊθ（重量）チのニッケルを含ん
でいて、約９夕〜約！θＣ重量）チにわたる残部は鉄か
ら成る。　その他の金属（たとえばコバルト、モリブデ
ン、銅、クロムなど）もまた存在し得る。　上記の組成
範囲内では、かかる合金は特に破砕靭性の実質的な改善
をもたらすことができる。

上記の金属成分に加えて、かかる合金は炭素欠乏相の生
成を防止するのに十分な量の炭素を含有する必要がある
。　一般に、合金重量を基準として約２（重量）％以下
の炭素が使用される。

なお、Ａ８ＴＭ規格Ｂ　−，２７，＜によるとＣ−２級
以上の評価を与えるような過剰量の炭素の使用も避ける
べきである。　かかる過剰量の炭素は本発明組成物の望
ましい性能特性を低下させることがある。

この炭素は合金中において幾つかの機能を果たす。　最
も重要なのは、それがたとえば鉄とタングステンとの有
害な複炭化物の生成を防止するために役立つことである
。　かかる複炭化物は一般に極めて脆く、従って本発明
組成物の重要な性質を損うことになる。

本発明の別の実施態様においては、母体結合剤を構成す
る合金が好ましくけ約！〜約２０（重量）チのマンガン
を追加含有する。　この金属成分は、約！〜約３０（重
量）係のニッケルを含有する上記の合金中に使用すれば
特に有利であることが判明している。

本発明の超硬合金組成物は任意所望の形状で使用するこ
とができ、しかも標準的な超硬合金製造技術によって製
造することができる。　簡便には、先ず（一般に微粉状
を成す）個々の合金成分がたとえばボールミル中におい
て混合される。

こうして得られた混合物は所望の形状となるように容易
に圧縮または成形することができる。　これらの工程は
通例パラフィンやポリエチレングリコールのごとき潤滑
剤の存在下で実施されるが、かかる潤滑剤はその後に実
質的に除去することができる。

所望の形状に成形した後、あるいは成形と同時に、当業
者にとって公知の標準的な炭化物焼結技術によって上記
の混合物を焼結すればよい。

それを冷却すれば、当初の用途に適する一体化された焼
結体が得られる。

マンガンを含有する組成物の場合には、水素またはその
他の還元性ガス中においてそれを母体結合剤の液相線温
度にまで加熱し、次いで不活性ガスまたは還元性ガス中
において焼結を完了させることが好ましい。　このよう
にすれば、組成物からのマンガンの損失が最少限に抑え
られる。

本発明の望ましい特異な性質の多くは、ひずみの発生に
応じてオーステナイト形の母体合金がマルテンサイトに
部分的に変化することに由来するものと信じられる。　
これは大きい応力が作用するような各種の情況下で起こ
る。　　（！！岩作業時の焼結体において見られる状態
に類似した）ヘルツ接触の場合１表面層はマルテンサイ
トに部分的に変化する一方、内部はそのままオーステナ
イト形を示す。

本発明に従えば、ひずみによって誘発された変態のため
、本発明の組成物は耐摩耗性の向上した硬化表面を有す
ると同時に、破壊に耐えるオーステナイト形母体合金の
強靭な必部な保持するものと信じられる。　かかる部分
的変態を生じるために必要な冷間加工（またはひずみ硬
化）は、たとえば繋岩作業における超硬合金組成物の使
用条件下で起こることになる。

本発明の合金中におけるマンガンの存在は、このような
現象に対して特に顕著な効果を及ぼす。

かかるマンガンは、たとえば大きな応力の作用下で母体
結合剤が塑性変形を受ける場合、極めて望ましい硬化変
態をもたらすのに役立つ。　かかる加工硬化は、応力の
加わった組成物の表面領域のみに局限される。　従って
、組成物の全体的な靭性は維持されるのである。

本発明を一層詳細に説明【−て一層明確な理解を得るた
め、以下に実施例を示す。

実施例　／ ！グルと！（重量）俤の炭化タングステンおよび／！〜
／乙（′重量）俤の母体結合剤から成る各種の超硬合金
組成物試料を調製した。　これらの試料は相異なる合金
成分を含有していた。　それらの物理的性質を測定し、
そして標準的な商用銘柄の炭化タングステン−コバルト
（ＷＣ−Ｃｏ）組成物と比較したところ、次のような結
果が得られた。

組成物Ｘ７ＪＯ３−ざにおよびＸ７ｊ０３−ｒｔＡは、
比較的低いニッケル含量および比較的高い炭素含量を有
していた。　これらの組成物の破砕靭性（ＫＩＣ）は、
同等な商用銘柄のＷＣ−Ｃｏ組成物（すなわち銘柄Ｉ−
Ｂおよび銘柄ＪｇＢ）の場合よりも劣っていた。

３０〜グ０（重量）％のニッケル含量およびθ！〜θり
（重量）％の炭素含量を有する組成物Ｘ７！；０３−と
乙Ｂ、　Ｘ７．、！−θ３−♂乙Ｅ、　Ｘ７３−０３−
♂乙ＦおよびＸ７ｊθ３−４１．Ｊは、耐摩耗性の顕著
な低下なしＣ′こ破砕靭性の実質的な増加を示した。

グ０（重量）チ以上のニッケル含量を有しかつ炭素を含
有しない組成物Ｘ７！０３−１？ｌＧおよびＸ７３０３
−４≦Ｈは、より低い破砕靭性および耐摩耗性を示した
。　繋岩作業に対する組成物の適性にとって耐摩耗性は
破砕靭性と同等に重要であるから、破砕靭性の点で商用
銘柄！！Ｂおよび、２６Ｂと同等以上ではあっても、こ
れらの組成物はやはシ劣っているのである。

実施例　コ ？？　（重量＞Ｓの炭化タングステンおよび／２（重量
）％の母体結合剤から成る超硬合金組成物試料を調製し
た。　それらの物理的性質を測定し、そして標準的な商
用銘柄のＷＣ−Ｃｏ組成物と比較したところ、次のよう
な結果が得られた。

＊残部 本発明の組成物はいずれも耐摩耗性および破砕靭性の顕
著な改善を示した。　このように鉄−ニッケルーマンガ
ン−炭素合金を母体結合剤とする組成物が示す性質は、
第一図に関連して後述されるごとく特に望ましいもので
ある。

実施例　３ 下記組成物の各々から作られた繋岩機用インサートに関
して硬度分布を測定した。

かかる硬度分布の測定は、ヌープ圧子およびｓｏｏｇの
荷重を使用しながらツーコン（Ｔｕｋｏｎ　）微小硬度
試験機によって行った。　こうして得られた結果を第１
図のグラフに示す。

第７図かられかる通す１本発明の組成物の基線はいずれ
も標準銘柄のＷＣ−Ｃｏ組成物に比べて実質的な改善を
示している。　組成物の表面においては、Ｘ７／θ０−
３θＪＧおよびＸ７ＦＯθ−３０／Ｌ３は最高度の加工
硬化を示した。　このような局限された表面硬化を考察
すれば、特に大きな応力の作用下における耐摩耗性の改
善が直ちに理解される。

上記の表面硬化に加え、組成物表面からの距離が大きく
なるに従って硬度は急速かつ実質的に低下する。　すな
わち、本発明の組成物は一層高度に局限された表面硬化
を示すわけである。　このことはまた、内部の靭性の保
持を可能にする。

その結果、本発明の組成物は通常のＷＣ−Ｃｏ組成物に
比べて比較的大きい総合靭性を有することになる。

本発明組成物の優秀性はオた第２図にも示されている。

　そこには、実施例、２の本発明組成物および商用銘柄
組成物における破砕靭性と耐摩耗性との関係が表わされ
ている。　この第２図を見れば、本発明組成物の性質が
通常のＷＣ−Ｃｏ組成物の性質より優れているどとが理
解されよう。

以上の説明を考察すれば、上記の実施例において様々な
改変や変更を加え得ることは自明である。　すなわち、
前記特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲お
よび精神から逸脱することなしに数多（の変形実施例が
可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は模擬馨岩作業の結果として生じた従来技術およ
び本発明の代表的組成物の表面硬化度を組成物表面から
の距離の関数として示すグラフ、そして第２図は従来の
炭化タングステン−コバルト組成物および本発明の組成
物における破砕靭性と耐摩耗性との関係を示すグラフで
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／　炭化タングステンの超耐熱性粒子および金属母体結
   合剤から成る焼結組成物において、前記母体結合剤が前
   記組成物の３〜，２０（重量）％を占め、しかも約！〜
   夕θ（重量）９！＋のニッケル、有害な炭素欠乏相また
   は過剰相の生成を防止するのに十分なコ（重量）チマで
   の量の炭素、および９９〜夕θ（重量）％にわたる残部
   の鉄を成分とする合金から成ることを特徴とする焼結組
   成物。 認　前記超耐熱性粒子が炭化チタンまたは炭化タンタル
   を追加含有している特許請求の範囲第１項記載の組成物
   。 ３　前記組成物がオーステナイト形の母体を有Ｉ７て（
   ・て、応力の作用下で前記母体の表面層が部分的にマル
   テンサイトに変化する特許請求の範囲第１項記載の組成
   物。 グ　前記合金がマンガンを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の組成物。 左　前記合金が夕〜２θ（重量）チのマンガンおよびＳ
   〜３０（重量）％の二・ンケルを含有する特許請求の範
   囲第１項記載の組成物。 乙　前記超耐熱性粒子が炭化チタンまたは炭化タンタル
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の組成物。 ７　前記組成物がオーステナイト形の母体を有していて
   、応力の作用下で前記母体の表面層が部分的にマルテン
   サイトに変化する特許請求の範囲第１項記載の組成物。 ト繋岩方法に使用する超硬合金工具を構成する特許請求
   の範囲第１〜２項のいずれか７項に配状混合物を調製し
   、（ｂ）前記混合物に十分な熱および圧力を加えること
   によって一体化された焼結体を形成し、（ｃ）前記焼結
   体を冷却し、次いで（ｄ）前記焼結体に大きい応力を加
   えることによって前記焼結体の表面層にマルテンサイト
   を生成させる諸工程から成る、炭化タングステンの超耐
   熱性粒子および金属母体結合剤から成る焼結組成物にお
   いて、前記母体結合剤が前記組成物の３〜−０（重量）
   チを占め、しかも約！〜！θ（重量）％のニッケル、有
   害な炭素欠乏相または過剰相の生成を防止するのに十分
   な、２（重量）俤マでの量の炭素、および２２〜！θ（
   重量）チにわたる残部の鉄を成分とする合金から成るこ
   とを特徴とする焼結組成物の製造方法。 １０　前記合金がマンガンを含有する場合において、前
   記混合物が先ず還元性ガス中において前記合金の液相線
   温度にまで加熱され、次いで不活性ガスまたは還元性ガ
   ス中において焼結される特許請求の範囲第９項記載の方
   法。