JPS5823455B2 - 焼結硬質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、高強度をもつと共に、耐摩耗性および耐熱
性にもすぐれ、特に切削工具、さらに熱間加工工具とし
て使用するのに適した焼結硬質合金に関するものである
。

従来、一般に、例えば高速切削工具用焼結硬質合金とし
ては、Ｔｉ炭化物（以下Ｔｉｃで示す）のもつすぐれた
耐摩耗性および耐熱性を生かし、このＴｉｃを主成分と
したＴｉｃ基焼結硬質合金（サーメット）が主流を占め
ている。

また重切削工具用焼結硬質合金としては、Ｗ炭化物（以
下ＷＣで示す）のもつすぐれた耐衝撃性および耐塑性変
形性を生かし、このＷＣを主成分としたＷＣ−Ｃｏ系や
ＷＣ−Ｔ ｉ ｃ−Ｔ ａ ｃ −Ｃ４の超硬合金が主
流を占めている。

しかし、上記Ｔｉｃ基サーメットにおいては、Ｔｉｅ自
体が脆弱であるため、重切削に使用した場合に欠損を起
しやすく、さらに上記ＷＣＣ超超硬合金おいては、ＷＣ
が十分な耐熱性をもっていないものであるため、２００
ｍ／ｍｉｎを越える切削速度での高速切削には適さない
ものであるなど、それぞれの合金には一長一短があり、
その用途が限定されがちであった。

このようなことから、上記Ｔｉｃ基サーメットに関して
は、その靭性を改良するために、ＭＯ２Ｍｏ炭化物（以
下ＭＯ２Ｃ）、Ｗ、およびＷＣなとの成分を添加含有す
ることが行なわれているが、この場合これらの添加含有
された成分がＴｉｅの周囲をとり囲む、いわゆる中間相
となり、このようなＴｉｃが核となった２重組織におい
ては硬質相と結合相とのぬれ性は改善されたものになる
が、前記成分がＴｉｃに固溶していないのでＴｉｃ自体
の強度改善はなされていないことになる。

また、近年、遷移金属窒化物のうちでＺｒ窒化物（Ｚｒ
Ｎ）とともに安定な窒化物として知られ、高い熱伝導率
をもち、耐熱衝撃性にもすぐれ、さらに焼結時に硬質相
の粒成長抑制効果のあるＴｉ窒化物（以下ＴｉＮで示す
）を添加含有させて靭性向上をはかったＴｉｃ基サーメ
ットが提案されているが、この場合ＴｉＮの添加含有量
が多すぎると結合相とのぬれ性が悪く、合金組織中にボ
ア（／ＪｆＬ）や巣ができやすくなって合金強度が低下
し、一方その量が少なすぎると、主成分であるＴｉｅの
もつ脆弱さが露呈して合金強度の本質的改善がなされな
いなどの問題がある。

さらに、Ｔｉ炭窒化物（以下Ｔ１ＣＮで示す）を主成分
としたサーメットも提案されているが、この合金におい
ても、ＴｉＮ添加含有のＴｉｃ基サーメットと比較して
、その切削性能および合金特性にほとんど差がみられな
いことから判断しても、このＴ１ＣＮ基サーメットが本
質的に高強度をもつものであるとは云えず、靭性改良が
十分になされているとはいえないものである。

一方、ＷＣＣ超超硬合金関しては、その耐摩耗性を改良
するために耐摩耗性の良好なＴｉｃを多量に添加含有さ
せて、その耐摩耗性を改良したＪＩＳ分類：ＰＯｌおよ
びＰＩＯのＷＣＣ超超硬合金高速切削用の主流となって
いるが、このＰＯＩおよびＰＬＯの工具材料では重切削
を満足に行なうこことはできず、またＴｉｃの量が少な
い合金では重切削は可能だが高速切削ができない。

したがって重切削が可能で、しかも切削速度： ２００
ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削ができるＷＣＣ超超硬合金
現在のところ見当らないのが現状である。

本発明者等は、上述の観点から、高強度をもつと共に、
耐摩耗性および耐熱性にすぐれ、特に高速切削や、高送
り切削および深切込み切削などの重切削に切削工具とし
て使用するのに適した焼結硬質合金を得るために、硬質
相自体の強度改善と結合相の耐熱性向上をはかるべく研
究を行なった結果、 （ａ）Ｔｉ％／Ｗ％の割合が１０／９０〜９０／１０、
Ｎ％／Ｃ％の割合が１０／９０〜５０１５０（％はいず
れも重量％を示す）の組成をもったＴｉおよびＷを基本
成分とする複数炭窒化物〔以下（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮで示す
〕を主成分とする合金は、Ｔｉｃによるすぐれた耐摩耗
性および耐熱性、ＷＣによるすぐれた耐衝撃性および耐
塑性変形性、並びに窒化物によるすぐれた耐溶着性およ
び耐熱衝撃性を兼ね備えていること。

（ｂ） 上記（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮにおいて、いずれも１
−５０モル％の範囲で、Ｔｉの１部をＴａ 、Ｎｂ 、
Ｚｒ 。

および■のうちの１種または２種以上で置換すると、合
金の耐衝撃性および耐塑性変形性が一層向上し、またＷ
の１部を前記成分で置換した場合には耐摩耗性および耐
熱性が一段と向上すること。

（Ｃ） 上記（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮに対して、ＴｉＮ、Ｚ
ｒＮ。

Ｔ ａＮ 、 ＮｂＮ 、およびＶＮのうちの１種また
は２種以上を共存させると、前記（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮは均
一微細な硬質相を形成するようになると共に、結合相が
強化され、合金の耐熱性が向上すること。

（ｄ） 結合相中にＡ７を含有させると、Ｎ ｉｇｋ
ｔ型の微細析出粒子が析出して前記結合相を析出硬化さ
せ、前記結合相の耐熱性が一層向上したものになること
。

以上（ａ）〜（ａ）に示される知見を得たのである。

したがって、この発明の焼結硬質合金は上記知見に基づ
いてなされたもので、合金成分組成を、鉄族金属のうち
の１種または２種以上＝５〜４０％、必要に応じて Ａｔ：０．０１〜３％、 クロム族金属のうち１種または２種以上二上記鉄族金属
との合計量で５〜４０％、 のいずれか、または両方を含有させ、 ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、およびＶＮのうちの
１種または２種以上：１０〜３０％、 Ｔｉ％／Ｗ％−１０／９０〜９０／１０、Ｎ％／Ｃ％＝
１０／９０〜５０１５０の組成割合をもち、必要に応じ
てＴｉおよびＷのいずれかを１〜５０モル％の範囲でＴ
ａ、Ｎｂ、Ｚｒ、およびＶのうちの１種または２種以上
で置換した（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮ。

および不可避不純物：残り、（以上重量％）で構成する
と、上記成分組成範囲をもった焼結硬質合金は、常温特
性は云うに及ばず、特に高温においてすぐれた耐クリー
プ性、耐熱性、耐塑性変形性、および耐衝撃性を示し、
したがって熱発生の大きい高速切削や、高送り切削およ
び深切込み切削などの重切削に切削工具として、さらに
熱間加工用型材および熱間圧延用ロール材などの熱間加
工工具として使用するのに適した特性を備えることに特
徴を有するものである。

ついで、この発明の焼結硬質合金において、上述のよう
に数値限定した理由を説明する。

（１） （Ｔｉ、Ｗ）ＣＮ ■ Ｔｉ％／Ｗ％ Ｔｉ％／Ｗ％の割合が１０７９０未満では、相対的にＷ
に対するＴｉの量が少なくなりすぎて合金の耐摩耗性お
よび耐熱性が低下するようになり、一方、９０／１０を
越えると相対的にＷの量が少なくなりすぎて合金の耐衝
撃性および耐塑性変形性が低下するようになることから
１その組成割合を１０／９０〜９０／１０と定めた。

■ Ｎ％／Ｃ％ Ｎ％／Ｃ％の割合が１０７９０未満では、Ｃに対するＮ
の量がすぎて窒化物のもつすぐれた耐溶着性および耐熱
衝撃性を十分に合金に付与することができず、一方５０
１５０を越えると窒化物の量が多くなりすぎて合金中に
ボアや巣ができやすくなって合金強度が低下するように
なることから、その組成割合を１０／９０〜５０１５０
と定めた。

■ Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、およびＶによる置換（Ｔ ｉ
、Ｗ） ＣＮにおけるＴｉのこれらの成分による置換量
が１モル％未満では所望の耐衝撃性および耐塑性変形性
の向上効果が得られず、一方５０モル％を越えて置換す
ると、合金の耐摩耗性および耐熱性が低下するようにな
り、またＷのこれらの成分による置換量が１モル％未満
では所望の耐摩耗性および耐熱性の向上効果が得られず
、一方同じく５０モル％を越えて置換すると、合金の耐
衝撃性および耐塑性変形性が低下するようになることが
らＴｉまたはＷの前記成分による置換量を１〜５０モル
％と定めた。

（２）ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、およびＶＮそ
の含有量が１０％未満では（Ｔｉ、Ｗ）ＣＮの粒度分布
が大きくなるばかりでなく、合金の耐熱性向上が不十分
であり、一方３０％を越えて含有させると合金中にボア
や巣ができやすくなって合金強度が低下するようになる
ことから、その含有量を１０〜３０％と定めた。

（３）鉄族金属 その含有量が５％未満では相対的に硬質相の量が多くな
りすぎて、合金強度が低下するようになり、一方４０％
を越えて含有させると相対的に硬質相の量が少なくなっ
て合金の耐摩耗性が低下するようになることから、その
含有量を５〜４０％と定めた。

なお、クロム族金属を上記鉄族金属との合量で５〜４０
％の範囲で含有させると合金、特に結合相の耐熱性が一
層向上するようになる。

（４） Ａ７ ＡＪａ成分は合金、特に結合相の耐熱性を一層向上させ
るために含有されるが、その含有量が０．０１％未満で
は所望の耐熱性向上が確保できず、一方３％を越えて含
有させると合金強度が低下するようになることから、そ
の含有量を０．０１〜３％と定めた。

つぎに、この発明の焼結硬質合金を実施例により具体的
に説明する。

実施例 原料粉末として、それぞれ平均粒径：１〜２μｍをもっ
た、（Ｔｉ５０Ｗ５０ ） Ｃｓｏ Ｎ２０粉末、（Ｔ
１２ｏＷｓｏ）Ｃ６ｏＮ４ｏ粉末、（Ｔ ｉｇｏ Ｗ
ｔｏ ） Ｃａｏ Ｎ４０粉末、（Ｔ ｉ４６Ｗ３０
Ｔａ ３０ ） Ｃ７０Ｎ３０粉末、（Ｔ １４ｏＷ３
ｏ Ｎｂ５ｏ ）Ｃ７ｏＮ３ｏ粉末、（Ｔｉ６０Ｗ３５
Ｚｒ５） ＣｇｏＮ１ｏ粉末、（Ｔｉ６０Ｗ３５Ｖ５
） ＣｇｏＮｔｏ粉末、（Ｔ ｔ ４０ Ｗ４６ Ｔａ
ｘｌｌＺｒｌｏ ） Ｃ３ＯＮ２０粉末ｓ （Ｔ １
４ｏＷ４ｏ Ｎｂｔｏ Ｖｔｏ ）Ｃ８ＯＮ２０粉末ｓ
（Ｔｉ５０Ｗ３５ＴａｌＯＺｒ３ ｖ２） Ｃｓ。

Ｎ２０粉末、Ｔｉｃ粉末、Ｔ１ＣＮ粉末、ＴｉＮ粉末、
ＴａＮ粉末、ＮｂＮ粉末、および■粉末、さらにそれぞ
れ同０．５〜１．０ μｍのＣｒ粉末、Ｍｏ粉末、およ
びＷ粉末、同じく１〜３μｍの平均粒径を有するＣｏ粉
末、Ｎｉ粉末、Ｆｅ粉末、およびＮｉ−Ａｔ合金粉末を
用意し、これら原料粉末をそれぞれ第１表に示される配
合組成に配合し、この配合粉末をボールミル中で粉砕混
合した後、圧粉体に成形し、ついでこの圧粉体を、真空
中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結するこ
とによって、実質的に配合組成と同一の成分組成をもっ
た本発明焼結合金１〜３７および従来焼結合金１，２を
それぞれ製造した。

なお、上記本発明焼結合金１〜３７の製造に際して、原
料粉末として使用した上記の各種のＴｉとＷの炭窒化物
粉末は、例えば、 ■ Ｔｉおよび／またはＴｉｏ２粉末と、Ｗと粉末およ
び／またはＷｏ３粉末と、炭素粉末とを混合し、さらに
必要に応じてＴａ、Ｔａ２ｏ５．Ｎｂ。

Ｎｂ２ｏ５．Ｚｒ、Ｚｒｏ２ 、Ｖ、および■２０５の
粉末のうち１種または２種以上を混合して、窒素雰囲気
中、温度１０００〜１８０００℃で炭窒化する方法。

■ 必要に応じてＴａＣ，ＴａＮ、ＮｂＣ，ＮｂＮ、Ｚ
ｒＣＺｒＮ、ＶＣ，およびＶＮの粉末のうちの１種また
は２種以上を混合した、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、およ
びＷＣ粉末からなる混合物を、不活性ガス雰囲気中ある
いは低真空中、温度１４００〜２０００℃で炭窒化する
方法。

■ 必要に応じてＴａＣ，ＮｂＣ，ＺｒＣ，およびＶＣ
の粉末のうちの１種または２種以上を混合した、ＴｉＣ
粉末とＷＣ粉末とからなる混合物を、窒素雰囲気中、温
度」０００〜１８００℃で窒化する方法。

などの方法によって製造される。

ついで、上記本発明焼結合金１〜３７および従来焼結合
金１，２について、ロックウェル硬す（Ａスケール）お
よび抗折力を測定すると共に、さらに比較の目的でＪ
ＩＳ ： Ｐ２０ＷＣ基超硬合全超硬下従来焼結合金３
という）を加えて、以下に示す条件で乾式連続切削試験
および乾式断続切削試験を行ない、前者試験では切刃の
フランク摩耗幅およびクレータ−摩耗深さをそれぞれ測
定し、一方後者試験では１０個の試験切刃のうちの欠損
切刃数を測定した。

なお、本発明焼結合金は、その全部について切削試験を
行なわず、第２表に測定結果が示されるものについての
み行なった。

・乾式連続切削条件 被削材： Ｊ ＩＳ −ＳＮＣＭ−８、 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ 送り： ０．３ｍｍ／ｒｅｖ。

切込み：３．０ｍｍ１ 切削時間：１０ｍ１ｎ チップ形状：ＪＩＳ−８ＮＰ４３２（ホーニング：０．
ｌＸ２５°）。

・乾式断続切削条件 ン 被削材： Ｊ Ｉ Ｓ −ＳＮＣＭ−８切削速
度： １００ ｍｌ ｍｉｎ。

送り： ０．３ ｒｒａｎ／ ｒ ｅｖ 、、切込み：
１．５ｍｍ。

切削時間：５ｍ１ｎ チップ形状：ＪＩＳ−８ＮＣＭ−４３２ （ホーニング：０．ｌＸ２５°）。

これらの測定結果が第２表に示されている。

第１表および第２表に示される結果から、本発明焼結合
金は、いずれもＴ１ＣＮ基サーメットたる従来焼結合金
１およびＴｉｃ基サーメットたる従来焼結合金２に比し
て高強度（抗折力）をもつと共に、切削に際してはすぐ
れた耐衝撃性を示し、また本発明焼結合金はＪＩＳ−Ｐ
２ＯのＷＣＣ超超硬合金る従来焼結合金３さの比較にお
いてもすぐれた耐摩耗性を示すこさが明らかである。

上述のように、この発明の焼結硬質合金は、高強度を有
し、さらに耐摩耗性および耐衝撃性にもすぐれているの
で、これらの特性が要求される高速切削や重切削などの
切削工具として、また熱間加工工具として使用した場合
に著しく長期に亘ってすぐれた性能を発揮するのである
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄族金属のうちの１種または２種以上＝５〜４０％
   、 Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、および■の窒化物のうちの１
   種または２種以上二１０〜３０％、 ＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可避不純物：残り、 からなり、上記鉄族金属で結合相が、上記窒化物および
   炭窒化物で硬質相が形成され、しかも上記ＴｉおよびＷ
   の炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％＝１０／９０〜９０／１０
   、Ｎ％／Ｃ％−１０／９０〜５０１５０を満足する組成
   （以上重量％）をもつことを特徴とする焼結硬質合金。 ２ 鉄族金属のうちの１種または２種以上と、クロム族
   金属のうちの１種または２種以上＝５〜４０％、 Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、および■の窒化物のうちの１
   種または２種以上：１０〜３０％、 ＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可避不純物：残り、 からなり、上記鉄族金属およびクロム族金属で結合相が
   、上記窒化物および炭窒化物で硬質相が形成され、しか
   も上記ＴｉおよびＷの炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％＝１０
   ／９０〜９０／１０、Ｎ％／Ｃ％−１０／９０〜５０１
   ５０を満足する組成（以上重量％）をもつことを特徴と
   する焼結硬質合金。 ３ 鉄族金属のうちの１種または２種以上：５〜４０％
   、 Ｔｉ 、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、および■の窒化物のうちの
   １種または２種以上＝１０〜３０％、 ＴｉおよびＷのいずれかを１〜５０モル％の範囲でＴａ
   、Ｎｂ、Ｚｒ、および■のうちの１種または２種以上で
   置換したＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可避不純物
   ：残り、 からなり、上記鉄族金属で結合相が、上記窒化物および
   炭窒化物で硬質相が形成され、しかも上記ＴｉおよびＷ
   の炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％＝１０／９０〜９０／１０
   、Ｎ％／Ｃ％−１０／９０〜５０１５０を満足する組成
   （以上重量％）をもつことを特徴とする焼結硬質合金。 ４ 鉄族金属のうちの１種または２種以上と、クロム族
   金属のうちの１種または２種以上＝５〜４０％、 Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶの窒化物のうちの１
   種または２種以上：１０〜３０％、 ＴｉおよびＷのいずれかを１〜５０モル％の範囲でＴａ
   、Ｎｂ 、 Ｚｒ 、および■のうちの１種または２
   種以上で置換したＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可
   避不純物：残り、 からなり、上記鉄族金属およびクロム族金属で結合相が
   、上記窒化物および炭窒化物で硬質相が形成され、しか
   も上記ＴｉおよびＷの炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％＝１０
   ／９０〜９０／１０、Ｎ％／Ｃ％−１０／９０〜５０１
   ５０を満足する組成（以上重量％）をもつことを特徴と
   する焼結硬質合金。 ５Ａｔ：０．０１〜３％、 鉄族金属のうちの１種または２種以上：５〜４０％、 Ｔ ｉｔ Ｚ ｒ ＋ Ｔ ａ 、Ｎ ｂ 、およびＶ
   の窒化物のうちの１種または２種以上３１０〜３０％、 ＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可避不純物：残り、 からなり、上記Ａｔおよび鉄族金属で結合相が、上記窒
   化物および炭窒化物で硬質相が形成され、しかも上記Ｔ
   ｉおよびＷの炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％＝１０／９０〜
   ９０／１０、Ｎ％／Ｃ％−１０／９０〜５０１５０を満
   足する組成（以上重量％）をもつことを特徴とする焼結
   硬質合金。 （３Ａ７：０．０１〜３％、 鉄族金属のうちの１種または２種以上と、クロム族金属
   のうちの１種または２種以上：５〜４０爪 Ｔｉ 、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、および■の窒化物のうちの
   １種または２種以上：１０〜３０％、 ＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可避不純物：残り、 からなり、上記Ａｔ１鉄族金属およびクロム族金属で結
   合相が、上記窒化物および炭窒化物で硬質相が形成され
   、しかも上記ＴｉおよびＷの炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％
   −１０／９０〜９０／１０、Ｎ％／Ｃ％＝１０／９０〜
   ５０１５０を満足する組成（以上重量％）をもつことを
   特徴とする焼結硬質合金。 ７Ａ７：０．０１〜３％、 鉄族金属のうちの１種または２種以上：５〜４０％、 Ｔｉ 、Ｚｒ 、Ｔａ 、Ｎｂ 、および■の窒化物の
   うちの１種才たは２種以上：１０〜３０％、 ＴｉおよびＷのいずれかを１〜５０モル％の範囲でＴａ
   、Ｎｂ、Ｚｒ、および■のうちの１種または２種以上で
   置換したＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可避不純物
   ：残り、 からなり、上記Ａｔおよび鉄族金属で結合相が、上記窒
   化物および炭窒化物で硬質相が形成され、しかも上記Ｔ
   ｉおよびＷの炭窒化物は、Ｔｉ％／Ｗ％−１０／９０〜
   ９０／１０、Ｎ％／Ｃ％−１０／９０〜５０１５０を満
   足する組成（以上重量％）をもつことを特徴とする焼結
   硬質合金。 ８ Ａ７：０．０１〜３％、 鉄族金属のうちの１種または２種以上と、クロム族金属
   のうちの１種または２種以上：５〜４０％、 Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、および■の窒化物のうちの１
   種または２種以上＝１０〜３０％、 ＴｉおよびＷのいずれかを１〜５０モル％の範囲でＴａ
   、Ｎｂ 、 Ｚｒ 、および■のうちの１種または２
   種以上で置換したＴｉおよびＷの炭窒化物、および不可
   避不純物：残り、 からなり、上記Ａ７および鉄族金属およびクロム族金属
   で結合相が、上記窒化物および炭窒化物で硬質相が形成
   され、しかも上記ＴｉおよびＷの炭窒化物は、Ｔｉ％／
   Ｗ％−１０／９０〜９０／１０゜Ｎ％／Ｃ％＝ １０／
   ９０〜５０１５０を満足する組成（以上重量％）をもつ
   ことを特徴とする焼結硬質合金。