JPS5913043A - 硬質合金及び製造法 - Google Patents

硬質合金及び製造法

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JPS5913043A
JPS5913043A JP58115462A JP11546283A JPS5913043A JP S5913043 A JPS5913043 A JP S5913043A JP 58115462 A JP58115462 A JP 58115462A JP 11546283 A JP11546283 A JP 11546283A JP S5913043 A JPS5913043 A JP S5913043A
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Naoharu Fujimori
直治 藤森
Takeshi Asai
浅井 毅
Takaharu Yamamoto
山本 孝春
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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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】 Ti 、Zr、Hf5V、Nb、Ta、Cr、Mo、W
の硬質炭化物を鉄族金属で結合したいわゆる超硬合金は
切削工具。
ロールダイス等の耐摩工具に広く使われている。 □近
年炭化物のみならず窒化物あるいは炭窒化物が ・利用
されはじめている。
工具□として超硬合金に要求される特性は2種類に大別
されることが判っている。すなわち靭性と耐摩耗性とで
ある。このうち靭性に関しては発明者等の長年の研究に
より、さらに2種類に大別されることが判って来た。そ
れは機械的強度と熱疲労強度とである。
機械的強度と耐摩耗性関係は上記超硬合金においては相
反する性質であり、鉄族結合金属(多くの場合Qo)を
増加させ、機械的強度を上昇させれば耐摩耗性は減少し
てしまう。
熱疲労強度の変化はかなり複雑である。CO量の増大に
とも−ない熱疲労強、度の増加が起るが、CO量が多す
ぎるとかえって塑性変形が起り、熱疲労強度の低下をま
ねく。従ってCO量増による熱疲労強度向上にもおのず
から限界がある。
一方、切削工具においては、その能率向上のため、切込
み、送りの大きな重切削に耐える耐熱疲労強度の高い工
具がますます要求されて来ている。
また耐摩工具の市場においても、モルガンロールに代表
される熱間塑性加工用としてきびしい熱サイクルに耐え
る工具が要求されて来ている。
しかるにすでに述べたように、これらの要求を満たすに
は現状の超硬合金ではおのずがら限界がある。
本発明はWC=Co系合金では到達し得ない高温耐塑性
変形性と耐熱疲労靭性とを有する工具を提案することに
最大の特徴がある。以下にその考え方について述べる。
COを結合相とした従来?超硬合金においてはC。
相の軟化温度が低いため高温での耐塑性変形性実用切削
条件においてもすでに問題となっているし、耐熱疲労靭
性も以下に述べる材料に比べ低い。
従って、これを防ぐためにはcoのかわりにWに代表さ
れる高融点金属を結合金属として用いればよいことにな
る。実際にこのような考えに基づいた合金の試作は2〜
3行われており、特公昭3/ −4741号にはTi−
W−(lの共晶点を利用して(’I’i。
W) Oi7.X  SVの合金を2!;0000前後
の温度にカリ、熱、溶融し、これを鋳造するいわゆや溶
製法で作成することが提案されている。  。
この合金(以下鋳造合金と9.記す)の耐摩耗性や高温
での耐塑性変形性は該超硬合金に比ではるかに優れてい
るもの一1以下のような欠点があって広く使用されるに
、至らなかった。1第1に靭性、特に機械的強、度が著
しく劣っている。第2.にきわめて難研削材料であるに
もか\わらず、鋳造、によって作られるため粉、末億金
法で製造される超硬合金のごとき複雑形状の製品を、、
安価に製造烹ることかできない。第3に鋳造湿度の関係
上融点や低い共晶組成付近に限定された合金しか得られ
ない。
また(Ti 、 WXC! 、 0)−W鋳造合金の提
案(特開昭4’7−9603号)もあるが同じよ、うな
理由から実用には供され、ていない。
そこでこれ等の該鋳造合金の組成で粉末冶金法で製造で
きれば、前述の欠点の、うち第2I第3の。
2つの欠点をカバーできるということり当業者において
容易に考えつくところである。しかし、この試みは数々
行われながら実際に優れた合金は作成されていない。そ
の理由はこの組成の合金は炭化物やMo 、 Wといっ
た高融点金属より成っているので焼結性は著しく悪く、
十分な強度が出ながったためである。  ・ ・本発明者等はこれ等の系の合金について、なかんずく
硬質相を形成する元素について詳細なる研究を行って驚
くべき知見を得るに至った。
すな、わち、これまで硬質合金の常識では焼結を阻害す
るとされていた酸素を硬質相に入れることによって焼結
性が著しく向上し、さらには靭性の向上が・見られるこ
とを発見したのである。本発明  。
はこの知見をもとに靭性に優れた高融点金属バインダー
硬質、合金を、近年の高能率化に応える工具として提案
す、るものである。
本発明緯酸素及び窒素を硬質相に積極的に投入すること
に最大の特徴があるが、この合金においては酸素は硬質
相以外にはほとんどはいらず、硬質相は(Ml1M2 
、)(0、N、 O)といった組成となる。
M]は周期律表fVa族金属である’I’i 、 Zr
 、 I(fより選ばれた7種又は2装置」―の金属で
あり、M2は■aa金属であるCr、Mo、Wより選ば
れた7種又は2種以上の金属である。このことは第1図
に示すX線回折により明らかである。この図はWjO原
子%、’I’i25原子%、C20原子%、03原子%
の組成の合金のX線回折パターンであるが、WとTiC
相のみ観察される。図中1はWのピーク、2はTiC相
のピークを1示している。このようなことはNを含有す
る合金においても同じである。
こ\で本発明合金の限定条件について説明する。
゛まず、酸素の含有量であるXは余り少ないとその効果
は表われず、又あまり多いと焼結性を悪くする。一般に
酸化物と金属の混合体の焼結性が劣るのはそれ等の界面
のぬれが悪いためであるが、本発明の合金についても同
じことが考えられる。
θOj≦X≦θjの範囲であれば酸素の添加効果を損う
ことなく強度の高い合金が得られる。
窒素についても酸素と同様のことが言えるが、耐摩耗性
を最下限に要求される場合は窒素は望ましくない場合が
あるので000j≦y≦03;が適当と考えられる。M
l及びM2の比率については、a〈0/であれば硬質相
の量が少なく硬質合金として適当でない。一方、a >
 07となると高融点金属相が少なくなり脆くて実用性
がない。
さらにNとOの合計x + yも限度以上になると焼結
性を損う。0が005以上含有することを要するので下
限も定まってaO夕≦x 十y≦0乙であることが望ま
しい。
化学量論定数(金属に対するO、N、O合計のモル比率
)2についてはa5を越えると硬質相と炭素の共存域で
あり本発明の範囲ではない。又θ/以下では硬質相が少
なすぎて硬度が足りないため切削工具や耐摩耗材料どし
ての本発明の目的からはずれる。このため0/≦2≦0
.5であることを要する。
IVaVa族元素部をV、Nb、’I’aのVa族元素
によって置換することは靭性の向上に効果がある。しか
し多量に添加するとIVa族、■a族嵩高融点元素組合
わせによって特徴的に表われるMe(0,N、O)と高
融点金属相の共存という組織からはずれやすくなる。
(Mla 、 M2b )(C/−X−、y + Ny
 r Or)、と表わすと(Ml:■a族元素、 M2
 S Via族元素)aは前述のごと<■aa元素の量
の範囲であることが望ましくθlから07の間であるこ
とが望ましい。
又a 十b = /であり、従って0.07≦a≦07
.θ3≦b≦0.9となる。
本発明の如き酸素を含有した合金を製造するには2つの
方法が考えられる。ひとつは酸素の入ったBl型硬質相
を作り、これと高融点金属を混合して焼結する方法であ
り、他のひとつは焼結中に雰囲気から酸素を入れる方法
である。
前者は本発明合金においては焼結性が劣り強靭な合金と
することがむつかしい上に含有酸素量の厳密な調節もむ
つかしい。
一方後者においては気相との反応により硬質相の組成が
次第に変化してゆくことによって焼結は促進される。さ
らに雰囲気の圧力調節によって上記反応の制御が可能で
あるので含有酸素量の調節も可能である。
ところで酸素を硬質相に導入するにはCOガス雰囲気が
最も優れている。これに関して発明者は詳細に研究した
結果COガス雰囲気中で1000°C付近に保持すると
、131型固溶体の炭化物、炭窒化物中に0が浸入する
ことがわかった。この反応を利用してCO雰囲気中で昇
温すればよいと考え、実施例/に示すような焼結方法で
焼結したところ良好なる合金を作ることができた。CO
ガスは低温では(3)式の分解反応をおこして炭素を析
出する。
200→C0JL十G   ・ ・ ・ ・(3)この
ため昇温過程の最初からCO雰囲気とすることは好まし
くない。
又窒素を含有させる目的で00分圧と同時もしくは単独
にNZ分圧をかけた雰囲気で昇温することもよい方法で
ある。この場合は原料にNを含有する物質(例えばTi
N、 Ti (0,0)等)を使って真空焼結を行って
も必ずしも焼結性が悪くなるわけではない。
しかし0.Nを必ずしも気相からだけ取り入れるばかり
でなく、酸素あるいは窒素又はその両者を含有した13
1型固溶体を原料に使って00分圧あるいは当分圧のか
かったあるいは両者を利用した雰囲気で焼結することは
空孔もなく酸素、窒素の調節も厳密にできて好ましい結
果を得られる。これ等については実施例2に示す。
さて、本発明の硬質合金が特に切削工具として良い性質
を示すことは以下の実施例によって明らかにする。超硬
合金において粒度等の調節のためしばしば用いられるB
、AI、Si、P等を微量添加することも本発明の範囲
である。
又Via族金属中Crは必ずしも高融点とは言いがたい
が、Orを添加した合金は特に高い耐食性を示すので目
的によっては好ましい合金となる。
以下実施例を示すが、本発明範囲が以下の実施例に限ら
れるものではない。
実施例/ 市販の平均粒度/、!;、1tのWlr!;重量%と平
均粒度/μのTiO//j重量%及びTiNJJ重量%
秤取し、これをアトライターでS時間湿式混合後、乾燥
型押工程を経て、WもTi2r 02e’ Nj(原子
%で表示した)の組成の原料粉を作成した。これを以下
の2種の焼結方法で試料を作成した。
(ん真空焼結 10 Torr以下    /800°
OX/hr(B本 発 明 常温〜10000C真空 
10 Torr以下1以下100一00〜7 昇温速度は10°C/#III+であり、冷却は10T
orr以下の真空中で行った。得られた試料の炭素と酸
素の分析結果は表/に示すとおりである。
従って最終組成の概略は次のように表わされる。
(A)  W’ゴTIキd−N−09′又は( T ’
,p, 、W6.6? )(q.&, l N6,oF
 l Oa.ρ0,3。
また上記の原料粉の焼結条件を次のように一部変えたも
のを試験した。
常温〜1OOO0C     真空10 Torr以下
1OOO0C〜/1OO0CCO雰囲気30Torr 
 。
/l000Cj X / hr    N,雰囲気Q 
Torr 。
なおこれの最終組成は           。
、ra゛o T,JL6 、!ttI Nj6 o/.
lj組成を持つ該鋳造合金のび者で切削性能の比較をも
った。切削条件は表2に示すごとくであった。
この試験の結果は表3のとおりである。
C以下余白) 表 3 表中下記の(※)は切削時間7分この例から明
らかなごとく、Wをバインダーとする合金では刃先後退
量のデータが示すごとく、耐塑性変形性はすぐれている
。しかし、酸素を含有しない(4)や市販鋳造合金はフ
ライス切削のごとき断続切削ではチッピングをおこして
実用には使用できない。  。
従来品である超硬合金P30は刃先後退量が著しく1.
、この試験/のごとき高能率切削には耐えられない。本
発明()1は旋削,フライス切削共に良好であり摩耗も
少ないすぐれた合金であることが明らかである。
実施例2 表tに示す組成の合金を実施例/と同様の方法で作成し
た。これらの合金は8PV gstiの形状に仕上げら
れ、これを前すくい角O12横すくい角乙0で下記の条
件で切削試験を行い性能を比較した。
被削材  S Its O(H,2110>速   度
     10m/順 送       リ          /、2mm/
  rev切り込み   j〜/3關 この被削材は鍛造品で凹凸が厳しいので切り込みはS〜
/3朋の間で変動した。被削材のばらつきを考慮して!
〜を回のくり返し試験を行い、表1のごとき平均寿命を
示した。
本発明品は従来の超硬合金に比べ3〜j倍の性能を持っ
ている。又、市販鋳造合金に比しても、良い性質を有す
る組成を有する場合が多く、最もよいものは10%程性
能の向上がみられる。
さらに本発明がより広い用途を持っていることを次の実
施例に示す。
(以下余白) 表  を 実施例3 実施例/、2と同様にして作成した合金をフライス切削
を行って比較した。この場合の工具形態はチャンファ−
ホーニングθ4ZllfiX −75’をつけたチップ
をアキシャルレーキ十に0.ラジアルレーキO0で70
インチのカッターにつけて湿式フライス切削を行った。
被削材   S jj C(H8270)速   度 
      /20m/Mm送   リ       
0夕朋/刃 切り込み    10闘 表5にこの試験の結果を記す。
本発明は従来品の■5OP30に比して2倍もの性能を
示している。市販鋳造合金が全く使用できないフライス
切削で高送りの要求に十分応えられる工具である。
実施例2.3によって本発明が広い汎用性を持っている
ことも明らかである。
上記実施例では、原料としてTie 、 TiN 、 
Wを使用しているが、更にTiO等の酸化物や、炭化物
表  5 窒化物、酸化物からなる化合物の粉末を利用しても同様
の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
第1図はW” T i ”−0” O’(D組成を持つ
本発明合金のxm回折パターンを示す。 1゛・・・Wのピーク、2・・・TiC相のピーク。 代理人 弁理士 浦田清−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 周期律表1’/a ) ■a族金属の炭酸窒化物
    からなる硬質相と高融点金属相より成り、合金の全組成
    が式(11で表わされることを特徴とする硬質合金。 CMla r M2bX 07−x−7’ r Nys
     0x)X’  −、[11但し、MlはlVa族金属
    の7種または2種以上。 M2はVia族金属の7種または2種以上であり、a 
    + b = /で、0/≦a≦07.、     .0
    .3≦b≦θqであり、更に0θj≦x + y≦θ乙
    、θOj≦X≦o、s 、 o、oos≦y≦θS、θ
    /≦2≦o、s−cある。 又、a Hb + X* ’Iはモル分率、2は金属に
    対するC、N、0合計のモル比率である。 2、周期律表IVa 、 Via族金属の炭酸窒化物か
    らなる硬質相と高融点結合相より成り、合金の全・ 組
    成が式(2)で表わされる硬質合金を製造するに際し、 (Mla、M2jiXC!!−2−7tNysox’)
    Z   ・・・f21但し、MlはIVa族金属の7種
    または2種以上。 M2はVia族金属の7種または2種以上であり、a 
    + b = /で、θ/≦a≦θ71+、、θ3≦b≦
    θりであり、更にθOj≦x + y≦θg、θ05≦
    X≦Oj、θo’os≦y≦θ!;、0./≦2≦o、
    s−cある。 又、ay b + X+ Yはモル分率、2は金属に対
    するC、N、O合計のモル比率である。 (2)式の構成成分となる高融点金属、炭化物。 窒化物、酸化物及びこれらの化合物の粉末状原料を混合
    、型押し、焼結により成るいわゆる粉末冶金法により製
    造し、焼結工程の昇温過程の一部を一酸化炭素分圧0.
    夕Torr以上の雰囲気とすることにより合金に酸素を
    富化することを特徴とする硬質合金の製造法。 6、特許請求の範囲第2項において、昇温過程の一部又
    は全部を窒素分圧/ Torr以上の雰囲気とすること
    を特徴とする硬質合金の製造法。
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