JPS594499B2 - 硬質合金及び製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、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Ｅこ大別
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ｌこ関しては発明者等の長年の研ｑｔこよ
り、さらｌこ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Ｃｏ）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、Ｃ
ｏ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ｌこ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ｔこおいては、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訓工
用としてきびしい熱サイクルｌこ耐える工具が要求され
て来ている。

しかるにすで（こ述べたようｌこ、これらの要求を満た
すには現状の超硬合金ではおのずから限界がある。

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Ｅ
こ最大の特徴がある。

以下ｆこその考え方について述べる。

Ｃｏを結合相とした従来の超硬合金番こおいてはＣｏ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
も以下に述べる材質ｔこ比べ低い。

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。

実際このような考えに基づいた合金の試作は２〜３行行
われており、特公昭５１−４７６４５号（こはＴ ｉ
−Ｗ −Ｃ系の共晶点を利用して、（Ｔ ｓ 、Ｗ）
Ｃｔ−ｘ Ｗの合金を２５００℃前後の温度ｔこ加熱
、溶融してこれを鋳造するいわゆる爵製法で作成するこ
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べはるかに優れているも
の＼、以下のような欠点があって広く使用されるＥこは
至らなかった。

第１ｔこ靭性、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０こもか＼わらず、鋳
造により作られるため粉末冶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することができな
い。

第３に製造温度の関係上融点の低い共晶組成付近ｔこ限
定された合金しか得られない。

また（Ｔｉ 、Ｗ）（Ｃ，Ｎ）−Ｗ鋳造合金の提案（特
開昭４７−９６０３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２、第３の２つの欠点をカ
バーできるということは当業者ｌこ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ｌこ優れた合
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
分な強度が出なかったためである。

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ｌこついて詳細なる研究を行って驚
くべき知見を得るｌこ至った。

すなわち、これまで硬質合金の常識では焼結を１狙害す
るとされていた酸素を硬質相に入れること（こよって焼
結性が著しく向上し、さらｌこは靭性の向上がみられる
ことを発見したのである。

本発明はこの知見をもとｔこ靭性Ｅこ優れた高融点金属
バインダー硬質合金を、近年の高能率化（こ応える工具
として提案するものである。

本発明は酸素を硬質相ｌこ積極的ｌこ投入することに最
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Ｍｌａ、Ｍ２ｂ）（
Ｃ１−ｘｔＯｘ几なる組成となる。

Ｍｌは周期律表ＩＶａ族金属であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆよ
り選ばれた１種又は２種以上の金属であり、Ｍ２はＶｌ
ａ族金属であるＣｒ、Ｍｏ、Ｗより選ばれた１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Ｗ５０５０原子Ｔｉ２５原子％、Ｃ２０原子％
、０５原子％の組成の本発明合金のＸ線回折の六ターン
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相のピークを示してい
る。

このようなことはＮを含有する合金ｌこおいても同じで
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。

０．０５≦Ｘ≦０．５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。

Ｍｌ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さない。

一方ａ ＞ ０．７となると高融点金属相が少なくなり
脆くなり実用的でない。

化学量論定数（金属に対するＣ、０合計のモル比率）ｚ
については０．５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０．１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としての本発明の目的からはず
れる。

このため０．１≦２≦０．５であることを要する。

ｆＶａ族元素の一部をＶ、Ｎｂ、ＴａのＶａ族元素ｌこ
よって置換することは靭性の向上ｌこ効果がある。

しかし多量に添加するとＩＶａ族、ＶＩａ族高融点元素
の組合わせによ−って特徴的に表われるＭｅ（Ｃ，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
。

（Ｍ１ａ２Ｍ２ｂ）（Ｃ１−ｘ、Ｏｘ）と表わすと（Ｍ
ｌ：■ａ元素、Ｍ２：ＶＩａ族元素）ａは前述のとと＜
ＩＶａ族元素の量の範囲であることが望ましく０．１か
ら０．７の間である。

鉄族金属やＡｇ、Ｐｄ、Ｃｕ等の微量添加が高融点金属
の焼結性を促進することは一般に知られているが、本発
明合金においてもその効果が認められる。

これらの金属の１種又は２種以上を含有していてもよい
。

しかしこれ等の金属は低融点であり、多量に添加した場
合本合金の特徴である耐熱性を低下させることは明白で
ある。

このような観点からこれ等の金属は０．０１原子％以上
２原子％以下の添加量ｌことゾめることか望ましい。

本発明の如き酸素を含有した合金を製造する（こは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Ｅこ雰囲気の圧力調節（こ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℃付近に保持すると、Ｂｌ型固溶体の炭
化物、炭窒化物中にＯ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１ｔこ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（５）式の分解反応をおこし炭素を
析出する。

このため昇温過程の最初から雰囲気とすることは好まし
くない。

しかし酸素を必ずしも気相からだけ増り入れるばかりで
なく、酸素を含有したＢｌ型固溶体を原料に使って００
分圧のか＼つた雰囲気で焼結することは空孔もなく酸素
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ｌこ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、Ｃｒを添加した合金は特（こ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 １ 市販の平均粒度１．５μのＷ８５重量％と平均粒度１μ
のＴｉＣｌ４重量％を秤取し、これをアトライターで５
時間湿式混合後、乾燥型押工程を経て、Ｗ２ＯＴ ｉ２
５ Ｃ２５（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。

ｃ〜 真空焼結 １０−１Ｔｏｒｒ以下 １８００℃Ｘ １ ｈｒ（
Ｂ） 本発明 常温〜１０００℃ 真空１０−’Ｔｏｒｒ以下１０
００す〜１８０００ＣＣＯ雰囲気５０Ｔｏｒｒ１８００
℃Ｘ１ｈｒ 真空５刈０−２Ｔｏｒｒ以下昇温速度は
１０°Ｃ／１１１ｍであり、冷却は１０Ｔｏｒｒ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１１こ示すと
おりである。

従って最終組成の概略は次のようＥこ表わされる。

ＣＡ、 Ｗ２Ｏ−５−Ｔｉ２５，２ Ｃ２４，２０
０，１又は（Ｔ ｉ Ｏ，３３ｙ Ｗｏ、６ｒ） （Ｃ
０，９９６３０＋１００４）０．３３（Ｂ）ｗ”・０−
Ｔｉ２５・ＯＣ２３・７−０１・３又は（ＴｉＯ１３３
，ＷＯ１６７）（Ｃ０，９０，００，１０人３３これ等
市販１５ＯＰ３０合金とＷ” −Ｔ ｉ ２２−Ｚｒ２
Ｃ２６の組成を持つ該鋳造合金の４者で切削性能の
比較を行った。

切削条件は表２１こ示すごどくであった。

この試験の結果は表３のとおりである。

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（Ａ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、こ
の試験１のごとき高能率切削【こは耐えられない。

本発明（Ｂ）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 平均粒径２μのＴｉＯと平均粒径２μのＴｉＣを混合し
て１８００℃ｌこ加熱し、Ｔ １（Ｃｏ、ｅ 、００．
４）Ｂｌ型固溶体を作った。

この固溶体を１８．１重量％、平均粒度２μのＷ５４重
量％、平均粒度２μのＭｏ２８．１重量％を実施例１の
ごとく混合してＭ ｏ ２５−Ｗ２５−Ｔ ｉ ２’Ｃ
１５０１０の組成の原料粉を作り型押しして真空焼結に
よって試作しようとしたが、１８００℃の焼結において
も空孔が残り抗折力も２０ ｋｇ／１ｔｔ４程度しか得
られなかった。

これに対し、Ｍｏ２９重量％、Ｗ５５重量％、ＴｉＣ１
１重量％、Ｔ ｉＨ２５，６重量％混合して作った原料
粉を型押し以下の如き条件で焼結を行−った。

常温〜１００００Ｃ真空（ＩＸＩＯ−１Ｔｏｒｒ以下）
１０００〜１７００℃一酸化炭素３００Ｔｏｒｒ１７０
０℃Ｘ ｌｈｒ 真空（５刈０−２Ｔｏｒｒ以下）こ
の合金の炭素及び酸素を分析したところ炭素２．２重量
％、酸素１．７５重量％であり、Ｍｏ２５−Ｗ２５−Ｔ
ｉ２５−Ｃ１６０９に相当な組成であった。

この合金の抗折力は１２０ｋｇ／−あり空孔もなく良好
な合金であった。

さらに先の（Ｗ、Ｔｉ）（Ｃ，０）粉を使った原料粉を
上記と同じ本発明の焼結法で焼結した。

但し、この場合の一酸化炭素雰囲気は１００Ｔｏｒｒで
あった。

この合金の組成はＭｏ”−Ｗ２５−Ｔ ｉ２５ （２
１５０１０の目的組成に近かった。

又空孔も少なく抗折力も１００ｋｇ／−であった。

以下の実施例においては本実施例と大体同じ焼結法にて
試作した合金を使用した。

実施例 ３ 表４（こ示す組成の合金を実施例１と同様の方法て作成
した。

これ等の合金は５ＰＶ８５４の形状に仕上げられ、これ
を前すくい角Ｏ０、横すくい角６°で下記の条件で切削
試験を行い性能を比較した。

被削材 ５４５Ｃ（ＨＢ２４０ ） 速 度 ８０ｍ／ｍｉ！ｌ 送 リ １．２朋／ｒｅｖ 切り込み ５〜１３１ｍ この被削材は鍛造品で凹凸が激しいので切り込・みは５
〜１３朋の間で変動した。

被削材のばらつきを考慮して２〜４回のくり返し試験を
行い、表４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へ３〜５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６０％程性能の向上が
みられる。

さらｌこ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。

実施例 ４ 実施例３と同様に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０．４朋
Ｘ−７５°をつけたチップをアキシアルレーキ＋８°、
ラジアルレーキ００で１０インチのカッター（こつけて
湿式フライス切削を行った。

被削材 ５５５Ｃ（ＨＢ２７０） 速 度 １２０ｍ／ｍ 送 リ ０．５朋／刃 切り込み １０朋 表５−ここの試験の結果を記す。

本発明は従来品の１５ＯＰ３０ｉｃ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ｌこ十分応えられる工具である。

実施例３，４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。

実施例は、鉄族金属の代表としてＮｉを、Ａｇ。

Ｃｕ 、Ｐｄの代表としてＡｇを入れたもので、Ａｇ
、Ｎｔ以外も同様効果があった。

【図面の簡単な説明】

第１図はＷ−Ｔｉ−Ｃ−０の組成を持つ本発明合金のＸ
線回折パターンを示す。 １・・・・・・Ｗのピーク、２・・・・・・ＴｉＣ相の
ピーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周期律表ＩＶａ、ＶＩａ族金属の炭酸化物の硬質相
   と高融点金属相より成り、該金属相は高融点金属又は高
   融点金属に鉄族金属および−Ａｇ、Ｃｕ。 Ｐｄより選ばれた１種又は２種以上の金属が０．０１原
   子％以上で２原子％を限度として含有しており、該硬質
   相の全組成が式（１）で表わされることを特徴とする硬
   質金も 但し、ＭｌはＩＶａ族金属で、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆより選
   ばれた１種以上で、Ｍ２はＶＩａ族金属で、Ｃｒ、Ｍｏ
   、Ｗより選ばれた１種以上で構成される。 こ＼で、ａ、ｂ、ｘはモル分率、２は金属に対するＣ、
   ０合計のモル比率であり、 ａ＋ｂ＝１．０．１≦ａ≦０．７であり、また０、０５
   ≦Ｘ≦０．５，０．１≦２≦０．５である。 ２ 周期律表Ｉ！／ａ、ＶＩａ族金属の炭酸化物の硬質
   相と高融点金属相より成り、該金属相は高融点金属又は
   高融点金属に鉄族金属およびＡ ｇ 、 Ｃｕ 。 Ｐｄより選ばれた１種又は２種以上の金属が０．０１原
   子％以上で２原子％を限度として含有しており、該硬質
   相の全組成が式（２）で表わされる硬質合金の製造に際
   し、 但し、ＭｌはＩＶａ族金属で、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆより選
   ばれた１種以上で、Ｍ２はＶＩａ族金属で、Ｃｒ、Ｍｏ
   、Ｗより選ばれた１種以上で構成される。 こ＼で％ ａ、ｂ、ｘはモル分率、２は金属合金に対す
   るＣ２０の合計モル比率であり、ａ ＋ ｂ＝ １、０
   ．１≦ａ≦０．７であり、また０、０５≦Ｘ≦０．５，
   ０．１≦２≦０．５である。 （２）式の構成成分となる高融点金属、炭化物、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
   Ｅこ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０．５Ｔｏｒｒ以
   上の雰囲気とすることにより合金ｌこ酸素を富化するこ
   とを特徴とする硬質合金の製造法。