JPS601384B2 - 熱間加工装置部材用炭化タングステン基超硬合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、炭化タングステン（以下ＷＣで示す）基超
硬合金のもつ鞠性および耐摩耗性をもつほか、すぐれた
高温強度、高温硬さ、耐熱衝撃性、および耐熱疲労性を
有し、特にこれらの特性が要求される熱間圧延ロール、
熱間圧延ガイドローラ、および熱間鍛造ダイスなどの熱
間加工装置部村として使用するのに適したＷＣ基超硬合
金に関するものである。

近年、この種の熱間加工装置部材の製造には、工具鋼や
鋳鉄に代ってＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系、およ
びＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系超硬合金が使用されるよう
になってきたが、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金は鋤性および耐
摩耗性にすぐれる反面、高温強度および高温硬さが不十
分なために、例えば鋼線材の熱間圧延ロールにおけるよ
うに、ロール面が走行する約１０００〜１１００ｑｏの
鋼線材により圧力を付加された状態で高温加熱され、一
方そのロール表面は水冷もされるような加熱と冷却の繰
り返し条件下では熱亀裂や肌荒れを生じるようになり、
また、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系およびＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃ
ｒ系超硬合金はＷＣ−ＣＯ系超磯合金よりすぐれた特性
をもつものの、低速・高荷重の厳しい条件下では、特に
熱クラックに基因すると思われる欠損が生じる欠点をも
つものであり、未だ十分満足する性能を発揮していない
のが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、熱間加
工装置部材の製造に使用するのに適した合金を得べく、
特に結合相とのぬれ性にすぐれ、かつ結合相との界面強
度も高く、さらに高温硬さも他の炭化物よりすぐれてい
るＷＣを分散相形成成分として含有するＷＣ基超硬合金
に着目し、この超硬合金の結合相に高温強度と高温硬さ
を付与すべく研究を行なった結果、その成分組成を、重
量％で（以下単に％の表示は重量％を意味する）、Ｍｏ
：０．１〜１％、 Ｃｒ：０．１〜２％、 ＡＩ：０．１〜３％、 Ｎｉ：５〜３０％、 Ｃｏ：２．５〜１５％、 ＷＣおよび不可避不純物：残り、 から構成し、かつ不可避不純物としての酸素の含有量を
０．０５％以下とすると共に、ＷＣ粒の平均粒径を２〜
８仏肌とし、さらに結合相中に微細なｙ′（Ｎｉ３ＡＩ
）相が均一に析出した組織とすると、この結果のＷＣ基
超硬合金は、通常のＷＣ基超硬合金のもつすぐれた靭’
性および耐摩耗性を保持した状態で、きわめてすぐれた
高温強度および高温硬さを有し、さらに耐熱衝撃性、耐
熱疲労性、耐酸化性、および耐食性にすぐれ、熱間加工
装置部材に要求される特性を具備するという知見を得た
のであり、この発明はこれらの知見にもとづいてなされ
たものである。

また、この発明の合金は通常の粉末冶金法により製造す
ることができるが、特に原料粉末に関し、Ｃｒ成分は窒
化クロム（以下Ｃｒ２Ｎで示す）粉末、Ｎ成分は窒化ア
ルミニウム（以下ＡＩＮで示す）粉末の形で配合するの
がよく、このような窒化物粉末を使用して配合しても、
真空焼結時に脱窒を生じ、ＣｒおよびＡＩ成分だけがＮ
ｉ−Ｃｏ合金結合相中にきわめて容易に拡散し、嘘結体
が窒素を含有することはほとんどなく、しかも焼結体中
の酸素含有量を０．０５％以下にすることができる。

すなわち、原料粉末として、例えばＮｊ−ＡＩ合金粉末
を使用すると、焼結体中の結合相中に微細なＡＩ２０３
が分散析出するようになるのを避けることができず、し
かもＮｉ−ＡＩ合金粉末の増加と共にＡＩ２０３塁は増
加し、この結果焼結体中にポアが増加し、かつ結合相中
に析出するｙ′相が粗大化するようになることから、焼
結体の鞠性および強度が低下するようになるのであって
、この場合の酸素含有量は通常０．０８〜０．１５％と
なっている。これに対して、原料粉末として、ＡＩＮ粉
末を使用すると、その配合量を増加させても焼結体中の
酸素含有量は増加せず、常に０．０５％以下に保持され
るから、ポァの発生やｙ′相の粗大化現象は起らず、こ
の結果強度および靭性がそこなわれることがないのであ
る。つぎに、この発明のＷＣ基超硬合金において、成分
組成範囲およびＷＣ粒について、上記の通りに数値限定
した理由を説明する。

｛ａ’Ｍｏ Ｍｏ成分には、結合相中に固落して、これの高温硬さを
向上させる作用があるが、その含有量が０．１％未満で
は所望の高温硬さを確保することができず、一方１％を
越えて含有させると合金の強度が低下するようになるこ
とから、その含有量を０．１〜１％と定めた。

（ｂ）Ｃｒ Ｃｒ成分は合金の耐食性および耐酸化性を向上させる作
用をもつが、その含有量が０．１％未満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方２％を越えて含有させると
鞠性が低下するようになることから、その含有量を０．
１〜２％と定めた。

【ｃ｝ ＡＩ Ｎ成分は結合相中に固溶すると共に、ｙ′相として析出
して結合相の耐熱性を向上させる作用をもつが、その含
有量が０．１％未満では所望の耐熱性を得ることができ
ず、一方３％を越えて含有させると、Ｎの１金属間化合
物が析出して腕化を招くようになることから、その含有
量を０．１〜３％と定めた。

｛ｄ）Ｎｉ Ｎｉ成分には合金の強度を向上させる作用があるが、そ
の含有量が５％未満では所望の高強度を確保することが
できず、一方３０％を越えて含有させると硬さが低下す
るようになることから、その含有量を５〜３０％と定め
た。

（ｅ｝ Ｃ。

Ｃｏ成分は結合相に固溶し、これを強化すると共に耐熱
性を向上させる作用をもつが、その含有量が２．５％未
満では前記作用に所望の効果が得られず、一方１５％を
越えて含有させるとＮｉと同機硬さが低下するようにな
ることから、その含有量を２．５〜１５％と定めた。

的 酸素 上述のように、この発明の合金は、結合相中に微細なｙ
′相を分散析出させて合金強度を著しく向上させたもの
であるが、酸素含有量が０．０５％を越えると、酸素は
優先的にＡＩと結合してＡＩ２０３を形成し、この結果
ｙ′相の形成が抑制されるようになるばかりでなく、ｙ
′相の粗大化をもたらし、かつポアも発生するようにな
ることから、合金の強度および鞠性が著しく低下するよ
うになる。

かかることから、酸素含有量の上限値を０．０５％と定
めた。■ ＷＣ粒の平均粒径 その平均粒径が２仏仇未満では所望の高温硬さを確保す
ることができず、一方８Ａｗを越えた平均粒径になると
、合金強度が低下するようになることから、その平均粒
径を２〜８山肌と定めた。

つぎに、この発明の超硬合金を実施例により比較例と対
比しながら説明する。

実施例 原料粉末として、いずれも市販の平均粒径：１〜１０仏
のを有する各種のＷＣ粉末、同０．７ムｍのＭｏ粉末、
同１．５仏ののＮｉ粉末、同１．２山仇のＣｏ粉末、同
２仏肌のＣｒ２Ｎ粉末、および同１．５ぶれのＡＩＮ粉
末を用意し、これらの原料粉末をそれぞれ第１表および
第２表に示される配合組成に配合し、通常の条件で混合
し、圧粉体に成形し、最終的に真空中、それぞれ第１表
および第２表に示される温度に１時間保持の条件で焼結
することによつて実質的に配合組成と同一の最終成分組
成をもった本発明超硬合金１〜１６および比較超硬合金
１〜１３をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明超硬合金１〜１６および比較超
硬合金１〜１３について、引狼強さ、常温硬さ（ロック
ウェル硬さＡスケール）、温度：８００午０における高
温硬さ（ビッカース硬さ）、抗折力を測定し、これらの
測定結果を、上記合金のＷＣ粒の平均粒径および酸素含
有量と共に第１表および第２表に合せて示した。

なお、比較超硬合金１〜１３は、いずれも構成成分のう
ちのいずれかの成分の含有量およびＷＣ粒の平均粒径（
第１表に※印を付して表示）がこの発明の範囲から外れ
たものである。

第１表および第２表に示される結果から、本発明超硬合
金１〜１６は、いずれも高強度および高鞠性を有し、さ
らに常温および高温において高い硬さを示すのに対して
、比較超硬合金１〜１３においては、これらの特性のう
ち少なくとも１つの性質が劣ったものになっていること
が明らかである。

船舷 ついで、上記本発明超硬合金１、３、および５、さらに
従釆の球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ５５）およびＷＣ基超硬合
金（ＷＣ−１５％Ｃｏ）より、普通鋼線材の熱間圧延ロ
ールのガイドローラを製造し、実機に組込み試験した。

なお、このガイドローフは、圧延線材をガイドし、かつ
その振動を抑えるために設けられるもので、一方側が加
熱線材により加熱され、他方側が水冷される加熱・冷却
の繰返しが加わる厳しい条件下で使用されるものである
。また、使用条件は、線材温度：１０５０午○、線材通
過速度：３０の′ｓｅｃで行ない、使用寿命に至るまで
の線材通過量を測定した。この結果、球状黒鉛鋳鉄製の
ガイドローラは、１２瓜ｏｎの線材通過量でカリバー部
の摩耗が大きく寿命に達し、また従来超頭合金製のもの
は、８０■ｏｎの線材通過量でカリバ一部に熱亀裂およ
び剥離現象が発生し、使用寿命に至った。

これに対して、本発明超硬合金製のものは、いずれも２
１０山ｏｎ以上の線材が通過した後でもカリバ一部にわ
ずかに熱亀裂が認められる程度で、未だ十分使用を続行
できるものであった。上述のように、この発明のＷＣ基
超硬合金は、特に高温強度、高温硬さ、耐熱衝撃性、お
よび耐熱疲労性にすぐれ、かつ鞠性および耐摩耗性にも
すぐれているので、これらの特性が要求される熱間加工
装置部材として使用した場合に、きわめて長期に亘つて
すぐれだ性能を発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｍｏ：０．１〜１％、 Ｃｒ：０．１〜２％、 Ａｌ：０．１〜３％、 Ｎｉ：５〜３０％、 Ｃｏ：２．５〜１５％、 炭化タングステンおよび不可避不純物：残り、からな
   る組成（以上重量％）をもつと共に、不可避不純物とし
   ての酸素の含有量が０．０５重量％以下であり、かつ分
   散相を形成する炭化タングステンの平均粒径が２〜８μ
   ｍにして、結合相中に微細なγ′（Ｎｉ＿３Ａｌ）相が
   均一に析出した組織を有することを特徴とする熱間加工
   装置部材用炭化タングステン基超硬合金。