JPS601386B2 - 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
硬合金のもつすぐれた轍性および耐摩耗性を備えるほか
、すぐれた高温強度、耐酸化性、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材として使用するの
に通した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系超硬合金は靭性および耐
摩耗性にすぐれる反面、高温強度、高温硬さ、耐熱衝撃
性、耐酸化性、および耐熱疲労性などが不十分なために
、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１０００〜１１００００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−Ｃｒ系超硬合
金はＷＣ−Ｃｏ系超硬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、このようにこれら従来ＷＣ基超硬合金を熱間加工装
置部材の製造に用いた場合、十分満足する性能を発揮し
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特に高温強度と耐酸
化性、さらに高温硬さを付与すべ〈研究を行なった結果
、ＷＣ基超硬合金を、重量％で（以下単に％の表示は重
量％を意味する）、Ｃｒ：０．１〜２％、ＡＩ：０．１
〜３％、Ｎｊ：５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、炭
化バナジウム（以下ＶＣで示す）、炭化タンタル（以下
ＴａＣで示す）、および炭化ニオブ（以下Ｎ比で示す）
のうちの１種または２種以上：０．１〜２％を含有し、
さらに必要に応じてＭｏ：０．１〜１％と、ＢおよびＺ
ｒのうちの１種または２種：０．０１〜０．２％のいず
れか、または両方を含有し、残りがＷＣと不可避不純物
からなる組成で構成し、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山肌とし、さらに結合相中に微細なｙ′（
ＮもＡＩ）相が均一に析出した組織を有するものとする
と、この結果のＷＣ基超硬合金は、通常のＷＣ基超硬合
金のもつすぐれた級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と耐酸化性、さらに高温硬
さを有するほか、耐熱衝撃性、耐熱疲労性、および耐食
性にもすぐれ、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、山成分は窒化ア
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、競結体
が窒素を含有することはほとんどなく、しかも暁結体中
の酸素含有量を０．０５％以下にすることができるので
ある。

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、焼緒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−Ｎ合金粉末の増加と共にＡＩ２０３量は増加
し、この結果暁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、暁結
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嫌結体中の酸
素含有量は増加せず、常に０．０５％以下に保持される
から、ポアの発生やｙ′相の粗大化現象は起らず、この
結果強度および鞠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）Ｃｒ Ｃｒ成分に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％末満では前記作用に
所望の効果が得られず、一方２％を越えて含有させると
靭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。

‘ｂ’ＡＩ 山成分は結合相中に固溶すると共に、ｙ′相として析出
して結合相の高温強度および耐熱性を向上させる作用を
もつが、その含有量が０．１％禾満では前記作用に所望
の効果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。

（ｃｌ Ｎｉ Ｎｉ成分にはＡＩとの共存においてｙ′相を結合相中に
析出して合金の高温強度を向上させる作用があるが、そ
の含有量が５％未満では所望の高温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。

｛ｄ） ＣｏＣｏ成分は結合相に固落し、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と同様に硬さが
低下するようになることから、その含有量を２．５〜１
５％と定めた。

‘ｅ｝ ＶＣ、ＴａＣ、およびＮＯＣこれらの成分には
、焼結時におけるＷＣの粒成長を抑制するほか、ＷＣと
共に結合相中に均一に分散して合金の高温強度および耐
酸化性を一段と向上させる作用があるが、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合金の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。

｛ｆ） Ｍｏ Ｍｏ成分には、結合相中に固落して、これの耐食性およ
び高温硬さを向上させる作用があるので、これらの特性
により一層の改善が要求される場合に必要に応じて含有
されるが、その含有量が０．１％未満では所望の向上効
果が得られず、一方１％を越えて含有させると、強度低
下をきたすようになることから、その含有量を０．１〜
１％と定めた。

■ ＢおよびＺｒ これらの成分には、結合相中に園落して耐酸化性を著し
く向上させるほか、ＷＣと結合相との界面強度を向上さ
せて靭性を改善する作用があるので、特にこれらの特性
により一層の向上効果が要求される場合に必要に応じて
含有されるが、その含有量が０．０１％未満では前記作
用に所望の向上効果が得られず、一方０．２％を越えて
含有させると、腕化傾向が現われるようになることから
、その含有量を０．０１〜０．２％と定めた。

他 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高温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
って、合金の高温強度、および靭性が著しく低下するよ
うになることから、酸素含有量の上限値を０．０５％と
定めた。

（ｉ）ＷＣ粒の平均粒径 その平均粒径が２ぶれ未満では所望の高温硬さを確保す
ることができず、一方８ム肌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
後を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蓬：２〜１０ｒ
のを有する各種のＷＣ粒末、同１．５仏ののＮｉ粉末、
ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｎは粉末、およびＡＩＮ粉末、
１同１．２山肌のＣｏ粉末、同０．７山肌のＭｏ粉末、
同２仏肌のＣｒ２Ｎ粉末、Ｂ粉末、およびＺｒ粉末をそ
れぞれ用意し、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１４
０００○の温度に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最終成分組成をもった本
発明超磯合金１〜２６および比較超硬合金１〜９をそれ
ぞれ製造した。

聡 糠 この結果得られた本発明超硬合金１〜２６および比較超
硬合金１〜９について、引張強さ、常温硬さ（ロックウ
ェル硬さＡスケール）、温度：８００ｑｏにおける高温
硬さ（ビツカース硬さ）、抗折力を測定すると共に、温
度：８００００に１時間保持後の酸化増量を測定し、こ
れらの測定結果を合金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、比較建硬合金１〜９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１〜２６は、いずれも高強度および高靭性を有し、さ
らに常温および高温において高い硬さを示し、かつ耐酸
化性にもすぐれているに対して、比較超硬合金１〜９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。

ついで、上言己本発明超硬合金１、４、１２、１９さら
に従来の球状黒鉛鋳鉄（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、このガイドローラは、庄延線材をガイドし、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：１０５０ｑｏ、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、また従釆超硬合金製のもの
は、８０Ｗｏｎの線材通過量でカリバー部に熱亀裂およ
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
５０仇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、特に高温強度および耐酸化性にすぐれ、さ
らに高い高温硬さをもつほか、耐熱衝撃性、および耐熱
疲労性にすぐれ、かつ鋤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村
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 Ｃｒ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１〜３％、Ｎｉ：
   ５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、炭化バナジウム、
   炭化タンタル、および炭化ニオブのうちの１種または２
   種以上：０．１〜２％を含有し、残りが炭化タングステ
   ンと不可避不純物からなる組成（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２〜８μｍ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。 ２ Ｃｒ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１〜３％、Ｎｉ：
   ５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、炭化バナジウム、
   炭化タンタル、および炭化ニオブのうちの１種または２
   種以上：０．１〜２％を含有し、さらにＭｏ：０．１〜
   １％を含有し、残りが炭化タングステンと不可避不純物
   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〜
   ８μｍ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。 ３ Ｃｒ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１〜３％、Ｎｉ：
   ５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、炭化バナジウム、
   炭化タンタル、および炭化ニオブのうちの１種または２
   種以上：０．１〜２％を含有し、さらにＢおよびＺｒの
   うちの１種または２種：０．０１〜０．２％を含有し、
   残りが炭化タングステンと不可避不純物からなる組成（
   以上重量％）をもつと共に、不可避不純物としての酸素
   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２〜８μｍ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。 ４ Ｃｒ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１〜３％、Ｎｉ：
   ５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、炭化バナジウム、
   炭化タンタル、および炭化ニオブのうちの１種または２
   種以上：０．１〜２％を含有し、さらにＭｏ：０．１〜
   １％と、ＢおよびＺｒのうちの１種または２種：０．０
   １〜０．２％とを含有し、残りが炭化タングステンと不
   可避不純物からなる組成（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２〜８μｍ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
   。