JPS61147823A - 高強度窒素含有超硬合金の製造方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、切削工具、耐摩耗工具などとして適する、
相対密度が９９．５％以上で結合相の分散が均一な高強
度窒素含有超硬合金の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

炭化タングステン（以下、ｗｃで示す）を主体とし、こ
れにＴｉＣ及びＴａＣとＣｏ、必要に応じてＭの炭化物
（但し、ＭＵＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＭＯのう
ちの１種又は２種以上）を添加した形の超硬合金、すな
わち、硬質相がＷＣ粒子と゛ＮａＣＬ型結轟構造を有す
る炭化物粒子よりなり、これらの粒子をＣｏを生体とし
た金属相で結会しｆｃ組織を有する超硬合金は、鋼切削
用の工具や各樵耐摩耗工具などとして広く用いられてい
る。

し力為し、近年生産性同上の要求から、さらに長寿命の
工具材料が必要とされてきている。なかでも使用中の工
具の破損による寿命の短縮を防ぐという意味で、工具材
料の靭性の向上は重要な課題である。

ところで、上記の超硬合金にＴｉＮなどの窒化物あるい
は’ｌ’ｉｃＮ　　などの炭窒化物を添加すると、硬質
相を形成する粒子のうち、ＷＣよシも破壊強度が低いＮ
ａＣ４型結晶構造の固溶体炭窒化物硬質粒子（以下β粒
子またはβ相と表記する）の粒径が微細になるため、前
記のような窒素含有超硬合金は靭性が向上すると期待さ
れ、実際に試みられたが、超硬合金製造時の焼結中に窒
化＠あるいは炭窒化物が分解して発生するガスのために
、得られた窒素含有超硬合金中に巣が存在し、この巣の
存在によって期待通りの効果が得られていないのが現状
である。

そこで、この巣を除去するために、前記焼結棒金加圧カ
ス中で加熱する。いわゆる熱間静水圧焼結（ｆ（ＩＰ）
ｔ−行なうことも試みられた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、前記従来の焼結体１／（）ＩＩＰ処理を行な
うと、果の部分は多少小さくなるものの完全に消滅しな
いで、結合相のみがそこへ移動して結合相プールとなっ
てしまい、これが果に代って破壊の起点となるために、
強度的にはＨＩＰ処！！ヲ行なわないものに比べて多少
向上する程度であった１、したがって、この発明の目的
は、ＴｉＮなどの窒化物あるいは炭窒化物によるβ粒子
の微細化作用を最大限に活かしながら、朱も結合相ブー
ルも存在しないで相対密度が高く結合相の分散が均一な
、高強度・高靭性の窒素含有超硬合金ｆｔ製造する方法
を確立することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者が、上記観点から樵々検討し几結果。

上記窒素含有超硬合金（焼結体）のｆｉＩＰ処理後、特
定の条件で再焼結する。即ち、三工程からなる焼結工程
を採用する。詳しくは６、 まず真空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３００〜
１５００℃の範囲内の温度に加熱して一次焼結し友後、 １００気圧以上の圧−力で４（ＩＰ処理ｋｍし。

さらに、その後、真空中又は減圧窒素雰囲気中において
、１３５０〜１５５０℃の範囲内の温度に加熱して再焼
結することによって、前記目的が達成できることを見い
出した。

この発明は上記知見に基づいてなされたものであり、 組織が、ＣｏＱ主体とする結合相と、β粒子およびＷＣ
粒子よりなる硬質相とからＳ成され、β相が’ｌ’ｉ　
、　’ｌ’ａおよびＷの固溶体縦置化物であり、しかも
・、結合相と硬質相とから構成される全体の組成が、上
記固溶体炭窒化物中の窒素ｆ　ＴｉＮとして、又、上記
固溶体炭窒化物中の残りの金属成分を下記のような炭化
物に換算して表示すると、Ｃｏ　：　３〜２０係、 ＴｉＮ　：　１〜２０優、 Ｔｉｃ　：　０１５〜２０％、 ＴａＣ：　０．５〜２０９６、 ＷＣおよび不可避不純物：残り （以上型ｔ％）エフなる輩素含有超硬合金ｔ−製造する
に当り、 あるいは、公費に応じてβ相がＴｉ　、　Ｔａ　、　Ｗ
およびＭ（但し１ＭはＺｒ　、　Ｈｆ　、　Ｖ　、　Ｎ
ｂ　、　Ｃｒ及びＭＯのうちの１棟又は２糎以上）の固
静体炭窒化物であり、 しかも、結合相と硬質相とから構成される全体の組成が
、上記固溶体炭窯化物中の窒素をＴｉＮとして、又、上
記固溶体炭窒化物中の残りの金属成分を下記のような炭
化物に換算して表示すると、Ｃｏ　：　３〜２０％、 ’ｌ’ｉＮ：　１〜２・０チ。

Ｔｉｃ　　：　　０．５〜２０　％。

ＴａＣ：　０．５〜２０　％、 Ｍの炭化物＝０．１〜１０％、 ＷＣおよび不可避不純′ａ：残り （以上重量％）よりなる窒素含有超硬合金ｆｔ製造する
に当り。

真空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３００〜１５
００℃の範囲内の温度に加熱して一欠焼結しｆｃ後、 １００気圧以上の加圧不活性ガス雰囲気中で、−次焼結
と同じ温度範囲内の温度に加熱し、さらに、その後、真
空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３５０〜１５５
０℃の範囲内の温度に加熱することを特徴とする相対密
度が９９．５１以上で、結曾相−の分散が均一な高強度
窒素含有超硬合金の製造方法 である。

以下、この発明の詳細な説明する。

Ｉ）窒素含有超硬合金の組織 この発明により製造される合金は、硬質相がβ粒子とＷ
Ｃ粒子とよシな９、結合相がＣｏｔ−主体とし、これに
硬質相形成成分が固溶した金属相よりなる組織ｔ−肩す
る。

β粒子は、原料粉末の機知や製造条件によって異なるが
、通常、焼結中の固相拡散あるいは溶解析出反応によっ
て、炭化物及び炭窒化物のう２ちの１種からなる芯部と
その周辺の炭窒化物よシなる有芯構造を呈し７、その組
成は１個の粒子円でも不均一なことが多い〜 ■）窒素含有超硬合金の組成 １）Ｃｏ Ｃｏ中には焼結中に硬質相形成元素の一部が溶は込んで
合金となり、結果的には金属結合相として硬質相粒子間
の結合を行ない、この発明により製造される窒素含有超
硬合金に靭性を付与する作用を有するが、Ｃｏとしての
量が３チ未満では、結合相量が少なくなりすぎて、十分
な靭性が得られず、一方、２０９６ｔ−越えて含Ｍさせ
ると、結合相量が多くなシすぎて、窒素含有超硬合金の
硬匿ひいては耐摩耗性、および耐熱性が低下するので、
Ｃｏとしてのｔ有量′Ｉｔ３〜２０僑と定めた。

ｉｉ）　　ＴｉＮ ＴｉＮ　（窒素成分）は、β粒子の粒成長を抑制す・　
る作用を有するが、ＴｉＮとしての童が１チ未満では所
望の粒成長抑制効果が得られず、一方、２０Ｓｔ越えて
含有させると、結合相とβ粒子との濡れ性が低下して、
かえって窒素含有超硬合金の靭性が低下するようになる
とともに、硬さも低下して耐摩耗性も悪くなるので、Ｔ
ｉＮとしての含有量全１〜２０％と定めた、 ＋＋ｉ）　　Ｔ　ｔ　ｃ ＴｉＣは耐摩耗性を高め、ＴｉＮによる硬さの低下を抑
制する作用があるが、ＴｉＣとしての量が０，５憾未満
では所望の効果が得られず、一方、２０％を越えて含有
させると、脆い性質が強く現われるようになって窒素含
有超硬合金の靭性が低下するようＫなるので、ＴｉＣと
しての含有量’ｉ　０．５〜２０％と定めた。

ｉＶ）　　ＴａＣ ＴａＣには、この発明の窒素含有超硬合金の耐熱性を向
上させる作用があるが、ＴａＣとしての量がＯ，Ｓ　１
未満では、所望の耐熱性向上効果が得られず、一方、２
０優を越えて含有させると、β粒子が粗大化しやすくな
って窒素含有超硬合金の靭性が低下するようになるので
、ＴａＣとしての含有量を０．５〜２０％と定めた。

■）　鼠の炭化物 Ｍの元素には、β粒子中に固溶してβ相の硬さ全向上し
タシ、ＴｉＮによるβ粒子の粒成長抑制作用を助長する
作用があるので、必要に応じて添加されるが、Ｍの炭化
物としての量が０．１１未満では所望の効果が得られず
、一方、１０％を越えて含有させると、β相が脆化して
窒素含有超硬合金の靭性が低下するようになる。したが
って、Ｍの炭化物としての含有量ｔ−ｏ、　ｉ〜１０％
と定めた。

■）　製造条件 １）　原料 この発明の方法による窒素含有超硬合金を製造するに当
っては、β相形成元素は、例えば。

（Ｔｔ　ＩＴ＆　、Ｗ）（Ｃ、Ｎ）のような固溶体炭車
化物単独、（Ｔｉ　、　Ｔａ　、　Ｗ　）　（Ｃ、Ｎ　
）のような固溶体炭窒化物と（Ｔｉ、Ｗ）Ｃのような固
溶体炭化物との組み合わせ、（Ｔｉ、Ｗ）（Ｃ，Ｎ）　
　のような固溶体炭窒化物とＴａＣ、Ｔｉｃのような炭
化物の組み合わせ、（Ｔｉ　＋　Ｔａ　、Ｗ）Ｃのよう
な固溶体炭化物とＴｉＮ　、　ＴａＮのような窒化物と
の組み合わせ、（Ｔｉ　、Ｗ）Ｃｏような固溶体炭化物
とＴａ　ＣＮのような炭窒化物との組み合わせ、（ＴＬ
、Ｗ）Ｃのような固溶体炭化物とＴａＣのような炭化物
とＴｉＮの工うな窒化物との組み合わせ、あるいはこれ
らの２棟以上の更に組み合わせのいずれの形で添加して
も、Ｗなどの金属粉で添加しても、焼結中に相互に、そ
してＷ　Ｃ−？　Ｃｏと反応して、ＷＣ粒子とβ粒子よ
りなる硬質相と結合相より構成される組Ｗｃを有する窒
素含有超硬合金が得られるので、任意のものｔ−選択す
ればよい。

以上は、特許請求の範囲第１項に記載され九窒素含有超
硬合金のβ相形成元素の添加態様について述べたが、β
相がＭｉも含む場合、即ち、特許請求の範囲第２項に記
載された窒素含有超硬合金のβ相形成元素の添加態様に
ついても、任意のものを選択すればよいが、例えばＭは
、単独金属の炭化物又はこれらの金属の固溶体炭化物又
は’ｌ’ｔ　ｔ’ｌ’ａ、Ｗ若しくは、これらの２８！
以上との固溶体炭化物等の形で添加しても工い。

１１）焼結条件 一次焼結の雰囲気は真空中でも減産窒素雰囲気中でもよ
いが、ここで窒素雰囲気を用いる場合に減圧窒素雰囲気
とするのは、β相が脱窒しすぎ、分解窒素ガスによる巣
の発生を少なくするためである。減圧窒素′＃曲気とし
ては、Ｉ　Ｑ　ｔｏｕｒ　　以下でおることが好ましい
。又、真空度としては、１０−’　〜１０−”　ｔｏｒ
ｒが好ましい。

−次焼結の温度は、成形体に連通孔がなくなり、その後
のＨＩＰ処理が可能になる温度であればよいのだが、１
３００℃未満では焼結に極めて長時間を要して非能率的
でちゃ、一方、１５００℃を越えると、その後のＨＩＰ
処理やｈ焼結（第三段の焼結）と相俟って、硬′Ｘ＠の
粒成長が著しくなり、靭性低下をもたらすので、その温
度ｔ−１３００〜１５００℃とした。焼結時間（上記温
度の保持時間）は加熱温度等にもよるが、０．５〜２時
間が望ましい。

第二段の焼結、即ち、ＨＩＰ処理の雰囲気は当然加圧ガ
スであるが、ガスが窒素の場合には、β相が著しく加窒
されて、得られるＨＩＰ処理合金中に遊離炭素を生じ、
超硬合金の残置が低下してしまうので、不活性ガスを用
いる。不活性ガスの圧力が１００気圧未満では一次ｙ８
結で発生した巣金環める効果がないので、その圧力全１
００気圧以上とした。

ＨＩＰ処理は液相が出現しないと効果が少ないので、そ
の温度は１３００℃以上とし、又、その温度の上限値は
一次焼結の場合と同じ理由により１５００℃とし友。す
なわち、ＨＩＰ処理温度は一次焼結と同じ温度範囲内の
温度とした。１（ＩＰ処理時間は、−次焼結で発生した
巣を埋めるのに十分な時間であればよい。これは、不活
性ガス圧力、加熱温度、巣の存在量や結合相の量などに
よっても異なるが、０．５〜２時間が望ましい。

最後に、再焼結（第三段の焼結）の雰囲気は、真空中で
も減圧窒素雰囲気中でもよい。ここで窒素雰囲気を用い
る場合に減圧窒素雰囲気とするのは、β相が脱室しすぎ
、分解窒素ガスによる巣の発生を少なくするためである
。減圧窒素雰囲気としては、１０　ｔｏｒｒ　以下でめ
ることが好ましい。

又、真空度としては、１０−１〜１０””ｔｏｒｒが好
ましい。

再焼結（第三段の焼結）によって、ＨＩＰ処理によシ生
じた結合相プールが消滅して結合相の分散が均一とな９
、格段に高強度の窒素含有超硬会合となるが、１３５０
℃より低温では、再焼結時の液相量が少ないためと思わ
れるが、これらの効果が十分ではなく、一方、１５５０
℃より高温では硬質相の粒成長が顕著となり、得られる
鼠累含有超硬合金の靭性が低下するので、その焼結温度
Ｑ１３５０〜１５５．０℃の範囲内の温度に定めた。

そして、その焼結時間（上記温度の保持時間）は、結合
相プールが消滅して結合相の分散が均一になるのに十分
な時間であればよい。これは、加熱温度、結合相プール
の大きさや分布等によっても異なるが、０．５〜２時間
が望ましい。

なお、−次焼結後、焼結体を外部へ取り°出して、ＨＩ
Ｐ装置に装入し、ＨＩＰ処理後、再度側の炉で再焼結し
てもよいし、又、連続して減圧焼結と加圧焼結とができ
る同一の炉を用いて、焼結体を外部へ取シ出すことなく
、一連のサイクルの中で処理してもよい。

〔実施例〕

実施例１ 原料粉末として平均粒径２．５μｍのＷＣ粉末、同１、
５　ｐｍの（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ粉末（ＴｉＣ／ＷＣ（重量比
）＝３０／７０）お工びＴｉＮ粉末、同１．７　ｐｒｎ
のＴａＣ粉末および（Ｔｉ　、ＴａｔＷ）（Ｃ，Ｎ）粉
末（ＴｉＣ：　ＴｉＮ　：　ＴａＣ：　ＷＣ（重量比）
＝２０：２０：３０：３０）、同１．３μｍのＣｏ粉末
を用意し。

第１表に示す配合組成に配合して、４８時時間式、　ボ
ールミル混合した後、乾燥した。得られた混合粉を１ｔ
／ａｄの圧力でプレス成形した後、第１表に示す条件で
焼結し、配合組成の換算組成と実質的に同じ組成ｔ−有
する本発明超硬合金１〜６ｔ−製造した。

また、比較のため、本発明超硬合金１〜６と同一の配会
組１５．′ｆｃ有するが、焼結条件のみが第１表に示す
ように異なる比較超硬合金１〜２（それぞれ、第３段の
焼結工程の焼結温度がこの発明の温度範囲未満及び越え
る例）と従来超硬合金１〜４（焼結工程が１あるいは２
工程からなる例）をも製造し友。

これらにつき、相対密度を調べ、またＪＩＳに基づき３
点曲げ抗折力を測定し、更に組織観察により結仕相の分
散状態と果及び結合相プールの有無を調べた。これらの
結果を第１表に示す。

なお、組織観察によると、組織はいずれもｗｃ粒子とＮ
ａＣＬ　型結晶構造を有する固溶体炭窒化物粒子と結合
相からなっていた。

実施例２ 原料粉末として、平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末、同Ｌ
７ｐｒｎの（Ｔｉ　、　Ｔａ　＋Ｗ）　（Ｃ、Ｎ）粉末
（Ｔｉｃ　：　ＴｉＮ　：　ＴａＣ：　ＷＣ（重量比）
＝２０：２０：３０：３０３及び（Ｔａ　、　Ｎｂ　）
　Ｃ粉末ＣＮｂＣ／ＴａＣ（ｇ量比）；５０１５０　：
ｌ、同１．４μｍのＺｒＣ粉末及びＶＣ粉末、同１．６
．ａｍのＨｆＣ粉末、　Ｃｒ、Ｃ，粉末及びＭｏ、Ｃ粉
末並びに実施例１で用い＊Ｃｏ粉末を用意し、第２表に
示す配合組成に配合して、実施例１と同じ条件で混合、
乾燥及び成形した後、第２表に示す条件で焼結して、配
合組成の換算組成と実質的に同じ岨成會Ｍする不発間層
硬合金７〜１５お工び従来超硬合金５〜１０を製造した
。

これらの合金につき、実施例１と同じ測定と観察を行な
い、その結果ｔ−第２表に示した。

なお１、組織観・察によると、いずれの合金もＷＣ粒子
とβ粒子および結合相から＃成されていた。

〔発明の効果〕

第１表及び第２表かられかるように、不発゛明超硬合金
は、それぞれ同一組成で焼結条件のみが異なる比較超硬
合金や従来超硬合金に比べると、それぞれいずれも高い
強度金示すことがわかる。・これは、第１表及び第２表
に示されるように、本発明超硬含金がいずれも相対密度
が９９．９″′ｉ？ＸＯＯ係と高いはかシではなく、結
合相が均一に分散しており、巣も結合相プールも認めら
れないからと思われる。

このように、この発明の方法により製造され次窒素含有
超硬合金は極めて高い強度ｔ−有するので、高強度を要
求される切削工具や耐摩耗工具などとして最適である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）組織が、Ｃｏを主体とする結合相と、ＮａＣｌ型
   結晶構造を有する固溶体炭窒化物粒子および炭化タング
   ステン粒子よりなる硬質相とから構成され、上記固溶体
   炭窒化物がＴｉ、ＴａおよびＷの固溶体炭窒化物であり
   、 しかも、結合相と硬質相とから構成される全体の組成が
   、上記固溶体炭窒化物中の窒素をＴｉＮとして、又、上
   記固溶体炭窒化物中の残りの金属成分を下記のような炭
   化物に換算して表示すると、Ｃｏ：３〜２０％、 ＴｉＮ：１〜２０％、 ＴｉＣ：０．５〜２０％、 ＴａＣ：０．５〜２０％、 ＷＣおよび不可避不純物：残り （以上重量％）よりなる窒素含有超硬合金を製造するに
   当り、 真空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３００〜１５
   ００℃の範囲内の温度に加熱して一次焼結した後、 １００気圧以上の加圧不活性ガス雰囲気中で、一次焼結
   と同じ温度範囲内の温度に加熱し、さらに、その後、真
   空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３５０〜１５５
   ０℃の範囲内の温度に加熱することを特徴とする相対密
   度が９９．５％以上で、結合相の分散が均一な高強度窒
   素含有超硬合金の製造方法。
2. （２）組織が、Ｃｏを主体とする結合相と、ＮａＣｌ型
   結晶構造を有する固溶体炭窒化物粒子および炭化タング
   ステン粒子よりなる硬質相とから構成され、上記固溶体
   炭窒化物がＴｉ、Ｔａ、ＷおよびＭ（但し、ＭはＺｒ、
   Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ及びＭｏのうちの１種又は２種以
   上）の固溶体炭窒化物であり、しかも、結合相と硬質相
   とから構成される全体の組成が、上記固溶体炭窒化物中
   の窒素をＴｉＮとして、又、上記固溶体炭窒化物中の残
   りの金属成分を下記のような炭化物に換算して表示する
   と、Ｃｏ：３〜２０％、 ＴｉＮ：１〜２０％、 ＴｉＣ：０．５〜２０％、 ＴａＣ：０．５〜２０％、 Ｍの炭化物：０．１〜１０％、 ＷＣおよび不可避不純物：残り （以上重量％）よりなる窒素含有超硬合金を製造するに
   当り、 真空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３００〜１５
   ００℃の範囲内の温度に加熱して一次焼結した後、 １００気圧以上の加圧不活性ガス雰囲気中で、一次焼結
   と同じ温度範囲内の温度に加熱し、さらに、その後、真
   空中又は減圧窒素雰囲気中において、１３５０〜１５５
   ０℃の範囲内の温度に加熱することを特徴とする相対密
   度が９９．５％以上で、結合相の分散が均一な高強度蓋
   素含有超硬合金の製造方法。