JPS6150909B2

JPS6150909B2 -

Info

Publication number: JPS6150909B2
Application number: JP58236399A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Takahashi; Tatsuhiko Tanaka; Yoshikazu Kondo
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 1983-12-16
Filing date: 1983-12-16
Publication date: 1986-11-06
Also published as: JPS60131867A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高硬度で耐摩耗性に優れた硼化物系
硬質材料に関するものである。 TiB₂は、高硬度、高融点でしかも高温強度が
極めて高い化合物であるために、切削工具材料や
熱機関の部品材料などの高硬度、耐摩耗性、耐熱
性などの要求される用途が期待されている材料で
あるが、TiB₂単体の焼結体は、抵抗力が低く、
もろいという欠点をもつている。したがつて、適
当な結合剤を添加して、強度の大きい焼結体が得
られるようにすることが必要であり、そのために
は、結合剤として融点が高く、靭性の大きいもの
が要求される。 TiCやTiNも、高硬度、高融点材料であり、こ
れらは分散型サーメツトとして従来から広く実用
されているが、鉄鋼材料に対する耐摩耗性を大越
式迅速摩耗試験機を用いて測定すると、比摩耗量
は高速域で１×10^-8mm²／Kgｆ以上となり実用上十
分でない面がある。また、WCを基材とする超硬合金は、硬度が高
く靭性も優れているので切削工具や金型素材など
に広く使用されているが、耐食性や高温耐酸化性
に乏しいなどの欠点があり、硬度もマイクロビツ
カース硬度（以下Hvで示す）で2000程度までで
ある。Co，Ｗ，Crを基材とするステライトは、
上記欠点は緩和されているものの硬度に劣り、さ
らに、高速度鋼も硬度が低く、とくに高温硬度に
劣るなどの欠点をもつている。これら従来の欠点を解決するために、最近、鉄
硼化物および複硼化物を硬質相とする硬質焼結合
金が提案されている。（たとえば、特公昭54−
27818号、特公昭56−8904号および特公昭56−
15773号）。これらに開示されている合金では、最
高硬度が、Hv＝2000程度であるために、さらに
高硬度が要求される用途に対しては十分に対応し
得ない面がある。このような要求に対して、Fe，CoまたはNiと
MoまたはＷとの複硼化物が、結合剤として好適
であることを見い出し、これらをTiB₂粉末に配
合して焼結した硬度の高い硼化物系超硬質材料を
提案した（特願昭57−155970号および特願昭58−
209951号）。これらの焼結体は、極めて高硬度で
ある（Hv＝2000〜3000）が、抗折力が100Kg／mm²
程度となつており、硬度を落さずに強度をより向
上させることが好ましく、焼結助剤についてさら
に検討を重ねた結果、TiH₂を添加混合して焼結
することにより、強度が著しく向上することを見
い出し、硼化物系高強度超硬質材料として提案し
た（特願昭58−209952号）。これらの焼結体は、耐摩耗性試験の結果、Al
合金、Cu，SKH，SiC−Alの複合材などに対し
ては良好であつたが、SS41やS45Cなどの鉄鋼材
料に対しては、凝着摩耗を生じ易く、鉄鋼用耐摩
耗材料としてはまだ欠点をもつている。そこで、
このような要求に対して、TiCとTiN、または、
TiCNの粉末を添加混合して焼結することにより
高硬度で抵抗力も優れ、しかも、耐摩耗性の極め
て高い焼結体が得られることを見い出し、これら
の知見に基づいて、本発明をなすにいたつた。すなわち、本発明の主たる目的は、鉄鋼材料に
対する高耐摩耗性超硬質材料を提供することにあ
る。本発明の他の目的は、高硬度、高強度でかつ
耐食性、耐熱性に優れた高耐摩耗性超硬質材料を
提供することにあり、さらに他の目的は、より軽
量でより安価な高耐摩耗性超硬質材料を提供する
ことにある。以下、本発明の詳細について説明する。本発明
の高耐摩耗性超硬質材料は、TiB₂粉末に、複硼
化物Mo₂FeB₂，Mo₂CoB₂，Mo₂NiB₂，MoCoB，
W₂FeB₂，W₂CoB₂，W₂NiB₂，WFeBおよび
WCoBの粉末の中から選ばれた少なくとも１種以
上を２〜15％、TiC，TiNおよびTiCNの粉末の
中から、Ｃ／Ｎの原子比が0.25〜4.0の範囲であ
るように選ばれた配合粉末を10〜55％、および、
TiH₂粉末を0.1〜10％をそれぞれ添加混合して、
真空中において、焼結することを特徴とするもの
である。複硼化物は、全重量に対して２〜15％の
範囲で添加することが適当である。Mo₂FeB₂や
W₂NiB₂などの複硼化物（結合相）は、硬質相と
なるTiB₂やTiCの粒成長を抑制する効果が大き
く、特に、TiB₂とTiCは相互に固溶し、これらの
みの混合粉末を焼結すると粒成長が著しく、ポア
ーの発生も多く、強度の低い焼結体となるが、本
発明の複硼化物粉末を添加することにより粒成長
が抑制されて微細粒子の高強度焼結体が得られ
る。この大きな粒成長抑制効果は、単に、Niな
どの鉄族金属粉末やFeBなどMB系（Ｍは金属元
素を示す）の硼化物粉末あるいはこれらの混合粉
末を配合する場合には得られないことである。ま
た、前記複硼化物は高温硬度も高く（1000℃で、
Hv＝500〜700）、耐食性にも優れている。これら
の量が、２％未満では粒成長抑制効果が十分でな
く、15％を超えると凝着が大きくなり耐摩耗性が
低下する。TiC，TiNおよびTiCNは、Ｃ／Ｎの
原子比が0.25〜4.0の範囲であるように、これら
の中から選んで、10〜55％の範囲で添加すること
が適当である。TiCは、鉄鋼に対する耐凝着性に
優れており、TiNやTiCNは、TiCの粒成長抑制
効果が大きく耐酸化性、耐食性に優れている。こ
れらの量が、10％未満では鉄鋼材料との低速摩擦
における比摩耗量が大きくなり、55％を超えると
硬度が低下し、高速摩擦における比摩耗量が大き
くなる。Ｃ／Ｎの原子比は、0.25〜4.0、好まし
くは0.5〜3.0の範囲が適当である。この比が、
0.25未満すなわちＮ量がＣ量の４倍を超えると結
合相との濡れ性が悪くなるし、4.0を超えると
TiCの粒成長が著しくなる。TiH₂は、0.1〜10
％、好ましくは0.5〜８％の範囲で添加するのが
適当である。この化合物は、真空焼結の過程で
500〜700℃の温度範囲で熱分解してH₂ガスを発
生し、これが粉末表面の吸着ガスや表面酸化物を
還元することにより、粉末間の濡れ性を著しく向
上せしめる効果がある。したがつて、TiH₂の添
加量が、0.1％未満では還元効果が十分発揮され
ず機械的強度の向上が得られないし、10％を超え
ると硬度および靭性ともに低下する。一般に、焼
結雰囲気として、H₂ガスを使用する方法がある
が、圧紛体の内部全体にH₂ガスを浸透させるた
めには、雰囲気圧力を一定範囲で負圧状態に保た
ねばならないので精密な圧力制御装置が必要にな
り、また、このような方法では圧紛体中に閉気孔
が存在する場合は、その部分には還元作用がおよ
ばず、焼結体は必ずしも均質な組織とならないな
どの欠点がある。TiH₂添加の第２の効果は、焼
結時熱分解して生じた非常に活性なTiが、高温
でTiB₂と反応してTiBを生成する過程があるため
に、全体の焼結を促進する。この効果と前記還元
効果との相乗作用により、気孔の全くない密度
100％で高強度の焼結体が得られる。これらの効
果を焼結体の顕微鏡写真で第１図と第２図に示
す。第１図はTiH₂を添加しない場合で、気孔が
多く観察されるが、第２図のTiH₂を添加した場
合は気孔は全く見られず理想的組織となつてい
る。本発明の高耐摩耗性超硬質材料の製造は、つぎ
のようにして行うことができる。平均粒径１μｍ
以下のTiB₂粉末に、複硼化物粉末（平均粒径２
μｍ以下）、Ｃ／Ｎの原子比が0.25〜4.0の範囲で
あるようなTiC，TiNおよびTiCNの混合粉末
（粒径1.6μｍ）、およびTiH₂粉末をそれぞれ所定
量配合して、振動ボールミルで湿式混合と紛砕を
十分に行つた後、乾燥造粒する。この混合粉末
を、たとえば、黒鉛型に充填し、真空中におい
て、100Kg／cm²以上の圧力下で、1400〜1800℃の
温度範囲で加熱するか、あるいは、前記混合粉末
を、あらかじめ圧縮成形した圧紛体を、1700〜
2000℃の温度範囲で真空焼結することにより、好
ましくは真空焼結後に、熱間静水圧処理すること
によつて製造することができる。焼結雰囲気は、
焼結中、常時、真空である必要はなく1400〜1500
℃以上の高温ではArガス等の不活性ガスを用い
ることもできる。このようにして得られた焼結体は、いずれも、
鉄鋼材料に対する耐摩耗性に優れ、高硬度で、抗
折力も高く、耐摩耗材料、切削工具、熱機関部品
として好適である。以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説
明する。実施例に供した材料の組成は、第１表お
よび第２表に示した。実施例Ａ TiB₂粉末に、Moと鉄族金属との複硼化物粉
末、（TiC＋TiN）、TiC₀.₅N₀.₅、TiC₀.₃N₀.₇の粉
末、および、TiH₂の粉末を、第３表の実施例１
〜７に示すそれぞれの割合に配合して、約２時間
振動ボールミルで湿式混合し、N₂ガス中で乾燥
造粒した。この混合粉末を黒鉛型（内径28mm）に
充填し、

【表】

【表】真空中において、150Kg／cm²で加圧しながら
1550℃または1600℃の温度で、30分間焼結した。
この焼結体から、４×８×25mmの抗折試験片を切
り出し、抗折力、硬度および密度を測定した。ま
た、28mmφ×８mmの焼結体の両面を200メツシユ
のダイヤモンド砥石で平面研削し、大越式迅速摩
耗試験機を用いて、比摩耗量を測定した。これら
の測定結果を比較材料の測定結果とともに第３表
に示した。密度はすべての実施例で100％であつ
た。なお、比摩耗量の測定条件は、相手材
SS41、摩擦距離200ｍ、最終荷重18.9Kgｆ、摩擦
速度は0.94（低速）と4.39（高速）ｍ／ｓであ
る。比較例として示した実施例の８と９は、同１
〜７と同じ製法でつくつたもので比摩耗量が大き
くなつている。

【表】

【表】実施例Ｂ TiB₂粉末に、Ｗと鉄族金属との複硼化物の粉
末、TiC₀.₅N₀.₅の粉末、および、TiH₂の粉末を、
第４表の実施例10〜15に示すそれぞれの割合に配
合して、実施例Ａと同様の方法で焼結体をつく
り、特性を測定した。実施例16にはMoとの複硼
化物を添加した場合を示した。これらの特性を第
４表に示した。以上の実施例からわかるように、硬度2100〜
2600、抗折力125〜150Kg／mm²、密度100％で、し
かも、鉄鋼材料に対する比摩耗量が、摩擦速度の
広い範囲にわたつて0.2〜0.5×10^-8mm²／Kgｆとい
う優れた焼結体が得られた。

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は、TiH₂を添加しない場合、第２図
は、TiH₂を添加した場合の焼結体の組織の顕微
鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

１ TiB₂粉末に、複硼化物Mo₂FeB₂，
Mo₂CoB₂，Mo₂NiB₂，MoCoB，W₂FeB₂，
W₂CoB₂，W₂NiB₂，WFeBおよびWCoBの粉末の
中から選ばれた少なくとも１種以上を２〜15重量
％（以下％は重量％を示す）、TiC，TiNおよび
TiCNの粉末の中からＣ／Ｎの原子比が0.25〜4.0
の範囲であるように選ばれた混合粉末を10〜55
％、および、TiH₂粉末を0.1〜10％をそれぞれ添
加混合して、真空中において、焼結したことを特
徴とする高耐摩耗性超硬質材料。