JPS6230844A - 高硬度焼結材料の製造方法 - 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〕 本発明は、高硬度焼結材料の製造方法に関し、さらに詳
しくは工具などに用いられる高硬度合金鋼材料を、硬さ
が大きく、靭性が大きくてしかも近最終形状（Ｎｅａｒ
　Ｎｅｔ　　５ｈａｐｅ）の可能な方法で製造する為の
ものである。

〔従来の技術〕

高硬度材料の代表的なものに超硬合金があるが、これは
硬さは高い（ＨＲｃが７４以上）反面、靭性が小（シャ
ルピー衝撃値が０．５　ｋ　ｇ　ｆ　ｍ／ｃｒｎ’程度
）であるという欠点を持ち、その上コスト高の材料であ
る。

一方悟性の高い高硬度材料としては、高速度鋼が知られ
ている。高速度鋼は。

Ｃ：０．２〜２％ Ｃｒ：３〜５％ Ｗ：５〜２０％ Ｖ：０．５〜６％ を含み、かつ、 Ｍｏ：２〜ｌＯ％ ＣＯ：　４〜２０％ のうち少なくとも一種を含有する組成からなる鋼種で返
るが、硬さが不十分（ＨＲ０６７程度）である、現在、
材料特性としては超硬合金に近い硬さを持ち、しかも靭
性の大きい高硬度材料が望まれており１本発明の目的と
するところは、靭性が大きく（シャルピー衝撃値でＯ，
，８ｋｇｆ−ｍ／ｃｍ″以七）で、しかも従来の高速度
鋼よりも硬い（ＨＲ０７０以上）材料を得ることにある
。

高速度鋼の硬さを大きくするためには、合金成分を増量
することが考えられるが、溶製法では、炭化物の偏析が
避けられないため困難である。これに対し急冷凝固によ
り合金擾を過飽和に固溶させた銅粉を焼結させる粉末冶
金法は、溶製法に比べて炭化物の偏析の少ない組織が得
られる。

従来の粉末冶金による高速度鋼の製造は主に、ガスアト
マイズ粉末をカプセル充填した後、熱間静水圧成形（以
下ＨＩＰという）し、鋼塊を製造して、加工成形する方
法によっていた。これはＡ　Ｓ　ｋａｓａｋらのＰ　ｏ
ｗｄｅｒ　　−Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ＴｏｏｌＳ　ｔ
ｅｅｌｓ　　（Ｐ　ｏｗｄｅｒ　　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇ
ｙ、ｌ　　９　７８　　。

Ｖｏ１２１．１１４）に示されるように、特性は良いが
、近最終形状の成形が難しい方法である。

これに対し特公昭５８−４７４４４号公報によると、水
アトマイズ粉末を仕上還元した後液相焼結することによ
り製造可能であることが示されている。しかし、この方
法は硬さを得ようとして、高合金鋼、高Ｃ組成にすると
、炭化物が粗大化しやすく、靭性が下がるという問題を
持つ。

さらに、特公昭５７−５５７８２より１通常の焼結法に
於て、高速度鋼粉に硬質粉末を添加して耐摩耗性、即ち
硬さを向上させることができるが通常のシ均粒径のアト
マイズ鋼粉をもちいた通常の混合法では硬質粉末との粒
径差が大きく硬質粉末が凝集しやすく、その結果炭化物
が粗大化して靭性が下がるという問題をもつ。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そこで、本発明は、近最終形状でさらに硬さと靭性の両
特性が優れた高硬度材料の製造方法を提供するものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

発明者らは、高速度鋼粉末を用いた材料の硬さ向上に対
する検討の結果、次のような工程によれば、近最終形状
で、さらに硬さと靭性の両特性が優れた高硬度材料の製
造が可能であることを見出した。

■　高速度鋼をアトマイズし、得られた銅粉にＷＣ粉末
を２〜４０ｗｔ％添加して、それらを混合後粉砕するか
、又は混合と粉砕を同時に行う混合粉砕で平均粒径３５
Ｂｍ以下の鋼粉にする。そして、この粉砕粉を仕上還元
して、仕上還元粉を成形し、成形体を焼結して空孔率を
２％以下とする。

これにより、従来のガスアトマイズ−ＨＩＰ法では困難
な近最終形状が容易に実現でき、しかも、硬さが高くか
つ靭性に優れた高硬度材料が得られる。

なお、ＷＣ添加時または、成形時にグラファイト粉を添
加することにより、（礒を調整することもｕ（能である
。

■　さらに、特性を向上するために、高速度鋼粉をアト
マイズし、得られた銅粉にＷＣ粉末を２〜４０ｗｔ％添
加して、それらを混合後粉砕するか、または同時に混合
粉砕する方法で平均粒径３５４ｍ以下の鋼粉し、この粉
砕粉を仕り還元した後、仕上還元粉を成形し、成形体を
焼結して。

空孔率を１０％以下とし、焼結体をＨＩＰ処理して空孔
率を０．２％以下とする。

この工程をへることによっても、同様に近最終形状で硬
さ、靭性の高い高硬度材料を得ることができ、しかも、
前記焼結のみによる方法にくらべ、靭性が一層すぐれた
ものとなる。

〔作用〕

以下、本発明法の作用を詳細に説明する。

まず、銅粉としてはアトマイズ法により高合金組成の銅
粉が容易に得られるため、アトマイズ鋼粉を用いる。

このアトマイズ鋼粉に添加するＷＣ粉は、銅粉との反応
性が優れていると同時に焼結体中で硬質相を形成するの
で硬さの向上に寄与する。

高合金、高Ｃ１１１成にプレアロイ化したアトマイズ鋼
粉を用いるよりも、ＷＣ粉を添加した鋼粉の方が粉末の
圧縮性すなわち圧粉密度が高く、焼結によって密度が上
昇しやすい、一般に、高硬度を得るためには高い焼結密
度が必要であり、高靭性のためには微細な炭化物の分散
した組織が必要であるが、完全なプレアロイ鋼粉を使用
して焼結性が不充分であると、密度をあげようとして無
理に焼結温度をあげることとなり、密度は上昇するが、
炭化物が粗大化してしまうため、硬さは向上する反面、
靭性は向上しない。

本発明のように、ＷＣ粉末を添加する場合、圧粉密度を
高く保つことができるため、焼結密度が大きく、炭化物
が粗大化しない組織が得られ、硬さと靭性の両特性の向
上が可能である。

しかしながら、ＷＣの添加量が２ｗｔ％未満では効果は
小さく、４０ｗｔ％を越えると、この方法によっても圧
縮性の低下が顕著になり、その結果、高密度を実現しよ
うとすると炭化物が粗大化しやすくなり、靭性が丁降す
る。また、硬さも４０ｗｔ％これを越えてＷＣを添加し
ても位相する傾向にある。

次に、銅粉にＷＣ添加混合した後、または混合と同時に
粉砕する。この工程の効果のひとつは・鋼粉に比べ粒径
の小さいＷＣの分散の均一性を高め鋼粉表面に分散させ
ることで、単純な混合では、ＷＣが均一に分散せず焼結
後戻化物が粗大化し靭性が下がる。粉砕には、ボールミ
ルや振動ボールミルやアトライタなどを用いることがで
きる。もちろんＷＣ添加時にグラファイトを添加してｃ
ｌをｍｌすることができる。

また粉砕の効果は、銅粉を細かくすることにより、焼結
組織の微細化をはかるものである。３５ｐｍ以下にする
と、焼結体の炭化物が微細に分散し、靭性が向上する。

さらに粉砕することにより球状粉末でも形状が複雑化し
成形性が向上する。

このように銅粉とＷＣ粉とを同時に粉砕処理することに
より、一工程で、多くの効果が得られるのである。

その後、粉末を仕上還元する。これはＨ２やアンモニア
分解ガス中かまたは、真空中で行う、仕上還元を行うと
、銅粉中に残留した酸化物が還元され、焼結体に欠陥が
残らないとともに、焼鈍効果により粉末の圧縮性や成形
性が向上する。

つづいて、仕上還元後のＷＣを含有する銅粉を冷間で成
形する２通常の粉末冶金のように、金型を用いて成形す
る場合は、潤滑剤を添加するのが普通で、この時にＣ量
調整のためのグラファイトを添加することもでさる。金
型成形のほかに、冷間静水圧成形や射出成形でも成形可
１艶である。

次の工程は、成形体の焼結である。

焼結は、Ｈ２やアンモニア分解ガス中かまたは真空中で
行う、焼結温度を調整して、空孔率を２％以下にするこ
とにより、硬さと靭性の両特性が向上する。

さらに特性向上のために焼結体を直接、ＨＩＰ処理し、
空孔をほぼ完全に除去することができる。焼結体にカプ
セルを用いず直接ＨＩＰ処理を行うことができるから、
近最終形状の成形が可能である。この処理を行う場合、
焼結体の空孔率を１０％以下にすれば、閉空孔が得られ
るので、１０％以下の空孔率をもつ焼結体にしておけば
ＨＩＰ処理による高密度化が可１赴である。この時、焼
結体の空孔率を高めにとれるので、より細かい炭化物組
織となり、いっそう靭性の向上が可能で、処理後の空孔
率を（１２％以下とすると、飛躍的に靭性が向上する。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例について述べる。

実施例１ 第１表に示す５ＫＨＩＯ組成の水アトマイズ鋼粉に、平
均粒径０．８ＩＬｍのＷＣを１５ｗｔ％添加し、振動ボ
ールミルで８時間粉砕混合することにより、平均粒径１
２．ＩＪＬｍの鋼粉を得た。

これを、１１００℃で仕上還元したのち、グラファイト
とステアリン酸亜鉛をそれぞれ０．１５ｗｔ％と１ｗｔ
％混合し、成形圧力６　ｔ　／　ｃゴで１０　ｍｍＸ　
１０　ｍｍＸ　５５　ｍｍの試験片を成形した。

第１表 これを脱ろう処理して、Ｈ２ガス中、１２４０℃で６０
分焼結した。その後、１１８０℃で保持してから油焼入
れして、５５０℃で６０分保持の焼戻しを３回繰り返す
という熱処理を行った。

その時の焼結材の特性を比較材と共に第２表に示す。

比較材ｌは、本発明材と同じ化学組成にプレアロイ化し
た水アトマイズ鋼粉を上記と同様な条件で、熱処理まで
行い作製した焼結体である。

比較材２は、焼結温度を１２６０℃にして、他は比較材
ｌと同様な条件で作製した。

比較材３は、５ＫＨＩＯ組成鋼粉のみを８時間粉砕した
ものと０．８μｍのＷＣ粉末をＶ型混合器で８時間混合
処理した粉末を、本発明材と同様な条件で熱処理まで行
い作製した焼結体である。

第２表より、Ａ：発明材は、高密度で炭化物が微細なた
め、高さと靭性の両特性が優れていることがわかる。

比較材１は、炭化物は微細であるが、成形体の圧粉密度
が低く密度が高くならないため、硬さと靭性が低い、比
較材２に示すように、焼結温度を」：昇させると、密度
は高くなるが、炭化物が粗大化しやすくなり、その結果
硬さは向丘するが、靭性は低いままである。さらに比較
材３に示すように、混合を一般のＶ型混合器で行うと炭
化物の偏析が生じ、硬さは上昇するが、靭性が低くなる
。

実施例２ 実施例１と同様な条件で成形を行ったものを、１２２０
℃で６０分焼結し、密度比９４．２％の焼結体を作製し
、これに直接、Ａｒガス１０００気圧中、１１００℃で
６０分のＨＩＰ処理を行い、実施例１と同様な熱処理を
施した。

その特性を第２表に示すが、ＨＩＰ処理を行なうことに
より、密度が高くなり、焼結のみの場合より炭化物が微
細になるため、硬さと靭性ノ両特性が優れ、特に靭性の
向」二が著しい。

実施例３ この実施例は、ＷＣ粉添加量の影響を示すものである。

第３表に示すように、ＷＣ粉添加敬を変え、他の条件は
実施例１と同様にして焼結体を作製した。

第１図に硬さおよび炭化物平均粒径およびシャルピー衝
撃値とＷＣ添加量の関係を示す、第１図かられかるよう
に、硬さと靭性の優れる範囲は。

ＷＣ粉の添加量が２〜４０ｗｔ％の間である。

実施例４ この実施例は、粉砕粉の粒度の影響を示すものである。

第４表に示す条件のように、粉砕時間を変え、他の条件
は実施例１と同様にして焼結体を作製した。

第２図に炭化物平均粒径とシャルピー衝撃値を締す、第
２図から炭化物が微細で、靭性の優れたものを得るため
には、粉砕粉の平均粒径を３５７Ｌｍ以下とすべきであ
ることがわかる。

実施例５ この実施例は、焼結材の密度の影響を示すものである。

）（ＩＰを施さないものは、焼結温度を除き、実施例１
と同様、ＨＩＰを施すものは、ＨＩＰ条件を除き、実施
例２と同様の条件とした。第５表に可変条件を示す。

第３図に空孔率とシャルピー衝撃値の関係を示す・第３
図から、靭性の優れたものを得るためには、焼結のみで
は空孔率２％以丁に、さらに焼結後ＨＩＰ処理する場合
は、空孔率０．２％以下にすると効果が大きい。

実施例に の実施例は、ＨＩＰ処理する場合に、ＨＩＰ処理前の焼
結体の密度の影響を示すものである・焼結温度を変え、
他の条件は、実施例１と同様にして、空孔率の異なる焼
結体を作製し、実施例２と同様なＨＩＰ処理を行った。

第６表に可変条件を示す。

第４図に焼結体の空孔率と、その焼結体をＨＩＰ処理し
た後での空孔率の関係を示す、第４図から、ＨＩＰ処理
によって、空孔率を大幅に減少させ、０．２％以下にす
るための焼結体の空孔率の範囲は、１０％以下であるこ
とがわかる。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば・硬さと靭
性の両特性に優れた高硬度合金材料を、近最終形状の可
能な方法で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＷＣ添加量と焼結体の硬さ、炭化物平均粒径、
シャルピー衝撃値の関係を示すグラフ、第２図は粉砕粉
の平均粒径と焼結体の平均炭化物粒径およびシャルピー
衝撃値の関係を示すグラフ、第３図は焼結または焼結後
ＨＩＰ処理したものの空孔率とシャルピー衝撃値の関係
を示すグラフ、第４図は焼結体の空孔率とそれをＨＩＰ
処理した後の空孔率の関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アトマイズ高速度鋼粉にＷＣ粉末を２〜４０ｗｔ％
   添加し平均粒径３５μｍ以下に粉砕する工程と、該粉砕
   粉を仕上還元する工程と、該仕上還元粉を成形する工程
   と、該成形体を焼結して空孔率を２％以下とする工程と
   からなることを特徴とする高硬度焼結材料の製造方法。 ２　アトマイズ高速度鋼粉にＷＣ粉末を２〜４０ｗｔ％
   添加し平均粒径３５μｍ以下に粉砕する工程と、該粉砕
   粉を仕上還元する工程と、該仕上還元粉を成形する工程
   と、該成形体を焼結して空孔率を１０％以下とする工程
   と、焼結体を熱間静水圧成形して、空孔率を０．２％以
   下とする工程とからなることを特徴とする高硬度焼結材
   料の製造方法。