JPS63227734A - 耐熱性にすぐれた工具用結晶質焼結合金 - 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） 本発明は熱間で使用する刃物、”金型、ダイ、パンチな
どの材料として適する耐熱性にすぐれた工具用結晶質焼
結合金に関するものである。

（従来の技術） 近年、粉末冶金技術の発展に伴い、工具用合金にも粉末
冶金法によって製造さｎた焼結材料が実用化さ几ている
。こｎは粉末冶金法を用いると、従来の造塊法では不可
能な多量の合金元素を添加でき、″！几微細な炭化物や
硼化物を均一に分散できるので、硬さや靭性などの工具
材料に必要な機械的特性を向上できるからである。

一方、合金粉末の製造としては一般に水アトマイズ法や
ガスアトマイズ法が用いらｎる。こｎらの方法は溶融合
金流に高圧の水やガスを吹付け、溶融合金を剪断、粉化
すると同時に凝固させるものであるが、凝固速度がｌθ
〜１０３℃／ｓｅａ程度と遅く、粉末中の炭化物や硼化
物などの粒径を１μｍ以下に制御することは困難であり
、硬さや靭性の向上には限界がある。このため凝固速度
のさらに大きな方法で、理想的には非晶質状態の組織を
有する粉末が製造できｎば、焼結体の組織を一層均一微
細にでき、特性の向上に対しきわめて効果的であると考
えらｎる。

ところで凝固速度１０５℃／θｅｃ以上が得らｎる単ロ
ール式まｔは双ロール式液体急冷法などによって得らｎ
た非晶質合金を加熱し結晶化させるときわめて微細な組
織が得らｎることけ公知である。九とえば、特公昭６０
−３２７０４号公報では「超微細均一分散結晶相を有す
る合金」が開示さ几ている。該合金は超微細結晶粒の固
溶体相に複硼化物粒子をランダムに散在させｔ構造であ
って、′下記のような成分組成を有する。

Ｒｘ　Ｍｙ（Ｂ、Ｐ、Ｃ！、Ｓｉ　）ＺここでＲはＦｅ
、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種ＭけＦｅ、Ｃｏ、ＮｉのＲ以外
の１種ま之は２種及び／ま九はＯｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ。

Ｔａ　、ＡＩ　、Ｓｎ、Ｇｃ　、Ｓｂ　、Ｂｅ　、Ｚｖ
、Ｍｎ、Ｃｕの１種またはそ几以上 Ｘ＝３０〜８５原子チ、’ｌ原子−６５原子チ、Ｚ＝５
〜１３原子チ さらに（１１Ｆｅ、　Ｏｏ、Ｎｉ、のＲ以外の合計量は
３０原子チを超えず （２）Ｃ！ｒＪｉは４５原子チを超えず（３１Ｍ、ｏ、
Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａ１．８ｎ、Ｇｅ、Ｓｂ、
Ｂｅ。

Ｚｒ　、　Ｍｎ　、　Ｃｕ、の合計量は３０原子チを超
えず （４）Ｂは少くとも５原子チであるが、１２原子チを超
えず （５）　Ｐ、Ｃ，Ｓｉの合計量は７．５原子チを超えな
い。

この合金は、非晶質合金を固相線温度の０．６〜０．９
５の温度に加熱すると、結晶粒の平均粒径３μｍ未満の
固溶体相に平均粒度１μｍ未満の複硼化物粒子がランダ
ムに散在した組織が得らｎる・このため高い引張強さが
得ら几ることを特徴としている０ さらに特開昭、５４−１０３７３０号には「炭素系非晶
質合金とその合金から得を物品」が開示されている。こ
の非晶質合金を原料とする焼結材は、炭化物が微細に分
散しｔ組織を有し、高硬度を示すことは容易に推定でき
る。この合金の成分組成はおよそ下記の如くである・Ｆ
ｅａＣｒｂＭｃＱｄ ＦｅａはＦｅがａ原子チ Ｏｒｂばａｒがｂ原子チ ＭｃばＣｒ、Ｍｏ　、　Ｗ　から選ばれる１種または２
種以上Ｃ原子チ Ｑ、ｄ　　はＣがｄ原子チ ａ＝　２８〜８４．ｂ＝　Ｏ〜２０．ｃ＝　４〜２６．
ｄ＝　１２〜２にの合金は非晶質状態では硬度や破壊強
度が大変優れており、非晶質合金のままで刃物、鋸歯、
タイヤコード、ワイヤーローブ、その他多数の用途に用
いることが可能である０ （発明が解決しようとする問題点） ところで、前記特公昭６Ｇ−３２７０４号公報に記載さ
ｎｆｔ合金を熱間°工具用材料として使用するには、急
冷凝固して得ら几たリボン状または粉末状の素材をさら
に微粉砕した後、１００チに近い高密度に焼結する必要
がある。この九め工業的かつ経済的に生産するには熱間
静水圧プレスが適しているが、焼結温度は１１００℃以
上が必要である。ところが、この合金は　９００℃程度
の加熱に対してはＨＶ７００前後の高硬度を示し靭性も
すぐ几でいるのであるが、１１００℃以上の加熱に対し
ては高々ＨＶ　５５０しか得らｎず工具として使用する
［は硬度不足である。

また、前記特公昭６０−３２７０４号公報では７００Ｃ
までの時効処理によって硬度が向上することも開示され
ているが、７００℃以上の熱間で使用する工具にはこの
時効処理は意味がない。さらに耐熱性や硬さが比較的良
好なＮ１−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｂ系の場合熱間工具として必要
な高温硬書や耐酸化性を向上させるためＫ　ＭＯやＣｒ
ｆ増すときわめて脆いＮｉＭｏ金属間化合物やＮｉＮｉ
−０ｒ−金属間化合物（Ｐ相）が形成さｎ靭性は著しく
失なわ几る。従って硼化物を主体とする合金では熱間工
具としての特性向上に限界があるといえる。

一方、特開昭５４−１０３７３０号公報に開示さｎた合
金を粉末冶金用原料として使用する場合にはこ几を微粉
砕する必要があるが、破壊強度が高いため粉砕できない
という欠点を有する■そのため、いっ九ん脆化温度以上
に加熱した後、粉砕することが必要となる。このため工
数増となり経済的でない。さらに超音波アトマイズ法や
遠心急冷法によって直接非晶質の粉末を得る方法がある
が、粉末粒径によって凝固速度が異なる定め、焼結体の
組織むらが生じやすく、微粉末しか使えないという欠点
がある。またこの合金は焼結処理によって高硬度で比較
的靭性のある焼結体が製造可能であるが、Ｆｅは高温で
オーステナイト相となり炭素を多量に固溶する定め炭化
物が消失しやすく、６００℃以上では高温硬さが著しく
低下する。このｔめ６００℃以上で使用するような熱間
工具材料としては適当でない。

（問題点を解決するｔめの手段） 本発明者らは、炭素系非晶質合金を原料として耐熱性に
すぐれた工具用結晶質焼結合金を開発しようと鋭意検討
した結果、特定の組成を有する溶融合金を急冷凝固する
ともろい非晶質相ま九は非晶質相と炭化物の混在し友組
織を有する合金となり、微粉砕が容易で、かつ粉砕にょ
って得らｎた微粉末を焼結結晶化することによって、高
温硬さや耐酸化性の良好で耐熱性に優れた工具用結晶質
焼結合金が得ら几ることを見出し之。

すなわち本発明の合金は下記の組成で表わさ几凝固組織
がもろい非晶質相または非晶質と炭化物の混合相より成
る合金を原料とすることを特徴とする耐熱性にすぐれた
工具用結晶質焼結合金である。

ＲｕＭｖＯｗＢｘ 但しＲけＮｉ１ｏから選ば几る１種または２種、ＭはＷ
、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａから選ば几る１種または２種以
上、 Ｃは炭素、　　Ｂは硼素を表わし、 かつｕ：３Ｂ−７０原子チ、Ｖ＝２５−４５原子チ、ｗ
＝＝１〜１８原子チ、Ｘ　原子−５原子係の値を有し、
ｕ、ｖ、ｗ、ｘの和は実質的にｉｏｏであるＯ 本発明を達成するには、本発明組成を有する溶融合金を
単ロール法や双ロール法によって急冷凝固しリボン状の
合金を得る方が、直接粉末を得るより歩留がよく経済的
である。このリボンのｘｉ回折パターンには、非晶質ま
ｔは非晶質と炭化物の混合したピークが認めら几る。非
晶質のピークのみが得らｎる合金でも、凝固速度を若干
遅くすると非晶質と炭化物の混合相とすることが可能で
ある・この急冷凝固合金はもろいため、良好なリボンが
得られず短冊状になる場合もある。このリボンをボール
ミルや振動ミルなどで粉砕す几ば、容易に焼結用の微粉
末を得ることができる。また、本発明合金の凝固組織は
非晶質相または非晶質と炭化物の混合相である友め、大
気中で凝固させても表面が酸化さ几ないという特徴を有
する。九の九めリボンの製造にあたっては雰囲気処理す
る必要がなく、設備費が安価で生産性が良いというメリ
ットがある。

微粉砕後の、粉末は熱間静水圧プレス、ホットプレスな
どの方法によって容易に焼結でき、この処理によって非
晶質相は結晶質に変態する。

本発明において成分組成を限定する理由は次のとおりで
ある。

ＲすなわちＮｉま九はＣｏの１種ま九は２種は焼結体の
耐熱強度及び耐酸化性にすぐれた結晶基地相を得るのに
必要な元素である。また、高温まで炭素の固溶量があま
り変化しないので炭化物が比較的安定に存在でき、高温
硬さの低下を防止する効果がある。Ｒは工具としての靭
性を確保するｔめに少なくとも３８原子チ以上必要であ
り、７０原子チを越す七硬度が不足する。。

ＭすなわちＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａから選ばれる１種
または２種以上は焼結後の結晶基地相を固溶強化すると
ともに炭素と結合して高硬度な炭化物を形成し、硬さ及
び高温硬さを向上させる。Ｍは２５原子チ以下では急冷
凝固リボンの破壊靭性が高く、粉砕が著しく困難となる
。ま之、凝固速度を遅くしても非晶質と炭化物の混合相
とならずＮ１固溶体相となる・このため熱処理なしで粉
砕する九めには２５Ｍ子チ以上、望ましぐは３０原子チ
以上添加する必要がある。Ｍの含有量が多いほど凝固リ
ボンの組織は非晶質と炭化物の混合相となりやすく、粉
砕は一層容易となる。焼結体の高温硬さを高めるにはＭ
の含有量を増すのが効果的であるが、４５原子チを越す
と融点が上昇し、高周波溶解が不可能となり、電子ビー
ムやアークによる溶解が必要となるので著しくコスト高
となる。

Ｃすなわち炭素は結晶質焼結体この合金の硬さを維持す
るのに必要な炭化物を形成するとともに急冷凝固リボン
の組織を非晶質化するのに必要な元素である。この九め
少なくとも１原子チ以上添加することが必要である。Ｃ
添加量が増加するにり几て焼結体の硬さは向上するが逆
に靭性は低下するので１８原子チが限度である。

Ｂすなわち硼素は凝固組織を非晶質相とするのに効果的
な元素であるうえ、焼結中に発生する脱炭を防止する効
果がありｌ原子−以上、望ましくは２〜４原子チ添加す
る必要がある。なぜＢが脱炭防止に効果があるのかは今
のところ不明である。またＢは焼結体の結晶基地相中に
微細硼化物を形成し硬度を向上するが、ＢはＣに比べ硬
度への寄与が小さく、また高価でもあるので上限を５原
子チとしｔｏ （発明の効果〕 本発明合金は、高温硬さや耐酸化性、耐摩耗性が著しく
優几ているので、いまだ適当な材料が見つかっていない
恒温鍛造用金型や熱間押出し用金型材として最適である
他、こｎまで熱間工具鋼や高速度鋼を使用していｔ熱間
加工用の刃物、金型、ダイ、パンチなどの代替材料とし
てこの合金を使用すると、大幅な工具寿命の向上が図ｎ
る。ま之、いままでより被加工物を高温で加工できるよ
うになるので、加工性が向上しサイクルタイムが短縮で
きる上、冷却液を使わずに加工できる１という効果があ
る。

（実施例） 次に実施例にて本発明合金を説明する。まず高周波溶解
炉にて第１表に示すような組成を有する母合金を作製し
九。この母合金を石英ノズル中にて再溶解し九後、単ロ
ール法にて、厚さ０．０２０幅２ｕのリボン状または短
冊状の急冷凝固合金を得た。得らｗｅ金合金組織をＸ線
回折法にて同定し九ところ、第１図に代表さｎるような
Ｘｌｆｓ回折パターンが得らｎ２．このリボン状まｔは
短冊状合金をボールミル中で４時間粉砕し九ところ、平
均粒径２０〜２８μｍ程度の微粉末が得られた。

この微粉末をステンレス製の缶に充填しＳＯＯ℃で２４
時間真空脱気後真空封止した。続いてステンレス製の缶
を熱間静水圧プレス（Ｈ工Ｐ）中に挿入し、温度１１０
０℃圧力１５００Ｌｐｆ／藺の条件下で１時間保持し焼
結体を得ｔ、この処理によって非晶質相は結晶に変態す
る。得らｎた焼結体の密度はおよそ９９チであり、はぼ
真密度の焼結体となっていることを確認し几。

この焼結体の硬度、８００℃での高温硬度、抗折力、比
摩耗量ＳＯＯ℃での酸化増ｆｌｋは第１表に示すとおり
で６つ九。また第２図に本発明合金の代表例についての
高温硬さ曲線を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は急冷凝固リボンのＸ線回折パターン、第２図は
高温硬さの比較図である。 代理人　弁理士　　河　内　潤　二 ２θ 急冷、ｌＪ固りボンのＸｎ回折パターン（ａ）　　実Ｓ
′ｉ例　２．非晶負相 （ｂ）　　実施例　７．非晶質と炭化物の混合相１　　
度　　Ｃ 手続補正書 昭和６２年　６月ｌ／日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記の組成式で表わされ、凝固組織がもろい非晶質相ま
   たは非晶質と炭化物の混合相より成る合金を原料とする
   ことを特徴とする耐熱性にすぐれた工具用結晶質焼結合
   金。 〔組成式〕ＲｕＭｖＣｗＢｘ 但し、ＲはＮｉ、Ｃｏから選ばれる１種または２種、Ｍ
   はＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａから選ばれる１種または２
   種以上、Ｃは炭素、Ｂは硼素を表わし、かつｕ＝３８〜
   ７０原子％、ｖ＝２５〜４５原子％、ｗ＝１〜１８原子
   ％、ｘ＝１〜５原子％の値を有し、ｕ、ｖ、ｗ、ｘの和
   は実質的に１００である。