JPWO2005087418A1 - 焼結工具とその製造方法 - Google Patents

Abstract

ＷＣなどの硬質粒子をＣｏなどのバインダ金属を介して結合した焼結工具とその製造方法に関し、硬質粒子を成長させることなく硬化させた高い表面硬さと優れた靭性とを具備した焼結工具を提供する。焼結工具は、ホウ素Ｂおよび／またはケイ素Ｓｉを重量で０．０１０〜２．０％の範囲で含む表層部を有し、該表層部が、内質部よりも高い含有量の硬質粒子を有する。その製造方法は、硬質粒子とバインダ金属との混合粉末を圧縮して所望形状の圧粉体とし、焼結して後に、焼結体の表面にホウ素および／またはケイ素塗剤を被覆させて、そのまま、真空中で、焼結体の固相温度より低くて焼結体でホウ素および／またはケイ素を含有する融液を形成する温度範囲で、加熱保持する熱処理を行なう。熱処理過程で、ホウ素および／またはケイ素被覆層中のホウ素および／またはケイ素を焼結体の表層部に拡散させて、表層部中のホウ素および／またはケイ素含有融液を内質部に拡散移動させ、焼結体の表層部の硬質粒子の分布密度を内質部よりも高くする。

Description

本発明は、タングステンカーバイドＷＣやチタンカーバイドＴｉＣ等の硬質粒子をコバルトやニッケルなどの鉄系バインダ金属を介して結合した焼結工具とその製造方法に関する。

焼結工具は、一般に、バインダとしての鉄族金属（例えばニッケルＮｉやコバルトＣｏ）をバインダにして、硬質粒子、例えば、炭化物（例えば、タングステンカーバイドＷＣ、チタンカーバイドＴｉＣ）、窒化物、あるいは炭窒化物の微細粒子を分散させて構成される焼結体を用いた工具であり、焼結体が硬さと耐熱性、耐衝撃性において優れていることから、切削工具や塑性加工具、土木鉱山用の削岩ビット等に広く使用されている。

焼結工具は、相対的に軟質で安定な耐熱性のバインダ金属相と、硬さが高い微細な硬質粒子との２相焼結体であることから、焼結体中の硬質粒子の含有量を高めてバインダ金属を減らすと、焼結体は、表面硬さが高くなるが靭性が低下し、他方、硬質粒子の含有量を低くしてバインダ金属の含有量を大きくすると、焼結体は、靭性が高くなるが表面硬さが相対的に低下し耐摩耗性が低下するようになる。また、焼結体の硬質粒子の粒径を小さくするほど、表面硬さは増すが靭性は低下する。このような焼結体の性質から、焼結体ないしサーメットは、一般には、その用途に対応してバインダ金属と硬質粒子との組成や硬質粒子の粒度分布を最適に調節して利用されている。

しかしながら、硬さと靭性との両方の点で優れた焼結体も要求されており、これに関する技術も知られている。特許文献１は、炭化物とバインダ金属から圧縮成形した圧粉体をガス浸炭雰囲気中で加熱昇温して、表面を浸炭して、浸炭材を真空中で加熱して焼結することを開示しており、この技術は、表面に硬質層を形成して、内質部は高靭性で表層部を著しく硬化したサーメットとするものである。

特公昭５９−１７１７６号

しかしながら、上記の浸炭を伴う焼結法は、硬化層深さが小さいので、硬質合金を研削加工して使用する場合には、硬化層を除去するので、適当ではなかった。特に、Ｎｉ系又はＣｏ系の焼結工具では、浸炭処理により、黒鉛化するので、かえって、軟化するなどの制限があった。

そこで、本発明の第１の目的は、硬質焼結体を基礎にして高融点化合物粒子の粒子を成長させることなく硬化させた高い表面硬さと優れた靭性とを具備した焼結工具を提供しようとするものである。

本発明は、さらに焼結体を表面硬化することにより表面硬さと靭性とを具備した焼結工具の製造方法を提供することを第２の目的とするものである。本発明は、特に、製造工程での寸法変化の小さい表面硬化処理を含む製造方法を提供しようとするものである。

本発明の焼結工具は、硬質粒子と鉄系バインダ金属とから成り、表層部にはホウ素Ｂおよび/またはケイ素Siを重量で０．０１０〜２．０％の範囲で含有させて、バインダ金属のホウ化物及び/又はケイ化物を分布させて、且つ、表層部を、内質部よりも硬質粒子の高い分布密度として高硬度にし、他方の内質部にはバインダ金属によって高い靭性を確保するもので、これにより表面硬さと内部靭性に優れた焼結工具とするのである。

本発明の焼結工具では、硬質粒子とバインダ金属とから成る焼結体を所望形状で造り、焼結体表面にホウ素および/またはケイ素被覆層を形成して、真空中で熱処理を行ない表層部にホウ素および/またはケイ素を含む低融点の共晶融液を形成するので、熱処理過程は、共晶融液を、表層部から内部に向けて拡散移動させ、これにより、表層部はバインダ金属の含有量を低減させ硬質粒子の分布密度を高めるのである。これにより、ホウ素および/またはケイ素が鉄族金属との反応により形成したホウ化物および/またはケイ化物相（ホウケイ化複合物となる場合もある）と、硬質粒子の高密度の分布により、硬さの大きい表層部を厚い層に形成することができて、表層部の硬化と内質部の高い靭性とを兼備した工具を形成するのである。

本発明の製造方法においては、予め焼結して緻密化した所望の形状の焼結体の表面に所定の被膜層を形成して熱処理するのであり、しかも、熱処理が、内質部については融液が生じない融点以下（ないし共晶点以下）の温度での加熱保持であるので、従来の液相焼結とは異なり、熱処理中の変形量が小さい。表層部は、ホウ化物および/またはケイ化物相の析出と硬質粒子の高い分布密度とを生じ、これらにより、硬さの高い表層部を形成することができる。
以下、本発明を具体例に基づき、詳細に説明する。

本発明の実施例に係る焼結工具の製造方法により、細粒の硬質粒子（粒径１〜２μｍ）を用いて、Ｂ_４Ｃの９％塗液に浸漬して被覆し熱処理した焼結体の断面金属組織についての金属顕微鏡写真で、（Ａ）は内質部を、（Ｂ）は表層部を、それぞれ示す。 本発明の実施例に係る焼結工具の製造方法により、粗粒の硬質粒子（粒径３〜６μｍ）を用いて、Ｂ_４Ｃの９％塗液に浸漬して被覆し熱処理した焼結体の断面金属組織についての金属顕微鏡写真で、（Ａ）は内質部を、（Ｂ）は表層部を、それぞれ示す。 本発明の実施例１に係る製造方法により製造した焼結体の表面から深さ方向での硬さの変化を示す図。 別の実施例２に係る図３の同様図。 さらに別の実施例３に係る図３同様図。 被膜層を形成するＣＶＤ装置の概略図。 本発明の実施例４に係る製造方法により製造した焼結体の表面から深さ方向での硬さの変化を示す図。

本発明においては、焼結工具は、内質部とこれを取り囲むように熱処理により形成した表層部とから一体に形成されているが、基本的には、内質部は、硬質粒子とこれら粒子を結合するバインダ金属を含んでおり、表層部は、硬質粒子と、ホウ素Ｂおよび/またはケイ素Ｓｉを必然的に含んでいる。表層部は、バインダ金属を含んでも良いが内質部より少ない含有量であるか、または実質的には含まないのが、表面硬さを高めるために好ましいものである。

焼結工具中の硬質粒子には、炭化物、窒化物若しくは炭窒化物を含み、特に、炭化物として、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ，ＮｂＣ，ＶＣ、Ｃｒ_２Ｃ_３、窒化物としてＴｉＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、Ｃｒ_２Ｎ、ＺｒＮから少なくとも１種又は２種以上が利用される。

他方のバインダ金属は、鉄族金属、即ち、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏから少なくとも１種が選ばれる。耐食性と耐熱性、耐酸化性との点から、好ましくは、Ｎｉ又はＣｏが利用できる。ＮｉとＣｏとは、表層部中のＢを固溶し、ＷＣの共存下で、その硬質のホウ化物ＮｉＷＢ，ＣｏＷＢを形成して表面硬化に寄与する。ケイ素Ｓｉの場合はＮｉとＣｏとは、表層部中のＳｉを固溶し、ＷＣの共存下で、その硬質のケイ化物ＮｉＷＳｉ_４，ＣｏＷＳｉ_４を形成して表面硬化に寄与する。

内質部については、硬質粒子とバインダ金属と焼結体であり、バインダ金属と硬質粒子との含有量の比は、５：９５から４０：６０までの範囲にある。硬質粒子の含有量比が、５：９５より低いと、バインダ金属が過小で、焼結体が形成できない。この含有量比が、４０：６０より大きいと、硬質金属が少なく、焼結体は十分に硬くすることができない。

バインダ金属と硬質粒子との含有量の比は、好ましくは、５：９５から３０：７０の範囲にある。この含有量の比は、焼結工具の用途に依存して選択されるが、一般には、表面硬さと共に、靭性、特に、耐衝撃性を要求するような用途においては、上記配合量範囲の中で、硬質粒子を減らしてバインダ金属の含有量比が高く、調製される。他方、表面硬さと耐摩耗性を特に要求する用途には、硬質粒子の含有量比を上記の含有量の範囲で高めておく。

他方、焼結工具の表層部は、後述の如く、上記配合の焼結体の熱処理過程で、焼結体の表面からホウ素Ｂおよび/またはケイ素Ｓｉを拡散させて形成されたホウ素および/またはケイ素Ｓｉ含有層が利用される。

本発明においては、この表層部は、ホウ素Ｂまたはケイ素Ｓｉを単独または合計重量で、０．０１０〜２．０％の範囲を含むものであり、表層部は、内質部よりも硬質粒子の分布密度を高くされている。特に、表層部のホウ素またはケイ素含有量は、０．０５０〜１．０％の範囲が好ましい。ホウ素およびケイ素の両者を含む場合は合計量で上記範囲にあるのが好ましい。

バインダ金属は内質部より低減させている。ホウ素Ｂまたはケイ素Ｓｉの含有量を０．０１０〜２．００％とするのは、表層部の硬さを確保するためであり、ホウ素またはケイ素０．０１０％未満では、拡散熱処理中に表層部から内部へのバインダ金属の拡散移動が不十分となり、他方、２．００％を越えると、表層部は、バインダ金属相の内部拡散に伴う体積変化に追随できず、拡散熱処理中に表面クラックが発生しやすくなる。特に、ホウ素またはケイ素含有量を０．０５０〜１．０％とすることにより、表層部から内部へのバインダ金属の拡散を高めることができ、さらに、表面クラック等を有効に防止できる効果がある。これにより、表層部は、内質部に比較して、バインダ金属含有量を相対的に少なくされ、硬質粒子の含有量を高くしてある。これにより、互いに隣接する硬質粒子間の平均間隔を小さくすることができ、これはまた、体積で見積もると、硬質粒子の分布密度は、内質部より高くされており、高密度の硬質粒子によって、表面硬さが、内質部より高くされている。

硬質粒子の分布密度は、表層部中の表面近くで最も高くして、表層部の深さ方向に向けて軽減し、内質部の分布に近づく。このような硬質粒子の傾斜分布に伴って、バインダ金属の含有量は、表層部で内質部よりも低くされて、硬さ分布も表面近傍から内質部に向けて低下するように傾斜させている。

バインダ金属元素の含有量は、表層部の表面から深さ０．５ｍｍまでの範囲での平均値で、重量で、２％以下とするのが好ましい。このようにして、本発明の工具の表層部は、実質的に、硬質粒子相とホウ化物および／またはケイ化物相とから成り、硬質粒子とホウ素および／またはケイ素化合物の凝集による硬化により、工具表面に高い表面硬さが得られる。

本発明の焼結工具においては、焼結工具中の硬質粒子の平均粒径は、好ましくは、０．２〜１５μｍの範囲にあるものが利用される。硬質粒子を細粒化するほど、硬さは大きくなるが、０．２μｍより小さいと、硬質粒子相の結合炭素と窒素の変化量が大きくなり、表面硬度の面での安定性が維持できなくなる。他方、１５μｍを越えると、耐摩耗性が低下するで避けるのがよい。表層部及び内質部の粒径は、工具の用途・形状によって異なるけれども、特に、平均粒径で、０．５〜１０μｍの範囲が一層好ましく利用される。

この硬質粒子の粒度分布は、本発明の焼結工具の表層部と内質部とでは、特に差異を設けないで、実質的に同じとしている。表層部においては、前述のように、バインダ金属含有量を、低下させており、表層部の組織は、微細な硬質粒子が緻密に分布しており、表層部が、内質部より、互いに隣接する硬質粒子の間の平均間隔が小さくすることができる。このような表層部微細組織が、ホウ化物を含め硬質粒子から成る表層部の硬さを高め、摩擦係数を減じ、耐摩耗性と耐熱強度を高めるのに役立っている。

この表層部においては、上記のように、硬質粒子と共にホウ素を含むが、ホウ素は、バインダ金属と化合して、鉄族金属ホウ化物を形成し、ホウ化物は、硬質粒子間に析出相として存在して、鉄族ホウ化物はそれ自体が硬く、従って、表層部には、鉄族ホウ化物の寄与による硬化が認められる。ホウ化物としては、ＷＣの共存下で、ＦｅＷＢ、ＮｉＷＢ、又はＣｏＷＢを含む。ケイ化物としては、ＷＣの共存下で、ＮｉＷＳｉ_４，ＣｏＷＳｉ_４を含む。

焼結工具は、上述のように、硬質粒子に、ＷＣ若しくはＴｉＣ、又はこれらの混合物を使用し、バインダ金属には、Ｎｉ又はＣｏを利用することができる。工具の一例として、硬質粒子をＷＣとし、バインダ金属をＣｏとするとき、内質部は、主相として微細な粒子相のＷＣ相と金属Ｃｏ相（Ｃｏ固溶体）とから、所要の配合量で決まる組成で構成されるが、表層部は、ＷＣ相と、ホウ化物相として、微細に析出したＣｏＷＢ相と（もしＣｏ相が存在するとすれば、極く少量のＣｏ固溶体相）を含んでいる。また、ケイ化物相として、微細に析出したＣｏＳｉ_２相、ＷＳｉ_２層，ＣｏＷＳｉ_４層を表層部に含んでいる。

本発明のＷＣ−Ｃｏ系焼結工具の表面硬さは、内質部の硬さにも依存するが、内質部の表面硬さよりヴィッカース硬さＨｖ７００以上、特に、Ｈｖ１０００以上、通常、Ｈｖ１４００〜１８００の範囲であり、ないしはそれ以上、例えば、Ｈｖ２３００を有するものが好ましい。

表層部の厚みは、一般に、表面から内部へ向けての硬さ分布曲線の直線部が、内質部の平均硬さに到達する位置までの距離とすると、表層部厚みは、２ｍｍ以上、好ましくは、４ｍｍ以上を確保する。

本発明の表層部は、このようにして、硬質粒子の高密度化と鉄族金属ホウ化物の共存により、表面硬化を果たし、内質部は、硬質粒子とバインダ金属との所要の配合により所要の靭性と硬さ、強度を確保することができるのである。

本発明の焼結工具の製造方法について、先ず、焼結体を造るのであるが、焼結体は、硬質粒子と鉄族のバインダ金属との混合粉末を圧縮成形して所望形状の圧粉体とし、次いで、圧粉体を常用の液相焼結により通常の焼結体にする。これにより、緻密化した均一な焼結体を得る。この焼結方法は、従来の方法を利用して、全体が焼結される。焼結後には、焼結体は、適宜、所望形状に精密に切削、研削、放電加工などの機械加工をすることもできる。

次いで、この焼結体の表面には、表面にホウ素又はケイ素被覆層を形成する。この種の被覆層を形成するにホウ素を含むホウ素塗剤を被覆させて、熱処理では、ホウ素被覆層を有する焼結体を加熱して、ホウ素またはケイ素に富む表層部を形成するものである。

この熱処理においては、上記のホウ素被覆層を有する焼結体を、真空中または不活性ガス好ましくは窒素ガス雰囲気中で、上記焼結体内質部における液相温度より低く、且つ、該焼結体中のホウ素含有相の共晶温度より高い温度の範囲で所望時間の間加熱保持する。熱処理中に、ホウ素被覆層中のホウ素を焼結体の表面から内部に拡散させて、ホウ素に富む表層部を形成し、表層部中の融液を内質部に拡散移動させ、焼結体の表層部の硬質粒子の分布密度を内質部よりも高くし、冷却後には、表層部には、ホウ素またはケイ素を、バインダ金属を含むホウ化物および／またはケイ化物相として析出させ、硬化した表層部を有する焼結工具が得られる。

本発明の焼結工具の製造方法の詳細について、上記焼結工具について述べたように、硬質粒子には、炭化物、窒化物若しくは炭窒化物を含み、特に、炭化物として、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ，ＮｂＣ，ＶＣ、Ｃｒ_２Ｃ_３、窒化物としてＴｉＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、Ｃｒ_２Ｎ、ＺｒＮから少なくとも１種又は２種以上が利用される。他方のバインダ金属は、鉄族金属、即ち、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏから少なくとも１種が選ばれる。好ましくは、ＮｉとＣｏが利用できる。

バインダ金属としてのＮｉ又はＣｏがＢまたはＳｉを含有すると、Ｎｉ−ＢまたはＮｉ−Ｓｉ合金またはＣｏ−ＢまたはＣｏ−Ｓｉ合金ないし、Ｎｉ−Ｗ−ＢまたはＮｉ−Ｗ−Ｓｉ合金またはＣｏ−Ｗ−ＢまたはＣｏ−Ｗ−Ｓｉ合金は、その共晶温度が、ＮｉまたはＣｏと上記炭化物との合金系固相線温度より低いので、Ｎｉ−Ｗ−ＢまたはＮｉ−Ｗ−Ｓｉ合金またはＣｏ−Ｗ−ＢまたはＣｏ−Ｗ−Ｓｉ合金を熱処理に利用して、後述の如く、表層部での硬質粒子の分布を内質部より高くして、表面硬化するのに利用される。

硬質粒子の原料とバインダ金属原料の粉末とは、硬質粒子とバインダ金属の含有量の比は、好ましくは、５：９５ないし３０：７０の範囲にある。この含有量の比は、焼結工具の用途に依存して選択されるが、一般には、表面硬さと共に、靭性、特に、耐衝撃性を要求するような用途においては、上記配合量範囲の中で、硬質粒子を減らしてバインダ金属の含有量比が高く、調製される。他方、表面硬さと耐摩耗性を特に要求する用途には、硬質粒子の含有量比を上記の含有量の範囲で高めておく。

原料の硬質粒子は、平均粒径で、０．２〜１５μｍの範囲が好ましく利用され、好ましくは、０．５〜１０μｍの範囲である。

上記原料硬質粒子を使用して、焼結と熱処理により、製品工具中の表層部及び内質部の粒径が得られるが、工具の用途・形状によって異なるけれども、特に、焼結工具中の硬質粒子の平均粒径は、平均粒径で、０．２〜１５μｍの範囲が利用される。上述の如く、硬質粒子を細粒化するほど、表面硬さは大きくなるが、０．２μｍより小さいと、硬質粒子相の結合炭素と窒素の変化量が大きくなり、表面硬度の面での安定性が維持できなくなる。他方、１５μｍを越えると、耐摩耗性が低下するので避けるのがよい。表層部及び内質部の粒径は、工具の用途・形状によって異なるけれども、特に、平均粒径で、０．５〜１０μｍの範囲が一層好ましく利用される。

硬質粒子とバインダ金属との混合粉は、所望形状の圧粉体に圧縮成形され、圧粉体は、従来の焼結部品と同様に、焼結される。焼結は、予備焼結した後本焼結を行ない緻密な焼結体を得るが、これは、例えば、従来の液相焼結を適用することができる。

本発明のホウ素またはケイ素被覆工程においては、ホウ素またはケイ素を含む塗剤を焼結体の表面に塗布するが、このためのホウ素被覆材は、ホウ素化合物を含み、ホウ素の酸化物、窒化物又は炭化物、又は、これらの前駆体、例えば、炭酸塩や水酸化物、を含む。例えば、ＳｉＢ_６、ＢＮ、Ｂ_４Ｃ、Ｂ_２Ｏ_３、Ｈ_３ＢＯ_３、ボラン、又は有機ホウ素化合物等を塗材に使用することができる。ケイ素被覆材としては、ケイ素化合物を含み、炭化物又は窒化物、硼化物、又はこれらの前駆体、あるいは金属間化合物、等を含む。より具体的には、Si, SiH4, SiCl4, SiC, Si3N4, SiB6, 又はCoSi2, MoSi2, CrSi2, WSi2, 又はシラン類、ポリシランポリマー類、その他有機ケイ素化合物等が挙げられる。

ホウ素被覆材は、これらのホウ素化合物を含んで、焼結体に表面に被覆する、塗材は、この表面に直接適用されても良いが、被覆の確実性から、好ましくは、これらのホウ素化合物を水又は非水溶剤中に懸濁させてスラリ状の塗液に調製して、上記焼結体の表面に塗布する。塗布は、例えば、塗液を焼結体の表面に刷毛塗りする方法、スプレーなどで吹き付ける方法、塗液浴中に焼結体を浸漬して引き揚げる方法などが取られる。次いで、焼結体表面で塗液を乾燥させて、被覆材を残すようにする。

塗液は、焼結体の全面に塗布しても良いが、また、焼結工具の硬化すべき表面を限定し、他の表面部位には、適当なマスキングを施して、ホウ化物含有被覆材の被覆を防止するようにすれば、熱処理工程によって所望の面域だけに上記の表層部が形成され、表層部により工具の表面硬化をすることができ、当該他の表面部位は、相対的に軟質で高い靭性を保持できる。ケイ素においても同様である。

一方、別手段としてのホウ化物またはケイ化物の被覆工程として、塩化物、フッ化物、又は、水素化物や有機金属化合物を加熱炉中に導入して分解させて、焼結体表面に蒸着被覆する方法もある。この方法は、一般には化学蒸着法［CVD］と呼ばれるものであるが、従来の常圧CVD法と減圧CVD法以外に、近年ではプラズマCVD法、熱CVD法、あるいはレーザーCVD法などが開発されており、蒸着による成膜速度は0.lμｍ/sec以上にまで、向上している。

この時の原料ソースとして使用される材料としては、塩化物として、３塩化ホウ素や４塩化ケイ素があり、フッ化物としては３フッ化ホウ素や４フッ化ケイ素があり、水素化物は、水素化ボロン(ボラン)として、ジボラン、ペンタボラン、ジヒドロボランや、これらの誘導体があり、水素化ケイ素(シラン)として、モノシラン、ジシラン等がある。有機金属化合物としては、有機ホウ素化合物や有機ケイ素化合物があり、例えば、トリアルキルホウ素やクロロシラン、アルコキシシラン等があり、より具体的にはトリメチルホウ素、トリエチルホウ素、トリ-n-プロピルホウ素やトリ-n-ブチルホウ素等があり、又、ジクロロメチルシラン、クロロジメチルシラン、クロロトリメチルシランやテトラメチルシラン等がある。その他化合物として、有機ボロン酸類もある。

具体的には、これらの化合物をガス状にして、所定流量のキャリアガスにより、化合物が分解可能な炉内温度に設定された加熱炉内に、ガス状化合物を導入し、焼結体表面に化合物の分解によるホウ化物又はケイ化物を蒸着させる。所定時間の継続的な分解・蒸着反応が進むことで、焼結体表面に所定被膜厚さの被覆金属層が形成される。
この時の被膜厚さの調整は、ガス濃度、キャリアガス流量、加熱温度、加熱時間、等によって制御される。

一方、別の被覆手段として、半溶融状態にまで加熱した硼化物や珪化物の粉末凝集体を高速で焼結体表面に溶射することにより、緻密な硼化物や珪化物の金属被膜を形成できる。これら硼化物や珪化物としては、ＳｉＢ_６，ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＢＮ、Ｂ_４Ｃが挙げられる。

熱処理においては、表面にホウ素またはケイ素を含んで乾燥被覆材を被覆した焼結体は、次に、真空中で保持して加熱されて熱処理を行なう。熱処理の温度は、上記の硬質粒子と鉄族のバインダ金属との合金系の組成から定まる固相線温度ないし共晶温度よりは低くして、焼結体の内質部に焼結体組成では融液を造らない温度であって、且つ、表面で被覆層からのホウ素またはケイ素と硬質粒子とバインダ金属とを含む合金系の共晶温度よりは高い温度に選ばれる。

即ち、本願発明は、ホウ素またはケイ素を含む共晶温度が、ホウ素またはケイ素を含まない焼結体の共晶温度より低いことを利用して、熱処理温度は、それら共晶温度の間の温度に設定して、表面ないし表層部のみに一部融液を形成するのである。この融液は、ホウ素と鉄族金属の大部分と硬質粒子の極く一部とから成り、大部分の硬質粒子は、固体のまま残存している。

ＷＣ−Ｃｏ系焼結工具においては、ＷＣ−Ｃｏ擬二元系合金の状態図から、共晶温度は、約１３２０℃であり、他方、Ｃｏ−Ｂ系は、Ｃｏ側共晶点（、即ち、Ｃｏ−Ｃｏ_３Ｂの共晶温度）が約１１１０℃であるので、熱処理温度は、１１５０〜１３１０℃が利用され、好ましくは、１２００〜１３００℃の範囲が利用される。

また、ＷＣ−Ｎｉ系焼結工具においてはＷＣ−Ｎｉ擬二元系合金の状態図から、共晶温度は、約１３９０℃であり、他方、Ｎｉ−Ｂ系は、Ｎｉ側共晶点（即ち、Ｎｉ−Ｎｉ_３Ｂの共晶温度）が約１０９０℃であるので、熱処理温度は、上記両方の共晶温度の間で、１１５０〜１３８０℃の範囲が利用され、好ましくは、１２００〜１３７０℃の範囲が利用される。

さらに、ＴｉＣ−Ｃｏ系とＴｉＣ−Ｎｉ系とは、共に、液相出現温度が約１２７０℃であるので、ＴｉＣ−Ｃｏ系とＴｉＣ−Ｎｉ系の焼結工具においては、熱処理温度は、１２００〜１２５０℃が好ましい。さらに、Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系の共晶温度は、約１２５０℃であるので、上記１２００〜１２５０℃の温度範囲で、ＴｉＣ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系の拡散熱処理も実施することができ、この系においては、Ｍｏ_２Ｃの配合が、ＴｉＣ−Ｃｏ系ないしＴｉＣ−Ｎｉ系における炭化物粒成長の抑制と焼結性の改善を図ることができる。上述のような熱処理過程における液相の出現や化合物の形成やあるいは拡散移動は、ケイ素についても同様であり、Ｃｏ−Ｓｉ系のＣｏ側液相出現温度は１２００℃近傍であり、Ｎｉ−ＳｉではＮｉ−３０％Ｓｉ組成にて液相出現温度は１０００℃以下まで低下する。
これらのことから、WC-Co 系合金におけるケイ素拡散熱処理温度は、1250〜1320℃ が利用され、WC-Ni 系合金では1150〜1350℃ の範囲が利用される。

上記温度範囲で熱処理をしたとき、熱処理の初期においては、焼結体表面に被覆しているホウ素含有被覆層中のホウ素が表面で鉄族金属と反応して、表面にはホウ素を含む低い温度の共晶組成を含む融液が形成されるが、但し、焼結体の内部は、ホウ素を含まないので、その処理温度で融解しない固体のままである。熱処理時間の経過に伴なって、表面部位の融液は、ホウ素を随伴しながら、内部の金属を溶解し内部に浸透する。融液の内部への浸透拡散に伴って、表面近くは、融液が少なくなり、硬質粒子の濃度ないし分布密度が高くなる。ケイ素においても同様である。

このホウ素またはケイ素の含有量が高く硬質粒子密度が高くなった領域が、表層部であるが、表層部は、互いに隣合う粒子の間隔が小さく、しかも、残留しているホウ素またはケイ素の含有量も高くなる。所望の処理時間後に、冷却ないし放冷すれば、表層部は、ホウ素またはケイ素とバインダ金属との化合物を形成して、ホウ化物またはケイ化物が析出する。表層部は、ホウ化物またはケイ化物と、分布密度の高い硬質粒子から成る層を構成し、しかし、この製造方法では、表層部の硬質粒子は、殆ど成長せずに、高密度化するので、表面の硬化を実現することができる。

熱処理後の表層部のホウ素またはケイ素含有量は、熱処理前被覆材中のホウ素またはケイ素化合物の種類と、焼結体表面積当たりのホウ素またはケイ素被覆量により制御することができる。例えば、ホウ素被覆層中のホウ素は、金属ホウ素Ｂ元素に換算して、被覆面に対して５．０〜４０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲にあるのが好ましい。この範囲では、表層部が、ホウ素Ｂを、上述の如く、重量で、０．０５０〜０．５０％の範囲で含有することができる。表層部で、ホウ素のこのような高い含有量は、ホウ素が、鉄族金属の化合物として存在するからである。ケイ素においても同様である。

本発明の製造方法をＷＣ−Ｃｏ系焼結工具に適用した場合には、表面硬さは、内質部の硬さにも依存するが、内質部の表面硬さよりヴィッカース硬さＨｖ７００以上、特に、Ｈｖ１０００以上、通常、Ｈｖ１４００〜１８００の範囲であり、ないしはそれ以上、例えば、Ｈｖ２３００を有するものが好ましい。

表層部の厚みは、一般に、表面から内部へ向けての硬さ分布曲線の直線部が、内質部の平均硬さに到達する位置までの距離とすると、表層部厚みは、３ｍｍ以上、好ましくは、６ｍｍ以上を確保することができる。

本発明の焼結工具には、切削工具、塑性加工具、鉱山・土木建築用の削岩ビット等に広く適用することができる。

切削工具の例として、単一工具刃、フライス、ドリルやリーマなどがあるが、ドリルとリーマは、硬質粒子の粒子系１．０μｍ以下の超微粒子の焼結体で、工具長さＬに対するその直径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ比）が高い形状であるから、靭性の高い材質が要求されるが、本発明の構造にして、中心部で高い靭性とし、表層部が高い硬さと微細組織とすることにより、表層部が、刃先の構成に有利な高硬度として、工具寿命を高めることができる。

加工具の例として、プレス金型や鍛造用のダイ、パンチなどを含み、これらに本発明の焼結工具が適用できる。金型として、例えば、製缶用金型は、従来は、セラミック材料やＮｉ基超合金が使用されているが、セラミックは、表面欠損を生じやすく、超合金は金属組織の調製が難しいのであるが、本発明によれば、ＷＣ−Ｃｏ系焼結体をホウ素拡散熱処理を行なってホウ素を含んで硬質粒子の分布密度を高くして、高硬度とし、高い耐摩耗性、耐凝着と、耐食性により、金型寿命の高い金型とすることができる。

加工具には、鋼管用の引抜きダイと線引き用のプラグをも含み、従来の超硬合金は、焼き付き性の問題があり、焼き付き防止に超硬合金の表面にＴｉＮのコーティングを施して使用される場合があるが、焼き付きを生じやすく、本発明の焼結工具としてＷＣ−Ｃｏ系を使用してホウ素拡散熱処理を行なうことにより、表層部のＣｏＷＢ（またはＳｉ）が摩擦係数を小さくして、耐凝着性が改善されて、工具の長寿命化を図ることができる。

他の加工具の例には、アルミニウム合金用の熱間押出しダイがあり、ダイは、従来の熱間型用鋼に代えて、本発明の焼結工具とすることにより、押出し温度５００℃前後で、表層部のＣｏＷＢまたはＣｏＷＳｉ相の存在下で、耐凝着性が改善されて、ダイ寿命を改善することができる。

さらに、後方押出し用の冷間鍛造パンチは、圧縮負荷が大きく、加工材との摩擦力も極めて高く、過酷な条件で用いられているが、このためにコーティング処理をして、用いることが多いのであるが、ここに、本発明を適用して、パンチの靭性不足による折損事故を防止し、パンチのベアリング部の焼付き摩耗を軽減して、工具寿命を改善することができる。

市販の平均粒径１．５μｍのタングステンカーバイドＷＣ粉末と、同１．３μｍの金属コバルトＣｏ粉末とを混合して、ＷＣに１０％含有したＣｏと、ＷＣに２０％含有のＣｏとの２種類の混合物に調製した。混合粉末は、圧縮成型して、圧粉体を中間焼結して、焼結後の寸法が直径３０ｍｍ×長さ３０ｍｍの寸法になるように成形加工した後、真空中で１４００℃で１時間の液相焼結を行い、それぞれの焼結材を得た。

次に、熱処理のホウ素源には、炭化ホウ素Ｂ_４Ｃを用いて、ホウ素含有被覆材の調製のために、市販の炭化ホウ素Ｂ_４Ｃをエタノールを用いてボールミルにより、３０時間粉砕してＢ_４Ｃを９％含有するスラリに調製した。スラリにポリエチレンイミンを加えて、被覆用のホウ素含有塗液とした。

塗布法には浸漬法を利用して、焼結材を塗液中に浸漬した後取出し、次いで、４０℃の乾燥機中で乾燥させて、試料とした。

比較例として、上記の焼結素材に、ホウ素含有被覆材を適用しないで、そのまま用いた。
上記の実施例試料と比較例試料は、次の条件で拡散熱処理を行った。試料は、真空炉中で保持して、炉内圧４０〜８０Ｐａに制御し、昇温速度５℃／ｍｉｎで加熱し、１２００℃、１２５０℃及び１２８０℃の３水準の熱処理温度に３時間保持し、拡散熱処理を行い、後に炉令した。

熱処理した試料は、長さ１５ ｍｍの位置で切断して、切断面を研磨した後、断面組織の顕鏡観察を行い、その後表面から深さを変えてビッカース硬さ計による硬さ測定を行った。

ホウ素被覆処理をしたＷＣ−２０％Ｃｏの焼結工具について、細粒の硬質粒子（粒径１〜２μｍ）を用いて、Ｂ_４Ｃの９％塗液に浸漬して被覆し、ホウ素による拡散熱処理した試料ついての断面組織について、図１（Ａ）に示すように、内質部の組織写真では、ＷＣ粒子群の中に、多数の明瞭な白色の金属Ｃｏ相が認められる。図１（Ｂ）は、この試料の表層部の組織を示すが、緻密な炭化物ＷＣを有し、白色の金属相は殆ど認められない。これらの組織を比較すると、熱処理過程で、表面近傍の金属Ｃｏ相が内部に移動した結果であり、図１（Ａ）と図１（Ｂ）とを比較して、表層部と内部とは、共に、ＷＣ粒子の粒子径に殆ど差違は認められない。

同様に、ＷＣ−２０％Ｃｏ組成の粗粒の硬質粒子（粒子径３〜６μｍ）を用いて、Ｂ_４Ｃの９％塗液に浸漬して被覆し、ホウ素による拡散熱処理した焼結体について、図２（Ａ）に内質部と、図２（Ｂ）に表層部と、の断面組織の顕微鏡写真で示して、比較しているが、この図から、拡散熱処理において、表層部（図２（Ｂ））は、内質部（図２（Ａ））に比してバインダ金属相（図２（Ａ）中白色の相に見える）が低減すること、但し、両者では硬質粒子（ＷＣ粒子）の粒子径が殆ど変化していないことが判る。

他方、被覆未処理の比較例の組織は、表層部・内部とも図１（Ａ）に類似して大きな組織変化は認められなかった。

次に、硬さ測定結果を表１、及び図３に示す。図から明らかなように、被覆処理の素材には、硬さ分布に明瞭な勾配が認められた。上記の熱処理範囲で、温度が低いほど表面硬さは高く、また、表層部厚みは小さいことが判る。熱処理温度を高くすると、融液の内部への拡散が進行して表層部が相対的に厚く、表面の硬さが低下する傾向がある。即ち、表層部と内質部との硬さ差はＨＶ＝３００〜６００程度有り、さらに熱処理温度の高い試料の方が勾配の深さが大きい。

表１

硬さの勾配領域はホウ素Ｂの拡散領域でもあり、熱処理温度を高くすることにより、ホウ素Ｂの内部拡散が進行したためと考えられた。表層部硬さ向上の主要因は、表層部金属相の減少により表層部側の粒子間距離が小さくなったことによるものであり、ＣｏＷＢの形成による硬さ向上効果も寄与しているものと考えられる。未処理品については、当然のことながら、ほぼ一様な硬さ分布が得られた。

表層部から厚さ２ｍｍの試料を切り出して、ホウ素Ｂ含有量をＩＣＰ−ＭＳ法により測定したところ、２８０〜３３０ｍｇ／ｋｇの分析結果が得られ、Ｂの拡散が確認できた。

実施例１で調製した焼結素材を用いて、Ｂ_４Ｃスラリ濃度を９％と、１８％と、２４％との３水準にした被覆条件にて被覆し、熱処理条件は、加熱速度５℃／ｍｉｎで、熱処理温度を１２８０℃で３時間の熱処理を行なった。

得られた試料を中央部で切断して研磨した後、断面組織の観察を行い、その後表面から深さを変えてビッカース硬さ計による硬さ測定を行った。この結果を表２と図４に示した。

表２

表２と図４を見ると、粒径１．５μｍのタングステンカーバイドＷＣ粉末を用いたＷＣ−１０％ＣｏとＷＣ−２０％Ｃｏとは、共に、実施例１と比較して、拡散深さは２〜５ｍｍと大きく、被覆材濃度に比例して拡散深さは大きくなっていることがわかる。

このように、被覆材濃度、従ってホウ素の表面添加量と、熱処理温度の条件を設定することにより、表層部に適切に硬さ分布を得ることがわかる。

実施例２で熱処理した試料について、表層部のＸ線回折を行ったが、図示しないが、回折チャートには、ＣｏＷＢに相当する回折ピークが認められた。このことから、表層部の硬さ向上に硬質なホウ化物粒子の効果が寄与したものと考えられる。

次に、市販の平均粒径０．５５μｍのＷＣ粉末と、以下同じく平均粒径１．３μｍの金属Ｃｏ粉末とクロム炭化物Ｃｒ_３Ｃ_２の粉末と、バナジウム炭化物ＶＣの粉末とを混合して、組成ＷＣ−２０％Ｃｏ−０．７％Ｃｒ−０．４％Ｖの混合粉を作り、圧粉成型して、圧粉体とした。実施例１と同様にして、圧粉体を中間焼結をしてのち切削加工により、直径３０ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱体とし、同様に、１３５０℃×１時間の真空焼結を行い試験用の焼結材とした。

ホウ素被覆材には、実施例１と同様に炭化ホウ素Ｂ_４Ｃ含有のスラリ状塗液を用いたが、さらに、市販の六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）と、をエタノール中に３０時間のボールミル粉砕し、得られた９％ｈ−ＢＮスラリにポリエチレンイミンを加えてＢＮ被覆用塗液とした。

上記焼結素材は、ＢＣ含有スラリの被覆処理と、これとは別に、ＢＮ含有のスラリ状塗液との被覆処理の２種類の被覆を行なった。他方、実施例１で調製したＷＣ−１０％ＣｏとＷＣ−２０％Ｃｏとの焼結素材には、ＢＮ被覆処理を行い。乾燥後に何れの試料とも１２８０℃で３時間の拡散熱処理を行った。

熱処理した試料は、表面から深さを変えてビッカース硬さ計による硬さ測定を行った。この結果を表３と図５に示した。

表３

表３と図５を見ると、超微粒子系に属する平均粒径０．５５μｍのＷＣ粉末を用いた試料ＷＣ−２０％Ｃｏ−０．７％Ｃｒ−０．４％Ｖでは、ＢＣ被覆処理で、表層部硬さがＨＶ硬さ２０５０にも達しており、拡散熱処理の効果が認められる。

ＢＮ被覆したＷＣ−１０％ＣｏとＷＣ−２０％Ｃｏは、共に、拡散深さは３〜４ｍｍであって、実施例１と比較して小さくなっており、表層部硬さも低くなっていることがわかる。これは、ｈ−ＢＮが高温安定な化合物であるため、金属相との反応が進みにくいことによるものと考えられる。

ここでは、金属蒸着被覆工程として、金属塩化物である３塩化ホウ素[ＢＣｌ_３］と、メタン[ＣＨ_４］、水素[Ｈ_２］を用いた実施例について説明する。
図６に示すＣＶＤ装置を用いた。３塩化ホウ素[ＢＣｌ_３］と、メタン[ＣＨ_４］、水素[Ｈ_２］のガスボンベ１１，１２，１３から流量計３および調整弁４を介して加熱炉１に調製されたガスが供給される。なお、加熱炉１には水封ポンプ２が連結されており、加熱炉内を所望の減圧に設定できるようになっている。この加熱炉１内に、実施例１で用いた２種類の焼結体をセットしておき、下表に示す化学蒸着条件でＣＶＤ処理を行った。処理後の焼結体表面のＢ_４Ｃ成膜厚さを確認したところ、およそ１２〜１５μｍであった。
この実施例では、減圧ＣＶＤ処理であったが、さらに膜厚を増大させるには、熱ＣＶＤ法やレーザーＣＶＤ法を用いればよく、所望の被覆層厚さが得られる。
表Ｂ _４ Ｃ蒸着条件

上記被膜層は上記実施例１〜３と同様の熱処理により、所定の拡散熱処理効果が認められた。

一般的な温間や熱間領域で用いられる超硬合金は、WC平均粒度が 3 μm以上であるため、いわゆる中粒から粗粒域の WC 粉を用いて、評価を行った。
市販の平均粒度 5.7 μm の WC 粉と 1.3 μm の Co 粉、1.5 μm の Ni 粉、さらに Cr-C 粉を用いて、WC-13%Co-2%Ni-1%Cr [ 15LB ]と、WC-18%Co-4%Ni-1.5%Cr [ 22HB ]組成に調合、混合した。得られた混合粉末から、実施例１と同形状の圧粉成型体を作製した後、真空中で 1380℃×1 Hr の液相焼結を行い、それぞれの焼結素材を得た。
次に、熱処理のケイ素源として、炭化ケイ素 SiC を用いて被覆材を調整した。調整の方法は実施例１と同様に行い、15% SiC 含有エタノール塗剤を準備した。浸漬法により焼結素材表面に被覆し、乾燥し、拡散熱処理を行った。熱処理温度は 1300℃×3 Hr とした。尚、被覆処理をしない素材そのままの試料も比較評価を行った。
熱処理後の試料は、長さ 15 mm の位置で切断し、切断面を研磨後、断面組織観察を行い、その後、表面から深さを変えてビッカース硬度計による硬さ測定を行った。
組織観察の結果については、表層部深さ 2 mm 程度までが WC 粒子の分布密度に向上が認められ、それより内部では明らかにバインダ金属が多い組織形態であった。
硬度測定の結果は、表４および図７に示す。
表４

図７から明らかなように、粗粒 WC を使用しているため、硬さとしては比較的低い値であるが、内質部と比較すると、表層部硬さは顕著な増大が認められた。
又、ケイ素の拡散深さは、硬さ傾斜部と見なすと、ホウ素拡散素材よりも小さく、これはホウ素とケイ素の元素特性の違いによるものと考えられた。しかしながら、バインダ金属の拡散移動はホウ素と同様の挙動を示すことが確認され、温間・熱間工具に致命的なヒートクラックの抑制に対する表面圧縮残留応力の効果、並びに耐熱性、耐酸化性が付与されることは、高温領域に適用される工具として極めて有用な特徴を有するものである。
又、被覆材として、SiB₆ を使用すれば、ホウ素とケイ素の両特性が複合した表層部特性が得られる。

本発明の焼結工具は、表層部が、ホウ素Ｂおよび／またはケイ素Ｓｉを重量で０．０１０〜２．０％を含み、内質部よりも高い含有量の硬質粒子を有するので、表層部を内質部より硬化させ、内質部は、靭性を確保することができ、これにより、靭性と表面硬さの優れた工具を提供することができる。

さらに、表層部は、実質的に、硬質粒子相と、ホウ素および／またはケイ素とバインダ金属とホウ化物および／またはケイ化物相とから硬化させた表面を形成することができる。

工具は、硬化した表面を具備しながら、内質部中の鉄族金属と硬質粒子との重量比が、５：９５ないし４０：６０の範囲に調節することができ、工具の用途に応じた組成を調節することができる。

本発明の焼結工具の製造方法は、硬質粒子とバインダ金属とから焼結をしたあと、緻密な焼結体に、ホウ素被覆層を形成し拡散熱処理をすることにより、内質部の靭性を確保しながら、表層部を硬化することができ、表面硬さと靭性を具備した焼結工具を提供することができる。

製造方法は、特に、焼結体として、所望形状に調製したあと、内質部が固体のままで熱処理して表面硬化させるから、熱処理品の寸法変化が゛が小さく、表層の研磨量も少なくて良いので、表層部の硬さ特性を減ずることなく工具として利用できる利点がある。

Claims (13)

1. 硬質の炭化物、窒化物若しくは炭窒化物を含む硬質粒子と、バインダ金属として鉄族金属と、から成る焼結工具において、
   上記の焼結工具が、ホウ素Ｂおよび／またはケイ素Ｓｉを重量で０．０１０〜２．０％の範囲で含む表層部を有し、該表層部が、内質部よりも高い分布密度の硬質粒子を有することを特徴とする焼結工具。
2. 表層部が、実質的に、硬質粒子相と、ホウ素および／またはケイ素Ｓｉとバインダ金属との化合物であるホウ化物および／またはケイ化物相と、から成り、焼結工具中該表層部より内側の内質部が、実質的に硬質粒子相とバインダ金属相とから成る請求項１に記載の焼結工具。
3. 内質部中の鉄族金属と硬質粒子との含有量の重量比が、５：９５ないし４０：６０の範囲にある請求項１又は２に記載の焼結工具。
4. バインダ金属がＣｏ若しくはＮｉを含み、
   表層部のホウ化物および／またはケイ化物相がＣｏ若しくはＮｉを含む請求項２又は３に記載の焼結工具。
5. 表層部の表面から深さ０．５ｍｍまでの範囲でのバインダ金属の含有量が、重量で２％以下である請求項１ないし４いずれかに記載の焼結工具。
6. 表層部が、内質部より、互いに隣接する硬質粒子の間の平均間隔が小さいことを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の焼結工具。
7. 表層部の硬質粒子の粒子径分布が、内質部と実質的に同じである請求項１ないし６いずれかに記載の焼結工具。
8. 硬質粒子と鉄族のバインダ金属とから焼結して成る焼結工具の製造方法において、製造方法が、
   硬質粒子と鉄族のバインダ金属との混合粉末を圧縮成形して所望形状の圧粉体とし、次いで、該圧粉体を焼結により焼結体とすること、
   該焼結体の表面にホウ素および／またはケイ素被覆層を形成すること、及び
   該ホウ素および／またはケイ素被覆層を有する上記焼結体を、真空中または不活性ガス雰囲気中で、上記焼結体の液相温度より低く、且つ、該焼結体でホウ素および／またはケイ素を含有する融液を形成するに必要な温度の範囲で、加熱保持する熱処理をすること、
   を含み、
   上記の熱処理過程で、ホウ素および／またはケイ素被覆層中のホウ素および／またはケイ素を焼結体の表層部に拡散させて、表層部中のホウ素および／またはケイ素含有融液を内質部に拡散移動させ、焼結体の表層部の硬質粒子の分布密度を内質部よりも高くしたことを特徴とする焼結工具の製造方法。
9. 表層部に、ホウ素Ｂおよび／またはケイ素を重量で０．０５０〜１．０％の範囲で含有させる請求項８に記載の製造方法。
10. 表層部は、硬質粒子の粒径分布が、内質部と実質的に同じである請求項８又は９に記載の製造方法。
11. 上記のホウ素および／またはケイ素被覆材が、ホウ素および／またはケイ素の酸化物、窒化物及び炭化物のいずれか１種を含む請求項８ないし１０いずれかに記載の製造方法。
12. 被覆層中ホウ素および／またはケイ素が、金属ホウ素および／またはケイ素元素に換算して、被覆面に対して５．０〜６０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲にあることを特徴とする請求項８ないし１１いずれかに記載の製造方法。
13. 被膜層形成工程がａ）焼結体表面にホウ素および／またはケイ素を含む塗剤を被覆するか、ｂ）焼結体をホウ素又はケイ素の塩化物、フッ化物、水素化物、又は有機金属化合物のガス気流中で加熱して焼結体表面にホウ素又はケイ素を蒸着被覆するか、あるいはｃ）焼結体に半溶融状態にまで加熱したホウ素又はケイ素の化合物を溶射して焼結体表面にホウ素又はケイ素を被覆する工程からなる請求項８記載の焼結工具の製造方法。
    

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