JP2000219931A - 超硬合金及びその製造方法 - Google Patents
超硬合金及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 焼き入れ性のある結合相中のサブミクロンWC
に基づく硬質材料を提供する。 【解決手段】 本発明は、焼き入れ性のある結合相中に
50〜90質量%のサブミクロンWCを含有させた超硬合金に
関する。結合相は、Feに加えて、10〜60質量%のCo、10
質量%未満のNi、0.2 〜0.8 質量%のC、及びCr及びW
及び任意のMo及び/又はVからなるものであって、以下
の関係式、2xC <xW +xCr+xMo+xV <2.5 xCを満たす量か
らなり、ここでxは結合相中の元素のモル分率を示し、
全Cr含有量が以下の関係式、0.03<Cr(質量%)/(100-WC
(質量%))<0.05を満たす。更に、結合相は、10nmのオー
ダーのサイズを有する、好ましくはM2C 型の、格子整合
した炭化物の微細な分散を数パーセント有するマルテン
サイトからなる。
に基づく硬質材料を提供する。 【解決手段】 本発明は、焼き入れ性のある結合相中に
50〜90質量%のサブミクロンWCを含有させた超硬合金に
関する。結合相は、Feに加えて、10〜60質量%のCo、10
質量%未満のNi、0.2 〜0.8 質量%のC、及びCr及びW
及び任意のMo及び/又はVからなるものであって、以下
の関係式、2xC <xW +xCr+xMo+xV <2.5 xCを満たす量か
らなり、ここでxは結合相中の元素のモル分率を示し、
全Cr含有量が以下の関係式、0.03<Cr(質量%)/(100-WC
(質量%))<0.05を満たす。更に、結合相は、10nmのオー
ダーのサイズを有する、好ましくはM2C 型の、格子整合
した炭化物の微細な分散を数パーセント有するマルテン
サイトからなる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サブミクロンのWC
を主成分とする超硬合金中の、焼き入れ性のある結合相
に基づく材料に関する。
を主成分とする超硬合金中の、焼き入れ性のある結合相
に基づく材料に関する。
【0002】
【従来の技術】高速度鋼と比較して高い耐摩耗性を有
し、かつ超硬合金より靱性のある切削工具材料を開発す
ることが望まれている。そのような材料の1つの実施例
はUS 3,658,604であり、それはCo及びFeの母相中に15〜
75質量%のWCを含む材料を開示し、Co:Feの比は0.65:
2.0 である。他の実施例は、US 4,145,213であり、それ
は高速度鋼型の母相における30〜70体積%のサブミクロ
ン硬質成分について開示している。
し、かつ超硬合金より靱性のある切削工具材料を開発す
ることが望まれている。そのような材料の1つの実施例
はUS 3,658,604であり、それはCo及びFeの母相中に15〜
75質量%のWCを含む材料を開示し、Co:Feの比は0.65:
2.0 である。他の実施例は、US 4,145,213であり、それ
は高速度鋼型の母相における30〜70体積%のサブミクロ
ン硬質成分について開示している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、焼き
入れ性のある結合相中のサブミクロンWCに基づく硬質材
料を提供することである。バランスした結合相組成物及
び焼き入れ温度を有する材料を提供することが更なる目
的である。第2炭化物の有効な析出には、炭化物形成元
素と焼き入れ結合相中に溶解した炭素との間の良好なバ
ランスを必要とする。
入れ性のある結合相中のサブミクロンWCに基づく硬質材
料を提供することである。バランスした結合相組成物及
び焼き入れ温度を有する材料を提供することが更なる目
的である。第2炭化物の有効な析出には、炭化物形成元
素と焼き入れ結合相中に溶解した炭素との間の良好なバ
ランスを必要とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明に従った材料は、
焼き入れ性のある(マルテンサイト系の)母相中に、50
〜90質量%のWC、好ましくは60〜75質量%のWCからな
る。WCは、本質的に全ての粒子が1μm 未満であって、
0.8 μm 未満、好ましくは0.4 μm 未満の平均粒径を有
する。焼き入れ性のある結合相は、Fe,Co 及びNiを含
み、10〜60質量%のCo含有量、及び10質量%未満、好ま
しくは0.5 質量%を越えるNi含有量を有する。その上、
溶解したWに加えて結合相は、Cr及び任意のMo及び/又
はVを含む必要がある。結合相中の溶解したW、Cr及び
Moの量は、 2xC < xW +xCr+xMo+xV <2.5xC のように、焼き入れ固溶化温度において、溶解したCに
バランスする必要があり、ここでxは結合相中の元素の
モル分率を示す。結合相の炭素含有量は0.2 〜0.8 質量
%、好ましくは0.3 〜0.7 質量%である必要がある。こ
れらの要件は、材料の全Cr含有量に以下の関係をもたら
す。
焼き入れ性のある(マルテンサイト系の)母相中に、50
〜90質量%のWC、好ましくは60〜75質量%のWCからな
る。WCは、本質的に全ての粒子が1μm 未満であって、
0.8 μm 未満、好ましくは0.4 μm 未満の平均粒径を有
する。焼き入れ性のある結合相は、Fe,Co 及びNiを含
み、10〜60質量%のCo含有量、及び10質量%未満、好ま
しくは0.5 質量%を越えるNi含有量を有する。その上、
溶解したWに加えて結合相は、Cr及び任意のMo及び/又
はVを含む必要がある。結合相中の溶解したW、Cr及び
Moの量は、 2xC < xW +xCr+xMo+xV <2.5xC のように、焼き入れ固溶化温度において、溶解したCに
バランスする必要があり、ここでxは結合相中の元素の
モル分率を示す。結合相の炭素含有量は0.2 〜0.8 質量
%、好ましくは0.3 〜0.7 質量%である必要がある。こ
れらの要件は、材料の全Cr含有量に以下の関係をもたら
す。
【0005】 0.03<Cr(質量%)/(100-WC(質量%))<0.05 焼き入れした結合相は、10nmのオーダーのサイズを有す
る、好ましくはM2C 型の、格子整合した炭化物(coheren
t carbide)の微細な分散を数パーセント、好ましくは5
%を超えて有するマルテンサイト母相からなる。マルテ
ンサイト構造は体心正方格子(bct) であり、20体積%ま
での面心立方格子の金属相(fcc) を含んでよい。
る、好ましくはM2C 型の、格子整合した炭化物(coheren
t carbide)の微細な分散を数パーセント、好ましくは5
%を超えて有するマルテンサイト母相からなる。マルテ
ンサイト構造は体心正方格子(bct) であり、20体積%ま
での面心立方格子の金属相(fcc) を含んでよい。
【0006】
【発明の実施の形態】第1の好ましい実施態様において
は、材料は10〜15質量%のCoを有する結合相を含む。C
含有量は、少量のM6C 炭化物が、2〜5体積%、10μm
未満のサイズで形成するように調節すべきである。第2
の好ましい実施態様においては、材料は45〜55質量%の
Coを有する結合相を含む。この実施態様はM6C 炭化物、
及び黒鉛,M23C6,M7C3,M3C2などのような不要な他の相の
形成を回避する。この実施態様において形成したマルテ
ンサイトは硬さを更に高めるように規則化している。
は、材料は10〜15質量%のCoを有する結合相を含む。C
含有量は、少量のM6C 炭化物が、2〜5体積%、10μm
未満のサイズで形成するように調節すべきである。第2
の好ましい実施態様においては、材料は45〜55質量%の
Coを有する結合相を含む。この実施態様はM6C 炭化物、
及び黒鉛,M23C6,M7C3,M3C2などのような不要な他の相の
形成を回避する。この実施態様において形成したマルテ
ンサイトは硬さを更に高めるように規則化している。
【0007】第3の好ましい実施態様においては、材料
は5〜10質量%のNiを有する結合相を含む。このこと
は、炭化物の析出と同時に、ナノサイズのNi濃度の高い
金属fcc 粒子の析出を生じる。fcc 粒子が、好ましくは
10〜25体積%存在することは、著しく靭性を高めるが、
硬さをいくらか減ずる。本発明に従った材料は、粉末冶
金法の粉砕、圧縮成型及び焼結により生成する。硬質成
分及び結合相を形成する粉末の適当な量を、湿式粉砕
し、乾燥し、所望の形状及び寸法の物体に圧縮成型し、
焼結する。
は5〜10質量%のNiを有する結合相を含む。このこと
は、炭化物の析出と同時に、ナノサイズのNi濃度の高い
金属fcc 粒子の析出を生じる。fcc 粒子が、好ましくは
10〜25体積%存在することは、著しく靭性を高めるが、
硬さをいくらか減ずる。本発明に従った材料は、粉末冶
金法の粉砕、圧縮成型及び焼結により生成する。硬質成
分及び結合相を形成する粉末の適当な量を、湿式粉砕
し、乾燥し、所望の形状及び寸法の物体に圧縮成型し、
焼結する。
【0008】1230〜1350℃の温度範囲で、好ましくは真
空下にて焼結を行う。第1の好ましい実施態様において
は、所望のサイズを有するM6C 炭化物を形成するよう
に、約1180℃で2時間に渡り等温に保ち、その後に、著
しく大きいM6C 粒子の形成を回避するため、結合相が部
分的に溶融する1230〜1250℃の温度で焼結することを必
要とする。第2及び第3の好ましい実施態様において
は、結合相が完全に溶融する1280〜1350℃の温度で焼結
できる。
空下にて焼結を行う。第1の好ましい実施態様において
は、所望のサイズを有するM6C 炭化物を形成するよう
に、約1180℃で2時間に渡り等温に保ち、その後に、著
しく大きいM6C 粒子の形成を回避するため、結合相が部
分的に溶融する1230〜1250℃の温度で焼結することを必
要とする。第2及び第3の好ましい実施態様において
は、結合相が完全に溶融する1280〜1350℃の温度で焼結
できる。
【0009】焼結後、材料を熱処理する。結合相が面心
立方構造を有する1000〜1150℃の範囲で、約15分間に渡
り保護雰囲気において、材料を固溶化処理することで、
結合相中に炭化物形成体及びいくらかの更なるWを溶解
する。固溶化温度からの冷却は、例えば油冷又は類似法
により、約10〜100 ℃/秒の急冷を強いることで、マル
テンサイト変態を達成する必要がある。最後に、材料を
500 〜650 ℃の範囲で約1時間に渡り、1又は複数回熱
処理し、その後冷却する。最終の熱処理の目的は、M2C
又はMC型のナノサイズの炭化物の分散を得ること、及び
残留する面心立方格子相の量を制御することである。
立方構造を有する1000〜1150℃の範囲で、約15分間に渡
り保護雰囲気において、材料を固溶化処理することで、
結合相中に炭化物形成体及びいくらかの更なるWを溶解
する。固溶化温度からの冷却は、例えば油冷又は類似法
により、約10〜100 ℃/秒の急冷を強いることで、マル
テンサイト変態を達成する必要がある。最後に、材料を
500 〜650 ℃の範囲で約1時間に渡り、1又は複数回熱
処理し、その後冷却する。最終の熱処理の目的は、M2C
又はMC型のナノサイズの炭化物の分散を得ること、及び
残留する面心立方格子相の量を制御することである。
【0010】本発明に従ったインサートは、知られてい
る方法、好ましくはPVD 法に従って、薄い耐摩耗性の層
で被覆できる。
る方法、好ましくはPVD 法に従って、薄い耐摩耗性の層
で被覆できる。
【0011】
【実施例】実施例1 31.4質量%のFe(BASF Iron CS)、4.8 質量%のCo(OMG C
obalt Extra Fine) 、1.8 質量%のCr3C2(HC Starck)、
61.6質量%のWC(HC Starck DS 80、粒子サイズ0.8 μ
m)、及び0.4 質量%のWを含む粉末混合物より、SNUN 1
20412 型の旋削インサートを成形した。インサートを、
脱ろうのため450 ℃までのH2流れ中で、更に1180℃まで
の真空下で2時間に渡り焼結し、その後、1240℃で1時
間に渡り焼結した。
obalt Extra Fine) 、1.8 質量%のCr3C2(HC Starck)、
61.6質量%のWC(HC Starck DS 80、粒子サイズ0.8 μ
m)、及び0.4 質量%のWを含む粉末混合物より、SNUN 1
20412 型の旋削インサートを成形した。インサートを、
脱ろうのため450 ℃までのH2流れ中で、更に1180℃まで
の真空下で2時間に渡り焼結し、その後、1240℃で1時
間に渡り焼結した。
【0012】炉冷後の硬さは797HV10 であった。試料を
1100℃で15分間保持し、その後油冷することで、1035HV
10の硬さを生じた。550 ℃で1時間の、2重焼き戻し
で、硬さは1058HV10に更に増加した。 実施例2 15.4質量%のFe(BASF Iron CS)、15.4質量%のCo(OMG C
obalt Extra Fine) 、1.8 質量%のCr3C2(HC Starck)、
67.3質量%のWC(Dow Chemical Super-Ultrafine 、粒子
サイズ0.2 μm)、及び0.1 質量%のカーボンブラックを
含む粉末混合物より、SEAN 1203AFN型の旋削インサート
を成形した。インサートを、脱ろうのため450 ℃までの
H2流れ中で、更に1180℃までの真空下で2時間に渡り焼
結し、その後、1350℃で1時間に渡り焼結した。図1参
照。
1100℃で15分間保持し、その後油冷することで、1035HV
10の硬さを生じた。550 ℃で1時間の、2重焼き戻し
で、硬さは1058HV10に更に増加した。 実施例2 15.4質量%のFe(BASF Iron CS)、15.4質量%のCo(OMG C
obalt Extra Fine) 、1.8 質量%のCr3C2(HC Starck)、
67.3質量%のWC(Dow Chemical Super-Ultrafine 、粒子
サイズ0.2 μm)、及び0.1 質量%のカーボンブラックを
含む粉末混合物より、SEAN 1203AFN型の旋削インサート
を成形した。インサートを、脱ろうのため450 ℃までの
H2流れ中で、更に1180℃までの真空下で2時間に渡り焼
結し、その後、1350℃で1時間に渡り焼結した。図1参
照。
【0013】炉冷後の硬さは1088HV10であった。試料を
1080℃で15分間保持し、その後油冷することで、1216HV
10の硬さを生じた。550 ℃で1時間の、2重焼き戻し
で、硬さは1289HV10に更に増加した。 実施例3 実施例2のSEAN 1203AFNインサートを、研削し、知られ
ているPVD 法に従って3μm の厚みのTiN 層を被覆し
た。高速度鋼基板(Alesa) 及びWC+13質量%Coのサブミ
クロン超硬合金基板(Seco Tools F40M) を有する同一形
状のインサートを、同一バッチで被覆した。
1080℃で15分間保持し、その後油冷することで、1216HV
10の硬さを生じた。550 ℃で1時間の、2重焼き戻し
で、硬さは1289HV10に更に増加した。 実施例3 実施例2のSEAN 1203AFNインサートを、研削し、知られ
ているPVD 法に従って3μm の厚みのTiN 層を被覆し
た。高速度鋼基板(Alesa) 及びWC+13質量%Coのサブミ
クロン超硬合金基板(Seco Tools F40M) を有する同一形
状のインサートを、同一バッチで被覆した。
【0014】SEAN 1203AFNインサートに通常の低炭素鋼
で、1枚歯フライステストを実行した。以下のデータを
使用した。 速度=125 m/分 送り=0.05 mm/回転 切削深さ=2.0 mm 平均寿命は、高速度鋼インサートについて3分であり、
本発明に従ったインサートについては、実施例2では17
分、超硬合金インサートについては40分であった。 実施例4 13.0質量%のFe(BASF Iron CS)、11.3質量%のCo(OMG C
obalt Extra Fine) 、1.9 質量%のNi(INCO)、1.2 質量
%のCr3C2(HC Starck)、72.0質量%のWC(Dow Chemical
Super-Ultrafine 、粒子サイズ0.2 μm)、及び0.6 質量
%のCを含む粉末混合物より、SNUN 120412 型の旋削イ
ンサートを成形した。インサートを、脱ろうのため450
℃までのH2流れ中で、更に1180℃までの真空下で2時間
に渡り焼結し、その後、1300℃で0.5 時間に渡り焼結し
た。
で、1枚歯フライステストを実行した。以下のデータを
使用した。 速度=125 m/分 送り=0.05 mm/回転 切削深さ=2.0 mm 平均寿命は、高速度鋼インサートについて3分であり、
本発明に従ったインサートについては、実施例2では17
分、超硬合金インサートについては40分であった。 実施例4 13.0質量%のFe(BASF Iron CS)、11.3質量%のCo(OMG C
obalt Extra Fine) 、1.9 質量%のNi(INCO)、1.2 質量
%のCr3C2(HC Starck)、72.0質量%のWC(Dow Chemical
Super-Ultrafine 、粒子サイズ0.2 μm)、及び0.6 質量
%のCを含む粉末混合物より、SNUN 120412 型の旋削イ
ンサートを成形した。インサートを、脱ろうのため450
℃までのH2流れ中で、更に1180℃までの真空下で2時間
に渡り焼結し、その後、1300℃で0.5 時間に渡り焼結し
た。
【0015】炉冷後の硬さは1270HV10であった。試料を
1100℃で15分間保持し、その後油冷することで、1336HV
10の硬さを生じた。560 ℃、600 ℃及び640 ℃で1時間
の、2重焼き戻し後に、硬さはそれぞれ1351HV10、1294
HV10、1244HV10であった。
1100℃で15分間保持し、その後油冷することで、1336HV
10の硬さを生じた。560 ℃、600 ℃及び640 ℃で1時間
の、2重焼き戻し後に、硬さはそれぞれ1351HV10、1294
HV10、1244HV10であった。
【0016】
【発明の効果】本発明により、焼き入れ性のある結合相
中のサブミクロンWCに基づく硬質材料を提供できる。
中のサブミクロンWCに基づく硬質材料を提供できる。
【図1】図1は、本発明に従った材料のSEM 写真を1000
0 倍で示している。
0 倍で示している。
Claims (9)
- 【請求項1】 焼き入れ性のある結合相中に50〜90質量
%のサブミクロンWCを含有させた超硬合金において、上
記結合相が、Feに加えて、10〜60質量%のCo、10質量%
未満のNi、0.2 〜0.8 質量%のC、及びCr及びW及び任
意のMo及び/又はVからなるものであって、以下の関係
式 2xC < xW +xCr+xMo+xV <2.5xC を満たす量からなり、ここでxは前記結合相中の元素の
モル分率を示し、全Cr含有量が、以下の関係式 0.03<Cr(質量%)/(100-WC(質量%))<0.05 を満たすことを特徴とする超硬合金。 - 【請求項2】 前記結合相が、10nmのオーダーのサイズ
を有する、好ましくはM2C 型の、格子整合した炭化物の
微細な分散を数パーセント有するマルテンサイトを含む
ことを特徴とする、請求項1に記載の超硬合金。 - 【請求項3】 前記マルテンサイトが、体心正方格子(b
ct) であり、20体積%までの面心立方格子の金属相(fc
c) を含むことを特徴とする、請求項2に記載の超硬合
金。 - 【請求項4】 前記結合相が、10〜15質量%のCo、及び
サイズにおいて10μm 未満のM6C 炭化物を2〜5体積%
含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項
に記載の超硬合金。 - 【請求項5】 前記結合相が、45〜55質量%のCoを含
み、規則化したマルテンサイトを有し、M6C,M23C6,M
7C3,M3C2 を含まないことを特徴とする、請求項1から
4のいずれか1項に記載の超硬合金。 - 【請求項6】 前記結合相が、好ましくは10〜25体積%
の、ナノサイズのNi濃度の高い金属fcc 粒子を含んで、
5〜10質量%のNiを含むことを特徴とする、請求項1か
ら5のいずれか1項に記載の超硬合金。 - 【請求項7】 硬質成分及び結合相を形成する粉末の粉
砕、圧縮成型、及び焼結を行う粉末冶金法によって、焼
き入れ性のある結合相中に、50〜90質量%のサブミクロ
ンWCを含有させた超硬合金の製造方法において、 上記結合相が、Feに加えて、10〜60質量%のCo、10質量
%未満のNi、0.2 〜0.8 質量%のC、及びCr及びW及び
任意のMo及び/又はVからなるものであって、以下の関
係式 2xC < xW +xCr+xMo+xV <2.5xC を満足する量からなり、ここでxは前記結合相中の元素
のモル分率を示し、全Cr含有量が、以下の関係式 0.03<Cr(質量%)/(100-WC(質量%))<0.05 を満たし、 焼結を1230〜1350℃の温度範囲において、好ましくは真
空下で実行し、更に、前記超硬合金を1000〜1150℃で約
15分間に渡り保護雰囲気で固溶化処理し、固溶化処理温
度から、例えば油冷により強制冷却し、最後に500 〜65
0 ℃で約1時間に渡り1又は複数回熱処理し、その後強
制冷却することを特徴とする、超硬合金の製造方法。 - 【請求項8】 約1180℃で2時間に渡り等温保持した
後、前記結合相が部分的に溶解する1230〜1250℃の温度
で焼結することを特徴とする、請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 焼結を1280〜1350℃で行うことを特徴と
する、請求項7に記載の方法。
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