JP2000290757A - 超硬合金接合用合金およびその複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱間鍛造などの塑性加工が可能なを提供す
る。また、これを用いて該接合用合金と超硬合金との信
頼性の高い複合材、あるいは、超硬合金−該接合用合金
−鋼の超硬合金複合材を提供することにある。 【解決手段】 超硬合金接合用合金は、Ｃ：０．６〜
２．３質量％、Ｗ：９．３〜３４．７質量％、Ｆｅ：３
０質量％を超え８０質量％以下、ＣｏおよびＮｉのうち
いずれか１種または２種を１．０質量％以上含み残部不
可避的不純物からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗工具や切削
工具として有用な超硬合金と接合して用いる合金および
その複合材に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化物、窒化物等の硬質粒子を柔軟な結
合相で結合した超硬合金は優れた硬さ、耐摩耗性を有す
るので、切削工具をはじめロール、パンチなどの塑性加
工用工具として、また、土木、鉱山用の掘削工具として
有用である。しかし、超硬合金は加工が困難で高価なう
え、靱性が低く折損しやすいために用途に制約があっ
た。この制約を乗越える方法として、安価で加工性に優
れる鋼などの基材と超硬合金とをろう付け接合したり、
ねじ止め、焼ばめ、クランプなどの機械的固定法によっ
て複合材として用いることが行われている。

【０００３】ねじ止め、焼ばめ、クランプなどの機械的
固定法による場合には、加工が困難な超硬合金に対して
固定のための加工を施す必要があり、形状や加工法の点
から用途に制約が生じることを免れない。また、上記ろ
う付け接合材では、ろう材、超硬合金および基材の間の
熱膨張係数の差異にもとづく内部応力のために、ろう材
あるいは超硬合金に割れが生じることがある。また、ろ
う材として、超硬合金および基材のいずれよりも融点が
低い材料を用いるので耐熱温度が低く、複合材全体とし
て強度が低くなってしまうという問題がある。

【０００４】ろう材を用いることによる上述のような問
題を回避するには、超硬合金と基材とを拡散接合によっ
て直接に接合することが考えられる。しかしこの場合、
例えば、最も代表的な超硬合金であるＷＣ−Ｃｏ系超硬
合金と鋼とを拡散接合するときは、前記ろう付けと同様
に大きな熱膨張差による熱応力が発生し、また、拡散層
中に脆化相が生成するため健全な接合部を得ることがで
きないという問題がある。また、ＷＣ−Ｎｉ系超硬合金
と鋼との接合の場合についても前記同様に、拡散接合に
よっては健全な接合部は得難い。

【０００５】上記の問題を解決するために、本発明者
は、先に、特願平１０−３９６９号として、主にＣ：
１．０〜２．３質量％、Ｗ１５．５〜３４．７質量％を
含み、残部ＣｏおよびＮｉのうちいずれか１種以上から
なる超硬合金接合合金およびその複合材を提案した。

【０００６】該提案によれば、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金、
ＷＣ−Ｎｉ系超硬合金と接合しても接合部に脆化相を生
成することがなく優れた接合強度を保証することができ
る接合用合金を提供することができる。また、該接合用
合金を超硬合金と接合することにより、優れた接合強度
を有する複合材を提供することができる。この複合材の
接合合金部分は、公知の機械加工、熱処理、放電加工、
溶接加工が可能であり、超硬合金部材の有用性を増す。
さらに、該接合用合金を中間層として用いて超硬合金と
強靱な鋼とを接合することにより、優れた接合強度を有
する安価で信頼性の高い超硬合金−鋼複合材を提供する
ことができる。

【０００７】しかし、前記提案合金は、塑性加工性に乏
しく、熱間加工が困難であるため、鋳造材あるいは粉末
焼結材として供給することができるのみであり、供給形
態に制限があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明が解決し
ようとする課題は、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金、ＷＣ−Ｎｉ
系超硬合金と接合しても優れた接合強度を保証すること
ができ、かつ、熱間鍛造などの塑性加工に耐える展延性
を有するので供給形態の自由度が大きく、安価な接合用
合金を提供することである。また、該接合用合金と超硬
合金との信頼性の高い複合体あるいは、優れた強度と機
能を有し、安価で信頼性の高い超硬合金−該接合用合金
−鋼の超硬合金複合材を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の超硬合金接合用合金は、 （１）合金成分として、Ｃ：０．６〜２．３質量％、
Ｗ：９．３〜３４．７質量％、Ｆｅ：３０質量％を超え
８０質量％以下、ＣｏおよびＮｉのうちいずれか１種ま
たは２種を１．０質量％以上含み残部不可避的不純物か
らなることを特徴とする。 （２）上記合金成分に加えて、さらに、Ｓｉ：３質量％
以下およびＭｎ：３質量％以下を含むことを特徴とす
る。 （３）上記（１）または（２）の合金成分に加えて、さ
らに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａのうち
何れか１種または２種以上を１０質量％以下含むことを
特徴とする。

【００１０】また、本発明の複合材は、 （４）超硬合金と接合用合金とが接合されて一体構造を
なす複合材において、前記接合用合金が上記（１）〜
（３）のうちいずれか一項記載の超硬合金接合用合金で
あることを特徴とする。 （５）超硬合金と接合用合金、および該接合用合金と鋼
とが接合されて一体構造をなす複合材において、前記接
合用合金が上記（１）〜（３）のうちいずれか一項記載
の超硬合金接合用合金であることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、硬質粒子として主にＷ
Ｃを含み、これをＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらの合金
からなる結合相によって結合した超硬合金において、合
金を脆化するη相または自由炭素を含まない健全な組織
を得るためにはＣをはじめとする各構成元素含有率の厳
密な制御が必要であり、さらに、合金の熱間加工性を向
上するためにＦｅの含有が効果的であるという知見に基
づいてなされたものである。

【００１２】すなわち、健全な超硬合金は、硬質粒子と
延性に富んだＣｏ、Ｎｉなどの結合相（γ）とからな
る。硬質粒子がＷＣの場合、結合炭素量は６．１３質量
％であり、例えば、ＷＣ−１６質量％Ｃｏ系超硬合金に
おいて、結合炭素量６．０６〜６．３質量％ではＷＣ＋
γの２相である。しかし、結合炭素量が６．０６質量％
を下回るとη相を生成して合金は脆化する。また、結合
炭素量が６．３質量％を超えると自由炭素を生成してや
はり超硬合金は脆化する。

【００１３】超硬合金と他の金属とを接合するとき、そ
の接合温度において、超硬合金と接合する金属（接合金
属という）のＣポテンシャルが超硬合金の結合相（γ）
のそれより低ければ、超硬合金から接合金属へとＣの拡
散を生じ、超硬合金の結合相中のＣ含有率が低下する。
これにより前記結合相中にはη相が形成され、超硬合金
の接合界面は脆化する。同様に、超硬合金の結合相中に
おけるＣｏ含有率の低下もη相の生成を助長する。接合
金属のＣポテンシャルが超硬合金のそれより高ければ、
超硬合金の接合界面には自由炭素を生成し前記接合界面
の脆化をもたらす。

【００１４】本発明は、接合時における前記接合界面の
ＣおよびＣｏまたはＮｉ含有率の変化を極力低減するこ
とによって健全な接合部を得ようとするものである。本
発明が対象とする超硬合金は、硬質粒子として主にＷＣ
を含むものとする。前記ＷＣの一部はＣｒ、Ｍｏ、Ｎ
ｂ、Ｔｉ、ＺｒおよびＴａの炭化物または窒化物の１種
以上と置換していてもよい。また、超硬合金中の結合相
は、主にＣｏおよびＮｉのいずれか１種およびそれらの
合金からなり、前記超硬合金中の硬質粒子構成元素をこ
れと平衡する量だけ含有するものとする。

【００１５】次に、本発明の超硬合金接合用合金の化学
組成を限定した理由について説明する。本発明の接合用
合金と超硬合金とは拡散によって接合する。このとき接
合温度が１０００℃未満では接合不能であるか、または
接合のために長い加熱時間と大きな圧力が必要となるの
で好ましくない。また、１３００℃を超えると超硬合金
に液相が生成し、合金の変形が大きくなるので好ましく
ない。

【００１６】そこで、実質的に拡散接合可能な温度１０
００〜１３００℃における超硬合金中の結合相と平衡し
て、該結合層中にＣを析出したり、あるいは結合層金属
の欠乏によってη相を生じることがないように、本発明
の接合用合金は、合金成分として、Ｃ：０．６〜２．３
質量％、Ｗ：９．３〜３４．７質量％、Ｆｅ：３０質量
％を超え８０以下、ＣｏおよびＮｉのうちいずれか１種
または２種を１．０質量％以上を含む合金とした。

【００１７】Ｃ含有率が０．６質量％未満あるいはＷ含
有率が３４．７質量％を超えると超硬合金の接合界面に
η相を生成して接合部を脆弱とする。また、Ｃ含有率が
２．３質量％を超えるか、あるいはＷ含有率が９．３質
量％未満では、超硬合金の接合界面に自由炭素を生成し
て接合部を脆弱とする。ＣとＷの含有率は、ＷＣの当量
としておよそ１：１５．３〜１６．５とすることが好ま
しい。またＷＣとしての含有率は１０〜３７質量％とす
ることが好ましい。

【００１８】Ｆｅは、合金の強度を高め、また、熱間お
よび冷間における加工性を向上するために添加する。し
かしＦｅは超硬合金の接合界面におけるη相の形成傾向
を強める元素であり、Ｆｅ含有率が８０質量％を超える
と超硬合金の接合界面が脆弱となるのでＦｅ含有率の上
限を８０質量％とする。ＣｏおよびＮｉは、Ｆｅによる
η相の生成を抑止するために添加する。そのためには、
ＣｏおよびＮｉのいずれか１種または２種をあわせて
１．０質量％以上含有する必要がある。

【００１９】ＳｉおよびＭｎは、合金溶湯の脱酸のため
に添加する。本発明の超硬合金接合用合金は、鋳造品、
熱間加工品として提供されるほか、合金粉末としても提
供される。特に、溶湯から直接合金粉末を製造するとき
にしばしば発生する注湯ノズルの閉塞事故を防止するた
めに、ＳｉおよびＭｎの添加は極めて効果的である。本
発明の本旨を損なうことなく上記の効果を発揮するため
に３質量％以下のＳｉおよび３質量％以下のＭｎを添加
することができる。

【００２０】接合すべき超硬合金中のＷＣの一部がＣ
ｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、ＺｒおよびＴａの炭化物ま
たは窒化物の１種以上と置換している場合には、本発明
の接合用合金は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒお
よびＴａのうち何れか１種または２種以上を、あわせて
１０質量％以下において含有することができる。これら
の元素は、１０質量％を超えて多量に含有すると、合金
が脆化し健全な接合ができなくなるので、１０質量％を
含有率の上限とした。

【００２１】本発明の超硬合金接合用合金は、通常の合
金の溶解法によって溶解し、鋳造した鋳片として供給さ
れるほか、前記鋳片に熱間鍛造、熱間押出し等の塑性加
工を施して所要の形状として供給される。また、アトマ
イズや機械的粉砕によって製造した粉末および該粉末の
焼結体としても供給される。その他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、Ｗ、Ｃ等の混合粉を圧粉体としたものや該混合粉の
焼結体としても供給される。さらに、接合中間層の形成
方法としては、メッキ、スパッタ、蒸着法によることが
できる。

【００２２】本発明の接合用合金に、必要に応じて機械
加工を加えて所要の形状としたのち、超硬合金と接合面
を接して配置し、接合面に垂直方向に圧力を加えつつ１
０００〜１３００℃の温度で加熱して、または加熱後に
加圧して拡散接合することにより超硬合金と接合用合金
の複合材を得ることができる。また、超硬合金、接合用
合金、鋼の順に積層して組立て、上記と同様に加圧、加
熱することにより超硬合金と鋼とを連結した複合材を得
ることができる。

【００２３】上記の一軸加圧、加熱に替えて、超硬合金
と本発明の接合用合金の積層組立て体、または超硬合
金、本発明の接合用合金および鋼の積層組立て体をカプ
セルに挿入・封止してＨＩＰ装置により高温静水圧処理
することにより一層強固な複合材を得ることができる。

【００２４】さらに、超硬合金と本発明の接合用合金と
を上記の方法で接合し、ついで該接合用合金と鋼とを溶
接、圧接、拡散接合など公知の接合方法によって接合す
ることにより複合材とすることもできる。

【００２５】本発明の接合用合金が粉末として供給され
た場合は、上記高温静水圧処理を行うことにより超硬合
金と接合用合金、または超硬合金、接合用合金および鋼
の複合体を得ることができる。さらに、超硬合金粉末の
プレス成形時またはプレス成形後に、該超硬合金粉末成
形体に積層して本発明の接合用合金粉末成形体を形成
し、焼結することによって超硬合金−接合用合金の複合
材を形成することもできる。

【００２６】

【実施例】誘導炉を用いて表１に示す各合金を溶製し、
５ｋｇの鋳塊とした。

【００２７】

【表１】

【００２８】該鋳塊の直径の１／４部分から直径６ｍ
ｍ、長さ１１０ｍｍの熱間引張り試験片を切り出して、
熱間引張り試験に供した。熱間引張り試験は、試験片の
グリップ間隔９０ｍｍとし、１１５０℃において引張り
速度５０ｍｍ／ｓｅｃで行い、破断時の前記グリップ間
の距離を測定して破断までの伸び率を算定し、表２に熱
間伸びとして示した。この結果から、Ｆｅを多く含む試
料ほど熱間伸びが大きいことが判る。

【００２９】

【表２】

【００３０】また、前記鋳塊（平均外径 ｍｍ）を１
１５０℃に加熱し、１０ヒートで直径４５ｍｍの丸棒に
鍛伸した。その結果を表２に鍛造結果として示した。比
較例４〜６では、割れを生じて鍛造不能（比較例４、
５）となるか、ザク割れを生じて疵取り不能（比較例
６）となり、いずれも目標寸法まで鍛伸はできなかっ
た。Ｆｅを含む比較例１〜３ではやや鍛造性は改善され
ているが、度々疵取りを繰り返す必要があり、鍛造は極
めて困難であった。これに対して、実施例では、何ら支
障なく強加工によって目標寸法まで鍛伸することができ
た。

【００３１】前記鍛伸した試料から直径１０ｍｍ、長さ
６０ｍｍの試料を切り出し、平行部２０ｍｍ、標点距離
１０ｍｍの引張り試験片を製作し、常温において引張り
試験を行った。その結果を表３に示す。また、前記鋳塊
の直径の１／４部分から上記同様の引張り試験片を製作
し、常温における引張り試験を行った結果を表３に示
す。表３によれば、Ｆｅ含有率の増加に伴って耐力およ
び引張り強さが上昇するとともに、伸び、絞り等の延性
も向上することが判る。そして、実施例は、いずれも優
れた０．２％耐力と引張り強さとを有し、伸びおよび絞
りの値も高い。

【００３２】

【表３】

【００３３】直径２５ｍｍに鍛伸した試料および鋳塊か
ら直径２０ｍｍ、長さ１５ｍｍの接合合金丸棒を切り出
した。また、直径２０ｍｍ、長さ１５ｍｍのＷＣ−１３
質量％Ｃｏ超硬合金丸棒を準備した。前記接合合金丸棒
と前記ＷＣ−１３質量％Ｃｏ超硬合金丸棒とを、両者の
端面を互いに接して軟鋼製カプセルに挿入し、脱気・密
封した後、ＨＩＰ装置により温度１１５０℃、圧力１２
００ｋｇｆ／ｃｍ²、保持時間３ｈｒの熱間静水圧処理
を施した。熱間静水圧処理によって、前記接合合金丸棒
と前記ＷＣ−１３質量％Ｃｏ超硬合金丸棒とは、接触端
面で緊密に接合し、健全な複合材を形成しているものと
認められた。

【００３４】該複合材から、長さの中央に接合面を有す
る厚さ３．０ｍｍ、幅５．０ｍｍ、長さ３０ｍｍの抗折
試験片を作成し、支点間距離２０ｍｍとし、接合部に厚
さ方向の集中荷重を加えて３点曲げ試験を行った。その
結果は、表４に示すように実施例１〜６ではいずれも接
合部で破断することがなく、また、抗折力においても実
用上問題のない強度を示し、健全な接合が行われている
ことを示した。

【００３５】

【表４】

【００３６】表１に示す実施例１の鋳塊および鍛造材か
ら直径１２ｍｍ、厚さ３ｍｍの接合合金円盤を切出し
た。また、直径１２ｍｍ、長さ５０ｍｍのＷＣ−１３質
量％Ｃｏ超硬合金丸棒と直径１２ｍｍ、長さ５０ｍｍの
ＪＩＳ ＳＫＤ１１相当の鋼丸棒とを準備した。超硬合
金丸棒、接合合金円盤、鋼丸棒の順に積層し、各端面を
密着して組立て、該組立て体を軟鋼製カプセルに挿入
し、減圧・封止してＨＩＰ装置により１２００ｋｇｆ／
ｃｍ²で１２００℃×３ｈｒの高温静水圧処理を施し
た。旋削によって直径８ｍｍ×長さ１００ｍｍの抗折試
験片を得た。該抗折試験片の接合部はいずれも緊密に接
合し、健全な複合材を形成しているものと認められた。

【００３７】前記抗折試験片について、支点間距離８０
ｍｍとし、接合部に集中荷重を加えて３点曲げ試験を行
った。その結果は、抗折試験片は接合部で破断すること
がなく、また、破断応力 ６９８ＭＰａ以上を示し、健
全な接合が行われていることを示した。

【００３８】以上の実験結果から明らかなように、本発
明の超硬合金接合用合金を用いて接合した超硬合金と本
接合合金との複合材および超硬合金と鋼との複合材は実
用上十分な接合強度を示す。

【００３９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金、ＷＣ−Ｎｉ系超硬合金と接
合しても接合部に脆化相を生成することがなく優れた接
合強度を保証することができ、また、熱間加工性、機械
的性質に優れた接合用合金を提供することができる。さ
らに、該接合用合金を超硬合金と接合することにより、
優れた接合強度と機械的強度を有する複合材を提供する
ことができる。この複合材の接合合金部分は、公知の熱
間塑性加工、機械加工、熱処理、放電加工、溶接加工が
可能であり、超硬合金部材の有用性を増す。本発明の接
合用合金を中間層として用いて超硬合金と強靱な鋼とを
接合することにより、優れた接合強度を有する安価で信
頼性の高い超硬合金−鋼複合材を提供することができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/56 Ｃ２２Ｃ 38/56 // Ｂ２３Ｋ 101:20

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合金成分として、Ｃ：０．６〜２．３質
   量％、Ｗ：９．３〜３４．７質量％、Ｆｅ：３０質量％
   を超え８０質量％下、ＣｏおよびＮｉのうちいずれか１
   種または２種を１．０質量％以上含み残部不可避的不純
   物からなることを特徴とする超硬合金接合用合金。
2. 【請求項２】 上記合金成分に加えて、さらに、Ｓｉ：
   ３質量％以下およびＭｎ：３質量％以下を含むことを特
   徴とする請求項１記載の超硬合金接合用合金。
3. 【請求項３】 上記合金成分に加えて、さらに、Ｃｒ、
   Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａのうち何れか１種ま
   たは２種以上を１０質量％以下含むことを特徴とする請
   求項１および２のいずれか一項記載の超硬合金接合用合
   金。
4. 【請求項４】 超硬合金と接合用合金とが接合されて一
   体構造をなす複合材において、前記接合用合金が請求項
   １〜３のうちいずれか一項記載の超硬合金接合用合金で
   あることを特徴とする複合材。
5. 【請求項５】 超硬合金と接合用合金、および該接合用
   合金と鋼とが接合されて一体構造をなす複合材におい
   て、前記接合用合金が請求項１〜３のうちいずれか一項
   記載の超硬合金接合用合金であることを特徴とする複合
   材。