JPH06271971A - ホウ化物サ−メット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 焼結合金中にＣａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭
化物，硫化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくと
も１種の分散相を含有させた、またはこの超硬合金の表
面部の分散相を除去して微細孔とした高強度および高硬
度で摩擦摩耗性，耐摩耗性，耐焼付性，潤滑性に優れた
ホウ化物サーメットの提供である。 【構成】 Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物
およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の分散
相２〜２５体積％と、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の少なくと
も１種の金属またはこれを主成分として含む合金の結合
相５〜７０体積％と、残り金属ホウ化物の硬質相からな
るホウ化物サーメット。 【効果】 従来のホウ化物サーメットに比べて、湿式条
件での摩擦係数が約１／２〜１／３、耐摩耗性が５〜１
０倍となり、長時間に亘り低摩擦係数を維持できること
から、長寿命が達成されたもので有る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面部に微細孔を形成
させた、または形成させることができる硬質焼結合金に
関し、具体的には、絞り型，しごき型，鍛造型などの塑
性加工工具、打抜き型，スリッターなどのせん断加工工
具、およびメカニカルシール，軸受け等の摺動材料とし
て最適なホウ化物サーメットに関する。

【０００２】

【従来の技術】４ａ，５ａ，６ａ族金属のホウ化物を硬
質相とし、鉄族金属を結合相としたいわゆるホウ化物サ
ーメットは、ホウ化物の持った耐摩耗性，耐蝕性，耐溶
着性，潤滑性と結合相の強度，靭性を兼備した材料であ
り、各種の耐摩耗工具部品や耐熱材料として着目されて
いる。特にＭｏ₂ＦｅＢ₂およびＭｏ₂ＮｉＢ₂などの金属
複合ホウ化物を硬質相とするサーメットは機械的強度，
靭性に優れるため近年注目を浴びている。

【０００３】これらの提案で代表的なものに、特公昭６
０−５７４９９号公報，特開昭６２−１９６３５３号公
報および特開平５−５１５２号公報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の内、特公
昭６０−５７４９９号公報には、Ｍｏ₂ＦｅＢ₂系硬質合
金について、特開昭６２−１９６３５３号公報にはＭｏ
₂ＮｉＢ₂系硬質合金について、特開平５−５１５２号公
報にはＷＣｏＢ系硬質合金について記載されている。

【０００５】これらの公報に記載のホウ化物基硬質合金
は、いずれも射出成形部品，熱間押出しダイスなど高温
で使用すれば優れた耐熱性と耐摩耗性を発揮することが
できるが、製缶工具やメカニカルシールなど常温で使用
する塑性加工工具や摺動部品としては、焼付きを起こし
易く、耐摩耗性に著しく劣るという問題がある。

【０００６】本発明は、上記の問題点を解決したもの
で、具体的には硬質合金中にＣａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化
物，炭化物，硫化物およびこれらの相互固溶体の中の少
なくとも１種の分散相を含有させた後、焼結合金の表面
部に存在する分散相を除去して微細孔とした高強度およ
び高硬度で摩擦摩耗性，耐摩耗性，耐焼付性，潤滑性に
優れたホウ化物サーメットの提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、微細孔分
散の焼結合金について、焼結合金の表面部のみに空孔を
形成し、焼結合金の内部は緻密な組織にすると、焼結合
金全体の強度が高く、かつ表面部の空孔に潤滑物質、例
えば油を含浸させると油の潤滑効果を最大限に活用でき
ること、焼結合金の表面部のみに空孔を均一に分布させ
るには、特定物質を均一分散させた焼結合金の表面部か
ら溶解除去あるいは摩擦応力によって破砕除去し、それ
を空孔として存在させればよいこと、および特定物質と
してはＣａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物が最
適であるという知見を得て、本発明を完成するに至った
ものである。

【０００８】本発明のホウ化物サーメットは、Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物およびこれらの相互
固溶体の中の少なくとも１種の分散相２〜２５体積％
と、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の少なくとも１種の金属また
はその合金を主成分とする結合相５〜７０体積％と、残
り周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属のホウ化物および
これらの相互固溶体でなる高融点金属ホウ化物ならびに
周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の中の少なくとも１
種とＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の少なくとも１種とでなる複
合ホウ化物から選ばれた少なくとも１種の硬質相とから
なることを特徴とする。

【０００９】本発明のホウ化物サーメットにおける分散
相は、具体的には、例えばＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，Ｃ
ａＣ₂，ＳｒＣ₂，ＢａＣ₂，ＣａＳ，ＳｒＳ，ＢａＳ，
（Ｃａ，Ｓｒ）Ｏ，（Ｃａ，Ｂａ）Ｏを挙げることがで
きる。これらの分散相の内、炭化物および硫化物は、水
と反応してアセチレンや硫化水素の発生を伴うことか
ら、酸化物の分散相が安全管理上および品質管理上にお
いて好ましい。分散相の平均粒径が微細孔の平均粒径に
相当し、微細孔の平均粒径が０．５μｍ未満では潤滑物
質の含浸が弱く、２０μｍを超えると焼結合金の強度低
下が著しく、また相対的に孔数が減少して潤滑性が失わ
れることから、分散相及び微細孔の平均粒径は０．５〜
２０μｍが好ましく、使用条件にもよるが、特に１〜５
μｍが好ましい。この分散相の含有量が２体積％未満に
なると、焼結合金の表面に形成される微細孔も２体積％
未満になるため、微細孔内に含浸される油等の潤滑物質
の効果が小さく、耐摩耗性の低下が著しくなり、逆に分
散相が２５体積％を超えて多くなると、焼結合金中に存
在する分散相量が多くなることおよび焼結合金の表面部
に形成される微細孔が多くなることから、硬さの低下に
よる耐摩耗性の劣化および強度低下が顕著になる。ここ
で分散相および表面に形成される微細孔は、硬質相およ
び／または結合相によって分断され、互いに独立してい
る方が効果的なので好ましい。

【００１０】本発明のホウ化物サーメットにおける結合
相は、具体的には、３０重量％以下のＣｒ，１０重量％
以下のＭｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，２重量％以下の
Ｂ，Ｃなどを同溶したＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉおよびこれらの
相互合金が挙げられる。これらの中でＣｒを１０〜２０
重量％含有するＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの各合金は、焼結合金
の強度，硬さが最も高く、耐蝕性にも優れるため好まし
い。この結合相の含有量が５体積％未満になると、焼結
が困難となって内部に巣孔が残留するため、強度および
硬さの低下が著しく、逆に結合相の含有量が７０体積％
を超えて多くなると、相対的に硬質相量が減少するため
耐摩耗性，耐焼付性の低下が顕著になる。

【００１１】本発明のホウ化物サーメットにおける硬質
相は、具体的には、例えばＴｉＢ，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，
ＮｂＢ₂，ＭｏＢ，ＷＢ，Ｗ₂Ｂ，（Ｔｉ，Ｗ）Ｂの高融
点金属ホウ化物、Ｍｏ₂ＮｉＢ₂，Ｍｏ₂ＦｅＢ₂，ＷＣｏ
Ｂなどの複合ホウ化物を挙げることができる。この硬質
相の５０体積％までを４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化
物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも
１種で置換すると硬さ，強度，靭性などが向上するので
好ましい。例えばＷＣ，ＴａＣは強度と靭性を改善し、
ＴｉＮ，ＮｂＣは耐摩耗性，耐酸化性を向上させること
ができる。

【００１２】本発明のホウ化物サーメットにおける結合
相と硬質相の組合せは、特に結合相がＦｅおよび／また
はＮｉの場合には、硬質相はＭｏ₂ＦｅＢ₂および／また
はＭｏ₂ＮｉＢ₂が好ましく、結合相がＣｏの場合には、
硬質相はＷＣｏＢが好ましいことである。

【００１３】本発明のホウ化物サーメットは、従来の粉
末冶金法を応用することにより品質のバラツキが少な
く、かつ簡易に製造できる。具体的には粒度調製された
Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物およびこれ
らの前駆化合物、例えばＣａ，Ｓｒ，Ｂａの水酸化物，
水素化物，炭酸塩，硫酸塩，カルボン酸塩またはＣａ，
Ｓｒ，Ｂａ粉末の中の少なくとも１種の分散相形成物質
と、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの金属およびこれらを主成物とす
る合金などの結合相形成粉末と、周期律表の４ａ，５
ａ，６ａ族金属のホウ化物およびこれらとＦｅ，Ｃｏ，
Ｎｉから形成される複合ホウ化物または４ａ，５ａ，６
ａ族金属の金属と当量のＢなどの硬質相形成粉末と、さ
らには必要に応じて炭素および４ａ，５ａ，６ａ族金属
の炭化物，窒化物粉末を加えて混合粉砕して混合粉末と
する工程，該混合粉末を所定形状に成形して圧粉成形体
とする工程、該圧粉成形体を真空あるいは非酸化性雰囲
気中、１１００℃〜１４００℃で加熱焼結し、Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物およびこれらの相互
固溶体の中の少なくとも１種の分散相の含有したホウ化
物サーメットとする工程、および場合によっては該ホウ
化物サーメットの表面に水を接触させて、該ホウ化物サ
ーメットの表面部に存在する該分散相を除去する工程か
らなるものである。

【００１４】本発明のホウ化物サーメットの製造におけ
る分散相形成物質としては、具体的には、例えばＣａ
Ｏ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＣａＣ₂，ＣａＳ，Ｃａ（Ｏ
Ｈ）₂，ＣａＨ₂，ＣａＣＯ₃，Ｃａ（ＮＯ₃） ，Ｃａ（Ｃ
Ｈ₃ＣＯＯ）₂などを挙げることができる。これらの物質
の中でもＣａＣＯ₃，ＳｒＣＯ₃，ＢａＣＯ₃の炭酸塩は
混合粉砕工程での取扱も容易で、かつ加熱分散してし水
溶性のＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯを形成するので最も好ま
しい。

【００１５】本発明のホウ化物サーメットにおける焼結
工程は、圧粉成形体をガラスまたは金属容器に装入して
ＨＩＰ（熱間静水圧焼結）するか、あるいは焼結体をさ
らにＨＩＰ処理すると、内部に残留空孔の無い高強度で
耐摩耗性の高いホウ化物サーメットが得られるので好ま
しい。すなわち、表面および内部に残留する空孔は、分
散相の除去によって生じさせる微細孔と同様に含油等に
よって摩擦摩耗を低減させる効果を有するものの、その
量や大きさを制御することが困難であるため、出来るだ
け少ない方が好ましく、少なくとも１０体積％以下、さ
らに２体積以下であることが最も好ましい。

【００１６】最後の工程において、ホウ化物サーメット
の表面に水を接触させて分散相を除去して微細孔を表面
に形成させると、使用前あるいは使用初期に含油などで
きるので好ましいが、この工程を省略しても使用時には
相手材との接触に伴う応力によって分散相が優先的に破
砕されて、微細孔を形成するので問題はない。

【００１７】

【作用】本発明のホウ化物サーメットは、焼結合金の表
面部に形成される微細孔の中に、油，加工液等の潤滑性
物質を含浸でき、この潤滑性物質が相手材との接触によ
って生じる摩擦や摩耗を低下させるという、表面部の微
細孔による間接的作用があり、表面部を除いた内部の焼
結合金が強度を保持する作用をしている。

【００１８】

【実施例１】市販の−３２５^#のＢ，Ｃｒと平均粒径
１．０〜２．０μｍのＷ，Ｍｏ，ＴｉＢ₂，ＺｒＢ₂，Ｔ
ｉＣ，ＷＣ，ＮｂＣ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，カーボン
（Ｃ）および２〜５μｍのＣａＣＯ₃，ＳｒＣＯ₃，Ｂａ
ＣＯ₃の各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量
し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボ
ールと共に装入し、４８時間混合粉砕後、乾燥して混合
粉末を得た。

【００１９】次に、これらの混合粉末を金型に充填し、
２ｔ／ｃｍ²の加圧でもって約５．５×９．５×２９ｍ
ｍと約直径２９×長さ１３ｍｍの圧粉成形体を作成し
た。

【００２０】これらの圧粉成形体をアルミナとカーボン
繊維からなるシート上に設置し、雰囲気圧力１０^-2Ｔｏ
ｒｒの真空中で表１に併記する温度で１時間加熱保持し
て本発明品１〜８および比較品１〜７のホウ化物サーメ
ットを得た。１部のホウ化物サーメットに対しては、表
１に併記した温度で１５００気圧×１時間のＨＩＰ処理
を施し、ホウ化物サーメット中に残留する空孔を除去し
た。

【００２１】

【表１】 こうして得た各ホウ化物サーメットを２３０^#のダイヤ
モンド砥石で湿式研削加工し、４．０×８．０×２４．
０ｍｍおよび直径２５．０×厚さ１０．０ｍｍの形状に
仕上げ、試料を作製した。

【００２２】この内、前者の試料を用いて密度、硬さ、
抗折力を測定し、その結果を表２に示した。また、試料
表面を１μｍのダイヤモンドベーストでラップ加工し、
光学顕微鏡にて分散相（ＣａＯ，ＳｒＯ，Ｃ，ＢＮな
ど），結合相，硬質相の平均体積を測定し、その結果を
表２に併記した。また、この試料を水中に浸漬した後、
同様に観察を行なって、分散相が除去されて生じた微細
孔の平均直径と体積も測定した。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【実施例２】実施例１で得た各試料の内、試料形状が直
径２５×厚さ１０ｍｍの片面をラップ仕上げした円板で
なる本発明品の１，４，５，６および比較品１，３，
４，５（ディスクとして）を用いて、相手材（ピンとし
て）：Ａｌ合金の直径４ｍｍの丸棒、荷重：４０ｋｇｆ
（接触面積：１０６ｋｇｆ／ｃｍ²）、摩擦速度：０．
５ｍ／ｓ、摩擦時間：１時間、雰囲気：水溶性加工液中
の条件でもって、ピンオンディスク法による摩擦試験を
行い、その結果を表３に示した。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【実施例３】実施例２と同様の試料を用いラップ面に少
量の高純度鉱油を塗付し、相手材：ＳＫＨ５７の直径４
ｍｍの丸棒，荷重２０ｋｇｆ（接触面圧５３ｋｇｆ／ｃ
ｍ²），摩擦速度：１．０ｍ／ｓという状件でもってピ
ンオンデスク法による摩擦試験を行い、焼付きにより摩
擦係数が０．２を超えるまでの時間を測定し、その結果
を表４に示した。

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】本発明のホウ化物サーメットは、従来の
比較的緻密なホウ化物サーメットに比較して、湿式摩擦
試験における摩擦係数が約１／２〜１／３，摩耗量が約
１／５〜１／１０と小さく、約１０倍もの長時間に亘り
低い摩擦係数を維持できるという顕著に優れた効果が有
る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫
   化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の
   分散相２〜２５体積％と、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の少な
   くとも１種の金属またはこれを主成分として含む合金の
   結合相５〜７０体積％と、残り周期律表の４ａ，５ａ，
   ６ａ族金属のホウ化物およびこれらの相互固溶体でなる
   高融点金属ホウ化物ならびに周期律表の４ａ，５ａ，６
   ａ族金属の中の少なくとも１種とＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中
   の少なくとも１種とでなる複合ホウ化物から選ばれた少
   なくとも１種の硬質相とからなることを特徴とするホウ
   化物サーメット。
2. 【請求項２】 請求項１記載のホウ化物サーメットの表
   面部から上記分散相が除去されて微細孔が形成されてい
   ることを特徴とするホウ化物サーメット。
3. 【請求項３】 上記分散相は、平均粒子径が０．５〜２
   ０μｍで、かつ上記微細孔は、平均直径が０．５〜２０
   μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のホ
   ウ化物サーメット。
4. 【請求項４】 上記硬質相は、該硬質相中の５０体積％
   以下が周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒
   化物，炭酸化物，窒酸化物，硫化物およびこれらの相互
   固溶体の中の少なくとも１種で置換されていることを特
   徴とする請求項１，２または３記載のホウ化物サーメッ
   ト。
5. 【請求項５】 上記結合相がＣｒとＭｏおよび／または
   ＷとＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の少なくとも１種とでなる合
   金からなり、上記硬質相がＭｏおよび／またはＷとＦ
   ｅ，Ｃｏ，Ｎｉの中の少なくとも１種とを含む複合ホウ
   化物からなることを特徴とする請求項１，２，３または
   ４記載のホウ化物サーメット。