JPH09104943A

JPH09104943A - 焼結硬質合金

Info

Publication number: JPH09104943A
Application number: JP7261508A
Authority: JP
Inventors: Kenji Niima; 健司新間; Keiichi Tsuda; 圭一津田; Akihiko Ikegaya; 明彦池ヶ谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 1997-04-22

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性、耐欠損性および耐塑性変形性に優
れ、かつ、溶着欠損を防止することのできる焼結硬質合
金を提供する。【解決手段】周期表４Ａ、５Ａおよび６Ａ族の炭化
物、窒化物ならびに炭窒化物からなる群より選択された
少なくとも１種類からなる硬質相７０〜９５重量％と、
コバルトおよびニッケルからなる群より選択された少な
くとも１種類からなる結合相と、不可避的不純物とから
なる焼結硬質合金であって、その最表面のビッカース硬
度ｘが最表面から１ｍｍの深さのビッカース硬度の１．
１倍以上であり、ｘの０．９〜１．０３倍のビッカース
硬度を有する高硬度層が、最表面から３０〜１５０μｍ
の厚みで存在するという特徴を有する。実施例に従う合
金ＥおよびＦは、比較例に従う合金Ｐに比べ、合金表面
部の広い範囲にわたって緩やかに改質されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼結硬質合金に関
し、特に、切削工具、耐摩工具などに使用される耐摩耗
性および耐欠損性に優れる焼結硬質合金に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来から、切削工具や耐摩工具に使用さ
れる焼結硬質合金に対し、耐摩耗性および耐欠損性を向
上させる目的で、さまざまな表面改質が試みられてい
る。

【０００３】たとえば、特開平２−９３０３６号公報に
は、表面から５０μｍの間に、ビッカース硬度２０００
以上の部分を存在させることにより耐摩耗性を向上させ
ることが提案されている。また、特公平４−５５８０１
号公報には、工具表面における最高硬さが、最表面より
２〜５０μｍの範囲内にあり、さらに最表面に前記最高
硬さの６０〜９０％に相当する硬さを有する表面硬質層
を形成させることにより、耐欠損性および耐摩耗性を向
上させることが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらに開示
されている手法では、表面に対して垂直な方向における
硬度分布において、部分的な狭い領域にしか高硬度相が
形成されず、また、表面近傍の硬度変化が大きいため、
耐摩耗性が安定しないという問題があった。

【０００５】また、特開平２−１５１３９号公報に示さ
れているように、通常、表面改質合金には結合相である
金属のしみ出しが認められる。切削においては、表面に
しみ出した金属成分が被削材と溶着を起こし、これによ
って刃先にかかる力が異常に高くなり、刃先が欠損に至
る溶着欠損という現象がある。表面改質合金には、たと
え耐摩耗性には優れていても、この溶着欠損によってす
くい面の耐欠損性が大幅に低下するという問題があっ
た。

【０００６】本発明の目的は、以上の問題を解決し、よ
り耐摩耗性および耐欠損性に優れた焼結硬質合金を提供
することである。

【０００７】また、本発明のさらなる目的は、以上の問
題を解決し、耐塑性変形性に優れ、溶着欠損を防止する
ことのできる焼結硬質合金を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に従って、焼結硬
質合金が提供され、この焼結合金は、周期表４Ａ、５Ａ
および６Ａ族の炭化物、窒化物ならびに炭窒化物からな
る群より選択された少なくとも１種類からなる硬質相７
０〜９５重量％と、コバルトおよびニッケルからなる群
より選択された少なくとも１種類からなる結合相と、不
可避的不純物とからなる焼結硬質合金である。そして、
本発明の焼結硬質合金は、その最表面のビッカース硬度
が最表面から１ｍｍの深さ位置のビッカース硬度の１．
１倍以上であり、最表面のビッカース硬度の０．９倍以
上１．０３倍以下のビッカース硬度を有する高硬度層
が、最表面から内部に向かって存在し、かつ、上記高硬
度層の厚みが３０μｍ以上１５０μｍ以下であることを
特徴とする。

【０００９】本発明による焼結硬質合金において最表面
部に結合相のしみ出しが存在しないものを提供すること
ができる。結合相のしみ出しとは、硬質相を結合する結
合相が焼結合金から滲みだすことによってできた、結合
相の金属で占められる部分を指す。焼結合金の表面改質
層は、改質されていない内部よりも温度に対する体積収
縮率が高いため、焼結後の冷却時に、体積収縮に伴って
まだ溶融状態にある結合相が表面改質相を通り越して合
金表面に押出される結果、しみ出しが生じる。本発明で
は、焼結合金の深さ方向に広い範囲にわたって徐々に改
質度が変化しているため、このしみ出しが実質的に存在
しない表面を構成することができる。

【００１０】また、本発明による焼結硬質合金におい
て、コバルト含有率をａ重量％、ニッケル含有率をｂ重
量％としたとき、焼結硬質合金の飽和磁化ｙガウスｃｍ
³／ｇについて、ｙ≦０．８×（２０．２×ａ＋６．８
×ｂ）の関係を満たすことが好ましい。

【００１１】さらに、本発明による焼結硬質合金におい
て、硬質相内に含まれるＢ₁型固溶体に対するＸ線回折
曲線の（４２２）面の２本のピークのうち高角側のピー
クから得られる格子定数が、内部に比べ表面部において
大きいことが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明では、焼結合金の組成につ
いて、硬質相を７０〜９５重量％とし、結合相を５〜３
０重量％としている。硬質相の割合がこれより小さいと
耐摩耗性が著しく低下するだけでなく、焼結合金の最表
面部における結合相のしみ出しが存在しやすくなる。ま
た、結合相の割合がこれより小さいと耐欠損性が低下す
る。

【００１３】また、本発明では、焼結合金最表面のビッ
カース硬度が最表面から１ｍｍの深さ位置のビッカース
硬度の１．１倍以上である。最表面の硬度がこれより低
くなると、耐摩耗性と耐欠損性を両立することができな
いからである。なお、最表面のビッカース硬度として設
定できる上限が３２００程度であり、表面から１ｍｍの
深さ位置のビッカース硬度として設定できる下限が１０
００程度であることから、焼結合金の最表面のビッカー
ス硬度は、表面から１ｍｍの深さ位置のビッカース硬度
の１．１倍以上３．２倍以下とすることができる。な
お、本発明において、最表面のビッカース硬度をたとえ
ば２０００〜３２００、最表面から１ｍｍの深さ位置の
ビッカース硬度をたとえば１０００〜２０００とするこ
とができる。

【００１４】また、本発明では、焼結合金の最表面から
内部に向かって存在する高硬度層が、最表面の硬度の
０．９倍以上１．０３倍以下の硬度を有することを特徴
としている。高硬度層の硬度がこの範囲を超えるように
急激に変化すると、安定した耐摩耗性が得られないから
である。

【００１５】また、本発明では上記高硬度層の厚みが３
０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴としてい
る。３０μｍより薄くなると、耐摩耗性が著しく不安定
になり、１５０μｍより厚くなると耐欠損性が著しく低
下するからである。

【００１６】また、本発明では、合金の最表面部に結合
相のしみ出しが存在しない構造をもたらすことができ
る。結合相のしみ出しを存在させないことによって、耐
欠損性をより向上させ、特に溶着欠損を抑制することが
できる。

【００１７】焼結硬質合金においては、合金中の炭素量
や不純物量を示す指標として、一般に、飽和磁化が用い
られている。上述した飽和磁化ｙが、ｙ≦０．８×（２
０．２×ａ＋６．８×ｂ）の関係を満たす場合、結合相
において固溶強化が進み、高い強度の結合相を得ること
ができる。上式の関係を満たす焼結合金は、耐塑性変形
に優れている。

【００１８】さらに、理由は定かではないが、硬質相内
に含まれるＢ₁型固溶体に対するＸ線回折曲線の（４２
２）面の２本のピークのうち高角側のピークから得られ
る格子定数が、内部に比べ表面部において大きいとき、
耐摩耗性の向上が見られる。

【００１９】以上説明してきたような焼結硬質合金にお
いて、優れた表面改質層を持つことから、安定した耐摩
耗性を与えること、かつ、耐欠損性に優れること、さら
に、耐塑性変形性を低くさせること、かつ、溶着欠損を
防止することが可能である。

【００２０】本発明の焼結硬質合金における特徴は、た
とえば、焼結時の原料粉末のＣ濃度および焼結条件（温
度パターン、雰囲気）を調整することによって得られ
る。本発明に従う合金は、たとえば次のようにして製造
することができる。

【００２１】まず、原料粉末を所望の組成となるよう調
合した後、公知の成形手段、たとえば、プレス成形、押
出成形、鋳込み成形等で成形する。調合する原料粉末に
おいて、Ｃ濃度は４〜８重量％とすることが好ましい。
そして、得られた成形体を焼結炉内に設置し、焼結を行
なう。焼結性を阻害することなく窒化物の分解を抑制
し、また、焼結体の収縮を緩やかにさせるため、昇温時
に、たとえば、所定の圧力のＣＨ₄、Ｎ₂およびＣＯか
らなる雰囲気を用いる。この雰囲気において、ＣＨ₄は
４〜５Ｔｏｒｒ程度、Ｎ₂は３〜５Ｔｏｒｒ程度、ＣＯ
は２〜４Ｔｏｒｒ程度が好ましい。特に、前述のよう
に、合金の内部と比較して表面部の（４２２）面に関す
る格子定数を大きくするために、ＣＯの圧力は上述の範
囲内で、なるべく高い方が好ましい。

【００２２】また、昇温時の昇温速度は、１．３〜２．
０℃／ｍｉｎ程度であることが好ましい。

【００２３】昇温後、炉内を所定の温度で所定の時間だ
け保持し、成形体の焼結を行なう。この場合の保持温度
は、前述のように焼結合金の最表面のビッカース硬度の
０．９倍以上１．０３倍以下の硬度を有する高硬度層の
厚みを３０μｍ以上１５０μｍ以下とするために、１４
３０〜１４７０℃の範囲であることが好ましい。焼結温
度保持中の雰囲気は、たとえば、４〜６ＴｏｒｒのＮ₂
とすることができる。

【００２４】その後、炉内を常温に戻すべく冷却し、所
望の焼結硬質合金を得るのであるが、この冷却速度は、
前述のような合金の最表面のビッカース硬度が、表面か
ら１ｍｍの深さ位置のビッカース硬度の１．１倍以上で
あるために、３℃／ｍｉｎ以上が好ましく、３〜２０℃
／ｍｉｎの範囲内にあることが特に好ましい。冷却時の
雰囲気は、たとえば４〜６ＴｏｒｒのＮ₂とすることが
できる。

【００２５】以上、合金の製造方法に関して、合金の特
徴と関連させながら説明してきたが、さらに、本発明に
従った合金に関してその表面部に結合相のしみ出しを存
在させないための工夫について述べる。

【００２６】合金の表面部に結合相のしみ出しを存在さ
せないためには、深さ方向に広い範囲にわたって、比較
的緩やかに改質を行なうことが必要である。先行技術で
は、表面近傍で改質度の高い層が形成されるため、表面
近傍において合金中で体積収縮率のばらつきが生じ、し
み出しが発生しやすくなっていた。一方、本発明では、
深さ方向に比較的広い範囲にわたって緩やかに改質させ
ることにより、合金表面の改質度が徐々に変化するた
め、体積収縮率も徐々に変化し、しみ出しを抑制するこ
とができる。しみ出しを抑制するため、焼結における保
持温度は、１４３０〜１４５０℃が特に好ましいが、冷
却速度については、ある程度以上低くなると冷却時間が
長くなりすぎることから、合金表面近傍で過剰に改質が
進んでしまうことになり、かえって生成した焼結合金の
表面に結合相のしみ出しが生じてしまうため、この場合
も、３℃／ｍｉｎ以上が好ましく、３〜２０℃／ｍｉｎ
の範囲が特に好ましい。

【００２７】

【実施例】

（実施例）本発明による焼結硬質合金を、実施例により
具体的に説明する。

【００２８】まず、表１のＡ〜Ｍに示した組成の原料粉
末をＣＮＭＧ４３２の形状に圧粉した。そして、同じく
表１のＡ〜Ｍに示した各保持温度まで、各昇温中の雰囲
気下、各昇温速度で昇温し、焼結を行ない、冷却の後、
焼結硬質合金からなる切削工具材を得た。なお、いずれ
の場合においても保持中および冷却中の雰囲気は、５Ｔ
ｏｒｒのＮ₂であった。

【００２９】（比較例）表１のＮ〜Ｐに示した組成の原
料粉末を、実施例と同様に表１の各条件に従って焼結を
行ない、冷却の後、焼結硬質合金からなる切削工具材を
得た。なお、いずれの場合においても、保持中および冷
却中の雰囲気は、実施例と同様５ＴｏｒｒのＮ₂であっ
た。

【００３０】

【表１】

【００３１】実施例および比較例で得られた焼結硬質合
金の切削工具材に対して、表２に示す各条件で耐摩耗
性、耐欠損性および耐塑性変形性試験を行なった。

【００３２】

【表２】

【００３３】切削試験の結果を表３に示す。また、表３
に、硬質相内に含まれるＢ₁型固溶体に対するＸ線回折
曲線の（４２２）面の２本のピークのうち高角側のピー
クから得られる格子定数について、合金表面と合金内部
の値を示す。なお、この表において、（１）〜（４）
は、それぞれ以下のような焼結合金の特性を意味する。

【００３４】（１）：焼結合金中の硬質相の重量％（２）：焼結合金の最表面から１ｍｍの深さ位置のビッ
カース硬度に対する最表面のビッカース硬度の比（３）：焼結合金の最表面のビッカース硬度の０．９倍
以上１．０３倍以上のビッカース硬度を有する最表面か
ら内部に向かって存在する高硬度層の厚み（４）：焼結合金中のコバルトの含有率をａ重量％、ニ
ッケルの含有率をｂ重量％、焼結合金の飽和磁化をｙガ
ウスｃｍ³／ｇとしたときのｙ／（２０．２×ａ＋６．
８×ｂ）の値

【００３５】

【表３】

【００３６】また、図１に、焼結硬質合金Ｅ、Ｆおよび
Ｐに関して、焼結合金の最表面からの距離に対するビッ
カース硬度を示す。この図より、本発明に従う焼結合金
ＥおよびＦは、比較例に従う焼結合金Ｐと比較して、表
面に対して垂直な方向における硬度分布に関し、より広
い領域に高硬度層が形成されていることがわかる。

【００３７】また、表３に示す通り、本発明に従う焼結
合金Ａ〜Ｍは、比較例に従う焼結合金Ｎ、ＯおよびＰよ
り、耐摩耗性および／または耐欠損性に優れている。

【００３８】また、硬質相の割合が７０〜９５重量％の
範囲内にあり、最表面から１ｍｍの深さ位置のビッカー
ス硬度に対する最表面のビッカース硬度が１．１倍以上
であり、かつ、最表面のビッカース硬度の０．９倍以上
１．０３倍以下の硬度を有する高硬度層の厚みが３０μ
ｍ以上１５０μｍ以下である焼結合金ＧとＨとを比較し
た場合、さらに最表面部に結合相のしみ出しが存在しな
い合金Ｇは、しみ出しの存在する合金Ｈと比較して耐欠
損性に優れていることがわかる。また、硬質相の割合が
７０〜９５重量％の範囲内にあり、最表面から１ｍｍの
深さ位置のビッカース硬度に対する最表面のビッカース
硬度が１．１倍以上であり、最表面のビッカース硬度の
０．９倍以上１．０３倍以下の硬度を有する高硬度層の
厚みが３０μｍ以上１５０μｍ以下であり、かつ、最表
面部に結合相のしみ出しが存在ない焼結合金Ｉ、Ｊ、お
よびＫを比較した場合、さらに、焼結合金中のコバルト
の含有率をａ重量％、ニッケルの含有率をｂ重量％とし
たときの焼結合金の飽和磁化ｙガウスｃｍ³／ｇが、以
下の式（Ｉ）ｙ≦０．８×（２０．２×ａ＋６．８×ｂ） …（Ｉ）の関係を満足する合金ＩおよびＪは、式（Ｉ）の関係を
満たさない合金Ｋと比較して、耐塑性変形性が高くなっ
ていることがわかる。

【００３９】また、硬質相の割合が７０〜９５重量％の
範囲内にあり、最表面から１ｍｍの深さ位置のビッカー
ス硬度に対する最表面のビッカース硬度が１．１倍以上
であり、最表面のビッカース硬度の０．９倍以上１．０
３倍以下の硬度を有する高硬度層の厚みが３０μｍ以上
１５０μｍ以下であり、最表面部に結合相のしみ出しが
存在せず、かつ、合金の飽和磁化ｙガウスｃｍ³／ｇが
式（Ｉ）の関係を満足する合金ＬとＭとを比較した場
合、さらに、内部と比較して（４２２）面に関する格子
定数が、表面部において大きい合金Ｌは、格子定数が内
部と比較して表面部において小さい合金Ｍと比較して、
さらに耐摩耗性に優れていることがわかる。

【００４０】

【発明の効果】本発明における焼結硬質合金により、表
面改質相を持つことにより安定した耐摩耗性および耐塑
性変形性を発揮し、さらに、しみ出しが存在しないため
耐欠損性にも優れる切削工具および耐摩工具を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う実施例の焼結合金ＥおよびＦなら
びに比較例の焼結合金Ｐに関して、合金の最表面からの
距離に対するビッカース硬度を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期表４Ａ、５Ａおよび６Ａ族の炭化
物、窒化物ならびに炭窒化物からなる群より選択された
少なくとも１種類からなる硬質相７０〜９５重量％と、
コバルトおよびニッケルからなる群より選択された少な
くとも１種類からなる結合相と、不可避的不純物とから
なる焼結硬質合金であって、最表面のビッカース硬度が前記最表面から１ｍｍの深さ
位置のビッカース硬度の１．１倍以上であり、前記最表面のビッカース硬度の０．９倍以上１．０３倍
以下のビッカース硬度を有する高硬度層が、前記最表面
から内部に向かって存在し、かつ、前記高硬度層の厚みが、３０μｍ以上１５０μｍ以下で
あることを特徴とする、焼結硬質合金。
【請求項２】前記焼結硬質合金の最表面部に前記結合
相のしみ出しが存在しないことを特徴とする、請求項１
記載の焼結硬質合金。
【請求項３】前記焼結硬質合金におけるコバルトの含
有率をａ重量％、ニッケルの含有率をｂ重量％としたと
き、前記焼結硬質合金の飽和磁化ｙガウスｃｍ³／ｇ
が、ｙ≦０．８×（２０．２×ａ＋６．８×ｂ）の関係
を満たすことを特徴とする、請求項１または２記載の焼
結硬質合金。
【請求項４】前記硬質相内に含まれるＢ₁型固溶体に
対するＸ線回折曲線の（４２２）面の２本のピークのう
ち、高角側のピークから得られる格子定数が、内部と比
較して表面部において大きいことを特徴とする、請求項
１、２または３記載の焼結硬質合金。