JPH09111422A

JPH09111422A - 焼結超硬質合金

Info

Publication number: JPH09111422A
Application number: JP27241595A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kubo; 裕久保
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】切削工具その他の工具材料として用いられ
る、強度、靭性に優れた焼結超硬質合金を提供する。【解決手段】重量%で、Ｃ 1.0〜4.5%、Ｓi 2.0%以
下、Ｍｎ 2.0%以下、Ｃr 3〜10%、ＷとＭｏは、Ｗ 30%
以下とＭo 20%以下の１種または２種をＷ＋2Ｍoで45%以
下、ＶとＮbの１種または２種を2〜10%、Ｃo 20%以下を
含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなる組成を有
する基地粉末に、全重量に対して1〜10%のIVａ族、Ｖａ
族、VIａ族元素のうちの複数の金属元素により構成され
る複炭化物、複窒化物および複炭窒化物１種または２種
以上と、全重量に対して1〜10%のIVa族、Ｖａ族、IVａ
族元素の炭化物、窒化物および炭窒化物１種または２種
以上とを混合し焼結により結合したことを特徴とする焼
結超硬質合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はドリル、エンドミ
ル、ドリルチップ、タップ等の切削工具の素材、金属塑
性加工用の型、工具材料および治具、樹脂成形用の型や
工具、また各種の刃物、および工業用耐摩耗部品等とし
て用いられる焼結超硬質合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高速度工具鋼の切削工具としての寿命向
上の方法として、まず第一に考えられるのが、硬さの向
上である。実際に特公昭５５-６０９６号、特公昭５７-
２１４２号、特開昭５７-１８１３６７号、特開昭５８-
１８１８４８号などにはＨＲＣ７１以上の硬さが得られ
る高硬度焼結合金が開示されている。これらの合金はＭ
６Ｃ炭化物を形成するＷやＭｏまたはＭＣ炭化物を形成
するＶ等の合金元素を多量に含んでいるか、あるいはＴ
ｉＮ等の硬質物質を多く含有するものであり、実用に当
たって高価格化、靭性の低下、被研削性の低下などが大
きな問題となる。そこでこれらの不具合を解決するもの
としては、特公平５−７５８２１号、特公平５−７５８
２２号が知られている。これらは、いずれも炭素量の合
金元素に対するバランス値をＣｅｑ＝０．０６Ｃｒ＋
０．０３３Ｗ＋０．０６３Ｍｏ＋０．２Ｖとするとき、
０≦Ｃ−Ｃｅｑ０．６としてＣｅｑに比べ、高炭素とす
ること、および比較的に少量の（２〜１２％）の硬質粒
子を分散させることにより熱処理後の硬さをＨＲＣ７２
以上と著しく高硬度としたものである。

【０００３】また本発明者らによる特開平２−１２５８
４８号に開示された合金はＴｉＮ粒子や炭化物の平均粒
径が５μｍ以下であり、かつ平均粒子間隙が５μｍ以下
の微細組織を有する硬質合金であり、これは機械的特
性、被研削性などに優れる合金である。さらに特公平５
−５５５８７号公報には１０％超〜２５％の分散相がＴ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ，Ｎｂ、ＶおよびＷのうちの２種
または３種類以上の複合金属炭窒化物からなる分散強化
型焼結合金製熱間加工工具部材が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したこれらの焼結
超硬質合金は高速度工具鋼と超硬合金の中間的な特性を
有し、高速度工具鋼に比べ耐摩耗性が優れ、超硬合金に
比べ高靭性であることを特徴とし、超硬合金では欠けの
発生のために使用できず、また高速度工具鋼では摩耗に
より短寿命となるような分野へ適用される。しかし、上
記の従来の硬質合金においては、いずれも強度が十分で
なく、超硬合金と同様欠けにより寿命に至る場合があ
り、このためさらに強度や靭性を高めることができれば
その使用分野は大きく広がるといわれているのが現状で
ある。さらに上述した特公平５−５５５８７号に開示さ
れた焼結合金は、分散相が多量に添加されており、焼結
性が低下するので、焼結温度を高くする（具体的には１
２５０℃以上とする）必要がある。したがってコスト的
に不利である。

【０００５】本発明者は、上記した従来の欠点を解消
し、通常の焼結温度を適用して強度、靱性を大幅に高め
るための種々の検討を行った。そして、分散粒子として
の硬質粒子である炭化物、窒化物、炭窒化物粒子を従来
の単独の金属元素から構成されるものではなく、複数の
金属元素により構成される複炭化物、複窒化物および複
炭窒化物と単独の金属元素から構成される炭化物、窒化
物、炭窒化物との両者を併用することにより強度、靭性
の特性が大幅に改善できることを見出し本発明に至った
ものである。本発明の目的は、強度、靭性を大幅に高め
ることにより、使用分野も拡げうる焼結超硬質合金を提
供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち具体的に本発明
は、重量%でＣ 1.0〜4.5%、Ｓi 2.0%以下、Ｍｎ 2.0%
以下、Ｃr 3〜10%、Ｗ 30%以下とＭo 20%以下の１種ま
たは２種をＷ＋2Ｍoで45%以下、ＶとＮbの１種または２
種を2〜10%、Ｃo 20%以下を含み、残部Ｆeおよび不可避
的不純物からなる組成を有する基地粉末に、該基地粉末
の全重量に対して1〜10%のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族元素
のうちの複数の金属元素により構成される複炭化物、複
窒化物および複炭窒化物の１種または２種以上と前記全
重量に対して1〜10%のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族元素の炭
化物、窒化物および炭窒化物１種または２種以上とを混
合し焼結により結合したことを特徴とする焼結超硬質合
金である。また、複炭化物、複窒化物および複炭窒化物
はＷを含むものであることが望ましい。

【０００７】ここで本発明においては基地粉末に混合さ
れる炭化物、窒化物および炭窒化物を、従来のような単
独の金属元素と炭素や窒素との化合物のみから構成させ
るのではなく、複数の金属元素により構成される複炭化
物、複窒化物および複炭窒化物と単独の金属元素と炭素
や窒素との化合物から構成させるものとの両者を併用す
ることを特徴とするが、まず複数の金属元素により構成
される複炭化物、複窒化物および複炭窒化物を使用する
ことによる利点は以下に説明するとおりである。

【０００８】（１）それぞれの炭化物、窒化物、炭窒化
物の特徴を生かしながら、欠点を解消することが可能と
なる。例えばＴｉ（Ｃ，Ｎ）炭窒化物にＷを加え（Ｔ
ｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）とすることにより、Ｗのもつ高靭性
という特徴が加味され、分散粒子として添加した硬質合
金の靭性、強度向上をはかることが可能となる。（２）単独では熱力学的に不安定で組織上の化合物とし
て適用できないものも、他の金属元素と複合化すること
により熱力学的に安定になり適用可能となる。例えば、
ＷＮ、ＭｏＮなどの窒化物の場合標準生成自由エネルギ
−が正であり、通常は安定に存在し得ないが、Ｔｉ、Ｔ
ａなどと複合の固溶体を形成させることにより安定な化
合物となり適用が可能となる。

【０００９】（３）単独では反応や固溶をしやすいので
分散粒子として合金中に残すことが出来ないものも、固
溶体の複合炭化物等とすることにより反応や固溶を防止
でき、分散粒子として存在させることが可能になる。例
えば、ＷＣを添加した場合にはマトリックスなどと反応
してＷＣがＭ₆Ｃ炭化物に変化してしまい、単独粒子と
して残らないが、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃとすることにより安定
化させて分散粒子とすることができる。（４）組織制御が可能となる。金属元素の種類によりマ
トリックスとの反応性が異なることを利用して、金属元
素の種類、比率を変化させることにより、分散粒子の形
状のコントロ−ルが可能となる。（５）化合物中のＣ、Ｎの量ともあわせ複合する金属の
種類と割合を変化させることにより、極めて多数の組み
合せが可能となり、特性の組み合せも大きく広がり、目
的に応じて特性を自由に選択することが可能となる。

【００１０】上述したように炭化物、窒化物および炭窒
化物を、従来の単独の金属元素から構成されるものでは
なく、複数の金属元素により構成される複炭化物、複窒
化物および複炭窒化物とすることにより、種々の特性を
有する硬質合金を得ることができるが、ここでとくに上
述した硬質物質である分散粒子がＷを含むものである場
合には、複炭化物（例えば（Ｔｉ，Ｗ）（ＣＮ））の一
部を占めるＷＣのもつ高い靭性、弾性率を生かすことが
可能となり、特に優れた特性を有する硬質合金とするこ
とができる。本発明においては上述の複数の金属元素に
より構成される複炭化物、複窒化物および複炭窒化物
と、さらに単独の金属元素と炭素や窒素との化合物であ
る炭化物、窒化物および炭窒化物との両者を併せて使用
することを特徴とする。複炭化物、複窒化物および複炭
窒化物に加え、単独の金属元素からなる炭化物、窒化物
および炭窒化物を使用することにより、さらに以下のよ
うな利点が生じる。

【００１１】（１）組織中に分散させる分散粒子の組合
せの自由度が増加しそれぞれの特徴を生かした複合組織
とすることができる。すなわち炭化物、窒化物および炭
窒化物の持つ独自の優れた特性を併せて使用することが
可能となる。（２）複炭化物、複窒化物および複炭窒化物と同等な特
性が得られる場合には炭化物、窒化物および炭窒化物を
使用することによりコストダウンが可能となる。一般に
複炭化物、複窒化物および複炭窒化物の製造工程は炭化
物、窒化物および炭窒化物の製造工程に比べ複雑とな
り、その化合物を形成するための反応温度も高くなり、
その結果として複炭化物、複窒化物および複炭窒化物粉
末の価格は炭化物、窒化物および炭窒化物の粉末価格に
比べて高価となる。

【００１２】複窒化物、複炭窒化物、窒化物、炭窒化物
の形成の仕方として、例えば基地粉末のアトマイズ前に
溶鋼に加圧窒素ガスを接触させるなどの手段を用いるこ
とにより、窒素の一部または全部を基地粉末中に予め固
溶させておき、焼結時に添加した複炭化物、複炭窒化
物、炭化物、炭窒化物などと反応させて形成させる手段
も有効である。この場合は、基地粉末の化学組成は前述
の各元素の範囲に窒素（Ｎ）が重量％で０．０２〜０．
５％程度含有しているものとなる。望ましい範囲として
は０．１〜０．２５％である。

【００１３】

【発明の実施の形態】複炭化物、複窒化物、複炭窒化物
粒子および炭化物、窒化物、炭窒化物粒子の分散は本発
明において、最も重要な構成要件である。本発明におい
てはこれらを添加することにより、ＨＲＣ７１以上の高
い硬さが得られるとともに、高強度、高靭性を併せ持つ
材料とすることができるからである。ここで、複炭化
物、複窒化物および複炭窒化物の添加量が１％未満では
この効果が十分でなく、逆に10%を越えると、焼結性が
低下するので、複炭化物、複窒化物、複炭窒化物の１種
または２種以上を合計で1〜10％とする必要がある。ま
た同時に添加する炭化物、窒化物、炭窒化物について
は、その添加量が１％未満ではこの効果が十分でなく、
逆に10%を越えると、焼結性が低下するので、炭化物、
窒化物、炭窒化物の１種または２種以上を合計で1〜10
％とする必要がある。

【００１４】以下に先に述べた窒素、複炭化物等および
炭化物等以外の本発明における各元素の作用および数値
の限定理由について述べる。Ｃは同時に添加するＷ，Ｍ
o,Ｖなどと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を高
める効果がある。また、一部は基地に固溶して基地の硬
さを高くし、耐摩耗性を向上させる効果もある。したが
って、Ｗ，Ｍo,Ｖなどの炭化物形成元素の添加量との兼
ね合いで最適のＣ含有量がある。本発明の範囲ではＣが
1.0%未満では基地の硬さが十分に得られず、形成される
炭化物量も少ない。逆に4.5%を越えると靭性が劣化する
ので、Ｃは1.0〜4.5%で有ることが必要である。Ｓiは脱
酸元素として鋼質を改良する効果がある。また、基地に
固溶して基地の硬さを高める効果もある。しかし、2.0%
を越えると靭性が低下するのでＳiは2.0%以下であるこ
とが必要である。

【００１５】Ｍｎも脱酸効果があり、さらに焼入れ性を
高める作用があるので、2.0%以下含有させる。特に上記
のＳｉの含有量が高い場合には、フェライトを安定し、
Ａ₁変態点を上昇させるＳｉの弊害をＭｎにより緩和で
きるのでＭｎを2.0%以下、望ましい範囲では0.25〜2.0%
含有させるとよい。Ｃrは炭化物を形成して耐摩耗性を
高める効果があり、さらに基質に固溶して焼入れ性を付
与し、また基地の耐食性も向上させる。Ｃrが3%未満で
は、上記の効果が少なく、逆に10%を越えると熱処理に
よって硬さが得られにくくなるなどの理由でＣrは3〜10
%であることが必要である。ＷおよびＭoは、Ｃと結合し
て、Ｍ₆Ｃ型の炭化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付き性
を高めるために重要であり、また、Ｗ、Ｍoの一部は基
地に固溶した後、焼もどしにより析出硬化し、基地の硬
さを高める効果もある。Ｗ 30%以下、Ｍo 20%以下の１
種または２種がＷ＋2Ｍo量で、４５％を越えると靭性が
著しく低下するため、Ｗ＋2Ｍo量は45%以下である必要
が有る。好ましくはＷ＋２Ｍｏ量で18〜40%、さらに好
ましくは25〜40%である。

【００１６】Ｃoは基地に固溶して基地の硬さを高める
効果がある。しかし、Ｃoが20%を越えると靭性が低下す
るのでＣo 20%以下とした。ＶおよびＮbは、Ｃと結合し
てＭＣ型の炭化物を形成する。この炭化物を微細かつ均
質に分散させると、耐摩耗性、耐焼付き性を大幅に向上
させることができる。Ｖ、Ｎｂの添加量について種々検
討の結果、これを2〜10％とし、後述するように分散粒
子としての複炭化物、複窒化物、複炭窒化物の量を1〜1
0％とし、かつ同時に添加する炭化物、窒化物、炭窒化
物の量を1〜10％とした場合に良好な特性が得られるこ
とが判明した。ここで基地中のＶ、Ｎｂの含有量が2%未
満ではその効果が十分でなく、10％を超えると靭性が低
下するため2〜10％とする必要がある。

【００１７】

【実施例】以下本発明を実施例を用いてさらに詳細に説
明する。（実施例１）C 3.03%,Si 0.41%,Mn 0.29%、Cr 4.22%,W
10.18%, Mo 7.90%, V 8.53%, Co 7.79% 残部 Feの鋼の
組成からなる水アトマイズ粉末を作製し、アトライタ−
にて粉砕した。この基地粉末に対し、表１に示す種々の
複炭化物、複窒化物、複炭窒化物および炭化物、窒化
物、炭窒化物を添加し、混合して造粒の後、２tf/mm²の
圧力にてプレス成形し成形体得た。この成形体を脱脂し
た後、1200〜1250℃にて真空焼結を行って焼結体を作製
した。焼結体を焼なまし後、1240℃にて焼入れし、560
℃×１時間、３回焼戻しを行った。そして、この後、硬
さ(HRC)と抗折力、吸収エネルギ−を測定した。ここで
吸収エネルギ−は抗折力測定時に試験片に付加されるエ
ネルギ−であり、靭性を表す値である。表１に測定結果
を示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】ここで表中の金属元素の比率およびＣ，Ｎ
の比率は全て重量比である。表１より炭化物等が無添加
（Ｎｏ．１）や過少添加の場合（Ｎｏ．１０，１７）に
は硬さHRC７０が得られず、また炭化物等が単独元素の
場合（Ｎｏ．８，９，２６）や、複炭化物等または炭化
物等の添加量が多すぎる場合（Ｎｏ．１５，１６，２
２，２３）には、抗折力や吸収エネルギーが著しく低
い。一方本発明に該当するIVａ族、Ｖａ族、VIａ族元素
のうちの複数の金属元素により構成される複炭化物、複
窒化物および複炭窒化物１種または２種以上とIVａ族、
Ｖａ族、VIａ族元素の炭化物、窒化物および炭窒化物１
種または２種以上を複合で適当量添加した場合には、硬
さHRC71以上、抗折力200kgf／mm²以上、吸収エネルギー
200kgfmm以上を有する優れた特性を持つ焼結体を得られ
ることがわかる。

【００２０】（実施例２）表２に示す１１種類の鋼組成
からなる水アトマイズ粉末Ａ〜Ｉを準備し、表３に示す
平均粒径1〜3μｍの複炭化物等、および炭化物等を同表
に示す割合で混合し、乾燥した後、1.5tf/mm²の圧力に
てプレス成形し、脱脂の後、1200〜1250℃で真空焼結を
行って焼結体を作製した。焼結体を焼なまし後、1240℃
にて焼入れ、560℃×１時間、３回焼戻しを行った。こ
の焼結品について硬さ(HRC)と抗折力、吸収エネルギ−
を測定し、結果を表３に示す。表３には表２に示す水ア
トマイズ粉末のうち、Ａ，Ａ‘，Ｂ，Ｂ’を代表して示
してある。

【００２１】

【表２】

【００２２】表３より炭化物等が無添加（Ｎｏ．１，１
０）の場合や過少添加の場合（Ｎｏ．１４）にはHRC70
の硬さが得られず、また複炭化物等と炭化物等の添加量
が多すぎる場合（Ｎｏ．１７）には、抗折力や吸収エネ
ルギーが著しく低いのに対し本発明に該当するIVａ族、
Ｖａ族、VIａ族元素のうちの複数の金属元素により構成
される複炭化物、複窒化物および複炭窒化物の１種また
は２種以上とIVａ族、Ｖａ族、VIａ族元素の炭化物、窒
化物および炭窒化物の１種または２種以上を適当量添加
した場合には、硬さHRC71以上、抗折力200kgf／mm²以
上、吸収エネルギー200kgfmm以上を有する優れた特性を
持つ焼結体が得られることがわかる。

【００２３】

【表３】

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
硬質粒子を含む焼結超硬質合金において、IVａ族、Ｖａ
族、VIａ族元素のうちの複数の金属元素により構成され
る複炭化物、複窒化物および複炭窒化物と、さらにIVａ
族、Ｖａ族、VIａ族元素の炭化物、窒化物および炭窒化
物とを複合添加することにより、従来の単独元素の炭化
物、窒化物および炭窒化物のみを用いた場合に比べ、強
度、靭性が大幅に向上することができる。これにより本
発明の焼結超硬質合金は切削工具としての耐欠損性を大
幅に向上することができるし、その他の各種の金型や治
工具としての焼結超硬質合金の用途拡大に非常に有効で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量%でＣ 1.0〜4.5%、Ｓi 2.0%以下、
Ｍｎ 2.0%以下、Ｃr3〜10%、Ｗ 30%以下とＭo 20%以下
の１種または２種をＷ＋2Ｍoで45%以下、ＶとＮbの１種
または２種を2〜10%、Ｃo 20%以下を含み、残部Ｆeおよ
び不可避的不純物からなる組成を有する基地粉末に、該
基地粉末の全重量に対して1〜10%のIVａ族、Ｖａ族、VI
ａ族元素のうちの複数の金属元素により構成される複炭
化物、複窒化物および複炭窒化物の１種または２種以上
と、前記基地粉末の全重量に対して1〜10%のIVａ族、Ｖ
ａ族、VIａ族元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の１
種または２種以上とを混合し、焼結により結合したこと
を特徴とする焼結超硬質合金。
【請求項２】複炭化物、複窒化物および複炭窒化物が
Ｗを含むものであることを特徴とする請求項１に記載の
焼結超硬質合金。