JPH0941102A

JPH0941102A - 焼結超硬質合金

Info

Publication number: JPH0941102A
Application number: JP19943895A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kubo; 裕久保
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 1997-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】切削工具その他の治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。【構成】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、Ｍo
20%以下の１種または２種をＷ＋2Ｍoで45%以下、ＶとＮ
b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%の炭化物、窒化物および炭
窒化物から選ばれる１種または２種以上の粒子とを混合
し焼結により結合した焼結超硬質合金において、炭化
物、窒化物および炭窒化物が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である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用の素材、金属
塑性加工用の型、工具および治具、樹脂成形用の型や工
具、各種の刃物、および工業用の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５
８−１８１８４８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Ｍ₆Ｃ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
はさらにＴｉＮ等の硬質物質を多量に含有するものであ
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５−７５８２２号が知られている。

【０００３】これらは、いずれもＣｅｑ＝０．０６Ｃｒ
＋０．０３３Ｗ＋０．０６３Ｍｏ＋０．２Ｖとすると
き、０≦Ｃ−Ｃｅｑ≦０．６とＣｅｑに比べ、高炭素と
すること、および比較的に少量(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。また本発明者らに
よる特開平２−１２５８４８号に開示された合金はＴｉ
Ｎ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、特に機械的特性、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〜2
5%の分散相が、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖおよ
びＷのうちの２種または３種以上の金属の複合金属炭窒
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
記の従来の焼結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言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
１２５０℃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、従来の上記の欠点を解消し、
通常の焼結温度を適用して強度、靭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
質物質である炭化物、窒化物、炭窒化物を従来のように
単独の金属元素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
化物とすることにより強度、靭性の特性が大幅に向上で
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
野も拡げ得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】すなわち本発明は重量%
でＣ 1.0〜4.5%、Ｓi 2.0%以下、Ｍｎ 2.0%以下、Ｃr3
〜10%、ＷとＭｏはＷ 30%以下、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%炭化物、窒化物および炭窒化物から選ばれる
１種または２種以上の粒子とを混合し焼結により結合し
た焼結超硬質合金において、炭化物、窒化物および炭窒
化物が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
化物であることを特徴とする強度、靭性にすぐれた焼結
超硬質合金である。

【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から構成させるも
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を特徴とする
が、それによる利点は以下に説明するとおりである。（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）というＴｉの炭窒化物に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
金の靭性と強度の向上をはかることが可能となる。

【０００８】（２）単独では組織上の化合物として不安
定で適用できないものも、他の金属元素を複合化するこ
とにより安定になり適用可能となる。例えば、ＷＮ、Ｍ
ｏＮ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、Ｔａ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できないものも、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型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。

【００１０】（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）Ｃ、Ｎの量ともあわせ複合の金属の種類と割合
で、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、目的に応じて自由に特性を選択する
ことが可能となる。

【００１１】上述したように炭化物、窒化物および炭窒
化物を構成する金属が、従来のように単独の金属元素に
より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(Ｔ
ｉ，Ｗ)(ＣＮ））の一部を占めるＷＣのもつ高い靭性と
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。なお、これらのほか
に従来から使用されている単一元素からなる炭化物、窒
化物および炭窒化物も併せて添加することは、何ら制約
されるべきものではない。これらの化合物も複化合物の
形成するポテンシャルを有するからである。炭窒化物、
窒化物、複窒化物、複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で、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、焼結時に添加した炭化物や
炭窒化物あるいは複炭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。

【００１２】

【発明の実施の形態】複炭化物、複窒化物、複炭窒化物
粒子の分散は本発明において、最も重要な構成要件のう
ちの一つである。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、これらを１
種または２種以上を合計で１〜10％とする必要がある。
先に述べた特公平5-55587号の焼結体では硬質粒子の添
加量を10%を越えて添加しているので焼結温度を1250〜1
280℃と高温にしないと焼結性が保証されない。また、
添加量が多いと強度が低下してくるので10%が限度であ
る。

【００１３】以下に、先に述べたＮ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，Ｍo,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。本発明の成分範囲では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
あることが必要である。

【００１４】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Ｓ
iは2.0%以下であることが必要である。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。

【００１５】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、
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
めに重要である。また、Ｗ、Ｍoの一部は焼入れ時基地
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は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とＮｂの添加量について種々
検討の結果、これを2〜10%とし、さらに後述するように
分散粒子としての複炭化物、複窒化物、複炭窒化物の量
を1〜10%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。本発明においては、Ｖ、Ｎ
ｂの１種または２種を基地粉末中にあらかじめ含有させ
ておく方法の他に、ＶＣ、ＮｂＣなどの炭化物を、分散
粒子として炭化物、窒化物、炭窒化物の１種または２種
以上と同時に添加して、両者を合計して2〜10%となるよ
うな添加方法を採用することもできる。

【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、造粒の
後、２tf/mm2の圧力にてプレス成形し成形体を得た。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。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)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,Ｎo.9,
Ｎo.19)や、複炭化物等の添加量が多過ぎる場合(Ｎo.1
5,Ｎo.16)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、複炭化物、複窒化物およ
び複炭窒化物の一種または二種以上の適当量を用いた場
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
品を得ることができることがわかる。

【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、脱脂した後、1200〜1250℃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
て、結果を表３に示すが、表３には表２に示す水アトマ
イズ粉末のうち、Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′を代表して表示し
てある。

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】表３より複炭化物等が、添加されていない
Ｎo.1,Ｎo.10と添加量が少ないＮo.13では、HRC70の硬
さが得られておらず、添加量が多すぎるＮo.17では、抗
折力と吸収エネルギーが著しく低いのに対し、本発明に
該当する複炭窒化物を適当量用いた場合には、硬さHRC7
1以上、抗折力200kgf／mm²以上、吸収エネルギー200kgf
mm以上の優れた特性を持つ焼結品を得ることができるこ
とがわかる。

【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、分散粒子とし
て添加する硬質粒子である炭化物、窒化物および炭窒化
物が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
よび炭窒化物を用いた場合に比べ、強度、靭性を大幅に
向上することができる。これにより本発明の焼結超硬質
合金は切削工具等としての耐欠損性を大幅に向上するこ
とができるうえ、その他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、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%の炭化物、窒化物およ
び炭窒化物から選ばれる１種または２種以上の粒子とを
混合し焼結により結合した焼結超硬質合金において、前
記炭化物、窒化物および炭窒化物が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であることを特徴とす
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の
いずれかの化合物が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。