JPS5812334B2 - 硬質焼結合金の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鉄を含む硼化物または複硼化物を硬質相として
含み、Ｆｅ１原子の周期率表でＶ−ａ族金属のＴｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｖ−ａ族金属のＶ１Ｎｂ１Ｔａ，Ｖ−ａ族金
属のＣｒ，Ｍｏ１Ｗおよびこれらの混合物の１種または
２種以上の金属か合金あるいは、これらの金属を主成分
とする合金よりなる結合相を含む新規な硬質焼結合金の
製造法に関するものである。

本発明方法による合金は高速度鋼と同等、もしくはそれ
以上の高硬度を有し、かつ高い強度を有する緻密な焼結
合金であり、また常温および高温での耐食性、耐酸化性
も優れた特徴を有する。

更に、従来から実用きれているＷＣ系超硬合金と比較し
て、匹敵し得る硬度と強度をもつ焼結合金を得ることが
可能であり、かつ資源的に豊富な鉄やクロム等の元素を
多く含むので安価に製造できる上に、比重は７〜７．５
程度でＷＣ系超合金の約１／２であり、軽いという特徴
を有する。

上記の特徴から本発明方法による合金は、耐摩耗性、耐
食性、耐熱性、耐酸化性あるいはこれらの特性を具備し
た材料として、引き抜き等の各種ダイス、切削工具、切
断工具、としての打ち抜き金型やプレス金型、スリツタ
ーの刃やその他の刃物等の広範囲の用途に利用できる。

本発明方法による合金は４０〜９６重量係の硬質相と、
４〜６０重量係の結含相よりなる。

前記硬質相は鉄硼化物、もしくはその一部を１種または
２種以上の非鉄元素を含む鉄系複硼化物、非鉄元素の硼
化物あるいは非鉄元素の複硼化物の１種または２種以上
で置き換えた少なくとも２０重量係以上の鉄元素を含む
複硼化物である。

ここでいう非鉄元素とはＶ−ａ族、ｖ−ａ族、Ｖ−ａ族
に含まれるＴｉ．Ｚｒ．Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ１Ｔａ，Ｃｒ１
Ｍｏ，Ｗの各元素および■族のＮｉ，ＣＯ、■一ａ族の
Ｍｎおよび非金属元素である０１Ｎ１Ｐである。

またこれらの元素の他にもＬｉ，Ｎａ，Ｋなどのアルカ
リ金属、Ｂｅ，Ｍｇ．Ｃａ１Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ
士類金属、Ｌａ１Ｃｅなどのランタン系元素、ＴｈｖＮ
）ｖなどのアクチニウム系元素、Ｒｕ，Ｒｈなどの■族
元素などの硼化物があり、これらの少量を添加し、また
は不純物として含まれることは可能であり、こりらが少
量含まれることをさまたげるものではない。

結合相はＦｅ１Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ．Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ
１Ｎｂ，Ｔａ，から選ばれる金属、あるいはこれらの合
金、またはこれらの金属または合金を主成分としＮｉ，
Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｐ１Ｃのうち１種以上を補助成分と
する合金の１種または２種以上よりなる。

硬質相および結合相の範囲を上記の範囲に限定したのは
、硬質相が４０重量φ未満では硬度が不足し、結合相が
４重量係未満では靭性が不足するからである。

また硬質相となる硼化物中の鉄元素の含有量は２０重量
係以上、好ま１くは３０重量係以上とすることが望まし
い。

また鉄の上限は９６．８重量係である。

この理由は、鉄を含有する複硼化物の焼結体が充分に高
い硬度と靭性を示すこと、ＣｒやＭｏなどの適量添加に
よってステンレス鋼と同様の優れた耐食性と耐熱性、耐
酸化性を糸すこと、鉄を主とした硼化物粉末は工業的に
容易に作ることができること、鉄は資源的に豊富であり
、かつ最も安価であることによる。

焼結合金中のＢの含有量は３〜２０重量係、好ましくは
４〜１７重量係である。

Ｂ量が３％より少ないと、硬度が目的とする高硬度に達
しなくなる。

逆にＢ量が多過ぎると抗折力の低下をもたらし、充分な
靭性を得ることが困難になるので上限は２０飴である。

鉄一硼素系合金は溶解鋳造することが可能であるが、鋳
造された合金は非常に脆く、また熱間や冷間の加工が困
難であり、機械加工も困難であるために実用に供し難い
。

また、ＺｒＢ２ＡＭｏＢ２（融点２１００℃）、ＴｉＢ
２（融点２８００〜３０００Ｃ）、ＷＢ（融点２４００
〜２８００℃）やＮｂＢ２（融点３０００℃）などを硬
質相として多く含有する成分は通常の加熱溶解法では、
硼化物の融点が高過ぎるために、溶解法に困難が伴なう
。

本発明方法では、粉末冶金法を用い、焼結合金とするこ
とによって合金に充分な強度を与え、最終的な所望の形
状を持った硬質合金を容易に作ることができる。

本発明の硬質合金は、鉄を含む硼化物合金粉末と金属粉
末を混合後、圧粉成型し、焼結して製造される。

焼結の際に硼化物相と金属相間に共晶液相を生じること
によって、緻密な焼結合金が容易に得られる。

したがって結合相の中には少量の硼素が含有されるもの
と考えられる。

また硼化物合金粉末中の金属成分を硼化物生成量よりも
過剰に含有させておけば、結合相としての金属粉末を添
加混合することなしに焼結して製造することも可能であ
る。

本発明の硬質焼結合金の製造法において、合金中の硬質
相を形成する硼化物粉末は所望の元素を含有させた溶融
合金を細孔から落下させ、ノズルから噴出する高圧の水
流またはアルゴンガスや窒素ガスによって粉砕する、い
わゆる水アトマイズ法または、ガスアトマイズ法によっ
て作ることが工業的に有利であるが、その他の粉末製造
法を利用してもよい。

このようにして作られた硬質硼化物合金粉末に、結合相
を形成させる金属粉末を混合し．て圧粉成形して所望の
形の圧粉体とし、この圧粉体を真空中または水素ガスや
アルゴンガス等の還元性雰囲気や不活性雰囲気中で加熱
し、一部液相を生成させることによって、焼結体の密度
を上昇させる。

しかしながら、ＴｉＢ２やＷＢＳＮｂＢ２、ＺｒＢ２、
やＭｏＢ２などの高融点の硼化物を多く含む硬質硼化物
合金粉末は、これらの合金を加熱溶解して、水やガスで
粉砕するアトマイズ法では、溶解温度を非常な高温とし
なければならないので、粉末の製造法に困難が伴なう。

その他の気相硼化法なども工業的な実施について問題が
ある。

この点に関して、本発明者らは、低融点の鉄硼化物およ
び鉄系複硼化物合金粉末に、高融点硼化物を生成する元
素の粉末や金属粉末を添加し、混合して、圧粉、成形後
焼結し、焼結中こ高融点の硼化物を生成させ、同時に焼
結も完了させるととができるということを見出した。

すなわち、製造が容易でかつ比較的低融点の鉄硼化物粉
末または鉄系複硼化物合金粉末に、Ｍｏ，Ｗ・・・・・
・合金粉末」とあるのを「鉄硼化物よりも高融点の硼化
物を生成し得るＣ粉末ミまたはＭｏ１Ｗ，Ｃｒ，Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ１Ｖ１Ｎｂ，Ｔａから選ばれる金属粉末ある
いはＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ１Ｚｒ．Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
ａおよびＦｅの合金粉末、もしくはＣｒ’ＭＯ％Ｗ１Ｔ
ｔ％ＺｒＮＨｆ，Ｖ、Ｎｂ，ＴａおよびＦｅを主成分と
しＮｉ１Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｐ，Ｃのうち１種以上を補
助成分とする合金粉末を添加混合し、圧粉、成形後焼結
する。

焼結の際に鉄硼化物と高融点硼化物生成元素との反応に
より、高融点硼化物を生成させ、同時に液相を生じさせ
、がつ適量の結合相を残すように粉末の混合比を選ぶこ
とにより、高硬度で強度も高い、緻密な焼結合金を作る
ことができるのである。

上記のようにして作った高融点硼化物を含有する焼結体
を低密度としておき、これを再粉砕して粉末とし、この
粉末に結合材となる金属または合金粉末を添加混合して
圧粉し、焼結して硬質焼結合金としてもよい。

本発明方法による硬質焼結合金は、液相焼結によって焼
結体を高密度化するが、熱間静水圧プレス法、熱間プレ
ス法、熱間鍛造法や放電焼結法などの方法によって、あ
るいはこれらの方法を液相焼結法と併用する方法によっ
て高密度焼結体を作ることもできる。

また常温での耐食性、高温での耐酸化性、耐熱性をより
向上させるためには、硬質相にＣｒやＭｏ，Ｎｉ等の合
金元素を含有させることが有効である。

また結合金属材としてＣｒ粉末やＭｏ粉末を用いること
も同様に効果がある。

次に本発明を実施例により説明する。

実施例 １ 鉄、フエロポロンおよびフエ口クロムを原料として高周
波炉により溶解した溶湯を水圧７０ｋＶ／ＣＩ！で水ア
トマイズにより粉砕して、Ｂ７．８重量係、Ｃｒｌｌ．
７重量係、残部は鉄および少量の不純物よりなる粒度８
０メッシュ以下の硼化物合金粉末を作成した。

この硼化物合金粉末とＣｒ粉末、Ｎｉ粉末およびＷ粉末
を９０：５：３：２の重量係で配合し、ボールミルによ
り、エチルアルコール溶液を用いて、４８時間湿式混合
微粉砕した後、真空乾燥をおこないＡ３ｔ／ｃＩ！め成
形圧力で圧粉した成形体を、１０””ｉｉＨｇの真空中
で１１７０℃で３時間焼結した。

抗折力１３０ｋｇ／ｍｍ２，硬度ＨＲＡ８５を示す密な
焼結体が得られた。

実施例 ２ 実施例１の鉄系複硼化物合金粉末９０重量係に対し、Ｎ
ｉ，１．３重量係、Ｍｏ０．６重量係、Ｃｕ１．６重量
係残部はＦｅよりなる鉄合金粉末を１０重量係の割合で
配合し、ボールミルにより４８時間湿式混合し微粉砕し
た後、真空乾燥した粉末を３ｔ／ｃＩ／の成形圧力で圧
粉し、成形体を真空中１１８０℃において３時間焼結し
た。

抗折力１２０ｋｇ／ｍｍ２、硬度ＨＲＡ８３を示す緻密
な焼結体が得られた。

実施例 ３ 実施例１の鉄系複硼化物合金粉末とＣｒ粉末を９０：１
０の重量係で配合し、ボールミルにより４８時間湿式混
合微粉砕したあと、真空乾燥をおこなった粉末を３ｔ／
ｃＩ１の成形圧力で圧粉し、成形体を真空中１２００℃
において３時間焼結した。

抗折力１１５ｋｙ／ｍｍ４、硬度ＨＲＡ８４を示す密な
焼結体が得られた。

実施例 ４ 鉄、フエロボロン、フエ口クロムを原料として高周波溶
解炉で溶解した溶湯を水アトマイズ法により粉砕してＢ
１６．６重量係、Ｃｒ９．５重量係、残部は鉄よりなる
組成と８０メッシュ以下の粒度を有する鉄系硼化物合金
粉末を作成した。

この硼化■合金粉末とＭｏ粉末、Ｃｒ粉末、Ｔｉ粉末お
よびＦｅ粉末を重量係で４５：２７：１２：７：９にて
配合し、ボールミルで４８時間湿式混合粉砕した後、真
空乾燥をおこなった。

得られた粉末を３ｔ／ｉｍ２の圧力で、圧粉成形し、真
空中１３００℃において、２時間焼結した。

抗折力１００ｋｇ／ｒｎ４、硬度ＨＲＡ８９を示す緻密
な焼結合金が得られた。

実施例 ５ 実施例４の鉄系硼化物合金粉末とＴｉ粉末およびＦｅ粉
末を重量係で７０：２０：１０に配合し、ボールミルで
４８時間湿式混合粉砕したあと、真空乾燥をおこなった
。

得られた粉末を３ｔ／ｆｆｌの圧力で圧粉成形し、１３
００℃で２時間真空中で焼結した。

抗折力７８ｋｇ／ｍｍ２，硬度ＨＲＡ８５の緻密な焼結
体が得られた。

この焼結体をＸ線回析により同定した。

同定の結果はＦｅ２ＢＮＴｔＢ２、Ｔｉと少量のＦｅの
存在が確認された。

ＦｅＢの存在は認められなかった。

低融点の鉄硼化物であるＦｅＢ（融点１５４０Ｃ）を含
む鉄系硼化物合傘粉末と、Ｔｉ粉末が焼結中に反応し、
高融点硼化物であるＴｉＢ２（融点２９８０Ｃ）を生成
したことが確認された。

実施例 ６ 実施例４の鉄系硼化物合金粉末とＭｏ粉末、Ｃｒ粉末、
Ｚｒ粉末、Ｆｅ粉末およびＮｉ粉末を重量係で４８：２
５：１０：７：８：２に配合し、ボールミルで４８時間
湿式混合粉砕したあと、真空乾燥をおこなった。

得られた粉末を３ｔ／ｆｆｌの圧力で圧粉成形し、真空
中で１３５０℃において２時間焼結した。

抗折力６８ｋｇ／ｍＡ２，硬度ＨＲＡ９０の焼結体が得
られた。

実施例 ７ 実施例４の鉄系硼化物合金粉末と、ＭＯ粉末、Ｎｂ粉末
、Ｔｉ粉末、Ｃｒ粉末および低炭素鋼粉末を重量係で４
３：１９：７：７：１１：１３に配合し、ボールミルで
４８時間湿式混合粉砕したあと、真空乾燥をおこなった
。

得られた粉末を３ｔ／ｃｍ２の圧力で圧粉成形し、１２
５０Ｃで２時間真空中で焼結した。

抗折力８３ｋｇ／ｍｉ２、硬度ＨＲＡ８９の緻密な焼結
体が得られた。

実施例 ８ 実施例４の鉄系硼化物今金粉末とＭｏ粉末、Ｔｉ粉末、
Ｃｒ粉末、低炭素鋼粉末およびＴｉＣ粉末を重量係で４
５：２７：６：１２：９：１に配合し、ボールミルで４
８時間湿式混合粉砕したあと真空乾燥をおこなった。

得られた粉末を３ｔ／ｆｆｌの圧力で圧粉成形し、１３
００℃で２時間真空中で焼結した。

抗折力８１ｋ９／ｍＡ２、硬度ＨＲＡ８８の緻密な焼結
体が得られた。

実施例 ９ 実施例４のＦｅ−１６．６％Ｂ−９．５％Ｃｒ粉末４０
重量係にＦｅ−６０％Ｃｒ粉末２３．４重量チ、Ｆｅ−
４０％Ｔｉ粉末１７．５重量係とＦｅ−６０％ＭＯ粉末
１９．１重量係を配合し、ボールミルで４８時間湿式混
合粉砕したあと真空乾燥をおこなった。

得られた粉末を３ｔ／ｃｒＬの圧力で圧粉成形し、真空
中１３００℃で１時間焼結した。

抗折力９５ｋｇ／ｍｉｘ，硬度ＨＲＡ８７の焼結体が得
られた。

密度はη．０１ｇ／ｃｒｉであった。

実施例 １０ 実施例４の鉄系硼化物合金粉末と、ＭＯ粉末、Ｃｒ粉末
、Ｎｉ粉末、Ｆｅ粉末、Ｃ粉末を重量係で４５：２８：
５：１０：１１．３：０．７に配合し、ボールミルで４
８時間湿式混合粉砕したあと、真空乾燥をおこなった。

得られた粉末を３ｔ／ｃｎ！の圧力で圧粉成形し、１２
７５℃で１時間真空中で焼結した。

抗折力１４０ｋｇ／ｍｍ２。

硬度ＨＲＡ８８の緻密な焼結体が得られた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ＦｅＢおよび／またはＦｅ２Ｂを主成分とする鉄硼
   化物、ＦｅおよびＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ１Ｔａ．
   Ｃｒ，Ｍ６、Ｗ，Ｎｉ，Ｃｏ．Ｍｎから選ばれた非鉄元
   素の１種以上から成る、鉄系複硼化物合金粉末に、これ
   らの鉄硼化物よりも高融点の硼化物を生成し得るＣ粉末
   または、Ｃｒ１Ｍｏ１Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ
   ，Ｔａから選ばれる金属粉末あるいはＣｒ１Ｍｏ１Ｗ，
   Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ１Ｖ．Ｎｂ，ＴａおよびＦｅの合金粉
   末、もしくはＣｒ，Ｍｏ，Ｗ１Ｔｉ，Ｚｒ１Ｈｆ．Ｖ、
   Ｎｂ，ＴａおよびＦｅを主成分としＮｉ．Ｃｕ，Ｃｏ，
   Ｍｎ．Ｐ，Ｃのうち１種以上を補助成分とする合金粉末
   の１種または２種以上を混合し、該混合時に焼結後の硬
   質焼結合金の硬質相が４０〜９６重量チになる範囲の混
   合比とし、湿式法によって機械的に微粉化混合をおこな
   った粉末を、圧縮成形した後、真空中、還元ガス中ある
   いは不活性ガス中で加熱して焼結し、該焼結中の反応に
   より高融点、高硬度の硼化物または複硼化物を形成させ
   、同時に液相焼結をおこなうことを特徴とする耐摩耗性
   を有する該硬質焼結合金の製造法。 ２ ＦｅＢおよび／またはＦｅ２Ｂを主成分とする鉄硼
   化物、ＦｅおよびＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ１Ｔａ，
   Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ１Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎから選ばれた非鉄元
   素の１種以上から成る鉄系複硼化物の化学成分になるよ
   うに調整して加熱落解した溶湯を、高圧の水流または不
   活性ガス流によって粉砕して粉末とし、該粉末に特許請
   求の範囲第１項記載の結合相を形成させるＦｅ１Ｃｒ，
   Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉ，Ｚｒ１Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａから選ば
   れる金属粉末、あるいはこれらの合金粉末、またはこれ
   らの金属または合金を主成分としＮｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍ
   ｎ，Ｐ，Ｃのうち１種以上を補助成分とする合金粉末の
   １種または２種以上を混合し、該混合時に焼結後の硬質
   焼結合金の硬質相が４０〜９６重量係になる範囲の混合
   比とし、湿式法法によって機械的に微粉化混合をおこな
   った粉末を、圧縮成形した後、真空中、還元ガス中ある
   いは不活性ガス中で加熱することによって液相焼結をお
   こなわせることを特徴とする耐摩耗性を有する該硬質焼
   結合金の製造法。