JPS5854183B2 - 酸素を含有した炭化タングステン基焼結硬質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特に切削工具用材料として使用した場合に
著しくすぐれた切削特性を示す酸素を含有した炭化タン
グステン（以下ＷＣで示す）基焼結硬質合金に関するも
のである。

従来、一般に焼結硬質合金は、 （ａ）ＷＣを主成分として含有するＷＣＣ超超硬合金（
ｂ） 炭化チタン（以下ＴｉＣで示す）、窒化チタン
（以下ＴｉＮで示す）、あるいは炭窒化チタン（以下Ｔ
１ＣＮで示す）を主成分として含有するサーメット、 （ｃ）酸化アルミニウム（以下Ａｌ２Ｏ３で示す）を主
成分として含有するセラミックス、 に大別されてきた。

これら従来焼結硬質合金のうちで、セラミックスは、こ
れを切削工具として使用した場合、靭性の点で上記ＷＣ
Ｃ超超硬合金よびサーメットに比して劣るため、Ａｌ２
Ｏ３のもつすぐれた耐熱性、耐酸化性および耐溶着性を
十分に生かしきれず、したがってごく一部の限られた分
野で実用されているにすぎない。

また、上記サーメットにおいては、ＴＩＣを主成分とす
るものが大半を占めており、しかもＴｉＣはＷＣに比し
て靭性および耐塑性変形性が劣るために、このＴｉＣ基
サーメットを負荷の大きい断続切削、黒皮切削、および
高硬度材切削に使用した場合に欠損を起しやすいという
問題点があり、このようなことからＴｉＣ基サーメット
の靭性改良に関する研究が活発に行なわれており、前記
ＴｉＣ基サーメットにＷあるいはＷＣや、窒化チタン（
以下ＴｉＮで示す）あるいはＴ１ＣＮなどの成分を添加
含有させることによって靭性を改善することが検討され
ている。

確かに、上記従来ＴｉＣ基サーメットにＷあるいはＷＣ
成分を添加含有させると、このＷあるいはＷＣがＴｉＣ
の周囲をとり囲む中間相と呼ばれる周辺組織に固溶して
ＴｉＣを核とした２重組織を形成し、硬質相と結合相と
のぬれ性が改善されるようにはなるが、ＴｉＣ自体の強
度向上は本質的にはかられていないため、このサーメッ
トが高強度をもつには至っていない。

また、上記従来ＴｉＣ基サーメットにＴｉＮを添加含有
させると、このＴｉＮはよく知られるように窒化ジルコ
ニウム（以下ＺｒＮで示す）とともに遷移金属窒化物の
うちで最も安定な化合物であり、しかも高い熱伝導率と
すぐれた耐熱衝撃性をもつことと含まって、焼結時に硬
質相の粒成長を抑制し、比較的脆い周辺組織の発達を抑
えるように作用するから、サーメットの靭性が向上する
ようになるが、所望の靭性をサーメットに付与するため
には多量の添加含有が必要である。

しかし、このように多量のＴｉＮをサーメットに添加含
有させると、ＴｉＮの結合相とのぬれ性が悪くなると共
に、サーメット組織中に巣やボア（小孔）ができやすく
なってサーメットの強度が著しく低下するようになるこ
とから、ＴｉＮを多量に含有させることができず、この
結果所望のすぐれた靭性をもつものは得られないのが現
状である。

さらに、上述のようにＴｉＣ基サーメットにＴ１ＣＮを
添加含有させるか、あるいはＴ１ＣＮを主成分として含
有させるか、することによってサーメットの靭性を改善
することも検討されているが、これらサーメットにおい
ても、ＴｉＮを同様な目的で添加含有させた上記のサー
メットと比較して、その合金特性および切削性能にほと
んど差がないことから判断しても、前記Ｔ１ＣＮ含有サ
ーメットおよび前記ＴｉＣＨ基サーメットが本質的に高
強度および強靭性をもつものではないことが理解される
。

」−述のように、ＴｉＣ基サーメットにＷあるいはＷＣ
や、ＴｉＮあるいはＴ１ＣＮなどを添加含有させたサー
メット、さらにはＴｉＮ基およびＴ１ＣＮ基サーメット
においては、硬質相が微細になっているため、合金硬さ
および合金抗折力が多少向上したものになっているが、
硬質相の強度が本質的に改善されたものになっているわ
けではないので、高強度をもつには至っておらず、しか
もその靭性にしてもＷＣＣ超超硬合金は及ばないもので
ある。

このように上記従来ＷＣＣ超超硬合金靭性面で上記従来
サーメットに比してすぐれているが、ＷＣ成分は耐熱性
、耐酸化性、および耐溶着性の面でＴｉＣ成分に及ばな
いので、高速切削のような耐熱性、耐酸化性、および耐
溶着性が要求される切削に前記ＷＣＣ超超硬合金使用し
た場合、前記ＴｉＣ基サーメットに比して著しく劣った
切削性能を示すものである。

このようなことからＷＣＣ成分りも耐熱性、耐酸化性、
および耐溶着性にすぐれた（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ成分およびＴ
ａＣ成分を多量に含有させるこによって高速切削の改善
をはかった、ＪＩＳ分類のＰ系列に属するＷＣ（Ｗ、Ｔ
ｉ）Ｃ−ＴａＣＣ。

系のＷＣＣ超超硬合金うちのＰＬＯグレードのものが主
として高速切削用として利用されているが、このＰＩＯ
グレードによっても切削速度が２００ｍ／ｍ２７２を越
えると、切削工具の摩耗、特にクレータ−摩耗がはげし
く実用上使用不可能であるのが現状である。

さらに、初速時の熱発生が犬きく、シかも切刃にかかる
応力も大きい重切削に使用される切削工具には高い耐熱
性、耐塑性変形性、および耐衝撃性が要求され、この重
切削にはＷＣＣ超超硬合金ＪＩＳ分類のＰ３０グレード
のものが多く利用されているが、このＰ３０グレードは
、耐熱性および耐塑性変形性を備えているものは耐衝撃
性が不足し、また逆に耐衝撃性を備えているものは耐熱
性および耐塑性変形性が不足するものが多く、このよう
にＰ３０グレードは、耐熱性、耐塑性変形性、および耐
衝撃性のすべてを兼ね備えたものではないため、これを
送りおよび切込みの大きい重切削に使用した場合、すぐ
れた切削性能を示さないものである。

上述のように、従来ＷＣＣ超超硬合金従来サーメットに
は、それぞれ不得意とする切削領域が存在し、特に靭性
を重要視する切削には、多くの限定条件がある前記サー
メットよりはむしろ靭性を有する前記ＷＣＣ超超硬合金
多く使用されることになる。

しかしながら、上記したように従来ＷＣ基焼結合金にお
いても、高速切削は勿論のこと、その靭性が生かせるは
ずの重切削で充分満足する切削性能を示すものには至っ
ておらず、かかる点からＷＣＣ超超硬合金切削領域を拡
大するには、その耐熱性、耐酸化性、耐溶着性、耐塑性
変形性、および耐衝撃性を同時に向上させる必要がある
。

本発明者等は、上述のような観点から、耐熱性、耐酸化
性、耐溶着性、耐塑性変形性、および耐衝撃性を同時に
兼ね備えてＷＣ基焼結硬質合金を得べく研究を行った結
果 （ａ） 必要に応じてクロム族金属のうちの１種また
は２種以上を、合金の高温強度並びに焼結時における硬
質相とのぬれ性を向上させる目的で含有させた鉄族金属
のうちの１種または２種以上を結合相形成成分として５
〜３０容量％の割合で含有するＷＣ基焼結硬質合金に、
長年にわたって利用されてきた（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ成分およ
びＴａＣ成分に代って、酸素と、炭素および窒素のいず
れか、または両方との総量に対する酸素の割合がモル比
で０．２以下をもつ、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物、およ
び炭窒酸化物、並びにＴｉと、Ｔｉを除く周期律表の４
ａ、５ａ、および６ａ族金属のうちの１種または２種以
上の炭酸化物、窒酸化物、および炭窒酸化物（以下これ
らを総称して炭・窒酸化物という）のうちの１種または
２種以上を１〜５０容量％の割合で含有させると、前記
炭・窒酸化物には、 ■ 球状化した状態で均一微細に分散する。

■ 粒子同志の凝着が起りにくい。

■ （Ｗ、Ｔｉ）Ｃ成分に比して、耐熱性、耐酸化性、
および耐溶着性にすぐれ、合金強度を低下させない。

■ ＷＣの粒成長を抑制する。

などの特性があるため、前記ＷＣ基焼結硬質合金はすぐ
れた耐熱性、耐酸化性、および耐溶着性をもつようにな
ると共に、粗大ＷＣの存在がないことから耐衝撃性にも
すぐれたものになり、従来ＷＣＣ超超硬合金不得意とし
ていた高速切削および重切削に使用した場合にすぐれた
切削性能を発揮するようになること。

（ｂ） 上記（ａ）項に示されるＷＣ基焼結硬質合金
に、１〜５０容量％の範囲で周期律表の４ａ、５ａ。

および６ａ族金属の炭化物、窒化物、および炭窒化物（
以下これらを総称して炭・窒化物という）のうちの１種
または２種以上を含有させると前記合金の耐摩耗性がさ
らに一段と向上するようになること。

以上（ａ）および（ｂ）項に示される知見を得たのであ
る。

この発明は、上記知見にもとづいてなされたものであっ
て、以下に上述のように数値限定した技術的理由を説明
する。

（１）炭・窒酸化物の含有量 その含有量が１容量％未満では、所望のすぐれた耐熱性
、耐酸化性、耐溶着性、および耐衝撃性を合金に付与す
ることができず、一方５０容量％を越えて含有させると
焼結性が劣化し、合金組織中に巣やボアができやすくな
って耐衝撃性が低下するようになることから、その含有
量を１〜５０容量％と定めた。

（２）炭・窒酸化物における０／（Ｃ＋０）、０／（Ｎ
、＋ ０ ）、および０／（Ｃ＋Ｎ＋０）のモル比 これらのモル比が０．２を越えると、酸素の含有量が多
くなり過ぎて焼結性が劣化し、合金組織中に巣やボアが
できやすくなって耐衝撃性が低下するようになることか
ら、そのモル比を０．２以下に限定した。

（３）炭・窒化物の含有量 その含有量が１容量％未満では所望の耐摩耗性を確保す
ることができないので１％以上の含有が必要であるが、
５０容量％を越えて含有させると、ＷＣのもつすぐれた
耐塑性変形性および耐衝撃性を十分に発揮させることが
できなくなることから、その含有量を１〜５０容量％と
定めた。

（４）クロム族金属および鉄族金属の含有量その含有量
が５容量％未満では合金の耐衝撃性が劣化するようにな
り、一方３０容量％を越えて含有させると合金の耐摩耗
性が劣化するようになることから、その含有量を５〜３
０容量％と定めた。

なお、この発明のＷＣ基焼結硬質合金は、通常の粉末冶
金法によって製造することができるが、原料粉末として
の炭・窒酸化物粉末は、例えば、（ａ） 酸化チタン
（Ｔ １０２）粉末に、ＴｉＣ粉末と炭素（Ｃ）粉末と
を混合し、温度１６００〜２０００℃で反応させて炭酸
化チタン（以下Ｔｉ（ＣＯ）で示す）粉末を製造したり
、さらにこのＴｉ（ＣＯ）粉末とＴｉＮ粉末あるいはＴ
ｉ（ＣＮ）粉末との混合粉末を前記温度で反応させるこ
とによって炭窒酸化チタン（以下Ｔｉ（ＣＮＯ）で示す
）粉末を製造する。

（ｂ） 上記Ｔｉ（ＣＯ）粉末をＮ２あるいはＮＨ３
雰囲気中で温度１６００〜２０００’Ｃに加熱し反応さ
せてＴｉ（ＣＮＯ）粉末を製造する。

（ｃ）Ｔｉ（ＣＮ）粉末あるいはＴｉＮ粉末に、ＴｉＯ
２粉末とＣ粉末とを混合し、温度１６００〜２０００℃
で反応させることによってＴｉ（ＣＮＯ）粉末あるいは
窒酸化チタン（以下Ｔｉ（ＮＯ）で示す）粉末を製造す
る。

（ｄ）上記Ｔｉ（ＣＮＯ）のＴｉの一部が周期律表の４
ａ、５ａ、および６ａ族金属の１種または２種以上で置
換された粉末を製造する場合には、上記Ｔｉｅ２．Ｔｉ
Ｃ、ＴｉＮ、Ｔｉ（ＣＮ ）粉末に対して、必要に応じ
て周期律表の４ａ、５ａ。

および６ａ族金属の酸化物粉末、炭化物粉末、窒化物粉
末、および炭窒化物粉末のうちの１種または２種以上を
混合し、同様に高温加熱反応させることによって製造す
る。

などの方法によって調整することができる。

ついで、この発明のＷＣ基焼結硬質合金を実施例により
比較例と対比しながら説明する。

実施例 原料粉末として、 ■ 平均粒径：１．２μ汎を有するＷの粉末、■ 同１
．５μｍをもち、Ｃ：Ｎ：０のモル比が、０．５５ ：
０．３０ ： ０．１５、すなわち０．１５／（０，
５５＋０．３０＋０．１５ ）−０，１５の酸素モル比
をもったＴ ｉ （Ｃ０，５５・ＮＯ，３０００，１５
）粉末、■ 同１．５μ扉をもち、Ｃ：Ｎ：Ｏのモル比
が、０．４５ ：０．３０ ：０．２５、すなわち０．
２５／（０，４５＋０．３０＋０．２５ ）＝０．２５
の酸素モル比をもったＴ ｉ （Ｃ０，４５’ ＮＯ，
３０００，２５）粉末、■ 同１．５μｍをもち、Ｔｉ
： Ｗ＝５５％：４５％、 Ｃ：Ｎ ： ０＝０．５
： ０．４ ： ０．１のモル比をもった、（Ｔ ｉ
０．５５Ｗ４）、４５ Ｘ Ｃ０，５ＮＯ，４０ｏ、
ｔ ）粉末、■ 同１．５μｍをもち、Ｔｉ ：Ｔａ
：Ｚｒ＝ ７０％：２０％：１０％、 Ｃ：Ｎ：
０＝０．５ ：０．３ ：０．２のモル比をもった、（
ＴＩ ０．４ Ｔ ａ □、２ Ｚ ｒ ｏ、１）（Ｃ
０，５Ｎｏ、３００．２ ）粉末、 ■ 同１．５μ扉をもち、Ｔｉ ： Ｎｂ ： Ｖ−４
０％：５０％：１０％、 Ｃ：Ｎ ：０＝０．４ ：
０．５ ：０．１のモル比をもった、（Ｔ Ｉ □、４
Ｎｂｏ、５ Ｖ□、ｔ ）（Ｃｏ、４ Ｎ００５０ｏ
、ｔ ）粉末、■ 同１．５μｍをもち、Ｔ ｉ ：
Ｍｏ ： Ｃｒ＝７０％：２９％：１％、Ｃ：Ｎ：０＝
０．６５：０．２５：０．１５のモル比をもった、（Ｔ
ｌｏ、７０Ｍ０Ｏ，２ｇＣｒｏ、ｏｌ）（Ｃ０，６５Ｎ
Ｏ，２５００，１５）粉末、■ 同１．５μ扉をもち、
Ｃ： ０＝０．８５ ： ０．１５のモル比をもった、
Ｔ ｉ （Ｃ０，８５００，１５）粉末、■ 同１．５
μ胤をもち、Ｎ ： ０＝０．８５ ： ０．１５のモ
ル比をもったＴ ｉ （ＮＯ，８５００，１５）粉末、
［相］ 同１．５μｍをもち、Ｔｉ：Ｔａ＝８０％：２
０％、Ｃ：０＝０．８５：０．１５のモル比をもった、
（Ｔ ｊｏ、ｇｏ Ｔａａ２０ Ｘ Ｃ０，８５００，
１５）粉末、０ 同１．５μ扉をもち、Ｃ：０＝０．７
５：０．２５のモル比をもったＴ ｉ （Ｃ０，７５０
ｏ２５）粉末、０ 同１μ汎のＴａＣ粉末、 ０ 同１．５μｍのＮｂＣ粉末、 ■ 同２．５μ風のＶＣ粉末、 ［相］ 同１．５μ班のＺｒＣ粉末、 ［相］ 同１．５μ扉をもち、Ｔｉ：Ｗ＝９０％：１０
％の（Ｔ ｉ ｑｏＷｏ、１） Ｃ粉末、０ 同１．５
μｎのＴｉＮ粉末、 ［相］ 同１．５μｍのＴａＮ粉末、 ［相］ 同１．５μ扉をもち、Ｃ： Ｎ＝０．７ ：
０．３のモル比をもったＴ ｉ （Ｃ０，７Ｎｏ、３
）粉末、［相］ 同１．８μ丸をもち、Ｔｉ：Ｗ＝９０
％＝１０％、Ｃ： Ｎ＝ ０．７ ： ０．３のモル比
をもった（ Ｔ ｉｏ、９Ｗｏ、１ ） ・（Ｃ０，７
Ｎｏｓ ）粉末、Ｏ同１．５μｍをもち、Ｔａ：Ｎｂ＝
８０％：２０％の（Ｔ ａ ｏ、Ｂ Ｎ ｂ ｏ２ ）
粉末、［相］ 同１．２μ扉のｃｏ粒粉末 ［相］ 同１μ汎のＮｉ粉末、 ［相］ 同１．５μ扉のＦｅ粉末、 Ｏ同１μ風のＭｏ粉末、 ［相］ 同０．８μ扉のＷ粉末、 ［Ｆ］ 同１．３μ扉のＣｒ粉末、 を用意し、これらの原料粉末を、それぞれ第１表に示さ
れる配合組成に配合し、ボールミルにて粉砕混合し、つ
いでこの混合粉末より通常の条件でプレス成形して圧粉
体を形成した後、これらの圧粉体を、真空中、温度：１
４５０’Ｃに１時間保持の条件で焼結することによって
、実質的に配合組成と同一の成分組成をもった本発明合
金１〜１０および比較合金１〜８をそれぞれ製造した。

なお、比較合金１〜８は、いずれも炭・窒酸化物におけ
る酸素モル比、並びに構成成分のうちのいずれかの成分
含有量がこの発明の範囲から外れたものである。

つぎに、本発明合金１〜１０．比較合金１〜８、および
従来切削工具用材料として知られているＰｌｏ（重量％
で、８％Ｃｏ−１８％ＴｉＣ−５％ＴａＣ残ＷＣの組成
をもつ。

以下従来合金という）より、Ｃｌ５（超硬工具協会規格
）・５ＮＰ４３２に則した形状の切削試験用チップを製
作し、被削材：ＳＮＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２２０）、チ
ップ：０．０３間ホーニング、 切削速度： ２００ ｍ ／ ＝Ｃ 送り： ０．２ ｍｍ／ ｒ ｅｖ ） 切込み：２ｍｍ。

切削時間：１０跪、 の条件での連続鋼高速切削試験、並びに、被削材：ＳＮ
ＣＭ−８（硬さ：ＨＢ２７０）、チップ：０．０３關ホ
ーニング、 切削速度： １００ ｍ ／ｍｉｎ。

送り：ｏ、３關／ｒｅｖ・） 切込み：２ｍｙｒｔ。

切削時間：３論、 の条件での断続鋼切削試験を行ない、前者の連続鋼高速
切削試験では、切刃のすくい面摩耗深さと逃げ面摩耗幅
を測定し、また断続鋼切削試験では６個の試験切刃のう
ち何個に欠損が発生したかを測定した。

これらの測定結果を第１表に示した。第１表には合金組
織の研磨面状況も示した。

第１表に示される結果から、本発明合金１〜１０は、い
ずれも従来合金に比して、連続切削ではすぐれた耐摩耗
性を、また断続切削ではすぐれた耐衝撃性を示すことが
明らかである。

これに対して、比較合金１〜８においては、前記の特性
のうち少なくともいずれかの特性が劣ったものになって
いることがわかる。

上述のように、この発明のＷＣ基焼結硬質合金は、きわ
めてすぐれた耐熱性、耐酸化性、耐溶着性、耐塑性変形
性、および耐衝撃性を兼ね備えているので、高硬度材の
切削や、高速切削、さらに重切削に適用した場合にすぐ
れた切削性能を示すことは勿論のこと、耐熱性や耐衝撃
性が要求される熱間引抜きダイスや熱間圧延ロールなど
に使用した場合にもすぐれた特性を発揮し、さらに耐食
性にもすぐれているので、耐食耐摩部品の製造にも適す
るなど、その利用用途はきわめて広く、シかもそれぞれ
の利用分野ですぐれた効果を発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸素と、炭素および窒素のいずれか、または両方と
   の総量に対する酸素の割合がモル比で０．２以下をもつ
   、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物、および炭窒酸化物、並び
   にＴｉと、Ｔｉを除く周期律表の４ａ 、 ５ａ 、お
   よび６ａ族金属のうちの１種または２種以上の炭酸化物
   、窒酸化物、および炭窒酸化物からなる群のうちの１種
   または２種以上：１〜５０％、 鉄族金属のうちの１種または２種以上：５〜３０％、 炭化タングステンを除く周期律表の４ ａ 、 ５ ａ
   。 および６ａ族金属の炭化物、窒化物、および炭窒化物の
   うちの１種または２種以上：１〜５０％、炭化タングス
   テンおよび不可避不純物：残り、からなる組成（以上容
   量％）を有することを特徴とする酸素を含有した炭化タ
   ングステン基焼結硬質合金。 ２ 酸素と、炭素および窒素のいずれか、または両方と
   の総量に対する酸素の割合がモル比で０．２以下をもつ
   、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物、および炭窒酸化物、並び
   にＴｉと、Ｔｉを除く周期律表の４ａ、５ａ、および６
   ａ族金属のうちの１種または２種以上の炭酸化物、窒酸
   化物、および炭窒酸化物からなる群のうちの１種または
   ２種以上：１〜５０％、 鉄族金属のうちの１種または２種以上およびクロム族金
   属のうちの１種または２種以上：５〜３０％、 炭化タングステンを除く周期律表の４ａ、５ａ。 および６ａ族金属の炭化物、窒化物、および炭窒化物の
   うちの１種または２種以上：１〜５０％、炭化タングス
   テンおよび不可避不純物：残り、からなる組成（以上容
   量％）を有することを特徴とする酸素を含有した炭化タ
   ングステン基焼結硬質合金。