JPS5953341B2 - 耐熱性および耐摩耗性にすぐれた焼結硬質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、すぐれた耐熱性および耐摩耗性を有し、特
にこれらの特性が要求される切削工具や耐摩工具、さら
に耐摩部品などとして使用するのに適した焼結硬質合金
に関するものである。

一般に、焼結硬質合金としては、炭化タングステン（以
下ＷＣで示す）基超硬合今や、炭化チタン（以下ＴｉＣ
で示す）基サーメット、さらにＴｉＣ−窒化チタン（以
下ＴｉＮで示す）基サーメットなどが知られ、しかもこ
れら材料については従来よりかなり詳しい研究がなされ
ているばかりでなく、実際に切削工具や耐摩工具などの
製造に供されているものである。

しかし、これら焼結硬質合金においては、いずれも結合
相が鉄族金属で形成されているために、これを高温高応
力を伴う厳しい環境下で使用した場合には、結合相の軟
化に起因する塑性変形が進行すると共に、合金自体の硬
さおよび強度の低下を避けることができないものであっ
た。

したがって、これらの焼結硬質合金を、例えば重切削や
、Ｎｉ基またはＣｏ基超超硬合金どの難削材の切削、さ
らに大きな熱発生を伴なう高速切削などに切削工具とし
て使用した場合には、満足すべき成果が得られず、また
、高温における耐塑性変形性、耐摩耗性、および耐衝撃
性などが強く要求される耐摩工具や耐摩部品などの製造
に供した場合にも不満足な結果しか得られないのが現状
である。

一方、近年、高い高温硬さを有するＴｉとＷの炭化物（
Ｔｉ、 Ｗ） Ｃを分散相とし、金属中で最も高温強度
のすぐれたＷを結合相とした組織を有する硬質合金が開
発され、この硬質合金には、鋳造により製造されるもの
（以下鋳造硬質合金という）と、焼結により製造される
もの（以下焼結硬質合金という）とがある。

上記鋳造硬質合金は、ラメラ−（Ｌａｍｅｌｌｅｒ ）
な共晶組織中に粗大初晶炭化物が混在する組織を有する
ため、すぐれた靭性と高温硬さを具備してはいるが、流
動性（湯流れ性）が悪いために、鋳造後の鋳物中に粗大
な巣を主とした鋳造欠陥や、偏析、さらに組織の不均一
などの発生が目立ち、これらが原因して合金特性に著し
いバラツキが生じるのを避けることができないものであ
る。

また、上記焼結硬質合金は、組織の均一性の点では改善
されたものになっており、上記鋳造硬質合金に見られる
ような粗大な巣は存在しないが、この合金を構成するＴ
ｉ、 ｗ、およびＣの３元共晶温度である２７００℃よ
り著しく低い１５００〜１８００℃の温度で通常焼結さ
れるために、得られた合金は共晶組織にはなっておらず
、しかも結合相形成成分であるＷ自体の焼結性を悪いた
め、通常の真空中、あるいは水素雰囲気中での焼結では
、上記の焼結温度と合まって真密度に近い高密度の焼結
硬質合金を得ることは難しく、合金中に微小巣を多く残
存する傾向にある。

そこで、合金の高密度化をはかる目的で焼結温度を高く
することが考えられるが、この場合には微小巣が減少し
て合金密度が真密度に近づくものの、結合相および分散
相に著しい粒成長が起り、合金自体がきわめて脆いもの
となるのである。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、焼結時
における粒成長を抑制すると共に、焼結性を改善促進し
、もって真密度に近い高密度を有する耐熱性（耐酸化性
）および耐摩耗性にすぐれた焼結硬質合金を得べく研究
を行なった結果、（ａ） 分散相形成成分として、Ｔ
ｉの炭化物、炭窒化物、および窒化物のうちの１種また
は２種以上（以下これらを総称してＴｉの炭・窒化物と
いう）を含有し、また結合相形成成分としてＷを含有す
る焼結硬質合金に、窒化イッｌ−’Ｊウム（以下ＹＮで
示す）および窒化アルミニウム（以下ＡＩＮで示す）の
うちの１種または２種を含有させると、焼結時に粒成長
が抑制され、一方焼結性が促進されるようになることか
ら、？ 真密度に近い高密度を有し、かつ耐酸化性およ
び耐摩耗性にすぐれた焼結硬質合金が得られること。

（ｂ） 上記（ａ）項で得られた焼結硬質合金に、さ
らにＺｒ、 Ｈｆ、 Ｖ、 Ｎｂ、および丁ａの炭化物
、窒化−物、および炭窒化物、並びにＣｒ、 Ｍｏ、お
よびＷの炭化物からなる群のうちの１種または２種以上
（以下これらを総称して金属の炭・窒化物という）を、
単体または上記Ｔｉの炭・窒化物と複合固溶体の形で含
有させると、焼結時の粒成長が一層抑制されるようにな
るばかりでなく、耐摩耗性（硬さ）が一段と向上するよ
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、重量％で（以下％はすべて重量％を意味する）、 （１）分散相形成成分として、Ｔｉの炭・窒化物：１０
〜６０％と、ＹＮおむびＡＩＮのうちの１種または２種
：１〜１０％を含有し、残りが結合相形成成分としての
Ｗと不可避不純物からなる組成を有する焼結硬質合金。

（２）分散相形成成分として、Ｔｉの炭・窒化物：１０
〜６０％と、金属の炭・窒化物：０．１〜１２％と、Ｙ
ＮおよびＡＩＮのうちの１種または２種：１〜１０％を
含有し、残りが結合相形成成分としてのＷと不可避不純
物からなる組成を有する焼結硬質合金。

（３）分散相形成成分として、Ｔｉの炭・窒化物：１０
〜６０％と、金属の炭・窒化物：０．１〜〜１２％との
複合固溶体を含有し、さらにＹＮおよびＡＩＮのうちの
１種または２種：１〜１０％を含有し、残りが結合相形
成成分としてのＷと不可避不純物からなる組成を有する
焼結硬質合金。

以上（１）〜（３）の耐熱性（耐酸化性）および耐摩耗
性にすぐれた焼結硬質合金に特徴を有するものである。

なお、この発明の焼結硬質合金において、ＹＮおよびＡ
ＩＮを含有させると、粒成長が抑制されて焼結性が促進
されるようになる理由としては、ＹＮおよびＡＩＮはそ
れ自体高融点をもつものであることから、主体分散相で
あるＴｉの炭・窒化物とは反応せず、独立粒子として主
体分散相粒子間に存在し、主体分散相同志の粒成長に対
して一種の障壁の役目を果すことによって粒成長を抑制
し、一方結合相であるＷに対しては、その一部が固溶し
てＷ原子の拡散を容易にすることから、Ｗの焼結が促進
されるようになることに原因するものと考えられる。

つぎに、この発明の焼結硬質合金において、成分組成を
上記の通りに限定した理由を説明する。

（ａ） Ｔｉの炭・窒化物 これらの成分は、いずれも耐酸化性および耐摩耗性にす
ぐれ、かつ結合相であるＷとの焼結性も良好な成分であ
るが、その含有量が１０％未満では、相対的にＷの含有
量が多くなり過ぎて所望のすぐれた耐摩耗性、高温硬さ
、および耐溶着性を確保することができず、一方６０％
を越えて含有させると、相対的にＷの含有量が少なくな
り過ぎて合金が脆化するようになることから、その含有
量を１０〜６０％と定めた。

（ｂ）ＹＮおよびＡＩＮ ＹＮおよびＡＩＮは、いずれもヴイツカーズ硬さ： １
０００〜１５００ｋｇ／ｖｔ４を有し、それ程高い硬さ
をもつものではないが、耐熱性および耐酸化性にすぐれ
た成分であり、上記のように主体分散相粒子の粒成長を
抑制し、かつ結合相であるＷ自体の焼結性を促進させる
作用をもつが、その含有量が１％未満では前記作用に所
望の効果が得られず、一方１０％を越えて含有させると
、Ｗに対する結合強度が低下するようになると共に、耐
摩耗性も低下するようになることから、その含有量を１
〜１０％と定めた。

（Ｃ） 金属の炭・窒化物 これらの成分には、分散相粒子の粒成長を抑制し、かつ
常温および高温硬さを向上させる均等的作用があるので
、特に一段の耐摩耗性が要求される場合に必要に応じて
含有されるが、その含有量が０．１％未満では前記作用
に所望の効果が得られず、一方１２％を越えて含有させ
ると、合金の耐摩耗性および耐酸化性が劣化するように
なることから、その含有量を０．１〜１２％と定めた。

つぎに、この発明の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 １ 平均粒径：１μｍのＴｉＣ粉末：２０％、同１．５μｍ
のＡＩＮ粉末：５％、同０．６μｍノＷ粉末ニア５％か
らなる配合組成をもった原料粉末を、湿式ボールミル中
で混合し、乾燥した後、０．７ｔｏｎ／ＣＴｒ１２の圧
力で圧粉体に成形し、ついでこの圧粉体を真空中、温度
： １５００℃に１時間保持の条件で焼結し、引続いて
、さらに温度： １４００℃に１時間保持の熱間静圧プ
レス（ＨＩＰ）を施すことによって、実質的に上記配合
組成と同一の最終成分組成を有し、かつ４ｍｍＸ ８ｍ
ｍＸ２４ｍｍの寸法をもった硬さおよび抵抗力測定用、
並びに１２．７ｍｍ口Ｘ４．８ｍｍ （ノーズ半径：０
．８ｍｍ）の寸法をもった切削試験用の本発明合金を製
造した。

また、比較の目的で、配合組成を、上記のＴｉＣ粉末：
２５％、同じく上記のＷ粉末ニア５％とする以外は、上
記本発明合金の製造条件と同一の条件で比較合金を製造
した。

この結果得られた本発明合金は、いずれもヴイツカース
硬さで、室温硬さ： １２７０．１０００℃硬さ：８９
０を示し、さらに常温抗折カニ １２５ｋｇ／ｍＩＬを
示すのに対して、ＡＩＮを含有しない比較合金は、同じ
く室温硬さ：１１００．１０００℃硬さ： ８６０．常
温抗折カニ ９０ｋｇ／７／ＬＩｔを示すにすぎず、こ
のようにＡＩＮの含有によって耐摩耗性および強度が著
しく改善されることが明らかである。

また、上記本発明合金および比較合金、さらにＪＩＳ規
格Ｐ−１０相当の市販超硬合金について、被削材： Ｊ
ＩＳ −ＳＮＣＭ−８（ブリネル硬さ： ３２０）。

切削速度：５Ｑｍ／ｍｉｎ、切込み：１，５ｍｍ、送り
：０、８５ｍｍ／ｒｅｖ、 、切削時間： ３０ｍ１ｎ
の条件で切削試験を行ない、フランク摩耗およびクレー
タ深さを測定した。

この測定結果を第１表に示した。第１表に示されるよう
に、本発明合金は、比較合金に比しては勿論のこと、市
販超硬合金に比して一段とすぐれた切削性能を発揮する
ことが明らかである。

実施例 ２ 原料粉末として、平均粒径：１．５μｍを有するＴｉＣ
粉末５ Ｔｌ （Ｃｏ−５Ｎｏ−ｓ ）粉末、およびＴ
ｉＮ粉末、同０．６μｍのＷ粉末、同３μｍのＹＮ粉末
およびＡＩＮ粉末、同１．５μｍ （７）ＺｒＣ粉末、
Ｚｒ（ＣＯ−８ＮＯ−２）粉末、 ＺｒＮ粉末、 Ｈ
ｆＣ粉末、 Ｈｆ（Ｃｏ、 ８Ｎｏ−２）粉末、 Ｈｆ
Ｎ粉末、ＶＣ粉末、Ｖ（ＣＯ−９ＮＯ−１）粉末、ＶＮ
粉末、 ＮｂＣ粉末、 Ｎｂ（Ｃｏ−８ＮＯ−２）粉末
、ＮｂＮ粉末、ＴａＣ粉末、 Ｔａ（Ｃｏ、９Ｎｏ、１
）粉末、 ＴａＮ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末。

Ｍｏ２Ｃ粉末、およびＷＣ粉末を用意し、これら原料粉
末を第２表に示される配合組成に配合し、ついで実施例
１におけると同一の条件で、混合し、乾燥し、成形し、
ついで焼結することによって、実質的に上記配合組成と
同一の最終成分組成を有し、かつ同じ〈実施例１におけ
ると同じ寸法をもった硬さおよび抗折力測定用、並びに
切削試験用の本発明合金１〜２９および比較合金１〜８
をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明合金１〜２９および比較合金１
〜８の常温および１０００℃硬さくヴイッカース硬さ）
と、常温抗折力を測定し、この測定結果を第２表に合せ
て示した。

第２表に示されるように、本発明合金１〜２９は、いず
れもＹＮおよびＡＩＮを含有しない比較合金１． ３．
４． ６．および８．また、金属の炭・窒化物の含有
量がこの発明の範囲から高い方に外れた組成を有する比
較合金５および７ （なお、上記の比較合金４および８
は金属の炭・窒化物の含有量も同様に高い方に外れてい
る）、さらに、ＹＮの含有量がこの発明の範囲から高い
方に外れた組成を有する比較合金２に比して、著しく高
い強度（抗折力）をもつことが明らかである。

つぎに、上記本発明合金９，１５．および２６．比較合
金１，５．および７．さらにＪＩＳ規格Ｐ−１０相当の
市販超硬合金について、被削材： ＪＩＳ・５ＫＤ−１
（ブリネル硬さ４２０）、切削速度：４０ｍ／ｍｉｎ、
切込み：１ｍｍ、送り： ０．４５ｍｍ／ｒｅｖ、 。

切削時間： ３Ｑｍｉｎの条件で切削試験を行ない、そ
れぞれフランク摩耗およびクレータ深さを測定した。

この測定結果を第３表に示した。第３表に示されるよう
に、この場合も実施例１におけると同様な結果をボし、
本発明合金は、比較合金および市販超硬合金に比してす
ぐれた切削特性をもつことが明らかである。

実施例 ３ 市販の高温プラズマ装置を用い、原料粉末として、いず
れも粒度：５μｍ以下を有する、Ａ： （Ｔｉｏ、９Ｗ
ｏ、１）Ｃ−５％ＹＮ−５Ｑ％Ｗ合金粉末（以下本発明
合金粉末Ａという）、Ｂ ： （Ｔｌｏ−７ＴａＯ−
３） Ｃ５％ＹＮ−５０％Ｗ合金粉末（以下本発明合金
粉末Ｂという）、Ｃ：（Ｔｉｏ、 ７ＷＯ０３） Ｃｏ
、５Ｎｏ−２３％ＡｌＮ−７０％Ｗ合金粉末（以下本発
明合金粉末Ｃという）、 Ｄ ：（Ｔｌｏ−９ＺｒＣ１−１） Ｃ２％ＹＮ−３５
％合金粉末（以下本発明合金粉末りという）、 Ｅ ： （Ｔｌｏ、７ＴａＯ−２ＷＯ−１） Ｃｏ−
９ＮＯ０１３％ＡｌＮ−６０％Ｗ合金粉末（以下本発明
合金粉末Ｅという）、 Ｆ：（Ｔｉｏ、５Ｗｏ、４Ｎｂｏ、１）ｃｏ、９Ｎｏ、
１−６％ＹＮ−１％ＡｌＮ−４０％Ｗ合金粉末（以下本
発明合金粉末Ｆという）、 Ｇ ： （Ｔｉｏ−５Ｗｏ−ＩＣｒＱ−ｓ ） Ｃｏ
−ｅＮｏ−４２％ＹＮ−１％ＡｌＮ−６０％Ｗ合金粉末
（以下本発明合金粉末Ｇという）をそれぞれ調製し、さ
らに比較の目的で、ＹＮおよびＡＩＮを含有しない以外
は、同一の条件で、 ａ： （Ｔｌｏ−９Ｗ０．１） Ｃ５０％Ｗ合金粉末
（以下比較合金粉末ａという）、 ｂ ： （Ｔｌｏ、７ＴａＯ−ａ ） Ｃ５０％Ｗ合
金粉末（以下比較合金粉末すという）、 Ｃ： （Ｔｌｏ、７ＷＯ０３） Ｃｏ−８ＮＯ−２７
０％Ｗ合金粉末（以下比較合金粉末Ｃという）、 ｄ ：（Ｔｉｏ、９ＺｒＯ−１） Ｃ３５％Ｗ合金粉末
（以下比較合金粉末ｄという）、 ｅ：（Ｔｉｏ、７Ｔａｏ、２Ｗｏ０、）Ｃｏ、９Ｎｏ、
１→０％Ｗ合金粉末（以下比較合金粉末ｅという）、ｆ
：（Ｔｌｏ−５Ｗｏ−４ＮｂＯ−１） Ｃｏ、９ＮＯ
−１−４０％Ｗ合金粉末（以下比較合金粉末ｆという）
、ｇ ： （Ｔｌｏ、５Ｗｏ−１Ｃｒｏ−１） Ｃｏ
−６ＮＯ−４６０）％Ｗ合金粉末（以下比較合金粉末ｇ
という）、をそれぞれ原料粉末として調製し、これらの
原料粉末を第４表に示される配合割合に配合し、通常の
条件で混合し、ついでこの混合粉末より０、８ｔｏｎ／
ｃｍ２の圧力で圧粉体を成形した後、真空１中、温度：
１５００℃に１時間保持の条件で焼結することによっ
て、実質的に上記の配合組成と同一の最終成分組成を有
し、かつ４ ｍｍ Ｘ ８ ｍｍ Ｘ２４ｍｍの寸法を
もった本発明合金１〜２５および比較合金１〜８をそれ
ぞれ製造した。

′ この結果得られた本発明合金１〜２５および比較合
金１〜８のすべてについて、その研磨面を２００倍の光
学顕微鏡で観察したところ、本発明合金のいずれにもボ
アは認められなかったのに対して、ＹＮおよびＡＩＮを
含有しない比較合金にはボアが観察され、焼結性の悪さ
を物語っていた。

また、第４表には、上記本発明合金１〜２５および比較
合金１〜８の常温および１０００℃硬さくヴイツカース
硬゛さ）と、常温抗折力の測定結果も合せて示した。

第４表に示されるように、ＹＮおよびＡＩＮの含有によ
って硬さおよび抗折力が著しく改善されるようになるこ
とが、本発明合金１〜２５と比較合金１〜８との比較か
ら明らかである。

上述のように、この発明の焼結硬質合金は、高密度を有
し、かつ耐熱性（耐酸化性）および耐摩耗性にもすぐれ
ているので、特に高温における耐塑性変形性、耐摩耗性
、および耐衝撃性が要求される切削工具や耐摩工具、さ
らに耐摩部品などとして使用した場合にきわめてすぐれ
た性能を発揮するなど工業上有用な特性を有するのであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分散相形成成分として、Ｔｉの炭化物、炭窒化物、
   および窒化物のうちの１種または２種以上：１０〜６０
   ％と、ＹおよびＡＩの窒化物のうちの１種または２種：
   １〜１０％を含有し、残りが結合相形成成分であるタン
   グステンと不可避不純物からなる組成（以上重量％）を
   有することを特徴とする耐熱性および耐摩耗性にすぐれ
   た焼結硬質合金。 ２ 分散相形成成分として、Ｔｉの炭化物、炭窒化物、
   および窒化物のうちの１種または２種以上：１０〜６０
   ％と、Ｚｒ、 Ｈｆ、 Ｖ、 Ｎｂ、 および丁ａの
   炭化物、窒化物、および炭窒化物、並びにＣｒ、 ＭＯ
   ，およびＷの炭化物からなる群のうちの１種または２種
   以上：０．１〜１２％と、ＹおよびＡＩの窒化物のうち
   の１種または２種：１〜１０％を含有し、残りが結合相
   形成成分であるタングステンと不可避不純物からなる組
   成（以上重量％）を有することを特徴とする耐熱性およ
   び耐摩耗性にすぐれた焼結硬質合金。 ３ 分散相形成成分として、Ｔｉの炭化物、炭窒化物、
   および窒化物のうちの１種または２種以上：１０〜６０
   ％と、Ｚｒ、 Ｈｆ、 Ｖ、 Ｎｂ、 および丁ａの
   炭化物、窒化物、および炭窒化物、並びにＣｒ、 Ｍｏ
   、およびＷの炭化物からなる群のうちの２１種または２
   種以上：０．１〜１２％との複合固溶体を含有し、さら
   にＹおよびＡＩの窒化物のうちの１種または２種：１〜
   １０％を含有し、残りが結合相形成成分であるタングス
   テンと不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有す
   ることを特徴と１する耐熱性および耐摩耗性にすぐれた
   焼結硬質合金。