JPS601383B2 - 熱間加工装置部材用炭化タングステン基超硬合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、炭化タングステン（以下ＷＣで示す）基超
硬合金のもつ級性および耐摩耗性をもつほか、すぐれた
高温強度、耐熱衝撃性、および耐熱疲労性を有し、特に
これらの特性が要求される熱間圧延ロール、熱間圧延ガ
イドローラ、および熱間鍛造ダイスなどの熱間加工装置
部材として使用するのに通したＷＣ基超硬合金に関する
ものである。

近年、この種の熱間加工装置部材の製造には、工具鋼や
鋳鉄に代ってＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系、およ
びＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系超硬合金が使用されるよう
になってきたが、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金は轍性および耐
摩耗性にすぐれる反面、高温強度が不十分なために、例
えば鋼線材の熱間圧延ロールにおけるように、ロール面
が走行する約１０００〜１１０ぴ０の鋼線材により圧力
を付加された状態で高温加熱され、一方そのロール表面
は水冷もされるような加熱と冷却の繰り返し条件下では
熱亀裂や肌荒れを生じるようになり、また、ＷＣ−Ｃｏ
−Ｎｉ系およびＷＣ一Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ系超硬合金はＷ
Ｃ−Ｃｏ系超硬合金よりすぐれた特性をもつものの、低
速・高荷重の厳しい条件下では、特に熱クラックに基因
すると思われる欠損が生じる欠点をもつものであり、未
だ十分満足する性能を発揮していないのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、熱間加
工装置部材の製造に使用するのに通した合金を得べく、
特に結合相とのぬれ性にすぐれ、かつ結合相との界面強
度も高く、さらに高温硬さも他の炭化物よりすぐれてい
るＷＣを分散相形成成分として含有するＷＣ基超硬合金
に着目し、この超硬合金の結合相に高温強度を付与すべ
〈研究を行なった結果、その成分組成を、重量％で（以
下単に％の表示は重量％を意味する）、Ｃｒ：０．１〜
２％、ＡＩ：０．１〜３％、 Ｎｉ：５〜３０％、 Ｃｏ：２．５〜１５％、 ＷＣおよび不可避不純物：残り、 から構成し、かつ不可避不純物としての酸素の含有量を
０．０５％以下にすると共に、ＷＣ粒の平均粒径を２〜
８山肌とし、さらに結合相中に微細なｙ′（Ｎｉ３ＡＩ
）相が均一に析出した組織とすると、この結果のＷＣ基
超硬合金は、通常のＷＣ基超硬合金のもつすぐれた靭‘
性および耐摩耗性を保持した状態で、きわめてすぐれた
高温強度を有し、さらに耐熱衝撃性、耐熱疲労性、耐酸
化性、および耐食性にすぐれ、熱間加工装置部材に要求
される特性を具備するという知見を得たのであり、この
発明はこれらの知見にもとづいてなされたものである。

また、この発明の合金は通常の粉末冶金法により製造す
ることができるが、特に原料粉末に関し、Ｃｒ成分は窒
化クロム（以下Ｃｒ２Ｎで示す）粉末、Ｎ成分は窒化ア
ルミニウム（以下ＡＩＮで示す）粉末の形で配合するの
がよく、このような窒化物粉末を使用して配合しても、
真空暁結時に脱窒を生じ、ＣｒおよびＡＩ成分だけがＮ
ｉ−Ｃｏ合金結合相中にきわめて容易に拡散し、競結体
が窒素を含有することはほとんどなく、しかも暁結体中
の酸素含有量を０．０５％以下にすることができる。す
なわち、原料粉末として、例えばＮｉ−ＡＩ合金粉末を
使用すると、競結体中の結合相中に微細なＡＩ２０３が
分散析出するようになるのを避けることができず、しか
もＮｉ−ＡＩ合金粉末の増加と共にＡＩ２０３量は増加
し、この結果焼結体中にポアが増加し、かつ結合相中に
析出するｙ′相が粗大化するようになることから、焼結
体の瓢性および強度が低下するようになるのであって、
この場合の酸素含有量は通常０．０８〜０．１５％とな
っている。これに対して、原料粉末として、ＡＩＮ粉末
を使用すると、その配合量を増加させても競結体中の酸
素含有量は増加せず、常に０．０５％以下に保持される
から、ポアの発生やｙ′相の粗大化現象は起らず、この
結果強度および鞠性がそこなわれることがないのである
。つぎに、この発明のＷＣ基超硬合金において、成分組
成範囲およびＷＣ粒について、上記の通りに数値限定し
た理由を説明する。

（ａ）Ｃｒ Ｃｒ成分は合金の耐食性および耐酸化性を向上させる作
用をもつが、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２％を越えて含有させると
炭化クロムが析出するようになって鋤性が低下するよう
になることから、その含有量を０．１〜２％と定めた。

｛ｂｉ ＡＩ山成分は結合相中に固溶すると共に、ｙ′
相として析出して結合相の耐熱性を向上させる作用をも
つが、その含有量が０．１％未満では所望の耐熱性を得
ることができず、一方３％を越えて含有させると、Ｎ山
１金属間化合物が析出して腕化を招くようになることか
ら、その含有量を０．１〜３％と定めた。

【ｃ）Ｎｉ Ｎｉ成分には合金の強度を向上させる作用があるが、そ
の含有量が５％未満では所望の高強度を確保することが
できず、一方３０％を越えて含有させると硬さが低下す
るようになることから、その含有量を５〜３０％と定め
た。

（ｄ｝ Ｃｏ Ｃｏ成分は結合相に園溶し、これを強化すると共に耐熱
性を向上させる作用をもつが、その含有量が２．５％未
満では前記作用に所望の効果が得られず、一方１５％を
越えて含有させるとＮｉと同様硬さが低下するようにな
ることから、その含有量を２．５〜１５％と定めた。

｛ｅ｝ 酸素 上述のように、この発明の合金は、結合相中に微細なｙ
′相を分散析出させて合金強度を著しく向上させたもの
であるが、酸素含有量が０．０５％を越えると、酸素は
優先的にＡＩと結合してＡＩ２０３を形成し、この結果
ｙ′相の形成が抑制されるようになるばかりでなく、ｙ
′相の粗大化をもたらし、かつポアも発生するようにな
ることから「合金の強度および靭性が著しく低下するよ
うになる。

かかることから、酸素含有量の上限値を０．０５％と定
めた。｛ｆ）ＷＣ粒の平均粒蓬 その平均粒径が２仏の未満では所望の高温硬さを確保す
ることができず、一方８仏のを越えた平均粒径になると
、合金強度が低下するようになるそとから、その平均粒
径を２〜８山肌と定めた。

つぎに、この発明の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、いずれも市販の平均粒蓬：１山肌、５
山ｍ、および１０仏のを有するＷＣ粉末、同１．５山肌
のＮｉ粉末、同１．２一肌のＣｏ粉末、同２ム肌のＣｒ
２Ｎ粉末、および同１．５仏肌のＡＩＮ粉末を用意し、
これら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、通常の条件で混合し、圧粉体に成形し、ついで
真空中、それぞれ第１表に示される温度に１時間保持し
て真空焼結することによって実質的に配合組成と同一の
最終成分組成を＊もった本発明超硬合金１〜９および比
較超懐合金１〜１１をそれぞれ製造した。

なお、比較超硬合金１〜１１は、いずれも構成成分のう
ちのいずれかの成分の含有量およびＷＣ粒の平均粒径（
第１表に※印を付して表示）がこの発明の範囲から外れ
たものである。この結果得られた超硬合金の引張り強さ
、硬さ（ロックゥェルＡスケール）、抗折力、およびＷ
Ｃ粒の平均粒径を第１表に合せて示した。第１表 第１表に示される結果から、本発明超硬合金１〜９は、
いずれも高強度、高硬度および高鋤性を合せもつのに対
して、比較超硬合金１〜１１は、全体的にこれらの特性
に劣ることがわかる。

ついで、上記本発明超硬合金２、６、および８、さらに
従来の球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ５５）およびＷＣ基超硬合
金（ＷＣ−１５％Ｃｏ）より、普通鋼線材の熱間圧延ロ
ールのガイドローラを製造し、実機に組込み試験した。

なお、このガイドローフは、圧延線村をガイドし、かつ
その振動を抑えるために設けられるもので、一方側が加
熱線材により加熱され、他方側が水冷される加熱・冷却
の繰返しが加わる厳しい条件下で使用されるものである
。また、使用条件は、線材温度：１０５０ｑｏ、線材通
過速度：３０ｍ／ｓｅｃで行ない、使用寿命に至るまで
の綾材通過量を測定した。この結果、球状黒鉛鋳鉄製の
ガイドローラは、１２仇ｏｎの線材通過量でカリバー部
の摩耗が大きく寿命に達し、また従来超硬合金製のもの
は、８０仇ｏｎの線材通過量でカリバ一部に熱亀裂およ
び剥離現象が発生し、使用寿命に至った。

これに対して、本発明超硬合金製のものは、いずれも２
１０山ｏｎ以上の線材が通過した後でもカリバ一部にわ
ずかに熱亀裂が認められる程度で、未だ十分使用を続行
できるものであった。上述のように、この発明のＷＣ基
超硬合金は、高温強度、耐熱衝撃性、および耐熱疲労性
にすぐれ、かつ靭性および耐摩耗性にもすぐれているの
で、これらの特性が要求される熱間加工装置部材として
使用した場合に、きわめて長期に亘つてすぐれた性能を
発揮するのである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃｒ：０．１〜２％、 Ａｌ：０．１〜３％、 Ｎｉ：５〜３０％、 Ｃｏ：２．５〜１５％、 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（以上重量％）をもつと共に、不可避不純物として
   の酸素の含有量が０．０５重量％以下であり、かつ分散
   相を形成する炭化タングステンの平均粒径が２〜８μｍ
   にして、結合相中に微細なγ′（Ｎｉ＿３Ａｌ）相が均
   一に析出した組織を有することを特徴とする熱間加工装
   置部材用炭化タングステン基超硬合金。