JPS601385B2 - 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
硬合金のもつすぐれた籾性および耐摩耗性を備えるほか
、すぐれた高温強度、耐酸化性、高温硬さ、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系超硬合金は級性および耐
摩耗性にすぐれる反面、高温強度、高温硬さ、耐熱衝撃
性、耐酸化性、および耐熱疲労性などが不十分なために
、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１０００〜１１００ｑｏ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ＷＣ−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、このようにこれら従来ＷＣ基超硬合金を熱間加工装
置部材の製造に用いた場合、十分満足する性能を発揮し
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適した合金を得べ〈、
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特に高温強度と耐酸
化性、さらに高温硬さを付与すべ〈研究を行なった結果
、ＷＣ基超硬合金を、重量％で（以下単に％の表示は重
量％を意味する）、Ｃて：０．１〜２％、ＡＩ：０．１
〜３％、Ｎｉ：５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、Ｂ
およびＺｒのうちの１種または２種：０．０１〜０．２
％を含有し、さらに必要に応じてＭｏ：０．１〜１％を
含有し、残りがＷＣと不可避不純物からなる組成で構成
し、かつ不可避不純物としての酸素の含有量を０．０５
％以下とすると共に、ＷＣ粒の平均粒径を２〜８仏のと
し、さらに結合相中に微細なｙ′（ＮもＡＩ）相が均一
に析出した組織を有するものとすると、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戦
性および耐摩耗性を保持した状態で、きわめてすぐれた
高温強度と耐酸化性、さらに高温硬さを有するほか「耐
熱衝撃性、耐熱疲労性、および耐食性にもすぐれ、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、母成分は窒化ア
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「
真空競結時に脱窒を生じ、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、暁結体
が窒素を含有することはほとんどなく、しかも焼結体中
の酸素含有量を０．０５％以下にすることができるので
ある。

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、焼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−Ｎ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
体の靭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暁給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成分に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
級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。

‘ｂ）ＡＩ 山成分は結合相中に固溶すると共に、ｙ′相として析出
して結合相の高温強度および耐熱性を向上させる作用を
もつが、その含有量が０．１％未満では前記作用に所望
の効果を得ることができず、一方３％を越えて含有させ
ると「Ｎの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｝ Ｎｊ Ｎｉ成分にはＡＩとの共存においてッ′相を結合相中に
析出して合金の高温強度を向上させる作用があるが、そ
の含有量が５％未満では所望の高温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｝ ＣｏＣｏ成分は結合相に固溶し、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と同様に硬さが
低下するようになることから、その含有量を２．５〜１
５％と定めた。

【ｅ｝ ＢおよびＺｒこれらの成分には、結合相中に固
溶して耐酸化性を著しく向上させるほか、ＷＣと結合相
との界面強度を向上させて靭性を改善する作用があるが
〜その含有量が０．０１％未満では所望の耐酸化性およ
び級性の向上効果が得られず、一方０．２％を越えて含
有させると逆に縦化するようになることから、その含有
量を０．０１〜０．２％と定めた。

（８ Ｍｏ Ｍｏ成分には、結合相中に固熔して、これの耐食性およ
び高温硬さを向上させる作用があるが、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
１％を越えて含有させると強度低下をきたすようになる
ことから、その含有量を０．１〜１％と定めた。

■ 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高温強度を馨るしく向上させたも
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、合金の高温強度および級性が著しく低下
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。（ｈ） ＷＣ粒の平均粒径 その平均粒径が２仏机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ム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ことから、その平均粒
径を２〜８仏のと定めた。

つぎに、この発明の超硬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：２〜１０一
のを有する各種のＷＣ粉末、同１．５仏凧のＮｉ粉末、
同１．２ム肌のＣｏ粉末、同２り肌のＢおよび公粉末、
同２ム凧のＣｒ２Ｎ粉末、同１．５山肌のＮＮ粉末、お
よび同０．７山肌のＭｏ粉末を用意し、これらの原料粉
末をそれぞれ第１表および第２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、最終的
に真空中、それぞれ１４００℃温度に１時間保持の条件
で暁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１〜２０および比較超
硬合金１〜９をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明超硬合金１〜２０および比較超
硬合金１〜９について、引張強さ、常温硬さ（ロックウ
ェル硬さＡスケール）、温度：８００午Ｃにおける高温
硬さ（ビッカース硬さ）、抗折力を測定すると共に、温
度：８００℃に１時間保持後の酸イｂ増量を測定し、こ
れらの測定結果を合金の平均粒径および酸素含有量と共
に第１表および第２表に合せて示した。

なお、比較超硬合金１〜９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粒の平均粒蓬（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。

船 船 船 舷 第１表および第２表に示される結果から、本発明超硬合
金１〜２０は、いずれも高強度および高轍性を有し、さ
らに常温および高温において高い硬さを示し、かつ耐酸
化性にもすぐれているのに対して、比較超硬合金１〜９
においては、これらの特性のうち少なくとも１つの性質
が劣ったものになっていることが明らかである。

ついで、上記本発明超硬合金３、１４、および１７、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、圧延線材をガイドし、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：１０５０ｑＣ、線材通
過速度：３０ｍ′ｓｅｃで行ない、使用寿命に至るまで
の線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瓜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
５０仇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、特に高温強度および耐酸化性にすぐれ、さ
らに高い高温硬さをもつほか、耐熱衝撃性、および耐熱
疲労性にすぐれ、かつ鞠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％、ＢおよびＺｒのう
   ちの１種または２種：０．０１〜０．２％を含有し、残
   りが炭化タングステンと不可避不純物からなる組成（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。 ２ Ｃｒ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１〜３％、Ｎｉ：
   ５〜３０％、Ｃｏ：２．５〜１５％、ＢおよびＺｒのう
   ちの１種または２種：０．０１〜０．２％を含有し、さ
   らにＭｏ：０．１〜１％を含有し、残りが炭化タングス
   テンと不可避不純物からなる組成（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。