JPS61194131A - 高靭性被覆焼結合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、切削用工具、耐摩耗用工具及び耐衝撃用工具
に適する被覆焼結合金の製造方法に係り、具体的には焼
結合金の表面に表面層を作成し、この表面層の表面に被
覆層を形成することにより耐摩耗性は勿論のこと耐塑性
変形性、耐欠損性を向上させた高靭性被覆焼結合金の製
造方法に関する。

（従来の技術） 従来、炭化タングステン基焼結合金の表面に周期律表４
ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、酸化物、ホウ
化物、ケイ化物、硫化物及びこれらの相１ｉ−シ４溶体
並びにアルミニウムの酸化物。

窒化物、酸窒化物の中の少なくとも１種の単層又は２挿
具りからなる多重層の被′ｍ層を形成してなる被覆焼結
合金は多数提案され、その一部は広く実用されている。

これらの被覆焼結合金は、被菜層が耐摩耗性の向上にす
ぐれた効果を発揮するものの、焼結合金自体のもつ惰性
を低下させる傾向にある。そこで被覆層と焼結合金のそ
れぞれを追究することによって被覆焼結合金の寿命向り
を目的とする試みが行なわれている。

（発明が解決しようとする問題点） 被覆焼結合金の耐欠損性を高めて寿命を向上させる１つ
の方法として、焼結合金表面部の靭性を高める方法があ
る。その方法としては、例えば焼結合金の表面にＧｏな
どの金属をメッキする方法、又は焼結合金中に含有して
いるＦｅ、Ｃｏ。

Ｎｉなどをその表面部にしみ出させる方法、更には焼結
合金を液相が発生する温度以上に加熱して、その表面を
浸炭させる方法などがある。しかしながらこれらの方法
では、表面部が単に軟質な層からなる焼結合金になって
いるだけである。この軟質な層の表面に被覆層を形成し
た被覆焼結合金は、＠性が向上し、耐欠損性がすぐれて
いるけれども負荷が作用すると焼結合金表面部の軟質な
層に・ワ！性変形が生じ易くなるために、例えば切削用
「具として使用すると重負荷の加わるような切削領域又
は高温状態になるような切削領域では刃先が変形して短
寿命になるという問題がある。

本発明は、上記のような従来の製造方法により得る被覆
焼結合金の問題点を解決したもので、具体的には焼結合
金の表面部が軟質な層と硬質な層とを交￥に形成した表
面層で、しかも軟質な層と硬質な層が焼結合金の表面に
対し平行に配置した表面層として存在させ、この表面層
の表面に被覆層を形成させる高靭性被覆焼結合金の製造
方法の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） Ｇｕｒｌａｄ　（Ｊ−Ｍｅｔａｌｓ　（１１３５４）　
、２８５　）によると、Ｗ　Ｃ−Ｃｏ焼結合金は、合金
炭素量によって液相出現温度が異なり、第１図に示すよ
うに低炭素合金の方が高炭素合金に比べて約６０℃高く
、固相線ＡＢは略直線的に変化することを明らかにして
いる。このことは、同一温度下あっても合金）Ｒ！　闇
、’によって焼結合金の結合相であるＣｏが液相（Ｌ）
、固相＋液相（β＋Ｌ）、固相（β）と変りうることを
示している。

そこで本発明者らは、焼結合金における高炭素合金側で
結合相が液相又は固相＋液相となる温度以上で、かつ低
炭素合金側で結合相が固相である温度、例えば第２図に
示した斜線部分の温度において、高炭素合金側で焼結合
金の表面部のみを脱炭すると、焼結合金の内部は液相状
態にもかかわらず焼結合金の表面部は全て固相になると
いう考えのちとに追究した。その結果、焼結合金の表面
部は凝固収縮により合金の内部に対して圧縮応力を作用
させ、そのために焼結合金内部の液相は合金の表面部に
向って移動して合金表面部では結合相が富化される。こ
のとき、焼結合金の表面部を脱炭することによって移動
した液相状態の結合相は直ちに固相になる。このような
過程を繰り返すことによって焼結合金の表面部は、結合
相が富化され、しかも合金の内部に比べて軟質な層と硬
質な層が合金の表面に対して平行に作成されることを究
明することによって本発明を完成するに至ったものであ
る。

すなわち、本発明の高靭性被覆焼結合金の製造力υ；は
、炭化タングステンと周期律表４ａ。

５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物もしくはこれらの相
尾固溶体の中の少なくとも１種とでなる金属化合物粉末
とＦｅ、’Ｃｏ、Ｎｉの中の少なくとも１種の金属粉末
との混合粉末を圧粉体又は成形体にし１次いで真空又は
非酸化性ガス雰囲気中で無加圧もしくは加圧しながら昇
温して表面層を有する焼結合金を作製し、該表面層を有
する焼結合金の表面に被覆層を形成してなる被覆焼結合
金の製造方法において、前記表面層は、焼結合金に液相
が生じ、かつ焼結合金の低炭素領域及び／又は低窒素領
域では固相となる温度領域内で焼結合金の表面部のみを
脱炭及び／又は脱窒させることによって焼結合金内部よ
りも軟質な層と硬質な層とを交ＩＪ：に積層させたこと
を特徴とするものである。このような本発明の高靭性被
覆焼結合金の製造方法における出発原料は、従来から使
用されている市販の粉末が使用でき、特に出発原料中の
炭１ｉ　！ｉＬ及び／又は窒素星は焼結合金としたとき
に炭素及び／又は窒素の不足によって η相（Ｗ）Ｃｏ３　）Ｃなどの第３相が生じない、例え
ば高炭素及び／又は高窒素領域側に調節した粉末を使用
することが望ましいが、特に脱炭及び／又は脱窒処理後
に少なくとも合金表面部に遊離炭素が生じないような炭
素績及び／又は窒Ｊ量である方が得られる焼結合金の強
度上から−・層望ましいものである。また、出発原料中
の炭Ｊ蓼及び／又は窒素費の不足によってη相などの第
３相が生じる領域もしくは炭素量及び／又は窒素贋が不
足傾向であるけれどもη相などの第３相が生じない低炭
素及び／又は低窒素領域側にある出発原料粉末を使用す
る場合は、出発原料粉末の配合時に炭素を添加したり、
又は焼結時に水素とメタン。

窒素、アンモニア、ヒドラジンなどのガスにより浸炭及
び／又は窒化処理を施すことによって本発明の高靭性被
覆焼結合金の製造方法として使用することもできるにの
ような出発原料粉末の混合粉砕は、ステンレス製容器又
はステンレスに超硬合金を肉条りした容器を使用して１
　スチールポール、超硬合金製ポールもしくは不純物の
混入を防ぐために表面被覆したポールとノ（に乾式で混
合粉砕したり、あるいはへキサン、アルコール、ベンゼ
ン、アセトンなどの有機溶剤を容器に加えて湿式で混合
粉砕する。こうして混合粉砕した粉末は、カーボン又は
黒鉛製の焼結用モールドに詰めて、真空又は非酸化性ガ
ス雰囲気中でそのまま圧粉体として直接ホットプレスに
よる高周波加圧焼結もしくは非酸化性雰囲気ガス、例え
ばＡｒ雰囲気ガスによる加圧焼結によって焼結したり、
混合粉砕した粉末を金型成形、押出し成形、スリップキ
ャスティングによる成形又はラバープレスなどで液圧成
形した成形体を必要に応じて焼結温度よりも低い温度で
予備焼結及び機械加工した後α空中又は非酸化性ガス雰
囲気中で無加圧焼結（佇通焼結）、減圧ガス焼結、加圧
ガス焼結もしくは機械や油圧加圧しながら焼結すること
ができる。また、このような方法で１度焼結したものを
熱間静水圧加圧（ｌ（Ｉ　Ｐ）処理を行なって焼結合金
の緻密化の促進及び強度の向上を計ることもできる。

焼結温度は、出発原料粉末の種類又は配合成分もしくは
前述した製造条件によっても異なるが１３００℃〜１５
００℃で相対密度１００％近傍の緻密な焼結合金が得ら
れる。焼結後、必要ならば焼結合金表面を研摩加工して
から反応炉内にセットし１次いで反応炉内を真空に保持
しながら焼結合金に液相が生じ、かつ焼結合金の低炭素
及び／又は低窒素側では固相となる温度領域内、この温
度領域内は焼結合金の組成によって異なるが特に１２９
０℃〜１３６０℃が望ましく、この温度領域内で炉内に
Ｈ２＋Ｈ２Ｏ。

Ｈ２＋ＣＯ＋ＣＯ２などの脱炭性のガスを導入するか、
あるいは高真空に保持すると、焼結合金の表面は脱炭又
は脱窒処理されて固相となり、前述の様な機構によって
焼結合金の表面には焼結合金の内部に比べて結合相の富
んだ軟質な層と炭化タングステンと周期律表４ａ、５ａ
、６ａ族金属の炭化物、窒化物もしくはこれらの相互固
溶体の中の少なくとも１種とでなる全屈化合物に富んだ
硬質な層とが交咋に積層した表面層が作成される。

例えばＷＣ−Ｃｏ系焼結合金の場合は、焼結合金内部に
比べてＣｏに富んだ軟質な層とＷＣに富んだ硬質な層か
らなり、 ＷＣ−（ＷＣ／Ｔ　ｉ　Ｃ／ＴａＣ）固溶体−Ｃｏ系焼
結合金の場合は、焼結合金内部に比べてＣｏに富んだ軟
質な層とＷＣ及び／又は （Ｗ　Ｃ／　Ｔ　ｔ　Ｃ／　Ｔ　ａ　Ｃ）固溶体に富ん
だ硬質な層が作成される。このとき作成される表面層は
。

焼結合金の炭素績及び／又は′￥末發又は脱炭、脱窒性
雰囲気のガス質及び流星もしくは脱炭及び／又は説窄処
理温度と処理時間などによって調整することができ、特
に軟質な層の厚み及び組織形態の調整ができる。例えば
、焼結合金の）Ｒ素置及び／又は窒素；響１は、焼結合
金の表面部と内部とでその差が大きいほど軟質な層が明
瞭となり、炭素♀−及び／又は窒素驕の差が小さいと軟
質な層が不明瞭で連続的な組織形態となる。また、脱炭
及び／又は脱窒処理温度は、その温度から徐冷すると軟
質な層の生成がよりｗＪ′Ａとなる。脱炭処理について
は、前述の雰囲気ガスによる方法の他に焼結後の焼結合
金をアルミナなどの脱炭力のある粉末中に埋めて加熱す
る方法によってもよい、焼結合金の表面を脱炭及び／又
は脱窒処理すると、その処理条件によっては焼結合金の
表面層の特に表面にはイ１害なη相などが生じることが
あるが、この場合は、焼結合金に液相が生じる温度以下
で真空焼鈍するか、又は浸炭及び／又は窒化処理するこ
とによってη相を分解し健全な組織にすることもできる
。

このようにして得た表面層を有する焼結合金の表面に従
来の化学蒸着法（ｃｖｎ）又はイオンブレーティング、
スパッタリングなどの物理蒸着法（ＰＶＤ）によッテ周
期律表４ａ、５ａ、Ｂａ族金属の炭化物、窒化物、酸化
物、ホウ化物、ケイ化物、ｆｔ化物及びこれらの相互固
溶体並びにアルミニウムの酸化物、窒化物。酸窒化物の
中の少なくとも１種の単層又は２種以上からなる多重層
の被覆層を形成することができる。焼結合金の表面に生
じたη相の分解は、被覆層の形成工程中に行なうことも
できる。

（作用） 本発明の高靭性被覆焼結合金の製造方法は。

従来の粉末冶金における焼結合金の製造方法の内、焼結
工程をそのまま連続して脱炭及び／又は脱窒処理■二程
を行なったり、又必要ならば従来の被覆層形成工程の油
処理として焼鈍又は浸炭及び／又は窒化処理を行なって
、次にそのまま連続して被覆層の形成１程にすることも
できるという簡易なｔＡ造方法である。また、本発明の
製造方法によって得る被覆焼結合金は、軟質な層と硬質
な層とが交々、に積層した状態に作成した表面層の表面
に耐摩耗性のすぐれた被田層を形成したもので表面層が
被覆焼結合金の靭性を高めて耐欠損性の効果を発揮する
と共に耐塑性変形性に対してもすぐれた効果を発揮する
ものである。このために耐食性及び耐摩耗性にすぐれた
被覆層自体の特性を充分に発揮することができるもので
ある。

（実施例） 実施例１ 出版の平均粒径０．７ＩＬｍ〜３．０弘ｍの各種出発原
料粉末を使用して、炭１１が化学μ論値よりも０．１５
％高い高炭素領域である８６％ＷＣ−３％Ｔ　ｉ　Ｃ−
６％ＴａＣ−５％Ｃｏ（ｆｆｉ、１％）組成に配合し、
これを湿式ボールミル混合乾燥後ＪＩＳ規格のＴＮＭＮ
３３２形状が焼土がるように成形し、この成形体を１４
００℃で１時間、５Ｘ１０２Ｔｏｒｒの真空中で焼結し
た０次いで焼結合金を１３３０℃で１０分間真空中で保
持しながら炉内にＨ２＋ＣＯ２（１：　１）の混合カス
を導入して２分間脱炭処理した。そしてｒｌＴ度真空と
した後１２５０℃で２時間焼鈍を行なった。焼鈍後の焼
結合金の表面には、約４０ｐｍ深さに軟質な層と硬質な
層とからなる表面層が作成されていた。この表面層を有
する焼結合金の表面にＣＶＤによってＴｉＣ層を５Ｂｍ
被覆して得た本発明の製造方法による試料Ａ。

比較として、試料Ａと同一出発原料粉末を用いて脱炭ガ
ス導入工程を除き他は全く試料Ａと同様の熱履歴を！１
えた焼結合金の表面にＣＶＤによってＴｉＣ層を５μｍ
被覆して得た比較試料Ｂ、この比較試料Ｂの焼結合金は
、表面層が存在してなく遊離カーボンの析出がみられる
ものであった。

また、試料Ａと同様の（ｈ発原料粉末を用いて、炭ふ；
−のみ化学量論値である同一組成のものを配合、成形し
たものを１４００”Ｏで１時間、５Ｘ　ｌ　０−７Ｔｏ
　ｒ　ｒの真空中で焼結した焼結合金の表面にＣＶＤに
よってＴｉＣ層を５終ｍ被覆してｌ’ｌた比較試料Ｃ０
この比較試料Ｃの焼結合金は１表面層が存在してないも
のであった。

こうして（１＃た試料Ａ、Ｂ、Ｃを使用して下記に小す
条件で外周旋削による切削試験を行ない、第１表に示す
結果を得た。

（ａ）耐欠損性試験（乾式切削） 被削材　　５４８Ｃ（Ｈｅ　２６０）等間隔４本スロッ
ト人 切削速度　１００　　履／厘１ｎ ９１込ミ’ｌｊ　　１　、５　　ｆｆ１ｍ送り速度　０
　、２４　　＋ｇｖ／ｒｅｖ（ｂ）　ｒＩＩｊ塑性変形
性試験（乾式切削）被削材　　Ｓ　ＮＣＭ４３９　（Ｈ
Ｂ　２９０）切削速度　１５０　　ｍ／＊ｉｎ 切込み稜　１．５　　ｍ■ 送り速度　０．４　　ｍ層／ｒｅｖ 切削時間　　　３　　＋＊ｉｎ 以下　余白 実施例２ 市販のｔ均粒径０．７μｍ〜７．’Ｏ，Ｌｍの各種出発
原料粉末を使用して、炭素量が化学ぞよ１値よりも０．
２５％高い高炭素領域である８５％ＷＣ−４％Ｔ　ｉ　
ＣＮ　−６％Ｔ　ａ　Ｃ−５％Ｃｏ（ｌｊ直％）組成に
配合し、これを実施例１と同様にして焼結し、この焼結
合金を１３４０℃で５分間５ＸＩＯｌ・Ｔｏｒｒの高真
空中で保持して脱窒処理した０次いで、実施例１と同様
に焼鈍した後ＣＶＤによりＴ１ＣＮを５終ｍ被前した。

この１程中における焼結後の焼結合金表面は、Ｉ６ｉ離
１々素が生じていた。また、脱窒処理後の焼結合金の表
面は、３Ｂｍ深さのη相を有する最表面と軟質な層及び
ｌｉ！ｌｌ！質な層からなる３０ｕ、ｍ深さの表面層が
存在していた。さらに、焼鈍後の焼結合金表面は、η相
がなくなり、軟質な層と硬質な層からなる３３＃Ｌｍ深
さの表面層が存在したものであった。

（光すＩの効果） 以上の結果、本発明の高靭性被覆焼結合金の製造方法は
、被覆層自体の有する耐摩耗性及び耐食性は勿論のこと
耐欠損性及び耐塑性変形性にすぐれた被覆焼結合金が簡
易に得られることから従来から使用されている被覆焼結
合金の製造方法から更に耐衝撃性を必要とするような切
削用工具、例えばフライス切削用工具、ドリル、リーマ
、エンドミルなどの回転用切削工具から耐摩耗用工具、
例えばスリッタ、金型工具など、従来の旋削用切削１具
やメカニカルシール、ノズル、バルブ、ゲージなどの耐
摩耗用工具よりも更に広いｔｎ途向けの被覆焼結合金の
製造方法として利用できる産業上有用な方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｇｕｒｌａｎｄが示したＷ　−Ｃｏ　−Ｃ三
元状態図断面。 第２図は、第１図に従って高炭素合金側と低炭素合金側
によって生じる液相と固相との関係を示す温度範囲の１
例。 特許出願人　東芝タンガロイ株式会社 第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化タングステンと周期律表４ａ、５ａ、６ａ族
   金属の炭化物、窒化物もしくはこれらの相互固溶体の中
   の少なくとも１種とでなる金属化合物粉末とＦｅ、Ｃｏ
   、Ｎｉの中の少なくとも１種の金属粉末との混合粉末を
   圧粉体又は成形体にし、次いで真空又は非酸化性ガス雰
   囲気中で無加圧もしくは加圧しながら昇温して表面層を
   有する焼結合金を作製し、該表面層を有する焼結合金の
   表面に被覆層を形成してなる被覆焼結合金の製造方法に
   おいて、前記表面層は、焼結合金に液相が生じ、かつ焼
   結合金の低炭素領域及び／又は低窒素領域では固相とな
   る温度領域内で焼結合金の表面部のみを脱炭及び／又は
   脱窒させることによって焼結合金内部よりも軟質な層と
   硬質な層とを交互に積層させたことを特徴とする高靭性
   被覆焼結合金の製造方法。
2. （２）上記温度領域内が１２９０℃〜１３６０℃である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高靭性焼
   結合金の製造方法。