JP4971564B2

JP4971564B2 - 高温性質に優れる焼結合金およびそれを用いた熱間成形用金型

Info

Publication number: JP4971564B2
Application number: JP2001253685A
Authority: JP
Inventors: 寛道内藤; 崇洋福島; 修寺田
Original assignee: Fuji Die Co Ltd
Current assignee: Fuji Die Co Ltd
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: JP2003027175A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結性に優れ、かつ高温硬さ、耐酸化性に優れた焼結合金およびそれを用いた熱間成形用金型およびその周辺部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズやハードデスク用基板などのガラスまたはプラスチック製品の多くは、近年、複雑な機械加工を省くために、それらの素材を熱間で成形することによって製造されるようになってきている。このような熱間成形に使用される金型の素材には、セラミックスや超硬合金などが使用されている。例えば、特開昭５２−４５６１３には、シリコンカーバイドや窒化シリコンが、また特公昭６２−５１２１１には３〜１０重量％のコバルトを含む炭化タングステン基超硬合金が開示されている。また、金型を固定するホルダーなどの金型周辺部材には、Ｗ基合金等が使用される例が見受けられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セラミックスは耐酸化性には優れるものの靭性に乏しく、かつ被研削性に劣るため、その鏡面加工に長時間を要する問題点がある。超硬合金は、主にＷＣを硬質相とし、Ｃｏおよび／またはＮｉを結合相とした合金であるが、高温での硬さ低下が著しい、および耐酸化性に劣るなどの問題点がある。Ｗ基合金は耐酸化性には優れるものの硬さが低く、かつ被研削性に劣るため、精密加工に長時間を要するなどの問題点があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題点を解決するべくなされたものである。すなわち、超硬合金にＳｉを添加し、かつ合金中炭素（Ｃ）量を化学量論組成より低く調整して、組織中にＷＣ（硬質相）と結合相の外にＷ、Ｓｉ、Ｎｉおよび／またはＣｏを含んだＭ_６〜９Ｃ型の複炭化物（Ｍは金属元素）相が存在するようにすることによって、高温における硬さや耐酸化性に優れる合金とするものである。
【０００５】
ＷＣを主たる硬質相とするのは、ＷＣが機械的性質に優れるためであるが、その平均粒度が１０μｍを超えると抗折力が著しく低下し、０．４μｍ未満では高温硬さが低下しやすくなる。
【０００６】
Ｓｉを添加するのはそれを含むＭ_６〜９Ｃ型の複炭化物相が合金の高温硬さおよび耐酸化性を向上させるためであり、添加量が０．１％未満ではその効果が少なく、１０％を超えて添加すると焼結時の緻密化が困難となる。
【０００７】
Ｎｉおよび／またはＣｏを添加するのは焼結性を向上させるためであり、添加量が０．５％未満ではその効果が少なく、１５％を超えるとＷＣおよびＭ_６〜９Ｃ型複炭化物相が粗大化して強度の低下が著しくなる。
【０００８】
Ｗの一部をＷ以外の周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する遷移金属の１種または２種以上で置換すると、これら遷移金属を含むＭＣ型の複炭化物相が組織中に生成し、合金の耐酸化性がより向上したり、硬さが上昇するなどの効果があるが、１０％を超えて置換すると焼結性が低下する。
【０００９】
Ｃの一部をＮで置換すると、上記Ｍ_６〜９ＣおよびＭＣ型複炭化物相がそれぞれＭ_６〜９（Ｃ，Ｎ）およびＭ（Ｃ，Ｎ）型の複炭窒化物相となり、合金の耐酸化性がより向上するので好ましいが、２０％を超えて置換すると焼結性が低下する。
【００１０】
Ｎｉおよび／またはＣｏの一部をＦｅで置換しても焼結性向上に効果があるが、置換量が多くなると耐酸化性が劣化するため、その置換量はＮｉおよび／またはＣｏの合計量の５０％以下とすることが好ましい。
【００１１】
【実施例】
本発明品を製造するには、基本成分としてＷＣ、ＳｉＣ、ＷとＮｉおよび／またはＣｏ粉末を用い、Ｃ量をＷＣとＳｉＣの配合比率によって定まる化学量論組成より低めに配合する外は常法にしたがって混合粉を得て、所望の形状に約１〜５ｔ／ｃｍ^２で加圧成形する。次に、成形体を１３５０〜１５００℃−６０分真空焼結した後、１３５０℃−６０分、１０００気圧のＡｒ中でＨＩＰ処理を施し、その後最終的な形状に加工する。ここでＷ粉末を添加するのは、Ｃ量を低めに調整してＷ、Ｓｉ、Ｎｉおよび／またはＣｏを含んだＭ_６〜９Ｃ型の複炭化物が形成されるようにするためである。Ｃ量を調整するためにＳｉＣの代わりにＳｉ、ＷＳｉ_２等を添加しても良い。
【００１２】
表１に本発明合金および比較合金の配合組成を示した。本発明合金Ｎｏ．１〜４は、結合相金属をＮｉとしてＳｉ量を変化させた合金であり、Ｎｏ．５〜８は、結合相金属をＮｉとしてＷの一部をＷ以外の周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する遷移金属の１種または２種以上で置換した合金、Ｎｏ．９〜１３は、結合相金属をＮｉとして炭化物の一部を窒化物で置換した合金、Ｎｏ．１４は結合相金属をＣｏとした合金、Ｎｏ．１５は結合相金属をＮｉおよびＣｏとした合金、Ｎｏ．１６，１７はそれぞれＮｉと、ＮｉおよびＣｏの一部をＦｅで置換した合金、比較合金Ｎｏ．１，２は、結合相金属を含まないいわゆるバインダーレス超硬合金、Ｎｏ．３，４は合金中Ｃ量を高めに調整してＭ_６〜９Ｃ型複炭化物相が形成されないようにした超硬合金、Ｎｏ．５，６はＳｉを含まない一般的な耐摩耗工具用超硬合金である。同表には、焼結後の合金中Ｃ量およびＷＣ平均粒度も併示した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表１の組成の本発明合金および比較合金の組織、抗折力、硬さ、耐酸化性（酸化増量）、およびこれらの合金で作製した金型用押しピン（外径３０ｍｍ）を用いてガラスレンズのプレス成形を行い、押しピン押圧面の表面粗さの変化を調べた結果を表２に示す。硬さはマイクロビッカース硬さ（荷重９．８Ｎ）を測定し、酸化増量試験は、１０×１０×５ｍｍの試験片を鏡面仕上げ後、大気中で８００℃、３０分間加熱し、その重量変化から算出した。
【００１５】
また、ガラスレンズ成形試験については以下のように行った。まずフリント系光学ガラスを球状にして、超硬合金製金型のキャビテイ内に入れる。次に、真空または窒素雰囲気中で加熱成形する。その条件は、昇温速度１０Ｋ／ｍｉｎで６００℃まで加熱し、成形圧力１ＭＰａで５分間保持後、４００℃まで５Ｋ／ｍｉｎで冷却し、その後２０Ｋ／ｍｉｎ以上の速度で冷却して、３００℃で大気中に開放する。以上のような成形を１００回迄繰り返し行い、１０回および１００回成形後の押しピン押圧面の表面粗さを測定した。
【００１６】
【表２】

【００１７】
本発明合金は比較合金１，２に比べて耐酸化性に優れ、また比較合金３〜６に比べると抗折力は全体に低いが、高温（６００℃）硬さが高い上に酸化増量が少なく、耐熱性および耐酸化性に優れることが分かる。また、ガラス成形試験における本発明合金の押しピン押圧面は、比較合金に比べて試験前の表面粗さに優れ、またＷＣ粒度が５〜１０μｍの粗粒合金においてある程度表面粗さの劣化が観察されたものの、比較合金のそれより著しく劣化し難く損耗しにくいことが分かる。
【００１８】
これらの結果より、微粒合金はガラスとの接触面において押しピン表面粗さが劣化し難く、かつ耐酸化性に優れることからガラス成形用金型部材に、粗粒合金はガラスとの接触によって表面粗さが多少劣化するものの耐酸化性には優れていること、および一般に粗粒合金は微粒合金よりも熱伝導率が大きいことから金型周辺部材に適しており、本発明合金はガラスなどの熱間成形用金型およびその周辺部材用の材料として極めて優れていることが分かる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる焼結合金は、耐熱性や耐酸化性に優れ、熱間成形用金型としての実用試験においても損耗しにくく、産業上の利用価値が高い。

Claims

質量率（以下、同様）で、Ｗ：６５〜９６．４％、Ｓｉ：０．１〜１０％、Ｃ：３〜１０％、Ｎｉおよび／またはＣｏ：０．５〜１５％、および不可避不純物からなる組成を有し、かつ組織中に硬質相として平均粒度０．５〜１０μｍの炭化タングステンおよびＭ_６〜９Ｃ型複炭化物（Ｍは金属元素）相を含むことを特徴とする焼結合金。
Ｗの１０％以下を、Ｗを除く周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する遷移金属の１種または２種以上で置換した請求項１に記載の焼結合金。
Ｃの２０％以下をＮで置換した請求項１に記載の焼結合金。
Ｗの１０％以下をＷを除く周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する遷移金属の１種または２種以上で置換し、Ｃの２０％以下をＮで置換した請求項１に記載の焼結合金。
Ｎｉおよび／またはＣｏの合計量の５０％以下をＦｅで置換した、請求項１〜４のいずれかに記載の焼結合金。
請求項１〜５のいずれかに記載された焼結合金を双方に用いた、熱間成形用金型、および金型を固定するホルダーなどの周辺部材。