JPS5823456B2 - 焼結硬質合金とその製造方法 - Google Patents

焼結硬質合金とその製造方法

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JPS5823456B2
JPS5823456B2 JP53005580A JP558078A JPS5823456B2 JP S5823456 B2 JPS5823456 B2 JP S5823456B2 JP 53005580 A JP53005580 A JP 53005580A JP 558078 A JP558078 A JP 558078A JP S5823456 B2 JPS5823456 B2 JP S5823456B2
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hard
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山本孝春
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はTiを主成分とする焼結硬質合金に酸素を含有
されることにより、切削特性の著しく改善された焼結硬
質合金に関する。
従来多くの酸素が含有されていると、焼結性が悪く、合
金中に微細な孔を発生し、合金の靭性が劣るということ
が常識であった。
ドイツ公開公報(Of fenlegungsschr
i ft )20434111こは酸素量を合金中で0
.15チ以下に極力抑えるようにと記載されている。
又Rudyらのl−Modified 5pinoda
l A11oys for Tool and Wea
r Applicatio−ns 、 8th Pla
nsee Sem1nar II (1974) Jζ
こは、2.5重量係まで酸素を含有しても、焼結性は悪
くないが抗折力は低くなり、単相のa′@(Moの少な
い炭窒化物相)I相(Moの多い炭窒化物相)のときは
、それぞれ0.5,0.9重量%0□以上で緻密な相が
得られないと報告している。
Rudyらの方法の特徴は、炭窒化合金粉末(Ti−M
o)(CN) を原料に用いることである。
これは従来法に比べ若干の改良はあるものの含まれてい
る酸素が放出されるという本質的な現象には変わりはな
く、そのため靭性が低下するのである。
以上のようにRudyらの方法では酸素を含有させても
、合金中の酸素は安定ではなく、CO,CO2ガスとし
て放出されやすく合金強度が劣下するので、酸素を出来
る限り除去することに努めている。
発明者らは、これと全く見解を異にし、酸素を安定に含
有される製造法を発見した。
この方法によれば、酸素を含有した本発明焼結硬質合金
は、これまでの常識とは異なり、酸素を含まない合金0
こ比べ性能が極めて向上することがわかった。
本発明の方法は、原料としてBl型固溶体(Bl型固溶
体はNa1l型固溶体構造をとる化合物)であるTiO
,Ti(CO)、Ti(CNO)(便宜上、Ti0Ti
(CO)、Ti(NO)、Ti(CNO)と表示、実際
はTi10.C,N比は状態図より明らかなように変動
する。
以下同様)粉あるいはTiをIVa族金属で50モル係
まで置換した原料を用い、および/又は焼結雰囲気をC
Oガス雰囲気とすることに特徴がある。
このような製造法を用いる2とによって高温での耐塑性
変形性、耐クレータ性が著しく改善された合金を作成す
ることが可能となった。
この理由(こついては定かでないが、TiCとT−io
の特性を比較すると、常温でのビッカース硬度がTiC
,TiQそれぞれ3200 kg/ma 。
1700kg/’−で常温ではTiCの硬度が高く、8
00℃になるとTiC,TiOそれぞれ500kg/m
m t 66o kg/m4で、高温になるとTiOの
硬度が高くなる。
またTiOはTiCよりも、はるかに化学的ζこ安定な
性質をもっている。
従って合金に酸素を含有させることが可能となれば、T
−10の特性を生かした合金が得られる。
また合金中に酸素が含有されていると、切削時に合金表
面と酸素が反応し、変面にBe 1 agが形成され易
くなり切削抵抗を緩和させることも考えられる。
上記のものは原料としてTie、Ti(Co)。
Ti(CNO)、Ti(NO)粉を用いているが、Ti
をfVa族、で50モル係まで置換してもよく、50モ
ル係以上になると未固溶のものが残ってしまう。
原料としてTiをVIa族金属で置換したものは使えな
い。
例えば(T iMo )(CNO)粉を用いている場合
は、Moが多い程、固溶体中の酸素は不安定となり、C
09CO2ガスとなって放出されやすく、そのために合
金中では微細な孔が出来靭性が下るが、本発明の方法の
場合のようにIVa族金属が固溶している場合はガスは
放出されにくく、また特にNと0が共存していると酸素
が安定に固溶しやすい。
次に本発明の硬質相の金属成分と非金属成分の制限につ
いて述べる。
本発明の硬質相の総組成は(ff a族金属)〆第1V
a族金属)b)(CuNvOw)2で表わされ、第1V
a族金属はTiもしくはZrもしくはHfの一方または
任意の比率の二種以上の金属を示す。
また第1Va族金属はCrもしくはMoもしくはWの一
方または任意の比率の二種以上の金属を示す。
硬質相の金属成分の20モル係以上はTiよりなり、Z
r、Hfは耐摩耗性向上、Crは耐食性向上、Mo、W
は靭性向上の効果がある。
次に硬質相の非金属成分について述べると、U。
V y Wはそれぞれ炭素、窒素、酸素のモル分率であ
り、■が0.04以下であると窒素による合金微細化効
果および酸素を安定に含ませる効果がすく。
0.36以上であると焼結性が悪くなる。
また、Wが0.01以下であると酸素含有の効果がなく
、0.20以上であると焼結性が悪くなる。
2は化学量論パラメータで金属(第1Va族金属十第■
8族金属)ダラム原子当りの炭素および窒素および酸素
のダラム原子の結合数であり、0.8or、、t’いし
1.05の間に変動する。
0.80以下は脆い相が存在し、1.0以上になるとF
ree Carbon が存在するが、1.05までは
性能上問題がない。
本発明の硬質相の総組成の領域を第1図、第2図に示す
第1図においては、ABCI)で囲まれた領域内が本発
明範囲であるが好ましくは更に限定された領域A’B
C’D’である。
Wが0.20以上であると焼結性を害し、0.01以下
であると、酸素を含有した効果がない。
bが0.04以下であると靭性劣化し、bが0.5以上
であると耐摩耗性を劣化させる。
第2図においては、EFGHで囲まれた領域内が本発明
範囲であるが好才しくは更に限定された領域E’F G
’H’内にある。
N/C+Nが0.42以上のときは焼結性を害し、0.
04以下では窒素の効果が無くなり、bが0.04以下
であると靭性劣化し、bが0.50以上では耐摩耗性が
劣化する。
硬質相を結合する金属結合相は、鉄族金属の1種又は2
種以上3〜25係であり、3係以下では合金が脆く、2
5係以上は耐摩耗性が低下する。
鉄族金属は、Co、Ni、Feより選択される。
また金属結合相にはTi、Zr、Hf、V、N、b、T
a。
Cr r Mo t VV+ Cr N p Oの硬質
相形成元素が含有されるのは当然のことである。
以上のように本発明は、原料として酸化物、炭酸化物、
酸窒化物、炭酸窒化物を用い、焼結法としてCOガス焼
結を行ない、脱酸素の防止および/もしくは酸素富化さ
せているが、酸素の含有していない完粉をCOガス焼結
することによっても合金中に酸素を含有させることがで
きる。
またCOガス圧を0.01〜300 Torrの範囲と
したのは、 0.01 Torro下では酸素がC02
cO2ガスとして放出されやすくなり、300 Tor
ro上では浸炭が激しくなり、炭素量の変動が大きくな
るからである。
本発明の合金の応用は実施例の記載にとどまらず、切削
工具のみならず、ペンボール、耐摩工具、ダイス、耐摩
部品(アペックスシール)、装飾品等にも使用できる。
実施例 1 市販のTiC粉末、TiN粉末(TiC,TiNは便宜
上の表示で、実際はTi/C,N比は状態図より明らか
なように変動する。
以下同様)、WC粉末、Mo2C粉末及びTiO粉床と
TiC粉末から作成した’l’ i (C□、50o、
5 )粉床、TiO粉床とTiNI床から作成したT
i (No、50゜、5 )粉末、ならびにNi粉末、
Co粉末、TaN粉床とを用いて第1表の組成で配合し
第2表の硬質相組成とした。
これを直径10mmのTic−Ni−Mo成氷ボール用
い18−8ステンレス内張ポツトによりアセトンを加え
て、湿式ボールミルで96時間混合した。
この混合粉末に対し、カンファーを3係加え、2t/c
rAで型押した。
この型押体を1200℃までは10−3關Hgの真空下
にし、1200℃から1380℃までをCOガス分圧5
0 Torrに保持し、その後、真空下で1380℃で
60分焼成して合金を作成した。
得られた合金の機械的特性、分析酸素量を第3表に示す
また切削性能を第4表に示す。
実施例 2 市販(7) T i C粉末、TiN粉禾、WC粉末、
Mo2C粉末及びNi粉末、Co粉床とを用いて第5表
の組成で配合し第6表の硬質相配合組成とした。
これを直径10mrILのTiC−Ni−Mo製ボール
を用い18−8ステンレス内張ポツト(こよりアセトン
を加えて、湿式ボールで96時間混合した。
この混合粉末に対してカンファーを3係加え、2t/d
で型押した。
この型押体を1200℃まで10−3mvtHgの真空
下にし、1200℃から1380°CまでをCOガス分
圧200 Torrに保持し、その後、真空下で138
0°Cで60分焼成して、冷却時にCOガス分圧250
Torr分圧にして合金を作成した。
第7表にCOガス焼結による硬質相合金組成を示す。
得られた合金の機械的特性、分析酸素量を第8表に示す
また切削性能を第9表に示す。
第9表 テスト条件 ○耐摩耗性テスト: SCM3Q、 V=200 m/
m1yt、 d=1.5mm、 f =0.36mm1
rev 。
T=15mIA O耐塑性変形性テスト: SK5 、 V=200m1
m1n、 d=1.5mm、 f=0.36mw/ r
ev 。
T=10mvt O耐熱疲労靭性テストニSCM3Q 、 V=150
m/min、 d = 1.5mm 。
f = 0.59mm、/ rev 、 T =欠ける
まで実施例 3 市販のTiC粉末、TiN粉床、WC粉末、Mo2C粉
末、ZrC粉末、HfC粉床、NbC粉床、Cr3C2
粉床、TiO粉床とTiN粉床とTiC粉末から作成し
たTi(CNO)粉末、TiO粉末とTiN粉床とTa
N粉床から作成した(TiTa)(NO)粉末、ならび
にNi粉末、Co粉末、TaN粉末、TaC粉末とを用
いて第10表の組成で配合し、第11表の硬質相組成と
した。
これを直径10mmのT i C−N i−Mo製ボー
ルを用い18−8ステンレス内張ポツトによりアセトン
を加えて、湿式ボールミルで96時間混合した。
この混合粉末に対してカンファーを3チ加え、2t、/
iで型押した。
この型押体を1380℃で60分真空下で焼成して合金
を作成した。
得られた合金の機械的特性、分析酸素量を第12表に示
す。
また切削性能を第13表に示す。
テスト条件 0耐摩耗性テスト:86M3o、■−200m/mvt
、dニ1.5mn。
f = 0.36mm/ rev 、 T= 15mv
tO耐塑性変形性テスト: SK5 、 V=200
m/mj!L、 d=1.5mm。
f =0.36mm/ rev 、 T= 10mi!
lO耐熱疲労靭性テスr : SCM3(a、 V=1
50m、/mi!l、 d=1.5mm。
f =0.59mm、/ rev 、 T=欠けるまで
実施例 4 下記の第14表は1合金置換物の数種を総合した粗相物
から形成された多数の工具類の硬質相総組酸である。
テスト条件 0耐摩耗性テスト: SCM3Q、V=200m/mm
、d=1.5mm。
f=0.36rnyrt/ rev 、 T=15″1
立0耐塑性誉形性テスト: S K5 、 V=200
m/ml!l、 d= 1.5mm。
f =0.36mrn/ rev 、 T=l Omi
!10耐熱疲労靭耐熱疲労靭性テスト券) SCM3(
81,V=150m/mUId=1.5mm、 f=0
.59mvt/rev 。
T=欠けるまで
【図面の簡単な説明】
第1図は硬質相の総組酸を ((Ja族金属) a (Vla族金属)b)(CuN
vOW)2 と表わした場合、縦軸のモル分率Wを、横
軸がVia族金属のモル分率すを示す。 第2図は硬質相の総組酸を (C1Va族金属)a(Via族金属)b)(CuNv
OW)2と表わした場合、縦軸がN/C’+Nを、横軸
がVia族金7ンのモル分率すを示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 I Bl型固溶体硬質相と金属結合相とから成る合金
    であって硬質相を形成するための金属成分としてIVa
    族金属のTi、Zr、Hfのうち1種又は2種以上とV
    Ia族金属のW、Mo 、Crのうち1種又は2種以上
    を有し、非金属成分はCとNと0からなり、硬質相の総
    組成が第1図における領域ABCD、および第2図にお
    ける領域E F GH内にあって、しかも硬質相の総組
    成を原子比で((第1Va族金属)a (第1Va族金
    属)b)(CNO) と表わすと、a、b、u、v、
    wの間にa+b=1.0.5≦a≦0.96 、0.0
    4≦b≦0.50 、u+v+w=1の関係があり、1
    ゜v、w、zの範囲は 0.49≦U≦0.95 0.04≦V≦0.36 0.01≦W≦0.20 0.80≦2≦1.05 でありさらに前記金属結合相
    は鉄族の金属であって、合金全体を100重量係とした
    とき、この中における結合金属量が3〜25重量係であ
    ることを特徴とする焼結硬質合金1゜ 2 Tiが硬質相の金属成分の20モル係以上90モ
    ル係以下よりなる特許請求の範囲第1項記載の焼結硬質
    合金。 3 硬質相の総組成が第1図における領域A’BC’び
    第2図における領域E’F G’H’内にある特許請求
    の範囲第1項、又は第2項記載の焼結硬質合金。 4 昇温、焼結、冷却過程の一部又は全部の過程で断続
    的もしくは連続的にCOガス分圧を0.01〜300ト
    ル(Torr)に保持することにより合金の脱酸素の防
    止および/もしくは酸素富化を行わせ合金中に酸素を含
    有せしめることを特徴とするBl型固溶体硬質相と金属
    結合相とから成る合金であって硬質相を形成するための
    金属成分として■a族金属のTi、Zr、Hfのうち1
    種又は2種以上とVIa族金属のW、Mo 、Crのう
    ち1種又は2種以上を有し、非金属成分はCとNとOか
    らなり、硬質相の総組成が第1図における領域ABCD
    、および第2図における領域E F GH内にあって、
    しかも硬質相の総組成を原子比で((第Na族金属)〆
    第1Va族金属)b)(CuNvOW)2と表わすと、
    a、b、u、v、wの間にa 十b =1.0.5≦a
    ≦0.96 、0.04≦b≦Q、50.u+v+w=
    1の関係があり、u、v、w、zの範囲は 0.49≦U≦0.95 0.04≦V≦0.36 0.01≦W≦0.20 0.80≦2≦1.05でありさらに前記金属結合相は
    鉄族の金属であって、合金全体を100重量%へしたと
    き、この中における結合金属量が2〜25重量係である
    焼結硬質合金の製造方法。 5 Tiが硬質相の金属成分の20モル係以上90モ
    ル係以下よりなる特許請求の範囲第4項記載の焼結硬質
    合金の製造方法。 6 硬質相の総組酸が第1図における領域A’BC’び
    第2図Oこおける領域E’F G’H’内にある特許請
    求の範囲第4項、又は第5項記載の焼結硬質合金の製造
    方法。 7 炭化物、窒化物とともにTi0h(たゾし、0.8
    0≦h≦i、5)、Ti(Ce、0 )h(たゾし、
    0.05≦e≦0.95 、0.05≦g≦0.950
    .80≦h≦1.5)、Ti(Nf、0 )h。 (たゾし、0.05≦f≦Q、95 、0.05≦g≦
    0゜0.95 、0.80≦h≦1.5である)Ti(
    Co。 Nf、0.)h粉(たゾし、e+f+g=1゜0.05
    ≦e≦0.95 、0.05≦f≦0.95゜0.05
    ≦g≦0.95 、0.80≦h≦1.5である)を1
    種又は2種以上混合し、焼結すること(こより、合金に
    酸素を含有せしめた特許請求の範囲第4項、第5項、又
    は第6項記載の焼結硬質合金の製造方法。
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