JPH0892607A

JPH0892607A - 複合構造硬質材料の製造方法

Info

Publication number: JPH0892607A
Application number: JP23109594A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Maehara; 克彦前原; Hitoshi Hatano; 等畑野; Akira Egami; 明江上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-09-27
Filing date: 1994-09-27
Publication date: 1996-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】従来から超硬合金やサーメットの製造に広く
用いられているプレス押出機と真空焼結炉を用いて、装
置の新設や特別な改造を必要としない単純な工程で、軸
対称で長尺の複合構造硬質材料を得ることを可能とした
複合構造硬質材料の製造方法を提供する。【構成】ＷＣを硬質粒子とし鉄族金属を主結合相とす
る超硬合金、およびＴｉＣあるいはＴｉ（Ｃ，Ｎ）を硬
質粒子とし鉄族金属を主結合相とするサーメット合金の
うち、任意の複数材種を選んで多層構造を成す複合構造
高湿材料の製造方法において、多層構造を成す原料をシ
リンダ内に装入し、これをピストンで押すことによって
上記シリンダから押し出し、任意断面の複合構造硬質材
料素材を成形する工程と、その後の焼結工程における主
結合相の拡散によって界面を接合する工程からなってい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドリル、エンドミル、
パンチ、ダイなど、従来より超硬合金やサーメット合金
が用いられていた分野において、より高い強度、靭性、
耐摩耗性のある材料を得ることのできる複合構造硬質材
料の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】積層工具材料に対する要求は従来から高
く、積層工具材料に関して多くの発明・考案が成されて
きた。これらの内の一部の例を挙げると、特公昭６４−
６８８２号、特開昭５５−３１５６３号、特開昭５６−
９３８７７号、特開平４−３１９４３５号各公報などに
開示の発明がある。これらは、スローアウェイチップ工
具など平面的な積層に関するもので、十分な性能が得ら
れる製品に対しては、有用な発明である。しかし、硬質
材料の利用分野はこのような形状のものばかりではな
く、ドリル・エンドミルをはじめとする軸物切削工具
や、パンチ・ダイなどの軸対称耐摩耗工具なども数多く
ある。軸対称の複合構造硬質材料に関する発明として
は、特開昭６１−１４４２２９号、特開平３−９０５３
３号、特開平３−９０５３４号、特開平３−２１１２４
９号各公報などに開示例がある。

【０００３】これらの内、製造方法に関する発明は特開
昭６１−１４４２２９号公報に開示されている。この発
明は図７に示す工程から成っている。即ち、この発明に
よれば、芯材２２と外部材２３を合わせて棒状部材２４
にする複合工程２５と、これを熱間静油圧押出によって
超硬金型ダイス２６から押し出して複合合金２４Ａにす
る複合合金加工工程２７、これを炉内２９に装入して行
う熱間等方加圧加工工程２８、さらに塑性加工工程３
０、外形形状加工工程３１、熱処理加工工程３２（急冷
却焼入れ工程３２Ａ，焼戻し工程３２Ｂ）を経ること
で、軸対称の複合構造硬質材料の製造が行われている。
また、特開平３−９０５３３号、特開平３−９０５３４
号各公報に開示の発明は材料構造に関するものである
が、その実施例として示されている製造方法は、プレス
によって粉末を成形する際に軸対称の多層になるように
粉末を充填したのちに圧力を付加するというものであ
る。

【０００４】さらに、特開平３−２１１２４９号公報に
開示の発明も材料構造に関するものであるが、その実施
例で示されている製造方法は、成形後の圧粉体あるいは
焼結体に対して、減圧の脱炭性雰囲気での昇温工程、減
圧の弱浸炭性雰囲気による温度保持工程、加圧した不活
性ガスと浸炭性ガスの混合ガス雰囲気での冷却という熱
処理工程を経ることで、軸対称の複合構造硬質材料を得
るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記各発明には問題点
も多い。例えば特開昭６１−１４４２２９号公報に開示
の方法は種々の材料を組み合わせた複合材料が製造可能
であるが、熱間での複合合金加工工程や熱間等方加圧加
工工程、塑性加工工程、熱処理加工工程など多岐にわた
る工程を経る必要がある。これら複雑な工程を経ること
は、多大なコストを必要とすることは勿論のこと、各工
程での冷却・加熱により、材料変質をきたす場合もあ
る。

【０００６】また、特開平３−９０５３３号公報および
特開平３−９０５３４号公報に開示の発明の場合は、粉
末成形プレスによるものである。粉末成形プレスは、ス
ローアウェイチップなどの厚みの小さい小物を大量生産
するには最適なものであるが、圧力を充填深さ方向に伝
えることが困難であるので、長尺品を成形するのは難し
い。円柱状の場合、長さは直径の２〜３倍が限界とされ
ており、ドリルやエンドミルを作ることはできない。ま
た仮に成形が出来たとしても、上下パンチの近傍とここ
から遠方の部分では、加わった圧力に違いがあるために
成形体密度の内部差が生じており、焼結によって収縮し
た後の品物は、中央部の径が両端部に比して細くくびれ
た鼓形に変形してしまう。従って、外周部を一様に研削
するのに多大な手間がかかり、さらには折角の外層をす
べて削り落としてしまう事態も発生することがある。

【０００７】さらに、特公平３−２１１２４９号公報に
開示の発明を実施するためには、脱炭性雰囲気や浸炭性
雰囲気のガス配管や安全対策など、超硬合金やサーメッ
トの製造には本来不必要な装置やプロセスを新たに加え
なければならない。本発明は、上記の問題点を課題とし
てなされたもので、従来から超硬合金やサーメットの製
造に広く用いられているプレス押出機と真空焼結炉を用
いて、装置の新設や特別な改造を必要としない単純な工
程で、長尺の複合構造硬質材料を得ることを可能とした
複合構造硬質材料の製造方法を提供しようとしたもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、ＷＣを硬質粒子とし鉄族金属を主結合相と
する超硬合金、およびＴｉＣあるいはＴｉ（Ｃ，Ｎ）を
硬質粒子とし鉄族金属を主結合相とするサーメット合金
のうち、任意の複数材種を選んで多層構造を成す複合構
造硬質材料の製造方法において、多層構造を成す原料を
シリンダ内に装入し、これをピストンで押すことによっ
て上記シリンダから押し出し、任意断面の複合構造硬質
材料素材を成形する工程と、その後の焼結工程における
主結合相の拡散によって界面を接合する工程とからなっ
ている。

【０００９】

【実施例】最初に成形工程について説明する。原料粉末
には、成形体の要求スペックに応じた量の成形バインダ
が予め付与される。一般的な超硬合金にパラフィンを混
ぜる場合を例にとると、パラフィンが２．５ｗｔ％より
少ないときは原料は粉末状のままである。必要に応じて
球状に造粒される場合もある。パラフィンが２．５〜
５．０ｗｔ％のときは原料は塊状になる。さらに、パラ
フィンを増やすと原料は餅状から、さらにはゲル状に変
化する。シリンダに原料を装入する際には、これらの性
状から適当なものを選び、図１に示すように多層構造を
形成させる。例えば、粉末状のものをプレスでパイプ状
に予備成形した後にシリンダ１に装入して外層４とな
し、内層５には粉末状原料やゲル状原料を流し入れる。
或は、餅状原料を脱気式スクリュー押出機で棒状に成形
してシリンダ中央に立てて内層５となし、その周囲に球
状に造粒した原料を充填して外層４を形成させてもよ
い。

【００１０】シリンダ１内で多層構造を形成した原料
は、ピストン２によって押し出し、所定の長尺品とす
る。シリンダ出口に取り付けるノズル３の形状を変える
ことによって、成形品の外形や積層状態を変化させるこ
とができる。成形した素材は、脱脂炉で加熱脱脂され
る。この時に、脱脂を容易にするための水素ガスや、変
質を防止するための窒素ガス・アルゴンガスなどを用い
ることも出来る。脱脂は概ね５００℃以下で終了する
が、焼結前の機械加工を可能にする必要があれば、８０
０℃〜９００℃まで加熱してもよい。

【００１１】焼結においては、１３００℃〜１５００℃
の温度で、所定断面・所定形状の素材を緻密なものにす
る。超硬合金やサーメットの焼結は、主結合相であるコ
バルトやニッケルなどの液相出現温度まで材料を加熱
し、液体の表面張力で硬質粒子を緻密化するものであ
る。したがって積層断面形状の素材においても、すべて
の構成材料の液相出現温度以上に加熱することによっ
て、それぞれの主結合相が液相状態で拡散し、一様で強
固な接合面が形成される。また、コバルトとニッケルは
全率固溶するので、積層材料を構成する材料の主結合相
の量、或はその組み合わせは、制限を受けない。加熱時
間を調整することで結合相の濃度変化の勾配を制御し、
結合相量の違いによって生ずる冷却後の内部応力を適正
な範囲に納めることもできる。

【００１２】以下、実際に複合構造硬質材料を試作した
結果について説明する。（実施例１）Ｃｏ１２．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合金
粉末に７．０ｗｔ％のパラフィンを混ぜて１時間混練し
て餅状になしたものを、脱気式スクリュー押出機にて外
径４５ｍｍ、内径２２ｍｍ、長さ２５０ｍｍのパイプ状
に成形した。これをシリンダ内に装入したのち、２２ｍ
ｍの穴の中にＣｏ６．０ｗｔ％、ＴｉＣ１．０ｗｔ％、
残部ＷＣの超硬合金粉末に５．０ｗｔ％のパラフィンを
混ぜた塊状の材料を圧入する。しかる後にピストンで４
０ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけて、外径３．４ｍｍの棒状
に押し出した。続いて炉内を１０^-1〜１０^-3ｔｏｒｒに
保ちつつ４５０℃まで２５℃／時の速度で加熱してパラ
フィンを脱脂した後に、１０℃／分の速度で加熱し１４
２０℃で１時間保持した。

【００１３】焼結後の素材は、外径が２．７ｍｍの棒状
であり、外側のＣｏ１２．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合
金層の厚みは０．８ｍｍ、内側のＣｏ６．０ｗｔ％、Ｔ
ｉＣ１．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合金部分の直径は
１．１ｍｍであった。この素材を研削加工して図２に示
すプリント基盤穴明け用ドリルを製作した。外層６に靭
性のある材料を用いることで折れに対する危険性を回避
するとともに、内層７からなるドリル部には耐熱性・耐
チッピング性に優れた材料を使用でき、ドリルの寿命を
３０００穴から４５００穴に向上させることができた。
さらに、外層６の材料は内層７の材料よりも安価である
ので、従来のＣｏ６．０ｗｔ％、ＴｉＣ１．０ｗｔ％、
残部ＷＣの超硬合金の一体物に比べて原料費を低減する
ことにも成功した。

【００１４】（実施例２）前実施例と同様にＣｏ１２．
０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合金粉末に７．０ｗｔ％のパ
ラフィンを混ぜて１時間混練して餅状になしたものを、
脱気式スクリュー押出機にて外径４５ｍｍ、内径２２ｍ
ｍ、長さ２５０ｍｍのパイプ状に成形した。続いてＣｏ
６．０ｗｔ％、ＴｉＣ１．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合
金粉末に７．０ｗｔ％のパラフィンを混ぜて餅状にな
し、同押出機にて外径２１ｍｍ、長さ２５０ｍｍの棒状
に成形した。これら両者をシリンダ内に装入し、シリン
ダ内の空気を真空ポンプによって十分に脱気した後に、
ピストンで３５ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけて、外径３．
４ｍｍの棒状に押し出した。続いて、前実施例１と同様
の熱処理を施した。

【００１５】焼結後の素材は、外径が２．７ｍｍの棒状
であり、外側のＣｏ１２．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合
金層の厚みは０．７ｍｍ、内側のＣｏ６．０ｗｔ％、Ｔ
ｉＣ１．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合金部分の直径は
１．３ｍｍであった。この素材を研削加工して全実施例
と同様のプリント基盤穴明け用ドリルを製作したとこ
ろ、前実施例１と同様の性能を得た。

【００１６】（実施例３）Ｎｉ１８．０ｗｔ％、Ｍｏ１
０．０ｗｔ％、残部Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のサーメット粉末に
４．０ｗｔ％のパラフィンを混ぜて球状に造粒した粉末
を粉末成形プレスによって図３に示すごとく円錐台状に
成形した。この寸法は上面の直径が１５ｍｍ、下面の直
径が３０ｍｍ、高さは１０ｍｍである。この下部材８を
内径３０ｍｍのシリンダ内に装入した後、上部からＣｏ
６．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合金を１．５ｗｔ％のパ
ラフィンで球状に造粒した粉末を、全体の充填深さが１
６．２ｍｍになるように投入する。しかる後にピストン
で８０ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけ、外径１３ｍｍ、長さ
５５ｍｍの棒状に押し出した。シリンダ内には１０ｍｍ
厚さの押し滓が残留した。

【００１７】脱脂および焼結は、水素ガス５．０l（リ
ッター）／ｍｉｎを流しつつ４５０℃まで２０℃／時の
速度で加熱してパラフィンを脱脂した後に、８℃／分の
速度で加熱し１４６０℃で２時間保持した。焼結後の素
材は、外径が１０．５ｍｍ、長さ４５ｍｍの丸棒とな
る。サーメットと超硬合金の構成は図４に示すようにな
り、サーメットの下部材８は変形によって８Ａのような
形状になる。この部分８Ａは、エンドミルに加工した際
に刃先や外周部になる部分であり、耐熱性・耐溶着性に
優れているサーメットが好適である。また、靭性の必要
な中心部９には超硬合金が構成される。従来の超硬合金
一体物のエンドミルに比べて、ステンレス鋼などの難削
性材料の切削性能に優れ、寿命を２０００ｍから３５０
０ｍに向上させることができた。また、サーメット一体
型のエンドミルの欠点である耐衝撃性や、高価格をも改
善することができる。

【００１８】（実施例４）Ｎｉ１３．０ｗｔ％、Ｍｏ
７．０ｗｔ％、ＴａＣ５．０ｗｔ％、ＴｉＣ１８．０ｗ
ｔ％、残部Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のサーメット粉末に１５．０
ｗｔ％のパラフィンを混ぜて１時間混練して餅状になし
たものを、脱気式スクリュー押出機にて外径４５ｍｍ、
内径３６ｍｍ、長さ２５０ｍｍのパイプ状に成形した。
続いてＣｏ６．０ｗｔ％、ＴｉＣ１．０ｗｔ％、残部Ｗ
Ｃの超硬合金粉末に７．０ｗｔ％のパラフィンを混ぜて
餅状になし、同押出機にて外径３５ｍｍ、内径２６ｍ
ｍ、長さ２５０ｍｍのパイプ状に成形した。さらに、Ｃ
ｏ１６．０ｗｔ％、残部ＷＣの超硬合金粉末に７．０ｗ
ｔ％のパラフィンを混ぜて餅状になし、同押出機にて外
径２５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの棒状に成形した。図５に
示すように、これら３者を装入するシリンダ１の先に、
外径１２．５ｍｍのドリル形状断面を持つノズル１０を
取り付けたうえで、ピストンで５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力
をかけて押し出した。成形体は、炉内に水素ガス７．０
ｌ（リッター）／ｍｉｎを流しつつ４５０℃まで２０℃
／時の速度で加熱してパラフィンを脱脂したのちに、８
℃／分の速度で加熱し１４６０℃で２時間保持した。

【００１９】焼結後の素材は、外径が１０．２ｍｍのド
リル刃状となる。３種の材料の構成は図６のごとくな
り、この溝部１４に適当な金属粉末を充填して１２００
℃前後で再焼結すると、外層１１、中間層１２、内層１
３からなる多層構造をもつドリル素材が得られる。従来
の超硬合金一体物のドリルに比べて、ステンレス鋼など
の難削性材料の切削性能に優れ、寿命を６００穴から２
５００穴に向上させることができた。また、サーメット
一体型ドリルの欠点である靭性不足や、高価格をも改善
することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明よりも明らかなように、本発
明によれば、ＷＣを硬質粒子とし鉄族金属を主結合相と
する超硬合金、およびＴｉＣあるいはＴｉ（Ｃ，Ｎ）を
硬質粒子とし鉄族金属を主結合相とするサーメット合金
のうち、任意の複数材種を選んで多層構造を成す複合構
造高湿材料の製造方法において、多層構造を成す原料を
シリンダ内に装入し、これをピストンで押すことによっ
て上記シリンダから押し出し、任意断面の複合構造硬質
材料素材を成形する工程と、その後の焼結工程における
主結合相の拡散によって界面を接合する工程とからなっ
ている。

【００２１】このため、従来から超硬合金やサーメット
の製造に広く用いられているプレス押出機と真空焼結炉
を用いて、装置の新設や特別な改造を必要としない単純
な工程で、長尺の多層を成す複合構造硬質材料を得るこ
とが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る製造方法における押出成形工程
においてシリンダ内で形成させる多層構造、および成形
品の多層構造の示す断面図である。

【図２】本発明に係る製造方法よって製作できるプリ
ント基盤穴明け用ドリルを示す断面図である。

【図３】本発明に係る製造方法における成形工程にお
いて用いられる粉末成形プレスによって円錐台状に成形
した内層素材を示す斜視図である。

【図４】図３に示す内装素材の形状にしたサーメット
と超硬合金とを成形した後の複合エンドミル用素材の構
成例を示す図である。

【図５】本発明に係る製造方法に適用されるドリル刃
面を押出成形するためのノズルを取り付けたシリンダの
構成例を示す図である。

【図６】本発明に係る製造方法により形成されるサー
メットと２種の超硬合金の複合ドリル素材の構成例を示
す図である。

【図７】従来の複合構造硬質材料の製造方法の工程図
である。

【符号の説明】

１：シリンダ２：ピストン３：ノズル４：外層５：内層６：プリント基盤穴明け
用ドリルの外層７：プリント基盤穴明け用ドリルの内層８：下部材８Ａ：エンドミルに加工した際に刃先や外周部になる部
分９：靭性の必要な中心部１０：ドリル形状断面を
持つノズル１１：外層１２：中間層１３：内層１４：溝部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＷＣを硬質粒子とし鉄族金属を主結合相
とする超硬合金、およびＴｉＣあるいはＴｉ（Ｃ，Ｎ）
を硬質粒子とし鉄族金属を主結合相とするサーメット合
金のうち、任意の複数材種を選んで多層構造を成す複合
構造硬質材料の製造方法において、多層構造を成す原料
をシリンダ内に装入し、これをピストンで押すことによ
って上記シリンダから押し出し、任意断面の複合構造硬
質材料素材を成形する工程と、その後の焼結工程におけ
る主結合相の拡散によって界面を接合する工程とからな
ることを特徴とする複合構造硬質材料の製造方法。