(57)【要約】【課題】強度面の信頼性および耐摩耗性に優れ、かつ安価なバイメタル型一体焼結鋼とその製造方法を提供する。【解決手段】１５〜３５質量％の硬質粒を含む焼結鋼からなる先端部と、硬質粒を含まない焼結鋼からなる母材との間に、１５質量％以下、より好ましくは１０質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含む焼結鋼からなる厚み１ｍｍ以上の中間層を１層以上設け、先端部および中間層をそれぞれ構成する焼結鋼の液相出現温度のうち高い方の温度以上で焼結する。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１５〜３５質量％の硬質粒を含む焼結鋼からなる先端部と、硬質粒を含まない焼結鋼からなる母材との間に、１５質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含む焼結鋼からなる厚み１ｍｍ以上の中間層を１層以上設け、前記先端部および前記中間層をそれぞれ構成する焼結鋼の液相出現温度のうち高い方の温度以上で焼結してなるバイメタル型一体焼結鋼。
【請求項２】
前記母材と接する中間層が１０質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含有する焼結鋼からなることを特徴とする請求項１に記載のバイメタル型一体焼結鋼。
【請求項３】
前記先端部および前記中間層をそれぞれ構成する焼結鋼のマトリックスが、ともにＣｏ：２〜４０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｎｉ：３〜２０％、　　Ｍｏ：０．２〜１５％、Ｃｕ：０．２〜５．０％、Ａｌ：０．２〜２．０％、　Ｔｉ：０．２〜３．０％を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のバイメタル型一体焼結鋼。
【請求項４】
前記マトリックスが、さらにＣｒ：３〜２０％を含む請求項３に記載のバイメタル型一体焼結鋼。
【請求項５】
前記硬質粒が、ＴｉＣ：５０％以上で、残りがＶ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの各炭化物およびＴｉＮよりなる群から選択される１種以上の物質からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイメタル型一体焼結鋼。
【請求項６】
先端部には１５〜３５質量％の硬質粒を含む焼結鋼粉末を、母材には硬質粒を含まない焼結鋼粉末を、さらに前記先端部と前記母材との間に１５質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含む焼結鋼粉末からなる１層以上の粉末層を配置して一体成形したのち、前記先端部および前記母材それぞれに配置した焼結鋼粉末の液相出現温度のうち高い方の温度以上で焼結することを特徴とするバイメタル型一体焼結鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷間および熱間加工用工具等に用いられるバイメタル型炭化物または窒化物分散焼結鋼およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷間および熱間加工用工具等に使用するため、より強度面の信頼性が高く（最低強度が大きく）、耐摩耗性に優れた材料を得る目的で粉末冶金法を用いて炭化物や窒化物を分散させた焼結合金鋼が製造されている（例えば、特開昭５３−６４６０８，特開昭５３−６２０７，特開２０００−２７３５０３）。さらには、工具の折れを防止するために、先端部（刃先部）のみに硬質粒分散鋼を用い、母材はステンレス鋼や炭素鋼としてバイメタル型とする工夫がなされている（例えば、特開平９−３１４５５５、特開平１０−５８８）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
工具の折れ防止の目的でバイメタル型とする場合、ロウ付けやカプセルＨＩＰ法による拡散接合法が用いられている。しかしながら、ロウ付け品は接合界面の強度が低い上に、接合不良箇所が生じたりするため信頼性に欠ける問題があった。一方、カプセルＨＩＰ法は、粉末試料を耐熱性可撓性のある密封容器（カプセル）に真空封入し、これをＨＩＰ（熱間静水圧加圧）処理する方法であり、試料の変形やカプセルの破れが問題になるために、液相発生領域でなく固相領域での高圧処理が用いられている。しかしながら、固相領域での処理においても、カプセル中に粉末試料を封入後高圧ガスで加圧処理するため試料の変形は避けられず、接合界面に大きな残留応力が生じる。また、固相接合であるために拡散層が薄く、界面強度の低下が生じるという問題がある。さらに、カプセルの加工、カプセル内への粉末試料のセッティング、加圧処理後のカプセルの除去といった余分な工程が必要なため焼結品コストが高くなる。また、ロウ付け、カプセルＨＩＰ法とも、硬質粒分散焼結鋼と母材とを予め別々に製造・加工したのちこれらを接合するものであり、この点においても同一素材からなるソリッドタイプの工具と比較して非常に高価なものとなっていた。
【０００４】
そこで本発明の目的は、強度面の信頼性および耐摩耗性に優れ、かつ安価なバイメタル型一体焼結鋼とその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、１５〜３５質量％の硬質粒を含む焼結鋼からなる先端部と、硬質粒を含まない焼結鋼からなる母材との間に、１５質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含む焼結鋼からなる厚み１ｍｍ以上の中間層を１層以上設け、前記先端部および前記母材をそれぞれ構成する焼結鋼の液相出現温度のうち高い方の温度以上で焼結してなるバイメタル型一体焼結鋼である。
【０００６】
請求項２の発明は、前記母材と接する中間層が１０質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含有する焼結鋼からなることを特徴とする請求項１に記載のバイメタル型一体焼結鋼である。
【０００７】
請求項３の発明は、前記先端部および前記中間層をそれぞれ構成する焼結鋼のマトリックスが、ともにＣｏ：２〜４０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｎｉ：３〜２０％、　　Ｍｏ：０．２〜１５％、Ｃｕ：０．２〜５．０％、Ａｌ：０．２〜２．０％、　Ｔｉ：０．２〜３．０％を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のバイメタル型一体焼結鋼である。
【０００８】
請求項４の発明は、前記マトリックスが、さらにＣｒ：３〜２０％を含む請求項３に記載のバイメタル型一体焼結鋼である。
【０００９】
請求項５の発明は、前記硬質粒が、ＴｉＣ：５０％以上で、残りがＶ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの各炭化物およびＴｉＮよりなる群から選択される１種以上の物質からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイメタル型一体焼結鋼である。
【００１０】
請求項６の発明は、先端部には１５〜３５質量％の硬質粒を含む焼結鋼粉末を、母材には硬質粒を含まない焼結鋼粉末を、さらに前記先端部と前記母材との間に１５質量％以下（０質量％を含まない）の硬質粒を含む焼結鋼粉末からなる１層以上の粉末層を配置して一体成形したのち、前記先端部および前記母材それぞれに配置した焼結鋼粉末の液相出現温度のうち高い方の温度以上で焼結することを特徴とするバイメタル型一体焼結鋼の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細について説明する。先端部（刃先部）となる１５〜３５質量％の硬質粒を含む焼結鋼粉末と母材となるステンレス鋼粉末や炭素鋼粉末を、焼結品の形状に応じて必要な箇所に配置して一体成形したのち焼結するのであるが、焼結は、先端部（刃先部）の緻密化および母材との界面強度を確保するため、先端部（刃先部）となる焼結鋼粉末の液相出現温度以上で行う。しかしながら、硬質粒含有量が多い先端部（刃先部）側の粉末と硬質粒を含まない母材側の粉末とを直接接触させると、焼結時に母材側へ液相が流出するため界面部分に大きなポアが生じやすく、十分な界面強度を確保できない。
【００１２】
そこでこの現象を防止するために、母材と先端部（刃先部）との間に中間層を設ける。この中間層の硬質粒含有量は１５質量％以下（０質量％を含まない）の範囲で、先端部（刃先部）の硬質粒含有量を基に決定し（マトリックスの組成は先端部（刃先部）と異なったものとしても良いが、同じとする方が成分調製の手間が簡略化できるためより好ましい）、１層以上設けるのがよい。例えば、先端部（刃先部）の硬質粒含有量が３０質量％の場合においては、中間層は母材側から７．５質量％、１５質量％の２層とする。ただし、ここに挙げた層数および硬質粒含有量に限定されるものではなく、上記硬質粒含有量の範囲（１５質量％以下（０質量％をふくまない））であれば層数は１層または３層以上としても問題はない。先端部（刃先部）より硬質粒含有量の低い中間層を設けたことにより、この中間層が母材と接触しても界面部分における大きなポアの発生を防止できる。なお、さらに効果的に界面部分のポアを削減するため、母材に接する中間層の硬質粒含有量は１０質量％以下（０質量％を含まない）とすることがより好ましい。また、中間層の厚みは１層当たり１ｍｍ以上とすることが好ましい。１ｍｍ未満ではやはり十分に界面部分のポアを削減できないからである。厚みの上限については、焼結品の形状等を加味して決定すればよい。
【００１３】
そして、上述の所定範囲の組成からなる先端部（刃先部）、中間層、および母材の各粉末を所望の形状に配置して、一体成形して圧粉成形体とする。成形は例えば通常のプレス成形機を用いて加圧成形を行えばよい。より好ましくは、成形時のエアー巻き込み、スプリングバックによる割れを防ぐために、割り型仕様の金型を用いて成形するのがよい。ついでこの圧粉成形体を、先端部および中間層それぞれの焼結鋼の液相出現温度のうち高い方の温度以上で一体焼結して焼結品とする。液相出現温度以上での緻密化のため、残留応力も生じにくく、また母材―中間層界面にも１００μｍ以上の反応層を設けることができ、十分な界面強度の確保が可能となる。
【００１４】
ここに、先端部（刃先部）の硬質粒含有量を１５〜３５質量％としたのは、３５質量％を超えると先端部強度の低下が著しく、また１５質量％未満では十分な耐磨耗性等が確保できないためである。これに対し、中間層の硬質粒含有量は１５質量％以下としているが、この部分は被切削物と直接接触しない部分であるため耐磨耗性がそれほど要求されないため特に問題はない。
【００１５】
焼結温度は、先端部および中間層を構成する焼結鋼の液相出現温度以上とすれば良いが、特に１３５０〜１４００℃とすることが好ましい。１３５０℃未満では液相発生量が少ないため緻密化が難しく、１４００℃を超えると液相発生量が多すぎて変形が大きくなるためである。なお焼結は、例えば通常の真空焼結炉を用いて真空焼結を行えばよい。
【００１６】
以上のように、本発明によれば、先端部、中間層、母材それぞれに使用する粉末を圧粉成形時にそれぞれの位置に配置して一体成形した後これを焼結して焼結品とするので、先端部組成のみの同一素材からなるソリッドタイプのものと同じ工程で製造することができ、安価な焼結品が得られる。さらに、一体成形したものを焼結することにより、強度面でも信頼性が高いものを得ることができる。
【００１７】
母材には、ステンレス鋼粉末を用いることが好ましいが、これに限られるものではなく、用途に応じて炭素鋼粉末や合金鋼粉末等から適宜選択しうるものである。
【００１８】
次に、先端部および中間層を構成する焼結鋼のマトリックスの成分を規定した理由を以下に示す。本発明品は冷間および熱間加工用工具等に使用されるため、マトリックスには当然のことながら強度、耐磨耗性が要求される。
【００１９】
Ｃｏを添加することにより鉄中へのＭｏの溶解が抑えられ、硬度向上に必要な金属間化合物の析出を可能にする。２％未満ではその析出強化の効果が少なく、４０％を超えると金属間化合物が多量に析出し、急激な靭性の低下を招くため、Ｃｏ添加量の範囲は２〜４０％とすることが望ましい。
【００２０】
Ｎｉは、Ｎｉマルエージング鋼とする場合に特に必要であるが、３％未満ではマルテンサイトを生成しないこと、２０％を超えるとオーステナイトが残留することから、その添加量の範囲を３〜２０％とすることが望ましい。
【００２１】
Ｍｏは、硬度向上に必要な金属間化合物として析出する元素であるが、０．２％未満ではその析出強化の効果が少なく、１５％を超えると金属間化合物が多量に析出して急激な靭性の低下を招くので添加量の範囲を０．２〜１５％とすることが望ましい。
【００２２】
Ｃｕは、析出して硬度向上に寄与するが、０．２％未満ではその析出強化の効果が少なく、５．０％を超えると脆化相を生じるため添加量を０．２〜５．０％とすることが望ましい。
【００２３】
Ａｌ，Ｔｉは、いずれも硬度向上に必要な金属間化合物として析出するが、０．２％未満ではその析出強化の効果が少なく、多過ぎると脆化相を生じるため、Ａｌは添加量を０．２〜２．０％とすることが望ましく、Ｔｉは添加量を０．２〜３．０％とすることが望ましい。
【００２４】
Ｃｒは、耐腐食性を改善するものである。しかしながら、３％未満ではその効果が少なく、２０％を超えると著しい焼結性の低下を招くために、添加量の範囲を３〜２０％以下とすることが望ましい。
【００２５】
また、硬質粒として通常ＴｉＣを主成分とするものが用いられるが、ＴｉＣを第ＩＶＡ・ＶＡ・ＶＩＡ属（Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ）の炭化物およびＴｉＮの単独または複数の化合物で５０％まで置換しても良好な結果が得られる。これらは、焼結時に一部ＴｉＣと固溶することになり、複合炭化物を生成する。この複合炭化物および単独で存在する炭化物とも、硬さ・靭性において異なるが、硬質分散相として十分な役割を果たす。５０％を超えると焼結性の低下を招くことになりポア等が発生する。したがって、置換量は５０％までとすることが望ましい。
【００２６】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲内に含まれるものである。
【００２７】
【実施例】
使用した粉末の種類および粒径は以下の通りである。
【００２８】
先端部および中間層のマトリックス用粉末として、Ｆｅ粉末（平均粒径約５μｍ）、Ｃｏ粉末（平均粒径約１．５μｍ）、Ｎｉ粉末（平均粒径約２．５μｍ）、Ｍｏ粉末（平均粒径約４．５μｍ）、Ｃｕ粉末（平均粒径約２．５μｍ）、Ａｌ粉末（＜４５μｍ）、Ｔｉ粉末（＜４５μｍ）、Ｃｒ粉末（平均粒径２０μｍ）を用いた。また、硬質粒として、ＴｉＣ粉末（平均粒径約２．５μｍ）、ＴｉＮ粉末（平均粒径約３０μｍ）、ＨｆＣ粉末（平均粒径約３μｍ）、ＴａＣ粉末（平均粒径約１．０μｍ）、Ｍｏ２Ｃ粉末（平均粒径約３μｍ）を用いた。
【００２９】
これらの粉末をアトライタを用いて種々の配合割合で混合し、先端部および中間層用の粉末とした。なお、先端部および中間層用の粉末の組成分析はＩＣＰ発行分析法を用いて行った。母材として用いる粉末としては、アトマイズにより作製したＳＵＳ６３０粉末（平均粒径約１０μｍ）を用いた。中間層としては１層または２層で種々の厚みのものを作製し、これら先端部、中間層、母材用の各粉末をこの順序で、所定の位置に置いてプレス成形により一体成形した（表１参照）。この圧粉成形体を１３８０〜１３９０℃の条件で焼結した。その後、この焼結体を１３５０〜１３８０℃×１ｈ、９８ＭＰａの条件でＨＩＰ処理を行った。そしてさらに熱処理により容体化・時効処理を施し、試験材とした。
【００３０】
この試験材を機械加工により先端部が刃先となるようにナイフ形状のカッター刃に加工し、これを樹脂ペレタイジング装置に円周状に取り付け、ポリプロピレンの切断試験を実施した。切断試験は、周速（カッター刃の移動速度）１５ｍ／ｓ、面圧０．９８ＭＰａ、１０００ｈの連続運転の条件で行った。そして、試験後におけるカッター刃１００本当たりの破損本数により評価を行った。
【００３１】
試験結果は表１に併記する。
【００３２】
Ｎｏ．１，２，５，１０，１２，１３，１５，１７，２１，２３，２５は本発明（請求項１〜３）に係る焼結鋼によるカッター刃であり、破損本数は０または１本と非常に少なく、強度に優れている。
【００３３】
また、Ｎｏ．１９は本発明（請求項４）に係る焼結鋼によるカッター刃であり、先端部および中間部のマトリックスに所定量のＣｒを添加し、かつ中間層を１層とした場合であるが、カッター刃の破損は全くなく（破損本数：０本）、優れた強度を維持しつつＣｒの添加による耐腐食性向上効果が得られる。
【００３４】
さらに、Ｎｏ．６〜９は本発明（請求項５）に係る焼結鋼によるカッター刃であり、硬質粒のＴｉＣを所定の金属の炭・窒化物で一部置換した場合でも破損本数は１〜３本と少なく、優れた強度が維持されることがわかる。
【００３５】
なお、上記本発明の焼結鋼によるカッター刃には、試験後においていずれにも著しい磨耗は認められなかった。
【００３６】
これに対し、Ｎｏ．３，１４は中間層への硬質粒の添加量が多すぎる場合の比較例、Ｎｏ．１１は中間層の厚みが薄すぎる場合の比較例、Ｎｏ．４は中間層への硬質粒の添加量が多すぎるとともに中間層の厚みが薄すぎる場合の比較例であり、いずれも破損本数は１０本以上と非常に多く、強度が十分でないことがわかる。
【００３７】
また、Ｎｏ．２６，１６，１８，２０，２２，２４は、それぞれマトリックスへのＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ添加量が多すぎる場合の比較例であり、いずれも破損本数が１０本以上と非常に多く、強度が十分でないのがわかる。
【００３８】
また、Ｎｏ．２７は市販のロウ付け品のカッター刃であり、破損本数は２２本と非常に多く、強度に問題があることがわかる。
【００３９】
【表１】
2004018884.tif 000002
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、強度面の信頼性及び耐摩耗性に優れ、かつ安価なバイメタル型一体焼結鋼とその製造方法を提供できることとなった。