サーメットチップ鋳ぐるみによる耐摩耗材料の開発
島崎 良 *1

小川 俊文 *1

小野本 達郎 *2

佐々木 誠 *3

嘉屋 文康 *3

森田 泰司 *4

山本 郁 *5

Development of Wear Resistant Materials by Cermet Throwaway Tip Insert Casting
Ryo Shimasaki, Toshifumi Ogawa, Tatsuro Onomoto, Makoto Sasaki, Fumiyasu Kaya, Yasushi Moritaand Kaoru Yamamoto

サーメットは，超硬合金と並んで非常に高硬度で，工具刃先のインサートチップとして広く使用されているが，その使用済みチップのほとんどが廃棄されている。そこで，本研究では，サーメットのリサイクル促進のため，使用済みチップを鉄鋼材料に鋳ぐるむことで，新たな耐摩耗材料とする方法を検討した。また，サーメットは鉄鋼材料との親和性が低いため，サーメットの設置方法と母材組成の２つの観点からその改善を試みた。

1 はじめにした。その後，試料を円柱の縦断面（観察面）で切断

サーメットは超硬合金と並んで非常に高硬度であるし，さらに15mm角程度の大きさに切り出して鏡面研磨ため，工具刃先のインサートチップとして広く使用さ後，実体顕微鏡（Nicon SMZ-10）にて 断面観察を行れている。超硬合金は，W，Co等の希少金属を多く含った。次に，EPMA（日本電子 JXA-8200SP）による面有しているため，多くの使用済みチップが回収，リサ分析を行い，サーメットと基地の接合状態を確認した。

イクルされている。一方，サーメットは希少金属の含また，マイクロビッカース硬度計（Mitutoyo HM-102

有量が少なく，使用済みチップのほとんどがそのまま荷重0.98N，10sで測定）によりサーメットと基地の界廃棄されている。そのため，使用済みチップの活用が面付近の硬さ分布を測定した。

強く望まれている。
これまで，使用済みサーメットチップ活用のための様々な試み 1) がなされてきた。しかし，サーメットを鋳ぐるむにあたり，粉砕や予備成形等に手間がかかることなどから量産化されず，活用がほとんど進んでいない。そこで，本研究では，できるだけ簡素な方法でサーメットを鋳ぐるむ方法を検討した。また，鋳ぐるみ後のサーメットと基地の接合状態を調査し，耐摩耗材料としての使用可能性を検討した。

図1

2 実験方法鋳ぐるみ試験用鋳型の概略図

3 結果と考察

本研究で用いた鋳ぐるみ試験用鋳型の概要を図1に3-1 サーメット設置方法の検討示す。本鋳型は，実体部がφ65×100mmのCO2 鋳型であ低炭 素 鋼（S25C）を 基地とし，サ ーメ ッ ト破 砕 粒り，鋳型の底部に所定の方法でサーメットチップを設（粒径約 2mm）を鋳ぐるんだ結果を図 2 に示す。破砕置した。次に，高周波溶解炉で，アルミナるつぼを用粒を鋳ぐるんだ場合，粒が鋳型の隅に偏り，粒同士のいて約1kgの材料を溶解し，所定の温度で鋳型に鋳造隙間に溶湯が入り込まず，容易に脱落した。EPMA 分
析においても，基地とサーメットの間でごく一部に反応が見られるものの，多くの範囲で反応や拡散は見ら*1*2*3*4*5

機械電子研究所
公益財団法人福岡県産業・科学技術振興財団
株式会社丸和技研
大成建設株式会社
久留米工業高等専門学校

れなかった。よって，結合力は弱いと考えられ，耐摩耗材料としては不適であった。
次に，サーメットをチップのままステンレス鋼棒で保持し，鋳ぐるんだ結果を図 3 に示す。破砕粒の場合- 52 -

と同様，チップの配置に偏りができることで，隙間にて，基地には，より硬い材料を使用する必要がある。

溶湯が入り込んでいなかった。また，基地とサーメット間の反応や拡散はほとんど見られなかった。よって，基地とサーメットの結合力は弱く，容易に脱落すると考えられ，これも耐摩耗材料としては不適であった。

図4

サーメットチップをスペーサとステンレス鋼棒で保持した場合の鋳ぐるみ結果

図2

サーメット破砕粒（粒径約 2mm）の鋳ぐるみ結果

図5
図3

サーメットチップをステンレス鋼棒で保持した

サーメットチップを S25C で鋳ぐるんだ場合の硬さ分布

場合の鋳ぐるみ結果
3-2 基地組成の検討
次に，溶湯を隙間に入り込ませるため，チップ間に基地硬さ向上のため，高 Cr 鋳鉄による鋳ぐるみをスペーサを挿入し，さらにステンレス鋼棒でチップを行った。その基地組成を表 1 に示す。高 Cr 鋳鉄は，保持し，鋳ぐるんだ。その結果を図 4 に示す。溶湯がCr 炭化物が分散しているため，高い基地硬度が得らチップの隙間に十分に入り込んでおり，全体が包まれれる。また，低炭素鋼と比較して融点が数百℃低く，ることで，チップが固定されていた。また，EPMA に湯回り性向上の効果も期待できる。

よる分析では，サーメット側に約 20μm の拡散層が生じ，生地とサーメットが結合してることが確認できた。

表1

高 Cr 鋳鉄鋳ぐるみの基地組成

よって，チップが脱落しにくく，耐摩耗材としての使試料用に耐え得ると考えられるため，この設置方法を基準として採用した。
サーメットチップをスペーサとステンレス鋼棒で鋳組成, wt%
FeCSiMnPSCr

鋳込温度℃

参考(S25C) Bal. 0.22 0.04 0.23 0.017 0.015 0.13

1605

12Cr鋳鉄Bal. 2.96 1.31 0.42 0.041 0.017 13.11

1507

25Cr鋳鉄Bal. 3.11 0.90 0.54 0.062 0.021 23.85

1473

込んだ場合の界面付近の硬さ分布を図 5 に示す。基地
硬 さ は 150 ～ 200HV0.1 ， サ ー メ ッ ト 硬 さ は 1500 ～サーメットを基準の方法で設置し，高 Cr 鋳鉄で鋳1600HV0.1 程度であり，それぞれの硬さが維持されてぐるんだ断面及び EPMA 分析結果を図 6 に示す。

いた。しかし，基地の硬さが低く，使用中に基地が減肉することでサーメットが脱落する恐れがある。よっ- 53 -(a) S25C 鋳ぐるみ（参考）

図7Cr 量と拡散層厚さの関係

次に，高 Cr 鋳鉄鋳ぐるみ試料の界面付近の硬さ分布を図 8 及び図 9 に示す。

(b)12Cr 鋳鉄鋳ぐるみ(c)25Cr 鋳鉄鋳ぐるみ
図6

図812Cr 鋳鉄鋳ぐるみ試料の硬さ分布

図925Cr 鋳鉄鋳ぐるみ試料の硬さ分布

高 Cr 鋳鉄による鋳ぐるみ断面

いずれの試料でも，溶湯がサーメットの隙間に十分に回り込み，鋳ぐるむことができた。一方で，注湯時のチップの破損も見られた。これは，サーメットと溶湯が接触した際に溶湯の熱が急激にチップに伝わり，熱衝撃によって割れたと考えられる。EPMA 分析によると，サーメット側に基地成分である Fe の拡散層が生じ，Cr 量が多いほど拡散層の厚さが増大していた。
その関係を図 7 に示す。Cr の入っていない S25C では拡散層は約 20μm だが，25%Cr では約 150μm まで拡大していた。Cr が入ることで基地とサーメットの親和性が良くなり，拡散が促進された。また，拡散層の拡大により，基地とサーメットの結合が強化されたと考基地硬さは 12Cr 鋳鉄で 600HV0.1 程度，25Cr 鋳鉄でえられる。

はバラツキが大きいが，600～1000HV0.1 程度で，耐- 54 -摩耗材料として十分な硬さが得られた。基地硬さの差は，析出する Cr 炭化物量の違いによるものと考えられる。サーメットの硬さは概ね 1600HV0.1 以上を維持していたが，拡散層内ではわずかに硬さが上昇していた。これは，高 Cr 鋳鉄がサーメット内に侵入し，サーメットに含まれる Ni バインダと置換されたためと考えられる。

4 まとめ炭素鋼（S25C）はサーメットとの親和性が低く，鋳ぐるむにはスペーサによる隙間の確保が必要であり，また，硬さも低く耐摩耗材料の製造には適していなかった。基地材料に高 Cr 鋳鉄を用いることで，基地とサーメットの親和性が改善され，界面に拡散層ができることで，基地とサーメットが強固に結合された。また，基地に分散した Cr 炭化物により硬さも向上し，耐摩耗材料への適用が期待できる。

5 参考文献1)東北経済産業局環境資源部循環型産業振興室：使用済みサーメットチップのリサイクル・システム調査
報告書，東北経済産業局(2006)- 55 -