專利名稱：熱加工用工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱加工用工具，具體而言，涉及金屬熱加工工藝中所用的熱加工用工具。
背景技術(shù)：
在以鋼鐵為代表的金屬熱加工工藝中，使用熱加工用工具。熱加工用工具是指例如制造無縫鋼管的穿軋機中所使用的傾斜輥、導(dǎo)塊、盤形輥、芯棒(plug)等。用于鋼板、型鋼、條鋼熱軋工藝中的導(dǎo)塊等也屬于熱加工用工具。
由于這些熱加工用工具與1273K～1523K的被加工材料接觸或碰撞，所以承受了來自被加工材料的高負(fù)荷。因此，在熱加工用工具的表面容易發(fā)生磨損、燒結(jié)，有些時候還會在表面產(chǎn)生龜裂與缺損。例如，當(dāng)設(shè)置在穿軋機上的芯棒與被壓延材料高溫圓鋼坯的軸心部位接觸，會在圓鋼坯上形成開孔。此時，芯棒表面承受著來自圓鋼坯的滑動摩擦。由于該滑動摩擦，芯棒表面會產(chǎn)生不均勻磨損或發(fā)生燒結(jié)。
當(dāng)熱加工用工具表面產(chǎn)生大量磨損、或在表面發(fā)生燒結(jié)時，需要更換熱加工用工具?？傊?，表面磨損與燒結(jié)將縮短熱加工用工具的壽命。因此，熱加工用工具的耐磨損措施及耐燒結(jié)措施是很重要的。
近年，在日本特開平3-207510號公報、特開平1-148405號公報、特開昭63-90307號公報及特開昭63-14849號公報中揭示了利用等離子體粉體堆焊法(Plasma Transferred ArcPTA法)在熱加工用工具表面形成保護膜(被膜，PTA堆焊層)的作為耐磨損與耐燒結(jié)措施的技術(shù)。PTA堆焊層，在Co基、Fe基等粘結(jié)金屬(matrix metal)中含有WC、NbC等硬質(zhì)顆粒。這些硬質(zhì)顆粒使保護膜的耐磨損性與耐燒結(jié)性提高。因此，與現(xiàn)有的用作熱加工用工具的高C-高Cr鋼、SKD相當(dāng)?shù)匿摰认啾?，提高具備PTA堆焊層的熱加工用工具的壽命。
但是，熱加工用工具的壽命有必要進一步得到延長。壽命愈長，熱加工用工具的更換次數(shù)愈少。由此也減少了為更換而停止加工裝置等的時間，提高了生產(chǎn)效率。另外，考慮到作業(yè)負(fù)荷，通常，工廠的操作人員等用于更換熱加工用工具的更換次數(shù)越少越好。為延長熱加工用工具的壽命，需要進一步提高耐磨損性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供耐磨損性優(yōu)異的熱加工用工具。
本發(fā)明人等對粘結(jié)金屬中含有硬質(zhì)顆粒的保護膜的磨損機理進行了研究。研究結(jié)果，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)保護膜的磨損機理包括兩個階段。
參閱圖1(a)，保護膜含有硬質(zhì)顆粒與粘結(jié)金屬。一些硬質(zhì)顆粒露出在保護膜表面。保護膜與被加工材料接觸時，露出的硬質(zhì)顆粒和粘結(jié)金屬與被加工材料接觸，承受來自被加工材料的負(fù)荷。由于粘結(jié)金屬具有比硬質(zhì)顆粒低的強度和硬度，所以，與被加工材料接觸的粘結(jié)金屬的磨損多于硬質(zhì)顆粒。粘結(jié)金屬磨損越大，硬質(zhì)顆粒承受的來自被加工材料的負(fù)荷也越大。粘結(jié)金屬因磨損而變得與被加工材料不相接觸。當(dāng)硬質(zhì)顆粒承受的來自被加工材料的負(fù)荷大于預(yù)定大小時，硬質(zhì)顆粒在磨滅前受到破壞。如圖1(b)所示，硬質(zhì)顆粒被破壞后，硬質(zhì)顆粒與粘結(jié)金屬的接觸面積減小。因此，硬質(zhì)顆粒受到的來自粘結(jié)金屬的約束力降低，硬質(zhì)顆粒從粘結(jié)金屬脫落。這是第1階段。
在硬質(zhì)顆粒脫落后，粘結(jié)金屬與被加工材料接觸。由于粘結(jié)金屬的強度和硬度低于硬質(zhì)顆粒，所以易發(fā)生磨損。且受到來自被加工材料的碰撞后，易發(fā)生龜裂、產(chǎn)生缺損。因此，如圖1(c)所示，保護膜磨損，直至表面露出硬質(zhì)顆粒。這是第2階段。反復(fù)實施第1階段與第2階段，實行磨損保護膜。
基于上述見解，本發(fā)明人等認(rèn)為，為防止第1階段中的硬質(zhì)顆粒脫落，軟的粘結(jié)金屬是有效的。換言之，發(fā)明人認(rèn)為粘結(jié)金屬需要高韌性與高延展性。露出在表面的硬質(zhì)顆粒與被加工材料接觸或碰撞，承受高負(fù)荷。當(dāng)粘結(jié)金屬的韌性與延展性低時，粘結(jié)金屬不能吸收硬質(zhì)顆粒受到的負(fù)荷。因此，硬質(zhì)顆粒被破壞。當(dāng)粘結(jié)金屬的韌性與延展性高時，粘結(jié)金屬可吸收硬質(zhì)顆粒受到的負(fù)荷。硬質(zhì)顆粒承受了負(fù)荷時，粘結(jié)金屬可塑性變形或彈性變形。因而，硬質(zhì)顆粒不受破壞，變得難以從粘結(jié)金屬脫落。而且，如果粘結(jié)金屬的韌性優(yōu)異，即使硬質(zhì)顆粒被破壞，也可約束被破壞的硬質(zhì)顆粒。而如果延展性優(yōu)異，通過被破壞的硬質(zhì)顆粒周圍的粘結(jié)金屬變形，可約束硬質(zhì)顆粒。因此，可抑制硬質(zhì)顆粒的脫落。如果可以抑制硬質(zhì)顆粒的脫落，就會由于硬質(zhì)顆粒的存在而抑制保護膜的磨損。
另外，為抑制第2階段的粘結(jié)金屬的磨損，發(fā)明人認(rèn)為需要提高耐磨損性與耐沖擊性。具體就是需要提高粘結(jié)金屬的強度和硬度。
本發(fā)明人等認(rèn)為，為了提高粘結(jié)金屬的強度，以及為了提高粘結(jié)金屬的韌性與延展性，彌散強化方案優(yōu)于粘結(jié)金屬固溶強化方案。這是因為，盡管固溶強化可提高粘結(jié)金屬的強度，但隨著強度的上升，延展性與韌性降低，反之，彌散強化不僅能維持粘結(jié)金屬固有的延展性與韌性，還能利用分散在粘結(jié)金屬中的微細(xì)顆粒提高強度。
根據(jù)上述研究結(jié)果，本發(fā)明人等考慮如圖2所示地使粘結(jié)金屬中含有有助于彌散強化程度的微細(xì)硬質(zhì)顆粒。使粘結(jié)金屬中含有用作微細(xì)硬質(zhì)顆粒的粒徑20μm以下的硬質(zhì)顆粒，可有效彌散強化粘結(jié)金屬。為達到該效果，保護膜中的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率至少需在5％以上。但如果含有過多的微細(xì)硬質(zhì)顆粒，就將變得不能維持粘結(jié)金屬的延展性與韌性，當(dāng)體積分率大于30％時，延展性與韌性將顯著降低。因此，本發(fā)明的熱加工用工具的保護膜所含的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率取為5％～30％。
另外，為了提高耐磨損性與耐燒結(jié)性，需要粗大的硬質(zhì)顆粒?？紤]到耐磨損性與耐燒結(jié)性，有效方案是使保護膜含有作為粗大顆粒的粒徑在50μm以上的硬質(zhì)顆粒。而考慮到耐磨損性，保護膜中的粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率需要在20％以上。另一方面，粗大硬質(zhì)顆粒添加過量時，會降低保護膜的韌性，體積分率大于60％時，韌性將顯著降低。為此，本發(fā)明的熱加工用工具的保護膜中所含的粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率取為20％～60％。
而且，保護膜中的硬質(zhì)顆粒的總體積分率對保護膜的壽命也有很大影響。如上所述，為延長保護膜的壽命，保護膜中的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率需要在5％以上、粗大硬質(zhì)顆粒需要在20％以上。即，保護膜中的硬質(zhì)顆粒的總體積分率至少需要在25％以上。但當(dāng)保護膜中的硬質(zhì)顆?？偭窟^多時，韌性將下降，經(jīng)常會發(fā)生磨損與表面缺損。硬質(zhì)顆粒的總體積分率高于70％，韌性將顯著下降。為此，保護膜中的總體積分率需要在25％～70％的范圍。
本發(fā)明人們還認(rèn)為，當(dāng)在熱加工用工具上形成保護膜時，通過析出使保護膜含有微細(xì)硬質(zhì)顆粒，可進一步抑制保護膜的磨損。在利用噴鍍法、HIP處理等粉末冶金法形成保護膜時，在保護膜原料中預(yù)混20μm以下的微細(xì)硬質(zhì)顆粒。在上述方法中，原料微細(xì)硬質(zhì)顆粒直接含于保護膜中。而在利用PTA法、MIG焊接法、TIG焊接法等焊接法形成保護膜時，使硬質(zhì)顆粒一時熔融，就能使之作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出。由于使微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出的方法的微細(xì)硬質(zhì)顆粒與粘結(jié)金屬的界面的密合性高，所以改善了粘結(jié)金屬的強度、韌性、延展性等機械性質(zhì)。因此，可進一步抑制保護膜的磨損。
基于上述結(jié)論，本發(fā)明人等完成了下述發(fā)明。
本發(fā)明的熱加工用工具，其表面具有保護膜，保護膜中含有粘結(jié)金屬和在保護膜中的體積分率為25％～70％的硬質(zhì)顆粒，上述粘結(jié)金屬為過渡金屬或以過渡金屬為主的合金。硬質(zhì)顆粒包括在保護膜中的體積分率為5％～30％、粒徑在20μm以下的微細(xì)硬質(zhì)顆粒，和在保護膜中的體積分率為20％～60％、粒徑在50μm以上的粗大硬質(zhì)顆粒。
本發(fā)明的以過渡金屬為主的合金是指，例如以質(zhì)量％計，過渡金屬含量在50％以上的合金。保護膜中的粒徑與體積分率可用下述方法求得。在熱加工用工具表面的保護膜的截面中，選擇多個區(qū)域。選擇區(qū)域時，使所選區(qū)域的面積合計量大于3mm×3mm。使用光學(xué)顯微鏡或掃描型電子顯微鏡(SEM)測量所選區(qū)域中的全部硬質(zhì)顆粒的粒徑與面積分率。測量各硬質(zhì)顆粒的長徑與短徑，以(長徑+短徑)/2為粒徑。測量各硬質(zhì)顆粒的粒徑與面積分率時，采用例如圖像解析。
根據(jù)測得的粒徑與面積分率，如下所述地計算體積分率。某相的體積分率被證明等于截面的面積分率(例如，參閱日本金屬學(xué)會志Vol.10，No.5，279～289頁)。因此，將50μm以上粒徑的硬質(zhì)顆粒的面積分率合計值作為粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率，將20μm以下粒徑的硬質(zhì)顆粒的面積分率合計值作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率，并將全部硬質(zhì)顆粒的面積分率合計值作為硬質(zhì)顆粒的體積分率。
粗大硬質(zhì)顆粒優(yōu)選選自碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、它們的混合物或它們的復(fù)合化合物中的至少一種。
粘結(jié)金屬優(yōu)選選自Co基合金、Ni基合金或Fe基合金中的至少一種。
保護膜優(yōu)選由焊接法形成。本發(fā)明的焊接法是指例如PTA法、MIG焊接法、TIG焊接法等。
微細(xì)硬質(zhì)顆粒優(yōu)選為析出物。


圖1為含有硬質(zhì)顆粒的保護膜磨損機理的示意圖。
圖2為形成于本發(fā)明的熱加工用工具上的保護膜的截面圖。
圖3為實施例中試樣的形狀的立體圖。
圖4為用于說明實施例中的磨損試驗的示意圖。
圖5為圖4的磨損試驗后的試樣的立體圖。
圖6為在實施例1的熱加工用工具的保護膜中，粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率與磨損量的關(guān)系示意圖。
圖7為在實施例1的熱加工用工具的保護膜中，微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率與磨損量的關(guān)系示意圖。
圖8為用于說明實施例2的熱加工用工具的制造方法的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。圖中相同或相當(dāng)部分標(biāo)注同一符號，并不再對其重復(fù)說明。
1.保護膜的組成本發(fā)明的實施方式1的熱加工用工具在與被加工材料接觸的表面上具有保護膜。保護膜含有粘結(jié)金屬和硬質(zhì)顆粒。
1.1粘結(jié)金屬粘結(jié)金屬是過渡金屬或以過渡金屬為主的合金。粘結(jié)金屬是例如Co基合金、Ni基合金、Fe基合金等。Co基合金有例如鎢鉻鈷合金。鎢鉻鈷合金耐熱性與延展性好。Ni基合金有例如IN625、C276、50Cr-50Ni、科爾莫諾合金等。Fe基合金有例如不銹鋼、工具鋼、碳鋼、Cr鋼。
熱加工用工具的使用環(huán)境需要有耐腐蝕磨損性。因此，優(yōu)選使用耐腐蝕磨損性優(yōu)異的Co基合金與Ni基合金作為粘結(jié)金屬。
1.2硬質(zhì)顆粒硬質(zhì)顆粒提高保護膜的耐磨損性。硬質(zhì)顆粒中，粒徑50μm以上的粗大硬質(zhì)顆粒與被加工材料接觸。因此，耐磨損性和韌性優(yōu)異。粗大硬質(zhì)顆粒是例如碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、或它們的混合物、或它們的復(fù)合化合物。
碳化物是例如NbC、TiC、VC、WC、W2C、Cr3C2o、Mo2C、ZrC、TaC、HfC、Fe3C等。也可以是(Nb，Cr)C等復(fù)合碳化物。
氧化物是例如Al2O3、MgO、ZrO2、SiO2、TiO2、Cr2O3等。也可以是3Al2O3·2SiO2等復(fù)合氧化物。
氮化物是例如TiN、ZrN、VN、NbN、TaN、Si3N4、BN、AlN等。也可以是(Ti，Cr)N等復(fù)合氮化物。
硼化物是例如TiB2、ZrB2、HfB2、VB2、NbB2、TaB2、CrB、CrB2、Mo2B、MoB、Mo2B5、WB、W2B5、LaB6等。也可以是(Nb，Cr)B等復(fù)合硼化物。
復(fù)合化合物是氧化物、氧化物、氮化物、硼化物等中的2種以上的化合物。例如Nb(C，N)、SiAlON等。
而粒徑20μm以下的微細(xì)硬質(zhì)顆粒彌散強化粘結(jié)金屬。即，利用微細(xì)硬質(zhì)顆粒，粘結(jié)金屬不僅能維持延展性與韌性，還能提高強度。由此提高粘結(jié)金屬的耐磨損性，并防止粗大硬質(zhì)顆粒從粘結(jié)金屬脫落。
微細(xì)硬質(zhì)顆粒種類不限。微細(xì)硬質(zhì)顆粒是例如碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、或它們的混合物、或它們的復(fù)合化合物。還可以是Ti-Al系、Ni-Al系、Ni-Si系金屬互化物。
2.制造方法下面說明本發(fā)明的熱加工用工具的制造方法。準(zhǔn)備熱加工用工具，在該熱加工用工具表面形成保護膜。對表面形成保護膜的熱加工用工具的材質(zhì)無特別限制，例如碳鋼、工具鋼、不銹鋼、Ni基耐熱合金等。
保護膜的形成方法既可以是PTA法、MIG焊接法、TIG焊接法等焊接法，也可以是大氣等離子噴鍍法、減壓等離子噴鍍法、HVOF法等噴鍍法或HIP處理等粉末冶金法等。且鑄造熱加工工具鋼時，也可以添加硬質(zhì)顆粒與粘結(jié)金屬形成保護膜。
例如在PTA法中，以粘結(jié)金屬粉末和硬質(zhì)顆粒粉末為原料實施堆焊。此時，形成的保護膜中所含的硬質(zhì)顆粒合計體積分率為25％～70％，并將原料調(diào)整為粗大硬質(zhì)顆粒相對于保護膜的體積分率為20％～60％，微細(xì)硬質(zhì)顆粒相對于保護膜的體積分率為5％～30％。
另外，也可通過不預(yù)先使原料中含微細(xì)硬質(zhì)顆粒，而使微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出，形成保護膜。此時，制造方法使用PTA法、MIG焊接法、TIG焊接法等焊接法。作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出的硬質(zhì)顆粒優(yōu)選熔點低的硬質(zhì)顆粒。這是由于焊接中需要一度熔融。例如，碳化物優(yōu)選為VC、Cr3C2、Mo2C等。氮化物優(yōu)選為VN、NbN等。硼化物優(yōu)選為VB2、CrB、CrB2等。這些化合物的熔點在3000K以下。
另外，盡管PTA法、MIG焊接法、TIG焊接法中任一種焊接法均可使微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出，但其中優(yōu)選采用PTA法使微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出。由于PTA法利用等離子弧形成保護膜，所以可熔融高熔點硬質(zhì)顆粒。另外，微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出時，析出的微細(xì)硬質(zhì)顆粒選擇氧化物的效果不好。這是由于熔融氧化物的情況下粘結(jié)金屬的延展性與韌性降低。
通過以上工序，在熱加工用工具的表面形成保護膜，即完成本發(fā)明的熱加工用工具。
實施例1制造保護膜中的粗大硬質(zhì)顆粒與微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率不同的熱加工用工具，研究耐磨損性與耐燒結(jié)性。
表1

表1中試樣1～11的制造如下所述。利用PTA法對熱加工用工具碳鋼(S45C)坯的一面實施堆焊，形成PTA堆焊層保護膜。PTA堆焊層為2層堆積，厚度約6mm。表2表示PTA法堆焊的各項條件。
表2

保護膜原料使用下述物質(zhì)。粘結(jié)金屬使用Co基合金中的鎢鉻鈷合金#6的氮氣霧化粉末(鎢鉻鈷合金#6粉末)。鎢鉻鈷合金#6粉末的粒徑是63μm～150μm。粗大硬質(zhì)顆粒使用粒徑75μm～100μm的NbC粉末。而微細(xì)硬質(zhì)顆粒使用粒徑15μm以下的NbC粉末。這些粉末中，根據(jù)各試樣改變粗大硬質(zhì)顆粒與微細(xì)硬質(zhì)顆粒的NbC粉末的使用量。根據(jù)各試樣改變PTA堆焊層所含粗大硬質(zhì)顆粒與微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率。另外，此時，對于試樣1～5，調(diào)整原料，使PTA堆焊層中的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率相同；對于試樣6～10，調(diào)整原料，使PTA堆焊層中的粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率相同。
形成PTA堆積后，利用機械加工和研磨，得到圖3所示的10mm×20mm×25mm試樣。
測量制得的各試樣的PTA堆焊層中的粒徑和體積分率。根據(jù)測量結(jié)果計算粗大硬質(zhì)顆粒體積分率、微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率與硬質(zhì)顆?？傮w積分率。具體而言，從熱加工用工具表面的保護膜截面中選擇多個任意區(qū)域。此時，所選區(qū)域合計面積大于3mm×3mm。使用光學(xué)顯微鏡或掃描型電子顯微鏡(SEM)測量所選各區(qū)域中全部硬質(zhì)顆粒的粒徑與面積分率。測量各硬質(zhì)顆粒的長徑與短徑，以(長徑+短徑)/2為粒徑。測量各硬質(zhì)顆粒的粒徑與面積分率時使用圖像解析。以粒徑50μm以上的硬質(zhì)顆粒面積分率合計值為粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率；以粒徑20μm以下的硬質(zhì)顆粒面積分率合計值為微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率。以測量的全部硬質(zhì)顆粒面積分率合計值為硬質(zhì)顆?？傮w積分率。試樣中的硬質(zhì)顆粒利用EDX(能量分散型X射線微量分析儀)鑒定。
并按照J(rèn)IS Z 2244標(biāo)準(zhǔn)測量PTA堆焊層中的粘結(jié)金屬的維氏硬度。
參照表1，全部試樣1～11的粗大硬質(zhì)顆粒是NbC。而微細(xì)硬質(zhì)顆粒為NbC與WC。發(fā)明人認(rèn)為，利用PTA法堆焊時，鎢鉻鈷合金#6中的W與C結(jié)合，以WC形式析出。
試樣1～5中的PTA堆焊層中的微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率均為5％。試樣2～4中的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率、微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率與硬質(zhì)顆?？傮w積分率均在本發(fā)明的規(guī)定范圍內(nèi)。另外，試樣1的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率低于本發(fā)明規(guī)定范圍的下限值(20％)；而試樣5的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率超出本發(fā)明規(guī)定范圍的上限值(60％)。
另外，試樣1～5的粘結(jié)金屬硬度，隨粗大硬質(zhì)顆粒體積分率的增加而增高。在粗大硬質(zhì)顆粒體積分率高于本發(fā)明規(guī)定范圍上限值(60％)的試樣5中，粘結(jié)金屬硬度高于Hv500。發(fā)明人認(rèn)為，隨著粗大硬質(zhì)顆粒體積分率的增加，熔入粘結(jié)金屬中的碳化物量增加，粘結(jié)金屬硬度隨之增高。
試樣6～10的PTA堆焊層中的粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率均為30％。試樣7～9的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率、微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率、硬質(zhì)顆粒總分率均在本發(fā)明的規(guī)定范圍內(nèi)。另外，試樣6的微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率低于本發(fā)明規(guī)定范圍的下限值(5％)；試樣10的微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率高于本發(fā)明規(guī)定范圍的上限值(30％)。
另外，試樣6～10的粘結(jié)金屬的硬度，隨著微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率增加而變高。在微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率小于本發(fā)明規(guī)定范圍下限值(5％)的試樣6中，粘結(jié)金屬硬度低達Hv280；在微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率高于本發(fā)明規(guī)定范圍上限值(30％)的試樣10中，粘結(jié)金屬硬度高于Hv500?？梢哉J(rèn)為，隨著微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率的增加，熔入粘結(jié)金屬中的碳化物量增加，粘結(jié)金屬硬度變高。
試樣11的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率與微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率在本發(fā)明的規(guī)定范圍內(nèi)，但硬質(zhì)顆?？傮w積分率超出本發(fā)明規(guī)定范圍的上限值(70％)。試樣11的粘結(jié)金屬硬度高達Hv500。
另外，各試樣中的硬質(zhì)顆?？傮w積分率顯示出高于粗大硬質(zhì)顆粒體積分率與微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率合計值的數(shù)值。由于PTA堆焊層中存在大于20μm、小于50μm的硬質(zhì)顆粒，所以可認(rèn)為利用PTA法的堆焊中，原料的部分粗大硬質(zhì)顆粒熔融，粒徑減小，產(chǎn)生上述硬質(zhì)顆粒。
磨損試驗使用試樣1～11進行磨損試驗。磨損試驗如下進行。參照圖4，以旋轉(zhuǎn)軸為中心，使外徑100mm、圓周面寬度30mm的利用高頻加熱將材質(zhì)S25C的加熱到1027K、并保持在1027K的圓柱體以100rpm的速度(圓周速度約0.52m/sec)旋轉(zhuǎn)。以50kgf壓力使試樣的PTA堆焊層表面與旋轉(zhuǎn)中的圓柱體圓周面接觸，保持該狀態(tài)1小時。試驗后滑動距離為1885m。如圖5所示，磨損試驗后的PTA堆焊層表面形成凹部。
試驗后，算出試樣的PTA堆焊層表面的磨損量。磨損量的計算如下所述。測量磨損試驗前后的各試樣重量，用試驗前重量減去試驗后重量。用PTA堆焊層的密度除減得的值，得到磨損量(mm3)。
再研究磨損試驗后試樣是否產(chǎn)生燒結(jié)。具體是使用SEM(掃描型電子顯微鏡)以50倍的倍率觀察試驗后試樣的磨損面(PTA堆焊層表面的凹部)，判斷有無S25C移附。確定無移附的評價為合格(表1中的○)；有移附的評價為不合格(表1中的×)。
試驗結(jié)果圖6表示了表1中試樣1～5的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率與磨損量的關(guān)系。參照表1與圖6，試樣2～4的磨損量少至小于3.5mm3，也未發(fā)生燒結(jié)；而試樣1由于粗大硬質(zhì)顆粒體積分率低達15％，所以堆焊層磨損量多達超過4mm3。且由于粗大顆粒體積分率低，所以還發(fā)生了燒結(jié)。粗大硬質(zhì)顆粒體積分率為65％的試樣5的磨損量也多達超過4mm3。
圖7表示表1中試樣6～10的微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率與磨損量的關(guān)系。參照表1與圖7，試樣7～9的磨損量少至低于3.5mm3，也未發(fā)生燒結(jié)；而試樣6由于微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率低達2％，所以PTA堆焊層的磨損量多達超過4mm3。而微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率為35％的試樣10的PTA堆焊層磨損量也多達超過4mm3。
由于表1中的試樣11的硬質(zhì)顆?？傮w積分率大于70％，所以PTA堆焊層的磨損量多。
而磨損量小于3.5mm3的試樣2～4與7～9的粘結(jié)金屬的維氏硬度均在300～490的范圍內(nèi)。
實施例2制造保護膜中的粗大硬質(zhì)顆粒的種類不同的熱加工用工具，進行與實施例1同樣的磨損試驗。
表3

表3中試樣12～22的制造如下所述。利用HIP(Hot Isostatic Proce-ssing熱各向同性加壓處理)法在熱加工用工具碳鋼(S45C)坯的一面形成保護膜。以下詳細(xì)說明。
先在圖8所示軟鋼容器的底部固定材質(zhì)S45C的鋼坯。固定后，在軟鋼容器內(nèi)，在鋼坯上面的空間中填充保護膜的原料。
保護膜原料使用下述物質(zhì)。粘結(jié)金屬使用Co基合金中的鎢鉻鈷合金#21的氮氣霧化粉末(鎢鉻鈷合金#21粉末)。鎢鉻鈷合金#21粉末的粒徑是63μm～150μm。微細(xì)硬質(zhì)顆粒使用粒徑15μm以下的TiC粉末。粗大硬質(zhì)顆粒使用粒徑75μm～100μm的粗大硬質(zhì)顆粒粉末。用于各試樣中的粗大硬質(zhì)顆粒粉末種類如表3的粗大硬質(zhì)顆粒主成分欄所示。具體而言，試樣12與13的粗大硬質(zhì)顆粒選擇碳化物(NbC、WC)。試樣14與15選擇氧化物(Al2O3、ZrO2)。試樣16與17選擇硼化物(TiB2、MoB)。試樣18～20選擇氮化物(Si3N4、TiN、BN)。試樣21選擇氧化物與氮化物的復(fù)合化合物SiAlON。試樣22選擇碳化物與氮化物的混合物Nb(C，N)。
填充原料后，使用旋轉(zhuǎn)式泵由脫氣管實施真空脫氣，然后將軟鋼容器真空封入。使用該軟鋼容器，按照表4的條件實施HIP處理。
表4

實施后的保護膜厚度約為3mm。通過機械加工和研磨，得到圖3所示10mm×20mm×25mm的試樣12～22。
制成試樣12～22后，按照與實施例1同樣的方法測量各試樣的保護膜中的硬質(zhì)顆粒的粒徑與體積分率，以及保護膜中的粘結(jié)金屬的維氏硬度。并用EDX鑒定硬質(zhì)顆粒。
試樣12～22的粗大硬質(zhì)顆粒的體積分率為40％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。而微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率為10％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。硬質(zhì)顆?？傮w積分率為50％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。
另外，各試樣的粘結(jié)金屬維氏硬度在340～390的范圍內(nèi)，與試樣2～4、7～9的維氏硬度是同等程度。
用試樣12～22實施與實施例1同樣的磨損試驗，評價磨損量與燒結(jié)。
評價結(jié)果參照表3，全部試樣的磨損量少至小于3.5mm3，也不發(fā)生燒結(jié)。由此可知，粗大硬質(zhì)顆粒無論選擇碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、或其混合物、或其復(fù)合化合物中的哪一個，本發(fā)明的熱加工用工具都具有優(yōu)異的耐磨損性。
實施例3制造保護膜中的粘結(jié)金屬種類不同的熱加工用工具，進行與實施例1同樣的磨損試驗。
表5

按照與實施例1同樣的制造方法制造試樣23～31。各試樣的PTA堆焊層原料使用下述物質(zhì)。
粘結(jié)金屬使用表5所示組成的粉末。具體是，試樣23～25的粘結(jié)金屬選擇Co基合金。試樣26～28的粘結(jié)金屬選擇Ni基合金。試樣29～31的粘結(jié)金屬選擇Fe基合金。
粗大硬質(zhì)顆粒使用粒徑75μm～100μm的NbC粉末；微細(xì)硬質(zhì)顆粒使用粒徑15μm以下的NbC粉末。使原料中的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率為31～33％，微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率為7～8％。
制成試樣后，按照與實施例1同樣的方法測量各試樣的PTA堆焊層中的硬質(zhì)顆粒的粒徑與體積分率，以及PTA堆焊層中的粘結(jié)金屬的維氏硬度。并用EDX鑒定硬質(zhì)顆粒。
試樣23～31的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率均為30％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。而微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率均為10％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。而硬質(zhì)顆粒總體積分率均為50％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。另外，試樣23～27與31中存在若干NbC以外的微細(xì)硬質(zhì)顆粒。這些微細(xì)硬質(zhì)顆粒是粘結(jié)金屬中的成分作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒的析出產(chǎn)物。
另外，各試樣的粘結(jié)金屬維氏硬度在320～490的范圍內(nèi)，與試樣2～4、7～9、12～22的維氏硬度為同等程度。
使用這些試樣23～31實施與實施例1同樣的磨損試驗，評價磨損量與燒結(jié)。
評價結(jié)果全部試樣23～31的磨損量少至小于3.5mm3，也不發(fā)生燒結(jié)。由此可知，粘結(jié)金屬無論選擇Co基合金、Ni基合金、Fe基合金中的哪一個，本發(fā)明的熱加工用工具都具有優(yōu)異的耐磨損性。
實施例4制造形成了含有析出的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的保護膜的熱加工用工具，進行與實施例1同樣的磨損試驗。
表6

按照與實施例1同樣的制造方法制造試樣32～37。各試樣的PTA堆焊層原料使用下述物質(zhì)粘結(jié)金屬使用與實施例1同樣的鎢鉻鈷合金#6粉末；粗大硬質(zhì)顆粒使用粒徑75μm～100μm的NbC粉末。
而用于使微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出的硬質(zhì)顆粒粉末使用粒徑75μm～100μm的第2硬質(zhì)顆粒粉末。表6表示各試樣使用的第2硬質(zhì)顆粒粉末。使原料中的粗大硬質(zhì)顆粒體積分率為33％，第2硬質(zhì)顆粒體積分率為12％。
制成試樣后，按照與實施例1同樣的方法測量各試樣的PTA堆焊層中的硬質(zhì)顆粒的粒徑與體積分率，以及PTA堆焊層中的粘結(jié)金屬的維氏硬度。并用EDX鑒定硬質(zhì)顆粒。
試樣32～37中的試樣32～33中，析出的微細(xì)硬質(zhì)顆粒體積分率小于5％。由于第2硬質(zhì)顆粒NbC與WC熔點高，由此可知PTA堆焊中的第2硬質(zhì)顆粒的熔融量少、微細(xì)硬質(zhì)顆粒的析出量也少。第2硬質(zhì)顆粒熔融量少的試樣32與33的粘結(jié)金屬維氏硬度低至小于300。
而試樣34～37中的第2硬質(zhì)顆粒作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒大量析出，析出的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的體積分率在5％以上，滿足本發(fā)明的規(guī)定范圍。試樣34～37的第2硬質(zhì)顆粒VC、Mo2C、VN、CrB2的熔點均低于3000K，低于其它硬質(zhì)顆粒的熔點。由此可知，利用PTA法堆焊時熔融，作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出。另外，第2硬質(zhì)顆粒熔融，作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出的試樣34～37的粘結(jié)金屬維氏硬度是420～450，具有與試樣2～4、7～9、12～22、23～31同等程度的維氏硬度。另外，所有試樣中都存在若干作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒的NbC。由此可知，利用PTA法的堆焊中，原料中的部分粗大硬質(zhì)顆粒NbC粉末熔融，作為微細(xì)硬質(zhì)顆粒析出。
試樣34～37的硬質(zhì)顆粒體積分率為30％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。而試樣34～37的硬質(zhì)顆?？傮w積分率為45％，在本發(fā)明規(guī)定范圍內(nèi)。使用這些試樣實施與實施例1同樣的磨損試驗。
結(jié)果評價試樣32、33的磨損量多達高于4mm3，而試樣34～37的磨損量少至低于3mm3。
試樣34～37與實施例1的試樣7～9相比，試樣34～37的磨損量少。包括含有析出的微細(xì)硬質(zhì)顆粒的保護膜熱加工用工具的耐磨損性優(yōu)異。
以上說明了本發(fā)明的實施方式，但上述實施方式不過是用于實施本發(fā)明的舉例。因此，本發(fā)明并不受限于上述實施方式，在不脫離其宗旨的范圍內(nèi)，能夠適當(dāng)改變上述實施方式進行實施。
產(chǎn)業(yè)利用可能性本發(fā)明的熱加工用工具可用于金屬熱加工工藝。例如可用于馬氏體類、奧氏體類、二相系等不銹鋼，Ni基高合金，普通碳鋼等的熱加工工藝。尤其是可用于穿軋機的芯棒、傾斜輥、盤形輥、導(dǎo)塊等。
權(quán)利要求
1.一種熱加工用工具，其特征在于，表面具有保護膜；所述保護膜含有粘結(jié)金屬和在所述保護膜中的體積分率是25％～70％的硬質(zhì)顆粒，所述粘結(jié)金屬為過渡金屬或以過渡金屬為主的合金；所述硬質(zhì)顆粒包括在所述保護膜中的體積分率為5％～30％、粒徑在20μm以下的微細(xì)硬質(zhì)顆粒，和在所述保護膜中的體積分率為20％～60％、粒徑在50μm以上的粗大硬質(zhì)顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的熱加工用工具，其特征在于，所述粗大硬質(zhì)顆粒選自碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、它們的混合物、或它們的復(fù)合化合物中的至少一種。
3.如權(quán)利要求2所述的熱加工用工具，其特征在于，所述粘結(jié)金屬選自Co基合金、Ni基合金或Fe基合金中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1～3任一項所述的熱加工用工具，其特征在于，所述保護膜由焊接法形成。
5.如權(quán)利要求4所述的熱加工用工具，其特征在于，所述微細(xì)硬質(zhì)顆粒為析出物。
全文摘要
本發(fā)明涉及表面具有保護膜的熱加工用工具。保護膜含有粘結(jié)金屬和在保護膜中的體積分率是 25％～70％的硬質(zhì)顆粒，上述粘結(jié)金屬為過渡金屬和以過渡金屬為主的合金。硬質(zhì)顆粒包括在保護膜中的體積分率為5％～30％、粒徑在20μm以下的微細(xì)硬質(zhì)顆粒，和在保護膜中的體積分率為20％～60％、粒徑在50μm以上的粗大硬質(zhì)顆粒。因此，本發(fā)明的熱加工用工具的耐磨損性優(yōu)異。
文檔編號B23K10/02GK1683093SQ20051006438
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者阿佐部和孝, 安樂敏朗, 飯?zhí)锛兩?申請人:住友金屬工業(yè)株式會社