JP2000336451A

JP2000336451A - 改質焼結合金、被覆焼結合金及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000336451A
Application number: JP11150421A
Authority: JP
Inventors: Kozo Kitamura; 幸三北村; Fumiyuki Ohara; 史之大原; Eiji Yanai; 英司矢内
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2000-12-05

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】粉末治金により作製される超硬合金またはサー
メットなどの焼結合金の組織構造と特性を改質した改質
焼結合金。【解決手段】改質物質は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎ
ｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素、これらの相互合金、
それら元素の炭化物、窒化物、酸化物、およびこれらの
相互固溶体から選ばれた少なくとも１種からなり、表面
から０．２ｍｍ内部までに該改質物質の含有量が最大と
なる最大含有量位置を有し、その位置からさらに内部に
向かって該改質物質が漸減されており、該最大含有量位
置における該改質物質含有量を該改質物質を構成してい
る金属元素として測定したときに、該金属元素の含有量
が焼結合金全体に対し１質量％以下からなる、超硬合金
またはサーメットでなる焼結合金中に該焼結合金を改質
させる改質物質が含有されておる、改質焼結合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末冶金により作
製される超硬合金またはサーメットなどの焼結合金の組
織構造と特性を改質した改質焼結合金、この改質焼結合
金を母材とし、この母材上に硬質膜を被覆した被覆改質
焼結合金およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の炭化タングステン基超硬合金、ま
たは窒化チタンや炭窒化チタンを含有した窒素含有のサ
ーメットなどに代表される焼結合金は、一般に炭化タン
グステン、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンなど
を主成分として含有する硬質相と鉄族金属を主成分とす
る結合相とからなる合金である。この焼結合金は、高硬
度、高靱性、高強度、耐摩耗性および耐衝撃性などの優
れた特性を有している合金である。これらの焼結合金の
特性は、主として硬質相と結合相の含有比、硬質相の粒
径の大きさ、硬質相と結合相の組成成分などにより調整
されている。一般に、焼結合金の特性は、硬度および耐
摩耗性を高めると、靱性、強度および耐衝撃性を低下さ
せる傾向を示し、逆に靱性、強度および耐衝撃性を高め
ると、硬度および耐摩耗性を低下させる傾向を示すとい
う問題がある。このような二律背反的な傾向を示すとい
う焼結合金特有の問題に対して、種々の構成による解決
が提案されており、その中の一方法として提案されてい
る代表的なものに、特公昭５９ー３５４３５号公報、特
開平２ー２２１３５１号公報がある。また、焼結合金の
特性のうち、強度や靱性が重要視されることが多々あ
り、そこで極微量の添加物の効果により高強度を高めよ
うとして提案されている代表的なものに、特開平８ー１
１８１２３号公報がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】焼結合金の特性を高め
ようとした先行技術のうち、特公昭５９ー３５４３５号
公報には、ＮａＣｌ型結晶構造化合物を５〜３０容量％
含有する超硬合金母材の表面に硬質膜を被覆した被覆超
硬合金における母材が、母材表面から１〜３０μｍの深
さに亘って、４ａ，５ａ，６ａ族金属の化合物でなるＮ
ａＣｌ型結晶構造化合物を７０〜９８容量％と残り鉄族
金属の１種以上の組成を有し、母材内部より５〜５０％
硬化した表面硬化層で構成、この表面硬化層と母材内部
との間に表面硬化層直下から２〜５０μｍの深さに亘っ
て、炭化タングステンを７０〜９５容量％と残り鉄族金
属の１種以上の組成を有し、母材内部より５〜５０％軟
化した中間軟化層を介在させた表面被覆超硬合金部材に
ついて開示されている。また、特開平２ー２２１３５１
号公報には、Ｃｏを５〜２０容量％とβ１固溶体相を２
５〜６０容量％と残りがＷＣからなる超硬合金母材にお
ける母材表面のβ１固溶体相が７０〜９８容量％で、か
つβ１固溶体相が母材表面から内部に向かって減少する
β１固溶体相の濃度勾配を有し、濃度勾配が母材表面か
ら内部に向かって０．０２〜１ｍｍに亘って存在する超
硬合金について開示されている。

【０００４】これらの両公報に開示されている超硬合金
は、ＮａＣｌ型結晶構造化合物（β１固溶体相）の含有
した超硬合金母材に適用されるものであり、各種の超硬
合金組成のうち、適用範囲が制限されるという問題があ
る。また、超硬合金中に含有されているＮａＣｌ型結晶
構造化合物（β１固溶体相）は、濃度勾配を形成するこ
とが非常に困難であるという問題がある。さらに、両公
報に開示されている超硬合金は、ＮａＣｌ型結晶構造化
合物（β１固溶体相）の濃度勾配が形成されてはいるも
のの、脆性なＮａＣｌ型結晶構造化合物（β１固溶体
相）が母材表面に多量に存在するために、微小欠損や微
小チッピングが発生し易く、過酷な用途に用いられる工
具、特に直径が１ｍｍ以下でなるプリント基板の穴あけ
用ドリルなどに代表される耐衝撃性および耐折損性を必
要とする工具に使用されると、短寿命になるという問題
がある。

【０００５】極微量の添加物の効果として提案されてい
る特開平８ー１１８１２３号公報には、Ｃｏを４〜２５
重量％とＶおよび／またはＣｒを０．１〜５重量％と極
微量成分としてＺｒ炭酸化物を０．００５〜０．１重量
％と、残り平均粒径が０．７μｍ以下の炭化タングステ
ンからなる超硬合金製ミニチュアドリルについて開示さ
れている。同公報に開示のミニチュアドリルは、極微量
のＺｒ炭酸化物を添加し、超硬合金の強度を高めること
に成功したというものである。

【０００６】しかしながら、同公報のように酸素が含有
された超硬合金は、脆化されるという問題がある。ま
た、同公報の超硬合金は、極微量の粉末添加による方法
であることから極端に分散が悪くなり、強度を高める効
果が弱くなるという問題がある。最近の市場の要望とし
ては、プリント基板の穴あけ用ドリルの直径は、細径化
する方向にある。また、プリント基板の穴あけ用ドリル
の使用条件は、高速化の方向になっている。したがっ
て、プリント基板の穴あけ用ドリルは、耐摩耗性を低下
させずに、ますます高強度にすることが要望されている
のに対し、同公報に開示のミニチュアドリルには、極微
量の酸素が含有されており、Ｚｒ炭酸化物微量添加によ
るり不均一分散であるために、合金全体が脆化されてお
り、最近の細径化および高速化の問題に対し、耐折損性
および耐衝撃性が対応し難くなり、短寿命になっている
という問題がある。

【０００７】本発明は、上述のような問題点を解決した
ものであり、具体的には、超硬合金またはサーメットで
なる焼結合金に特定の単一物質および化合物からなる微
量の改質物質を拡散させることにより均一に分散させ、
かつ焼結合金の表面から内部に向かって改質物質の濃度
勾配を形成させ、焼結合金の内部における強度自体を低
下させずに、焼結合金の表面における耐塑性変形性およ
び耐摩耗性を高めることにより、耐折損性および耐衝撃
性を向上させて、長寿命を達成させた改質焼結合金、被
覆改質焼結合金、およびその製造方法の提供を目的とす
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、半導体装
置のプリント基板に穴あけ加工を行うための細径ドリル
に対する市場の要望がより一層の極細径化であること、
および高速加工に対応可能な細径ドリルであることか
ら、超硬合金やサーメットでなる焼結合金における硬さ
および耐摩耗性を低下させずに、強度、靱性、耐衝撃
性、耐折損性を高めて、より安定な特性にすることにつ
いて検討していたところ、従来の超硬合金やサーメット
でなる焼結合金に特定された第３物質を微量拡散および
均一分散させると、耐折損性および耐衝撃性の向上が顕
著になるという知見を得た。この知見に基づいて、本発
明を完成するに至ったものである。

【０００９】本発明の改質焼結合金は、超硬合金または
サーメットでなる焼結合金を改質させる改質物質が含有
されており、該改質物質は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，
Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素、これらの相互合
金、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，
希土類元素の炭化物、窒化物、酸化物、およびこれらの
相互固溶体から選ばれた少なくとも１種からなり、該焼
結合金の表面から０．２ｍｍ内部までに該改質物質の含
有量が最大となる最大含有量位置を有し、該最大含有量
位置からさらに該焼結合金の内部に向かって該改質物質
が漸減されており、該最大含有量位置における該改質物
質を該改質物質中に含有の金属元素として測定したとき
に、該金属元素の含有量が該焼結合金全体に対し１質量
％以下からなる合金である。

【００１０】

【発明の実施の態様】本発明の改質焼結合金における焼
結合金は、従来の超硬合金およびサーメットを構成して
いる硬質相と結合相を含有している焼結合金からなり、
具体的には、炭化タングステンのみからなる硬質相と、
Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相とからな
る、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金，ＷＣ−Ｎｉ系合金，ＷＣ
−（Ｃｏ，Ｎｉ）系合金，ＷＣ−（Ｎｉ,Ｃｒ）系合
金，ＷＣ−（Ｃｏ，Ｃｒ）系合金，ＷＣ−（Ｃｏ，Ｃ
ｒ，Ｖ）系合金でなる超硬合金、また炭化タングステン
と立方晶構造化合物とからなる硬質相と、Ｃｏを主成分
とする結合相とからなる、例えばＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系
合金，ＷＣ−（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ−Ｃｏ系合金，ＷＣ
−（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）−Ｃｏ系合金で
なる超硬合金を代表例として挙げることができる。

【００１１】また、焼結合金のうち、サーメットとして
は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），ＴｉＮ，ＴｉＣを主成分とする硬
質相と、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相
とからなるものであり、具体的には、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−
（Ｔｉ，Ｗ）Ｃー（Ｃｏ，Ｎｉ）系合金，Ｔｉ（Ｃ，
Ｎ）−（Ｔｉ，Ｗ）（Ｃ，Ｎ）−（Ｃｏ，Ｎｉ）系合
金，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）Ｃー（Ｃｏ，
Ｎｉ）系合金，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ）
（Ｃ，Ｎ）−（Ｃｏ，Ｎｉ）系合金でなるサーメットを
代表例として挙げることができる。

【００１２】これらのうち、焼結合金は、Ｃｏおよび／
またはＮｉを主成分とする結合相を２〜３０質量％と、
残りが炭化タングステンを主成分とする硬質相を含有し
た超硬合金の場合は、耐折損性および耐衝撃性の向上効
果が顕著になることから好ましいことである。また、こ
の本発明の改質焼結合金は、組成成分、形状および用途
から耐折損性および耐衝撃性を重要視する必要が生じる
ような場合に、改質物質の効果が発揮されるものであ
り、組成成分的には、特に硬質相として含有されている
炭化タングステンの平均粒径が１．５μｍ以下からなる
超硬合金の場合が好ましいことである。その他組成成分
的には、硬質相は、硬質相全体に対し、周期律表の４
ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、炭窒化物、炭酸化物、
炭窒酸化物およびこれらの相互固溶体から選ばれた少な
くとも１種の立方晶構造化合物を１０質量％以下と、残
部が平均粒径が１．５μｍ以下の炭化タングステンから
なる超硬合金の場合が好ましいことである。

【００１３】さらに、組成成分的には、焼結合金を構成
しているもう一つの主要成分である結合相が結合相全体
に対し、バナジウム、クロム、炭化バナジウム、炭化ク
ロムの中の少なくとも１種の粒成長抑制物質を２０質量
％以下と、残りがコバルトおよび／またはニッケルから
なる超硬合金の場合には、改質物質の効果を高めること
ができることから好ましいことである。この粒成長抑制
物質は、硬質相粒子、特に炭化タングステン粒子の成長
を抑制する効果が高く、かつ改質焼結合金の耐腐食性を
高める効果を発揮するものであり、品質の安定性および
製造の安定性から炭化バナジウムおよび／または炭化ク
ロムが好ましいものである。

【００１４】本発明の改質焼結合金における改質物質
は、具体的には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，
Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素でなる単一物質、これら２種以
上でなる（Ｔｉ，Ｚｒ）合金、（Ｚｒ，Ｈｆ）合金、
（Ｚｒ，Ｖ）合金、（Ｚｒ，Ｃｒ）合金に代表される相
互合金、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍ
ｏ，希土類元素の炭化物、窒化物、酸化物、および炭窒
化チタン、炭酸化チタン、窒酸化チタン、炭窒酸化チタ
ン、炭窒化ジルコニウム、炭酸化ジルコニウム、窒酸化
ジルコニウム、炭窒酸化ジルコニウム、炭酸化タンタ
ル、炭酸化ニオブ、炭酸化バナジウム、炭酸化クロム、
炭酸化モリブデン、（Ｔｉ，Ｙ）の酸化物、（Ｚｒ，
Ｙ）の酸化物、（Ｄｙ，Ｙ）の酸化物に代表される相互
固溶体、ならびにこれらと該焼結合金の構成物質である
結合相や硬質相との相互固溶体の中の少なくとも１種か
らなる場合を代表例として挙げることができる。ここで
述べている希土類元素としては、ＹおよびＳｃを含めた
周期律表の３ａ族であるランタニド元素からなるもので
ある。

【００１５】この改質物質は、焼結合金の他の特性を低
下させずに、耐折損性および耐衝撃性を顕著に向上させ
るために、焼結合金中に極微量含有させることが重要に
なる。この改質物質は、極微量でなる場合または選定さ
れる改質物質の材質により、改質物質が焼結合金を構成
している結合相および硬質相に固溶された状態で存在す
ることになる。特に、改質物質が結合相に固溶された状
態で存在している場合には、改質物質による効果が高い
ことから好ましいことである。

【００１６】この改質物質は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｄｙお
よびこれらの元素を含有した化合物の中の少なくとも１
種からなる場合、具体的には、例えばＺｒ、Ｈｆ、Ｙ、
Ｄｙの単一物質、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、
窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、炭窒化ジルコニウ
ム、炭酸化ジルコニウム、窒酸化ジルコニウム、炭窒酸
化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウ
ム、酸化ジスプロシウム、ジルコニウムとハフニウムの
複合炭化物、複合窒化物に代表される化合物の中の少な
くとも１種からなる場合には、特に改質物質の効果が高
くなることから好ましいことである。

【００１７】この改質物質は、焼結合金の表面と内部に
より含有濃度が異なっており、焼結合金の表面から０．
２ｍｍ内部までに改質物質の含有量が最大となる最大含
有量位置を有しているものである。この最大含有量位置
が焼結合金の表面から内部に向かって０．２ｍｍを越え
て深くなると、耐摩耗性および耐塑性変形性に対する効
果が低下するとともに、長時間による改質物質の拡散を
必要とするなど製造的なマイナス面が生ずることにな
る。また、改質物質は、この最大含有量位置からさらに
焼結合金の内部に向かって漸減されており、最大含有量
位置における改質物質を改質物質中に含有の金属元素と
して測定したときに、金属元素の含有量が焼結合金全体
に対し１質量％を越えて多くなると、耐折損性および耐
衝撃性の低下が顕著になる傾向となる。

【００１８】焼結合金中における改質物質の含有濃度勾
配について、詳細に説明すると、改質物質の含有量が焼
結合金の表面から焼結合金の内部に向かって漸減した状
態になっているものである。この漸減状態の具体的な代
表例として、図１〜図６に示してある。これらのうち、
図１〜図３は、改質物質の含有量が最大となる最大含有
量位置が焼結合金の表面に存在する場合の例示である。
これらのうち、図１は、改質物質の含有量が焼結合金の
表面から内部に向かって緩徐に減少した状態を示したも
のである。また、図２は、改質物質の含有量が焼結合金
の表面から内部に向かって緩徐に減少した後、逆に緩徐
に増加し、再度緩徐に減少した状態を示したものであ
る。さらに、図３は、改質物質の含有量が焼結合金の表
面から内部に向かって緩徐に減少した後、ほぼ増減なし
の状態を維持した後、再度緩徐に減少した状態を示した
ものである。

【００１９】その他、図４〜図６は、焼結合金の表面〜
０．２ｍｍ深さの合金内部までの間に改質物質の含有量
が最大となる最大含有量位置が存在する場合の例示であ
る。これらのうち、図４は、改質物質の含有量が焼結合
金の表面から内部に向かって漸増し、最大含有量位置に
達した後に、さらに合金内部に向かって漸減した状態を
示したものである。図５は、改質物質の含有量が焼結合
金の表面から内部に向かって漸減した後、漸増して最大
含有量位置に達し、その後緩徐に減少した状態を示した
ものである。図６は、改質物質の含有量が焼結合金の表
面から内部に向かってほぼ一定となった後に、合金内部
に向かって緩徐に減少した状態を示したものである。

【００２０】焼結合金中における改質物質の含有量の変
動は、主として焼結合金の組成成分、改質物質の材質お
よび改質物質の拡散条件により影響を受けるものであ
る。この改質物質の含有量は、改質物質中に含有の金属
元素として測定したときに、焼結合金の最大含有量位置
における最大平均含有量が焼結合金の表面から内部に向
かって０．５ｍｍの合金深さ位置における内部平均含有
量の１．５倍以上からなる場合には、特に改質物質の効
果が顕著になることから好ましいことである。

【００２１】さらに、具体的に表現すると、改質物質の
効果を顕著に高めるためには、改質物質の含有量は、改
質物質中に含有の金属元素として測定したときに、上記
焼結合金の全体に対し、焼結合金の最大含有量位置にお
ける最大平均含有量が０．００１〜１質量％である場合
が好ましく、特に最大平均含有量が０．００８〜１．０
質量％であることが好ましいことである。また、焼結合
金の表面から内部に向かって０．５ｍｍ深さにおける合
金内部平均含有量が０．０００１〜０．７質量％である
場合が好ましく、特に０．０００５〜０．７質量％であ
る場合が好ましいことである。

【００２２】上述してきた焼結合金の表面は、具体的に
は、実用される状態の表面を示し、例えば研磨加工、ラ
ップ加工、電解処理、ショット処理，ブラスト処理など
で加工や処理された焼結合金の表面、またはこれらの加
工や処理後に再加熱された焼結合金の表面、さらには焼
結後の状態でなる焼結肌面でなる場合を代表例として挙
げることができる。

【００２３】上述したような改質物質の含有した焼結合
金を母材とし、この母材上に母材よりも高硬度な硬質膜
を被覆した被覆改質焼結合金とすると、強度、靱性、耐
折損性および耐衝撃性の優れた母材と、この母材上に被
覆される硬質膜とのシナージ効果を高めることになるこ
とから好ましいことである。

【００２４】このときの硬質膜は、具体的には、例えば
炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭酸化チタ
ン、窒酸化チタン、炭窒酸化チタン、酸化アルミニウ
ム、チタンとアルミニウムを含む複合窒化物、チタンと
アルミニウムを含む複合炭窒化物、チタンとアルミニウ
ムを含む複合炭酸化物、チタンとアルミニウムを含む複
合窒酸化物、チタンとアルミニウムを含む炭窒酸化物、
ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンの中から選
ばれた１種の単一層、２種以上の混合層、または該単一
層と該混合層を含めた２種以上の積層からなる場合を代
表例として挙げることができる。

【００２５】この硬質膜の膜厚さは、用途、形状、膜
質、膜の構成などにより選定する必要があり、工具とし
て使用する場合には、０．１〜２０μｍ膜厚さでなるこ
とが耐摩耗性および耐剥離性から好ましいことである。
また、工具のうち、耐折損性または耐衝撃性を重要視す
る、例えば回転切削工具、断続切削工具などに使用する
場合には、硬質膜厚さは、０．１〜８μｍでなる場合が
好ましく、さらに１〜５μｍからなる場合が好ましいこ
とである。これらの硬質膜および母材を構成している硬
質相は、化学量論組成または非化学量論組成からなる場
合でもよく、特に硬質膜は、非化学量論組成でなる場合
が多々ある。

【００２６】これらの改質焼結合金および被覆改質焼結
合金は、切削工具として使用されると効果が顕著に発揮
されることから好ましく、切削工具の中でも回転切削工
具、回転切削工具の中でもドリルやエンドミル、ドリル
の中でも半導体のプリント基板に穴あけ加工する微細径
のドリルとして使用されると一層その効果が発揮される
ことから、特に好ましいことである。これらの改質焼結
合金および被覆改質焼結合金は、合金中に改質物質を含
有させることが重要であり、その方法としては、大別す
ると気相法、液相法、固相法など種々の方法が考えられ
るが、以下の方法により作製すると、改質物質の濃度勾
配および含有量などの調整が容易になることから好まし
いことである。

【００２７】本発明の改質焼結合金の製造方法は、超硬
合金もしくはサーメットでなる焼結合金、または該焼結
合金を作製するための粉末成形体からなる被改質体を準
備する第１工程と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，
Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素、これらの相互合金、Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類
元素の炭化物、窒化物、酸化物、およびこれらの相互固
溶体から選ばれた少なくとも１種の改質物質からなる粉
末、板状体または該改質物質の粉末を含有した塗付物質
を準備する第２工程と、該第１工程における該被改質体
に該第２工程における該改質物質を含有する粉末、板状
体または該改質物質の粉末を含有した塗付物質を接触さ
せ、非酸化性雰囲気中で焼結または加熱し、該被改質体
中に該改質物質を拡散させる第３工程とを少なくとも経
て作製する方法である。

【００２８】この本発明の製造方法における第１工程で
準備する被改質体は、上述したような表面状態でなる市
販の焼結合金、または焼結合金を作製するための前駆体
物質である粉末成形体を代表例として挙げることができ
る。このときの粉末成形体は、所定の配合粉末を混合粉
砕して得られた混合粉末を金型加圧成形法、押し出し成
形法、静水圧成形法、ロール成形法、鋳込み成形法など
に代表される成形方法により成形した粉末成形体，もし
くは上述の成形方法と必要に応じてフライス加工、旋削
加工、切断加工などの機械的成形方法とを組み合わせて
作製された粉末成形体を代表例として挙げることができ
る。特に、第１工程で準備する被改質体が粉末成形体で
なる場合には製造工程が簡略になること、改質物質の調
整が容易になること、および改質焼結合金の信頼性およ
び品質安定性から好ましいことである。

【００２９】この本発明の製造方法における第２工程で
準備する改質体と改質物質との接触は、具体的には、カ
ーボンもしくは黒鉛の板上に改質物質を含有する粉末を
振り掛けておき、この粉末の上に改質体を載置する方
法、改質物質を含有する粉末を有機物質と混練してでき
た塗付物質を同板上に塗付し、この塗付物質の上に改質
体を載置する方法、スプレーや刷毛などにより粉末成形
体の表面に塗付物質を直接塗付する方法、改質物質を含
有する粉末中に被改質体を埋設させる方法、改質物質を
含有した粉末により形成した焼結の板状体に載置させる
方法などを代表例として挙げることができる。

【００３０】この本発明の製造方法における第３工程で
行う被改質体中への改質物質の拡散は、水素ガス、窒素
ガス、アルゴンなどの不活性ガスに例示されるガス雰囲
気または真空などに代表される非酸化性の雰囲気中で焼
結および／または熱間静水圧処理により行うことができ
る。このときの焼結および／または熱間静水圧処理は、
常圧、ガス減圧、、ガス加圧、ホットプレスのような加
圧、ＨＩＰ処理（熱間静水圧処理）などにより行うこと
であり、場合によっては一度焼結した後にＨＩＰ処理す
ることも緻密な焼結合金を得るために好ましいことであ
る。

【００３１】次に、このようにして得た改質焼結合金の
表面に硬質膜を被覆して被覆改質焼結合金を作製する場
合は、改質焼結合金の表面を上述した焼結合金の表面と
同様の表面状態である、例えば研磨加工、ラップ加工、
電解処理、ショット処理，ブラスト処理などで加工や処
理された改質焼結合金の表面、またはこれらの加工や処
理後に再加熱された改質焼結合金の表面、さらには焼結
後の状態でなる焼結肌面でなる表面を洗浄、乾燥などの
処理後、従来から行われている化学蒸着法（以下、「Ｃ
ＶＤ法」と記す）、物理蒸着法（以下、「ＰＶＤ法」と
記す）、プラズマＣＶＤ法などに代表される被覆方法に
より硬質膜を被覆し、被覆改質焼結合金とすることがで
きる。

【００３２】

【実施試験１】平均粒径が０．６μｍのＷＣ（以下、
［ａＷＣ」と記す）、同０．８μｍのＷＣ（以下、「ｂ
ＷＣ」と記す）、同１．５μｍのＴａＣ、同３μｍのＣ
ｒ₃Ｃ₂、同１．３μｍのＣｏからなる各出発原料粉末を
用いて、表１に示した組成成分に配合した。この各配合
粉末を有機溶剤と超硬ボールとともにボールミル容器に
装入して湿式混合、乾燥、滑剤添加を行って混合粉末を
得た。この各混合粉末を金型加圧成形して粉末成形体と
し、粉末成形体から加熱により潤剤を除去した後、表2
に記載した粉末（改質物質形成粉末）中に粉末成形体を
埋設し、真空中で表２に併記した温度による焼結とＡｒ
ガス加圧で１３８０℃によるＨＩＰ処理とを施して、本
発明品１〜３を得た。

【００３３】比較として、同出発原料粉末を用いて、配
合粉末を表１に併記した組成成分とし、粉末成形体を改
質物質形成粉末中に埋設することに代えて、市販のカー
ボン板上に粉末成形体を載置したこと以外は、ほぼ本発
明品と同様の工程を経て、比較品１〜３を得た。

【００３４】こうして得た本発明品１〜３と比較品１〜
３の各試料について、研磨加工後、硬さと抗折力を測定
し、その平均測定値を表２に示した。また、各試料につ
いて、試料中に含有している改質物質形成粉末を構成し
ている金属元素の分析を行い、その結果を表２に併記し
た。表２の分析結果は、各試料の表面から内部に向かっ
て測定し、表面〜０．２ｍｍまでに存在する最大含有量
位置における各金属元素の含有量（合金表面の含有量）
と、表面から約０．５ｍｍ内部における各金属元素の含
有量（合金内部の含有量）を測定し、それぞれ最大含有
量位置における改質物質構成の金属元素量と、その比と
して表示した。この金属元素は、本発明品１〜３の各合
金表面から内部に向かって漸減した濃度勾配を有してい
た。

【００３５】次に、本発明品１〜３と比較品１〜３につ
いて、上述の試料と同様にして作製した直径７ｍｍの各
ソリッドドリルを使用して、被削材：ＦＣＤ４５０、切
削速度：５０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖの
条件により耐摩耗性切削試験を行った。この試験の評価
は、３０ｍ切削後（切削長）における切刃コーナー摩耗
量を測定し、その結果を表３に示した。また、同形状の
各試料を用いて、被削材：ＦＣＤ４５０、被削材厚さ：
２０ｍｍ、穴形状：２０ｍｍ（貫通穴）、切削速度：５
０ｍ／ｍｉｎ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖの条件により
耐チッピング性切削試験を行った。この試験の評価は、
一つの試料につき１０本切削し、切削長が３０ｍ後にチ
ッピング損傷している本数を求めて、その結果を表３に
併記した。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【実施試験２】平均粒径が０．４μｍのＷＣ（以下、
［ｃＷＣ」と記す）、同０．５μｍのＷＣ（以下、「ｄ
ＷＣ」と記す）、同１．５μｍのＷＣ（以下、［ｅＷ
Ｃ」と記す）、同２μｍのＶＣ、同３μｍのＣｒ₃Ｃ₂、
同１．５μｍのＴａＣ、ＺｒＣＮおよびＴａＮ、同１．
３μｍのＣｏからなる各出発原料粉末を用いて、表４に
示した組成成分に配合した。この各配合粉末を用いて、
混合粉末の作製、粉末成形体の作製は、ほぼ本発明品１
〜３と同様に処理し、その他改質物質の拡散および焼結
温度は、表４に示した改質物質形成粉末を有機溶媒に混
練し、これを粉末成形体の表面にスプレー塗付し、表４
に示した焼結温度により処理し、本発明品４〜６を得
た。また、比較として、同出発原料粉末を用いて、配合
組成成分および焼結温度は、表４に併記した内容とし、
その他は比較品１〜３とほぼ同様に処理して、比較品４
〜８を得た。

【００４０】こうして得た本発明品４〜６と比較品４〜
８の各試料について、研磨加工後、硬さと抗折力を測定
し、その平均測定値を表５に示した。また、各試料につ
いて、試料中に含有している改質物質形成粉末を構成し
ている金属元素の分析を行い、その結果を表５に併記し
た。表５の分析結果は、本発明品１〜３および比較品１
〜３と同様にして行ったものである。この金属元素は、
本発明品４〜６の各合金表面から内部に向かって漸減し
た濃度勾配を有していた。

【００４１】次に、本発明品４〜６と比較品４〜８につ
いて、上述の試料と同様にして作製した刃先部の直径
０．２５ｍｍの各プリント基板用ドリルを使用して、被
削材：ＦＲ４プリント基板で厚さ０．８ｍｍ×３枚、回
転数：８００００ｒｐｍ、送り：２．０ｍ／ｍｉｎ、の
条件により耐摩耗性切削試験を行った。この試験の評価
は、２０００個の穴あけ後の切刃の摩耗量を測定し、そ
の結果を表６に示した。また、送りを３．５ｍ／ｍｉｎ
とした以外は、上述の耐摩耗性切削試験の場合と同形状
の各試料、同形状で同材質の被削材、および同回転数の
条件により、耐折損性切削試験を行った。この試験の評
価は、ドリルが折損するまでの穴あけ個数を求めて、そ
の結果を表６に併記した。

【００４２】

【表４】

【００４３】

【表５】

【００４４】

【表６】

【００４５】

【実施試験３】実施試験１および２で使用したｂＷＣ、
Ｃｒ₃Ｃ₂、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｃｏと、平均粒径が１．０
μｍのＮｂＣ、Ｙ、ＨｆＮと、平均粒径が１．０μｍの
ＷＣ（以下、「ｆＷＣ」と記す）と、平均粒径が１．３
のＷＣ（以下、「ｇＷＣ」と記す）との各出発原料粉末
を用いて、表７に示した組成成分に配合した。この各配
合粉末を用いて、混合粉末の作製、粉末成形体の作製、
および改質物質形成粉末の粉末成形体表面への塗付は、
ほぼ本発明品４〜６と同様に処理し、その他焼結温度
は、表７に示した温度により処理し、本発明品７〜９用
母材を得た。また、比較として、同出発原料粉末を用い
て、配合組成成分および焼結温度は、表７に併記した内
容とし、その他は比較品４〜８とほぼ同様に処理して、
比較品９〜１１用母材を得た。

【００４６】こうして得た本発明品７〜９と比較品９〜
１１の各母材について、研磨加工後、硬さと抗折力を測
定し、その平均測定値を表８に示した。また、各母材に
ついて、母材中に含有している改質物質形成粉末を構成
している金属元素の分析を行い、その結果を表８に併記
した。表８の分析結果は、本発明品１〜３および比較品
１〜３と同様にして行ったものである。この金属元素
は、本発明品７〜９の各合金表面から内部に向かって漸
減した濃度勾配を有していた。

【００４７】次いで、本発明品７〜９と比較品９〜１１
用母材について、これらの各母材形状をＩＳＯ規格によ
るＴＮＧＧ１６０４０８が得られるものとし、この各母
材をアークプラズマイオンプレーテイング装置の反応容
器内に配置し、従来から行われている条件でＴｉとＡｌ
との複合窒化物の硬質膜：（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜を膜厚さ
３μｍになるように被覆し、被覆改質焼結合金である本
発明品７〜９と被覆焼結合金である比較品９〜１１を得
た。

【００４８】次に、本発明品７〜９と比較品９〜１１に
ついて、被削材：ＳＵＳ３０４、工具形状：ＴＮＧＧ１
６０４０８、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み：
１．５ｍｍ、送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、の条件により
旋削試験を行った。この試験の評価は、４０ｍｉｎ切削
後における平均逃げ面摩耗量と境界摩耗量を測定し、そ
の結果を表９に示した。

【００４９】

【表７】

【００５０】

【表８】

【００５１】

【表９】

【００５２】

【発明の効果】本発明の改質焼結合金は、、焼結合金中
に含有している改質物質の材質と、この改質物質の均一
分散と、焼結合金中の改質物質の濃度勾配とにより、ほ
ぼ同一組成成分の比較焼結合金に対比し、硬さおよび耐
摩耗性を低下させることなく、逆に少々向上させる傾向
をもたせながら、なおかつ強度、靱性、耐塑性変形性を
向上させるとともに、耐チッピング性、耐折損性および
耐衝撃性を顕著に向上させるという優れた効果を有して
いるものである。また、本発明の被覆改質焼結合金は、
母材の優れた合金特性を保持させながら、母材より高硬
度の硬質膜との密着性を高めて、かつ硬質膜の特性を十
分に発揮させることを可能とした優れた被覆合金であ
る。

【００５３】したがって、本発明の改質焼結合金および
被覆改質焼結合金は、例えば旋削工具，フライス工具，
ドリル，エンドミルに代表される切削用工具、特に耐衝
撃性を必要とする断続切削工具や回転切削工具として、
その中での半導体のプリント基板の穴あけ工具として使
用されている極微細径のドリル、その他ダイス，パンチ
などの型工具からスリッタ−などの切断刃，裁断刃など
の耐摩耗用工具として、ノズルや塗付工具などの耐腐食
耐摩耗用工具として、鉱山，道路，土建などに用いられ
る切断工具，掘削工具，窄孔工具，破砕工具に代表され
る土木建設用工具として優れた効果を発揮することがで
きるものである。

【００５４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の改質焼結合金における焼結合金の表面
から内部に向かって含有している改質物質（金属元素で
換算）の漸減状態を示す濃度勾配状態図である。

【図２】本発明の改質焼結合金における焼結合金の表面
から内部に向かって含有している改質物質（金属元素で
換算）の漸減状態を示す濃度勾配状態図である。

【図３】本発明の改質焼結合金における焼結合金の表面
から内部に向かって含有している改質物質（金属元素で
換算）の漸減状態を示す濃度勾配状態図である。

【図４】本発明の改質焼結合金における焼結合金の表面
から内部に向かって含有している改質物質（金属元素で
換算）の漸減状態を示す濃度勾配状態図である。

【図５】本発明の改質焼結合金における焼結合金の表面
から内部に向かって含有している改質物質（金属元素で
換算）の漸減状態を示す濃度勾配状態図である。

【図６】本発明の改質焼結合金における焼結合金の表面
から内部に向かって含有している改質物質（金属元素で
換算）の漸減状態を示す濃度勾配状態図である。

【符号の説明】

Ａ改質物質（金属元素換算）の最大含有量位置を表し
ている。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２３Ｃ 10/00 Ｃ２３Ｃ 10/00 14/06 14/06 Ａ // Ｂ２３Ｂ 27/14 Ｂ２３Ｂ 27/14 ＢＢ２３Ｃ 5/16 Ｂ２３Ｃ 5/16 Ｆターム(参考） 3C046 FF03 FF05 FF10 FF12 FF13 FF32 FF34 FF39 FF43 FF52 FF53 FF55 FF57 4K018 AD03 AD04 AD06 BB04 DA17 DA31 EA11 FA24 KA15 4K029 AA04 BA34 BA41 BA44 BA54 BA55 BA58 BA60 BB02 BC02 BD05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超硬合金またはサーメットでなる焼結合金
中に該焼結合金を改質させる改質物質が含有されてお
り、該改質物質は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，
Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素、これらの相互合金、Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類
元素の炭化物、窒化物、酸化物、およびこれらの相互固
溶体から選ばれた少なくとも１種からなり、該焼結合金
の表面から０．２ｍｍ内部までに該改質物質の含有量が
最大となる最大含有量位置を有し、該最大含有量位置か
らさらに該焼結合金の内部に向かって該改質物質が漸減
されており、該最大含有量位置における該改質物質含有
量を該改質物質を構成している金属元素として測定した
ときに、該金属元素の含有量が該焼結合金全体に対し１
質量％以下からなる改質焼結合金。
【請求項２】上記焼結合金は、コバルトおよび／または
ニッケルを主成分とする結合相を２〜３０質量％と、残
りが炭化タングステンを主成分とする硬質相と不可避不
純物からなる超硬合金である請求項１に記載の改質焼結
合金。
【請求項３】上記炭化タングステンは、平均粒径が１．
５μｍ以下の炭化タングステンからなる請求項２に記載
の改質焼結合金。
【請求項４】上記硬質相は、該硬質相全体に対し、周期
律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、炭窒化物、炭
酸化物、炭窒酸化物およびこれらの相互固溶体から選ば
れた少なくとも１種の立方晶構造化合物を１０質量％以
下と、残部が平均粒径が１．５μｍ以下の炭化タングス
テンからなる請求項２に記載の改質焼結合金。
【請求項５】上記結合相は、該結合相全体に対し、バナ
ジウム、クロム、炭化バナジウム、炭化クロムの中の少
なくとも１種の粒成長抑制物質を２０質量％以下と、残
部がコバルトおよび／またはニッケルからなる請求項２
〜４のいずれか１項に記載の改質焼結合金。
【請求項６】上記改質物質は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｄｙの
単一物質またはこれらの元素を含有する化合物の中の少
なくとも１種からなる請求項１〜５のいずれか１項に記
載の改質焼結合金。
【請求項７】上記改質物質は、該改質物質を構成してい
る金属元素として測定したときに、上記焼結合金の最大
含有量位置における最大平均含有量が該焼結合金の表面
から内部に向かって０．５ｍｍの深さにおける内部平均
含有量の１．５倍以上からなる請求項１〜６のいずれか
１項に記載の改質焼結合金。
【請求項８】上記改質物質は、該改質物質中に含有の金
属元素として測定したときに、上記焼結合金の全体に対
し、該焼結合金の最大含有量位置における最大平均含有
量が０．００８〜１質量％であり、該焼結合金の表面か
ら内部に向かって０．５ｍｍ深さにおける内部平均含有
量が０．０００５〜０．７質量％である請求項１〜７の
いずれか１項に記載の改質焼結合金。
【請求項９】上記改質焼結合金が切削工具として使用さ
れる請求項１〜８のいずれか１項に記載の改質焼結合
金。
【請求項１０】上記切削工具は、プリント基板の穴あけ
用ドリルである請求項９に記載の改質焼結合金。
【請求項１１】上記請求項１〜８のいずれか１項に記載
の焼結合金を母材とし、該母材上に該母材よりも高硬度
な硬質膜を被覆した被覆改質焼結合金。
【請求項１２】上記硬質膜は、炭化チタン、窒化チタ
ン、炭窒化チタン、炭酸化チタン、窒酸化チタン、炭窒
酸化チタン、酸化アルミニウム、チタンとアルミニウム
を含む複合窒化物、チタンとアルミニウムを含む複合炭
窒化物、チタンとアルミニウムを含む複合炭酸化物、チ
タンとアルミニウムを含む複合窒酸化物、チタンとアル
ミニウムを含む炭窒酸化物、ダイヤモンド、ダイヤモン
ドライクカーボンの中から選ばれた１種の単一層、２種
以上の混合層、または該単一層と該混合層を含めた２種
以上の積層からなる請求項１１に記載の被覆改質焼結合
金。
【請求項１３】上記被覆改質超硬合金は、切削工具とし
て使用される請求項１１または１２に記載の被覆改質焼
結合金。
【請求項１４】上記切削工具は、ドリルまたはエンドミ
ルの回転切削工具である請求項１３に記載の被覆改質焼
結合金。
【請求項１５】超硬合金もしくはサーメットでなる焼結
合金、または該焼結合金を作製するための粉末成形体か
らなる被改質体を準備する第１工程と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素、これら
の相互合金、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，希土類元素の炭化物、窒化物、酸化物、およ
びこれらの相互固溶体から選ばれた少なくとも１種の改
質物質からなる粉末、板状体または該改質物質の粉末を
含有した塗付物質を準備する第２工程と、該第１工程に
おける該被改質体に該第２工程における該改質物質を含
有する粉末、板状体または該改質物質の粉末を含有した
塗付物質を接触させ、非酸化性雰囲気中で焼結または加
熱し、該被改質体中に該改質物質を拡散させる第３工程
とを少なくとも経て作製する改質焼結合金の製造方法。
【請求項１６】上記第１工程における被改質体は、粉末
成形体でなる請求項１５に記載の改質焼結合金の製造方
法。
【請求項１７】上記第２工程における上記被改質体と上
記改質物質との接触は、該改質物質を含有する粉末中に
該被改質体を埋設させる方法、該粉末または該粉末によ
り形成した板状体に載置させる方法である請求項１５ま
たは１６に記載の改質焼結合金の製造方法。
【請求項１８】上記第３工程における上記被改質体への
上記改質物質の拡散は、焼結および／または熱間静水圧
処理により行われる請求項１５〜１７に記載の改質焼結
合金の製造方法。