JP2001081525A - サーメット及び非酸化物系セラミックス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形時における，寸法精度向上および研磨代
削減をすることができる超硬合金，サーメット，及び非
酸化物セラミックス等の硬質材料を提供すること。 【解決手段】 炭窒化チタニウムと、炭化モリブデン
と、炭化タングステン及び炭化タンタルの内の少なくと
も一種とから実質的になる硬質相と，コバルトおよびニ
ッケルの結合相とからなり，且つ前記硬質相が７５〜９
５重量％で残部が前記混合相からなる組成を有するサー
メットであって，前記硬質相の平均粒径が１．０μｍ以
下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，微粒超硬合金，サ
ーメットおよび非酸化物系セラミックス等の硬質材料及
びその製造方法に関し，詳しくは，界面活性剤の使用に
よって，混合粉末とパラフィンワックスとの濡れ性を改
善し，押出し法で微粒超硬合金，サーメットおよび非酸
化物系セラミックスの焼結体を量産化出来るように図っ
た粉末冶金法による硬質材料及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に，硬質材料の一種として知られる
超硬合金は炭化タングステンとコバルト粉の合金粉を，
プレスで型押し，又は成形した後，焼結して製造されて
いる。

【０００３】ここで，特開昭４９−１０４８１０号公報
（以下，従来技術１と呼ぶ）には，原料の金属粉末を混
合するときに，アルコール及び非イオン性界面活性剤を
添加し，全混合成分中の３０％から７０％相当量を鉄分
とし，残りの成分をタングステンカーバイド，チタンカ
ーバイドにて折半し，混合せしめた超硬合金の製造方法
が提案されている。

【０００４】一方，特開平３−４５５４８号公報（以
下，従来技術２と呼ぶ）には，セラミックス原料と，活
性化エネルギー線硬化性樹脂と水性エマルジョンと，セ
ラミックスシートの製造方法が提案されている。

【０００５】更に，特開平４−３１９４０４号公報（以
下，従来技術３と呼ぶ）には，セラミックス粉末に分散
剤及び溶剤を加えて混合することによって，スラリーを
作成し，このスラリーを加圧脱水してブロック状のセラ
ミック成形体を作製する方法が開示されている。

【０００６】従来，超硬合金，サーメットおよび非酸化
物系セラミックスはプレス体あるいは，中間焼結後成形
加工した材料を焼結して得るのが通常である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術１
は，タングステンカーバイド等の含有量を減少させるた
めに鉄を含有させている。また，従来技術２に開示され
た方法は界面活性剤を用いて，スラリーの脱水時間を短
縮するものであり，硬質材料のプレス成形については，
何等開示されていない。

【０００８】更に，従来技術３においては，セラミック
スのプレス成形を行うものであり，セラミックス以外の
硬質材料については，何等示唆されていない。また，上
記従来技術１乃至３のいずれにおいても，硬質材料を超
硬工具に用いることは示唆されていない。

【０００９】近年，硬質材料によって形成される超硬切
削工具はその製造コストを削減するために，研磨代を少
なくかつ寸法精度向上を狙う方向にある。

【００１０】しかしいまだ根本的な改良は行なわれてい
ない。また，硬質材料を用いた超硬切削工具は，ユーザ
ーの使用用途が多義にわたるため，製品型番も多種多様
になりその金型数は数千におよぶ。そのため，金型管理
は非常に複雑でかつ時間を要する。したがって，同一の
金型でなるべく多くの種類の混合粉末をプレス成形しよ
うとしても，自ずと限界がある。

【００１１】また，一般に微粒の混合粉末を成形する場
合において，高圧でプレスを行う傾向にある。そのため
プレス体に，密度バラツキを生じさせたり，収縮率のバ
ラツキを生じさせたりする。

【００１２】一方，プリント基板の穴明け用ミニチュア
ドリルに用いる微粒超硬合金や，サーメットや非酸化物
系セラミックス製のピンなどは，その極小サイズと形状
のため上記に示した方法では，ブロック成形した材料な
どから切りだして製造するため，原料粉末の使用率が悪
く，かつ自動化されずコスト高になる欠点がある。

【００１３】さらに，微粒超硬合金やサーメットそして
非酸化物系セラミックスの製造に押出し法を用いると，
原料粉末の平均粒径が１．０μｍｍ以下の細かい場合，
混練工程における混合粉末とパラフィンワックスの濡れ
性が悪いためにバインダーの偏析が生じ，さらにバイン
ダーの分解による脱バインダー工程における炭素の残留
や，クラック等の欠陥発生も生じ量産化が困難である。

【００１４】そこで，本発明の第１の技術的課題は，成
形時における，寸法精度向上および研磨代削減をするこ
とができる超硬合金，サーメット，及び非酸化物セラミ
ックス等の硬質材料を提供することにある。

【００１５】また，本発明の第２の技術的課題は，色々
な収縮率の混合粉末を成形出来る超硬合金，サーメッ
ト，及び非酸化物セラミックス等の硬質材料を提供する
ことにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは，上記技術
的課題を解決するために，種々検討した結果，無機粉末
に界面活性剤を添加することによって，硬質材料の収縮
率が小さくなるとともに，混合粉末をプレスする際のプ
レス圧が減少出来，金型の共通化，密度バラツキの減少
できると言う知見を得，本発明を為すに至ったものであ
る。さらに，微粒超硬合金および微粒サーメットの原料
となる混合粉末に界面活性剤を添加することによって，
混合粉末とパラフィンワックスとの濡れ性を改善し，微
粒超硬合金や微粒サーメットそして非酸化物系セラミッ
クスの機械的特性を損なうことなく，押出し法によって
量産できると言う知見を得，本発明を完成するに至った
ものである。

【００１７】即ち，本発明によれば，炭窒化チタニウム
と、炭化モリブデンと、炭化タングステン及び炭化タン
タルの内の少なくとも一種とから実質的になる硬質相
と，コバルトおよびニッケルの結合相とからなり，且つ
前記硬質相が７５〜９５重量％で残部が前記混合相から
なる組成を有するサーメットであって，前記硬質相の平
均粒径が１．０μｍ以下であることを特徴とするサーメ
ットが得られる。

【００１８】また，本発明によれば，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ
4 ，ＡｌＮ等の非酸化物セラミックスを含む硬質相と，
前記硬質相間に介在する結合相とからなる硬質材料であ
って，前記硬質相の平均粒度が５．０μｍ以下であるこ
とを特徴とする非酸化物系セラミックスが得られる。

【００１９】ここで，本発明の硬質材料の代表例とし
て，超硬工具に用いられる微粒超硬合金についての説明
をおこなうが，微粒サーメットや非酸化物系セラミック
スにおいても同様なことが言える。本発明においては，
混合粉末の表面に界面活性剤を付着させることによっ
て，粉末表面が親水性から親油性にかわり混合粉末がパ
ラフィンワックスと濡れやすくなる。その結果，プレス
成形時のプレス性が良くなり，粉末の充填密度が高くな
るために収縮率が小さくなり，寸法精度向上や研磨代の
削減につながり，金型の共通化および密度バラツキの減
少が図れるとともに，原料混合粉末に対して少量のパラ
フィンワックスで混合粉末をコートし，かつ押出しに必
要な粘性を付与するものである。また，昇温過程におけ
る，パラフィンワックスの固体から液体への体積膨張が
量が少ないことによりクラック発生が軽減され，欠陥が
解消される。ここで，界面活性剤には，種々の界面活性
剤があるが，本発明においては，非イオン性界面活性剤
が最も好ましい。その理由として他の界面活性剤では，
超硬合金の特性低下を招いたり，設備装置へのアタック
するなどの欠点を有するからである。

【００２０】また，本発明において，ＨＬＢ値とは "Hy
drophilic Lipophile Balance" の略で親水性，親油性
バランスのことを示す。本発明において，界面活性剤の
ＨＬＢを１０以下としたのは１０以上だと，親水性が強
く空気中の水分が吸着しやすくなり，焼結時にクラック
を生じやすくなるためである。また，本発明において，
非イオン界面活性剤の添加量が０．５重量％未満では，
混合粉末とパラフィンワックスとの濡れ性が充分改善さ
れず，一方，３重量％を越えて添加すると合金中に遊離
炭素として残留するためである。

【００２１】また，本発明の超硬合金，微粒サーメット
そして非酸化物系セラミックスの製造方法が適用できる
原料粉末の粒径については特に規制はないが，粒径が
１．０μｍ以下の場合にその効果が顕著に現れる。ま
た，本発明において，超硬合金や微粒サーメットの場
合，結合相の含有量は合金総重量に対して，５〜２５％
が好ましい。その理由は，結合相の含有量が５％未満で
は微粒超硬合金および微粒サーメットの緻密化が十分行
われず，また２５％を越えると上述の効果があまり現れ
ないためである。

【００２２】また，本発明の製造方法において，脱バイ
ンダー工程において，昇温速度の制限を５００℃までが
好ましい。その理由は，パラフィンワックスおよび界面
活性剤の重量減少について示差熱天秤で調べた結果，５
００℃以下ではほとんどの界面活性剤が重量減少を完了
し，微粒超硬合金および微粒サーメットそして非酸化物
系セラミックス中には欠陥となる遊離炭素が見られず，
５００℃以下の温度範囲で昇温速度を制限すれば十分で
あることが明らかになったためである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００２４】（実施の形態１）原料粉末として平均粒径
０．５μｍ及び２．０μｍのタングステンカーバイド粉
末とコバルト粉末を下記表１に示したように配合し，ア
ルコール中１２時間湿式混合した。その後，界面活性剤
とパラフィンワックスをスラリー中に添加し，減圧乾燥
した。３，４，５，及び６トンの圧力で原料粉末を５×
１０×３０ｍｍにプレス成形した。その後，１４００
℃，１時間真空焼結を行った。

【００２５】また，同じく下記表１に示した本発明の超
硬合金の例に対する比較合金についても，界面活性剤無
添加以外は，本発明合金と同様に調整した。

【００２６】次に，上記本発明の超硬合金及び比較合金
の焼結体の寸法を測定し，それぞれの合金の収縮率を測
定した。収縮率とプレス圧との関係を図１に示した。

【００２７】図１に示したように，収縮率２３．４〜２
４．０％の金型でプレス成形出来る混合粉末Ｎｏ．７
は，本発明による界面活性剤で処理することによりプレ
ス圧を下げる事が可能になり，Ｎｏ．７，８，及び９全
ての混合粉末が同一の金型でプレス成形できるようにな
った。

【００２８】また，Ｎｏ．１０の混合粉末は，収縮率１
７．２〜１８．０％の金型でプレス成形出来，界面活性
剤で処理することにより，プレス圧を下げる事ができ，
Ｎｏ．１０，１１，１２の全ての混合粉末が同一の金型
でプレス成形できるようになった。

【００２９】なお，実施の形態１において，密度バラツ
キについては，それぞれの超硬合金について，定盤のう
えで反りを調べた。反りについては１００μｍを限界と
した。

【００３０】反りはプレス時の充填密度のバラツキによ
って起るものと考えられるので，反りを調べる事によっ
て，焼結後の密度バラツキがわかる。結果を表２に示し
た。下記表２に示すように，比較合金に比べて，本発明
の超硬合金は，密度バラツキが少ない。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】（実施の形態２）原料粉末として平均粒径
０．５μｍ及び１．５μｍのタングステンカーバイド粉
末とコバルト粉末を表３に示したように配合し，アルコ
ール中１２時間湿式混合した。

【００３４】その後、界面活性剤とパラフィンワックス
をスラリー中に添加し，減圧乾燥した。１トン／ｃｍ²
の圧力で５×１０×２０ｍｍにプレス成形した。その
後、１４００℃、１時間、真空焼結を行った。

【００３５】また，本発明の超硬合金の例に対する比較
合金を下記表３に示した。本発明の超硬合金と同様に界
面活性剤無添加で調整した。

【００３６】次に，上記の本発明の超硬合金及び比較合
金の焼結体の寸法を測定し，それぞれの合金の収縮率を
測定した。その結果を表３に示した。

【００３７】

【表３】

【００３８】（実施の形態３）実施の形態３では，微粒
超硬合金について述べる。

【００３９】原料粉末として平均粒径０．６μｍのタン
グステンカーバイド粉末，平均粒径１．３μｍのコバル
ト粉末，平均粒径１．１μｍの炭化バナジュウム粉末，
平均粒径１．０μｍの炭化クロム粉末，平均粒径１．２
μｍの炭化モリブデン粉末を用意し，これらの粉末を下
記表４に示したように配合し，アルコール中１２時間湿
式混合した。

【００４０】その後，界面活性剤とパラフィンワックス
を下記表５に示したように添加し，減圧乾燥した。これ
らの混合粉末とパラフィンワックスを混練後，押出し成
形体を作製した。下記表６に示したような各条件下で脱
バインダーを行い，１４００℃で１時間真空焼結を行っ
た。次に，アルゴンガス雰囲気中１０００気圧，１３５
０℃で１時間ＨＩＰ処理をおこなった。

【００４１】その時の結果を下記表７に示す。本発明に
よる超硬合金は比較合金に比べ，クラック，遊離炭素も
なく良好であった。

【００４２】

【表４】

【００４３】

【表５】

【００４４】

【表６】

【００４５】

【表７】

【００４６】以上の実施の形態１乃至３に示した超硬合
金は超硬工具に適用することができる。

【００４７】（実施の形態４）実施の形態４では，サー
メットについて述べる。

【００４８】原料粉末として平均粒径１．０μｍの炭窒
化チタン粉末，平均粒径１．５μｍの炭化タンタル粉
末，平均粒径０．６μｍの炭化タングステン粉末，平均
粒径１．３μｍとコバルト粉末，平均粒径１０μｍのニ
ッケル粉末，平均粒径１．２μｍの炭化モリブデン粉末
を用意し，これらの粉末を下記表８に示したように配合
し，アルコール中１２時間湿式混合した。

【００４９】その後，界面活性剤とパラフィンワックス
を下記表９に示したように添加し，減圧乾燥した。これ
らの混合粉末とパラフィンワックスを混練後，押出し成
形体を試作製した。下記表１０に示したような各条件下
で脱バインダーを行い，１４３０℃で１時間真空焼結を
行った。次に，アルゴンガス雰囲気中１０００気圧，１
３５０℃で１時間ＨＩＰ処理をおこなった。

【００５０】その時の結果を下記表１１に示した。本発
明によるサーメットは比較合金に比べ，クラック，遊離
炭素もなく良好であった。

【００５１】

【表８】

【００５２】

【表９】

【００５３】

【表１０】

【００５４】

【表１１】

【００５５】（実施の形態５）実施の形態５では，非酸
化物系セラミックスについて述べる。

【００５６】原料粉末として平均粒径０．５μｍの炭化
けい素粉末，平均粒径０．５μｍの窒化けい素粉末，平
均粒径０．５μｍの窒化アルミニュウム粉末，と平均粒
径０．５μｍとイットリュウム粉末を用意し，これらの
粉末を下記表１２に示したように配合し，アルコール中
１２時間湿式混合した。

【００５７】その後，界面活性剤とパラフィンワックス
を下記表１３に示したように添加し，減圧乾燥した。こ
れらの混合粉末とパラフィンワックスを混練後，押出し
成形体を試作製した。下記表１４に示したような各条件
下で脱バインダーを行い，炭化けい素の場合は１６３０
℃で１時間真空焼結を，窒化ケイ素の場合は１７５０℃
で１時間窒素雰囲気下で，窒化アルミニウムの場合は１
６００℃で１時間窒素雰囲気下で行った。

【００５８】その時の結果を下記表１５に示した。本発
明による非酸化物系セラミックスは比較セラミックスに
比べ，クラック，遊離炭素もなく良好であった。

【００５９】

【表１２】

【００６０】

【表１３】

【００６１】

【表１４】

【００６２】

【表１５】

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
成形時における寸法精度の向上および研磨代削減するこ
とができるサーメット，非酸化物セラミックス等の硬質
材料を提供することができる。

【００６４】また，本発明によれば，色々な収縮率の混
合粉末を成形出来るサーメット，非酸化物セラミッック
ス等の硬質材料を提供することができる。

【００６５】さらに，本発明によれば，硬質材料，特
に，超硬合金は超硬工具に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る超硬合金の収縮率と
プレス圧力との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沖 博昭 富山県富山市岩瀬古志町２番地 東京タン グステン株式会社富山製作所内 (72)発明者 高木 康弘 富山県富山市岩瀬古志町２番地 東京タン グステン株式会社富山製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭窒化チタニウムと、炭化モリブデン
   と、炭化タングステン及び炭化タンタルの内の少なくと
   も一種とから実質的になる硬質相と，コバルトおよびニ
   ッケルの結合相とからなり，且つ前記硬質相が７５〜９
   ５重量％で残部が前記混合相からなる組成を有するサー
   メットであって，前記硬質相の平均粒径が１．０μｍ以
   下であることを特徴とするサーメット。
2. 【請求項２】 ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＡｌＮ等の非酸化
   物セラミックスを含む硬質相と，前記硬質相間に介在す
   る結合相とからなる硬質材料であって，前記硬質相の平
   均粒度が５．０μｍ以下であることを特徴とする非酸化
   物系セラミックス。