JP2003073766A

JP2003073766A - 高硬度焼結合金及びこれを用いたアルミニウム加工部材

Info

Publication number: JP2003073766A
Application number: JP2001257614A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hamashima; 浩浜島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】アルミ電解コンデンサーの化成アルミ箔を裁断
するスリッター刃素材等は摺動スリッティング加工時に
高熱劣化（酸化）とアルミニウム金属の凝着摩耗の克服
が課題であった。【解決手段】タングステンが全量中７３〜８３重量％、
鉄属金属および少なくともクロムとタンタルを含む周期
律表第５ａおよび６ａ族元素が全量中１２〜２１重量
％、残部が炭素および窒素からなる非金属元素により構
成されるとともに、タングステンを除く金属元素中にお
けるタンタルの占める割合が３〜７重量％であることを
特徴とする高硬度焼結合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばアルミ電解
コンデンサーに用いるアルミ箔の裁断に用いる刃物など
のアルミニウム加工部材と、それに用いる高硬度焼結合
金に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばアルミ電解コンデンサーに使用さ
れるアルミ箔の裁断刃は、従来よりＳＫＨやＳＫＤなど
の金属素材が使用されていた。また被裁断物であるアル
ミ箔の表面は通常では化成処理され、表層が高硬度のア
ルミナに変質した箔となっているために最近では、裁断
刃の素材もより高硬度の超硬素材が使用されるようにな
っていた。

【０００３】これらの超硬素材もより高硬度化すること
を目的に、特開平６−１４５８７６号公報には、ＷＣ−
Ｃｏ合金に少量の炭化クロムを添加してＷＣ粒子を細か
くした高硬度で高強度の超硬合金が示されている。さら
には、特開平６−２１２３４１号公報ではＷＣ−Ｃｏ合
金に少量の炭化クロム、炭化バナジウムと適量の炭化タ
ンタル、炭化モリブデンを添加してなる高硬度で高強度
かつ耐溶着性に優れた超硬合金が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記のアルミ
箔の裁断に用いる刃物の材質として、ＳＫＨやＳＫＤな
どの金属材を使用すると、十分な硬度が得られず、耐摩
耗性が悪く、寿命が短いという問題があった。

【０００５】また、特開平６−１４５８７６号公報に示
された高硬度で高強度の超硬合金を使用しても刃先表面
にアルミニウムが凝着し易くなるという不具合があっ
た。この凝着したアルミニウムと結合金属である鉄属金
属コバルト、ニッケルなどとの反応によって起こる隆起
脱落に伴い超硬合金の粒子が共剥がれ状態で粒子脱落
し、欠けに似た現象が起こることが考えられ、結果的に
寿命が短くなるという問題があった。

【０００６】また、特開平６−２１２３４１号公報に示
された高硬度で高強度かつ耐溶着性に優れた超硬合金を
使用してもタンタルの炭化物の比率が多過ぎるために、
結合金属である鉄属金属コバルト、ニッケルとアルミニ
ウムとの反応防止効果が飽和状態となり耐凝着性が著し
く低下し、やはり刃先表面にアルミが凝着し易くなり、
長寿命を実現することは困難であった。

【０００７】ここで、アルミ電解コンデンサーの化成ア
ルミ箔を裁断する際の寿命レベルをその加工量で表すと
次の様になっていた。例えば、スリッター刃の素材をＳ
ＫＨやＳＫＤなどの金属部材を使用した場合は約４〜６
ｔｏｎ、前述の超硬合金では約５〜１０ｔｏｎの箔裁断
処理量にあたるが、生産性の面からは、５０ｔｏｎ以上
の使用が可能な素材が求められる様になっていた。

【０００８】また、裁断時のアルミ箔の切り屑は高温に
なっており、これが刃物の内側に凝着して構成刃先を異
形にすることで、裁断したアルミ箔の断面にバリが発生
するといった問題もあった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、主成分
をなすタングステンが全量中７３〜８３重量％、鉄属金
属および少なくともクロムとタンタルを含む周期律表第
５ａおよび６ａ族元素が全量中１２〜２１重量％、残部
が非金属元素により構成されるとともに、タングステン
を除く金属元素中におけるタンタルの占める割合が３〜
７重量％で構成することで耐アルミ凝着性に優れた高硬
度の焼結合金としたことを特徴とする。

【００１０】また、本発明はこの高硬度焼結合金を用い
てアルミニウム加工部材を形成したことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。

【００１２】本発明の耐アルミ凝着性に優れた高硬度の
焼結合金は、例えばアルミ電解コンデンサーの化成処理
したアルミ箔裁断刃素材として以下のようにして用いら
れる。

【００１３】図３に示すように、被裁断物である化成ア
ルミ箔３は、幅約５００ｍｍ、厚み０．１〜０．２ｍｍ
の反物状であり、長手方向に裁断される。具体的には、
図１に示すように、スリッター上刃１とスリッター下刃
２それぞれを同軸上に複数個ずつセットし、図２に示す
ようにスリッター上刃１とスリッター下刃２の刃先のギ
ャップａを約０．３〜０．５ｍｍにした状態で化成アル
ミ箔３を挟み込み、さらに各軸を相対的に逆方向に回転
して裁断し、巻き取るという手法をとる。

【００１４】化成アルミ箔３は、コンデンサーの特性
上、表面積を大きくするために電解化成処理されて表層
がアルミナに改質されており、非常に硬く、切れ難いた
め、刃物の素材としては、硬度が高く、耐摩耗性に優れ
ることと、耐アルミ凝着性を兼ね添えたものでなければ
ならない。そこで本発明では、これら高硬度で耐アルミ
凝着性に優れた素材を得るべく、種々検討を重ねた結
果、主成分をなす炭化タングステン（ＷＣ）に焼結合金
としての各種添加物の添加量を所定量に制限するととも
に、焼結体中に少なくともクロムとタンタルを含み、金
属元素の割合を所定量のクロム比率にすると、上記のよ
うな効果が得られることを突き止めた。

【００１５】即ち、本発明の高硬度焼結合金は、タング
ステン（Ｗ）が全量中７３〜８３重量％、鉄属金属およ
び少なくともクロムとタンタルを含む周期律表第５ａお
よび６ａ族元素が全量中１２〜２１重量％、残部が炭素
および窒素からなる非金属元素により構成されるととも
に、タングステンを除く金属元素中におけるタンタルの
占める割合が３〜７重量％としたものである。ここで、
鉄属金属にはＣｏをはじめＦｅ、Ｎｉがあり、周期律表
第５ａおよび６ａ族元素にはＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｗがあり、非金属元素としては炭素と窒素がある。

【００１６】ここで、タングステンを全量中７３〜８３
重量％としたのは、７３重量％よりも少なくなると硬度
と強度が低下し、８３重量％を越えると焼結性が低下し
強度が著しく低下するからである。この量は７６〜８１
重量％であることが望ましい。なお、タングステンは焼
結体中において、主にＷＣやＷＣＮとして存在し、硬質
相を形成する。

【００１７】そして、鉄属金属および少なくともクロム
とタンタルを含む周期律表第５ａおよび６ａ族元素を全
量中１２〜２１重量％としたのは、これらの量を１２重
量％未満とすると焼結が困難となる傾向にあるからであ
り、また、焼結体の強度が低下するからである。一方、
２１重量％よりも多いと、焼結体の硬度の低下が顕著に
なるとともに耐食・耐酸化性が低下するからでる。な
お、Ｃｏ等の鉄属金属および少なくともクロムとタンタ
ルを含む周期律表第５ａおよび６ａ族元素の量は、１３
〜２０重量％であることが望ましい。この鉄属金属は、
焼結体中において、結合相を形成し、クロムとタンタル
を含む周期律表第５ａおよび６ａ族元素は前記硬質相あ
るいは結合相中に固溶形成する。

【００１８】また、タングステンを除く金属元素中にお
けるタンタルの占める割合を３〜７重量％としたのは、
３重量％未満とすると結合金属であるコバルトなどとア
ルミニウムとの反応を防止することが困難となり、主成
分の炭化タングステンおよび炭窒化タングステン粒子が
容易に欠落されるようになる。一方、７重量％より多い
と、鉄属金属であるコバルトなどとアルミニウムとの反
応防止効果が飽和状態となり、さらには、タングステン
とクロムの固溶反応を阻害し、焼結体の結合力が著しく
低下し、強度・硬度が低下するからである。これはタン
タルの適度な添加により、結合相と軟質金属のアルミニ
ウムとの熱酸化反応を防止する効果が得られると考えら
れる。

【００１９】また、タンタルの他に必要不可欠なクロム
の適量は１．５重量％以上である。これはクロムを１．
５重量％より少なくすると硬質相であるＷＣもしくはＷ
ＣＮと結合金属であるコバルトなどの鉄属金属との結合
促進効果が低下し、焼結性が低下する。一方で、クロム
を１０重量％以上にすると、粒子成長抑制が過剰に働き
コバルトなどの鉄属金属を単独で囲み込む状態が表れ、
結合相の剥離現象が表れる。従ってクロムの量は１０重
量％未満に抑える必要がある。

【００２０】なお、残部には、少量の不可避不純物が含
有されており、これら不可避不純物としては０．２重量
％以下のチタニア（ＴｉＯ₂）、カルシア（ＣａＯ）、
マグネシア（ＭｇＯ）などがある。

【００２１】次に本発明の高硬度焼結合金の製造方法を
以下に述べる。

【００２２】まず、原料粉末として、タングステンの炭
化物（ＷＣ）および炭窒化物（ＷＣＮ）粉末にコバルト
等の鉄属金属および少なくともクロムとタンタルを含む
周期律表第５ａおよび６ａ族元素の炭化物を混合したも
のをアセトン等の有機溶媒中、所定時間混合粉砕した
後、バインダーを所定量加え、乾燥造粒した粉末を所定
圧力で所望形状にて加圧成形し、これを非酸化雰囲気下
において所定温度で脱バインダーした後、所定温度で焼
成を行うことにより得られる。

【００２３】例えば、平均粒子径が０．２〜０．５μｍ
のタングステンの炭化物（ＷＣ）および炭窒化物（ＷＣ
Ｎ）と、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅからなる鉄属金属として粒径
０．１〜１．０μｍのコバルト（Ｃｏ）および、クロム
とタンタルを含む周期律表第５ａ及び６ａ族元素として
粒径１．０〜８．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂）や炭
化タンタル（ＴａＣ）等の各粉末を計量混合し、これを
アセトン等の有機溶媒中、約４０時間混合粉砕した後、
パラフィンを加えた後造粒し、１．２ｔｏｎ/ｃｍ²で所
望形状に加圧成形する。成形されたものを窒素やアルゴ
ン等の非酸化性雰囲気下において所定温度で脱バインダ
ーした後、焼成方法としては真空加熱炉にて真空度が１
３．３Ｐａ〜０．１３Ｐａの減圧雰囲気や、各種雰囲気
中において減圧または無加圧にて、温度１２００℃〜１
３５０℃で焼成する。焼成時間は試料の大きさにもよる
が通常０.５〜３時間で得られる。

【００２４】なお、このときクロム、タンタルは原料粉
末としては炭化物として添加するが、焼結する過程にお
いて金属クロム、金属タンタルとして結合金属中に溶融
したり、炭化タングステン（ＷＣ）や炭窒化タングステ
ン（ＷＣＮ）中に固溶し、Ｃｒ₃Ｃ₂やＴａＣと共存して
いる。また、炭化タングステンや炭窒化タングステン
は、粒径０.８μｍ以下の結晶粒子として存在すること
が望ましい。これは粒径が０.８μｍを越えるようなサ
イズになれば焼結合金中の欠陥（気孔率）が増え、硬質
相である炭化タングステン（ＷＣ）や炭窒化タングステ
ン（ＷＣＮ）が酸化し易い環境化になるからである。

【００２５】そして焼成後、焼結体を所望形状にダイヤ
モンド研磨材にて研削加工もしくはダイヤモンドペース
ト等により鏡面研磨することにより平滑な焼結合金が得
られる。

【００２６】このようにして得られた高硬度焼結合金
は、例えば、アルミ電解コンデンサーの化成アルミ箔の
耐アルミ凝着性に優れた裁断用スリッター刃素材に利用
することができる。

【００２７】なお、本発明の高硬度焼結合金はアルミ電
解コンデンサーの化成アルミ箔の裁断用スリッター刃以
外にはアルミ電解コンデンサーの外装アルミニウムケー
スを形成するトリミングや絞りダイおよびパンチ、アル
ミニウムの製罐加工時に使用する絞りダイスやパンチ、
自転車用アルミフレーム材の加工治具などに使用でき
る。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００２９】原料粉末として平均粒子径０．２〜０．５
μｍの炭化タングステン（ＷＣ）もしくは炭窒化タング
ステン（ＷＣＮ）と、０．１〜１．０μｍの鉄属金属で
あるコバルト（Ｃｏ）および１．０〜８．０μｍの少な
くとも炭化クロムおよび炭化タンタルを含む周期律表第
５ａおよび６ａ族炭化物元素の各粉末を用い、これらを
最終焼結体の各金属量が表１の割合になるように計量混
合し、これをアセトン等の有機溶媒中、約４０時間振動
型ミルにて混合粉砕した後、パラフィンを４〜５重量％
加え、乾燥、造粒した後、原料粉末を１.２ｔｏｎ/ｃｍ
²で所望形状に加圧成形した。成形されたものを非酸化
性である窒素雰囲気下において３５０℃の温度にて脱バ
インダーした後、真空度１.３３Ｐａの真空加熱炉にお
いて温度１２００〜１３５０℃で真空焼成を１時間行っ
た。このようにして得られた最終焼結体の分析をＩＣＰ
発光分光分析等により行い、その結果を表１に示す。

【００３０】そして、焼結体を平面研削および鏡面研磨
し、この後、試料の抗折強度（ＴＲＳ）、ビッカース硬
度（Ｈｖ）、破壊靭性値（Ｋ１ｃ）を試験した。抗折強
度の測定は、ＪＩＳＲ１６０１の３点曲げ試験法に従
い、ビッカース硬度の測定はＪＩＳＺ２２４４試験法に
従い、破壊靭性値においては、ＩＦ法（Ｉｎｄｅｎｔａ
ｔｉｏｎＦｒａｃｔｕｒｅ法）に従って行った。

【００３１】また、耐アルミ凝着性の評価は図４に示す
ようにＪＩＳ１６１３試験方法で、アルミニウム合金
（Ａ３００４）製のボール１１を用い、各種材質のディ
スク１０上に負荷荷重１２を加えながら摺動させるボー
ルオンディスク試験によって得られたディスク上１０へ
の耐凝着度合いで示した。なお、アルミの凝着が全く認
められなかったものは◎とし、かすかにディスク上にく
もりが見受けられ、表面にアルミが１μｍ以下の変色程
度に付着が確認されたものは○とし、アルミの凝着が１
μｍ以上で３μｍ以下のものは△とし、アルミの凝着が
３μｍ以上になったものは×として表した。

【００３２】さらに、実際のアルミ電解コンデンサーの
化成アルミ箔３の裁断に用いたライフ評価結果を化成ア
ルミ箔の裁断処理量として示す。これらの結果を表２に
示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】この結果として、表１の試料Ｎｏ１はタン
グステンが全量中８３重量％を越え、表２の試料Ｎｏ１
の様に抗折強度が著しく低下し、表１の試料Ｎｏ１３は
７３重量％以下であり、表２の試料Ｎｏ１３の様にビッ
カース硬度が低下することがわかる。また、表１の試料
Ｎｏ１は鉄属金属および少なくともクロムとタンタルを
含む周期律表第５ａおよび６ａ族元素が全量中１２重量
％未満であり、表２の試料Ｎｏ１の様に焼結性が悪く抗
折強度が低下し、表１の試料Ｎｏ１３は２１重量％を越
え、表２の試料Ｎｏ１３の様にビッカース硬度低下が著
しく、更に耐酸化性が悪くなり、結果的にアルミ凝着が
悪くなる。更に表１の試料Ｎｏ２および試料Ｎｏ９はタ
ングステンを除く金属元素中におけるタンタルの占める
割合が３重量％未満になると、表２の試料Ｎｏ２および
Ｎｏ９の様に耐アルミ凝着性が著しく悪くなるし、表１
の試料Ｎｏ１、試料Ｎｏ７および試料Ｎｏ１３はタンタ
ルの割合が７重量％を越え、表２の試料Ｎｏ１および試
料Ｎｏ７の様に抗折強度が低くなり、耐アルミ凝着性も
悪くなる。なお、試料Ｎｏ１３は特開平６−２１２３４
１号公報の実施例に記載されているものであり、抗折強
度は金属総量が多くなっていることで高いレベルにある
が、タンタルの占める割合が多過ぎる為に結合相コバル
トとの反応防止効果が著しく低下し、耐アルミ凝着性が
悪くなっているため、アルミニウムの加工部材には適さ
ないことがわかる。

【００３６】これに対し、本発明の範囲内にある試料Ｎ
ｏ３〜試料Ｎｏ６および試料Ｎｏ８と試料Ｎｏ１０〜試
料Ｎｏ１２は耐アルミ凝着性が優れていることがわか
る。

【００３７】

【発明の効果】以上記述したように、本発明の高硬度焼
結合金で例えば、アルミ電解コンデンサーの化成アルミ
箔裁断用のスリッター刃を作成すると、被加工物の化成
アルミ箔の凝着が防止でき、更に高硬度で高い破壊靭性
値を得ることができることから、著しく耐摩耗性に優れ
た長寿命のものが得られる。

【００３８】これにより、従来の超硬材や焼結合金材と
比較して、使用上何ら支障のない硬度、強度、靭性、お
よび優れた耐熱酸化性で耐アルミ凝着性を有する高硬度
焼結合金を得ることができる。この結果、長期に渡りア
ルミ凝着と、これに伴う粒子脱落状態の摩耗や構成刃先
のチッピングが発生し難いスリッター刃素材、および被
加工対象物がアルミニウム製の加工部材として好適に用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルミニウム加工部材の実施形態であ
るアルミ箔切断用刃物を示す側面図である。

【図２】図１中のＡ部の拡大断面図である。

【図３】図１のアルミ箔切断用刃物の使用状態を示す斜
視図である。

【図４】ボールオンディスク法に基づく摺動耐凝着評価
試験装置の斜視図である。

【符号の説明】

１スリッター上刃２スリッター下刃３アルミ箔１０ディスク１１ボール１２負荷荷重１３摺動面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タングステンが全量中７３〜８３重量％、
鉄属金属および少なくともクロムとタンタルを含む周期
律表第５ａおよび６ａ族元素が全量中１２〜２１重量
％、残部が炭素および窒素からなる非金属元素により構
成されるとともに、タングステンを除く金属元素中にお
けるタンタルの占める割合が３〜７重量％であることを
特徴とする高硬度焼結合金。
【請求項２】アルミニウムと接触する部位が請求項１記
載の高硬度焼結合金からなることを特徴とするアルミニ
ウム加工部材