JP2003206123A - 炭化タングステン基超硬合金製造用炭化タングステン基合金粉末 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 すぐれた高温特性を有する炭化タングステン
基超硬合金の製造を可能とする炭化タングステン基合金
粉末を提供する。 【解決手段】 炭化タングステン基合金粉末が、９９．
９質量％以上の純度を有する炭化タングステンが酸素お
よび窒素を含有してなり、前記酸素の含有量がＪＩＳ・
Ｈ１４０２に規定する赤外線吸収法による測定で０．２
〜０．５質量％、前記窒素の含有量がＪＩＳ・Ｇ１２２
８に規定する熱伝導度法による測定で０．１〜０．３質
量％、であり、六方晶結晶構造のａ軸およびｃ軸が、Ｊ
ＩＳ・Ｋ０１３１に規定するＸ線回折分析による格子定
数測定で、ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、ｃ
軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、を示すこと。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、特に炭化タング
ステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金を粉末冶金法に
て製造するに際して、原料粉末として用いた場合に、前
記ＷＣ基超硬合金がすぐれた高温特性（高温硬さおよび
高温強度）を具備するようになるＷＣ基合金粉末に関す
るものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、一般に、各種の切削工具や耐摩耗
工具などとしてＷＣ基超硬合金が用いられ、このＷＣ基
超硬合金を粉末冶金法にて製造するに際しては、原料粉
末としてＷＣ粉末が用いられることは良く知られるとこ
ろである。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】一方、近年の切削加工
および成形加工などの省力化および省エネ化、さらに低
コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工装
置および成形加工装置の高性能化と相俟って、これらの
加工は高速で行われる傾向にあるが、上記の従来ＷＣ基
超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具などにおいては、こ
れを高速加工条件で用いると、加工に伴う発生熱がきわ
めて高く、高温環境に曝されるため、特にこれを構成す
るＷＣ基超硬合金の硬質相であるＷＣ相の高温特性（高
温硬さおよび高温強度）不足が原因で、摩耗進行が著し
く促進されるようになることから、比較的短時間で使用
寿命に至るのが現状である。 【０００４】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
上述のような観点から、高速加工条件で用いても、すぐ
れた耐摩耗性を発揮する各種のＷＣ基超硬合金製の切削
工具や耐摩耗工具などを開発すべく、特にこれの製造に
原料粉末として用いられるＷＣ粉末に着目し、研究を行
った結果、 （ａ）通常、ＷＣ基超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具
などの粉末冶金法による製造に原料粉末として用いられ
ている従来ＷＣ粉末は、純度：９９．９質量％以上の高
純度を意図して製造されているため、ＷＣ粉末における
不純物である窒素および酸素の含有量は、 酸素：ＪＩＳ・Ｈ１４０２に規定する赤外線吸収法（以
下、単に赤外線吸収法という）による測定で０．０１〜
０．０７質量％、 窒素：ＪＩＳ・Ｇ１２２８に規定する熱伝導度法（以
下、単に熱伝導度法という）による測定で０．００１〜
０．０３％、であり、これのもつ六方晶結晶のａ軸およ
びｃ軸を、ＪＩＳ・Ｋ０１３１に規定するＸ線回折分析
による格子定数測定法（以下、単にＸ線回折法という）
を用いて測定すると、 ａ軸：２．９０５２〜２．９０７２Å、 ｃ軸：２．８３６８〜２．８３８８Å、 を示すこと。 【０００５】（ｂ）一般に、上記の従来ＷＣ粉末は、原
料粉末としてＷＯ₃粉末を用い、これに還元粉末として
所定量のカーボンブラックを配合し、混合した後、この
混合粉末を９００〜１６００℃に加熱し、窒素気流中で
所定時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度
を９００〜１６００℃とすると共に、前記窒素気流を水
素気流に変えて所定時間保持の条件で炭化処理を行うこ
とにより製造されること。 【０００６】（ｃ）以下の製造工程、すなわち、９９．
９質量％以上の純度を有するメタタングステン酸アンモ
ニウム（以下、ＡＭＴで示す）またはタングステン酸ア
ンモニウム（以下、ＡＴで示す）の水溶液に、同じく９
９．９質量％以上の純度を有する炭素粉末を配合し、混
合して、スラリーとし、上記スラリーを３５０℃以下の
温度で低温乾燥して、上記炭素粉末が上記ＡＭＴまたは
ＡＴを担持してなる原料粉末を調製し、上記原料粉末
に、窒素ガスにＣＯガスを５〜１５容量％の割合で配合
してなる窒素系混合ガス雰囲気中、９００〜１３００℃
の温度に加熱の還元処理を施して還元反応生成物を形成
し、ついで、上記還元反応生成物に同じく９９．９質量
％以上の純度を有する炭素粉末を、前記還元反応生成物
に配合し、混合し、引き続いて、上記の炭素粉末混合の
還元反応生成物に、水素ガスにＣＯガスを５〜１５容量
％の割合で配合してなる水素系雰囲気中、１０００〜１
３００℃の温度に加熱の炭化処理を施すことからなる基
本工程で製造した粉末においては、上記の還元処理の窒
素系混合ガス気流中および炭化処理の水素系言合ガス気
流中に配合のＣＯガスによって、粉末中の酸素含有量お
よび窒素含有量が上昇し、９９．９質量％以上の純度を
有するＷＣが、前記ＣＯガスの配合割合の調整で、 赤外線吸収法による測定で酸素：０．２〜０．５質量
％、 熱伝導度法による測定で窒素：０．１〜０．３質量％、 を含有したものとなり、しかもこの場合六方晶結晶のａ
軸およびｃ軸が、Ｘ線回折法による測定で、 ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、 ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、 を示すこと。 【０００７】（ｄ）この結果の従来ＷＣ粉末に比して酸
素および窒素の含有量がきわめて高く、かつ六方晶結晶
構造のａ軸は相対的に短いが、ｃ軸が長いＷＣ基合金粉
末を原料粉末として用いて製造されたＷＣ基超硬合金製
の切削工具や耐摩耗工具などにおいては、これを構成す
るＷＣ基超硬合金の硬質相であるＷＣ基合金相が、相対
的にきわめて高い酸素を含有することによってすぐれた
高温硬さを具備し、さらに同じく相対的に高い窒素含有
によってすぐれた高温強度をもつようになることから、
高熱発生を伴なう高速加工条件でもすぐれた耐摩耗性を
発揮し、長期に亘ってすぐれた性能を示すこと。以上
（ａ）〜（ｄ）に示される研究結果を得たのである。 【０００８】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、９９．９質量％以上の純度を有す
るＷＣが酸素および窒素を含有してなり、上記酸素の含
有量が赤外線吸収法による測定で０．２〜０．５質量
％、上記窒素の含有量が熱伝導度法による測定で０．１
〜０．３質量％、であり、六方晶結晶構造のａ軸および
ｃ軸が、Ｘ線回折法による測定で、 ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、 ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、 を示す、ＷＣ基超硬合金製造用ＷＣ基合金粉末に特徴を
有するものである。 【０００９】なお、この発明のＷＣ基合金粉末におい
て、酸素含有量を０．２〜０．５質量％と定めたのは、
その含有量が０．２％未満では、所望のすぐれた高温硬
さを確保することができず、一方その含有量が０．５質
量％を超えると窒素含有によってもたらされる高温強度
の向上効果が急激に抑制されるようになるという、理由
によるものである。同じくこの発明のＷＣ基合金粉末の
窒素含有量を０．１〜０．３質量％と定めたのは、その
含有量が０．１質量％未満では、所望のすぐれた高温強
度を確保することができず、一方その含有量が０．３質
量％を超えると上記の酸素含有によってもたらされる高
温硬さの向上効果が低下し、所望の高温硬さを確保する
ことができなくなるという理由によるものである。ま
た、上記の通り粉末中の酸素含有量および窒素含有量
は、粉末製造時に、還元処理の窒素系混合ガス気流中お
よび炭化処理の水素系混合ガス気流中に配合のＣＯガス
の割合を調整することにより制御することができるもの
である。 【００１０】さらに、この発明のＷＣ基合金粉末におい
ては、ＷＣ結晶のもつ六方晶結晶構造と酸素および窒素
含有量との間には、酸素および窒素含有量が多くなるほ
ど、六方晶のａ軸は短く、ｃ軸は長くなる相関関係、す
なわち酸素および窒素のいずれかの含有量が、酸素：
０．２質量％未満および窒素：０．１質量％未満では、
ａ軸は長さは２．９０５０Åを越え、ｃ軸の長さは２．
８３９０Å未満となり、一方酸素および窒素のいずれか
の含有量が、酸素：０．５質量％および窒素：０．３質
量％を越えると、ａ軸の長さは２．９０２０Å未満、ｃ
軸の長さは２．８４２０Åを越える相関関係があり、し
たがって上記の通りＷＣ基合金粉末が、 酸素：０．２〜０．５質量％、 窒素：０．１〜０．３質量％、 を含有する場合に、六方晶結晶のａ軸およびｃ軸が、 ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、 ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、 を示すようになるものである。 【００１１】 【発明の実施の態様】つぎに、この発明のＷＣ基合金粉
末を実施例により具体的に説明する。まず、以下いずれ
も質量％で、それぞれ表１，２に示される純度をもった
ＡＭＴおよびＡＴを用い、これに純水を加えて２０〜７
０％の範囲内の所定の濃度をもった水溶液を調製し、こ
れら各種濃度のＡＭＴ水溶液およびＡＴ水溶液に、炭素
粉末として同じく表１，２に示される純度および０．１
５〜０．２５μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するカ
ーボンブラックまたは同じく表１，２に示される純度お
よび０．４〜０．５μｍの範囲内の所定の平均粒径を有
する活性炭をそれぞれ表１，２に示される割合（括弧内
の数字はＷに対する原子比を示す）で加え、攪拌機にて
１時間混合してスラリーとし、これらスラリーのうち２
０〜４５％水溶液の場合はスプレードライヤー（加熱設
定温度：３００℃）にて噴霧加熱を行ない、またこれ以
外の５０〜７０％水溶液の場合は温風加熱機（加熱設定
温度：１５０℃）にて低温加熱して、前記ＡＭＴまたは
ＡＴが前記炭素粉末によって担持された原料粉末を調製
した。 【００１２】ついで、上記原料粉末を、固定床炉（この
場合横型回転炉を用いても同じ条件でよい）にて、窒素
ガスにＣＯガスを全体に占める割合で５〜１５容量％の
範囲内の所定の割合配合してなる窒素系混合ガス雰囲気
中、９００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に１時間
保持の条件で加熱還元処理した。 【００１３】引き続いて、上記の還元反応生成物に、炭
素粉末として、それぞれ上記の原料粉末の調製に用いた
と同じ純度および平均粒径を有するカーボンブラックお
よび活性炭をそれぞれ表１，２に示される割合（上記還
元反応生成物中のＷ成分を実質的に組成式でＷＣに炭化
する割合であり、かつ上記還元反応生成物との合量に占
める割合を示す）配合し、攪拌機にて混合した後、同じ
く固定床炉（横型回転炉を用いてもよい）にて、水素ガ
スにＣＯガスを全体に占める割合で５〜１５容量％の範
囲内の所定の割合配合してなる水素系混合ガス雰囲気
中、１０００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に１時
間保持の条件で加熱炭化処理することにより本発明ＷＣ
基合金粉末１〜１５をそれぞれ製造した。 【００１４】この結果得られた本発明ＷＣ基合金粉末１
〜１５は、表３に示される通りの酸素含有量（赤外線吸
収法による測定）および窒素含有量（熱伝導度法による
測定）、さらに六方晶結晶のａ軸およびｃ軸（Ｘ線回折
法による測定）を示し、かつ前記酸素および窒素の含有
量を除いたＷＣ含有量と不可避不純物から算出したＷＣ
純度はいずれも９９．９質量％以上を示し、さらにいず
れも０．５μｍ以下の平均粒径（走査型電子顕微鏡を用
いて測定）を有するものであった。 【００１５】さらに、比較の目的で、原料粉末として、
平均粒径：０．５μｍを有するＷＯ ₃粉末、および同
０．２μｍのカーボンブラックを用意し、まずこれら原
料粉末を、カーボンブラック：１７％、ＷＯ₃粉末：残
り、の割合に配合し、湿式ボールミルでアセトンを加え
て３時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐした状態で
カーボンボートに充填した後、この混合粉末を９００〜
１６００℃に加熱し、窒素気流中で３時間保持の条件で
還元処理を行い、ついで加熱温度を９００〜１６００℃
とすると共に、前記窒素気流を水素気流に変えて３時間
保持の条件で炭化処理を行い、最終的に粒度調整を行う
ことにより、同一条件での測定で、表４に示される窒素
および酸素含有量、六方晶結晶のａ軸およびｃ軸を示
し、さらに同じく表４に示される純度および平均粒径を
もった従来ＷＣ粉末１〜７をそれぞれ製造した。 【００１６】つぎに、上記の本発明ＷＣ基合金粉末１〜
１５および従来ＷＣ粉末１〜７のＷＣ基超硬合金の特性
に及ぼす影響を調査する目的で、原料粉末として、前記
本発明ＷＣ基合金粉末１〜１５および従来ＷＣ粉末１〜
７のそれぞれに、平均粒径：１．３５μｍのＣｏ粉末を
全体に占める割合で５質量％配合し、ボールミルで７２
時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で１
０．８ｍｍ×６ｍｍ×３０ｍｍの寸法をもった圧粉体に
プレス成形し、この圧粉体を１３．３Ｐａの真空中、１
４８０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、さらに９０
ＭＰａのＡｒ雰囲気中、１４６０℃に１時間保持の条件
でＨＩＰ処理することにより試験片をそれぞれ製造し、
これら試験片を用い、高温硬さおよび高温強度を評価す
る目的で、８００℃でのビッカース硬さ（高温硬さ）お
よび同温度での抗折力（高温強度）を測定した。これら
の測定結果を表３，４に示した。 【００１７】 【表１】 【００１８】 【表２】【００１９】 【表３】 【００２０】 【表４】【００２１】 【発明の効果】表１〜４に示される結果から、本発明Ｗ
Ｃ基合金粉末１〜１５を用いて製造したＷＣ基超硬合金
試験片は、いずれもこれの硬質相である ＷＣ基合金相
の酸素および窒素含有量が相対的に高いことから、すぐ
れた高温硬さと高温強度を具備するようになるのに対し
て、従来ＷＣ粉末１〜７を用いて製造したＷＣ基超硬合
金試験片は、前記硬質相であるＷＣ相が酸素および窒素
を実質的に含有しないために、高温硬さおよび高温強度
とも相対的に低い値しか示さないことが明らかである。
上述のように、この発明のＷＣ基合金粉末は、すぐれた
高温硬さと高温強度を具備するＷＣ基超硬合金の製造を
可能とし、したがって製造されたＷＣ基超硬合金製の切
削工具や耐摩耗工具は、切削加工や成形加工などの省力
化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応
できるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳沼 裕士 大阪府豊中市千成町１丁目６番64号 日本 新金属株式会社内 (72)発明者 森田 進 大阪府豊中市千成町１丁目６番64号 日本 新金属株式会社内 Ｆターム(参考） 4G046 MA07 MB02 MB08 4K018 AD06 BA11 BB06 BB10 KA14 KA15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ９９．９質量％以上の純度を有する炭化
   タングステンが酸素および窒素を含有してなり、 上記酸素の含有量がＪＩＳ・Ｈ１４０２に規定する赤外
   線吸収法による測定で０．２〜０．５質量％、 上記窒素の含有量がＪＩＳ・Ｇ１２２８に規定する熱伝
   導度法による測定で０．１〜０．３質量％、であり、六
   方晶結晶構造のａ軸およびｃ軸が、ＪＩＳ・Ｋ０１３１
   に規定するＸ線回折分析による格子定数測定で、 ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、 ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、を示すこと、を
   特徴とする炭化タングステン基超硬合金製造用炭化タン
   グステン基合金粉末。