JP2003231938A - 炭化タングステン基超硬合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超微粒子超硬合金のＴａの添加は、ＶとＴａの
組合せ同様、靭性の低下が大きな障害となるので、その
改善を行い、ＷＣの粒径が極めて小さく、且つ、高い靭
性に加え高い耐塑性変形性を有する超微粒子超硬合金を
提供することを目的とする。 【構成】Ｃｏ及びＮｉのうちの１種又は２種：２〜１３
％、Ｖ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、
Ｔａ：０．０１％以上０．４％未満、を含有し、残り：
炭化タングステン及び不可避不純物、からなる組成を有
し、炭化タングステンの平均粒径が０．６μｍ以下であ
り、合金中のＡｒ含有量が０．１％未満であることを特
徴とする炭化タングステン基超硬合金である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本願発明は、超硬合金に関
し、特に、平均粒径が０．６μｍ以下の炭化タングステ
ン粒子を有する、いわゆる超微粒超硬合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】平均粒径が１μｍ以下のＷＣ粒子を含有
する超微粒超硬合金は、硬さとともに靭性も高いのでエ
ンドミル、プリント基板用ドリル、各種せん断刃などに
広範囲に用いられている。近年微細加工の傾向とともに
超微粒合金の平均粒径も益々小さいものの要求が大とな
ってきている。そのため、従来から周知のＶ、Ｔａ、Ｃ
ｒなどの金属若しくそれらの金属の化合物（炭化物、窒
化物、炭窒化物など）をＷＣに対する粒成長抑制材とし
て、単独に用いられていたものが、０．６μｍ以下の平
均粒径をめざし２種以上を添加するようになってきた。
例えば、特公昭６２−５６２２４号公報では、ＶとＣｒ
の２種を添加し、且つ、合金内に第３相が出現しないよ
うにして靭性を劣化させない工夫が開示されている。ま
た、特許第３００８５３２号公報では、やはりＶとＣｒ
を複合添加し、且つ、ＶとＷを含む複合炭化物を第３相
として金属結合相とＷＣの粒界に存在させることにより
抗折力の向上が図れることが開示されている。特許３０
１０８５９号公報も、ＶとＣｒの複合添加の特許である
が、Ｃｒ炭化物や（Ｗ、Ｖ）Ｃを析出させることなく、
ＣｒとＶの複合炭化物、より正確に記すれば（Ｃｒ、
Ｖ）２Ｃのみを素地中に分散させて、硬さと靭性の双方
の向上を図ることが開示されている。

【０００３】更に、３種の複合添加では、特公昭６２−
５６４９３号公報において、ＶとＣｒとＭｏの３種添加
が開示されている。また、特公昭６２−５６４９４号公
報では、ＶとＣｒと０．５〜８．０重量％のＴａＣ又は
（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃの３種の添加し、より微細な超硬合金
が得られることを開示している。この場合ＴａＣ又は
（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃを主体とする固溶体炭化物相の析出相
が一定量以下であれば、靭性の低下を招聘しないとされ
ている。特公平０３−４６５３８号公報においても、Ｖ
とＣｒと０．４〜０．５％のＴａＮｂＣの３種添加が開
示されている。特許３２０６３７５号公報においてもＶ
とＣｒと０．０５〜２．５％のＴａＣの複合添加による
ＷＣ粒径０．７〜１．０μｍの超微粒合金が開示されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＷＣ粒子は焼結中に粒
成長を起こすので、合金中のＷＣ粒子の粒径は焼結前よ
りも大きい。そのため粒成長抑制材を添加してＷＣの粒
成長を抑制する方法の研究が進められ、Ｖが最も有効
で、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏも効果のあることが分かってい
る。平均粒径が０．６μｍ以下、願わくば０．５μｍ以
下としたいならば、多量の粒成長抑制材、特に、Ｖを添
加すればよいが、Ｖを多量に添加すると合金の靭性が急
激に低下する。そのためＶの添加量を減らして、その結
果生じる粒成長抑制効果の減少分をＣｒやＴａで補填す
る試み、すなわち粒成長抑制材の複合添加が行われてき
たのである。しかしながら上記の先行技術を含め発明者
らが鋭意検討したところではＶとＣｒの組合せでは、焼
結後の冷却中に結合相やＷＣ相とは別の第３相が析出
し、それが靭性を低下させることが明らかとなった。そ
のため第３相が析出しない程度に添加量を少なくする
と、粒成長抑制効果が希薄になる。ＶとＴａの組合せは
第３相の出現がより易くなり、靭性の低下が激しい。そ
こで平均粒径が０．６μｍ以下、願わくば０．５μｍと
した高靭性の超硬合金を得ようとするならば、ＶとＣｒ
とＴａの３種の添加に頼らざるを得ない。しかしなが
ら、上述の先行技術を追試した結果、Ｔａの添加はＶと
Ｔａの組合せ同様、靭性の低下が大きな障害となること
が分った。また、微粒超硬合金を切削工具として用いる
場合には硬さ、靭性に加え、切削時の刃先の耐塑性変形
性が重要となるが、耐塑性変形性を改善する方策につい
ては十分に効果のある方策が開示されていないのが現状
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、なぜＶと
ＣｒとＴａの３種添加が粒成長抑制効果は評価できるも
のの靭性の著しい低下がなぜ起きるかの観点から種々検
討した結果、結合相やＷＣ相とは明らかに異なる別の相
とおぼしきものが合金全体に広がっていることが観察さ
れた。この別相とおぼしきもの（以後、出現相と記
す。）はＴａ添加量とともに増加すること、同じＴａ量
では低カーボン合金ほど少なく、また焼結終了後から液
相消失温度までの冷却速度が速いほど減少し、場合によ
っては出現しなくなることが分った。また、この出現相
は量の増加に伴って抗折力値で評価される靭性が急激に
低下することなどが明らかとなった。そこで、Ｔａ（Ｔ
ａ化合物の場合はＴａ分）の適正量について厳密な調査
を行ったところ、０．４％を超えると出現相が過多とな
り、Ｖ添加量が０．１〜２．０の範囲において充分な靭
性が保てないことが明らかとなった。さらに記すればＶ
が０．１〜２．０％、且つ、Ｃｒが０．１〜２．０％の
範囲において、いかに合金カーボン量を調整しようが、
また実用範囲で冷却速度を大きくしようが、出現相の望
ましい上限値を超えてしまい、充分に靭性のあるＷＣの
平均粒径が０．６μｍ以下の合金が得られない。また耐
塑性変形性についてさらに検討を進めた結果、上記のよ
うな微粒合金を切削工具として用いた場合、刃先温度の
上昇とともに急激に刃先が塑性変形し、急激に摩耗が進
行し寿命にいたる現象が見られることが見出された。そ
こでこれらの原因を鋭意調査した結果、強度向上のため
のプロセスとして導入されている、加圧焼結、熱間静水
圧プレスなどに用いられるＡｒガスがこの塑性変形に大
きく関与していることが判明した。すなわち、加圧焼
結、熱間静水圧プレス時に雰囲気ガスであるＡｒガスが
結合相中に拡散し、それらが集まることにより微細なボ
イドを形成している。それらの結合相中に封じ込められ
た微細なボイドは焼結後にも存在するが、低温での使用
においては、何ら悪影響を及ぼすことはない。しかし、
刃先が高温になるような使用条件においては、結合相の
軟化とともにＡｒガスの微細なボイドが熱により急激に
膨張する現象が発生し、それが刃先部分の塑性変形を引
き起こし、摩耗を増大させ、急速に工具寿命に至らせる
ことが判明した。本発明者らは本現象についてさらに検
討を進めた結果、合金中のＡｒ含有量を０．１％未満に
抑えることにより、刃先が高温になったときでも急速な
塑性変形を抑制することが可能であることを見出し本発
明に至った。

【０００６】すなわち、本願の第１の発明は、Ｃｏ及び
Ｎｉのうちの１種又は２種：２〜１３％、Ｖ：０．１〜
２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｔａ：０．０１％
以上０．４％未満、を含有し、残り：炭化タングステン
及び不可避不純物、からなる組成を有し、炭化タングス
テンの平均粒径が０．６μｍ以下であり、合金中のＡｒ
含有量が０．１％未満であることを特徴とする炭化タン
グステン基超硬合金であり、第２の発明は、Ｃｏ及びＮ
ｉのうちの１種又は２種：２〜１３％、Ｖ：０．１〜
２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、ＴａＣ：０．０１
％以上０．４％未満、を含有し、残り：炭化タングステ
ン及び不可避不純物からなる組成を有し、且つ、Ｃｏ及
び／又はＮｉを主体とする結合相と、平均粒径が０．６
μｍ以下の炭化タングステンと、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ及びＷ
から選ばれた１種又は２種以上の金属元素を主体とする
化合物との、３相又は３相以上の組織を有し合金中のＡ
ｒ含有量が０．１％未満であることを特徴とする超硬合
金である。

【０００７】本願発明においてＶ（Ｖ化合物の場合はそ
のＶ分）は０．１〜２．０％とする。０．１％未満では
充分な粒成長抑制効果が得られず、本願発明の趣旨に反
する。２．０％を超えると充分な靭性が得られず、抗折
力が実用範囲以下に低下する。ここで抗折力の実用範囲
は３０００ＭＰａ以上としたが、用途によりそれ未満で
も使用可能な場合もあり、厳格に規定するものではな
い。Ｃｒ（Ｃｒ化合物の場合はそのＣｒ分）は０．１〜
２．０％とする。０．１％未満では充分な粒成長抑制効
果が得られず、本願発明の趣旨に反する。２．０％を超
えると充分な靭性が得られず、抗折力が実用範囲以下に
低下する。Ｔａ（Ｔａ化合物の場合はそのＴａ分）は
０．０１％以上０．４％未満に規定する。０．０１％未
満では充分なＶ＋Ｃｒ＋Ｔａの粒成長抑制に対する相乗
効果とが得られず、本願発明の趣旨に反する。０．４％
以上では充分な靭性が得られず、抗折力が実用範囲以下
に低下する。Ｃｏ及び／又はＮｉは２〜１３％の範囲と
する。２％未満では充分な靭性が得られない。１３％を
超えると超硬合金の本質的な性質の一つである硬さの低
下が著しく、一部の用途を除いて実用的でない。また高
温下の塑性変形を抑制するため合金中のＡｒ含有量が
０．１％未満とする。０．１％以上では切削工具の刃先
部分が高温になったときの塑性変形が激しくなり、切削
寿命が著しく低下するからである。合金中のＡｒ量は好
ましくは０．０５％未満である。

【０００８】本願発明の超硬合金のミクロ組織は、金属
相とＷＣ相の２相が基本であるが、製造条件によりその
他の相が出現する場合がある。しかもその出現相は一つ
の場合も複数の場合も条件により観察される。出現相は
ＣｒやＴａやＶのうちの一つ又は二つ以上の金属とＣを
主体とするもので、その他、時によりＣｏやＷをその構
成要素とする。該出現相は製造条件により構成元素も組
成比も種々変化するものなので厳密に化学組成を規定す
るものではない。本発明者らが鋭意検討をしたところ、
該出現相がある量以上に増加すると靭性が著しく低下す
る。従って、本願発明のもうひとつの特徴は、Ｔａの量
を規定することで該出現相の量に制限を与え、結果とし
て靭性のあるＷＣの平均粒度が０．６μｍ以下好ましく
は０．５μｍ以下の超微粒合金を得るところにある。以
下、本願発明を実施例によって詳細に説明する。

【０００９】

【実施例】原料粉末として、平均粒径０．６μｍのＷＣ
粉末、同約１μｍのＣｏ、ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣ各
原料粉末を表１に示される最終組成が得られるように配
合し、（ＶＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣはそれぞれＶ、Ｃ
ｒ、Ｔａ量に換算して示す）成形バインダーを含んだア
ルコール中アトライターで１２時間混合した後、スプレ
ードライで造粒乾燥した。

【００１０】

【表１】

【００１１】得られた造粒粉末を１００ＭＰａの圧力で
プレス成形して圧粉体とし、この圧粉体を１０Ｐａの真
空雰囲気中で焼結し、焼結体を得た。得られた焼結体に
ついては一部を除き強度向上のため、５０〜１００ＭＰ
ａの圧力で熱間静水圧プレスを行った。次に、これらの
各焼結体を研削して４ｍｍ×８ｍｍ×２４ｍｍのＪＩＳ
抗折試験片を作成し、スパン２０ｍｍで３点曲げによる
抗折力を測定するとともに、ロックウェルＡスケール硬
さ（ＨＲＡ）も測定し、更に、走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で組織観察してＷＣの平均粒径を求めた。また、抗
折力測定後の破面をＸ線マイクロアナライザー（ＸＭ
Ａ）で元素マッピングを行い出現相の有無を調査した。
また得られた焼結体を研磨し、オージェ分析を行うこと
により合金中のＡｒ量を求めた。またφ１ｍｍ×１００
の丸棒焼結体を上記と同条件にて作製し、これら焼結体
を加工して２枚刃のソリッドエンドミルを得た。これら
のエンドミルを用い、Ｖ＝１８０ｍ／ｍｉｎ、１刃当り
送り０．３ｍｍ、切り込み１ｍｍの切削条件にて、被削
材としてＳＫＤ１１（焼きなまし材）を用い、ＶＢ＝
０．３ｍｍに至るまでの切削寿命を測定した。これらの
結果をまとめて表１に示す。尚、焼結においては検討結
果から最適と思われる温度を選定した。

【００１２】表１より、本発明例２〜４は、ＶとＣｒと
Ｔａの複合添加はそれぞれの量を規制することで、その
相乗効果が顕著に現れる。更に、本発明例のＴａ、Ｖ、
Ｃｒの添加量に関しては本発明範囲内においてのみ、高
硬度、高靭性の材料が得られることがわかる。比較例１
５、１９の様に、Ｃｏ量に関しても少なすぎると靭性が
乏しく、また多すぎると硬さが低くなり、本発明範囲に
おいてのみ高硬度、高靭性をもつ材料が得られることが
明らかである。また、エンドミル切削寿命については、
本発明例のＡｒ含有量が０．１％未満の場合においての
み良好な切削寿命が得られることが明らかである。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたことから、本願発明の超硬合
金はＷＣの粒径が極めて小さく、且つ、高い靭性を有す
るもので、各種切削工具、せん断工具、小径エンドミ
ル、プリント基板用ドリルなどに用いた場合に優れた性
能を発揮する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｏ及びＮｉのうちの１種又は２種：２
   〜１３％、Ｖ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．
   ０％、Ｔａ：０．０１％以上０．４％未満、を含有し、
   残り：炭化タングステン及び不可避不純物、からなる組
   成を有し、炭化タングステンの平均粒径が０．６μｍ以
   下であり、合金中のＡｒ含有量が０．１％未満であるこ
   とを特徴とする炭化タングステン基超硬合金。
2. 【請求項２】 Ｃｏ及びＮｉのうちの１種又は２種：２
   〜１３％、Ｖ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：０．１〜２．
   ０％、Ｔａ：０．０１％以上０．４％未満、を含有し、
   残り：炭化タングステン及び不可避不純物からなる組成
   を有し、且つ、Ｃｏ及び／又はＮｉを主体とする結合相
   と、平均粒径が０．６μｍ以下の炭化タングステンと、
   Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ及びＷから選ばれた１種又は２種以上の
   金属元素を主体とする化合物との、３相又は３相以上の
   組織を有し、合金中のＡｒ含有量が０．１％未満である
   ことを特徴とする超硬合金。