JP2004232042A

JP2004232042A - 硬質合金

Info

Publication number: JP2004232042A
Application number: JP2003023172A
Authority: JP
Inventors: Koji Hayashi; 宏爾林; Nobuaki Asada; 信昭浅田; Masahiko Mizukami; 正彦水上; Ryoji Yamamoto; 良治山本
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】低窒素含有超硬合金であって、微細な炭化タングステン粒子を含有する、高硬度で高強度及び靭性の優れた硬質合金を提供すること。
【解決手段】硬質合金は、窒素含有量が０．０５〜０．４０ｍａｓｓ％含有し、残部がＷＣ及びＣｏからなる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬質合金材料すなわち、切削工具、ドリル、マイクロドリル、エンドミルなどの回転工具、ロータリーナイフ、裁断刃、長尺ナイフ等の剪断工具などを粉末冶金法にて製造する時に、その原料粉末として用いる複合炭窒化タングステン粉末とその製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭化タングステンを主体とした超硬合金は、切削工具、耐摩耗工具等の材料として広く用いられている。なかでも平均粒径が１．０μｍ以下のＷＣ粒子を主体とした超硬合金は、高硬度で高強度を有する。そのため各種剪断刃、プリント配線基板（ＰＣＢ）穴明けドリル、金属用のドリル、エンドミル、等に用いられている。
【０００３】
一方、市場ではさらなる高能率化が要求され、そのためには超微粒超硬合金が必要不可欠で、微細なＷＣ粉末を出発原料として、焼結過程での粒成長を抑えるための、種々の抑制剤を添加する発明が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＷＣ−Ｃｏ合金にＶとＣｒを複合添加することによって、ＷＣの粒成長を抑制し、微粒超硬合金をつくりあげる方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、ＷＣ―Ｃｏ合金にＶ、ＣｒそしてＴａＣまたは（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃを複合添加することによって、ＷＣの粒成長を抑制し、耐摩耗性及び耐溶着性の優れる微粒超硬合金をつくりあげる方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、平均粒度０．６μｍ以下でかつ最大粒径が３．０μｍ以下のＷＣ粒子が分散しているＷＣ基超硬合金の素地中に、さらに最大粒径が３．０μｍ以下であるＶ、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｂおよびのＴｉのうちの１種の炭化物もしくは炭窒化物粒子、またはＶ、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｂおよびのＴｉのうちの２種以上の炭化物もしくは炭窒化物粒子が分散している組織を有するＷＣ基超硬合金が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６１−１２８４７号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開昭６１−７６６４５号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開平６−８１０７２５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１又は２に開示された方法は多量のＶ、Ｃｒ、ＴａそしてＴａＮｂ炭化物の添加を必要とし、チッピング等を起こしやすくなリ、ＰＣＢ穴明けドリル、金属用エンドミル等に用いると折損に至り、工具の安定性に欠けるという問題点があった。
【００１１】
また、特許文献３の方法によれば、微粒ＷＣ中のＶ、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｂおよびＴｉ炭化物もしくは炭窒化物粒子は、粗大粒子または粗大な固溶体として存在することがあり、靭性、硬度、強度の改善に働かないという問題点がある。
【００１２】
したがって、いずれの特許文献に開示された発明も超硬合金を焼結する時の粒成長を制御する方法である。
【００１３】
この方法だけでは、粒成長を完全に制御するには至らず、そのため上記のＷＣ基超硬合金は、ドリル、エンドミルなどに代表される切削工具そして打ち抜き金型、スリッターなどの剪断加工工具として用いた場合、チッピング等によリ比較的短時間で寿命にいたるものである。
【００１４】
そこで、本発明の技術的課題は、超硬合金であって、微細な炭化タングステン粒子を含有する高硬度で高強度及び靭性の優れ、したがって長寿命の硬質合金を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記に示したような問題点を解決するために、本発明者らは粒成長抑制剤が無いか、極端に低減できるＷＣ粉末を検討した。その結果、粒成長抑制機構は以下のように説明されている。合金中のＷＣ平均粒度と各炭化物の標準生成自由エネルギー△Ｇｆとの間にはかなり強い相関が認められる。そして△Ｇｆが小さい、すなわちＶＣ、Ｍｏ_２Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２などはＣｏ液相中への溶解度が大きく、他炭化物はＷＣの粒成長抑制効果が大きい。
【００１６】
一方、Ｃｏ液相中へのＷＣ溶解度とＷＣ平均粒度との間にはほとんど相関はない。また、他炭化物を構成している金属原子とＷ原子は固溶体または化合物を形成するが、他炭化物はいずれもＷＣ中へはほとんど固溶しない。これらのことを総合的に考慮すると以下のように考えられる。
【００１７】
Ｃｏ液相中へ溶解している他炭化物の金属原子が、ＷＣ固相の成長面ステップの端部に吸着すると、この吸着原子はＷＣ中へ固溶しないかぎりＷＣは成長を続づけられない。
【００１８】
従って、同じ原理でＷＣ固相の成長面ステップの端部に窒素原子が吸着していると、窒素原子がＷＣ結晶の連続的な成長を阻止する。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、窒素含有量が０．０５〜０．４０ｍａｓｓ％含有し、残部がＷＣ及びＣｏからなるとを特徴とする硬質合金である。
【００２０】
また、本発明は、前記硬質合金において、結合相として、Ｃｏを５〜２５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする硬質合金である。
【００２１】
さらに、本発明は、前記超硬合金において、ＶＣを０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ_３Ｃ_２を０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ＴａＮｂＣを０．２〜２．０ｍａｓｓ％のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする硬質合金である。
【００２２】
ここで、本発明において、上記のように限定した理由について説明する。
【００２３】
まず、本発明において窒素量を０．０５〜０．４０ｍａｓｓ％と限定したのは、窒素量が０．０５未満では、粒成長抑制効果が不足するからである。一方、０．４ｍａｓｓ％を超過すると、真空雰囲気下では焼結が難しいからである。
【００２４】
また、本発明において、コバルト含有量を５〜２５ｍａｓｓ％と限定したのは、コバルト含有量が５ｍａｓｓ％未満では、緻密化が十分行われず、靭性、強度不足を生じるからであり、―方、２５ｍａｓｓ％を超過すると硬さが低下しすぎて、耐摩耗性が低下するからである。
【００２５】
また、本発明において、ＶＣ含有量を０．０５〜０．５ｍａｓｓ％と限定したのは、ＶＣ含有量が０．０５ｍａｓｓ％未満では、窒素含有量が満たされていても、その粒成長を抑制する効果が少ないためである。−方、窒素含有量が満たされていれば、従来よりも極端に少ない０．５ｍａｓｓ％で十分粒成長を抑制する効果があるからである。
【００２６】
また、本発明において、Ｃｒ_３Ｃ_２含有量を０．１〜１．０ｍａｓｓ％と限定したのは、Ｃｒ_３Ｃ_２含有量が０．１ｍａｓｓ％来満では、窒素含有量が満たされていても、その粒成長を抑制する効果が少ないためである。一方、窒素含有量が満たされていれば、１．０ｍａｓｓ％で十分粒成長を抑制する効果があるからである。
【００２７】
さらに、本発明において、ＴａＮｂＣ含有量を０．２〜２．０ｍａｓｓ％と限定したのは、ＴａＮｂＣ含有量が０．２ｍａｓｓ％未満では、窒素含有量が満たされていても、その粒成長を抑制する効果が少ないためである。―方、窒素含有量が満たされていれば、２．０ｍａｓｓ％で十分粒成長を抑制する効果があるからである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
それでは、本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
（第１の実施の形態）
原料粉末として、平均粒径：０．６μｍ；２．４μｍ、４．２μｍ、６．１μｍのＷＣＮ粉末を、下記表１の試料Ｎｏ．１〜１０に示した配合組成で配合し、アルコール中温式ボールミル混合した後、減圧乾燥した。得られた混合粉末を１トン／ｃｍ^２の圧力で圧粉体にプレス成形し、この成形体を同様に下記表１に示した温度で、１時間、真空雰囲気で焼結した。なお、比較合金試料Ｎｏ．１１〜１５も同様に調整し、下記表２に示した組成、条件で焼結した。その後、得られた超硬合金は、ダイヤモンド砥石で研削して４×８×２５ｍｍのＪＩＳ抗折試験片を作成し、硬度、抗折力を測定した。その後、超硬合金製乳鉢で粉砕し、炭素量、窒素量を分祈した。
【００３０】
本発明の結果を下記表３の試料Ｎｏ．１〜１０に、比較合金の結果を下記表４の試料Ｎｏ．１１〜１５に夫々示した。尚、表３、４の試料番号は、表１、２の試料番号に対応している。
【００３１】
下記表１から表４で明らかなように、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_ｙ）‐Ｃｏ合金はＷＣ−Ｃｏ合金との比較において、同等の粒子径およびＣｏ量において高硬度で高強度を示した。
【００３２】
【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

（第２の実施の形態）
原料粉末として、平均粒径：０．６μｍのＷＣＮ粉末を、下記表５の試料Ｎｏ．１６〜２２に示した配合組成で配合し、アルコール中湿式ボールミル混合した後、減圧乾燥した。得られた混合粉末を１トン／ｃｍ^２の圧力で圧粉体にプレス成形し、この成形体を同様に上記表１に示した温度で、１時間、真空雰囲気で焼結した。
【００３３】
なお比較合金も同様に調整し下記表６の試料Ｎｏ．２３〜２９に示した組成、条件で焼結した。その後、得られた超硬合金は、ダイヤモンド砥石で研削して４×８×２５ｍｍのＪＩＳ抗折試験片を作成し、硬度、抗折力を測定した。その後、超硬合金製乳鉢で粉砕し、炭素量、窒素量を分析した。
【００３４】
本発明の結果を下記表７に、比較合金の結果を下記表８に示した。尚、表７、８における試料番号は、表５、６における試料番号とそれぞれ対応している。
【００３５】
下記表５から表８までで、明らかなように、Ｗ（ＣｘＮｙ）‐粒成長抑制の添加物‐Ｃｏ合金はＷＣ粒成長抑制の添加物‐Ｃｏ合金との比較において、硬度を大きく支配するＣｏが同等量において、少ない粒成長抑制の添加物の量で高硬度で高強度を示した。
【００３６】
【表５】

【表６】

【表７】

【表８】

【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、窒素含有量が０．０５〜０．４０ｍａｓｓ％含有し、残部がＷＣ及びＣｏからなる硬質合金において、結合相として、Ｃｏを５〜２５ｍａｓｓ％含有し、ＶＣを０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ_３Ｃ_２を０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ＴａＮｂＣを０．２〜２．０ｍａｓｓ％のいずれか１種または２種以上を含有する硬質合金を作ることにより、微細な炭化タングステン粒子を含有する、高硬度で高強度及び靭性の優れ、したがって、寿命の長い超硬合金からなる硬質合金を提供することができる。

Claims

窒素含有量が０．０５〜０．４０ｍａｓｓ％含有し、残部がＷＣ及びＣｏからなることを特徴とする硬質合金。
請求項１記載の硬質合金において、結合相として、Ｃｏを５〜２５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする硬質合金。
請求項１又は２記載の超硬合金において、ＶＣを０．０５〜０．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ_３Ｃ_２を０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ＴａＮｂＣを０．２〜２．０ｍａｓｓ％のいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする硬質合金。