JP2005068515A - 微粒超硬合金 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な粒抑制効果を有しＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑えることができるために硬度が高く、しかも、ＷＣ硬質分散相と結合相、あるいはＷＣ硬質分散相間の結合力が強く、高温においても優れた硬度と靭性とを有する微粒超硬合金材を提供することである。
【解決手段】質量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが２〜１３％、Ｃｒを０．１〜１．８％、Ｔａを０．０１〜０．６％、残りがＷ及び不可避不純物、からなる金属成分を有し、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下であり、主にＣｏからなる結合相と、該硬質分散相との界面近傍にＴａが濃化しており、或いは、該硬質分散相間の界面近傍にもＴａが濃化していて、何れも界面近傍におけるＴａ量の最大値が質量％で、０．１〜４％であることを特徴とする微粒超硬合金である。
【選択図】なし

Description

本願発明は、刃径が０．６ｍｍ以下の小径工具、特に小径ドリルに用いる、平均粒径が０．８μｍ以下の主に炭化タングステンからなる粒子を有する、いわゆる微粒超硬合金に関する。

平均粒径が１μｍ以下のＷＣ硬質分散相を含有する微粒超硬合金は、硬さとともに靭性も高いため小径エンドミル、小径ドリル、各種剪断刃などに広範囲に用いられている。近年、微細加工品の増加とともに、エンドミルやドリルの小径化が急速に進み、微粒合金の平均粒径がますます小さくなり、しかも硬度と靭性の高いものが要求されてきている。そのため、焼結中におけるＷＣ硬質分散相の粒成長を抑制するため、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａなどの金属もしくはそれらの化合物（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用いることが提案されている。これらの具体的な例として、特許文献１〜５が開示されている。
特許文献１は、ＶとＣｒとを複合添加することにより、合金の靭性低下の原因となる第３相が生じる程多量のＶやＣｒを添加せず、真空焼結後に１００ＭＰａのＡｒ雰囲気中でＨＩＰ処理することにより、ＶやＣｒが結合相中に固溶しており本質的にＷＣ相と結合相の２相からなり、しかもＷＣの平均粒径が０．７μｍ以下である超硬合金が開示されている。
特許文献２は、ＶとＣｒの２種を添加し、真空雰囲気焼結後に５．９ＭＰａで加圧焼結し、急冷することにより、ＷＣをＶとＷとＣｒの析出複合炭化物の薄層で被覆し、結合相中に（Ｖ、Ｗ、Ｃｒ）Ｃの析出を無くすことにより、一段と強度の高い超硬合金が開示されている。
特許文献３は、真空雰囲気焼結後に４．９〜１４．７ＭＰａで加圧焼結し、５０〜１００℃／分で急冷することにより、Ｃｏを主体とする結合相中にＶとＷとＣｒの析出複合炭化物からなる硬質分散相を微細に分散分布させるとともに、ＷＣをＶとＷとＣｒの析出複合炭化物の薄層で被覆することにより、一段と高い強度をもつ超硬合金が開示されている。
特許文献４は、ＶとＣｒとＴａＣ又は（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃの３種を添加し、真空焼結後にＡｒ雰囲気中、１００ＭＰａでＨＩＰ処理して、一定量以下の（Ｔａ、Ｗ）Ｃ又は（Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）Ｃと思われる固溶体を合金中に析出させることにより、ＷＣの平均粒径が０．６μｍ以下で、しかも耐溶着性が向上した超硬合金が開示されている。
特許文献５は、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａを添加し、真空雰囲気焼結後に５．９ＭＰａで加圧焼結して、平均粒度が０．６μｍ以下のＷＣ硬質分散相が分散しているＷＣ基超硬合金の素地中にＶ、Ｃｒ、Ｔａ等の炭化物もしくは炭窒化物の固溶体粒子を分散させるとともに、その最大粒径を３μｍ以下にすることにより合金の靭性低下を防止した超硬合金が開示されている。
しかしながら、特許文献１〜３に開示されている従来技術では、ＶやＣｒが添加されているが、Ｔａが添加されておらずＷＣ粒間の結合が弱く靭性が劣るおよび高温特性が劣る欠点がある。即ち、例えば、プリント基板等の回路の高密度化と低価格化が進展するにつれて、小径ドリルによる穴あけ作業はますます高速・高効率化がなされ、ドリルと被削材間の摩擦熱によりドリル自体にかかる温度が高くなっていく傾向にあるにもかかわらず、高温において硬度と靭性とが低下し、摩耗や折損のためにより早い段階で寿命に達してしまう欠点がある。一方、特許文献４、５ではＶ、Ｃｒ、Ｔａのいずれもが添加されているものの、ＷＣ粒子と結合相、あるいはＷＣ粒子間の結合が弱く、靭性が劣る欠点がある。このため、例えば、プリント基板穴あけようの小径ドリル等に用いた場合、微小チッピングや折損のためにより早い段階で寿命に達してしまう欠点がある。

特許第１５３９９９１号公報 特開平１１−３５００６１号公報 特許第３２９１５６２号公報 特許第１４８７４７９号 特開平６−８１０７２号公報

本願発明が解決しようとする課題は十分な粒抑制効果を有しＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑えることができるために硬度が高く、しかも、ＷＣ硬質分散相と結合相、あるいはＷＣ硬質分散相間の結合力が強く、高温においても優れた硬度と靭性とを有する微粒超硬合金材を提供することである。

本発明は、質量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが２〜１３％、Ｃｒを０．１〜１．８％、Ｔａを０．０１〜０．６％、残りがＷ及び不可避不純物、からなる金属成分を有し、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下であり、主にＣｏからなる結合相と、該硬質分散相との界面近傍にＴａが濃化していることを特徴とする微粒超硬合金である。本構成を採用することにより、合金中に含まれる元素が十分な粒抑制効果を有することから、ＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑え、硬度が高く、しかも、ＷＣ硬質分散相と結合相、あるいはＷＣ硬質分散相間の結合力が強く、高温においても優れた硬度と靭性とを有する微粒超硬合金材を提供することができる。本発明の微粒超硬合金は、硬質分散相間の界面近傍においてもＴａが濃化しており、該界面近傍におけるＴａ量の最大値が質量％で、０．１〜４％であることが好ましい。

ＣｒとＴａとを組み合わせて添加することによりＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑え、平均粒径が０．８μｍ以下で高硬度の微粒超硬合金材が実現出来、しかも、結合相と主にＷＣからなる硬質分散相との界面近傍や硬質分散相間の界面近傍にＴａを濃化させることにより、硬質分散相−結合相間や硬質分散相間の結合力が高まり、高靭性が実現できる。また、Ｔａの添加により超硬合金材の耐熱性が高まり、例えば、小径ドリル等に適用して、刃先温度が高まったときにも優れた耐摩耗性と耐欠損性とを有する微粒超硬合金材が実現できる。本微粒超硬合金材を用いて、例えばプリント基板穴あけ用の小径ドリルを作製すると、高速・高効率かつ高精度に穴あけ作業が可能な小径ドリルが実現できる。

本発明は、ＣｒとＴａとを所定量添加して微粒超硬合金材を作製し、平均粒径を０．８μｍ以下にするとともに、焼結条件を工夫し、１．３〜１３．２Ｐａの真空雰囲気中、１３３０〜１４８０度の範囲内の所定温度に０．５〜２時間保持後、雰囲気を圧力：４．９〜１４．７ＭＰａの加圧雰囲気に変え、この加圧雰囲気に１５〜６０分間保持する、所謂シンターＨＩＰ処理後、１０００度までを５０〜１００度／分の冷却速度で急冷する等により、靭性を大きく低下させるＴａの斑状晶析出を防ぐとともに、結合相と、主にＷＣからなる硬質分散相との界面近傍や、硬質分散相間の界面近傍にＴａを濃化させ、硬質分散相−結合相間や硬質分散相間の結合力とともに超硬合金材の耐熱性をも高めることができて、優れた耐熱性と高硬度、高靭性とを有する微粒超硬合金材を実現できる。本発明の微粒超硬合金は、硬質分散相間の界面近傍にＴａが濃化していることが、ＷＣ粒子間の結合力を高め、さらに優れた硬度と靭性とが得られる。また、界面近傍におけるＴａ量の最大値が０．１〜４％であることにより、ＷＣ粒子と結合相間やＷＣ粒子間の結合力がさらに高まり、優れた硬度と靭性が得られる。結合相と硬質分散相との界面近傍や硬質分散相間の界面近傍にＴａが濃化していることは、透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと言う。）と、ＴＥＭ装置に付属したエネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下、ＥＤＸと言う。）により上記の界面近傍を点分析し、硬質分散相中央部や結合相中央部と比較することにより確認できる。

次に、数値限定理由について述べる。Ｃｏ及び／又はＮｉが２％未満の時は細径化時に十分な耐欠損性が得られず、１３％を超えて大きいと耐摩耗性が低下し、例えばドリル径が著しく摩耗する等の欠点が現れる。そこで、Ｃｏ及び／又はＮｉの含有量は２〜１３％とする。合金全体のＣｒの含有量が０．１％未満の時は焼結時にＷＣ硬質分散相の成長が進み平均粒径が０．８μｍを越え、耐摩耗性と靭性が低下する欠点が現れる。一方、１．８％を超えて大きいと結合相中のＣｒ含有量が多くなり過ぎ、靭性が低下する欠点が現れる。そこで、Ｃｒの含有量は０．１〜１．８％とする。また、Ｔａの含有量が０．０１％未満の時は、焼結時にＷＣ硬質分散相の成長が進み耐摩耗性と靭性とが低下するとともに耐熱性が低下する欠点が現れ、０．６％を超えて大きいとＴａ化合物の析出が多くなり靭性が低下する欠点が現れる。そこで、Ｔａの含有量は、０．０１〜０．６％とする。また、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍを越えると、微粒超硬合金の硬度と靭性とが大きく低下し、耐摩耗性と耐欠損性とが不十分になる欠点が現れるため、ＷＣからなる硬質分散相の平均粒径は０．８μｍ以下とする。Ｃｒ、Ｔａの１部を、微量のＶやＺｒで置換しても同様の効果が得られるが、１％を越えて置換すると靭性が低下し、耐欠損性と耐チッピング性とが著しく低下する欠点が現れる。

原料粉末として、平均粒径が０．８μｍのＷＣ粉末、平均粒径が１．５μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．２μｍの（Ｔａ、Ｗ）Ｃ粉末、及びＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を所定の組成に配合し、アトライターで１２時間混合し、減圧乾燥し、更にワックスと溶剤を加えて１時間混和した後、押出し成形機により直径２．５ｍｍの長尺状成形体を作製し、これらの長尺状成形体を、脱ワックスした後、１．３〜１３．２Ｐａの真空雰囲気中、１３３０〜１４８０度の範囲内の所定温度に０．５〜２時間保持後、雰囲気を圧力：４．９〜１４．７ＭＰａの加圧雰囲気に変え、この加圧雰囲気に１５〜６０分間保持後、１０００度までを５０〜１００度／分の冷却速度で急冷することにより、微粒超硬合金からなる直径２ｍｍの長尺状焼結素材を製造した。この長尺状焼結素材の組成は蛍光Ｘ線装置により定量分析し、Ｗ、Ｃｏ、ＣｒおよびＴａの含有量を測定した。平均結晶粒径は、焼結素材の断面を鏡面研磨した後、村上試薬で０．５分、王水で０．５分エッチングすることにより結晶粒界を明確にした後、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと言う。）により倍率１０ｋ倍で撮影した画像を拡大コピーし、これを画像解析装置により解析することにより算出した。また、結合相と硬質分散相との界面近傍や硬質分散相間の界面近傍にＴａが濃化しているか否かは、ＴＥＭとＥＤＸにより上記の界面近傍を点分析し、硬質分散相中央部や結合相中央部と比較することにより評価した。これらの評価結果を表１にまとめて示した。また、比較の目的で、焼結条件を、６．６Ｐａの真空雰囲気中、１３５０〜１４８０度の範囲内の所定の温度に１．５時間保持後、冷却速度が約１０度／分で炉冷することにより比較例を作製した。原料粉末には、平均粒径が０．８μｍのＷＣ粉末、平均粒径が１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．２μｍのＴａＣ粉末、及びＣｏ粉末を用いた。本発明例と同一の条件で評価した比較例の諸特性を表１にあわせて示した。比較例の試料はいずれも、結合相と硬質分散相との界面近傍や硬質分散相間の界面近傍にＴａの濃化が観察されなかった。

本発明例及び比較例から作製した長尺状焼結素材を用いて、シャンク径２．０ｍｍ、刃先径０．１ｍｍの２枚刃小径ドリルを各３本作製した。これを用いて、高Ｔｇ（Ｔｇはガラス転移温度）の０．２ｍｍ厚さ両面Ｃｕ付きガラスエポキシ板を２枚重ねにしたものを、回転数２３００００／分、送り０．０１ｍｍ／ｒｅｖの条件で穴開け加工試験を行なった。この条件は、より高速で切削するため、刃先温度がより高温になりやすい切削条件である。外周刃外径寸法に５％の摩耗が生じる迄の穴開け加工数又は折損するまでの加工穴数の小さい方を測定し、各３本の平均を穴あけ平均寿命とした。本発明例及び比較例から作製した各小径ドリルの穴開け平均寿命測定結果を表１に併せて示した。

表１に示した結果から、本発明例１〜１７はいずれも結合相と硬質分散相との界面近傍や硬質分散相間の界面近傍にＴａが濃化しているのに対して、比較例１８〜３４は結合相と硬質分散相や硬質分散相間の界面近傍との界面近傍にＴａが濃化していないことがわかる。また、表１の本発明例１〜１７と比較例１８〜３４との間で、ほぼ同一組成とＷＣ硬質分散相の粒度とを有する小径ドリル間で穴開け寿命を比較すると、本発明例を用いて作製した小径ドリルは比較例に比べて１．５倍以上優れている。例えば、比較例２６の穴開け寿命は２０００穴であるのに対して、本発明例９は３０２０穴であり、比較例に比べて１．５倍優れている。また、本発明例内においても、Ｃｏ量が同じ８．３％であるにもかかわらず、Ｔａの濃化量が０．１％未満である本発明例５と４％を越える本発明例１３とは、それぞれの穴開け寿命が１５６０穴と１５４０穴であるのに対して、本発明例６〜１２のＴａの濃化量は、０．１〜４％であり、穴開け寿命は２３４０穴以上となっている。即ち、本発明例６〜１２の穴開け寿命は、Ｔａの濃化量が０．１％未満或いは４％を越える試料よりも１．５倍以上優れていることが分かった。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが２〜１３％、Ｃｒを０．１〜１．８％、Ｔａを０．０１〜０．６％、残りがＷ及び不可避不純物、からなる金属成分を有し、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下であり、主にＣｏからなる結合相と、該硬質分散相との界面近傍にＴａが濃化していることを特徴とする微粒超硬合金。
2. 請求項１記載の微粒超硬合金において、該硬質分散相間の界面近傍にＴａが濃化していることを特徴とする微粒超硬合金。
3. 請求項１又は２記載の微粒超硬合金において、該界面近傍におけるＴａ量の最大値が質量％で、０．１〜４％であることを特徴とする微粒超硬合金。