JP2005256076A - 超硬合金 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の鉱山土木工具用の超硬合金では、寿命向上の要求には応えられなくなってきた。そこで耐摩耗性と耐衝撃性に優れた長寿命の鉱山土木工具用の超硬合金を提供する。
【解決手段】
Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相：４〜２０重量％と、ＷＣを主成分とする硬質相：残部とで構成された超硬合金であって、該超硬合金中のＷＣ粒径が、粒径０．１〜１μｍがＷＣ全体に対して１０〜４０重量％、粒径２〜１００μｍがＷＣ全体に対して６０〜９０重量％、粒径１〜２μｍがＷＣ全体に対して５重量％未満（但し、合計で１００重量％）となる関係を満たす超硬合金は、鉱山土木工具用超硬合金として優れた性能を発揮し工具寿命を向上させる。

Description

本発明は超硬合金に関するもので、その中でもトンネル掘削機に取り付けられる掘削用超硬部材、カッタービット、または、岩盤もしくはコンクリートのカッター用超硬合金製チップとして用いられる超硬合金に関する。

従来のトンネル掘削機などの都市土木工具に使用されている超硬合金は、平均粒径４〜８μｍ程度の均粒化したＷＣ粒子が均一分散している組織を有している（例えば、非特許文献１参照。）。また、平均粒径１．５〜３μｍのＷＣが２０〜３０体積％、平均粒径５〜８μｍのＷＣが２０〜３０体積％、平均粒径１０〜３０μｍのＷＣが４０〜６０体積％となる粒度分布の超硬合金がある（例えば、特許文献１参照。）。また、ＷＣ粒子について４．５〜７．５μｍの粒子比率と１．５〜４．５μｍの粒子比率を規定し、さらに４．５〜７．５μｍの粒子数と１．５〜４．５μｍとの粒子数の比を規定した耐衝撃工具用超硬合金がある（例えば、特許文献２参照。）。

鈴木壽編著「超硬合金と焼結硬質材料」丸善、昭６１年２月２０日、ｐ４８９ 特開平７−５４０９４号公報 特開平８−３０２４４１号公報

都市土木・鉱山工具などに使用される超硬合金製工具の長寿命化を達成するためには、超硬合金の硬さと靭性をともに向上させて耐摩耗性と耐衝撃性を高める必要がある。

例えばトンネル掘削において崩れやすい土質にはシールド掘削機等が使用される。シールド掘削機等は掘削が完了するまでビットチップを交換できないため、ビットチップに用いられる超硬合金は耐衝撃性が重要視される。従来、耐衝撃性を重視した超硬合金は耐摩耗性が十分でなかった。一方、掘削中にビットチップが交換可能なトンネルボーリングマシンは、難削性土質の工区に使用される。難削性土質であるためビットチップには耐摩耗性を重視する超硬合金が用いられる。従来の耐摩耗性重視の超硬合金は耐衝撃性が十分でなかった。そのため欠損比率が高く工具の交換頻度が多くなるため掘削総費用に占める工具費の割合が増加する。このように従来の鉱山土木工具用の超硬合金では十分な性能が得られていないのが現状である。そこで本発明は耐摩耗性と耐衝撃性に優れた超硬合金の提供を目的とする。

本発明者らは超硬合金の開発に携わってきたが、耐摩耗性を向上させるためには超硬合金の結合相の厚さを薄くすることが効果的であり、耐衝撃性を向上させるためには超硬合金に含まれる粗粒の硬質相の粒径を大きくすることが効果的であるとの知見を得た。

すなわち本発明超硬合金は、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相：４〜２０重量％と、ＷＣを主成分とする硬質相：残部とで構成された超硬合金であって、該超硬合金中のＷＣ粒径が、粒径０．１〜１μｍがＷＣ全体に対して１０〜４０重量％、粒径２〜１００μｍがＷＣ全体に対して６０〜９０重量％、粒径１〜２μｍがＷＣ全体に対して５重量％未満（但し、合計で１００重量％）となる関係を満たすことを特徴とする。

本発明超硬合金においてＣｏおよび／またはＮｉの結合相は、Ｃｏ、ＮｉまたはＣｏ−Ｎｉ合金粉末を用いる。結合相量が超硬合金全体に対して４重量％未満では欠損が頻発し２０重量％を超えると耐摩耗性が低下するため、結合相量を４〜２０重量％と定めた。

本発明超硬合金においてＷＣを主成分とする硬質相とは、硬質相の９０重量％以上がＷＣであり、残部が周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の中から選ばれた少なくとも１種（但し、ＷＣは除く）である硬質相をいう。本発明超硬合金に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の中から選ばれた少なくとも１種（但し、ＷＣは除く）を超硬合金全体に対して０．１重量％以上含有させると製造が容易になり、超硬合金全体に対して５重量％を超えると靱性が低下する傾向がみられることから、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の中から選ばれた少なくとも１種を、超硬合金全体に対して０．１〜５重量％含有させることは好ましい。特に好ましくは炭化クロムを０．１〜２重量％含有させることであり微粒ＷＣの粗粒化を防ぐ効果がある。

本発明超硬合金において、超硬合金に含まれる粒径０．１〜１μｍのＷＣが、ＷＣ全体に対して４０重量％を超えると耐衝撃性を低下させ、ＷＣ全体に対して１０重量％未満であると耐摩耗性を低下させる。そこで超硬合金に含まれる粒径０．１〜１μｍのＷＣを１０〜４０重量％と定めた。また、粒径２〜１００μｍのＷＣが、ＷＣ全体に対して９０重量％を超えると耐摩耗性を低下させ、ＷＣ全体に対して６０重量％未満であると耐衝撃性を低下させる。そこで超硬合金に含まれる粒径２〜１００μｍのＷＣを６０〜９０重量％と定めた。超硬合金に含まれる粒径１〜２μｍのＷＣは耐摩耗性と耐衝撃性のいずれの性能向上にも寄与せず、ＷＣ全体に対して５重量％以上であると耐摩耗性と耐衝撃性を低下させる。したがって超硬合金に含まれる粒径１〜２μｍのＷＣを５％重量未満と定めた。

粒径０．１〜１μｍのＷＣの平均粒径ｄＬに対する粒径２〜１００μｍのＷＣの平均粒径ｄＨの割合を示す比ｄＨ／ｄＬが３〜１００であると性能をさらに向上させることができるため好ましい。

本発明超硬合金を粉末冶金法によって作製することができる。具体的な製造方法としては、平均粒径０．１〜０．８μｍのＷＣ粉末、平均粒径３〜８μｍのＷＣ粉末、平均粒径１５〜３０μｍのＷＣ粉末を所定の配合比に配合し、さらに、Ｃｏ粉末および／またはＮｉ粉末と、ＷＣを除く周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の粉末と、合金炭素量を調整するためのＣ粉末とを、所定の配合組成に配合する。配合した混合粉末をボールミルによって混合した後、成形し、通常の超硬合金の製造方法に従って焼結する。

本発明超硬合金の一例の断面組織（ＳＥＭ像）を図１に示し、従来超硬合金の一例の断面組織（ＳＥＭ像）を図２に示した。図１および図２において灰色部分はＷＣ粒子を示し、黒色部分は結合相を示す。

本発明超硬合金は耐摩耗性と耐衝撃性に優れているためトンネル掘削機に取り付けられる掘削用超硬部材、カッタービット、岩盤もしくはコンクリートのカッター用超硬合金製チップ、耐摩耗工具、または、耐衝撃性の必要な切削工具として用いられると好ましい。

本発明超硬合金は同じ結合相量の従来超硬合金と比較して硬さが高く、耐摩耗性と耐衝撃性に優れている。特に本発明超硬合金を都市土木・鉱山工具として使用すると優れた性能を示す。

市販の平均粒径０．５μｍ、５μｍ、２０μｍのＷＣ粉末、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴａＣ粉末、ＶＣ粉末、ＮｂＣ粉末を使用して表１に示す配合組成およびＷＣ粉末配合比の通りに配合する。配合した原料粉末を湿式ボールミルにて混合粉砕した。混合した原料粉末を乾燥し、パラフィンを添加してカッタービット形状にプレス成形した後、真空焼結によって、発明品１〜４および従来品１〜３を得た。従来品２は特開平７−５４０９４号公報の特許請求の範囲に含まれる。従来品３は特開平８−３０２４４１号公報の特許請求の範囲に含まれる。得られた発明品と従来品の硬さ（ＨＲＡ）とＷＣ粒子の粒度分布を表２に示す。さらにカッタービットとして使用する性能評価を行った。その結果を表３に示す。

発明品は同じ結合相量の従来品と比較して硬さが高い。発明品１〜４は、従来品１〜３に比較して非常に長い距離の掘削が可能である。従来品は欠けの発生または異常な摩耗により掘削距離が短い。

本発明超硬合金の一例の断面組織（ＳＥＭ像）を示す。 従来超硬合金の一例の断面組織（ＳＥＭ像）を示す。

Claims (3)

1. Ｃｏおよび／またはＮｉの結合相：４〜２０重量％と、ＷＣを主成分とする硬質相：残部とで構成された超硬合金であって、該超硬合金中のＷＣ粒径が、粒径０．１〜１μｍがＷＣ全体に対して１０〜４０重量％、粒径２〜１００μｍがＷＣ全体に対して６０〜９０重量％、粒径１〜２μｍがＷＣ全体に対して５重量％未満（但し、合計で１００重量％）となる関係を満たす超硬合金。
2. 粒径０．１〜１μｍのＷＣの平均粒径ｄＬに対する粒径２〜１００μｍのＷＣの平均粒径ｄＨの割合を示す比ｄＨ／ｄＬが３〜１００である請求項１に記載の超硬合金。
3. 前記超硬合金は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物の中から選ばれた少なくとも１種を、前記超硬合金全体に対して０．１〜５重量％含有する請求項１または２に記載の超硬合金。