JP2006144089A

JP2006144089A - 超微粒子超硬合金

Info

Publication number: JP2006144089A
Application number: JP2004337550A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kobayashi; 正樹小林
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】
硬さと強度・靱性が高くて耐溶着性，耐摩耗性，耐チッピング性に優れ、特に鋼の低速加工で超寿命を発揮する超微粒子超硬合金の提供を目的とする。
【解決手段】
ニッケルを主成分とする金属結合相：１０〜３０体積％と、タングステンと、チタンと、タンタルおよび／またはニオブとの複合炭化物からなる立方晶化合物相：１０〜６０体積％と、残りが炭化タングステン相と不可避不純物とからなり、立方晶化合物相の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであり、炭化タングステン相の平均粒子径が０．０５〜０．５μｍである超微粒子超硬合金。

Description

本発明は、刃先交換型チップ，ドリル，エンドミルなどの切削工具や金型，切断刃などの耐摩耗工具に使用される超微粒子超硬合金に関する。

一般的な微粒超硬合金は、０．２〜０．７μｍの微粒ＷＣ粉末とＣｏ粉末に、０．２〜２重量％のＶＣ，Ｃｒ₃Ｃ₂，ＴａＣなど粒成長抑制剤を添加、混合、焼結して得られている。通常粒度の超硬合金に比べ、硬さと強度が共に高くて、面精度，刃立性や耐摩耗性，耐欠損性などに優れると言う特徴がある。しかし、０．５μｍ以下のＷＣ粒度を持つ超微粒子合金では、粒成長抑制剤を多量に添加しても微粒化には限界があり、また異常粒成長した粗大粒子が数多く発生する。一方、ＷＣのみでは耐溶着性や耐摩耗性が不十分なために、鋼の低速切削などでは圧着分離損傷により異常摩耗やチッピングを起こし易い。そこで、耐溶着性や耐熱性に優れたＴｉＣ，ＴｉＮなどを添加すると共に、これによって形成される立方晶化合物相を微細分散させて強度低下を防止しようとする試みがある。

従来の微粒超硬合金として、Ｃｏ４〜１３ｖｏｌ％、ＴｉＣ，ＴａＣ，ＮｂＣ及びＶＣのうちの１種又は２種以上１０〜６０ｖｏｌ％、残りがＷＣからなり、ＷＣの平均粒子径が３μｍ以下にして粒径５μｍをこえたものがなく、かつ固溶体炭化物（立方晶化合物相）の平均粒子径が０．７μｍ以下にして粒径１μｍをこえたものがないことを特徴とする強靱性ＷＣ基超硬合金がある（例えば、特許文献１参照。）。この微粒超硬合金は、立方晶化合物相を微粒化することによって強度・靱性や耐熱衝撃性の低下を防止したものではあるが、ＷＣが相対的に粗くて立方晶化合物相の分散が悪いために、溶着による寿命低下を招くと言う問題がある。さらに、ＷＣの平均粒子径を０．５μｍ以下にしようと試みた場合には、低温で焼結してもＷＣが異常粒成長するために強度が低下すると言う問題がある。

また、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴｉＮでなる複合窒化物組成物５０〜９６ｗｔ％とＣｏ又はその５０％以下をＮｉで置換したＣｏよりなる結合金属４〜２０ｗｔ％とからなり、複合窒化物（立方晶化合物相）の粒径がＷＣ粒径よりも小さいを特徴とする焼結硬質合金がある（例えば、特許文献２参照。）。この焼結硬質合金は、窒素添加の粒成長抑制効果により、立方晶化合物相をＷＣよりも微細にして疲労強度の改善を狙ったものではあるが、ＷＣが相対的に粗くて立方晶化合物相の分散が悪いために、溶着による寿命低下を招くと言う問題がある。

さらに０．５μｍ以下の炭化タングステンからなる硬質相：５０〜９９重量％と、残りが２〜２０重量％のＣｒと、０．５〜１０重量％のＡｌと、０．５〜５重量％のＴｉとを含有したＮｉ結合相とからなる超微粒合金で、さらには炭化タングステンに対して２〜４０重量％をＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖの炭化物、窒化物、Ｍｏ，Ｃｒの炭化物又はこれらの少なくとも２種の化合物と炭化タングステンとの固溶体（立方晶化合物相）の中から選ばれた少なくとも１種によって置換した超微細炭化タングステン基焼結合金がある（例えば、特許文献３参照。）。この焼結合金は、ＷＣの粒成長を抑制するためにＮｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ａｌ系の金属結合相を用いたものではあるが、Ａｌ含有によって高温焼結が必要となるために立方晶化合物相の粒成長が著しく、また結合相が脆化して強度・靱性が出ないと言う問題がある。

特開昭５１−１２４６０７号公報特開昭５７−１４５９５９号公報特開昭６０−１３５５５２号公報

本発明は、上記のような問題点を解決したもので、具体的には、ＷＣ相と立方晶化合物相の両方を均一な超微粒子にすることによって、硬さ，強度，靱性と共に耐溶着性，耐摩耗性，耐チッピング性などを改善した超微粒子超硬合金の提供を目的とする。

本発明者は、長年に亘り、ＴｉＣを添加した超微粒子超硬合金について検討していた所、ニッケルを金属結合相とすることによって、ＷＣ相と立方晶化合物相の両方の粒成長を基本的に抑制できること、ＷＣ相と立方晶化合物相とが相互に粒成長を抑制すること、金属結合相に固溶させる添加金属と立方晶化合物相に固溶させる添加物などを選定することによって、通常の焼結温度でも異常成長による粗大粒子の出現を抑制できること、得られた超硬合金は硬さ，強度，靱性に優れ、工具に使用した場合には耐摩耗性と耐チッピング性が共に優れると言う知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の超微粒子超硬合金は、ニッケルを主成分とする金属結合相：１０〜３０体積％と、タングステンと、チタンと、タンタルおよび／またはニオブとの複合炭化物からなる立方晶化合物相：１０〜６０体積％と、残りが炭化タングステン相と不可避不純物とからなり、立方晶化合物相の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであり、炭化タングステン相の平均粒子径が０．０５〜０．５μｍである。

本発明の超微粒子超硬合金における炭化タングステン相は、平均粒子径が０．０５μｍ未満では原料となる超微粒ＷＣ粉の製造が困難で、かつ焼結時の粒成長抑制が困難であり、逆に０．５μｍを超えて大きくなると、硬さと強度がするために０．０５〜０．５μｍと定めた。また、任意断面における５０μｍ×５０μｍの視野において、粒子径が２．０μｍを超える立方晶化合物相および炭化タングステン相の粒子は２個以下であると強度低下が少なく、刃立性や耐チッピング性に優れるので好ましい。

本発明の超微粒子超硬合金における立方晶化合物相は、金属成分がタングステンと、チタンと、タンタルおよび／またはニオブとである複合炭化物であり、具体的には、（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃあるいは（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｃで表される固溶体で、ＷＣ：ＴｉＣ：（Ｔａ＋ＮｂＣ）の重量比率で、例えば６５：２５：１０、５０：２０：３０を挙げることができる。また、立方晶化合物相中には、１０重量％以下の炭化バナジウム，炭化ジルコニウム，窒化チタンの中の少なくとも１種が含有されると好ましい。その平均粒子径は、０．０５μｍ未満では原料となる炭化チタンあるいは超微粒ＷＣ粉の製造が困難で、かつ焼結時の粒成長抑制が困難であり、逆に０．５μｍを超えて大きくなると、硬さと強度がするために０．０５〜０．５μｍと定めた。また、任意断面における５０μｍ×５０μｍの視野に２．０μｍを超える立方晶化合物相および炭化タングステン相の粒子が２個以下であると強度低下が少なく、刃立性，耐熱衝撃性，耐チッピング性などに優れるので好ましい。

また、立方晶化合物相の含有量は、１０体積％未満では耐溶着性や耐摩耗性の改善効果が少なく、逆に５０重量％を超えて大きくなると強度・靱性が低下して欠損，チッピング，熱亀裂を生じ易く、また相対的に炭化タングステン相が減少して立方晶化合物相の粒成長が顕著となるため、立方晶化合物相量を１０〜６０体積％と定めた。

本発明の超微粒子超硬合金におけるニッケルを主成分とした金属結合相とは、金属結合相全体に対して５０重量％以上ニッケルを含有し、残りは周期律６ａ族元素、鉄、コバルト、シリコン、ボロン、炭素などからなるものである。金属結合相には、炭化タングステン相から必然的にタングステンが５〜３０重量％固溶する。なお、金属結合相量は、超微粒子超硬合金全体に対して１０体積％未満では強度と靱性に劣り、３０体積％を超えて大きくなると硬さが低下するので、１０〜３０体積％と定めた。

また、金属結合相中にはニッケル以外に種々の元素を固溶させることができる。クロムは重要であり、基本的に金属結合相の硬さと強度を改善しＷＣの粒成長抑制するため、金属結合相全体に対して３重量％以上が好ましく、１５重量％を超えて固溶させることは困難であるので、クロムは金属結合相全体に対して３〜１５重量％が好ましい。また、モリブデンを固溶するとＷＣの粒成長を抑制するため好ましいが５重量％を超えて固溶させることは困難である。シリコンとボロンは焼結温度を低下させることで粒成長を抑制できるので好ましいが、シリコンは１０重量％を超えると、ボロンは５重量％を超えると急激に靱性が低下する。さらに、コバルトおよび／または鉄を含有すると硬さと強度を改善するが、コバルトは３０重量％超えると、鉄は１０重量％を超えると異常粒成長の原因となる。

本発明の超微粒子超硬合金の表面に、０．５〜２０μｍの厚みでなるＴｉＮ，ＴｉＣＮ，（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ，ＴｉＢ₂などの硬質膜をＰＶＤ法で被覆すると、耐溶着性と耐摩耗性が大幅に改善される場合があるので好ましい。

本発明の超微粒子超硬合金の製造方法は、通常の粉末冶金法であるが、原材料の各粒度とその組み合わせが重要となる。粒度として、ＷＣの０．５μｍ以下と（Ｗ，Ｔｉ）Ｃの１．０μｍ以下が必須であり、Ｎｉ，ＴａＣ，ＮｂＣおよび他添加物であるＶＣ，ＺｒＣ，ＴｉＮ，Ｃｒ₃Ｃ₂，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｏ₂Ｃ，Ｓｉ，Ｂなども２．０μｍ以下が望ましい。また、（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃの立方晶化合物相を微粒化するためには、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ粉末とＴａＣ粉末とを組み合わせて配合すると良い。焼結中に（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ粒子がＴａＣと反応して超微細の（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃを生成するためである。焼結温度は、ＷＣ−Ｃｏ系の微粒超硬と同様に１３５０〜１４５０℃が好ましい。

本発明の超微粒子超硬合金は、金属結合相であるニッケルが従来のコバルトに比べ、ＷＣ相と立方晶化合物相との両方の粒成長を抑制する作用をし、ＷＣ相と立方晶化合物相とが相互に粒成長を抑制すること、場合によって添加される化合物が粒成長をさらに抑制する作用をし、結果として得られた超微粒子超硬合金が耐溶着性と共に硬さ，強度，靱性に優れるために、耐摩耗性と耐チッピング性を同時に改善する作用をしているものである。

本発明の超微粒子超硬合金は、従来のＴｉＣ（立方晶化合物）を添加したコバルト基金属結合相の超硬合金に比べて、立方晶化合物相，ＷＣ相ともに粒子径が約１／２であり、異常成長した粗大粒子を含有しないために、硬さ：ＨＶで約１００〜２００、抗折力で約１００〜３００ＭＰａも高いと言う効果を有する。その結果、鋼の低速旋削および穴明け加工において、従来合金に比べて約２倍の寿命を達成できると言う効果を発揮する。

市販されている平均粒子径が０．１６μｍのＷＣ，０．０５μｍのカーボンブラック（Ｃと記す），０．８μｍの（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ（重量比でＷＣ／ＴｉＣ＝７０／３０），１．０μｍのＴａＣ，１．２μｍのＮｂＣ，１．７μｍのＶＣ，２．３μｍのＺｒＣ，１．１μｍのＴｉＮ，０．６μｍのＮｉ，０．６μｍのＣｏ，１．２μｍのＦｅ，１．２μｍのＣｒ₃Ｃ₂，１．０μｍのＭｏ₂Ｃ，０．５μｍのＳｉＣ，０．３μｍのＢ（電解ボロン，純度９２％），１．５μｍのＡｌ（扁平なスタンプ粉）の各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入し、９６時間の混合・粉砕を行った後、加熱・乾燥しながら２重量％のパラフィンワックスを添加して混合粉末を得た。ここで、配合炭素量は、焼結後に中炭素合金（遊離炭素あるいはＮｉ₂Ｗ₄Ｃ，Ｃｏ₃Ｗ₃Ｃを析出しない健全相領域範囲の中央）となるように、Ｃの添加により調整した。

これらの粉末を金型に充填し、２００Ｍｐａの圧力でもって５．５×９．５×２９ｍｍの圧粉成形体を作製し、アルミナとカーボン繊維からなるシート上に設置し、雰囲気圧力１０Ｐａの真空中で、表１に併記した温度でもって１時間加熱保持して、本発明品１〜１０および比較品１〜７の超硬合金を得た。ここで、焼結温度は巣孔が消滅し、結合金属相が均一となる最低の温度とした。

こうして得た本発明品１〜１５および比較品１〜１３の超硬合金を＃２３０のダイヤモンド砥石で湿式研削加工し、４．０×８．０×２５．０ｍｍの形状に作製し、ＪＩＳ法による抗折力を測定して、その結果を表２に示した。また、同試料の１面を１．０μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工した後、ビッカース圧子を用いた荷重：１９６Ｎでの硬さおよび破壊靱性値Ｋ１ｃ（ＩＭ法）を測定し、その結果を表２に併記した。

次に、各試料のラップ面について電界放射型走査電子顕微鏡にて１０，０００倍の組織写真を撮り、画像処理装置にて、ＷＣ，金属結合相，立方晶化合物の体積と平均粒子径（但し、金属結合相は除く）を求めた。その結果を体積は表２に併記し、平均粒子径は表３に示す。さらに、電子顕微鏡による３，５００倍での４視野の組織観察を行って、５０μｍ×５０μｍの断面積中に存在する２μｍを超えるＷＣ粒子と立方晶化合物粒子の個数をそれぞれ測定した。その結果を表３に併記した。

表２，表３において、ニッケルを金属結合相とする本発明とその金属結合相のみをコバルトに換えた従来品とを比較すると、本発明はＷＣ，立方晶化合物とも微粒であるために硬さが高く、また粗大な粒子を含有しないために強度が同等以上となっている。但し、靱性は硬さが高いために相対的に低下している。

ここで、焼結温度による粒成長の変化を確認するため、実施例１で得られた本発明品２，６，７，１０と比較品１，４，５，６の各混合粉末の成形体を実施例１の焼結温度に対して−３０℃および＋３０℃の温度で焼結した。実施例１と同様に行った観察および測定の結果を表４に示す。この結果によれば、比較品は低温側焼結でも粗大ＷＣ粒が存在し、高温側焼結では立方晶化合物の粒成長も著しいのに対して、本発明品は高温側でも均一で微細な組織を保つことが分かる。

実施例１で得た本発明品２，６，８，１０と比較品１，４，５，７の各混合粉末を用いて、ＩＳＯ規格でＳＮＧＮ１２０４０８形状用の金型でもって、実施例１と同様の方法、条件でプレス成形、加熱焼結、湿式研削加工を行い、刃先部に半径０．０２ｍｍのホーニング加工を施すことによって本発明品１５〜１８と比較品１２〜１５の切削用チップをそれぞれ得た。このＳＮＧＮ１２０４０８チップを用いて、被削材：炭素鋼Ｓ４５Ｃ（４本溝入り），切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ，切込み：１．０ｍｍ，送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で乾式での断続旋削試験を行った。そして、刃先が欠損，チッピングを発生するか、あるいは逃げ面摩耗量が０．２５ｍｍに達するまで時間を測定した。その結果を表５に示す。

実施例１で得た本発明品２，８と比較品１，４の各混合粉末を丸棒成形用ゴム型に充填して２００Ｍｐａでプレス成形し、外周寸法を整えた後、実施例１と同様の条件で焼結した。得られた丸棒素材を研削加工して６．０φｍｍの本発明品１９，２０と比較品１６，１７のソリッドドリルをそれぞれ得た。これらのドリルを用いて、被削材：Ｓ４５Ｃ，切削外周速度：５０ｍ／ｍｉｎ，穴深さ：４０ｍｍ，乾式加工の条件で穴明け加工を連続して２００穴まで行った。チッピングあるいは折損による急激なトルク上昇が発生した場合はそれまでの加工穴数を、２００穴まで正常であった場合は刃先の平均逃げ面摩耗量も表６に示す。

表５の鋼旋削では、比較品が圧着分離損傷による摩耗量の増大あるいはチッピング、欠損を起こしているのに対して、ＷＣと立方晶化合物が微細で粗粒を含まない本発明品は、溶着が少なくて高強度なために長寿命となっている。また、表６の鋼の穴明け加工においても同様の結果となっている。

Claims

ニッケルを主成分とする金属結合相：１０〜３０体積％と、タングステンと、チタンと、タンタルおよび／またはニオブとの複合炭化物からなる立方晶化合物相：１０〜６０体積％と、残りが炭化タングステン相と不可避不純物とからなり、立方晶化合物相の平均粒子径が０．１〜０．５μｍであり、炭化タングステン相の平均粒子径が０．０５〜０．５μｍである超微粒子超硬合金。
超硬合金の任意断面における５０μｍ×５０μｍの視野に粒子径が２．０μｍを超える立方晶化合物相および炭化タングステン相が２個以下である請求項１に記載の超微粒子超硬合金。
金属結合相は、金属結合相全体に対して３〜１５重量％のクロムと５〜３０重量％のタングステンとを含有する請求項１または２に記載の超微粒子超硬合金。