JP2007131505A

JP2007131505A - 超高硬度焼結工具用の焼結素材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007131505A
Application number: JP2005329017A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Iwasaki; 政弘岩崎; Hidefumi Yanagida; 秀文柳田; Mitsuharu Tsubota; 満晴坪田; Masaaki Ikebe; 政昭池邉
Original assignee: SANALLOY INDUSTRY CO Ltd
Current assignee: SANALLOY INDUSTRY CO Ltd
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】高い耐摩耗性、耐食性、耐酸化性を有し、良好な面粗度が得られる焼結素材を提供する。
【解決手段】焼結素材が、７０重量％以上の炭化タングステンと、鉄属金属の炭化物と、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される残部と、からなる。また、焼結素材の製造方法が、ａ）７０重量％以上の炭化タングステンと、５重量％未満の鉄属元素と、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される残部と、からなる粒状の出発原料を準備する工程と、ｂ）出発原料を１５００℃以下の焼結温度で焼結して焼結体を形成するとともに、出発原料に含まれる鉄属金属を炭化する工程と、ｃ）焼結温度以下の温度で、焼結体をＨＩＰ処理する工程とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、超硬合金工具のうち、高硬度、化学的安定性が要求される超高硬度焼結工具用の焼結素材に関し、特に、高い耐摩耗性、耐食性、耐酸化性を有し、良好な面粗度が得られる焼結素材に関する。

超硬合金工具には優れた耐摩耗性が要求される。このため、従来から、硬質粒子を超微細化した超微粒子合金や、結合金属相を低減したバインダレス超硬合金を用いることや、工具の表面をセラミックスで被覆する（セラミックスコーティング）ことが提案されてきた。
更には、近年、超高硬度焼結工具の材料として、結合金属相を完全に無くしたＷＣ基超硬合金（例えば、「特許文献１」参照）や、硬質粒子を超微細化するとともに結合金属相も低減したＷＣ基超硬合金（例えば、「特許文献２」参照）が提案されている。
特開平３−１１５５４１号公報特開平６−３２９４２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたＷＣ基超硬合金では、焼結時の温度を１６００〜１７５０℃のように極めて高くする必要があり、また、特許文献２に記載されたＷＣ基超硬合金では、焼結後に、１４５０℃、１８００気圧、１時間の条件でＨＩＰ処理を行う必要があった。このように、いずれのＷＣ基超硬合金の製造工程においても大きなエネルギーが消費され、より簡便で低コストで製造できる超高硬度焼結材料が模索されていた。

即ち、本発明は、セラミックコーティングを行うことなく、高い耐摩耗性を有する超高硬度焼結工具用の焼結素材を低コストで得ることを目的とする。

そこで、発明者らは、セラミックコーティングを行わずに、焼結温度１５００℃以下の焼結工程と、処理条件１３５０℃、１０００気圧、１時間のＨＩＰ工程を行うことにより、材料硬さ（ＨＶ）が２５００以上の超高硬度焼結工具用の焼結素材が得られることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、超高硬度焼結工具用の焼結素材であって、７０重量％以上の炭化タングステンと、鉄属金属の炭化物と、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される残部と、からなることを特徴とする焼結素材である。

また、本発明は、超高硬度焼結工具用の焼結素材の製造方法であって、
ａ）７０重量％以上の炭化タングステン（ＷＣ）と、５重量％未満の鉄属元素と、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される残部と、からなる粒状の出発原料を準備する工程と、
ｂ）出発原料を１５００℃以下の焼結温度で焼結して焼結体を形成するとともに、出発原料に含まれる鉄属金属を炭化する工程と、
ｃ）焼結温度以下の温度で、焼結体をＨＩＰ処理する工程とを含むことを特徴とする焼結素材の製造方法でもある。

以上のように、本発明にかかる超高硬度焼結工具用の焼結素材では、セラミックコーティング等を行うことなく、良好な面粗度と、優れた耐摩耗性、耐食性が得られる。特に、ビッカース硬度（ＨＶ）は２５００以上となる。

また、本発明にかかる焼結素材の製造方法では、焼結温度を低くすることができ、容易かつ低コストに焼結素材を得ることができる。

本発明の実施の形態にかかる超高硬度焼結工具用の焼結素材について、製造工程に沿って説明する。

（出発原料）
出発原料の１つとして、粒状のＷＣを準備する。ＷＣの平均粒径は、０．５μｍ以下が好ましく、例えば０．２μｍとする。

次に、高硬度化を図るために、出発原料の１つとして粒状のＴｉＣを添加する。ＷＣとＴｉＣは、焼結後に硬質相を形成する。
なお、ＴｉＣに代えて、ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される１以上の材料を用いても構わない。例えば、炭化物群（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ）、窒化物群（Ｓｉ_３Ｎ_４）、硼化物群（ＴｉＢ_２、ＴａＢ_２、ＮｂＢ_２、ＷＢ、ＭｏＢ、ＬａＢ_６）から選択した材料を用いることができる。

更に、焼結促進剤（バインダ）として、粒状のＣｏを添加する。Ｃｏに代えて、Ｎｉ、Ｆｅ等の鉄族金属（VIII族金属）を用いても構わない。Ｃｏの量は、０．１重量％以上、５重量％未満であることが好ましい。

以上のようにして形成した出発原料の組成は、ＷＣが７０重量％以上、Ｃｏが５重量％未満、残部がＴｉＣとなる。なお、出発原料には、不可避的に含まれる他の微量物質も含まれるものとする。

次に、出発原料にエタノールを混ぜ、混合（ミリング）する。

続いて、例えば約１重量％のワックスを出発原料に添加し、混合した後、乾燥させる。
乾燥させた出発原料は、不活性ガスで封止された完粉原料となる。出発原料を構成するＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｏ等は、空気中の水分により酸化されやすいため、不活性ガスで封止することにより酸化を防止できる。出発原料は、真空状態にして保管しても構わない。

以上の工程で、完粉原料となった出発原料が得られる。

（成形工程）
続いて、完粉原料となった出発原料をゴム型に充填し、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing：冷間静水圧成形法）を用いて成形する。ＣＩＰ処理の条件は、室温で１９６ＭＰａとする。低圧条件で成形した圧粉成形体では、圧粉成形体の強度が小さく、切削、研削加工において、圧粉成形体にカケやクラックが発生する。このため、１９６ＭＰａのような高圧条件でＣＩＰを行うことが好ましい。

次に、ドリル加工や切削加工などのネットシェイプ成形加工を行い、圧粉成形体に孔や段等を形成する。

次に、圧粉成形体を炉中に入れて、約１３５０〜約１５００℃で１．５時間保持することにより、圧粉成形体の脱脂焼結を行い、焼結体を形成する。脱脂焼結工程では、圧粉成形体からワックス成分が除去される。

脱脂焼結工程を１５００℃より高い温度で行った場合、粒子成長が発生して圧粉成形体の硬さが低下して好ましくない。このため、脱脂焼結工程には、１５００℃以下の温度が用いられる。

この脱脂焼結過程において、焼結促進剤（バインダ）として添加したＣｏのほぼすべてが、隣接する硬質相成分（ＷＣ、ＴｉＣ）と反応して、Ｍ_６Ｃ、Ｍ_１２Ｃ、Ｍ_２３Ｃ_７等（具体的には、Ｃｏ_３Ｗ_３Ｃ、Ｃｏ_２Ｗ_４Ｃ、Ｃｏ_６Ｗ_６Ｃ等）の複炭化物となる。

なお、脱脂焼結工程として、まず、比較的低温で脱ワックス予備焼結工程を行った後に、焼結温度まで昇温して焼結工程を行ってもかまわない。

次に、焼結体に対して、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing：熱間等方圧加圧成形）を行い、焼結した圧粉成形体中に残存するポア（欠陥）を除去する。ＨＩＰ条件は、例えば、焼結温度より低い温度１３５０℃、圧力９８ＭＰａ、時間１．５時間とする。

以上の工程で、超高硬度焼結工具用の焼結素材が完成する。かかる焼結素材では、ビッカース硬度（ＨＶ）が２５００以上となり、高硬度特性が得られる。

また、焼結促進剤（バインダ）として添加したＣｏが、耐食性、耐摩耗性の高い複炭化物となるため、硬質相（ＷＣ、ＴｉＣ）との硬度差が減少し、研磨処理により平坦な表面を得ることができる。

なお、得られた焼結素材の表面に、硼化物や珪化物を被覆し拡散熱処理することにより、摩擦応力を低減して、超高硬度焼結工具の寿命を向上させることができる。

（実施例）
次に、上述の方法を用いてレンズ研磨工具を作製し、組成や表面状態等の評価を行った結果について説明する。図１、２は、レンズ研磨工具の側面図であり、それぞれの上面は、Ｒ（半径）が１０ｍｍ、６５ｍｍの曲面となっている。かかる曲面を用いてレンズを研磨する。

まず、出発原料として、平均粒径が０．２μｍのＷＣを９０重量％、（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃを８重量％、Ｎｉを２重量％を配合する。出発原料中の炭素量は、粉末中の酸素含有量を測定し、これから脱炭量を推定した上で調整した量である。

次に、出発原料は、アトライターを用いて、エタノールを加えた状態で３０時間ミリング（混合）し、スラリーとする。

次に、スラリー中にパラフィン系ワックスを１重量％添加し、混合させる。

次に、スプレードライヤーを用いた造粒工程により、約１００〜２００μｍの粒径の完粉原料を得る。

次に、ＣＩＰ成形用ゴム型を準備し、ゴム型のキャビティ内に完粉原料を充填し、減圧脱気を行う。続いて、１９６ＭＰａの加圧条件でＣＩＰ成形を行う。なお、成形後の除荷プロセスは、クラックの発生を防止するために、ゆっくりと減圧することが必要である。

圧粉成形体をゴム型から取り出した後、加熱炉に入れて、真空状態で脱脂焼結を行う。焼結温度は１３５０℃で、焼結時間は１．５時間とする。

真空状態での焼結後、加熱炉にＡｒガスを導入し、０．９ＭＰａの加圧条件でガス加圧焼結を行う。この時の焼結温度は１３５０℃のままでも良いが、１５００℃程度まで上げてもよい。かかる焼結工程では、圧粉成形体中の液相の絶対量が少ないために、合金組織は殆ど変化しない。

続いて、圧粉成形体を焼結して得られた焼結体を、所定の容器に入れて、加圧、加熱し、ＨＩＰ処理を行う。ＨＩＰ処理の条件は、温度１３５０℃、時間１．５時間、圧力９８ＭＰａとする。
以上の工程で、レンズ研磨工具用の焼結素材が完成する。

得られたレンズ研磨工具用の焼結素材に対して硬度測定を行ったところ、ビッカース硬度（ＨＶ）：２６５０〜２７２０が得られた。また、素材の表面にはポアなどの欠陥は認められなかった。更に、３点曲げ試験により曲げ強度を測定したところ、１．３〜１．６ＧＰａの値が得られた。

図３は、焼結体の焼結温度と、ビッカース硬度、曲げ強度との関係であり、横軸に焼結温度、縦軸にビッカース硬度、曲げ強度を示す。図３中、４角形で挟まれた線分はビッカース強度の測定値を、３角形で挟まれた線分は曲げ強度を示す。

図３から分かるように、１３５０〜１５００℃のような比較的低い温度の焼結においても、ビッカース硬度が約２５５０〜２７００、曲げ強度が約１．２〜１．６の良好な値が得られている。

更に、Ｘ線回折装置（Ｘ−ＲＤ）を用いて構造解析を行ったところ、焼結素材の表面には、ＷＣ相以外に、Ｍ_３Ｃ、Ｍ_６Ｃ型の炭化金属相の存在が認められたが、Ｎｉ相の存在は確認されなかった。
また、表面の炭化物層を電解腐食により除去した後に、Ｘ線回折を行ったが、同様にＮｉ相の存在は確認されなかった。
このことより、焼結促進剤（バインダ）として添加したＮｉは、Ｎｉ単相としては存在せず、すべて炭化金属相に成っていることが分かった。

最後に、焼結素材に対して表面研磨加工を行ってレンズ研磨工具とし、要部であるレンズ成形面の面粗度の測定と表面観察を行った。この結果、面粗度（Ｒｙ）は、０．０５Ｓ〜０．１Ｓと良好な値となった。また、表面観察の結果からも、鏡面研磨面には数μｍオーダーの欠陥は全く認められず、良好な鏡面が得られていることがわかった。

本発明にかかる焼結素材は、超高硬度焼結工具、特に、レンズ研磨工具や缶製造用工具に使用することができる。

本発明の実施の形態にかかるレンズ研磨工具の側面図である。本発明の実施の形態にかかる他のレンズ研磨工具の側面図である。本発明の実施の形態にかかる焼結体の焼結温度と、ビッカース硬度、曲げ強度との関係である。

Claims

超高硬度焼結工具用の焼結素材であって、
７０重量％以上の炭化タングステンと、
鉄属金属の炭化物と、
ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される残部と、からなることを特徴とする焼結素材。
上記鉄属金属が、鉄、コバルト、およびニッケルからなる組から選択される金属であることを特徴とする請求項１に記載の焼結素材。
上記鉄属金属が、５重量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の焼結素材。
上記鉄属金属の炭化物が、該鉄属金属の複炭化物であることを特徴とする請求項１に記載の焼結素材。
上記炭化タングステンの平均粒径が、０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の焼結素材。
請求項１〜５のいずれかに記載された焼結素材を用いた超高硬度焼結工具。
超高硬度焼結工具用の焼結素材の製造方法であって、
ａ）７０重量％以上の炭化タングステンと、
５重量％未満の鉄属元素と、
ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素の炭化物、炭窒化物、窒化物、および硼化物から選択される残部と、からなる粒状の出発原料を準備する工程と、
ｂ）該出発原料を１５００℃以下の焼結温度で焼結して焼結体を形成するとともに、該出発原料に含まれる該鉄属金属を炭化する工程と、
ｃ）該焼結温度以下の温度で、該焼結体をＨＩＰ処理する工程とを含むことを特徴とする焼結素材の製造方法。