JP2009024214A - 超硬合金およびその製造方法 - Google Patents

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岳之 諏訪
Keitaro Tamura
圭太郎 田村
Kozo Kitamura
幸三 北村
Satoshi Kinoshita
聡 木下
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株式会社タンガロイ
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Abstract

【目的】
プリント基板穴あけ工具に使用される超硬合金は耐摩耗性と耐チッピング性が重視される。そこで、耐摩耗性と耐チッピング性に優れたプリント基板穴あけ工具用超硬合金を提供する。
【解決手段】
WCを主成分とした硬質相と、CoおよびNiの少なくとも1種を主成分とする結合相とからなる超硬合金において、超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形に占める結合相の面積率の平均値は6〜17面積%であり、超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形に占める結合相の面積率の標準偏差は3.5面積%以下である超硬合金。

【選択図】図4

Description

本発明は超硬合金およびその製造方法に関するものであり、その中でも特に穴あけ工具に好適な超硬合金およびその製造方法に関する。
超硬合金は硬さに優れるため金属加工の穴あけ工具などの切削工具に用いられている。超硬合金の穴あけ工具に関する従来の技術として、合金炭素量を規定した超硬合金製ツイストドリルなどがある(例えば、特許文献1参照。)。しかし、靱性が低くチッピングが生じやすいという問題があった。
特開2000−15513号公報
硬質相と結合相からなる超硬合金は、硬質相の平均粒径を小さくするか結合相量を少なくすると硬さは向上して耐摩耗性は向上する。しかし結合相の厚さが薄くなるため靱性は低下する。すなわち、従来の技術では硬さの向上と靱性の向上とは両立し得なかった。特に穴あけ工具に使用される超硬合金は耐チッピング性を重視されるため、高い靱性が要求される。しかしながら、上述のとおり靱性を高くすると硬さは低下して耐摩耗性は低くなる。本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、高い硬さと高い靱性を両立させて、耐摩耗性と耐チッピング性に優れた超硬合金およびその製造方法の提供を目的とする。
本発明者らは長年にわたり超硬合金の硬さと靱性とを向上させる方法を研究してきたところ、結合相を均一に分散させることが硬さおよび靱性の向上に最も効果があるとい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、本発明の超硬合金は、WCを主成分とした硬質相と、CoおよびNiの少なくとも1種の結合相とからなり、超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形に占める結合相の面積率の平均値は6〜17面積%であり、超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形に占める結合相の面積率の標準偏差は3.5面積%以下である。
本発明の超硬合金は硬質相と結合相とからなる。その中でも、超硬合金全体に対して90〜96重量%の硬質相と、超硬合金全体に対して4〜10重量%の結合相とからなる超硬合金は靭性が高いので好ましく、その中でも、91〜95重量%の硬質相と、5〜9重量%の結合相とからなる超硬合金がさらに好ましい。
本発明の硬質相は、WC相、または、WC相とWCを除く周期律表4a、5a、6a族元素の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも1種の立方晶化合物相とからなる。なお、本発明のWC相は、V,Crを含む微細な炭化物がWC相表面に析出している場合も含む。また、本発明の立方晶化合物相は、超硬合金全体に対して3重量%を超えて多く含まれると強度が低下することから、立方晶化合物相の含有量は3重量%以下が好ましい。
本発明の超硬合金の硬質相の平均粒径は0.1〜0.7μmが好ましい。硬質相の平均粒径を測定するため、超硬合金の断面を鏡面仕上げして、走査型電子顕微鏡を用いて1万倍の超硬合金の断面組織写真を撮影する。得られた断面組織写真上に任意の直線を描き、その直線にヒットされる単位長さ当たりの硬質相の数をNLとし、任意の単位面積内に含まれる硬質相の数をNSとする。硬質相の平均粒径dmは、次のFullmanの式を用いて測定することができる。
dm=(4/π)×(NL/NS)
硬質相の平均粒径が0.1μm未満になると超硬合金の異常粒成長の抑制が難しく、硬質相の平均粒径が0.7μmを超えて大きくなると、超硬合金の硬さは低下し耐摩耗性を保持しにくいので0.1〜0.7μmの範囲が好ましい。その中でも硬質相の平均粒径が0.1〜0.4μmであると、硬さが高く靱性が低いのでさらに好ましい。
本発明の結合相は、CoおよびNiの少なくとも1種を主成分とする。具体的には、Co、Ni、Co−Ni合金およびこれらに周期律表4a、5a、6a族元素、炭素、窒素の中から選ばれた少なくとも1種が0.1〜20重量%固溶した合金を挙げることができる。
本発明の超硬合金は、Crを含有させると超硬合金の靭性が向上しWC相の粒成長を抑制して超硬合金の硬さを高くするため好ましい。またCrを含有させると超硬合金の耐食性が向上する。その中でも、Crを超硬合金全体に対して0.1〜1.5重量%添加させるとさらに好ましい。これは、Crの添加量が0.1重量%以上にすると超硬合金の靱性が向上し、1.5重量%を超えて多くすると粗大なCrの炭化物が析出し、超硬合金の強度を低下させるためである。
本発明の超硬合金は、Vを含有させるとWC相の粒成長を抑制して超硬合金の硬さを高くするため好ましい。その中でも、Vを超硬合金全体に対して0.05〜0.5重量%添加させるとさらに好ましい。これは、Vの添加量を0.05重量%以上にするとWC相の粒成長を抑制する効果が顕著になり、0.5重量%を超えて多くすると超硬合金の強度を低下させるためである。
本発明の超硬合金は結合相が均一に分散していることを特徴とする。本発明において結合相が均一に分散するとは、結合相の厚さ(平均自由行路)のバラツキが少ないことと、結合相プールが少ないことをいう。結合相が均一に分散していることは、断面組織における単位面積に占める結合相の面積率を測定し、面積率の標準偏差を求めることによって把握できる。具体的には、図1のように超硬合金の断面組織写真を硬質相の平均粒径の5倍の長さを一辺とした正方形に分割し、画像解析装置などを用いて正方形の単位面積に占める結合相の面積率を測定し、その標準偏差を求めるとよい。結合相の面積率は100箇所以上を測定すると精度が高くなるので好ましく、実用的には130〜180箇所を測定すると好ましい。
結合相の面積率を測定するための単位面積を、硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形の面積としたのは、正方形の1辺が硬質相の平均粒径の5倍未満では、正方形に含まれる硬質相の粒子数が少なく、結合相の面積率のバラツキが大きくなるためであり、正方形の1辺が硬質相の平均粒径の5倍を超えると、結合相の面積率が平均化され、結合相の厚さのバラツキや硬質相の平均粒径の数倍の大きさを持つ結合相プールの存在が、結合相の面積率の標準偏差に現れないためである。結合相の面積率の標準偏差が小さいほど、結合相が均一に分散していることを示し、超硬合金の硬さと靱性を高くすることができる。
本発明の超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形の単位面積に占める結合相の面積率を測定すると、結合相の面積率の平均値は6〜17面積%、その標準偏差は3.5面積%以下を示す。結合相の面積率の標準偏差が3.5面積%を超えて大きくなると硬さと靱性を高くすることができず十分な性能を維持できない。また、結合相の面積率の平均値は6面積%未満になるように結合相量を少なくすると靭性が低下し、結合相の面積率の平均値は17面積%を超えるように結合相量を多くすると耐摩耗性が低下する。
本発明の超硬合金の断面組織における個々の結合相の面積、すなわち、図2のように硬質相に囲まれた結合相の面積を測定したとき、結合相の面積の平均値に結合相の面積の標準偏差の3倍を加えた値以上の面積を持つ結合相を結合相プールと呼ぶことにする。結合相プールの概念図を図3に示す。このような結合相プールが存在すると、結合相プール以外の部分において結合相が少なくなり超硬合金の靱性が低下する。したがって結合相プールが少ないほど靱性は高くなる。結合相の面積の平均値に結合相の面積の標準偏差の3倍の値を加えた値よりも大きい面積を持つ結合相の面積の合計が、結合相の面積の合計に対して20面積%以下であると、靱性がさらに向上するため好ましい。20,000箇所以上の結合相の面積を測定すると、結合相の面積を精度が良く測定できるので好ましく、実用的には25,000〜35,000箇所を測定すると好ましい。
本発明の超硬合金は保磁力が30〜43kA/mであると耐折損性と耐摩耗性のバランスがよく、さらに硬質相の粒径が0.1μm未満である硬質相の粒子数は、硬質相の粒子数の合計に対して10%以下であると、結合相の分布はより均一となり性能も向上するため、好ましい。ここで、硬質相の粒径とは、硬質相の最大長と最小長の平均値を意味したもので、Fullmanの式を用いて算出する硬質相の平均粒径とは異なる。硬質相の粒径は、走査型電子顕微鏡を用いて鏡面仕上げした超硬合金の断面組織を1万倍で写真撮影し、その断面組織写真から測定することができる。
超硬合金中に含まれる微小な硬質相の粒子は、超硬合金組織中で凝集しやすい傾向がある。そのため、微小な硬質相の粒子が凝集した領域では、結合相量が局部的に少なくなる。粒径が0.1μm未満の硬質相の粒子数が10%を超えて多くなると、結合相厚さの均一性が低下する。粒径0.1μm未満の硬質相の粒子数を10%以下にするためには、微細で均一な粒径のWC粉末を使用し、混合粉砕時間を短時間にするとよい。
本発明の超硬合金は硬さおよび靱性が高く、優れた耐摩耗性と優れた耐チッピング性を示す。本発明の超硬合金の用途としては切削工具が好ましい。その中でも本発明の超硬合金は抗折力が高く耐折損性に優れるため、穴あけ工具として用いられるとさらに好ましく、その中でもプリント基板穴あけ工具として用いられるとさらに好ましい。
本発明の超硬合金の製造方法は、フィッシャー法による平均粒径0.1〜1.0μmのCo粉末およびNi粉末の少なくとも1種を原料粉末として使用することを特徴とする。具体的には、硬質相形成粉末と平均粒径0.1〜1.0μmのCo粉末およびNi粉末の少なくとも1種からなる結合相形成粉末とを混合し粉砕して混合物を得る工程、得られた混合物を成形する工程、成形した混合物を焼結炉で室温から焼結温度まで昇温する工程、混合物を焼結温度で保持する工程、混合物を焼結温度から室温まで冷却する工程を経て本発明の超硬合金を製造することができる。
原料粉末のCo粉末およびNi粉末の平均粒径を0.1〜1.0μmとしたのは、0.1μm未満では凝集しやすく、1.0μmを超えて大きくなると結合相が分散しにくく結合相プールを形成しやすいためである。なお、平均粒径0.1〜1.0μmのCo粉末、Ni粉末を用いるとCo粉末、Ni粉末の比表面積の増加により吸着酸素量が増加し、焼結過程で超硬合金内部からのガス発生量が増加する。超硬合金内部におけるガス発生量が増加すると結合相は不均一に分散しやすくなる。焼結時の結合相の不均一性を減らすためには発生したガスを十分に外部に取り除くと好ましい。例えば、混合物を焼結温度で保持する工程において、酸素に対するゲッター効果(酸素を吸着する効果)の高い金属Zr板で混合物を囲むと結合相の分散の均一性が高まるので、好ましい。
本発明の超硬合金は、結合相が均一に分散しているため、硬さおよび靱性が高く、優れた耐摩耗性と優れた耐チッピング性を示す。本発明の超硬合金の製造方法により、結合相が均一に分散した本発明の超硬合金が得られる。
市販されている、平均粒径(フィッシャー法)0.5μmのWC粉末と、平均粒径(フィッシャー法)2μmのCr32粉末と、平均粒径(フィッシャー法)1.5μmのVC粉末と、平均粒径(フィッシャー法)0.6μm、0,7μm、1.5μmのCoおよびNiの各粉末とを用意した。これらの原料粉末を用いて表1に示す組成となるように秤量して、ステンレス製ポットに溶媒と超硬ボールとともに挿入し混合粉砕した後、乾燥して混合物を得た。なお、超硬合金の炭素量の調整には市販のW粉末及びC粉末を使用した。得られた混合物をプレス成形した。プレス成形した混合物を焼結炉に入れて温度1400℃にて真空焼結した後、連続してHIP処理を行った。なお、発明品のうちA,Bについては酸素に対するゲッター効果の高い金属Zr板で試料を囲み、試料内部からのガス発生を抑制しながら真空焼結した。
走査型電子顕微鏡を用いて発明品および比較品の断面組織を観察したところ、いずれもWC相からなる硬質相と、Co、Niを主成分とする結合相とからなる超硬合金であった。
超硬合金A〜Fの断面組織を1万倍に拡大した写真からFullmanの式を用いてWC相の平均粒径を測定した。各超硬合金のWC相の平均粒径は0.3μmであった。それぞれの超硬合金について、断面組織写真上でWC相の平均粒径の5倍である1.5μmを一辺とする正方形に分割し、正方形のマス目毎に結合相の占める面積率を160箇所測定し、結合相の面積率の標準偏差を求めた。各超硬合金の硬さ、IF法により破壊靱性値(K1C)を測定し、さらに超硬工具協会規格CIS026(超硬合金の曲げ強さ(抗折力)試験方法)に記載された方法により超硬合金の抗折力を測定した。これらの結果を表2に示した。
超硬合金Aと超硬合金Dの結合相の面積率分布を、図4と図5に示す。超硬合金Aは超硬合金Dに比較して結合相の分布が均一であることがわかる。
実施例1の超硬合金A〜Fの断面組織を走査型電子顕微鏡を用いて1万倍に拡大して写真撮影した。得られた断面組織写真から硬質相に囲まれた結合相の面積を33,000箇所測定した。測定して得られた結合相の面積の平均値とその標準偏差を表3に示した。さらに、測定した結合相の面積の合計に対する結合相の面積の平均値に結合相の面積の標準偏差の3倍を加えた値以上を示す結合相の面積の合計の割合(面積%)を算出した。その値を表3に示した。
表2から発明品は比較品よりも抗折力が高いことが分かる。また、表2から、超硬合金Aと超硬合金Dの硬さは同等であるが、超硬合金Aは超硬合金Dよりも破壊靱性値が高く、抗折力が高いことが分かる。
超硬合金A〜Fをドリル径φ0.3mmのプリント基板穴あけ工具形状に加工して、下記の穴あけ試験条件による性能評価を行った。
[穴あけ試験条件]
被削材:樹脂基板材料FR4の6層板(厚さ1.6mm)を3枚重ねしたもの
回転数:160krpm
送り:2.4m/min
表4から発明品は比較品よりも刃先摩耗量が少なく平均穴あけ数が多いことが分かる。
単位面積に占める結合相の面積率を測定するときの概念図 結合相の面積を測定するときの概念図 結合相プールの概念図 超硬合金A(発明品)における結合相の面積率分布を示す。 超硬合金D(比較品)における結合相の面積率分布を示す。
符号の説明
1…結合相
2…硬質相
3…硬質相の平均粒径
4…結合相プール

Claims (6)

  1. WCを主成分とした硬質相と、CoおよびNiの少なくとも1種を主成分とする結合相とからなる超硬合金において、超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形に占める結合相の面積率の平均値は6〜17面積%であり、超硬合金の断面組織における硬質相の平均粒径の5倍を1辺とする正方形に占める結合相の面積率の標準偏差は3.5面積%以下である超硬合金。
  2. 硬質相の平均粒径は0.1〜0.7μmである請求項1に記載の超硬合金。
  3. 超硬合金の断面組織における結合相の面積の平均値に結合相の面積の標準偏差の3倍を加えた値よりも大きい面積を持つ結合相プールの面積の合計が、結合相の面積の合計に対して20面積%以下である請求項1または2に記載の超硬合金。
  4. 粒径が0.1μm未満の硬質相の粒子数は、硬質相の粒子数全体に対して10%以下であり、超硬合金の保磁力は30〜43kA/mである請求項1〜3のいずれか1項に記載の超硬合金。
  5. 切削工具用超硬合金として用いられる請求項1〜4のいずれか1項に記載の超硬合金。
  6. 硬質相形成粉末と平均粒径0.1〜1.0μmのCo粉末およびNi粉末の少なくとも1種からなる結合相形成粉末とを混合し粉砕して混合物を得る工程と、得られた混合物を成形する工程と、成形した混合物を焼結炉で室温から焼結温度まで昇温する工程と、混合物を焼結温度で保持する工程と、混合物を焼結温度から室温まで冷却する工程とを含む超硬合金の製造方法。
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