JP2009191336A

JP2009191336A - Ｗｃ基微粒超硬合金部材

Info

Publication number: JP2009191336A
Application number: JP2008035406A
Authority: JP
Inventors: Kaname Suehara; 要末原; Yutaka Kubo; 裕久保
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】ＷＣ基超硬合金部材の抗折力のバラツキが小さく、強度の安定性を高めたＷＣ基超硬合金部材を提供することである。
【解決手段】ＷＣの平均粒子径ｄ（μｍ）がｄ≦０．６、Ｃｏ含有量が重量％で９〜１３％、Ｖ含有量が０．４〜１％、Ｃｒ含有量が０．１〜１％、であるＷＣ基微粒超硬合金において、該Ｖ含有量に１００を乗じた値をＷｖとし、該ＷＣにおける単位体積当たりの表面積の総和をＳｗｃ（μｍ^２／ｃｍ^３）としたとき、０．６≦Ｗｖ／Ｓｗｃ≦１０．５であることを特徴とするＷＣ基微粒超硬合金部材である。
【選択図】図１

Description

本願発明は、Ｖ、Ｃｒを含有し高強度を示すＷＣ基微粒超硬合金部材に関する。

Ｖ、Ｃｒを含有したＷＣ基微粒超硬合金において、耐折損性や強度の改善に関する技術が、特許文献１から３に開示されている。

特許第１５３９９９１号公報特許第３２９１５６２号公報特許第３４５１９４０号公報

本願発明は、ＷＣ基微粒超硬合金部材の抗折力のバラツキが小さく、強度の安定性を高めたＷＣ基微粒超硬合金部材を提供することである。

本願発明は、ＷＣの平均粒子径ｄ（μｍ）がｄ≦０．６、Ｃｏ含有量が重量％で９〜１３％、Ｖ含有量が０．４〜１％、Ｃｒ含有量が０．１〜１％、であるＷＣ基微粒超硬合金において、該Ｖ含有量に１００を乗じた値をＷｖとし、該ＷＣにおける単位体積当たりの表面積の総和をＳｗｃ（μｍ^２／ｃｍ^３）としたとき、０．６≦Ｗｖ／Ｓｗｃ≦１０．５であることを特徴とするＷＣ基微粒超硬合金部材である。上記の構成を採用することによって、超硬合金部材のＷＣ粒子の粒成長を効果的に抑制し、抗折力のバラツキが小さく、強度の安定性を高めたＷＣ基微粒超硬合金部材を提供することができる。
また、本願発明のＷＣ基微粒超硬合金部材におけるＣｏ含有量に対するＣｒ含有量が重量比で０．０１〜０．２、であること、またｄ値は、０．４μｍ以下であることが好ましい。

本願発明は、ＷＣ基微粒超硬合金部材の抗折力のバラツキが小さく、強度の安定性を高めたＷＣ基微粒超硬合金部材を提供することができた。特に、本願発明のＷＣ基微粒超硬合金をプリント基板穴あけ用小径ドリルに適用すると、使用時の突発的な折損事故のない、工具寿命が大幅に改善されたドリルが得られる。

本願発明のＷＣ基微粒超硬合金は、Ｗｖ値とＳｗｃ値との比が、０．６≦Ｗｖ／Ｓｗｃ≦１０．５、を満足するようにＷｖ値を制御することは特に重要であり、ＷＣ基微粒超硬合金を切削加工用工具として使用する際に、安定して優れた強度を得るための重要なことである。
Ｃｏ含有量が９％未満又は１３％超であると、所望の強度が得られず、切削工具に用いた場合に適さないため、９〜１３％の範囲とする。Ｃｒは粒成長抑制効果と耐食性付与の効果を与えるために０．１〜１％含有させる。Ｃｏ含有量に対するＣｒの含有量が、重量比で０．０１未満では耐食性が劣り実用化するのに難がある。一方、０．２を超えると、Ｃｒを含有した析出相、例えばＣｒ炭化物などが合金組織中に析出し、この析出物を起点として強度低下を引き起こすため不都合である。そこでＣｏ含有量に対するＣｒ含有量が重量比で０．０１〜０．２の範囲とすることが好ましい。Ｖ含有量は全てのＷＣ粒子表面に析出するため、ＷＣ粒子の表面積と合金中の組成に依存し、最適な含有量はある一定の範囲にならなければならない。Ｖ含有は効果的に粒成長を抑制し、強度の安定性を得ることを目的とする。そこで本願発明は、ＣｒとＶを別々のパラメーターを用いて制御し、個々の効果を効果的に作用させる必要がある。本願発明では、抗折力を低下させず効果的に粒成長を抑制するには、Ｖ含有量がＳｗｃ値に関係することを見出した。本願発明では効果的に粒成長を抑制するために、ＶはＷＣ粒子の表面の一部及び／又は全面を被覆し被覆相として存在するのに十分な量が必要である。ＶがＷＣ粒子を被覆せず、粒成長の抑制に寄与しない余剰相として存在しても、被覆相で被覆されたＷＣ粒子と１部接合した状態となり、その余剰相は極めて微量且つ微細に析出していることに留めなければいけない。この条件が、単にＣｒ、Ｖを含有するだけでなく、高強度でありながら、その強度を安定的に維持できる組織的条件である。本願発明はこのような組織にするように、Ｖ、Ｃｒ含有量及びｄ値を規定したことを特徴とする。
所望の抗折力及び耐摩耗性を得るために焼結体でのＷＣの平均粒径は微粒であることが好ましい。ｄ値が０．６μｍを超えた場合には、所望の耐摩耗性を得る事が出来なくなるため、０．６μｍ以下とする。ｄ値は、小さいほど硬度、強度を高めることができるため、特にプリント基板穴あけ用小径ドリルなどの用途に好ましいｄ値は、０．４μｍ以下である。本願発明においてｄ値には特に下限を設けないが、実質的な製造工程から考えると限度があり、現状では０．０５μｍ程度である。

本願発明のＷｖ／Ｓｗｃ値はＶ含有量、Ｃｏ含有量、ｄ値に依存する。特にｄ値は混合条件、焼結条件等の製造条件により変化する値である。本願発明では、焼結条件として特別の配慮が必要である。例えば、焼結工程の冷却過程で１２５０℃±２０℃まで１０〜５０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却し、１２５０℃±２０℃で５〜１５分保持後、室温まで冷却する条件を満たすことである。材料の大きさや組成によって上記の条件よりやや異なることがありうるが、冷却過程において、１２５０℃±２０℃での一定時間の保持は、本願発明の規定するＷｖ／Ｓｗｃ値を達成するために特に重要である。また、Ｗｖ／Ｓｗｃ値を低く制御するには、例えば、原料のＷＣ粒径を０．４から０．２μｍ程度に細かくすること、焼結温度を１４００℃から１３５０℃程度に下げることが有効である。一方、高く制御するには、原料のＷＣ粒径を０．４から０．６μｍ程度に粗くすること、焼結温度を１４００℃から１４５０℃程度に上げることが有効である。ＷＣ粒径以外にもＶ含有量、Ｃｏ含有量を変化させることにより制御することが可能である。この様にＷｖ／Ｓｗｃ値を制御することにより抗折力のバラツキが小さく、強度の安定性に優れたＷＣ基微粒超硬合金を実現することができる。

本願発明のｄ値は、焼結体の断面を鏡面研磨した後、村上試薬で０．５分、王水で３分間エッチングすることによりＷＣ粒子以外の相を除去した。ＷＣ粒子の結晶粒界を明確にした後、顕微鏡による観察を行った。ＦＥ−ＥＰＭＡ分析装置、例えば日本電子社製、ＪＸＡ−８５００Ｆ型を用い、倍率１０ｋ〜２０ｋ倍で行い、その観察画像をコンピュータに取り込み、画像解析装置にて解析して、一定の面積、例えば、１〜３ｍｍ^２の範囲に存在するＷＣ粒子のｄ値を測定した。本願発明は焼結体中のＷＣ粒子径が極微小であるため、単位面積が１μｍ^２という微小範囲であっても、焼結体全体を代表する値としてのｄ値及びその値からＷＣ粒子の平均外周長さの算出が充分可能である。
上記測定方法で測定したＷＣ粒子を球状であると仮定すると、Ｓｗｃは次の化１で算出される。ここで、ＭＣｏはＣｏ含有比、ρＣｏはＣｏの密度で８．８９（ｇ／ｃｍ^３）、ρＷＣはＷＣの密度で１５．６（ｇ／ｃｍ^３）の値を用いた。

抗折力の試験には、４×８×２５ｍｍのＪＩＳ試験片を作製し、表面を♯２００の砥石で研摩した。スパン２０ｍｍの３点曲げ試験を各試料３０本で実施し、その平均抗折力を求め、また、最大抗折力値と最小抗折力値の差を求めた。
腐食試験用サンプルは、１０×１０×５ｍｍを作成し、表面を１μｍのダイヤモンドペーストで鏡面に仕上げた。耐食性は５０℃に保った１０％塩酸中に２４時間放置後の重量減量を１ｍ２当たりの重量に換算し、腐食減量としその多少で評価した。腐食減量が小さいほど耐食性が高い。超硬合金の炭素量は炭素量不足で複炭化物相を生じたり、遊離炭素が生じたりしないように調整した。
本願発明のＷＣ基微粒超硬合金部材は、ドリル、小径ドリル、エンドミル、刃先交換式切削工具用インサート、メタルソー、歯切り工具、ガンドリル、リーマ、ブローチ及びタップ等に好適であり、工具の長寿命化が計れる。より好ましくは、直径０．２ｍｍ以下のプリント基板穴あけ用小径ドリルに適用するとよい。この理由は、小径ドリルには極微小範囲に応力が集中するためであり、本願発明のＷＣ基微粒超硬合金部材はこの極微小範囲の応力集中に十分に耐えうる部材であるからである。

（実施例１）
本発明例１の製造条件を以下に示す。平均粒径が０．４μｍのＷＣ原料粉末、平均粒径が１．２μｍのＣｏ原料粉末、平均粒径が０．５〜１．５μｍのＣｒ、Ｖの化合物粉末を用いて、Ｃｏ含有量を９％として配合した。各原料粉末は成形バインダーを含んだアルコール中アトライターで１５時間混合し、スプレードライヤーで造粒した。得られた造粒粉末を３点曲げ試験用に１軸加圧成形して角形圧粉体とし、更に１部を押出し成形して丸棒圧粉体とした。夫々の圧粉体を１０Ｐａの真空雰囲気中において、１３５０℃で３０保持後、５ＭＰａの加圧雰囲気に変え５分保持し、１２５０℃まで５０℃／分の冷却速度で１２５０℃まで冷却し、１２５０℃で１０分保持後、室温まで冷却した。表１に配合組成を示す。

また本発明例２から１７も上記の本発明例１の条件を基準に作製した。即ち、圧粉体を３〜１０Ｐａの真空雰囲気中において、１３５０〜１４５０℃で３０〜９０分保持後、３〜１０ＭＰａの加圧雰囲気に変え５〜６０分保持し、１２５０℃まで１０〜５０℃／分の冷却速度で１２５０℃まで冷却し、１２５０℃で１０分保持後、室温まで冷却した。比較例１８から２６も概略、本発明例の条件に準拠した。
次に、本発明例と比較例についてｄ値を測定し、Ｗｖ／Ｓｗｃ値を算出した。その結果を表２に示す。

本発明例は何れもｄ値が０．６μｍ以下の範囲に入り、またＷｖ／Ｓｗｃ値も０．６〜１０．５の範囲内であった。図１にＷｖ／Ｓｗｃ値と抗折力及び抗折力差の関係を示す。Ｗｖ／Ｓｗｃ値が０．６より小さくなると抗折力差が急激に増加した。また、１０．５より大きくなると抗折力が徐々に低下すると共に抗折力差も大きくなり材料の強度の信頼性も低下した。本発明例１〜１７はｄ値が小さく微細で、高い抗折力と抗折力差の小さいＷＣ基微粒超硬合金部材が得られた。特にＷｖ／Ｓｗｃ値が４．６の本発明例６の抗折力は高い値を示した。本発明例１１はＣｏ量が９％と少量であり、平均抗折力が低下し、本発明例１４ではＣｏ量が１３％と多量であり、腐食減量がやや増加した。Ｗｖ／Ｓｗｃ値やｄ値が同程度の本発明例１２〜１４はＣｏ量が異なるにも拘らず、高い値で同程度の抗折力を示し、抗折力差が小さくなった。Ｃｒ含有量が０．１〜１％の範囲にある本発明例１５〜１７も、満足の出来る耐食性が得られた。
一方、比較例１８、１９のｄ値は夫々０．６５、０．８５μｍと大きくなり、抗折力差が増加した。これは、ＷＣ粒成長が十分に抑制できなかったためである。比較例２０〜２２のｄ値は０．４μｍ以下であるものの、Ｗｖ／Ｓｗｃ値が１０．５超であった。Ｗｖ／Ｓｗｃ値が１０．５超であると、超硬合金組織中にＶが多量に含まれている相が粗大化するか、もしくは多量に析出し、抗折力が低下すると考えられる。比較例２０〜２２は、ｄ値が小さいもののＷｖ／Ｓｗｃ値が大き過ぎるために、Ｖが含まれる相が多量に析出し、抗折力差が増加した。比較例２３、２４は、Ｃｏ量が本願発明規定の範囲外のため平均抗折力が低下した。Ｃｒを含有しない比較例２５は比較的高い抗折力を示したが、Ｃｒがないために耐食性が極端に悪く、湿式加工する際に腐食が起こり、実用化するのに難が見られた。Ｃｒ量が１．２％と多い比較例２６は抗折力が低い値を示した。これは脆性相が超硬合金の組織に析出したためである。

（実施例２）
実施例１で作製した丸棒試料を加工して、φ２．０×３１．８ｍｍの丸棒から直径がφ０．１ｍｍ、みぞ長が１．５ｍｍのプリント基板用穴あけ用小径ドリルを作製した。これらのドリルを用いて下記の試験条件にて穴あけ加工を実施し、ドリルの折損寿命を求めた。各試料の試験本数は６本であり、これより平均折損寿命を求めた。更に、最長の折損寿命と最短の折損寿命との差を寿命差として、その値を平均折損寿命で割った値から切削加工寿命安定性を評価した。即ち、折損寿命のバラツキが大きいほど分子が大きくなるし、平均寿命が小さいほど分母が小さくなる。この比は小さいほど好ましい。評価結果を表２に示す。
（試験条件）
基板：ガラスエポキシ材、プリント基板厚さが０．２ｍｍのものを２枚重ね
回転数：２００ｋ回転／分
送り量：５μｍ／回転

本発明例１〜１７は何れも折損寿命で良好な結果を示した。一方、比較例１８〜２６は、短寿命であり、この理由は低い抗折力であると考えられる。本願発明の切削加工寿命の安定性については、比較例と比較して約２倍から９倍の切削加工寿命が得られ安定性が改善したことが分かる。本発明例１１はＣｏ量が９％と少量であったために、抗折力、折損寿命等がやや低下し、本発明例１４はＣｏ量が１３％と多量であったために、抗折力がやや低下したが、プリント基板穴あけ用小径ドリルとして使用するに十分な性能を示したと判断できる。Ｗｖ／Ｓｗｃ値やｄ値が同程度の本発明例１２、１３はＣｏ量が異なるにも拘らず、良好な折損寿命を示した。
一方、Ｃｏ量が８％と少ない比較例２３は抗折力が低いために強度不足となり、折損寿命が極端に短くなった。Ｃｏ量が１４％と多い比較例２４も折損寿命が短くなった。これはＣｏ量が多いために、硬度が急激に減少し、穴あけ初期段階から刃先の摩耗が進み、切削抵抗が増大したためと推測される。Ｃｒを含有しない比較例２５は比較的、高抗折力、長折損寿命を示したが、Ｃｒがないために耐食性が極端に悪く、ドリル加工時に一部のドリルで腐食が起こり、実用化するのに難があった。また、Ｃｒ量が１．２％と多い比較例２６はＣｒ含有の脆性相が超硬合金の組織に析出して折損寿命が短くなった。

図１は、Ｗｖ／Ｓｗｃ値と抗折力及び抗折力差の関係を示す。

Claims

ＷＣの平均粒子径ｄ（μｍ）がｄ≦０．６、Ｃｏ含有量が重量％で９〜１３％、Ｖ含有量が０．４〜１％、Ｃｒ含有量が０．１〜１％、であるＷＣ基微粒超硬合金において、該Ｖ含有量に１００を乗じた値をＷｖとし、該ＷＣにおける単位体積当たりの表面積の総和をＳｗｃ（μｍ^２／ｃｍ^３）としたとき、０．６≦Ｗｖ／Ｓｗｃ≦１０．５であることを特徴とするＷＣ基微粒超硬合金部材。
請求項１記載のＷＣ基微粒超硬合金部材において、該Ｃｏ含有量に対する該Ｃｒ含有量が重量比で０．０１〜０．２、であることを特徴とするＷＣ基微粒超硬合金部材。
請求項１又は２記載のＷＣ基微粒超硬合金部材において、該ｄ値が、ｄ≦０．４であることを特徴とするＷＣ基微粒超硬合金部材。