JP2012077352A - 超硬合金及び超硬工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 コバルト（Ｃｏ）を使用しない超硬合金において、従来よりも抗折強度を高めた超硬合金及び超硬工具を提供する。
【解決手段】 炭化タングステン（ＷＣ）を含有する金属元素セラミックス粒子を分散させ、結合相が鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、及び不可避不純物から組成される超硬合金であって、前記結合相中のＢの含有量が０．０７質量％以上かつ０．２８質量％以下である。また、前記結合相中のＡｌの含有量が１０質量％以上かつ３３質量％以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超硬合金及び超硬工具に関する。

従来、炭化タングステン（ＷＣ）粒子と結合金属としてのコバルト（Ｃｏ）とを適切な割合で混合し、焼結させた超硬合金が知られている（特許文献１）。ＷＣ粒子とＣｏを混合し焼結させた超硬合金は、高硬度かつ高強度であることなどから、切削工具や金型などの超硬工具を製造するための材料として使用されている。

他方、耐酸化性を高める目的で、アルミニウム（Ａｌ）を結合金属に含めた超硬合金が提案されている（特許文献２）。しかしながら、Ａｌを結合金属に含めた超硬合金は、その抗折強度が２．０ＧＰａに達せず、超硬工具を製造するための材料としては使用できなかった。ここで、超硬工具とは、超硬合金を用いた切削工具、金型、耐摩工具、鉱山土木工具などである。

特許第２６２６８６３号公報 特許第２６１１１７７号公報

昨今、前記結合金属として使用されているコバルト（Ｃｏ）は希少資源であるが、その工業用途が拡大していることなどから資源枯渇の問題を有しており、価格が高騰し価格変動も大きいため、Ｃｏの供給が不安視されている。

しかしながら、従来、コバルト（Ｃｏ）を使用しない超硬合金は、その抗折強度が低く、超硬工具を製造するための材料としては使用できなかった（特許文献２等）。

このような実情に鑑みて、本発明の目的は、コバルト（Ｃｏ）を使用しない超硬合金において、従来よりも抗折強度を高めた超硬合金及び超硬工具を提供するものである。

本発明の超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）を含有する金属元素セラミックス粒子を分散させ、結合相が鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、及び不可避不純物から組成される超硬合金であって、前記結合相中のＢの含有量が０．０７質量％以上かつ０．２８質量％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、結合相としてのＦｅとＡｌとで構成される合金若しくは金属間化合物に適量のＢを添加することで、抗折強度が高められる。特に前記結合相中のＢの含有量を０．０７質量％以上かつ０．２８質量％以下とすることで、抗折強度に加えて破壊靱性などの機械的特性が向上し、ＷＣとこの結合相とで構成される超硬合金の機械的特性が改善される。前記結合相中のＢの含有量が少ないと機械的特性の改善効果が見られず、前記結合相中のＢの含有量が多いとＷやＦｅ等と結合してホウ化タングステンやホウ化鉄等のホウ化物が形成され、抗折強度の低下を招くこととなることから、前記結合相中のＢの含有量を０．０７質量％以上かつ０．２８質量％以下と規定している。

本発明は、前記結合相中のＡｌの含有量が１０質量％以上かつ３３質量％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、前記結合相中のＡｌの含有量を１０質量％以上かつ３３質量％以下と規定することで、好適な合金相となり、さらに好ましい割合は、前記結合相中のＡｌの含有量が１３質量％以上かつ２４質量％以下である。

本発明は、前記ＷＣの含有量が４０体積％以上かつ９０体積％以下であることを特徴とする。

前記ＷＣと結合相との割合は、超硬合金の使用目的により適宜調節される。この割合の値は、一般に体積％で表現されており、これは、前記結合相の密度が変化することによって前記ＷＣと結合相との重量比が変化した場合でも、前記ＷＣの含有量を体積％で表すことによって、前記ＷＣと結合相との割合を一定の値とし、超硬合金の硬さを決定付けられるからである。
本発明では、硬さを優先する用途の場合には前記ＷＣの含有量を増大させ、抗折強度や破壊靱性を優先する用途の場合には前記ＷＣの含有量を減少させる。前記ＷＣの含有量が少ないと必要な硬さが極端に低下し、前記ＷＣの含有量が多いと焼結が不十分となり空孔が多くなることで必要な抗折強度が得られないことから、前記ＷＣの含有量を４０体積％以上かつ９０体積％以下と規定している。

これら本発明の超硬合金から既知の製造方法によって本発明の超硬工具が得られる。

本発明は、前記金属元素セラミックス粒子が、ホウ化タングステン（ＷＢ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）のうちいずれか１種以上を含有することを特徴とする。

本発明によれば、前記金属元素セラミックス粒子として、ホウ化タングステン（ＷＢ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）のうちいずれか１種以上を含有させることで、硬さ、抗折強度、被加工材料との相性などを最適化した良好な加工性を有する超硬工具とすることができる。

本発明に使用される原料としてのＷＣ、Ｆｅ、Ａｌ、及びＢは粉末にて供給される。それぞれの原料には、不可避不純物が含有される。不可避不純物の多くは構成元素の酸化物として含有され、最終形態の構造材においても微量の酸素が存在する。この酸素を除くために本発明の超硬合金の製造過程では適量の炭素（Ｃ）を混合させており、最終形態の構造材においても微量のＣが存在する場合がある。

本発明に係る超硬合金の製造方法としては、粉末冶金法が最も適切である。粉末冶金法では、例えば、ＷＣ、Ｆｅ、Ａｌ、及びＢの各粉末を予め適量混合し、その混合粉末をプレス成型した後、真空中で適温に加熱し焼結させ焼結体とする。または、プレス成型と真空加熱を同時に行う手法、例えば、通電焼結法を採用してもよい。さらには、前記焼結体に熱間等方加圧焼結処理（ＨＩＰ処理）を施してもよい。

本発明によれば、結合相としてのＦｅとＡｌとで構成される合金若しくは金属間化合物に適量のＢを添加することで、抗折強度が高められ、特に前記結合相中のＢの含有量を０．０７質量％以上かつ０．３質量％以下とすることで、抗折強度に加えて破壊靱性などの機械的特性が向上し、ＷＣと前記結合相とで構成される超硬合金の機械的特性が改善される。前記結合相中のＡｌの含有量を１０質量％以上かつ３３質量％以下と規定することで、好適な合金相となり、さらに好ましい割合は、前記結合相中のＡｌの含有量が１３質量％以上かつ２４質量％以下である。

本発明では、硬さを優先する用途の場合には前記ＷＣの含有量を結が不十分となり空孔が多くなることで必要な抗折強度が得られないことから、前記ＷＣの含有量を４０体積％以上かつ９０体積％以下と規定している。前記金属元素セラミックス粒子として増大させ、抗折強度や破壊靱性を優先する用途の場合には前記ＷＣの含有量を減少させる。前記ＷＣの含有量が少ないと必要な硬さが極端に低下し、前記ＷＣの含有量が多いと、ホウ化タングステン（ＷＢ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）のうちいずれか１種以上を含有させることで、硬さ、抗折強度、被加工材料との相性などを最適化した良好な加工性を有する超硬工具とすることができる。
したがって、本発明によって、コバルト（Ｃｏ）を使用しない超硬合金において、従来よりも抗折強度を高めた超硬合金及び超硬工具が実現する。

本発明を適用した実施形態の超硬合金の結合相の組織を光学顕微鏡にて撮像した画像である。 本発明を適用した実施形態の超硬合金の結合相の組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて撮像した画像である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて以下に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明と実質同一又は均等の範囲内において、既知の変更を加えることが可能である。

（実施例１）
炭化タングステン（ＷＣ）の含有量を５０体積％とし、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＢの添加量を変化させて焼結体を作製し、抗折強度、硬さ、破壊靱性を測定した。測定結果を表１に示す。

表１から、硬さは結合相中のＢ量に依存せず、ＨＲＡ８０程度である。抗折強度は結合相中のＢ量が０．０７質量％から増加し、最大２．９２ＧＰａに達した。さらにＢ量を増加させ０．２８質量％以上となると、結合相中のホウ化物の析出が著しくなることによって、Ｂを添加しない場合と同程度まで抗折強度が低下した。

上記実施例にてＦｅ−Ａｌ結合相中のＢの添加量を０．２１質量％としたときの超硬合金の結合相の組織を、光学顕微鏡にて撮像した画像を図１に示し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて撮像した画像を図２に示す。図１に示す画像は、白く見える部分が結合相のＦｅ−Ａｌ金属間化合物であり、少し灰色がかって見え、線で囲まれたように見える部分が硬質相のＷＣであり、黒く見える部分がＢの化合物と推察する。図２に示す画像は、灰色の部分が結合相のＦｅ−Ａｌ金属間化合物であり、白く見える部分がＷＣであり、黒く見える部分がＡｌの酸化物と推察する。

上記実施例に示す結果から、コバルト（Ｃｏ）を使用しない超硬合金においても、従来よりも抗折強度を高めた超硬合金及び超硬工具となることがわかった。

（実施例２）
Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＢの添加量を０．１４質量％とし、炭化タングステン（ＷＣ）の含有量を変化させて焼結体を作製し、抗折強度、硬さ、破壊靱性を測定した。このときのＦｅ−Ａｌ結合相中のＡｌの含有量は１３．９質量％である。測定結果を表２に示す。

表２から、ＷＣ含有量の低下に伴って、硬さが低下し、抗折強度と破壊靭性が上昇することが判明した。

（実施例３）
炭化タングステン（ＷＣ）の含有量を５０体積％とし、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＡｌの添加量を変化させて焼結体を作製し、抗折強度、硬さ、破壊靱性を測定した。このときのＦｅ−Ａｌ結合相中のＢの添加量は０．１４質量％である。測定結果を表３に示す。

表３から、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＡｌ含有量の低下に伴って、硬さが低下し、抗折強度と破壊靭性が上昇することが判明した。表３で、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＡｌ含有量が３２．５質量％の焼結体は非磁性体であり、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＡｌ含有量が２４．３質量％の焼結体は非磁性体であり、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＡｌ含有量が１３．９質量％の焼結体は磁性体である。

（実施例４）
ＷＣ含有量を５０体積％とし、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＡｌの添加量を３３質量％とし、Ｆｅ−Ａｌ結合相中のＢの添加量を０．１４質量％とした場合のＷＣ−ＦｅＡｌ焼結体を本実施例の超硬合金とし、そして、ＷＣ含有量を７０体積％とし、Ｃｏ結合相とした場合のＷＣ−Ｃｏ焼結体を従来の超硬合金として、それぞれの超硬合金の銅に対する反応性を比較した。真空度が１．３Ｘ１０−^３の真空中において、各焼結体の上に銅を載置し、常温から１０９４℃の高温まで昇温した。銅の融点は１０８５℃であるので上記昇温中に銅は溶融する。そこで、各焼結体における、溶融した銅と焼結体とのぬれ性を調べることとし、溶融した銅が焼結体の上でドーム状になることから、銅と焼結体のつくる接触角度によって、ぬれ性の良否を判定することとした。調査の結果、本実施例のＷＣ−ＦｅＡｌ焼結体における１０９４℃での銅の接触角度は３７．２°であり、従来例のＷＣ−Ｃｏ焼結体における１０９４℃での銅の接触角度は１１．３°であった。つまり、本実施例の超硬合金のほうが従来例よりも結合相の割合が多いにもかかわらず、本実施例のＷＣ−ＦｅＡｌ焼結体のほうが銅とのぬれ性が悪い結果となった。すなわち、銅に対する反応性はＷＣ−Ｃｏ焼結体（従来例）よりＷＣ−ＦｅＡｌ焼結体（本実施例）のほうが低い結果となった。したがって、銅を含む材料を高温下で加工する際には、従来の材料を用いた超硬工具に比べて、本発明の開発材を用いた超硬工具のほうが好適であるといえるので、優れた切削工具や金型となる。

Claims (5)

1. 炭化タングステン（ＷＣ）を含有する金属元素セラミックス粒子を分散させ、結合相が鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、及び不可避不純物から組成される超硬合金であって、
   前記結合相中のＢの含有量が０．０７質量％以上かつ０．２８質量％以下であることを特徴とする超硬合金。
2. 前記結合相中のＡｌの含有量が１０質量％以上かつ３３質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の超硬合金。
3. 前記ＷＣの含有量が４０体積％以上かつ９０体積％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の超硬合金。
4. 前記金属元素セラミックス粒子が、ホウ化タングステン（ＷＢ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化モリブデン（Ｍｏ_２Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）のうちいずれか１種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超硬合金。
5. 前記請求項１ないし４のいずれか一項に記載の超硬合金からなる超硬工具。
   
   

Images