JP2012229458A - 摩擦を低減させた超硬合金 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具として使用した際に生じる摩耗、被加工材による超硬工具への焼付き、加工負荷による超硬工具の破損など軽減し、超硬工具寿命を改善した超硬合金を提供する。
【解決手段】 鉄系金属を主成分とする結合相を３〜３０重量％と炭化タングステン
（以下ＷＣ）から成る硬質相を有する超硬合金において、該結合金属中に希土類（Ｓｃ
，Ｙを含む）の酸化物の１種類以上を含む酸化物が分散されており、該酸化物が全体に対して０．０１重量％以上含有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、摩擦係数を低減させた超硬合金に関するもので、具体的には、結合金属中に微細分散させた希土類酸化物の固体潤滑効果により摩擦係数を低下させた超硬合金であって、工具として使用した際に生じる摩耗、被加工材による超硬工具への焼付き、加工負荷による超硬工具の破損などを軽減し、超硬工具寿命を改善しようとするものである。

従来、超硬合金工具と被加工材との摩擦を低減する方法として、超硬合金工具表面にコーティングを施すことが一般的におこなわれている。コーティングは、ＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣｒＮ等のセラミックス膜を超硬工具表面に厚さ１〜１０μｍ程度成膜されている。例えば、ワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該ガイド及び／又は電極部材は硬質皮膜を被覆した被覆超硬合金から
なり、該超硬合金は重量％でＮｉが６％以上、２０％以下、Ｃｏが１％以下、残りがＷ
Ｃ、粒成長抑制成分及び不可避不純物であり、ＷＣの平均粒径が１μｍ以上、４μｍ以下であり、該硬質皮膜の摩擦係数が０．８以下からなり、硬質皮膜の金属元素は、Ｔｉ
及びＢを含有する窒化物、炭窒化物、酸窒化物及び酸炭窒化物のいずれかからなる硬質皮膜を被覆することが提案されている（特許文献１）。

他方、表面部のポアーに潤滑物質、例えば油を含浸させて、油の潤滑効果を最大限に活用するために、焼結合金の表面部のみにポアーを均一に分布させ、特定物質を均一分散させた焼結合金の表面部から特定物質を溶解除去し、それをポアーとして存在させ、特定物質としてはＣａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物が最適であるとして、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの酸化物，炭化物，硫化物およびこれらの相互固溶体またはカーボンの中の少なくとも１種の分散相２〜２５体積％と、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の硬質相５〜７０体積％と、残りフェライト，オーステナイト，マルテンサイトまたはＦｅを主成分として含む合金でなる結合相とすることが提案されている（特許文献２）。

特開２００５−２４６５４０号 特開平６−２７９９５９号

しかしながら、前者の超硬合金表面にコーティングを施した場合には、コーティング膜
と超硬母材との物理特性・機械特性の違いからコーティング膜の密着性不足によるコーティング膜のハクリが生じることがあり、かつ複雑形状品にはコーティングが難しい等の問題点がある。他方、後者の場合、鉄系焼結合金の表面摩耗性の改善には適するが、ＷＣを硬質層とする超硬合金には適用できない。そこで、本発明は、前者のコーティングの問題点を解決するとともに、ＷＣ超硬合金素材に適する摩擦係数を低減を図るべく鋭意研究の結果、被加工材すべり性を改善して超硬合金工具表面の焼付きを軽減して、超硬合金工具の工具寿命を改善する方策を見出した。

一般に、超硬合金の硬さと靱性に代表される材料特性は、一方を向上させると他方が低下する二律背反の関係にあり、硬さと靱性の両特性を同時に改善するものとして種々の提案がなされ、酸化物をＷＣ粒子内に分散させた特開平１１−１２４６５０が提案されているが、特定の酸化物がＷＣ粒子内でなく、結合相に分散する場合、全く予期しない物性が発揮されることを見出した。

すなわち、酸化物をＷＣ粒子内に分散させた特開平１１−１２４６５０号では、硬さ、強度、靱性、耐熱クラック性および耐熱衝撃性を高める作用があるとされているが、本発明者らは、酸化物をこれらのＷＣ粒子の改質による機械特性の向上ではなく、超硬合金を工具として使用した場合に生じる被加工材との摩擦に着目し、結合相に分散させると、超硬合金工具の摩擦係数を低減することで超硬合金工具の加工負荷を軽減し、かつ超硬合金工具の摩擦係数を低減することで被加工材のすべり性を改善し、被加工材の焼付きによる超硬合金の損耗を軽減するという効果を見い出した。

本発明では、図３の顕微鏡写真に示すように、超硬合金の結合金属相中に希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）酸化物の微細粒子を分散させることにより、超硬合金の摩擦係数が低下することを見い出し、これにより超硬合金工具の加工負荷が低減することで工具寿命が改善される知見を得て、本発明に至ったものである。希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）酸化物の微細粒子を分散させることで、超硬合金の摩擦係数が低下する理由は必ずしも明確ではないが、微細分散した酸化物が固体潤滑効果を発揮することにより、超硬合金の摩擦係数が低減したものと考えている。

本発明の超硬合金は、鉄系金属を主成分とする結合相を３〜３０質量％と炭化タングス
テン（以下ＷＣ）から成る硬質相を有する超硬合金において、該結合金属相中に希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）の酸化物の１種類以上を含む酸化物が分散されており、該酸化物が全体に対して０．０１重量％以上含有することを特徴とする超硬合金にある。

本発明の超硬合金は、出発原料物質中に、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）の金属粉末、又は酸化物粉末を添加、あるいは希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を溶媒に溶解して出発原料中に添加、もしくは粉末成形体を希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を溶媒に溶解した液中に浸漬して希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物溶液を含浸させることにより、焼結体の結合金属相中に希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）酸化物を微細分散させてあるので、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）酸化物の固体潤滑効果により超硬合金工具の加工負荷が低減し、長寿命のすぐれた超硬工具とすることができる。

ボールオンプレート法の測定概略図を示す。 摩擦係数測定装置の写真を示す。 実施例２の電子顕微鏡写真を示す。 比較例と実施例１〜５の摩擦係数変化を対照したグラフを示す図である。 比較例と実施例６〜９の摩擦係数変化を対照したグラフを示す図である。 比較例と実施例１０〜１２の摩擦係数変化を対照したグラフを示す図である。

本発明の超硬合金における結合相は、具体的には、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金および２０重量％以下のＷ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖを固溶したＣｏ−Ｗ合金，Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｖ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ−Ｃｒ合金またはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金などを挙げることができる。この結合相含有量は、超硬合金全体に対し３重量％未満では、合金内部に空孔が残存し強度・靱性が低下し、逆に３０重量％を超えて多くなると、硬さや耐摩耗性が低下するため、５〜３０重量％が適当である。

本発明の超硬合金における硬質相は炭化タングステン（ＷＣ）の他に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ属金属の炭化物、炭窒化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物およびこれらの相互固溶体の中の１種類以上からなる立方晶系化合物相を挙げることができる。具体的には、Ｔｉ（ＣＮ），Ｚｒ（ＣＮ），ＨｆＮ，（ＷＴｉ）Ｃ，（ＷＴｉＴａ）Ｃ，（ＷＴｉＴａ）（ＣＮ）などが挙げられる。これらの立方晶系化合物相は５０重量％を超えると炭化タングステンの量が相対的に少なくなり、強度・靱性が低下して超硬工具としての用途が限定されるため５０重量％以下が適当である。

結合金属中に分散し、酸化物として存在している希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）は、超硬合金の製造過程の加熱焼結工程で安定な酸化物であり、具体的には、Ｓｃ2Ｏ3,Ｙ2Ｏ3,
Ｌａ2Ｏ3,Ｃｅ2Ｏ3,Ｐｒ2Ｏ3,Ｎｄ2Ｏ3,Ｐｍ2Ｏ3,Ｓｍ2Ｏ3,Ｅｕ2Ｏ3,Ｇｄ2Ｏ3,Ｔｂ2Ｏ3,Ｄｙ2Ｏ3の１種類以上からなる酸化物が挙げられる。この他、比較的安定な酸化物としてＡｌ2Ｏ3,ＭｇＯなども挙げることができるが、結合金属中の分散性と安定性の点から希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）が特に好ましい。

この結合金属中の分散物としての酸化物含有比率は、全体に対して０．０１重量％未満では固体潤滑効果が不十分で超硬合金の摩擦係数を下げる効果が少ないため、酸化物の含有比率を全体に対して０．０１重量％以上が好ましい。また、全体に対して酸化物の含有比率が０．１重量％を超えると、平均粒径１μｍを超える酸化物の凝集を生じて超硬合金強度が低下するため、酸化物の含有比率を全体に対して０．１重量％以下が好ましい。

この結合金属中の分散物としての酸化物は微細で、かつ均一に分散されるのが好ましく、具体的には、平均粒径が０．５μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以下からなる。

本発明の超硬合金製造方法は、超硬合金を作成するための出発原料物質を混合・粉砕して混合粉末とする第１工程、該混合粉末を成形して粉末成形体とする第２工程、該粉末成形体を非酸化雰囲気または真空中で１２００〜１６００°Ｃに加熱焼結する第３工程とを含み、出発原料は鉄属金属を主成分とする結合相形成粉末と、ＷＣ粉末と、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）酸化物を含有している。

また、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）は出発原料物質中に、金属粉末、酸化物粉末の形態で添加してもよいが、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を溶媒に溶解して出発原料中に添加すると希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）が結合金属相中により微細に分散するので、好ましい。さらに、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を溶媒に溶解した液中に粉末成形体を浸漬して、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物溶液を含浸させて溶媒を乾燥させることにより、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を金属粉末中に分散させることもできる。

出発原料物質中に金属粉末で添加された希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）は他の出発原料物質に比較して極めて酸化され易いため、上記製造工程中の不可避の酸化や他の出発原料が含有する酸素により優先的に酸化されて酸化物を生成する。また、希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を溶媒に溶解して出発原料中に添加、あるいは粉末成形体を希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物を溶媒に溶解した液中に浸漬して含浸された希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）塩化物は、加熱焼結工程で分解して安定な酸化物を生成する。

〔実施例１−５及び比較例〕
表１に示されるように、市販されている平均粒径が１．５μｍのＷＣ、平均粒径が１．１μｍのＣｏを９重量％に、平均粒径が０．０５μｍのＹ2Ｏ3を０〜０．２重量％を添加した各粉末を用い、ステンレス製ポットにエタノール溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入して３０時間混合粉砕後、乾燥して混合粉末にパラフィンワックスを添加し完成粉末を得た。これらの完成粉末を１０×５×３１（ｍｍ）にプレス成形して抗折力試験片とした。また、２５×２５×１２．５（ｍｍ）にプレス成形して摩擦係数測定試験片とした。これらの試験片を水素雰囲気中８００℃にて脱脂後１３９０℃にて真空雰囲気中で焼結し、各試験片を得た。
その電子顕微鏡写真を図３に示す。

抗折力試験片はダイヤモンド砥石にて８×４×２５（ｍｍ）に研削加工した試料を用いて抗折力試験をおこなった。これらの実施例１〜５のＹ2Ｏ3添加濃度と比較材の抗折力測定結果を表１に示す。その結果、実施例５のＹ2Ｏ3添加濃度０．２００重量%において抗折力が著しく低下した。

摩擦係数測定試験片は研削加工にて焼結表面を除去した後鏡面加工を行い、摩擦係数測定に供した。摩擦係数測定はボールオンプレート法を使用した。図１にボールオンプレート法の測定概略図と図２に装置の写真を示す。摩擦係数測定の試験球は加重１００gを負荷したφ１０ｍｍのアルミ球を用い、７ｍｍスパン間で試験球を往復運動させて発生する負荷を試験球に取り付けたロードセルにて測定した。この結果を図４に示すが、Ｙ2Ｏ3添加濃度に比例して摩擦係数は低下した。

〔実施例６−９及び比較例〕
表２に示されるように、市販されている平均粒径が１．５μｍのＷＣ、平均粒径が１．１μｍのＣｏを９重量％に、Ｙ（ＮＯ3）3・６Ｈ2ＯをＹ2Ｏ3換算で０．００５〜０．２重量％を添加した各粉末を用い、ステンレス製ポットにエタノール溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入して３０時間混合粉砕後、乾燥して混合粉末にパラフィンワックスを添加し完成粉末を得た。これらの完成粉末を実施例１と同様の方法でプレス成形を行った後、抗折力試験片と摩擦係数測定試験片を作成して抗折力測定および摩擦係数測定を行った。Ｙ（ＮＯ3）3・６Ｈ2ＯのＹ2Ｏ3換算添加濃度と抗折力測定結果を表２に示す。また、摩擦係数測定結果を図５に示す。この結果から、Ｙ（ＮＯ3）3・６Ｈ2ＯのＹ2Ｏ3換算添加濃度０．２００重量％において抗折力は低下し、Ｙ（ＮＯ3）3・６Ｈ2ＯのＹ2Ｏ3換算添加濃度に比例して摩擦係数は低下した。

〔実施例１０−１３及び比較例〕
表３に示されるように、市販されている平均粒径が１．５μｍのＷＣ、平均粒径が１．１μｍのＣｏを９重量％添加した各粉末をもちい、ステンレス製ポットにエタノール溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入して３０時間混合粉砕後、乾燥して混合粉末にパラフィンワックスを添加し完成粉末を得た。これらの完成粉末を実施例１と同様の方法で抗折力試験片と摩擦係数測定試験片にプレス成形した後、水素雰囲気中８００℃にて脱脂した。

これらの試験片を、Ｙ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏ、Ｎｄ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏ，Ｇｄ（ＮＯ3）3・５Ｈ2Ｏ，Ｌｕ（ＮＯ3）3・３Ｈ2Ｏのアルコール溶液に浸漬して、含浸濃度が各含浸種が酸化物換算で０．１００重量％となるように含浸させた。その後、乾燥工程を経て１３９０℃にて真空雰囲気中で焼結した。これらの焼結試験片を実施例１と同様な方法で抗折力試験片と摩擦係数測定試験片を作成して、抗折力測定および摩擦係数測定をおこなった。含浸種と含浸種の酸化物換算濃度および抗折力測定結果を表３に示す。また、摩擦係数測定結果を図６に示す。上記含浸種を含浸させた実施例において摩擦係数が低下した。

Claims (4)

1. 鉄系金属を主成分とする結合相を３〜３０重量％と炭化タングステン（以下ＷＣ）から
   成る硬質相を有する超硬合金において、該結合金属中に希土類（Ｓｃ，Ｙを含む）の酸化物の１種類以上を含む酸化物が分散されており、該酸化物が全体に対して０．０１重量％以上含有することを特徴とする超硬合金。
2. 前記酸化物が全体に対して０．０１重量％以上０．１重量％以下含有する請求項１記載
   の超硬合金。
3. 炭化タングステン（以下ＷＣ）から成る硬質相に対して、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ
   属金属の炭化物、炭窒化物、窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物およびこれらの相互固溶体の中の１種類以上からなる立方晶系化合物相を５０重量％以下含有している請求項１又は２に記載の超硬合金。
4. 上記結合金属中に分散された酸化物は、平均粒形が１μｍ以下であることを特徴とする超硬合金。