JP2014148693A - 超硬合金及びその製造方法、並びに超硬工具 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な強度を維持しつつ、工具基体を構成する超硬合金の潤滑性を向上する。
【解決手段】炭化タングステン（ＷＣ）とこのＷＣの粒子間を結合する結合金属とを有する超硬合金であって、ＷＣの粒子の少なくとも一部を、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造とし、低摩擦化能を付与した。この超硬合金は、ＷＣ粉末とＷＣの粒子間を結合する結合金属粉末を混合した超硬合金原料粉末から作製される。超硬合金原料粉末は圧縮成形されて圧粉体とされる。圧粉体は、加熱焼結されるとともに、窒素加圧雰囲気中で窒化処理されることにより、ＷＣの粒子の少なくとも一部にＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造を形成した超硬合金とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、低摩擦化能が付与された超硬合金及びその製造方法、並びに、切削工具や金型を含む超硬工具に関する。

切削加工時の衝撃的負荷に対し高い耐衝撃性（抗折力）を維持しつつ、潤滑性が付与され、長期の使用に亘って優れた仕上げ面精度を維持し、しかも、安定した切削性能を発揮する超硬工具が鋭意研究されて提案されている。この種の超硬工具として、炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメット、あるいは立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、チタンの窒化物（以下、ＴｉＮで示す。）層、チタンの炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す。）層、チタンとアルミニウムの複合窒化物（以下、ＴｉＡｌＮで示す。）層などの硬質被覆層を蒸着形成したものが提案されている。

この種の超硬工具は、例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられている。さらに、被覆工具と被削材間の潤滑性を高め切削抵抗を低減するために、硬質被覆層のさらにその表面に潤滑層若しくは潤滑膜を形成した被覆工具も知られている。

例えば、工具基体の最上層に潤滑膜を形成して潤滑性を向上した切削用の超硬工具として特許文献1に記載されたものがある。特許文献１の超硬工具は、工具基体表面に形成した硬質皮膜層のさらにその表面に、スパッタリング法を用いてＭｏＳ_２あるいはＭｏＳ_２の混合物皮膜を被服形成することにより潤滑性の向上を図っている。

また、この種の超硬工具の他の例として特許文献２に記載されたものがある。特許文献２に記載される超硬工具は、工具基体の表面に形成したＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＡｌＮ層のさらにその表面に、イオンプレーティング法によりＭＯＹ（但し、ＭはＳｉ，Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｒのいずれか１であり、０．２≦Ｙ＜２とする。）等からなる潤滑膜を形成することにより潤滑性の向上を図っている。

さらに、工具基体の表面に形成されたＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＡｌ層からなる硬質被覆層のさらにその表面に非晶質窒化珪素膜からなる潤滑膜を形成した切削用の超硬工具にあっては、切刃に対して衝撃的・断続的負荷が作用する湿式断続切削加工に適用したときに、チッピングや欠損等の異常損傷を抑制でき、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を維持し安定した切削特性を発揮することが知られている（特許文献３。）これは、非晶質窒化珪素膜が、優れた潤滑性を備えることによる。

さらにまた、工具基体を炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金焼結材料により形成した超硬工具において、上記工具基体の表面に立方晶窒化ホウ素（以下、ｃ−ＢＮとい。）、六方晶窒化ホウ素（以下、ｈ−ＢＮという。）及びアモルファス窒化ホウ素（以下、ａ−ＢＮという。）の混合相からなる複合硬質相の膜を形成し、優れた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮させたものが提案されている（特許文献４）。

特表平１１−５０９５８０号公報 特開２０００−２３３３２４号公報 特開２０１１−５１０３３号公報 特開２０１１−１９４５１２号公報

各種の鋼や鋳鉄などの被切削材料に切削加工を行う分野では、切削加工工程の自動化の伸展が著しいばかりか、切削加工に対する省力化とともに省エネルギー化が進められ、さらには、切削加工の一層の低コスト化が要求されている。このような技術課題の実現とともに低コスト化を実現するための切削加工条件に加え、一層の高速条件下での切削加工が要求されている。

また、金属材料等の加工材料を一定の形に成形するために用いられる金型においても、成形加工面の潤滑性が要求されている。しかし、内周面で加工材料の成形を行う金型にあっては、その構造から切削加工用の工具のように、工具基体の表面に潤滑性に優れた膜を形成することが極めて困難である。

さらに、自動車部品や機械部品等の部品を、温間若しくは熱間で鍛造する際に使用される金型等は、使用中に繰り返し受ける５００℃以上の高温により金型等表面が酸化することにより、微小な傷が生ずるなどの損傷を受け、成型品の寸法精度を高精度に維持することができなくなってしまう。

そこで、本発明は、上述のような工具基体の表面に潤滑層を形成する構成を採用することなく、潤滑性に優れ、しかも高い機械的な強度を有し、さらに耐酸化性に優れた超硬合金及びその製造方法を提供し、さらには、この超硬合金を工具基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具を提供することを目的に提案されるものである。

本発明者等は、潤滑性の向上を図り、機械的な強度の向上を実現することにより、研削物の被加工物の研削などに用いるときに生ずる異常損傷の発生を抑え、長期の使用に亘って、優れた仕上げ面精度を維持し、安定した加工特性を発揮する切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具を開発すべく鋭意研究を行った結果、優れた低摩擦化能を実現した本発明の開発に成功したものである。

本発明は、上述したような特性を実現した超硬合金及びこの超硬合金を用いた超硬工具であって、工具基体を構成する超硬合金の潤滑性を向上することにより、被加工材に切削等の加工を施すときに生ずる異常損傷の発生を抑え、長期の使用に亘って、優れた仕上げ面精度を維持し、安定した加工特性を実現したものである。

まず、本発明は、炭化タングステン（ＷＣ）の粒子間を結合金属により焼結結合した超硬合金であって、ＷＣの粒子の少なくとも一部を、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造としたものである。
ここで、結合金属として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金と２０重量％以下のＷ、ＣｒとＭｏと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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のいずれか１を用いることができる。
そして、結合金属の含有量は、超硬合金の全重量に対し３〜３０重量％の範囲にあることが望ましい。
また、本発明は、上述したいずれかの超硬合金を工具基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具である。

また、本発明は、超硬合金の製造方法であって、ＷＣ粉末とＷＣの粒子間を結合する結合金属粉末を混合した超硬合金原料粉末を作製し、次いで、超硬合金原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する。その後、圧粉体を窒素加圧雰囲気中で窒化処理し、ＷＣの粒子の少なくとも一部に、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造を形成するものである。

ここで、結合金属粉末として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金と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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のいずれか１が用いられる。

本発明に係る超硬合金の製造方法において、圧粉体は、真空中で加熱焼結された後、窒化処理が行われ、ＷＣの粒子の少なくとも一部に、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造が形成される。なお、圧粉体を窒化処理する工程は、圧粉体を加熱焼結する工程中で行うようにしてもよい。

本発明は、ＷＣの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造を備えることにより、抗折力の著しい低下を招くことなく、超硬工具に加工にしたときに要求される抗折力を維持しつつ摩擦抵抗を低減させることができる。そして、この超硬合金を工具基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具は、各種金属の切削や成形等の加工工程に用いたときに異常損傷が発生することを抑えることができ、さらに、長期の使用に亘って、優れた仕上げ面精度を維持して安定した加工特性を実現できる。

本発明による製造方法を採用して製造される超硬合金は、炭化タングステンの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造とされることにより、抗折力の著しい低下を招くことなく、低摩擦能がさらに改善される。

本発明に係る超硬合金を基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具は、低摩擦特性に優れ、一定の抗折力を維持しているので、切削や成形の加工能率を向上し、長寿命化を実現できる。

本発明に係る超硬合金、本発明に係る方法により製造される超硬合金は、ＷＣの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造とされることにより、熱に対する耐酸化性を向上することができる。そのため、本発明に係る超硬合金を用いた超硬工具の高寿命化を実現できる。

さらにまた、本発明に係る超硬合金は、５００℃以上の高温域での耐酸化性に優れることから、高温下で使用される熱間鍛造用の金型の素材として用いることができ、この超硬合金により形成した金型の高寿命化を実現できる。

本発明に係る超硬合金の組織を走査型電子顕微鏡により観察した写真であって、ＷＣの粒子の一部にＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造が形成されている状態を示す。 本発明に係る超硬金属と従来の超硬金属の摩擦係数をボールオンプレート法を用いて測定した結果を示すグラフである。 本発明に係る超硬金属と従来の超硬金属の耐酸化特性を比較して示すグラフである。 本発明の実施例２に係る超硬合金の組織を走査型電子顕微鏡により観察した写真であって、ＷＣの粒子の一部にＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造が形成されている状態を示す。 本発明の実施例３に係る超硬合金の組織を走査型電子顕微鏡により観察した写真であって、ＷＣの粒子の一部にＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造が形成されている状態を示す。 本発明の実施例４に係る超硬合金の組織を走査型電子顕微鏡により観察した写真であって、ＷＣの粒子の一部にＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造が形成されている状態を示す。

本発明に係る超硬合金は、ＷＣの粒子間を結合金属により焼結結合した超硬合金であって、ＷＣの粒子の少なくとも一部が、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造としたものである。

この超硬合金に用いられる結合金属として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金と２０重量％以下のＷ、ＣｒとＭｏと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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のいずれかを用いることができる。
ここで、超硬合金中の結合金属の含有量は、全重量の３〜３０重量％の範囲にあることが望ましい。結合金属の含有量が超硬合金の全体に対し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、３０重量％を超えると硬さや耐摩耗性が低下してしまうためである。

本発明に係る超硬合金は、次のような工程で製造される。まず、ＷＣ粉末とＷＣの粒子間を結合する結合金属粉末を混合した超硬合金原料粉末を作製する。次いで、超硬合金粉末材料にパラフィンワックスを添加して完成粉末とする。そして、この超硬合金完成粉末を圧縮成形して圧粉体とする。次いで、この圧粉体の脱脂を行う。圧粉体の脱脂は、水素雰囲気とされた炉内で約５５０〜７００℃に加熱されることにより行われる。

次に、脱脂処理された圧粉体を、真空又は還元ガス雰囲気とされた炉内で８００〜１５００℃の温度に加熱して焼結する。この加熱焼結された圧粉体をさらに窒素加圧雰囲気中で窒化処理することにより、本発明に係る超硬合金が製造される。

圧粉体の窒化処理は、圧粉体が投入された炉内に０．８〜１．０ＭＰａの窒素ガスを導入し、窒素加圧雰囲気とし、この炉内を８００〜１５００℃まで昇温して９０〜１００分程度保持することにより行われる。

加熱焼結された圧粉体は、窒素加圧雰囲気中で加熱処理されることにより、窒化処理が施された焼結合金としての超硬合金となる。

加熱焼結された圧粉体に窒化処理を施して製造される超硬合金には、ＷＣの粒子の少なくとも一部に、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造が形成される。

なお、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造を形成するための窒化処理工程は、圧粉体を加熱焼結する工程中で行うようにしてもよい。

上述したように、ＷＣの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造とされた超硬合金は、低摩擦能化が実現され、７００〜８００℃の高温に晒されたときの耐酸化性が改善される。

次に、本発明方法により製造される超硬合金の具体的な実施例を説明する。

〔実施例１〕
実施例１の超硬合金は、平均粒径を１．５μｍとするＷＣ粉末と平均粒径を１．１μｍとするＣｏ粉末をＷＣ粉末に対し９重量％の割合で混合した超硬合金原料粉末を用いて製造した。なお、ここで用いるＷＣの粉末及びＣｏの粉末は、いずれも市販されているものが用いられる。

ＷＣ粉末とＣｏ粉末を混合した超硬合金原料粉末は、エタノール溶媒と超硬合金製ボールとともにステンレス製ポット内に投入され、このポット内で３０時間混合粉砕される。ポット内で混合粉砕された超硬合金粉末材料は、ポット内から取り出され乾燥される。この粉砕乾燥された超硬合金原料粉末には、パラフィンワックスが添加される。パラフィンワックスが添加された超硬合金原料粉末は、所定の大きさに圧縮成形されて圧粉体とされる。

超硬合金原料粉末を圧縮成形して形成された圧粉体は、水素雰囲気中の炉内で約６００℃まで加熱されて脱脂される。脱脂された圧粉体は、真空雰囲気とされた後、室温から１１００℃まで昇温された炉内で９０分保持されることにより焼結される。その後、圧粉体が投入された炉内に窒素ガスを導入して０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気とし、この炉内を１３９０℃まで昇温して９０分間保持することにより、炉内に投入された圧粉体は窒化処理が施された超硬合金となる。ここで作製された超硬合金は、その後冷却され、試験片として用いられる。

ここで得られた試験片は、中央で切断される。切断された試験片の切断面に、ダイヤモンド砥石にて研削加工を施した後、ダイヤモンドペーストにて鏡面加工を施し、さらに、超硬合金を腐食する腐食液である村上試薬により食刻し、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。観察した結果を図１に示す。

超硬合金を構成するＷＣ粒子は、図１の写真からも明らかなように、ＷＣ核とその周辺に形成された周辺組織の二重構造を有している。ＷＣ核の周辺組織は、Ｗ（Ｃ，Ｎ）と推測される。

ここで作製した超硬合金の摩擦係数測定試験片を用いて摩擦係数の測定を行った。

なお、本実施例の超硬合金と比較するため、平均粒径を１．５μｍとするＷＣの粉末を９１重量％、平均粒径を１．１μｍとするＣｏの粉末を９重量％の割合で計量した超硬合金原料粉末を用いて超硬合金を作製した。この超硬合金は、原料粉末を圧縮成形し脱脂した圧粉体を、従来用いられている加熱焼結法により焼結して形成したものであって、窒化処理を施すことなく作製した。これを従来例とする。この試験片として用いられる従来例も、試験片として用いられる実施例１の超硬合金とほぼ同じ大きさとなるように作製した。

そして、摩擦係数の測定は、鏡面加工が施された摩擦係数測定試験片の測定面で行った。摩擦係数の測定面は、研削加工が施されて焼結表面の除去が行われ、さらに鏡面加工が施され形成される。

摩擦係数測定試験片の摩擦係数測定は、ボールオンプレート法を使用した。このボールオンプレート法は、１００ｇの加重を負荷したφ１０ｍｍのアルミ球を試験球とし、この試験球を摩擦係数測定試験片の測定面上で７ｍｍの間隔で往復運動させて発生する負荷を測定して行う、負荷の測定は、試験球に取り付けたロードセルにて行う。

その測定の結果を図２に示す。窒素加圧雰囲気とされた炉内で窒化処理が施されて作製された実施例１の焼結合金Ａの動摩擦係数は、図２に示すように、従来の焼結合金Ｂに比し十分な低下をみた。

また、上述した実施例１の超硬合金と、従来の超硬合金の抗折力を測定した。本実施例１に係る焼結合金Ａの抗折力は３．３ＧＰａであり、従来の超硬合金の抗折力は３．６ＧＰａであった。実施例１の超硬合金の抗折力は、従来の超硬合金に比し低下をみたが、超硬合金を基体に用いた超硬工具に要求される値は十分に維持している。

このように、本実施例１に係る超硬合金は、超硬工具に要求される抗折力を実現しながら、十分に摩擦係数の低減を図ることができた。したがって、本実施例１に係る超硬合金を基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具は、低摩擦特性に優れ、一定の抗折力を維持することができる。

さらに、実施例１に係る超硬合金の耐酸化特性の試験を行った。併せて、上述した従来の超硬合金の耐酸化特性の試験を行った。この耐酸化特性の試験は、作製した試験片を一定の温度に加熱した大気雰囲気中で所定時間加熱した後冷却したときに試験片の表面に生成される酸化領域の深さを測定したものである。ここで、耐酸化特性の試験は、試験片を６５０℃、７００℃、７５０℃、８００℃の各温度の大気雰囲気中で１時間加熱した後、常温まで冷却して行った。その試験結果を図３に示す。

図３に示す測定結果から明らかなように、実施例１の焼結合金Ａは、７００℃〜８００℃に加熱されたとき、従来の超硬合金Ｂに比し、表面に生成される酸化領域の深さの低減が認められた。

実施例１の超硬合金は、６５０℃〜８００℃程度に加熱されたときに、表面に発生する酸化領域の深さを抑えることができるので、この超硬合金を用いて熱間鍛造用の金型を作製した場合に、この金型表面の酸化を抑制することができる。したがって、本実施例１の超硬合金を用いることにより、従来作製が困難であった熱間鍛造用の金型を作製することができる。

〔実施例２〕
次に、実施例２の超硬合金を説明する。本実施例の超硬合金は、平均粒径を１．５μｍとするＷＣ粉末と平均粒径を１．１μｍとするＣｏ粉末をＷＣ粉末に対し１４重量％の割合で混合した超硬合金原料粉末を用いて製造した。

この実施例の超硬合金も、上述した実施例１の超硬合金と同様に製造される。この超硬合金を製造するには、まず、ＷＣ粉末とＣｏ粉末を混合した超硬合金原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成し、この圧粉体を水素雰囲気中の炉内で約６００℃まで加熱して脱脂する。次いで、この脱脂された圧粉体は、真空雰囲気とされた後室温から１１００℃まで昇温された炉内で９０分保持されて焼結される。その後、この加熱焼結された圧粉体は、炉内に窒素ガスを導入してこの炉内を０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気とし１３９０℃まで昇温された炉内で９０〜１００分程度保持されることより、窒化処理が施された超硬合金とされる。なお、ここで作製された超硬合金は、その後冷却され試験片として用いられる。

ここで作製された試験片も中央で切断され、この切断された試験片の切断面にダイヤモンド砥石にて研削加工を施した後、ダイヤモンドペーストにて鏡面加工を施し、さらに、超硬合金を腐食する腐食液である村上試薬により食刻し、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。観察した結果を図４に示す。

本実施例の超硬合金を構成するＷＣ粒子も、図４の写真からも明らかなように、ＷＣ核とその周辺に形成された周辺組織の二重構造を有している。ＷＣ核の周辺組織は、Ｗ（Ｃ，Ｎ）と推測される。

〔実施例３〕
次に、実施例３の超硬合金を説明する。本実施例の超硬合金は、平均粒径を６．０μｍとするＷＣ粉末と平均粒径を１．１μｍとするＣｏ粉末をＷＣ粉末に対し５重量％の割合で混合した超硬合金原料粉末を用いて製造した。

この実施例の超硬合金も、上述した実施例１、２の超硬合金と同様に製造されるので、製造方法の具体的な説明は上述の説明を参照して省略する。

ここで作製された試験片も中央で切断され、この切断された試験片の切断面にダイヤモンド砥石にて研削加工を施した後、ダイヤモンドペーストにて鏡面加工を施し、さらに、超硬合金を腐食する腐食液である村上試薬により食刻し、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。観察した結果を図５に示す。

本実施例の超硬合金を構成するＷＣ粒子も、図５の写真からも明らかなように、ＷＣ核とその周辺に形成された周辺組織の二重構造を有している。ＷＣ核の周辺組織は、Ｗ（Ｃ，Ｎ）と推測される。
〔実施例４〕
次に、実施例４の超硬合金を説明する。この超硬合金は、ＷＣ粉末とＣｏ粉末を主体とする混合粉末にＣｒ及びＶを添加した超硬合金原料粉末を用いて製造したものである。さらに具体的には、本実施例に用いる超硬合金原料粉末は、平均粒径を１．０μｍとするＷＣ粉末に対し平均粒径を１．１μｍとするＣｏ粉末を９重量％、Ｃｒを０．４５重量％、Ｖを０．２重量％の割合で混合した。

ここで作製された超硬合金原料粉末も、上述した各実施例と同様に、エタノール溶媒と超硬合金製ボールとともにステンレス製ポット内に投入され、このポット内で３０時間混合粉砕される。ポット内で混合粉砕された超硬合金粉末材料は、ポット内から取り出され乾燥される。この粉砕乾燥された超硬合金原料粉末には、パラフィンワックスが添加される。パラフィンワックスが添加された超硬合金原料粉末は、所定の大きさに圧縮成形されて圧粉体とされる。

そして、圧粉体は、水素雰囲気中の炉内で約６００℃まで加熱されて脱脂された後、真空雰囲気とされて室温から１１００℃まで昇温された炉内で９０分保持されて焼結される。その後、加熱焼結された圧粉体は、炉内に窒素ガスを導入してこの炉内を０．９ＭＰａの窒素加圧雰囲気とし１３９０℃まで昇温された炉内で９０分間保持されることより、窒化処理が施された超硬合金とされる。ここで作製された超硬合金は、その後冷却され試験片として用いられる。

ここで作製された試験片も中央で切断され、この切断された試験片の切断面にダイヤモンド砥石にて研削加工を施した後、ダイヤモンドペーストにて鏡面加工を施し、さらに、超硬合金を腐食する腐食液である村上試薬により食刻し、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。観察した結果を図６に示す。

本実施例の超硬合金を構成するＷＣ粒子も、図６の写真からも明らかなように、ＷＣ核とその周辺に形成された周辺組織の二重構造を有している。ＷＣ核の周辺組織は、Ｗ（Ｃ，Ｎ）と推測される。

上述したように、本発明に係る超硬合金を用いた超硬工具は、低摩擦化能を付与することにより優れた潤滑性、耐焼き付き性を備え、工具摩耗を低減し、被加工材の焼き付きを防止することで、従来の超硬工具に比して、各種の鋼や銅合金、アルミ合金といった軟質材料の鍛造、打ち抜き加工などの塑性加工に適用して有用となる。また、本発明に係る超硬合金を用いた超硬工具は、切削加工においても、優れた潤滑性、耐焼き付き性を備え、加工負荷が低減されることによりチッピング、欠損等の発生を抑え、長期に亘って安定した切削性能を発揮し得ることから、鍛造、打ち抜き及び切削加工装置の高性能化、並びにこれらの加工の省力化及び省エネ化、さらに低コスト化を実現できる。

さらに、本発明に係る超硬合金は、高温域での耐酸化特性に優れることから、従来用いることが困難であった熱間鍛造用の金型の素材として用いることが可能となる。

さらに、工具基体の表面に形成されたＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＡｌ層からなる硬質被覆層のさらにその表面に非晶質窒化珪素膜からなる潤滑膜を形成した切削用の超硬工具にあっては、切刃に対して衝撃的・断続的負荷が作用する湿式断続切削加工に適用したときに、チッピングや欠損等の異常損傷を抑制でき、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を維持し安定した切削特性を発揮することが知られている（特許文献３）。これは、非晶質窒化珪素膜が、優れた潤滑性を備えることによる。

まず、本発明は、炭化タングステン（ＷＣ）の粒子間を結合金属により焼結結合した超硬合金であって、ＷＣの粒子の少なくとも一部を、ＷＣ核とこのＷＣ核の周辺に形成された炭窒化タングステン周辺組織との二重構造としたものである。
ここで、結合金属として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金と２０重量％以下のＷ、ＣｒとＭｏと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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のいずれか１を用いることができる。そして、結合金属の含有量は、超硬合金の全重量に対し３〜３０重量％の範囲にあることが望ましい。
また、本発明は、上述したいずれかの超硬合金を工具基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具である。

また、本発明は、超硬合金の製造方法であって、ＷＣ粉末とＷＣの粒子間を結合する結合金属粉末を混合した超硬合金原料粉末を作製し、次いで、超硬合金原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する。その後、圧粉体を窒素加圧雰囲気中で窒化処理し、ＷＣの粒子の少なくとも一部を、ＷＣ核とこのＷＣ核の周辺に形成された炭窒化タングステン周辺組織との二重構造とするものである。

本発明は、ＷＣの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核とこのＷＣ核の周辺に形成された炭窒化タングステン周辺組織との二重構造とされたことにより、抗折力の著しい低下を招くことなく、超硬工具に加工にしたときに要求される抗折力を維持しつつ摩擦抵抗を低減させることができる。そして、この超硬合金を工具基体に用いた切削用の工具、さらには金型を含む超硬工具は、各種金属の切削や成形等の加工工程に用いたときに異常損傷が発生することを抑えることができ、さらに、長期の使用に亘って、優れた仕上げ面精度を維持して安定した加工特性を実現できる。

本発明に係る製造方法を採用して製造される超硬合金は、炭化タングステンの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核とこのＷＣ核の周辺に形成された炭窒化タングステン周辺組織との二重構造とされることにより、抗折力の著しい低下を招くことなく、低摩擦能がさらに改善される。

本発明に係る超硬合金、本発明に係る方法により製造される超硬合金は、ＷＣの粒子の一部若しくは全てがＷＣ核とこのＷＣ核の周辺に形成された炭窒化タングステン周辺組織との二重構造とされることにより、熱に対する耐酸化性を向上することができる。そのため、本発明に係る超硬合金を用いた超硬工具の高寿命化を実現できる。

Claims (9)

1. 炭化タングステン（ＷＣ）の粒子間を結合金属により焼結結合してなる超硬合金であって、
   前記ＷＣの粒子の少なくとも一部が、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造とされていることを特徴とする超硬合金。
2. 前記結合金属は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金と２０重量％以下のＷ、ＣｒとＭｏと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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のいずれか１であることを特徴とする請求項１記載の超硬合金。
3. 前記結合金属の含有量は、全重量に対し３〜３０重量％の範囲にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の超硬合金。
4. 工具基体を請求項１〜３のいずれか１に記載した超硬合金により形成したことを特徴とする超硬工具。
5. 請求項１〜３のいずれか１に記載した超硬合金により形成したことを特徴とする熱間鍛造用金型。
6. ＷＣ粉末と上記ＷＣの粒子間を結合する結合金属粉末を混合した超硬合金原料粉末を作製し、
   次いで、上記超硬合金原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成し、
   その後、上記圧粉体を窒素加圧雰囲気中で窒化処理し、上記ＷＣの粒子の少なくとも一部に、ＷＣ核とＷＣ周辺組織の二重構造を形成し低摩擦化能が付与された超硬合金の製造方法。
7. 前記結合金属粉末は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金と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、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｗ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のいずれか１からなることを特徴とする請求項６記載の超硬合金。
8. 前記圧粉体は、真空中で加熱焼結された後、前記窒化処理が行われ、前記ＷＣの粒子の少なくとも一部に、ＷＣ核と炭窒化タングステン周辺組織の二重構造を形成したことを特徴とする請求項６又は７に記載の超硬合金の製造方法。
9. 前記圧粉体を窒化処理する工程は、前記圧粉体を加熱焼結する工程中で行われることを特徴とする請求項６又は７に記載の超硬合金の製造方法。