JP2014221942A - Hard particles, hard material, cutting tool, method of producing hard particles - Google Patents

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真人 道内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide hard particles suitable as a raw material of a hard material having defect resistance, which can serve as an alternative for hard metals, and to provide a hard material and a cutting tool using the hard particles.SOLUTION: The hard particles include a core and a shell covering the core. The core is composed of at least one of carbides, nitrides and carbonitrides containing at least one element selected from Group 4, 5 and 6 elements other than W of the Periodic Table, and Si. The shell is composed of polycrystalline WC of an average crystal grain size of 20-50 nm. The hard particles can have a core coated with polycrystalline WC by: dissolving a tungstic acid compound and an organic acid in a basic aqueous solution to disperse cores in a precursor solution; subjecting the precursor solution having the cores dispersed to ultrasonic cavitation; and dry firing the cores in a state where surfaces thereof are coated with the precursor.

Description

本発明は、鋼や鋳鉄、焼結合金などの金属材料を切削する工具の原料として好適な硬質粒子とその製造方法、その硬質粒子を用いた硬質材料、及びその硬質材料を用いた切削工具に関する。   The present invention relates to a hard particle suitable as a raw material of a tool for cutting a metal material such as steel, cast iron, and sintered alloy, a manufacturing method thereof, a hard material using the hard particle, and a cutting tool using the hard material. .

従来、鋼や鋳鉄、焼結合金を切削するための硬質材料としては超硬合金、或いはそれらの表面にセラミックスの硬質被覆を設けた被覆超硬合金が知られている。超硬合金は強度と破壊靱性に優れ、熱伝導率にも優れているため、鋼や鋳鉄の粗加工や断続切削などに用いる切削工具に適している。   Conventionally, as a hard material for cutting steel, cast iron, and sintered alloy, cemented carbide or a coated cemented carbide in which a hard coating of ceramics is provided on the surface thereof is known. Cemented carbide is excellent in strength and fracture toughness, and is also excellent in thermal conductivity, so it is suitable for cutting tools used for roughing and intermittent cutting of steel and cast iron.

超硬合金の主要原料であるタングステンは原料供給の地域偏在性が高く、供給リスクが懸念されるため、タングステンの使用量を削減し、かつ超硬合金の代替となり得る硬質材料の開発が望まれている。特許文献1には、Tiの炭化物及びTiの炭窒化物の少なくとも一方からなるコアと、WCで構成されてコアを覆うシェルとを有する硬質材料が開示されている。   Tungsten, the main raw material for cemented carbides, is highly localized in the region, and there is concern about supply risks. Therefore, it is desirable to develop hard materials that can replace tungsten and reduce the amount of tungsten used. ing. Patent Document 1 discloses a hard material having a core made of at least one of Ti carbide and Ti carbonitride and a shell made of WC and covering the core.

特開2013−14792号公報JP 2013-14792 A

従来の硬質材料では、特定材質のコアシェル構造の硬質相(硬質粒子)を用いることで、十分な耐摩耗性を確保しながら硬質相の熱伝導率を高め、特に硬質材料の耐熱衝撃性を高められるものの、更なる耐欠損性の向上が望まれている。   In conventional hard materials, the hard phase (hard particles) of a specific core / shell structure is used to increase the thermal conductivity of the hard phase while ensuring sufficient wear resistance, especially the thermal shock resistance of hard materials. However, further improvement in fracture resistance is desired.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的の一つは、超硬合金の代替となり得る耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性を備える硬質材料の原料として好適な硬質粒子とその製造方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性に優れる硬質材料及び切削工具を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is suitable as a raw material for a hard material having wear resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance, which can replace cemented carbide. The object is to provide hard particles and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a hard material and a cutting tool that are excellent in wear resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance.

本発明の硬質粒子は、コアと、コアを覆うシェルとを備える硬質粒子であって、コアは、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成され、シェルは、平均結晶粒径が20nm以上50nm以下の多結晶WCで構成されている。   The hard particle of the present invention is a hard particle having a core and a shell covering the core, and the core contains one or more elements selected from periodic table 4, 5, 6 elements other than W and Si. The shell is composed of at least one of carbide, nitride, and carbonitride contained therein, and the shell is composed of polycrystalline WC having an average crystal grain size of 20 nm to 50 nm.

本発明の硬質粒子の製造方法は、以下の工程を備える。
(A)タングステン酸化合物と有機酸とを塩基性水溶液中に溶解して前駆体溶液を作製する準備工程。
(B)前駆体溶液の中に、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成されるコアを分散させる分散工程。
(C)コアを分散させた前駆体溶液に対して超音波キャビテーションを照射して、コアの表面に前駆体を被覆させる被覆工程。
(D)前駆体が被覆されたコアを乾燥し、不活性雰囲気中で焼成して、前駆体から多結晶WCを合成する乾燥焼成工程。
The method for producing hard particles of the present invention includes the following steps.
(A) A preparatory step for preparing a precursor solution by dissolving a tungstic acid compound and an organic acid in a basic aqueous solution.
(B) The precursor solution is composed of at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides containing one or more elements selected from Group 4, 5 and 6 elements of the periodic table excluding W and Si. A dispersion step of dispersing the core to be dispersed.
(C) A coating step in which the precursor solution in which the core is dispersed is irradiated with ultrasonic cavitation to coat the precursor on the surface of the core.
(D) A drying and firing step in which the core coated with the precursor is dried and fired in an inert atmosphere to synthesize polycrystalline WC from the precursor.

本発明の硬質粒子は、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性に優れ、切削工具の原料として好適に利用できる。   The hard particles of the present invention are excellent in wear resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance, and can be suitably used as a raw material for cutting tools.

また、本発明の硬質粒子の製造方法は、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性に優れる硬質粒子を生産性よく製造することができる。   Moreover, the manufacturing method of the hard particle of this invention can manufacture the hard particle which is excellent in abrasion resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance with high productivity.

実施形態に係る硬質粒子の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hard particle which concerns on embodiment. 実施形態に係る切削工具の切刃近傍を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the cutting blade vicinity of the cutting tool which concerns on embodiment.

[本発明の実施形態の説明]
超硬合金では、WC粒度を微粒化することで、耐摩耗性に影響を与える硬度は向上するが、耐欠損性に影響を与える靱性が低下する傾向がある。本発明者が鋭意研究したところ、WCを多結晶とすることで、硬度と靱性とを共に向上することができることを見出した。以下、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
In cemented carbide, by reducing the WC grain size, the hardness that affects the wear resistance is improved, but the toughness that affects the fracture resistance tends to decrease. As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that by making WC polycrystalline, both hardness and toughness can be improved. The contents of the embodiments of the present invention will be listed and described below.

(1)実施形態の硬質粒子は、コアと、コアを覆うシェルとを備える硬質粒子であって、上記コアは、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成され、上記シェルは、平均結晶粒径が20nm以上50nm以下の多結晶WCで構成されている。   (1) The hard particle of the embodiment is a hard particle including a core and a shell covering the core, and the core is one selected from periodic table 4, 5, 6 elements other than W and Si The shell is composed of at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides containing the above elements, and the shell is composed of polycrystalline WC having an average crystal grain size of 20 nm to 50 nm.

上記した実施形態の硬質粒子によれば、シェルが多結晶WCで構成されていることで、シェルの硬度と靱性とを共に向上することができる。多結晶WCの平均結晶粒径が20nm以上であることで、結晶粒界の熱抵抗を低減することができる。よって、シェルを熱伝導パスとすることで、高熱伝導率の硬質材料とでき、耐熱衝撃性に優れる硬質材料とできる。多結晶WCの平均結晶粒径が50nm以下であることで、シェルの硬度及び靱性を向上することができ、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる硬質材料とできる。   According to the hard particle | grains of above-described embodiment, both the hardness and toughness of a shell can be improved because the shell is comprised by the polycrystal WC. When the average crystal grain size of the polycrystalline WC is 20 nm or more, the thermal resistance of the crystal grain boundary can be reduced. Therefore, by using the shell as a heat conduction path, a hard material having high thermal conductivity can be obtained, and a hard material having excellent thermal shock resistance can be obtained. When the average crystal grain size of the polycrystalline WC is 50 nm or less, the hardness and toughness of the shell can be improved, and a hard material excellent in wear resistance and fracture resistance can be obtained.

(2)実施形態の硬質粒子としては、上記コアは、Tiを含有することが挙げられる。   (2) As hard particle | grains of embodiment, it is mentioned that the said core contains Ti.

コアがTiを含有することで、シェルを構成するWCとの線膨張係数差を比較的小さくでき、シェルの形成過程や硬質材料の焼結過程における熱履歴でシェルに亀裂が生じたり、シェルが部分的に剥がれたりすることを抑制できる。また、WCに比べて硬度の高い材料でコアを構成することができる。   When the core contains Ti, the difference in coefficient of linear expansion from the WC constituting the shell can be made relatively small, and the shell may crack due to the thermal history in the shell formation process or the sintering process of the hard material. It can suppress peeling off partially. Further, the core can be made of a material having higher hardness than WC.

(3)実施形態の硬質粒子としては、上記コアの平均粒径は、0.5μm以上5.0μm以下であることが挙げられる。   (3) As the hard particles of the embodiment, the average particle diameter of the core is 0.5 μm or more and 5.0 μm or less.

コアの平均粒径が0.5μm以上であることで靱性が向上し、5.0μm以下であることで硬度が向上する。また、実施形態の硬質粒子を原料に硬質材料を製造した場合、硬質材料の熱伝導率の向上効果が得られ易い。   The toughness is improved when the average particle size of the core is 0.5 μm or more, and the hardness is improved when the average particle size is 5.0 μm or less. In addition, when a hard material is manufactured using the hard particles of the embodiment as a raw material, the effect of improving the thermal conductivity of the hard material is easily obtained.

(4)実施形態の硬質粒子としては、上記シェルの平均厚みは、50nm以上300nm以下であることが挙げられる。   (4) As the hard particles of the embodiment, the average thickness of the shell is 50 nm or more and 300 nm or less.

シェルの平均厚みが50nm以上であることでシェルを熱伝導パスとすることで、高熱伝導率の硬質材料とでき、耐熱衝撃性に優れる硬質材料とできる。シェルの厚みが300nm以下であることでシェルに亀裂が生じ難く、やはり高熱伝導率の硬質材料とでき、耐摩耗性及び耐熱衝撃性に優れる硬質材料とできる。   When the shell has an average thickness of 50 nm or more, the shell can be used as a heat conduction path, whereby a hard material with high thermal conductivity can be obtained and a hard material excellent in thermal shock resistance can be obtained. When the thickness of the shell is 300 nm or less, cracks are unlikely to occur in the shell, and it can be a hard material with high thermal conductivity, and can be a hard material excellent in wear resistance and thermal shock resistance.

(5)実施形態の硬質材料は、硬質相と、鉄族金属を含む結合相とを備える硬質材料であって、上記硬質相は、上述した実施形態の硬質粒子を含む。   (5) The hard material of the embodiment is a hard material including a hard phase and a binder phase containing an iron group metal, and the hard phase includes the hard particles of the above-described embodiment.

実施形態の硬質材料は、上述した実施形態の硬質粒子を原料としているため、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性に優れる。   Since the hard material of the embodiment uses the hard particles of the embodiment described above as a raw material, it is excellent in wear resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance.

(6)実施形態の切削工具は、逃げ面及びすくい面の両面の稜線部で構成される切刃とその近傍とを含む切刃周辺領域を備える。少なくとも上記切刃周辺領域は、上記した実施形態の硬質材料からなる基材と、上記基材を覆う硬質被覆とを備える。上記基材を構成する硬質材料は、上記逃げ面及びすくい面の少なくとも一部において上記コアが露出することなく上記シェルで覆われている。   (6) The cutting tool of the embodiment includes a cutting edge peripheral region including a cutting edge constituted by ridge lines on both sides of the flank face and the rake face and the vicinity thereof. At least the cutting edge peripheral region includes a base material made of the hard material of the above-described embodiment and a hard coating covering the base material. The hard material which comprises the said base material is covered with the said shell, without exposing the said core in at least one part of the said flank and rake face.

実施形態の硬質材料で基材を構成し、その基材表面に硬質被覆を設けた切削工具とした場合、切刃周辺領域、特に切削工具の逃げ面及びすくい面の少なくとも一部の基材を構成するコアがシェルで覆われていることで、硬質被覆がWCのシェルに対して成膜されることになる。そのため、コアが露出している基材に対して硬質被覆を成膜する場合に比べて、硬質被覆の基材への密着力を高めることができる。その結果、切削工具としての寿命を長くできる。この切削工具は、上述した硬質材料を用いているため、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性に優れる。   When a base material is constituted by the hard material of the embodiment and the cutting tool is provided with a hard coating on the base material surface, at least a part of the base material in the peripheral region of the cutting edge, in particular, the flank and rake face of the cutting tool. Since the core to be formed is covered with a shell, a hard coating is formed on the shell of the WC. Therefore, the adhesion of the hard coating to the base material can be increased as compared with the case where the hard coating is formed on the base material from which the core is exposed. As a result, the life as a cutting tool can be extended. Since this cutting tool uses the hard material mentioned above, it is excellent in abrasion resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance.

(7)実施形態の硬質粒子の製造方法は、以下の工程を備える。
(A)タングステン酸化合物と有機酸とを塩基性水溶液中に溶解して前駆体溶液を作製する準備工程。
(B)前駆体溶液の中に、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成されるコアを分散させる分散工程。
(C)コアを分散させた前駆体溶液に対して超音波キャビテーションを照射して、コアの表面に前駆体を被覆させる被覆工程。
(D)前駆体が被覆されたコアを乾燥し、不活性雰囲気中で焼成して、前駆体から多結晶WCを合成する乾燥焼成工程。
(7) The manufacturing method of the hard particle | grains of embodiment is equipped with the following processes.
(A) A preparatory step for preparing a precursor solution by dissolving a tungstic acid compound and an organic acid in a basic aqueous solution.
(B) The precursor solution is composed of at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides containing one or more elements selected from Group 4, 5 and 6 elements of the periodic table excluding W and Si. A dispersion step of dispersing the core to be dispersed.
(C) A coating step in which the precursor solution in which the core is dispersed is irradiated with ultrasonic cavitation to coat the precursor on the surface of the core.
(D) A drying and firing step in which the core coated with the precursor is dried and fired in an inert atmosphere to synthesize polycrystalline WC from the precursor.

上記した実施形態の硬質粒子の製造方法によれば、耐摩耗性、耐熱衝撃性、及び耐欠損性に優れる硬質粒子を生産性よく製造することができる。被覆工程において、超音波キャビテーションを利用することで、メカノケミカルな反応場をコア表面に限定でき、効率よくコアの表面に前駆体を被覆することができる。より詳細には、超音波キャビテーションを前駆体溶液に対して照射することで、水溶液中にキャビテーション気泡を発生させ、このキャビテーション気泡の崩壊により生じる強い衝撃力により前駆体をコアの表面に被覆することができる。このとき、前駆体溶液中のW濃度により、後述する乾燥焼成工程において形成する多結晶WCの平均結晶粒径が調整される。W濃度が高い場合には、被覆される前駆体の粒度が大きくなるため、多結晶WCの平均結晶粒径を大きくできる。一方、W濃度が低い場合には、被覆される前駆体の粒度が小さくなるため、多結晶WCの平均結晶粒径を小さくできる。乾燥焼成工程において、前駆体が被覆されたコアを乾燥して前駆体被覆粒子を取り出し、この前駆体被覆粒子に熱処理を施すことで、前駆体を多結晶WCに変換することができる。   According to the method for producing hard particles of the above-described embodiment, hard particles having excellent wear resistance, thermal shock resistance, and fracture resistance can be produced with high productivity. By using ultrasonic cavitation in the coating step, the mechanochemical reaction field can be limited to the core surface, and the precursor can be efficiently coated on the core surface. More specifically, cavitation bubbles are generated in the aqueous solution by irradiating the precursor solution with ultrasonic cavitation, and the core is coated on the surface of the core by a strong impact force generated by the collapse of the cavitation bubbles. Can do. At this time, the average crystal grain size of the polycrystalline WC formed in the drying and firing step described later is adjusted by the W concentration in the precursor solution. When the W concentration is high, the particle size of the precursor to be coated increases, so that the average crystal particle size of the polycrystalline WC can be increased. On the other hand, when the W concentration is low, the particle size of the precursor to be coated becomes small, so that the average crystal particle size of the polycrystalline WC can be made small. In the drying and firing step, the precursor-coated core is dried, the precursor-coated particles are taken out, and the precursor-coated particles are subjected to a heat treatment, whereby the precursor can be converted into polycrystalline WC.

(8)実施形態の硬質粒子の製造方法としては、上記タングステン酸化合物として、パラタングステン酸アンモニウムを使用することが挙げられる。   (8) As a manufacturing method of the hard particle of embodiment, using ammonium paratungstate as said tungstic acid compound is mentioned.

パラタングステン酸アンモニウムを使用すると、前駆体溶液中のWの濃度を向上できるため、コアの表面にWを効率よく被覆することができる。   When ammonium paratungstate is used, the concentration of W in the precursor solution can be improved, so that W can be efficiently coated on the surface of the core.

[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present invention]
Details of the embodiment of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to the claim are included.

〔硬質粒子〕
実施形態に係る硬質粒子10は、図1にその一例を示すように、コアシェル構造を有する。コア11は、コアシェル構造の硬質粒子10の中心部を構成し、十分な硬度を備えることで、主に硬質材料の耐摩耗性の向上に寄与する機能を有する。シェル12は、コア11の外周を覆い、硬質材料の靱性を確保すると共に、硬質材料中に高熱伝導率の熱伝導パスを形成することで、主に硬質材料の耐欠損性及び耐熱衝撃性の向上に寄与する機能を有する。
[Hard particles]
The hard particles 10 according to the embodiment have a core-shell structure as shown in FIG. The core 11 constitutes the central portion of the hard particle 10 having a core-shell structure, and has a function that contributes mainly to improvement of the wear resistance of the hard material by having sufficient hardness. The shell 12 covers the outer periphery of the core 11 and ensures the toughness of the hard material, and forms a heat conduction path with a high thermal conductivity in the hard material, so that mainly the fracture resistance and the thermal shock resistance of the hard material are formed. It has a function that contributes to improvement.

《コア》
コアの材質は、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種である。具体的には、TiC,TiN,TiCNなどが挙げられる。これらTi系化合物をコアの材質に選択することで、耐摩耗性に優れる硬質粒子とすることができる。なお、硬質粒子からなる粉末は、全ての硬質粒子のコアを同じ材質で構成しても良いし、異なる材質からなるコアの硬質粒子が混在していても良い。
"core"
The material of the core is at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides containing one or more elements selected from Group 4, 5 and 6 elements of the periodic table excluding W and Si. Specifically, TiC, TiN, TiCN, etc. are mentioned. By selecting these Ti compounds as the core material, hard particles having excellent wear resistance can be obtained. In the powder made of hard particles, the cores of all hard particles may be made of the same material, or hard particles of cores made of different materials may be mixed.

コアの平均粒径は、0.5μm以上5.0μm以下であることが好ましい。コアの平均粒径は、特に硬度と靱性に寄与する。両者のバランスを考慮すると、1.0μm以上4.0μm以下、さらには1.5μm以上3.0μm以下であることが好ましい。この平均粒径は、硬質粒子を原料として製造した硬質材料に対して、切断面を平面研削後に鏡面研磨して、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で写真撮影を行い、フルマンの式を用いて算出した値である。なお、実施形態の硬質粒子を原料として製造した硬質材料におけるコアの平均粒径(焼結後の平均粒径)は、後述するように粉砕メディアを用いない混合方法を経て製造されると好ましく、その場合、原料粉末におけるコアの平均粒径がほぼ維持されている。   The average particle size of the core is preferably 0.5 μm or more and 5.0 μm or less. The average particle size of the core contributes particularly to hardness and toughness. Considering the balance between the two, it is preferably 1.0 μm or more and 4.0 μm or less, more preferably 1.5 μm or more and 3.0 μm or less. This average particle size is determined by applying a full-man formula to a hard material manufactured using hard particles as a raw material, cutting the surface of the cut surface after mirror polishing, and taking a photograph with a scanning electron microscope (SEM). Is a value calculated using. In addition, the average particle diameter of the core in the hard material manufactured using the hard particles of the embodiment as a raw material (average particle diameter after sintering) is preferably manufactured through a mixing method that does not use pulverization media as described later. In that case, the average particle diameter of the core in the raw material powder is substantially maintained.

《シェル》
シェルが多結晶WCで構成されることで、複数の微小な単結晶の集合体でシェルを構成できるため、硬度と靱性とを共に向上することができる。多結晶WCの平均結晶粒径は、20nm以上50nm以下であることが好ましい。この多結晶WCの平均結晶粒径は、硬質粒子を原料として製造した硬質材料の切削面を集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)加工して、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)で写真撮影を行い、フルマンの式を用いて算出した値である。
"shell"
Since the shell is composed of polycrystalline WC, the shell can be composed of an aggregate of a plurality of minute single crystals, so that both hardness and toughness can be improved. The average crystal grain size of the polycrystalline WC is preferably 20 nm or more and 50 nm or less. The average crystal grain size of the polycrystalline WC is obtained by processing a focused ion beam (FIB) on a cutting surface of a hard material manufactured using hard particles as a raw material, and using a transmission electron microscope (TEM). This is a value calculated using the Fullman equation after taking a picture.

シェルの平均厚みは、50nm以上300nm以下であることが好ましい。特に、硬質粒子を原料として製造した硬質材料の高熱伝導化の効果を顕著にするには、100nm以上、さらには200nm以上であることが好ましい。この平均厚みは、硬質材料の切削面をFIB加工して、TEMで写真撮影を行い、複数の硬質粒子における10点以上の測定点のシェルの厚みをフルマンの式を用いて算出した値である。   The average thickness of the shell is preferably 50 nm or more and 300 nm or less. In particular, in order to make the effect of increasing the thermal conductivity of a hard material produced using hard particles as a raw material, it is preferably 100 nm or more, more preferably 200 nm or more. This average thickness is a value obtained by performing FIB processing on the cut surface of the hard material, taking a photograph with a TEM, and calculating the thickness of the shell at 10 or more measurement points in a plurality of hard particles using the Fullman equation. .

〔硬質粒子の製造方法〕
硬質粒子の製造方法は、準備工程と、分散工程と、被覆工程と、乾燥焼成工程とを備える。各工程について詳細に説明する。
[Method for producing hard particles]
The method for producing hard particles includes a preparation step, a dispersion step, a coating step, and a drying and firing step. Each step will be described in detail.

《準備工程》
準備工程は、タングステン酸化合物と有機酸とを塩基性水溶液中に溶解して前駆体溶液を作製する。タングステン酸化合物としては、例えば、パラタングステン酸アンモニウム、タングステン酸アルミニウム、タングステン酸ナトリウムなどを用いることができる。中でも、パラタングステン酸アンモニウムは、前駆体溶液中のWの濃度を向上できる点で好ましい。有機酸としては、例えば、蟻酸、マレイン酸、フマル酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸などを用いることができる。塩基性水溶液としては、例えば、強塩基である水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物による水溶液や、弱塩基であるアンモニア水溶液や水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属の水酸化物による水溶液、あるいは上記以外の金属の水酸化物による水溶液を用いることができる。
<< Preparation process >>
In the preparation step, a tungstic acid compound and an organic acid are dissolved in a basic aqueous solution to prepare a precursor solution. As the tungstic acid compound, for example, ammonium paratungstate, aluminum tungstate, sodium tungstate, or the like can be used. Among these, ammonium paratungstate is preferable in that the concentration of W in the precursor solution can be improved. Examples of organic acids that can be used include formic acid, maleic acid, fumaric acid, acetic acid, citric acid, and oxalic acid. Examples of the basic aqueous solution include an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide which is a strong base, or an alkaline earth metal hydroxide such as an aqueous ammonia solution or calcium hydroxide which is a weak base. An aqueous solution of a substance or an aqueous solution of a metal hydroxide other than the above can be used.

前駆体溶液に占めるW濃度を変えることで、シェルを構成する多結晶WCの平均結晶粒径を変えることができる。つまり、W濃度が高くなるようにタングステン酸化合物を溶解すると、多結晶WCの平均結晶粒径が大きくなる。前駆体溶液中のW濃度が6.5質量%以上10.0質量%以下となるようにタングステン酸化合物を含有することで、平均結晶粒径が20nm以上50nm以下のWCのシェルを形成することができる。このW濃度は、使用した原料の配合比から簡便に求めることができるが、プラズマ発光分析(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectoscopy:ICP−AES)によって前駆体溶液から直接測定することもできる。タングステン酸化合物と有機酸の配合比は、モル比で1:2〜1:3が好ましい。   By changing the W concentration in the precursor solution, the average crystal grain size of the polycrystalline WC constituting the shell can be changed. That is, when the tungstic acid compound is dissolved so as to increase the W concentration, the average crystal grain size of the polycrystalline WC increases. Forming a WC shell having an average crystal grain size of 20 nm or more and 50 nm or less by containing a tungstic acid compound so that the W concentration in the precursor solution is 6.5 mass% or more and 10.0 mass% or less. Can do. This W concentration can be easily determined from the blending ratio of the raw materials used, but can also be directly measured from the precursor solution by plasma emission analysis (ICP-AES). The mixing ratio of the tungstic acid compound and the organic acid is preferably 1: 2 to 1: 3 in terms of molar ratio.

《分散工程》
前駆体溶液の中に、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成されるコア粉末を分散させる。TiCやTiCNなどのコア粉末の他、Wの固溶されたコア粉末も、Wの固溶量の異なる各種粉末を市販品から選択することができる。
<< Dispersing process >>
A core composed of at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides containing one or more elements selected from periodic table 4, 5, 6 elements other than W and Si, in the precursor solution Disperse the powder. In addition to core powders such as TiC and TiCN, various powders having different W solid solution amounts can be selected from commercially available core powders in which W is solid solution.

《被覆工程》
被覆工程は、コアを分散させた前駆体溶液に対して超音波キャビテーションを照射して、コアの表面に前駆体を被覆させる。この前駆体は、タングステン酸化合物と有機酸とが縮合反応した状態であると推測される。超音波キャビテーションは、市販の超音波照射器を使用することができる。照射する超音波の出力は特に限定されず適宜変更可能であり、一例としては300μAの出力で被覆工程を実施可能である。超音波の照射時間を調整することで、コアの表面に被覆される前駆体の厚みを変えることができる。照射時間を5min以上60min以下とすることで、平均厚みが50nm以上300nm以下のWCのシェルを形成することができる。
<Coating process>
In the coating step, the precursor solution in which the core is dispersed is irradiated with ultrasonic cavitation to coat the surface of the core with the precursor. This precursor is presumed to be a state in which a tungstic acid compound and an organic acid are subjected to a condensation reaction. A commercially available ultrasonic irradiator can be used for the ultrasonic cavitation. The output of the ultrasonic wave to be irradiated is not particularly limited and can be changed as appropriate. For example, the coating process can be performed with an output of 300 μA. By adjusting the ultrasonic irradiation time, the thickness of the precursor coated on the surface of the core can be changed. By setting the irradiation time to 5 min to 60 min, a WC shell having an average thickness of 50 nm to 300 nm can be formed.

《乾燥焼成工程》
前駆体が被覆されたコアを乾燥し、不活性雰囲気中で焼成して、前駆体から多結晶WCを合成する。前駆体が被覆されたコアの乾燥は、例えばスプレードライヤーなどの乾燥手段を用いて噴霧乾燥することができる。この乾燥した被覆前駆体を、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で焼成することで、前駆体を多結晶WCに変化させる。焼成温度は、1000℃以上1400℃以下が好ましい。焼成温度を1000℃以上とすることで、前駆体の多結晶WCへの変換が容易となり、1400℃以下とすることで被覆とコアの固相反応を抑制することができる。焼成時間については特に限定されない。一例としては、0.5時間以上4時間以下の焼成時間で前駆体を十分に多結晶WCに変換することができる。
<< dry firing process >>
The core coated with the precursor is dried and fired in an inert atmosphere to synthesize polycrystalline WC from the precursor. The core coated with the precursor can be spray-dried using a drying means such as a spray dryer. The dried coating precursor is baked in an inert gas atmosphere such as argon to change the precursor to polycrystalline WC. The firing temperature is preferably 1000 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. By setting the firing temperature to 1000 ° C. or higher, conversion of the precursor to polycrystalline WC becomes easy, and by setting it to 1400 ° C. or lower, the solid phase reaction between the coating and the core can be suppressed. The firing time is not particularly limited. As an example, the precursor can be sufficiently converted into polycrystalline WC in a firing time of 0.5 hours or more and 4 hours or less.

〔硬質材料〕
製造した硬質粒子からなる粉末を含む硬質相粉末を原料粉末に用いて硬質材料を得ることができる。硬質材料は、硬質相粉末を結合相で結合した焼結体で構成される。
[Hard material]
A hard material can be obtained by using, as a raw material powder, a hard phase powder containing a powder made of hard particles produced. The hard material is composed of a sintered body in which a hard phase powder is bonded with a binder phase.

《その他の硬質相粉末》
硬質相粉末は、上述した実施形態の硬質粒子の粉末だけでもよいが、必要に応じて他の硬質相粉末を添加しても良い。他の硬質相粉末としては、周期表4,5,6族元素から選ばれる少なくとも一種の金属元素とC及びNの少なくとも一種の元素との化合物、即ち、上記金属元素の炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種が利用できる。TaCとNbCの少なくとも一方を含むと鋼に対する耐反応性を向上でき、ZrC、ZrCN、及びZrNの少なくとも一種を含むと高温での硬質材料の強度を向上させることができる。
《Other hard phase powder》
The hard phase powder may be only the hard particle powder of the above-described embodiment, but other hard phase powder may be added as necessary. Other hard phase powders include compounds of at least one metal element selected from Group 4, 5, 6 elements of the periodic table and at least one element of C and N, that is, carbides, nitrides of the above metal elements, and At least one kind of carbonitride can be used. When at least one of TaC and NbC is included, the resistance to steel can be improved, and when at least one of ZrC, ZrCN, and ZrN is included, the strength of the hard material at high temperature can be improved.

《結合相》
結合相は硬質粒子を結合する材料で、鉄族金属が好ましい。特に、CoとNiの少なくとも一方は硬質粒子と濡れ性が高く好ましい。結合相がCoを主体とすると特に焼結性が向上し、焼結体を緻密とし易く、強度、破壊靱性を向上できる。一方、Niは耐食性に優れる。また、結合相中にはW、Cr、Ru、Cなど、硬質粒子の構成元素が固溶していても構わない。特にW、Cr、Ruの少なくとも一種の固溶量が多いと結合相が固溶強化され、硬質材料の靭性を向上できて好ましい。
<< Binder Phase >>
The binder phase is a material that binds the hard particles, and is preferably an iron group metal. In particular, at least one of Co and Ni is preferable because of high wettability with hard particles. When the binder phase is mainly composed of Co, the sinterability is improved, the sintered body can be easily made dense, and the strength and fracture toughness can be improved. On the other hand, Ni is excellent in corrosion resistance. Moreover, the constituent elements of hard particles such as W, Cr, Ru, and C may be dissolved in the binder phase. In particular, a large amount of at least one solid solution of W, Cr, and Ru is preferable because the binder phase is strengthened by solid solution and the toughness of the hard material can be improved.

結合相は、硬質材料全体に対して3質量%以上20質量%以下含有することが好ましい。結合相の含有量が多いほど硬質材料の靱性や焼結性が高くなる傾向があり、少ないと強度や靭性が低下する傾向にある。   The binder phase is preferably contained in an amount of 3% by mass to 20% by mass with respect to the entire hard material. As the binder phase content increases, the toughness and sinterability of the hard material tend to increase, and when the content is small, the strength and toughness tend to decrease.

〔硬質材料の製造方法〕
硬質材料の製造方法は、混合工程と、成形工程と、焼結工程とを備える。各工程について詳細に説明する。
[Method of manufacturing hard material]
The manufacturing method of a hard material includes a mixing step, a forming step, and a sintering step. Each step will be described in detail.

《混合工程》
原料粉末として硬質相粉末と結合相粉末とを準備し、各原料粉末を適宜な混合手段でできるだけ均一に混合して混合粉末とする。混合工程においては、硬質粒子のコアシェル構造を損傷しないように原料粉末を混合することが重要である。つまり、この混合工程では、シェルに亀裂が生じたり、剥離が生じたりすることのないような混合手段を選択する。具体的には、例えば、原料粉末にエタノールやアセトンなどの有機溶媒を合わせてスラリーとし、このスラリーに超音波を照射しながら、粉砕メディアを用いることなく混合する。この混合方法によれば、原料粉末を実質的に粉砕することなく、かつシェルを損傷させることなく原料粉末を混合することができる。硬質粒子が結合相の被覆層を備える場合や、そうでない場合でもメディアの径を小さくしたビーズミルなどの衝撃力の小さい粉砕メディアを用いた混合方法の利用も期待できる。
《Mixing process》
A hard phase powder and a binder phase powder are prepared as raw material powders, and each raw material powder is mixed as uniformly as possible by an appropriate mixing means to obtain a mixed powder. In the mixing step, it is important to mix the raw material powder so as not to damage the core-shell structure of the hard particles. That is, in this mixing step, a mixing means is selected that does not cause cracks or peeling in the shell. Specifically, for example, the raw material powder is mixed with an organic solvent such as ethanol or acetone to form a slurry, and the slurry is mixed without pulverizing media while being irradiated with ultrasonic waves. According to this mixing method, the raw material powder can be mixed without substantially pulverizing the raw material powder and without damaging the shell. The use of a mixing method using a grinding medium having a small impact force such as a bead mill in which the diameter of the medium is reduced may be expected even when the hard particles are provided with a coating layer of a binder phase.

原料粉末を混合して混合粉末としたら、通常、この混合粉末にバインダを加え、スプレードライヤーなどの乾燥手段を用いて噴霧乾燥して造粒する。バインダとしては、パラフィンワックスやポリエチレングリコールなどが挙げられる。このバインダの含有量は、上記原料粉末とバインダの合計に対して、1〜4質量%程度が好ましい。   When the raw material powder is mixed to obtain a mixed powder, usually, a binder is added to the mixed powder, and the mixture is spray-dried using a drying means such as a spray dryer and granulated. Examples of the binder include paraffin wax and polyethylene glycol. As for content of this binder, about 1-4 mass% is preferable with respect to the sum total of the said raw material powder and a binder.

《成形工程》
混合工程で得られた混合粉末の成形は、混合粉末を金型に充填し、所定の圧力で所定の形状に成形する。成形方法としては、乾式加圧成形法、冷間静水圧成形法、射出成形法、押出成形法などが挙げられる。この成形時の圧力は、50〜200MPa程度が好ましい。また、成形体の形状は、求められる製品の形状に応じて、過度に複雑形状とならないような適宜な形状を選択する。最終的な製品形状へは、必要に応じて、仮焼後もしくは焼結後に適宜な機械加工を行えばよい。
<Molding process>
Molding of the mixed powder obtained in the mixing step is performed by filling the mold with the mixed powder and molding it into a predetermined shape with a predetermined pressure. Examples of the molding method include a dry pressure molding method, a cold isostatic pressing method, an injection molding method, and an extrusion molding method. The molding pressure is preferably about 50 to 200 MPa. Moreover, the shape of a molded object selects the appropriate shape which does not become an excessively complicated shape according to the shape of the product calculated | required. The final product shape may be appropriately machined after calcination or sintering as necessary.

《焼結工程》
成形体の焼結は、液相の生じる温度域で成形体を所定時間保持して行うことが好適である。焼結温度は1300℃以上1600℃以下程度が好ましい。焼結温度を高くし過ぎると、硬質相を構成する粒子が成長し易い。保持時間は0.5時間以上2.0時間以下程度、特に1.0時間以上1.5時間以下程度が好ましい。加熱時の雰囲気は、窒素,アルゴンなどの不活性ガス雰囲気又は真空(0.1〜0.5Pa程度)、又は減圧水素雰囲気とすることが好ましい。
<< Sintering process >>
It is preferable to perform the sintering of the compact by holding the compact for a predetermined time in a temperature range where a liquid phase is generated. The sintering temperature is preferably about 1300 ° C to 1600 ° C. If the sintering temperature is too high, particles constituting the hard phase tend to grow. The holding time is preferably about 0.5 to 2.0 hours, particularly preferably about 1.0 to 1.5 hours. The atmosphere during heating is preferably an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, vacuum (about 0.1 to 0.5 Pa), or a reduced-pressure hydrogen atmosphere.

この焼結工程において、原料粉末の段階からシェルに亀裂や剥離などの損傷が実質的にない硬質粒子を用いているため、シェルがバリアとなって液相がコアに接触することを阻止し、コアと液相の間で構成元素同士の相互拡散が抑止される。また、シェル表面の一部が液相に溶解しても、シェル上に再析出するだけである。その結果、シェルは、コアに含有される元素が固溶されて熱伝導率の低い固溶体となることなく、WCのまま維持される。もし硬質粒子の一部のシェルに亀裂や剥離があったとしても、そのような硬質粒子はごく一部のため、大半の硬質粒子のシェルはTiWCやTiWCNなどの熱伝導率の低い固溶体とならず、WCのまま維持される。実施形態の硬質粒子からなる粉末全体のうち、シェルに亀裂や剥離が認められない粒子の割合は、70%以上、さらには80%以上、特に90%以上であることが好ましい。この割合は、SEMやTEMによる焼結体の断面の観察により、(シェルに亀裂や剥離が認められない硬質粒子の数/硬質粒子の全数)×100を算出することで求める。その際、硬質粒子の全数は30個以上となるように、必要に応じて複数視野での観察を行う。   In this sintering process, since hard particles that are substantially free of damage such as cracking and peeling are used in the shell from the raw material powder stage, the shell serves as a barrier to prevent the liquid phase from contacting the core, Interdiffusion between constituent elements between the core and the liquid phase is suppressed. Moreover, even if a part of the shell surface is dissolved in the liquid phase, it only re-deposits on the shell. As a result, the shell is maintained as WC without the element contained in the core being dissolved and becoming a solid solution with low thermal conductivity. Even if some shells of hard particles are cracked or peeled off, such hard particles are only a part, so most of the hard particle shells should be solid solutions with low thermal conductivity such as TiWC and TiWCN. Instead, the WC is maintained. In the entire powder composed of the hard particles of the embodiment, the proportion of particles in which cracks and peeling are not recognized in the shell is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more. This ratio is obtained by calculating (number of hard particles in which cracks and peeling are not recognized in the shell / total number of hard particles) × 100 by observing the cross section of the sintered body by SEM or TEM. At that time, observation with a plurality of visual fields is performed as necessary so that the total number of hard particles is 30 or more.

また、焼結工程において、焼結温度を所定の時間保持して加熱した成形体を冷却する際、真空、又はアルゴンといった不活性ガス雰囲気で冷却することが好ましい。   Further, in the sintering step, when the molded body heated by holding the sintering temperature for a predetermined time is cooled, it is preferably cooled in an inert gas atmosphere such as vacuum or argon.

〔切削工具〕
製造した硬質材料を用いた切削工具は、例えば図2に示すように、基材110と、基材110を覆う硬質被覆120とを備える。図2では、切削工具の上面がすくい面、左斜面が逃げ面で、両面の稜線部が切刃である。
〔Cutting tools〕
The manufactured cutting tool using the hard material includes, for example, as shown in FIG. 2, a base material 110 and a hard coating 120 that covers the base material 110. In FIG. 2, the upper surface of the cutting tool is a rake face, the left slope is a flank face, and the ridge lines on both sides are cutting edges.

《切刃周辺領域》
実施形態の切削工具では、基材全体を上述した実施形態の硬質材料で構成し、基材110の全面を硬質被覆120で覆っている。但し、実施形態の硬質材料で構成する箇所は、少なくとも切削に関与する領域、つまり切刃とその近傍を含む切刃周辺領域であればよく、硬質被覆120の形成領域も同様である。切刃周辺領域は、逃げ面摩耗、クレータ摩耗が生じ易い領域や、切り屑が接触する領域をも含む。実施形態の硬質材料からなる基材110を切刃周辺領域に用いることで、耐摩耗性、耐熱衝撃性に加え、耐欠損性に優れた切削工具とすることができる。特に、基材110を構成する硬質材料では、コアがシェルに覆われて露出されていないため、次述する硬質被覆120がコアではなくシェルを構成するWC上に形成されることになり、硬質被覆120の基材110に対する密着性を高めることができる。これは、硬質被覆120が部分的に異なる材質(TiC、TiCN、WC)に対して形成されるのではなく、一様な材質(WC)に対して形成されるためであると考えられる。特に、硬質被覆120をPVD法で成膜した場合、硬質被覆120の構成材料の核がWC上に形成され易いことも、この密着力の向上に寄与していると考えられる。一方、切削工具では刃先処理を行うことがある。その場合、刃先処理領域はシェルが損傷し、コアが露出されることがある。但し、その場合でも、刃先処理領域でない逃げ面とすくい面の少なくとも一部では、コアが露出することなくシェルに覆われている。そのため、基材110の全被覆領域に亘ってシェルの損傷した硬質粒子の割合が高い場合に比べれば、硬質被覆120の基材110に対する密着性は十分に高い。
<Area around cutting edge>
In the cutting tool of the embodiment, the entire base material is made of the hard material of the above-described embodiment, and the entire surface of the base material 110 is covered with the hard coating 120. However, the portion formed of the hard material of the embodiment may be at least a region related to cutting, that is, a peripheral region of the cutting blade including the cutting blade and the vicinity thereof, and the formation region of the hard coating 120 is the same. The peripheral region of the cutting edge includes a region where flank wear and crater wear are likely to occur, and a region where chips come into contact. By using the base material 110 made of the hard material of the embodiment in the peripheral region of the cutting edge, it is possible to obtain a cutting tool having excellent fracture resistance in addition to wear resistance and thermal shock resistance. In particular, in the hard material constituting the base material 110, the core is not exposed by being covered with the shell. Therefore, the hard coating 120 described below is formed on the WC constituting the shell instead of the core. The adhesion of the coating 120 to the substrate 110 can be enhanced. This is considered to be because the hard coating 120 is not formed on partially different materials (TiC, TiCN, WC) but on a uniform material (WC). In particular, when the hard coating 120 is formed by the PVD method, the fact that the core of the constituent material of the hard coating 120 is easily formed on the WC is considered to contribute to the improvement of the adhesion. On the other hand, cutting edge processing may be performed with a cutting tool. In that case, the cutting edge processing region may damage the shell and expose the core. However, even in that case, the core is covered with the shell without exposing at least a part of the flank face and the rake face which are not the blade edge processing region. Therefore, the adhesiveness of the hard coating 120 to the base material 110 is sufficiently high as compared with the case where the ratio of hard particles with damaged shells is high over the entire coating region of the base material 110.

《硬質被覆》
実施形態の切削工具は、基材110の少なくとも切刃周辺領域に硬質被覆120を備えていることが好ましい。硬質被覆を設けることで、より高い耐摩耗性を得ることができる。
《Hard coating》
The cutting tool of the embodiment preferably includes the hard coating 120 in at least the peripheral region of the cutting edge of the substrate 110. By providing the hard coating, higher wear resistance can be obtained.

硬質被覆120の材質は、周期表4,5,6族の金属,Al,Si及びBからなる群から選択される1種以上の元素と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群から選択される1種以上の元素との化合物とすることが好ましい。具体例としては、TiCN,Al,TiAlN,TiN,AlCrNなどが挙げられる。硬質被覆120の膜構造は、1層でも多層でもよい。硬質被覆120の合計厚さは1〜20μm程度が好ましい。硬質被覆120の形成方法は、熱CVD法などのCVD法、カソードアークイオンプレーティング法などのPVD法のいずれもが利用できる。 The material of the hard coating 120 is selected from the group consisting of one or more elements selected from the group consisting of metals of Group 4, 5, 6 of the periodic table, Al, Si and B, and carbon, nitrogen, oxygen and boron. It is preferable to use a compound with one or more elements. Specific examples include TiCN, Al 2 O 3 , TiAlN, TiN, and AlCrN. The film structure of the hard coating 120 may be a single layer or multiple layers. The total thickness of the hard coating 120 is preferably about 1 to 20 μm. As a method for forming the hard coating 120, any of CVD methods such as a thermal CVD method and PVD methods such as a cathode arc ion plating method can be used.

なお、図2では硬質被覆120を有する切削工具を示しているが、この被覆がなく基材110だけで構成される切削工具であってもよい。   In addition, although the cutting tool which has the hard coating 120 is shown in FIG. 2, the cutting tool which does not have this coating | cover and is comprised only with the base material 110 may be used.

〔試験例1〕
シェルが多結晶WCで構成されたコアシェル構造の硬質粒子の試料を製造し、さらにその硬質粒子を原料粉末に含む硬質材料を製造し、硬質粒子、硬質材料、及び切削工具の評価を行う。試料No.1〜試料No.17は、以下に示す手順によって製造し、試料No.18は、シェルを約1000℃の高温下でCVD法によって形成して製造した。
[Test Example 1]
A sample of core-shell structured hard particles whose shell is composed of polycrystalline WC is manufactured, a hard material containing the hard particles in the raw material powder is manufactured, and the hard particles, the hard material, and the cutting tool are evaluated. Sample No. 1 to Sample No. 17 is manufactured by the procedure shown below, and sample No. No. 18 was manufactured by forming a shell by a CVD method at a high temperature of about 1000 ° C.

《準備工程》
タングステン酸化合物としてパラタングステン酸アンモニウム、有機酸として無水クエン酸を準備し、これらをアンモニア水溶液中に溶解して前駆体溶液を作製した。パラタングステン酸アンモニウムは、前駆体溶液に対して表1に記載のW濃度となるように含有し、パラタングステン酸アンモニウムと無水クエン酸の配合比は1:2モル比率となるようにした。
<< Preparation process >>
Ammonium paratungstate as a tungstic acid compound and anhydrous citric acid as an organic acid were prepared, and these were dissolved in an aqueous ammonia solution to prepare a precursor solution. The ammonium paratungstate was contained so as to have a W concentration shown in Table 1 with respect to the precursor solution, and the mixing ratio of ammonium paratungstate and anhydrous citric acid was 1: 2 molar ratio.

《分散工程》
硬質粒子のコアとなるTiC0.50.5の硬質粉末を準備し、これらを前駆体溶液中に混合して分散させる。TiC0.50.5の硬質粉末には、アトマイズ法で作製した表1に記載の平均粒径のTi粉末を炭窒化したものや、市販のTiCN粉末に分級加工を施して表1に記載の平均粒径としたものが利用できる。
<< Dispersing process >>
A hard powder of TiC 0.5 N 0.5 serving as a core of hard particles is prepared, and these are mixed and dispersed in the precursor solution. The hard powder of TiC 0.5 N 0.5 is obtained by carbonitriding Ti powder having an average particle size described in Table 1 prepared by an atomizing method, or by classifying commercially available TiCN powder in Table 1. Those having the average particle size described can be used.

《被覆工程》
硬質粉末を分散した前駆体溶液に対して、超音波照射器(日本精機製作所製US−600T)を用いて、照射する超音波の出力を300μAとし、表1に記載の照射時間で、超音波キャビテーションを照射した。
<Coating process>
With respect to the precursor solution in which the hard powder is dispersed, an ultrasonic irradiator (US-600T manufactured by Nippon Seiki Seisakusho Co., Ltd.) is used, the output of the ultrasonic wave to be irradiated is 300 μA, and the ultrasonic wave is irradiated with the irradiation time shown in Table 1. Cavitation was irradiated.

《乾燥焼成工程》
前駆体が被覆されたコアをスプレードライヤーなどの乾燥手段を用いて噴霧乾燥して取り出し、これらを焼成炉にて1150℃×0.5時間、アルゴン雰囲気中で焼成した。この焼成により、前駆体からWCが合成され、コアシェル構造を有する硬質粒子からなる複合粉末が得られる。
<< dry firing process >>
The core coated with the precursor was spray-dried using a drying means such as a spray dryer, and these were fired in a firing furnace in an argon atmosphere at 1150 ° C. for 0.5 hours. By this firing, WC is synthesized from the precursor, and a composite powder composed of hard particles having a core-shell structure is obtained.

《混合工程》
作製したコアシェル構造を有する複合粉末に、結合相となるCo粉末を12.5体積%と、TaNbCやCrといった添加物粉末を7.5体積%となるように配合して、硬質粒子のシェルを壊さないように混合した。具体的には、粉砕メディアを用いずに超音波を用いてエタノール中で原料粉末を混合した。
《Mixing process》
The composite powder having the core-shell structure is mixed with 12.5% by volume of Co powder as a binder phase and 7.5% by volume of additive powders such as TaNbC and Cr 3 C 2 to form hard particles. Mixed so as not to break the shell. Specifically, the raw material powder was mixed in ethanol using ultrasonic waves without using a grinding medium.

《成形工程》
これらの混合粉末を樟脳とエタノールを用いて造粒し、1ton/cm(約98MPa)の圧力でプレス成型して成形体とする。
<Molding process>
These mixed powders are granulated using camphor and ethanol, and press-molded at a pressure of 1 ton / cm 2 (about 98 MPa) to obtain a molded body.

《焼結工程》
最高温度1410℃、1時間保持の条件で真空下にて成形体を焼結して、焼結体を得た。焼結体の組成はほぼ原料粉末の配合組成と一致していることをEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)にて確認できる。また、焼結体中のシェルの平均粒径が、焼結前と変化ないことをFIB加工後のTEM観察で確認できる。
<< Sintering process >>
The compact was sintered under vacuum at a maximum temperature of 1410 ° C. and held for 1 hour to obtain a sintered body. It can be confirmed by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) that the composition of the sintered body substantially matches the composition of the raw material powder. Moreover, it can confirm by TEM observation after FIB processing that the average particle diameter of the shell in a sintered compact does not change before sintering.

得られた焼結体を#200のダイヤモンド砥石で座面の平面研削を行い、刃先処理を行って、形状がSNMG120408(逃げ面、すくい面は研削加工なし)なる形状の基材とする。この基材をSEMやTEMで観察したところ、逃げ面、すくい面のうち、刃先処理が及んでいない領域はシェルに亀裂や剥離の生じたコアシェル構造の複合粒子が実質的に存在しなかった。さらに、この基材の表面に公知のPVD法でTiAlN膜(硬質被覆)を5μmの平均厚みに被覆して切削工具とした。   The obtained sintered body is subjected to surface grinding of the seating surface with a # 200 diamond grindstone and subjected to blade edge processing to obtain a base material having a shape of SNMG120408 (the flank and rake face are not ground). When this base material was observed by SEM or TEM, the core-shell structured composite particles in which cracks and peeling occurred in the shell were substantially absent in the flank face and rake face area where the blade edge treatment was not performed. Furthermore, the surface of this base material was coated with a TiAlN film (hard coating) to an average thickness of 5 μm by a known PVD method to obtain a cutting tool.

Figure 2014221942
Figure 2014221942

この工具を用いて切削速度200m/min、送り量0.3mm/rev、切り込み1.5mm、切削時間5分間、乾式の条件で、SK5製の溝なしの被削材を切削試験し、逃げ面摩耗量(mm)を計測して耐摩耗性を評価した。試験結果を表2に示す。   Using this tool, cutting test was performed on a SK5 groove-free work material at a cutting speed of 200 m / min, a feed rate of 0.3 mm / rev, a cutting depth of 1.5 mm, a cutting time of 5 minutes, and a flank. The amount of wear (mm) was measured to evaluate the wear resistance. The test results are shown in Table 2.

また、同じ形状の工具を用いて、切削速度240m/min、送り量0.2mm/rev、切り込み1.5mm、湿式の条件で、SCM435製の4本のスロット溝付被削材を切削試験し、工具に欠損が発生するまでの回数を計測して耐欠損性を評価した。試験結果を表2に示す。   In addition, using a tool of the same shape, a cutting test was performed on four slotted workpieces made of SCM435 using a cutting speed of 240 m / min, a feed rate of 0.2 mm / rev, a cutting depth of 1.5 mm, and wet conditions. The fracture resistance was evaluated by measuring the number of times until the tool was damaged. The test results are shown in Table 2.

さらに、同じ形状の工具を用いて、切削速度220m/min、送り量0.15mm/rev、切り込み2.0mm、切削時間5分間、湿式の条件で、SCM435製の溝なしの被削材をフライス切削試験し、工具の硬質材料(基材)に導入された亀裂本数を計測して耐熱衝撃性を評価した。亀裂本数は、基材のSEMの組成像で観察して計測した。試験結果を表2に示す。   Further, using a tool having the same shape, milling a groove-free work material made of SCM435 using a cutting speed of 220 m / min, a feed rate of 0.15 mm / rev, a cutting depth of 2.0 mm, a cutting time of 5 minutes, and wet conditions. A cutting test was conducted, and the thermal shock resistance was evaluated by measuring the number of cracks introduced into the hard material (base material) of the tool. The number of cracks was measured by observing the SEM composition image of the substrate. The test results are shown in Table 2.

Figure 2014221942
Figure 2014221942

表2に示すように、シェルを構成する多結晶WCの平均結晶粒径が20nm以上50nm以下である試料No.1〜試料No.13は、耐摩耗性、耐欠損性、及び耐熱衝撃性がバランスよく発現している。多結晶WCの平均結晶粒径が20nm未満である試料No.14及び試料No.16は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れるものの、結晶粒界が熱抵抗となって耐熱衝撃性が低下したものと思われる。一方、多結晶WCの平均結晶粒径が50nm超である試料No.15及び試料No.17は、耐熱衝撃性に優れるものの、耐摩耗性が低下している。また、シェルをCVD法で形成した試料No.18は、多結晶WCが100nmの短軸及び300nmの長軸による柱状に形成され、耐摩耗性及び耐欠損性が低下している。   As shown in Table 2, the sample No. 1 in which the average crystal grain size of the polycrystalline WC constituting the shell is 20 nm or more and 50 nm or less. 1 to Sample No. No. 13 has a well-balanced expression of wear resistance, fracture resistance, and thermal shock resistance. Sample No. whose polycrystalline WC has an average crystal grain size of less than 20 nm 14 and sample no. Although No. 16 is excellent in abrasion resistance and fracture resistance, it is considered that the thermal shock resistance is lowered due to the thermal resistance of the crystal grain boundary. On the other hand, the sample No. 1 in which the average crystal grain size of the polycrystalline WC is more than 50 nm. 15 and Sample No. No. 17 is excellent in thermal shock resistance, but wear resistance is reduced. In addition, the sample No. 1 in which the shell was formed by the CVD method was used. In No. 18, polycrystalline WC is formed in a columnar shape with a short axis of 100 nm and a long axis of 300 nm, and wear resistance and fracture resistance are lowered.

WCの平均粒径のみが異なる(コアの平均粒径とシェルの厚みは同じ)試料No.1〜試料No.4を見ると、多結晶WCの平均結晶粒径が小さい程、耐欠損性に優れることがわかる。つまり、多結晶の場合、微粒化することで、硬度と靱性とを共に向上できると考えられる。しかし、多結晶WCの平均結晶粒径が20nm未満と小さ過ぎると、耐熱衝撃性が低下する。   Only the average particle diameter of WC is different (the average particle diameter of the core and the thickness of the shell are the same). 1 to Sample No. 4 indicates that the smaller the average crystal grain size of the polycrystalline WC, the better the fracture resistance. That is, in the case of polycrystal, it is considered that both hardness and toughness can be improved by atomization. However, if the average crystal grain size of the polycrystalline WC is too small as less than 20 nm, the thermal shock resistance is lowered.

また、表1に示すように、タングステン酸化合物(ここでは、パラタングステン酸アンモニウム)を、前駆体溶液に対してW濃度が6.5質量%以上10質量%以下となるように含有することで、多結晶WCの平均結晶粒径を20nm以上50nm以下となることがわかる。また、被覆工程において、超音波キャビテーションを5分以上60分以下照射することで、シェルの平均厚みを50nm以上300nm以下となることがわかる。   Moreover, as shown in Table 1, by containing a tungstic acid compound (here, ammonium paratungstate) so that the W concentration is 6.5% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the precursor solution. It can be seen that the average crystal grain size of the polycrystalline WC is 20 nm or more and 50 nm or less. In the coating step, it is understood that the average thickness of the shell is 50 nm or more and 300 nm or less by irradiating ultrasonic cavitation for 5 minutes or more and 60 minutes or less.

本発明の硬質粒子は、従来の超硬合金の代替原料としての利用が期待される。特に、この硬質粒子は、鋼と反応し難いことから、焼結体とした場合に、鋼加工用の切削工具として好適に利用することができる。また、本発明の硬質粒子の製造方法は、切削工具の製造分野などに利用することができる。   The hard particles of the present invention are expected to be used as an alternative raw material for conventional cemented carbide. In particular, since the hard particles do not easily react with steel, when used as a sintered body, the hard particles can be suitably used as a cutting tool for steel processing. Moreover, the manufacturing method of the hard particle | grains of this invention can be utilized for the manufacture field | area etc. of a cutting tool.

10 硬質粒子(硬質相)
11 コア 12 シェル
20 結合相
110 基材 120 硬質被覆
10 Hard particles (hard phase)
11 Core 12 Shell 20 Bonded phase 110 Base material 120 Hard coating

Claims (8)

コアと、前記コアを覆うシェルとを備える硬質粒子であって、
前記コアは、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成され、
前記シェルは、平均結晶粒径が20nm以上50nm以下の多結晶WCで構成されている硬質粒子。
Hard particles comprising a core and a shell covering the core,
The core is composed of at least one of a carbide, a nitride, and a carbonitride containing one or more elements selected from Group 4, 5 and 6 elements of the periodic table excluding W and Si,
The shell is a hard particle composed of polycrystalline WC having an average crystal grain size of 20 nm to 50 nm.
前記コアは、Tiを含有する請求項1に記載の硬質粒子。   The hard particle according to claim 1, wherein the core contains Ti. 前記コアの平均粒径は、0.5μm以上5.0μm以下である請求項1又は請求項2に記載の硬質粒子。   3. The hard particle according to claim 1, wherein an average particle diameter of the core is 0.5 μm or more and 5.0 μm or less. 前記シェルの平均厚みは、50nm以上300nm以下である請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の硬質粒子。   The hard particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the shell has an average thickness of 50 nm to 300 nm. 硬質相と、鉄族金属を含む結合相とを備える硬質材料であって、
前記硬質相は、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の硬質粒子を含む硬質材料。
A hard material comprising a hard phase and a binder phase containing an iron group metal,
The said hard phase is a hard material containing the hard particle as described in any one of Claims 1-4.
逃げ面及びすくい面の両面の稜線部で構成される切刃とその近傍とを含む切刃周辺領域を備える切削工具であって、
少なくとも前記切刃周辺領域は、
請求項5に記載の硬質材料からなる基材と、
前記基材を覆う硬質被覆とを備え、
前記基材を構成する硬質材料は、前記逃げ面及びすくい面の少なくとも一部において前記コアが露出することなく前記シェルで覆われている切削工具。
A cutting tool comprising a cutting edge peripheral region including a cutting edge composed of ridges on both sides of the flank and rake face and the vicinity thereof,
At least the peripheral area of the cutting edge is
A substrate made of the hard material according to claim 5;
A hard coating covering the substrate,
The hard material which comprises the said base material is the cutting tool with which the said core is covered with the said shell, without exposing in at least one part of the said flank and rake face.
コアの外側にシェルを形成する硬質粒子の製造方法であって、
タングステン酸化合物と有機酸とを塩基性水溶液中に溶解して前駆体溶液を作製する準備工程と、
前記前駆体溶液の中に、Wを除く周期表4,5,6族元素及びSiから選択される一つ以上の元素を含有する炭化物、窒化物、及び炭窒化物の少なくとも一種で構成されるコアを分散させる分散工程と、
前記コアを分散させた前記前駆体溶液に対して超音波キャビテーションを照射して、前記コアの表面に前駆体を被覆させる被覆工程と、
前記前駆体が被覆されたコアを乾燥し、不活性雰囲気中で焼成して、前記前駆体から多結晶WCを合成する乾燥焼成工程とを備える硬質粒子の製造方法。
A method for producing hard particles that forms a shell on the outside of a core,
A preparation step of preparing a precursor solution by dissolving a tungstic acid compound and an organic acid in a basic aqueous solution;
The precursor solution is composed of at least one of carbides, nitrides, and carbonitrides containing one or more elements selected from Si, periodic group 4, 5, 6 elements and Si, excluding W. A dispersion step of dispersing the core;
A coating step of irradiating the precursor solution in which the core is dispersed with ultrasonic cavitation to coat the precursor on the surface of the core;
A method for producing hard particles, comprising: drying a core coated with the precursor, firing in an inert atmosphere, and synthesizing polycrystalline WC from the precursor.
前記タングステン酸化合物として、パラタングステン酸アンモニウムを使用する請求項7に記載の硬質粒子の製造方法。   The method for producing hard particles according to claim 7, wherein ammonium paratungstate is used as the tungstic acid compound.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111621670A (en) * 2020-06-23 2020-09-04 上海交通大学 Multi-grain-size core-shell-structure titanium alloy block material and preparation method thereof
WO2022113477A1 (en) * 2020-11-27 2022-06-02 日本特殊陶業株式会社 Sintered compact and cutting tool

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