JP3008532B2 - 高硬度高靭性超硬合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプリント基板加工用ドリ
ル等の精密加工工具として好適な耐摩耗性に優れた高硬
度高靭性超硬合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属セラミックスは硬度を高めると靭性
が低下するという一般的傾向を有している。但しＣｏ及
び／又はＮｉを金属結合相としてこれに微細なＷＣ粒子
を分散させたＷＣ−Ｃｏ系超硬合金の場合は、ＷＣの粒
度を小さくすることによって、硬度と靭性の反比例関係
を抑制することが可能である。

【０００３】しかしながら上記ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金で
あっても、原料を合金化する際の焼結工程においてＷＣ
粒子が成長して粗大化すると粒度の不均一を生じてしま
い、かえって硬度・靭性の双方を低下させる恐れがあ
る。

【０００４】そこでＷＣ粒子の粗大化を抑制する目的
で、ＶＣ，ＴａＣ，ＴｉＣ及びＣｒ₃Ｃ₂等の遷移元素炭
化物を少量添加する方法が一般に採用されている。特開
昭６３−２３０８４６号公報には、上記遷移元素炭化物
の中でも特にＶＣとＣｒ₃ Ｃ ₂の組合せが優れている旨
が開示されており、また特公昭６２−５６２２４号公報
及び特開昭６３−４２３４６号公報には、ＶとＣｒを固
溶した金属結合相とＷＣ相の２相組成からなる超硬合金
が高強度及び高靭性を示す旨が述べられている。

【０００５】しかしながら従来の超硬合金では必ずしも
高硬度・高靭性を発揮するとは限らず、加工工具とした
際の耐摩耗性も従来品よりさらに優れたものが要求され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に着
目してなされたものであって、高硬度及び高靭性を有す
ると共に、加工工具とした際に優れた耐摩耗性を発揮す
る高硬度高靭性超硬合金を提供しようとするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成した本発
明とは、Ｃｏ及び／又はＮｉを主成分とする金属結合
相、並びにＷＣ相を有する超硬合金であって、Ｃｏ及び
／又はＮｉ：４〜２５％を含有すると共に、Ｖ及びＣｒ
を、夫々Ｖ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）：0.01〜0.1 、Ｃｒ／（Ｃ
ｏ＋Ｎｉ）：0.05〜0.2 を満足する様に含有し、残部が
ＷＣ及び不可避不純物からなる化学組成を有し、且つ上
記金属結合相と上記ＷＣ相の粒界に、ＶとＷを含む複合
炭化物［以下単に（Ｖ，Ｗ）Ｃということがある］を第
３相として有することを要旨とするものである。

【０００８】

【作用】本発明者らは超硬合金中におけるＶＣの存在形
態と機械的性質の関係について鋭意研究する中で、ＷＣ
相及び金属結合相以外にＶとＷを含む複合炭化物からな
る第３相を析出させた場合には、硬度及び抗析力などの
特性が飛躍的に向上するとの知見を得た。上記第３相は
後述する様に、ＷＣ相と金属結合相の粒界に存在するこ
とが透過型電子顕微鏡により観察され、さらに走査型オ
ージェ電子顕微鏡と、電解抽出残渣のＸ線回折及び誘導
結合高周波プラズマ（ＩＣＰ）分光分析によって第３相
の存在が確認できた。

【０００９】上記第３相は、ＷＣ相と金属結合相の粒界
に存在して、ブロッキング効果によりＷＣ相の粒成長を
抑制し、高硬度・高靭性及び優れた耐摩耗性を発揮する
ものと考えられる。またＣｒの大部分は金属結合相に固
溶して固溶強化により強度を向上させるものであるが、
一部第３相に固溶しても第３相が微細で均一に析出して
いる限りは強度低下を起こすことはなく、むしろ硬度上
昇につながる。以下本発明の超硬合金に係る必須条件の
限定理由を示す。

【００１０】Ｃｏ及び／又はＮｉ：４〜２５％ 結合相となる元素であり、少な過ぎると靭性が不十分と
なり、多過ぎるとＷＣの有する高硬度化作用が十分発揮
できなくなるので４〜２５％に限定した。

【００１１】Ｖ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）：0.01〜0.1 Ｃｏ及びＮｉに対してＶ量が少な過ぎると、Ｖは全量が
結合相中に固溶して前記第３相が形成されず高硬度と優
れた耐摩耗性の両方を満足することはできない。一方多
過ぎると第３相が粗大となって破壊の起点となり、靭性
に悪影響を及ぼすので0.01〜0.1 に限定した。

【００１２】Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）：0.05〜0.2 Ｃｏ及びＮｉに対してＣｒ量が少な過ぎると、Ｃｒによ
る結合相の固溶強化効果が弱く靭性が不十分となる。一
方多過ぎると第３相はＣｒを含む粗大な結晶となり靭性
に悪影響を及ぼす。

【００１３】尚本発明に係る超硬合金においてＷＣの平
均粒径は高硬度及び高靭性を得る上で微細であることが
望まれ、平均粒径で１μｍ以下であることが好ましく、
より好ましくは0.3 〜0.8 μｍである。

【００１４】また本発明に係る超硬合金において第３相
は（Ｖ，Ｗ）Ｃを主とする相であり、ＷＣ相同様大き過
ぎると破壊の起点となり靭性の低下を招くので平均粒径
は１μｍ以下であることが好ましい。

【００１５】図１は本発明に係る超硬合金の組織構造を
示す図面代用写真であって、透過型電子顕微鏡により撮
影したものである。写真中、は第３相として析出して
いる（Ｖ，Ｗ）Ｃ相、はＷＣ相、は金属結合相であ
る。表１に（Ｖ，Ｗ）Ｃ相及び金属結合相の成分組
成を示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】図１及び表１からＷＣ相と金属結合相
の粒界に、（Ｖ，Ｗ）Ｃ相が形成されていることがわ
かる。

【００１８】図２は本発明に係る超硬合金の破面におけ
る組織構造を示す図面代用写真である。走査型オージェ
電子顕微鏡により観察したものであり、（ａ）は破面構
造を示し、（ｂ）〜（ｆ）は（ａ）と同一の破面におけ
る各成分元素の存在を白点で示すものであって、（ｂ）
はＶ，（ｃ）はＣｒ，（ｄ）はＣ，（ｅ）はＷ，（ｆ）
はＣｏを夫々検出した結果である。（ｂ）と（ｆ）を比
較してみるとＶが存在する箇所にはＣｏが殆んど存在し
ておらず、本発明に係る超硬合金ではＶがＣｏに必ずし
も固溶していないものであることがわかる。

【００１９】また上記超硬合金の破面において、Ｖ，
Ｗ，Ｃｏが多く存在する部分を夫々ポイント，，
として上記破面より選択し（ａ参照）、定量分析を行な
った。結果は表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】ＷＣ相と金属結合相の他に（Ｖ，Ｗ）Ｃ相
が第３相として存在することがわかる。

【００２２】さらに電解抽出法により金属結合相を溶出
させて炭化物を残渣として抽出し、Ｘ線回折による定性
分析とＩＣＰ分光分析による定量分析を行なった。

【００２３】一方１０％のＶＣを含有するＷＣを１５０
０℃で１時間焼結したものを基準サンプルとしてＸ線回
折を行ない、上記残渣の回折結果を比較した。本発明に
係る超硬合金の電解抽出は５％クエン酸アンモニウム及
び0.5 ％塩化ナトリウムを有する電解液により１時間行
ない、金属結合相を溶出させて炭化物を抽出した残渣を
得た。基準サンプルのＸ線回折結果は図３の（ａ）に、
上記残渣のＸ線回折結果は（ｂ）に示す。（ｂ）におい
てＰ₁〜Ｐ₃は（Ｖ，Ｗ）Ｃ相を示すピークであり、Ｐ₄
はＶ₈Ｃ₇の存在を示すピークである。この様にＸ線回折
結果によっても金属結合相及びＷＣ相以外に（Ｖ，Ｗ）
Ｃ相が存在することが確認できた。

【００２４】さらに上記電解抽出法による残渣につい
て、ＩＣＰ分光分析により定量分析を行なった。結果は
Ｃｏを0.2 ％未満まで抽出したとき、ＷＣ：99.2％，Ｖ
Ｃ：0.4 ％，Ｃｒ₃Ｃ₂：0.4 ％であり、金属結合相に固
溶していないＶＣ及びＣｒ₃Ｃ₂の存在が明らかである。

【００２５】

【実施例】平均粒径0.3 〜0.8 μｍのＷＣ粉末、1.3 μ
ｍのＣｏ粉末、２μｍのＮｉ粉末、1.5 μｍのＶＣおよ
びＣｒ₃Ｃ₂を表３に示す割合で配合し、アトライタで湿
式混合後２％パラフィンを添加してプレス成形し、脱
脂、焼結、ＨＩＰ処理（Ａｒ，１００ＭＰａ）を施して
直径3.2mm ，長さ３８mmの丸棒を得た。尚、焼結時間と
ＨＩＰ時間は共に１時間であり、焼結温度及びＨＩＰ温
度は表３に併記した。また上記丸棒の硬度及び抗折力を
測定した結果は表４に示す。

【００２６】さらに上記丸棒を刃径0.9mm のドリルに加
工して、厚み1.3mm のエポキシガラス基板を４枚重ね、
敷板にデコライトを用いて３０００個の穴あけ加工を行
なった後の刃先のチッピング量を測定した。結果は表４
に併記する。

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】Ｎo.１〜６は本発明に係る実施例であっ
て、本発明の条件を満足して微細な粒径の第３相を有し
ているので抗折力及び硬度が高く、耐チッピング性も優
れている。

【００３０】これに対してＮo.７〜１２は本発明に係る
条件のいずれか１つ以上を満足していない場合の比較例
であって、第３相が形成されていないか、第３相の粒径
が大き過ぎ、抗折力及び耐チッピング性に劣る。Ｎo.７
はＶ量がＣｏ及びＮｉ量に対して少な過ぎる場合の比較
例であり、Ｎo.８〜１０はＶ量が多過ぎる場合の比較例
である。Ｎo.１１はＣｒ量がＣｏ及びＮｉ量に対して少
な過ぎる場合の比較例であり、Ｎo.１２はＣｒ量が多過
ぎる場合の比較例である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されているの
で、高硬度及び高靭性を有すると共に、加工工具とした
際に優れた耐摩耗性を発揮する高硬度高靭性超硬合金が
提供できることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超硬合金の組織構造を示す図面代
用写真である。

【図２】本発明に係る超硬合金の破面における組織構造
を示す図面代用写真である。

【図３】Ｘ線回折結果を示すグラフであって、（ａ）は
基準サンプルの回折結果、（ｂ）は本発明に係る超硬合
金の電解抽出による残渣の回折結果を示すグラフであ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−230846（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−42346（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 29/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃｏ及び／又はＮｉを含む金属結合相、
   並びにＷＣ相を有する超硬合金であって、 Ｃｏ及び／又はＮｉ：４〜２５％（重量％、以下同じ）
   を含有すると共に、Ｖ及びＣｒを、夫々Ｖ／（Ｃｏ＋Ｎ
   ｉ）：0.01〜0.1 （重量比、以下同じ）、Ｃｒ／（Ｃｏ
   ＋Ｎｉ）：0.05〜0.2 を満足する様に含有し、残部がＷ
   Ｃ及び不可避不純物からなる化学組成を有し、且つ上記
   金属結合相と上記ＷＣ相の粒界に、ＶとＷを含む複合炭
   化物を第３相として有することを特徴とする高硬度高靭
   性超硬合金。