JP3625298B2

JP3625298B2 - 強靭超硬合金

Info

Publication number: JP3625298B2
Application number: JP07818194A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林; 幸三北村
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JPH07258786A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、六方晶炭化タングステンの結晶軸であるａ軸長さとｃ軸長さを増大させた炭化タングステンを含有した超硬合金に関し、具体的には、例えばバイト，ドリル，エンドミル，カッターおよびこれらに用いるスローアウェイチップ，インサートチップ，ロー付けチップ，ソリッドチップに代表される切削工具、絞り型，しごき型，鍛造型などの塑性加工工具や打抜き型，スリッターなどの剪断加工工具に代表される耐摩耗工具、道路工事，土建工事，トンネル工事に用いられるビット，穿孔工具に代表される土木鉱山工具、メカニカルシ−ル，軸受けに代表される摺動材料、時計枠，釣具，タイピン，ノズルに代表される装飾・耐蝕材料、および機械部品，化学工業用部品に用いられる各種の構造用材料として適する強靭超硬合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金は、六方晶炭化タングステン，または六方晶炭化タングステンと立方晶系化合物とでなる硬質相をＣｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相で結合した焼結合金であり、優れた特性を有していることから、多種多様の用途に広く実用されている。この超硬合金は、主として六方晶炭化タングステンの粒度，結合相含有量，立方晶系化合物含有量により、その特性を調整させることができる。しかしながら、一般に、超硬合金の特性は、硬さ，耐摩耗性を高めると強度，靭性，耐欠損性が低下し、逆に強度，靭性，耐欠損性を高めると硬さ，耐摩耗性が低下するという二律背反的傾向を示すという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、一つの方向から提案されているものとして、炭化タングステンの結晶構造、特に結晶面を成長させた炭化タングステン含有超硬合金に関連した先行技術があり、その代表的なものとして、特公昭４７−２３０４９号公報，特公昭４７−２３０５０号公報，特開昭５７−３４００８号公報，特開平２−４７２３９号公報，特開平２−５１４０８号公報，特開平２−１３８４３４号公報，特開平２−２７４８２７号公報および特開平５−３３９６５９号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
先行技術として示した結晶面を成長させた炭化タングステン含有超硬合金に関連した上述の８件の公報には、或る結晶面を成長させた炭化タングステン含有超硬合金またはその製造方法、（００１）結晶面を成長させて、その面で接合させた双晶炭化タングステンの製造方法、および（０００１）結晶面を成長させた炭化タングステン含有超硬合金またはその製造方法に関して記載されている。これら８件の公報に記載されている超硬合金または炭化タングステンは、結晶面の成長割合が低いため、または結晶面の成長した炭化タングステンの含有量が少ないためか、超硬合金の諸特性、特に硬さ，耐摩耗性，強度，靭性，耐欠損性の全てを向上させるに至らないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体的には、超硬合金中の六方晶炭化タングステンの結晶軸におけるａ軸とｃ軸との長さを増大させることにより、靭性，強度および硬さの全てを向上させた強靭超硬合金の提供を目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、長年に亘り、超硬合金の靭性，強度，耐欠損性を低下させずに、硬さ，耐摩耗性を向上させるための検討を行っていた所、超硬合金中に存在する炭化タングステンの結晶軸の長さと、超硬合金の諸特性との間で相関性があること、ＡＳＴＭカード（ＡＭＥＲＩＣＡＮＳＯＣＩＥＴＹＦＯＲＴＥＳＴＩＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）におけるＣｕＸ線回折法で求められた六方晶炭化タングステン（ＷＣ）の結晶軸であるａ軸長さが２．９０６２Å、ｃ軸長さが２．８３７８Åと記載されており、実際に実用されている従来の超硬合金中に存在する炭化タングステンの結晶軸であるａ軸長さが２．９０６０〜２．９０７０Å、ｃ軸長さが２．８３７４〜２．８３９０Åであるのに対し、超硬合金中に存在する炭化タングステンの結晶軸であるａ軸長さとｃ軸長さを増大させると、靭性，強度，耐欠損性および硬さ，耐摩耗性の向上した超硬合金になるという知見を得て、本発明を完成するに至ったものである。
【０００７】
すなわち、本発明の強靭超硬合金は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相３〜４０体積％と、残りが六方晶炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金において、該六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さが２．９０７Å以上からなり、結晶軸のｃ軸長さが２．８４０Å以上からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の超硬合金における結合相は、具体的には、例えばＣｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｍｏ合金，Ｃｏ−Ｗ合金、またはこれらに後述する立方晶化合物を構成する元素，不可避不純物としての主としてＦｅなどが微量含有した合金を挙げることができる。これらの結合相の内、耐蝕性を重視する用途に対しては、全結合相量に対して２〜２０体積％のＣｒを含有したＮｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃｒ合金が好ましく、耐摩耗性を重視する用途に対しては、全結合相量に対して０．５〜５体積％のＷを含有したＣｏ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｗ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ合金が好ましい。この結合相量が超硬合金全体に対して、３体積％未満になると、焼結が困難となって内部に巣孔が残留し易く、その結果強度および硬さの低下が著しく、逆に４０体積％を超えて多くなると、相対的に六方晶炭化タングステン量が減少し、その結果硬さおよび耐摩耗性の低下が顕著になる。
【０００９】
この結合相で結合されている六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さが２．９０７Å以上、好ましくは２．９０８Å以上からなり、結晶軸のｃ軸長さが２．８４０Å以上、好ましくは２．８４１Åからなるものである。また、六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さに対する結晶軸のｃ軸長さの比が０．９７７０以上（ｃ／ａ≧０．９７７０）であることが特に好ましいことである。この六方晶炭化タングステンの結晶軸であるａ軸長さが２．９０７Å未満、または結晶軸であるｃ軸長さが２．８４０Å未満となると、合金の靭性，強度，耐欠損性および硬さ，耐摩耗性の全ての特性向上への効果が低くなる。
【００１０】
不可避不純物としては、後述する製造方法において用いる市販されている出発物質中に混在している不純物と、製造工程、特に出発物質を混合粉砕する工程から混入してくる不純物があり、主な不可避不純物として、例えばＦｅ，Ａｌ，酸素がある。
【００１１】
上述の結合相と六方晶炭化タングステンと不可避不純物とでなる本願発明の超硬合金は、常温または使用時にそれ程高温に達しない場合、具体的には、例えば前述した耐摩耗工具，土木鉱山工具，摺動材料，装飾，耐蝕材料または構造用材料としては効果が高いが、使用時に高温に昇温するような用途、具体的には、例えば切削工具、特に切削工具の中でもＪＩＳ規格の鋼切削としてのＰ系列超硬合金、鋼，鋳物の両方に用いる汎用切削としてのＭ系列用超硬合金、および鋳物切削としてのＫ系列用超硬合金の一部には、高温における硬さ，耐摩耗性，耐熱衝撃性，靭性，強度，耐溶着性，耐剥離性などを考慮した以下の本発明の超硬合金が好ましい。
【００１２】
すなわち、本発明の強靭超硬合金は、Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相３〜４０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種の立方晶系化合物５５体積％以下と、残りが六方晶炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金において、該六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さが２．９０７Å以上からなり、結晶軸のｃ軸長さが２．８４０Å以上からなることを特徴とする。
【００１３】
この本発明の超硬合金における立方晶系化合物は、具体的には、例えばＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｖ_４Ｃ_３，Ｍｏ_２Ｃ，Ｃｒ_３Ｃ_２，ＴｉＮ，ＺｒＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｎｂ，Ｚｒ）（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）を挙げることができる。この立方晶系化合物量が５５体積％を超えて多くなると、相対的に六方晶炭化タングステン量が減少するために、硬さ，強度および靭性の向上効果が低下する。
【００１４】
また、本発明の超硬合金を基材とし、この基材上に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物，炭酸化物，窒酸化物，Ａｌの窒化物，酸化物，Ｓｉの炭化物，窒化物，ダイヤモンド，ダイヤモンド状カーボン，立方晶窒化ホウ素，硬質窒化ホウ素の中の少なくとも１種の単層または２種以上の多層でなる硬質被膜を被覆すると、さらに耐摩耗性が向上し、基材そのものの高靭性，高強度と併せてより長寿命が期待できるので好ましいことである。
【００１５】
本発明の超硬合金は、例えば特開昭５７−３４００８号公報に記載されている双晶炭化タングステンを分離抽出して、これを出発物質として用いることにより作製することも考えられるが、Ｗと炭素とＣｏ，Ｎｉ，Ｃｒの１種以上とでなる複合炭化物粉末、またはＷ_２ＣとＣｏ，Ｎｉ，Ｃｒの１種以上とでなる混合物の１方もしくは両方を含有させた出発物質として用いて、後工程は従来の粉末冶金法でもって行うこと、簡易で安定に作製できることから特に好ましいことである。具体的には、実施例の中で詳細に説明する。
【００１６】
【作用】
本発明の強靭超硬合金は、結晶軸のａ軸長さとｃ軸長さの両方を増大させた六方晶炭化タングステンが合金全体の硬さ，耐摩耗性，強度，靭性および耐欠損性を向上させる作用をしているものである。
【００１７】
【実施例】
市販されている平均粒径０．５μｍのＷ、平均粒径０．０２μｍのカーボンブラック（表中にはＣと記す）、平均粒径１μｍのＣｏを用いて、まずはじめに、Ｗ_２Ｃ，Ｃｏ_２Ｗ_４Ｃ，Ｃｏ_３Ｗ_３Ｃが生成される組成に配合および混合粉末をカーボンボートに挿入し、雰囲気圧力１０^−２Ｔｏｒｒの真空炉中で１４００℃，１時間焼成して、Ｗ_２Ｃ，Ｃｏ_２Ｗ_４Ｃ，Ｃｏ_３Ｗ_３Ｃの各粉末を得た。
【００１８】
こうして得たＷ_２Ｃ，Ｃｏ_２Ｗ_４Ｃ，Ｃｏ_３Ｗ_３Ｃおよび上述のＷ，Ｃｏ，カーボンブラックと、さらに市販の平均粒径２．０μｍのＷＣ、平均粒径１〜２μｍのＣｒ_３Ｃ_２，Ｎｉ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ（重量比でＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝５０／２０／３０、表中ＷＴＴと記す）の各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボールと共に挿入し、４８時間の混合粉砕後、乾燥して混合粉末を得た。これらの混合粉末を金型に充填し、２ｔ／ｃｍ^２の加圧でもって約５．５×９．５×２９ｍｍの圧粉成形体を作製し、アルミナとカーボン繊維からなるシート上に設置し、雰囲気圧力１０^−２Ｔｏｒｒの真空中で表１に併記した温度で１時間加熱保持して、本発明品１〜９および比較品１〜１０の超硬合金を得た。
【００１９】
こうして得た本発明品１〜９および比較品１〜１０の超硬合金を＃２３０のダイヤモンド砥石で湿式研削加工し、４．０×８．０×２５．０ｍｍの形状に作製し、ＪＩＳ法による抗折力を測定して、その結果を表２に示した。また、同試料の一面を１μｍのダイヤモンドペーストでラップ加工した後、ビッカース硬さ（荷重２０ｋｇｆ）と破壊靭性値（ＩＭ法，荷重２０ｋｇｆ）を測定し、その結果を表２に併記した。さらに、各試料のラップ加工面について電子顕微鏡にて組織写真を撮り、画像処理装置にて、結合相、立方晶系化合物，六方晶炭化タングステン（ＷＣ）の体積割合およびＷＣの平均粒径を測定し、前者を表１に後者を表２に併記した。次いで、各試料について、Ｃｕターゲット，Ｎｉフィルターを用いたＸ線回折法により、六方晶炭化タングステンの結晶の各面間隔を測定し、外挿法によりａ軸とｃ軸の長さを求め、さらにａ軸長さに対するｃ軸長さの比を計算し、表２に併記した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
本発明の強靭超硬合金は、同一組成成分で、かつほぼ同一ＷＣ粒径でなる従来の超硬合金に比べて、硬さが約１．１〜２．９（ＧＰａ）高く、抗折力が約０．１〜０．４（ＧＰａ）高く、破壊靭性値が０．１〜１．１（ＭＰａ・ｍ^３／２）高くなるという、従来の超硬合金では達成できなかった同一組成成分，同一ＷＣ粒径という条件において硬さ，強度および靭性を高めることができるという優れた効果がある。

Claims

Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相３〜４０体積％と、残りが六方晶炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金において、該六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さが２．９０７Å以上からなり、結晶軸のｃ軸長さが２．８４０Å以上からなることを特徴とする強靭超硬合金。
Ｃｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合相３〜４０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種の立方晶系化合物５５体積％以下と、残りが六方晶炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金において、該六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さが２．９０７Å以上からなり、結晶軸のｃ軸長さが２．８４０Å以上からなることを特徴とする強靭超硬合金。
上記六方晶炭化タングステンは、結晶軸のａ軸長さに対する結晶軸ｃ軸長さの比か０．９７７０以上であることを特徴とする請求項１または２記載の強靭超硬合金。