JP4027099B2 - 炭化タングステン基超硬合金製造用炭化タングステン基合金粉末 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金を粉末冶金法にて製造するに際して、原料粉末として用いた場合に、前記ＷＣ基超硬合金がすぐれた高温特性（高温硬さおよび高温強度）を具備するようになるＷＣ基合金粉末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、各種の切削工具や耐摩耗工具などとしてＷＣ基超硬合金が用いられ、このＷＣ基超硬合金を粉末冶金法にて製造するに際しては、原料粉末としてＷＣ粉末が用いられることは良く知られるところである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の切削加工および成形加工などの省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工装置および成形加工装置の高性能化と相俟って、これらの加工は高速で行われる傾向にあるが、上記の従来ＷＣ基超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具などにおいては、これを高速加工条件で用いると、加工に伴う発生熱がきわめて高く、高温環境に曝されるため、特にこれを構成するＷＣ基超硬合金の硬質相であるＷＣ相の高温特性（高温硬さおよび高温強度）不足が原因で、摩耗進行が著しく促進されるようになることから、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、高速加工条件で用いても、すぐれた耐摩耗性を発揮する各種のＷＣ基超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具などを開発すべく、特にこれの製造に原料粉末として用いられるＷＣ粉末に着目し、研究を行った結果、
（ａ）通常、ＷＣ基超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具などの粉末冶金法による製造に原料粉末として用いられている従来ＷＣ粉末は、純度：９９．９質量％以上の高純度を意図して製造されているため、ＷＣ粉末における不純物である窒素および酸素の含有量は、
酸素：ＪＩＳ・Ｈ１４０２に規定する赤外線吸収法（以下、単に赤外線吸収法という）による測定で０．０１〜０．０７質量％、
窒素：ＪＩＳ・Ｇ１２２８に規定する熱伝導度法（以下、単に熱伝導度法という）による測定で０．００１〜０．０３％、
であり、これのもつ六方晶結晶のａ軸およびｃ軸を、ＪＩＳ・Ｋ０１３１に規定するＸ線回折分析による格子定数測定法（以下、単にＸ線回折法という）を用いて測定すると、
ａ軸：２．９０５２〜２．９０７２Å、
ｃ軸：２．８３６８〜２．８３８８Å、
を示すこと。
【０００５】
（ｂ）一般に、上記の従来ＷＣ粉末は、原料粉末としてＷＯ₃粉末を用い、これに還元粉末として所定量のカーボンブラックを配合し、混合した後、この混合粉末を９００〜１６００℃に加熱し、窒素気流中で所定時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を９００〜１６００℃とすると共に、前記窒素気流を水素気流に変えて所定時間保持の条件で炭化処理を行うことにより製造されること。
【０００６】
（ｃ）以下の製造工程、すなわち、９９．９質量％以上の純度を有するメタタングステン酸アンモニウム（以下、ＡＭＴで示す）またはタングステン酸アンモニウム（以下、ＡＴで示す）の水溶液に、同じく９９．９質量％以上の純度を有する炭素粉末を配合し、混合して、スラリーとし、
上記スラリーを３５０℃以下の温度で低温乾燥して、上記炭素粉末が上記ＡＭＴまたはＡＴを担持してなる原料粉末を調製し、
上記原料粉末に、窒素ガスにＣＯガスを５〜１５容量％の割合で配合してなる窒素系混合ガス雰囲気中、９００〜１３００℃の温度に加熱の還元処理を施して還元反応生成物を形成し、
ついで、上記還元反応生成物に同じく９９．９質量％以上の純度を有する炭素粉末を、前記還元反応生成物に配合し、混合し、
引き続いて、上記の炭素粉末混合の還元反応生成物に、水素ガスにＣＯガスを５〜１５容量％の割合で配合してなる水素系雰囲気中、１０００〜１３００℃の温度に加熱の炭化処理を施すことからなる基本工程で製造した粉末においては、上記の還元処理の窒素系混合ガス気流中および炭化処理の水素系言合ガス気流中に配合のＣＯガスによって、粉末中の酸素含有量および窒素含有量が上昇し、９９．９質量％以上の純度を有するＷＣが、前記ＣＯガスの配合割合の調整で、
赤外線吸収法による測定で酸素：０．２〜０．５質量％、
熱伝導度法による測定で窒素：０．１〜０．３質量％、
を含有したものとなり、しかもこの場合六方晶結晶のａ軸およびｃ軸が、Ｘ線回折法による測定で、
ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、
ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、
を示すこと。
【０００７】
（ｄ）この結果の従来ＷＣ粉末に比して酸素および窒素の含有量がきわめて高く、かつ六方晶結晶構造のａ軸は相対的に短いが、ｃ軸が長いＷＣ基合金粉末を原料粉末として用いて製造されたＷＣ基超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具などにおいては、これを構成するＷＣ基超硬合金の硬質相であるＷＣ基合金相が、相対的にきわめて高い酸素を含有することによってすぐれた高温硬さを具備し、さらに同じく相対的に高い窒素含有によってすぐれた高温強度をもつようになることから、高熱発生を伴なう高速加工条件でもすぐれた耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた性能を示すこと。
以上（ａ）〜（ｄ）に示される研究結果を得たのである。
【０００８】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
９９．９質量％以上の純度を有するＷＣが酸素および窒素を含有してなり、
上記酸素の含有量が赤外線吸収法による測定で０．２〜０．５質量％、
上記窒素の含有量が熱伝導度法による測定で０．１〜０．３質量％、
であり、六方晶結晶構造のａ軸およびｃ軸が、Ｘ線回折法による測定で、
ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、
ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、
を示す、ＷＣ基超硬合金製造用ＷＣ基合金粉末に特徴を有するものである。
【０００９】
なお、この発明のＷＣ基合金粉末において、酸素含有量を０．２〜０．５質量％と定めたのは、その含有量が０．２％未満では、所望のすぐれた高温硬さを確保することができず、一方その含有量が０．５質量％を超えると窒素含有によってもたらされる高温強度の向上効果が急激に抑制されるようになるという、理由によるものである。
同じくこの発明のＷＣ基合金粉末の窒素含有量を０．１〜０．３質量％と定めたのは、その含有量が０．１質量％未満では、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方その含有量が０．３質量％を超えると上記の酸素含有によってもたらされる高温硬さの向上効果が低下し、所望の高温硬さを確保することができなくなるという理由によるものである。
また、上記の通り粉末中の酸素含有量および窒素含有量は、粉末製造時に、還元処理の窒素系混合ガス気流中および炭化処理の水素系混合ガス気流中に配合のＣＯガスの割合を調整することにより制御することができるものである。
【００１０】
さらに、この発明のＷＣ基合金粉末においては、ＷＣ結晶のもつ六方晶結晶構造と酸素および窒素含有量との間には、酸素および窒素含有量が多くなるほど、六方晶のａ軸は短く、ｃ軸は長くなる相関関係、すなわち酸素および窒素のいずれかの含有量が、酸素：０．２質量％未満および窒素：０．１質量％未満では、ａ軸は長さは２．９０５０Åを越え、ｃ軸の長さは２．８３９０Å未満となり、一方酸素および窒素のいずれかの含有量が、酸素：０．５質量％および窒素：０．３質量％を越えると、ａ軸の長さは２．９０２０Å未満、ｃ軸の長さは２．８４２０Åを越える相関関係があり、したがって上記の通りＷＣ基合金粉末が、
酸素：０．２〜０．５質量％、
窒素：０．１〜０．３質量％、
を含有する場合に、六方晶結晶のａ軸およびｃ軸が、
ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、
ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、
を示すようになるものである。
【００１１】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明のＷＣ基合金粉末を実施例により具体的に説明する。
まず、以下いずれも質量％で、それぞれ表１，２に示される純度をもったＡＭＴおよびＡＴを用い、これに純水を加えて２０〜７０％の範囲内の所定の濃度をもった水溶液を調製し、これら各種濃度のＡＭＴ水溶液およびＡＴ水溶液に、炭素粉末として同じく表１，２に示される純度および０．１５〜０．２５μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するカーボンブラックまたは同じく表１，２に示される純度および０．４〜０．５μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する活性炭をそれぞれ表１，２に示される割合（括弧内の数字はＷに対する原子比を示す）で加え、攪拌機にて１時間混合してスラリーとし、これらスラリーのうち２０〜４５％水溶液の場合はスプレードライヤー（加熱設定温度：３００℃）にて噴霧加熱を行ない、またこれ以外の５０〜７０％水溶液の場合は温風加熱機（加熱設定温度：１５０℃）にて低温加熱して、前記ＡＭＴまたはＡＴが前記炭素粉末によって担持された原料粉末を調製した。
【００１２】
ついで、上記原料粉末を、固定床炉（この場合横型回転炉を用いても同じ条件でよい）にて、窒素ガスにＣＯガスを全体に占める割合で５〜１５容量％の範囲内の所定の割合配合してなる窒素系混合ガス雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で加熱還元処理した。
【００１３】
引き続いて、上記の還元反応生成物に、炭素粉末として、それぞれ上記の原料粉末の調製に用いたと同じ純度および平均粒径を有するカーボンブラックおよび活性炭をそれぞれ表１，２に示される割合（上記還元反応生成物中のＷ成分を実質的に組成式でＷＣに炭化する割合であり、かつ上記還元反応生成物との合量に占める割合を示す）配合し、攪拌機にて混合した後、同じく固定床炉（横型回転炉を用いてもよい）にて、水素ガスにＣＯガスを全体に占める割合で５〜１５容量％の範囲内の所定の割合配合してなる水素系混合ガス雰囲気中、１０００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で加熱炭化処理することにより本発明ＷＣ基合金粉末１〜１５をそれぞれ製造した。
【００１４】
この結果得られた本発明ＷＣ基合金粉末１〜１５は、表３に示される通りの酸素含有量（赤外線吸収法による測定）および窒素含有量（熱伝導度法による測定）、さらに六方晶結晶のａ軸およびｃ軸（Ｘ線回折法による測定）を示し、かつ前記酸素および窒素の含有量を除いたＷＣ含有量と不可避不純物から算出したＷＣ純度はいずれも９９．９質量％以上を示し、さらにいずれも０．５μｍ以下の平均粒径（走査型電子顕微鏡を用いて測定）を有するものであった。
【００１５】
さらに、比較の目的で、原料粉末として、平均粒径：０．５μｍを有するＷＯ₃粉末、および同０．２μｍのカーボンブラックを用意し、まずこれら原料粉末を、カーボンブラック：１７％、ＷＯ₃粉末：残り、の割合に配合し、湿式ボールミルでアセトンを加えて３時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐした状態でカーボンボートに充填した後、この混合粉末を９００〜１６００℃に加熱し、窒素気流中で３時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を９００〜１６００℃とすると共に、前記窒素気流を水素気流に変えて３時間保持の条件で炭化処理を行い、最終的に粒度調整を行うことにより、同一条件での測定で、表４に示される窒素および酸素含有量、六方晶結晶のａ軸およびｃ軸を示し、さらに同じく表４に示される純度および平均粒径をもった従来ＷＣ粉末１〜７をそれぞれ製造した。
【００１６】
つぎに、上記の本発明ＷＣ基合金粉末１〜１５および従来ＷＣ粉末１〜７のＷＣ基超硬合金の特性に及ぼす影響を調査する目的で、原料粉末として、前記本発明ＷＣ基合金粉末１〜１５および従来ＷＣ粉末１〜７のそれぞれに、平均粒径：１．３５μｍのＣｏ粉末を全体に占める割合で５質量％配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で１０．８ｍｍ×６ｍｍ×３０ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１３．３Ｐａの真空中、１４８０℃に１時間保持の条件で真空焼結し、さらに９０ＭＰａのＡｒ雰囲気中、１４６０℃に１時間保持の条件でＨＩＰ処理することにより試験片をそれぞれ製造し、これら試験片を用い、高温硬さおよび高温強度を評価する目的で、８００℃でのビッカース硬さ（高温硬さ）および同温度での抗折力（高温強度）を測定した。これらの測定結果を表３，４に示した。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【表２】

【００１９】
【表３】

【００２０】
【表４】

【００２１】
【発明の効果】
表１〜４に示される結果から、本発明ＷＣ基合金粉末１〜１５を用いて製造したＷＣ基超硬合金試験片は、いずれもこれの硬質相である ＷＣ基合金相の酸素および窒素含有量が相対的に高いことから、すぐれた高温硬さと高温強度を具備するようになるのに対して、従来ＷＣ粉末１〜７を用いて製造したＷＣ基超硬合金試験片は、前記硬質相であるＷＣ相が酸素および窒素を実質的に含有しないために、高温硬さおよび高温強度とも相対的に低い値しか示さないことが明らかである。
上述のように、この発明のＷＣ基合金粉末は、すぐれた高温硬さと高温強度を具備するＷＣ基超硬合金の製造を可能とし、したがって製造されたＷＣ基超硬合金製の切削工具や耐摩耗工具は、切削加工や成形加工などの省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (1)

1. ９９．９質量％以上の純度を有する炭化タングステンが酸素および窒素を含有してなり、
   上記酸素の含有量がＪＩＳ・Ｈ１４０２に規定する赤外線吸収法による測定で０．２〜０．５質量％、
   上記窒素の含有量がＪＩＳ・Ｇ１２２８に規定する熱伝導度法による測定で０．１〜０．３質量％、
   であり、六方晶結晶構造のａ軸およびｃ軸が、ＪＩＳ・Ｋ０１３１に規定するＸ線回折分析による格子定数測定で、
   ａ軸：２．９０２０〜２．９０５０Å、
   ｃ軸：２．８３９０〜２．８４２０Å、
   を示すこと、
   を特徴とする炭化タングステン基超硬合金製造用炭化タングステン基合金粉末。