JP4126280B2 - 微粒超硬合金 - Google Patents

Description

本願発明は、小径ドリル、小径エンドミル、リーマー、タップ、各種剪断刃などに用いる微粒超硬合金に関する。

平均粒径が１μｍ以下のＷＣ粒子を含有する微粒超硬合金は、硬さと共に靭性も高いため小径エンドミル、小径ドリル、各種剪断刃などに広範囲に用いられている。近年、微細加工品の増加とともに、エンドミルやドリルの小径化が急速に進み、微粒超硬合金のＷＣ粒子の平均粒径は益々小さくなる傾向にあり、しかも硬度と靭性の高い合金が要求されてきている。そのため、焼結中におけるＷＣ粒子の粒成長を抑制するため、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂなどの金属もしくはそれらの炭化物、窒化物、炭窒化物などをＷＣの粒成長抑制材として用いることが提案されている。これらの具体的な例として、以下の特許文献１〜３に記載されている。
特許文献１は、ＶとＣｒとを複合添加することにより、合金の靭性低下の原因となる第３相が生じる程多量のＶやＣｒを添加せず、ＶやＣｒが結合相中に固溶しており本質的にＷＣ相と結合相の２相からなり、ＷＣの平均粒径が０．７μｍ以下である靭性を改善した超硬合金が開示されている。しかし、Ｔａ及び／又はＮｂが添加されていないために靭性が劣り、更には耐熱性が劣るという欠点がある。例えばプリント基板穴あけ用の小径ドリル等に用いた場合、早い段階で折損により寿命に達してしまう欠点がある。
特許文献２は、ＶとＣｒとＴａＣ又は（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃの３種を添加し、真空焼結後にＡｒ雰囲気中、１０００気圧でＨＩＰ処理して、（Ｔａ、Ｗ）Ｃ又は（Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）Ｃと思われる固溶体を析出させ、ＷＣの平均粒径が０．６μｍ以下でしかも耐溶着性を改善した超硬合金が開示されている。
特許文献３はＶ、Ｃｒ、Ｔａを添加し、真空雰囲気焼結後に５．９×１０^６Ｐａで加圧焼結して、平均粒度が０．６μｍ以下のＷＣ粒子が分散しているＷＣ基超硬合金の素地中にＶ、Ｃｒ、Ｔａ等の炭化物もしくは炭窒化物の固溶体粒子を分散させる共に、最大粒径を３μｍ以下にすることにより合金の靭性低下を防止した超硬合金が開示されている。特許文献２、３はＶ、Ｃｒ、Ｔａが添加されているが、複合添加した場合、靭性が低下し小径ドリルの微小チッピングが発生しやすく、切削時の抵抗が大きくなり、折損による寿命が短くなるという欠点がある。

特許第１５３９９９１号公報 特許第１４８７４７９号公報 特開平６−８１０７２号公報

本発明は、粒成長抑制効果を得るためにＴａ及び／又はＮｂを添加し、ＷＣ粒の平均粒径が小さく十分な硬さを有し、しかも高い靭性を有し、耐折損性、耐チッピング性に優れた微粒超硬合金を提供することである。

本発明は、質量％で、Ｃｏ：２〜１５％、Ｃｒ：０．５〜０．９％、Ｔａ及び／又はＮｂ：０．０５〜０．３％を含有し、残りがＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、重量比を示す（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｒが０．０５〜０．５であり、研磨面における主にＷＣからなる硬質分散相の粒子径を、粒子面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径として求めた場合に、累積個数による粒径分布をｄ１０、ｄ５０、ｄ９０で表した時、ｄ１０≦０．１５μｍ、０．２８μｍ≦ｄ５０≦０．３５μｍ、ｄ９０≦０．６μｍであることを特徴とする微粒超硬合金である。上記構成を採用することにより、ＷＣ粒径が小さく十分な硬さを有し、しかも高い靭性を有し、耐折損性、耐チッピング性に優れた微粒超硬合金材を提供することができる。

本発明の微粒超硬合金は、強度及び靭性を飛躍的に改善することが可能となり小径ドリル、エンドミルなどの用途に最適な合金を得ることを可能としたものである。

微粒超硬合金の強度、靭性を向上するため検討を行った結果、Ｔａ及び／又はＮｂを所定量含有し、更にＴａ及び／又はＮｂとＣｒとの重量比を所定値に規定することにより、ＷＣの粒成長を抑制することが可能となった。従って、ＷＣ粒子が所定の粒度分布を有する様に制御し、これにより微粒超硬合金の強度及び靭性を飛躍的に改善できることを見出し、本発明に至った。本発明は、質量％で、Ｃｏ：２〜１５％、Ｃｒ：０．５〜０．９％、Ｔａ及び／又はＮｂ：０．０５〜０．３％を含有し、残りがＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、重量比を示す（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｒが０．０５〜０．５であり、研磨面における主にＷＣからなる硬質分散相の粒子径を、粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径として求めた場合に、累積個数による粒径分布をｄ１０、ｄ５０、ｄ９０で表した時、ｄ１０≦０．１５μｍ、０．２８μｍ≦ｄ５０≦０．３５μｍ、ｄ９０≦０．６μｍであることを特徴とする微粒超硬合金である。ここで粒径分布を表すｄ１０、ｄ５０、ｄ９０とは、粒子の累積個数が全体の個数に対して占める割合を表し、例えばｄ９０は、粒径分布が全体の個数に対して粒径の小さい方から９０％の累積値に相当する粒径を示す。

本発明の微粒超硬合金材におけ組成の数値限定の理由について述べる。Ｃｏ含有量を２〜１５％とするのは、Ｃｏの含有量が２％未満の時は焼結時に結合相量が十分でなく、緻密な微粒超硬合金を得ることが困難となり、その結果、抗折力が著しく低下し、十分な耐折損性が得られないためである。また、１５％を超えると十分な硬さの微粒超硬合金を得ることが出来なくなり、それに伴い耐摩耗性が低下し、切削工具等として使用した場合に耐摩耗性が低下してしまい、工具が早期に寿命となる等の欠点が現れる。
Ｃｒ含有量を０．５〜０．９％とするのは、Ｃｒの含有量が０．５未満の場合は焼結時にＷＣ粒の粒成長抑制効果を十分に得られないという不都合があるためである。従って、本発明で規定する粒径分布である、ｄ１０≦０．１５μｍ、０．２８μｍ≦ｄ５０≦０．３５μｍ、ｄ９０≦０．６μｍを得ることができない。このことは、微粒超硬合金材の抗折力が低下を招くことになる。また０．９を超えると、結合相中のＣｒ含有量が多くなり過ぎ、Ｃｒ主体の析出相が出現することにより靭性が低下するからである。好ましくはＣｒ含有量は０．６〜０．８％である。ここでＣｒは炭化物、炭窒化物、窒化物などとして添加することができる。また、原料ＷＣ中にドープすることも可能である。
Ｔａ及び／又はＮｂの含有量を０．０５〜０．３％とするのは、Ｔａ及び／又はＮｂの含有量が０．０５未満の時は焼結時にＷＣ粒の粒成長抑制効果が不十分なため、ＷＣ粒の粒成長に伴い硬さが低下し、これに伴って耐摩耗性が低下すること、また同時に靭性、耐熱性も劣化するからである。また、０．３を超えるとＴａ、Ｎｂを主体とする斑状の析出相が析出し、靭性を低下させる原因となる。更に析出物を抑制することが困難となり、抗折力の低下が著しくなるなど、特性の劣化を招くことになる。好ましくはＴａ及び／又はＮｂの含有量は０．１〜０．２５％である。Ｔａ及び／又はＮｂを適正量の範囲内で添加した系においては、高靭性及び高い耐熱強度を得られる。
更に、重量比を示す（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｒを０．０５〜０．５とすることにより、更に靭性を高めることが可能となる。Ｔａ及び／又はＮｂは炭化物、炭窒化物、窒化物などとして添加することができる。また、原料ＷＣ中にドープすることも可能である。

硬質分散相の粒径分布は、硬質分散相の粒子径を、粒子断面の面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径として求めた場合に、ｄ１０≦０．１５μｍ、０．２８μｍ≦ｄ５０≦０．３５μｍ、ｄ９０≦０．６μｍとするのは、硬質分散相の粒径分布が、これらの範囲を満たさない場合に、硬度と靭性とが大きく低下するためである。従って、十分な耐摩耗性と耐折損性を得ることが困難となってしまうからである。結合相としてＣｏに加えて少量のＮｉを添加することも可能で、この場合、耐食性が改善される。更に、工具形状に加工した後、これらの合金に圧縮応力を付与することにより、更に工具寿命を長くすることも可能である。例えば、ＷＣ基超硬合金製小径ドリルの切刃部分を含む研削加工表面の１部又は全部に物理的な処理を施す事によって、表面に圧縮応力を付与することが挙げられる。ここで、物理的な処理方法としては、第１の方法として、真空容器内で発生させたプラズマ雰囲気中に切刃部分を含む研削加工表面の１部又は全部を曝し、プラズマ放電のエネルギーで励起されたガスイオンを切刃部分等に照射する方法、第２の方法として、スパッタリング現象やアーク放電現象によって励起された金属イオンを照射する方法、第３の方法として、励起された該金属イオンのエネルギーで励起されたガスイオンを照射する方法、がある。これらの物理的な処理を単独、或いは複数組み合わせることによって、切刃部分の表面に圧縮応力を付与することができる。この圧縮応力は、切削加工時に生じる微細なクラックが成長するのを抑制し、刃先の欠損や工具の折損に対する耐久性を向上させることができる。更に、上記の様に物理的な処理を施した材料は、圧縮応力の増加によって、未処理の材料よりも表面硬さを増加させることができる。これは、市販の微小押し込み硬さ試験機による微小領域の硬度測定により確認することができる。また、透過電子顕微鏡装置に附属したエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いた組成分析などにより、未処理の材料と比較して、処理品を施した材料には、表面近傍に照射された元素を検出することができる。更に、基体の表面にＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒから選ばれた１種以上の金属元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選ばれた１種以上の非金属元素とからなる硬質皮膜を被覆することにより、更に一層の工具の長寿命化が可能となる。

原料粉末として、平均粒径０．６μｍのＷＣ粉末、同１．５μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．２μｍのＴａＣ粉末、同１．５μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＣｏ粉末を準備し、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、アトライターにて１２時間湿式混合し、乾燥の後、ワックスと溶剤を添加して混練し、押出成形機にて焼結後の直径が３．４ｍｍとなるように長尺成形体を作製した。これらの長尺成形体を脱脂の後、真空中雰囲気で１３００〜１４５０℃の範囲の所定温度にて３０分焼結し、その後９．８×１０^５Ｐａ以上の加圧雰囲気にて加圧焼結を３０分行い微粒超硬合金丸棒素材を得た。得られた微粒超硬合金丸棒素材を直径がφ３．１７５ｍｍにセンタレス研削し、抗折力及び硬さの測定を実施した。また、ＷＣの平均粒径を測定した。平均粒径を測定には、焼結素材の断面を鏡面研磨した試料を用意した。これを村上試薬で０．５分間、王水で０．５分間エッチングすることにより結晶粒界を明確にし、走査型電子顕微鏡により１００００倍で撮影した画像を拡大コピーした。これを画像解析装置により解析することにより平均粒径や粒度分布を算出した。この時の画像視野は、１２μｍ×９μｍの範囲を任意に選んだ２視野を対象とし、測定対象の粒子個数が５００個以上となるようにして行った。試料の配合組成及びＷＣ粒径分布から求めたｄ１０、ｄ５０、ｄ９０の値の結果を表１に示す。

前記の微粒超硬合金丸棒素材を加工してシャンク径が３．１７５ｍｍ、刃先径が０．１ｍｍの２枚刃小径ドリルを作製した。これを用いて、厚さが０．２ｍｍのガラスエポキシ材プリント基板を２枚重ねにし被削材を、回転数が毎分１６００００回転、送り０．０１５ｍｍ／ｒｅｖの高速条件で穴あけ加工を行った。工具の評価方法は、折損するまでの加工穴数を測定し、各条件で３本の平均穴あけ数を平均寿命とした。各組成条件における小径ドリルの平均寿命測定結果を表１にあわせて示した。

表１に示す通り、本発明例１〜２０の微粒超硬合金は高い抗折力と硬さを有し、プリント基板用ドリルとした場合には、加工穴数から求めた平均寿命は３２００穴以上を示し、満足の行く結果を得ることができた。しかし、比較例２１〜２８は３０００穴以下であり、本発明例に比べ短寿命であった。
本発明例１〜２０の微粒超硬合金は高い抗折力と硬さ、満足の行く工具寿命が得られたのに対し、比較例２１、２２はＣｏの含有量が本発明の規定値範囲外であったため、Ｃｏ含有量の少ない比較例２１は抗折力が著しく低下し、Ｃｏ含有量の大きすぎる比較例２２は硬度が低いために耐摩耗性が低下してしまい、切削工具等として使用した場合に短寿命となった。更に、比較例２２は粒度分布も本発明の規定値範囲外であった。比較例２３、２４はＣｒの含有量が本発明の規定値範囲外であった。Ｃｒ含有量の少ない比較例２３はＷＣ粒の粒成長抑制効果を十分に得られずに本発明で規定する粒径分布が得られなかった。一方、Ｃｒ含有量の大きすぎる比較例２４は結合相中のＣｒ含有量が多くなり過ぎたため、Ｃｒ主体の析出相の出現が見られた。このとにより靭性が低下し、切削工具等として使用した場合に短寿命となった。また、比較例２５〜２８はＴａの含有量が本発明の規定値範囲外であった。Ｔａの含有量が大きすぎる比較例２５、２６は斑状の析出相が見られ靭性が低下し、析出物により抗折力の低下が見られた。Ｔａの含有量が少ない比較例２７、２８はＷＣ粒の粒成長抑制効果が不十分なため、ＷＣ粒の粒成長に伴う硬さの低下が見られた。これにより耐摩耗性が低下したことで、切削工具等として使用した場合に短寿命となった。また、比較例２６、２８は重量比を示す（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｒの値が本発明の規定値範囲外であったことにより十分な靭性が得られず、抗折力の低下が見られた。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃｏ：２〜１５％、Ｃｒ：０．５〜０．９％、Ｔａ及び／又はＮｂ：０．０５〜０．３％を含有し、残りがＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、重量比を示す（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｒが０．０５〜０．５であり、研磨面における主にＷＣからなる硬質分散相の粒子径を、粒子面積を円の面積として置き換えた場合の直径である等価円直径として求めた場合に、累積個数による粒径分布をｄ１０、ｄ５０、ｄ９０で表した時、ｄ１０≦０．１５μｍ、０．２８μｍ≦ｄ５０≦０．３５μｍ、ｄ９０≦０．６μｍであることを特徴とする微粒超硬合金。