JP4780575B2

JP4780575B2 - 超硬合金薄板の製造方法

Info

Publication number: JP4780575B2
Application number: JP2002075031A
Authority: JP
Inventors: 洌市川; 敬村上; 宏治宇根; 玲央奈平坂; 幸弘中山; 真一宮本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2022-03-18
Also published as: JP2003268479A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、靭性が高く、平坦度に優れ、焼結時にソリが生じない超硬合金及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金は、炭化タングステンを主成分とする周期表のIVＡ、ＶＡ、VIＡ族の金属の炭化物を、コバルトなどの鉄族金属をバインダーとして結合した材料である。超硬合金は、高速度鋼に比べて硬さ、ヤング率、高温硬さが大きく、これらの特性を利用して、切削工具、ダイス、ロールなどの耐摩耗工具に使用されている。
超硬合金は、硬さが大きいために、靭性が低下し、超硬合金工具の使用中に、突発的な破壊にいたる場合がある。超硬合金を構成するバインダーの量を増加すると、靭性を高めることができる。しかし、バインダーの量が１０重量％を超えるような組成では、一般的な真空焼結法では、コールドプレス圧粉体のハンドリング性と焼結後の焼結体のソリのために、圧粉体の厚さを薄くすることが不可能であり、１.５〜２mmの焼結体を作製し、研削加工により超硬合金の薄板を製造していた。このために、原材料の無駄と、余分な加工工程を必要としていた。また、研削加工により薄く加工すると、加工歪みによって新たにソリが発生するなどの問題も生じていた。
このために、バインダーの量が多く、靭性に優れ、しかも焼結時にソリが発生せず、薄い板状物を得ることができる超硬合金及びその製造方法が求められていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、靭性が高く、平坦度に優れ、焼結時にソリが生じない超硬合金及びその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、放電プラズマ焼結法、プラズマ活性化焼結法又は放電焼結法等のパルス通電加圧焼結法によって焼結することにより、バインダーの量が１０重量％を超えるような組成であっても焼結時にソリが発生せず、超硬合金の薄板を安定して製造し得ることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）炭化タングステンを主成分とする平均粒径０.１〜１０μｍの硬質粒子５５〜９０重量％と、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる平均粒径０.０５〜５μｍの結合金属粒子２５〜４５重量％とを混合し、圧力５〜２００ＭＰａで、７０〜１１０アンペアの通電の焼結温度１１００〜１３００℃のパルス通電加圧焼結法により焼結することを特徴とする平坦度に優れた超硬合金薄板の製造方法、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の超硬合金は、炭化タングステンを主成分とする硬質相５５〜９０重量％、より好ましくは６５〜７５重量％と、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる結合金属相１０〜４５重量％、より好ましくは２５〜３５重量％とを含有する超硬合金であって、パルス通電加圧焼結法により焼結してなる超硬合金である。
本発明方法においては、炭化タングステンを主成分とする硬質粒子５５〜９０重量％、より好ましくは６５〜７５重量％と、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる結合金属粒子１０〜４５重量％、より好ましくは２５〜３５重量％とを混合し、パルス通電加圧焼結法により焼結する。本発明方法によれば、厚さ１mm以下の超硬合金の薄板を、ソリや歪みがなく、平坦度に優れた状態で焼結して製造することができる。従来のように厚めの板を焼結して研削により薄板に加工する必要がないので、使用する原材料を節減するとともに、工程を簡略化し、高品質の超硬合金の薄板を経済的に製造することができる。本発明の超硬合金は、切断用カッターの台金などとして好適に使用することができる。
本発明において、炭化タングステンを主成分とする硬質相には、必要に応じて、少量の炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブなどを含有させることができる。結合金属相は、鉄、コバルト又はニッケルをそれぞれ単独で用いることができ、鉄、コバルト、ニッケルのうちの２種又は３種を混合して用いることもでき、あるいは、鉄、コバルト、ニッケルのうちの２種又は３種の合金を用いることもできる。結合金属相が１０重量％未満であると、超硬合金の靭性が不足し、抗折力が低下し、また焼結温度が高くなり、靭性、抗折力のばらつきが大きくなるおそれがある。結合金属相が４５重量％を超えると、超硬合金の硬さと強度と耐摩耗性が不足するおそれがある。
【０００６】
本発明方法により超硬合金を製造するためには、例えば、炭化タングステンを主成分とする硬質粒子と、鉄、ニッケル及びコバルトから選ばれる結合金属粒子と、必要に応じて添加する粒子成長抑制剤などとを、アルコールなどの有機溶剤とともに、ボールミル、アトライターなどを用いて湿式混練したのち、成形助剤を加えて乾燥することにより、硬質相を形成する硬質粒子と結合金属相を形成する結合金属粒子が均一に混合された原料混合物を調製することができる。硬質粒子の平均粒径は、０.１〜１０μｍであることが好ましく、０.５〜５μｍであることがより好ましい。硬質粒子の平均粒径が０.１μｍ未満であると、結合金属粒子との均一な混合が難しくなり、混合が不均一であると靭性などの物性値がばらつくおそれがある。硬質粒子の平均粒径が１０μｍを超えると、超硬合金の靭性が低下するおそれがある。結合金属粒子の平均粒径は、０.０５〜５μｍであることが好ましく、０.１〜２μｍであることがより好ましい。結合金属粒子の平均粒径が０.０５μｍ未満であると、硬質粒子との均一な混合が難しくなり、混合が不均一であると靭性などの物性値がばらつくおそれがある。結合金属粒子の平均粒径が５μｍを超えると、超硬合金の靭性が低下するおそれがある。
本発明方法において、硬質粒子と結合金属粒子との混合物をパルス通電加圧焼結法により焼結する方法に特に制限はなく、公知のパルス通電焼結装置、放電プラズマ焼結、プラズマ活性化焼結、又は、放電焼結を行える装置、例えば、住友石炭鉱業株式会社から市販されている放電プラズマ装置を用いて焼結することができる。例えば、粉末材料を充填することができる円筒状の空間を有する黒鉛型などに下パンチを挿入し、空間に硬質粒子と結合金属粒子との混合物を充填したのち、黒鉛型に上パンチを挿入し、加圧機構により上パンチと下パンチの間の混合物に圧力を加え、電源装置から混合物に直流のパルス電流を供給し、硬質粒子と結合金属粒子の混合物を焼結して超硬合金を得ることができる。黒鉛型などには、熱電対などの温度計を装備し、型温度を管理することが好ましい。
【０００７】
本発明方法において、硬質粒子と結合金属粒子の混合物を加圧する圧力に特に制限はないが、５〜２００MPaであることが好ましく、２０〜１００MPaであることがより好ましい。圧力が５MPa未満であると、焼結が十分に行われないおそれがある。圧力が２００MPaを超えると、黒鉛型などの損耗が激しくなるおそれがある。パルス電流に特に制限はないが、硬質粒子と結合金属粒子の混合物１cm²あたり７０〜１１０Ａであることが好ましく、９０〜１００Ａであることがより好ましい。直流のパルス電流が、硬質粒子と結合金属粒子の混合物１cm²あたり７０Ａ未満であると、焼結が十分に行われないおそれがある。パルス電流が硬質粒子と結合金属粒子の混合物１cm²あたり１１０Ａを超えると、結合金属が溶出し、焼結ができなくなるおそれがある。焼結温度は、１,１００〜１,３００℃であることが好ましく、１,１５０〜１,２５０℃であることがより好ましい。焼結温度が１,１００℃未満であると、焼結が十分に行われないおそれがある。焼結温度が１,３００℃を超えると、結合金属が溶出し、焼結ができなくなるおそれがある。
本発明の超硬合金は、結合金属相が１０〜４５重量％を占めるので、靭性が高く、抗折力が大きく、使用中に突発的な破壊を生ずるおそれが少ない。通常の真空焼結法でこのような結合金属相の多い超硬合金を焼結すると、ソリが生ずるので、超硬合金の薄板を製造する場合には、厚さに余裕のある板を製造し、研削加工により所定の厚さまで削りだす必要がある。本発明方法によれば、結合金属相が多い超硬合金であっても、ソリや歪みを生ずることなく焼結することができるので、所定の厚さにラップ加工代を加えた厚さの薄板を焼結することができる。本発明方法によれば、硬質粒子と結合金属粒子の混合物をプレス成形する必要がなく、研削加工代に相当する余分な硬質粒子と結合金属粒子を使用する必要がなく、焼結後に研削による加工を行う必要もない。また、パルス通電加圧焼結法によれば、通常の真空焼結法に比べてはるかに短い時間で焼結を完了することができる。本発明の超硬合金は、薄板として切断用カッターの台金などに好適に使用することができる。
【０００８】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
寸法１４５Ｄ×０.７Ｔ×６０Ｈの超硬合金の薄板を製作した。
平均粒径３μｍの炭化タングステン粒子７０重量部と、平均粒径１μｍのコバルト粉末３０重量部とを混合し、黒鉛製の焼結型に充填した。
この黒鉛型をパルス通電加圧焼結機［住友石炭鉱業(株)製、ＳＰＳ９.４０ＭＫ−VII型］の炉内に載置し、温度１,２００℃、圧力４９MPa、電圧６Ｖ、電流１３,０００Ａ、加圧保持時間１０minの条件で焼結し、得られた薄板をＧＣの遊離砥粒を用いて、湿式法により両面をラップ加工した。
完成した超硬合金の薄板の平坦度は２０μｍであり、ヤング率３７０GPa、抗折力１,５００MPaであった。
比較例１
寸法１４５Ｄ×２.０Ｔ×６０Ｈの超硬合金の板を製作し、研削により０.７Ｔに加工した。
平均粒径３μｍの炭化タングステン粒子７０重量部と、平均粒子１μｍのコバルト粉末３０重量部とを混合し、９８MPaの圧力でプレス成形した。
プレス成形品を真空焼結炉内に載置し、１,３８０℃で６０min焼結して、厚さ２.０mmの超硬合金の板とし、さらにこの板の両面をダイヤモンドホイールで荒加工した後、ＧＣの遊離砥粒を用いて、湿式法により両面をラップ加工することにより、寸法１４５Ｄ×０.７Ｔ×６０Ｈの超硬合金の薄板に加工した。
完成した超硬合金の薄板の平坦度は１３０μｍであり、ヤング率３７０GPa、抗折力１,５００MPaであった。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の超硬合金は、パルス通電加圧焼結法により焼結されるので、歪みが少なく、平坦度に優れている。本発明方法によれば、パルス通電加圧焼結法により薄板を焼結することが可能になり、原材料を節減することができ、加圧プレス工程と研削加工工程が不要なので、経済的に超硬合金の薄板を製造することができる。

Claims

炭化タングステンを主成分とする平均粒径０.１〜１０μｍの硬質粒子５５〜９０重量％と、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる平均粒径０.０５〜５μｍの結合金属粒子２５〜４５重量％とを混合し、圧力５〜２００ＭＰａで、７０〜１１０アンペアの通電の焼結温度１１００〜１３００℃のパルス通電加圧焼結法により焼結することを特徴とする平坦度に優れた超硬合金薄板の製造方法。