JP4870344B2 - 焼結炭化物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅに基づく金属結合材の第２の相と、１μｍ未満の大きさのγ相（立方晶系炭化物相）とによって固められたＷＣを含む焼結炭化物の製造方法、特に１μｍ未満の粒度のＷＣを含む焼結炭化物の製造方法に関する。

金属切削の用途の焼結炭化物等級品は一般に、１〜５μｍの範囲の平均粒度のＷＣ、γ相（ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ及びＶＣのうち少なくとも１種類と、実質的な量の溶存ＷＣとの固溶体）、及び５〜１５重量％の一般にはＣｏである結合材相を有する。その特性は、ＷＣの粒度、結合材相及び／又はγ相の体積含有率、γ相の組成を変えることによって、また炭素含有率の最適化によって、最適化される。

１μｍ未満のＷＣ粒度構造を有する焼結炭化物は今日では、靭性と耐摩耗性の両方について高い要求のある用途において、鋼、ステンレス鋼、及び耐熱合金の機械加工に広く用いられている。別の重要な用途は、プリント配線板の機械加工用のマイクロドリル、いわゆるＰＣＢドリルにおけるものである。

サブミクロン等級品は結晶成長抑制剤を含有する。一般の結晶成長抑制剤としては、バナジウム、クロム、タンタル、ニオブ、及び／又はチタン、あるいはこれらを含む化合物が挙げられる。一般に行われるようにして炭化物としてこれらを加えた場合、結晶成長抑制剤は焼結の間の結晶粒の成長を制限するが、望ましくない副次的作用も有し、靭性挙動に不利な影響を及ぼす。バナジウム又はクロムの添加は特に有害であり、焼結挙動に及ぼすそれらのマイナスの影響を制限するためには、極めて低レベルに留めなければならない。バナジウムとクロムは両方とも焼結活性を低下させ、しばしば結合材相の分布及び靭性のむらを引き起こし、焼結構造内の欠陥を減らす。大量の添加はまた、脆化性の相の析出を引き起こすことが知られている。

金属切削目的の焼結炭化物では、焼結炭化物品の品質は、その高温特性によってほぼ完全に決まる。場合によっては焼結炭化物の硬さは、温度が上昇するにつれて劇的に低下する。それは特に、一般に比較的高いコバルト含有率を有するサブミクロン等級品にあてはまる。

焼結炭化物の高温硬さ、そしてまた化学的摩耗抵抗性も向上させる一般的な方法は、適切な量のγ相を形成する立方晶系炭化物を加えることである。しかしながらＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、及びＨｆＣなどの１μｍ未満の立方晶系炭化物、又はこれらの元素の混合炭化物を１μｍ未満の焼結炭化物に加える場合、焼結の間に形成されるγ相は、２〜４μｍ程度の粒度を有することになる。したがってこの粒度は１μｍ未満ではなく、１μｍ未満のＷＣ粒度の有利な効果がある程度失われることになる。焼結の間に形成されるこのγ相は、溶解及び析出のプロセスによって成長し、実質的な量のタングステンを溶解することになる。

上記はまた、より粗い粒度の焼結炭化物にも関するが、この場合には効果はそれほど顕著ではない。

本発明の目的は、１μｍ未満のγ相を含有し、好ましくは１μｍ未満の粒度を有する焼結炭化物を提供することである。

本発明の更なる目的は、好ましくは１μｍ未満のγ相を含有し、好ましくは１μｍ未満の粒度を有する焼結炭化物の製造方法を提供することである。

驚くべきことに、１μｍ未満の立方晶系炭化物原料をＷＣと合金化することによって、焼結材料中に１μｍ未満のγ相が生ずることが発見された。

Ｔｉ、Ｎｂ及びＴａベースのγ相について、一般な焼結温度である１４５０℃の温度において、六方晶系ＷＣと平衡の状態にあるこのγ相中に溶解したＷＣの量を、Ｃｈａｔｆｉｅｌｄ（「Ｔｈｅ ｇａｍｍａ／ＷＣ ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ ＴｉＣ−ＮｂＣ−ＴａＣ−ＷＣ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ １７２３Ｋ」、Ｊ． Ｍａｔ． Ｓｃｉ．， Ｖｏｌ ２１ （１９８６）， Ｎｏ ２， ｐ．５７７〜５８２）により実験的に求めた。モル分率として表したγ相中のＷＣの平衡溶解度Ｘｅ_ＷＣは、次式によって良い精度で表すことができる。

Ｘｅ_ＷＣ＝（０．３８３×Ｘ_ＴｉＣ＋０．１１７×Ｘ_ＮｂＣ＋０．１３６×Ｘ_ＴａＣ）／（Ｘ_ＴｉＣ＋Ｘ_ＮｂＣ＋Ｘ_ＴａＣ） （１）

予め合金化された立方晶系炭化物原料中のＷＣの量Ｘ_ＷＣは、下記の式によって平衡量と結びつけることができる：
Ｘ_ＷＣ＝ｆ_ＷＣ×Ｘｅ_ＷＣ （２）

係数ｆ_ＷＣは、立方晶系炭化物原料中のＷＣ含有率とγ相中のＷＣの溶解度の比であり、またｆ_ＷＣは、焼結温度でのγ相の分解を避けるために１以下でなければならない。当業技術者ならば、ＮｂＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ及びＶＣの様々な組合せに基づく他の混合立方晶系炭化物について、典型的な焼結温度におけるＷＣの溶解度に関する文献中で入手できる実験データから、式（１）と類似の式を導出することができる。

本発明では、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅに基づく結合材相と、１μｍ未満のγ相とを有する焼結炭化物を提供する。結合材相の含有率は３〜１５重量％、好ましくは６〜１２重量％であり、またγ相の量は３〜２５体積％、好ましくは５〜１５体積％であり、平均粒度が１μｍ未満、好ましくは０．８μｍ未満である。立方晶系炭化物原料中のＷＣ含有率とγ相中のＷＣの溶解度の比（式（２）で定義される係数ｆ_ＷＣ）は、０．６〜１．０、好ましくは０．８〜１．０である。好ましくは平均のＷＣ粒度は、１μｍ未満、最も好ましくは０．８μｍ未満である。

本発明はまた、硬質成分及び結合材相を形成する粉末を湿式摩砕し、乾燥し、加圧成形し、所望の形状及び寸法の焼結炭化物体に焼結する粉末冶金法によって、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅに基づく結合材相と、γ相とを含む焼結炭化物を製造する方法に関する。本発明によれば、γ相を形成する好ましくは１μｍ未満の粒度の粉末を、立方晶系混合炭化物（Ｍｅ、Ｗ）Ｃとして加える。ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＶのうちの１又は複数種である。好ましくはＭｅは、Ｔｉ、Ｔａ及びＮｂのうちの１又は複数種である。またこのγ相を形成する好ましくは１μｍ未満の粒度の粉末は、ＷＣのモル分率Ｘ_ＷＣとＷＣのモル分率として表される焼結温度での平衡γ相のＷＣ含有率Ｘｅ_ＷＣとの比であるｆ_ＷＣ（＝Ｘ_ＷＣ／Ｘｅ_ＷＣ）が０．６〜１．０、好ましくは０．８〜１．０であるようなＷＣのモル分率によって与えられる量のＷＣと合金を作っている。（Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）Ｃ立方晶系混合炭化物に対する焼結温度でのＷＣの溶解度は、下記の関係式によって与えられる：

Ｘｅ_ＷＣ＝（０．３８３×Ｘ_ＴｉＣ＋０．１１７×Ｘ_ＮｂＣ＋０．１３６×Ｘ_ＴａＣ）／（Ｘ_ＴｉＣ＋Ｘ_ＮｂＣ＋Ｘ_ＴａＣ）

当業技術者ならば、他の混合立方晶系炭化物について、典型的な焼結温度におけるＷＣの溶解度に関して文献中で入手できる実験データから、類似の式を導出することができる。

好ましい実施形態ではＷＣ粉末もまた、１μｍ未満である。

本発明による焼結炭化物体は、当業界で知られている薄い耐磨耗性被膜を備えることができる。

〔実施例１（本発明）〕
ＦＳＳＳ粒度０．８μｍのＷＣ１．７５ｋｇ、Ｃｏ粉末０．２ｋｇ、並びにＦＳＳＳ粒度０．６μｍ及びｆ_ＷＣ＝０．８６７に相当するモル分率Ｘ_ＴｉＣ＝０．５８５、Ｘ_ＴａＣ＝０．１１９及びＸ_ＷＣ＝０．２９６として表される組成を有する（Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ）Ｃ粉末０．０４ｋｇを湿式摩砕し、乾燥し、加圧成形し、１４１０℃で１時間焼結することによって、Ｎ１２３Ｇ２−０３００−０００３−ＴＦ型切削工具インサートを作製した。その微細構造を図１に示す。これは、Ｃｏ（「Ｃ」の注を付けた）１６体積％、１μｍ未満のＷＣ（「Ａ」の注を付けた）７７体積％、及び粒度０．７μｍのγ相（「Ｂ」の注を付けた）７体積％からなる。

〔実施例２（比較）〕
実施例１を繰り返したが、γ相を形成する元素を単一炭化物、すなわちＴｉＣ及びＴａＣとして加えて、同一組成とした。その対応する微細構造を図２に示している。ここで、ＡはＷＣを示し、Ｂはγ相を示し、またＣは結合材相を示している。γ相Ｂは、約３μｍの大きさを有する大きい領域として存在する。

〔実施例３〕
実施例１及び２で得たインサートを、ＳＳ２５４１鋼の溝削りで試験した。切削速度ＶＣ＝２００ｍ／分、送り／回転＝０．２ｍｍ、及び切削深さ１０ｍｍであった。標準対照インサートとして０．８μｍのＷＣ及びＣｏ１０重量％からなるＳａｎｄｖｉｋ Ｃｏｒｏｍａｎｔ社のグレードＧＣ１０２５を使用した。これら実施例１及び２で得たインサート及び標準対照インサートに、従来技術によって、（ＴｉＡ）Ｎ＋ＴｉＮを同一バッチでＰＶＤコーティングした。

図３は標準対照インサートの摩耗パターンを示し、また図４は本発明に従って作製したインサートの摩耗を示す。実施例２で得たインサートは、２５回通過後に破壊し、標準対照インサートは５２回通過後に破壊し、本発明によるインサートは８２回通過後に破壊した。

本発明による１μｍ未満の焼結炭化物の微細構造の１００００倍の走査電子顕微鏡写真である。 比較のための１μｍ未満の焼結炭化物の微細構造の１００００倍の走査電子顕微鏡写真である。 標準対照インサートの摩耗パターンを約１０倍で示す写真である。 本発明に従って作られたインサートの摩耗パターンを約１０倍で示す写真である。

符号の説明

Ａ ＷＣ
Ｂ γ相
Ｃ 結合材相

Claims (5)

1. 硬質成分及び結合材相を形成する粉末を湿式摩砕し、乾燥し、加圧成形し、そして所望の形状及び寸法の焼結炭化物体に焼結することを含む粉末冶金法によって、ＷＣと、Ｃｏ、Ｎｉ又はＦｅに基づく結合材相と、γ相とを含む焼結炭化物を製造する方法であって、
   前記γ相を形成する粉末が、立方晶系混合炭化物（Ｍｅ、Ｗ）Ｃとして加えられ（Ｍｅは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＶのうちの１又は複数種）；且つ前記γ相を形成する粉末が、下記の式を満たすモル分率Ｘ_ＷＣのＷＣと合金を作っていることを特徴とする、焼結炭化物を製造する方法：
   ｆ_ＷＣ（＝Ｘ_ＷＣ／Ｘｅ_ＷＣ）＝０．８〜１．０
   （Ｘ_ＷＣ：前記γ相を形成する粉末におけるＷＣのモル分率
   Ｘｅ_ＷＣ：焼結温度での平衡γ相におけるＷＣのモル分率）。
2. 前記ＭｅがＴｉ、Ｔａ及びＮｂのうちの１又は複数種であり、且つＸｅ_ＷＣが下記の関係式によって与えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法：
   Ｘｅ_ＷＣ＝（０．３８３×Ｘ_ＴｉＣ＋０．１１７×Ｘ_ＮｂＣ＋０．１３６×Ｘ_ＴａＣ）／（Ｘ_ＴｉＣ＋Ｘ_ＮｂＣ＋Ｘ_ＴａＣ）。
3. 前記γ相の粉末の粒度が１μｍ未満であることを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記ＷＣの粉末が１μｍ未満であることを特徴とする、請求項２又は３記載の方法。
5. 前記焼結炭化物体に、耐磨耗性被膜を備えることを特徴とする、請求項２、３又は４に記載の方法。