JP6815574B1 - 炭化タングステン粉末 - Google Patents

Abstract

炭化タングステン粉末１は、複数の炭化タングステン結晶粒１１を有する結合体１０を含み、当該結合体１０内において複数の前記炭化タングステン結晶粒１１間の結晶粒界１１ａに前記炭化タングステン結晶粒１１内よりもクロムの濃度が高いクロム濃化領域１２を含む。

Description

この発明は、炭化タングステン粉末に関する。本出願は、２０１９年５月１３日に出願した日本特許出願である特願２０１９−０９０７７８号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

従来から超硬合金の硬度および抗折強度を向上させるために、品質の高いサブミクロンサイズの微粒な炭化タングステン粉末の改良がなされてきた。その例が、たとえば特開２００９−２４２１８１号公報（特許文献１）、特開２００５−３３５９９７号公報（特許文献２）、特開平５−１４７９１６号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００９−２４２１８１号公報 特開２００５−３３５９９７号公報 特開平５−１４７９１６号公報

本開示の炭化タングステン粉末は、複数の炭化タングステン結晶粒を有する結合体を含み、当該結合体内において複数の前記炭化タングステン結晶粒間の結晶粒界に前記炭化タングステン結晶粒内よりもクロムの濃度が高いクロム濃化領域を含む。

図１は、実施の形態に従った炭化タングステン粉末の模式図である。 図２は、実施例に従った炭化タングステン粉末を構成する集合体の低倍のＴＥＭ写真である。 図３は、実施例に従った炭化タングステン粉末を構成する集合体の高倍のＴＥＭ写真である。 図４は、炭化タングステン粉末におけるクロムの分布を示す図である。 図５は、図４における結晶粒界におけるクロムの濃度を示すグラフである。 図６は、実施例４の炭化タングステン粉末について、放射光Ｘ線回折を行った結果を示す図である。 図７は、図６の回折プロファイルの一部を拡大して示す図である。 図８は、実施例に従った炭化タングステン粉末の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図９は、比較例３の炭化タングステン粉末について、放射光Ｘ線回折を行った結果を示す図である。 図１０は、図９の回折プロファイルの一部を拡大して示す図である。

[本開示が解決しようとする課題]
粉体の嵩を小さくでき、ハンドリング性が向上し、かつ、焼結性が向上した炭化タングステン粉末を提供することが求められている。
[本開示の効果]
粉体の嵩を小さくでき、ハンドリング性が向上し、かつ、焼結性が向上した炭化タングステン粉末を提供できる。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

従来の炭化タングステン粉末は、微粒である場合に嵩が大きく、取り扱いの際に飛散しやすい。

粉末冶金法で超硬合金を製造する際、焼結巣が出やすい。その理由は、微粉はプレス圧力がかかりにくくなり、プレス体密度が低下する。また粒子間空隙が巣形成の原因となりやすい。

焼結時、炭化タングステン粒子が異常成長し合金強度が低下する。その理由はオストワルド成長により、微粉は焼結中の粒成長駆動力が大きくなり、選択的成長が発生し易い。

[本開示の実施形態の詳細]
本開示の炭化タングステン粉末は、複数の炭化タングステン結晶粒を有する結合体を含み、当該結合体内において複数の前記結晶粒間の結晶粒界に前記炭化タングステン結晶粒内よりもクロムの濃度が高いクロム濃化領域を含む。

従来の微粒超硬合金の製造では、基本的には微粒の炭化タングステン粉末を用いていた。これに対して本開示では、従来の炭化タングステン粉末より粗粒のため、粉体の嵩が小さく、ハンドリング性が良好となり、且つ炭化タングステン結晶粒の結晶粒界に存在するクロム濃化領域を形成することにより、焼結体に巣が生じにくく且つ合金組織が均一にすることが可能になる。

好ましくは、（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃで表される化合物を含む。クロムが（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃとして析出していることで、結晶が微粒の超硬合金が得られやすく焼結性の良い粉末となる。

好ましくは、炭化タングステン結晶粒の平均結晶粒径が０．６μｍ以下である。この場合、微粒炭化タングステン原料の焼結性を大きく改善できる。

好ましくは、炭化タングステン粉末全体に含まれるクロム濃度が０．１質量％以上７．０質量％以下である。この場合、超硬合金化する際に特性を維持できる。

好ましくは、放射光Ｘ線回折により測定する炭化タングステン（１０１）回折強度Ａと（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ（３２１）回折強度Ｂとの強度比Ｂ／Ａが、４．００×１０^−３以上２０．００×１０^−３以下である。この範囲とすることで、焼結性をさらに向上することができる。

発明者らは炭化タングステン粉末の粒子組織、粉末特性、これを原料に用いた超硬合金の特性の関係を詳細に検討した結果、炭化タングステンの結晶粒が結合した結合体において、結晶粒同士の界面にクロム濃化領域が形成されている場合、粉末の嵩が小さく取り扱い易くなると共に、合金巣などの焼結欠陥が少なく良質な超硬合金を製造できることを発見した。

以上の検討を踏まえ想到した開示の炭化タングステン粉末は、図１に示す通り、複数の炭化タングステンの結晶粒１１が結合した結合体１０からなる。それら結晶粒間の結晶粒界１１ａにクロム濃化領域１２を備える。

本開示はあらゆる粒度の炭化タングステン粉末に適用可能であるが、特に炭化タングステン結晶粒の平均結晶粒径が０．６μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以下である結晶粒が微粒の粉末に適用すると、従来技術により製造した微粒粉末と比較して大きな効果が得られる。

ここで、炭化タングステン粉末全体に含まれるクロム濃度は、タングステンとクロムの合計濃度に対して０．１質量％以上７．０質量％以下であるとなお良い。０．１質量％以上７．０質量％以下で十分な量のクロム濃化領域を形成することができる。また７．０質量％超となると、超硬合金を製造する際にクロム濃度が高くなり、超硬合金の特性が低下する可能性がある。

また、本開示の炭化タングステン粉末は、（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃで表される化合物を含むことが好適である。クロムが（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃなる化合物として形成されていることで、超硬合金の製造時に粉末の嵩が小さく取り扱い易くなると共に、合金巣などの焼結欠陥が少なく良質な超硬合金を製造できる。

さらに本開示の別の側面として、放射光Ｘ線回折により測定する炭化タングステン（１０１）回折強度Ａと（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ（３２１）回折強度Ｂとの強度比Ｂ／Ａが、４．００×１０^−３以上２０．００×１０^−３以下であると良い。強度比Ｂ／Ａが４．００×１０^−３未満であると、超硬合金製造の際に（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの作用が小さくなる。また強度比Ｂ／Ａが２０．００×１０^−３超であると、炭化タングステンの生成速度が低下され、均一分散でない場合合金組織が不均一となり易い。より好ましくは、強度比Ｂ／Ａが８．００×１０^−３以上１７．００×１０^−３以下であると良い。

以上のような炭化タングステン粉末は、次の製造工程により好適に製造できる。
本開示に係る炭化タングステン粉末の製造方法の一態様は、例えば、タングステン酸化物粉末と、クロム含有溶液と、炭素源粉末と、を準備し、これらを混合し混合粉末を得る第一工程と、混合粉末を水素雰囲気中で熱処理して還元粉を得る第二工程と、還元粉を不活性雰囲気中や水素を含む雰囲気中で第二工程よりも高温で熱処理して炭化タングステン粉末を得る第三工程と、を備える。ここでクロム含有溶液として利用できる化合物としては、塩化クロム、硝酸クロム、硫酸クロム、酢酸クロム、リン酸クロムが挙げられる。

次に本開示の実施例について記載する。なお本実施例は発明の一態様に過ぎない。
［実施例］
（混合粉末の製造）
タングステン酸化物粉末として平均粒子径２．０μｍの三酸化タングステン粉末と、クロム含有溶液として酢酸クロム（和光純薬）と、炭素源粉末として平均粒子径１．０μｍの炭素粉末を準備する。酸化タングステン粉末と炭素源粉末を旋回翼式の混合機に投入する一方、酢酸クロムを純水で溶解して所望の濃度に調整する。クロム含有溶液の濃度は当業者で適宜調整可能であるが、ここでは４０体積％酢酸クロム水溶液となるよう調整した。混合機で粉末を撹拌しながら、クロム含有溶液を所望のクロム濃度となるように粉末に噴霧し、これらを混合する（第一工程）。ここで使用する混合機は当業者により適宜選択できるが、一例として日本コークス工業社製のヘンシェルミキサーを利用することができる。また旋回翼式以外の方式であってもよい。ここでは混合条件として旋回翼の直径６０ｃｍ、外周速度１８８４ｍ／分、混合時間３０分としたが、十分な混合が得られれば良く特に限定されるものではない。

混合後、混合粉末を取出し乾燥して混合粉末とする。
（還元粉末の製造）
この混合粉末を水素雰囲気で温度８００〜１０００℃で還元処理し、タングステンと炭素とクロムを含有する還元粉末とする（第二工程）。本実施例では全ての粉末において、温度９００℃大気圧水素フロー下で還元熱処理を行った。

（炭化タングステン粉末の製造）
さらに、この還元粉末を内部容積が幅１５０ｍｍｘ奥行１５０ｍｍｘ高さ７５ｍｍのカーボンケースに入れ、不活性雰囲気下、本実施例においては水素雰囲気大気圧フロー下で１０００〜１４００℃で熱処理して、炭化タングステン粉末を得る（第三工程）。各粉末の熱処理条件は、表１および表２に記載する。

（クロム濃化領域の生成原理）
この製造方法により本開示の炭化タングステン粉末が得られる理由は未だ明確でない。しかしながら、これまでの発明者らの検討の結果、（１）酸化タングステン粉末の各粒子にクロムが均一分散され、（２）酸化タングステンの還元により金属タングステン粒子が生成した際、（３）熱処理によりクロムが金属タングステン粒子へ均一固溶し、（４）炭化の際に金属タングステンからクロムが（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの形で吐き出され炭化タングステンの結晶粒界に形成（偏析）される、ことで得られていると推察している。

（炭化タングステン粉末の物性の測定）
製造した炭化タングステン粉末を、内径２００ｍｍの円筒形ボールミル容器に容器内容積の４０体積％となるように充填した。同じ容器に直径３ｍｍの超硬合金製ボールを充填した。１次粒子が粉砕されないように時間調整し解砕処理を実施後、各種粉体特性を測定した。その結果を表１および２に示す。本開示においては、粉体断面のＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)観察による炭化タングステン結晶の結合体の存在同定、またＴＥＭによるクロム濃化領域の同定、放射光Ｘ線回折による（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ相の存在同定および炭化タングステン（１０１）回折強度Ａと（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ（３２１）回折強度Ｂとの強度比Ｂ／Ａ測定、フィッシャー法によるＦｓｓｓ(Fisher sub-sieve sizer)径測定、ＪＩＳ Ｚ ２５１２に記載されるタップ密度（ＴＶ:Tap Volume）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ: Inductively Coupled Plasma）による炭化タングステン粉末中のクロム質量濃度を測定する。

ここで炭化タングステン結晶の粒径測定の手法を詳述すると、まず炭化タングステン粉末を樹脂包埋後にイオンビーム加工し、断面試料を作製する。これをＳＥＭで観察する。この際、反射電子検出器を用いて結晶方位の違いによるコントラストを強調したチャネリングコントラスト像を撮影する。このＳＥＭ像に対して画像解析を行い結晶粒径が算出される。具体的には、前記チャネリングコントラスト像から任意に３μｍ×３μｍの領域を選択し、その中に完全に含まれる５つの炭化タングステン結晶粒を任意に抽出した後、画像解析ソフト（三谷商事（株）の「ＷｉｎＲＯＯＦ」）を用いて各結晶粒の円相当径を算出する。位置を変えてこの処理を５回繰り返し、合計２５個の炭化タングステン結晶粒の円相当径を求め、その平均値を炭化タングステン結晶粒の平均結晶粒径と定義する。

図２から図４に、実施例１の炭化タングステン粉末について、断面組織をＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)―ＥＤＳ(Energy dispersive X-ray spectrometry)により観察した結果を示す。図２で示す写真の視野の一部分を高倍率で観察したものが図３の写真である。図３の視野でのクロム濃度をＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)―ＥＤＳ(Energy dispersive X-ray spectrometry)分析したものが図４である。図２から４に示す通り、開示の炭化タングステン粉末は炭化タングステンの結晶粒１１の結晶粒界１１ａにクロム濃化領域１２を備えることが明確である。複数の結晶粒１１が結合して結合体を構成していた。図４において、結晶粒界１１ａを横断するようにクロム濃度の線分析を行ったところ、図５に示すクロム濃度分布が得られた。図５で示すようにタングステン結晶粒１１内のクロム濃度（Ｂ．Ｇ．）に対して結晶粒界１１ａに存在するクロム濃化領域１２では、クロムの濃度が高い。図４および図５から明らかなとおり、結晶粒界１１ａにおいてクロム濃化領域を確認できる。

図６および図７に、実施例４の炭化タングステン粉末について、放射光Ｘ線回折を行った結果を示す。図７は、図６の回折プロファイルの一部を拡大して示したものである。線源として使用した放射光Ｘ線の波長は０．０３５４４８ｎｍ、測定手法はＤｅｂｙｅ―Ｓｃｈｅｒｒｅｒ方式（透過法）、２θ測定範囲は２〜７８度、ステップ幅は０．００５度、露光時間は６０秒とした。本開示において（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃは、Ｗ_２Ｃと同じ結晶構造を有し、格子定数がＷ_２Ｃよりも小さい化合物のことを言う。ここでＷ_２Ｃの結晶構造については、例えばＩＣＳＤ（無機結晶構造データベース）４３０１７番のカード、或はＩＣＤＤ（国際回折データセンター）発行のＰＤＦカード番号［０１―０８９−２３７１］に記載の情報を参考にできる。（Ｗ，Ｃｒ）_２ＣはＷ_２ＣのＷサイトに対してＣｒが置換固溶しているため格子定数が小さくなり、Ｗ_２Ｃよりも高角度側に回折ピークが出現する。具体的には、Ｗ_２Ｃの各結晶面指数（ｈｋｌ）における結晶面間隔（ｄ１）に対し、同一面指数における（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの結晶面間隔（ｄ２）は０．５％〜１．５％小さくなる。例えば図７に示すように、実施例４の炭化タングステン粉末においては、Ｗ_２Ｃ（３２１）面の結晶面間隔ｄ１が０．１３４８ｎｍ（回折角２θ＝１５．１１０度に相当）であることに対し、回折角２θ＝１５．２７７度の位置（結晶面間隔ｄ２が０．１３３３ｎｍに相当）にピークを確認でき、ｄ２はｄ１よりも１．０７％小さい。この関係は（３２１）面以外の結晶面間隔においても同様である。したがって、Ｗ_２Ｃを元に結晶面間隔を０．５％〜１．５％小さくした結晶構造で回折プロファイルを解析することにより、（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの存在を同定することができる。なお、一般的なサイズのＸ線解析装置を用いる場合においては、放射光Ｘ線装置と比較して角度分解能や輝度が低いことから、（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの存在を同定することは困難である。

さらに本実施例においては、上記のようにして決定する（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの結晶構造に加え、ＷＣ，Ｗ_２Ｃの結晶構造とともに回折プロファイルの解析を行うことで、炭化タングステン（１０１）回折強度Ａと（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ（３２１）回折強度Ｂとの強度比Ｂ／Ａを求める。解析ソフトとしては(株)リガク社製のＰＤＸＬを使用するが、特に限定されない。バックグラウンド除去後、ＷＣ（１０１）積分強度を回折強度Ａ、（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ（３２１）積分強度を回折強度Ｂとし、強度比Ｂ／Ａを求める。なお、用いる結晶構造データベースの種類によっては、Ｗ_２Ｃ（３２１）回折ピークの極近傍に（３０２）回折ピークが出現することを記載しているものがあるが、この場合は（３２１）ピークと（３０２）ピークを分離せず、まとめて（３２１）ピークと見做す。

実施例における本開示の炭化タングステン粉末の製造方法の一例を図８で示す。なお、本開示の炭化タングステン粉末の製造方法は、図８で示すフローチャートに限定されない。図８で示すように、まず、原材料としてのＷＯ_３粉末、クロム粉末およびグラファイト粉末を用意する（ステップＳ１からＳ３）。これらの原料粉末を混合する（ステップＳ４）。混合粉末を例えば水素雰囲気などの還元雰囲気で還元する（ステップＳ５）。還元された粉末を、例えば窒素雰囲気などの不活性雰囲気で炭化する（ステップＳ６）。

（実施例および比較例の超硬合金の製造）
次に、炭化タングステン粉末の焼結性を次の手順で確認する。

まず炭化タングステン粉末と一次粒子径約２μｍの金属コバルト（以下、Ｃｏ）粉末を９：１の質量比で配合し、これをφ３ｍｍの超硬ボールを用いたボールミルで混合する。配合比においてクロムの質量は炭化タングステン中に含まれるものとして計算する。混合条件の一例として、回転数９０ｒｐｍ、エタノール溶媒、混合時間２４ｈとすることができる。

混合後、ボールミル内から混合スラリーを回収し、これを乾燥して乾燥粉末とする。
この乾燥粉末にバインダーとして樟脳を２質量％添加して１５０μｍメッシュの篩を通し、造粒粉を作製する。

造粒粉を面圧９．８ｋＮ／ｃｍ^２でＳＮＧ４３２（ＡＮＳＩ呼び記号）形状にプレス成型し、真空炉で焼結する。焼結条件は当業者に自明の範囲で適宜選択可能であり、一例として、昇温速度１０℃／ｍｉｎ、最高温度１３５０℃、保持時間３０ｍｉｎ、減圧窒素雰囲気（約１３３Ｐａ）とすることができる。

焼結後、焼結体を厚み方向に切断し、その切断面を粒度＃４００のダイヤモンド砥石による平研加工、粒度＃３０００のダイヤモンドペーストによる仕上げ加工を行い、検鏡試料とする。

その検鏡試料を光学顕微鏡により観察し、超硬工具協会規格ＣＩＳ００６Ｃ−２００７に基づき有孔度を判定する。ここで本明細書においては表示の簡素化のため、Ａ０２未満およびＢ０２未満と判定した場合には、有効度をＡ００およびＢ００とそれぞれ表記する。また村上試薬による腐食処理を行い、粒径５μｍ超の粗大粒子の個数をカウントする。粗大粒子の観察は、倍率１５００倍で３視野の顕微鏡写真から行い、その総計を比較する。

以上の方法で製造した実施例の炭化タングステン粉末と、その炭化タングステン粉末から製造した超硬合金の特性を表１および表２にまとめる。ここでは製造条件として第三工程（焼成）における熱処理温度（炭化温度）を示している。

実施例のサンプルでは、超硬合金中の欠陥の評価において、巣が少なく、さらに粗大な炭化タングステン粒子が少ないことがわかった。

なお比較例１〜３の粉末はクロム含有水溶液に変えて平均粒径２μｍのクロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）粉末を用いると共に、φ３ｍｍ超硬ボールを用いたボールミル混合（エタノール溶媒、回転数９０ｒｐｍ、２４ｈ）にて混合工程を実施し、その後の工程は実施例と同じようにして炭化タングステン粉末および超硬合金を製造した。また比較例４，５の粉末は特許文献２の方法に基づき製造した炭化タングステン粉末に、クロム炭化物（Ｃｒ_３Ｃ_２）と金属Ｃｏ粉末を配合し、これ以降は実施例と同様の手法で合金化した。比較例４の粉末は微細でＦｓｓｓによる評価が困難であったことから、ＢＥＴ（比表面積）値から球形粒子と仮定した換算粒径を表記している。比較例６は炭化タングステン粉末のクロム濃度が表３に記載の数値となるようにクロム含有水溶液を三酸化タングステン粉末に噴霧したこと以外は実施例と同様にして製造した。比較例７は三酸化タングステン粉末にクロム含有水溶液を噴霧しなかったこと以外は実施例と同様にして製造した。比較例の結果を表３に示す。

表１から表３に示す通り、本開示に係る炭化タングステン粉末は、粉末の嵩が小さく取り扱い易いことから、超硬合金を作製する際に焼結巣や異常成長炭化タングステンなど組織欠陥を低減でき、良好な超硬合金とすることができる。

なお、実施例２１と比較例３の炭化タングステン粉末はＦｓｓｓ径が同等で嵩も低いが、前者は平均結晶粒径が小さく合金中の粗大化ＷＣ粒子も少ない。また、平均結晶粒径が同様な実施例１９と比較例１を比較すると、前者は嵩が小さく超硬合金中の欠陥も良好である。すなわち、本開示に係る炭化タングステン粉末は、粉末の嵩が小さく取り扱い易いことが分かる。

ここで実施例との対比のため、比較例３の炭化タングステン粉末について放射光Ｘ線回折を行った結果を図９および図１０に示す。図１０は、図９の回折プロファイルの一部を拡大して示したものである。図から明らかなとおり、比較例の炭化タングステン粉末においては（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃの回折ピークはバックグラウンドレベルとなっており、また実施例と同様にして強度比Ｂ／Ａを測定したところ約１．０×１０^−３程度の値であったことから、（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃは形成されていないと判断できる。

本開示の炭化タングステン粉末において、クロム濃化領域によって超硬合金の特性が向上するメカニズムは未だ明瞭ではないが、本発明者らのこれまでの検討の結果、（１）結合体により粒子の見かけ上の嵩が小さくなる、（２）クロム濃化領域により粒界において炭化タングステンとＣｏとの共晶温度が低下する、（３）クロム濃化領域が粒界の耐酸化性を向上させ共晶溶湯との濡れ性を向上する、（４）液相焼結中に共晶溶湯のクロム濃度が均一に保たれ炭化タングステンの異常成長が抑制される、点が重要であると考えている。

以上、本開示によれば、微粒子な炭化タングステンでありながら、結合体により粉体の嵩を小さくできる。さらに、クロム濃化領域により焼結性を向上できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 炭化タングステン粉末、 １０ 結合体、１１ 結晶粒、１１ａ 結晶粒界、１２ クロム濃化領域。

Claims (4)

1. 複数の炭化タングステン結晶粒を有する結合体を含み、当該結合体内において複数の前記炭化タングステン結晶粒間の結晶粒界に、前記炭化タングステン結晶粒内よりもクロムの濃度が高いクロム濃化領域を含み、
   さらに、（Ｗ，Ｃｒ） _２ Ｃで表される化合物を含む、炭化タングステン粉末。
2. 前記炭化タングステン結晶粒の平均結晶粒径が０．６μｍ以下である請求項１に記載の炭化タングステン粉末。
3. 炭化タングステン粉末全体に含まれるクロム濃度が０．１質量％以上７．０質量％以下である請求項１または請求項２に記載の炭化タングステン粉末。
4. 放射光Ｘ線回折により測定する炭化タングステン（１０１）回折強度Ａと（Ｗ，Ｃｒ）_２Ｃ（３２１）回折強度Ｂとの強度比Ｂ／Ａが、４．００×１０^−３以上２０．００×１０^−３以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の炭化タングステン粉末。