JPH04147939A

JPH04147939A - 超硬合金及びその製造方法

Info

Publication number: JPH04147939A
Application number: JP2269437A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamamoto; 豊山本; Kazuya Hyodo; 兵頭　和也; Kazuyuki Okamoto; 和之岡本; Shigeru Motonami; 本並　茂
Original assignee: SUTAAROI SANGYO KK; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: SUTAAROI SANGYO KK; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 1992-05-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用公費〉本発明は、トンネル掘削用シールド掘削機あるいはトン
ネルボーリングマシンなどに取付けられるカッターピッ
ト等の建設工具に用いられる超硬合金に関し、工作機械
用切削バイト、岩盤あるいはコンクリートの切削用カッ
タ、及び削岩機用のチップ等にも適用可能なものである
。

〈従来の技術〉トンネル掘削用シールド掘削機あるいはトンネルボーリ
ングマシンなどに取付けられて切刃となるカッタービッ
ト等の！！設工具には、従来より超硬き金が採用されて
いる。この従来の超硬合金は、硬質相を粒子粒径が１〜
１０μｍの炭化タングステン（以下ＷＣという）とし、
結合相をコバルト（以下Ｃｏとし１う）とすると共に、
その含有量をＷＣが８４〜９３重量％とし、Ｃｏが７〜
１６重量％とする組成のものが一般的となっている。

また、製造プロセスも真空焼結のみ行い、熱間静水圧プ
レス処理であるＨ　Ｉ　Ｐ　（ＨｏｔＩｇｏｓｔａｔｉ
ｅ　Ｐｒｅｓｓｉａｇ）処理は、施していないのが通常
であった。

〈発明が解決しようとする！Ｉｌ！＞前述の超硬合金を採用したトンネル開削機等のカッター
ビットは、寿命が短かい為作業効率が悪く、カッタービ
ットの長寿命化を達成する必要を有していた。このため
には、カッタービットの刃先（チップ）材である超硬合
金の硬さと靭性を共に向上させて、耐摩耗性と耐欠損性
を高めることが必要であった。

従来材であるＪＩＳ　　Ｍ３９１６１を山王具用超硬合
金Ｅ５種のＷＣ−Ｃｏ系超硬合金の性質は、ビッカース
硬さＨｖが１０００〜１１００、抗折力σ、が２００〜
２５０　ｋｇｆ　／ａｍ２、破壊靭性に１ｏが３０〜４
０ｋｇｆ　７ｗｍ　　であり、カッタービットの長寿命
化のためには、ビッカース硬さＨｖ、抗折力σ、及び破
壊靭性ＫＩｃの何れをも従来材より高い値に向上させる
必要がある。

一般に、超硬合金の硬さを向上させる為には、結合相で
あるＣＯの量を少なくしてＷＣの量を増加すること、あ
るいはＷＣの粒径を小さくすることが効果的であるが、
何れの場合も靭性は逆に低下する傾向にある。

また、靭性を高めるためには、結合相量を増加するのが
効果的であるが、硬さを犠牲にしなければならない。

以上のように、硬さと靭性を両立させてともに向上させ
ることは困難であった。

本発明は、この困難を克服して、ビッカース硬さＨｖ、
抗折力σ、及び破壊靭性に１ｏの何れの値も従来材より
高い超硬合金を見出そうとするものである。

〈課題を解決するための手段〉本発明による第１の超硬合金は、硬質相として粒径１μ
ｍ未満の炭化タングステンを８０〜９０重量％含有し、
結合相としてコバルトを１０〜２０重量％、あるいは結
合相としてコバルト７〜１４重量％及びニッケル３〜６
重量％含有することを特徴とするものである。

本発明による第２の超硬合金は、炭化バナジウムを１重
量％未満添加したことを特徴とするものである。

本発明による第１の超硬合金の製造方法は、真空中の１
３５０〜１５５０℃の温度下で焼結を行う第１段階と、
この第１段階の後に加圧媒体をアルゴンガスとし１００
０〜１３００ｋｇｆ／ｄの圧力及び１３００〜１４００
℃の温度条件下で熱間静水圧プレス処理する第２段階と
を有することを特徴とするものである。

本発明による第２の超硬合金の製造方法は、加圧媒体を
アルゴンガスとし、６０〜１００ｋｇｆ／ｃｄの圧力及
び１３００〜１４００℃の温度条件下で、焼結と熱間静
水圧プレス処理とを同時に行うことを特徴とするもので
ある。

本発明による第３の超硬合金は、掘削機のカッター材と
して採用されることを特徴とするものである。

すなわち、超硬合金の組成として、靭性を低下させるこ
となく硬さを向上させるべく、結合相のＣｏ量を減少さ
せずに１０〜２０重量％とし、ＷＣ粒径を１μｍ未満の
超微粒とした組成を採用した。

また、結合相に靭性向上に有効なニッケル（息下Ｎ１と
いう）を添加して、Ｃｏ　７〜１４重量％及びＮｉ　３
〜６重量％とじ、ＷＣ粒径を１μｍ未満の超微粒とした
組成も採用した。

一方、超微粒のＷＣ粒を原料として使用しても、焼結過
程の高温保持によって粒成長を起すことがあるので、粒
成長抑制剤として他の炭化物を添加する必要を有する。

そのため、前述の２種類の組成に対し、粒成長抑制剤と
して炭化バナジウム（以下ＶＣという）を１重量％未満
添加する組成も採用した。さらにＷＣ粒径が１μｍ未満
の超微粒粉末を使用すると焼結過程で液相の流動が起り
難く、空孔等の欠陥が生じ易くなる。このような欠陥を
除去するためにはＨＩＰ処理が有効であり、ＨＩＰ処理
することによって抗折力を大幅に向上させることができ
る。従って、前述の各組成の超硬合金に対して真空焼結
後ＨＩＰ処理を行う製造プロセスを採用した。

また、とのＨＩＰ処理の替わりに、焼結とＨＩＰ処理を
同時に実施する５ｉｎｔｅｒ　ＨＩ　Ｐ炉を用いて、前
述の各組成の超微粒超硬合金に対して５ｉｎｔｅｒ　Ｈ
Ｉ　Ｐ処理を行う製造プロセスを採用した。

５ｉｎｔｅｒ　ＨＩ　Ｐ処理の場合には、焼結後ＨＩＰ
処理する方法に比べて工程を短縮でき、コスト低減が図
られると共に、焼結後常温の大気に触れることがないの
で、完成品となった超硬合金の性質のばらつきが少なく
材質が安定化する。

用〉ＷＣ粒径を１μｍ未満の超微粒とした為、同一組成であ
っても硬質相間の結合相の厚さが薄くなり、硬さが向上
する。そして、超微粒のＷＣ粒が焼結過程で粒成長を起
こす可能性を有するが、粒成長抑制剤としてＶＣを１重
量％未満添加することにより粒成長が防止され、硬さの
維持が図れる。

また、Ｃｏ等の結合相量は、従来の超硬合金と同等以上
であり、靭性の低下を生じさせない。さらに、結合相へ
のＮ１ＷＡ加によって、Ｇｏの応力誘起マルテンサイト
変態によるすべり変形能低下を防止し、靭性向上が図れ
ることとなる。

一方、ＨＩＰ処理又はｊｉｎｔｅｒ　ＨＩ　Ｐ処理によ
り、超硬合金内の空孔等の欠陥が潰され、欠陥を起点と
した割れが防止される。従うで、抗折力が大幅に向上す
る。

く作以上より、本発明の超硬合金を掘削機のカッター材とし
て採用すれば、従来の超硬合金のカッター材に比較して
、耐摩耗性、耐欠損性に優れ、カッターピットの長寿命
化が図られることとなる。

く実　施　例〉本発明の一実施例に基づき説明をする。

本発明の実施例により試作した超硬合金は、何れもＷＣ
粒径０．６〜０．７μｍの超微粒のものを使用するが、
以下のような組成の相違を有する。

第１の組成は、結合相がＣＯのみのＷ　Ｃ−Ｃ。

系超硬合金であり、第２の組成は、結合相にＮｉを添加
して、結合相の７０〜８０％をＣｏ。

２０〜３０％をＮｉとしたＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系超硬合金
である。第３の組成は、前記第１の組成のＷＣ−Ｃｏ系
超硬合金に粒成長抑制剤としてＶＣを１重量％未満添加
しｆ−ＷＣ−Ｃ。

−ｖＣ系超硬合金であり、第４の組成は、前記第２の組
成のＷＣＣｏ−Ｎｉ系超硬合金に粒成長抑制剤としてＶ
Ｃを１重量％未満添加したＷ　Ｃ−Ｃｏ　−Ｎｉ　−Ｖ
　Ｃ系超硬合金である。

そして、この計４種類の成分系でＣｏ、Ｎｉ。

ＶＣ等の含有量及び製造プロセスを変えて計１５種順の
試作材を作成した。

尚、何れの試作材も結合相量は、靭性低下を生じさせな
いようにする為、従来の超硬合金と同様の１０〜２０重
量％とじた。

次に、以上のサンプルの製造プロセスについて説明する
。但し、製造プロセスは、真空焼結後ＨＩＰ処理、ある
いは５ｉｎｔｅｒ　Ｉ（Ｉ　Ｐ処理を採用した２通りと
し、これら製造プロセスの７豐−チャードを第１図に示
すこととする。

まず、真空焼結後Ｉ（ＩＰＰ処理採用した場合の製造プ
ロセスについて説明する。

第１の工程は、超微粒子炭化タングステン粉末（粒径Ｏ
，Ｓ〜０．７μｍ）１１．コバルト粉末１２、ニッケル
粉末１３、炭化バナジウム粉末１４等を前述の所定の組
成に配合し、ボールミルまた：よアトライタにより、こ
れら炭化物等を粉砕すると同時に各成分が均一となるよ
うに十分属合する粉砕扁合工Ｎ１である。尚、厩舎時に
は、溶媒としてアセトン、アルコール、ベンゼン、四塩
化炭素等の有機溶剤を用いることとするう第２の工程は、金型によるプレスで所定の形状に成形す
るプレス成形工程２である。このプレス成形時には、プ
レスのための潤滑剤及びプレス後における圧粉体の破損
防止のためのパラフィン等のワックスを添加する。尚、
金型によるプレス時の加圧力は、１０００へ３０００ｋ
ｇｆ／ｃＩＩである。

第３の工程は、成形された圧粉体に、機械加工による成
形に耐え得る強度を与える為、真空中において６００〜
１０００℃の温度範囲で加熱し、予備焼結を行う予備焼
結工程３である。

第４の工程は、焼結時の収縮量を見込んだ最終製品形状
に機械加工する機械加工工程４である（プレス圧や組成
、粒度等によって変化するものの、圧粉体は焼結によっ
て線収縮率約２０％の値で収縮する。）。

第５の工程は、真空焼結炉を用いて、機械加工成形品を
真空焼結する真空焼結工程５である。通常、この真空焼
結は１３５０〜１５５０℃の温度範囲まで加熱して５０
分間行う。

第６の工程は、真空焼結後、空孔等の欠陥を潰すために
行うＨＩＰ処理６である。尚、ＨＩＰ処理条件は、加圧
媒体であるアルゴンガス雰囲気中にて、温度１３００〜
１４００℃及び圧力１０００〜１３００ｋｇｆ／−を１
時間保持するというようなものである。

次に、５ｉｎｔｅｒ　ＨＩ　Ｐ処理を採用した場合の製
造プロセスについて説明スる。

この場合は、基本的に前述の製造プロセスと同じである
が、第５の工程及び第６の工程の替りに、５ｉｎｔｅｒ
　ＨＩ　Ｐ炉を用いて、５ｌｎｔｅｒＨＩＰ処理７を行
う点で相違する。尚、この際の条件は、アルゴンガス雰
囲気中、温度１３００〜１４００℃及び圧力１００ｋｇ
ｆ／ｃｌｒ以下の低圧の条件とする。

以上の２通の製造プロセスにて試作した製品８である１
５Ｉｌｌｌｌ［の超微粒超硬合金のビッカース硬さＨｖ
、抗折力σ１、破壊靭性に１ｏの値を従来の超硬合金の
値と比較したものを以下の第１表に示す。

尚、ここで比較の対象としたのは、ＪＩＳＥ５種相当材
反相当材ＩＳＥ２種相当材の２種類でまた、機械加工工
程４後の工程の相違を製造プロセスの欄に示した。つま
り、この製造プロセスの欄のＮＳは真空焼結のみを意味
し、ＮＳ＋ＨＩＰは真空焼結後１（ＩＰ処理を行ったこ
とを意味し、５ｉｎｔｅｒ　ＨＩ　Ｐは５ｉｎｔｅｒ　
ＨＩ　Ｐ炉による焼結とＨＩＰ処理の同時処理を意味す
る。

この第１表に示すように、１５ｉ１１［の試作材のビッ
カース硬さＨｖ、抗折力σ１、破壊靭性に、。の値は従
来の超硬合金より優れている。

特に、翫２の試作材は、ビッカース硬さＨｖ。

抗折力σ、が非常に優れる上に破壊靭性に、ｃも従来の
超硬合金よりも大きな値となる。

さらに、第１表に示した通り、従来の超硬合金の基礎的
性質を大幅に上履る性質の超硬合金が見い出された為、
ｌｋ２，１１７，１ｋｇ。

＆１３の試作材から輻１０ｍ１厚さ１０ｍの切削用超硬
合金チップを製作し、これを合金にろう付けしたテスト
用カッタービットを試作することとした。

そして・このテスト用カッタービットを用いて、モルタ
ル切削による耐摩耗性評価試験及び、コンクリート切削
による耐欠損性評価試験を実施し、これらの試験結果を
第２表に示すこととする。

ここで、耐摩耗性評価試験は、圧縮強度３００ｋｇｆ／
ｃａｒのモルタルを、切削幅１０鴫、切削半径１６５■
、１回転当りの切込み量０．０３４ｍ、切削時間２０分
間の条件で切削して、カッタービットの１先摩耗量を比
較したものである。耐欠損性評価試験は、骨材として直
径ｌＯ〜３０■の岩石を含む圧縮強度５００ｋｇｆ／ｃ
ｌＩのコンクリートを、同様にして１回転当りの切込み
量０．０７■、切削時間５分間の条件で切削して刃先欠
損の有無を比較ｔ、ｆ−ｔ′）ｖｉｘ・　　　　　　　
／尚、耐欠損性は、コンクリート切削によって刃先が欠
ける場合を×とし、刃先が欠けない場合をＯとした。

この第２表に示したように、試作材４種類の耐摩耗性は
、従来の超硬合金の耐摩耗性より大幅に優れており、例
えば）！ａ、’２の試作材では、ＪＩＳＥ５種相当の従
来の超硬合金の摩耗量の１／１０以下である。耐欠損性
に関しても、＆２と＆７の試作材は、従来の超硬合金よ
り優れており、本実施例によろ超硬合金の高強度高耐摩
耗性が実証された。

また、本実施例においてＷＣ粒径を°０．６〜０．７μ
ｍの範囲のものを使用することとしたが、従来の、［１
１２合金の粒径より小さい粒径のＷＣであればよく、粒
径１μｍ未満の範囲のものを用いることとしても、本実
施例と同様の効果を得ることができるものと考えられる
。

〈発明の効果〉本発明の超硬合金及びその製造方法は、実施例にて説明
したように、従来の超硬合金に比べて、硬さ、抗折力、
靭性の何れも優れ、硬さと靭性を兼備した材質及びその
製造方法である。その耐摩耗性、耐欠損性も従来の超硬
合金を大きく凌駕している。

すなわち、ＷＣ粒径を粒径１μｍ未満の超微粒としたこ
とによる硬さ向上、結合相量を従来の超硬合金並みとし
つつ欠損除去のためにＨＩＰ処理あるいは５ｉｎｔｅｒ
　ＨＩ　Ｐ処理を行ったこと等による抗折力向上、靭性
向上の効果が得られたもっである。

また、粒成長抑制剤としてＶＣを添加した場合の硬さ向
上効果及び、結合相にＮｉを含有させた場合の靭性向上
効果も、若干ながら認められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る超硬合金試作材の製造
フローチャートを表す図である。図面中、１は粉砕混合工程、２はプレス成形工程、３は予備焼結
、５は真空焼結工程、６はＨＩＰ処理、７は５ｉｎｔｅｒ　ＨＰ処理である。三菱重工業株式会社スター産業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

（１）硬質相として粒径１μｍ未満の炭化タングステン
を８０〜９０重量％含有し、結合相としてコバルトを１
０〜２０重量％、あるいは結合相としてコバルト７〜１
４重量％及びニッケル３〜６重量％含有することを特徴
とする超硬合金。
（２）炭化バナジウムを１重量％未満添加したことを特
徴とする請求項（１）記載の超硬合金。
（３）真空中の１３５０〜１５５０℃の温度下で焼結を
行う第１段階と、この第１段階の後に加圧媒体をアルゴ
ンガスとし１０００〜１３００ｋｇｆ／ｃｍ＾２の圧力
及び１３００〜１４００℃の温度条件下で熱間静水圧プ
レス処理する第２段階とを有することを特徴とする請求
項（１）又は請求項（２）記載の超硬合金の製造方法。
（４）加圧媒体をアルゴンガスとし、６０〜１００ｋｇ
ｆ／ｃｍ＾２の圧力及び１３００〜１４００℃の温度条
件下で、焼結と熱間静水圧プレス処理とを同時に行うこ
とを特徴とする請求項（１）又は請求項（２）記載の超
硬合金の製造方法。
（５）掘削機のカッター材として用いることを特徴とす
る請求項（１）又は請求項（２）記載の超硬合金。