JPS6342346A - 高強度超硬合金 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、切削工具部品、耐摩耗工具部品又は耐腐蝕性
工具部品などに用いられる超硬合金に関し、特に、プリ
ント基板の穴あけ加工用のミクロンドリルに代表される
切削工具部品、ドツトビン又はガラス切断用工具部品に
代表される耐摩耗工具部品などのように耐摩耗性と高強
度性を心安とする小形の工具部品、並びにスリッター又
はドリルなどのように鋭角な刃先を必要とする工具部品
、さらにボール、メカニカルシール又はノズルなどのよ
うな耐腐蝕性工具部品として適する高強度超硬合金に関
するものである。

（従来の技術） 一般に、超硬合金は、ＷＣ−Ｃｏ系合金とＷＣ−立方晶
系化合物−Ｃｏ系合金に大別できる。（立方晶系化合物
は、周期律表の４ａ。

５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる
固溶体を示す、）この内、前者は、後者に比べて耐熱性
、耐酸化性及び金属との耐溶着性に劣るけれども高強度
であることから使用時に高温にならない主として鋳鉄、
非鉄金属又は非金属を切削するための切削工具部品又は
各種の耐摩耗工具部品として実用化されている。

ＷＣ−Ｃｏ系合金の中でも、従来、高速度鋼の使用領域
とされている用途に用いる超硬合金、又はミクロンドリ
ルやドツトビンなどのように細径形状の用途に用いる超
硬合金は、特に強度の高い合金が用いられている。これ
らの用途の内、ミクロンドリルやドツトビンは、線径が
増々細径化の方向になると共に、その使用条件が高速化
されてきているために、さらに硬度を低下させずに強度
を高めた超硬合金への要望が高まっている。

硬度を低下させずに、強度を高めた超硬合金を作成する
には、１つに、ＷＣの粒径を微細化する方法があり、他
の１つに不可避不純物の問題がある。この内、微細なＷ
Ｃを含有した超硬合金は。

微細なＷＣ粉末を出発原料として用いて、かつ焼結工程
で微細なＷＣの粒成長を抑制させるための抑制剤を添加
させることによって作成することができる。微細なＷＣ
を含有した超硬合金について、特に、ＷＣの粒成長抑制
剤に関しては、多数の提案がある。その中の代表的なも
のに特開昭６１−１２８４７号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点） 特開昭６１−１２８４７号公報は、ＣｏおよびＮｉのう
ちの１種または２種：５〜４０％。

Ｖ：０．１〜２．０％およびＣｒ：０．１〜２．０％を
含有し、残りがＷＣおよび不可避不純物からなる組成（
以上重量％）を有し、かつ合金中の前記ＷＣの平均粒径
が０．フルｍ以下であることを特徴とする、歇細な炭化
タングステン粒子を含有する耐摩耗性および靭性のすぐ
れた超硬合金である。この特開昭６１−１２８４７号公
報は、ＷＣ−Ｇｏ金合金■とＣｒとを複合添加すること
によって、ＷＣの粒成長抑制効果を大ならしめ、それに
よって耐摩耗性部よび靭性のすぐれた超硬合金を作成す
るのに成功したものである。この特開昭６１−１２８４
７号公報の超硬合金は、従来の超硬合金に比べてすぐれ
た強度を有するけれども、■及びＣｒがＷＣ中に１部固
溶する場合が生じて、例えば線径が０．１φ〜０．２φ
■のミクロンドリルやドツトビンなどのような極微小形
の工具部品に用いると、しばしば損傷に到り、工具寿命
の安定性に欠けるという問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、Ｃｏ及び／又はＮｉの量に対する炭化バナジウ
ムと炭化クロムとの合計量を調整し、しかもＣｏ及び／
又はＮｉ中に炭化バナジウムと炭化クロムとを固溶させ
ることにより、ＷＣの粒成長を抑制させると共にＣｏ及
び／又はＮｉを主体にした結合相の塑性変形から生じる
強度低下を防止して、著しく高強度にした超硬合金の提
供を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、超硬合金の強度を高めるために、第１に
、ＷＣの粒成長を抑制するための添加物の効果について
検討し、第２に、破壊の原因を除去するための検討を行
なっていた所、ＷＣの粒成長を抑制するには炭化バナジ
ウムと炭化クロムとの複合添加による場合に、その効果
が高く、しかもＣｏ及び／又はＮｉの量に対して炭化バ
ナジウムと炭化クロムとの合計量を一定に保つことによ
り、前述の第１に著しく効果があり、又それによって前
述の第２の１部が解決できて、超硬合金の強度を高める
という知見を得ることによって、よ発明を完成するに至
ったものである。

すなわち、本発明の高強度起硬合金は、Ｉｉ量比で、Ｃ
ｏ及び／又はＮｉ３〜３０％と炭化バナジウム０．０５
〜１．０％と炭化クロム０．０５〜１．５％と、残り平
均粒度が１．０７ｚｍ以下の炭化タングステンと不可避
不純物からなる超硬合金であって、前記Ｃｏ及び／又は
Ｎｉの量に対する前記炭化バナジウムと前記炭化クロム
との合計量が３〜７％、しかも前記Ｇｏ及び／又はＮｉ
中に前記炭化バナジウムと前記炭化クロムが固溶してい
ることを特徴とするものである。

本発明の高強度超硬合金は、炭化タングステンの硬質相
と炭化バナジウム及び炭化クロムを固溶してなるＣｏ及
び／又はＮｉの結合相とからなるものである。この本発
明の高強度超硬合金における結合相は、Ｃｏ−Ｖ−Ｃｒ
−Ｃ，Ｃｏ−Ｎｉ　−Ｖ−Ｃｒ−Ｃ又はＮ１−Ｖ−Ｃｒ
−Ｃからなッテいるもので、この結合相の主成分である
Ｃｏ及び／又はＮｉが３％未満になると緻密な合金にな
り難く、緻密な合金にする目的で高温で焼結するとＷＣ
の粒成長が生じて、強度低下となる。また、Ｃｏ及び／
又はＮｉが３０％を越えて多くなると塑性変形による強
度低下が強くなり、炭化バナジウム及び炭化クロムを固
溶した結合相の効果が弱くなる。従って、Ｃｏ及び／又
はＮｉは、３重量％以上から３０％重量％以下と定めた
ものである。

この結合相において、Ｃｏ及び／又はＮｉの量に対する
炭化バナジウムと炭化クロムとの合計量が３％未満にな
ると、ＷＣの粒成長を抑制する効果が弱くなって、異常
成長したＷＣ粒子が部分的に生じ、これが破壊の起点と
なって強度低下をもたらすことになるやまた、Ｃｏ及び
／又はＮｉの？に対する炭化バナジウムと炭化クロムと
の合計量が７％を越えて多くなると、Ｃｏ及び／又はＮ
ｉ中に固溶した後、さらに炭化バナジウム、炭化クロム
又はそれらの固溶体が結合相又は硬質相中に分散相とし
て存在する場合、もしくは硬質相のＷＣと固溶体を形成
する場合があり、このために強度の低下が生じることに
なる。従って、Ｃｏ及び／又はＮｉの量に対する炭化バ
ナジウムと炭化クロムとの合計量は、３重量％以上から
７重量％以下に定めたものである。

本発明の高強度超硬合金は、ＷＣの粒成長を抑制する効
果を高めて、しかも合金の強度を高めるために、Ｃｏ及
び／又はＮｉｌに対して炭化バナジウムと炭化クロムと
の合計量を３〜７％にしたもので、そのために、本発明
の高強度超硬合金に含有する炭化バナジウム及び炭化ク
ロムの含有量は、自ら制限されるものである。また、本
発明の高強度超硬合金において、炭化バナジウムの破対
炭化クロムの量が３０〜６０％対４０〜７０％の比率に
あると前述の効果にすぐれるもので、特に炭化バナジウ
ムの量対炭化クロムの量が４０〜５０％対５０〜６０％
の比率にあるのが好ましい。

本発明の高強度超硬合金における炭化バナジウムの含有
量が０．０５％未満及び炭化クロムの含有量が０．０５
％未満になると、ＷＣの粒成長を抑制する効果が弱く、
逆に炭化バナジウムの含有量が１．０％を越えて多くな
ること及び炭化クロムの含有量が１．５％を越えて多く
なることは、炭化バナジウムや炭化クロムが析出して合
金の強度を低下させることになる。従って、炭化ｌくナ
ジウムの含有量は、０．０５重量％以上〜１．０重量％
以下及び炭化クロムの含有量は、０．０５ｆｆｉ量％以
上〜１．５重量％以下と定めたものである。

本発明の高強度超硬合金における炭化バナジウム及び炭
化クロムは、それぞれ炭化バナジウムがＶＣ，Ｖａ　Ｃ
３、Ｖ３Ｃ７、Ｖｓ　Ｃ，炭化クロムが　ＣｒＣ，Ｃｒ
ｘ　　　Ｃ２、Ｃｒ＋　　　Ｃ３。

Ｃｒ５Ｃｂ　　、Ｃｒａ　Ｃなどを示すものである。ま
た、本発明の高強度超硬合金は、炭化／ヘナジウム及び
炭化クロムの状態でＣｏ及び／又はＮｉ中に固溶してい
るカーボン量が強度の向上に重要な役割をしているもの
であり、従ってＧｏ及び／又はＮｉ中の炭化バナジウム
及び炭化クロムの固溶量の換算値となるＣｏ及び／又は
Ｎｉの格子定数が３．５６０〜３．５７４人であること
が好ましいことである。

本発明の高強度超硬合金は、Ｃｏ及び／又はＮｉ中に固
溶させる炭化バナジウムと炭化クロムとの合計量を調整
することにより、ＷＣの粒成長を抑制し、モしてＷＣの
異常成長を極力抑えることにより、破壊の原因を生じさ
せないようにして強度を高めたものである。また、破壊
の原因は、不可避不純物によっても生じ、特に、Ｃａ、
Ｓ。

Ｓｉ、Ａｉ及びＭｇの不可避不純物が酸化物や硫化物を
形成して破壊の原因になるので、本発明の高強度超硬合
金は、Ｃａ、Ｓ、Ｓｔ、Ａ文及びＭｇの各含有量をｏ、
ｏｏｉ重量％以下にすることが好ましい。

本発明の高強度超硬合金は、次のような方法によって製
造することができる。まず、出発原料としてのＷＣは、
平均粒度が１．０ＡＬｍ以下のできるだけ微細な粉末を
用いるのが合金の強度上から好ましいものであるが、出
発原料の製造工程から超硬合金の製造工程間に生じる粉
末の表面酸化並びに出発原料の製造工程中に生じる不可
避不純物の問題から、好ましくは平均粒度１．Ｏｇｍ〜
２．０μｍのＷ′ｃ粉末を用いて、粉末の表面酸化及び
不可避不純物を考慮して粉砕した平均粒度１、ＯＢｍ以
下のＷＣ粉末を用いるのがよい。

このＷＣ粉末と他の出発原料粉末との配合粉末を混合又
は混合粉砕する場合は、ステンレス製容塁、超硬合金を
内張すした容姦、ウレタンゴムを内張すした容器又はプ
ラスチック製容器の中に超硬合金製ポール又はステンレ
ス製ボールと共に配合粉末を入れて、さらに必要ならば
グリセリン。

ポリエチレングリコール、ポリブチルアルコール、パラ
フィン又はカンファなどの成形助剤を添加して、アセト
ン、ヘキサン、ベンゼン、アル宇−ルなどの有機溶媒中
で湿式混合するのが好ましい。

混合粉末を混合成形体にするには、混合粉末を黒鉛モー
ルドに充填して混合成形体とし、後非酸化性雰囲気中で
ホットプレス（Ｈ−Ｐ）して焼結する方法、又は成形助
剤を添加した混合粉末、さらに必要ならば混合粉末を顆
粒状に造粒して、それを金型モールドに充填した後、加
圧して混合成形体とする方法、もしくはラテックスゴム
などで混合粉末を包囲した後、静水圧加圧により、外圧
を加えて混合成形体とする方法、あるいは従来から用い
られている熱可塑性樹脂、可塑剤、ｎ滑剤などを混合粉
末に加えて射出成形機、押出し成形機などで混合成形体
にする方法などが適用できる。このような混合成形体を
直接焼結する方法、又は混合成形体を焼結温度よりも低
い温度で予備焼結した後、切断、研削、切削などの加工
を施してから焼結する方法がある。

焼結温度は、ＷＣとＣｏ及び／又はＮｉとの共晶温度以
上の温度で焼結すればよく、例えばＣｏ及び／又はＮｉ
が２０〜３０％と多い場合は、１３００℃〜１３５０℃
で、Ｃｏ及び／又はＮｔが１０〜２０％の場合は、１３
５０℃〜１４００℃で、Ｃｏ及び／又はＮｉが３〜１０
％の場合は、１４００℃〜１５００℃で、非酸化性雰囲
気中、減圧又は加圧条件により焼結することができる。

焼結工程において、本発明の高強度超硬合金を作製する
のに、特に重要な点は、焼結工程中の雰囲気である。す
なわち、混合成形体を焼結するときに、脱炭性雰囲気に
するとＣｏ及び／又はＮｉ中に固溶する炭化バナジウム
と炭化クロムとしてのカーボン量が減少して緻密な超硬
合金になり難く、さらに脱炭性雰囲気が強くなると超硬
合金中にη相（Ｗ３　Ｃｏ３　Ｃ）の異相が生じて強度
を低下する。逆に、浸炭性雰囲気にすると液相の発生が
速くなって炭化タングステンの異常成長が起こること、
さらに浸炭性雰囲気が強くなると超硬合金中に！！炭素
が発生することによって強度を低下する。従って、本発
明の高強度超硬合金は、脱炭及び浸炭が強く生じない雰
囲気中、例えば真空炉で焼結する場合には、カーボン板
に活性度の低いカーボン粉末又はアルミナ粉末とカーボ
ン粉末との混合粉末を塗布し、この塗布面上に混合成形
体を設置して焼結するなどによって、結合相中のカーボ
ン量、さらには超硬合金中のカーボン量の調整をする必
要がある。

このようにして焼結したものを窒素ガス又は不活性ガス
雰囲気中、１３００℃以上の温ＩＷ。

１３００気圧以上の圧力で熱間静水圧加圧（ＨＩ　Ｐ）
処理を施すことによって、一層高強度超硬合金にするこ
ともできる。

（作用） 本発明の高強度超硬合金は、ＷＣの硬質相と炭化バナジ
ウムと炭化クロムを固溶してなるＣｏ及び／又はＮｉの
結合相とからなる超硬合金で、Ｃｏ及び／又はＮｉの量
に対する炭化バナジウムと炭化クロムとの合計量を調整
することにより、炭化バナジウム及び／又は炭化クロム
の析出を阻止して強度を高めると共に、遊蕩カーボン及
びη相の生じない低炭素２和合金にすること、並びにＣ
ｏ及び／又はＮｉ中に固溶している炭化バナジウムと炭
化クロムにより、焼結工程中での炭化タングステンのＣ
ｏ及び／又はＮｉ中への溶解を阻止してＷＣの粒成長の
抑制を著しく高めているものである。そのために、本発
明の高強度超硬合金は、破壊の起点となるような異常成
長したＷＣ粒子を含有していないために強度が著しく高
く、さらに破壊の起点となるも″う一つの課題である不
可避不純物としてのｃａ、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌｌ、Ｍｇの各
々の含有量を極力減少させることによって、強度を一層
高めているものである。

実施例 実施例１ 平均粒度１．５ルｍのＷＣと平均粒度１〜２ｇｍのｃｏ
、Ｎｉ、ＶＣ，Ｃｒ：＋　Ｃ２の各種出発原料粉末を用
いて第１表に示す組成に配合した。

このとき用いた出発原料粉末の内１本発明品にはＣａ、
Ｓ、ＡＭ、Ｓｔ　、Ｍｇ（７）含有量が各々ｌＯｐμｍ
以下に調整した粉末を用い、比較品には従来の市販品の
粉末を用いた。第１表の各配合粉末を超硬合金製ポール
とア七トンと共にステンレス製容器に入れて、７２時間
混合粉砕した後、乾燥及び篩別した。この混合粉末を１
　ｔｏｎ／ｃｍ２　で加圧成形後、第１表に併記した条
件で真空炉により焼結した。この焼結により得た超硬合
金を熱間静水圧加圧装置内に設置し、Ｈｅガス雰囲気中
。

１３３０℃、１５００ａｔｍ、１時間保持にて処理し、
各試料を得た。こうして得た各試料をＪＩＳ規格の抗折
力試験片に仕上げて、硬さ及び抗折力による強度を測定
し、その結果を第２表に示した。また、抗折力試験後、
各試料の破面を金属顕微鏡により観察して、破壊の起点
を求めて、その結果を第２表に併記した。さらに、各試
料の結合相の格子定数をＸ線結晶解析装置により求めて
、その結果も第２表に併記した０次に、第１表の試料の
内、本発明品２，３．４及び比較品２゜３．４をそれぞ
れ原子吸光法及び赤外線吸収分析法により不可避不純物
としてのＣａ、Ａｎ。

Ｓｔ、Ｍｇ、Ｓを測定し、その結果を第３表に示した。

以下余白 第３表 実施例 実施例２ 実施例１の内、本発明品３と比較量３を用いて、刃先直
径０．３＋ｕ＋のミクロンドリルをそれぞれ作成した。

この本発明品３と比較量３のミクロンドリルを用いて、
銅張りガラスー二ポキン積層板（１，６ｍｍ厚を２枚積
ね）に回転数７０、ＯＯＯＲＰＭ、送りＦ＝２　、　１
ｍ／ｗｉｎ　　、　ｆ＝　０　、０３　ｍｍ１ｒｅｖの
条件でもって３０００穴加工を行なった所、本発明品３
の平均逃げ面摩耗量は、０．０１７ｍｍであったのに対
して、比較量３の平均逃げ面摩耗量は、０．０２７ｍｍ
であった。

このときの刃先の摩耗状態は、本発明品３が正常な摩耗
状態であったのに対し、比較量３が微少チッピング状の
摩耗であった０本発明品３で３０００穴加工を行なった
ときの摩耗量及び摩耗状態は、比較量３で約１０００穴
加工を行なったときの状態に相当し、従って１本発明品
３は比較量３の約３倍の寿命を持つものである。

（発明の効果） 以上の結果、本発明の高強度超硬合金は、従来品に比較
して硬度が殆んど差なく、強度が約１５％〜３４％も向
上したもので、このためにミクロンドリルやドツトビン
のように、特に高強度を必要とするような微細径の工具
部品に効果がある。また、本発明の高強度超硬合金は、
微細なＷＣ結晶粒子からなる高強度合金であることから
磁気テープ用スリッターなどのシャープ磨切刃を必要と
する工具部品、さらには、結合相中に炭化クロムと炭化
バナジウムが固溶していて耐蝕性にすぐれていることか
らメカニカルシール、化学工業用ノズル及び時計枠など
の耐蝕性用部品にと応用できる産業上有用な材料である
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比で、Ｃｏ及び／又はＮｉ３〜３０％と炭化
   バナジウム０．０５〜１．０％と炭化クロム０．０５〜
   １．５％と残り平均粒度が１．０μｍ以下の炭化タング
   ステンと不可避不純物からなる超硬合金であって、前記
   Ｃｏ及び／又はＮｉの量に対する前記炭化バナジウムと
   前記炭化クロムとの合計量が３〜７％で、しかも前記Ｃ
   ｏ及び／又はＮｉ中に前記炭化バナジウムと前記炭化ク
   ロムが固溶していることを特徴とする高強度超硬合金。
2. （２）上記超硬合金は、炭化バナジウムと炭化クロムと
   を固溶してなるＣｏ及び／又はＮｉの格子定数が３．５
   ６０〜３．５７４Åであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の高強度超硬合金。
3. （３）上記不可避不純物は、Ｃａ、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌ及び
   Ｍｇの各々が０．００１重量％以下であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の高強度超硬
   合金。