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技術 超硬合金、および加工工具

出願人 住友電気工業株式会社
発明者 千原健太朗森口秀樹
出願日 2016年4月20日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2016-084527
公開日 2016年10月13日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2016-180183
状態 拒絶査定
技術分野 穴あけ工具 ダイヤモンド又は金属化合物を含有する合金
主要キーワード 溶拡散 成長源 造粒材 ダイヤ砥石 総エネルギー量 サイクロンミル 微小加工 衝突型ジェットミル
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年10月13日)のものです。
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図面 (2)

課題

従来よりも硬質相粒子粒度分布偏りが小さい超硬合金の提供。

解決手段

WC粒子主体とする硬質相がCoを主体とする結合相により結合されてなる超硬合金。この超硬合金の硬質相を構成するWC粒子の平均粒径が0.4μm未満であり、かつ、WC粒子径均一性を表す指標である分散度数が0.55以下である超硬合金。[ここで、分散度数は、WC粒子の粒度分布の半値幅累計頻度75%のときの円相当直径−累計頻度25%のときの円相当直径)を、WC粒子の平均粒径(50%粒径)で除した値である]更に、粒成長抑制剤として、Vの炭化物又はCrの炭化物の少なくとも一方を含むことが好ましい、超硬合金。このような超硬合金は、従来よりも優れた耐摩耗性耐欠損性を有しているので、種々の加工工具に好適に利用できる。

概要

背景

従来、WC(炭化タングステン粒子をCo(コバルト)で結合したWC基超硬合金が、加工工具素材に利用されている。特に、平均粒径が1μm以下のWC粒子硬質相とする超硬合金、いわゆる微粒超硬合金は、強度や耐摩耗性に優れることで知られている。

超硬合金におけるWC粒子を微粒にするには、超硬合金を作製する際に用意するWC粒子を微粒とすることが一般的である。例えば、特許文献1の実施例には、平均粒径0.5μmのWC原料粉末、平均粒径1μmのCo原料粉末、その他添加元素などを配合し、これら原料粉末をボールミルで48時間粉砕しつつ混合している。

概要

従来よりも硬質相粒子粒度分布偏りが小さい超硬合金の提供。WC粒子を主体とする硬質相がCoを主体とする結合相により結合されてなる超硬合金。この超硬合金の硬質相を構成するWC粒子の平均粒径が0.4μm未満であり、かつ、WC粒子径均一性を表す指標である分散度数が0.55以下である超硬合金。[ここで、分散度数は、WC粒子の粒度分布の半値幅累計頻度75%のときの円相当直径−累計頻度25%のときの円相当直径)を、WC粒子の平均粒径(50%粒径)で除した値である]更に、粒成長抑制剤として、Vの炭化物又はCrの炭化物の少なくとも一方を含むことが好ましい、超硬合金。このような超硬合金は、従来よりも優れた耐摩耗性・耐欠損性を有しているので、種々の加工工具に好適に利用できる。

目的

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、従来よりも耐摩耗性・耐欠損性に優れる超硬合金を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

WC粒子主体とする硬質相がCoを主体とする結合相により結合されてなる超硬合金であって、前記硬質相を構成するWC粒子の平均粒径が0.4μm未満で、かつ、WC粒子径均一性を表す指標である分散度数が0.50以下で、かつ、前記WC粒子の平均円形度が0.68以上である超硬合金。ここで、分散度数は、WC粒子の粒度分布半値幅を、WC粒子の平均粒径で除した値であり、前記半値幅は、累積頻度75%のときの円相当直径から、累積頻度25%のときの円相当直径を引いた値、前記WC粒子の平均粒径は、累積頻度50%のときの円相当直径である。

請求項2

前記平均円形度が、0.75以上である請求項1に記載の超硬合金。

請求項3

粒成長抑制剤として、Vの炭化物、およびCrの炭化物の少なくとも一方を含む請求項1または請求項2に記載の超硬合金。

請求項4

請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超硬合金を用いて作製された加工工具

技術分野

0001

本発明は、加工工具素材に適した超硬合金に関する。特に、本発明は、マイクロドリルなどの微細加工に用いられる加工工具の素材となる超硬合金に関する。

背景技術

0002

従来、WC(炭化タングステン粒子をCo(コバルト)で結合したWC基超硬合金が、加工工具の素材に利用されている。特に、平均粒径が1μm以下のWC粒子硬質相とする超硬合金、いわゆる微粒超硬合金は、強度や耐摩耗性に優れることで知られている。

0003

超硬合金におけるWC粒子を微粒にするには、超硬合金を作製する際に用意するWC粒子を微粒とすることが一般的である。例えば、特許文献1の実施例には、平均粒径0.5μmのWC原料粉末、平均粒径1μmのCo原料粉末、その他添加元素などを配合し、これら原料粉末をボールミルで48時間粉砕しつつ混合している。

先行技術

0004

特許第3762777号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかし、上記特許文献1に記載の製造方法で得られた超硬合金では、その用途によっては十分な耐摩耗性・耐欠損性を発揮できない恐れがある。

0006

例えば、マイクロドリルなどの微小加工に用いられる工具に超硬合金を使用する場合、その超硬合金に含まれるWC粒子が微小なほど、耐摩耗性・耐欠損性に優れる超硬合金になると言われている。ところが、本発明者らの検討の結果、従来の製造方法で得られた超硬合金では、超硬合金に含まれるWC粒子の粒度分布ブロード粒径ピークよりも過大・過少な粒径のWC粒子が多い状態)になっているため、マイクロドリルなどに利用すると早期に欠損する場合があった。

0007

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、従来よりも耐摩耗性・耐欠損性に優れる超硬合金を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

<本発明超硬合金>
本発明超硬合金は、硬質相がCoを主体とする結合相により結合されてなる超硬合金であって、主に硬質相を構成するWC粒子の平均粒径が0.4μm未満で、かつ、WC粒子径均一性を表す指標である分散度数が0.55以下であることを特徴とする。

0009

上記規定を満たす超硬合金は、従来よりも耐摩耗性・耐欠損性に優れる。

0010

以下、分散度数の定義を含む、本発明超硬合金の各構成を詳細に説明する。

0011

≪硬質相≫
本発明超硬合金は、硬質相としてWC粒子を最も多く含むWC基超硬合金である。硬質相は、後述する結合相および不可避不純物を除く残部を実質的に構成する。

0012

WC以外に硬質相を構成する化合物としては、周期律表4a,5a,6a族元素から選ばれる少なくとも1種の金属と、炭素及び窒素の少なくとも1種の元素との化合物(但し、WCを除く)、つまり、上記金属の炭化物(但し、WCを除く)、窒化物炭窒化物から選択される1種又は2種以上の化合物を挙げることができる。例えば、TaC,(Ta,Nb)C,NbC,TiCNなどが代表的である。本発明においては、WC以外の硬質相粒子を第二硬質相として総称する。

0013

硬質相におけるWCの割合(WC/WC+WC以外)は85〜97質量%とすることが好ましい。なお、硬質相が実質的にWC粒子のみから構成される場合、耐熱亀裂性靭性、強度に優れる超硬合金となる。

0014

超硬合金におけるWC粒子の平均粒径は0.4μm未満とする。その場合、高い靭性と強度を備える超硬合金とすることができ、その結果、耐摩耗性・耐欠損性に優れる超硬合金とすることができる。なお、硬質相粒子が小さ過ぎると、靭性が低下する傾向にあるので、下限値は0.05μmとすることが好ましい。ここで、上記WC粒子の平均粒径を含む本明細書における粒子の平均粒径は、以下のようにして求める。まず、500個以上のサンプル粒子を抽出し、これらサンプル粒子の画像から各粒子の面積を求め、その面積に対応する円相当直径を算出する。そして、サンプル粒子の累積頻度が50%のときの円相当直径、つまり50%粒径を、その粒子の平均粒径とする。

0015

[分散度数]
WC粒子径の均一性を表す指標である分散度数は、WC粒子の粒度分布の半値幅をWC粒子の平均粒径で除した値である。分散度数の定義を説明するために、後述する実施例の試料No.2とNo.101の粒度分布グラフ図1)を参照する。グラフの横軸はWC粒子の円相当直径(nm)、縦軸はWC粒子の累積頻度(%)である。WC粒子の粒度分布の半値幅は、累積頻度75%のときの円相当直径から累積頻度25%のときの円相当直径を引いた値(nm)である。例えば、抽出したWC粒子が1000個であれば、小さい方から750個目の大きさを持つWC粒子の円相当直径から250個目の大きさを持つWC粒子の円相当直径を引いたものが、粒度分布の半値幅となる。

0016

上記分散度数の値が小さくなるほど、WC粒子の粒度分布がシャープ(粒径のピークよりも過大・過少な粒径のWC粒子が少ない)といえる。本発明の一態様に係る超硬合金では、この分散度数は0.55以下とする。さらに、WC粒子の分散度数が0.50以下となると、超硬合金の耐摩耗性・耐欠損性が飛躍的に向上する。

0017

平均円形度
上記WC粒子は、角張った形状ではなく、角部が丸められた形状(つまり、球形度が高い形状)であることが好ましい。本発明者らの研究の結果、超硬合金中の硬質相粒子の形状が球形状に近い形状となるに従い、超硬合金の熱拡散率が向上する傾向にあるとの知見を得た。熱拡散率が向上するのは、角張った形状のWC粒子よりも丸みを帯びた形状のWC粒子の方が、高い熱拡散率を有するWC粒子同士の接触面積が広くなる傾向にあるためと考えられる。また、WC粒子が丸みを帯びた形状であることで単位体積当たりの表面積が小さくなり易く、熱が拡散し難いWC−Coの界面が超硬合金全体として小さくなることも、超硬合金全体の熱拡散率が高くなる要因と考えられる。さらに、円形度が高いWC粒子とすることで、外力負荷された場合の応力集中を抑制でき、超硬合金の強度と破壊靱性を向上させることができる。超硬合金中のWC粒子が球形に近いことは、後述する実施形態に示すように、超硬合金の断面を観察し、WC粒子の円形度(WC粒子の円相当周長を、実測したWC粒子の周長で除した数値)を求めることで評価できる。

0018

超硬合金におけるWC粒子全体の円形度の評価は、例えば500個以上のWC粒子について円形度を求め、それらを平均した平均円形度を用いれば良い。その場合、平均円形度は0.68以上であることが好ましく、より好ましくは0.75以上である。上述したように平均円形度が高くなるほど超硬合金の熱拡散率が高くなる傾向にあり、超硬合金に熱亀裂が生じ難くできる。その結果、超硬合金の強度と破壊靱性を向上させることができる。

0019

≪結合相≫
結合相は、Coを最も多く含む。Coに加えて、NiやFeといった他の鉄族元素を含有しても良いが、Coのみ、又はCo及びNiから実質的に構成されることが好ましい。なお、「実質的に構成される」とは、不可避不純物を除き、Coにより構成される場合や、Co及びNiにより構成される場合の他、原料に用いた化合物(WC,後述のCr3C2など)の構成元素(W,Crなど)が固溶していることを許容する。

0020

結合相にNiが含まれると超硬合金の熱拡散率が低下する傾向にあるため、靭性や熱拡散率を考慮するとCoのみが好ましい。そのため、結合相にNiを含有させる場合、Ni/Co+Niは、25質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましい。

0021

超硬合金中の結合相の割合(結合相/硬質相+結合相)は、4.5〜15質量%以下とすることが好ましい。この割合を4.5質量%以上とすることで、超硬合金に十分な靭性を持たせることができ、超硬合金における熱亀裂の発生を抑制できる。また、上記割合を15質量%以下とすることで、超硬合金に十分な硬度を持たせることができ、摩耗し難い超硬合金とすることができる。特に、結合相の合計含有量が6質量%以上13質量%以下であると、焼結性が高く緻密な超硬合金となり易い上に、高硬度と高靭性とをバランス良く備えることができ、この超硬合金は、熱拡散率が高く、耐摩耗性及び靭性に優れる。

0022

≪その他の含有元素
本発明超硬合金は、WCとCo(又はCo+NiやFe)と不可避不純物からなる組成の他、WCとCo(又はCo+NiやFe)と以下の添加元素と不可避不純物からなる組成とすることができる。添加元素としては、Cr,Ta,Nb,Zr及びTiから選択される1種又は2種以上の元素が挙げられる。これらの元素は超硬合金において合計で0.05〜5.0質量%含有されることを許容する。これらの元素は、硬質相を構成する粒子(主としてWC粒子)の粒成長を抑制するために解砕工程や混合工程で化合物粒子の形態で添加された元素などである。化合物粒子は、焼結を経ても、原料に用いられたときの大きさ、形状を維持し易い。特に、Crなどの粒成長抑制効果がある元素を上記範囲内で含有することは、焼結時のWC粒子の粗大化による強度の低下を低減することが期待される。従って、上記Crなどの元素を含む超硬合金からなる基材を備える加工工具は、粒成長抑制効果と熱拡散率の向上との相乗効果により、加工性能(耐摩耗性、耐熱亀裂性)が高いと期待される。

0023

上記列挙した添加元素のうち、特にCrが好ましい。また、Crと、Ta及びNbの1種以上の元素とを含有することがより好ましい。Ta,Nbを含有する場合、Ti,Zrを含有する場合と比較して、熱拡散率の低下や靭性の低下が少なく、粒成長抑制効果もCrとの相乗効果で高くなる。上記添加元素を1種のみ含有する場合、粒成長抑制効果と熱拡散率の向上との相乗効果が最もよく発現する傾向にあることから、Crのみを含有することが好ましく、その含有量は、0.05〜3質量%が好ましい。上記添加元素の含有量を0.05〜5質量%以下とすることで、熱拡散率を低下させることなく上記効果を得ることができる。特に、Crのみを含有する場合、その含有量は、0.3〜3質量%がより好ましく、Crと上記Taなどの元素とを含有する場合、Crの含有量は、0.05〜3質量%が好ましく、合計含有量は0.3〜5質量%がより好ましい。上記添加元素を超硬合金中に存在させるには、原料に元素単体を用いたり、上記金属元素を含む炭化物などの化合物(例えば、Cr3C2など)を用いることが挙げられる。原料に用いた化合物は、超硬合金中にそのまま化合物として存在したり、新たな複合化合物を形成して存在したり、結合相中に固溶したり、単体元素になって存在する。

0024

<加工工具>
本発明超硬合金は、種々の加工工具の素材として利用できる。本発明超硬合金を用いた本発明加工工具であれば、耐摩耗性・耐欠損性に優れる。

0025

<超硬合金の製造方法>
以上説明した本発明超硬合金は、例えば、以下に示す製造方法により作製することができる。まず始めに、従来行われていた超硬合金の製造方法を説明し、その問題点を指摘する。次いで、本発明者らが発明した超硬合金の製造方法について説明する。

0026

従来の超硬合金は、一般に、硬質相原料と結合相原料の混合原料の準備→混合原料の解砕・混合→乾燥→成形→焼結(→適宜熱処理)という工程で製造される。上記解砕・混合は、従来、ボールミルやアトライターを用いて比較的長時間(数時間〜数十時間)行われている。これは、微粒のWC粒子同士は非常に凝集し易いため、その凝集を十分に解砕しないと、超硬合金中に粗大なWC粒子が形成され易いからである。

0027

しかし、本発明者らが調べたところ、長時間に及ぶ解砕・混合を行った場合、硬質相原料として用意したWC粒子のうちの一部が用意したときの粒径よりも小さく粉砕されて、非常に微細なWC粒子が多量に生じることがわかった。この大量に生じた微小なWC粒子が、得られる超硬合金における硬質相粒子の粒度分布をブロードな状態にし、超硬合金の破壊靱性値などの機械的特性を低下させると考えられる。また、粉砕により生じた非常に微細なWC粒子はオストワルド成長液相焼結中に固溶拡散したWCが粗大なWC粒子として再析出すること)の成長源となり易いため、超硬合金中に粗大なWC粒子が生成してしまうことも、超硬合金の機械的特性を低下させる一要因であると考えられる。加えて、微細に粉砕されたWC粒子が鋭角な角部を有する形状となり易く、このような異形(円形度の低い形状)のWC粒子はオストワルド成長の成長源となり易いという問題も挙げられる。

0028

上記知見に基づいて、本発明者らは、以下の工程を備える超硬合金の製造方法を提案する。
平均粒径0.4μm以下のWC粉末からなる硬質相原料粉末、およびCo粉末を主体とする結合相原料粉末を用意する原料準備工程
原料準備工程で用意した2種類の原料粉末のうち、少なくとも硬質相原料粉末を含むスラリーを用意するスラリー準備工程。
上記スラリーを撹拌して、スラリーに含まれる粉末の凝集を解砕する解砕工程。
スラリー準備工程で結合相原料粉末をスラリーに含ませていない場合、解砕工程を経たスラリーに結合相原料粉末を加える原料追加工程。
解砕工程を経たスラリーを撹拌して、硬質相原料粉末と結合相原料粉末とを混合する混合工程。
混合工程を経たスラリーを乾燥する乾燥工程。
乾燥工程で得られた硬質相原料粉末と結合相原料粉末との混合粉末を成形する成形工程
成形工程で得られた成形体を焼結する焼結工程。
※ 但し、解砕工程および混合工程の少なくとも一方で、アトライターもしくは衝突型ジェットミルを使用しない。

0029

上記超硬合金の製造方法によれば、超硬合金の材料として用意したWC粉末の粒径が焼結後でもほぼ維持されるように超硬合金を作製することができる。これは、凝集し易いWC粒子を含む硬質相原料粉末の解砕処理のみをまず行い、その後、硬質相原料粉末に結合相原料粉末を添加・混合するからである。その際、解砕工程および混合工程の少なくとも一方で、アトライターもしくは衝突型ジェットミルを使用しない、即ち、原料を撹拌するために用いられる総エネルギー量が大きな強撹拌方法を採用しないことで、焼結前にWC粒子が微細に粉砕されることを抑制できる。その結果、焼結時におけるWC粒子の粒度分布がブロードになり難く、焼結することで得られる超硬合金に硬質相粒子の粒度分布がブロードになることも抑制できる。このような超硬合金でマイクロドリルなどの工具を作製すれば、従来よりも靭性や疲労限、耐摩耗性に優れ、長寿命の工具とすることができる。

0030

上記『解砕工程および混合工程の少なくとも一方で、アトライターもしくは衝突型ジェットミルを使用しない』ことの意義は、両工程で原料を撹拌するために原料に投入される総エネルギー所定値以下とすることで、WC粒子が粉砕される可能性を低減することである。但し、両工程を経て原料に投入される総エネルギーを制御することは難しいため、本発明では、[解砕工程・混合工程]の組み合わせを、[弱撹拌・強撹拌]、[強撹拌・弱撹拌]、または[弱撹拌・弱撹拌]とすることによって、上記総エネルギーが所定値を超えないようにしている。

0031

『強撹拌』と判断する基準は、フィッシャー径が0.4μmのWC粒子からなる1kgの粉末を、フィッシャー径が0.2μmのWC粒子からなる粉末となるまで撹拌したときに、撹拌のために投入された積算電力が2.0kWh/kg以上となるか否かとすると良い。アトライターや衝突型ジェットミルは単位時間当たりのエネルギー量が非常に大きく、上記基準を短時間で容易に超える電力消費するため、強撹拌方法に分類できる。これに対して、単孔ジェットミル超音波ホモジナイザーサイクロンミルなどのメディアレスの撹拌方法は弱撹拌方法に分類できる。また、メディアを用いる撹拌方法であっても、ボールミルやビーズミルは単位時間当たりのエネルギー量がアトライターなどに比べて小さいため、弱撹拌方法に分類できる。但し、ボールミルなどであっても長時間に亘って行えば、強撹拌方法に分類され得る恐れがあるが、本発明超硬合金の製造方法では、解砕工程と混合工程を分けているため、各工程の処理時間は従来よりも格段に短い。そのため、ボールミルなどは本発明において弱撹拌方法に分類される。

0032

以下、超硬合金の製造方法の各工程をより詳細に説明する。

0033

≪原料準備工程≫
準備工程では、平均粒径0.4μm以下のWC粉末からなる硬質相原料粉末、およびCo粉末を主体とする結合相原料粉末を用意する。

0034

原料準備工程で用意するWC粒子の平均粒径は、既に述べたように50%粒径で規定する。このWC粒子は、った部分の少ない、滑らかな球形に近い形状であることが好ましい。異形WC粒子はオストワルド成長の成長源となり易いからである。

0035

結合相原料粉末は、Co粉末を最も多く含む。Co粉末に加えて、Ni粉末Fe粉末といった鉄族元素を含有しても良い。混合時における結合相原料粉末の含有量(結合相原料粉末/全原料)は、4.5〜15質量%とすることが好ましい。その場合、硬度、靭性、疲労限のバランスに優れた超硬合金を作製できる。結合相原料粉末におけるCoの含有量(Co粉末/Co粉末+Co以外の粉末)は、75質量%以上とすることが好ましく、90質量%以上とすることがより好ましい。

0036

≪スラリー準備工程≫
準備工程で用意した硬質相原料粉末と結合相原料粉末のうち、少なくとも硬質相原料粉末をエタノールなどのアルコール溶媒中に分散させたスラリーを作製する。スラリーにおける粒子の濃度は、40〜70質量%とすることが好ましい。この範囲の濃度であれば、後工程でスラリーを撹拌する際、ムラなくスラリーを撹拌できる。

0037

≪解砕工程≫
解砕工程では、スラリー準備工程で用意したスラリーを撹拌して、スラリー中で凝集した粒子を解砕する。ここで、硬質相原料粉末に含まれるWC粒子は微粒になるほどネックグロスにより凝集し易いため、原料準備工程で用意したような0.4μm以下の微粒なWC粒子は非常に凝集し易い。そこで、この製造方法では、凝集したWC粒子を個別のWC粒子にほぐす処理、即ち解砕を行う。ここで、従来は、アトライターやボールミルを用いてこの解砕工程と後述する混合工程とを同時に行うことが一般的であったが、この製造方法では、両工程を別個に行う。それにより、スラリーを撹拌する解砕工程を短時間で終了させることができ、WC粒子が粉砕されることを抑制しつつ、凝集したWC粒子を確実に解砕できる。

0038

この解砕工程は、衝突型ジェットミルを除くメディアレスの撹拌方法で行うことが好ましい。メディアレスの撹拌方法としては、例えば、単孔型ジェットミル、超音波ホモジナイザー、サイクロンミキサーなどを挙げることができる。これらメディアレスの撹拌方法であれば、WC粒子が微粒に粉砕されることを抑制できる。なお、解砕工程においてアトライターや衝突型ジェットミルを用いてもかまわないが、その場合、後の混合工程では、アトライターと衝突型ジェットミルを使用してはならない。

0039

≪原料追加工程≫
原料追加工程は、上記スラリー準備工程で結合相原料粉末をスラリーに含ませていない場合に行う工程である。つまり、スラリー準備工程で硬質相原料粉末と結合相原料粉末の両方をスラリーに含ませている場合には必要のない工程である。なお、結合相原料粉末も凝集する可能性があるので、スラリーに投入する前に解砕しておくことが好ましい。

0040

≪混合工程≫
混合工程では、解砕工程を経たスラリーを撹拌することで、スラリーに含まれている硬質相原料粉末と結合相原料粉末とを均質的に混合する。この混合工程も、従来とは異なりWC粒子の解砕とは別工程で行われるため、短時間で終了させることができ、WC粒子が粉砕されることを抑制しつつ、両原料粉末を均質的に混合できる。

0041

この混合工程は、解砕工程と同様に、衝突型ジェットミルを除くメディアレスの撹拌方法で行うことが好ましい。メディアレスの撹拌方法であれば、WC粒子が過粉砕されることを抑制できるので、混合工程後のWC粒子の粒度分布がブロードになることを抑制できる。なお、混合工程においてアトライターや衝突型ジェットミルを用いてもかまわないが、その場合、前の解砕工程でアトライターと衝突型ジェットミルを使用していないことが前提になる。

0042

≪乾燥工程・成形工程・焼結工程≫
上記乾燥・成形・焼結工程は、一般的な条件のものを利用することができる。例えば、乾燥工程には、スプレードライヤーなどを用いた乾燥方法を利用できる。スラリーにパラフィンワックスなどのバインダーが含まれている場合、乾燥工程により造粒することができる。また、成形工程には、金型を用いたプレスや、ダイを用いた押出などを利用できる。さらに、焼結は、真空雰囲気で1320〜1500℃×1〜2時間の条件で行うことができる。焼結後に1350〜1400℃×0.5〜4時間のHIP(熱間等方加圧)焼結を行っても良い。

0043

≪その他≫
原料準備工程から混合工程までの間に、以下に示す第二硬質相原料粉末や粒成長抑制剤をスラリーに添加しても良い。これら第二硬質相原料粉末、または粒成長抑制剤は、例えば、スラリー準備工程でスラリー中に添加しておいても良いし、解砕工程の直前、あるいは解砕工程中、混合工程の直前、あるいは混合工程中にスラリー中に添加しても良い。

0044

[第二硬質相原料粉末]
第二硬質相原料粉末は、スラリーに含有させておくことで、焼結により硬質相の一部となる化合物である。第二硬質相原料粉末としては、例えば、周期律表4a,5a,6a族元素から選ばれる少なくとも1種の金属と、炭素及び窒素の少なくとも1種の元素との化合物(但し、WCを除く)、つまり、上記金属の炭化物(但し、WCを除く)、窒化物、炭窒化物から選択される1種又は2種以上の化合物からなる化合物粒子を挙げることができる。解砕工程や混合工程においてこれら第二硬質相原料粉末を添加しておくことで、出来上がる超硬合金の耐摩耗性を向上させることができる。具体的な化合物として、TaC,(Ta,Nb)C,NbC,TiCNなどを挙げることができる。特に、化合物は、TaCおよびNbCの少なくとも一方であることが望ましい。

0045

全硬質相原料粉末に占める第二硬質相原料粉末の合計含有量(第二硬質相原料粉末/WC粒子からなる硬質相原料粉末+第二硬質相原料粉末)は、超硬合金の耐摩耗性および耐熱亀裂性を向上させる観点から、0.1〜2.0質量%とすることが好ましい。

0046

[粒成長抑制剤]
粒成長抑制剤は、WC粒子の粒成長を抑制する元素もしくはその元素の化合物である。粒成長抑制剤としては、Vの炭化物(例えば、VC)や、Crの炭化物(例えば、Cr3C2)を挙げることができる。ここで、VCやCr3C2は、上記第二硬質相原料粉末でもある。そのため、第二硬質相原料粉末として、VCやCr3C2を選択すれば、粒成長抑制剤を添加したのと同じ効果を得ることができる。粒成長抑制剤の合計含有量(粒成長抑制剤/全原料)は、0.1〜2.0質量%とすることが好ましい。

発明の効果

0047

本発明超硬合金によれば、加工工具の素材として優れた耐摩耗性・耐欠損性を発揮する。

図面の簡単な説明

0048

分散度数の定義を説明するWC粒子の粒度分布のグラフであって、横軸は超硬合金におけるWC粒子の円相当直径、縦軸はWC粒子の累積度数である。

実施例

0049

複数のWC基超硬合金の試料を異なる製造方法で作製し、得られた超硬合金について種々の特性を測定することで、得られる超硬合金に及ぼす各製造方法の影響を評価した。

0050

<試料の製造方法>
各試料の製造方法は、基本的に次のようにして行われる。
超硬合金の硬質相となるWC粉末のスラリーを用意する準備工程
→スラリー中のWC粉末の解砕工程
→解砕後WC粉末と結合相となる粉末との混合工程
→混合工程を経たスラリーを乾燥・成形・焼結する工程
以下、各工程を詳細に説明する。

0051

≪WC粉末のスラリーの用意≫
超硬合金の作製にあたり、硬質相原料粉末として、後段の表2の『スラリー』の欄にある『WC粒径』に示す平均粒径(50%粒径)を有するWC粉末を用意した。これらWC粉末をエタノール溶媒に混ぜ、スラリーを作製した。各スラリーにおけるWC濃度を表2の『WC濃度』に示す。

0052

≪WC粉末の解砕工程≫
次いで、下記に列挙するプロセスのうち、ボールミル(BM)、アトライター(ATR)、単孔ジェットミル(JM−1)、衝突型ジェットミル(JM−2)、超音波ホモジナイザー(SSH)のいずれかを用いて、各スラリー中のWC粒子の凝集を解砕した。解砕方法と解砕後のWC粒子の平均粒径(50%粒径)を、後段の表2の『解砕方法』、『解砕後WC粒径』に示す。

0053

[ボールミル:BM]
直径5mmの超硬合金製メディアを用いた。メディアの総重量は、スラリー2Lに対して8kg(メディア数=約1000個)とした。混合時間は24時間とした。この条件のBMを行うための総エネルギー量は0.8kWh/kgである。

0054

[アトライター:ATR]
直径5mmの超硬合金製メディアを用いた。メディアの総重量は、スラリー2Lに対して10kg(メディア数=約1250個)とした。混合時間は15時間とした。この条件のATRを行うための総エネルギー量は3.0kWh/kgである。

0055

[ビーズミル:BSM]
直径1.3mmの超硬合金製メディアを用いた。メディアの総重量は、スラリー2Lに対して5kg(メディア数=約36000個)とした。混合時間は5時間とした。この条件のBSMを行うための総エネルギー量は1.2kWh/kgである。

0056

[単孔ジェットミル:JM−1]
ノズル内径0.1mmのダイヤノズルから圧力240MPaでスラリーを噴射することを10回行う。この条件のJM−1を行うための総エネルギー量は1.4kWh/kgである。

0057

[衝突型ジェットミル:JM−2]
ノズル内径0.1mmの一対のダイヤノズルを対向して配置し、圧力240MPaで各ダイヤノズルから噴射されるスラリー同士を衝突させることを10回行う。この条件のJM−2を行うための総エネルギー量は3.1kWh/kgである。

0058

[超音波ホモジナイザー:SSH]
室温に保持した2Lのスラリーを貯留するタンクに、先端部の直径が20mmのホーンを挿入し、1kWの出力で3時間の超音波処理を行う。この条件のSSHを行うための総エネルギー量は1.4kWh/kgである。

0059

[サイクロンミキサー:CM]
対向配置される固定翼回転翼とのギャップを3mmとし、回転翼の周速を180m/分として4時間の処理を行う。この条件のCMを行うための総エネルギー量は0.5kWh/kgである。

0060

≪混合工程≫
以上の解砕工程を経たスラリーに対して、下記に列挙する結合相原料粉末と、第二硬質相原料粉末、および、粒成長抑制剤の少なくとも1種と、造粒材となるパラフィンワックスとを加え、既述のBM、ATR、JM−1、JM−2、SSH、BSM、CMのいずれかを用いて混合した。表1に、スラリーに含まれるWCと、加えた結合相原料粉末との混合割合を示す。スラリーへのパラフィンワックスの添加量は、1.5質量%である。混合方法と混合後のWC粒子の平均粒径(50%粒径)を、後段の表2の『混合方法』、『混合後WC粒径』に示す。

0061

[結合相原料粉末]
Co粉末(平均粒径:0.3μm)
Ni粉末(平均粒径:0.5μm)
[第二硬質相原料粉末]
TaC粉末(平均粒径:0.3μm)
NbC粉末(平均粒径:0.33μm)
[粒成長抑制剤]
VC粉末(平均粒径:0.4μm)
Cr3C2粉末(平均粒径:0.6μm)

0062

なお、混合工程に際して、上記結合相原料粉末、第二硬質相原料粉末、および、粒成長抑制剤を乾式あるいは湿式予備解砕しておいても良い。

0063

≪乾燥・成形・焼結工程≫
上記混合後、各スラリーをスプレードライヤーで乾燥・造粒した後、得られた造粒粉をφ2.6mmの丸棒状に押出成形した。そして、このプレス体を真空雰囲気下で1360℃×1時間、焼結した後、この焼結体を1350℃×1時間、HIP(熱間等方加圧)焼結した。

0064

<各試料の評価>
得られた各超硬合金について、W,Co,Ni,Cr,Ta,Nb,V,Zr及びTiの含有量、WC粒子の平均粒径、平均円形度を測定した。また、超硬合金におけるWC粒子の粒度分布のバラツキを把握するために分散度数(後段で詳述する)を求めた。さらに、各超硬合金の硬度、靭性、疲労限、およびこれら超硬合金で作製したマイクロドリルの折損寿命を測定した。

0065

≪各元素の含有量≫
W,Co,Ni,Cr,Ta,Nb,V,Zr及びTiの含有量(質量%)を、EDX(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)分析して測定したところ、原料に用いた量と概ね同様であった。また、超硬合金中の硬質相の組成をX線回折にて調べたところ、いずれの試料の硬質相も、実質的にWC粒子により構成されていた。なお、組成の分析は、XPS(X−ray Photoelectron Spectroscopy)や、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)によっても測定できる。

0066

≪平均粒径と平均円形度≫
超硬合金中のWC粒子の平均粒径(μm)は、FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)により撮像した顕微鏡写真画像解析して算出した。まず、超硬合金において任意の断面をとり、その断面に鏡面ラッピングを施す。そして、その断面における任意の複数の視野倍率5万倍)について画像解析ソフト(Scion Image;Scion社)により500個以上のWC粒子の識別マッピング)を行う。マッピングした各WC粒子の面積から各WC粒子の円相当直径を求めた。求めた円相当直径のうち、累積頻度が50%のときの円相当直径を、WC粒子の平均粒径とした。また、マッピングした各WC粒子の円相当周長を、実測したWC粒子の周長で除することで各WC粒子の円形度を求め、これら各円形度を平均することで平均円形度を求めた。これらWC粒子の平均粒径と平均円形度は表2の『焼結後』における『WC粒径』と『WC円形度』に示す。

0067

≪分散度数≫
次に、WC粒子径の均一性を把握する指標として、粒度分布の半値幅を平均粒径で除した値(分散度数)を求めた。分散度数の定義を説明するために、図1に試料No.2とNo.101の粒度分布グラフを示す。グラフの横軸はWC粒子の円相当直径(nm)、縦軸はWC粒子の累積頻度(%)である。粒度分布の半値幅は、累積頻度75%のときの円相当直径から累積頻度25%のときの円相当直径を引いた値(nm)である。例えば、マッピングしたWC粒子が1000個であれば、小さい方から750個目の大きさを持つWC粒子の円相当直径から250個目の大きさを持つWC粒子の円相当直径を引いたものが、ここでいう粒度分布の半値幅である。この半値幅をWC粒子の平均粒径(=50%粒径)で除することで分散度数を求める。その結果を表3に示す。

0068

ビッカース硬度と破壊靱性値≫
得られた超硬合金に鏡面ラッピングを施した後、JIS R 1607に準拠するビッカース硬度の測定を行った。また、ビッカース硬度計を用いた圧子圧入(Indentation−Fracture)法により破壊靱性値Kcを求めた。その結果を表3に示す。

0069

≪疲労限≫
得られた超硬合金を#800のダイヤ砥石研磨した後、ハンター回転曲げ疲労試験機スパン:280mm)を用いて疲労限(107回転可能な最高試験荷重:MPa)を求めた。その結果を表3に示す。

0070

折損試験
得られた丸棒状の焼結体をドリル形状に成形した。具体的には、丸棒材の外周を粗研磨してφ2.0mmの丸棒材とし、さらにダイヤモンド砥粒により最終的にドリル径0.1mm、刃長さ4.0mmのマイクロドリルを作製した。完成したマイクロドリルを次に示す条件の乾式の穴あけ加工に供し、マイクロドリルにチッピングや許容以上の摩耗が生じるまでの回数を測定することで、製造方法ごとの超硬合金で形成されるマイクロドリルの折損寿命を評価した。その結果を表3に示す。

0071

[条件]
被加工材ガラス層エポキシ樹脂層とを交互に積層したプリント基板。総積層数は20層、総厚さは2.4mm。
ドリルの回転数…250krpm
ドリルの送り速度…1.5m/分

0072

0073

0074

0075

≪まとめ≫
上記表1〜3から、以下のことが明らかになった。
1.解砕工程で弱撹拌方法(アトライター(ATR)と衝突型ジェットミル(JM−2)以外の撹拌方法)を使用すると、解砕前後でWC粉末の平均粒径の減少幅が小さい(表2を参照)。
2.混合工程で弱撹拌方法を使用すると、混合前後でWC粉末の平均粒径の減少幅が小さい(表2を参照)。
3.工程を経るごとのWC粉末の平均粒径の減少幅が小さいと、分散度数が小さい(表2,3を参照)。
4.分散度数が0.55以下(試料No.1〜23)であると、靭性・疲労限・折損寿命に優れる傾向にある(表3参照)
5.特に、分散度数が0.5以下であると、飛躍的な折損寿命の延長が見られる。
6.円形度が0.68以上であると、折損寿命の延長が見られる。特に、円形度が0.75以上であると良く、円形度の上昇に伴って折損寿命の延長傾向がある。

0076

以上説明したように、従来、一つの工程で解砕・混合工程を、独立した解砕工程および混合工程にし、かつ両工程の少なくとも一方で弱撹拌方法を用いた試料No.1〜23は、優れた靭性・疲労限・折損寿命を発揮することが明らかになった。

0077

なお、上述した実施の形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、超硬合金の組成や、原料粉末の平均粒径などを適宜変更することができる。

0078

本発明超硬合金は、マイクロドリルやエンドミルボールエンドミルなどの精密加工、さらには金型などの微細加工に用いられる工具の素材として好適に利用することができる。

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