(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
W粉末とC粉末を１：１の割合に混合し、この原料混合粉末を圧粉して作製した成形体を自己伝播高温合成する粉末混合物中に埋設した後、真空中において、粉末混合物をその一部において強熱して点火し、自己伝播高温合成させ、この時放出される生成熱によりW+C→WCで示される反応を誘発させ、この反応もまた自己伝播高温合成させ、前記成形体の全体をWC焼結体とすることを特徴とするWC超硬合金の製造方法。
【請求項２】
真空度を5×10-1Torr以下とする請求項１記載のWC超硬合金の製造方法。
【請求項３】
WCの自己伝播高温合成を室温以上500℃以下の条件で行わせる請求項１又は２記載のWC超硬合金の製造方法。
【請求項４】
自己伝播高温合成する粉末混合物は、TiとC、ZrとC、NbとC、TaとC、HfとC、TiとB、ZrとB又はHfとBの粉末混合物のいずれか一種である請求項１、２又は３記載のWC超硬合金の製造方法。
【請求項５】
自己伝播高温合成する粉末混合物をあらかじめ真空中で加熱し、粉末混合物中に含まれる水分及び揮発性不純物を除去する請求項１、２、３又は４いずれかに記載のWC超硬合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＷＣ超硬合金の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高融点かつ高硬度であるＷＣ超硬合金の製造を容易化するとともに、製造時間を短縮し、製造コストの低減を図ることもできるＷＣ超硬合金の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高融点かつ高硬度であるＷＣ超硬合金は、粉末冶金技術ではこれまで次のようにして製造されている。
【０００３】
すなわち、ＷとＣ又はＷとＣに所定量のＣｏを添加して混合し、圧粉して成形体を作製した後、この成形体を水素炉中に長時間高温に保持することにより焼結させている。このような製造方法は、Ｗ、Ｃともに融点が非常に高く、３０００℃を超え、また、ＷＣの融点も２６００℃〜２９００℃程度の温度範囲にあり、したがって、ＷとＣが相互に拡散して焼結するためには、かなりの高温を要するという理由による。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上から明らかであるように、これまでの粉末冶金技術によるＷＣ超硬合金の製造は、水素炉を使用することから安全性に相当の注意を払う必要があり、容易ではなく、また、製造時間が長く、製造コストに反映するという問題を有している。
【０００５】
この出願の発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高融点かつ高硬度であるＷＣ超硬合金の製造を容易化するとともに、製造時間を短縮し、製造コストの低減を図ることもできるＷＣ超硬合金の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明の発明者は、以上の課題を解決するために、すなわち、水素炉を用いずに高温の発生を可能とし、しかもＷとＣの反応を可能な限り速やかに行わせ、合成時間を短時間とするための研究を重ねた。
【０００７】
この出願の発明の発明者は、炭化物、ホウ化物などの自己伝播高温合成に成功している（たとえば、特許第１８１６８７６号）。自己伝播高温合成とは、粉末混合物をその一部において強熱して点火し、初期反応を生起させると、この時発生する生成熱が次々に伝播して連鎖反応が起こり、粉末混合物の全体が、炭化物、ホウ化物などの化合物に合成されるというものである。
【０００８】
そこで、ＷＣについても自己伝播高温合成の可能性について検討した。しかしながら、結果は、Ｗ＋Ｃ→ＷＣで示される反応とその連鎖反応は起こりにくいというものであった。その理由は、第一に、ＷＣの生成熱が、他の炭化物、ホウ化物のそれに比べ非常に小さいということである。自己伝播高温合成する代表的な炭化物、ホウ化物の生成熱は以下の通りである。
【０００９】
すなわち、ＴｉＣで-１８４ｋＪ／ｍｏｌ、ＴａＣで-１４８．５ｋＪ／ｍｏｌ、Ｈｆｃで−２１８．８ｋＪ／ｍｏｌ、ＮｂＣで−１４０．６ｋＪ／ｍｏｌ、ＴｉＢ2で−２７９．９ｋＪ／ｍｏｌ、ＺｒＢ2で−３２６．６ｋＪ／ｍｏｌ、で−３２８．９ｋＪ／ｍｏｌである。これに対し、ＷＣの生成熱は、−４０．２ｋＪ／ｍｏｌと非常に小さい。
【００１０】
第二に、やはり、Ｗ、Ｃ及びＷＣの融点が非常に高いことが指摘される。初期反応を生起させるために原料混合粉末の一部を強熱し、点火しようとしても、ＷとＣが相互拡散して反応させるまで温度上昇させにくい。したがって、自己伝播高温合成が難しい。
【００１１】
だが、この出願の発明の発明者は、以上の問題を打開するべくさらに検討を加えたところ、ＷＣ超硬合金の自己伝播高温合成が可能であることを見出した。
【００１２】
前述の通り、たとえば、ＴｉＣの生成熱は−１８４ｋＪ／ｍｏｌであり、自己伝播高温合成が容易に起こるが、その時の断熱温度は２９３７℃であり、ＷＣのほぼ融点に達する。しかしながら、実際には、ＴｉＣの生成熱はＷ、Ｃ及びＷＣの比熱により吸収され、ＷとＣの原料混合粉末及びＴｉとＣの粉末混合物の量比が適正範囲にあれば、自己伝播高温合成する際のＴｉＣの断熱温度は、ＷＣの融点を超えることはない。したがって、ＴｉＣの自己伝播高温合成時の反応熱によりＷ＋Ｃ→ＷＣで示される反応が誘発され、自己伝播高温合成が起こる。つまり、WとCの自己伝播高温合成に必要な熱が、ＴｉＣなどの自己伝播高温合成する化合物の生成熱により補われるのである。そして、ＷとＣの自己伝播高温合成に要する時間は、圧粉して作製したＷとＣの成形体が数グラム〜数十グラムの時、数秒以下の短時間となる。
【００１３】
この出願の発明は、以上の技術的知見に基づいて完成されたものであり、W粉末とC粉末を１：１の割合に混合し、この原料混合粉末を圧粉して作製した成形体を自己伝播高温合成する粉末混合物中に埋設した後、真空中において、粉末混合物をその一部において強熱して点火し、自己伝播高温合成させ、この時放出される生成熱によりW+C→WCで示される反応を誘発させ、この反応もまた自己伝播高温合成させ、前記成形体の全体をWC焼結体とすることを特徴とするWC超硬合金の製造方法（請求項１）を提供する。
【００１４】
またこの出願の発明は、真空度を5×10-1Torr以下とすること（請求項２）、WCの自己伝播高温合成を室温以上500℃以下の条件で行わせること（請求項３）、自己伝播高温合成する粉末混合物は、TiとC、ZrとC、NbとC、TaとC、HfとC、TiとB、ZrとB又はHfとBの粉末混合物のいずれか一種であること（請求項４）、自己伝播高温合成する粉末混合物をあらかじめ真空中で加熱し、粉末混合物中に含まれる水分及び揮発性不純物を除去すること（請求項５）をそれぞれ一態様として提供する。
【００１５】
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のWC超硬合金の製造方法についてさらに詳しく説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のＷＣ超硬合金の製造方法では、Ｗ粉末とＣ粉末を１：１の割合に混合し、この原料混合粉末を圧粉して作製した成形体を自己伝播高温合成する粉末混合物中に埋設する。Ｗ粉末とＣ粉末の原料混合粉末には、従来と同様にＣｏを所定量添加しても差し支えない。自己伝播高温合成する粉末混合物は、前述のＴｉとＣの粉末混合物をはじめ、自己伝播高温合成し、しかもその時の断熱温度が十分高温であり、また、生成熱がＷ＋Ｃ→ＷＣで示される反応を誘発することのできる、たとえば、ＺｒとＣ、ＮｂとＣ、ＴａとＣ、ＨｆとＣ、ＴｉとＢ、ＺｒとＢ又はＨｆとＢの粉末混合物のいずれか一種とすることができる。
【００１７】
次いで、この出願の発明のＷＣ超硬合金の製造方法では、自己伝播高温合成する粉末混合物をその一部において強熱して点火し、自己伝播高温合成させる。そして、この時放出される生成熱によりＷ＋Ｃ→ＷＣで示される反応を誘発させ、この反応もまた自己伝播高温合成させて、前記成形体の全体をＷＣ焼結体とする。
【００１８】
具体的には、この出願の発明のＷＣ超硬合金の製造方法を実施する際には、図１に概略を示した自己伝播高温合成装置を使用することができる。
【００１９】
図１に示したように、自己伝播高温合成装置は、真空容器（１）を備えている。真空容器（１）は、シーリング機構（２）によりシールされ、給排気系（３）に接続されて、内部の給排気が可能とされている。この真空容器（１）の内部には、ヒーター（４）及び熱電対（８）を備えた電気炉（５）が配設されている。電気炉（５）には、その内部に耐火性るつぼ（６）が配置される。耐火性るつぼ（６）には、ＴｉとＣなどの自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）が充填される。
【００２０】
また、自己伝播高温合成装置には、自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）の一部を強熱し、点火させるタングステン線、ニクロム線などから形成することのできる電熱コイル（７）が配設され、通常、この電熱コイル（７）は、耐火性るつぼ（６）に充填された自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）の上端部に接触するように配置される。
【００２１】
なお、以上のヒーター（４）、電熱コイル（７）及び熱電対（８）は、いずれも、気密状態が保持されるようにして真空容器（１）から外部に引き出され、電源、制御器などに電気的に接続され、外部から操作可能とされている。
【００２２】
WC超硬合金の製造に際しては、W粉末とＣ粉末を原子比で１：１の割合に混合し、この原料混合粉末をそのまま若しくはＣｏを所定量添加した後、圧粉して成形体（９）を作製する。この成形体（９）は、耐熱るつぼ（６）に充填した自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）中に埋設する。なお、粉末混合物（１０）は、成形体（９）の埋設に先立ち、あらかじめ真空中で加熱し、粉末混合物（１０）中に含まれる水分及び揮発性不純物を除去しておくと、より良質のＷＣ超硬合金が得られる。
【００２３】
その後、耐火性るつぼ（６）を電気炉（５）の内部に配置し、真空容器（１）をシーリング機構（２）によりシールする。そして、真空容器（１）の内部を給排気系（３）の作動により真空排気する。この時の真空度は、ＷＣの自己伝播高温合成を生起させるのに適当なものとするのが好ましく、たとえば、５×１０-1Ｔｏｒｒ以下が例示される。真空度は、高めれば高めるほど、酸化物の生成を抑えることができる。
【００２４】
次いで、自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）の一部、具体的には、図１に示したような上端部に電熱コイル（７）を接触させて配置し、通電して強熱し、粉末混合物（１０）の上端部、すなわち、一部を点火する。着火後、粉末混合物（１０）では初期反応、たとえばＴｉとＣの粉末混合物の場合、Ｔｉ＋Ｃ→ＴｉＣで示される反応が起こり、その時発生する生成熱が次々に伝播し、連鎖反応を起こし、自己伝播高温合成が起こる。そして、最終的に粉末混合物（１０）の全体が、ＴｉＣなどの炭化物、ホウ化物などの化合物となる。また、この粉末混合物（１０）の自己伝播高温合成時に放出される生成熱により、Ｗ＋Ｃ→ＷＣで示される反応が誘発され、成形体（９）もまた、生成熱が小さいのに関わらず、自己伝播高温合成を起こし、その全体がＷＣ焼結体となる。一般に、成形体（９）が数グラム〜数十グラム程度であると、ＷＣの自己伝播高温合成に要する時間は、数秒以下と非常に短い。
【００２５】
なお、ＷＣの自己伝播高温合成は、前述の通り、真空中で行うことが好ましいが、これに加え、電気炉（５）内の温度をヒーター（４）により室温以上５００℃以下に保持すると、ＷＣ超硬合金の収率がほぼ１００％となる。
【００２６】
以上の通り、生成熱が小さいことから自己伝播高温合成が不可能であったＷＣ超硬合金を、自己伝播高温合成により製造することができ、慎重な取扱いが必要とされる水素炉を用いず、しかもきわめて短時間に製造することが可能となる。ＷＣ超硬合金の製造が容易となり、製造コストの低減が図られる。
【００２７】
【実施例】
平均粒径が約２０μmのW粉末、平均粒径が約１５μmのC粉末、平均粒径が３０μmのＴｉ粉末を使用し、上記Ｗ粉末とＣ粉末を原子比で１：１の割合に混合し、直径１１．２８ｍｍの円形金型により成形圧１５０ＭＰａで厚み１０ｍｍ程度の円柱状の成形体に作製した。得られた成形体は、次いでポリウレタンゴム型に詰め、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）により成形圧を４００ＭＰａとして等方に圧力をかけ、１分間保ち、成形し直した。以上と同様のプロセスにより、ＷとＣの混合粉末にＣｏを通常の超硬合金と同じように１０％まで添加し、成形体を数種類作製した。
【００２８】
一方、自己伝播高温合成する粉末混合物として、前記ＴｉとＣの粉末混合物を調製し、２００℃に１２時間保持して乾燥させた。
【００２９】
そして、図１に示したような自己伝播高温合成装置の耐火性るつぼ（６）に、自己伝播高温合成する粉末混合物（１０）としてＴｉとＣの粉末混合物を入れ、その中にＷとＣ若しくはそれに加え、Ｃｏを含む成形体（９）を埋設した。この後、耐火性るつぼ（６）を電気炉（５）の内部に配置し、ＴｉとＣの粉末混合物の上端部に、線径０．６ｍｍのタングステン線から形成された電熱コイル（７）を接触させて配置した。この状態において、真空容器（１）をシーリング機構（２）によりシールし、真空容器（１）の内部を給排気系（３）により真空排気し、１×１０-3Ｐａ以下の真空度に常時保った。そして、電熱コイル（７）に２０Ａ程度の電流を通電し、ＴｉとＣの粉末混合物の上端部を強熱して点火した。
【００３０】
着火後、Ｔｉ＋Ｃ→ＴｉＣで示される反応が生起し、その時発生する生成熱が次々に伝播し、連鎖反応を起こして粉末混合物（１０）の全体が、短時間の内にＴｉＣに自己伝播高温合成された。さらに、このＴｉＣの自己伝播高温合成時に放出される生成熱により、成形体（９）においてＷ＋Ｃ→ＷＣで示される初期反応が誘発され、自己伝播高温合成を起こし、成形体（９）の全体がＷＣ焼結体となった。どの成形体（９）の場合にもほとんど単相のＷＣ超硬合金となっていた。
【００３１】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。自己伝播高温合成時の条件、使用する粉末の粒径、自己伝播高温合成する粉末混合物の種類などの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、生成熱が小さく、高融点であるが故に自己伝播高温合成が不可能とされたＷＣ超硬合金を、自己伝播高温合成により製造することが可能となり、製造が容易となるとともに、製造時間が短縮し、製造コストの低減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明のＷＣ超硬合金の製造方法に適用可能な自己伝播高温合成装置の概要を示した断面図である。
【符号の説明】
１    真空容器
２    シーリング機構
３    給排気系
４    ヒーター
５    電気炉
６    耐火性るつぼ
７    電熱コイル
８    熱電対
９    成形体
１０    自己伝播高温合成する粉末混合物
【図１】
0003697510.tif 000002