(57)【要約】【課題】構造用鋼の板材に対し、放電加工により0.2mm 以下の極小径の穴あけを行う場合に、高精度かつ短時間で加工可能な放電電極材料として、すぐれた性能を発揮する超硬合金を提供。  【解決手段】重量％でCo:3〜7 ％、 TaC、NbC のうち１種ないし２種の合計量が 0.1〜1 ％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の下限値から上限値を0.05％を超えるまでの範囲であり、合金組織がWCとCoの２相域または、粒子径あるいは最大長さが５μｍ以下の遊離炭素を含む（選択図、図１の記号ａ−ｃ−ｄ−ｂで囲まれた範囲）合金組織を有し、WCの平均粒子径が１μｍ以上であり、電気抵抗率が20μΩ・cm以下である放電電極用超硬合金。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金成分が重量％でCo:3〜７％、TaC 、NbC のうち１種ないし２種の合計量が0.1 〜１％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の下限値から上限値を 0.05 ％超えるまでの範囲であり、合金組織がWCとCoの２相域の合金組織又は粒子径あるいは粒子最大長さが５μm 以下の遊離炭素を含む合金組織を有し、即ちCo重量３％における合金炭素量が5.87％〜6.02％からCo重量１％毎に合金炭素量がそれぞれ 0.04875％と 0.055％づつ減少して、Co重量７％における合金炭素量が 5.605％〜5.80％に至る合金炭素量範囲を含む合金組織を有し、かつWCの平均粒子径が１μｍ以上であることを特徴とする放電電極用超硬合金。
【請求項２】
合金成分が重量％でCo:3〜７％、TaC 、NbC のうち１種ないし２種の合計量が0.1 〜１％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の上限値からWCとCoの２相域の上限値を0.05％超えるまでの範囲であり、合金組織が粒子径あるいは最大長さが５μm 以下の遊離炭素を含む合金組織を有し、即ちCo重量３％における合金炭素量が6.02％〜6.07％からCo重量１％毎に合金炭素量がそれぞれ 0.055％づつ減少して、Co重量７％における合金炭素量が5.80％〜5.85％に至る合金炭素量範囲を含む合金組織を有し、かつWCの平均粒子径が１μｍ以上であることを特徴とする放電電極用超硬合金。
【請求項３】
前記放電電極用超硬合金の電気抵抗率が20μΩ・cm以下であることを特徴とする請求項１又は請求項１記載の放電電極用超硬合金。
【請求項４】
0.2mm以下の直径を有する請求項１、請求項２又は請求項３記載の放電電極用超硬合金からなる放電電極丸棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超硬合金に関し、特に、放電特性、剛性にすぐれていて、構造用鋼の板材に対し、放電加工により直径0.2mm 以下の極小径の穴あけを行う場合に、高精度かつ短時間で加工可能な放電電極材料として好適な放電電極用超硬合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の放電加工においては、型彫りに用いる放電電極材料としてはク゛ラファイト、Cu、などが使用され、穴あけに用いる放電電極材料としては、W 、Cu-W合金などの線材やハ゜イフ゜ 材が使用されてきた。しかし、図２（ｂ）に示すように、直径0.2mm 以下の極小径の穴あけには、放電電極自体が極細の線材となるため、加工中の放電スハ゜ークによる被加工物の直径の差の振れが大きくなり、テーパがつき、加工精度に影響を与え、要求される穴精度が得られないという課題があった。例えば、厚さ1.5mm の構造用鋼の板に銅−タングステン電極を用い、0.2mm の穴あけを行なうと、直径の差で0.08mmのテーパがつき、直径の差でテーパ0.01mm以内の精度が要求される用途には適用できなかった。このような問題を解決するため、例えば特許文献１に示すように、近年、放電加工による高精度の微細な穴あけ又は微細な溝加工用途には、放電電極として、剛性の高いWCを多く含有する超硬合金の線材が適用されている。超硬合金の線材を放電電極として使用することにより、要求される穴精度は確保できるものとなった。
【特許文献１】特開平１１−２０７５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、放電加工による高精度の微細な穴あけ加工においては、WCは剛性が高いものの、電気抵抗率がＷやCuなどと比較すると極めて高い。このため特許文献１のものでは、超硬合金製の放電電極は放電特性が悪く、穴あけ加工速度が遅くなり、穴あけ時間が長くなるという欠点があった。表１にWC、Co、W 、Cuそれぞれの剛性(ヤンク゛率) 、電気抵抗率を示す（丸善株式会社、平成５年３月25日発行、日本金属学会著「改定２版金属データハンドブック」P13、P31、P275参照）。生産性向上のためには、加工時間の短縮が要求され、また、今後の技術動向として、更なる穴の小径化、高精度化が要求されている。
【表１】
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【０００４】
本発明の課題は、上述した従来技術の課題を解決した、放電加工による高精度の微細な穴あけ加工において、電極に超硬合金を使用したいという要求に応えるべく、WC含有量を減らすことなく、剛性を維持したまま、すなわち穴加工精度を確保したまま、電気抵抗率を低くすることにより放電特性を向上させ、現状の超硬合金より放電特性がすぐれ、加工時間が短縮でき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】
【０００５】
このため本発明では、合金成分が重量％でCo:3〜７％、TaC 、NbC のうち１種ないし２種の合計量が0.1 〜１％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の下限値から上限値を 0.05 ％超えるまでの範囲であり、合金組織がWCとCoの２相域の合金組織又は粒子径あるいは粒子最大長さが５μm 以下の遊離炭素を含む合金組織を有し、即ちCo重量３％における合金炭素量が5.87％〜6.02％からCo重量１％毎に合金炭素量がそれぞれ 0.04875％と 0.055％づつ減少して、Co重量７％における合金炭素量が 5.605％〜5.80％に至る合金炭素量範囲を含む合金組織を有し、かつWCの平均粒子径が１μｍ以上であることを特徴とする放電電極用超硬合金によって上述の本発明の課題を解決した。
【発明の効果】
【０００６】
本発明では、放電加工による高精度の微細な穴あけ加工において、超硬合金の特徴である高剛性を維持したまま、すなわち穴加工精度を確保したまま、電気抵抗率を低くすることにより放電特性を向上させた、現状の超硬合金よりさらに放電特性にすぐれ、加工時間が短縮できる超硬合金を提供するものとなった。図２（ａ）は、本発明による放電電極用超硬合金からなる放電電極丸棒を使用した放電加工時の電極損耗形態を略図で示す。
【０００７】
合金成分が重量％でCo:3〜７％、TaC 、NbC のうち１種ないし２種の合計量が0.1 〜１％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の上限値からWCとCoの２相域の上限値を0.05％超えるまでの範囲であり、合金組織が粒子径あるいは最大長さが５μm 以下の遊離炭素を含む合金組織を有し、即ちCo重量３％における合金炭素量が6.02％〜6.07％からそれぞれCo重量１％毎に合金炭素量が 0.055％づつ減少して、Co重量７％における合金炭素量が5.80％〜5.85％に至る合金炭素量範囲を含む合金組織を有し、かつWCの平均粒子径が１μｍ以上であることを特徴とする放電電極用超硬合金がより望ましい。
【０００８】
好ましくは、前記放電電極用超硬合金の電気抵抗率が20μΩ・cm以下である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らは、放電加工による高精度の微細な穴あけ加工において、超硬合金の特徴である高剛性を維持したまま、すなわち穴加工精度を確保したまま、電気抵抗率を低くすることにより放電特性を向上させる課題を達成するために、現状の超硬合金よりさらに放電特性にすぐれ、加工時間が短縮できる超硬合金を研究し、Co重量％、合金炭素量、合金組織の形態、WCの平均粒子径と電気抵抗率、放電特性、穴加工精度の関係に注目し研究を行った。それらの研究の中で、第１にCo重量％と穴加工精度、第２に合金炭素量、第３にWCの平均子粒径と電気抵抗率、第４に合金組織の形態と電気抵抗率ならびに放電特性、の間に密接な関係があるという研究結果を見出し本発明に至った。
【００１０】
本発明はかかる研究結果に基づいてなされたものであって、本発明を実施するための最良の形態の放電電極用超硬合金は、合金成分が重量％でCo:3〜７％、TaC 、NbC のうち１種ないし２種の合計量が0.1 〜１％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の下限値から上限値を 0.05 ％超えるまでの範囲であり、合金組織がWCとCoの２相域の合金組織又は粒子径あるいは粒子最大長さが５μm 以下の遊離炭素を含む合金組織を有し、即ち図１の記号ａ−ｃ−ｄ−ｂで囲まれた範囲で示す、Co重量３％における合金炭素量が5.87％〜6.02％からCo重量１％毎に合金炭素量がそれぞれ 0.04875％と 0.055％づつ減少して、Co重量７％における合金炭素量が 5.605％〜5.80％に至る合金炭素量範囲を含む合金組織を有し、かつWCの平均粒子径が１μｍ以上であることを特徴とする。図１は丸善株式会社、昭和61年2 月20日発行、鈴木著「超硬合金と焼結硬質材料」P101、第18〜30行目、図1.118 の記載に基づいて作成した。
【００１１】
本発明による放電電極用超硬合金において、Coを重量％で３％以上とした理由は、Coが３％未満になると、剛性をさらに大きくすることは可能であるが、焼結が難解となり、巣が発生し易く、抗折力が低くなり、折損し易くなるためである。またCoを重量比で７％以下とした理由は、Coが７％を超えると、剛性の低下により、穴の加工精度が悪化し、狙いの用途には適用できないためである。また合金炭素量がWCとCoの２相域の下限値から上限値を0.05％  超えるまでの範囲であり、合金組織がWCとCoの２相域または、粒子径あるいは最大長さが5 μｍ以下の遊離炭素とした理由は、合金組織に遊離炭素が晶出すると、電気抵抗が低くなり、放電特性がすぐれ、１穴あたりの加工にかかる時間が短くなることがわかったからである。ただし粒子径あるいは最大長さが５μｍ以下の遊離炭素と限定した理由は、遊離炭素の粒子径あるいは最大長さが５μｍを超えると、抗折力の低下が著しく、また研削歩留についても、著しく悪化することがわかり、実用面で問題があると考えられたためである。またWCの平均子粒径を1 μｍ以上としたのは、平均粒子径が1 μｍ未満になると、電気抵抗率が大きくなり、放電特性が悪化し、１穴あたりの加工にかかる時間が長くなるためである。
【００１２】
ところで放電特性を考慮すると、合金炭素量がWCとCoの２相域の上限値を超えてから上限値を0.0 5 ％超えるまでの範囲であり、合金組織が粒子径あるいは最大長さが５μｍ以下の遊離炭素を含む、即ち図１の記号ａ−ｅ−ｆ−ｂで囲まれた範囲で示す合金組織が望ましい。即ち、合金成分が重量％でCo:3〜７％、TaC 、NbC のうち１種ないし２種の合計量が0.1 〜１％、残部がWCおよび不可避不純物からなる組成を有し、合金炭素量がWCとCoの２相域の上限値からWCとCoの２相域の上限値を0.05％超えるまでの範囲であり、合金組織が粒子径あるいは最大長さが５μm 以下の遊離炭素を含む合金組織を有し、即ちCo重量３％における合金炭素量が6.02％〜6.07％からCo重量１％毎に合金炭素量がそれぞれ 0.055％づつ減少して、Co重量７％における合金炭素量が5.80％〜5.85％に至る合金炭素量範囲を含む合金組織を有し、かつWCの平均粒子径が１μｍ以上であることを特徴とする放電電極用超硬合金が望ましい。
【００１３】
好ましくは、電気抵抗率が20μΩ・cm以下であることが望ましい。電気抵抗率を20μΩ・cm以下とした理由は、電気抵抗率が20μΩ・cmを超えると大きくなり、放電特性が悪化し、１穴あたりの加工にかかる時間が長くなるためである。
【００１４】
超硬合金は、含有炭素量が既定値を超えると、遊離炭素を生じ、また含有炭素量が不足すると、合金組織はWC＋Co＋Co3W3Cのη相を生じ、いずれの場合も機械的性質が劣化する（丸善株式会社、昭和61年2 月20日発行、鈴木著「超硬合金と焼結硬質材料」P54、P101参照）。それゆえ超硬合金を焼結する上で最も重要なことは、そのような有害相を生じさせないことである。しかしながら、用途が放電電極の場合は、機械的性質よりも、電気抵抗率が低く、放電特性がよいことが優先される。  
【００１５】
電気抵抗率は、Co％、WC粒子径、合金炭素量などによって変化する。それぞれCo％が多いほど、WC粒子径が粗いほど、合金炭素量が多いほど電気抵抗率が低くなる（1989年３月、住友電気・第134 号、假屋博之他３名「超硬新材質の電気的・ 磁気的特性」 P210 〜 P215 ；丸善株式会社、昭和61年2 月20日発行、鈴木著「超硬合金と焼結硬質材料」P63 参照）。発明者らは、これらの点に着目して、電気抵抗率の低い、また穴加工時間の短い放電電極用超硬合金について研究を行った。発明者らは、重量％でCo：５％、 TaC：0.6 ％、残部WCおよび不可避不純物からなる超硬合金の合金炭素量を調整して、２相域、遊離炭素、WC＋Co＋Co3W3Cのη相の組織の超硬合金を製作し、放電加工電極として必要な形状の丸棒に研削加工された後、穴あけ放電加工機に取り付け、1 穴あたりの加工にかかる時間について測定を行った。その結果、合金組織に遊離炭素が含まれる状態の超硬合金で穴加工を行うと、１穴あたりの加工時間が短くなることがわかった。ただし遊離炭素が発生すると機械的性質が低下することはさきに説明した通りであり、研削時の折れによる歩留低下が懸念された。しかしながら、遊離炭素の粒子径あるいは最大長さが５μｍ以下の場合であれば、研削歩留は２相域の合金と比較してほとんど変わらないことがわかり、実用面での困難は少ないと考えられた。
【００１６】
また同時に、電気抵抗率、および抗折力についても評価を行った。遊離炭素が含まれる場合の電気抵抗率は、２相域の場合よりも低くなることがわかった。また抗折力は遊離炭素の粒子径あるいは最大長さが５μｍ以下の場合であれば、低下量は２相域の合金と比較してもわずかであることがわかった。また遊離炭素の粒子径あるいは最大長さが５μｍを超える場合は、抗折力の低下が２相域の合金と比較して著しいことがわかった。さらに研削歩留についても、２相域の合金と比較して著しく悪化することがわかった。よって遊離炭素の粒子径あるいは最大長さが５μｍを超える場合は、放電特性はすぐれるものの、実用面で問題があると考えられた。また抗折力と研削歩留の間には、密接な関係があると考えられた。
【００１７】
次に発明者らは同じ組成の超硬合金の合金炭素量を調整して、電気抵抗率を変化させ、それぞれの１穴あたりの加工にかかる時間についても実験を行った。その結果、遊離炭素が含まれない２相域の場合でも、電気抵抗率が20μΩ・cm以下である場合は、１穴あたりの加工時間が、遊離炭素が含まれる場合と比較すると長くなるものの、その差はわずかであることがわかった。
【実施例１】
【００１８】
発明者らは、Co重量％をそれぞれ、４、５、７、８％に調整した合金を製作し、放電加工電極として必要な形状の丸棒に研削加工された後、穴あけ放電加工機に取り付け、穴加工精度が直径でテーパ0.01mm以内を満たすか否かについて判定を行った。その結果、Co重量％が４、５、７％では0.01mm以内に収まったが、８％では0.01mmを超えることがわかった。WC含有量の減少による剛性の低下が要因と考えられた。
また発明者らは、重量％でCo:7％、TaC:0.6 ％、残部WCおよび不可避不純物からなる超硬合金のWCの平均粒子径をそれぞれ、 0.6μｍ、1.9 μｍの試料に調整した超硬合金を製作し、放電加工電極として必要な形状の放電電極丸棒に研削加工した後、穴あけ放電加工機に取り付け、１穴あたりの加工にかかる時間について測定を行い、同時に電気抵抗率についても測定を行った。その結果、平均粒子径0.6 μｍの試料は1.9 μｍの試料に較べ加工時間が極端に長く、電気抵抗率も高いことがわかった。
【実施例２】
【００１９】
表２の左半分に示されているような、組成、合金炭素量、WC平均粒子径を有する超硬合金試料Ａ〜Ｉが以下の方法で調整された。まず、原料粉末として、WC粉末、TaC 粉末、Co粉末、C 粉末、W 粉末が用意された。WC粉末の粒度は焼結後の狙いの粒度に合わせて、0.7 μｍ、1.1 μｍ、2.0 μｍの３種類の粉末を用意した。これらの粉末を所定の割合で配合を行ない、ホ゛ール ミルに投入後、アセトンを添加し、72時間の稼働によって均一に混合および粉砕された。均一化された混合粉末は乾燥後、押出成型に必要なハ゛インタ゛を添加し、混練機によって粉末とハ゛インタ゛が均一に混合された後に、フ゜ランシ゛ャー式押出し機によって外径 0.6mmの放電電極丸棒に成型され、所定の長さに切断後、真空焼結炉により、真空中で1380〜1450℃×1 時間の加熱によって超硬合金に焼結された。焼結された超硬合金は、室温まで冷却された後に真空焼結炉より取りだし、鏡面加工後、村上試薬（アルカリ赤血塩溶液）にて腐食、あるいは腐食しないまま、金属顕微鏡を用いて観察された。
【表２】
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【００２０】
超硬合金の組成は試料をICP 法などで分析した結果を示した。合金炭素量は試料を炭素分析装置にて分析した結果を示した。WCの平均粒子径は試料を電子顕微鏡にて観察を行ない、その２次電子像写真より測定を行った平均値を示した。合金組織は試料を鏡面加工後、村上試薬（アルカリ赤血塩溶液）にて腐食、あるいは腐食しないまま、金属顕微鏡を用いて倍率 200倍（対物20倍、接眼10倍）にて観察を行ない判定した。図３乃至図６は実施例２の表２の各資料の鏡面加工後の表面の合金組織を撮影した倍率 200倍の顕微鏡写真を示す。図３は資料Ｅの粒子径５μｍを超える遊離炭素・WC+Co+C を含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真、図４は資料Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｈ，Ｉの粒子径１〜３μｍの遊離炭素・WC+Co+C を含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真、図５は資料Ｂ，Ｆの２相域・ WC+Coを含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真、図６は資料Ｇのη相域・WC＋Co＋Co3W3Cを含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真、をそれぞれ示す。
【実施例３】
【００２１】
実施例２の表２の各資料は、鏡面加工後、所定の長さに切断された後、センタレス 研削により、放電加工電極として必要な外径0.09mmの放電電極丸棒に研削加工された。また抗折力および電気抵抗率を測定するため外径 0.2mmの放電電極丸棒を研削加工した。0.09mmに研削された放電電極丸棒、穴あけ放電加工機に取り付けられ、0.13mmの穴あけ加工が行なわれた。被加工材には厚さ1.8mm のSCr430板が用いられた。表２の右半分に、測定した電気抵抗率、抗折力、１穴あたりの加工にかかった時間、穴加工精度、研削歩留を示す。穴加工精度については直径の差で、テーパ0.01mm以内の精度を満たすか否かで判定した。
【００２２】
表３からわかるように、本発明合金の試料Ａは、粒子径１〜３μｍの遊離炭素が含まれる。組成およびWC粒子径が同等で２相域の合金でもある比較例の試料Ｆと比較すると、電気抵抗率が低く、穴あけ時間が短くなっている。抗折力、研削歩留については両者に大きな差はなく、このことから、粒子径１〜３μｍの遊離炭素を含むことにより、研削歩留を悪化させることなく、放電特性が改善されていることがわかる。比較例の試料Ｅは、本発明合金の試料Ａと組成およびWC粒子径が同等だが、５μｍを超える遊離炭素が含まれ、試料Ａと比較すると、電気抵抗率および穴あけ時間が若干すぐれるが、抗折力および研削歩留が劣る。このことから５μｍを超える遊離炭素を含むと、放電特性はすぐれるが、実用面で問題があることがわかる。
【００２３】
比較例の範囲に属する試料Ｆ〜Ｉにおいては、穴加工精度が維持されているものにおいて、１穴あたりの加工時間が最も短いもので39秒であるのに対し、本発明合金の範囲に属するＡ〜Ｅにおいては、穴加工精度が維持されたまま、１穴あたりの加工時間が最も長いもので36秒以下となっており、加工効率が改善されていることがわかる。比較例の試料Ｉは、本発明合金の試料ＤのCo重量％を７％から８％に増量したものであるが、これにより電気抵抗率が低く、穴あけ時間が短くなっているものの、要求される穴加工精度は得られなかった。これはWC含有量減少により、剛性が不足したものによると考えられる。
比較例の試料Ｈは、本発明合金の試料ＤのWC粒子径を 1.9μｍから 0.6μｍに微細化したものであるが、これにより電気抵抗率が高く、穴あけ時間が長くなっている。 WC 粒子径が小さくなると、電気抵抗率が高くなり、放電特性が悪くなることがわかる。
比較例の試料Ｆは、本発明合金の試料Ｂと組成、合金組織（２相域）およびWC粒子径が同等だが、電気抵抗率が高く、試料Ｂと比較すると、１穴あたりの加工時間が長くなっている。このことから放電効率を向上させるには、電気抵抗率を低くすることが重要であることがわかる。以上に記述の如く、本発明により、穴あけ加工時間が短縮され、精度の高い極小径の穴が高効率であけられる放電電極用超硬合金を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】超硬合金における、横軸の結合層Co量％に対する、縦軸のそれぞれ合金炭素量％及び合金組織と、の関係を示すグラフ。
【図２】（ａ）は本発明品の実施例の電極消耗形態を示す説明図、（ｂ）は従来品である比較例の電極消耗形態を示す説明図、をそれぞれ示す。
【図３】実施例２の表２の資料Ｅの鏡面加工後の粒子径５μｍを超える遊離炭素・WC+Co+C を含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真。
【図４】実施例２の表２の資料Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｈ，Ｉの鏡面加工後の粒子径１〜３μｍの遊離炭素・WC+Co+C を含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真。
【図５】実施例２の表２の資料Ｂ，Ｆの鏡面加工後の２相域・ WC+Coを含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真。
【図６】実施例２の表２の資料Ｇの鏡面加工後のη相域・WC＋Co＋Co3W3Cを含む合金組織の倍率 200倍顕微鏡写真。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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