(57)【要約】【課題】  粉末冶金法により炭化タングステン基超硬合金を製造する時に用いる硬質粉末において、充填性、流動性に優れた特性を有する硬質粉末を提供し、更に、該硬質粉末を用いて焼結体を作製することにより、優れた強度、有孔度を得る炭化タングステン基超硬合金を提供する。【解決手段】  水溶媒と炭化タングステン、Ｃｏを含み、不可避不純物との組合せの原料粉末からなるスラリーを乾燥・造粒した硬質粉末において、該硬質粉末の平均粒径が３０から８０μｍ、嵩密度が３．０から３．７ｇ／ｃｍ３、平均球形度が０．７以上であることを特徴とする硬質粉末、及び前記造粒した硬質粉末を用いて製造することを特徴とする炭化タングステン基超硬合金の製法である。【選択図】図１
2006045601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶媒と炭化タングステン、Ｃｏを含み、不可避不純物との組合せの原料粉末からなるスラリーを乾燥・造粒した硬質粉末において、該硬質粉末の平均粒径が３０から８０μｍ、嵩密度が３．０から３．７ｇ／ｃｍ３、平均球形度が０．７以上であることを特徴とする硬質粉末。
【請求項２】
請求項１記載の硬質粉末の酸素濃度が０．０５から１．０重量％であることを特徴とする硬質粉末。
【請求項３】
炭化タングステン基超硬合金において、水溶媒と炭化タングステン、Ｃｏを含み、不可避不純物との組合せの原料粉末からなるスラリーを乾燥・造粒し、該硬質粉末の平均粒径が３０から８０μｍ、嵩密度が３．０から３．７ｇ／ｃｍ３、平均球形度が０．７以上に造粒した硬質粉末を用いて製造することを特徴とする炭化タングステン基超硬合金の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化タングステン基超硬合金等の硬質合金用の硬質粉末と、該硬質粉末を用いて作製した炭化タングステン基超硬合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金法に用いる超硬合金やサーメット等の硬質合金の硬質粉末に関する技術が以下の特許文献１〜３に開示されている。特許文献１〜３には、超硬合金、サーメット等の硬質合金粉末の製造方法として、所定配合の原料粉末をアルコール、水、四塩化炭素等の溶媒と共にボールミルにて湿式混合したスラリーを乾燥して造粒する方法が開示されている。特許文献４、５には、造型工程での硬質粉末の流動度、潤滑性を高め、圧力の均質化を図るため、潤滑剤を粉末に含ませて使用する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２１６３１号公報
【特許文献２】特開２００４−５１８８２４号公報
【特許文献３】特開２００４−５１８８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、粉末冶金法により炭化タングステン基超硬合金を製造する時に用いる硬質粉末において、充填性、流動性に優れた特性を有する硬質粉末を提供し、更に、該硬質粉末を用いて焼結体を作製することにより、優れた強度、有孔度を得る炭化タングステン基超硬合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、水溶媒と炭化タングステン、Ｃｏを含み、不可避不純物との組合せの原料粉末からなるスラリーを乾燥・造粒した硬質粉末において、該硬質粉末の平均粒径が３０から８０μｍ、嵩密度が３．０から３．７ｇ／ｃｍ３、平均球形度が０．７以上であることを特徴とする硬質粉末である。更に、炭化タングステン基超硬合金において、水溶媒と炭化タングステン、Ｃｏを含み、不可避不純物との組合せの原料粉末からなるスラリーを乾燥・造粒し、該硬質粉末の平均粒径が３０から８０μｍ、嵩密度が３．０から３．７ｇ／ｃｍ３、平均球形度が０．７以上に造粒した硬質粉末を用いて製造することを特徴とする炭化タングステン基超硬合金の製法である。本発明の硬質粉末の酸素濃度は、０．０５から１．０重量％であることが好ましい。本願発明の構成を採用することによって、充填性、流動性に優れた特性を有する硬質粉末を得ることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によって、粉末冶金法により炭化タングステン基超硬合金を製造する時に用いる硬質粉末が、充填性、流動性に優れた特性を有する硬質粉末を提供することができた。従って、造型工程の硬質粉末の流れ性が良くなるため、プレス体へのプレス圧力が均一となり密度が均一なプレス体が得られ、複雑形状であっても焼結後の亀裂や巣等の欠陥のない焼結体が得られるといった、工業的な有効性を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の硬質粉末（以下、完粉と記す。）の平均粒径は、３０から８０μｍである。平均粒径が３０μｍ未満の時は、球体をした粉末状態の比率が減少する傾向にあり、殻状の粒子が増大して流動性に悪影響を及ぼし、造型工程では複雑形状の部位に粉末が充填されないといった不都合がある。一方、８０μｍを超えて大きい場合も同様に、複雑形状部位に粉末が充填されないという不都合の他に、粉末が硬くなりプレス時の圧力では潰れずに焼結後も粒子形状が残存して、空孔部が残留するといった弊害を生じるため不都合である。
本発明の完粉は、嵩密度を３．０から３．７ｇ／ｃｍ３の範囲に規定する。この範囲に規定することにより、造型工程での粉末充填性が安定する。また、原料粉末であるＷＣ硬質粒子が０．７μｍ以下の微粒子からなる微粒超硬合金について、従来は形状が複雑であることから、完粉の均一な圧縮成形が困難であったものに対しても、本発明の完粉は極めて有効である。
本発明の完粉は、平均球形度を０．７以上の範囲に規定する。完粉の平均球形度を０．７以上の範囲とすること、即ち、粉末の表面状態を凹凸、ポア、孔、割れ、空隙の殆ど見られず、更に殻状粒子などの不完全粒子の付着物が少なく、窪み形状も見られない様な、滑らかな状態とすることにより、粉末同士間の摩擦及び粉末と金型との摩擦を減ずる効果が現れる。平均球形度が０．７未満であると、充填性、流動性が劣るため成形性が悪化する。ここで、本発明の完粉の球形度を０．７以上にするには、スラリー溶媒の表面張力と粘性のバランスを制御する必要がある。本発明はスラリーの溶媒に水を使用し、この水が空気を表面流体とした時の表面張力は、略７０〜７５×１０−５Ｎ／ｃｍの範囲である。
【０００８】
本発明の原料粉末をスラリーとして均一に分散させ、しかも本発明の規定する平均粒径が３０から８０μｍの完粉を得るには、水溶媒は適切な表面張力値の範囲にある。使用する溶媒は、イオン交換処理を施し、電気伝導度を調節した水（以下、イオン交換水と記す。）を使用することが好ましい。これは、完粉に混入する不純物成分を抑制し、また必要に応じて用いる造粒用添加剤の溶解度を安定化させるのに好都合である。イオン交換水を使用する時は、電気伝導度を３μＳ／ｃｍ以下とすることが好ましい。更に、上記の電気伝導度値を満たせば、蒸留水であっても良い。溶質である原料粉末が溶媒中に均一に分散し、適切な表面張力に制御したスラリーを用いて、例えば噴霧乾燥装置によって製造した完粉は、適切な表面張力によって粒化性が向上する。従って、不完全粒子の存在比率が低下して、球形度が０．７以上の完粉を得ることができる。粒化性が向上するため付着物が少なく、窪み形状も見られない。更に、球形度はスラリー溶媒の粘性による影響を受ける。粘性を高く設定すると粒化性が良くなり、球形度も改善する傾向を示す。しかし、スラリーの分散性が犠牲とならない範囲で設定する必要があることから、ここで溶媒の表面張力と粘性のバランスを制御することが必要となってくる。粘性値は温度の影響を受け、本発明で採用する水溶媒は、温度制御が可能な範囲内に適正な粘性値を有する溶媒である。
しかし、原料粉末の形態等によっては、スラリー溶媒の表面張力と粘性のバランスを制御するために、各種の造粒用添加剤を用いる場合も有り得る。表面張力を制御するために、例えば陽イオン、陰イオン、両性を示す表面活性剤の適用が考えられる。表面張力を低下させることで、分散性を向上させる効果がある。また、粘度を制御するために、例えば天然高分子材料を変性させた合成高分子材料として、親水基及び疎水基を持った材料の適用が考えられる。粘度を高めることで、粒化性を向上させる効果があるが一方で、完粉表面が硬化するためプレス成形時に粉末が適正な状態で潰れない現象が発生するので、注意を要する。両者のバランスを保つため、造粒用添加剤を併用することも可能である。
【０００９】
本発明の完粉の平均球形度は、１０００個以上の粒子像に関して、粒子像解析装置を用いて測定し、この測定値から算出することができる。まず、個々の完粉の球形度は、完粉の投影面積をＭとし、完粉の周囲長Ｌを測定する。Ｌに対応する真円の半径をｒとすると、Ｌ＝２πｒであることから、ｒ＝Ｌ／２πとなる。先に仮定した真円の面積をＰとすると、Ｐ＝Ｌ２／４πとなる。従って、球形度＝Ｍ／Ｐ＝Ｍ×４π／Ｌ２、として算出することができる。平均球形度は、平均球形度＝（Σ球形度）／ｎ、ここでｎ≧１０００、として算出することができる。
【００１０】
本発明の完粉の酸素濃度は０．０５から１．０重量％の範囲であることが好ましい。完粉の酸素濃度が１．０重量％を超えて大きいと、焼結時に周囲の元素との酸化反応が顕著となり焼結体の有孔度が劣化する事、更にＣが酸素と反応してＣ含有量の変動が顕著となるため不都合である。また、０．０５重量％未満とした理由は、既に原料粉末に含有される酸素濃度レベルを下限値とするのが適当であると考えたからである。
本発明の完粉を用いて作製した焼結体の有孔度分類が、ＣＩＳ規格によるＡ０２レベルよりも良好であることから、密度が均一な焼結体が得られる。例えば切削工具等に応用した場合、高硬度と耐欠損性に優れた切削工具が得られ、好ましい。
【００１１】
本発明の完粉を得るための１手段として、噴霧乾燥造粒装置を用いたスラリーの乾燥造粒法がある。本発明の完粉を得るためには第１に、水溶媒と炭化タングステン、Ｃｏを含み、不可避不純物との組合せの原料粉末からなるスラリー状態での密度等を測定し、これと造粒特性との相関関係を予め把握しておき、湿式混合後であって乾燥造粒直前のスラリー粘度やスラリー濃度、スラリー密度等を管理、調整することが必要である。例えば、スラリーの固形粒子濃度は５０〜８５重量％の範囲で制御することが好ましい。第２に、噴霧乾燥して造粒を行う時の、スラリー噴霧ノズルの形態、スラリー供給量、乾燥温度、気流の速度等も制御することが必要である。これらの条件を制御することによって、本発明に規定した完粉の平均粒子径、嵩密度等の特性を得ることができる。例えば、液噴霧ノズルの形態は、スラリー供給量、スラリー粘度等の条件に応じて、加圧ノズル、ディスク式ノズル、２流体ノズル等の公知のノズルから適宜選択して用いることができる。流入するガス流量と温度は、添加した水分量を完全に蒸発させるに十分なエネルギーとなるように設定する。
本発明の完粉を得るためには、スラリーに水溶媒を使用していることから、乾燥温度は装置入口、出口、及び装置の幾何学的中間点の各温度プロファイルを制御することが重要である。例えば装置入口温度は１２５〜１９５度の範囲、出口温度は７５〜１００度の範囲、重力方向に対する装置の幾何学的な中間点の温度は７５〜１２５度の範囲となるように調整することが好ましい。更に、完粉の酸素濃度を本発明の規定値範囲内に制御するためには、装置下部の完粉取り出し口における完粉の温度を７５度以下に強制冷却することが好ましい。この時の強制冷却には、含有水分が少なく乾燥した空気、或いは不活性気体を用いるここがより好ましい形態である。
上記の完粉製造する方法において、η相やフリーカーボン含まない完粉を確実に製造するため、化学分析に基づき炭素バランスを調整する必要がある。例えば使用原料粉末の酸素量確認すること、必要に応じて炭素を添加すること、乾燥中の酸素供給量等の制御することによって調整は可能である。また、完粉の表面形態を滑らかな状態にして、流動性の優れた完粉を得るためには、噴霧装置入口での温度制御が大きな影響を与える。即ち、噴霧乾燥による造粒工程において、スラリーが高温気流中に噴霧される時に、水分の蒸発速度が早過ぎると正常な球形状とならないからである。一方で水分の蒸発速度が遅くなりすぎると、乾燥が不十分となってしまうので注意が必要である。本発明では上記の様な項目を考慮して各条件を設定した。
【００１２】
本発明において、スラリーに水溶媒を採用した他の理由は、環境汚染物の排除に考慮したものでもある。アセトン、アルコール、ヘキサン又はヘプタン等の有機溶剤をスラリー溶媒として用いる大きな欠点は、溶剤の可燃性と揮発性の高い点にある。たとえリサイクル対策を施したとしても高い揮発性を有することから大気中に蒸散し、大幅な回収量減となる。更に、アトライターや噴霧乾燥装置は、防爆型の装置とする必要があることから安全工学的に高度な技術が要求され、窒素ガスなどの不活性ガスの雰囲気下で乾燥させなければならない。その結果としてコストが高くなり、工業的な不利益を免れない。本発明は、この点からも工業的に有効であり好ましい。上記の様に本発明の実施の形態について述べたが、本発明はこれらの実施の形態になんら限定されて解釈されるべきものではない。以下の実施例においても、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々の変更、修正、改良等を加え得るものである。
【実施例】
【００１３】
原料粉末は、平均粒径が４．５μｍのＷＣ粉末と９ｗｔ％のＣｏ粉末、７ｗｔ％のＴａＣを配合比率に秤量し、該原料粉末に、電気伝導度を３μＳ／ｃｍ以下に調節したイオン交換水の溶媒と造粒用添加剤等を所定の比率で加えて湿式混合した後、該スラリーを噴霧乾燥法により造粒し、本発明例１から４の完粉を得た。この時のスラリーの固形粒子濃度は６５重量％とし、装置入口温度は１７０度、出口温度は９５度、中間点の温度は１１５度、完粉取り出し口における完粉の温度を６０度になるように設定した。一方、比較のため、スラリー溶媒をイオン交換水に代えてアルコールを使用したスラリーを準備し、スラリーの固形粒子濃度は同一条件に揃えた。出口温度は７０度〜９０度に設定して、比較例５、６の完粉を得た。得られた完粉の流動度は、形状がＪＩＳＺ−２５０４で規定される測定用漏斗を使用し、オリフィス直径が２．６ｍｍの条件で測定した。測定結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】
2006045601.tif 000003
【００１５】
焼結体の評価のために、４×８×２５ｍｍ棒状材の合金試片を作製し、内部の有孔度分類及び抗折力を測定した。有孔度分類はＣＩＳ規格（超硬工具協会規格、ＣＩＳ−００６Ｂ）による。試験条件としては、超硬合金製ダイ及び同上下パンチで油圧式にて圧力１００ＭＰａでプレスして成形体とし、焼結条件は、真空雰囲気中、１３３０から１４７０度の温度で、３０分焼結した。表１の抗折強度は４×８×２５ｍｍ棒状材のスパン２０ｍｍ、３点曲げ強度試験の結果を示す。
【００１６】
完粉の表面状態は、走査型電子顕微鏡（（株）日立製作所製Ｓ−４２００）を用いて、倍率３５０倍で観察した。観察結果を図１、２に示す。図１はイオン交換水を溶媒とする本発明例１の完粉であり、図２のアルコールを溶媒とした比較例５の完粉に比べ、平均球形度が０．７以上の平滑な表面状態となっている。これはイオン交換水の溶媒を用いたスラリー中の原料粒子の分散性が良く、噴霧乾燥工程において、中実性が高く緻密質な表面層を形成するのに対し、アルコール溶媒の場合には原料粒子同士が凝集粒子となり、噴霧乾燥工程において粒子移動が起こりにくくなり、中空性であって密度が低く、表面は微視的な凹凸が形成されたためである。一般的にイオン交換水の溶媒を用いた分散性の良いスラリーは完粉表面に窪みを有する傾向を示し、これが焼結体の製品欠陥を招く要因でもあることから注意を要するのであるが、本発明例は適切なスラリー性状に制御されたことにより、健全な形状をした完粉を得ることができた。本発明の完粉を用いた焼結体組織の観察においても、有孔度分類は改善され、空孔等は殆ど見られず、高密度な焼結体が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明例１の完粉を示す。
【図２】図２は、比較例５の完粉を示す。
【図１】
2006045601.tif 000004
【図２】
2006045601.tif 000005