(57)【要約】【課題】  十分な粒抑制効果を有しＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑えることができるために硬度が高く、しかも、粒界の強度が高く、耐熱性と耐欠損及び耐チッピング性に優れた小径工具用の微粒超硬合金材を提供することである。【解決手段】  質量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが２〜１３％、少なくともＣｒを０．１〜１．８％を含むＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＭｏの１種又は２種以上が０．１〜３％、残りがＷ及び不可避不純物、からなる金属組成を有し、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下であり、該硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が存在していることを特徴とする微粒超硬合金である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが２〜１３％、少なくともＣｒを０．１〜１．８％を含むＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＭｏの１種又は２種以上が０．１〜３％、残りがＷ及び不可避不純物、からなる金属組成を有し、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下であり、該硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が存在していることを特徴とする微粒超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、刃径が０．３ｍｍ以下の小径工具、特に小径ドリルに用いる、平均粒径が０．８μｍ以下の主に炭化タングステンからなる粒子を有する、いわゆる微粒超硬合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平均粒径が１μｍ以下のＷＣ硬質分散相を含有する微粒超硬合金は、硬さとともに靭性も高いため小径エンドミル、小径ドリル、各種剪断刃などに広範囲に用いられている。近年、微細加工品の増加とともに、エンドミルやドリルの小径化が急速に進み、微粒合金の平均粒径がますます小さくなり、しかも硬度と靭性の高いものが要求されてきている。そのため、焼結中におけるＷＣ硬質分散相の粒成長を抑制するため、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａなどの金属もしくはそれらの化合物（炭化物、窒化物、炭窒化物など）をＷＣに対する粒成長抑制材として用いることが提案されている。これらの具体的な例として、特許文献１〜６が開示されている。
特許文献１は、ＶとＣｒとを複合添加することにより、合金の靭性低下の原因となる第３相が生じる程多量のＶやＣｒを添加せず、真空焼結後に１００ＭＰａのＡｒ雰囲気中でＨＩＰ処理することにより、ＶやＣｒが結合相中に固溶しており本質的にＷＣ相と結合相の２相からなり、しかもＷＣの平均粒径が０．７μｍ以下である超硬合金が開示されている。
特許文献２は、ＶとＣｒの２種を添加し、真空雰囲気焼結後に５．９ＭＰａで加圧焼結し、急冷することにより、ＷＣをＶとＷとＣｒの析出複合炭化物の薄層で被覆し、結合相中に（Ｖ、Ｗ、Ｃｒ）Ｃの析出を無くすことにより、一段と強度の高い超硬合金が開示されている。
特許文献３は、真空雰囲気焼結後に４．９〜１４．７ＭＰａで加圧焼結し、５０〜１００℃／分で急冷することにより、Ｃｏを主体とする結合相中にＶとＷとＣｒの析出複合炭化物からなる硬質分散相を微細に分散分布させるとともに、ＷＣをＶとＷとＣｒの析出複合炭化物の薄層で被覆することにより、一段と高い強度をもつ超硬合金が開示されている。
特許文献４は、ＶとＣｒとＴａＣ又は（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃの３種を添加し、真空焼結後にＡｒ雰囲気中、１００ＭＰａでＨＩＰ処理して、一定量以下の（Ｔａ、Ｗ）Ｃ又は（Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）Ｃと思われる固溶体を合金中に析出させることにより、ＷＣの平均粒径が０．６μｍ以下で、しかも耐溶着性が向上した超硬合金が開示されている。
特許文献５は、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａを添加し、真空雰囲気焼結後に５．９ＭＰａで加圧焼結して、平均粒度が０．６μｍ以下のＷＣ硬質分散相が分散しているＷＣ基超硬合金の素地中にＶ、Ｃｒ、Ｔａ等の炭化物もしくは炭窒化物の固溶体粒子を分散させるとともに、その最大粒径を３μｍ以下にすることにより合金の靭性低下を防止した超硬合金が開示されている。
特許文献６は、分散相構成成分であるＷとＣを含有し、更にＶ、Ｃｒを含有するＣｏ基合金で結合相を構成し、残りの分散相が素地中に粒径１００ｎｍのＣｏ基合金超微粒粒子が分散分布する超硬合金が開示されている。
特許文献１〜６に開示されている従来技術では、ＶやＣｒ、Ｔａが添加されているが、いずれもＷＣ相と結合相の２相から成っている、あるいは、ＷＣが炭化物から成る薄層で被覆されている、あるいは析出相や硬質分散相が含まれているのみであり、酸化物を含有させたときの効果は検討されていない。一方、先述のように、プリント基板等の回路の急激な高密度化と低価格化にともない、小径ドリルによる穴あけ作業はますます高速・高効率化がなされ、ドリルと被削材間の摩擦熱によりドリル自体にかかる温度が高くなり、高温において更に高硬度で靭性の高い小径工具用の微粒合金が要望されている。このため、耐熱性と高硬度、高靭性に優れた小径工具用微粒合金の実現が要望されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第１５３９９９１号公報
【特許文献２】特開平１１−３５００６１号公報
【特許文献３】特許第３２９１５６２号公報
【特許文献４】特許第１４８７４７９号公報
【特許文献５】特開平６−８１０７２号公報
【特許文献６】特許第３２１４３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明が解決しようとする課題は十分な粒抑制効果を有しＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑えることができるために硬度が高く、しかも、粒界の強度が高く、耐熱性と耐欠損及び耐チッピング性に優れた小径工具用の微粒超硬合金材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、質量％で、Ｃｏ及び／又はＮｉが２〜１３％、少なくともＣｒを０．１〜１．８％を含むＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＭｏの１種又は２種以上が０．１〜３％、残りがＷ及び不可避不純物、からなる金属組成を有し、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下であり、該硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が存在していることを特徴とする微粒超硬合金である。本構成を採用することにより、合金中に含まれる元素が十分な粒抑制効果を有することから、ＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑え、硬度が高く、しかも、粒界の強度が高く、耐熱性と耐欠損及び耐チッピング性に優れた小径工具用の微粒超硬合金材を提供することができる。
【発明の効果】
【０００６】
Ｃｒ等を添加することによりＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑え、平均粒径が０．８μｍ以下で高硬度の微粒超硬合金材が実現出来、しかも、ＷＣを主とする硬質相中に、大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物を析出させることにより粒界の強度が高まり、高靭性が実現できる。その結果、高速・高効率に切削加工し刃先温度が高まったときにも、優れた耐摩耗性と耐欠損性、耐チッピング性に優れた小径工具用の微粒超硬合金材を提供することができる。本発明の微粒超硬合金材を用いて、例えばプリント基板穴あけ用の小径ドリルを作製すると、高速・高効率かつ高精度に穴あけ作業が可能な小径ドリルが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、粉末の製造段階でＣｒやＣｒＣ、Ｃｒ２Ｏ３等のＣｒを固溶及び／または拡散させて作製したＣｒ３Ｃ２入りＷＣ粉末を用い、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＭｏのうちの１種又は２種以上を所定量添加して微粒超硬合金材を作製し、平均粒径を０．８μｍ以下するとともに、焼結条件を工夫し、１．３〜１３．２Ｐａの真空雰囲気中、１３３０〜１４８０度の範囲内の所定温度に０．５〜２時間保持後、雰囲気を圧力：４．９〜１４．７ＭＰａの加圧雰囲気に変え、この加圧雰囲気に１５〜６０分間保持する、所謂シンターＨＩＰ処理後、１２００℃までを５０〜１００度／ｍｉｎの冷却速度で急冷する等により、大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物を硬質相中に析出させることが出来るようになり、Ｃｒ等の添加によりＷＣ硬質分散相の粒成長を十分に抑えながら、同時に高い靭性と耐欠損性とを有し、耐チッピング性に優れた微粒超硬合金材を実現できる。硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物を析出させることによってＷＣ硬質分散相と結合相との間や、ＷＣ硬質分散相の界面の強度が高まり、靭性が高くしかも、高温切削においても優れた硬度と靭性とを有する小径工具用の微粒超硬合金材を実現できる。これは、微小なＣｒの酸化物がＷＣ硬質分散相と結合相との間や、ＷＣ硬質分散相相間の界面に析出することにより、酸素濃度が適度に制御され界面の強度が高まり、その結果、靭性と耐熱性とが高まるものと考えられる。硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物を存在させるには、原料粉末製造段階でＣｒを添加したＷＣ粉末を原料に用い、シンターＨＩＰ後に急冷することが有効であるが、製造方法そのものに関わらず、該硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物を存在させることが、ＷＣ硬質分散相と結合相との間やＷＣ硬質分散相相の界面の強度を高めるためには重要である。ＷＣ硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が存在していることは、透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと言う。）により１２５ｋ倍で微粒超硬合金を観察するとともに、ＴＥＭ装置に付属したエネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下、ＥＤＸと言う。）によりその組成を分析することによって確認できる。本発明の微粒超硬合金は、その組織をＴＥＭにより１２５ｋ倍で観察したとき、硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が存在している割合が、５０視野中１〜５視野であることによって、更に優れた靭性が得られる。
【０００８】
次に、数値限定理由について述べる。合金全体のＣｒの含有量が０．１％未満の時は焼結時にＷＣ硬質分散相の成長が進み平均粒径が０．８μｍを越え、耐摩耗性と靭性が低下する欠点が現れる。一方、１．８％を超えて大きいと結合相中のＣｒ含有量が多くなり過ぎ、靭性が低下する欠点が現れる。そこで、Ｃｒの含有量は０．１〜１．８％とする。また、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、及びＭｏのうちの１種又は２種以上が０．１％未満の時は、焼結時にＷＣ硬質分散相の成長が進み耐摩耗性と靭性とが低下するとともに耐熱性が低下する欠点が現れ、３％を超えて大きいと添加物化合物の析出が多くなり靭性が低下する欠点が現れる。そこで、Ｃｒを必須とし、更にＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、及びＭｏのうちの１種又は２種以上の含有量は、０．１〜３％とする。また、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍを越えると、微粒超硬合金の硬度と靭性とが大きく低下し、耐摩耗性と耐欠損性とが不十分になる欠点が現れるため、ＷＣからなる硬質分散相の平均粒径は０．８μｍ以下とする。
【実施例】
【０００９】
原料粉末として、粉末の製造段階でＣｒを固溶及び／または拡散させて作製したＣｒ３Ｃ２入りの平均粒径が０．８μｍのＷＣ粉末を用いた。ＷＣ粉末に含まれるＣｒ３Ｃ２量は、０．１、０．３、０．５、０．７、０．９、１．１％の６種類である。また、平均粒径が１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同０．９μｍのＶＣ粉末、同１．２μｍのＴａＣ粉末、同２μｍのＮｂＣ粉末、同２．３μｍのＺｒＣ粉末、同１．５μｍのＨｆＣ粉末、同１．５μｍのＭｏ２Ｃ粉末及びＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を所定の組成に配合し、アトライターで１２時間混合し、減圧乾燥し、更にワックスと溶剤を加えて１時間混和した後、押出し成形機により直径２．５ｍｍの長尺状成形体を作製し、これらの長尺状成形体を、脱ワックスした後、１．３〜１３．２Ｐａの真空雰囲気中、１３３０〜１４８０℃の範囲内の所定温度に０．５〜２時間保持後、雰囲気を圧力：４．９〜１４．７ＭＰａの加圧雰囲気に変え、この加圧雰囲気に１５〜６０分間保持後、１２００℃までを５０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度で急冷することにより、微粒超硬合金からなる直径２ｍｍの長尺状焼結素材を製造した。平均粒径が１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末は、Ｃｒ入りＷＣ粉末だけではＣｒ３Ｃ２量が不十分な時に用いた。この長尺状焼結素材の組成は蛍光Ｘ線装置により定量分析し、Ｗ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＭｏの含有量を測定した。平均結晶粒径は、焼結素材の断面を鏡面研磨した後、村上試薬で０．５分間、王水で０．５分間エッチング処理することにより結晶粒界を明確にした後、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと言う。）により倍率１０ｋ倍で撮影した画像を拡大コピーし、これを画像解析装置により解析することにより算出した。また、微粒超硬合金材が、主にＣｏからなる結合相と硬質分散相とからなり、硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が存在しているか否かは、ＴＥＭにより１２５ｋ倍で５０視野観察し、ＥＤＸにより各領域の組成を測定することにより評価した。本発明材の組成とＷＣを主とする硬質相の平均粒径及び５０視野中で、硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が観察された視野数を表１にまとめて示した。Ｃｒ酸化物の観察例として、図１に本発明例１０で観察されたＣｒ酸化物のＴＥＭ像を示す。本微粒子のＥＤＸ分析結果は質量％で、Ｃｒ：７１．８％、Ｏ：４．２％、Ｗ：２０．１％、Ｃｏ：３．９％であった。また、比較の目的で、焼結条件を６．６Ｐａの真空雰囲気中、１３５０〜１４８０℃の範囲内の所定温度に１．５時間保持後、冷却速度が約１０℃／分で炉冷することにより比較例を作製した。本発明例と同一の条件で評価した比較例の諸特性を表１にあわせて示した。比較例はいずれも、主にＣｏからなる結合相と硬質分散相とからなるものの、１２５ｋ倍でＴＥＭ観察したとき、Ｃｏ成分が約５０％である微粒子は見いだされたが、１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物は見いだされなかった。
【００１０】
本発明例及び比較例から作製した長尺状焼結素材を用いて、シャンク径２．０ｍｍ、刃先径０．１ｍｍの２枚刃小径ドリルを各３本作製した。これを用いて、高Ｔｇ（Ｔｇはガラス転移温度）の０．２ｍｍ厚さ両面Ｃｕ付きガラスエポキシ板を２枚重ねにしたものを、回転数２５００００／分、送り０．０１ｍｍ／ｒｅｖの条件で穴開け加工試験を行なった。この条件は、より高速で刃先温度がより高温になりやすい切削条件である。外周刃外径寸法に５％の摩耗が生じる迄の穴開け加工数又は折損するまでの加工穴数の小さい方を測定し、各３本の平均を穴あけ平均寿命とした。本発明例及び比較例から作製した各小径ドリルの穴開け平均寿命測定結果を表１に併せて示した。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
表１に示した結果から、本発明例１〜１８はいずれも、５０視野中少なくとも１視野以上で、硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が観察されたのに対して、比較例１９〜３６では１視野にも観察されなかった。本発明例１〜１８、比較例１９〜３６の夫々を用いて作製した小径ドリルの穴開け寿命を比較すると、ほぼ同一な組成とＷＣ硬質分散相の粒度とを有するにもかかわらず、本発明例を用いて作製した小径ドリルは比較例に比べて１．５倍以上優れている。例えば、比較例３３の穴開け寿命は１０８０穴であるのに対し、本発明例１５は１６５０穴であり、比較例に比べて１．５３倍優れている。また、本発明例においても、同じＣｏ量とＷＣ硬質分散相の粒度であるにもかかわらず、硬質分散相中に大きさが１００ｎｍ以下のＣｒ酸化物が５０視野中６視野で観察された本発明例１３の穴開け寿命が１７００穴であるのに対して、５０視野中５視野でのみ観察された本発明例１２の穴開け寿命は２５８０穴であり、１．５倍以上優れていることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明例の合金組織を５００ｋ倍でＴＥＭ観察した写真を示す。
【符号の説明】
【００１４】
１：Ｃｒ酸化物
【図１】
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