(57)【要約】【課題】粒成長抑制効果を得るために必要とされるＣｒとＴａ及び／又はＮｂを添加し、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の析出を抑制することにより、ＷＣ粒子の平均粒径が小さく、十分な硬さを有し、しかも、高い靭性を有し、耐折損、耐チッピング性に優れた微粒超硬合金材を提供する。【解決手段】超微粒合金の強度、靭性を向上するため鋭意検討を行った結果、質量％でＣｏが２〜１５％、Ｃｒ、Ｔａ及び／又はＮｂを含有し、残りがＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、Ｃｒ／Ｃｏ比が０．０５〜０．１７、（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏ比が０．０１〜０．０５、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下、飽和磁化比Ｐ／Ｑが０．７≦Ｐ／Ｑ≦０．９の範囲にあり、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の最大径が２μｍ以上の相が１ｍｍ２当り０個以上１個以下、であ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が２〜１５％、Ｃｒ、Ｔａ及び／又はＮｂを含有し、残りがＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、Ｃｒ／Ｃｏ比が０．０５〜０．１７、（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏ比が０．０１〜０．０５、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下、飽和磁化比Ｐ／Ｑが０．７≦Ｐ／Ｑ≦０．９の範囲にあり、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の最大径が２μｍ以上の相が１ｍｍ２当り０個以上１個以下、であ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】
本発明は、刃径が０．３ｍｍ以下の小径工具、特に小径ドリル、エンドミル他に用いる、平均粒径が０．８μｍ以下の炭化タングステンからなる粒子を有する、微粒超硬合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
平均粒径が１μｍ以下のＷＣ粒子を含有する微粒超硬合金は、硬さと伴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伴に、エンドミルやドリルの小径化が急速に進み、微粒合金のＷＣ粒子の平均粒径は益々小さく、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粒子の粒成長を抑制するため、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂなどの金属もしくは、それらの炭化物、窒化物、炭窒化物などの化合物をＷＣの粒成長抑制材として用いられることが提案されている。これらの具体的な例として、以下の特許文献１〜５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、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、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、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、１０００気圧でＨＩＰ処理して、（Ｔａ、Ｗ）Ｃ又は（Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ）Ｃと思われる固溶体を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６０ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧焼結して、平均粒度が０．６μｍ以下のＷＣ粒子が分散している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、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。
しかしながら、上記特許文献１〜３に開示されている従来技術では、ＶやＣｒが添加されているが、Ｔａ及びＮｂのうちの１種以上が添加されておらず靭性が劣り、更には耐熱性が劣るという欠点がある。即ち、例えば、プリント基板等の回路の配線密度が高密度化し、プリント基板自体の低価格化が進展するにつれて、小径ドリルによる穴あけ作業はますます高速化が進んでおり、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っていく傾向にあるにもかかわらず、高温において硬度と靭性とが低下し、摩耗や折損のためにより早い段階で寿命に達してしまう欠点がある。一方、上記特許文献４、５ではＶ、Ｃｒ、Ｔａのいずれもが添加されているものの、Ｔａ無添加品に比べ靭性が劣るという欠点がある。このため、例えば、プリント基板穴あけようの小径ドリル等に用いた場合、微小チッピングや折損のためにより早い段階で寿命に達してしまう。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２３５２５９号公報
【特許文献２】特開平１１−３５００６１号公報
【特許文献３】特開２０００−７１２号公報（特許第３２９１５６２号）
【特許文献４】特許第３３３１９１６号公報
【特許文献５】特開平６−８１０７２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、粒成長抑制効果を得るために必要とされるＣｒと、Ｔａ及び／又はＮｂを添加し、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の析出を抑制することにより、ＷＣ粒子の平均粒径が小さく、十分な硬さを有し、しかも、高い靭性を有し、耐折損、耐チッピング性に優れた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、超微粒合金の強度、靭性を向上するため鋭意検討を行った結果、質量％でＣｏが２〜１５％、Ｃｒ、Ｔａ及び／又はＮｂを含有し、残りがＷＣ及び不可避不純物からなる組成を有し、Ｃｒ／Ｃｏ比が０．０５〜０．１７、（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏ比が０．０１〜０．０５、主にＷＣからなる硬質分散相の平均粒径が０．８μｍ以下、飽和磁化比Ｐ／Ｑが０．７≦Ｐ／Ｑ≦０．９の範囲にあり、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の最大径が２μｍ以上の相が１ｍｍ２当り０個以上１個以下、であ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、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の析出を抑制することが可能となり、微粒超硬合金の強度及び靭性を飛躍的に改善することができる。
【発明の効果】
【０００６】
高靭性及び高い耐熱強度をえられることが特徴であるＣｒに加えＴａ及び／又はＮｂを添加した微粒超硬合金において、強度及び靭性を低下させるＴａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の析出を抑制することにより、ＷＣ粒子の平均粒径が小さく、十分な硬さを有し、しかも、高い靭性を有し、耐折損、耐チッピング性に優れた微粒超硬合金材を提供することが可能となり小径ドリル、エンドミルなどの用途に最適な合金を得ることを可能にした。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のＣｒを添加し、Ｔａ及び／又はＮｂを添加した微粒超硬合金は、Ｖ及びＣｒを添加した系、Ｖ及びＣｒに更にＴａ及びＮｂを添加した系に比べ、高靭性及び高い耐熱強度を得られることが特徴である。これらの系においては、粒成長抑制効果を十分に発揮させるために必要となる量のＴａ及び／又はＮｂを添加する場合には、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の析出は不可避とされていた。これらの斑状析出相の寸法をいかに小さくしたとしても、強度及び靭性の低下を伴うものであった。そこで本発明は、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする斑状析出相の析出を抑制し、微粒超硬合金の強度及び靭性を飛躍的に改善する技術の開示である。本発明の請求項における夫々の数値を限定する理由を、以下に述べる。
（１）Ｃｏ含有量：Ｃｏ含有量を２〜１５％とするのは、Ｃｏの含有量が２％未満の時は焼結時に結合相量が十分でなく、緻密な微粒超硬合金を得ることが困難となり、その結果抗折力が著しく低下し、十分な耐折損性が得られない。また１５％を超えると十分な硬さの微粒超硬合金を得ることが出来なくなり、それに伴い耐摩耗性が低下し、切削工具等として使用した場合に摩耗が著しく早期に寿命となる等の欠点が現れる。
（２）Ｃｒ含有量：Ｃｒ／Ｃｏの重量比を０．０５〜０．１７とするのは、Ｃｒ／Ｃｏ比が０．０５未満の時は焼結時にＷＣ粒の成長が進み平均粒径を０．８μｍ以下にすることが出来なくなるからである。また０．１７を超えると結合相中のＣｒ含有量が多くなり過ぎ、Ｃｒ主体の析出相が出現することにより靭性が低下するからである。更に好ましくはＣｒ／Ｃｏ比は０．０７〜０．１５である。
（３）Ｔａ及び／又はＮｂの含有量：Ｔａ及び／又はＮｂの含有量を（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏの重量比で０．０１〜０．０５とするのは、（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏ比が０．０１未満の時は焼結時にＷＣ粒の成長を抑制することが難しくなり、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からである。またこれらが０．０５を超えるとＴａ、Ｎｂを主体とする斑状析出物の析出を抑制することは困難となるからである。更に好ましくは（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏ比は０．０１５〜０．０３である。
（４）硬質分散相の粒径：主としてＷＣからなる硬質分散相の粒径を０．８μｍ以下とするのは、硬質分散相の粒径が０．８μｍを超えると硬度と靭性とが大きく低下し、十分な耐摩耗性と耐折損性をえることが困難となるからである。
（５）飽和磁化比：飽和磁化比Ｐ／Ｑは、飽和磁化（Ｔｍ３／ｋｇ）の値Ｐとし、２０２×Ｃｏ％／１００の値をＱとして表す（μＴｍ３／ｋｇ）の値Ｐとし、２０２×Ｃｏ％／１００の値Ｑとした時、この比Ｐ／Ｑで表し、その範囲が０．７≦Ｐ／Ｑ≦０．９のとする。、０．７０未満ではＣｏ３Ｗ３Ｃから成るη相などのＣｏ、Ｗを主体とする炭化物が析出し、強度が低下するからである。また、０．９０を超えると、上記（３）を満たす条件下でＴａ、Ｎｂを主体とする斑状の析出物析出を抑制することは困難となるからである。更に好ましくは、Ｐ／Ｑは０．７０〜０．８５である。
（６）斑状析出相：最大径が２μｍ以上の斑状析出相が１ｍｍ２当り０個以上１個以下であるとするのは、最大径が２μｍ以上の斑状析出相が１ｍｍ２当り２個以上存在すると、微粒超硬合金の強度及び靭性が低下するためである。更に、結合相としてＣｏに加え少量のＮｉを加えることも可能で、この場合、耐食性が改善される。
【実施例】
【０００８】
本発明の微粒超硬合金は、原料粉末として、平均粒径０．６μｍのＷＣ粉末、同０．９μｍのＶＣ粉末、同１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．２μｍのＴａＣ粉末、同１．５μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＣｏ粉末を準備し、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、アトライターにて１２時間湿式混合し、乾燥ののち、ワックスと溶剤を添加して混練し、押出成形機にて焼結後の直径３．４ｍｍとなるように長尺成形体を作製した。これらの長尺成形体を脱脂の後、焼結条件を工夫し、１．３〜１３．２Ｐａの真空雰囲気中、１３００〜１４５０度の範囲内の所定温度に３０分から６０分間保持後、雰囲気の圧力を９８０ｋＰａ以上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度までを５０〜１００度／分の冷却速度で急冷する等により、強度及び靭性を大きく低下させるＴａ及び／又はＮｂのうち１種又は２種を主体とする斑状析出相を抑制することが出来るようになった。得られた微粒超硬合金丸棒素材についてφ２にセンタレス研削後、抗折力、硬さ、飽和磁化の測定を実施した。更にＷＣの平均粒径を以下の方法で測定し、斑状析出相の個数を以下の方法で確認した。ＷＣの平均粒径は、焼結素材の断面を鏡面研磨した、村上試薬で０．５分、王水で０．５分エッチングすることにより結晶粒界を明確にして、走査型電子顕微鏡により倍率１００００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、微粒超硬合金が２相組織からなり、Ｔａ及び／又はＮｂを主体とする最大径が２μｍ以上の斑状析出相が存在するか否か、もし存在する時は１ｍｍ２当り何個存在するかと言った測定については、鏡面研磨面を村上試薬で０．５分エッチングし、１０００倍の光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡にて１０視野観察し、最大径が２μｍ以上の斑状析出相が存在するか否か、もし存在する時は１ｍｍ２当り何個存在するかを確認した。これらの結果を表１に示す。
【０００９】
実施例で作成した丸棒素材を研削し、シャンク径３．１７５ｍｍ、刃先径０．１ｍｍの２枚刃の小径ドリルを各３本作製した。これを用いて、厚さが０．２ｍｍｔのガラスエポキシ材プリント基板を２枚重ねにしたものを、回転数１６００００回転／分、送り０．０１５ｍｍ／回転の高速条件で穴開け加工を行い、折損するまでの加工穴数を測定し、各３本の平均を穴開け平均寿命とした。各小径ドリルの穴開け平均寿命測定結果を表１にあわせて示した。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表１に示す通り、本発明例１から２１の微粒超硬合金は、高い靭性と硬さを有し、プリント基板用ドリルとした場合に比較例２２から２９に比べ著しく長寿命となることが明らかとなった。本発明例１と比較例２２は、Ｃｏ含有量以外はほぼ同一組成の材料であるが、本発明で規定するＣｏ含有量の範囲内である本発明例１の方が、下限値以下の比較例２２よりも緻密な微粒超硬合金となり、抗折力が優れ、耐折損性は約２．８倍を示す結果となった。本発明例２〜７、比較例２３は、Ｃｒ／Ｃｏの比を０．１の一定に保ち、Ｃｏ含有量を４％〜１６％まで変化させた場合である。本発明で規定するＣｏ含有量の範囲内である本発明例２〜７の方が、上限値以上の比較例２３よりも耐摩耗性に優れ、長寿命を示した。本発明例８〜１１、比較例２４、２５は、Ｃｏ含有量を１０％で一定とし、Ｃｒ含有量を０．６％から１．８％まで変化させ、Ｃｒ／Ｃｏの比の影響を見たものである。本発明で規定するＣｒ／Ｃｏの比の範囲内である本発明例の方が、比較例２４、２５よりも優れた折損寿命を示した。これは、比較例２４は、Ｃｒの含有量が少なく、従ってＣｒ／Ｃｏの比も小さいことからＷＣの粒成長抑制効果が十分でなく、ＷＣの粒径が０．８μｍ以上となったことが、折損寿命低下の原因と考えられる。一方、比較例２５はＣｒの含有量が多く、従ってＣｒ／Ｃｏの比も大きいことからＣｒ析出相が見られ、これが折損寿命低下の原因と考えられる。本発明例１２〜１８、比較例２６、２７は、Ｃｏ含有量を１１％、Ｃｒ／Ｃｏの比を０．０７３で一定とし、Ｔａ添加量、Ｎｂ添加量を変化させ、（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏの比の影響を見たものである。本発明で規定する（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏの比の範囲内である本発明例の方が、比較例２６、２７よりも優れた折損寿命を示した。これは、比較例２６はＴａ、Ｎｂの添加量が少なく、従って（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏの比も小さいことからＷＣの粒成長抑制効果が十分でなく、ＷＣの粒径が０．８μｍ以上となってしまったことが、折損寿命低下の原因と考えられる。一方、比較例２７はＴａの添加量が多く、従って（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏの比も大きいことからＴａ析出相が多く見られ、これが折損寿命の低下の原因と考えられる。本発明例１９〜２１、比較例２８、２９は、合金組成を、Ｃｏ含有量を９％、Ｃｒ／Ｃｏの比を０．０７８、（Ｔａ＋Ｎｂ）／Ｃｏとして一定とし、飽和磁化の影響を見たものである。飽和磁化比の値は、焼結時のガス圧力及び真空度の制御の影響を受けて変化した。本発明で規定する飽和磁化比の値の範囲内である本発明例の方が、比較例２８、２９よりも優れた折損寿命を示した。これは、比較例２８は飽和磁化比の値が小さいことから、Ｃｏ３Ｗ３Ｃから成るη相などのＣｏ、Ｗを主体とする炭化物が析出し、強度が低下したためと考えらえる。一方、比較例２９は飽和磁化比の値が大きく、Ｔａを主体とする斑状析出物の析出を抑制することができず、このＴａ析出相が折損寿命の低下の原因と考えられる。