(57)【要約】【課題】超硬合金と被加工材との高圧接触による摩耗や溶着現象による鉄族金属からなる結合金属層の脱落を抑制した超硬合金の提供。【解決手段】タングステンカーバイド５を主成分とし、鉄族金属からなる結合金属層９を有する超硬合金において、前記結合金属層内に部分安定化ジルコニア７を分散させたことを特徴とする超硬合金。該超硬合金においてタングステンカーバイドの平均粒子径が０．５μｍ〜５．０μｍ、部分安定化ジルコニアの平均粒子径が０．０２μｍ〜０．２０μｍであり超硬合金の体積を１００％として、前記タングステンカーバイドが５０〜８３％、部分安定化ジルコニアを１０〜３０％、鉄族金属からなる結合金属層を７〜３０％を含むことを特徴とする超硬合金。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、鉄族金属からなる結合金属層を有する超硬合金において、前記結合金属層内に部分安定化ジルコニアを分散させたことを特徴とする超硬合金。
【請求項２】
請求項１に記載の超硬合金において、タングステンカーバイド（ＷＣ）の平均粒子径が０．５μｍ〜５．０μｍ、前記部分安定化ジルコニアの平均粒子径が０．０２μｍ〜０．２０μｍであり、超硬合金の体積を１００％として、前記タングステンカーバイド（ＷＣ）が５０〜８３％、部分安定化ジルコニアを１０〜３０％、鉄族金属からなる結合金属層を７〜３０％を含むことを特徴とする超硬合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超硬合金に関する。より詳細には、超硬合金における結合金属層の溶着や摩耗による脱落を抑えたプレス金型に適した超硬合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金の特徴は非常に高い硬度（ＨＲＡで８０〜９４）を有し、強度的には抗折力（曲げ応力）はおおむね２ＧＰａ（２００ｋｇ／ｍｍ2）以上、ヤング率（Ｅ）は鉄の約３倍を有しており、一般工具鋼はもちろんのこと高速度鋼でも加工困難な材料の加工に使用することができるものである。
【０００３】
なお、超硬合金はＪＩＳ規格でＶ１０〜Ｖ６０に分けられており、目安として、Ｖ１０〜Ｖ３０相当の超硬合金が切削加工などの硬度、耐摩耗性を目的として使用されており、Ｖ３０〜Ｖ６０相当の超硬合金はプレス加工などの耐衝撃性を必要とする工具に使用される。
【０００４】
なお、プレス加工においても、加重が小さく耐摩耗性が求められる場合にはＶ１０〜Ｖ３０が選択される場合もある。
【０００５】
超硬合金は、工具として適切な条件で使用していても使用中に破壊が生じることがある。その原因はマイクロクラック（微小内部亀裂）の進行による破壊や、鉄族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）からなる結合金属層と被加工材との溶着による結合金属層の脱落が主な原因である。
【０００６】
通常、切削工具や耐摩耗部材などの目的で使用される超硬合金は、耐摩耗性の向上を図るため結合金属層の量が少なく、プレス加工に使用される超硬合金の場合には、耐衝撃性が必要となるため逆に結合金属層の量が多くなっている。
【０００７】
超硬合金の寿命を向上させるため、様々な手段で超硬合金の改善がされており、例えば、特許文献１には、耐衝撃性が必要な金型用超硬合金として、破壊靱性値（ＫIC）やヤング率（Ｅ）を改善した超微粒子のタングステンカーバイド（Ｗ
Ｃ）を含む超硬合金が記載されている。
【０００８】
特許文献２には、極小径穴の打ち抜き加工に用いられる極小径パンチに適した、従来の超微粒超硬合金よりさらに高硬度でかつ抗折力（曲げ応力）の大きい超微粒子のタングステンカーバイド（ＷＣ）を含む金型用超硬合金が記載されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１、２に記載の超硬合金の如く、タングステンカーバイド（ＷＣ）の粒子径が超微粒子になる程にマイクロクラック（微小内部亀裂）が大きくなる傾向があり、破壊靱性値（ＫIC）や抗折力（曲げ応力）低くなるという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３にはタングステンカーバイド（ＷＣ）と、鉄族金属からなる結合金属と、硬質層とを含む超硬合金から構成され、前記硬質層としてジルコニアを有する高靱性な切削工具が記載されている。
【００１１】
特許文献３記載の超硬合金は、この超硬合金を焼結法により製造する際に、９００℃から１３００℃で焼成されて立方晶となったジルコニアが焼結後の冷却過程で単斜晶に変化することにより数％の体積膨張が生じるため超硬合金中に圧縮応力が生じて高靱性が得られるものである。
【００１２】
しかしながら、この特許文献３記載の超硬合金を使用した工具で切削加工を繰り返し行った場合、硬質層のジルコニアが体積変化を繰り返し起こして切削工具が破壊するという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平９−１１１３９１号公報
【特許文献２】特開２００６−２５７４６９号公報
【特許文献３】特開２００１−２１２７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
超硬合金工具を使用して金属加工を行う場合、超硬合金内に含まれる鉄族金属と被加工材との親和性が高い場合、被加工材との高圧接触による摩耗や溶着により、鉄族金属からなる結合金属層が脱落し超硬合金工具の寿命が短くなる現象が発生する。
【００１５】
また、超硬合金における結合金属層の割合が高い塑性加工用超硬合金では、超硬合金と被加工材との高圧接触による摩耗や結合金属層の溶着現象が顕著に表れるため、それに対応する新しい超硬合金が求められている。
【００１６】
本発明は上述の如き問題を解決するために成されたものであり、本発明の課題は、超硬合金と被加工材との高圧接触による摩耗や溶着現象による鉄族金属からなる結合金属層の脱落を抑制した超硬合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の課題を解決する手段として請求項１に記載の超硬合金は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、鉄族金属からなる結合金属層を有する超硬合金において、結合金属層内に部分安定化ジルコニアを分散させたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項２に記載の超硬合金は、請求項１に記載の超硬合金において、前記タングステンカーバイド（ＷＣ）の平均粒子径が０．５μｍ〜５．０μｍ、前記部分安定化ジルコニアの平均粒子径が０．０２μｍ〜０．２０μｍであり、超硬合金の体積を１００％として、前記タングステンカーバイド（ＷＣ）が５０〜８３％、部分安定化ジルコニアを１０〜３０％、鉄族金属からなる結合金属層を７〜３０％を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の超硬合金によれば、超硬合金の結合金属層内に部分安定化ジルコニアを分散させたことにより、結合金属層と被加工材との接触面積が広い場合でも高い耐摩耗性を得ることができ、結合金属層と被加工材である金属との溶着を抑制し結合金属層の脱落を抑制することができる。
【００２０】
また、靱性の高い部分安定化ジルコニアを使用することにより、結合金属層内に混合しても、従来の超硬合金と同程度の高折力を維持することができた。さらに、微細な部分安定化ジルコニア粒子を結合金属層内に分散させたことにより、部分安定化ジルコニアを起点とする亀裂が起きにくくなるため、より高い靱性を維持することができる。
【００２１】
本発明の超硬合金を成形加工用金型に使用すれば、結合金属層の溶着や摩耗による脱落が抑えられ成形加工用金型の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本願発明に係る超硬合金製パンチ（図１ａ）と、ＪＩＳ規格Ｖ２０相当の超硬合金製パンチ（図１ｂ）による打ち抜き加工時の刃先の欠損状況の比較写真。
【図２】本願発明に係る超硬合金製パンチの使用前後（図２ａ、図２ｂ）における刃先の脱落進行状況を説明した模式図。
【図３】ＪＩＳ規格Ｖ２０相当の超硬合金製パンチの使用前後（図３ａ、図３ｂ）における刃先の脱落進行状況を説明した模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本願発明に係る超硬合金について説明する。
【００２４】
本願発明に係る超硬合金は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、鉄族金属からなる結合金属層を有する超硬合金において、前記結合金属層内に部分安定化ジルコニアを分散させたものである。前記結合金属層は鉄族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）の中のいずれかの金属、または、これら金属の合金からなるものである。
【００２５】
ところで、ジルコニア（ＺｒＯ2）は室温では単斜晶系であり、温度を上昇させていくと正方晶、立方晶へと結晶構造が変化する。この相転移は体積変化を伴うためジルコニアの焼結体は温度昇降を繰り返すことにより破壊する。特に、単斜晶から正方晶への相転移では約４％の体積収縮がある。
【００２６】
前述の部分安定化ジルコニアとは、通常のジルコニアに酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、或いは、酸化セリウム（ＣｅＯ2）などを固溶させて昇降温による破壊を抑制させたものである。
【００２７】
また、本願発明に係る超硬合金におけるタングステンカーバイド（ＷＣ）の平均粒子径は、粒子径と超硬合金の破壊靱性値との関係から０．５μｍ〜５．０μｍの範囲にするのが望ましいものである。
【００２８】
例えば、耐摩耗性を必要とする絞り型であれば硬度を上げるため、０．５μｍ〜３．０μｍの範囲の粒子径がよい。また、高い圧力のかかる抜き型であれば３．０μｍ〜５．０μｍの粒子径が望ましい。
【００２９】
なお、タングステンカーバイド（ＷＣ）の粒子径が大きくなるに連れて破壊靱性は高くなる傾向がある。また、同一粒子径の場合には結合金属の割合が増加するにつれて増加傾向にあることが発表されている（例えば、素形材  Vol.52(2011)No.10  一般財団法人  素形材センター刊）。
【００３０】
結合金属層中に分散して存在する部分安定化ジルコニアは、タングステンカーバイド（ＷＣ）の平均粒子径の半分以下のサイズにすることにより、部分安定化ジルコニアが破壊起点になることを抑えることができる。
【００３１】
部分安定化ジルコニア粒子がタングステンカーバイド（ＷＣ）粒子と同じ、もしくはそれ以上のサイズである場合、タングステンカーバイド（ＷＣ）に比べ、部分安定化ジルコニアの機械強度方が低いため、工具として使用中に破壊の起点となり工具の短寿命化につながる。
【００３２】
そのため、部分安定化ジルコニアの粒子サイズは、タングステンカーバイド（ＷＣ）平均粒子径に対してその半分以下、望ましくは１０分の１以下にするのがよい。
【００３３】
以下に、部分安定化ジルコニアの粒子サイズを０．０２μｍ〜０．２０μｍの範囲内とする理由をより詳細に説明する。
【００３４】
前述の如く、本願発明の超硬合金は、鉄族金属からなる結合金属層に部分安定化ジルコニアを分散させることで、結合金属層と被加工材との接触による摩耗や溶着現象による結合金属層の脱落を抑制することを目的としている。
【００３５】
もし、部分安定化ジルコニア粒子が結合金属層以上の厚みを有する場合は、部分安定化ジルコニアは結合金属層に分散することができず目的を果たせない。
【００３６】
特に、タングステンカーバイド（ＷＣ）粒子の径が小さくなる程、タングステンカーバイド（ＷＣ）粒子の表面積が増えるため、結合金属層の厚みも薄くなる傾向がある。
【００３７】
タングステンカーバイド（ＷＣ）の平均粒子径が０．５μｍの場合、結合金属層の厚みは、多くの実測値から平均で０．２μｍとなることから、部分安定化ジルコニアの粒子径は最大で０．２μｍとする。
【００３８】
また、部分安定化ジルコニアの粒子径が０．０２μｍ以下の部分安定化ジルコニア粉末の製造は現在の技術では困難であるため、部分安定化ジルコニアの粒子径の下限を０．０２μｍとする。
【００３９】
上述の理由により、部分安定化ジルコニアの平均粒子径は０．０２μｍ〜０．２μｍとする。
【００４０】
また、本願発明の超硬合金における部分安定化ジルコニアの割合が容量％において１０〜３０％である理由は、部分安定化ジルコニアはセラミックスの中でも靱性が高く機械的強度に優れているが、タングステンカーバイド（ＷＣ）に比較すると靱性が３倍ほど小さい。
【００４１】
このことから、部分安定化ジルコニアが３０％以上になると非常に割れやすくなるので、部分安定化ジルコニアの上限値は３０％とした。また、部分安定化ジルコニアが１０％以上添加されていないと、鉄族金属からなる結合金属層に十分な量の部分安定化ジルコニアが分散されないため、結合金属層の脱落抑制に対する十分な効果を得ることができない。
【００４２】
図１（ａ、ｂ）は、鉄族金属からなる結合金属層が１２％、部分安定化ジルコニアが１８％、残部がタングステンカーバイド（ＷＣ）を含む本願発明に係る超硬合金製のパンチ１と、市販の超硬合金（ＪＩＳ規格Ｖ２０相当品）製パンチ３とを使用して、材質ＳＵＳ３０４、板厚０．５ｍｍの被加工材を８万回打ち抜き加工した後のパンチ刃先の摩耗状況の比較写真である。
【００４３】
図１（ａ、ｂ）において、直線Ａ−Ａはパンチ１とパンチ３の刃先を示しめしており、直線Ａ−Ａと直線Ｂ−Ｂの間は打ち抜き加工によって生じた摩耗領域を示してある。
【００４４】
図１（ａ、ｂ）における摩耗領域を比較観察するに、パンチ３の摩耗領域の色の方がパンチ１よりも黒ずみ、かつ表面が荒くなっていることが識別することができる。これは、パンチ表面の結合金属組織の脱落がパンチ３の方がパンチ１よりも進んでいることを示すものである。すなわち、パンチ３の方がパンチ１よりも摩耗が進んでいることが判る。
【００４５】
上述の結合金属組織の脱落の進行状況を図２（ａ，ｂ）および図３（ａ，ｂ）において説明する。
【００４６】
図２（ａ）は、本願発明に係る超硬合金製のパンチ１の使用前の超硬合金組織を示したものである。タングステンカーバイド（ＷＣ）の粒子５は、鉄族金属中に部分安定化ジルコニア７を分散させた結合金属９により結合された状態にある。
【００４７】
図２（ｂ）は、前記超硬合金製のパンチ１を使用して前記被加工材を８万回打ち抜き加工した後の超硬合金組織を模式的示したもので、パンチ１の表面から前記結合金属組織９が僅かに脱落するが、タングステンカーバイド（ＷＣ）の脱落までは至らない。
【００４８】
図３（ａ）は、前記市販の超硬合金（ＪＩＳ規格Ｖ２０相当品）製パンチ３の使用前の超硬合金組織を示したものである。タングステンカーバイド（ＷＣ）の粒子５は、鉄族金属からなる結合金属９により結合されている。
【００４９】
図３（ｂ）は、前記市販の超硬合金（ＪＩＳ規格Ｖ２０相当品）製パンチ３を使用して前記被加工材を８万回打ち抜き加工した後の超硬合金組織を模式的示したもので、パンチ３の表面の結合金属組織９が被加工材との摩擦により脱落を起こし、この結合金属組織９の脱落と共にタングステンカーバイド（ＷＣ）の粒子が大きく脱落して脱落穴部１１が形成される。
【００５０】
上述の本願発明に係る超硬合金製パンチは、以下の方法で製作した。
【００５１】
タングステンカーバイド（ＷＣ）粉末、結合金属となる鉄族金属粉末、および部分安定化ジルコニア粉末とをボールミルにて均一に混合し、この混合した粉末をカーボン製の治具に入れて加圧（２０ＭＰａ〜５０ＭＰａ）し、真空雰囲気（５．０Ｐａ以下）中で、１０００℃〜１２００℃にて放電焼結機を用いて焼結し、焼結品を必要な形状に成形加工を実施した。
【符号の説明】
【００５２】
１  本発明の超硬合金製パンチ
３  市販の超硬合金（ＪＩＳＶ２０相当）製パンチ
５  タングステンカーバイド（ＷＣ）の粒子
７  部分安定化ジルコニア
９  鉄族金属からなる結合金属
１１  脱落穴部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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