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あいち産業科学技術総合センター

研究報告2023

研 究 ノート

超 硬 合 金 への 窒 化 処 理 に関 する 研 究森 田 晃 一 *1 、 杉 本 賢 一 *1 、 山 下 勝 也 *2 、 榊 原 啓 介 *3

Stu dy on Ni tr idin g Tr e at men t of C emen ted Car bide
Koichi MORITA *1 , Kenichi SUGIMOTO *1 , Yoshiya YAMASHITA *2
and Keisuke SAKAKIBARA *3
Industrial Research Center * 1 *2 * 3
 材 料 組 成 の 異 な る WC-Co 系 超 硬 合 金 に 電 子 ビ ー ム 励 起 プ ラ ズ マ (Electron Beam ExcitedPlasma:EBEP)窒 化 処 理 を 行 い 、 添 加 物 に よ る 窒 化 へ の 影 響 を 検 証 し た 。 そ の 結 果 、 EBEP 窒 化 に よ っ て
超硬合金の表面硬度の上昇が確認され、超硬合金への窒化処理が有用であることがわかった。添加物として Cr を 含 む 超 硬 合 金 種 で は 硬 度 の 上 昇 は 3~5%で あ っ た が 、 Cr を 含 ま な い 超 硬 合 金 種 で は 硬 度 が 約 10%上昇した。

1. はじめに

表 1 超 硬 合 金 試 料 の 化 学 成 分  超硬合金は硬度が高く、耐摩耗性が要求される切削工具やパンチ、金型などに広く用いられており、使用目的

成 分 量 (mass%)
試料名WCCoCrその他とられている。鋼材では高周波焼入れや窒化処理などでA

87.2512.53－0.22

母材自体の表層の硬度を上昇させる表面硬化処理が確立

B

80.40

18.78

0.570.26されており、耐摩耗性と耐衝撃性の両立を図っている。

C

77.53

21.23

0.99

0.25に応じて合金の組成を調整して硬度と靭性のバランスがそこで窒化処理が超硬合金へ適用できれば工具寿命の向上が期待できる。しかしながら、超硬合金への窒化に関素ガスを励起、分解させて窒素源を被処理材の表面からする知見はほとんどないのが現状であり、どのような合拡散させる方法であり、鉄系以外の素材にも窒素を拡散金種が窒化に適しているかも明らかになっていない。超浸透が可能である。窒化処理条件は保持温度 715℃、48硬合金には炭化タングステン(WC)、コバルト(Co)の他時間とした。に添加物として Cr などの炭化物が含まれた種類もある。

2. 3 評価方法

Cr は窒化処理により硬度を上昇させる働きがあるため、

 試料内の窒素量をエネルギー分散型蛍光 X 線分光法超硬合金においてもこの効果が期待される。本研究では(SEM-EDX)と X 線光電子分光法(XPS)により測定した。

WC-Co 系の超硬合金の材料組成が窒化処理に与える影

SEM-EDX は JSM-6510A(日 本 電 子(株 )製 )、 XPS は響を調査した。

PHI-5000 VersaProbeⅡ(アルバック・ファイ(株)製)にて実施した。また、窒化処理前後の硬度をビッカース硬2 . 実験方 法
2. 1 供試体度計(MVK-G3，(株)アカシ製)により試験荷重 25g で測定した。

 試験片に用いた超硬合金の化学成分を表
表 1 に示す。Crを含まない合金種(試料 A)と Cr を含む合金種(試料 B、3 . 実験結 果 及び考 察C)を用いた。これらを鏡面まで研磨した試料 を供試体

 SEM-EDX を用いて窒化処理後の試料に含まれる窒素とした。また、WC 粒子の影響についても検証するための半定量値を測定した結果、試料 A では 0.00mass%、に比較として純コバルト板も用いた。

試料 B は 0.16mass%、試料 C では 0.44mass%、純コバ

2. 2 窒化処理 方法

ルト板では 0.00mass%となり Cr の含有量が多いほど窒 窒化処理は電子ビーム励起プラズマ(EBEP)窒化法に素の検出量が多くなることがわかった。Cr は Co 相に含より行った。EBEP 窒化法では電子ビームによって窒まれているため、試 料 B、C にて検出され た窒素*1 産業技術センター

*2 産業技術センター

金属材料室
金属材料室（現総合技術支援・人材育成室） *3 産業技術センター 金属材料室（現共同研究支援部 シンクロトロン光活用推進室）

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 EDX 分析により窒素が検出された試料 B、C では若干の硬度の上昇がみられ、試料 B では 1243HV から1300HV へと約 5％の上昇、試料 C では 1134HV から1170HV へと約 3％の上昇であった。それに対して窒素が検出されなかった試料 A では 1310HV から 1441HVへと約 10%の硬度の上昇が確認された。また、試料 Aと同様に EDX 分析により窒素が検出されなかった純コバルト板では硬度の上昇は確認されなかった。このこと
Co 相分析位置

WC 粒子分析位置

から試料 A 内に含まれる窒素の量が EDX 分析装置の検出下限よりも少ない可能性を考えた。そこで、EDX よりも窒素の検出感度が高い XPS にて試料 A と純コバル(a) SEM 像

図 3 に示ト板の窒素含有量の測定を行った。その結果を図C

Co相す。

強度(C ounts)

WC粒子N

020406080100at.%

試料A（未処理品）

O,Cr

試料A
（窒化品）
純コバルト板（未処理品）
純コバルト板（窒化品）

00.20.40.60.81エネルギー（keV）(b) EDX スペクトル
図 1 試料 C の SEM-EDX 分析結果

CNOCoWその他

図 3 XPS 分析による元素組成比 XPS 分析の結果、試料 A においても窒素の含有量が1.06at.%から 7.45at.%へ増加しており窒化処理によっは Co 相内に侵入していると推測される。これを確かめて試料内に窒素が侵入していることが確認された。それるために試料 C 内の WC 粒子と Co 相にて EDX 分析をに対して純コバルト板では処理前後での窒素量は図 1 に示す。WC 粒子では 0.27keV行った。その結果を図0.61at.%から 1.23at.%と顕著な増加はなく、コバルト付近に炭素のピークのみ が検出されたが、Co 相ではは窒化処理において窒素との反応性が低いことがわかる。

0.39keV に窒素のピークが検出されており、Co 相内にしたがって Cr を含まない試料 A では窒素は Co 相より窒素が侵入していることが確認された。

も WC 粒子へ多く侵入したと考えられ、Cr の有無によ 窒化処理前後のマイクロビッカース硬度の測定結果をって窒素の侵入箇所が異なることがわかった。また、試図 2 に示す。硬度の変化量から窒化処理の効果を検証し

料 A は試料 B、C よりも硬度の上昇が大きくなっておた。

り、WC 粒子へ窒素が侵入することが超硬合金の硬度上

ビ ッカース硬度 HV0.025

1600昇をもたらす可能性があると考えられる。
未処理品

窒化品

1200

4 . 結び
本研究の結果は以下のとおりである。

800(1) EBEP 窒化処理によって超硬合金の硬度が上昇することが確認された。WC 粒子への窒素の侵入が硬度4000の上昇に寄与したと考えられる。
(2) 超硬合金の材料組成により硬度の増加量は影響を受
ABC

図 2 ビッカース硬度測定値

Co

け、Cr を含有する組成では、硬度の上昇が低い傾向であった。