産業素材

レアメタル使用量を低減した
超硬工具の開発
石田

＊友幸・森

口秀

樹・池ヶ谷明彦

Development of Cemented Carbide Tools of Reduced Rare Metal Usage ─ by Tomoyuki Ishida, Hideki Moriguchi
and Akihiko Ikegaya ─ Hard materials for cutting tools include cemented carbides (WC-Co) and cermets (TiCNCo/Ni). Tungsten, the main component (about 80 vol%) of cemented carbides, is subject to supply risks. On the otherhand, titanium, the main component (about 70 vol%) of cermets, is at a much lower risk than tungsten. This workevaluates a composite structure of cemented carbide and cermet to reduce tungsten usage while maintaining theperformance of the cutting tool. Composite structural materials are generally prone to cracking, deformation andbreakage caused by the difference in shrinkage characteristics during sintering, the difference in the coefficient ofthermal expansion, and the transfer (migration) of a binder phase in the liquid state. We have overcome thesechallenges and succeeded in producing composite structural tools that show equivalent properties of cemented
carbide in wear resistance and breakage resistance.
Keywords: cemented carbide, cermet, cutting tool, resource saving, rare metal

1.

緒

言

WC を主硬質相とし Co を結合相とする超硬合金は、硬ている。また鉱石での輸出を禁止し、WC 粉末の中間原料度、強度、鉄との反応性など切削工具に必要な様々な特である APT（パラタングステン酸アンモニウム）、WC 粉性を高いレベルで兼ね備えた材料であり、コーテッド超末、さらには超硬合金といった付加価値の高い形でタング硬も含めると工具市場の約 75 ％を占めている。また、新ステンを出荷するような動きを推し進めている。このよう興国市場の拡大により超硬工具の生産量も拡大を続けてな事情から図 2 に示すようにタングステン価格は高騰を続おり、それに伴いタングステンの消費量も増加を続けてけており、供給リスクが非常に高いレアメタルである。

いる。一方で図 1 に示すように、タングステンは地域偏在性 が 高 く 、 中 国 一 国 が 埋 蔵 量 で は 60 ％ 、 生 産 量 で は76 ％を占めている（1）。

US$/WO3/MTU
500.0
450.0

最高値
更新中

400.0

W埋蔵量

他
米州・4％

他
18％
米国5％
ロシア
8％
カナダ
9％

350.0

W生産量

欧州15％

250.0
200.0
150.0

ロシア5％
中国
60％

290 278

300.0

100.0

中国
76％

50.0
0.0

3390

高騰・高値安定

473

338

254
186

03/17 04/17 05/17 06/17 07/17 08/17 09/17 10/17 11/17

APT（W中間原料）価格の推移（$WO3/10kg）

図1

W 鉱石の埋蔵量と生産量

図2

APT（タングステン原料）価格推移

中国ではレアアースと同様に、レアメタルであるタング

しかも、タングステンは日本の自動車、建機、鉄鋼、航ステンでも政府主導での供給制限や関税の引き上げを行っ

空機、電子部品など幅広い産業の製造を支える切削工具の−（ 60 ）− レアメタル使用量を低減した超硬工具の開発

基盤原料であることから、日本政府はタングステンをインり、超硬合金を用いている全ての領域を代替するのは難しジウム、ディスプロシウムと並ぶ重要レアメタルの内の一い。そこで我々は、性能を超硬合金と同等に保ちつつ、タつと位置づけ、省使用化、代替材料開発を進めるための府ングステン使用量を低減できる切削工具の開発を進めた。

省連携国家プロジェクトを 2007 年に開始した。当社はこタングステンの削減率目標は、国プロ参画時に経済産業の希少金属代替材料開発プロジェクト（07 ：経済産業省、省より設定された 2009 年度中間時点で 15 ％、2011 年度（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）
08 ～ 11：最終で 30 ％とした。この目標値は、国プロ開始年であるに参画し、タングステン使用量削減の中間目標である 15 ％07 年からタングステンの供給量が増えない場合あっても削減を上回る 20 ％削減した工具で従来の超硬合金工具と同2011 年の需要増に対応できるよう設定されたものである。

等の切削性能を達成することに成功した（2）。本報では本省
W 工具の開発内容とその性能について述べる。

2.

3.

省 W 工具コンセプト
タングステンの使用量を減らしながら超硬合金工具と同開発目標等性能を達成する方法として、超硬合金とサーメットの複超硬合金以外の代表的な切削工具として、Ti（C, N）を合化を検討した。切削に寄与する刃先部は超硬合金のまま主原料とするサーメットが挙げられる。チタンはタングスにして耐摩耗性、耐欠損性を維持し、それ以外の部分は焼テンと比較すると埋蔵量、地域偏在性の観点から供給リス結温度や収縮特性が比較的超硬合金に近く、切削応力によクが小さい資源と言える。超硬合金とサーメットの特性をる変形に耐える強度を持つ W 添加量を増加させたサーメッ比較した結果を表 1 に、それぞれの組織を写真 1 に示す。

トとすることで、削減率目標を満たす省 W 工具が開発でき

表1造する上で、製造プロセスとして切屑処理に必須の三次元超硬合金とサーメットの特性比較

超硬ると考えた。超硬合金とサーメットを複合化した工具を製チップブレーカーを付与できることが重要となる。三次元サーメット

チップブレーカーとは、写真 2 に示すような切削工具表面

熱伝導率w/m ・℃

105＞

33× 10-6 ／℃

4.5＜の複雑な凹凸形状のことであり、これが切屑を分断するこ

線膨張係数

7.5

MPa ・ m1/28＞とで長く伸びた切屑が設備の自動運転や被削材に悪影響を破壊靭性

6.5与えるのを防いでいる。

ヤング率

GPa620＞420

度

g ／ cm315.0＜6.1

原料価格円／ cm69＞

26

密3

黒色部：Co
超硬合金

3次元ブレーカー

黒色部：TiCN
サーメット

写真 2白色部：WC

写真 15µm

灰色部：（Ti,Me）（C,N）

超硬工具写真（3 次元ブレーカー）

5µm

超硬合金とサーメットの組織 SEM

複合化手法として、焼結体同士の接合やホットプレスなどの型焼結、射出成型など様々なプロセスを検討したが、コストや量産性の観点で問題点を有していた。そこで粉末

サーメットは超硬合金と比較して、熱伝導率が低い、熱をプレス機で複合成型した後に焼結する方法がコスト、量膨張係数が大きいなど高速・高能率加工に伴い、より高温産性に優れる現行プロセスから大きく逸脱することなく適となる切削環境に対して熱特性的に不利な点が多い。また、していると判断し、開発を進めた。

一般的にサーメットは高硬度であるが靭性が低く、その適用可能領域は特定の切削条件に限られているのが現状であ

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 61 ）−4.

省 W 工具開発上の課題

型したプレス体を 800、1000、1200 ℃の各温度で焼結し、超硬工具は粉末を所定の形状にプレス成型し 1400 ℃程度の高温で焼結することで作製する。この際、一般的な超途中段階での状態を確認した。それぞれの写真を写真 5 に示す。

硬合金は結合金属である Co が溶融しながら WC の隙間を埋めていくことで約 18 ％の線収縮を伴いながら緻密化する（3）。このように大きく収縮する異種材料同士を複合化す
0から、写真 4 に示すように異種材料間で焼結中に結合相の51450℃で60minキープ化が大きな問題となる。また液相焼結プロセスであること収縮量︵％︶移動が起こり性能が変化することも課題となる 。
（4）①サーメット：低温での固相収縮が小さい
1000

10℃/minで昇温10昇温度パターン③サーメット： 500
収縮率が大15剥離②サーメット：収縮終了が遅い

変形
超硬超硬サーメット
50サーメット

100時

図3
写真 3超硬200サーメット

1450

温 度︵℃︶

る場合、写真 3 に示すような剥離、変形といった形状の変

150

200

間（min）

超硬合金とサーメットの収縮特性比較結果

変形・剥離外観

剥離無剥離

超硬800˚C

1200˚C

剥離無界面にCoが偏折1000˚C
サーメット
Co

写真 5

低温焼結時の試料外観写真

100µm

写真 4

結合相移動

800 ℃、1000 ℃では剥離、変形共に見られないのに対し、1200 ℃では超硬合金とサーメットの界面で剥離が生5.

課題解決方法
剥離、変形に対しては超硬合金とサーメットの収縮特性じた。このことから、剥離原因として①固相収縮域での収縮量差が大きく影響していることが判明した。
この固相収縮域での収縮量差に影響を与える因子を調査差が大きく影響していると考え、それぞれの熱収縮特性をした結果、WC 添加量の影響が大きいと推定できた為、評価、比較することで剥離原因、変形メカニズムを調査しWC 添加量を変化させたサーメットを作製し、剥離の抑制た。超硬合金とサーメットの熱収縮特性評価結果を図 3 にが 可 能 な 組 成 を 調 査 し た 。 そ の 結 果 、 WC 添 加 量 が収縮特性における大きな差異として、超硬合金に対してじるのに対し 15vol ％では剥離はわずかで、20vol ％以上

サーメットは①固相収縮域である 800 ～ 1100 ℃付近でのの添加で完全に剥離を抑制できることがわかった。変形を収縮量が小さい、②収縮が完了するタイミングが遅い、③抑制する方法として、サーメットの組成や添加原料粒度、収縮率が大きい、という 3 点の違いが挙げられる。これら

成型助剤の添加量などを収縮特性との関係を調査しながらの差異が剥離、変形に与える影響を把握するため、複合成検討、最適化し、収縮特性差の抑制を行なうことで写真 6示す。

−（ 62 ）− レアメタル使用量を低減した超硬工具の開発

10vol ％では超硬合金とサーメット界面に大きな剥離が生に示すような剥離無く、変形を抑制した複合焼結体を得る

220m/min、送り速度： 0.3mm/rev、切り込み量： 1.5mm

ことに成功した。結合相移動は、結合相の溶融温度と濡れの条件で湿式旋削して評価した。結果を図 4 に示す。

性の制御により抑制に成功した。

超硬合金単層、サーメット単層（複合構造工具の中間層に用いたサーメットと同組成の合金）に対して省 W 工具でも同等の摩耗量となっており、複合構造工具は従来の超硬合金工具と同等の耐摩耗性を有することを確認できた。耐欠損性試験は SCM435 溝材を用い、切削速度： 60m/min、超硬送り速度： 0.5mm/rev、切り込み量： 2mm でそれぞれ 4コーナーずつ乾式旋削して評価した。結果を図 5 に示す。

サーメット単層では 4 コーナー共に 3 秒以内で欠損したサーメットのに対し、超硬合金単層と複合構造工具では共に 2 コーナーで欠損無く 30 秒の切削を完了できており、複合構造工具は従来の超硬合金工具と同等の耐欠損性を有すること超硬を確認できた。
写真 6

良好接合体側面

3025切削性能
タ ン グ ス テ ン を 20 ％ 削 減 し た 組 成 で 、 ISO 型 番

CNMG120408 形状の複合構造工具を作製し、PVD 法でTiAlN 膜を 5µm 被覆した後に鋼材の切削性能評価を行った。

切削可能時間（S）

6.

超硬合金単層、サーメット単層、複合構造工具の 3 種を準備

2015105し、連続切削で耐摩耗性、断続切削で耐欠損性をそれぞれ評価した。耐摩耗性試験は SCM435 丸材を用い切削速度：

0超硬サーメット

図5複合構造耐欠損性試験結果

摩耗量（mm）

0.20.15

7.

0.1

言

超硬合金とサーメットを複合構造化することでタングス

0.050結超硬テン使用量を 20 ％削減した省タングステン工具を作製し、サーメット

超硬合金工具と同等の耐摩耗性、耐欠損性を示すことが確

複合構造
00.5

11.52

切削時間（S）

認でき、中間目標を達成できた。2011 年度末に終了する
国プロではタングステン使用量 30 ％を最終目標として掲げていることから、残り 1 年でこの目標を達成すると共に、量産性の確認、幅広い切削条件での性能ポテンシャルの評価を行なっていく。

超硬サーメット8.

謝辞本研究は経済産業省（07）・ NEDO（08 ～）主管の国家プロジェクトである「希少金属代替材料技術開発」「超硬複合構造工具向けタングステン使用量低減技術開発」の一環として行われたものである。

図4

耐摩耗性試験結果

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 63 ）−用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
PVD
Physical Vapor Deposition（物理気相成長）：物理的な手法により薄膜を堆積させる成膜方法。

参考

文

献

（1） JOGMEC 金属資源レポート 91、「レアメタルシリーズ 2009 クロムおよびタングステンの需要・供給・価格動向等」（2） Tomoyuki Ishida, Hideki Moriguchi, Akihiko Ikegaya,“ Fabricationof composite structural material of cemented carbides andcermets”, Proceedings of PM2010. florence, Italy, 2010-10-10/1014, European powder metallurgy association（3） Suzuki H et al. Cemented carbides and sintered hard materials.
Tokyo: Maruzen（1986）（4） P.Fan, Z.Z.Fang & H.Y.Sohn: Acta Mater. 2007, v55, p3111

執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------石田友 幸＊：エレクトロニクス・材料研究所
超硬、cBN 製切削工具における省 W 技術開発に従事

森口秀 樹 ：エレクトロニクス・材料研究所
博士（工学）

池 ヶ 谷 明 彦 ：エレクトロニクス・材料研究所

グループ長
技師長

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者−（ 64 ）− レアメタル使用量を低減した超硬工具の開発