JP3107701B2

JP3107701B2 - 高硬度超硬合金

Info

Publication number: JP3107701B2
Application number: JP06078180A
Authority: JP
Inventors: 正樹小林; 武志斉藤
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 2000-11-13
Anticipated expiration: 2015-11-13
Also published as: JPH07258785A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、（００１）結晶面が発
達した六方晶炭化タングステンを多く含有してなる超硬
合金に関し、具体的には、例えばバイト，ドリル，エン
ドミル，カッターおよびこれらに用いるスローアウェイ
チップ，インサートチップ，ロー付けチップ，ソリッド
チップに代表される切削工具、絞り型，しごき型，鍛造
型などの塑性加工工具や打抜き型，スリッターなどの剪
断加工工具に代表される耐摩耗工具、道路工事，土建工
事，トンネル工事に用いられるビット，穿孔工具に代表
される土木鉱山工具、メカニカルシ−ル，軸受けに代表
される摺動材料、時計枠，釣具，タイピン，ノズルに代
表される装飾・耐蝕材料、および機械部品，化学工業用
部品に用いられる各種の構造用材料として適する高硬度
超硬合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超硬合金は、六方晶炭化タングステン，
または六方晶炭化タングステンと立方晶系化合物とでな
る硬質相をＣｏおよび／またはＮｉを主成分とする結合
相で結合した焼結合金であり、優れた特性を有している
ことから、多種多様の用途に広く実用されている。この
超硬合金は、主として六方晶炭化タングステンの粒度，
結合相含有量，立方晶系化合物含有量により、その特性
を調整させることができる。しかしながら、一般に、超
硬合金の特性は、硬さ，耐摩耗性を高めると強度，靭
性，耐欠損性が低下し、逆に強度，靭性，耐欠損性を高
めると硬さ，耐摩耗性が低下するという二律背反的傾向
を示すという問題がある。

【０００３】この問題を解決するために、一つの方向か
ら提案されているものとして、六方晶炭化タングステン
の結晶面による機械的特性の異方性について注目したも
の、具体的には、例えば、六方晶炭化タングステンの
（００１）結晶面が最高硬さで、（１００）結晶面が最
高弾性率を示すことから、硬さの高い（００１）結晶面
または或る結晶面を成長させた炭化タングステン含有超
硬合金もしくはその製造方法に関するものがある。

【０００４】結晶面を成長させた炭化タングステン含有
超硬合金に関した先行技術の代表的なものに、特公昭４
７−２３０４９号公報，特公昭４７−２３０５０号公
報，特開昭５７−３４００８号公報，特開平２−４７２
３９号公報，特開平２−５１４０８号公報，特開平２−
１３８４３４号公報，特開平２−２７４８２７号公報お
よび特開平５−３３９６５９号公報がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】結晶面を成長させた炭
化タングステン含有超硬合金に関連した先行技術の内、
特公昭４７−２３０４９号公報，特公昭４７−２３０５
０号公報，特開平２−２７４８２７号公報および特開平
５−３３９６５９号公報には、結晶面が明確ではないが
炭化タングステンの或る結晶面を成長させた超硬合金ま
たはその製造方法に関することが記載されている。これ
ら４件の公報に記載されている超硬合金、または記載さ
れている製造方法により得られる超硬合金は、炭化タン
グステンの（００１）結晶面の成長割合が低いため、も
しくは（００１）結晶面に成長した炭化タングステンの
含有量が少ないために、硬さ，耐摩耗性，強度，靭性，
耐欠損性に代表される超硬合金の諸特性を向上する効果
が弱く、特にこれらの諸特性全てを向上させるに至らな
いという問題がある。

【０００６】また、特開昭５７−３４００８号公報に
は、（００１）結晶面に成長させて、（００１）面で接
合させた双晶炭化タングステンの製造方法について記載
されている。同公報に記載されている双晶炭化タングス
テンは、生成し難く、かつ生成率も低いことから、これ
を用いて超硬合金を作製したとしても、上述の公報に記
載された超硬合金と同様に、その効果が弱いという問題
がある。

【０００７】さらに、特開平２−４７２３９号公報，特
開平２−５１４０８号公報および特開平２−１３８４３
４号公報には、（０００１）結晶面を成長させた炭化タ
ングステンの含有した超硬合金、またはその超硬合金を
得るための組成物について記載されている。これら３件
の公報に記載されている超硬合金またはその組成物から
得られる超硬合金には、（００１）結晶面を成長した炭
化タングステンの含有率が少なく、そのために、結局上
述した公報に記載された超硬合金と同様に、その効果が
弱いという問題がある。

【０００８】本発明は、上述のような問題点を解決した
もので、具体的には、六方晶炭化タングステンの（００
１）結晶面の成長割合を高くし、その含有量を多くした
超硬合金とし、高硬度で耐摩耗性に優れ、かつ高強度，
高靭性で耐欠損性に優れ、これらの諸特性のシナジ効果
を発揮させて長寿命を達成できる高硬度超硬合金の提供
を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、長年に亘
り、超硬合金の硬さ，耐摩耗性を低下させずに、強度，
靭性，耐欠損性を向上させるための検討を行っていた
所、超硬合金の任意断面で求めたＸ線回折曲線における
六方晶炭化タングステンの（００１）結晶面のピーク強
度と超硬合金の諸特性とにおいて、相関性があること、
ＡＳＴＭカード（ＡＭＥＲＩＣＡＮＳＯＣＩＥＴＹ
ＦＯＲＴＥＳＴＩＮＧＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）におけ
るＣｕＸ線回折曲線による六方晶炭化タングステン（Ｗ
Ｃ）の（１０１）結晶面強度に対する（００１）結晶面
強度比が０．４５と記載されており、実際に実用されて
いる従来の超硬合金の任意断面でのＣｕＸ線回折曲線に
よる六方晶炭化タングステンの（１０１）結晶面強度に
対する（００１）結晶面強度比が０．２５〜０．４５で
あるのに対し、この六方晶炭化タングステンの（１０
１）結晶面強度に対する（００１）結晶面強度比を高め
ていくと、硬さ，耐摩耗性，靭性，強度および耐欠損性
の向上した超硬合金になるという知見を得て、本発明を
完成するに至ったものである。

【００１０】すなわち、本発明の高硬度超硬合金は、Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃ
ｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｍｏ合金または
Ｃｏ−Ｗ合金の結合相３〜４０体積％と、残りが六方晶
炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金に
おいて、該六方晶炭化タングステンのＣｕ−Ｋα線によ
るＸ線回折曲線における（１０１）結晶面のピーク強度
をｈ（１０１）と表わし、（００１）結晶面のピーク強
度をｈ（００１）と表わしたとき、ｈ（００１）／ｈ
（１０１）≧０．５０であることを特徴とする。

【００１１】本発明の超硬合金における結合相は、具体
的には、例えばＣｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｃ
ｒ合金，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｎｉ
−Ｍｏ合金，Ｃｏ−Ｗ合金、またはこれらに後述する立
方晶化合物を構成する元素，不可避不純物としての主と
してＦｅなどが微量含有した合金を挙げることができ
る。これらの結合相の内、耐蝕性を重視する用途に対し
ては、全結合相量に対して２〜２０体積％のＣｒを含有
したＮｉ−Ｃｒ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃ
ｒ合金が好ましく、耐摩耗性を重視する用途に対して
は、全結合相量に対して０．５〜５体積％のＷを含有し
たＣｏ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｗ合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｗ合金が
好ましい。この結合相量が超硬合金全体に対して、３体
積％未満になると、焼結が困難となって内部に巣孔が残
留し易く、その結果強度および硬さの低下が著しく、逆
に４０体積％を超えて多くなると、相対的に六方晶炭化
タングステン量が減少し、その結果硬さおよび耐摩耗性
の低下が顕著になる。

【００１２】この結合相で結合されている六方晶炭化タ
ングステンは、ＡＳＴＭカードの２５−１０４７に記載
されているＷＣに相当するが、このＡＳＴＭカードに記
載のＷＣとは異なり、Ｃｕ−Ｋα線によるＸ線回折曲線
における（１０１）結晶面のピーク強度をｈ（１０１）
と表わし、（００１）結晶面のピーク強度をｈ（００
１）と表わしたとき、ｈ（００１）／ｈ（１０１）≧
０．５０であること、好ましくはｈ（００１）／ｈ（１
０１）≧０．５０、特に好ましくはｈ（００１）／ｈ
（１０１）≧０．６０からなるものである。このｈ（０
０１）／ｈ（１０１）が０．５０未満になると、六方晶
炭化タングステンの中で（００１）結晶面の成長したＷ
Ｃが少なくなること、または（００１）結晶面の成長割
合が低くなって合金の硬さ，耐摩耗性，靭性，強度およ
び耐欠損性の向上効果が低くなる。

【００１３】不可避不純物としては、後述する製造方法
において用いる市販されている出発物質中に混在してい
る不純物と、製造工程、特に出発物質を混合粉砕する工
程から混入してくる不純物があり、主な不可避不純物と
して、例えばＦｅ，Ａｌ，酸素がある。

【００１４】上述の結合相と六方晶炭化タングステンと
不可避不純物とでなる本願発明の超硬合金は、常温また
は使用時にそれ程高温に達しない場合、具体的には、例
えば前述した耐摩耗工具，土木鉱山工具，摺動材料，装
飾，耐蝕材料または構造用材料としては効果が高いが、
使用時に高温に昇温するような用途、具体的には、例え
ば切削工具、特に切削工具の中でもＪＩＳ規格の鋼切削
としてのＰ系列超硬合金、鋼，鋳物の両方に用いる汎用
切削としてのＭ系列用超硬合金、および鋳物切削として
のＫ系列用超硬合金の一部には、高温における硬さ，耐
摩耗性，耐熱衝撃性，靭性，強度，耐溶着性，耐剥離性
などを考慮した以下の本発明の超硬合金が好ましい。

【００１５】すなわち、本発明の高硬度超硬合金は、Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ合金，Ｃｏ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｃ
ｒ合金，Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｎｉ−Ｍｏ合金または
Ｃｏ−Ｗ合金の結合相３〜４０体積％と、周期律表の４
ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物物およびこれら
の相互固溶体の中の少なくとも１種の立方晶系化合物５
５体積％以下と、残りが六方晶炭化タングステンと不可
避不純物とからなる超硬合金において、該六方晶炭化タ
ングステンのＣｕ−Ｋα線によるＸ線回折曲線における
（１０１）結晶面のピーク強度をｈ（１０１）と表わ
し、（００１）結晶面のピーク強度をｈ（００１）と表
わしたとき、ｈ（００１）／ｈ（１０１）≧０．５０あ
るでことを特徴とする。

【００１６】この本発明の超硬合金における立方晶系化
合物は、具体的には、例えばＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，
ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｖ₄Ｃ₃，Ｍｏ₂Ｃ，Ｃｒ₃Ｃ₂，
ＴｉＮ，ＺｒＮ，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ，
（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｎ），
（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｎｂ，Ｚｒ）
（Ｃ，Ｎ），（Ｗ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ）Ｃ，（Ｗ，Ｔ
ｉ，Ｎｂ，Ｔａ）（Ｃ，Ｎ）を挙げることができる。こ
の立方晶系化合物量が５５体積％を超えて多くなると、
相対的に六方晶炭化タングステン量が減少するために、
硬さ，強度および靭性の向上効果が低下する。

【００１７】また、本発明の超硬合金を基材とし、この
基材上に周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，
窒化物，炭酸化物，窒酸化物，Ａｌの窒化物，酸化物，
Ｓｉの炭化物，窒化物，ダイヤモンド，ダイヤモンド状
カーボン，立方晶窒化ホウ素，硬質窒化ホウ素の中の少
なくとも１種の単層または２種以上の多層でなる硬質被
膜を被覆すると、さらに耐摩耗性が向上し、基材そのも
のの高靭性，高強度と併せてより長寿命が期待できるの
で好ましいことである。

【００１８】本発明の超硬合金は、例えば特開昭５７−
３４００８号公報に記載されている双晶炭化タングステ
ンを分離抽出して、これを出発物質として用いることに
より作製することも考えられるが、Ｗと炭素とＣｏ，Ｎ
ｉ，Ｃｒの１種以上とでなる複合炭化物粉末、またはＷ
₂ＣとＣｏ，Ｎｉ，Ｃｒの１種以上とでなる混合物の１
方もしくは両方を含有させた出発物質として用いて、後
工程は従来の粉末冶金法でもって行うこと、簡易で安定
に作製できることから特に好ましいことである。具体的
には、実施例の中で詳細に説明する。

【００１９】

【作用】本発明の高硬度超硬合金は、任意断面におい
て、六方晶炭化タングステンの（００１）結晶面を、
（１０１）結晶面に対して相対的に増加させたものであ
り、その結果任意断面における硬さの向上作用，合金全
体の強度および靭性向上作用に寄与しているものであ
る。

【００２０】

【実施例】市販されている平均粒径０．５μｍのＷ、平
均粒径０．０２μｍのカーボンブラック（表中にはＣと
記す）、平均粒径１μｍのＣｏを用いて、まずはじめ
に、Ｗ₂Ｃ，Ｃｏ₂Ｗ₄Ｃ，Ｃｏ₃Ｗ₃Ｃが生成される組成
に配合および混合粉末をカーボンボートに挿入し、雰囲
気圧力１０^-2Ｔｏｒｒの真空炉中で１４００℃，１時間
焼成して、Ｗ₂Ｃ，Ｃｏ₂Ｗ₄Ｃ，Ｃｏ₃Ｗ₃Ｃの各粉末を
得た。

【００２１】こうして得たＷ₂Ｃ，Ｃｏ₂Ｗ₄Ｃ，Ｃｏ₃Ｗ
₃Ｃおよび上述のＷ，Ｃｏ，カーボンブラックと、さら
に市販の平均粒径２．０μｍのＷＣ、平均粒径１〜２μ
ｍのＣｒ₃Ｃ₂，Ｎｉ，（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ（重量比で
ＷＣ／ＴｉＣ／ＴａＣ＝５０／２０／３０、表中ＷＴＴ
と記す）の各粉末を用いて、表１に示す配合組成に秤量
し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボ
ールと共に挿入し、４８時間の混合粉砕後、乾燥して混
合粉末を得た。これらの混合粉末を金型に充填し、２ｔ
／ｃｍ²の加圧でもって約５．５×９．５×２９ｍｍの
圧粉成形体を作製し、アルミナとカーボン繊維からなる
シート上に設置し、雰囲気圧力１０^-2Ｔｏｒｒの真空中
で表１に併記した温度で１時間加熱保持して、本発明品
１〜９および比較品１〜１０の超硬合金を得た。

【００２２】こうして得た本発明品１〜９および比較品
１〜１０の超硬合金を＃２３０のダイヤモンド砥石で湿
式研削加工し、４．０×８．０×２５．０ｍｍの形状に
作製し、ＪＩＳ法による抗折力を測定して、その結果を
表２に示した。また、同試料の一面を１μｍのダイヤモ
ンドペーストでラップ加工した後、ビッカース硬さ（荷
重２０ｋｇｆ）を測定し、その結果を表２に併記した。
さらに、各試料のラップ加工面について電子顕微鏡にて
組織写真を撮り、画像処理装置にて、結合相、立方晶系
化合物，六方晶炭化タングステン（ＷＣ）の体積割合お
よびＷＣの平均粒径を測定し、前者を表１に後者を表２
に併記した。次いで、各試料について、Ｃｕターゲッ
ト，Ｎｉフィルターを用いたＸ線回折法により、六方晶
炭化タングステンの（００１）結晶面と（１０１）結晶
面のピーク強度を測定し、そのピーク強度比ｈ（００
１）／ｈ（１０１）を計算し、その結果を表２に併記し
た。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】本発明の高硬度超硬合金は、同一組成成
分で、かつほぼ同一ＷＣ粒径でなる従来の超硬合金に比
べて、硬さが約１．１〜２．９（ＧＰａ）高く、抗折力
が約０．１〜０．４（ＧＰａ）高くなるという、従来の
超硬合金では達成できなかった同一組成成分，同一ＷＣ
粒径という条件において硬さおよび強度の両方を高める
ことができるという優れた効果がある。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ２元系合金，Ｃｏ
−Ｃｒ２元系合金，Ｎｉ−Ｃｒ２元系合金，Ｃｏ−Ｎｉ
−Ｃｒ３元系合金，Ｎｉ−Ｍｏ２元系合金またはＣｏ−
Ｗ２元系合金の結合相３〜４０体積％と、残りが六方晶
炭化タングステンと不可避不純物とからなる超硬合金に
おいて、該六方晶炭化タングステンのＣｕ−Ｋα線によ
るＸ線回折曲線における（１０１）結晶面のピーク強度
をｈ（１０１）と表わし、（００１）結晶面のピーク強
度をｈ（００１）と表わしたとき、ｈ（００１）／ｈ
（１０１）≧０．５０であることを特徴とする高硬度超
硬合金。
【請求項２】Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｏ−Ｎｉ２元系合金，Ｃｏ
−Ｃｒ２元系合金，Ｎｉ−Ｃｒ２元系合金，Ｃｏ−Ｎｉ
−Ｃｒ３元系合金，Ｎｉ−Ｍｏ２元系合金またはＣｏ−
Ｗ２元系合金の結合相３〜４０体積％と、周期律表の４
ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物，窒化物物およびこれら
の相互固溶体の中の少なくとも１種の立方晶系化合物５
５体積％以下と、残りが六方晶炭化タングステンと不可
避不純物とからなる超硬合金において、該六方晶炭化タ
ングステンのＣｕ−Ｋα線によるＸ線回折曲線における
（１０１）結晶面のピーク強度をｈ（１０１）と表わ
し、（００１）結晶面のピーク強度をｈ（００１）と表
わしたとき、ｈ（００１）／ｈ（１０１）≧０．５０で
あることを特徴とする高硬度超硬合金。