特許 7508155 軽量硬質合金の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-21

(45)【発行日】2024-07-01

(54)【発明の名称】軽量硬質合金の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 29/10 20060101AFI20240624BHJP

   C22C 29/04 20060101ALI20240624BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20240624BHJP

   B22F 1/12 20220101ALI20240624BHJP

   C22C 1/051 20230101ALI20240624BHJP

   C04B 35/56 20060101ALI20240624BHJP

【ＦＩ】

C22C29/10

C22C29/04 A

B22F1/00 M

B22F1/12

C22C1/051 G

C04B35/56 110

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023568420

(86)(22)【出願日】2023-11-02

(86)【国際出願番号】 JP2023039776

【審査請求日】2023-11-06

(31)【優先権主張番号】P 2022176818

(32)【優先日】2022-11-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000238016

【氏名又は名称】冨士ダイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080012

【弁理士】

【氏名又は名称】高石 橘馬

(74)【代理人】

【識別番号】100168206

【弁理士】

【氏名又は名称】高石 健二

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 僚太

(72)【発明者】

【氏名】小椋 勉

(72)【発明者】

【氏名】庄司 隆行

【審査官】瀧澤 佳世

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２２／０７４９０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１５６００５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第７１５７８８７（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ２９／１０

Ｃ２２Ｃ ３２／００

Ｃ２２Ｃ ２９／０４

Ｂ２２Ｆ １／００

Ｂ２２Ｆ １／１２

Ｃ２２Ｃ １／０５１

Ｃ０４Ｂ ３５／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化チタン及び炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つのチタン化合物を主成分として含み、WC及び／又はMo ₂ Cをさらに含み、平均粒径が１～3.5μmの硬質相と、Ni及び／又はCoを含む結合相とを有する軽量硬質合金の製造方法であって、
前記結合相の構成粒子と前記硬質相の構成粒子を含み、BET値×理論比重が38以下の混合粉末を準備する工程と、
前記混合粉末を焼結する工程とを備え、
前記混合粉末における前記結合相構成粒子の含有量が５～40質量％であり、WC及び／又はMo ₂ Cの含有量が５～33質量％であり、
前記硬質相構成粒子における前記チタン化合物の含有量が質量比率で半分超であることを特徴とする軽量硬質合金の製造方法。

【請求項2】

前記混合粉末に含まれる粒径が0.8μm以下の粒子の量をA（体積％）としたとき、粒子量Aが、前記混合粉末に含まれるNi及び／又はCoの含有量X（体積％）に対し、下記式(1)：
A＜-1.3X+53.4 ・・・(1)
を満たすか、又は20体積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の軽量硬質合金の製造方法。

【請求項3】

前記チタン化合物は炭窒化チタンを含み、前記炭窒化チタンの窒素含有量が８質量％未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軽量硬質合金の製造方法。

【請求項4】

前記混合粉末全体に対するCoの含有量は9.5質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軽量硬質合金の製造方法。

【請求項5】

前記硬質相構成粒子はさらにCrをCr₃C₂換算で５質量％以下含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の軽量硬質合金の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軽量硬質合金の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、樹脂や磁性体材料を粉砕、混合又は混錬するためのスクリューや粉砕刃などのサイズが大きく高速回転を伴う耐摩耗部材にはセラミックスや超硬合金が用いられることが多い。超硬合金は高靭性ではあるがWCの比重が15.6と大きいため、サイズが大きいスクリューや粉砕刃などの部材は重量が大きくなってしまい、片持ちのものではたわみの原因になったり、回転速度を上げられないという問題がある。

【0003】

一方、セラミックスは軽量であるが靭性が低く、耐摩耗部材同士の干渉により欠けやすいという問題がある。このため靭性を高めるために金属成分を添加しようとするとセラミックス粒子と金属成分は濡れ性が悪く焼結性が低いため、強度・靭性を有する材料を得るには限界がある。

【0004】

特許文献１は、TiC：５～25重量％、WC：25～50重量％及びNi+Co：５～40重量％を含むマトッリクス中に、Ｗを成分元素の一部として含む針状析出物を分散した高靱性サーメットを開示している。しかし、WCを25～50重量％と多量に含むため、工具部材としても重い工具となってしまう。

【0005】

特許文献２は、TiN：25～50重量％、TiC：10～30重量％、Ta、Nb及びZrの炭化物のうちの１種又は２種以上：５～25重量％、WC及びMo₂Cのうちの１種又は２種：10～25重量%、及びCo及びNiのうちの１種又は２種：５～25重量％の配合組成からなる混合粉末をプレス成形し、得られた圧粉体を焼結してなるサーメットを開示している。しかし、窒化チタンを多く含むため研削性が悪く、研削しろが多い耐摩耗工具では生産性が低下する。

【0006】

超硬合金の靭性とセラミックスの軽量性の両方の特徴を併せ持った材料としてTiC、Ti(C,N)等のTi化合物を主成分としたサーメットがある。TiCやTi(C,N)はNiやCoとの濡れ性が比較的優れることから緻密な焼結体が得られ、さらに金属結合相を含むためセラミックスよりも破壊靭性が高い。またTiCやTi(C,N)はWCよりも比重は小さいためサーメットの重さは超硬合金よりも軽量である。しかし、既存のサーメットは超硬合金と比べて耐摩耗部材として必要とされる靭性を満たさず、使用中の欠け等の点で問題があった。また、焼結時に割れが生じやすく比較的大きい焼結体を得られない場合があった。

【0007】

非特許文献１は、市販TiC（FSSS法による平均粒度：1.4μm），Ti(C_0.7N_0.3)（1.4μm），Ti(C_0.5N_0.5)（1.4μm），Mo₂C（3.6μm），Ni（2,5μm）を用いて、TiC-，Ti(C_0.7N_0.3)-，Ti(C_0.5N_0.5)-19質量％Mo₂C-24質量％Ni組成のTiC基及びTi(C,N)基サーメットを開示している。しかし、Ti(C,N)基サーメットは粉末混合時に微粉を生じやすく、肉厚品を焼結する際に割れを生じやすいという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平3-281752号公報

【文献】特開昭59-229431号公報

【非特許文献】

【0009】

【文献】庄司隆行、他４名、Ti(C,N)基サーメットの焼結割れの原因解明と防止法開発、粉体および粉末冶金、第57巻、第８号、2010年８月、p.579-586

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

従って、本発明の目的は、軽量化と高靭性化を両立させ、かつ肉厚品でも焼結時の割れが生じにくく被研削性にも優れる軽量硬質合金の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

前記課題を解決するため、TiC基及びTi(C,N)基サーメットの靭性が低い原因を調べ、求められる因子を見つけて合金設計することによって、同一硬さにおける靭性を向上させることを試みた。

【0012】

まず、主成分であるチタン化合物粉末を見直した。従来、例えばTi(C,N)粉末は加熱炭窒化法により作製されたものが広く用いられる。しかし、炭窒化後に粉砕し分級して所定の粒度に調整する際に微粉が発生しやすいことから合金作製に用いる原料粉末の段階で微粉が多く、また混合時にはさらに粉砕されるため微粉が増加する。この微粉の発生により焼結体組織には微粒な硬質相が多く発生する一方、相対的に粒径が大きい硬質相はさらに粒成長しやすくなる。その結果、硬質相／硬質相接着界面が増加してクラックは進展しやすくなり、硬さも低下することが分かった。

【0013】

これらを解決するため種々検討した結果、本発明者らは、炭素を含むチタン化合物を主成分とし、WC及び／又はMo₂Cを５～33質量％を含む硬質相構成粒子と、Ni及び／又はCoを５～40質量％含む結合相構成粒子とを有する混合粉末を焼結してなる軽量硬質合金において、混合粉末のBET値×理論比重を38以下とすることにより、硬質相の平均粒径が１～3.5μmであって、軽量化と高靭性化を両立させ、かつ焼結時に割れにくく被研削性にも優れる軽量硬質合金が得られることを発見し、本発明に想到した。

【0014】

即ち、本発明の一実施態様による軽量硬質合金の製造方法は、炭化チタン及び炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つのチタン化合物を主成分として含み、WC及び／又はMo ₂ Cをさらに含み、平均粒径が１～3.5μmの硬質相と、Ni及び／又はCoを含む結合相とを有する軽量硬質合金の製造方法であって、
前記結合相の構成粒子と前記硬質相の構成粒子を含み、BET値×理論比重が38以下の混合粉末を準備する工程と、
前記混合粉末を焼結する工程とを備え、
前記結合相構成粒子の含有量が５～40質量％であり、WC及び／又はMo ₂ Cの含有量が５～33質量％であり、
前記硬質相構成粒子における前記チタン化合物の含有量が質量比率で半分超であることを特徴とする。

【0015】

前記混合粉末に含まれる粒径が0.8μm以下の粒子の量をA（体積％）としたとき、粒子量Aが、前記混合粉末に含まれるNi及び／又はCoの含有量X（体積％）に対し、下記式(1)：
A＜-1.3X+53.4 ・・・(1)
を満たすか、又は20体積％以下であるのが好ましい。

【0017】

前記チタン化合物は炭窒化チタンを含み、前記炭窒化チタンの窒素含有量が８質量％未満であるのが好ましい。

【0018】

前記混合粉末全体に対するCoの含有量は9.5質量％以下であるのが好ましい。

【0019】

前記硬質相構成粒子はさらにCr₃C₂を５質量％以下含むのが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、軽量化と高靭性化を両立させ、かつ肉厚品でも焼結時の割れが生じにくく被研削性にも優れる軽量硬質合金が得られる。これにより、スクリューや粉砕刃などサイズが大きく高速回転を伴う耐摩耗部材に好適に用いられ、粉砕、混合、混錬における生産効率が飛躍的に向上できる。例えば、樹脂や磁性体材料の粉砕、混合、混錬するための工具、粉砕刃などの用途に適する。また同様の特徴を有するため、金型やレンズ成形用周辺部材にも適する。

【発明を実施するための形態】

【0022】

[1] 軽量硬質合金
本発明の一実施態様による軽量硬質合金は、炭素を含むチタン化合物を主成分とし、WC及び／又はMo₂Cを５～33質量％を含む硬質相構成粒子と、Ni及び／又はCoを５～40質量％含む結合相構成粒子とを有する混合粉末を焼結してなる軽量硬質合金であって、混合粉末のBET値×理論比重が38以下であり、硬質相の平均粒径が１～3.5μmである。

【0023】

硬質相構成粒子の主成分を構成するチタン化合物は炭素を含むチタン化合物であり、具体的には、炭化チタン及び炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも一つの化合物であるのが好ましい。またチタン化合物の総量のうち５質量％まで窒化チタンを含んでもよい。炭素を含むチタン化合物は高硬度かつ耐摩耗性に優れるので、硬質相構成粒子の主成分として含むと耐摩耗性に優れた軽量硬質合金が得られる。

【0024】

混合粉末は、硬質相構成粒子としてWC及び／又はMo₂Cを５～33質量％を含む。この含有量が５質量％未満であると、軽量硬質合金の硬質相に周辺組織が十分に形成されない場合があり粒度の制御がしにくく、十分な強度が得られない。一方、33質量％超であると、軽量硬質合金の硬さが高すぎて靭性が低下する恐れがある。硬質相構成粒子に含まれるWC及びMo₂Cの含有量は７～30質量％であるのが好ましく、10～26質量％であるのがより好ましい。

【0025】

混合粉末は、硬質相構成粒子としてさらにCrをCr₃C₂換算で５質量％以下含むのが好ましい。それにより、軽量硬質合金の耐食性を高めることができる。Crの含有量がCr₃C₂換算で５質量％超であると靭性が低下する恐れがある。Crの添加形態は炭化物でも窒化物良く、NiやCrなどの合金として添加しても良い。Crの含有量がCr₃C₂換算で0.1～2.0質量％であるのがより好ましく、0.25～3.0質量％であるのがより好ましい。

【0026】

ここで、炭素を含むチタン化合物を「主成分」とするとは、炭素を含むチタン化合物の含有量が、質量比率でWC、Mo₂C及びCr₃C₂の合計の含有量よりも多いことを意味する。炭素を含むチタン化合物の含有量が質量比でWC、Mo₂C及びCr₃C₂の合計の含有量の1.5～５倍であるのが好ましく、２～４倍であるのがより好ましい。WC、Mo₂C及びCr₃C₂の少なくとも一部をTi化合物との固溶体として添加しても良い。またTi、W、Mo、Cr以外の４～６族元素の化合物を、混合粉末の総量のうち化合物換算で５質量％まで含んでも良い。Ti、W、Mo、Cr以外の４～６族元素はTi化合物との固溶体として添加しても良い。

【0027】

WC、Mo₂C及びCr₃C₂のW、Mo及びCrの一部は炭素を含むチタン化合物との固溶体として硬質相の周辺組織を形成する。すなわち、硬質相はチタン化合物を主成分とするコアとして周囲に周辺組織を有するコアリム構造を形成する。また一部は結合相に固溶する。

【0028】

硬質相構成粒子のチタン化合物が炭窒化チタンを含む場合、炭窒化チタンの窒素含有量が８質量％未満であるのが好ましい。炭窒化チタンの窒素含有量が８質量％以上であると、炭窒化チタンのコア相残存による耐摩耗性向上や硬質相の粒成長抑制による強度および合金硬さの向上に効果がある一方、研削性が悪化し耐摩耗部材の加工時間が増加するため生産性低下やコスト上昇という問題が生じる。

【0029】

混合粉末は、結合相構成粒子として、Ni及び／又はCoを５～40質量％含む。この含有量が５質量％未満であると、軽量硬質合金の必要な強度を保つことができず、40質量％超であると、必要な耐摩耗性を維持することができない。Ni及びCoの含有量は10～38質量％であるのが好ましく、16～36質量％であるのがより好ましい。結合相構成粒子の一部をFeと置き換えてもよい。Feの置換量はNi及びCoの合計含有量に対して10～30質量％であるのが好ましい。

【0030】

混合粉末全体に対して、Coの含有量は9.5質量％以下であるのが好ましい。Coの含有量は9.5質量％超であると、硬質相との濡れ性が低下することにより焼結性が低下したり、界面強度の減少によりクラックが進展しやすくなる恐れがある。混合粉末全体に対して、Coの含有量は９質量％以下であるのがより好ましい。

【0031】

混合粉末のBET値×理論比重が38以下である。BET値はBET法により測定した混合粉末の単位重量（１g）当たりの表面積を合計して平方メートル単位で表したものであり、混合粉末の比表面積（m²/g）に相当する。混合粉末の理論比重は、使用する各原料粉末の比重と組成比から算出する。混合粉末のBET値×理論比重は無次元数とする。

【0032】

ここで、BET値×理論比重のパラメータとしての意義について説明する。本発明の軽量硬質合金の混合粉末は、硬質相構成粒子の主成分として炭素を含むチタン化合物を含み、WC及び／又はMo₂Cを含んでいる。WCの比重が15.6であり、Mo₂Cの比重が9.18であるのに対し、例えばTiCの比重は4.92であり、各成分の比重に大きな差があるため、それらの含有比によって混合粉末の比重が大きく変化する。その結果、単位重量（１g）当たりの粉末量も変化してしまうため、BET値では混合粉末の特性を十分に表すことができない。そのため、BET値に混合粉末の理論比重を乗じることにより、混合粉末を緻密体と考えたときの体積当たりの粉末の比表面積を指標としている。

【0033】

混合粉末のBET値×理論比重が38超であると、混合粉末の体積当たりの比表面積が大きくなりすぎ、混合粉末中に微細な粉末が多量に存在したり、混合粉末の平均粒径が小さくなりすぎる状態になる。これにより軽量硬質合金において微細な硬質相が形成されやすくなるとともに、微細な粉末が溶解・再析出することで硬質相の周辺組織（リム相）も形成されやすくなる。周辺組織は強度も低く、また周辺組織形成に伴い硬質相の接着度も高くなるため破壊靭性も低下し、十分な強度が得られず欠けを生じやすい。混合粉末のBET値×理論比重は38以下であるのが好ましく、36以下であるのがより好ましく、35以下であるのがさらに好ましい。これにより強度の低い周辺組織の形成や硬質相の接着度上昇を抑制することができ、その結果、強度が高く耐摩耗性に優れるTi化合物相のコア相が多く残留した合金となり、工具として使用したときに優れた耐摩耗性と耐欠け性を備えた軽量硬質合金を得ることができる。軽量硬質合金の焼結体を構成する硬質相の平均粒径が3.5μmを超えないような混合粉末が得られれば、BET値×理論比重の下限に制限はない。

【0034】

混合粉末に含まれる粒径が0.8μm以下の粒子の量をA（体積％）としたとき（混合粉末全体を100体積％とする。）、粒子量Aが、混合粉末に含まれるNi及び／又はCoの含有量X（体積％）に対し、下記式(1)：
A＜-1.3X+53.4 ・・・(1)
を満たすか、又は20体積％以下であるのが好ましい。混合粉末の粒度分布は、レーザー回折式の粒度分布測定器で測定しても良い。得られた混合粉末の粒度分布から、粒径が0.8μm以下の粒子の量Aを体積比率で算出する。粒子量AがA＜-1.3X+53.4を満たすか、又は20体積％以下であると、軽量硬質合金組織中に微細な硬質相が形成されにくくなるとともに、微細な粉末が少量であることから焼結時に溶解・再析出による周辺組織が形成されにくい。粒子量AがA＜-1.3X+53.4を満たすのがより好ましく、粒子量AはA≦-X+41.3であるのがさらに好ましい。粒子量AがA＜-1.3X+53.4を満たすか、混合粉末全体の20体積％以下であっても良い。また粒子量Aは混合粉末全体の20体積％以下であっても良い。

【0035】

硬質相の平均粒径が１～3.5μmである。硬質相の平均粒径は、軽量硬質合金の任意の断面のSEM組織をもとにフルマンの式により求められる。硬質相の平均粒径が１μm未満であると、使用状況によっては耐摩耗性が若干劣る。硬質相の平均粒径が3.5μm超であると、強度が不足する。硬質相の平均粒径は1.0～3.0μmであるのが好ましく、1.2～2.8μmであるのがより好ましく、1.3～2.6μmであるのがさらに好ましい。

【0036】

[2] 軽量硬質合金の製造方法
本発明の軽量硬質合金の製造方法の一例として、上述の硬質相構成粒子及び結合相構成粒子の粉末を配合し、有機溶媒中で湿式混合粉砕し、乾燥した後、パラフィン等結合剤を添加した粉末を加圧成形して成形体を形成し、成形体を焼結することにより軽量硬質合金を得る方法が挙げられる。

【0037】

混合粉末の成形体は、プレス成形により完成品に近い状態（ニアネットシェイプ）に成形しても良く、さらにそれを機械加工して所定の形状を付与したものでも良い。また仮焼結後に機械加工して所定の形状を付与しても良い。

【0038】

焼結時の雰囲気は真空でも良いし、不活性ガス中でも良い。窒素を含む混合粉末の成形体を焼結する場合は窒素又は窒素を含む混合ガスを使用しても良いし、COガス等を用いても良い。またそれらの雰囲気ガスの導入温度やガス圧力は目的により種々変化させて良い。昇温速度、焼結温度やその保持時間、またそれに至る途中での温度保持及びガス圧力は脱脂や焼結性向上また表面性状の改善など目的により任意に選定できる。

【0039】

チタン化合物は、金属チタンやチタン水素化物、チタン酸化物等を主原料として、メンストラム法によるTiCや加熱炭窒化法によるTi(C,N)など、完成したチタン化合物を粉砕し分級することで所定の粒度範囲に制御している場合が多い。この際の粉砕により狙いの粒度の粉末よりも微細な粉末が発生する。チタン化合物粉末にこの微粉が所定量含まれることが軽量硬質合金の靭性が低い原因のひとつであることが分かった。このチタン化合物粉末を用いた軽量硬質合金の靭性を高めるには、焼結前の混合粉末に含まれる微粉を少なくすれば良い。

【0040】

このため微粉が発生しにくい混合条件を選定することが必要である。混合時間を短くしても所定の平均粒度が得られるような条件とする必要があり、例えばボールミルによる混合粉砕であれば、ボールミル回転数、粉末量、溶媒量、ボール量、ボール径などと混合粉砕時間などの混合条件を設定することができるが、いずれのパラメータを変化させてもよく、混合粉末の比表面積（m²/ｇ）に理論比重を乗じた値が38以下とすることが肝要であることが分かった。さらにこれを調べる過程で、原料粉末には前述したように原料粉末の時点で微粉を含むものもあり、種々の方法で微粉を除いてもよいし、微粉が少ないチタン化合物粉末を使用しても同様の効果が得られることが分かった。

【0041】

焼結温度は、硬質相の周辺組織をあまり成長させないように1330～1450℃とするのが好ましい。また、用途に応じてsinter-HIPで焼結しても良いし、普通焼結した焼結体をHIP処理しても良い。焼結は、ホットプレス焼結により行っても良いし、通電焼結、SPS焼結等の電磁エネルギー支援焼結により行っても良い。

【0042】

[3] 軽量硬質合金部材
本発明の軽量硬質合金はスクリューや粉砕刃などサイズが大きく高速回転を伴う耐摩耗部材に好適に用いられる。そのため本発明の軽量硬質合金を用いた軽量硬質合金部材は、例えば、粉砕、混合又は混練用部材に用いることで優れた性能を発揮することができる。また本発明の軽量硬質合金は、これらの用途に限らず、工具使用時に割れ等が発生しにくいため打抜きパンチや室温、温間及び熱間の成形型、押出型、金型及び鍛造パンチに用いることができ、また部材の取扱い時に欠けや割れが生じにくいため熱膨張係数が大きい特殊レンズ用の胴型などのレンズ成形用周辺部材に用いることは有効である。

【実施例】

【0043】

本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

【0044】

実施例１～15及び比較例１～９
原料粉末として、TiC粉末（1.4μm、2.1μm、2.9μm、3.5μm）、Ti(C_0.7N_0.3)粉末（1.4μm）、(Ti,Mo)(C,N)粉末（1.5μｍ）、WC粉末（0.6μm）、Mo₂C粉末（3.2μm）、Cr₃C₂粉末（1.3μm）、Ni粉末（2.4μｍ）、Co粉末（1.9μm）を準備した［カッコ内の数値はフィッシャー粒度測定法（FSSS法）により測定した平均粒度］。(Ti,Mo)(C,N)粉末は組成Ti(C_0.7N_0.3)-25質量%Mo₂Cとなるように混合粉末を作製し、窒素中で熱処理を行い粉砕・分級を行い、作製した。TiC粉末を用いた発明品及び比較品のうち、発明品６は2.1μmのTiC粉末、発明品９は2.9μmのTiC粉末、比較品９は3.5μmのTiC粉末をそれぞれ用い、それ以外は1.4μmのTiC粉末を用いた。これらの原料粉末を焼結体が表１に示す各試料の組成になるように計量した。

【0045】

【表1】

【0046】

各試料のTiC粉末、Ti(C_0.7N_0.3)粉末及び(Ti,Mo)(C,N)粉末のチタン化合物原料粉末のSEM観察を行い、微粉末が比較的少ないものを「少」、また粉砕処理したと思われ、微粉末が比較的多いものを「多」とした。得られた結果を表２に示す。

【0047】

計量した粉末を混合し、ボールミルを用いて湿式混合粉砕した。発明品はBET値×理論比重が38以下及び得られる焼結体の硬質相の平均粒径が1～3.5μmになるように、チタン化合物原料粉末に含まれる微粉量を考慮しつつ混合粉砕条件を調節した。粉砕強度の粉砕レベルを通常の強度とするときを「２」とし、それより弱いときを「１」とし、それより強いときを「３」とし、粉砕レベル「３」よりも強いときを「４」とした。得られた結果を表２に示す。併せて混合粉末中のNi量、Co量及び(Ni+Co)量の体積率、及び混合粉末に含まれる粒径0.8μm以下の粒子の体積率上限値A’を表2に示す。

【0048】

【表2】

注：(1) 混合粉末に含まれる粒径が0.8μｍ以下の粒子の体積率の上限値（Ni+Coの体積率をxとしたとき、A’＝-1.3X+53.4を満たす。）

【0049】

粉砕混合後の粉末を真空乾燥器を用いて乾燥させ、結合剤を添加して混合粉末を作製した。このとき結合剤を添加する前に混合粉末の粒度分布をMT3300EXII（マイクロトラック・ベル株式会社製）により測定し、粒径が0.8μm以下の粒子の量Aを体積比率で算出した。得られた結果を表３に示す。

【0050】

混合粉末のBET値をTriStarII3020（マイクロメリティクス社製）を用いて測定した。また混合粉末の理論比重を、各試料の原料粉末の比重と組成比から算出した。各試料のBET値×理論比重を表３に示す。

【0051】

得られた混合粉末を98 N/mm²の圧力でφ20×20 H(mm)の円柱に圧粉成形した後、1400℃の焼結温度で１時間焼結し、発明品１～15及び比較品１～９を作製した。また抗折力試験用の試験片は6×11×31(mm)の直方体に圧粉成形した後、同様の方法で作製した。

【0052】

各試料のビッカース硬さをビッカース硬度計HV (294N)を用いて計測した。得られた結果を表３に示す。

【0053】

各試料の焼結体を切断し、その断面を鏡面研磨したのち、Regulus8100（株式会社日立ハイテク製）により研磨断面を示すSEM写真（観察倍率：8,000倍）を撮影した。SEM写真を用いて、硬質相の平均粒径を求めた。硬質相の粒径はフルマンの式で求めた。得られた結果を表３に示す。

【0054】

各試料の抗折力を、JISR 1601に基づいて３点曲げ試験により測定した。また各試料の破壊靭性値K_ICをJISR 1607に基づいて測定、算出した。得られた結果を表３に示す。

【0055】

各試料の耐摩耗性（工具としての摩耗のしにくさ）を評価するために、ブラスト装置を用いて、SiCの粉体（粒度：♯500）を、投射角度30°、投射圧力0.6 MPa及び投射時間90秒の条件で各試料に衝突させた。ブラスト処理後の各試料の摩耗の大きさを0～５で評価した。発明品4の摩耗量の0.9倍以上1.1倍未満のときを「４」、0.9倍未満のときを「５」、1.1倍以上1.5倍未満のときを「３」、1.5倍以上1.9倍未満のときを「２」、1.9倍以上2.3倍未満のときを「１」、2.3倍以上のときを「０」とした。得られた結果を表３に示す。

【0056】

各試料の耐欠け性（工具としての欠けにくさ；靱性）を評価するために、ダイヤモンドホイール砥石（#140）を用いて、切込み量５μmの条件で平面研削を行い、20°のシャープエッジに加工した。そのときの各試料のシャープエッジの先端の欠けの大きさを0～５で評価した。発明品4の欠け幅の0.9倍以上1.1倍未満のときを「４」、0.9倍未満のときを「５」、1.1倍以上1.2倍未満のときを「３」、1.2倍以上1.3倍未満のときを「２」、1.3倍以上1.4倍未満のときを「１」、1.4倍以上のときを「０」とした。なおこの評価で耐欠け性が評価「１」を満たさない、つまり評価「０」である場合には耐摩耗性の評価は行わなかった。耐摩耗性と耐欠け性のいずれかの評価が「０」の場合は工具として使用できない。いずれも評価が「１」以上で合計が「５」以上であれば使用する用途により靭性または耐摩耗性いずれかを重視した合金、またはバランスのよい靭性・耐摩耗性を有する合金を選択することができる。得られた結果を表３に示す。

【0057】

【表3】

【0058】

表３に示すように、発明品１、３、４、６、11、12、14及び15は、微粉が少ないTi化合物粉末を用いたため混合粉末中の微粉量は少ない。そのため合金には相対的に微粒な硬質相が形成されにくく、硬質相の周辺組織（リム相）も形成されにくいため、耐摩耗性と耐欠け性の両方を兼ね備えた。発明品２及び５は、微粉が多い原料粉末を用いた場合でも粉砕条件を弱くすることによって、混合粉末中の微粉量を少なく抑えたため、微粒な硬質相が形成されにくく、リム相も形成されにくくなり、耐摩耗性と耐欠け性の両方を兼ね備えた。発明品7及び８はともに結合相量が少ない高硬度の合金であるが粉末粒子量A及びBET値×理論比重が所定範囲内であるため、いずれも最低限の耐欠け性を持ちつつ、耐摩耗性が極めて高かった。発明品９及び10は最低限の耐摩耗性を持ちつつ、結合相量が多い高靭性合金であるため耐欠け性が極めて高かった。発明品13は(Ti,Mo)(C,N)固溶体粉末を用い、同じ合金組成でTi(C_0.7N_0.3)粉末とMo₂C粉末を使用した発明品2よりも粒子量Aが少なくBET値×理論比重が小さいため、ほぼ同等の耐摩耗性を持ちつつ、耐欠け性はより優れる傾向にある。

【0059】

それに対し、比較品１はWC及び／又はMo₂Cの合計量が少なく、周辺組織（リム相）の形成が十分でない。そのため、抗折力は低く、耐摩耗性と耐欠け性がいずれも低かった。比較品２はWC及び／又はMo₂Cの合計量が多すぎるためリム相の比率が増加して硬さも減少するため耐摩耗性も低めであった。また同様にリム相比率が増加するため耐欠け性が低かった。比較品３は微粉が少ない原料粉末を用いているが、粉砕条件が強いため、BET値×理論比重が62と大きく、同様の理由で耐欠け性が低かった。比較品４は通常の粉砕条件であっても、微粉が多い原料粉末を用いたため、BET値×理論比重が60と大きく、混合粉末中に微細粉が多量に存在し、合金組織中には微粒な硬質相が多く発生しリム相も多めで耐欠け性が低かった。比較品５は(Ni+Co)量が3.0質量％と少ないため、最低限の耐欠け性である「１」を満たさなかった。比較品６は微粉が多い粉末を強粉砕しているためBET値×理論比重が71と大きく硬質相粒径も小さく周辺組織比率が高いため破壊靭性も低下し最低限の耐欠け性である「１」を満たさなかった。また比較品６のφ20×20 H(mm)の円柱試料を焼結した際に焼結時に割れが発生した形跡が認められたため、その部分を除いて使用して評価した。比較品７は(Ni+Co)量が40質量％で破壊靭性も高いため耐欠け性は優れていたが、結合相が多いことに加えBET値×理論比重が48と大きく強粉砕粉末であるためリム相比率が高く、その結果耐摩耗性が優れるTi化合物相（コア相）比率が小となり耐摩耗性は著しく低かった。比較品８は(Ni+Co)量が40質量％より多く耐摩耗性が著しく劣った。比較品9は合金粒度が4.1μmと大きすぎたため抗折力が低く、最低限の耐欠け性を満たさなかった。

【要約】

【課題】 軽量化と高靭性化を両立させ、かつ肉厚品でも焼結時の割れが生じにくく被研削性にも優れる軽量硬質合金、及びそれを用いた軽量硬質合金部材を提供する。
【解決手段】 炭素を含むチタン化合物を主成分とし、WC及び／又はMo₂Cを５～33質量％を含む硬質相構成粒子と、Ni及び／又はCoを５～40質量％含む結合相構成粒子とを有する混合粉末を焼結してなる軽量硬質合金であって、混合粉末のBET値×理論比重が38以下であり、硬質相の平均粒径が1～3.5μmである軽量硬質合金。
【選択図】 なし