特許 7563634 ＷＣ系超硬合金、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末、ＷＣ系超硬合金部材、及びＷＣ系超硬合金部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】ＷＣ系超硬合金、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末、ＷＣ系超硬合金部材、及びＷＣ系超硬合金部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 29/08 20060101AFI20241001BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20241001BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20241001BHJP

   B22F 10/34 20210101ALI20241001BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241001BHJP

   C22C 27/04 20060101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

C22C29/08

B22F1/00 Q

B22F10/28

B22F10/34

B33Y10/00

C22C27/04 101

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023575329

(86)(22)【出願日】2023-01-24

(86)【国際出願番号】 JP2023002100

(87)【国際公開番号】W WO2023140387

(87)【国際公開日】2023-07-27

【審査請求日】2024-05-13

(31)【優先権主張番号】P 2022008541

(32)【優先日】2022-01-24

(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】000005083

【氏名又は名称】株式会社プロテリアル

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 富生

(72)【発明者】

【氏名】菅原 潤樹

(72)【発明者】

【氏名】小関 秀峰

(72)【発明者】

【氏名】大沼 寛

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１５６６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５１８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／０３９９１２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００，１０／２５，１０／２８，１０／３４

Ｂ３３Ｙ １０／００，７０／００

Ｃ２２Ｃ １／０５１，２７／０４，２９／０８，３０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、
１０％以上４０％以下のＣｏと、
５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、
残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金。

【請求項2】

モル比で、
Ｂの含有量がＴｉの含有量の１．５倍以上３倍以下であり、
Ｃの含有量がＷの含有量の０．５倍以上２倍以下である、請求項１に記載のＷＣ系超硬合金。

【請求項3】

質量％で、
Ｔｉの含有量は、０％超１５％未満であり、
Ｂの含有量は、０％超６．０％未満であり、
Ｗの含有量は、２３％超７５．５％以下であり、
Ｃの含有量は、１．５％超５％以下である、請求項１又は２に記載のＷＣ系超硬合金。

【請求項4】

Ｔｉ、Ｗ及びＣを含む第１の相と、
Ｗ、Ｂ及びＣｏを含む第２の相と、
Ｃｏを含む第３の相と、を有し、
断面観察における前記第１の相の面積率が０％超５０％以下である、請求項３に記載のＷＣ系超硬合金。

【請求項5】

ＷＣ系超硬合金を作製するために複数種類の粉末を混合して得られた混合粉末であって、
前記混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末。

【請求項6】

ＷＣ系超硬合金で形成された部材であって、
前記ＷＣ系超硬合金は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材。

【請求項7】

硬さが４５ＨＲＣ以上であり、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項６に記載のＷＣ系超硬合金部材。

【請求項8】

基材と、
前記基材の表面に形成された超硬合金部と、を含み、
前記超硬合金部は、ＷＣ系超硬合金で形成されたものであって、
前記ＷＣ系超硬合金は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材。

【請求項9】

混合粉末に熱源ビームを照射し、前記混合粉末を溶融させた後、凝固させる溶融凝固工程を有し、
前記混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材の製造方法。

【請求項10】

複数種類の粉末をそれぞれ個別に搬送ガスとともに圧送し混合して前記混合粉末とする粉末混合工程と、
前記混合粉末を供給する混合粉末供給工程と、を更に有する、請求項９に記載のＷＣ系超硬合金部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＷＣ系超硬合金、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末、ＷＣ系超硬合金部材、及びＷＣ系超硬合金部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ホットスタンプ製法は、高温に加熱した被加工材をプレス成型すると同時に、金型内で冷却することで焼入れを行う製法である。ホットスタンプ金型では、焼入れ性の向上や生産の高効率化を図るために、金型材料の熱伝導率の向上が望まれている。また、高温に熱せられた被加工材に付着したスケールによる金型の損傷を小さくするために、耐摩耗性が必要とされる。

【0003】

例えば、熱伝導性と耐摩耗性を両立する材料として、Ｃｏなどの金属結合相中に硬質なＷＣを分散させた複合材料である超硬合金（以下「ＷＣ系超硬合金」という。）が挙げられる。ＷＣ系超硬合金は、耐摩耗性に優れるため、切削工具等に使用されている。一方で、熱伝導性も優れており、ＷＣ系超硬合金の熱伝導率は、工具鋼と比較して高い。

【0004】

特許文献１には、炭化タングステン粒子がコバルトまたはコバルト合金の結合相で結合されてなるＷＣ系超硬合金であって、コバルトまたはコバルト合金の含有量が３５～５０質量％であり、微細な炭化タングステン粒子が所定の分布を示すものが開示されている。

【0005】

特許文献２には、ＷＣ粒子と、Ｃｕと、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｒのうちの少なくとも１つからなる金属結合相と、を含む積層造形体であり、ＷＣ粒子の含有量が４０質量％以上であり、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｒのうちの少なくとも１つの含有量が２５質量％以上６０質量％未満であり、Ｃｕの含有量ａと、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｒのうちの少なくとも１つの含有量ｂの割合ａ／ｂが０．０７０≦ａ／ｂ≦１．０００を満たす、ＷＣ系超硬合金部材が開示されている。

【0006】

非特許文献１には、分子動力学法と密度汎関数理論を組み合わせることにより、共有結合システム及び金属システムの両方のシミュレーションを可能にしたことが記載されている。

【0007】

非特許文献２には、シリコンの理想的な強度について、密度汎関数理論を用いていくつかの荷重経路に沿って予測することにより応力－ひずみ曲線を得ることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１６－１６０５００号公報

【文献】国際公開第２０２１／０３９９１２号

【非特許文献】

【0009】

【文献】R. Car, M. Parrinello, Unified Approach for Molecular Dynamics and Density-Functional Theory. PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME 55, NUMBER 22, 2471-2474 (1985)

【文献】S. M.-M. Dubois et al., Ideal strength of silicon: An ab initio study. PHYSICAL REVIEW B 74, 235203 (2006)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

特許文献１に記載のＷＣ系超硬合金は、合金組織中に分布する炭化タングステン粒子を微細にすることにより、コバルトの増量によって向上させた靱性を損なわずに、硬度を高くすることを可能にしている。しかしながら、結合相の増加に伴う熱伝導率の低下が課題として残っている。

【0011】

特許文献２に記載のＷＣ系超硬合金部材は、Ｃｕの含有量が多く、熱伝導率は高くなっている。しかしながら、硬度を更に高くすることが求められている。

【0012】

本開示の目的は、高熱伝導性に有利な構成を採用しつつ、高耐摩耗性を備えたＷＣ系超硬合金を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本開示のＷＣ系超硬合金は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる。

【0014】

また、モル比で、Ｂの含有量がＴｉの含有量の１．５倍以上３倍以下であり、Ｃの含有量がＷの含有量の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

【0015】

また、質量％で、Ｔｉの含有量は、０％超１５％未満であり、Ｂの含有量は、０％超６．０％未満であり、Ｗの含有量は、２３％超７５．５％以下であり、Ｃの含有量は、１．５％超５％以下であることが好ましい。

【0016】

また、質量％で、Ｔｉの含有量は、１５％以上３５％以下であり、Ｂの含有量は、６．０％以上１６％以下であり、Ｗの含有量は、０％超６１．５％以下であり、Ｃの含有量は、０％超４％以下であることが好ましい。

【0017】

また、Ｔｉ、Ｗ及びＣを含む第１の相と、Ｗ、Ｂ及びＣｏを含む第２の相と、Ｃоを含む第３の相と、を有し、断面観察における第１の相の面積率が０％超５０％以下であることが好ましい。

【0018】

また、Ｔｉ、Ｗ及びＣを含む第１の相と、Ｗ、Ｂ及びＣｏを含む第２の相と、Ｃоを含む第３の相と、を有し、断面観察における第１の相の面積率が３０％以上６０％以下であることが好ましい。

【0019】

また、本開示は、ＷＣ系超硬合金を作製するために複数種類の粉末を混合して得られた混合粉末であって、混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末である。

【0020】

また、ＷＣ系超硬合金は、モル比で、Ｂの含有量がＴｉの含有量の１．５倍以上３倍以下であり、Ｃの含有量がＷの含有量の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

【0021】

また、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、Ｔｉの含有量は、０％超１５％未満であり、Ｂの含有量は、０％超６．０％未満であり、Ｗの含有量は、２３％超７５．５％以下であり、Ｃの含有量は、１．５％超５％以下であることが好ましい。

【0022】

また、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、Ｔｉの含有量は、１５％以上３５％以下であり、Ｂの含有量は、６．０％以上１６％以下であり、Ｗの含有量は、０％超６１．５％以下であり、Ｃの含有量は、０％超４％以下であることが好ましい。

【0023】

また、本開示は、ＷＣ系超硬合金で形成された部材であって、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材である。

【0024】

また、ＷＣ系超硬合金は、モル比で、Ｂの含有量がＴｉの含有量の１．５倍以上３倍以下であり、Ｃの含有量がＷの含有量の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

【0025】

また、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、Ｔｉの含有量は、０％超１５％未満であり、Ｂの含有量は、０％超６．０％未満であり、Ｗの含有量は、２３％超７５．５％以下であり、Ｃの含有量は、１．５％超５％以下であることが好ましい。

【0026】

また、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、Ｔｉの含有量は、１５％以上３５％以下であり、Ｂの含有量は、６．０％以上１６％以下であり、Ｗの含有量は、０％超６１．５％以下であり、Ｃの含有量は、０％超４％以下であることが好ましい。

【0027】

また、硬さが４５ＨＲＣ以上であり、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。

【0028】

また、本開示は、基材と、基材の表面に形成された超硬合金部と、を含み、超硬合金部は、ＷＣ系超硬合金で形成されたものであって、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材である。

【0029】

また、ＷＣ系超硬合金は、モル比で、Ｂの含有量がＴｉの含有量の１．５倍以上３倍以下であり、Ｃの含有量がＷの含有量の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

【0030】

また、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、Ｔｉの含有量は、０％超１５％未満であり、Ｂの含有量は、０％超６．０％未満であり、Ｗの含有量は、２３％超７５．５％以下であり、Ｃの含有量は、１．５％超５％以下であることが好ましい。

【0031】

また、ＷＣ系超硬合金は、質量％で、Ｔｉの含有量は、１５％以上３５％以下であり、Ｂの含有量は、６．０％以上１６％以下であり、Ｗの含有量は、０％超６１．５％以下であり、Ｃの含有量は、０％超４％以下であることが好ましい。

【0032】

超硬合金部は、硬さが４５ＨＲＣ以上であり、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。

【0033】

また、本開示は、混合粉末に熱源ビームを照射し、混合粉末を溶融させた後、凝固させる溶融凝固工程を有し、混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材の製造方法である。

【0034】

また、複数種類の粉末をそれぞれ個別に搬送ガスとともに圧送し混合して混合粉末とする粉末混合工程と、混合粉末を供給する混合粉末供給工程と、を更に有することが好ましい。

【0035】

また、本開示は、円錐台形状の混合部と、混合部に接続された複数の配管と、を有し、混合部の上底面の直径は、混合部の下底面の直径よりも大きく、混合部は、円錐台の斜面部分として外形的に視認される外壁部と、外壁部の内側に挿入された円錐台の斜面部分に相当する内挿部と、で構成され、外壁部と内挿部との間に形成された空間は、複数の配管から供給される複数種類の粉末の流路であり、複数の配管は、混合部の上底面の外縁部に接続され、複数種類の粉末は、ＷＣ系超硬合金の原料であって混合粉末の構成要素であり、混合粉末は、混合部の下部から流出するように構成されている、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末の製造装置である。

【0036】

また、混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなることが好ましい。

【0037】

また、空間の上部の断面積は、複数の配管の断面積の総和よりも大きいことが好ましい。

【0038】

また本開示は、混合粉末に熱源ビームを照射するヘッド部と、混合粉末を供給する混合粉末供給部と、を有し、混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる、ＷＣ系超硬合金部材の製造装置である。

【0039】

また、ヘッド部は、混合粉末供給部を有し、熱源ビームの外側に混合粉末を流出するように構成されていることが好ましい。

【0040】

また、搬送ガスとともに圧送される複数種類の粉末を混合して混合粉末とする円錐台形状の混合部を更に有することが好ましい。

【発明の効果】

【0041】

本開示によれば、高熱伝導性に有利な構成を採用しつつ、高耐摩耗性を備えたＷＣ系超硬合金を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】ＷＣ系超硬合金を作製するために用いる粉末を混合する装置の要部の一例を示す斜視図である。

【図2】ＷＣ系超硬合金部材の製造装置の一例を示す全体構成図である。

【図3】ＷＣ系超硬合金部材の一例を示す側面図である。

【図4】実施例の試験片Ｎｏ．１のＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す図である。

【図5】実施例の試験片Ｎｏ．２のＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す図である。

【図6】実施例の試験片Ｎｏ．３のＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す図である。

【図7】せん断破壊エネルギーとＣｕの濃度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0043】

本開示は、ホウ化物を添加したＷＣ系超硬合金、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末、ＷＣ系超硬合金部材、ＷＣ系超硬合金部材の製造方法、ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末の製造装置、及びＷＣ系超硬合金部材の製造装置に関する。

【0044】

以下、図面を参照して、本開示の実施形態を詳しく説明する。なお、本明細書において「～」の数値範囲は、前後の数値を「以上」、「以下」で含む範囲とする。また、数値に「超」、「未満」を付した場合、その数値を含まないものとする。なお、図中、同一または類似する部分には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0045】

（ＷＣ系超硬合金）
本開示の実施形態に係るＷＣ系超硬合金は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなることを特徴の一つとするものである。

【0046】

［Ｃｏ：１０質量％～４０質量％］
Ｃｏ（コバルト）は、金属結合相を構成する。このため、Ｃｏの含有量を増やすことで、ＷＣ系超硬合金部材の靭性が向上する。例えば、ＷＣ系超硬合金部材の製造に用いるＷＣ系超硬合金では、質量％で、金属結合相の含有量を１０％以上４０％以下とすることにより、ＷＣ系超硬合金の硬度低下を防ぐことができる。なお、硬度低下の防止に関しては、Ｃｏ以外に、ＦｅやＣｒを追加してもよい。

【0047】

［Ｃｕ：５質量％～１５質量％］
Ｃｕ（銅）は、金属結合相に分散し、ＷＣ超硬合金部材の熱伝導率を高める役割を果たす。Ｃｕを含むＷＣ超硬合金部材であれば、熱伝導率を高めることができる。なお、熱伝導率を高めるためには、Ｃｕに加えて、Ａｌ等を追加してもよい。

【0048】

また、Ｂは、ＷやＴｉのホウ化物を形成する。これらのホウ化物はいずれも、硬さ及び熱伝導率の向上に寄与する。一方、ＷやＴｉのホウ化物は、炭化物と比較して靭性が低い。そのため、過剰に入れると、靭性が低下する。Ｂ（ホウ素）の含有量は、ＴｉＢ_２の形で存在させるため、Ｔｉの２倍前後とすることが適切であり、モル比で、Ｔｉの含有量の１．５倍以上３倍以下であることが好ましい。一方、ＴｉＢ_２が多すぎると脆くなりやすいため、ＴｉＢ_２の比率は全体の５～２０質量％とすることがさらに好ましい。その場合のＴｉＢ_２に包含されるホウ素の添加量は、１．６～６．０質量％程度である。また、Ｃの含有量は、ＷＣの形で存在させるため、Ｗの１倍前後とすることが適切であり、モル比で、Ｗの含有量の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

【0049】

［ＷＣ系超硬合金の構造］
ＷＣ系超硬合金は、Ｗ（タングステン）とＣ（炭素）との炭化物である硬質なＷＣ（タングステンカーバイト）の粒子を金属結合相で一体化した複合材料としての構造を有する。ＷＣ系超硬合金部材に占めるＷＣの量が多いほど、硬度が高くなる。例えば、ＷＣを４０質量％以上含むことが好ましい。

【0050】

また、本実施形態のＷＣ超硬合金においては、上述した元素の他、原料、資材および製造設備等の状況によって持ち込まれる元素、例えば、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｂｒ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｔｅ等の混入が許容されうる。これらの元素の含有量は、少ないほうが好ましく、その合計が２００ｐｐｍ以下であれば許容できる。また、これらの元素以外に、Ｏ、Ｎ及びＡｒが混入する場合がある。Ｏ、Ｎ及びＡｒについてはそれぞれ、質量％で、Ｏが０．５％以下、Ｎが０．５％以下、Ａｒが０．５％以下であることが好ましい。

【0051】

上記の元素は、許容される限度において混入する場合があるが、要因によっては避けられない場合があり、不可避不純物に含まれるものとする。

【0052】

ＷＣ系超硬合金は、上記のＣｏ及びＣｕ以外の構成元素を、次の合金組成Ｉまたは合金組成ＩＩで示す含有量とすることが望ましい。特に熱伝導性を優先する場合には合金組成Ｉを、特に硬さを優先する場合には合金組成ＩＩを選択することができる。

【0053】

＜合金組成Ｉ＞
［Ｔｉ：０質量％超１５質量％未満］
ＷＣ系超硬合金がＴｉを含む場合、熱力学的に安定なＴｉＣを形成するため、硬さが増大する。また、ＴｉＣ中にＷＣが固溶し、（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ固溶体炭化物（β相）を形成するため、耐酸化性が向上する。

【0054】

ＴｉＣは、岩塩型構造をとり、構造体として強度と靭性を兼ね備える。ＴｉＣは、非化学量論組成をとり、広い組成範囲で安定な結晶構造を保つ。また、強度の割に比重が小さいため、比強度の向上に寄与する。一方、Ｔｉの炭化物は、Ｗの炭化物と比較して熱伝導率が小さい。そのため、過剰に入れると、熱伝導率が低下する。そのため、Ｔｉは、質量％で、０質量％超１５質量％未満が好ましく、３．４質量％～１４質量％が更に好ましい。

【0055】

［Ｚｒ：０質量％超１７．０質量％以下］
ＷＣ系超硬合金にＺｒを添加すると、Ｃｏ中に微量だけ固溶し、高温強度の向上に寄与する。また、ＺｒＢ_２としてＷＣ系超硬合金中に分散することで熱伝導率の向上も見込める。

【0056】

一方、Ｚｒは、酸素との結びつきが強く、ＺｒＯ_２が生成しやすい。これによって靭性の低下が生じる。そのため、Ｚｒは、０質量％超１７．０質量％以下が好ましく、４．０質量％～１７．０質量％が更に好ましい。

【0057】

［Ｃｒ：０質量％超１５．０質量％以下］
ＷＣ系超硬合金にＣｒを添加すると、Ｃｒの多くは結合相中に固溶し、耐食性及び耐酸化性の向上に寄与する。また、積層造形のように急冷凝固を行う場合には、Ｃｒは、Ｃｏに固溶する量が多くなる。さらに、このような急冷凝固を行うと、ＷＣ系超硬合金中に分散される炭化物やホウ化物の粒径が細かくなるため、低温から高温に至るまでの抗折力が高くなり、強さの低下を抑制できる。

【0058】

一方、Ｃｒは、Ｗの炭化物やＣｏと比較して熱伝導率が小さい。そのため、過剰に入れると熱伝導率の低下が生じる。そのため、Ｃｒは、０質量％超１５．０質量％以下が好ましく、３．５質量％～１４．５質量％が更に好ましい。

【0059】

［Ｂ：０質量％超６．０質量％未満］
Ｂは、ＷやＴｉのホウ化物を形成する。これらのホウ化物はいずれも、硬さ及び熱伝導率の向上に寄与する。一方、ＷやＴｉのホウ化物は、炭化物と比較して靭性が低い。そのため、過剰に入れると、靭性が低下する。そのため、Ｂは、０質量％超６．０質量％未満が好ましく、１．６質量％～６．０質量％が更に好ましい。

【0060】

［Ｗ：２３質量％超７５．５質量％以下］
Ｗは、炭化物やホウ化物を形成する。ＷＣは、硬さと靭性を兼ね備える。また、ヤング率が高いのが特徴であり、構造材に用いた場合に、たわみにくいのが特徴である。ＷＢも、ＷＣと同様の特性を有するため、これらを基材とした材料は、金型や切削工具などの治工具に好適である。そのため、Ｗは、２３質量％超７５．５質量％以下が好ましく、４２質量％～５７質量％が更に好ましい。

【0061】

［Ｃ：１．５質量％超５質量％以下］
Ｃは、炭化物を形成する元素である。各組成において適量のＣ量があり、Ｃが少ないとη相等の脆化層が生じ、過剰に入れるとフリーカーボンの生成につながる。いずれも部材の破壊の起点となりやすく、これらを抑制することが好ましい。そのため、Ｃは、１．５質量％超５質量％以下が好ましく、２．７質量％～３．７質量％が更に好ましい。

【0062】

＜合金組成ＩＩ＞
合金組成ＩＩは、合金組成Ｉに比べ、硬さ及び比強度の向上を図っている。各元素の効果は、上述のとおりである。

【0063】

［Ｔｉ：１５質量％以上３５質量％以下］
ＴｉＣは、硬さ及び比強度の観点から、合金組成Ｉに比べて含有量を多くする。そのため、Ｔｉは、１５質量％～３５質量％とする。

【0064】

［Ｂ：６．０質量％以上１６質量％以下］
Ｂは、ＷやＴｉのホウ化物を形成する。これらのホウ化物はいずれも、硬さ及び熱伝導率の向上に寄与する。一方、ＷやＴｉのホウ化物は、炭化物と比較して靭性が低い。そのため、過剰に入れると、靭性が低下する。硬さ及び比強度の観点から、合金組成Ｉに比べて含有量を多くする。そのため、Ｂは、６．０質量％～１６質量％とする。

【0065】

［Ｗ：０質量％超６１．５質量％以下］
Ｗは、ＷＣ及びＷＢを形成することにより硬さと靭性を兼ね備える特性を有することから、Ｗは、０質量％超６１．５質量％以下とする。

【0066】

［Ｃ：０質量％超４質量％以下］
ＷＣ－Ｃｏ超硬合金は合金炭素量が、ＷＣの結合炭素量に等しいかその近傍であるならば、ＷＣ＋Ｃｏ結合相の二相となる。しかし、わずかに多くなるとフリーカーボン（Ｃ）を加えた三相になり、わずかに少なくなるとη相（Ｃｏ_３Ｗ_３Ｃ）を加えた三相となる。
これらの相は、有害相と呼ばれ、機械的性質を低下させる。よって、Ｃは、０質量％超４質量％以下とする。

【0067】

なお、上記の元素量は、例えば、ＩＣＰ－ＯＥＳやＩＣＰ－ＭＳで分析できる。また、ＸＲＦ、ＥＰＭＡ、ＥＤＸのような表面分析の手法で定量的に分析できる。

【0068】

［合金組織］
本実施形態のＷＣ系超硬合金は、Ｔｉ、Ｗ及びＣを含む第１の相と、Ｗ、Ｂ及びＣｏを含む第２の相と、Ｃоを含む第３の相と、を有する。第１の相、第２の相及び第３の相は、例えば、電子プローブマイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いて評価することができる。

【0069】

第１の相は、Ｔｉ、Ｗ及びＣを含む硬質相（「ＷＴｉＣ相」ともいえる。）とも称することができる。第２の相は、Ｗ、Ｂ及びＣｏを含む硬質相（「ＷＢＣｏ相」ともいえる。
）とも称することができる。第３の相は、質量％でＣｏが最も多い金属相（Ｃｏリッチ相）で構成されている金属相とも称することができる。なお、第１の相においては、含有量の多い上位三元素がＴｉ、Ｗ及びＣである。

【0070】

合金組成Ｉの場合、第１の相の面積率が０％超５０％以下であることが好ましい。また、合金組成ＩＩの場合、第１の相の面積率が３０％以上６０％以下であることが好ましい。

【0071】

［面積率］
本明細書でいう面積率は、合金の断面を観察し、ＥＰＭＡ等を用いた元素マッピングを基にした画像処理から、観察領域における面積率を算出すればよい。例えば、Ｗ、Ｔｉ及びＣが濃化して検出されている相を第１の相、Ｗ、Ｂ及びＣｏが濃化して検出されている相を第２の相、主にＣｏが検出される相を第３の相として、面積率を算出すればよい。

【0072】

観察条件としては、ＥＰＭＡ（例えば、ＥＰＭＡ－１６１０、株式会社島津製作所製）を用いる場合には、例えば、加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：１００ｎＡ、Ｄａｔａ ｐоｉｎｔをＸ：４００、Ｙ：４００、ＳｔｅｐｓｉｚｅをＸ：０．３００μｍ、Ｙ：０．３００μｍ、ビーム径：１μｍ、計数時間：２０ｍｓｅｃとして観察すればよい。

【0073】

（ＷＣ系超硬合金粉末）
ＷＣ系超硬合金粉末は、上記のＷＣ系超硬合金の組成を有する粒子の集合体である粉末、すなわち予め合金化されている合金粉末を用いることができる。予め合金化されている合金粉末の製造方法としては、合金造粒した粉末をプラズマなどの高温領域に通過させる精錬方法である、熱プラズマ液滴製錬により真球度を高めて、流動性を向上させることが望ましい。なお、造粒粉末だけでなく、ガスアトマイズ法や水アトマイズ法によって製造した粉末を使用してもよい。例えば、造形精度を高めるために粉末の流動性（ＪＩＳ Ｚ２５０２に準拠して測定した値）は、１０～４０ｓｅｃ／５０ｇであることが望ましく、より望ましくは１０～３０ｓｅｃ／５０ｇ、さらに望ましくは１０～２５ｓｅｃ／５０ｇである。

【0074】

また、ＷＣ及びＣｏを含むＷＣ－Ｃｏ粉末と、ＷＣ粉末と、Ｃｕ粉末と、ＷＢ_４、ＴｉＢ_２、ＺｒＢ_２及びＣｒＢ_２のうちの少なくとも一種のホウ化物粉末と、を用いることができる。ＷＣ－Ｃｏ粉末は、Ｃｏの比率が１０～４０％のＷＣ－Ｃｏ粉末を用いることができる。また、ＷＣ粉末とＣｏ粉末のみを使用してもよく、Ｗ粉末とＣｏ粉末とＣ粉末とを各々で添加してもよい。さらには、ＷＣ－Ｃｏ粉末を用いたうえで、ＷＣ粉末やＣｏ粉末を用いることもできる。

【0075】

また、例えば、ＷＣ系超硬合金用粉末として、Ｗ、Ｃо、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｂ及びＣの各粉末を、所望の組成範囲になるように混合した粉末であってもよいし、予め上記の元素を２種以上含む合金粉末に、残る元素の粉末を混合してもよい。もちろん、予め上記の元素を２種以上含む合金粉末同士を混合してもよい。

【0076】

図１は、ＷＣ系超硬合金を作製するために用いる粉末を混合する装置の要部の一例を示す斜視図である。

【0077】

本図において、混合粉末製造装置１００（混合粉末の製造装置）は、円錐台形状の混合部１１０に複数の配管１２０が接続された構成を有する。混合部１１０は、上底面の直径が下底面の直径よりも大きくなっている。混合部１１０は、円錐台の斜面部分として外形的に視認される大径部１１２（外壁部）と、大径部１１２の内側に挿入された円錐台の斜面部分に相当する小径部１１４（内挿部）と、で構成されている。大径部１１２と小径部１１４との間に形成された空間１１６が、配管１２０から供給される粉末１３２、１３４の流路である。配管１２０は、混合部１１０の上底面の外縁部に接続されている。粉末１３２、１３４は、ＷＣ系超硬合金の原料である。

【0078】

複数種類の粉末１３２、１３４は、異なる配管１２０を介して搬送ガスとともに空間１１６に流入し、破線の矢印１３６のように空間１１６を通過する過程で混合され、空間１１６の下部から流出するようになっている。なお、矢印１３６は、単に下向きに表されているが、実際の粉末１３２、１３４は、空間１１６を旋回しながら流下する。このため、複数種類の粉末１３２、１３４が自然に混合され、混合粉末１３８となる。混合粉末１３８は、混合部１１０の下部から流出する。搬送ガスは、不活性ガスまたは圧縮空気であることが好ましい。

【0079】

本図に示す混合粉末製造装置１００を用いる、混合粉末１３８の製造方法は、次の工程を含む。

【0080】

配管１２０を介して複数種類の粉末１３２、１３４をそれぞれ個別に搬送ガスとともに空間１１６に圧送する（第１の工程）。圧送された複数種類の粉末１３２、１３４及び搬送ガスを空間１１６に噴出させて混合し、混合粉末１３８を得る（第２の工程）。ここで、空間１１６の上部の断面積は、複数の配管１２０の断面積の総和よりも大きい。

【0081】

空間１１６の下部に設けられた吐出口から混合粉末１３８を吐出する（第３の工程）。

【0082】

なお、第１の工程及び第２の工程、又は第１の工程、第２の工程及び第３の工程を合わせて「粉末混合工程」と呼んでもよい。

【0083】

粉末１３２、１３４の種類などは、特に制限されない。粉末１３２、１３４の粒径は、平均粒径（Ｄ５０）が０．１～３００μｍ程度であることが好ましい。例えば、メタルデポジション方式では、レーザ回折法によって求められる、体積基準による粒子径の積算分布曲線において、平均粒径（Ｄ５０）が３０～２５０μｍであることが好ましく、更に好ましくは６０μｍ～１５０μｍ程度である。

【0084】

図２は、ＷＣ系超硬合金部材の製造装置の一例を示す全体構成図である。

【0085】

本図において、付加製造装置２００（ＷＣ系超硬合金部材の製造装置）は、混合粉末製造装置１００（混合粉末製造部）と、複数の粉末供給部２１０と、ヘッド部２４０と、を備えている。混合粉末製造装置１００と粉末供給部２１０とは、配管１２０（粉末供給路）により接続されている。また、混合粉末製造装置１００とヘッド部２４０とは、配管２３０（混合粉末供給路）により接続されている。

【0086】

それぞれの粉末供給部２１０からは、混合粉末の構成要素である粉末が搬送ガス２２０（図中破線の矢印で示す。）により圧送される。

【0087】

混合粉末製造装置１００においては、それぞれの粉末供給部２１０から送られた複数種類の粉末が、図１で示すようにして混合され、混合粉末となる。

【0088】

ヘッド部２４０からは、基材３２０に向けて、熱源ビーム２５０が照射されるとともに、配管２３０を介してヘッド部２４０に送られた混合粉末が供給される。図中、混合粉末は、熱源ビーム２５０の外側に点線で示している。熱源ビーム２５０は、レーザ、電子ビーム、プラズマ、アークなどである。特に、レーザは、照射スポットを比較的小さくすることができ、また、大気圧下で施工できるので好ましい。

【0089】

混合粉末は、基材３２０の表面で熱源ビーム２５０により加熱されて溶融し、積層され、超硬合金部３１０となる。

【0090】

なお、超硬合金部３１０が形成される際、基材３２０の一部も、熱源ビーム２５０により加熱されて溶融する場合がある。この場合、超硬合金部３１０は、混合粉末と基材３２０の成分とが混合した物質を含むことになる。このような場合であっても、混合粉末を更に供給することにより、超硬合金部３１０を所定の厚さ以上に積層すれば、その部分は、基材３２０の成分が溶け込まない領域となる。このようにして超硬合金部３１０を形成することにより、超硬合金部３１０の露出部分を、所望の硬さ及び熱伝導率を有する超硬合金で構成することができる。

【0091】

（ＷＣ系超硬合金部材）
ＷＣ系超硬合金部材の例としては、上述のように、基材と、基材の表面に形成された超硬合金部と、を含むものがある。超硬合金部は、ＷＣ系超硬合金で形成されたものであって、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなる。なお、超硬合金部は、膜状に形成されたものであってもよい。

【0092】

図３は、ＷＣ系超硬合金部材の一例を示したものである。

【0093】

本図においては、ＷＣ系超硬合金部材３００は、基材３２０の表面の一部が超硬合金部３１０で覆われた構成を有する。

【0094】

また、ＷＣ系超硬合金部材は、上述のような基材と一体となっているものから超硬合金部を分離したものであってもよい。分離の方法は、特に限定されない。この場合、ＷＣ系超硬合金部材は、基材を含まず、ＷＣ系超硬合金のみからなるものである。

【0095】

［硬度］
超硬合金部材の硬度は、例えば、ロックウェル硬さで４５ＨＲＣ以上であり、５０ＨＲＣ以上が好ましく、６０ＨＲＣ以上が更に好ましく、７０ＨＲＣ以上が特に好ましい。

【0096】

［硬さの測定方法］
硬さの測定方法としては、ロックウェル硬さ試験法を用いることができる。

【0097】

超硬合金部を切断し、その切断面をエメリー紙及びダイヤモンド砥粒を用いて鏡面まで研摩して、試験片とする。そして、室温にて、ロックウェル硬さ試験機によって初期荷重１０ｋｇｆ、２秒を負荷した後、荷重６０ｋｇｆ、保持時間４秒で硬さを測定する。測定は３回行い、３回の平均値を硬度とする。

【0098】

［熱伝導率］
熱伝導率は、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、好ましくは２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、更に好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、特に好ましくは４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。

【0099】

［熱伝導率の測定方法］
合金部材の熱伝導率の測定方法としては、熱拡散率α、密度ρ及び比熱ｃを測定し、以下の式（１）より熱伝導率λを求めることができる。

【0100】

λ＝α・ρ・ｃ …式（１）
熱拡散率は、Ｘｅフラッシュ法熱拡散率測定装置（Ｂｒｕｋｅｒ－ａｘｓ社製、型式：Ｎａｎｏｆｌａｓｈ ＬＦＡ４４７ ＮＥＴＺＳＣＨ）を用いて測定することができる。
例えば、熱拡散率の測定に用いたサンプル（試験片）をサイズは、９．５ｍｍ×９．５ｍｍ×１．５ｍｍであり、耐水エミリー紙で＃６００まで研磨し、スプレーでグラファイト微粉末を塗布して黒化処理を行ったものを試料として使用すればよい。

【0101】

比熱は、例えば、示差走査熱量分析（ＤＳＣ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ）を用いて測定することができる。

【0102】

［耐摩耗性の評価］
耐摩耗性は、摩擦摩耗試験機によって評価できる。例えば、ボールオンディスク、ピンオンディスク、ブロックオンリング、往復摺動試験などがある。

【0103】

これらの耐摩耗性評価試験においては、旋盤を用いることもできる。旋盤を用いれば、旋盤の回転力を利用して、回転する鋼片を試験片に接触させて摺動させ、一定数摺動した時の摩耗深さを測定し、評価することができる。このとき、鋼片が旋盤の回転軸に対して偏心して回転するようにするとよい。

【0104】

＜用途＞
本実施形態のＷＣ系超硬合金及びＷＣ系超硬合金部材は、高い熱伝導率及び高い耐摩耗性を両立するものである。したがって、例えば、切削工具や金型などの治工具、軸受け、摺動面のガイド、ギヤなどの耐摩耗部材に適用することができる。特に、超高張力鋼（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｅｅｌ）の成形するホットスタンプ用の金型に適用した場合、金型の熱伝導率向上により冷却時間が短縮されるメリットが大きく、生産性向上に寄与するために最適である。

【0105】

（ＷＣ系超硬合金部材の製造方法）
ＷＣ系超硬合金部材の製造方法としては、付加製造方法がある。以下、図２を用いて説明する。なお、以下の説明においては、予熱工程以外の工程をまとめて「付加製造工程」と呼ぶ場合がある。

【0106】

本図に示すように、基材３２０を用意し、必要に応じて予熱する（予熱工程）。

【0107】

つぎに、粉末供給部２１０から混合粉末製造装置１００に原料となる粉末を圧送する（原料粉末供給工程）。送られた粉末を混合粉末製造装置１００において混合して、混合粉末を調製する（混合粉末調製工程）。

【0108】

そして、ヘッド部２４０から基材３２０に向けて熱源ビーム２５０を照射するとともに、配管２３０を介してヘッド部２４０に送られた混合粉末を供給する（混合粉末供給工程）。混合粉末は、基材３２０の表面で溶融し、その後、熱源ビーム２５０の照射エネルギー量の調整又はヘッド部２４０の移動により、溶融した部分が凝固する（溶融凝固工程）。

【0109】

混合粉末供給工程及び溶融凝固工程を繰り返すことにより、所望の形状を有する超硬合金部材（符号３１０）を作製することができる。

【0110】

なお、混合粉末をあらかじめ基材３２０等の表面に配置し、熱源ビーム２５０を照射することにより混合粉末を溶融させた後、凝固させてもよい。また、混合粉末は、熱源ビーム２５０を照射するヘッド部２４０とは別に設けられた吐出部（混合粉末供給部）から供給してもよい。この場合、熱源ビーム２５０を照射する工程とは分けて、混合粉末を吐出部から供給する工程を「混合粉末供給工程」と呼んでもよい。

【0111】

混合粉末は、複数種類の原料粉末を混合したものであるが、本開示に係るＷＣ系超硬合金部材を製造するためには、混合粉末を構成する成分を平均した組成は、質量％で、１０％以上４０％以下のＣｏと、５％以上１５％以下のＣｕと、を含み、残部が、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種、並びにＷ、Ｂ、Ｃ及び不可避不純物からなるものとする。なお、混合粉末は、「ＷＣ系超硬合金作製用混合粉末」とも呼ぶ。

【0112】

基材３２０が不要な部材の場合は、超硬合金部３１０を切り出すなどして基材３２０から分離することにより、ＷＣ系超硬合金のみからなる部材を作製する。

【0113】

なお、原料粉末供給工程及び混合粉末調製工程は、事前に実施して、適切な混合粉末を準備しておいてもよい。このように混合粉末を準備することにより、超硬合金部３１０の作製時間を短縮することができる。

【0114】

以上が、ＷＣ系超硬合金粉末を用いて造形物全体を付加製造する方法の一例である。

【0115】

混合粉末供給工程及び溶融凝固工程を繰り返す工程は、造形物積層形成工程と呼んでもよい。

【0116】

上述の付加製造方法は、従来の液相焼結法に比べ、瞬時に、かつ、局所的な溶融・凝固で造形するため、造形時の自重による変形を抑制することができ、好ましい。

【0117】

本開示に係る付加製造方法は、上述のような熱源ビームを用いる方法に限定されるものではなく、例えば、レーザメタルデポジションなどの指向性エネルギー堆積方式、粉末床溶融結合方式、プラズマ粉体肉盛等を用いてもよい。

【0118】

上述の付加製造方法によれば、複数種類の粉末を所望の混合比で精確かつ迅速に混合しながら、付加製造をすることができる。

【0119】

なお、予熱工程は、基材を３５０℃以上の温度に予熱する工程であり、必要に応じて実施する。予熱は、例えば、高周波誘導加熱、ガスバーナー、赤外線電気ヒーター、加熱炉、電子ビームまたはレーザの照射等を用いて行うことができる。予熱工程においては、基材を５００℃以上の温度に予熱することが更に好ましく、７００℃以上の温度に予熱することが特に好ましい。また、予熱工程においては、自重による変形を防止する観点から、基材の温度を１３００℃以下とすることが好ましく、更に好ましくは１０００℃以下である。

【0120】

予熱工程において、基材を３５０℃以上の温度に予熱することで、次の付加製造工程において、ＷＣ系超硬合金造形体と基材との間の割れ、剥離の発生、造形部（超硬合金部３１０）の微小な亀裂の発生等を抑制することができる。具体的には、予熱工程において基材を一定の温度以上に予熱することで、付加製造工程において、付加製造時のＷＣ系超硬合金造形体及び基材の温度勾配が緩やかになり、熱応力による変形の抑制と残留応力の緩和が可能になる。また、予熱工程において基材を５００℃以上の温度に予熱することで、熱応力が更に緩和され、付加製造工程における割れ、剥離、亀裂等の発生を更に抑制することができる。

【0121】

また、得られたＷＣ系超硬合金部材に熱処理を施してもよい。例えば、１２００℃以上で０．５～１０時間程度の熱処理を施すことが好ましい。また、温度を１３００℃以上とするときは、不活性ガス雰囲気下又は真空にて熱処理を施すことが好ましい。また、温度を１２００℃以上とするときは、加圧処理、例えば、熱間等方圧加圧（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ：ＨＩＰ）を用いて熱処理することが好ましい。

【0122】

熱処理を施すことで、ＷＣ系超硬合金部材に含まれるＷ、Ｔｉ及びＣｏにＣを固溶させることができ、フリーカーボンを抑制することができる。これにより、比強度の向上も期待できる。また、６００℃～９００℃で１～２４時間の時効処理をしてもよい。もちろん、ＷＣ系超硬合金について上記熱処理を施してもよい。

【0123】

以下、実施例を用いて本開示の内容を更に具体的に説明する。なお、本開示は、これらの実施例に限定されるものではない。

【実施例】

【0124】

［ＷＣ系超硬合金部材（Ｎｏ．１～３）の作製］
原料粉末を混合し、溶融凝固させて、ＷＣ系超硬合金片部材を作製した。

【0125】

原料粉末としては、日本新金属株式会社製のＷＣ－Ｃｏ粉末、ＷＣ粉末及びＴｉＢ_２粉末並びにヒカリ素材工業株式会社製のＣｕ粉末を用いた。

【0126】

表１は、ＷＣ系超硬合金部材（試験片）を作製する際に用いた原料粉末の比率を示したものである。表中の数字の単位は、無次元である。

【0127】

表２は、作製したＷＣ系超硬合金部材（試験片）の組成を示したものである。表中の数字の単位は、質量％である。

【0128】

【表1】

【0129】

【表2】

【0130】

［造形条件］
付加製造方式としては、指向性エネルギー堆積方式を用いた。造形条件は、出力１８００Ｗ、走査速度８００ｍｍ／ｍｉｎとした。基材には、ＹＡＧ３００（日立金属株式会社製、ＹＡＧは日立金属株式会社の登録商標）を用いた。

【0131】

表１及び表２に示す実施例の試験片Ｎｏ．１～３について、ＥＰＭＡを用いて組織の分析を行った。試験片Ｎｏ．１～３はいずれも、合金組成Ｉに該当する。

【0132】

いずれの試験片についても、分析条件は、以下の通りである。
・装置名：ＥＰＭＡ－１６１０（株式会社島津製作所製）
・加速電圧：１５ｋＶ
・照射電流：１００ｎＡ
・Ｄａｔａ ｐоｉｎｔ（Ｘ：４００、Ｙ：４００）
・ビーム径：１μｍ
・計数時間：２０ｍｓｅｃ
［結果］
図４～図６に、ＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す。ＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果を示す図は、同一視野中に観察される元素の濃度が相対的に濃い箇所を有色、薄い箇所を黒色で示している。

【0133】

図４は、実施例の試験片Ｎｏ．１のＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す図である。

【0134】

本図においては、反射電子像４０２（ＢＥＩ）とともに、ホウ素４０４（Ｂ）、炭素４０６（Ｃ）、コバルト４０８（Ｃｏ）、銅４１０（Ｃｕ）、チタン４１２（Ｔｉ）及びタングステン４１４（Ｗ）の分布を示している。ここで、図４～６の左下（Ｗの横）に示すカラーバーは、バー上方にいくほど同一視野中に観察される元素の濃度が相対的に濃いことを示す。

【0135】

図４に示す通り、試験片Ｎｏ．１は、Ｗ、Ｔｉ及びＣが分布している箇所は重複している箇所が多く、それらの重複箇所は、第１の相（ＷＴｉＣ相）を構成しているものと考えられ、第１の相が構成されていることにより、硬さ及び耐酸化性の向上に寄与していると考えられる。また、Ｂ、Ｃｏ及びＷが分布している箇所が重複しており、Ｂ、Ｃｏ及びＷは化合物を形成して塊状に分布している、すなわち第２の相（ＷＢＣｏ相）を形成していると考えられる。また、Ｃｏについての元素マッピング分析の結果、有色具合が濃く、Ｃｏが濃化している箇所、すなわち第３の相（Ｃｏリッチ相）が形成されているとする結果を得た。また、Ｃｕは、Ｂの濃度が低い領域に多く分布していることがわかった。これらのＣｕは、熱伝導率の向上に寄与していると考えられる。また、Ｗ、Ｔｉ及びＣｏのいずれの分布とも重複しない箇所にＣが分布している領域があったが、固溶していないＣ（フリーカーボンとも呼ぶ。）が存在すると考えられる。フリーカーボンについては、例えば、１２５０℃で５時間熱処理を行うことで、Ｗ、Ｔｉ又はＣｏにＣを固溶させることができ、フリーカーボンを抑制することができる。これにより、部材の比強度の向上が期待できる。

【0136】

図５は、実施例の試験片Ｎｏ．２のＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す図である。

【0137】

本図においては、反射電子像５０２（ＢＥＩ）とともに、ホウ素５０４（Ｂ）、炭素５０６（Ｃ）、コバルト５０８（Ｃｏ）、銅５１０（Ｃｕ）、チタン５１２（Ｔｉ）及びタングステン５１４（Ｗ）の分布を示している。

【0138】

図６は、実施例の試験片Ｎｏ．３のＥＰＭＡによる元素マッピング分析結果及び反射電子像を示す図である。

【0139】

本図においては、反射電子像６０２（ＢＥＩ）とともに、ホウ素６０４（Ｂ）、炭素６０６（Ｃ）、コバルト６０８（Ｃｏ）、銅６１０（Ｃｕ）、チタン６１２（Ｔｉ）及びタングステン６１４（Ｗ）の分布を示している。

【0140】

図５及び図６についても、図４と同様、Ｗ、Ｔｉ及びＣが分布している箇所は重複している箇所が多く、それらの重複箇所は、第１の相（ＷＴｉＣ相）を構成しているものと考えられ、第１の相が構成されていることにより、硬さ及び耐酸化性の向上に寄与していると考えられる。また、Ｂ、Ｃｏ及びＷが分布している箇所が重複しており、Ｂ、Ｃｏ及びＷは化合物を形成して塊状に分布している、すなわち第２の相（ＷＢＣｏ相）を形成していると考えられる。また、Ｃｏについての元素マッピング分析の結果、有色具合が濃く、Ｃｏが濃化している箇所、すなわち第３の相（Ｃｏリッチ相）が形成されているとする結果を得た。また、Ｃｕは、Ｂの濃度が低い領域に多く分布していることがわかった。これらのＣｕは、熱伝導率の向上に寄与していると考えられる。また、Ｗ、Ｔｉ及びＣｏのいずれの分布とも重複しない箇所にＣが分布している領域があったが、固溶していないＣ（フリーカーボンとも呼ぶ。）が存在すると考えられる。フリーカーボンについては、例えば、１２５０℃で５時間熱処理を行うことで、Ｗ、Ｔｉ又はＣｏにＣを固溶させることができ、フリーカーボンを抑制することができる。これにより、部材の比強度の向上が期待できる。

【0141】

表３は、試験片Ｎｏ．１～３のそれぞれについて、第１の相の面積率の平均値を示したものである。

【0142】

本表に示すように、Ｎｏ．１よりもＮｏ．２、Ｎｏ．２よりもＮｏ．３の方が第１の相（Ｗ、Ｔｉ及びＣを含む相）の面積率が多い。すなわち、Ｔｉを多く含むほど、第１の相の面積率が増加することを確認した。面積率の平均値は、１２０μｍ×１２０μｍの測定視野にて３回測定し、算出した。

【0143】

【表3】

【0144】

表４は、試験片Ｎｏ．１～３のそれぞれについて、ロックウェル硬さ試験機を用いて硬さを測定した結果を示したものである。

【0145】

本表に示すように、Ｎｏ．１よりもＮｏ．２、Ｎｏ．２よりもＮｏ．３の硬さが高くなっている。すなわち、Ｔｉ及びＢを多く含むほど、硬度が高くなることがわかる。

【0146】

【表4】

【0147】

以下、熱伝導性の向上に寄与するＣｕについて、その濃度が変化することによって、本開示に係るＷＣ系超硬合金のもう一つの効果である耐摩耗性がどの程度変わるかを説明する。

【0148】

これを示すために、非特許文献１に記載されている分子動力学シミュレーションを本開示に係るＷＣ系超硬合金に適用して、非特許文献２の図２に示されているような応力－ひずみ曲線を作成した。そして、縦軸の応力が最大になるところまでの、グラフの曲線と横軸とグラフの最大値の点から横軸におろした直線で囲まれる面積によってせん断破壊エネルギーを算出した。

【0149】

図７は、上記の方法により算出したせん断破壊エネルギーとＣｕの濃度（質量基準）との関係を示すグラフである。図中、Ｎｏ．１を●印、Ｎｏ．２を■印、Ｎｏ．３を▲印で表している。

【0150】

また、Ｃｕの濃度を変化させた場合に合金に含まれる他の元素の割合は、Ｎｏ．１～３のそれぞれの組成を元にして、Ｃｕの濃度の変化分を比例配分により他の元素の濃度の変化分として設定している。また、Ｎｏ．１～３のそれぞれについて、Ｃｕの濃度がゼロである場合にせん断破壊エネルギーが１であるとして規格化した。

【0151】

本図から、Ｃｕの濃度が５％以上１５％以下では、せん断破壊エネルギーが、Ｃｕの濃度が５％未満の領域及び１５％を超える領域よりも顕著に高く、この濃度範囲にあることが有効であることがわかる。Ｃｕが５％未満の場合には、硬度は高いものの、せん断変形が進むと延びることができず、脆性的な破壊を示すためにせん断破壊エネルギーが低くなる。また、Ｃｕが１５％を超えると、低い応力で簡単に変形してしまうため、延びがあってもせん断破壊エネルギーが大きくならない。

【0152】

以上より、Ｃｕの濃度は、５％以上１５％以下であることが必要といえる。

【0153】

以上に説明したように、本開示によれば、高熱伝導性と高耐摩耗性に優れたＷＣ系超硬合金部材を製造可能なＷＣ系超硬合金粉末、ＷＣ系超硬合金部材及びＷＣ系超硬合金部材の製造方法を提供できることが示された。

【0154】

なお、本開示は上述の実施例に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない限り、本開示の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本開示の範囲内に含まれる。例えば、上述の実施例で例示した構成及び処理は、実装形態や処理効率に応じて適宜統合または分離してもよい。また、例えば、上述の実施例及び変形例は、矛盾しない範囲で、その一部または全部を組合わせてもよい。

【符号の説明】

【0155】

１００：混合粉末製造装置、１１０：混合部、１１２：大径部、１１４：小径部、１１６：空間、１２０、２３０：配管、１３２、１３４：粉末、１３８：混合粉末、２００：付加製造装置、２１０：粉末供給部、２２０：搬送ガス、２４０：ヘッド部、２５０：熱源ビーム、３００：ＷＣ系超硬合金部材、３１０：超硬合金部、３２０：基材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】