JP7694819B1 - 超硬合金 - Google Patents

Abstract

超硬合金は、複数の炭化タングステン粒子と、結合相と、を備える超硬合金であって、
前記超硬合金は、前記炭化タングステン粒子および前記結合相を合計で８９体積％以上含み、
前記超硬合金は、前記結合相を１．８体積％以上２０．０体積％以下含み、
前記結合相は、コバルトを含み、
前記超硬合金は、コバルトを１．０質量％以上含み、
前記結合相のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上である、超硬合金。

Description

本開示は、超硬合金に関する。

従来から、複数の炭化タングステン粒子と、結合相と、を備える超硬合金が、切削工具の素材に利用されている（特許文献１）。

特開２００４－１３１７６９号公報

本開示の超硬合金は、
複数の炭化タングステン粒子と、結合相と、を備える超硬合金であって、
該超硬合金は、該炭化タングステン粒子および該結合相を合計で８９体積％以上含み、
該超硬合金は、該結合相を１．８体積％以上２０．０体積％以下含み、
該結合相は、コバルトを含み、
該超硬合金は、コバルトを１．０質量％以上含み、
該結合相のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上である。

図１は、本開示の一実施形態の超硬合金の一断面を模式的に示す図である。

［本開示が解決しようとする課題］
近年、切削加工において被削材の難削化が進み、切削工具の使用条件は過酷になっている。このため、切削工具の基材として用いられる超硬合金に対しても種々の特性の向上が求められている。特に高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とする超硬合金が求められている。

そこで、本開示は、特に高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とする超硬合金を提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示によれば、特に高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とする超硬合金を提供することが可能である。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
（１）本開示の超硬合金は、
複数の炭化タングステン粒子と、結合相と、を備える超硬合金であって、
前記超硬合金は、前記炭化タングステン粒子および前記結合相を合計で８９体積％以上含み、
前記超硬合金は、前記結合相を１．８体積％以上２０．０体積％以下含み、
前記結合相は、コバルトを含み、
前記超硬合金は、コバルトを１．０質量％以上含み、
前記結合相のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上である。

本開示によれば、特に高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とする超硬合金を提供することができる。

（２）上記（１）において、前記結合相は、第１元素を更に含み、
前記第１元素は、珪素、リン、ゲルマニウム、スズ、レニウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、および白金からなる群より選択される少なくとも１種の元素であってもよい。これによって、特に高硬度材の切削加工においても、切削工具の工具寿命をより延長することを可能とする超硬合金を提供することができる。

（３）上記（２）において、前記結合相において、前記第１元素の質量Ｍ１およびコバルトの質量Ｍ２の合計Ｍ１＋Ｍ２に対する、前記第１元素の質量Ｍ１の百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００は、１％以上６％以下であってもよい。これによって、特に高硬度材の切削加工においても、切削工具の工具寿命をより延長することを可能とする超硬合金を提供することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の一実施形態（以下、「本実施形態」とも記す。）の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。

本開示において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。

本開示において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。

［実施形態１：超硬合金］
本開示の一実施形態に係る超硬合金について、図１を用いて説明する。
本開示の一実施形態（以下、「本実施形態」とも記す。）は、
複数の炭化タングステン粒子１と、結合相２と、を備える超硬合金３であって、
該超硬合金３は、該炭化タングステン粒子１および該結合相２を合計で８９体積％以上含み、
該超硬合金３は、該結合相２を１．８体積％以上２０．０体積％以下含み、
該結合相２は、コバルトを含み、
該超硬合金３は、コバルトを１．０質量％以上含み、
該結合相２のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上である。

本開示によれば、特に高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とする超硬合金３を提供することができる。その理由は、以下の通りと推察される。

本実施形態の超硬合金３は、複数の炭化タングステン粒子１（以下、「ＷＣ粒子１」とも記す。）と、結合相２と、を備え、超硬合金３のＷＣ粒子１および結合相２の合計含有率は８９体積％以上である。これによると、超硬合金３は高い硬度および強度を有し、該超硬合金３を用いた切削工具は、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有することができる。

実施形態１の超硬合金３は、結合相２を１．８体積％以上２０．０体積％以下含み、結合相２はコバルトを含み、該超硬合金３は、コバルトを１．０質量％以上含む。さらに、結合相２のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上であり、結合相２は、２５℃の条件下（言い換えれば、室温条件下）において、優れた硬度を有することができる。これによると、超硬合金３の硬度が向上し、該超硬合金３を用いた切削工具は、特に高硬度材の加工においても、優れた耐摩耗性を有することができる。

≪超硬合金の組成≫
超硬合金３は、炭化タングステン粒子１および結合相２を合計で８９体積％以上含む。これによって、超硬合金３の硬度を高めることができる。超硬合金３は、炭化タングステン粒子１および結合相２を合計で９０体積％以上含んでもよく、９１体積％以上含んでもよく、９２体積％以上含んでもよい。超硬合金３において、炭化タングステン粒子１および結合相２の合計含有率の上限は、例えば１００体積％以下であってもよく、９９体積％以下であってもよく、９８体積％以下であってもよい。超硬合金３は、炭化タングステン粒子１および結合相２を合計で９０体積％以上１００体積％以下含んでもよく、９１体積％以上１００体積％以下含んでもよく、９２体積％以上１００体積％以下含んでもよい。

超硬合金３は、結合相２を１．８体積％以上２０．０体積％以下含む。これによって、超硬合金３において、硬度および靱性を高めることができる。超硬合金３における結合相２の含有率の下限は、２．０体積％以上であってもよく、３．０体積％以上であってもよく、４．０体積％以上であってもよい。超硬合金３における結合相２の含有率の上限は、１９．０体積％以下であってもよく、１８．０体積％以下であってもよく、１７．０体積％以下であってもよい。超硬合金３は、結合相２を２．０体積％以上１９．０体積％以下含んでもよく、結合相２を３．０体積％以上１８．０体積％以下含んでもよく、結合相２を４．０体積％以上１７．０体積％以下含んでもよい。

実施形態１の超硬合金３は、複数の炭化タングステン粒子１と、結合相２とからなることができる。本実施形態の超硬合金３は、炭化タングステン粒子１および結合相２に加えて、他の相（図示なし）を含むことができる。他の相としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群より選択される少なくとも１つの第２元素を含む炭化物、窒化物または炭窒化物が挙げられる。他の相の組成は、例えば、ＴｉＣＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、Ｍｏ_２Ｃである。

実施形態１の超硬合金３は、炭化タングステン粒子１と、結合相２と、他の相とからなることができる。超硬合金３の他の相の含有率は、本開示の効果を損なわない範囲において許容される。例えば、超硬合金３の他の相の含有率は、０体積％超２０体積％以下であってもよく、０体積％超１８体積％以下であってもよく、０体積％超１６体積％以下であってもよい。この場合、超硬合金３の炭化タングステン粒子１および結合相２の合計含有率は、８０体積％以上１００体積％未満であってもよく、８２体積％以上１００体積％未満であってもよく、８４体積％以上１００体積％未満であってもよい。

実施形態１の超硬合金３は、不純物を含むことができる。該不純物としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）が挙げられる。超硬合金３の不純物の含有率は、本開示の効果を損なわない範囲において許容される。例えば、超硬合金３の不純物の含有率は、０質量％以上０．１質量％未満であってもよい。超硬合金３の不純物の含有率は、ＩＣＰ発光分析（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（測定装置：島津製作所「ＩＣＰＳ－８１００」（商標））により測定される。

超硬合金３における炭化タングステン粒子１の含有率［体積％］および超硬合金３における結合相２の含有率［体積％］の測定方法は以下の通りである。

（Ａ１）超硬合金３の任意の位置を切り出して断面を露出させる。該断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子社製）により鏡面加工する。

（Ｂ１）超硬合金３の鏡面加工面に対して、走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ－ＥＤＸ）によって分析を行い（装置：Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ社製の「Ｇｅｍｉｎｉ４５０」（商標））、超硬合金３に含まれる元素を特定する。

（Ｃ１）超硬合金３の鏡面加工面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影して反射電子像を得る。撮影画像の撮影領域は、超硬合金３の断面の中央部、すなわち、超硬合金３の表面近傍などバルク部分とは明らかに性状が異なる部分を含まない位置（撮像領域がすべて超硬合金３のバルク部分となる位置）に設定する。観察倍率は５０００倍である。測定条件は、加速電圧３ｋＶ、電流値２ｎＡ、ワーキングディスタンス（ＷＤ）５ｍｍである。

（Ｄ１）上記（Ｃ１）の撮影領域に対して、ＳＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＳＥＭ－ＥＤＸ）を用いて分析を行い、該撮影領域における上記（Ｂ１）で特定された元素の分布を特定し、元素マッピング像を得る。

（Ｅ１）上記（Ｃ１）で得られた反射電子像をコンピュータに取り込み、画像解析ソフトウェア（ＯｐｅｎＣＶ、ＳｃｉＰｙ）を用いて二値化処理を行う。二値化処理後の画像において、炭化タングステン粒子１は白色で示され、結合相２は灰色～黒色で示される。なお、二値化の閾値はコントラストにより変化するため、画像ごとに設定する。

（Ｆ１）上記（Ｄ１）で得られた元素マッピング像と上記（Ｅ１）で得られた二値化処理後の画像とを重ねることにより、該二値化処理後の画像上で炭化タングステン粒子１および結合相２のそれぞれの存在領域を特定する。具体的には、二値化処理後の画像において白色で示され、元素マッピング像においてタングステン（Ｗ）および炭素（Ｃ）の存在する領域が、炭化タングステン粒子１の存在領域に該当する。二値化処理後の画像において灰色～黒色で示され、元素マッピング像においてコバルト（Ｃｏ）の存在する領域が、結合相２の存在領域に該当する。

（Ｇ１）上記二値化処理後の画像中に、２４．９μｍ×１８．８μｍの矩形の１つの測定視野を設定する。上記画像解析ソフトウェアを用いて、該測定視野全体の面積を分母として炭化タングステン粒子１及び結合相２のそれぞれの面積百分率を測定する。

（Ｈ１）上記（Ｇ１）の測定を、５つの互いに重複しない異なる測定視野において行う。本明細書において、５つの測定視野における炭化タングステン粒子１の面積百分率の平均が、超硬合金３の炭化タングステン粒子１の含有率［体積％］に相当し、５つの測定視野における結合相２の面積百分率の平均が、超硬合金３の結合相２の含有率［体積％］に相当する。

超硬合金３が炭化タングステン粒子１および結合相２に加えて、他の相を含む場合は、超硬合金３の他の相の含有率は、超硬合金３全体（１００体積％）から、上記の手順で測定された炭化タングステン粒子１の含有率［体積％］および結合相２の含有率［体積％］を減ずることにより得ることができる。

出願人が測定した限りでは、同一の試料において測定する限りにおいては、超硬合金３の断面の切り出し箇所を任意に設定して、該断面上に上記（Ｃ１）に記載される撮影領域を任意に設定して、上記の手順に従い、超硬合金３の炭化タングステン粒子１の含有率および結合相２の含有率の測定を複数回行っても、測定結果のばらつきは少なく、恣意的にはならないことが確認された。

≪結合相≫
結合相２は、コバルトを含み、超硬合金３は、コバルトを１．０質量％以上含む。これによって、超硬合金３に優れた靱性を付与することができる。なお、結合相２は、コバルトを５０質量％以上含んでもよく、６０質量％以上含んでもよく、７０質量％以上含んでもよく、８０質量％以上含んでもよく、９０質量％以上含んでもよく、９５質量％以上含んでもよい。結合相２は、コバルトからなってもよい。また、結合相２は、コバルトおよび後述する第１元素からなってもよい。また、超硬合金３におけるコバルトは、結合相２にのみ存在してもよい。超硬合金３におけるコバルトの含有率の下限は、２．０質量％以上であってもよく、３．０質量％以上であってもよく、４．０質量％以上であってもよい。超硬合金３におけるコバルトの含有率の上限は、２０質量％以下であってもよく、１５質量％以下であってもよく、１２質量％以下であってもよく、１０質量％以下であってもよい。超硬合金３は、コバルトを１．０質量％以上２０質量％以下含んでもよく、コバルトを２．０質量％以上１５質量％以下含んでもよく、コバルトを３．０質量％以上１２質量％以下含んでもよい。

超硬合金３におけるコバルトの含有率の測定方法は、以下の通りである。先ず、上記の超硬合金３における炭化タングステン粒子１の含有率および結合相２の含有率の測定方法の（Ａ１）～（Ｃ１）と同様の方法で、撮影領域を設定する。次に、該撮影領域に対して、ＳＥＭ－ＥＤＸを用いて分析を行い、該撮影領域における上記（Ｂ１）で特定された元素の分布を特定し、元素マッピング像を得ると同時に、超硬合金３におけるコバルトの含有率を特定する。なお、「結合相２におけるコバルト含有率」の測定方法は、以下の通りである。先ず、上記の超硬合金３における炭化タングステン粒子１の含有率および結合相２の含有率の測定方法の（Ａ１）～（Ｆ１）と同様の方法で、二値化処理後の画像上で結合相２の存在領域を特定する。次に、結合相２の存在領域に対して、ＳＥＭ－ＥＤＸを用いて分析を行い、「結合相２におけるコバルト含有率」を測定する。また、「超硬合金３におけるコバルトは、結合相２にのみ存在すること」を特定する方法は、以下の通りである。先ず、上記の超硬合金３における炭化タングステン粒子１の含有率および結合相２の含有率の測定方法の（Ａ１）～（Ｆ１）と同様の方法で、二値化処理後の画像上で、炭化タングステン粒子１の存在領域および結合相２の存在領域を特定する。次に、元素マッピング像と、炭化タングステン粒子１の存在領域および結合相２の存在領域とに基づいて、「超硬合金３におけるコバルトは、結合相２にのみ存在すること」を特定する。

出願人が測定した限りでは、同一の試料において測定する限りにおいては、超硬合金３の断面の切り出し箇所、上記（Ｃ１）に記載される撮影領域を任意に設定して、上記の手順に従い、上記測定を複数回行っても、測定結果のばらつきは少なく、恣意的にはならないことが確認された。

結合相２は、第１元素を更に含み、該第１元素は、珪素、リン、ゲルマニウム、スズ、レニウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、および白金からなる群より選択される少なくとも１種の元素であってもよい。これによって、特に高硬度材の切削加工においても、切削工具の工具寿命をより延長することを可能とする超硬合金３を提供することができる。

超硬合金３における第１元素の含有率は、０．０１質量％以上１．０質量％以下であってもよい。これによって、結合相２は、より優れた硬度とより優れた靱性とを兼備することができる。なお、結合相２における第１元素の含有率は、５０質量％以下であってもよく、４０質量％以下であってもよく、３０質量％以下であってもよく、２０質量％以下であってもよく、１０質量％以下であってもよく、５質量％以下であってもよい。超硬合金３における第１元素は、結合相２にのみ存在してもよい。超硬合金３における第１元素の含有率の下限は、０．０１質量％以上であってもよく、０．０４質量％以上であってもよく、０．１質量％以上であってもよい。超硬合金３における第１元素の含有率の上限は、１．０質量％以下であってもよく、０．８質量％以下であってもよく、０．６質量％以下であってもよい。超硬合金３における第１元素の含有率は、０．０４質量％以上０．８質量％以下であってもよく、０．１質量％以上０．６質量％以下であってもよい。

超硬合金３における第１元素の含有率の測定方法は、以下の通りである。「コバルト」が「第１元素」に読み替えられる点を除いては、超硬合金３におけるコバルトの含有率の測定方法と同様の方法で実行される。なお、「結合相２における第１元素の含有率」の測定方法は、以下の通りである。「次に、・・・「結合相２における「コバルト」含有率」を測定する。」が「次に、・・・「結合相２における「第１元素」含有率」を測定する。」に読み替えられる点を除いては、「結合相２におけるコバルト含有率」の測定方法と同様の方法で実行される。また、「超硬合金３における第１元素は、結合相２にのみ存在すること」を特定する方法は、以下の通りである。「次に、・・・「超硬合金３における「コバルト」は、結合相２にのみ存在すること」を特定する。」が「次に、・・・「超硬合金３における「第１元素」は、結合相２にのみ存在すること」を特定する。」に読み替えられる点を除いては、「超硬合金３におけるコバルトは、結合相２にのみ存在すること」を特定する方法と同様の方法で実行される。

出願人が測定した限りでは、同一の試料において測定する限りにおいては、超硬合金３の断面の切り出し箇所、上記（Ｃ１）に記載される撮影領域を任意に設定して、上記の手順に従い、上記測定を複数回行っても、測定結果のばらつきは少なく、恣意的にはならないことが確認された。

結合相２において、第１元素の質量Ｍ１およびコバルトの質量Ｍ２の合計Ｍ１＋Ｍ２に対する、該第１元素の質量Ｍ１の百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００は、１％以上６％以下であってもよい。これによって、結合相２は、より優れた硬度とより優れた靱性とを兼備することができる為、特に高硬度材の切削加工においても、切削工具の工具寿命をより延長することを可能とする超硬合金３を提供することができる。ここで、第１元素の質量Ｍ１は、結合相が２種類以上の第１元素を含む場合は、全ての種類の第１元素の合計質量を意味する。該百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００の下限は、１％以上であってもよく、２％以上であってもよく、３％以上であってもよい。該百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００の上限は、６％以下であってもよく、５％以下であってもよく、４％以下であってもよい。該百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００は、２％以上５％以下であってもよく、３％以上４％以下であってもよい。

上記百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００の測定方法は、以下の通りである。上記の超硬合金３における炭化タングステン粒子１の含有率および結合相２の含有率の測定方法の（Ａ１）～（Ｆ１）と同様の方法で、二値化処理後の画像上で結合相２の存在領域を特定する。結合相２の存在領域に対して、ＳＥＭ－ＥＤＸを用いて分析を行い、結合相２におけるコバルト含有率および第１元素含有率を測定し、これらに基づき、百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００を算出する。上記の測定を、５つの互いに重複しない異なる測定視野において行う。本明細書において、５つの測定視野における百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００の平均が、結合相２における「百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００」に相当する。

出願人が測定した限りでは、同一の試料において測定する限りにおいては、超硬合金３の断面の切り出し箇所、上記（Ｃ１）に記載される撮影領域を任意に設定して、上記の手順に従い、百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００の測定を複数回行っても、測定結果のばらつきは少なく、恣意的にはならないことが確認された。

＜結合相の硬度＞
結合相２のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上である。これによって、結合相２は、２５℃の条件下（言い換えれば、室温条件下）において、優れた硬度を有することができる。該硬度の下限は、７．１ＧＰａ以上であってもよく、７．２ＧＰａ以上であってもよく、７．４ＧＰａ以上であってもよい。該硬度の上限は、９ＧＰａ以下であってもよく、８．５ＧＰａ以下であってもよく、８ＧＰａ以下であってもよい。該硬度は、７．０ＧＰａ以上９ＧＰａ以下であってもよく、７．１ＧＰａ以上８．５ＧＰａ以下であってもよく、７．２ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であってもよい。

結合相２のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、ナノインデンター法（Ｂｒｕｋｅｒ社製の「Ｈｙｓｉｔｒｏｎ ＴＩ ９８０ トライボインデンター」）により測定される。該ナノインデンター法は、ＩＳＯ１４５７７に準拠した方法で、測定荷重は０．５ｍＮであり、負荷時間は０．１秒であり、荷重保持時間は０．１秒であり、除荷時間は０．１秒である条件下で実行される。測定対象は、クロスセッションポリッシャ（ＣＰ）加工装置（日本電子株式会社製の「ＩＢ－１９５００ＣＰ 断面試料作製装置」（商標））を用いて、超硬合金３の表面を研磨することにより露出させた任意の計１０個の結合相２のそれぞれである。計１０個の結合相２のそれぞれの硬度の平均値を、上記「結合相２の硬度」とする。

出願人が測定した限りでは、同一の試料において測定する限りにおいては、１０個の結合相２を任意に設定して、結合相２の硬度の測定を複数回行っても、測定結果のばらつきは少なく、恣意的にはならないことが確認された。

≪炭化タングステン粒子≫
実施形態１において、炭化タングステン粒子１は、「純粋なＷＣ粒子（不純物元素が一切含有されないＷＣ、不純物元素の含有量が検出限界未満であるＷＣも含む。）」および「本開示の効果を損なわない限りにおいて、その内部に不純物元素が意図的あるいは不可避的に含有されるＷＣ粒子」の少なくともいずれかを含む。炭化タングステン粒子の不純物の含有率（不純物を構成する元素が２種類以上の場合は、それらの合計含有率）は、０．１質量％未満である。炭化タングステン粒子の不純物元素の含有率は、ＩＣＰ発光分析（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、測定装置：株式会社島津製作所製の「ＩＣＰＳ－８１００」（商標））により測定される。

実施形態１において、炭化タングステン粒子１の平均粒径は特に制限されない。炭化タングステン粒子１の平均粒径は、例えば、０．５μｍ以上３μｍ以下とすることができる。実施形態１の超硬合金３は、炭化タングステン粒子１の平均粒径によらず、長い工具寿命を有することができることが確認されている。

≪超硬合金の用途≫
本実施形態の超硬合金３は、切削工具に用いられ得る。該切削工具としては、例えば、汎用加工用の切削工具が挙げられる。より具体的には、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等の切削工具が挙げられる。

［実施形態２：超硬合金の製造方法］
本実施形態の超硬合金は、原料粉末の準備工程、混合工程、成型工程、焼結工程、冷却工程およびＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ：熱間等方圧加圧法）工程を前記の順で行うことにより製造することができる。以下、各工程について説明する。

＜準備工程＞
準備工程は、超硬合金を構成する材料の原料粉末を準備する工程である。原料粉末としては、炭化タングステン粉末（以下、「ＷＣ粉末」とも記す）およびコバルト（Ｃｏ）粉末が挙げられる。これらの原料粉末に加えて、第１元素粉末、炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末、炭化タンタル（ＴａＣ）粉末、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）粉末、および炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）粉末などを準備することができる。これらの原料粉末は、市販のものを用いることができる。これらの原料粉末の平均粒径は特に制限されず、例えば、０．５～２μｍとすることができる。原料粉末の平均粒径とは、ＦＳＳＳ（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｕｂ－Ｓｉｅｖｅ Ｓｉｚｅｒ）法により測定される平均粒径を意味する。該平均粒径は、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製の「Ｓｕｂ－Ｓｉｅｖｅ Ｓｉｚｅｒ モデル９５」（商標）を用いて測定される。

＜混合工程＞
混合工程は、準備工程で準備した各原料粉末を所定の割合で混合する工程である。混合工程により、各原料粉末が混合された混合粉末が得られる。各原料粉末の混合割合は、狙いとする超硬合金の組成に応じて適宜調整する。原料粉末として第１元素粉末を用いてもよい。これによって、第１元素が結合相中に十分に固溶される関係で、超硬合金に対し、所望の「結合相のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度」をより備えさせ易くなる。炭化タングステン粒子の含有率と結合相の含有率との合計を所望の範囲内とする観点で、混合粉末において、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、および第１元素粉末以外の粉末の合計含有率は、５質量％未満であってもよい。各原料粉末の仕込量を適宜調整することにより、結合相の含有率とＷＣ粒子の含有率とのそれぞれを所望の範囲内とすることができる。

各原料粉末の混合は、アトライター、ボールミル、およびビーズミル等の従来公知の混合方法を用いることができる。混合条件も従来公知の条件を用いることができる。混合時間は、例えば、２時間以上２０時間以下とすることができる。

混合工程の後、必要に応じて混合粉末を造粒してもよい。混合粉末を造粒することで、後述する成形工程の際にダイまたは金型へ混合粉末を充填し易い。造粒には、公知の造粒方法が適用でき、例えば、スプレードライヤー等の市販の造粒機を用いることができる。

＜成形工程＞
成形工程は、混合工程で得られた混合粉末を切削工具用の形状に成形して、成形体を得る工程である。成形工程における成形方法および成形条件は、一般的な方法および条件を採用すればよく、特に制限されない。

＜焼結工程＞
焼結工程は、成形工程で得られた成形体を焼結して、超硬合金中間体を得る工程である。本実施形態における焼結条件は、以下の通りである。成形体を１３６０℃まで加熱して、１３６０℃で１時間保持する。

＜冷却工程＞
冷却工程は、焼結工程後の超硬合金中間体を冷却する工程である。より具体的には、超硬合金中間体を８００℃まで冷却する（以下、「第１冷却」とも記す）。第１冷却の冷却速度は、例えば２０℃／分である。

＜ＨＩＰ工程＞
ＨＩＰ工程は、冷却工程後の超硬合金中間体に対して、ＨＩＰ処理を行う工程である。本実施形態におけるＨＩＰ工程の条件は、以下の通りである。超硬合金中間体を、圧力が１００ＭＰａである条件下で、２時間保持する。これによって、実施形態１の超硬合金を得ることができる。

＜本実施形態の超硬合金の製造方法の特徴＞
本実施形態において焼結工程は、成形体を１３６０℃まで加熱して、１３６０℃で１時間保持することにより実行される。さらに、冷却工程は、８００℃までの冷却速度を２０℃／分とすることにより実行される。さらに、ＨＩＰ工程は、圧力が１００ＭＰａであり、且つ時間が２時間である条件下で実行される。これらの工程によって、該結合相のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．０ＧＰａ以上である、超硬合金を製造することができる。このような焼結条件、冷却工程、およびＨＩＰ工程によって、本開示の超硬合金を実現できることは、本発明者らが鋭意検討の結果、新たに見いだしたものである。

［付記１］
実施形態１の超硬合金において、ナノインデンター法は、ＩＳＯ１４５７７に準拠した方法で、測定荷重は０．５ｍＮであり、負荷時間は０．１秒であり、荷重保持時間は０．１秒であり、除荷時間は０．１秒である条件下で実行され得る。

本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。

≪超硬合金の作製≫
以下の様にして、試料１～１９、１０１～１１４に係る超硬合金を作製した。

＜準備工程＞
原料粉末として、ＷＣ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｃｏ粉末（平均粒径：１μｍ）、第１元素粉末、およびＴｉＣＮ粉末（平均粒径：１μｍ）を準備した。第１元素粉末としては、Ｓｉ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｇｅ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｓｎ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｏｓ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｉｒ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｐｔ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｐ粉末（平均粒径：１μｍ）、Ｒｅ粉末（平均粒径：１μｍ）、およびＲｕ粉末（平均粒径：１μｍ）を準備した。

＜混合工程＞
各原料粉末を表１および表２に記載の割合で、アトライターを用いて１０時間混合することにより、混合粉末を得た。

＜成形工程＞
混合粉末をプレス成形あるいは押出成形することにより、丸棒形状の成形体を得た。

＜焼結工程＞
成形体を、表１および表２に記載の温度まで加熱して、該温度の状態で表１および表２に記載の保持時間の間保持することにより、超硬合金中間体を得た。

＜冷却工程＞
超硬合金中間体を、表１および表２に記載の冷却速度で８００℃まで冷却した。

＜ＨＩＰ工程＞
冷却工程後の超硬合金中間体に対して、表１および表２に記載の条件でＨＩＰ処理を実行することにより、超硬合金を得た。

以上の手順によって、試料１～１９、１０１～１１４に係る超硬合金を作製した。

≪超硬合金の特性評価≫
＜炭化タングステン粒子の含有率＞
各試料に係る超硬合金について、炭化タングステン粒子の含有率を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を、表３および表４の「ＷＣ粒子の含有率［体積％］」の欄に記す。なお、表３および表４の「ＷＣ粒子の含有率［体積％］」の欄に「残」と記載されていることは、炭化タングステン粒子の含有率が、表３および表４の「合計［体積％］」の欄に記載された数値から、表３および表４の「結合相の含有率［体積％］」の欄に記載された数値を減ずることによって求められる数値と等しい数値であることを意味する。

＜結合相の含有率＞
各試料に係る超硬合金について、結合相の含有率を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を、表３および表４の「結合相の含有率［体積％］」の欄に記す。

＜結合相の硬度＞
各試料に係る超硬合金について、結合相の硬度を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を、表３および表４の「結合相の硬度［ＧＰａ］」の欄に記す。

＜超硬合金におけるコバルトの含有率＞
各試料に係る超硬合金について、超硬合金におけるコバルトの含有率を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を、表３および表４の「Ｃｏ含有率［質量％］」の欄に記す。なお、各試料に係る超硬合金について、「超硬合金３におけるコバルトは、結合相２にのみ存在すること」が、実施形態１に記載の方法により確認された。

＜超硬合金における第１元素の含有率＞
各試料に係る超硬合金について、超硬合金における第１元素の含有率を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を、表３および表４の「第１元素含有率［質量％］」の欄に記す。なお、各試料に係る超硬合金について、「第１元素含有率［質量％］」が０質量％でない場合において、「超硬合金３における第１元素は、結合相２にのみ存在すること」が、実施形態１に記載の方法により確認された。

＜｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００＞
各試料に係る超硬合金について、｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を、表３および表４の「｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００［％］」の欄に記す。

≪切削試験≫
先ず、各試料に係る超硬合金からなる丸棒を加工することによって、各試料に係る切削工具として、刃径φ６ｍｍのエンドミル（ＧＳＸＢ２００００型）を３つずつ作製した。次に、各試料のエンドミルを用いて、以下の切削条件にて切削を行い、該エンドミルに０．０５ｍｍの摩耗が生じるまでの切削距離を測定した。各試料に関し、３つのエンドミルのそれぞれの切削距離の平均値を算出することによって、切削長を得た。得られた結果をそれぞれ表３および表４の「切削長［ｍ］」の欄に記す。なお、切削長が長いもの程、工具寿命が長いことを示す。
＜切削条件＞
被削材：ＳＫＤ５１（高硬度材）
切削速度Ｖｃ：１８０ｍ／分
１刃当たりの送りＦｚ：０．１５ｍｍ／ｔ
切込み深さＡｐ：０．５ｍｍ
切削液：あり（Ｗｅｔ）
上記の切削条件は、高硬度材の切削加工に該当する。

試料１～１１、１３～１９に係る超硬合金は実施例に該当する。試料１０１～１１４に係る超硬合金は比較例に該当する。試料１２に係る超硬合金は参考例に該当する。表３および表４の結果から、試料１～１１、１３～１９に係る超硬合金は、試料１０１～１１４に係る超硬合金に比して、高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とすることが分かった。

以上により、試料１～１１、１３～１９に係る超硬合金は、高硬度材の切削加工用の切削工具の材料として用いられた場合においても、工具の長寿命化を可能とすることが分かった。

以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 炭化タングステン粒子、２ 結合相、３ 超硬合金

Claims (3)

1. 複数の炭化タングステン粒子と、結合相と、を備える超硬合金であって、
   前記超硬合金は、前記炭化タングステン粒子および前記結合相を合計で８９体積％以上含み、
   前記超硬合金は、前記結合相を１．８体積％以上２０．０体積％以下含み、
   前記結合相は、コバルトを含み、
   前記超硬合金は、コバルトを１．０質量％以上含み、
   前記結合相のナノインデンター法で測定される２５℃での硬度は、７．１ＧＰａ以上８ＧＰａ以下である、超硬合金。
2. 前記結合相は、第１元素を更に含み、
   前記第１元素は、珪素、リン、ゲルマニウム、スズ、レニウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、および白金からなる群より選択される少なくとも１種の元素である、請求項１に記載の超硬合金。
3. 前記結合相において、前記第１元素の質量Ｍ１およびコバルトの質量Ｍ２の合計Ｍ１＋Ｍ２に対する、前記第１元素の質量Ｍ１の百分率｛Ｍ１／（Ｍ１＋Ｍ２）｝×１００は、１％以上６％以下である、請求項２に記載の超硬合金。

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