JPH0297640A

JPH0297640A - 精密金型用超硬合金及び精密金型用被覆超硬合金

Info

Publication number: JPH0297640A
Application number: JP24964088A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Saito; 斉藤　豪; Shunji Ozoe; 尾添　俊二; Mitsuo Ueki; 植木　光生; Keiichi Kobori; 小堀　景一
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1988-10-03
Publication date: 1990-04-10
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPH0635638B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、主としてガラスやプラスチックを被加工材料
とする精密金型用超硬合金に関し、具体的には、例えば
光学機器、映像機器、音響機器及び事務機器分野で用い
られているレンズ、特に非球面レンズ用の金型、コンパ
クトディスク（ＣＤ）やピディオディスク（ＶＤ）など
のディスク用の金型、プリズム用の金型などに適する精
密金型用超硬合金及び精密金ヘリ用被覆超硬合金に関す
るものである。

（従来の技術）般に、精密金型用材料は、研磨仕トした時の鏡面性、被
加工材料に対する耐食性、耐摩耗性、熱伝導性及び耐欠
損性などの特性にすぐれていることが必要である。この
精密金１〒１用材料は。

ガラスな被加■゛材料とする場合と、プラスチックを披
加Ｃ材料とする場合では、その必要とする２特性が少し
異なるけれども、一般にはガラス成形にすぐれたｆ＋’
ｌ密合堅川材料用プラスチック成形にも充分にすぐれて
いるものである。

従来、精密金型用材料としては、１３クロム鋼などのス
テンレス鋼系の材料が使用されてきたが、被加工材料の
高品質化、成形加Ｔ速度の高速化又は成形加「温度の高
温化などが図られるようになる番こ従い、金型の鏡面性
、被加−Ｌ材料との離型性、金型自体の耐酸化性、　ｉ
、＋摩耗性などが問題とされている。このような問題点
を解決しようとして提案されている代表的なものとして
、特開昭６０８６０４）す公・服及び特開昭６０−１３
５５０２号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点）特開昭６０−８６０４）号公報には、タンゲスデンカ−
バイトが８０宵Ｌ％以計−の主成分であることを特徴と
する光学ガラスレンズの直接プレス成形用ＩＱＩ材料が
示されている。この特開昭６０−　８６０４）号公報の
発明は、タングステンカーバイドが８０ｗＬ％以１・含
イｆしていると光字ガラスレンズ成形用型材料としてす
ぐれているというものであるけれども、例えば、従来か
ら金型などの耐摩耗工具用超硬合金として天川化されて
いる４〜２０ｗＬ％Ｃｏ　−８０〜ｇ５ｗし％ＷＣ組成
の超硬合金を光学ガラスレンズ成形用型材料として用い
ても２鏡而性、耐食性及び離型性からステンレス鋼系の
材料と同程度の効果しか期待できないという問題がある
６特開昭６０−１３５５０２号公報には、ＷＣ，’ｒｉＣ
。

ＣｒＪＣ，、ＴａＣ，ＺｒＣ，ＶＣ，ＭｏａＣ，ＮｂＣ
，Ｔｉｅ、　ＴａＮ。

ＺｒＮ、ＶＮのうちの少なくとも１種を含む粉末８０〜
９５　ｆ（ｊ　Ｉｉｊ％にバインダーとしてＮ１及び／
又はｌｌｉ＋ｃｒ５〜２０％を含み、焼結後、高温静水
圧処理（ＩＩＩＰ処理）を施してなるガラスレンズ成形
のための金１％ｆｊ材が示されている。この特開昭６０
−１３５５０２３５５０２号公報ＷＣを含む炭化物、窒
化物とＮ１又はＮｉ＋Ｃｒの結合相とからなるガラス成
形用金型材であって、ｉＭ宋の’ｆｔｃ−Ｃｏ系超硬合
金に比べて−・１食性、１Ｍ　’Ｔｒｉ性及び被加Ｙ二
物であるレンズの表面精度がすぐれ−Ｃいるというもの
であるけれども１例えばＷＣ−Ｎｉ合金の場合（ま耐食
性及び耐離塑性から満足できる効果を発揮できなく　、
　ＷＣ−Ｎｉ　−Ｃｒ合金の場合は製造時にＭ７Ｃ３（
Ｍは合金中の金属元素）を炭化物などの脆性な異相が生
じやすくて工業化し難いという問題がある。

本発明は、ｌ、述のような問題点を解決したもので、具
体的には、　Ｃｏ及び／又はＮ１の晴に対する炭化クロ
ムの晴を調整してなる結合相と微粒の炭化タングステン
とからなる鏡面性、耐食性及び耐欠損性のすぐれたＦ１
’！　’、’！金型用超硬合金、及びその合金の表面に
金属、合金、ダイヤモンド及び各種のセラミックスの中
の少なくとも１種の被膜を形成した精密金望用被葭超硬
合金の提供を［１的とするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明者らは、ガラスやプラスチックを成形して、例え
ば非球面レンズやＣＤなどを得るための１ｌ１１密金Ｊ
ジノ料として最適な超硬合金について検、ｉ−ｊ　Ｌ。

でいた所、まず、精密金型材としては、高温トでガラスやプラスチ
ックの被加圧材との耐溶着性にすぐれていること、被加
圧材に対］”る化学的安定性及び血・）食性にすぐれて
いること、鏡面むらのない鏡面性１性にすぐれているこ
と、並びに強度及び硬度が高くて耐酸化性にすぐれてい
るはど精密金型材に適するという第１の知見を得たもの
である。

次に、超硬合金中に生じる欠陥は、鏡面むらや強度低下
の原因になるもので、この欠陥の内、粗粉炭化物、炭化
物凝集体又は結合相ブールでなる欠陥は、微細ＶＣ粒で
なる超硬合金中には発生し難いものである。微細ＶＣ粒
でなる超硬合金を作製する場合には、焼結ｎηの混合粉
末の状態で粗粒ＷＣを極力少なくすることが必要である
が、そのような場合でも焼結工程中のＷＣ粒子の結合相
中への溶解、析出による粒成長が起り、結果的に異常成
長したＷＣ粒子が生じ易い。そのため粒成長抑制剤の添
加が必要不可欠であり、一般に微粒超硬合金に対しては
炭化バナジウムの単独添加、炭化クロムと炭化タンタル
の複合添加などが行われているにのような超硬合金を精
密金型に応用することが有利とまず考えられる。そこで
粒成長抑制効果。

合金の耐欠損性の観点から上記粒成長抑制剤を単独又は
複合添加した場合の合金特性を詳細に調べた結果、耐食
効果にすぐれる炭化クロムを一定量単独で添加し、しか
も添加した炭化クロムをすべて結合相に固溶させた合金
は１粒成長が十分に抑制され、耐欠損性を表わす尺度で
ある破壊靭性値にもすぐれるという第２の知見を得たも
のである。

また、Ｃｏ及び／又は旧に炭化クロムを一定量単独で添
加し、しかも添加した炭化クロムをすべて結合相に固溶
させてなる炭化タングステン−結合相超硬合金は、ガラ
スやプラスチックとの耐溶着性にすぐれており、ガラス
やプラスチックに対する化学的安定性及び耐食性にもす
ぐれているという第３の知見を得たものである。

さらに、耐食性、耐欠損性、耐溶着性にすぐれていて、
しかも鏡面むらの著しく少ない超硬合金の表面に金属１
合金、ダイヤモンド又は各種のセラミックスの被膜を形
成してなる被覆超硬合金は、超硬合金の表面状態が被膜
に転写されるような状態になるためにすぐれた被膜表面
状態になること、及び超硬合金と被膜との相剰効果でも
って精密金型用材料として適しているという第４の知見
を得たものである。

以上、第１．２．３及び４の知見に基づいて本発明を完
成するに至ったものである。

すなわち、本発明の精密金型用超硬合金は、３〜２０ｗ
Ｌ％のＣｏ及び／又はＮｉと該Ｃｏ及び／又はＮ１の量
に対し３〜ｌＯｗＬ％の炭化クロムとでなる結合相と、
残り乎均粒径０．８μｍ以下の炭化タングステンと不可
避不純物とでなることを特徴とするものである。

本発明のｙ１１密金型金型硬合金における結合相は、Ｃ
ｏ−Ｃｒ−Ｃ、Ｎ１−Ｃｒ−Ｃ又はＣｏ　−Ｎｉ　−Ｃ
ｒ　−Ｃからなっており、実質的には炭化タングステン
が微晴結合相中に溶解してＣｏ　−Ｃｒ−■−Ｃ，Ｎｉ
−Ｃｒ−■−Ｃ又はＣｏ　−Ｎｉ　−Ｃｒ　−■−Ｃか
らなっているもので、この結合相の主成分であるＣｏ及
び／又はＮｉが３ｗＬ％未満になると、緻密化が不充分
になり、靭性が不足し、耐欠損性を劣化させる。逆に、
Ｃｏ及び／又はＮ１が２０Ｗシ％を超えて多くなると、
硬さが低下し、耐摩耗性が劣下する。従って、Ｃｏ及び
／又は旧は、３ｗＬ％以−Ｅから２０ｗＬ％以下と定め
たものである。

また、結合相中の炭化クロムがＣｏ及び／又はＮｉの１
に対し３ｗＬ％未満では、■Ｃ粒成長抑制効果の低下に
より、粗粒肛が生成し、研磨加工後の鏡面性が劣化する
。逆に、炭化クロムがＣｏ及び／又はＮｉの晴に対しｌ
０ｗｔ％を超えて多くなると、Ｃｏ及び／又はＮｉ中に
固溶しきれな（なり、炭化クロム又はＭ、Ｃａ（Ｍは合
金中の金属元素）Ｆ！！の炭化物が析出し２鏡面性及び
耐欠損性を低下させる。従って、炭化クロム…はＣｏ及
び／又はＮ　ｉ　ｉｔに対して３〜１０ｗｔ％と定めた
ものである。

本発明の精密金型用超硬合金は、合金にすぐれた鏡面性
及び耐欠損性を付！テするために、炭化クロムを結合相
中に固溶させるのであるが、この時合金炭素量は、超硬
合金中に遊離成木又はＣｏａＷｉＣで表わされるη相な
どが出現しない健全相領域内の炭Ｚｍに制御しなければ
ならないことはもとより、さらに合金中の炭素量が健全
相領域内であっても、高炭素側に偏ると、炭化クロムの
結合相中への固溶が抑制されるので１合金炭素用は健全
相領域内の低炭素側に制御することが好ましい。すなわ
ち、低炭素合金の目安として、Ｘ線回折による結合相の
格子定数が３．５５８Å以上から３．５６９Å以下にあ
ることが好ましいことである。−層好ましいのは、　Ｃ
ｏ及び／又はＮ　ｉ　ｌｄに対する炭化クロム９が３ｗ
ｔ％のときはＸ　線回折による結合相の格子定数が３，
５６１Å〜３．５６９人にあり、Ｃｏ及び／又はＮ　ｉ
　Ｂｌに対する炭化クロム量がｌｏｗＬ％のときはＸ線
回折による結合相の格子定数が３．５５８　　Å〜３５
６１　人にあることである。これらのことを縦軸が結合
相格子定数、横軸がＣｏ及び／又はＮｉ晴に対１−る炭
化クロム量で表わした第１図を用いて、さらに具体的に
説明すると、第１図中の Δ（３ｗｔ％　Ｃｒ３Ｃ−、３，５６９人）１：’：（
３ｗｔ％　Ｃｒ３ら、　３．５５４　人）Ｆ　［ｌ０ｗ
ｔ％　Ｃｒ、Ｃ２，３，５５５人）Ｄ　（ＩＯｗＬ％Ｃ
ｒｚＣａ、　３．５６１　人）の各点で囲まれたΔ、　
　［：、、　ｌ’、　Ｉ）の範囲が本発明の範囲におけ
る健全相領域を示し、この範囲の内、点Δ。

［３（３ｗＬ％　Ｃｒ＝Ｃ，、３，５６１人）Ｃ（１ｏ
ｓｔ％Ｃｒｓら、　３．５５８人）、Ｉ）の各点で囲ま
れたΔ、Ｂ、Ｃ，Ｄの斜線を施した範囲が一層好ましい
領域を示しているものである。

また粗粒■Ｃの生成を制御し鏡面性を高めるという炭化
クロム添加の効果を最大限に発揮させるためには１合金
中における不可避不純物量なり１＠する必要がある。合
金中の不可避不純物は、出発原料中に金石しているか又
は製造り作中に混入してくるものであるが、主として出
発原料中に含有している不可避不純物にＣａ、Ｓ、　Ｓ
ｉ、Ａｌ及びＭｇなどがある。これらのＣａ、　Ｓ、　
Ｓｉ、Ａ℃及びＭｇの不可避不純物は、焼結−Ｌ作中で
酸化物や硫化物を形成して、鏡面性及びｉ−１欠損性を
低下させる原因になる。そこで、これらのＣａ、　Ｓ、
　Ｓｉ、＾β及びＭｇは合金中にそれぞれ０．００１　
ｗｔ％以下に押えることが好ましいことである。

本発明の精密金型用超硬合金は、次のようなｈ法により
製造することができる。まず、出発原料としてのＷＣは
、甲・均粒度が１．０μｍ以ドのできるだけ均粒・微細
な粉末を用いるのが粗粒ＷＣを発生させないために好ま
しいものである。

これらのＷＣ粉末と他の出発原料粉末を用いて。

湿式混合・粉砕、乾燥、成形、焼結などを行う−「稈は
、従来の方法で良いが、焼結後超硬合金中に残存する微
小ボアを消滅させるために、１１１Ｐ処理を行うことは
必要不６Ｉ欠である。

以ｌ二に説明した本発明の超硬合金の表面に、例λば従
来から行われているような物理蒸着法１ＰＶＤ法）や化
″′？蒸着法ｆｃＶＩｌ法）でもって、被膜を形成して
ｆ＋″ｌ密金型出金型用被覆超硬合金ことは層好ましい
ことである。

本発明の精密金型用被覆超硬合金における被膜は１例え
ば周期律表４ａｆＴｉ、　７ｒ、ＩＩｆ）５ａ　ｔＬ　
Ｎｂ、　Ｔａ）　、　５ａ　ＩＣｒ、　ｌＪｏ、　ＷＣ
の金属及びＲｕ。

Ｏｓ　　Ｒｈ、　　Ｉｒ、　Ｐｄ、　ＰＣ，ＡＳＨ，Ａ
ｕなとの金属。

Ｖ　−Ｃｒ、　　Ｗ−Ｃｒ、　　Ｍｏ　　Ｃｒなどの合
金、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、８ｒ方品
窒化ホウム、硬質窒化ホウ奏、窒化ケイ素、炭化ケイふ
。

酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニ
ウム、周期（７表４ａ、　５ａ、　６ａ族金属の炭化物
。

窒化物、酸化物、ホウ化物、硫化物及びこれらの相ｌ′
Ｌ固溶体の中の少なくとも１種の単層又は多重層でなる
ものである。この被膜厚さは、被加丁材料を含めた使用
条件と被膜の材質により選定する必要があり、例えば金
属や合金の場合には０．５７１　ｍ〜５０μｍの厚さ、
ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボンやセラミックス
の場合又はこれらを含んだ多ｉｎ層でなる場合には０．
１　μｍ−２０μｍの厚さが好ましいものである。

（作用）本発明の精密金型用超硬合金は、炭化タングステンの硬
質相と、炭化クロムを固溶してなるＣ。

及び／又はＮｉの結合相とからなるもので、結合相中に
固溶している炭化クロムが焼結工程中での炭化タングス
テンの粒成長を抑制する作用をし、鏡面性を高めるとと
もに、１１食性を向上させ、さらに焼結後結合相を強化
して耐欠損性を高めるなど聞出金型に適した特性な超硬
合金に付与する作用をしているものである。

また１本発明の精密金型用被覆超硬合金は、鏡面性にす
ぐれた超硬合金の表面状態がそのまま被膜表面状態とし
て転写されるために、被覆超硬合金の表面の鏡面性を高
める作用をしているものである。

（実施例）実施例１・Ｖ均粒径０．５μｍのｙ＋ｃ粉末、　’ｐ−均粒径　
１．４μｍのＣｏ粉末、平均粒径２．５μｍのＮｉ扮末
、平均粒径２．４ｕｍのＶＣ粉末、￥均粒径１．２ｇｍ
のＴａＣ粉末及び平均粒径２．５μｍのＣｒａＣ諺粉末
を出発原料として用い第曹表に示す組成に各試料を配合
した。このとき用いた出発原料粉末の内、本発明品には
ＷＣ中のＣａ、　Ｓ、＾β、Ｓｉ、　Ｍｇの含有量がそ
れぞれ１Ｏｐｐｎ＋以下に調整した粉末を用い、比較品
には従来の市販品の粉末を用いた。これらの各試料それ
ぞれをアセトンと超硬合金製ボールの入った容器中で７
２時間混合後、乾燥して得られた混合粉末を所定の形状
にプレスし、粉末成形体を得た。次いで、　１３８０℃
、１時間保持にて焼結した後、アルゴン雰囲気中、　１
３５０℃、　１０００気圧の条件で旧Ｐ処理した。こう
して得た各試料の抗折強度、硬さ。

結合相の格子定数及び破壊靭性値（Ｋｅｅｌを求めて、
その結果を第２表に示した。結合相の格子定数は、超硬
合金の表面に存在する炭化タングステンを溶解除去後、
Ｘａ回折により求めた。また、Ｋ＋ｃはビッカース圧痕
周辺に生じるクラック長さと硬さの関係からＷ出した。

更に、第２表で示したそれぞれの試料の不純物量を蛍光
Ｘ線分析により測定したところ１本発明品はＣａ、　Ｓ
、　Ｓｉ、　ＡＩｌ、　Ｍｇがそれぞれ０．００１　ｗ
Ｌ％以下であったのに対し、比較品は、Ｃａ、　　Ｓ、
　　Ｓｉ。

ＡΩ、　Ｍｇが（１，ＯＱｌ　ｗＬ％を超えて多く含有
していることが確認できた。

以下余白実施例２実施例１で得た第１人の試料の内、本発明品２．４．８
．９と比較品１．３と、さらに市販のＷＣ−１０％Ｃｎ
合金を比較品６として加えて、これらの試料をそれぞれ
鏡面ｌ１１１磨した。この本発明品二２．４．８．９及
び比較品！、コ３．６のそれぞれ（７）鏡面研磨面に市
販の鉛ガラス、ホウ酸ガラス及びＩテリメチルメタクリ
レート樹脂のそれぞれを約４ｘ４Ｘ４ｍｍに成形して設
置した。このガラス又（，１樹脂が鏡面研磨面に設置さ
れてなるそれぞれの１試料を真空炉中で加熱するという
簡易試験を行っｊ、・。試験条件は、真空炉をＩ　Ｘ　
１０−”ｍｍ１１ｇの真空にｊた後、アルゴンガスな流
入して鉛ガラスの場合；ま　７００℃、１時間保持、ホ
ウ酸ガラスの場合は１３００℃、１時間保持、ポリメチ
ルメタクリレート樹脂の場合は　１００℃、１時間保持
でもって処理し、試験完了後、それぞれの合金とガラス
又は樹脂とのγ；にれｆＬｌ、合金の鏡面ｆｔ１ｆ磨而
の腐食の状態及び合金の鏡面研磨面トのガラス又は樹脂
の泡のはを調べて、これらの結果を第２表に示した。

（発明の効果）以ｌの結果５本発明の精密金型用超硬合金ｌま、　Ｃｒ
１Ｃ，−ＶＣの複合添加又け、Ｃｒ、Ｃｚ　　ＴａＣの
複合添加した合金に比べて、欠陥の大きさの尺度となる
抗＋１［強度が約２０〜５０％増加し、耐欠損性の尺度
となる破壊靭性値も高いという効果がある。

さらに、本発明のＴｉ７密金型川超用合金は、ＷＣＣｏ
合金、　ＷＣ−Ｃｒ、Ｃｚ　−ＶＣ−Ｃｏ合金又は本発
明の合金から外れたＷＣＣｒｔｅａ合金と比較して、ガ
ラスやプリスヂックに対する儒れｆｒＩが大きく、ガラ
スやプラスチ・・ｌり中に′１ソする気泡が少なく、し
かもガラスやプラスチックに対する耐腐食性にすぐれて
いることから１例えば光ピツクアップレンズなどに用い
られているＪｌ″球而レ面ズなどの成形用金型材どり、
て使用すると、成形されたレンズの面の精度が著しくす
ぐれたものになると共に、成形後における金Ｊｖ！自体
の成形面の損（３，１も非常に少なくなることから苦し
く長寿命になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超硬合金中のＣｏ及び／叉はＮ１：、目こ対
する炭化クロムＩｄと超硬合金の結合相格子定数との関
係図である。第１図中、Ａ（：３ｗｔ％Ｃｒ１Ｃｚ、　３．５６９人
）Ｂｆ３ｖＬ％　Ｃｒ、ら、　３．５６１　　人）Ｃ（
１ｏｓｔ％　Ｃｒ、Ｃ７，３，５５８人）Ｄ　Ｉ　ｌ０
ｗｔ％　Ｃｒ−Ｃｚ、　３．５６１　人）Ｆ、（３ｗＬ
％ＣｒＪＣｚ、３．５５４人）ト’（ｌＯｗｔ％Ｃｒａ
Ｃ，１，３，５５５人）を示ず。特に、△、Ｉ３．Ｃ，
Ｄの斜線の範囲は。好ましい領域を表ｔ）す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）３〜２０ｗｔ％のＣｏ及び／又はＮｉと該Ｃｏ及
び／又はＮｉの量に対し３〜１０ｗｔ％の炭化クロムと
でなる結合相と、残り平均粒径０．８μｍ以下の炭化タ
ングステンと不可避不純物とでなることを特徴とする精
密金型用超硬合金。
（２）上記結合相は、Ｘ線回折による格子定数が３．５
５８Å〜３．５６９Åであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の精密金型用超硬合金。
（３）上記不可避不純物は、Ｃａ、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌ及び
Ｍｇのそれぞれが０．００１ｗｔ％以下であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の精密金
型用超硬合金。
（４）３〜２０ｗｔ％のＣｏ及び／又はＮｉと該Ｃｏ及
び／又はＮｉの量に対し３〜１０ｗｔ％の炭化クロムと
でなる結合相と、残り平均粒径０．８μｍ以下の炭化タ
ングステンと不可避不純物とでなる超硬合金の表面に金
属、合金、ダイヤモンド及びセラミックスの中の少なく
とも１種でなる単層又は多重層の被膜を形成してなる精
密金型用被覆超硬合金。
（５）上記結合相は、Ｘ線回折による格子定数が３．５
５８Å〜３．５６９Åであることを特徴とする特許請求
の範囲第４項記載の精密金型用被覆超硬合金。
（６）上記不可避不純物は、Ｃａ、Ｓ、Ｓｉ、Ａｌ及び
Ｍｇのそれぞれが０．００１ｗｔ％以下であることを特
徴とする特許請求の範囲第４項又は第５項記載の精密金
型用被覆超硬合金。