JPH0816251B2 - 混在する異種グレードの超硬質合金物品群の分別方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は超硬質合金（セメンテッド カーバイド）の
物品に関し、その組成や組織の特性データに基づいて、
その分別を高精度に可能にする、技術的且つ経済的に優
れたユニークで有益な方法に関する。

〔技術の背景〕

超硬質合金の主要合金元素並びにその他これに利用さ
れる多くの元素は地球の地殻に僅かなパーセントでしか
存在していない。その最も代表的な金属元素はタングス
テン、タンタル、ニオブ（コロンビウム）、コバルト及
びこれらより多く用いられるチタンである。また、モリ
ブデン、クロム、バナジウム、ニッケル及び鉄は超硬質
合金の一般的な金属合金元素である。これらの原料を超
硬質合金製造のために、純金属、金属合金、炭化物、窒
化物等々の粉末の形態で、計量可能に調製するには高精
度な多くの工程から成る進んだ方法が要求される。

超硬質合金のための使用可能な鉱石基原料は高価であ
る。

超硬質合金スクラップを回集し、これを超硬質合金の
ための使用可能な原料に再処理するのは今日では一般的
である。

金属元素の完全又は部分的な分離のための方法として
は、超硬質合金の化学的分解法がある。この分解法によ
る結果の最終品は金属、金属合金、炭化物、窒化物等々
の超硬質合金のために使用可能な粉末である。この種化
学的方法のあるものは環境汚染の観点から大変不利益な
ものであり、従って窒素含有ガスの除去等の積極的保護
対策を必要とする。この化学的再製法は、超硬質合金ス
クラップが正常な超硬質合金スクラップの世界市場価格
より総体的に格段と安価に入手出来る場合に限って経済
的に許容できるものである。強度に汚染された超硬質合
金スクラップは必然的に低価格であるので、技術的に可
能な分別法が開発されたならば、化学的再製の対象物と
してコストの観点から適したものになる。

再使用のための超硬質合金の主要部は前記化学的方法
よりもっと直接的な方法、即ち、例えば「コールドフロ
ー法」や「亜鉛法」によって再処理される。このコール
ドフロー法は超硬質合金スクラップを機械的分解によっ
て硬質要素と結合剤（バインダ）金属とから成る粉末に
する方法である。また前記亜鉛法は超硬質合金スクラッ
プを冶金的方法によって粉末に変換することに特徴があ
る。この方法は一般に1000℃を越えない温度で実施され
る。亜鉛は超硬質合金に拡散させ、この拡散亜鉛をバイ
ンダ金属（通常コバルト）と合金化させるために導入さ
れる。これによって、超硬質合金が分解されて粉末化す
る。亜鉛は、次に真空の高温炉での蒸発操作と濃縮器
（コンデンサ）中での析出操作との組合せで、除去され
る。

2000℃程度の温度で集塊片の超硬質合金バッチを熱処
理して多孔性の、産業的処理は可能であるが分離出来な
い焼結塊体を生成する方法は知られている。

上述の方法並びに超硬質合金スクラップの機械的又は
冶金的に分解するその他の従来方法はスクラップを超硬
質合金の部品に分別することが出来ないことにいづれも
特徴がある。それ故に、従来式分解処理を行う前に、予
め超硬質合金スクラップを組成及び／又は組織の同一な
グループに、手動分別により、及び／又は超硬質合金の
物理的、化学的及び／又は機械的特性に基づく方法によ
り分別しようとする試みはこれまで行われていた。

高圧合成、熱間圧延、冷間圧延、管引抜き等々に適用
するための重量物の超硬質合金工具に関するものである
場合には、上記手動分離技法は、例えば濃度測定と併せ
て実行される。この主な理由は重量物工具のグレードは
岩石掘削や切削の工具に用いるグレードと同様に支配的
な硬質要素としてタングステン炭化物を有していること
にある。

適当な組成の安価な原材料を調製するために、小形工
具の超硬質合金体を組成及び／又は組織に関して自動的
に分別出来る方法を追求する試みはこれまで行われて来
た。

試行された個々の方法やそれらの組合せ方法は、工具
の超硬質合金体群を個々の合金体の組成や組織に関係す
る化学的、物理的及び／又は機械的データを自動測定す
るためのステーションへ順番に流通せしめる技法に基づ
くものであった。自動計測信号はユニットに入力され、
このユニットが合金体群を測定データによりクラス分け
する分別装置を制御するために信号の受信と処理を行
う。化学的データは発光の分光分析、Ｘ線螢光分析、放
射能源からの放射線のバックスキヤッタリングの分析及
び／又は比色法による化学分析によって得られる。得ら
れた重量、密度、導電性、飽和保磁力及び飽和磁性化の
ような物理的データは分別のための基礎として用いられ
た。

磁力と重量を利用する方法を実施する装置によって超
硬質合金スクラップを分別することがこれまで試験さ
れ、その結果その使用は可能になっている。後述する本
発明例１はこの種の装置を有効に利用する方法例であ
る。

米国特許第4,466,945号と第4,470,956号は殆んど同じ
含有量のバインダ金属を有する超硬質合金体の分別のた
めに飽和保磁力の測定を利用する発明に関するものであ
る。両米国特許における化学組成はＸ線螢光決定法又は
発光分光決定法によって定めることになっている。粉末
の調製は、亜鉛法−米国特許第4,466,945号−又は塩酸
でバインダ金属を化学的に溶解する方法−米国特許第4,
470,956号−に関係している。

スクラップ化された100〜150g及びそれ以下の小形の
超硬質合金物品の合金グレードは、組成と組織に関して
最も一般的な合金グレードを含んでいる。この小形の超
硬質合金物品の主要なものは金属その他の材料の切削加
工に使用されているインサートである。その中でも最大
且つ最も重要なグループは平均重量が約10gの割付け可
能切削植刃（インデキシヤルインサート）である。

この切粉出し切削工作の分野における合金グレードは
他の適用分野の場合と違って標準化されていない。夫々
の超硬質合金メーカは経験、評価及びアイデアに基づい
て各自の合金グレード、植刃（インサート）及び工具を
発展させ、設計し、製造している。

切削工作用の超硬質合金は種々の組成と組織に特徴が
ある。大ざっぱには、下記表に示す通り、大いにオーバ
ラップ（一部重複）した関係が一方では適用分野間で、
他方では材料データ間で、特に組成間及び組織間に存在
している。表中の硬度と組成値は両者を勘案することに
より硬質構成相の平均グレンサイズの表示とも考え得
る。

この一部重複の事態は表面被覆された切削植刃が世に
出現するに至った後では一層複雑になっている。被覆植
刃は今や全植刃生産量の約半分を占めるに至っている。

被覆層は５〜10μｍの厚みがあり、例えば炭化チタ
ン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭化ハフニウム、窒化
ハフニウム及び／他は酸化アルミニウムから成る。

この種の被覆切削植刃が多量に供給されるようになっ
た今日の状況は、化学的構成要素の含有量の決定に基づ
く前述の分別方法の利用が難しくなる原因になってい
る。後述する本発明例２はこれを克服する方法例であ
る。

上記表から明らかなように、バインダ金属含有量に依
存した特性に基づく分離方法では非常に粗い区分の分類
のためにのみ使用できるに過ぎない、即ち、精度良く分
別することは難しい。

切削工作のためのインサートの超硬質合金グレードの
密度は10〜15g/cm³の範囲にある。超硬質合金の重要な
構成要素は下記の密度を有している。

炭化タングステン 15.7g/cm³ 炭化タンタル 14.5g/cm³ コバルト 8.9g/cm³ 炭化ニオブ 7.8g/cm³ 炭化チタン 4.9g/cm³ 超硬質合金グレードは密度に関して著しい一部重複を
示している。

それ故、重量法は粗分別を可能にするだけに過ぎな
い。

スクラップの超硬質合金物品から技術的に優れ、経済
的であり、且つ実用的な工業的分別をしようとすると、
それは多量処理能力を要求するものとなる。しかし、こ
の多量処理能力は、分別精度を低下させることを意味す
る。種々の合金グレードの材料データが複雑に一部重複
し合っていることに特徴がある場合の状況にあっては、
処理能力と分別精度についての要求が原因となって、超
硬質合金物品に対する多かれ少なかれ機械化され且つ自
動化された種々のグレードの材料データに基づく分離法
の適用が進歩しておらず、従って未だ重要性を持ち得る
に至っていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上述の問題点を解消する方法を提供す
ることにある。

本発明は、バインダ金属の含有量を超硬質合金物品の
間での再配分を利用することにより、前述の従来の分別
方法が優れた合理的な分別法として技術的、経済的に可
能な、魅力的なものになり得るという驚くべき結果をも
たらす新たな分別方法を提供する。

〔発明の構成と効果〕

本発明によれば、下記の方法が提供される。即ち、混
在する２種以上のグレードの超硬質合金（セメンテッド
カーバイド）物品群をその組成及び／或いは組織に関係
する物理的及び／或いは化学的データに基づいて相互に
分別する方法において、 被分別部品群に対し、前処理として、以下の工程： （１）分別対象の混在物品群を炉内に隣接配置して1250
℃−2500℃の温度で加熱することにより各々を部分的に
溶融し、それにより隣接物品の内部間を結果の溶融物、
即ちメルトを介して互いに部分的に連通させるように
し； （２）部分的に溶融された物品群を冷却し、それによっ
て少なくとも１つの集塊物として固化し；そして （３）各集塊物を機械的に破壊して、本来分別されるべ
きグレードの元の超硬質合金物品群に対応する物品群と
して、元の物品群のバインダ金属を再配分した結果のバ
インダ金属を含有する新たな超硬質合金物品群に分離す
る工程を含む、斯ゝる前処理を施し、 得られた新たな混在する物品群を元の混在物品群に代
えて、その組成及び／或いは組織に関係する物理的及び
／或いは化学的データに基づいて分別することを特徴と
する、混在する異種グレードの超硬質合金物品群の分別
方法が提供される。

超硬質合金を溶融開始の温度に加熱すると、バインダ
相生成元素（特にコバルト、ニッケル及び／又は鉄）と
硬質構成相とから溶解した元素のメルトが生成される。
例えば炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭化ハ
フニウム、窒化ハフニウム及び／又は酸化アルミニウム
の層で被覆された超硬質合金物品の場合は、その被覆層
を当該メルトによって攻撃されて破壊される。互いに接
する物品間にブリッヂが形成される。超硬質合金の物品
群は連絡液として溶解元素と共に溶融バインダ金属を有
する容器システムを形成する。

超硬質合金グレードは、コバルト、ニッケル及び／又
は鉄が支配的な元素であるバインダ金属相の他に１種以
上の硬質構成相、一般的には１種又は２種の相を保留し
ていることに特徴がある。これらの硬質構成相とはヘキ
サゴナル硬質構成相、炭化タングステン、及び／又は立
法晶系硬質構成相、例えば固溶体の炭化タングステンと
共に炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ及び／又は
炭化バナジウム等々から成る相である。化学組成（相の
含有量と組成で記述）並びに平均グレンサイズ及びグレ
ンサイズ分布は超硬質合金グレードを特徴付ける特性を
定める。本発明によって超硬質合金グレードを加熱した
とき、平均グレンサイズ、グレンサイズ分布及び硬質構
成相の割合と組成は隣接する超硬質合金物品間で互いに
連絡し合うメルトに直接の影響を持つことが分かる。

かくして互いに連通接触した状態の物品はメルトの結
合コミュニィティを持つに至る。驚くべきメルト駆動力
の効果として、粗グレン状の硬質構成グレンを持った合
金物品は微細グレン状の硬質構成物を有する合金物品の
場合よりも相対的に小量のメルトに順応することにな
る。例えば、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、
炭化バナジウム、炭化ハフニウム、窒化チタン、及びこ
れらに関係する硬質構成物が全体に又は部分的に炭化タ
ングステンに代えて存在する場合のグレードにおいて
は、このグレード物品のメルトを保持する能力は、この
グレード物品がより高い含有量の炭化タングステンを有
するグレードの他の物品と連通接触状に共存したとき
に、低下する。バインダ相生成金属（基本的にはコバル
ト、ニッケル及び／又は鉄）の平均含有量は相互に接す
る合金物品群の系において、前記の硬質構成物フアクタ
ーと共に合金物品中の夫々のメルト含有量を決定する。

例えば、前述の炭化物又は窒化物が主要元素としての
１又はそれ以上の鉄族金属の元素の接触した形態の硬質
構成要素は、融点温度を越える温度に上昇させ且つその
温度レベルで時間をかけることによって、そのグレンサ
イズの成長がもたらされる。温度と時間のサイクルを良
く均衡させることによって、メルト再配分のための強力
な手段が得られる。

本発明による相互に連通接触した合金物品の処理は12
50℃〜2500℃、好ましくは1350℃〜2350℃、特には1400
℃〜2200℃の範囲の温度で実施されなければならない。
処理温度期間、即ち最高温度の期間は10時間を越えない
期間、好ましくは８時間を越えない、特には５時間を越
えない期間でなければならない。炉処理される超硬質合
金の物品は、メルトの再配分をするために、その可成り
の量のものが完全又は部分的に連通接触した適当なバッ
チに成らなければならない。バッチ中で合金物品の少な
くとも75重量％、好ましくは85重量％、特には少なくと
も96重量％が互いに連通接触していなければならない。
温度が上昇すると、メルト量並びにメルト中の元素の蒸
気圧が増大する。温度上昇で液相の再配分の度合は気相
を介して増大する。物品間の直接の金属接触は、温度範
囲中の高温で処理する場合には、本発明に係る連通接触
のために必要ではない。超硬質合金物品の間のメルト再
配分は出来る限り完全に行われることが必須である。そ
れ故に、本発明により一度に処理される合金物品の全重
量の75重量％を越える、好ましくは80重量％、特に好ま
しくは85重量％のものが、150g、好ましくは125g、特に
好ましくは100gの重量でならなければならない。

本発明に係る「連通接触」とは物品間の最少の結合で
以って行われるメルトの再配分と同義である。しかし、
本発明による炉処理され次いで室温に冷却されているバ
ッチ状の物品群は、多かれ少なかれ相互に強い金属結合
状態の集塊物である。勿論、この場合、メルトは固化し
ている。組成と組織の異なる分類に許容できる精度で分
別することが出来るようにするためには、本発明による
合金の炉処理量の少なくとも65重量％、好ましくは少な
くとも75重量％、特には少なくとも85重量％は機械的に
個々の物品群に分離された後において最大10重量％、好
ましくは最大7.5重量％、特に好ましくは最大５重量％
の異なる種類の金属結合材料を含有する物品を有してい
なければならないことが判明した。

〔発明の実施例〕

下記の実施例は本発明に係わる超硬質合金処理の結果
を示すものである。

例１ 本例は組成が同じではあるが、組織が相違している同
一寸法形状の、即ち同一重量の二種のグレードの超硬質
合金物品群の混合物から２種のグループに分別する事例
である。

本発明の前処理により、同一重量（20g）を有する２
種のグレードの重量に変化が生じることから、物理的デ
ータとしてのボタン重量データのみに基づいて２グルー
プに分別するものである。

ロックドリルバイトの超硬質合金ボタン（丸コマバイ
ト）の製造に際し、ロットＡからのグレード１のボタン
がロットＢからのグレード２のボタンと混合される事態
がたまたま起きた。この異なる二つのロットのボタンは
デザインとサイズに関して同一であった。ロットＡから
のボタンの量はロットＢからのボタンの量の二倍であっ
た。この二種の焼結ボタングレード（1,2）のデータは
以下の表に示す通りであった。

この表は、化学組成の同じ二つのグレードが炭化物グ
レンのサイズに関して相違していることを間接的に示し
ている。

これらの混合ボタンの振動フィーダによって、グラフ
ァイトトレイに単層で互いに配向がランダムな状態で且
つ直接金属接触した隣接配置状態で装置された。

各トレイは１個が20gのボタンを約10kg程度有してい
る。加熱炉にはこの材料を総計450kg装填した。このバ
ッチを1425℃に加熱し、その温度で１時間維持した。炉
雰囲気は水素から成る。バッチを冷却した後、得られた
集塊を炉から取り出した。得られた集塊物からボタン物
品群を空圧式衝撃機を用いて、個別物品として機械的に
分離した。90重量％の新たなボタン物品は異なる他方の
グレードから来た４重量％より小量の金属結合した材料
を有していることが判明した。機械的分離された結果の
新たなボタン物品群はボタン重量の違いに基づいて２グ
ループに分別するために、自動分別作業機に送られた。
この機械は重量に抗して作用して、磁界のあるなしに関
係なく重量を正確に計量する計量機を具備し、且つ計量
データに基づいてマイクロプロセッサにより制御される
分類装置を有している。この分類装置は標準物品でのキ
ヤリブレーションによってバッチを二つのボタンロット
に分別させた。二つのロットの量は２対１であった。大
きいロットをＣで表示し、小さいロットをＤで表示し
た。そのサンプルは化学分析、密度決定、硬度測定及び
構造検査にかけた。その結果は下記の表の通りであっ
た。

金属検査は、ロットＣのボタン物品群がロットＡのボ
タン物品群と同じ炭化物グレンサイズを有していること
を示していた。同様にロットＤとロットＢのボタン物品
群は組織の一致を示していた。

このように本発明の炉処理は結果としてロットＢのボ
タン群とロットＡのボタン群を合理的に分別しているこ
とが確認された。炉処理と分別操作により得られた二つ
の新たなボタンロット（C,D）は亜鉛法によって個別に
超硬質合金粉末へ再処理された。

例２ 本例は同一のコーティングを施された同一寸法形状の
物品であって、物品本体（基体）は組成、組織ともに相
違している２種のグレードの超硬質合金物品の混合物か
ら２グループに分別する事例である。

本例では、本発明に係る前処理によって得られた新た
な２種の物品はバインダ金属（Co）の含有量に大きな差
が生じることから、このCo含有量のデータに基づいて２
グループに分別した事例である。前処理する前の２種の
グレードはCo含有量に差が存在するが、その差は比較的
に小さいので、本来このままCo含有量の測定とそれに基
づく分別を実行すれば分別精度は本発明に係る前処理後
のものに比較して低下する。しかも、物品の表面がTiC
で被覆されている状態での測定は測定精度を決定的に悪
くする。本例では前処理によって生成されるメルトによ
って表面被覆物が破壊されるので、前処理後の測定精度
はこの観点からしても向上する。

切削植刃（インサート）SPUN120308の二つのロットＡ
とＢが、未印インサートの貯蔵状態において誤って混り
合い１つのロットになってしまった。ロットＡはロット
Ｂの３倍のインサート数を有していた。ロットＡとロッ
トＢのインサートは炭化チタンの層で被覆されていた。
二つのロットのインサート基体グレードは超硬質合金で
あったが、同質、即ち同一グレード、ではなかった。二
つの異なるグレードは下記の通りであった。

被覆インサートは振動フィーダによってグラファイト
のトレイに互いにランダムに配向し、相互に金属接触し
た単一層の隣接配置状態で装置された。炉には総計300k
gのインサートを装填した。このバッチを1500℃に加熱
し、この温度で二時間維持した。その後集塊物のバッチ
を室温に冷却した。この後、バッチの集塊を前記例と同
様に空圧式衝撃機により個別のインサート群に分離し
た。得られた新たなインサート群を分析した結果、新た
なインサートの95重量％は異なるグレードから来た３重
量％の金属結合材料を有していることが判明した。更に
サンプルを取り出し、金属検査と化学分析にかけた。金
属検査は炭化チタン層が炉処理で溶解していることを示
した。化学分析によれば、ロットＡの新たなインサート
（即ち立方晶系硬質構成相−溶解WCを有し且つ（TiTaN
b）Ｃ−の相対的に高い含有量を有するインサート）で
はコバルト含有量が本来5.5重量％であるはづの値から
5.1重量％に減じられていたが、ロットＢの新たなイン
サートではコバルト含有量が本来6.0重量％であるはづ
の値から7.1重量％まで増加していた。

集塊物から相互に機械的に分離された新たなインサー
ト群は発光分光器によってインサートのコバルト含有量
を測定する測定とその測定データに基づきマイクロプロ
セッサにより制御される分類装置を組合せた自動分別作
業機に供給された。分類装置の有効性は標準の物品によ
りキヤリブレートされた。アークの発光時間はインサー
ト当り２秒に抑えた。ロットＡに由来する新たなインサ
ートの数量はロットＢに由来する新たなインサート数量
の３倍であった。夫々の新たなインサートに対する粉末
への最終処理は亜鉛法によって実行された。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】混在する２種以上のグレードの超硬質合金
   物品群をその組成及び／或いは組織に関する物理的及び
   ／或いは化学的データに基づいて相互に分別する方法に
   おいて、 被分別部品群に対し、前処理として、以下の工程： （１）分別対象の混在部品群を炉内に隣接配置して、12
   50℃−2500℃の温度で加熱することにより各々を部分的
   に溶融し、それにより隣接物品の内部間を結果の溶融
   物、即ちメルト、を介して互いに部分的に連通させるよ
   うにし； （２）部分的に溶融された物品群を冷却し、それによっ
   て少なくとも１つの集塊として固化し；そして （３）集塊物を機械的に破壊して、本来分別されるべき
   グレードの元の超硬質合金物品群に対応する物品群とし
   て、元の物品群のバインダ金属を再配分した結果のバイ
   ンダ金属を含有する新たな超硬質合金物品群に分離する
   工程を含む、斯ゝる前処理を施し、 得られた新たな混在する物品群を元の混在物品群に代え
   て、その組成及び／或いは組織に関する物理的及び／或
   いは化学的データに基づいて分別することを特徴とす
   る、混在する異種グレードの超硬質合金物品群の分別方
   法。
2. 【請求項２】分別対象の混在物品群が金属接触状の単一
   層の配置において加熱されることを特徴とする、特許請
   求の範囲第１項に記載の分別方法。
3. 【請求項３】前処理の分離工程を衝撃機を用いて実施す
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第１項或いは第２
   項に記載の分別方法。
4. 【請求項４】前処理の加熱工程を10時間未満の期間に亘
   って実施することを特徴とする、特許請求の範囲第１項
   −第３項のいづれか１項に記載の分別方法。
5. 【請求項５】前処理される物品群の75重量％が150g未満
   であることを特徴とする、特許請求の範囲第１項−第４
   項のいづれか１項に記載の分別方法。