耐摩耐衝撃用超硬合金の現状と方向性池邉政昭サンアロイ工業㈱現状の耐摩耐衝撃用超硬合金について、高強度結合相強化合金、さらなる高靱性合金、低摩擦合金、温熱間合金、高硬度合金、傾斜機能合金について解説し、今後の課題と方向性について述べる。 1．はじめに近年、工具材料としての超硬合金素材の寸法精度が、近年では結合相を強化した結合相強化超硬合金や型寿命に対する品質的要求はますます厳しくなりが汎用的に使用されつつある。つつある。とりわけ、自動車部品製造に用いる冷間ここでは弊社の標準品である結合相強化合金（R 鍛造用金型や半導体・モーターコア生産に用いる順系合金）の概説と、さらに強度・靱性を向上させた送金型、あるいは精密金型は、製造コスト削減に不開発合金（RF 系合金・RX 系合金）についてその特可欠な工具であると共に、ユーザーからの金型のコ徴を述べる。また、金型の宿命でもある焼付対策にスト削減要請も当たり前の状況にある。このようなついて、超硬素材面からの改良を行った低摩擦係数厳しい経済環境下における我々超硬素材メーカーのの PM 合金、温熱間鍛造用 WM 合金、高鏡面性を課題は工具寿命の延長につながる素材開発である。有する UK 合金、表面拡散法を用いた傾斜機能合金 1926 年に Widia の製品名で発売された WC - Co 単（FGM 合金）について概要を述べる。純合金は耐摩耐衝撃超硬分野で長く使用されてきた 2．R 系合金 WC - Co 超硬合金は硬質な WC 粒子とその周りをの通りである。囲む Co 層で構成される複合材料である。WC 粒子サ・硬さ ⇒ 約 1 % 増大イズの調整や Co 含有量の調整により、強度や硬さ、・圧縮強度 ⇒ 約 10% 増大あるいは靱性等の機械的特性は改善される。しかし・破壊靭性 ⇒ 約 10% 増大ながら、合金組織が分散強化型組織であるため、硬・耐食性 ⇒ 向上（耐電食性も向上）さと靱性は二律背反の関係に拘束されてきた。これを打破したのが結合相強化合金、即ち、R 系弊社の代表的な WC 粒度別の従来合金系列名称合金である。と、各系列の結合相強化合金名称を次に示す。 R 系合金は Co 結合相に他元素を固溶させることで・WC 1.5 m DA 系列 ⇒ RD 系列結合相の強度を向上させ、WC - Co 単純合金の基本・WC 3.0 m EA 系列 ⇒ REA 系列特性を損ねることなく、機械的・化学的特性の改善・・WC 6.0 m VA 系列 ⇒ RV 系列向上を図った合金である。具体的な諸特性改善は次 Vol.52（2011）No.10 SOKEIZAI 7 ここで、従来合金と R 系合金の硬度と破壊靭性の従来合金 DA，VA 系列と比較して RD，RV 系列は硬関係を図 1 に示す。このグラフから、各合金系列でさ・破壊靭性の両特性の明らかな向上が認められる。硬さと靱性が二律背反の関係にあることがわかる。写真 1 に粒度別の各系列の代表的組織例を示した。図 2 に従来合金と R 系合金の耐食性比較の例を示す。これより、R 系合金は酸や水に対する耐食性に 30 DA VA 優れていることが判る。図 3 に弊社開発材 RF，RX RD RV を含む R 系列構成を示すと共に、次節で開発材である RF，RX についてその特徴を述べる。 25 20 0.18 0.16 水酸化カリウム(5%) 15 10 81 2.86 塩酸(10%) 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 硬度（HRA）腐食溶液破壊靭性（MPa･m1/2） 35 研削液 0.11 0.33 水道水 R系材従来材 0.03 0.08 ラッピングオイル図 1 従来合金と R 系合金の硬度と破壊靭性の関係 5.23 0.3 0.49 0 1 2 3 4 5 6 腐食減量(g/m2･day) 図 2 従来合金と R 系合金の耐食性比較 R 系合金系列 RD 系材種 RV 系材種 REA 系材種 RL 系材種写真 1 R 系合金組織例 RF 系超微高靱性 RD 系耐摩耗 REA 系高強度 RV 系高靱性 RX 系超高靱性 RF10 RD20 REA25 RV46 RX71 RF20 RD25 REA35 RV66 RX92 RF30 RD30 REA65 RV86 RX94 RD50 REA75 RL89 RX95 RD60 REA85 図 3 開発材 RF・RX を含む R 系列材種構成 3．強靭化合金 RF, RX 従来材と比較して全体特性に優れる R 系合金のさらなる特性改良を目指した開発材が RF，RX 材であクラック基準WC 粗粒WC る。各種の金型に使用される超硬合金に対して要求される主要特性は耐摩耗性と耐チッピング性であり、これら両特性の向上を図る手段として焼結体組織中の WC 粒度分布の制御と熱処理条件の改良を行った。図 4 に RF，RX 材のクラック伝播の際の模式図を示した。均一な WC 粒度分布の場合は、クラックの伝播は WC/Co 界面を直線的に進むが、粒子サイズが異なる分布を持つ場合、クラックの伝播は抵抗を受けて浅くなる。図 5、図 6 に RF，RX の硬度と破壊靭 8 SOKEIZAI Vol.52（2011）No.10 従来の超硬合金組織従来の超硬合金組織 RX 組織の模式図 RX・・RF RF組織の模式図図 4 開発材 RF・RX を含む R 系列材種構成特集難塑性加工を克服する超硬合金金型 20 18 F 破壊靭性（MPa･m1/2）破壊靭性（MPa･m1/2） 40 RF 16 14 12 10 VA 35 RV 30 RX 25 20 15 8 87 88 89 90 91 92 硬度（HRA） 93 94 95 10 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 硬度（HRA）図 5 RF 系合金の硬度と破壊靭性の関係図 6 RX 系合金の硬度と破壊靭性の関係性の関係を示したが、両特性の向上が明らかに認め RX 材の機械的諸特性を示した。られる。図 7 は超微粒子合金である RF 材の簡易的な以上のような優れた特徴を生かし、RF 材は電子耐チッピング性評価を示したものである。部品・モーターコア・コネクター用の順送金型、そこれは、従来材と RF 材で直方体のテストピースの他のトランスファー型等に使用されている。を作製し、ダイヤモンドホイールによる研削加工を RX 材の使用用途は高負荷パンチ（バックワードパ行い、その時の加工面稜線部に発生したチッピングンチ、他）、異形ダイス・閉塞金型、等に使用され状態を観察したものである。明らかに RF 材のチッている。ピングが小さいことが判る。表 1、表 2 に RF 材と表 1 RF 系列の機械的諸特性ホイール材種名チッピング従来超微粒材 FD15 比重硬度抗折力圧縮強度破壊靱性（g/cm3）（HRA）（GPa）（GPa）（MPa ･ m1/2） RF10 14.6 91.5 3.3 5.5 14 RF20 14.1 90 3.5 5.3 16 RF30 13.6 88 3.5 5.1 17 観察部表 2 RX 系列の機械的諸特性チッピング超硬合金評価方法材種名比重硬度抗折力圧縮強度破壊靱性（g/cm3）（HRA）（GPa）（GPa）（MPa ･ m1/2） RX71 14.9 90 2.2 4.8 19 開発材 RF20 RX92 14.5 87.5 2.8 4.5 24 エッジ部SEM観察結果 RX94 13.1 82 2.4 3.4 32 RX95 12.8 81 2.2 3.2 35 図 7 耐チッピング性評価 4．軟質材料専用合金 PM 金型を用いて加工される相手材には軟質な材料も防止・加工応力低減につながり、金型寿命も長くな多く、非鉄金属の Cu 合金や Al 合金等は代表的なもることになる。このようなコンセプトのもとに開発のである。しかしながら、これらの軟質材料は超硬された材料が PM 材である。PM 材には固体潤滑性合金の結合相 Co，Ni と親和性が高く、超硬金型表を有する成分が含まれている。図 8 に従来材と PM 面の摩擦熱の影響も受けて、型表面に焼き付き（凝材の動摩擦係数測定結果を示す。相手材に SUJ 2 と着）が生じやすい。 Cu を使用しているが、何れの場合も PM 材の方が動そこで金型材の摩擦係数を低減すれば、焼き付き摩擦係数は小さいことが判る。 Vol.52（2011）No.10 SOKEIZAI 9 また、表 3 に PM 系材料の諸特性を示した。PM 命が得られている。また、一部の Ti 合金では無潤滑材の適用用途としては銅・アルミ系合金、軟質鉄加工でコーティング処理品よりも良好な結果が得ら系材料の打ち抜き等に使用される。実績として、れている。 SPCC 鋼板（厚さ 1 mm）で従来金型材料の 4 倍の寿表 3 PM 系列機械的諸特性材種名比重硬度抗折力圧縮強度破壊靱性（g/cm3）（HRA）（GPa）（GPa）（MPa ･ m1/2） PDM9 14.65 90.5 2.8 5 14 PDM14 14.15 88.5 3 4.4 15 PDM20 13.65 86.5 3 3.6 16 PFM95 14.6 91.5 3.2 5.5 14 PFM147 14.1 90 3.5 5.3 15 PVM12 14.3 86 2.6 3.8 20 PVM18 13.8 83.5 2.5 3.3 23 PVM24 13.2 81.5 2.4 2.9 27 PDM：WC 1.5 、PFM：WC 1.0 、PVM：WC 6.0 図 8 動摩擦係数測定結果 5．温熱間鍛造用合金 WM 現状の温熱間鍛造用工具材料は SKD 61 や SKH 材表 4 WM 系列機械的諸特性が広く使用されており、超硬合金はロールの一部に使用されている。超硬合金を熱間鍛造金型に使用する場合、長所は鍛造品精度が良いことであり、短所はヒートクラックによる破損寿命のばらつきが大きいことであった。そこで、高温強度向上、耐ヒートチェック性向上、耐酸化性向上を課題として開発した材料が WM 材で材種名比重硬度抗折力圧縮強度破壊靱性（g/cm3）（HRA）（GPa）（GPa）（MPa ･ m1/2） WM5 14.75 86.5 2.1 4.1 21 WM7 14.4 85 2.1 3.9 23 WX80 13.7 83 2.4 3.5 26 ある。表 4 に WM 材の主要特性を示す。 6．超高硬度合金 UK 本材料は WC 平均粒度 0.2 m の超超微粒子バイン表 5 に機械的諸特性を示し、写真 2 に通常材とダレス合金であり、丁寧な研磨仕上げにより優れた UK 材との組織比較を示す。組織写真から UK 材が極鏡面が得られる。また、耐食性・耐摺動摩耗性に優めて微細な組織を有していることがわかる。れるため、レンズ用金型、粉末成型金型、メカニカルシール等に使用される。表 5 UK 材の機械的諸特性・硬度：2,400 ∼ 2,700（Hv） 3 ・比重：15.2 ∼ 15.5（g/cm ）・抗折力：1.0 ∼ 1.5（GPa） 1/2 ・破壊靱性：8（MPa ･ m ）以下・ヤング率：700（GPa）ＵＫ材破面組織例通常材 (RD) 破面組織例（RD）破面組織例 UK 材破面組織例通常材 −1 ・熱膨張係数（600℃）：5.4（MK ）・優れた耐食性 10 SOKEIZAI Vol.52（2011）No.10 写真 2 UK 材と通常材の組織比較特集難塑性加工を克服する超硬合金金型 7．傾斜機能合金 FGM 能であり、最大の特徴となっている。造されるが故に、素材のどの部分を採っても均一組基本的な傾斜機能として超硬表層部は高硬度であ織・均一特性であることが長所であった。しかしなり、内部は低硬度且つ高靱性という機能構造である。がら、金型や工具として使用する場合、必ずしも全同時に表面高硬度域は圧縮残留応力であり、極め体が均一な特性を有する必要はなく、むしろ局部的て理想的な応力構造を有している。写真 3 に表面かに高硬度で、局部的に高靱性という構造が望ましい。ら内部にかけての FGM 合金組織例を示す。写真でこのような理由から傾斜機能材の開発は様々な分野判るように、表面組織は微細な WC 粒子のみが認めで続けられている。傾斜機能材の製法には SPS を使られ、内部では白色の結合相の存在が認められる。用した製法など様々なものがあるが、形状的制約を図 9 は FGM 合金と通常合金の表面近傍硬さ分布比受ける。我々の製法は表面拡散法を用いたもので、較を示した。FGM 合金の表面硬さが著しく高いこと任意の形状に対応した傾斜機能を付与することが可がわかる。硬度 [HRA] これまで述べてきた超硬合金は、粉末冶金法で製表面から 0.5mm 表面から 5.0mm FGM 合金 89 88 87 通常合金 0 1.0 2.0 3.0 試料表面からの距離 10µ 表面から 3.0mm 92 91 90 表面から 9.0mm 写真 3 FGM 合金の表面∼内部の組織例 4.0 [mm] 図 9 FGM 合金の表面∼内部の硬さ分布 8．超硬工具の方向性現在直面している最大の課題は中国生産 WO 3，一方、酸素との結合力の強い Ti は使用せず、Mo W，WC の輸出削減動向である。我々の選択肢は大その他の元素による炭化物・窒化物・炭窒化物を用きく二つといえる。① 現状工具材料のさらなる特性いた硬質複合材料も可能性が考えられる。改良による寿命延長であり、② WC 代替材料の開発また、レアメタルである Co，Ni の代替材料として、である。 Fe 基合金ベースの結合金属開発も取り組む必要が ① 工具寿命の延長対策ある。材料強度・靱性向上のポイントは結合相の機械特なお、超硬合金の省資源化・安定供給の観点から、性向上であろう。現状の固溶強化結合相の組成はス弊社として超硬スクラップからの原料再生に取り組テライト合金に近似しており、その他の耐摩耗材料み、C シリーズ超硬と銘打ったリサイクル超硬の製をベースにした結合相の開発が急がれる。造・販売を積極推進している。一方、機能面にポイントを置いた対策として、低摩擦超硬の開発、傾斜機能に低摩擦機能を重ねることも効果的と考えられる。 ② WC 代替材料の開発現在進められている代替材料としては TiCN をサンアロイ工業株式会社ベースにしたサーメットであり、耐摩耐衝撃工具で〒 679-2216 兵庫県神崎郡福崎町高橋 290-44 TEL. 0790-24-2280 FAX. 0790-24-2290 http://www.sanalloy.co.jp/ は素材酸化をどのように抑制するのかがブレークスルーとなる。 Vol.52（2011）No.10 SOKEIZAI 11