!解説 4 ナノ微粒超硬合金を用いた精密金型の開発冨士ダイス㈱各種産業界で製造されている機械装置は高性能化・小型化・低コスト化が要求されており、また川上優＊その分類は、①結合相成分、②合金中の WC 平均粒度、③合金の硬さとされている1）。近年はそれらとあわせて環境に対する配慮も求め一般に WC 平均粒度が 1． 0μm 未満の超硬合られ、それらの機械装置に組み込まれる部品や部金が微粒超硬合金と呼ばれ、高精度かつ高耐摩耗材も小型化・薄肉化かつ高精度化が要求されてい性を有する工具に使用されている。これは、WC る。それらの部品や部材を成形するための工具や粒子が微粒であることにより、形状精度および形金型にもより高精度で、高耐摩耗性・高耐折損性状維持精度が向上するためである。を有するものが要望されている。 WC−Co 基超硬合金は、高速度工具鋼や合金工微粒超硬合金よりさらに微粒な超硬合金は、超微粒超硬合金、超々微粒超硬合金などと呼ばれる。具鋼に比べて高剛性・高硬度（高耐摩耗性）であ当社では WC 平均粒度が 0． 3μm 未満の超微粒るため、工具鋼では精度や耐摩耗性を満足できな超硬合金を、擬ナノ微粒超硬合金またはナノ微粒い場合などに使用されている。WC−Co 超硬合金超硬合金と呼んでいる。ナノ微粒超硬合金は、写製工具の精度および耐摩耗性をさらに向上するに真 1 に示すように市販の超微粒超硬合金に比べは、合金中の WC 粒度を微粒化することが有効てはるかに微粒かつ均粒な合金であり、その性質であると考えられる。本稿では、当社で開発したから従来より高精度かつ高耐摩耗性が必要な分野 WC 平均粒度が 0． 3μm 以下のナノ微粒超硬合金で使用される。の特性や金型作製事例などについて述べる。ナノ微粒超硬合金の特性ナノ微粒超硬合金とは超硬合金の硬さは、WC 平均粒度が小さくなる超硬合金は、WC などの硬質粒子を Co や Ni ほど増加する傾向を有するため、ナノ微粒超硬合などの金属を結合相として焼結した合金である。金は超硬合金の中でも最も硬い合金である。たと超硬合金の特性は、使用する WC 粒子の大きさえば WC−4 mass％Co の場合、WC 平均粒度がや Co 量、さらには混合条件や焼結条件などで 0． 1μm のナノ微粒超硬合金で 2， 600 HV、 0． 3μm 種々変化させることが可能で、幅広い用途に対応でも 2， 250 HV となり、WC−10 mass％Co 合金でした特性を選択できる。耐摩耗用超硬合金の材種は、それぞれ 2， 300 HV、1， 950 HV に達する（図選択方法は超硬工具協会規格で定められており、 1）。これらの硬さは、粒度が 1． 5μm の普通粒度＊（かわかみまさる）：生産開発本部研究開発部主査〒257−0015 神奈川県秦野市平沢 36−1 TEL : 0463−82−9588 FAX : 0463−83−0263 38 超硬合金に比べてそれぞれ 3∼6 割ほど高い。これはナノ微粒超硬合金が普通粒度超硬合金に比べて、耐摩耗性が非常に優れていることを示す。プレス技術 ■特集 0.5μm 市販超微粒超硬合金 WC平均粒度：0.5μm 硬さ：1,850HV 周辺技術の進化で変わる微細精密加工ナノ微粒超硬合金 WC平均粒度：0.1μm 硬さ：2,300HV 写真 1 超微粒超硬合金とナノ微粒超硬合金の SEM 組織例2） 2,200 2,000 1,800 1,600 1,400 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Mean grain size of WC（dwc） /μm 5.0 WC-XC-4mass%Co alloy 3.0 かつ均粒であるほど高くなる（図 2）。ナノ微粒超硬合金は超微粒超硬合金や普通粒度超硬合金に比べて高い抗折力を示す。ここで示した測定例では WC−10 mass％Co 合金の場合、粒度が 0． 1μm で 4． 7 GPa、0． 3μm で 4． 2 GPa で 1.6 図 2 超硬合金の抗折力と WC 平均粒度の関係2） Kc/MPa1/2 いが、同一 Co 量においては WC 平均粒度が微粒 Developed alloy（2007） 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Mean grain size of WC（dwc）/μm 2.5 は 3 点曲げ強さである。抗折力は、合金中に内在右される。したがって必ずしも粒度には依存しな Developed alloy（2004） WC-XC-10mass%Co alloy 3.5 抗折力（TRS : Transverse Rupture Strength）する粗大 WC 粒子などの数および寸法により左 Developed alloy（2005） 4.0 92 91 90 1.6 図 1 超硬合金の硬さと WC 平均粒度の関係2） Developed alloy（2006）、improved alloy（2007） 4.5 TRS、GPa Hardness、HV 2,400 䚷 Developed alloy（2007） Developed alloy（2006）䚷 Developed㻌 alloy（2005） Developed alloy（2004） 95 WC-XC-4mass%Co 94 WC-XC-10mass%Co 93 Hardness、HRA 2,600 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 䚷2006） Developed㻌 alloy（䚷 Developed㻌alloy（2005）䚷 Developed㻌alloy（2004） WC-XC-10mass%Co alloy WC-XC-4mass%Co alloy Developed alloy（2007） 0 0.1 0.2 1 1.2 1.4 0.4 0.6 0.8 Mean grain size of WC（dwc）/μm 1.6 図 3 超硬合金の破壊靭性値と WC 平均粒度の関係2）ある。いずれも普通粒度超硬合金に比べて高強度となった。高い抗折力は、工具としての高い耐折ナノ微粒超硬合金ではクラックが迂回せずに進む損性を有することを示している。ことによる。したがって、クラックを発生させなしかし、微粒化することで破壊靭性値（KC）は低下する（図 3）。これは、超硬合金のクラック伝播が WC−Co 界面上を主体として進展するため、第 48 巻第 12 号（2010 年 12 月号）がら使用する用途にはナノ微粒超硬合金は適していない。ところで、DLC 被膜は一般的に膜と基材との 39 装置 Wasino SG-52F 砥石 φ205×10 回転数（スピード） 3,000rpm（1,900m/min）左右送り 250mm/s 前後送り 0.5mm/s 回転方向 Cutting depth 切り込み量（前後2回）＃140 ＃400 ＃1000 5μm×20回 2μm×15回 2μm×12回切り込み側逃げ側 20μm WC（XC）-10％Co 逃げ側切り込み側 TFS06 粒度：0.2∼μm 0.5μm 1.5μm 2.9μm 3.8μm 図 4 研削試験によるエッヂ部の欠けの観察例3）密着力が弱いと言われているが、ナノ微粒超硬合割れや欠けが生じやすい印象を持たれている場合金を基材として用いることにより、その密着力はがある。しかし、精度良く加工した場合、シャー向上する。当社のデータでは、普通粒度の超硬合プエッヂが出しやすいという特徴も有する（図 4）。金の基材にイオン化蒸着法を用いて DLC 被膜をこれは、エッヂ部のチッピングは WC 粒子の脱生成すると、その密着力は 50 N ほどであるが、落によって生じているためであり、脱落する WC ナノ微粒超硬合金を用いることで 100 N 以上に向粒子が小さいほどチッピングの寸法が小さくなる上する。さらに成膜方法などに種々工夫を加えたためである。このことから、切断刃などのシャーチャンピオンデータでは、140 N オーバーを記録プエッヂが必要な工具には、ナノ微粒超硬合金がした。DLC 被膜の基材としても、ナノ微粒超硬有効であると考えられる。合金が有効であると考えられる。またナノ微粒超硬合金、特にナノ微粒バインダレス超硬合金は鏡面に仕上げやすいという特徴もナノ微粒超硬合金の被加工性有する。そのため、ガラスレンズ成形用金型などの優れた鏡面性を必要とする金型に利用されていナノ微粒超硬合金や超微粒超硬合金は、普通粒る。表 1 は研磨試験結果の一例であるが、同一度超硬合金に比べて破壊靭性値が低いため（図 3）、条件下で研削・研磨加工を行った場合、PV 値で 40 プレス技術 ■特集周辺技術の進化で変わる微細精密加工表 1 バインダレス超硬合金の研磨特性比較4）試料材料特性研磨面の表面粗さナノ微粒1 ナノ微粒2 従来材料粒度（μm） 0.2 0.3 1.5 比重 15.39 15.47 14.65 HV294N 2600 2500 2000 PV （μm） 0.036 0.049 0.063 Ra （nm） 4.807 5.416 6.239 研磨面（3D表示）研磨面の組織評価研磨面（表面解析像）（a）（b） 4μm 4μm （c）（d） 30μm 4μm 写真 2 FIB による超硬合金の加工例5，6）従来材料の 0． 063μm に対して 4 割小さい 0． 036 得られにくい（写真 2 （a））。超微粒超硬合金とな μm に、Ra 値で 6． 2 nm から 2 割小さい 4． 8 nm ると WC 粒子が小さくなり、Co 相の厚さも薄くまで減少した。なるため加工精度は改善される（写真 2（b））。さ微細加工への取り組みの一例として FIB（Fo- らに、粒度も小さく Co を含まないナノ微粒バイ cused Ion Beam：集束イオンビーム）加工へのンダレス合金とすると、平滑面が非常に得やすい適用性も検討された。WC 粒子と Co（γ）相の（写真 2（c））。このような特殊な微細加工を必要 2 相組織の合金である超硬合金を FIB 加工でするとする金型にも、ナノ微粒バインダレス合金が有と、WC 粒子と Co（γ）相の加工速度が異なる効である。ため、WC 平均粒度が大きい合金では加工精度が第 48 巻第 12 号（2010 年 12 月号） 41 使用時期工具名寸法方式スピード被加工材種類寸法 H19/9 圧造金型マイクリギヤ据え込み 150spm SUS631 t＝30μm 使用時期工具名寸法方式スピード被加工材種類寸法 H19/12 パンチ φ0.2mm L/D＝2.5 SUS420J2 使用時期工具名寸法方式スピード被加工材種類寸法継続使用中 2,000,000 表面粗さRz nm 30,000 25,000 1,500,000 ショット数ショット数 2,500,000 1,000,000 500,000 折損 20,000 15,000 10,000 5,000 0 超々微粒 0 TFS06 超々微粒 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 TFS06 H19/12 異型プラグ φ9.6mm Cu 使使用用後前超々微粒使使用用前後 TFS06 図 5 ナノ微粒超硬合金 TFS 06 の各種金型への適用例7）参考文献ナノ微粒超硬合金の適用例ナノ微粒超硬合金 TFS 06 は当社で市販している世界で最も微粒な超硬合金であり、極小径ダイやパンチなど微小で高負荷な加工が行われる工具や金型で優れた性能を発揮している（図 5）。SUS 631 のマイクロギヤを製造する金型では、超々微粒超硬合金が約 1， 100， 000 ショットで寿命を抑えるのに対して、TFS 06 は 2， 300， 000 ショットと 2 倍以上の寿命延長に貢献した。先端径φ0． 2 mm のピアスパンチでは寿命が向上することはもちろんのこと、従来の超微粒超硬合金では不可能であった板材の厚さ方向に対して 1）硬工具協会規格 CIS 019 D−2005 2）NEDO 平成 18 年度成果報告書革新的部材産業創出プログラム精密部材成形用材料創製・加工プロセス技術プロジェクト 3）冨士ダイス㈱カタログ「超硬合金」 4）平成 21 年度戦略的基盤技術支援事業成果報告書「ナノ微粒超硬合金を用いた精密金型の開発」、関東経済産業局 5）NEDO 平成 15 年度成果報告書革新的部材産業創出プログラム精密部材成形用材料創製・加工プロセス技術プロジェクト（写真 2（a） ∼（c）） 6）神奈川科学技術アカデミー FIB 加工試験片（写真 2 （d）） 7）冨士ダイス㈱技術資料 C−243 斜め方向に打ち抜くことも可能と聞き及んでいる。特殊な用途例として異型プラグがあるが、使用後の表面粗さが格段に改善された。ナノ微粒超硬合金が、優れた形状維持性能を有することを表した一例と言えよう。 ☆ ☆ ナノ微粒超硬合金は、従来の超硬合金よりもさらに耐摩耗性などの機械的特性に優れた高いポテンシャルを持つ材料である。特に微小な先端径を有する工具やシャープエッヂを必要とする金型などで優れた性能を発揮することが期待される。 42 プレス技術