成果報告書詳細
管理番号20120000000998
タイトル平成20年度~平成23年度成果報告書 希少金属代替材料開発プロジェクト/超硬工具向けタングステン使用量低減技術開発
公開日2012/9/21
報告書年度2008 - 2011
委託先名住友電気工業株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P08023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本研究開発ではコストと性能を維持することを基本コンセプトとし、超硬工具(切削工具)のタングステン使用原単位を30%以上低減するため、切削工具の基材部分をタングステン使用量の少ない材料に置きかえる「硬質材料のハイブリッド化」、及び工具の刃先近傍や表面以外について炭窒化チタンを主成分とする「複合構造硬質材料化」を図るための技術開発を行った。
「ハイブリッド切削工具の開発」
 切削工具の切刃部に要求される特性を有する硬質材料(ソリッド:cBN等)とタングステンの割合が55質量%未満の基材となる材料(ソリッド:炭窒化チタン系硬質材料等)をインサート材料を用いて通電により短時間(60s)で接合する技術を開発した。さらに1000℃で被覆を行うCVDコーティングに対応できる接合技術及びインサート材料を開発した。これを基礎技術として、実用工具における被接合材及び基材の形状設計、被接合材と基材の高精度位置決め技術や自動化技術を開発した。
「複合構造硬質工具の開発」
 これまでコーティングされた超硬合金が利用されてきた一般鋼及び鋳鉄用切削工具に対して、工具の性能を左右する部分(チップの刃先部分や表面部など)のみ超硬合金もしくは高性能炭窒化チタン系硬質材料とし、他の部分を炭窒化チタン系硬質材料とすることで、タングステンの使用量を低減した複合構造硬質切削工具の開発を行った。同時に、3次元ブレーカを低コストで形成するための粉末複合化成形技術を開発した。
 さらに、高性能な炭窒化チタン系硬質材料を開発するために、非平衡化プロセスを用い、機械的特性や熱的特性を支配する炭窒化チタン系硬質粒子等と結合金属相の界面構造や相変化を評価した。また、焼結により得られた多相組織硬質材料における炭窒化チタン系硬質粒子等と結合金属相との反応、界面構造、残留応力等を調べ、剥離メカニズムや強化メカニズムを明らかにした。
 これらの技術開発により、超硬工具中のタングステン使用量を30%以上削減した新たな工具を開発することができた。開発した工具は、切削テストを行うことによって、従来の超硬合金(WC-Co)工具と同等の性能を有することを明らかにした。
英文要約Cemented carbides (WC-Co) are essential materials for high precision manufacturing. The resource of tungsten, which is a major element of the cemented carbides, is scarce and unevenly distributed in the world. Then, the tungsten is considered to be as one of resources that are difficult to ensure the stable supply in the future. If new hard materials that can reduce the tungsten usage and that have equivalent processing costs and cutting performances to conventional cemented carbides are developed, we can continuously develop frontier industries. In the project, we aim to develop cutting tools to reduce tungsten usage more than 30%.
Developing the reaction-controlled joining technology and the grain-size-controlled nanotechnology of a cermet could reduce the usage of tungsten. We research and develop two themes; Development of Hybrid Cutting Tools and Development of Complex-Structured Hard Cutting Tools.
1. Development of hybrid cutting tools
In order to reduce tungsten usage of blazed cutting tools by more than 40%, we develop cermet-based cutting tools to which hard materials are joined as cutting edges, and which have the same in performance as conventional blazed cutting tools, which use WC-Co. Additionally, the joint part resists temperature of 1000 degrees C.
We developed a new technology to bond strongly hard materials to the cermet substrates in a short time, less than 60sec. The technology is able to reduce the tungsten usage by 40% in comparison with conventional blazed cutting tools (interim goal). The ‘hybrid cutting tools’ produced by the technology have equivalent cutting performances to conventional tools in a continuous cutting test.
2. Development of Complex-Structured Hard Cutting Tools
We develop complex-structured hard cutting tools to reduce tungsten usage more than 30% and achieve the same cutting performance with conventional cemented carbides. They have a cemented carbide body in the portion functioned as cutting edges and a cermet (TiCN base hard material) body in other portion.
We developed a basic technology of multilayer pressing of cemented carbides and cermets, and sintering the pressed compacts. The shrinkage mechanism of cemented carbides and cermets during sintering were examined in details. As a result, the technique for simultaneous sintering complex-structured materials composed of cemented carbide and cermets was developed. The ‘complex-structured hard cutting tools’ reduced the tungsten usage by 30% and have equivalent cutting characteristics in comparison with conventional coated cutting tools.
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