JP2000509102A - 焼結トレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は超硬合金またはサーメットの物体をグラファイトトレーに置いて焼結する方法を開示する。２０ｗｔ％以下のＺｒＯ₂を含有するＹ₂Ｏ₃、または相当体積量の他の耐熱酸化物例えばＡｌ₂Ｏ₃またはそれらの組み合わせ物の、１０μｍ以上の平均厚さに被覆したカバー層の被膜を有するグラファイトトレーを使用することによって、再研削加工または再被覆加工までのトレー寿命が著しく延長できる。

Description

【発明の詳細な説明】 焼結トレー 本発明は、超硬合金及びサーメットのような粉末冶金製品を焼結するときに使 用するトレーに関する。 超硬合金及びサーメットは、Ｃｏ及び／またはＮｉ及び／またはＦｅを本質的 に基にするバインダー中に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ及 び／またはＷの炭化物、窒化物及び／または炭窒化物を基にする硬質成分を主に 含有する合金である。これらは、硬質成分及びバインダー相を形成する粉末を含 んでいる粉末混合物の混練、加圧成形及び焼結を含んでなる一般的な粉末冶金法 により製造される。 加圧成形後の圧密された物体は孔空隙率が約５０体積％であった。その後、充 分緻密な製品は、バインダー金属が液体状態となり且つ実際には組成に依存する １３００〜１５５０℃の一般的な範囲の温度で液体相焼結によって製造された。 超硬合金及びサーメットの製造では、ほとんどの焼結方法が、工業的真空例え ば１トアー以上で、且つＨ₂にＣＯ、ＣＯ₂、Ａｒ、Ｎ₂、ＣＨ₄などを加えた混合 物のような種々のガス雰囲気中で、焼結する物体をグラファイトトレーに配置し て行われる。焼結される物体と炉内雰囲気とに接触するグラファイトの影響を最 小限にするために、これらのトレーは通常表面を被覆する。例えば、H．Kolaska 等の「Sintering-Technical and Basic Principles」、「Powder Merallurgy of Hardmetals，EPMA Lecture Series，European Powder Metallugy Association ，Shrewsbury，UK，1995，P.6/9-6/10」を参照する。実際に、Ａｌ₂Ｏ₃基または ＺｒＯ₂基の被膜 が、熱スプレー、一般的にはプラズマ粉末スプレーによって被覆される。すなわ ち、これらの被膜は、焼結される物体とトレーとの間で生じる反応を防止するバ リヤー層として働く。この反応は種々の課題をもたらし、それらはトレーからの 炭素吸収及び焼結された物体のゆがみである。 本質的なことは、バリアー層を備えたこれらのグラファイトトレーが、トレー の劣化を生じることなしに、可能な限り多くの焼結サイクルに再使用でき、すな わちバリアー層が、不活性を維持し且つグラファイトトレーへの高付着性を維持 することである。一般的に、トレーの再研磨及び再被覆の必要性は、被膜が当業 者の肉眼で容易に目視できる程度に引き剥がされたときに当業者によって決定さ れる。 この劣化は、超硬合金物体とトレーとの間で起きる冶金的反応のためであり、 付着により引き起こされる回避すべき問題である。被膜の極めて表面の個々の粒 または被膜の小片は引き剥がされる。この問題は、比較的多くのバインダー相の 成分を含む大きな超硬合金物体を焼結するときに特に遭遇し、これらの条件が付 着を促進する。 現在驚くべきことには、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）基バリアー層を設けることが、 生産用焼結に使用した被覆トレーの寿命を、再研磨及び再被覆をする以前の従来 の被覆トレーに比較して著しく増加することが判明した。これは製造価格の非常 な節約となり且つ改良された品位の焼結製品をもたらされる。 図１は切削工具インサートの接触表面を３Ｘの倍率で示し、これらのインサー トは、異なるトレーであるが、１４１０℃の通常の生産用焼結及び同一焼結バッ チにおける焼結の同一履歴を持つ。 本発明の方法にしたがう超硬合金またはサーメットの物体は、２ ０ｗｔ％以下のＺｒＯ₂好ましくは１０ｗｔ％以下のＺｒＯ₂及び最も好ましくは ５ｗｔ％以下のＺｒＯ₂を含有するＹ₂Ｏ₃またはＹ₂Ｏ₃ベース、または相当体積 量の他の耐熱酸化物例えばＡｌ₂Ｏ₃またはそれらの組み合わせ物、のカバー層で 被覆したグラフィとトレーで焼結される。Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、好まし くＭｏまたはＷまたはそれらの混合物のような耐熱金属、及び／または好ましく はＺｒＯ₂基のような耐熱性酸化物、の中間層を１種以上好ましく被覆する。こ れらの層の平均厚さは、それぞれが、１０μｍ以上、好ましくは２０〜３００μ ｍ、最も好ましくは５０〜１５０μｍにする必要がある。 中間の単一層または複数層の材料を選ぶ場合に最も重要な性質は、下側に置か れるグラファイト表面とイットリア化合物またはイットリア基化合物の最上被膜 との双方に対する強い付着性である。しかしながら、これらの中間層材料が、室 温から通常は約１５５０℃である作業温度までの温度範囲で熱的に安定であるこ とも重要である。さらに、それら中間層材料が、隣接する材料の機能に悪影響を 及ぼさないように、隣接する材料と反応しないことが必要である。 被覆は、既知の粉末スプレー法好ましくはプラズマスプレー法により被覆され 、主分布が１０〜１００μｍ好ましくは１０〜７５μｍの範囲内である粒または 塊サイズを持つ粉末を使用する。容器から吹き付け器を通る粉末流れに関するス プレー工程を促進するために、粉末は好ましくは塊である。 代わりの実施態様において、被覆は、考慮した粉末が入っているスプレーを適 用することによって形成され、その後、乾燥及び焼結がされる。化学蒸着法も使 用することができる。 実施例１ 切削工具インサートは、４種の異なる超硬合金粉末混合物から加圧成形された 。これらのうち２種は、ＷＣ−１０ｗｔ％Ｃｏに、高炭素成分及び低炭素成分を 含み、それぞれは材料Ａ−ｈｃ及び材料Ａ−ｌｃと示され、且つ、残りの２種は 、ＷＣ相当量を５ｗｔ％のＴｉＣの添加で代えることにより作られた。また、高 炭素成分及び低炭素成分に区別されているこれらは、それぞれ材料Ｂ−ｈｃ及び 材料Ｂ−ｌｃと示される。これらの加圧成形されたインサートは、３種の異なる トレーに配置された。すなわち、 トレー１：非被覆グラファイトトレー（先行技術） トレー２：約６０〜１００μｍの被膜厚さのＺｒＯ₂−２０％Ｙ₂Ｏ₃（Ｍｅｔ ｃｏ２０２）のプラズマスプレー被膜を有するグラファイトトレー （先行技術） トレー３：約１０〜１５μｍの厚みのＹ₂Ｏ₃のプラズマスプレー最上被膜、及 びプラズマスプレー法により被覆した約２０〜５０μｍの厚さのＭ ｏ中間層を有するグラファイトトレー（本発明） 注：被膜厚さはトレーを貫く金属組織断面で決定した。 長時間焼結法は、１４５０℃で５０時間、１０ミリバールのＣＯ雰囲気中で行 われた。冷却後、焼結された物体は、それらが如何に強く冶金学的反応によって 支持体に接着したかに関して試験をしたさ。得られた結果を表１に示す。ｎ−ｒ はトレーと反応しないことを表し、ｃ−ｒはある程度の反応をするが目立った付 着のないことを表し、且つ非常に強い粘着であもって付着することを表す。 表１．種々のトレーについての焼結試験の結果 トレー 材料 Ａ−ｈｃ Ａ−ｌｃ Ｂ−ｈｃ Ｂ−ｌｃ １（先行技術） ｓ ｓ ｓ ｓ ２（先行技術） ｓ ｓ ｓ ｓ ３（本発明） ｎ−ｒ ｎ−ｒ ｃ−ｒ ｃ−ｒ Ｍｏの金属被膜に続きＹ₂Ｏ₃の最上被膜を有するグラファイトトレーは、試験 をした他の２種のトレーよりさらに優れた性能を備える。 実施例２ 切削工具インサートは、ＷＣ−６．５ｗｔ％Ｃｏ−８．５ｗｔ％（ＴｉＣ＋Ｎ ｂＣ＋ＴａＣ）からなる超硬合金粉末混合物から加圧成形された。焼結は１４５ ０℃で実施され、且つ従来知られているようにインサートの表面領域にバインダ ー相を豊富にするために冷却速度が決定された。また、この処理はインサート表 面にＣｏ層の形成をもたらした。これらのインサートは、各トレーにつき約１０ ０個を次のトレーで焼結した。すなわち、 トレー１：約６０〜１００μｍの被膜厚さのＺｒＯ₂−２０％Ｙ₂Ｏ₃のプラズ マスプレー被膜を有するグラファイトトレー（先行技術） トレー２：約１００〜１５０μｍの厚さのＹ₂Ｏ₃のプラズマスプレー被膜、及 び約１００〜１５０μｍの厚さのプラズマスプレーＭｏの中間層を 有するグラファイトトレー（本発明） 注：被膜厚さはトレーを貫く金属組織断面で決定した。 約６０分の温度保持時間で標準的な方法にしたがう焼結後、トレー１で焼結さ れたインサートは、トレー材料とインサートの間で過剰な反応を示し、インサー トにトレー材料小片が強く付着しないが、約１０％のインサートがトレーから取 り出すことが困難であった。これとは反対に、トレー２で焼結されたインサート は、トレー材料と反応する傾向を示さなかった。このインサートは容易に取り出 せた。 図１にこの実施例の２種の切削工具の接触表面を３ｘの倍率で示し、左側のイ ンサートはトレー１で焼結され、右側のインサートはトレー２で焼結された。左 側のインサートはトレー材料に強く付着することを示し、一方右側のインサート は実質的に影響を受けなかった。 マイクロプローブ分析はトレー２で焼結されたインサート接触表面にイットリ ウムの存在を示した。 実施例３ ＷＣ−９．５ｗｔ％Ｃｏ−３５ｗｔ％（ＴｉＣ＋ＮｂＣ＋ＴａＣ）からなる超 硬合金粉末混合物から加圧成形された切削工具インサートは、次の形式のトレー 上で１５２０℃で通常の製法で焼結された。すなわち、 トレー１：約６０〜１００μｍの被膜厚さのＺｒＯ₂−２０％Ｙ₂Ｏ₃のプラズ マスプレー被膜を有するグラファイトトレー（先行技術） トレー２：約１００〜１５０μｍの厚さのＹ₂Ｏ₃のプラズマスプレー被膜、及 び約１００〜１５０μｍの厚さのプラズマスプレーＭｏの中間層を 有するグラファイトトレー（本発明） この焼結温度と所定の超硬合金でもって、トレー１の寿命は２または３回の焼 結後、ほとんどの被膜が取り除かれるためにこのトレーは使用中止し、一方トレ ー２は２０回の焼結回数を越える寿命が得られた。 実施例４ 切削工具インサートは、ＷＣ−１０ｗｔ％Ｃｏ−６ｗｔ％（ＴｉＣ＋ＮｂＣ＋ ＴａＣ）を含み且つ低炭素成分を含有する超硬合金粉 末混合物から加圧成形された。加圧成形されたインサートは異なる２種のトレー にそれぞれ１００個のインサートが配置され、１４１０℃で１時間焼結された。 すなわち、 トレー１：約６０〜１００μｍの被膜厚さのＺｒＯ₂−２０％Ｙ₂Ｏ₃（ｍｅｔ ｃｏ２０２）のプラズマスプレー被膜を有するグラファイトトレー （先行技術） トレー２：トレー１のようなＺｒＯ₂−２０％Ｙ₂Ｏ₃（ｍｅｔｃｏ２０２）で 被覆し、しかし約１０〜１５μｍの厚さのＹ₂Ｏ₃の最上プラズマス プレー被膜を有するグラファイトトレー（本発明） 被膜の厚さは焼結試験の後トレーを貫く金属組織断面で評価した。 焼結後、トレー１のインサートは、強く付着し、力を加えることで取り外すこ とができた。取り外されたインサートの６０％が、その底の面に付着するトレー 被膜小片が認められ、これらの付着は研削加工ホイールを使用することによって ようやく除去することができた。このトレーすなわちトレー１はその表面被膜に 相当する損傷が認められた。 トレー２のインサートは、しかしながら、トレーをひっくり返して容易に取り 外せた。 実施例５ 採鉱工具用途の超硬合金は、ＷＣ−１２ｗｔ％Ｃｏを含有する超硬合金粉末混 合物から加圧成形された。この物体は１個あたり３００ｇ以下の重さであった。 生産用焼結が次のトレーで実施された。すなわち、 トレー１：約６０〜１００μｍの被膜厚さのＺｒＯ₂−２０％Ｙ₂Ｏ₃のプラズ マスプレー被膜を有するグラファイト トレー（先行技術） トレー２：約１００〜１５０μｍの厚さのＹ₂Ｏ₃のプラズマスプレー被膜、及 び約１００〜１５０μｍの厚さのプラズマスプレーＭｏの中間層を 有するグラファイトトレー（本発明） １４５０℃の焼結温度で、トレー１は２回だけ使用可能であった。超硬合金中 の比較的多くの量のコバルトと大きなユニットの重さとが、本体とトレー材料と の過多な反応を生じさせた。この温度で同一超硬合金材料と同一ユニットの重さ とで、トレー２は６回以上の焼結に使用できた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラゲルキスト，ミカエル スウェーデン国，エス―194 51 ウプラ ンデス ベスビュイ，ログレンド 23

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超硬合金またはサーメットの物体をグラファイトトレーに置いて焼結方法 であって、 ２０ｗｔ％以下のＺｒＯ₂を含有するＹ₂Ｏ₃、または相当体積量の他の耐熱酸 化物例えばＡｌ₂Ｏ₃またはそれらの組み合わせ物の、１０μｍ以上の平均厚さで あるカバー層の被膜を有するグラファイトトレーを使用することを特徴とする超 硬合金またはサーメットの物体の焼結方法。 ２．前記トレーが、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ好ましくはＭｏまたはＷまた はそれらの組み合わせ物のような耐熱金属を含有する１０μｍ以上の平均厚さで ある１種以上の中間層の被膜を有することを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記トレーが、耐熱酸化物好ましくはＺｒＯ₂基を含有する１０μｍ以上 の平均厚さである１種以上の中間層の被膜を有することを特徴とする請求項１記 載の方法。 ４．トレーが、２０ｗｔ％以下のＺｒＯ₂を含有するＹ₂Ｏ₃、または相当体積 量の他の耐熱酸化物例えばＡｌ₂Ｏ₃またはそれらの組み合わせ物の、１０μｍ以 上の平均厚さであるカバー層の被膜を有することを特徴とする超硬合金物体また はサーメットの物体を焼結するトレー。 ５．前記トレーが、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ好ましくはＭｏまたはＷまた はそれらの組み合わせ物のような耐熱金属を含有する１０μｍ以上の平均厚さで ある１種以上の中間層の被膜を有することを特徴とする請求項４記載のトレー。 ６．前記トレーが、耐熱酸化物好ましくはＺｒＯ₂基を含有する１０μｍ以上 の平均厚さである１種以上の中間層の被膜を有するこ とを特徴とする請求項４記載のトレー。