JP2001140053A - 球状化硬質物質粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決課題】 硬質物質コーティングのための流動性に
優れた、分解することのない球状化硬質物質粉末を少な
い工程で効率的に製造する。 【解決手段】 細かく粉砕された硬質物質粉末ベース混
合物を熱高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）内に導入
し、それによりプラズマ内で同時に合金への化学変換反
応および粒子の球状化が行われ、球状化硬質物質粉末が
製造される。さらに、所望の金属−半金属比率でＭｅＭ
／ＭｅまたはＭｅ／Ｍから構成される混合物がキャリヤ
ーガス流を用いて高周波誘導結合プラズマ内に軸方向で
噴射される。球状化硬質物質粉末は特に磨耗保護のため
に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、硬質金属コーティ
ングを製造するための硬質物質粉末、硬質金属粉末およ
び顆粒の分野に関する。本発明は、好ましくは例えば穿
孔工具や穿孔ロッド等の工具上に球状形態で塗布され、
これらの工具および工具の部分に高度の耐磨耗性および
摩擦や衝撃に対する抵抗性を与える緻密で極めて硬質な
材料に関する。

【０００２】特に本発明は、特にフレーム溶射、プラズ
マ溶射、その他類似の方法を用いて磨耗部を被覆するた
めに塗布される球状化硬質金属粉末（一般にはＭｅ_ｘＭ
_ｙ粉末として表され得る）または適切な粒状金属に関す
る。このとき前形成された粉末はコーティングされるべ
き表面上に例えば直流プラズマ中で吹き付けられる。

【０００３】

【従来の技術】上記の意味におけるコーティング用粉末
の伝統的製造方法に従うと、例えば下記のプロセス工程
が遂行される：まず、硬質金属（例えば、ＷＣ／Ｗ_２Ｃ
基）から構成されるベース混合物がその構成成分の混合
および粉砕によって製造される。引続いて、この混合物
は約３，０００℃で十分に均質な融解物へ変換される。
この融解物を冷却させた後に、１つに融解された硬質金
属が細かく粉砕され、ふるい分けされる。最後に、前も
って決定された微細な粒径を持つ分級物がもう１度加熱
されながら角を丸くされ（これはプラズマ中で行われる
可能性がある）、引続いて冷却された後にコーティング
のために使用される。

【０００４】容易に認識できるように、これまでによく
知られている方法は数多くの作業工程を必要とするため
に相当に費用がかかる。さらに、この方法はエネルギー
や費用を大量に消費するが、それは特に高温融解物を製
造すること、さらに引続いて硬質物質を破砕することの
結果として生じる。

【０００５】欧州特許第０，６８７，６５０Ａ１号から
も既に上記の方法を単純化かつ短縮する方法が知られて
いる。この場合には例えば炭化タングステンのような硬
質物質がプラズマフレームを用いて坩堝内で融解され
る。プラズマフレームの使用は、融解時間の顕著な短縮
をもたらす。硬質物質融解物が製造された後、融解物は
限定された融解流として急速に回転する冷却盤上に導入
される。冷却盤は極めて高速で回転され、冷却され、そ
れによって極めて微細な硬質物質球が生成する。この方
法によって一定の品質および一定の構造を備えた硬質物
質顆粒が生成するが、それに対しては極めて限定された
範囲でしか影響を及ぼすことができない。そこで新規の
費用効果的に製造できる硬質金属コーティング用粉末に
対する必要が存在する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、プラズマ溶
射による特に磨耗部の硬質物質コーティングのための流
動性に優れた、分離することのない粉末または顆粒を有
効利用すること、およびそれらの製造のためにできる限
り操作工程が少なく、費用効果的かつエネルギー効率的
に実施できる方法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、本発明に
従い、細かく粉砕された硬質物質粉末のベース混合物、
顆粒または細かく粉砕された硬質物質粉末を含む懸濁物
を製造する工程であって、前記混合物、顆粒または懸濁
物が高周波プラズマの条件下で硬質物質成分の相互間、
ガスおよび／または懸濁物成分との間の化学的反応、お
よび／または合金形成が生じるように選択されるところ
の工程、および前記粉末ベース混合物、顆粒または懸濁
物をキャリヤーガス流を用いて高周波誘導結合プラズマ
（ＩＣＰ）の処理ガス流内に導入する工程を備え、上記
反応または合金形成は、球状化硬質金属粒子の形成を伴
って１つの工程で行われることを特徴とする球状化硬質
金属粉末の製造方法により達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明において、ベース混合物の
製造は、まずそれ自体既知の方法で実施される。このた
めに、後のコーティングのために望ましい硬質物質の構
成成分または後にこの方法においてプラズマ内で反応ガ
スと反応されるこれらの硬質物質の原料が混合され、例
えば摩砕機で細かく粉砕される。

【０００９】混合物は懸濁物中に直接使用することもで
き、または、例えば場合によっては後にガス排気を伴う
スプレー乾燥においてさらに細かく顆粒化することもで
きる。硬質物質粉末からは懸濁物を製造することができ
るが、例えばプラズマ中で粉末構成成分と反応する炭化
水素を用いて製造することができる。

【００１０】このようにして製造された粉末形態、顆粒
形態または懸濁物形態にある混合物はその後キャリヤー
ガス流内で熱高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）の処理
ガス内へ導入される。これに加えて、上記の硬質物質混
合物はキャリヤーガス流を用いて高周波プラズマのプラ
ズマアークによって噴射される。

【００１１】ＩＣＰプラズマを発生させるための装置は
ＩＣＰプラズマ発生装置として既知であり、それを使用
できるので、ここで適切な装置について説明することは
不要であろう。

【００１２】プラズマを通り抜けることによって球状化
された粒子は、追加のクエンチガス流内で高速で結晶化
温度より下方へ冷却され、プラズマ噴射後に捕捉され
る。クエンチガス流は、システムに別個に供給される一
般に不活性の追加のクエンチガス流である。

【００１３】本発明において特に有益であるのは、極め
てコンパクトな実施方法である。構成要素の相互間の反
応も、合金形成も、さらには球状化もプラズマ内での１
つの工程で行われるので、原料物質を融解させる個別の
ステップおよびそれに伴って場合によっては融解産物を
破砕する、ふるい分けする、球形にするという引続いて
のステップもまた省略される。本方法の操作手順は極め
て単純化かつ短縮されている。従って本方法は極めてエ
ネルギー効率的であり、さらに費用効果的である。

【００１４】組成が均質であり、コーティングの塗布に
おいて良好な流動挙動を示す長球状の硬質物質粉末が得
られる。ここで「球状化硬質物質粉末」とは、完全に角
の丸い粒子縁を備えた硬質物質合金からできている粉末
と理解され得るる。

【００１５】本発明に従って得られた球状化顆粒には、
他の方法で製造された顆粒に比較して個々の粒子の構造
が一様かつ球形という長所がある。本発明に従った方法
を用いると、相当に狭くかつ調節可能な粒径クラスで粒
径分布を作り出すことが可能である。

【００１６】本発明の意味における硬質物質または硬質
物質合金とは、より狭い意味ではＭｅ_ｘＭ_ｙの形の化合
物であると理解され、ここでＭｅは金属であり、Ｍは半
金属である（この式は、様々な金属と半金属を結合させ
ることができると理解することができる）。従って詳細
には、「金属系硬質物質」とは、周期律表ＩＶａからＶ
Ｉａまでの族の遷移金属と非原子元素である炭素、窒
素、臭素およびケイ素との化学化合物、例えば金属チタ
ン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオビウ
ム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、お
よびそれらの混合物の炭化物、窒化物、窒化炭素、ホウ
化物およびケイ化物であると理解される。

【００１７】本発明の意味において、好ましくは合金系
（Ｗ_２Ｃ）_{０．５＋ｚ}（ＷＣ）_{０． ５−ｚ}（ｚ＜０．
５）は高い粘性および２，０００を超える高いビッカー
ス硬度を備える。

【００１８】このとき硬質金属粉末ベース混合物の原料
構成要素は、特に下記の群の１つを含むことができる： ａ）Ｗ_２Ｃ＋ＷＣ ｂ）ＷＣ＋Ｗ ｃ）Ｗ＋Ｃ ｄ）Ｗ＋Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２ ｅ）Ｗ＋その他 原料は、金属もしくは金属酸化物、または所定の単一成
分間で前形成された合金であってもよい。

【００１９】ＩＣＰプラズマを維持するためには、処理
ガス流の他にカバーガス流が不可欠である。このガス流
においてはキャリヤーガス流はベース混合物を粉末形
態、顆粒形態もしくは懸濁物形態に噴射するため、並び
にプラズマ後に粒子を急速冷却するためにクエンチガス
流が必要になる。

【００２０】従って硬質物質原料間の反応の他に、処理
ガスおよび／またはキャリヤーガスが例えば希ガス、好
ましくはアルゴンのようなベース混合物の構成成分に対
して不活性なガスではない限り、追加して処理ガスおよ
び／またはキャリヤーガスとの反応も起こる可能性があ
る。

【００２１】反応性ガスが使用される場合は、反応性ガ
スは例えばプラズマの条件下でベース混合物構成要素の
金属もしくは金属酸化物と炭化物（この場合には好まし
くはメタン）または窒化物（このためには好ましくは窒
素）が形成されるように選択することができる。

【００２２】反応性ガス下でのベース混合物構成要素間
の反応は、特に下記の原則的な式によって表すことがで
きる： ａＷ＋ｂＣＨ_４ → ｃ（Ｗ_２Ｃ）_{０．５＋ｚ}（ＷＣ）
_{０．５−ｚ}＋ｄＨ_２ａＴｉ＋ｂＮ_２ → ｃＴｉＮ ａＴａ_２Ｏ_５＋ｂＣＨ_４ → ｃ（ＴａＣ）_ｘ（ＴＡ_２
Ｃ）_ｙ＋ｄＨ_２Ｏ 好ましくは、熱高周波誘導結合プラズマは３，０００℃
を超える温度、さらに好ましくは４，０００℃を超える
温度において操作される。この高い誘導領域は、一般に
反応速度を加速させるように、そしてＷ_２Ｃ／ＷＣの形
成における反応平衡にプラスに作用する。

【００２３】高周波プラズマによって噴射されて反応完
結したたベース混合物は、好ましくは１０^４Ｋ／ｓを超
える冷却速度で急冷させられる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。 実施例１ ７０％ＷＣ＋３０Ｗの混合物をアルコールおよび約１％
の有機結合剤を添加しながら約３時間摩砕機で粉砕混合
することにより原料混合物を製造する。適切な望ましい
粒径を有する前形成された顆粒へスプレー乾燥させ、場
合によっては顆粒から排気させ、さらに前焼結させる。
望ましい分級物をふるい分けする。反応には関わらない
ガス、アルゴン処理プラズマ（ＩＣＰ）においては好ま
しくはアルゴンの内部へキャリヤーガス流を用いて顆粒
を送り込む。プラズマ後に供給されるガス流、好ましく
はＮ_２を用いて急冷させる。保護ガス雰囲気中で完成し
た粉末を捕集する。

【００２５】実施例２ 処理方法は実施例１に記載された通りに行う。ただし、
９６％Ｗ＋４．５％カーボンブラック（Russ）を使用す
る。

【００２６】実施例３ 実施例２に記載された通りのタングステン顆粒を製造
し、さらに反応に関与するガス、好ましくはＣＨ_４を用
いて処理される熱プラズマ（ＩＣＰ）の内部へ顆粒を送
り込む。実施例１に記載された通りに捕集かつ冷却す
る。

【００２７】実施例４ 加工方法は実施例１に記載された通りに行う。ただし、
８２％ＷＯ_３＋１８％カーボンブラックを使用する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレクサンダー・クライン ドイツ連邦共和国、デー−36448 シュバ イナ、ハインリヒ−ハイネ−シュトラーセ 29 (72)発明者 ルーディ・ホルン ドイツ連邦共和国、デー−98597 ブライ トゥンゲン、ベラシュトラーセ 29 (72)発明者 ジモン・ツァクハリアン ドイツ連邦共和国、70197 シュトゥット ガルト、オーベレ・ビスマルクシュトラー セ 91／１

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 細かく粉砕された硬質物質粉末のベース
   混合物、顆粒または細かく粉砕された硬質物質粉末を含
   む懸濁物を製造する工程であって、前記混合物、顆粒ま
   たは懸濁物が高周波プラズマの条件下で硬質物質成分の
   相互間、ガスおよび／または懸濁物成分との間の化学的
   反応、および／または合金形成が生じるように選択され
   るところの工程、および前記粉末ベース混合物、顆粒ま
   たは懸濁物をキャリヤーガス流を用いて高周波誘導結合
   プラズマ（ＩＣＰ）の処理ガス流内に導入する工程を備
   え、 上記反応または合金形成は、球状化硬質金属粒子の形成
   を伴って１つの工程で行われることを特徴とする球状化
   硬質金属粉末の製造方法。
2. 【請求項２】 硬質物質混合物の原料成分が、下記の群
   の１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法： ａ）Ｗ_２Ｃ＋ＷＣ ｂ）ＷＣ＋Ｗ ｃ）Ｗ＋Ｃ ｄ）Ｗ＋Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２ ｅ）Ｗ＋その他
3. 【請求項３】 １または２以上の金属反応物質が、酸化
   物または半金属化合物であることを特徴とする請求項１
   に記載の方法。
4. 【請求項４】 該方法によって生成する合金が、一般組
   成（Ｗ_２Ｃ）_{０．５ ＋ｚ}（ＷＣ）_{０．５−ｚ}（ｚ＜０．
   ５）の２相異種Ｗ_２Ｃ／ＷＣ合金であることを特徴とす
   る請求項２または３に記載の方法。
5. 【請求項５】 処理ガスおよび／またはキャリヤーガス
   が、混合物の成分に対して不活性なガスであることを特
   徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方
   法。
6. 【請求項６】 不活性ガスが希ガス、好ましくはアルゴ
   ンであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 少なくともガスの１つがベース混合物の
   成分に対して反応性のガスであることを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
8. 【請求項８】 反応性ガスが、プラズマの条件下で金属
   または金属酸化物と、ベース混合物成分として炭化物を
   形成するガス、好ましくはメタンであることを特徴とす
   る請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 反応性ガスが、プラズマの条件下で金属
   または金属酸化物と、ベース混合物成分として窒化物を
   形成するガス、好ましくは窒素であることを特徴とする
   請求項７に記載の方法。
10. 【請求項１０】 高周波プラズマが３，０００℃を超え
    る温度、好ましくは４，０００℃を超える温度を有する
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記
    載の方法。
11. 【請求項１１】 高周波プラズマによって噴射されたベ
    ース混合物または懸濁物がプラズマアーク内を通過した
    後に１０^４Ｋ／ｓを超える冷却速度で急冷されることを
    特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の
    方法。