JP2008502576A - 堅い被覆硬質粉体の圧密方法 - Google Patents
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Abstract
Description
堅い被覆硬質粉体(Tough−Coated Hard Powders)(TCHP)を、低圧または非加圧下で、実質的に最大密度にまで圧密する方法、およびその方法を用いて圧密された製品を開示する。この方法は、現在、この分野で知られている従来の硬質製品および工具材料に高い価値を与える液相焼結をベースとするTCHP材料の焼結体を製造する費用効率の高い方法である。
焼結とは、固体製品を作製するために粒子を互いに結合させる目的で、粉体または圧縮体を熱処理することと定義される。
上述したように、粒子材料から製品を製造する方法が提供される。本方法は、金属および半金属窒化物、金属および半金属炭化物、金属および半金属炭窒化物、金属および半金属硼化物、金属および半金属酸化物、金属および半金属硫化物、金属および半金属ケイ化物、並びに、ダイヤモンドから選択される1種のコア粒子材料または複数の異なるコア粒子材料からなる複数のコア粒子を用意することを含む。
本開示は、所望の特性一式を有する微粒子を、他の特性を有する粒界調節剤でカプセル化するとともに焼結し、これによって、以前は不可能であった材料特性の組み合わせの設計を可能にする方法を説明する。TCHPの「ビルディングブロック」粒子は、硬度+耐摩耗性+靭性+バインダー金属+他のデザイナー特性などの要素を含んでおり、ナノ、ミクロ、マクロおよび機能レベルで同時に最適化された工学的特性を有する、非常に多くの新しい材料グレードを材料技術者に提供する。
を含む、多方面の製品での使用に非常に適している。
Claims (44)
- 製品を製造する方法であって、前記方法は、
1種のコア粒子材料または複数の異なるコア粒子材料を含む複数のコア粒子を用意する工程であって、前記コア粒子材料が、金属および半金属窒化物、金属および半金属炭化物、金属および半金属炭窒化物、金属および半金属硼化物、金属および半金属酸化物、金属および半金属硫化物、金属および半金属ケイ化物、並びに、ダイヤモンドからなる群より選択されるものである工程と、
前記コア粒子の大部分に中間層を設ける工程であって、前記中間層が、前記コア粒子材料とは組成が異なり、かつ、より高い相対破壊靱性を有する第2の化合物を含み、前記第2の化合物が、前記コア粒子材料と結合することができ、かつ、鉄、コバルト、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、銀、金、白金およびそれらの混合物からなる群より選択される金属と結合することができ、これにより被覆粒子を形成するものである工程と、
前記被覆粒子に外層を設ける工程であって、前記外層が、前記中間層上に実質的に連続した外層を形成するために、鉄、コバルト、ニッケルおよびそれらの混合物からなる群より選択される金属を含み、これにより構成粒子を形成するものである工程と、
複数の前記構成粒子を製品に成形する工程と、
外部から大きな圧密圧力を加えることなく実質的に最大密度を実現するために有効な量の液体を提供するために、前記外層の少なくとも一部を液化するのに十分な温度で、かつ、前記外層から生成した液体に前記中間層の一部が溶解するのに十分な時間、前記製品を焼結する工程と、
前記外層および前記中間層から生じた液体を、前記液体と前記コア粒子との間に極めて有害な相互作用が生じる前に固化させる工程と、
を含む方法。 - 前記コア粒子材料が式MaXbを有し、ここで、Mは、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、銅およびケイ素からからなる群より選択される金属であり、Xは、窒素、炭素、硼素、硫黄および酸素から選択される元素であり、aおよびbは、ゼロより大きく14以下の数である請求項1に記載の方法。
- 前記コア粒子材料が、TiN、TiCN、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、ZrB2、HfC、HfN、HfB2、TaB2、VC、VN、cBN、hBN、Al2O3、Si3N4、SiB6、SiAlCB、B4C、B2O3、W2B5、WB2、WS2、AlN、AlMgB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、MoB2およびそれらの混合物からなる群より選択される請求項1に記載の方法。
- 製品を製造する方法であって、前記方法が、
1種のコア粒子材料または複数の異なるコア粒子材料からなる複数のコア粒子を用意する工程であって、前記コア粒子材料が、TiN、TiCN、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、ZrB2、HfC、HfN、HfB2、TaB2、VC、VN、cBN、hBN、Al2O3、Si3N4、SiB6、SiAlCB、B4C、B2O3、W2B5、WB2、WS2、AlN、AlMgB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、MoB2およびダイヤモンドからなる群より選択されるものである工程と、
前記コア粒子の大部分に、前記製品の10重量%〜80重量%の範囲の量の中間層を設ける工程であって、前記中間層が、前記コア粒子材料とは組成が異なり、かつ、より高い相対破壊靱性を有する第2の化合物を含み、前記第2の化合物が、WC、TaC、W2CおよびWCとW2Cとの混合物からなる群より選択され、これにより被覆粒子を形成するものである工程と、
前記被覆粒子に外層を設ける工程であって、前記外層が、前記中間層上に実質的に連続した外層を形成するために鉄、コバルト、ニッケルおよびそれらの混合物からなる群より選択される金属を含み、これによって構成粒子を形成するものである工程と、
複数の前記構成粒子を製品に成形する工程と、
外部から大きな圧密圧力を加えることなく実質的に最大密度を実現するために有効な量の液体を提供するために、前記外層の少なくとも一部を液化するのに十分な温度で、かつ、前記外層から生成した液体に前記中間層の5〜90体積%が溶解するのに十分な時間、前記製品を焼結する工程であって、前記中間層の固体部分が、前記液体と前記コア粒子との化学的相互作用を防止するものである工程と、
前記外層および前記中間層から生じた液体を、前記液体と前記コア粒子との間に極めて有害な相互作用が生じる前に固化させる工程と、
を含む方法。 - 前記焼結温度および時間が、前記中間層を完全には溶解させない請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結温度および時間が、前記中間層を5〜50%溶解させる請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結温度および時間が、前記中間層を50〜99%溶解させる請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層の固体部分が、前記液体と前記コア粒子との化学的相互作用を防止する請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、WC、W2C、工具鋼、ガラス質失透ナノスチール合金、窒化ケイ素、および、炭化タンタルからなる群より選択される材料を含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆粒子が、約1000ミクロン未満の平均粒径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆粒子が、約100ミクロン未満の平均粒径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆粒子が、約50ミクロン未満の平均粒径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆粒子が、約2ミクロン未満の平均粒径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆粒子が、約1ミクロン未満の平均粒径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記被覆粒子が、100〜1000ナノメートルの範囲の平均粒径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、焼結後に、前記コア粒子の直径の5%〜50%の範囲の厚さを有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、焼結後に、前記被覆粒子の直径の3%〜12%の範囲の厚さを有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、さらに、金属、セラミック、バインダー、焼結助剤および高分子材料からなる群より選択される材料からなる1層以上の層を含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、化学蒸着、物理蒸着、プラズマ蒸着、レーザークラッディングもしくはレーザー蒸着法、プラズマクラッディング、マグネティックプラズマ蒸着、電気化学メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、固相合成、溶液化学析出法、および、そのような方法の組み合わせから選択される少なくとも1つの方法により堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、化学蒸着、物理蒸着、プラズマ蒸着、レーザークラッディングもしくはレーザー蒸着法、プラズマクラッディング、マグネティックプラズマ蒸着、電気化学メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、固相合成、および、溶液化学析出法から選択される少なくとも1つの方法によって堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、125℃〜1800℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、20℃〜125℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、1800℃〜8000℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、200℃〜800℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、20℃〜125℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、125℃〜650℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、200℃〜550℃の範囲の温度で堆積される請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結温度が、600℃〜1700℃の範囲である請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結温度が、1700℃〜8000℃の範囲である請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、前記製品の0.5重量%〜3重量%の範囲の量を占める請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、前記製品の3重量%〜18重量%の範囲の量を占める請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外層が、前記製品の18重量%〜45重量%の範囲の量を占める請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、WC、TaC、W2C、WCとW2Cから選択される材料を、前記製品の60重量%〜98重量%の範囲の量で含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層が、WC、TaC、W2C、WCとW2Cよりなる群から選択される材料を、前記製品の10重量%〜60重量%の範囲の量で含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層はがWC、TaC、W2C、WCとW2Cよりなる群から選択される材料を、前記製品の5重量%〜10重量%の範囲の量で含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 焼結が、コア粒子の体積を含まない構成粒子の体積の45体積%までの量の外層、中間層またはその両方を含む液相を得るのに十分な圧密圧力および温度で起こる請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 焼結が、コア粒子の体積を含まない構成粒子の体積の99.5体積%までの量の液相を外層、中間層またはその両方において得るのに十分な圧密圧力および温度で起こる請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 焼結圧密が、主として毛管力により生じる請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 焼結温度が、600℃〜1700℃の範囲であり、液相の量が、コア粒子体積を含まない構成粒子の体積の6〜44体積%の範囲である請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 液相の体積が、焼結温度およびコバルト含有率から選択される少なくとも1つのパラメータを増大させることによって増加する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 圧密が、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、ネオン、クリプトン、キセノン、メタン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素、並びに、それらの混合物および化合物から選択されるガス雰囲気中で起こる請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記処理ガスが、絶対圧ゼロから大気圧の範囲で供給される請求項40に記載の方法。
- 前記成形よりも前に、もしくは前記成形と同時に、パラフィンワックス、ステアリン酸、エチレンビス−ステアラミド(EBS)、ポリビニルアルコールおよびポリエチレングリコールから選択される少なくとも1つの添加剤を複数の前記構成粒子と混合する工程をさらに含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法によって製造された製品。
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