JP2009074173A - 超硬複合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の超硬複合材料の製造方法は、少なくとも1種のセラミック相粉末と多元高エントロピー合金粉末とを混合して混合物を形成する工程、その混合物を圧粉する工程、および、その混合物を焼結して超硬複合材料を形成する工程を含む。上記多元高エントロピー合金は5から11種の主要元素からなり、各主要元素が前記多元高エントロピー合金粉末の5から35モル%を占める。
【選択図】図1
Description
以下の記載は本発明を実施するための最良の形態である。この記載は本発明の主要な原理を説明することを目的としたものであり、限定の意味で解釈されるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲で判断されなくてはならない。
実施例1の焼結プロセスは図1に示すとおりである。先ず、数種の純金属または合金粉末をボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。次に、多元高エントロピー合金粉末とWC粉末とをそれぞれ異なる比率で混合およびボールミル処理し、均一に混合された粉末にした。続いて、そのWC/多元高エントロピー合金混合物を圧粉してから、高温で焼結して超硬複合材料を形成した。最後に、その複合材料について試験と分析を行った。実施例1の高エントロピー合金粉末はアルミニウム、クロム、銅、鉄、マンガン、チタンおよびバナジウムからなるものとした。表1は、タグチメソッド(L827)の直交表を利用したA系列の合金の成分比を表にしたものである。
実施例2の焼結プロセスも図1に示すとおりである。6種の元素粉末、アルミニウム、クロム、コバルト、銅、鉄およびニッケルをボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。その成分の比率は表3に示すB系列の合金のとおりである。図3には、B2の粉末を例にとり、ボールミル処理時間と結晶構造との関係をX線回折により分析した図が示されている。図3より、少なくとも24時間のボールミル処理によって単一のFCC相の固溶体が形成され、完全な合金化がなされていることがわかる。
実施例3の焼結プロセスも図1に示すとおりである。炭素、クロム、ニッケル、チタンおよびバナジウムの元素粉末をボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。その成分の比率は表7に示すC1合金のとおりである。図6はC1合金のX線回折図であり、ボールミル処理後、合金粉末が完全に合金化し、単一のBCC相の固溶体が形成されたことが示されている。
実施例4の焼結プロセスも図1に示すとおりである。炭素、クロム、鉄、チタンおよびバナジウムの元素粉末をボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。その成分の比率は表9に示すD1合金のとおりである。図7はD1合金のX線回折図であり、ボールミル処理後、D1合金粉末が完全に合金化し、単一のBCC相の固溶体が形成されたことが示されている。
実施例5の焼結プロセスも図1に示すとおりである。炭素、クロム、コバルト、チタンおよびバナジウムの元素粉末をボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。その成分の比率は表11に示すE1合金のとおりである。図8はE1合金のX線回折図であり、ボールミル処理後、E1合金粉末が完全に合金化し、単一のBCC相の固溶体が形成されたことが示されている。
実施例6の焼結プロセスも図1に示すとおりである。炭素、クロム、鉄、ニッケル、チタンおよびバナジウムの元素粉末をボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。その成分の比率は表13に示すF1合金のとおりである。図9はF1合金のX線回折図であり、ボールミル処理後、合金粉末F1が完全に合金化し、単一のBCC相の固溶体が形成されたことが示されている。
実施例7の焼結プロセスも図1と同様である。但し実施例7では、バインダー金属として実施例2によるB2の高エントロピー合金粉末を用い、セラミック相粉末としてTiC粉末を用いた。表15には、1350℃で焼結した比率のそれぞれ異なるB2合金粉末とTiC粉末からなるテスト試料の室温での硬度が示されている。硬度の違いは成分の比率を調整することでコントロール可能であるため、様々な要求に応じることができるようになる。
実施例8の焼結プロセスも図1と同様である。コバルト、クロム、鉄、ニッケルおよびチタンの元素粉末をボールミル処理して多元高エントロピー合金粉末を形成した。その成分の比率は表16に示すG1合金のとおりである。
テスト試料C1WおよびD1W、ならびに市販のWCであるF10およびLC106について、硬度(Hv)および破壊靱性(KIC)を測定し比較を行った。ここで、テスト試料C1Wは、C1合金粉末15wt%とWC粉末85wt%とを混合し、1380℃の温度で焼結することによって製造した。また、D1Wは、D1合金粉末15wt%とWC粉末85wt%とを混合し、1380℃の温度で焼結することによって製造した。表18に示すように、テスト試料は市販のWCよりも硬度および破壊靭性が高かった。このように、本発明のWC/多元高エントロピー超硬複合材料は、従来のWC超硬複合材料に比して、硬度および破壊靭性に優れている。
Claims (14)
- 超硬複合材料の製造方法であって、
少なくとも1種のセラミック相粉末と多元高エントロピー合金粉末とを混合して混合物を形成する工程、
前記混合物を圧粉する工程、および、
前記混合物を焼結して超硬複合材料を形成する工程、
を含み、
前記多元高エントロピー合金粉末が5から11の主要元素からなり、各主要元素が前記多元高エントロピー合金粉末の5から35モル%を占める製造方法。 - 前記混合物を形成する工程がメカニカルアロイングを含む請求項1に記載の製造方法。
- 前記混合物を焼結する工程が真空チャンバ内で行われる請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記混合物を焼結する工程がアルゴンおよび水素の混合ガスの下で行われる請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 前記セラミック相粉末が金属カーバイドを含む請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 前記金属カーバイドがタングステンカーバイドまたはチタンカーバイドを含む請求項5に記載の製造方法。
- 前記主要元素が、炭素族(第14族)、アルミニウム、クロム族(第6族)、コバルト族(第9族)、銅族(第11族)、鉄族(第8族)、ニッケル族(第10族)、バナジウム族(第5族)、マンガン族(第7族)、またはチタン族(第4族)から選ばれた元素である請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記セラミック相粉末と前記多元高エントロピー合金粉末の重量比が5:95から40:60である請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- (a)少なくとも1種のセラミック相粉末、および
(b)多元高エントロピー合金粉末
を含み、
前記多元高エントロピー合金粉末が5から11の主要元素からなり、各主要元素が前記多元高エントロピー合金粉末の5から35モル%を占める超硬複合材料。 - 前記セラミック相粉末が金属カーバイドを含む請求項9に記載の超硬複合材料。
- 前記金属カーバイドがタングステンカーバイドまたはチタンカーバイドを含む請求項10に記載の超硬複合材料。
- 前記主要元素が、炭素族(第14族)、アルミニウム、クロム族(第6族)、コバルト族(第9族)、銅族(第11族)、鉄族(第8族)、ニッケル族(第10族)、バナジウム族(第5族)、マンガン族(第7族)、またはチタン族(第4族)から選ばれた元素である請求項9〜11のいずれかに記載の超硬複合材料。
- 前記セラミック相粉末と前記多元高エントロピー合金粉末の重量比が5:95から40:60である請求項9〜12のいずれかに記載の超硬複合材料。
- 硬度がHv800からHv2400である請求項9〜13のいずれかに記載の超硬複合材料。
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