JP2009504926A - Cemented carbide materials for high temperature applications - Google Patents

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Abstract

各々が、第一材料を含有する硬質粒子とレニウムもしくはニッケルベース超合金を含む第二の異なる材料を含有する結合剤マトリックスとを含有する超硬金属組成物。タングステンは、さらに、結合剤マトリックス材料に使用することもできる。2ステップ焼結法を利用して、比較的低い焼結温度にして固体相で上記超硬合金を製造し、実質的に完全に緻密化した超硬合金を生産することができる。超硬合金コーティング又は構造は、溶射法を使用して表面上に形成することができる。
【選択図】図2
A hard metal composition comprising hard particles each containing a first material and a binder matrix containing a second different material comprising a rhenium or nickel based superalloy. Tungsten can also be used in the binder matrix material. Using the two-step sintering method, the cemented carbide can be produced in a solid phase at a relatively low sintering temperature, and a cemented carbide substantially completely densified can be produced. The cemented carbide coating or structure can be formed on the surface using a thermal spray process.
[Selection] Figure 2

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

[関連出願]
本出願は、「HARDMETAL MATERIALS FOR HIGH−TEMPERATURE APPLICATIONS」という名称で、2005年8月19日に出願された米国仮出願第60/710、016号(参照により本出願の明細書の一部として組み込まれている)の特典を主張する。
[Related applications]
This application is entitled “HARDMETAL MATERIALS FOR HIGH-TEMPERATURE APPLICATIONS” and is filed on August 19, 2005, US Provisional Application No. 60 / 710,016 (incorporated as part of the specification of this application). Claims).

[背景]
本願は、超硬合金組成物、その製造方法及び関連用途に関する。
[background]
The present application relates to a cemented carbide composition, a method for producing the same, and related applications.

超硬合金としては各種の複合材料があり、特に硬質でかつ耐火性でありそして強い耐摩耗性を示すように設計されている。広範囲にわたって使用されている超硬合金の例としては、焼結又は結合(cement)された炭化物(carbide)又は炭窒化物(carbonitrides)又はこのような材料の組合せがある。サーメットと呼ばれるいくつかの超硬合金は、結合剤の金属粒子で結合された加工セラミック粒子(例えばTiC)を含む組成である。超硬合金の特定の組成は技術文献に記載されている。例えば、超硬合金の組成を広範囲にわたって編集して、「Brookes’ World Dictionary and Handbook of Hardmetas, 第6版、International Carbide Data」(英国、1996年)として刊行されている。   Cemented carbides include a variety of composite materials that are specifically designed to be hard and fire resistant and exhibit high wear resistance. Examples of cemented carbides that have been used extensively include sintered or cemented carbides or carbonitrides or combinations of such materials. Some cemented carbides, called cermets, are compositions that include processed ceramic particles (eg, TiC) bonded with binder metal particles. The specific composition of the cemented carbide is described in the technical literature. For example, the composition of cemented carbide has been extensively edited and published as "Brookes' World Dictionary and Handbook of Hardmetas, 6th edition, International Carbide Data" (UK, 1996).

超硬合金は各種の用途に使用することができる。代表的な用途としては、金属、石及びその他の硬質材料を切断するのに使用する切削工具、線引き抜きダイ(wire−drawing dies)、ナイフ、石炭、各種の鉱石及び岩石を採掘する採掘工具、並びに石油用の掘削工具やその他の掘削用途がある。さらに、このような超硬合金は、各種の装置の作動又はそれら装置が作動する環境条件の特定の要求を満たす、それら装置のハウジング及び外表面もしくは外層をつくるのに使用することもできる。   Cemented carbide can be used for various applications. Typical applications include cutting tools used to cut metals, stones and other hard materials, wire-drawing dies, knives, coal, mining tools for mining various ores and rocks, As well as drilling tools for oil and other drilling applications. Furthermore, such cemented carbides can also be used to create the housings and outer surfaces or layers of these devices that meet the specific requirements of the operation of the various devices or the environmental conditions under which they operate.

最初に炭化物又は炭窒化物の硬質で耐火性を有する粒子を結合剤マトリックス中に分散させ、次にその混合物を圧縮し焼結することによって、多種類の超硬合金を製造することができる。その焼結工程によって、結合剤マトリックスが前記粒子と結合して前記混合物が凝縮され超硬合金が生成する。上記硬質粒子は、生成する超硬合金の硬質性と耐火性に主として寄与している。   A variety of cemented carbides can be produced by first dispersing hard or refractory particles of carbide or carbonitride in a binder matrix and then compressing and sintering the mixture. The sintering process combines the binder matrix with the particles to condense the mixture and produce a cemented carbide. The hard particles mainly contribute to the hardness and fire resistance of the resulting cemented carbide.

[概要]
下記の超硬合金材料は、第一材料を含む硬質粒子及び第二の異なる材料を含む結合剤マトリックスを含有する材料を含有している。上記硬質粒子は、上記結合剤マトリックス中に広がって実質的に均一に分散されている。上記硬質粒子用の上記第一材料としては、例えば、炭化タングステンに基づいた材料、炭化チタンに基づいた材料、炭化タングステンと炭化チタンとの混合物、他の炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、及びこれらの材料の組合せに基づいた材料がある。上記結合剤マトリックス用の上記第二材料としては、とりわけ、レニウム、レニウムとコバルトとの混合物、ニッケルベース超合金、ニッケルベース超合金とレニウムとの混合物、ニッケルベース超合金、レニウム、及びコバルトの混合物、並びに他の材料と混合されたこれらの材料がある。タングステンは、さらに、超硬合金材料の結合剤マトリックス材料として使用することもできる。ニッケルベース超合金は、γ−γ’金属相のものでよい。
[Overview]
The following cemented carbide material contains a material containing hard particles comprising a first material and a binder matrix comprising a second different material. The hard particles are spread and substantially uniformly dispersed in the binder matrix. The first material for the hard particles includes, for example, a material based on tungsten carbide, a material based on titanium carbide, a mixture of tungsten carbide and titanium carbide, other carbides, nitrides, borides, silicides, And materials based on combinations of these materials. The second material for the binder matrix includes, among others, rhenium, a mixture of rhenium and cobalt, a nickel base superalloy, a mixture of nickel base superalloy and rhenium, a nickel base superalloy, a mixture of rhenium and cobalt. As well as these materials mixed with other materials. Tungsten can also be used as a binder matrix material for cemented carbide materials. The nickel-base superalloy may be of the γ-γ ′ metal phase.

各種の実施態様で、例えば、第二材料の容量は、材料の全容量の約3%〜40%である。いくつかの用途では、上記結合剤マトリックスは、最終材料の結合材マトリックスの全重量の25%以上の量のレニウムを含有している。その他の用途では、第二材料はニッケルベース超合金を含有している。上記ニッケルベース超合金は、特定の用途の場合、Ni及び他の元素例えばReを含有している。   In various embodiments, for example, the volume of the second material is about 3% to 40% of the total volume of the material. For some applications, the binder matrix contains rhenium in an amount of 25% or more of the total weight of the final binder matrix. For other applications, the second material contains a nickel-based superalloy. The nickel-base superalloy contains Ni and other elements such as Re for specific applications.

本願の超硬合金材料は、一実施態様によれば、材料混合物を減圧条件下で焼結し、次いで、気体媒体を通じて圧力をかけながら、固相焼結することによって製造することができる。このような超硬合金は、さらに、溶射法を使用して表面上にコートすることで、超硬合金コーティング及び超硬合金構造体を形成することもできる。   The cemented carbide material of the present application, according to one embodiment, can be produced by sintering a material mixture under reduced pressure conditions and then solid phase sintering while applying pressure through a gaseous medium. Such a cemented carbide can be further coated on the surface using a thermal spraying method to form a cemented carbide coating and a cemented carbide structure.

上述の超硬合金のさまざまな実施態様から生まれる利点は、一般に硬度が優れていること、高温での硬度が増大していること及び腐食と酸化に対する耐性が改善されていることのうちの1又は2以上を含んでいる。   The advantages arising from the various embodiments of the cemented carbide described above are generally one of excellent hardness, increased hardness at high temperatures and improved resistance to corrosion and oxidation, or Includes two or more.

さらなる材料組成物及びそれらの用途を開示する。例えば、材料には、TaC、HfC、NbC、ZrC、TiC、WC、VC、Al、ThC、MoC、SiC及びBCの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの炭化物と;硬質粒子を結合し、レニウムを含む結合剤マトリックスとを含む硬質粒子を挙げることができる。他の例では、材料には、HfN、TaN、BN、ZrN、及びTiNの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの窒化物と;硬質粒子を結合し、レニウムを含む結合剤マトリックスとを含む硬質粒子を挙げることができる。また他の例では、材料には、HfB、ZrB、TaB、TiB、NbB、及びWBの少なくとも一つから選択される少なくとも一つのホウ化物と;硬質粒子を結合し、レニウムを含む結合剤マトリックスとを含む硬質粒子を挙げることができる。これら及び他の材料は、様々な用途のためのジェットノズル又は非腐食性ノズルのどを作製するために使用することができる。 Additional material compositions and their uses are disclosed. For example, the material includes at least one carbide selected from at least one of TaC, HfC, NbC, ZrC, TiC, WC, VC, Al 4 C 3 , ThC 2 , Mo 2 C, SiC, and B 4 C; Mention may be made of hard particles comprising hard particles bonded and a binder matrix comprising rhenium. In another example, the material includes at least one nitride selected from at least one of HfN, TaN, BN, ZrN, and TiN; and a hard material that binds hard particles and includes a binder matrix that includes rhenium. Particles can be mentioned. In yet another example, the material includes at least one boride selected from at least one of HfB 2 , ZrB 2 , TaB 2 , TiB 2 , NbB 2 , and WB; Mention may be made of hard particles comprising a binder matrix comprising. These and other materials can be used to make jet nozzles or non-corrosive nozzles for various applications.

これらの及びその他の特徴、実施態様及び利点は、図面、詳細な説明及び請求項によって詳細に説明する。   These and other features, embodiments, and advantages are described in detail through the drawings, detailed description, and claims.

[詳細な説明]
超硬合金の組成は、超硬合金の所期の用途での超硬合金の技術的性能及びこのような超硬合金の製造中に利用される加工条件と加工装置に直接影響する点で重要である。また、超硬合金の組成は、超硬合金の原料のコスト及び製造法に関連するコストにも直接影響することがある。これらの及びその他の理由から、超硬合金用の技術的に優れかつ経済的にみあう組成を開発するため、超硬合金産業界で広範囲にわたる努力がなされている。本願は、とりわけ、性能の利点を提供する選択された結合剤マトリックス材料を含有する超硬合金の特徴、材料組成物について述べる。
[Detailed description]
The composition of the cemented carbide is important in that it directly affects the technical performance of the cemented carbide in the intended application of the cemented carbide and the processing conditions and equipment utilized during the manufacture of such cemented carbide. It is. Also, the composition of the cemented carbide may directly affect the cost of the cemented carbide raw material and the costs associated with the manufacturing process. For these and other reasons, extensive efforts have been made in the cemented carbide industry to develop technically and economically compatible compositions for cemented carbide. The present application describes, among other things, the features and material composition of cemented carbide containing selected binder matrix materials that provide performance benefits.

対象の超硬合金の材料組成物は、各種の硬質粒子と各種の結合剤マトリックス材料とを含有している。一般に、これらの硬質粒子は、元素周期表のIVB族の金属の炭化物(例えばTiC、ZrC、HfC)、VB族の金属の炭化物(例えばVC、NbC、TaC)及びVIB族の金属の炭化物(例えばCr、MoC、WC)から製造することができる。さらに、元素周期表のIVB族の金属元素で製造される窒化物(例えばTiN、ZrN、HfN)及びVB族の金属元素で製造される窒化物(例えばVN、NbN、TaN)も使用することができる。例えば、多くの超硬合金に広く使用されている、硬質粒子の一つの材料組成物は、炭化タングステン例えば一炭化タングステン(WC)である。各種の窒化物を、炭化物と混合して上記硬質粒子を製造することができる。上記の及びその他の炭化物及び窒化物を2種以上混合して、WCベースの超硬合金又はWCを含有しない超硬合金を製造することができる。異なる炭化物の混合物の例としては、限定されないが、WCとTiCの混合物並びにWC、TiC及びTaCの混合物がある。各種の炭化物に加えて、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、及びケイ化物も、超硬合金の硬質粒子として使用することができる。各種の好適な硬質粒子の例は、本願において説明される。 The subject cemented carbide material composition contains various hard particles and various binder matrix materials. In general, these hard particles are group IVB metal carbides (eg TiC, ZrC, HfC), group VB metal carbides (eg VC, NbC, TaC) and group VIB metal carbides (eg Cr 3 C 2 , Mo 2 C, WC). Furthermore, nitrides manufactured with group IVB metal elements (for example, TiN, ZrN, HfN) and nitrides manufactured with group VB metal elements (for example, VN, NbN, TaN) may be used. it can. For example, one material composition of hard particles that is widely used in many cemented carbides is tungsten carbide, such as tungsten monocarbide (WC). Various types of nitrides can be mixed with carbides to produce the hard particles. Two or more of the above and other carbides and nitrides can be mixed to produce a WC-based cemented carbide or a cemented carbide containing no WC. Examples of different carbide mixtures include, but are not limited to, a mixture of WC and TiC and a mixture of WC, TiC and TaC. In addition to various carbides, nitrides, carbonitrides, borides, and silicides can also be used as hard particles of cemented carbide. Examples of various suitable hard particles are described herein.

さらに、硬質粒子を互いに結合するのに使うマトリックスを提供する結合剤マトリックス材料の組成物は、生成する超硬合金の硬度や耐火性に有意に影響する。一般に、この結合剤マトリックスは、元素周期表のVIII族の遷移金属、例えば、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)及び鉄(Fe)の1又は2種以上、並びにVIB族の金属、例えば、モリブテン(Mo)及びクロム(Cr)を含有している。これらの及び他の結合剤金属の2種以上を混合して、適切な硬質粒子を結合するための所望の結合剤マトリックスを製造することができる。例えば、いくつかの結合剤マトリックスは、相対重量が異なるCo、Ni及びMoの混合物を利用している。   In addition, the composition of the binder matrix material that provides the matrix used to bond the hard particles together significantly affects the hardness and fire resistance of the resulting cemented carbide. In general, the binder matrix comprises one or more of Group VIII transition metals of the periodic table of elements, such as cobalt (Co), nickel (Ni) and iron (Fe), and Group VIB metals such as molybdenum. (Mo) and chromium (Cr) are contained. Two or more of these and other binder metals can be mixed to produce the desired binder matrix for binding the appropriate hard particles. For example, some binder matrices utilize a mixture of Co, Ni and Mo with different relative weights.

本明細書に記載の超硬合金組成物は、結合剤マトリックス材料の組成物が、各種用途の特別な要求を満たす高性能の超硬合金を提供するため、特別に目的に合わせて製造できるという認識に基づいて開発したものである。特に、結合剤マトリックス材料の組成物は、生成する超硬合金の他の材料特性、例えば弾性、剛性及び強さのパラメータ(横破断強さ、引張り強さ及び衝撃強さを含む)に対して有意に影響する。したがって、本発明者は、材料の特性及び生成する超硬合金の性能を高めるため、超硬合金の硬質粒子及び他の成分の材料組成物に一層良好に適合する結合剤マトリックスに用いる適正な材料組成物を提供することが望ましいことが分かった。   The cemented carbide composition described herein can be manufactured specifically for the purpose because the composition of the binder matrix material provides a high performance cemented carbide that meets the special requirements of various applications. It was developed based on recognition. In particular, the composition of the binder matrix material is relative to other material properties of the resulting cemented carbide, such as elasticity, stiffness and strength parameters (including transverse breaking strength, tensile strength and impact strength). Significantly affected. Accordingly, the inventor has found that the proper material for use in the binder matrix is better suited to the cemented carbide hard particles and other component material compositions to enhance material properties and the performance of the resulting cemented carbide. It has been found desirable to provide a composition.

さらに具体的に述べると、これらの超硬合金組成物は、レニウム、ニッケルベース超合金、又は少なくとも1種のニッケルベース超合金と他の結合剤材料の混合物を含む結合剤マトリックスを使用する。他の適切な結合剤材料は、とりわけ、レニウム(Re)又はコバルトを含んでいる。ニッケルベース超合金は、比較的高い温度において、高い材料強さを示す。このような結合剤材料で製造して得られた超硬合金は、レニウムやNi超合金の高温での高い材料強さから恩恵を受けて高温での性能が向上している。さらに、ニッケルベース超合金は、腐食や酸化に対する優れた耐性も示すので、結合剤材料として使用すると、超硬合金のこれら耐性が改善される。   More specifically, these cemented carbide compositions use a binder matrix that includes rhenium, a nickel-based superalloy, or a mixture of at least one nickel-based superalloy and other binder materials. Other suitable binder materials include rhenium (Re) or cobalt, among others. Nickel-based superalloys exhibit high material strength at relatively high temperatures. The cemented carbide obtained by manufacturing with such a binder material benefits from the high material strength at high temperatures of rhenium and Ni superalloys, and has improved performance at high temperatures. Furthermore, nickel-base superalloys also exhibit excellent resistance to corrosion and oxidation, so that when used as a binder material, these resistances of cemented carbides are improved.

本願に記載の超硬合金の組成物は、超硬合金の全材料の約3〜約40容量%の結合剤マトリックス材料を含有し、したがって硬質粒子の対応する容積%は約97%〜約60容量%である。上記容量%の範囲内で、特定の実施態様の結合剤マトリックス材料は、全超硬合金材料の容量の約4〜約35容量%でよい。より好ましくは、超硬合金のいくつかの組成物は、全超硬合金材料の容量の約5〜約30容量%の結合剤マトリックス材料を含有している。生成する超硬合金の全重量中の結合剤マトリックス材料の重量%は、その超硬合金の特定の組成から導くことができる。   The cemented carbide compositions described herein contain from about 3 to about 40 volume percent binder matrix material of the total cemented carbide material, so the corresponding volume percent of hard particles is from about 97% to about 60%. It is volume%. Within the above volume percent range, the binder matrix material of certain embodiments may be about 4 to about 35 volume percent of the total cemented carbide material volume. More preferably, some cemented carbide compositions contain about 5 to about 30 volume percent binder matrix material of the total cemented carbide material volume. The weight percent of the binder matrix material in the total weight of the cemented carbide produced can be derived from the specific composition of the cemented carbide.

各種の実施態様で、結合剤マトリックスは、主として、ニッケルベース超合金で、及びニッケルベース超合金と他の元素、例えば、Re、Co、Ni、Fe、Mo及びCrとの各種混合物によって製造できる。対象のニッケルベース超合金は、Niに加えて元素Co、Cr、Al、Ti、Mo、W並びに他の元素、例えば、Ta、Nb、B、Zr及びCを含有していてもよい。例えば、ニッケルベース超合金は、以下の成分金属を、超合金の全重量に対し以下の重量%で含有している。すなわち、約30%〜約70%のNi、約10%〜約30%のCr、約0%〜約25%のCo、約4%〜約12%のAlとTiの合計、約0%〜約10%のMo、約0%〜約10%のW、約0%〜約10%のTa、約0%〜約5%のNb、及び約0%〜約5%のHfを含有している。また、ニッケルベース超合金は、ReとHfの両者又はどちらかを、例えばReを約0%〜約10%及びHfを0%〜約5%含有していてもよい。Reを含有するニッケルベース超合金は、高温下での用途に使用できる。ニッケルベース超合金は、さらに、他の元素、例えば、B、Zr及びCを少量含有していてもよい。   In various embodiments, the binder matrix can be made primarily of nickel-based superalloys and various mixtures of nickel-based superalloys with other elements such as Re, Co, Ni, Fe, Mo, and Cr. The subject nickel-base superalloy may contain elements Co, Cr, Al, Ti, Mo, W and other elements, such as Ta, Nb, B, Zr and C, in addition to Ni. For example, the nickel-base superalloy contains the following component metals in the following weight percent with respect to the total weight of the superalloy. That is, about 30% to about 70% Ni, about 10% to about 30% Cr, about 0% to about 25% Co, about 4% to about 12% Al and Ti, about 0% to Contains about 10% Mo, about 0% to about 10% W, about 0% to about 10% Ta, about 0% to about 5% Nb, and about 0% to about 5% Hf. Yes. The nickel-base superalloy may also contain Re and / or Hf, for example, about 0% to about 10% Re and 0% to about 5% Hf. Nickel-based superalloys containing Re can be used for high temperature applications. The nickel-base superalloy may further contain a small amount of other elements such as B, Zr and C.

TaCとNbCとは、ある程度類似の特性を有しているので、いくつかの実施態様の超硬合金組成物において、互いに、部分的に又は完全に置換又は代替して使用することができる。また、HfC及びNbCのいずれか一方又は両方も、超硬合金設計時に、TaCの一部又はすべてを置換又は代替するのに使用できる。WC、TiC、TaCは、単体を混合した混合物としての形態で、又は固溶体の形態で製造することができる。混合物を使用する場合、その混合物は、(1)WC、TiC及びTaCの混合物、(2)WC、TiC及びNbCの混合物、(3)WC、TiC及びTaCとNbCのうちの少なくとも一方の混合物、並びに(4)WC、TiC及びHfCとNbCのうちの少なくとも一方の混合物からなる群から少なくとも一つ選択される。多種類の炭化物の固溶体は、数種類の炭化物の混合物より優れた特性と性能を示す。したがって、硬質粒子は、(1)WC、TiC及びTaCの固溶体、(2)WC、TiC及びNbCの固溶体、(3)WC、TiC及びTaCとNbCのうちの少なくとも一方の固溶体、並びに(4)WC、TiC及びHfCとNbCのうちの少なくとも一方の固溶体からなる群から少なくとも一つ選択できる。   Since TaC and NbC have somewhat similar properties, they can be used in place of or in place of each other, partially or completely in the cemented carbide compositions of some embodiments. Also, either or both of HfC and NbC can be used to replace or replace part or all of TaC when designing cemented carbide. WC, TiC, and TaC can be manufactured in the form of a mixture of simple substances or in the form of a solid solution. When a mixture is used, the mixture is (1) a mixture of WC, TiC and TaC, (2) a mixture of WC, TiC and NbC, (3) WC, TiC and a mixture of at least one of TaC and NbC, And (4) at least one selected from the group consisting of WC, TiC and a mixture of at least one of HfC and NbC. Many types of solid carbide solutions exhibit properties and performance superior to mixtures of several types of carbides. Therefore, the hard particles are (1) a solid solution of WC, TiC and TaC, (2) a solid solution of WC, TiC and NbC, (3) a solid solution of at least one of WC, TiC and TaC and NbC, and (4) At least one can be selected from the group consisting of WC, TiC, and at least one solid solution of HfC and NbC.

結合剤材料としてのニッケルベース超合金は、FCC構造を有するγ’相がγ相と混合しているγ−γ’相であってもよい。その強度は、温度が上昇するにつれてある程度増大する。このようなニッケルベース超合金の他の望ましい特性は、酸化及び腐食に対する耐性が高いことである。ニッケルベース超合金は、各種のコバルトベース結合剤組成物中のCoの一部又は全体を代替するのに使用できる。本願に開示されている実施例で示されているように、超硬合金の結合剤マトリックス中に、レニウムとニッケルベース超合金の両者が含有されていると、ニッケルベース超合金の比較的低い焼結温度を利用して、製造しやすいように適度に低い焼結温度を維持しながら、Reの存在による高温下での優れた性能の利点をうけることによって、生成する超硬合金の性能が有意に改善される。さらに、このような結合剤組成物中の比較的低い含有量のReによって、結合剤材料のコストを下げることができるので、そのような材料は経済的である。   The nickel-based superalloy as the binder material may be a γ-γ 'phase in which a γ' phase having an FCC structure is mixed with a γ phase. Its strength increases to some extent as the temperature increases. Another desirable property of such nickel-based superalloys is high resistance to oxidation and corrosion. Nickel-based superalloys can be used to replace some or all of Co in various cobalt-based binder compositions. As shown in the examples disclosed herein, the presence of both rhenium and a nickel-based superalloy in the cemented carbide binder matrix can result in relatively low firing of the nickel-based superalloy. Using the sintering temperature to maintain a reasonably low sintering temperature for ease of manufacture, while taking advantage of the superior performance at high temperatures due to the presence of Re, the performance of the resulting cemented carbide is significant. To be improved. Furthermore, such materials are economical because the relatively low content of Re in such binder compositions can reduce the cost of the binder material.

このようなニッケルベース超合金は、結合剤マトリックスの特定の組成に基づいて、結合剤マトリックスの全材料成分の全重量に対して数%〜100%の重量%である。典型的なニッケルベース超合金は、主として、ニッケルと他の金属成分を、γ−γ’相の強化された状態(γ−γ’ phase strengthened state)で含有しているので、温度が上昇するにつれて強度が増大する。   Such nickel-based superalloys are from several percent to 100% by weight based on the total weight of all material components of the binder matrix, based on the specific composition of the binder matrix. Typical nickel-based superalloys contain primarily nickel and other metal components in the strengthened state of the γ-γ 'phase (γ-γ' phase-strengthened state), so as the temperature increases Strength increases.

各種のニッケルベース超合金、例えば、主としてNiを含有しCo、Cr、Al、Ti、Nb、W、B及びZrを組み合わせてなるSpecial Metalsから入手できる商品名がRene−95、Udimet−700、Udimet−720の合金は、一般的な結合剤材料のCoより融点が低い。したがって、このようなニッケルベース超合金だけを結合剤材料として使用すると、生成する超硬合金の融点は、Coを含有する結合剤を使用している超硬合金と比べて高くならない。   Various nickel-based superalloys such as Rene-95, Udimet-700, Udimet are available from Special Metals, which contains Ni and contains Co, Cr, Al, Ti, Nb, W, B and Zr. The -720 alloy has a lower melting point than Co, a common binder material. Therefore, when only such a nickel base superalloy is used as a binder material, the melting point of the resulting cemented carbide does not become higher than that of a cemented carbide using a Co-containing binder.

しかし、一実施態様で、上記ニッケルベース超合金は、結合剤に使用して、生成する超硬合金に高い材料強度を提供し、かつ生成する超硬合金の500℃近傍又は500℃を超える高温度での材料硬度を改善することができる。いくつかの製造した試料を試験したところ、結合剤中にニッケルベース超合金を含有する超硬合金の材料硬度と材料強さが、結合剤中にニッケルベース超合金を含有していない類似の材料組成物と比べて、低い操作温度において、有意に例えば少なくとも10%改善されることを示した。結合剤中にニッケルベース超合金を含有する試料P65とP46Aの硬度パラメータの測定値を、結合剤として、純Coを含有する試P49とP47Aと比較して以下の表に示す。なお、これら試料の組成は表4に列挙してある。

Figure 2009504926
However, in one embodiment, the nickel-based superalloy is used in a binder to provide high material strength to the resulting cemented carbide and to a high or near 500 ° C of the resulting cemented carbide. Material hardness at temperature can be improved. Several manufactured samples were tested and found that the material hardness and material strength of cemented carbide containing nickel-based superalloy in the binder were similar materials that did not contain nickel-based superalloy in the binder. Compared to the composition, it showed a significant improvement, for example at least 10%, at low operating temperatures. The measured values of the hardness parameters of the samples P65 and P46A containing the nickel-base superalloy in the binder are shown in the following table in comparison with the samples P49 and P47A containing pure Co as the binder. The compositions of these samples are listed in Table 4.
Figure 2009504926

とりわけ、500℃を超える高い操作温度では、結合剤中にニッケルベース超合金を含有する超硬合金試料は、結合剤中にニッケルベース超合金を含有していない類似の超硬合金試料より有意に高い材料硬度を示すことができる。さらに、結合剤材料としてのニッケルベース超合金は、生成する超硬合金又はサーメットの腐食に対する耐性を、結合剤として通常のコバルトを使用している超硬合金又はサーメットと比べて改善することができる。   In particular, at high operating temperatures above 500 ° C., a cemented carbide sample containing a nickel-based superalloy in the binder is significantly more than a similar cemented carbide sample that does not contain a nickel-based superalloy in the binder. High material hardness can be exhibited. Furthermore, nickel-based superalloys as binder materials can improve the resistance of the resulting cemented carbide or cermet to corrosion compared to cemented carbide or cermet using conventional cobalt as a binder. .

ニッケルベース超合金を単独で又は他の元素と組み合わせて使用して、所望の結合剤マトリックスを製造することができる。ニッケルベース超合金を組み合わせて結合剤マトリックスを製造できるその他の元素としては、限定されないが、他のニッケルベース超合金、他の非ニッケルベース合金、Re、Co、Ni、Fe、Mo及びCrがある。   Nickel-based superalloys can be used alone or in combination with other elements to produce the desired binder matrix. Other elements that can be combined with a nickel-based superalloy to produce a binder matrix include, but are not limited to, other nickel-based superalloys, other non-nickel-based alloys, Re, Co, Ni, Fe, Mo, and Cr. .

レニウムは、結合剤として使用して硬質粒子を強く結合させることができ、特に、生成する超硬合金材料に高い融点をもたらすことができる。レニウムの融点は約3180℃であり、結合剤の材料として通常使用されるコバルトの融点1495℃よりはるかに高い。レニウムのこの特徴が、Reを使用している結合剤を含有する超硬合金の改善された性能例えば生成する超硬合金の高温での改善された硬度と強さに部分的に寄与している。また、Reは、結合剤材料として他の望ましい特性を持っている。例えば、その結合剤マトリックス中にReを含有する超硬合金の硬度、横破断強さ、破壊靭性及び融点は、結合剤マトリックス中にReを含有していない類似の超硬合金と比較して有意に高くすることができる。2600kg/mmを超える硬度Hvが、Reを結合剤マトリックス中に含有する代表的なWCベース超硬合金で達成された。いくつかの代表的なWCベース超硬合金の融点すなわち焼結温度は2200℃より高いことを示した。比較すると、先に引用したBrookesの文献の表2.1に示されているように、Coを結合剤中に含有するWCベース超硬合金の焼結温度は1500℃より低い。焼結温度が高い超硬合金は、その材料を、その焼結温度より低い高温で操作することができる。例えば、このようなReを含有する超硬合金材料に基づいた工具は、高速で操作して加工時間を短縮して加工の全処理量を増大することができる。 Rhenium can be used as a binder to strongly bond hard particles, and in particular can provide a high melting point to the resulting cemented carbide material. The melting point of rhenium is about 3180 ° C., which is much higher than the melting point of 1495 ° C. of cobalt normally used as a binder material. This characteristic of rhenium contributes in part to the improved performance of cemented carbides containing binders using Re, such as the improved hardness and strength of the resulting cemented carbides at high temperatures. . Re also has other desirable properties as a binder material. For example, the hardness, transverse fracture strength, fracture toughness and melting point of a cemented carbide containing Re in its binder matrix are significant compared to similar cemented carbides not containing Re in the binder matrix. Can be high. A hardness Hv in excess of 2600 kg / mm 2 has been achieved with a typical WC-based cemented carbide containing Re in the binder matrix. Some representative WC-based cemented carbides have shown melting points or sintering temperatures above 2200 ° C. In comparison, as shown in Table 2.1 of the Brookes document cited above, the sintering temperature of the WC-based cemented carbide containing Co in the binder is lower than 1500 ° C. A cemented carbide with a high sintering temperature can operate the material at high temperatures below the sintering temperature. For example, such a tool based on a cemented carbide material containing Re can be operated at high speed to shorten the machining time and increase the total throughput of machining.

しかし、Reを超硬合金の結合剤材料として使用することには実用上制約がある。例えば、Reの好ましい高温特性によって一般に、製造時の焼結温度が高くなる。したがって、通常の焼結工程のオーブン又は炉は、高い焼結温度で又はそれを超える温度で作動させる必要がある。このような高い温度、例えば2200℃を超える温度で作動できるオーブン又は炉は高価なので、商業用途に広く利用することができない。米国特許第5,476,531号には、迅速全方向締固め(rapid omnidirectional compaction)(ROC)法を使用して、純Reを結合剤材料として、各超硬合金の全重量の6%〜18%含有するWCベース超硬合金を製造する際の加工温度を低下させることが開示されている。しかし、このROC法は、やはり高価であるから、一般に商業生産用には不適である。   However, the use of Re as a cemented carbide binder material has practical limitations. For example, the preferred high temperature properties of Re generally increase the sintering temperature during manufacture. Thus, a normal sintering process oven or furnace needs to be operated at or above a high sintering temperature. Ovens or furnaces that can operate at such high temperatures, for example above 2200 ° C., are expensive and therefore not widely available for commercial use. U.S. Pat. No. 5,476,531 uses a rapid omnidirectional compaction (ROC) method, using pure Re as a binder material, and from 6% to the total weight of each cemented carbide. It is disclosed to reduce the processing temperature when producing a WC-based cemented carbide containing 18%. However, since this ROC method is still expensive, it is generally unsuitable for commercial production.

本願に記載されている超硬合金の組成物と製造方法の一つの有望な利点は、結合剤マトリックス中に、Re又はReと他の結合剤材料の混合物を含有する超硬合金を製造するためのより実用的な製造方法を提供するか又は可能にすることである。特に、本発明の2ステップ法によって、Reが生成する超硬合金の結合剤マトリックスの全重量の25%又は25%を超える超硬合金を製造することが可能になる。25%又は25%を超えるReを含有するこのような超硬合金を使用して、高温において、高い硬度と材料強さを達成できる。   One promising advantage of the cemented carbide composition and method of manufacture described herein is to produce a cemented carbide containing Re or a mixture of Re and other binder materials in a binder matrix. To provide or enable a more practical manufacturing method. In particular, the two-step process of the present invention makes it possible to produce cemented carbides that are 25% or more than 25% of the total weight of the cemented carbide matrix of Re produced. High hardness and material strength can be achieved at high temperatures using such cemented carbides containing 25% or greater than 25% Re.

その他に、純Reを超硬合金の結合剤材料として使用することは、Reが空気中約350℃で又はそれを超える温度でひどく酸化されるので制約される。この耐酸化性が劣っているために、約300℃を超えるどの用途でも純Reを結合剤として使用することは著しく少ない。ニッケルベース超合金は、1000℃より低い温度で、例外的に強さと耐酸化性をもっているので、ニッケルベース超合金とReの混合物(Reが結合剤中支配的な材料である)を使用して、このような混合物を結合剤として使用することにより生成する超硬合金の強さと耐酸化性を改善することができる。一方、ニッケルベース超合金を主として含有する結合剤中にReを添加すると、生成する超硬合金の溶融範囲が高くなり、ニッケルベース超合金の結合剤の高温での強度と耐クリープ性が改善される。   In addition, the use of pure Re as a cemented carbide binder material is limited because Re is severely oxidized in air at or above about 350 ° C. Due to this poor oxidation resistance, pure Re is rarely used as a binder in any application above about 300 ° C. Nickel-based superalloys have exceptional strength and oxidation resistance at temperatures below 1000 ° C, so using a mixture of nickel-based superalloys and Re (Re is the dominant material in the binder) The strength and oxidation resistance of the cemented carbide produced by using such a mixture as a binder can be improved. On the other hand, when Re is added to a binder mainly containing a nickel-base superalloy, the melting range of the resulting cemented carbide is increased, and the strength and creep resistance of the nickel-base superalloy binder at high temperatures are improved. The

一般に、結合剤マトリックス中のレニウムの重量%は、超硬合金中の結合剤マトリックスの全重量の数%〜ほぼ100%である。結合剤マトリックス中のレニウムの重量%は好ましくは5%か又は5%を超えている。特に、結合剤マトリックス中のレニウムの重量%は、結合剤マトリックスの10%か又は10%を超えてもよい。いくつかの実施態様で結合剤マトリックス中のレニウムの重量%は、生成する超硬合金の結合剤マトリックスの全重量の25%又は25%を超えてもよい。このような高濃度のReを含有する超硬合金は、本願に記載されている2ステップ法によって、比較的低い温度で製造することができる。   In general, the weight percentage of rhenium in the binder matrix is from a few percent to almost 100% of the total weight of the binder matrix in the cemented carbide. The weight percentage of rhenium in the binder matrix is preferably 5% or greater than 5%. In particular, the weight percentage of rhenium in the binder matrix may be 10% or more than 10% of the binder matrix. In some embodiments, the weight percentage of rhenium in the binder matrix may be 25% or greater than 25% of the total weight of the resulting cemented carbide binder matrix. Such a cemented carbide containing a high concentration of Re can be produced at a relatively low temperature by the two-step method described herein.

レニウムは、一般に、超硬合金に使用される他の材料より高価であるので、レニウムを含有する結合剤マトリックスを設計する際にコストを考慮しなければならない。以下に示す実施例のいくつかは、この考慮を反映している。一般に、一実施態様によれば、超硬合金組成物は、第一材料を含有し分散されている硬質粒子と、レニウムを含む第ニの異なる材料を含有する結合剤マトリックスとを含有し、上記硬質粒子は、上記結合剤マトリックス中に広がって実質的に均一に分散されている。その結合剤マトリックスは、Reと、一部は原材料の全コストを下げるため一部は結合剤マトリックスの性能を高める他の結合剤材料を含有させるためにReの全含有量を減らす他の結合剤材料との混合物である。Reと他の結合材料の混合物を含有する結合剤マトリックスの例としては、Reと少なくとも一種のニッケルベース超合金の混合物、ReとCo及び少なくとも1種のニッケルベース超合金の混合物、ReとCoの混合物などがある。   Since rhenium is generally more expensive than other materials used in cemented carbide, cost must be considered when designing a binder matrix containing rhenium. Some of the examples shown below reflect this consideration. In general, according to one embodiment, the cemented carbide composition comprises hard particles containing and dispersed a first material, and a binder matrix containing a second different material comprising rhenium, wherein The hard particles are spread substantially uniformly dispersed in the binder matrix. Other binders that reduce the total content of Re to include Re and other binder materials that partly reduce the overall cost of the raw materials and in part increase the performance of the binder matrix It is a mixture with the material. Examples of binder matrices containing a mixture of Re and other binding materials include a mixture of Re and at least one nickel-based superalloy, a mixture of Re and Co and at least one nickel-based superalloy, and a combination of Re and Co. There is a mixture.

表1に、対象の超硬合金組成物のいくつかの例を列挙してある。この表中のWCベース組成物は、「超硬合金」と呼称され、そしてTiCベースの組成物は「サーメット」と呼称される。伝統的に、NiとMoの混合物又はNiとMoCの混合物によって結合されているTiC粒子はサーメットである。本願に記載されているサーメットとしては、さらに、NiとMoの混合物又はNiとMoCの混合物によって製造された結合剤マトリックスを含有する、TiC及びTiN又はTiC、TiN、WC、TaC及びNbCの混合物で製造された硬質粒子がある。各超硬合金組成物について、与えられた結合剤材料のこれら組成物中の3つの異なる重量%範囲を列挙してある。一例として、結合剤がニッケルベース超合金及びコバルトの混合物で、硬質粒子がWC、TiC、TaC及びNbCの混合物である組成物がある。この組成物は、結合剤が超硬合金の全重量の約2%〜約40%でもよい。この範囲は、いくつかの用途では約3〜約35%に設定してもよく、そして、他の用途では約4〜約30%のより小さい範囲にさらに限定してもよい。

Figure 2009504926
Table 1 lists some examples of the subject cemented carbide compositions. The WC-based composition in this table is referred to as “Cemented Carbide” and the TiC-based composition is referred to as “Cermet”. Traditionally, TiC particles bonded by a mixture of Ni and Mo or a mixture of Ni and Mo 2 C are cermets. The cermets described herein further include TiC and TiN or TiC, TiN, WC, TaC and NbC containing a binder matrix produced by a mixture of Ni and Mo or a mixture of Ni and Mo 2 C. There are hard particles made of the mixture. For each cemented carbide composition, three different weight percent ranges in these compositions of a given binder material are listed. An example is a composition in which the binder is a mixture of nickel-based superalloy and cobalt and the hard particles are a mixture of WC, TiC, TaC and NbC. In this composition, the binder may be about 2% to about 40% of the total weight of the cemented carbide. This range may be set to about 3 to about 35% for some applications, and may be further limited to a smaller range of about 4 to about 30% for other applications.
Figure 2009504926

結合剤マトリックス中にRe又はニッケルベース超合金を含有している超硬合金は以下のようにして製造することができる。第一に、望ましい硬質粒子、例えば、1又は2種以上の炭化物又は炭窒化物などの望ましい硬質粒子を含有する粉末を調製する。この粉末は、異なる炭化物の混合物又は炭化物と窒化物の混合物を含有していてもよい。この粉末は、Re又はニッケルベース超合金を含有する適切な結合剤マトリックス材料に混合される。この混合物には、さらにプレス潤滑剤(pressing lubricant)例えばワックスを添加してもよい。   A cemented carbide containing Re or a nickel-based superalloy in the binder matrix can be produced as follows. First, a powder containing the desired hard particles, for example, desired hard particles such as one or more carbides or carbonitrides, is prepared. The powder may contain a mixture of different carbides or a mixture of carbides and nitrides. This powder is mixed into a suitable binder matrix material containing Re or a nickel-based superalloy. A pressing lubricant, such as a wax, may be further added to the mixture.

硬質粒子、結合剤マトリックス材料及び潤滑剤の混合物を、所望の期間例えば複数時間、粉砕(milling)又は磨砕(attriting)することによって粉砕又は磨砕の工程で混合しこれら材料を完全に混合して、各硬質粒子を結合剤マトリックス材料でコートし次の工程で硬質粒子を結合しやすくする。また、硬質粒子は、潤滑材料でコートしてこれら材料を潤滑し、上記混合工程を容易に行えるようにしかつ硬質粒子の酸化を低下させるか又は除かなければならない。次に、圧縮、予備焼結、成形及び最終焼結を、続けて上記粉砕混合物に実施して超硬合金を製造する。上記焼結工程は、粉末材料を、硬質粒子の溶融温度より低い温度まで加熱することによって連続塊に変換する工程であり、圧力によって予備圧縮した後に実行できる。この工程中に、結合剤材料は緻密化されて連続結合剤マトリックスを形成して、その中に硬質粒子を結合する。さらに1又は2以上の追加のコーティングを、生成する超硬合金の表面に形成させて、超硬合金の性能を向上させることができる。図1は、製造工程のこの実施態様のフローチャートである。   The mixture of hard particles, binder matrix material and lubricant is mixed in a grinding or attrition process by milling or attriting for a desired period of time, for example, multiple hours, to fully mix the materials. Each hard particle is coated with a binder matrix material to facilitate the bonding of the hard particles in the next step. Also, the hard particles must be coated with a lubricating material to lubricate these materials to facilitate the mixing process and reduce or eliminate oxidation of the hard particles. Next, compression, pre-sintering, forming and final sintering are subsequently performed on the above pulverized mixture to produce a cemented carbide. The sintering step is a step of converting the powder material to a continuous mass by heating to a temperature lower than the melting temperature of the hard particles, and can be performed after pre-compression by pressure. During this process, the binder material is densified to form a continuous binder matrix in which the hard particles are bound. Furthermore, one or more additional coatings can be formed on the surface of the resulting cemented carbide to improve the performance of the cemented carbide. FIG. 1 is a flowchart of this embodiment of the manufacturing process.

一実施態様のセメンテッド炭化物(cemented carbide)の製造工程は、溶媒内での湿式粉砕(wet milling)、減圧乾燥、圧縮及び減圧下での液相焼結を含んでいる。上記液相焼結の温度は、結合剤材料の融点(例えばCoの場合1495℃)と超硬合金の混合物の共融温度(WC・Coの場合1320℃)の間である。一般に、セメンテッド炭化物の焼結温度は1360℃〜1480℃の範囲である。結合剤合金内のRe又はニッケルベース超合金の濃度が低い新しい材料の場合、製造工程は、従来のセメンテッド炭化物の工程と同じである。この場合、減圧下での液相焼結の原理が適用される。その焼結温度は、結合剤合金と炭化物の共融温度よりわずかに高い。例えば、P17(結合剤合金中Reが25重量%)の焼結条件は、減圧下、1700℃で1時間である。   In one embodiment, the cemented carbide manufacturing process includes wet milling in a solvent, vacuum drying, compression, and liquid phase sintering under vacuum. The temperature of the liquid phase sintering is between the melting point of the binder material (eg, 1495 ° C. for Co) and the eutectic temperature of the cemented carbide mixture (1320 ° C. for WC · Co). In general, the sintering temperature of cemented carbide ranges from 1360 ° C to 1480 ° C. For new materials with a low concentration of Re or nickel-based superalloy in the binder alloy, the manufacturing process is the same as the conventional cemented carbide process. In this case, the principle of liquid phase sintering under reduced pressure is applied. The sintering temperature is slightly higher than the eutectic temperature of the binder alloy and carbide. For example, the sintering condition of P17 (Re in the binder alloy is 25% by weight) is 1 hour at 1700 ° C. under reduced pressure.

図2は、本願に記載されている各種超硬合金を製造するための固相焼結(solid−state phase sintering)に基づいた2ステップの製造方法を示す。この2ステップ焼結法で製造できる超硬合金の例としては、結合剤マトリックス中に高濃度のReを含有する超硬合金があるが、この合金は、他の方法で製造するには、高温下での液相焼結が必要であろう。この2ステップ法は、比較的低い温度、例えば2200℃より低い温度で実施して、商業的に実現可能なオーブンを利用しかつ妥当な低コストで超硬合金を製造することができる。液相焼結は、結合剤合金と炭化物の共融温度が一般に高いから実用的でないので、この2ステップ法では除外される。先に考察したように、このような高温での焼結は、商業的に実現できない、高温で作動するオーブンが必要である。   FIG. 2 shows a two-step manufacturing method based on solid-state phase sintering for manufacturing various cemented carbides described in the present application. An example of a cemented carbide that can be produced by this two-step sintering method is a cemented carbide containing a high concentration of Re in the binder matrix. Lower liquid phase sintering may be necessary. This two-step process can be carried out at a relatively low temperature, for example, below 2200 ° C., to produce a cemented carbide using a commercially viable oven and at a reasonably low cost. Liquid phase sintering is excluded from this two-step method because it is impractical because the eutectic temperature of the binder alloy and carbide is generally high. As discussed above, such high temperature sintering requires ovens that operate at high temperatures that are not commercially feasible.

この2ステップ法の第一ステップは、結合剤マトリックス用の混合材料と硬質粒子との混合物が減圧下で焼結される減圧焼結である。その混合物は、セメンテッド炭化物を製造する従来の方法、例えば湿式粉砕、乾燥及びプレスによって最初に加工される。焼結のこの第一ステップは、結合剤合金材料と硬質粒子材料の共融温度より低い温度で実施されて、互いに接続している細孔が除去される。第二ステップは、上記共融温度より低い温度にて圧縮された状態で行われる固相焼結であり、第一ステップを行った後、焼結された混合物に残っている細孔や空隙が除かれる。この第二ステップの焼結法として、熱間等方加圧(hot isostatic pressing)(HIP)法を利用できる。焼結中、材料に熱と圧力の両方をかけて、他の方法では圧力をかけないために高くなる加工温度を低下させる。不活性ガスなどの気体媒体を使って、焼結される混合物に圧力をかけて伝達する。その圧力は1000バールか又は1000バールを超える圧力である。HIP法で圧力を加えると、必要な加工温度が低くなり、従来のオーブン又は炉が使用できる。充分に緻密化された材料を得るための固相焼結法とHIP法の温度は、一般に液相焼結法の温度より有意に低い。例えば、純Reを結合剤として使用する試料P62は、2200℃で1〜2hrの減圧焼結とこれに続く約2000℃にてArなどの不活性ガス内での30,000PSIの圧力下約1時間のHIP法によって充分に緻密化することができる。とりわけ、粒径が0.5ミクロンより小さい超微細硬質粒子を使用すると、焼結温度が下がり、超硬合金(微細粒子は大きさが数ミクロンである)を完全に緻密化することができる。例えば、試料P62とP63を製造する場合、このような超微粒子のWCを使用すると、焼結温度が低くなり、例えば約2000℃になる。この2ステップ法はROC法よりコストが低いので商業生産に利用できる。   The first step of this two-step process is vacuum sintering in which a mixture of binder material and hard particles is sintered under reduced pressure. The mixture is first processed by conventional methods of producing cemented carbides, such as wet grinding, drying and pressing. This first step of sintering is performed at a temperature below the eutectic temperature of the binder alloy material and the hard particulate material to remove the interconnecting pores. The second step is solid-phase sintering performed in a compressed state at a temperature lower than the eutectic temperature. After performing the first step, pores and voids remaining in the sintered mixture are removed. Excluded. As this second step sintering method, a hot isostatic pressing (HIP) method can be used. During sintering, both the heat and pressure are applied to the material, and the processing temperature, which is elevated because other methods do not apply pressure, is lowered. A gaseous medium such as an inert gas is used to apply pressure to the mixture to be sintered. The pressure is 1000 bar or more than 1000 bar. When pressure is applied by the HIP method, the required processing temperature is lowered and a conventional oven or furnace can be used. The temperature of the solid phase sintering method and the HIP method for obtaining a sufficiently densified material is generally significantly lower than the temperature of the liquid phase sintering method. For example, sample P62 using pure Re as a binder is about 1 to 2 hours at 2200 ° C. under reduced pressure sintering for 1 to 2 hours, followed by about 1 000 PSI in an inert gas such as Ar at about 2000 ° C. It can be sufficiently densified by the time HIP method. In particular, if ultrafine hard particles having a particle size of less than 0.5 microns are used, the sintering temperature is lowered, and the cemented carbide (fine particles are several microns in size) can be completely densified. For example, when samples P62 and P63 are manufactured, the use of such ultrafine WC results in a low sintering temperature, for example, about 2000 ° C. Since this two-step method is less expensive than the ROC method, it can be used for commercial production.

少なくともレニウム又はニッケルベース超合金を含有する各種結合剤マトリックス材料に基づいた代表的な超硬合金組成物とその特性について、以下に説明する。   Representative cemented carbide compositions based on various binder matrix materials containing at least rhenium or nickel based superalloys and their properties are described below.

表2は、代表的な超硬合金を製造するのに使用されるいくつかの成分材料のコードネーム(ロット番号)のリストを提供する。すなわちH1はレニウムを示し、そしてL1、L2及びL3は3種類の代表的な工業用ニッケルベース超合金を示す。さらに表3には、上記3種の代表的なニッケルベースの超合金:Udimet720(U720)、Ren’95(R−95)及びUdimet700(U700)それぞれの組成が列挙されている。表4には、結合剤マトリックス中にレニウム又はニッケルベース超合金を含有している代表的な超硬合金及び含有していない代表的超硬合金の組成が列挙されている。例えば、ロットP17の材料組成物は、主として、T32(WC)88g、I32(TiC)3g、A31(TaC)3g、H1(Re)1.5g及びL2(R−95)4.5gを結合剤として含有し、そしてワックス2gを潤滑剤として含有している。ロットP58は、Reを含有していない唯一の結合剤材料としてニッケルベース超合金L2を含有する超硬合金である。これらの超硬合金を製造し試験して、結合剤材料としてのレニウム及びニッケルベース超合金のいずれか又はこれら両者の生成する超硬合金の各種特性に対する効果を示した。表5〜8はさらに上記異なる試料ロットの組成と特性を要約した情報を提供する。   Table 2 provides a list of code names (lot numbers) of some component materials used to produce a typical cemented carbide. That is, H1 represents rhenium, and L1, L2, and L3 represent three typical industrial nickel-based superalloys. Table 3 also lists the compositions of each of the three representative nickel-based superalloys: Udimet 720 (U720), Ren'95 (R-95), and Udimet 700 (U700). Table 4 lists the compositions of typical cemented carbides containing and not containing rhenium or nickel based superalloys in the binder matrix. For example, the material composition of lot P17 mainly comprises 88 g of T32 (WC), 3 g of I32 (TiC), 3 g of A31 (TaC), 1.5 g of H1 (Re) and 4.5 g of L2 (R-95). And 2 g of wax as a lubricant. Lot P58 is a cemented carbide containing nickel-based superalloy L2 as the only binder material that does not contain Re. These cemented carbides were manufactured and tested to show the effect on the various properties of the cemented carbide produced by either or both of the rhenium and nickel base superalloys as binder materials. Tables 5-8 further provide information summarizing the composition and characteristics of the different sample lots.

図3〜8は本願の選択された超硬合金試料の測定値を示す。図3と4はスチール切削グレードのいくつかの代表的超硬合金の靱性と硬度のパラメータの測定値を示す。図5と6は、非鉄切削グレード用のいくつかの代表的超硬合金の靱性と硬度のパラメータの測定値を示す。測定は、固相焼結HIP法を行う前と行った後に実施したが、そのデータは、HIP法が材料の靱性と硬度の両者を有意に改善することを示唆している。図7は、いくつかの試料について、温度の関数として硬度の測定値を示す。比較のため、図7と8は、同じ試験条件下での市販の炭化物C2とC6の測定値も示し、図7は硬度の測定値を示しそして図8は室温(RT)での硬度の値から変化の測定結果を示す。本願に記載の組成に基づいた超硬合金試料は、高温における硬度については、明らかに、市販グレードの材料より優れている。これらの結果は、Reとニッケルベース超合金のどちらか又は両者を結合材料として含有する結合剤マトリックスがCoベース結合剤マトリックス材料と比べて性能が優れていることを示している。

Figure 2009504926

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3-8 show the measured values of selected cemented carbide samples of the present application. Figures 3 and 4 show the measured toughness and hardness parameters of some representative cemented carbides of steel cutting grade. FIGS. 5 and 6 show the measured toughness and hardness parameters of some representative cemented carbides for non-ferrous cutting grades. Measurements were performed before and after the solid phase sintering HIP process, but the data suggests that the HIP process significantly improves both the toughness and hardness of the material. FIG. 7 shows hardness measurements as a function of temperature for several samples. For comparison, FIGS. 7 and 8 also show measurements of commercial carbides C2 and C6 under the same test conditions, FIG. 7 shows hardness measurements, and FIG. 8 shows hardness values at room temperature (RT). Shows the measurement results of changes. Cemented carbide samples based on the composition described in this application are clearly superior to commercial grade materials in terms of hardness at high temperatures. These results show that a binder matrix containing either or both Re and a nickel-based superalloy as a binding material outperforms a Co-based binder matrix material.
Figure 2009504926

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超硬合金組成物のいくつもの代表的範疇を以下に説明して、Reとニッケルベース超合金のどちらか又は両者を含有する各種超硬合金組成物の上記一般設計を例示する。超硬合金組成物の代表的範疇は、生成する超硬合金又はサーメットに用いられる結合剤マトリックスの組成に基づいて定義される。第一の範疇は純Reを含有する結合剤マトリックスを使用し、第二の範疇はRe−Co合金を含有する結合剤マトリックスを使用し、第三の範疇はニッケルベース超合金を含有する結合剤マトリックスを使用し、そして第四の範疇はReとCoを組み合わせたニッケルベース超合金又はCoなしでReと組み合わせたニッケルベース超合金を含有する結合剤マトリックスを使用している。   Several representative categories of cemented carbide compositions are described below to illustrate the above general design of various cemented carbide compositions containing either or both Re and nickel-based superalloys. A typical category of cemented carbide compositions is defined based on the composition of the binder matrix used in the resulting cemented carbide or cermet. The first category uses a binder matrix containing pure Re, the second category uses a binder matrix containing a Re-Co alloy, and the third category uses a binder matrix containing a nickel-based superalloy. A fourth category uses a binder matrix containing a nickel-based superalloy combining Re and Co or a nickel-based superalloy combined with Re without Co.

対象の超硬合金に使用される硬質で耐火性の粒子としては、限定されないが、一般に、炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、及びケイ化物がある。炭化物のいくつかの例としては、WC、TiC、TaC、HfC、NbC、MoC、Cr、VC、ZrC、BC、及びSiCがある。窒化物の例としては、TiN、ZrN、HfN、VN、NbN、TaN、及びBNがある。炭窒化物の例としてはTi(C,N)、Ta(C,N)、Nb(C,N)、Hf(C,N)、Zr(C,N)及びV(C,N)がある。ホウ化物の例としてはTiB、ZrB、HfB、TaB、VB、MoB、WB及びWBがある。さらにケイ化物の例はTaSi、WSi、NbSi及びMoSiである。超硬合金又はサーメットの上記四つの範疇は、これらの及び他の硬質で耐火性の粒子も使用できる。 The hard and refractory particles used in the subject cemented carbide are generally, but not limited to, carbides, nitrides, carbonitrides, borides, and silicides. Some examples of carbide, WC, some TiC, TaC, HfC, NbC, Mo 2 C, Cr 2 C 3, VC, ZrC, B 4 C, and SiC. Examples of nitrides include TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, and BN. Examples of carbonitrides include Ti (C, N), Ta (C, N), Nb (C, N), Hf (C, N), Zr (C, N) and V (C, N). . Examples of borides is TiB 2, ZrB 2, HfB 2 , TaB 2, VB 2, MoB 2, WB and W 2 B. Examples of further silicide is TaSi 2, WSi 2, NbSi 2 and MoSi 2. The above four categories of cemented carbide or cermet can also use these and other hard and refractory particles.

純Re合金の結合剤マトリックスに基づいた超硬合金の第一範疇では、Reは、超硬合金又はサーメットに使用されている材料組成物全体のほぼ5〜40容量%でよい。例えば、表4のロット番号P62の試料は、純Reが10容量%、WCが70容量%、TiCが15容量%及びTaCが5容量%である。この組成は、14.48重量%のRe、75.43重量%のWC、5.09重量%のTiC及び5.0重量%のTaCに相当する。試料P62−4は、製造時、2100℃で約1時間次いで2158℃で約1時間減圧焼結した。この材料の密度は約14.51g/ccであり、なお計算密度は14.50g/ccである。室温で10kgの荷重下10回測定して得た平均硬度Hvは2627±35kg/mmである。表面破壊靱性(surface fracture toughness)KSCの測定値は、10kg荷重におけるPalmvist亀裂長によって推定して約7.4×10Pa・m1/2である。 In the first category of cemented carbides based on a binder matrix of pure Re alloy, Re may be approximately 5-40% by volume of the total material composition used in the cemented carbide or cermet. For example, the sample of lot number P62 in Table 4 has a pure Re of 10% by volume, WC of 70% by volume, TiC of 15% by volume, and TaC of 5% by volume. This composition corresponds to 14.48 wt% Re, 75.43 wt% WC, 5.09 wt% TiC and 5.0 wt% TaC. Sample P62-4 was sintered at 2100 ° C. for about 1 hour and then at 2158 ° C. for about 1 hour at the time of manufacture. The density of this material is about 14.51 g / cc, and the calculated density is 14.50 g / cc. The average hardness Hv obtained by measuring 10 times under a load of 10 kg at room temperature is 2627 ± 35 kg / mm 2 . The measured surface fracture toughness KSC is approximately 7.4 × 10 6 Pa · m 1/2 estimated by the Palmvist crack length at 10 kg load.

この範疇の他の例は表4に示すP66である。この試料の組成は、Reが約20容量%、WCが60容量%、TiCが15容量%及びTaCが5容量%である。この試料は、重量%で示すと、Reが約27.92%、WCが62.35%、TiCが4.91%及びTaCが4.82%である。試料P66−4は、まず約2200℃にて1時間減圧焼結法で処理され、次いで固相にてHIP法で焼結されて細孔や空隙が除かれる。生成した超硬合金の密度は、計算密度が15.04g/ccであるのに比べて約14.40g/ccである。室温で10kgの荷重下7回測定して得た平均硬度Hvは約2402±44kg/mmである。その表面破壊靱性KSCは約8.1×10Pa・m1/2である。Reを、25重量%を超える高濃度で、結合剤中の単独の結合剤材料又は2種以上の結合剤材料のうちの1種として含有する、本願に記載の試料P66及び他の組成物は、操作温度の高い各種用途に使用することができ、かつ固相焼結に基づいた2ステップ法を利用することによって製造することができる。 Another example of this category is P66 shown in Table 4. The composition of this sample is about 20 volume% Re, 60 volume% WC, 15 volume% TiC and 5 volume% TaC. This sample, when expressed by weight%, has Re of about 27.92%, WC of 62.35%, TiC of 4.91% and TaC of 4.82%. Sample P66-4 is first treated by a reduced pressure sintering method at about 2200 ° C. for 1 hour, and then sintered by a HIP method in a solid phase to remove pores and voids. The density of the resulting cemented carbide is about 14.40 g / cc compared to a calculated density of 15.04 g / cc. The average hardness Hv obtained by measuring 7 times under a load of 10 kg at room temperature is about 2402 ± 44 kg / mm 2 . Its surface fracture toughness KSC is about 8.1 × 10 6 Pa · m 1/2 . Sample P66 and other compositions described herein containing Re as a single binder material or one of two or more binder materials in a binder at a high concentration of greater than 25 wt. It can be used for various applications with high operating temperatures, and can be produced by utilizing a two-step method based on solid phase sintering.

Reで結合された複数種の硬質耐火性粒子、例えば、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物及びホウ化物の微細構造と特性は、Reで結合されたWCの材料を超える利点を提供できる。例えばReで結合されたWC−TiC−TaCは、スチールを切削する際、Reで結合されたWCの材料より優れたクレータ抵抗(crater resistance)を有している。別の例は、Re結合剤中に結合されたMoCとTiCの耐火性粒子で製造された材料である。 The microstructure and properties of multiple types of hard refractory particles bonded with Re, for example, carbides, nitrides, carbonitrides, silicides and borides, can provide advantages over Re bonded WC materials. . For example, Re bonded WC-TiC-TaC has a better crater resistance than Re bonded WC material when cutting steel. Another example is a material made of Mo 2 C and TiC refractory particles bonded in a Re binder.

結合剤マトリックスとしてRe−Co合金を含有する第二範疇の場合、そのRe−Co合金は、その組成物に使用される全材料組成物の約5〜40容量%である。いくつかの実施態様で、結合剤中のRe対Coの比率は約0.01〜0.99の範囲内で変化させることができる。Reを含有させると、生成する超硬合金の機械的特性、例えば、高温における独特の硬度、強さ及び靭性を、Coで結合された超硬合金に比べて改善することができる。このような結合剤マトリックスを使用する大部分の材料の場合、Reの含量が高ければ高いほど、高温での特性が良好になる。   In the second category containing Re-Co alloy as the binder matrix, the Re-Co alloy is about 5-40% by volume of the total material composition used in the composition. In some embodiments, the ratio of Re to Co in the binder can vary within the range of about 0.01 to 0.99. Inclusion of Re can improve the mechanical properties of the resulting cemented carbide, such as the unique hardness, strength and toughness at high temperatures compared to Co bonded cemented carbide. For most materials that use such a binder matrix, the higher the Re content, the better the properties at high temperatures.

表4に示す試料P31は、この範疇に入る一例であり、容量%でReが2.5%、Coが7.5%及びWCが90%であり、そして重量%でReが3.44%、Coが4.40%及びWCが92.12%である。試料P31−1は、製造時、1725℃で約1時間減圧焼結したが、焼結中細孔や空隙がわずかにあった。生成した超硬合金の密度は約15.16g/ccである(計算密度は15.27g/ccである)。平均硬度Hvは室温にて荷重10kgで約1889±18kg/mmでありそして表面破壊靭性Kscは約7.7×106Pa・m1/2である。さらに、試料P31−1は、焼結を行った後、約1600℃/15Ksiで約1時間熱間等方加圧(HIP)法で処理した。このHIP法は、化合物中の細孔や空隙を減らすか又は実質的に除いて材料の密度を増大させる。HIP法を行った後、密度の測定値は約15.25g/cc(計算密度は15.27g/cc)である。室温にて荷重が10kgでの硬度Hvの測定値は約1887±12kg/mmである。表面破壊靭性Kscは約7.6×10Pa・m1/2である。 Sample P31 shown in Table 4 is an example that falls within this category, with volume% Re 2.5%, Co 7.5% and WC 90%, and weight% Re 3.44%. , Co is 4.40% and WC is 92.12%. Sample P31-1 was sintered under reduced pressure at 1725 ° C. for about 1 hour at the time of manufacture, but there were slight pores and voids during sintering. The resulting cemented carbide has a density of about 15.16 g / cc (calculated density is 15.27 g / cc). The average hardness Hv is about 1889 ± 18 kg / mm 2 at a load of 10 kg at room temperature, and the surface fracture toughness Ksc is about 7.7 × 10 6 Pa · m 1/2 . Further, Sample P31-1 was sintered and then processed by hot isostatic pressing (HIP) at about 1600 ° C./15 Ksi for about 1 hour. This HIP method reduces or substantially eliminates pores and voids in the compound and increases the density of the material. After performing the HIP method, the measured density is about 15.25 g / cc (calculated density is 15.27 g / cc). The measured value of hardness Hv at a load of 10 kg at room temperature is about 1887 ± 12 kg / mm 2 . The surface fracture toughness Ksc is about 7.6 × 10 6 Pa · m 1/2 .

この範疇の他の例は表4に示すP32であり、これは容量%でReが5.0%、Coが5.0%及びWCが90%である(重量%ではReが6.75%、Coが2.88%及びWCが90.38%である)。試料P32−4は1800℃で約1時間減圧焼結した。密度の測定は、計算密度が15.57g/ccであるのに比べて約15.58g/ccである。硬度Hvの測定値は、室温にて10kgの荷重で約2065kg/mmである。表面破壊靭性Kscは約5.9×10Pa・m1/2である。試料P32−4も、焼結を行った後、1600℃/15Ksiにて約1時間HIP法で処理した。密度の測定値は約15.57g/ccである(計算密度は15.57g/ccである)。硬度Hvの平均値は室温にて10kgの荷重で約2010±12kg/mmである。表面破壊靭性Kscは約5.8×10Pa・m1/2である。 Another example in this category is P32 shown in Table 4, which is% by volume, 5.0% Re, 5.0% Co, and 90% WC (in weight%, Re is 6.75%). , Co is 2.88% and WC is 90.38%). Sample P32-4 was sintered under reduced pressure at 1800 ° C. for about 1 hour. The density measurement is about 15.58 g / cc compared to a calculated density of 15.57 g / cc. The measured value of hardness Hv is about 2065 kg / mm 2 at a load of 10 kg at room temperature. The surface fracture toughness Ksc is about 5.9 × 10 6 Pa · m 1/2 . Sample P32-4 was also sintered and processed by the HIP method at 1600 ° C./15 Ksi for about 1 hour. The measured density is about 15.57 g / cc (calculated density is 15.57 g / cc). The average value of the hardness Hv is about 2010 ± 12 kg / mm 2 at a load of 10 kg at room temperature. The surface fracture toughness Ksc is about 5.8 × 10 6 Pa · m 1/2 .

第三の実施例は表4に示すP33であるが、これは容量%でReが7.5%、Coが2.5%及びWCが90%でありそして重量%でReが9.93%、Coが1.41%及びWCが88.66%である。試料P33−7は、製造時、1950℃にて約1時間減圧焼結されたが焼結下、細孔と空隙があった。密度の測定値は約15.38g/ccである(計算密度は15.87g/ccである)。硬度Hvの測定値は室温にて10kgの力のもとで約2081kg/mmである。表面破壊靭性Kscは約5.6×10Pa・m1/2である。試料P33−7を、焼結を行った後、1600℃/15Ksiにて約1時間HIP法で処理した。密度の測定値は約15.82g/ccである(計算密度=15.87g/cc)。硬度Hvの平均値は、室温にて10kgの力のもとで測定したところ約2039±18kg/mmである。表面破壊靭性Kscは約6.5×10Pa・m1/2である。

Figure 2009504926
A third example is P33 as shown in Table 4, which is% by volume, 7.5% Re, 2.5% Co, 90% WC and 9.9% Re by weight. , Co is 1.41% and WC is 88.66%. Sample P33-7 was sintered under reduced pressure at 1950 ° C. for about 1 hour at the time of manufacture, but had pores and voids under sintering. The measured density is about 15.38 g / cc (calculated density is 15.87 g / cc). The measured value of hardness Hv is about 2081 kg / mm 2 under a force of 10 kg at room temperature. Surface fracture toughness Ksc is about 5.6 × 10 6 Pa · m 1/2 . Sample P33-7 was sintered and processed by the HIP method at 1600 ° C./15 Ksi for about 1 hour. The measured density is about 15.82 g / cc (calculated density = 15.87 g / cc). The average value of the hardness Hv is about 2039 ± 18 kg / mm 2 when measured under a force of 10 kg at room temperature. The surface fracture toughness Ksc is about 6.5 × 10 6 Pa · m 1/2 .
Figure 2009504926

表4に示す試料P55、P56、P56A及びP57も、Re−Co合金を結合剤マトリックスとして使用する範疇の例である。これらの試料は、P57がVCを含有していないことを除いてReを約1.8%、Coを7.2%、VCを0.6%含有し、最後に、残りはWCである。これらの異なる組成物は、超硬合金の粒子の大きさのHvとKscに対する影響を調べるために製造した。表5はその試験結果を示す。

Figure 2009504926
Samples P55, P56, P56A, and P57 shown in Table 4 are also examples of categories in which a Re—Co alloy is used as a binder matrix. These samples contain about 1.8% Re, 7.2% Co and 0.6% VC, except that P57 does not contain VC, and finally the rest is WC. These different compositions were made to investigate the effect of cemented carbide particle size on Hv and Ksc. Table 5 shows the test results.
Figure 2009504926

第三の範疇は、ニッケルベース超合金を、生成する超硬合金の全材料の5〜40容量%含有する結合剤マトリックスに基づいている。ニッケルベース超合金はγ’強化されている(γ’strengthening)高温合金のファミリーである。3種の強力合金:Rene’95、Udimet720及びUdimet700を例として使用して、生成する超硬合金の機械的特性に対する結合剤の強さの効果を示す。ニッケルベース超合金は、特に高温で強度が高い。また、これらの合金は、高温における腐食や酸化に対する耐性などの耐環境性に優れている。したがって、ニッケルベース超合金を使用して、この超合金で結合した超硬合金の硬度を、コバルトで結合された超硬合金の硬度と比べて高くすることができる。とりわけ、ニッケルベース超合金の引張強さは表6に示すように通常の結合剤材料のコバルトよりははるかに高い。このことは、さらに、ニッケルベース超合金が超硬合金用に優れた結合剤材料であることを示している。   The third category is based on a binder matrix containing 5-40% by volume of nickel-base superalloy in the total cemented carbide material produced. Nickel-based superalloys are a family of high temperature alloys that are gamma prime strengthened. Three strong alloys: Rene'95, Udimet 720, and Udimet 700 are used as examples to illustrate the effect of binder strength on the mechanical properties of the resulting cemented carbide. Nickel-based superalloys are particularly strong at high temperatures. Further, these alloys are excellent in environmental resistance such as resistance to corrosion and oxidation at high temperatures. Therefore, using a nickel-base superalloy, the hardness of the cemented carbide bonded with this superalloy can be made higher than the hardness of the cemented carbide bonded with cobalt. In particular, the tensile strength of nickel-based superalloys is much higher than the usual binder material cobalt as shown in Table 6. This further indicates that nickel-based superalloys are excellent binder materials for cemented carbides.

この範疇の一例は表4に示すP58であり、これは重量%でRene’95を7.5%、VCを0.6%及びWCを91.9%含有し、表4に示すコバルトで結合されたP54(Co8%、VC0.6%及びWC91.4%)に匹敵するものである。P58の硬度は表7に示すようにP54より有意に高い。

Figure 2009504926
An example of this category is P58 shown in Table 4, which contains 7.5% Ren'95, 0.6% VC, and 91.9% WC by weight, and is bound by the cobalt shown in Table 4. P54 (Co 8%, VC 0.6% and WC 91.4%). The hardness of P58 is significantly higher than P54 as shown in Table 7.
Figure 2009504926

第四の範疇は、ニッケルベース超合金+Reを結合剤として、例えば、生成する超硬合金又はサーメットの全材料の約5〜40容量%使用した超硬合金である。ニッケルベース超合金にReを添加して得られる結合剤合金は、ニッケルベース超合金より融点が高くなるので、Re含量が増大するにつれて、ニッケルベース超合金+Re結合剤を含有する超硬合金の処理温度は高くなる。Reの濃度が異なるいくつもの超硬合金を表8に列挙してある。表9はさらに、表8に示す超硬合金の特性の測定値を示す。

Figure 2009504926

Figure 2009504926
The fourth category is a cemented carbide using nickel base superalloy + Re as a binder, for example, about 5 to 40% by volume of the total material of the resulting cemented carbide or cermet. The binder alloy obtained by adding Re to a nickel-base superalloy has a higher melting point than the nickel-base superalloy, so as the Re content increases, the treatment of cemented carbide containing nickel-base superalloy + Re binder The temperature increases. A number of cemented carbides with different concentrations of Re are listed in Table 8. Table 9 further shows measured values of the properties of the cemented carbide shown in Table 8.
Figure 2009504926

Figure 2009504926

第四の範疇の属する他の例は、結合剤としてニッケルベース超合金+Re及びCoをやはり約5〜40容量%使用する超硬合金である。ニッケルベース超合金+Re及びCoで結合された超硬合金の代表的な組成は表10に列挙してある。

Figure 2009504926
Another example to which the fourth category belongs is a cemented carbide which also uses about 5-40% by volume of nickel-based superalloy + Re and Co as binders. Typical compositions of nickel-base superalloys + cemented carbides combined with Re and Co are listed in Table 10.
Figure 2009504926

ニッケルベース超合金含有の結合剤マトリックスの特性を調べるため選択した試料の測定を行った。一般に、ニッケルベース超合金は、高温で優れた強さを示すのみならず、高温において顕著な耐酸化性と耐腐食性を有している。ニッケルベース超合金は、複雑な微細構造と強化機構をもっている。一般に、ニッケルベース超合金の強化作用は、主としてγ−γ’相の析出強化作用及び固溶体の強化作用によるものである。選択された試料の測定値は、ニッケルベース超合金が超硬合金用の高性能結合剤材料として使用できることを示している。   Measurements of selected samples were made to investigate the properties of binder matrices containing nickel-based superalloys. In general, nickel-base superalloys not only exhibit excellent strength at high temperatures, but also have significant oxidation and corrosion resistance at high temperatures. Nickel-based superalloys have complex microstructures and strengthening mechanisms. In general, the strengthening action of the nickel-base superalloy is mainly due to the precipitation strengthening action of the γ-γ 'phase and the strengthening action of the solid solution. Selected sample measurements indicate that nickel-based superalloys can be used as high performance binder materials for cemented carbides.

表11に、選択した試料の組成を、超硬合金の全重量の重量%によって列挙してある。これら試料中のWC粒子は、大きさが0.2μmである。表12には、実施した2ステップ法の条件並びに試料の密度、硬度のパラメータ及び靭性のパラメータの測定値を列挙してある。Palmgvist破壊靭性Kscは、ビッカー圧子が生成するPalmgvist亀裂の全亀裂長(total crack length)から計算する〔Ksc=0.087×(Hv×w)1/2〕(Ksc=0.087*(Hv*w)1/2)(例えばWarren及びH. Matzke、Proceedings Of the International Conference On the Science of Hard Materials、米国ワイオミング州ジャクソン、1981年8月23〜28日参照)。硬度Hvと亀裂長は15秒間の10kgの荷重下で測定した。各測定は各試料に対し8回ずつ圧子押し込みをして実施し、その平均値を使用して列挙したデータを計算した。

Figure 2009504926

Figure 2009504926
Table 11 lists the composition of the selected samples by weight percent of the total weight of the cemented carbide. The WC particles in these samples are 0.2 μm in size. Table 12 lists the conditions of the two-step method performed and the measured values of the sample density, hardness parameters and toughness parameters. The Palmgvist fracture toughness Ksc is calculated from the total crack length of the Palmgvist crack generated by the Vicker indenter [Ksc = 0.087 × (Hv × w) 1/2 ] (Ksc = 0.087 * (Hv * W) 1/2 ) (see, for example, Warren and H. Matzke, Proceedings Of the International Conference On the Science of Hard Materials, Jackson, Wyoming, USA, August 23-28, 1981). The hardness Hv and crack length were measured under a load of 10 kg for 15 seconds. Each measurement was performed by indenting 8 times for each sample, and the average value was used to calculate the listed data.
Figure 2009504926

Figure 2009504926

被検試料中、試料P54には、Coからなる従来の結合剤が使用されている。試料P58には、試料P54に結合剤として使用されているCoの代わりにNi超合金R−95が使用されている。その結果、HvはP54が2090であるのにP58は2246まで増大している。試料P56の場合、結合剤として、ReとCoの混合物がCoの代わりに使用されているが、HvはP54が2090であるのにP56は2133まで増大している。試料P72、P73、P74は同量のReを含有しているが異なる量のCoとR95を含有している。試料P72には結合剤としてReとCoの混合物が使用されているのに対し、試料P73とP74には代わりにRe、Co及びR95の混合物が結合剤として使用されている。硬度Hvは、2041(P72)から2217(P73)及び2223(P74)へと増大している。

Figure 2009504926
In the test sample, a conventional binder made of Co is used for the sample P54. In the sample P58, Ni superalloy R-95 is used instead of Co used as the binder in the sample P54. As a result, P58 is increased to 2246 while Pv is 2090 for Hv. In the case of sample P56, a mixture of Re and Co is used instead of Co as a binder, but Pv is increased to 2133 even though P54 is 2090 for Hv. Samples P72, P73, and P74 contain the same amount of Re but different amounts of Co and R95. The sample P72 uses a mixture of Re and Co as a binder, while the samples P73 and P74 use a mixture of Re, Co, and R95 as a binder instead. The hardness Hv increases from 2041 (P72) to 2217 (P73) and 2223 (P74).
Figure 2009504926

また、選択した試料を測定して、結合剤マトリックス中のReを含有する結合剤マトリックスの特性をさらに調べた。表13に被検試料を列挙した。粒経が2μmと0.2μmである2種類のWC粒子を使用した。表14に、実施した2ステップ法の条件並びに選択した試料の密度、硬度のパラメータ及び靭性のパラメータの測定値を列挙してある。

Figure 2009504926
The selected samples were also measured to further investigate the properties of the binder matrix containing Re in the binder matrix. Table 13 lists the test samples. Two types of WC particles having a particle size of 2 μm and 0.2 μm were used. Table 14 lists the conditions of the two-step method performed and the measured values of the selected sample density, hardness and toughness parameters.
Figure 2009504926

表15は、さらに選択した試料の各種温度下での硬度パラメータの測定値を示し、この場合、1kgの荷重で15秒間、NikonQM高温硬度テスタ(hot hardness tester)によってヌープ硬度Hkを測定した。なおRは25℃でのHkに対して高温試験でのHkの比率である。高温硬度の試料C2とC6の炭化物は、MSC Co.(米国ニューヨーク州メルビル)から購入したインサート(insert)SNU434から調製した。

Figure 2009504926
Table 15 further shows the measured values of hardness parameters of the selected samples under various temperatures, where Knoop hardness Hk was measured with a NikonQM high temperature hardness tester for 15 seconds at a load of 1 kg. R is the ratio of Hk in the high temperature test to Hk at 25 ° C. Carbides of high temperature hardness samples C2 and C6 are available from MSC Co. (Insert SNU434, purchased from Melville, NY).
Figure 2009504926

超硬合金の結合剤マトリックスにReを含有させると、結合剤合金すなわちCo−Re、Ni超合金−Re、Ni超合金−Re−Coの融点が高くなる。例えば、試料P63の融点は、固相焼結法で利用される2200℃という温度よりはるかに高い。結合剤中にReを含有するこのような超硬合金(例えばP17〜P63)の高温硬度の値は、従来のCoで結合された超硬合金(C2炭化物とC6炭化物)よりはるかに高い。特に、上記測定値は、結合剤中のRe濃度が増大すると高温における硬度が高くなることを示している。被検試料の中で、純Reを結合剤として含有する試料P62Aは硬度が最高である。Reが94%でニッケルベース超合金R95が6%という結合剤組成物を含有する試料P63は2番目に高い硬度を有している。試料P40A(71.9%Re−29.1%R95)、P49(69.9%Re−30.1%R95)、P51(88.5%Re−11.5%R95)及びP50(71.9%Re−28.1%R95)はその硬度が前記試料に続く値のグループである。結合剤中に62.5%のReと37.5%のR95を含有する試料P48は、Re含有量が最低なので、一部の被検試料の中で高温における硬度が最低である。   When Re is contained in the binder matrix of the cemented carbide, the melting points of the binder alloys, that is, Co-Re, Ni superalloy-Re, and Ni superalloy-Re-Co are increased. For example, the melting point of sample P63 is much higher than the temperature of 2200 ° C. used in the solid phase sintering method. Such cemented carbides containing Re in the binder (eg, P17-P63) have much higher high-temperature hardness values than conventional Co-bonded cemented carbides (C2 carbide and C6 carbide). In particular, the above measured values indicate that the hardness at high temperature increases as the Re concentration in the binder increases. Among the test samples, sample P62A containing pure Re as a binder has the highest hardness. Sample P63 containing a binder composition with 94% Re and 6% nickel-base superalloy R95 has the second highest hardness. Samples P40A (71.9% Re-29.1% R95), P49 (69.9% Re-30.1% R95), P51 (88.5% Re-11.5% R95) and P50 (71. 9% Re-28.1% R95) is a group of values whose hardness follows the sample. Sample P48 containing 62.5% Re and 37.5% R95 in the binder has the lowest Re content, and therefore has the lowest hardness at high temperature among some of the test samples.

さらに別の範疇の超硬合金又はサーメットは、NiとMoもしくはMoCを含有する結合剤マトリックスに結合されたTiCとTiNを含有している。サーメットの結合剤Niは、Re、Re+Co、ニッケルベース超合金、Re+ニッケルベース超合金、及びRe+Coとニッケルベース超合金によって完全に又は一部を代替することができる。例えば、試料P38とP39はNiで結合されたサーメットの例である。試料P34はRene95で結合されたサーメットの一例である。P35、P36、P37及びP45はRe+Rene95で結合されたサーメットである。P34、35、36、37、38、39及び45の組成は表16に列挙してある。

Figure 2009504926
Yet another category of cemented carbide or cermet contains TiC and TiN bonded to a binder matrix containing Ni and Mo or Mo 2 C. The cermet binder Ni can be completely or partially replaced by Re, Re + Co, nickel-base superalloy, Re + nickel-base superalloy, and Re + Co and nickel-base superalloy. For example, samples P38 and P39 are examples of cermets bonded with Ni. Sample P34 is an example of a cermet bonded with Rene95. P35, P36, P37 and P45 are cermets bonded by Re + Rene95. The compositions of P34, 35, 36, 37, 38, 39 and 45 are listed in Table 16.
Figure 2009504926

表17〜29は、異なる用途に使用できる3つの例示的な組成範囲1、2、及び3を持つ追加の組成物を列挙したものである。

Figure 2009504926

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Tables 17-29 list additional compositions having three exemplary composition ranges 1, 2, and 3 that can be used for different applications.
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以下の表30〜41は、異なる用途に使用できる3つの例示的な組成範囲1、2、及び3を持つ例示的なサーメット組成物を列挙したものである。

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Tables 30-41 below list exemplary cermet compositions having three exemplary composition ranges 1, 2, and 3 that can be used for different applications.
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以下の表42〜51は、異なる用途に使用できる3つの例示的な組成範囲1、2、及び3を持つ各種組成物の追加の例を列挙したものである。上述のいくつかの組成物と同様に、表42〜51のいくつかの組成物は、「推定融点」の下の最終列に示されているように高温用途の場合に特に有益であると思われる。   Tables 42-51 below list additional examples of various compositions having three exemplary composition ranges 1, 2, and 3 that can be used for different applications. Like some of the compositions described above, some of the compositions in Tables 42-51 appear to be particularly beneficial for high temperature applications as shown in the last row under "Estimated Melting Point". It is.

上述のように、レニウム、ニッケルベース超合金、又はその両方の組合せを使用する結合剤マトリックス材料は、高温での材料性能を高めることができる。タングステンは、典型的には、炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物、及びケイ化物などの各種の硬質粒子中の構成元素として使用される。タングステンは、単独で、又は他の金属と組み合わせて、結合剤マトリックス材料として使用すると、最終的な超硬合金材料の融点を約2500から約3500℃の範囲にまで著しく高められる。したがって、Wベース結合剤マトリクス材料を使用する超硬合金は、他の材料では不可能な高温の用途において使用することができる。特に、表43〜48に示されているタングステン(W)をベースとする結合剤マトリックスを使用するいくつかの組成物は、3500℃を中心とする高い融点を示す。   As noted above, binder matrix materials using rhenium, nickel-based superalloys, or a combination of both can enhance material performance at high temperatures. Tungsten is typically used as a constituent element in various hard particles such as carbides, nitrides, carbonitrides, borides, and silicides. When used alone or in combination with other metals, tungsten can significantly increase the melting point of the final cemented carbide material to a range of about 2500 to about 3500 ° C. Thus, cemented carbides using W-based binder matrix materials can be used in high temperature applications not possible with other materials. In particular, some compositions using a binder matrix based on tungsten (W) shown in Tables 43-48 exhibit high melting points centered around 3500 ° C.

表47のレニウム及びコバルトにより結合される窒化物で製造される組成物では、それぞれの窒化物は、硬質粒子材料として窒化物及び炭化物の組合せにより置き換えられる。この設計による材料は、周期表のIVB及びVB族の窒化物からの少なくとも一つの窒化物及び周期表のIVB、VB、及びVIB族の炭化物からの一つの炭化物を含む硬質粒子並びに硬質粒子を結合し、レニウム及びコバルトを含む結合剤マトリックスを含有する。

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In the compositions made with rhenium and cobalt bonded nitrides in Table 47, each nitride is replaced by a combination of nitride and carbide as the hard particulate material. The material according to this design combines hard particles and hard particles comprising at least one nitride from Group IVB and VB nitrides of the periodic table and one carbide from Group IVB, VB and VIB carbides of the periodic table. And a binder matrix comprising rhenium and cobalt.
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超硬合金又はサーメットの上記組成物は、各種の用途に使用することができる。例えば、このような材料は、摩耗部品を使ってターゲット物体の材料を切削することによってターゲット物体を切削、研削又はドリルする工具のその摩耗部品を製造するのに使用できる。このような工具は、異なる材料、例えば、スチールで製造された支持部品を備えていてもよい。その場合、摩耗部品はインサートとしての支持部品に係合している。工具は、支持部品に係合された複数のインサートを備えるように設計することができる。例えば、いくつかの採掘用ドリルには、超硬合金材料製の複数のボタンビットを設けることができる。このような工具の例としては、ドリル、ナイフなどの刃物、のこぎり、研削器、ドリルがある。あるいは、本明細書に記載の超硬合金を使用して、切削、穴あけ又は他の機械加工操作用の摩耗部品としての工具の全頭部を製造することができる。また、超硬合金粒子を使用して、各種の材料を研磨又は研削するのに用いる砥粒グリッド(abrasive grid)を製造できる。さらに、このような超硬合金を使用して、装置の作動又は装置が作動する環境条件の特別の用件を満たす各種装置のハウジング及び外表面もしくは外層を製造することもできる。   The above composition of cemented carbide or cermet can be used for various applications. For example, such a material can be used to manufacture the wear part of a tool that cuts, grinds or drills the target object by cutting the material of the target object using the wear part. Such a tool may comprise support parts made of different materials, for example steel. In that case, the wear part is engaged with a support part as an insert. The tool can be designed with a plurality of inserts engaged with the support component. For example, some mining drills can be provided with a plurality of button bits made of cemented carbide material. Examples of such tools include cutting tools such as drills and knives, saws, grinders, and drills. Alternatively, the cemented carbide described herein can be used to produce the entire head of the tool as a wear part for cutting, drilling or other machining operations. In addition, cemented carbide particles can be used to produce abrasive grids used to polish or grind various materials. Furthermore, such cemented carbides can be used to produce housings and outer surfaces or outer layers for various devices that meet the specific requirements of the operation of the device or the environmental conditions under which the device operates.

さらに具体的に述べると、本明細書に記載の超硬合金を使用して、金属、複合材、プラスチック及び木材を機械加工するための切削工具を製造することができる。その切削工具としては旋削、転削、中ぐり及び穴あけを行うためのスローアウェイチップ(indexable inserts)や、ドリル、エンドミル、ソーマ、タップ、ホブ並びにミリングカッタがある。これら工具の切れ刃の温度は機械加工中500℃より高くなることがあるので、上記高温作動条件に対して用いる超硬合金組成物は、これら切削工具に使用すると特に有利であり、例えば工具の寿命が延長され、かつ切削速度が増大することによってこれら工具による生産性が改善される。   More specifically, the cemented carbide described herein can be used to produce cutting tools for machining metals, composites, plastics and wood. The cutting tools include throwaway inserts for turning, turning, boring and drilling, drills, end mills, sommers, taps, hobbs, and milling cutters. Since the temperature of the cutting edge of these tools can be higher than 500 ° C. during machining, the cemented carbide composition used for the above high temperature operating conditions is particularly advantageous when used for these cutting tools, for example, Productivity with these tools is improved by extending the life and increasing the cutting speed.

本明細書に記載の超硬合金は、線引き抜き(wire−drawing)、押し出し、鍛造及び冷間頭部すえこみ(冷間ヘッディング)(cold heading)に使う工具を製造するのに使用できる。また、粉末法用の型やパンチとしても使用できる。さらにこれら超硬合金は、岩石を穴あけしたり採掘するのに使用する耐摩耗性材料として使用できる。   The cemented carbide described herein can be used to produce tools for use in wire-drawing, extrusion, forging, and cold heading (cold heading). It can also be used as a mold or punch for the powder method. Furthermore, these cemented carbides can be used as wear resistant materials used for drilling or mining rocks.

本願で説明されている超硬合金材料は、バルク形態で、又は金属表面上のコーティングとして加工することができる。このような新しい超硬合金材料によるコーティングは、他の方法では下地金属材料では達成することが困難な所望の硬度を得るために、硬質層を金属表面上に都合よく形成することができる。本願の組成物に基づくバルク超硬合金材料は、高価であり、したがって、硬度の低い安価な金属のコーティングに使用すると、硬度の高い各種構成要素又は部品のコストを下げることができる。   The cemented carbide materials described herein can be processed in bulk form or as a coating on a metal surface. Coating with such a new cemented carbide material can conveniently form a hard layer on the metal surface to achieve the desired hardness that would otherwise be difficult to achieve with the underlying metal material. Bulk cemented carbide materials based on the compositions of the present application are expensive and therefore can reduce the cost of various hard components or parts when used in low-cost, inexpensive metal coatings.

本願の超硬合金を製造するために、市販の超硬合金を生産するさまざまな粉体調製法を使用することができる。例えば、85重量%を超えるReを含む結合剤合金を、固相焼結の工程により作製することで、開孔をなくし、次いで、HIPにより液相焼結に置き換える。   Various powder preparation methods that produce commercially available cemented carbide can be used to produce the cemented carbide of the present application. For example, a binder alloy containing Re exceeding 85% by weight is made by a solid-phase sintering process to eliminate pores, and then replaced with liquid phase sintering by HIP.

図9は、上述の超硬合金組成物からの材料又は構造体の複数の加工(作製)方法のフローチャートを示している。例示されているように、結合剤に対する合金粉体及び硬質粒子粉体を、潤滑剤(例えば、ワックス)を使用する又は使用しない湿式混合法で粉砕液と混合することができる。図9の左側の加工フローは、潤滑された湿式混合により超硬合金を加工する流れである。この混合物を最初に真空乾燥又は噴霧乾燥法により乾燥させて、潤滑グレード粉体を作製する。次に、ピル加圧成形、押し出し成形、又は冷間等方加圧(CIP)で潤滑グレード粉体をバルク材料に成形する。CIPは、等方加圧により粉体を固める工程である。次いで、バルク材料を加熱して、潤滑剤を除去し、予備焼結法で焼結する。次に、複数の異なる工程を介して、材料を処理することができる。例えば、真空又は水素中で液相焼結を介して材料を処理し、次いで、さらに、HIP法により処理し、最終的な超硬合金部品を形成することができる。それとは別に、予備焼結後の材料に固相焼結を行い、開孔をなくし、次いで、HIP法で、最終的な超硬合金部品を形成することができる。   FIG. 9 shows a flowchart of a plurality of processing (manufacturing) methods for materials or structures from the above-mentioned cemented carbide composition. As illustrated, the alloy powder and hard particle powder for the binder can be mixed with the milling liquid by a wet mixing method with or without a lubricant (eg, wax). The processing flow on the left side of FIG. 9 is a flow for processing a cemented carbide by lubricated wet mixing. This mixture is first dried by vacuum drying or spray drying to produce a lubricating grade powder. Next, the lubricating grade powder is formed into a bulk material by pill pressing, extrusion molding, or cold isostatic pressing (CIP). CIP is a process of solidifying powder by isotropic pressure. The bulk material is then heated to remove the lubricant and sintered by a presintering method. The material can then be processed through a number of different processes. For example, the material can be processed via liquid phase sintering in vacuum or hydrogen and then further processed by the HIP method to form the final cemented carbide part. Alternatively, the pre-sintered material can be subjected to solid phase sintering to eliminate holes and then the final cemented carbide part can be formed by the HIP method.

結合剤の合金粉体及び硬質粒子粉体を潤滑剤なしで混合した場合、乾燥工程後の潤滑されていないグレード粉体を2つの異なる方法で処理し、最終的な超硬合金部品を形成することができる。例示されている第一の方法では、単に、熱間加圧法を使用して加工を行う。第二の方法では、溶射法を使用して、真空中で金属基材上にグレード粉体を形成する。次に、金属基材を取り除き、最終的な超硬合金部品としての自立材料である溶射法による構造体を残す。さらに、HIP法により、自立材料を処理し、必要に応じて、開孔を減らすことができる。   When the binder alloy powder and hard particle powder are mixed without a lubricant, the unlubricated grade powder after the drying process is processed in two different ways to form the final cemented carbide part. be able to. In the first method illustrated, processing is simply performed using a hot pressing method. In the second method, a thermal spray method is used to form a grade powder on a metal substrate in a vacuum. Next, the metal substrate is removed, and a structure by a thermal spraying method, which is a self-supporting material as a final cemented carbide part, is left. Furthermore, the self-supporting material can be processed by the HIP method, and openings can be reduced as necessary.

金属表面上に超硬合金コーティングを形成する際に、真空状態で溶射法を使用し、超硬合金材料でコートした大きな部品を生産することができる。例えば、鋼鉄部品及び工具の表面をコートし、硬さ、したがって性能を改善することができる。図10は、溶射法の例示的なフローチャートを示している。   When forming a cemented carbide coating on a metal surface, a thermal spray process can be used in a vacuum to produce large parts coated with a cemented carbide material. For example, the surfaces of steel parts and tools can be coated to improve hardness and thus performance. FIG. 10 shows an exemplary flowchart of the thermal spraying method.

金属表面をコートする各種溶射法が知られている。例えば、ASM Handbook Vol.7(P408、1998)では、溶射法を金属、セラミックス、金属間化合物、複合材料、及びポリマーをコーティング又は自立構造体に形成することができる一群の微粒子/液滴の固結工法として説明している。その工法では、粉体、ワイヤ、又はロッドを燃焼又はアーク加熱ジェット内に投入することができ、そこで、加熱し、溶融させるか又は軟化させ、加速し、表面又は基材に向けてコートする。基材への衝撃で、粒子又は液滴は、急速凝固し、冷却し、収縮し、徐々に蓄積し、標的表面上に堆積物を形成する。薄い「平板」には、高い冷却率、例えば、金属の場合に10K/sを超える冷却率が作用しうる。 Various thermal spraying methods for coating metal surfaces are known. For example, ASM Handbook Vol. 7 (P408, 1998) describes the thermal spraying method as a group of fine particle / droplet consolidation methods that can be formed into a coating or free-standing structure of metal, ceramics, intermetallic compounds, composite materials, and polymers. Yes. In that method, powders, wires, or rods can be placed in a combustion or arc heated jet where they are heated, melted or softened, accelerated, and coated toward the surface or substrate. Upon impact on the substrate, the particles or droplets rapidly solidify, cool, shrink, and gradually accumulate, forming a deposit on the target surface. A thin “flat plate” can have a high cooling rate, for example, a cooling rate of more than 10 6 K / s in the case of metals.

溶射法では、化学的(燃焼)又は電気的(プラズマ又はアーク)エネルギーを使用して、高温ガスジェット内に投入される原材料を加熱し、溶融液滴の流れを形成して、加速し、基材に向けてコートする。図3及び4には、ASM Handbook Vol.7の409〜410頁のさまざまな溶射法が示されている。   Thermal spraying uses chemical (combustion) or electrical (plasma or arc) energy to heat the raw material charged into the hot gas jet, forming a stream of molten droplets, accelerating, Coat towards the material. 3 and 4 show ASM Handbook Vol. 7 shows various spraying methods on pages 409-410.

溶射法のさまざまな詳細が、Lawleyらの「Spray Forming」及びKnightらの「Thermal Spray Forming of Materials」で説明されており、これは、それぞれ、ASM Handbook Volume 7「Powder Metal Technologies and Application」(1998)の396から407頁、及び408から419頁で公開されている。   Various details of the spraying method are described in Lawley et al. “Spray Forming” and Knight et al. “Thermal Spray Forming of Materials”, respectively, ASM Handbook Volume 7 ol p ) Pages 396 to 407 and 408 to 419.

本明細書に記載する選択された超硬合金組成物は、高温で、1500℃、又は1500℃超で高い材料強度及び硬度を維持することができる。例えば、様々な飛行装置及び飛行機に使用される様々なジェットエンジン及び/又はロケットエンジンなど、特定の高出力エンジンは、このような高温で作動する。さらに具体的には、これら及び他のエンジンの非腐食性ノズルのど及び低腐食性ノズルのどを含めた、ジェットノズル及び/又はロケットノズルは、本出願に記載の選択された超硬合金材料で、部分的に又は全体的に形成され得る。   The selected cemented carbide compositions described herein can maintain high material strength and hardness at high temperatures, 1500 ° C., or above 1500 ° C. Certain high power engines, such as various jet engines and / or rocket engines used in various flying devices and airplanes, operate at such high temperatures. More specifically, the jet nozzle and / or rocket nozzle, including the throat and low corrosive nozzles of these and other engine non-corrosive nozzles, are selected cemented carbide materials as described in this application, It can be formed partly or wholly.

例えば、(1)一つ又は複数の炭化物、(2)一つ又は複数の窒化物、(3)一つ又は複数のホウ化物、並びに(4)(1)、(2)及び(3)の2つ以上と、純Reであるか、又はReを一つの成分として有する複合結合剤材料である結合剤材料との組合せの、一つ又は複数に基づいた超硬合金。本出願における様々な炭化物、窒化物、及びホウ化物の融点は、2400℃超である。本発明の高温超硬合金材料のための適切な炭化物の例には、TaC、HfC、NbC、ZrC、TiC、WC、VC、Al、ThC、MoC、SiC及びBCが挙げられる。本発明の高温超硬合金材料のための適切な窒化物の例には、HfN、TaN、BN、ZrN、及びTiNが挙げられる。本発明の高温超硬合金材料のための適切なホウ化物の例には、HfB、ZrB、TaB、TiB、NbB、及びWBが挙げられる。Reが一つの成分である複合結合剤材料の2つの例は、(1)W及びRe、並びに(2)Ta及びReである。 For example, (1) one or more carbides, (2) one or more nitrides, (3) one or more borides, and (4) (1), (2) and (3) A cemented carbide based on one or more of a combination of two or more and a binder material that is pure Re or a composite binder material having Re as a component. The melting points of various carbides, nitrides, and borides in this application are above 2400 ° C. Examples of suitable carbides for the high temperature cemented carbide material of the present invention include TaC, HfC, NbC, ZrC, TiC, WC, VC, Al 4 C 3 , ThC 2 , Mo 2 C, SiC and B 4 C. Is mentioned. Examples of suitable nitrides for the high temperature cemented carbide material of the present invention include HfN, TaN, BN, ZrN, and TiN. Examples of suitable borides for the high temperature cemented carbide material of the present invention include HfB 2 , ZrB 2 , TaB 2 , TiB 2 , NbB 2 , and WB. Two examples of composite binder materials in which Re is a component are (1) W and Re, and (2) Ta and Re.

本明細書は多くの詳細を含むが、これらは発明又は特許請求し得るものの範囲の限定として解釈するべきではなく、本発明の特定の実施形態に特有である特徴を記述したものと解釈するべきである。本明細書において別々の実施形態において記載されている特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて実施することもできる。反対に、単一の実施形態において記載されている様々な特徴を、複数の実施形態において別々に又は任意の適切な部分的組合せにおいて実施することができる。さらに、特定の組合せにおいて、特徴が作用していると上記で記載し、最初にそのように特許請求をしても、特許請求した組合せの一つ又は複数の特徴は、場合によってはその組合せから削除でき、特許請求した組合せは、部分的組合せ又は部分的組合せの変形を対象とし得る。   This specification contains many details, which should not be construed as limiting the scope of the invention or claims, but as describing features that are specific to particular embodiments of the invention. It is. Certain features that are described in this specification in separate embodiments can also be implemented in combination in a single embodiment. Conversely, various features that are described in a single embodiment can be implemented in multiple embodiments separately or in any suitable subcombination. Furthermore, even if a feature is described above as acting in a particular combination and initially claimed as such, one or more features of the claimed combination may, in some cases, be from that combination. The combinations that can be deleted and claimed can be directed to partial combinations or variations of partial combinations.

いくつかの実施態様及び実施例しか開示されていない。しかし、いくつかの変形及び改良を形成できることは理解されるであろう。   Only a few implementations and examples are disclosed. However, it will be understood that several variations and modifications can be made.

本発明の一実施態様による超硬合金の一つの代表的な製造の流れを示す。1 illustrates one exemplary manufacturing flow for a cemented carbide according to an embodiment of the present invention. 固相で超硬合金を処理する代表的な2ステップ焼結法を示す。A representative two-step sintering process for treating cemented carbide in the solid phase is shown. 選択された代表的な超硬合金の各種特性の測定値を示す。The measured values of various properties of selected representative cemented carbides are shown. 選択された代表的な超硬合金の各種特性の測定値を示す。The measured values of various properties of selected representative cemented carbides are shown. 選択された代表的な超硬合金の各種特性の測定値を示す。The measured values of various properties of selected representative cemented carbides are shown. 選択された代表的な超硬合金の各種特性の測定値を示す。The measured values of various properties of selected representative cemented carbides are shown. 選択された代表的な超硬合金の各種特性の測定値を示す。The measured values of various properties of selected representative cemented carbides are shown. 選択された代表的な超硬合金の各種特性の測定値を示す。The measured values of various properties of selected representative cemented carbides are shown. 溶射法の例を示す。An example of thermal spraying is shown. 溶射法の例を示す。An example of thermal spraying is shown.

Claims (23)

TaC、HfC、NbC、ZrC、TiC、WC、VC、Al、ThC、MoC、SiC及びBCの少なくとも一つを選択してなる少なくとも一つの炭化物を含む硬質粒子と、
前記硬質粒子を結合し、レニウムを含む結合剤マトリックスと、
を含有する材料。
Hard particles containing at least one carbide formed by selecting at least one of TaC, HfC, NbC, ZrC, TiC, WC, VC, Al 4 C 3 , ThC 2 , Mo 2 C, SiC, and B 4 C;
A binder matrix that binds the hard particles and comprises rhenium;
Containing material.
前記硬質粒子が、前記材料の全重量の75%未満であり、レニウムが、前記材料の全重量の25%を超える、請求項1に記載の材料。   The material of claim 1, wherein the hard particles are less than 75% of the total weight of the material and rhenium is greater than 25% of the total weight of the material. 前記硬質粒子が、HfN、TaN、BN、ZrN、及びTiNの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの窒化物をさらに含む、請求項1に記載の材料。   The material of claim 1, wherein the hard particles further comprise at least one nitride selected from at least one of HfN, TaN, BN, ZrN, and TiN. 前記硬質粒子が、HfB、ZrB、TaB、TiB、NbB、及びWBの少なくとも一つから選択される少なくとも一つのホウ化物をさらに含む、請求項1に記載の材料。 The material of claim 1, wherein the hard particles further comprise at least one boride selected from at least one of HfB 2 , ZrB 2 , TaB 2 , TiB 2 , NbB 2 , and WB. 前記結合剤マトリックスがWをさらに含む、請求項1、2、3、又は4に記載の材料。   The material of claim 1, 2, 3, or 4, wherein the binder matrix further comprises W. 前記結合剤マトリックスがTaをさらに含む、請求項1、2、3、又は4に記載の材料。   5. A material according to claim 1, 2, 3, or 4 wherein the binder matrix further comprises Ta. HfN、TaN、BN、ZrN、及びTiNの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの窒化物を含む硬質粒子と、
前記硬質粒子を結合し、レニウムを含む結合剤マトリックスと、
を含む材料。
Hard particles comprising at least one nitride selected from at least one of HfN, TaN, BN, ZrN, and TiN;
A binder matrix that binds the hard particles and comprises rhenium;
Including material.
前記硬質粒子が、前記材料の全重量の75%未満であり、レニウムが、前記材料の全重量の25%を超える、請求項7に記載の材料。   The material of claim 7, wherein the hard particles are less than 75% of the total weight of the material and rhenium is greater than 25% of the total weight of the material. 前記硬質粒子が、TaC、HfC、NbC、ZrC、TiC、WC、VC、Al、ThC、MoC、SiC及びBCの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの炭化物をさらに含む、請求項7に記載の材料。 The hard particles further include at least one carbide selected from at least one of TaC, HfC, NbC, ZrC, TiC, WC, VC, Al 4 C 3 , ThC 2 , Mo 2 C, SiC, and B 4 C. 8. The material of claim 7, comprising. 前記硬質粒子が、HfB、ZrB、TaB、TiB、NbB、及びWBの少なくとも一つから選択される少なくとも一つのホウ化物をさらに含む、請求項7に記載の材料。 The material according to the hard particles, the HfB 2, ZrB 2, TaB 2 , TiB 2, NbB 2, and further comprising at least one boride selected from at least one of WB, claim 7. 前記結合剤マトリックスがWをさらに含む、請求項7、8、8、又は10に記載の材料。   11. A material according to claim 7, 8, 8, or 10, wherein the binder matrix further comprises W. 前記結合剤マトリックスがTaをさらに含む、請求項7、8、8、又は10に記載の材料。   11. A material according to claim 7, 8, 8, or 10, wherein the binder matrix further comprises Ta. HfB、ZrB、TaB、TiB、NbB、及びWBの少なくとも一つから選択される少なくとも一つのホウ化物を含む硬質粒子と、
前記硬質粒子を結合し、レニウムを含む結合剤マトリックスと、
を含む材料。
Hard particles comprising at least one boride selected from at least one of HfB 2 , ZrB 2 , TaB 2 , TiB 2 , NbB 2 , and WB;
A binder matrix that binds the hard particles and comprises rhenium;
Including material.
前記硬質粒子が、前記材料の全重量の75%未満であり、レニウムが、前記材料の全重量の25%を超える、請求項13に記載の材料。   14. The material of claim 13, wherein the hard particles are less than 75% of the total weight of the material and rhenium is greater than 25% of the total weight of the material. 前記硬質粒子が、HfN、TaN、BN、ZrN、及びTiNの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの窒化物をさらに含む、請求項13に記載の材料。   The material of claim 13, wherein the hard particles further comprise at least one nitride selected from at least one of HfN, TaN, BN, ZrN, and TiN. 前記硬質粒子が、TaC、HfC、NbC、ZrC、TiC、WC、VC、Al、ThC、MoC、SiC及びBCの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの炭化物をさらに含む、請求項13に記載の材料。 The hard particles further include at least one carbide selected from at least one of TaC, HfC, NbC, ZrC, TiC, WC, VC, Al 4 C 3 , ThC 2 , Mo 2 C, SiC, and B 4 C. 14. The material of claim 13, comprising. 前記結合剤マトリックスがWをさらに含む、請求項13、14、15、又は16に記載の材料。   The material of claim 13, 14, 15, or 16, wherein the binder matrix further comprises W. 前記結合剤マトリックスがTaをさらに含む、請求項13、14、15、又は16に記載の材料。   17. A material according to claim 13, 14, 15, or 16, wherein the binder matrix further comprises Ta. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の材料を含むジェットノズル。   A jet nozzle comprising the material according to claim 1. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の材料を含む非腐食性ノズルのど。   A non-corrosive nozzle throat comprising the material of any one of claims 1-18. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の材料を含むノズルのど。   A nozzle throat comprising the material according to claim 1. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の材料を使用して、ジェットノズルの少なくとも一部を形成するステップを含む方法。   A method comprising forming at least a portion of a jet nozzle using the material of any one of claims 1-18. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の材料を使用して、ノズルのどの少なくとも一部を形成するステップを含む方法。   19. A method comprising the step of forming at least a portion of a nozzle using the material of any one of claims 1-18.
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