JP2010024519A - 耐摩耗金属体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】炭化タングステン粒子21を結合相22によって結合してなる超硬合金2の表面を酸によってエッチングして結合相22の一部を除去したエッチング表面を形成するエッチング工程と、その後、チャンバー内に超硬合金2と共に配置した銅ターゲットに電子ビームを照射することによって銅をガス化し、ガス化した銅をエッチング表面において液化させて炭化タングステン粒子21の粒界に含浸させる銅含浸工程とを行う。これにより、超硬合金2の表面に、炭化タングステン粒子21が銅23によって結合された改質表層113を形成する。
【選択図】図1
Description
押し出し成型に用いられる金型は、耐摩耗性に優れた超硬合金からなるものが用いられるが、炭化珪素の粒子の硬度は極めて高く、そのHV硬度は約2500程度となり、金型のHV硬度約1800程度よりも高い。
そのため、押し出し成型を繰り返すことにより、金型における、セラミック原料を成形するためのスリットの内壁が早期に摩耗してしまうという問題がある。
この点について、WC−Co系よりも、WC−Cu系の方が摩耗に対して強い抵抗を示し、摩耗に対する抵抗は30〜60%上昇することが報告されている(非特許文献2)。
その後、チャンバー内に上記超硬合金と共に配置した銅ターゲットに電子ビームを照射することによって銅をガス化し、ガス化した銅を上記エッチング表面において液化させて上記炭化タングステン粒子の粒界に含浸させる銅含浸工程とを行うことにより、
上記超硬合金の表面に、上記炭化タングステン粒子が銅によって結合された改質表層を形成することを特徴とする耐摩耗金属体の製造方法にある(請求項1)。
上記耐摩耗金属体の製造方法は、上記銅含浸工程を有し、銅をガス化して上記エッチング表面に供給し、ガス化した銅を上記エッチング表面において液化させて上記炭化タングステン粒子の粒界に含浸させる。すなわち、ガス化した銅は、上記エッチング表面に形成された炭化タングステン粒子間の微細な粒界に入り込み、エッチング表面において液化した銅は、毛管現象によってさらに炭化タングステン粒子の微細な粒界に含浸していく。
<非特許文献4> オー・エヌ・ベレズフ(O.N. Verezub)、エル・ゾルタイ(L. Zoltai)、ジー・カプタイ(G.Kaptay)著 「液状銅によるコバルト相結合炭化タングステンの濡れ性と結合(Wettability and joining of cobalt sintered tungten carbide by liquid copper)」出典:イー・ジャーナルISSN1586−0141(e-journal with ISSN 1586-0140)、2003年巻4、No1号(Vol. 4 No.1 Nov. 2003)
かかる改質表層は、上述のごとく、耐摩耗性に優れており、例えば、炭化珪素を主成分とするセラミック原料が上記スリットを繰り返し通過しても、それによる摩耗を抑制することができる。
また、上記改質表層は、上記超硬合金の表面のすべてに形成してもよいし、一部に形成してもよい。
また、上記結合相としては、例えばコバルト(Co)、ニッケル(Ni)を用いることができる。
この場合には、上記電子ビームが上記超硬合金に直接照射されることを防ぎ、超硬合金への衝撃を緩和させることができる。これにより、超硬合金に損傷を与えるおそれを防ぐことができる。
この場合には、上記銅含浸工程において含浸させる銅の上記炭化タングステン粒子に対する濡れ性を確保し、銅による上記炭化タングステン粒子の結合力を充分に確保することができる。それゆえ、より確実に炭化タングステン粒子の脱落を防いで、耐摩耗金属体の耐摩耗性を向上させることができる。
この場合には、上記改質表層が充分に形成され、効果的に耐摩耗性を向上させることができる。
上記除去深さが上記炭化タングステン粒子の平均粒径未満の場合には、上記改質表層の厚みが不充分となり、充分な耐摩耗性を得ることが困難となるおそれがある。
たとえば、炭化タングステン粒子の平均粒径が1μm程度であれば、上記結合相の除去深さは、1μm以上であることが好ましい。また、この場合、上記除去深さは10μm以下であることが好ましい。すなわち、炭化タングステン粒子の平均粒径が1μm程度である場合において、上記除去深さが10μmを超えると、上記エッチング工程後の取り扱いにおいて、超硬合金の表面から炭化タングステン粒子が脱落していくおそれがある。
本発明の実施例にかかる耐摩耗金属体の製造方法につき、図1〜図11を用いて説明する。
本例においては、炭化珪素を主成分とするセラミックからなる排ガス浄化フィルタを押し出し成型するための金型1(図5)として用いる耐摩耗金属体を製造する方法につき説明する。
これにより、図1に示すごとく、スリット11の内側表面111に、炭化タングステン粒子21が銅23によって結合された改質表層113を形成する。
超硬合金2は、図2に示すごとく、炭化タングステン粒子21をコバルトからなる結合相22によって結合してなる。上記エッチング工程においては、この超硬合金2に設けたスリット11の内側表面111を含めた表面を、エッチングした。
エッチング液としては強酸を用いた。強酸は、富士アセチレン工業(株)社のフジアセクリーン(同社の登録商標)FE-17を、純水との重量比が1:3となるように、純水にて希釈したものを用いた。フジアセクリーンFE-17の組成は、重量比において、HNO3:HF:H2O=53.8:8.0:38.2である。
このエッチング液に、超硬合金2を400秒間、超音波をかけながら浸漬することにより、酸洗いを行い、エッチング表面112を形成した。その後、純水洗浄、乾燥した。
この乾燥後、図9に示すごとく、SEM(走査型電子顕微鏡)にて、エッチング表面112の断面を観察したところ、結合相22の除去深さは、5〜7μmであった。
その後、純水洗浄し、乾燥した。
電子線照射装置3は、チャンバー314内に、超硬合金2を載置するターンテーブル33と、その上方に配置された電子ビーム301の照射源30とを有する。また、チャンバー314には、チャンバー314内を真空引きするためのポンプ315が接続されている。
また、グリッド39を通過した電子ビーム301の束は、チャンバー314の下方に配置されたマグネットコイル323の磁界によって銅ターゲット316へ向かって収束される。なお、図7における符号310は、中空アノード36及び中空カソード37、グリッド39、ドリフトチューブ311に電圧を印加するための電源を示す。
まず、ターンテーブル33の上面に、グラファイトからなる受け板317を配置し、該受け板317の上面に銅ターゲット316を配置し、その上に、超硬合金2を配置する。銅ターゲット316としては、厚み0.05mmの銅箔を用いた。図8に示すごとく、銅ターゲット316は、超硬合金2における、スリット11及び供給穴12が形成された領域に対応する大きさで、その領域に対応するように配置されている。すなわち、供給穴12の形成領域の下方に銅ターゲット316を配置した。
また、超硬合金2の上方に、スペーサ318を介して、グラファイトからなる緩衝板319を配置した。
これにより、スリット11の内側表面111に、図1に示すような、炭化タングステン粒子21が銅23によって結合された改質表層113が形成された。
上記金型の製造方法は、上記銅含浸工程を有し、銅をガス化して上記エッチング表面112に供給し、ガス化した銅をエッチング表面112において液化させて炭化タングステン粒子21の粒界に含浸させる。すなわち、ガス化した銅は、エッチング表面112に形成された炭化タングステン粒子21間の微細な粒界に入り込み、エッチング表面112において液化した銅は、毛管現象によってさらに炭化タングステン粒子21の微細な粒界に含浸していく。そして、この銅が固化することにより、超硬合金2の表面、すなわち少なくともスリット11の内側表面111に、図1に示すごとく、炭化タングステン粒子21が銅23によって結合された改質表層113を形成することができる。
また、図8に示すごとく、電子ビーム301の照射源33と超硬合金2との間に、緩衝板319を配置するため、電子ビーム301が超硬合金2に直接照射されることを防ぎ、超硬合金2への衝撃を緩和させることができる。これにより、超硬合金2に損傷を与えるおそれを防ぐことができる。
本例は、図12〜図14に示すごとく、本発明の効果を確認すべく、超硬合金2の摩擦・摩耗試験を行った例である。
まず、実施例1と同様の方法にて、超硬合金2の表面に改質表層113を形成した。このとき、超硬合金2は、実施例1に示すような金型1ではなく、図12に示すごとく、平坦な表面411を有する板状の試験体41とし、その表面411に改質表層113(図1)を形成した。この試料を試料1とする。
一方、比較のために、同材料からなる超硬合金の板状体(試験体41)を作製し、改質表層を形成しない、試料2を用意した。
上記の摩耗・摩擦試験器による試験方法を、図12に示すイメージ図を用いて説明する。同図に示すごとく、試験体41の表面411に、直径10mmの炭化珪素からなるインデンタ球42を、荷重100g(0.98N)にて押しつけながら(矢印F)、6mmの距離だけ直線的に摺動させる(矢印M)。このとき、インデンタ球42は回転することなく、常にその球面の同じ位置において試験体41に当接している。この摺動を1000往復行い、摩擦係数を測定した。
この結果から、試料1の摩耗強度が試料2の摩耗強度に対して充分に大きいことが分かり、本発明によれば、摩耗強度に優れた金型を得ることができることが分かる。
11 スリット
111 内側表面
112 エッチング表面
113 改質表層
12 供給穴
2 超硬合金
21 炭化タングステン粒子
22 結合相
23 銅
Claims (4)
- 炭化タングステン粒子を結合相によって結合してなる超硬合金の表面を酸によってエッチングして上記結合相の一部を除去したエッチング表面を形成するエッチング工程と、
その後、チャンバー内に上記超硬合金と共に配置した銅ターゲットに電子ビームを照射することによって銅をガス化し、ガス化した銅を上記エッチング表面において液化させて上記炭化タングステン粒子の粒界に含浸させる銅含浸工程とを行うことにより、
上記超硬合金の表面に、上記炭化タングステン粒子が銅によって結合された改質表層を形成することを特徴とする耐摩耗金属体の製造方法。 - 請求項1において、上記電子ビームの照射源と上記超硬合金との間に、上記超硬合金へ照射される上記電子ビームのエネルギーを緩和させるための緩衝板を配置することを特徴とする耐摩耗金属体の製造方法。
- 請求項1又は2において、上記エッチング工程の後であって上記銅含浸工程の前に、上記エッチング表面をアルカリ液によって処理することにより、上記炭化タングステン粒子に付着した酸化物を除去することを特徴とする耐摩耗金属体の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記エッチング工程における上記結合相の除去深さは、上記炭化タングステン粒子の平均粒径以上であることを特徴とする耐摩耗金属体の製造方法。
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