JP2010090435A - トレー - Google Patents

Abstract

【課題】超硬合金からなる部材の焼結に用いられるトレーの耐久性を向上させる。
【解決手段】超硬部材２の焼結に用いられるトレー１。本体１１は、カーボンからなる板状部材である。中間層１２は、超硬部材２が載置される本体１１の面上に設けられ、かつ、Ｍｏ又はＷにより構成されている。カバー層１３は、中間層１２上に設けられ、かつ、ＷＣを含有しているＹ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃により構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トレーに関し、より特定的には、超硬合金からなる部材の焼結に用いられるトレーに関する。

超硬合金からなる部材（以下、超硬部材と称す）の焼成や熱処理は、一般的に１３００℃〜１５００℃の真空又は不活性雰囲気下において行われる。そのため、超硬部材が載置されるトレーは、耐熱性に優れたカーボンからなるトレーが用いられることが多い。

ところで、超硬合金は、Ｃｏをバインダーとして含有している。このＣｏは、焼結時にトレーのＣと融着反応を起こし易いので、トレーの表面にはセラミックスの敷き粉やペーストが塗布される。これにより、超硬部材とトレーとの融着を防止している。

しかしながら、敷き粉やペーストの塗布膜は、トレーの表面に塗布されているに過ぎないため、焼結後に、超硬部材に付着して、トレーから剥離してしまう。そのため、焼結の度に、敷き粉やペーストを塗布する必要があった。更に、超硬部材に付着したセラミックスの敷き粉やペーストが、該超硬部材内に入り込んでしまい、超硬部材に不良が発生してしまうおそれもある。

そこで、特許文献１では、Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａからなる中間層をグラファイトトレーの表面上に形成し、かつ、Ｙ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃からなるカバー層を該中間層上に形成した焼結トレーが提案されている。Ｙ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃からなるカバー層は、超硬部材とグラファイトトレーとが反応することを防止するバリアー層として機能する。また、Ｍｏ等からなる中間層は、カバー層及びグラファイトトレーの両方に強く密着し、カバー層の剥離を抑制する。

しかしながら、本願発明者の実験によれば、特許文献１に記載の焼結トレーにおいても、繰り返しの使用により、カバー層に剥がれが生じることが判明した。
特表２０００−５０９１０２号公報

そこで、本発明の目的は、超硬合金からなる部材の焼結に用いられるトレーの耐久性を向上させることである。

本発明の一形態に係るトレーは、超硬合金からなる部材の焼結に用いられるトレーにおいて、カーボンからなる本体と、前記部材が載置される前記本体の面上に設けられ、かつ、Ｍｏ又はＷにより構成されている第１の層と、前記第１の層上に設けられ、かつ、Ｗを含有しているＹ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃により構成されている第２の層と、を備えていること、を特徴とする。

前記トレーにおいて、前記第２の層は、ＷＣを含有しているＹ₂Ｏ₃により構成されていてもよい。

前記トレーにおいて、前記第２の層は、ＷＣを５重量％以上２０重量％以下の割合で含有していてもよい。

前記トレーにおいて、前記第２の層は、ＷＣを含有しているＡｌ₂Ｏ₃により構成されていてもよい。

前記トレーにおいて、前記第２の層は、ＷＣを２０重量％の割合で含有していてもよい。

前記トレーにおいて、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、かつ、Ａｌ₂Ｏ₃又はＹ₂Ｏ₃により構成されている第３の層を、更に備えていてもよい。

以下に本発明の一実施形態に係るトレーについて説明する。

（トレーの構造）
トレーの構造について図面を参照しながら説明する。該トレーは、主成分としてのＷＣ（炭化タングステン）とバインダーとしてのＣｏ（コバルト）とを調合・混合し、成形した状態で焼結して得られる超硬合金からなる部材の焼結において用いられる。超硬合金からなる部材（以下、超硬部材と称す）とは、例えば、超硬チップ、ドリル、刃物等である。図１は、本発明の一実施形態に係るトレー１の外観斜視図及び断面構造図である。

トレー１は、本体１１、中間層１２及びカバー層１３により構成されている。また、トレー１には、超硬部材２が載置されている。本体１１は、Ｃ（カーボン）からなる板状の部材である。中間層１２は、超硬部材２が載置される本体１１の主面上に設けられ、かつ、Ｍｏ又はＷにより構成されている。中間層１２は、本体１１及びカバー層１３に対して高い密着性を有しており、カバー層１３が剥離することを抑制する。カバー層１３は、中間層１２上に設けられ、かつ、Ｗを含有しているＹ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃により構成されている。超硬部材２の焼結時には、カバー層１３は、超硬部材２に対して接触することにより、超硬部材２がＣからなる本体１１と融着することを抑制する。

（実施例）
以上のように構成されたトレー１の実施例を表１に示す。表１は、第１実施例から第８実施例に係るトレー１の中間層１２及びカバー層１３の材料及び厚みを示した表である。

（効果）
以上のように構成されたトレー１は、以下に説明するように、特許文献１に記載の焼結トレーに比べて高い耐久性を有する。以下では、第１実施例に係るトレー１を例にとって説明する。

超硬合金は、Ｃｏをバインダーとして含有している。このＣｏは、焼結時にトレーのＣと融着反応を起こし易い。そこで、特許文献１に記載の焼結トレーでは、超硬部材とグラファイトトレーとが直接に接触しないように、Ｙ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃からなるカバー層が設けられている。更に、カバー層がグラファイトトレーから剥離することを防止するために、カバー層及びグラファイトトレーの両方に高い密着性を有するＭｏ等からなる中間層が設けられている。

しかしながら、本願発明者が行った実験（詳細は後述する）によれば、特許文献１に記載の焼結トレーにおいても、繰り返しの使用により、カバー層に剥がれが生じることが判明した。理由は、以下の通りである。

図２は、Ｃの濃度とＣｏ融点の関係を示したグラフである。縦軸は、Ｃｏの融点を示し、横軸は、Ｃの濃度（モル濃度）を示している。図２によれば、Ｃの濃度が高くなるにしたがって、Ｃｏの融点は下っていくことが分かる。ここで、特許文献１に記載の焼結トレーでは、焼結の際に、超硬部材内においてＷから遊離したＣ（以下、遊離カーボンと称す）が発生する。このような遊離カーボンは、超硬部材内におけるＣｏの融点を低下させる。これにより、該焼結トレーでは、焼結時に融着したＣｏが固まる際に、該Ｃｏがカバー層に固着してしまう。その結果、焼結トレーから超硬部材が取り出される際に、カバー層の一部が、超硬部材に付着して、焼結トレーから剥離してしまう。

そこで、トレー１では、カバー層１３を構成するＹ₂Ｏ₃は、ＷＣを含有している。カバー層１３がＷＣを含有していると、超硬部材２内の遊離カーボンは、Ｃｏ原子よりもＷＣを構成しているＷ原子と優先的に結合反応を起こす。これにより、超硬部材２とカバー層１３との界面近傍におけるＣの濃度が低くなり、超硬部材２内のＣｏの融点の低下が抑制される。その結果、焼結時に、超硬部材２内のＣｏが融解することが抑制されるようになり、超硬部材２とカバー層１３とが固着することが抑制される。したがって、カバー層１３に剥がれが生じることが抑制され、トレー１の耐久性が向上する。

ところで、トレー１の耐久性を向上させるのに寄与しているのは、カバー層１３内のＷ原子である。したがって、カバー層１３は、少なくとも、Ｗを含有していればよい。よって、表１の第２実施例及び第４実施例に係るトレー１では、カバー層１３は、Ｗを含有するＹ₂Ｏ₃により構成されている。

また、中間層１２は、Ｍｏにより構成されているが、例えば、Ｗにより構成されていてもよい。したがって、表１の第３実施例、第４実施例、第７実施例及び第８実施例に係るトレー１では、中間層１２は、Ｗにより構成されている。

更に、Ｙ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃とは、近い耐久性を有している。したがって、カバー層１３のＹ₂Ｏ₃の代わりにＡｌ₂Ｏ₃が用いられてもよい。よって、表１の第５の実施例ないし第８の実施例に係るトレー１では、カバー層１３は、Ｗ又はＷＣを含有するＡｌ₂Ｏ₃により構成されている。

（効果）
本願発明者は、トレー１が特許文献１に記載の焼結トレーよりも高い耐久性を有すること、及び、カバー層１３に含有されているＷＣ及びＷの割合の適正値を調べるために以下に説明する実験を行った。具体的には、カーボンからなる５０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの本体を準備し、以下の表２に示す条件の中間層及びカバー層を形成して、第１実験例ないし第７実験例に係るトレーを作製した。表２において、第１実験例、第２実験例及び第５実験例に係るトレーは、トレー１に相当する。また、第３実験実施例、第４実験例、第６実験実施例及び第７実験例に係るトレーは、比較例に係るトレーである。特に、第６実験例に係るトレーは、特許文献１に記載の焼結トレーに相当する。次に、Ｃｏを３０重量％の割合で含有している超硬部材（直径３０ｍｍ×高さ５０ｍｍ）を第１実験例ないし第７実験例に係るトレー上に載置し、低真空中において１３６５℃の温度で１時間の焼結を行い、その後、超硬部材を室温まで冷却した。そして、この焼結と冷却のサイクルを繰り返し行い、何回目のサイクルにてカバー層に損傷が発生したかを調べた。

表３に実験結果を示す。

表３によれば、第１実験例及び第２実験例に係るトレーではそれぞれ、３回目及び６回目のサイクルが終わったときにカバー層に損傷が発生したのに対して、第３実験例及び第４実験例に係るトレーでは、１回目のサイクルが終わったときにカバー層に損傷が発生した。ＷＣの割合が２０重量％より大きくなると、トレーの耐久性が低下することが分かる。理由は、以下の通りである。、ＷＣを溶射すると、ＷＣ以外にＣが不足しているＷ₂Ｃが生成され、そのＷ₂ＣがＣｏの融点上昇に寄与する。しかしながら、ＷＣの割合が高くなると、カバー層に生成されるＷＣも多くなり、Ｗ₂Ｃと遊離カーボンとの反応以上にＷＣとＣｏとの反応が進んで、カバー層と超硬部材とが融着してしまうからである。以上より、ＷＣは、カバー層１３において、５重量％以上２０重量％以下の割合でＹ₂Ｏ₃に含有されていることが好ましいことが分かる。

また、トレー１に相当する第１実験例及び第２実験例に係るトレーではそれぞれ、３回目及び６回目のサイクルが終わったときにカバー層に損傷が発生したのに対して、特許文献１に記載の焼結トレーに相当する第６実験例に係るトレーでは、２回目のサイクルが終わったときにカバー層に損傷が発生した。したがって、トレー１は、特許文献１に記載の焼結トレーに比べて高い耐久性を有していることが分かる。

なお、第５実験例に係るトレーでは、２回目のサイクルが終わったときにカバー層に損傷が発生したのに対して、第７実験例に係るトレーでは、１回目のサイクルが終わったときにカバー層に損傷が発生した。故に、Ａｌ₂Ｏ₃からなるカバー層にＷＣを加えることによっても、トレーの耐久性が向上することが分かる。更に、第５実験例において発生した溶着は、続けて使用するのに問題のない程度の損傷であった。したがって、カバー層１３の材料として、ＷＣを含有するＹ₂Ｏ₃の代わりに、ＷＣを含有するＡｌ₂Ｏ₃が用いられてもよいことが分かる。

（製造方法）
以下にトレー１の製造方法について図１を参照しながら説明する。ここでは、表１の第１実施例に係るトレー１の製造方法について説明する。

まず、Ｃからなる板状の本体１１を準備する。次に、溶射法により中間層１２を本体１１の表面上に形成する。

最後に、所定の割合のＷＣを含有しているＹ₂Ｏ₃を中間層１２上に溶射することによりカバー層１３を形成する。溶射は、例えば、プラズマ溶射が好ましい。以上の工程により、トレー１が完成する。

（変形例）
以上、本発明に係るトレー１は、前記実施形態に示したものに限らない。したがって、その要旨の範囲内において、変更してもよい。以下に、変形例に係るトレー１'について図面を参照しながら説明する。図３は、変形例に係るトレー１の断面構造図である。

図３に示すように、中間層１２とカバー層１３との間に設けられ、かつ、Ａｌ₂Ｏ₃又はＹ₂Ｏ₃により構成されている中間層１４を更に設けてもよい。該中間層１４は、例えば、１０μｍ以上１２０μｍ以下の厚みを有している。この際、カバー層１３は、１０μｍ以上１８０μｍ以下の厚みを有している。

また、トレー１では、カバー層１３にＷ又はＷＣが含まれているが、Ｗ又はＷＣの代わりにＴｉ、ＴｉＣ、Ｓｉ又はＳｉＣがカバー層１３に含まれていてもよい。

本発明の一実施形態に係るトレー１の外観斜視図及び断面構造図である。 Ｃの濃度とＣｏ融点の関係を示したグラフである。 変形例に係るトレー１の断面構造図である。

符号の説明

１，１' トレー
２ 超硬部材
１１ 本体
１２，１４ 中間層
１３ カバー層

Claims (6)

1. 超硬合金からなる部材の焼結に用いられるトレーにおいて、
   カーボンからなる本体と、
   前記部材が載置される前記本体の面上に設けられ、かつ、Ｍｏ又はＷにより構成されている第１の層と、
   前記第１の層上に設けられ、かつ、Ｗを含有しているＹ₂Ｏ₃又はＡｌ₂Ｏ₃により構成されている第２の層と、
   を備えていること、
   を特徴とするトレー。
2. 前記第２の層は、ＷＣを含有しているＹ₂Ｏ₃により構成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のトレー。
3. 前記第２の層は、ＷＣを５重量％以上２０重量％以下の割合で含有していること、
   を特徴とする請求項２に記載のトレー。
4. 前記第２の層は、ＷＣを含有しているＡｌ₂Ｏ₃により構成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のトレー。
5. 前記第２の層は、ＷＣを２０重量％の割合で含有していること、
   を特徴とする請求項４に記載のトレー。
6. 前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、かつ、Ａｌ₂Ｏ₃又はＹ₂Ｏ₃により構成されている第３の層を、
   更に備えていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のトレー。

Images