JP2011051322A - 接合体及びハニカム構造体成形用口金 - Google Patents

接合体及びハニカム構造体成形用口金 Download PDF

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Abstract

【課題】第2の金属部材の接合界面付近の強度低下を防止した接合体を提供する。
【解決手段】炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材2と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.03質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼から構成された第2の金属部材3とが接合されてなる接合体1。好ましくは、炭素当量2.5〜3.5のマルテンサイト系ステンレス鋼が、SUS431、SUS420J1、SUS420J2、SUS410、SUS410J1、S−STAR、PROVA−400、HPM38、STAVAX ESR及びSUS403からなる群から選択される少なくとも一種である接合体1。
【選択図】図1

Description

本発明は、接合体及びハニカム構造体成形用口金に関し、更に詳しくは、接合界面付近の強度低下を防止した接合体及びハニカム構造体成形用口金に関する。
従来、炭化タングステン基超硬合金とステンレス鋼との接合体が、セラミックハニカム構造体を成形するための口金(ハニカム構造体成形用口金)、精密金型、ダイス、プラグ等に用いられている。
例えば、ハニカム構造体成形用口金としては、成形原料を導入するための裏孔が形成された、ステンレス鋼からなる板状部材と、上記裏孔に連通し、成形原料を格子状に成形するためのスリットが形成された炭化タングステン基超硬合金からなる板状部材とを接合した接合体(口金基体)を備えたものが使用されている(例えば、特許文献1,2参照)。
ハニカム構造体成形用口金は、通常、口金基体の一方の面に、ハニカム構造体の隔壁厚さに対応する幅のスリットが格子状等に設けられており、その反対側の面(他方の面)に、スリットと連通する開口面積の大きな裏孔が設けられている。そして、この裏孔は、通常、スリットが交差する位置(例えば、格子状に形成されたスリットの交差位置)に対応して設けられ、両者は、口金基体内部で連通している。従って、裏孔から導入されたセラミック原料等の成形原料は、比較的内径の大きな裏孔から、幅の狭いスリットへと移行して、このスリットの開口部からハニカム構造の成形体として押出される。このように、スリット部分は、幅が狭くなっているため、セラミック原料が通過するときに高い圧力がかかり、摩耗しやすい構造である。これに対し、耐摩耗性の高い炭化タングステン基超硬合金からなる部材にスリットを形成したハニカム構造体成形用口金は、炭化タングステン基超硬合金を用いることにより、耐摩耗性を向上させている。
特開2006−051682号公報 特開2007−181976号公報
しかし、このような炭化タングステン基超硬合金とステンレス鋼との接合体であり、炭化タングステン基超硬合金に格子状のスリットを形成したハニカム構造体成形用口金は、使用中に、格子状のスリットにより区画されたセルブロックが倒れる(傾く)という問題があった。ハニカム構造体成形用口金のセルブロックが倒れると、ハニカム構造体を成形するときに、セルに欠陥が生じ、高品質のハニカム構造体を得ることができなかった。
従来、ハニカム構造体成形用口金において、炭化タングステン基超硬合金に接合されるステンレス鋼は、SUS630等の析出硬化系ステンレス鋼であった。炭化タングステン基超硬合金に接合されたこれらのステンレス鋼は、炭化タングステン基超硬合金に含有される炭素の溶出・拡散により、炭化タングステン基超硬合金との界面付近がマルテンサイト系の組織からオーステナイト系の組織に変化し、強度が低下していた。これにより、ハニカム構造体成形用口金のセルブロックが倒れるという問題が生じたものと考えられる。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、接合界面付近の強度低下を防止した接合体及びハニカム構造体成形用口金を提供することを特徴とする。
上記課題を達成するため、本発明によって以下の接合体及びハニカム構造体成形用口金が提供される。
[1] 炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼から構成された第2の金属部材とが接合されてなる接合体。
[2] 前記炭素当量2.5〜3.5のマルテンサイト系ステンレス鋼が、SUS431、SUS420J1、SUS420J2、SUS410、SUS410J1、S−STAR、PROVA−400、HPM38、STAVAX ESR及びSUS403からなる群から選択される少なくとも一種である[1]に記載の接合体。
[3] 前記第2の金属部材が、成形原料を導入するための裏孔が形成された第2の板状部材であり、前記第1の金属部材が、前記裏孔に連通し、成形原料を格子状に成形するためのスリットが形成された第1の板状部材である[1]又は[2]に記載の接合体を備えたハニカム構造体成形用口金。
[4] 炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下の工具鋼から構成された第2の金属部材とが接合されてなる接合体(「第2の発明」ということがある。)。
[5] 前記工具鋼が、HPM31である[4]に記載の接合体。
本発明の接合体によれば、炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼から構成された第2の金属部材とが接合されてなるものであるため、接合界面付近の強度低下を効果的に防止することができるとともに、接合強度の低下を防止することができる。
本発明のハニカム構造体成形用口金によれば、第2の金属部材が、成形原料を導入するための裏孔が形成された第2の板状部材であり、第1の金属部材が、裏孔に連通し、成形原料を格子状に成形するためのスリットが形成された第1の板状部材である上記本発明の接合体を備えたものであるため、第1の板状部材と第2の板状部材との接合界面付近の強度が低下せず、格子状のスリットにより区画されたセルブロックが倒れるのを効果的に防止することができる。
本発明のハニカム構造体成形用口金の一の実施の形態を模式的に示す斜視図である。 図1に示す口金の、第1の板状部材側の表面を示す拡大平面図である。 図1に示す口金の、第2の板状部材側の表面を示す拡大平面図である。 図2に示す口金のA−A’断面を模式的に示す概略断面図である。 図2に示す口金のB−B’断面を模式的に示す概略断面図である。
以下、本発明を実施するための形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
(1)接合体:
本発明の接合体の一の実施形態は、炭化タングステン基超硬合金(以下、「超硬合金」ということがある。)から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼(以下、「特定ステンレス鋼」ということがある。)から構成された第2の金属部材とが接合されてなるものである。
このように本実施形態の接合体は、炭化タングステン基超硬合金(超硬合金)と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼(特定ステンレス鋼)とが接合されているため、特定ステンレス鋼の超硬合金との接合界面付近の強度が低下せず、接合体を使用したときの外力による変形(例えば、ハニカム構造体成形用口金を使用したときの、セルブロックの倒れ)や磨耗等を防止することができ、接合強度の低下を防止することができる。特定ステンレス鋼の超硬合金との接合界面付近の強度が低下しないのは、超硬合金に含有される炭素が特定ステンレス鋼に溶出しても、特定ステンレス鋼の、超硬合金との接合界面付近の硬度が低下しないためである。ステンレス鋼に含有される炭素当量が大きいと、オーステナイト系の組織になり、マルテンサイト系のステンレス鋼より硬度が低くなるが、本実施形態の接合体は、特定ステンレス鋼の炭素当量が所定の値であるため、超硬合金に含有される炭素が特定ステンレス鋼に溶出しても、特定ステンレス鋼の接合界面付近がオーステナイト系の組織にはならず、特定ステンレス鋼の強度が低下しないのである。また、特定ステンレス鋼の硫黄含有量(含有率)が0.03質量%以下であることにより、超硬合金と特定ステンレス鋼との間の接合強度の低下を防止することができる。ここで、本実施形態において、「接合界面付近の強度低下を防止する」というときは、「特定ステンレス鋼(第2の金属部材)における、接合界面付近の強度低下を防止する」ことを意味する。これは、第2の金属部材において、接合界面付近と、その他の部分とを比較したときに、接合界面付近の強度がその他の部分と同じ、又は高くなった状態を意味する。また、「接合界面付近」というときは、「特定ステンレス鋼(第2の金属部材)における、特定ステンレス鋼と超硬合金との接合界面(第1の金属部材と第2の金属部材との接合界面)から、1.0mmまでの範囲」を意味する。また、「強度」とは、降伏強度をいい、簡易的にはビッカース硬度Hvを測定することによって代用できるものである(降伏強度=ビッカース硬度Hv×3)。
本実施形態の接合体において、第1の金属部材を構成する炭化タングステン基超硬合金は、少なくとも炭化タングステンを含む合金であり、炭化タングステンを、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、及びクロム(Cr)からなる群より選択される少なくとも一つの金属で焼結した合金であることが好ましい。炭化タングステンの含有率は、50〜99質量%であることが好ましい。このような炭化タングステン基超硬合金の中でも、コバルト(Co)を結合材として使用した炭化タングステン基超硬合金が好ましく、具体的には、コバルトの含有率が0.1〜50質量%の炭化タングステン基超硬合金(WC−Co)が好ましい。このような炭化タングステン基超硬合金は、耐摩耗性や機械的強度に特に優れている。
また、本実施形態の接合体において、炭素当量は、JIS5103において規定されている、合金中の炭素当量(Ceq)であり、算出式は、「Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14」で示される(上記式において、C,Si等の各成分は、合金中の各成分の質量%である)。第2の金属部材を構成する特定ステンレス鋼の炭素当量は、2.5〜3.5が好ましく、2.6〜3.3がより好ましい。第2の金属部材を構成する特定ステンレス鋼の炭素当量を、このような範囲にすることにより、第1の金属部材と第2の金属部材との接合界面付近の強度低下を効果的に防止することができる。炭素当量を3.5より大きくすると、超硬合金に含有される炭素が特定ステンレス鋼に溶出することにより、特定ステンレス鋼の接合界面付近で残留オーステナイトの組織が増加し、強度が低下するため好ましくない。炭素当量が2.5より低いと、鋼材中のマルテンサイト量が減少してしまうため、強度が低くなり好ましくない。
第2の金属部材を構成する特定ステンレス鋼の硫黄含有量は、0.030質量%以下であり、0.019質量%以下が好ましく、0.015質量%以下が更に好ましい。硫黄含有量が、0.030質量%を超えると、超硬合金と特定ステンレス鋼との間の接合強度が低下し、接合はがれが生じやすくなる。また、第2の金属部材を構成する特定ステンレス鋼の炭素含有量は、0.10〜0.95質量%が好ましく、0.13〜0.75質量%が更に好ましく、0.17〜0.40質量%が特に好ましい。炭素含有量が、0.10質量%より少ないと、超硬合金から特定ステンレス鋼への炭素の溶出が起き易くなることがあり、その場合、超硬合金が脆化するため、超硬合金と特定ステンレス鋼との間の接合強度が低下し、接合信頼性を低減させることがある。炭素含有量が0.95質量%を超えると、特定ステンレス鋼におけるじん性が低下し、使用時に割れが生じやすくなることがある。
第2の金属部材を構成する特定ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼である。本実施形態の接合体において、「マルテンサイト系ステンレス鋼」というときは、11%以上のクロムを含有し、焼入れ処理によりマルテンサイト相を形成するステンレス鋼を意味する。マルテンサイト系ステンレス鋼以外のステンレス鋼としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼等を挙げることができ、これらのステンレス鋼は、本実施形態の接合体を構成する特定ステンレス鋼には含まれない。ここで、「オーステナイト系ステンレス鋼」というときは、高含有の添加材を使い安定したオーステナイト相を形成するステンレス鋼を意味する。また、「析出硬化系ステンレス鋼」というときは、析出硬化熱処理により、マルテンサイト地に微細な金属間化合物を生じさせることで、高い硬度が得られるステンレス鋼を意味する。オーステナイト系ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼と比較して、炭素当量が高く、硬度及び強度が低いものである。また、析出硬化系ステンレス鋼は、炭素当量についてはマルテンサイト系ステンレス鋼と同じ程度の場合もあるが、もともとのマルテンサイト量が少ないために、炭素が溶出してきた場合(炭素含有率が増大した場合)にその影響を受けやすく硬度が大きく低下するものである。
第2の金属部材を構成する特定ステンレス鋼は、SUS431、SUS420J1、SUS420J2、SUS410、SUS410J1、S−STAR、PROVA−400、HPM38、STAVAX ESR及びSUS403からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。これらの中でも、SUS431、SUS420J2又はSUS420J1が更に好ましい。例えば、SUS420J2の組成は、「C;0.26〜0.4、Si;1.00以下、Mn1.00以下、P;0.040以下、S;0.030以下、Ni;0.6以下、Cr;12〜14、Fe;残部」であり、SUS420J1の組成は、「C;0.16〜0.25、Si;1.0以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.030以下、Ni;0.6以下、Cr;12〜14、Fe;残部」である。SUS431及びSUS420J2は、炭素が超硬合金から溶出してきても、接合温度からの冷却により安定したマルテンサイト組織を得ることができ、高い硬度を維持することができる。また、SUS420J1、SUS410、SUS410J1及びSUS403は、炭素が超硬合金から溶出してくると、炭素量の増加によりマルテンサイト系の組織を増加する方向に組織の変化が生じるため、接合界面付近の強度がより大きくなる。また、「S−STAR」は、大同特殊鋼社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名であり、SUS420J2を改良したものである。「S−STAR」の組成は、「C;0.38、Si;0.9、Cr;13.5、Mo;0.1、V;0.3」(カタログの値)である。また、「PROVA−400」は、不二越社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名であり、SUS420J2を改良したものである。「PROVA−400」の組成は、「C;0.4、Si;0.9、Mn;0.4、Cr;13.5、Mo;微量、V;微量」(カタログの値)である。また、「HPM38」は、日立金属社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名であり、SUS420J2を改良したものである。尚、「HPM」は日立金属社の登録商標である。また、「STAVAX ESR」は、ウッデホルム社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名であり、SUS420J2を改良したものである。「STAVAX ESR」の組成は、「C;0.38、Si;0.9、Mn;0.5、Cr;13.6、V;0.3」(カタログの値)である。
本実施形態の接合体は、特定ステンレス鋼の接合界面付近の組成が、超硬合金からの炭素の溶出により変化していることがあるが、本実施形態の接合体の特徴の一つである特定ステンレス鋼の炭素当量は、炭素の溶出の影響を受けていない部分の値である。
本実施形態の接合体は、第2の金属部材の接合界面付近の硬度が、Hv350〜Hv600であることが好ましく、Hv400〜Hv550であることが更に好ましい。Hv350より低いと、第2の金属部材の接合界面付近の強度が低下することがあり、Hv600より高いと、接合界面において冷却割れ(剥れ)を起こすことがある。尚、硬度は、マイクロビッカース硬度計により測定した値である。尚、通常、ステンレス鋼は、硬度が高いほど強度が高くなるものであり、実施形態の接合体においても、第1の金属部材及び第2の金属部材に用いられるステンレス鋼は、硬度が高いほど強度が高くなるという関係にある。
本実施形態の接合体は、セラミックハニカム構造体成形用の口金、精密金型、ダイス、プラグ等として使用される。
本発明の接合体(第2の発明)は、炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下の工具鋼から構成された第2の金属部材とが接合されてなる接合体である。第2の発明の接合体は、上記本発明の接合体において、マルテンサイト系ステンレス鋼を工具鋼にしたものである。このような構成にすることによっても、接合体の、接合界面付近の強度低下を効果的に防止することができるとともに、接合強度の低下を防止することができる。
工具鋼としては、HPM31が好ましい。「HPM31」は、日立金属社製の工具鋼(SKD系)の商品名である。
(2)ハニカム構造体成形用口金:
次に、上記本発明の接合体を備えた、本発明のセラミックハニカム構造体成形用の口金(ハニカム構造体成形用口金)の一の実施形態について説明する。図1は、本発明のハニカム構造体成形用口金の一の実施の形態を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1に示す口金の、第1の板状部材側の表面を示す拡大平面図であり、図3は、図1に示す口金の、第2の板状部材側の表面を示す拡大平面図である。また、図4は、図2に示す口金のA−A’断面を模式的に示す概略断面図であり、図5は、図2に示す口金のB−B’断面を模式的に示す概略断面図である。
図1〜図5に示すように、本実施形態のハニカム構造体成形用口金11は、第2の金属部材3が、成形原料を導入するための裏孔15が形成された第2の板状部材13であり、第1の金属部材2が、裏孔に連通し、成形原料を格子状に成形するためのスリット14が形成された第1の板状部材12である、接合体1を備えたものである。接合体1は、上記本発明の接合体である。つまり、本実施形態のハニカム構造体成形用口金11は、スリット14が形成された第1の板状部材12が炭化タングステン基超硬合金から形成され、裏孔15が形成された第2の板状部材13が炭素当量2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼から形成されたものである。本実施形態のハニカム構造体成形用口金11を用いて押出成形されるセラミックハニカム構造体は、流体の流通方向に延びる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備えたセラミックハニカム構造体である。
第2の板状部材13には、第1の板状部材12との接合界面24側に、スリット14の形状に対応した(スリット14に連通した)スリット状の溝部22が形成されている。そして、この第2の板状部材13は、溝部22及び裏孔15の一部によって区画形成された複数の柱状部23を有している。なお、この溝部22は、裏孔15がその交差点に位置するように形成されている。
本実施形態のハニカム構造体成形用口金11は、上記のように、第2の板状部材13の、第1の板状部材12との接合界面24側に、柱状部23が形成されているため、柱状部23を介して第1の板状部材12と第2の板状部材13とが接合される構造になっている。つまり、本実施形態のハニカム構造体成形用口金11は、第1の板状部材12と、第2の板状部材13の柱状部23とが接合された構造であり、図4、図5に示すように、柱状部23によってセルブロック21を支える構造である。ここで、セルブロック21は、スリット14が形成された第1の板状部材12において、スリット14によって区画形成された柱状の部分である。図4、図5に示すように、柱状部23は、溝部22と裏孔15とによって区画されているため、セルブロック21の大きさに比べて、細く小さい構造である。従って、ハニカム構造体成形用口金11は、セラミック原料を押出成形する場合に、セルブロック21に負荷がかかったときには、柱状部23に応力が集中し易い構造となっている。そのため、柱状部23は、変形等しないようにするために、強度の高い材質から形成されていることが必要である。また、第2の板状部材13の柱状部23は、第1の板状部材12との接合界面24を構成しているため、第2の板状部材13の、第1の板状部材12との「接合界面24付近」は、柱状部23の少なくとも一部を含む領域になる。
本実施形態のハニカム構造体成形用口金11は、上記のように、第1の板状部材12が炭化タングステン基超硬合金から形成され、第2の板状部材13が炭素当量2.5〜3.5、硫黄含有量0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼から形成されたものであるため、第2の板状部材13の接合界面付近に位置する柱状部23の強度が低下することなく、セルブロック21に負荷がかかった状態でも、柱状部23の変形が抑制される。これにより、本実施形態のハニカム構造体成形用口金11は、使用によりセルブロック21が倒れることを、防止することができる。
本実施形態のハニカム構造体成形用口金11において、溝部22の深さ(柱状部23の高さ)Lは、0.1〜3.0mmが好ましく、0.3〜1.5mmがさらに好ましい。0.1mmより小さいと、高い成形性を実現できないことがあり、3.0mmより大きいと、セルブロック21が倒れ易くなることがある。
図1〜図5においては、円板状の接合体1の中央部の略四角形の領域にスリット14、裏孔15、及び溝部22が形成された場合の例を示しているが、スリット等の形成される領域については、上記に限定されることはなく、例えば、接合体1の中央部の円形の領域にスリット等が形成されたものであってもよい。
ハニカム構造体成形用口金11の裏孔15は、成形原料を導入するための貫通孔である。裏孔15の形状については、導入された成形原料をスリット14に導くことができるような形状であれば特に制限はない。図1〜図5に示すハニカム構造体成形用口金11においては、裏孔15は、スリット14の交点と重なる位置に形成されている。このように構成することによって、本実施の形態のハニカム構造体成形用口金11を用いて押出成形を行う際に、裏孔15に導入した成形原料をスリット14全体に均一に広げることができ、高い成形性を実現することができる。裏孔15の中心がスリット14の交点に重なることが更に好ましい。なお、図1〜図5に示すハニカム構造体成形用口金11においては、裏孔15が、スリット14(又は溝部22)の交点に対して一つ置きに形成されている。
裏孔15の開口径の大きさ等については、ハニカム構造体成形用口金11の大きさや、押出成形するハニカム構造体の形状等によって適宜決定することができる。例えば、裏孔15の開口径の大きさは、0.1〜10mmであることが好ましく、0.5〜3mmであることが更に好ましい。このような裏孔15は、例えば、電解加工(ECM加工)、放電加工(EDM加工)、レーザ加工、ドリル等の機械加工等による従来公知の方法によって形成することができる。
また、第2の板状部材13の接合界面24側に形成された溝部22は、裏孔15から導入した成形原料をスリット14に導くための緩衝部分(バッファ)としても機能するため、ハニカム構造体の押出成形を行う際に、裏孔15から導入した成形原料を支障なく滑らかに移動させることができ、高精度にハニカム構造体を成形することができる。
第1の板状部材12及び第2の板状部材13の厚みについては特に制限はなく、例えば、スリット14と裏孔15との一般的な形状を考慮して適宜決定することができる。例えば、一般的形状のハニカム構造体成形用口金11を製造する場合には、第1の板状部材12の厚みに対する、第2の板状部材13の厚みの比の値(第2の板状部材13の厚み/第1の板状部材12の厚み)が、0.1〜200であることが好ましく、1〜10であることが更に好ましい。
また、本実施の形態のハニカム構造体成形用口金11においては、第1の板状部材12と第2の板状部材13との間に接合材(ろう材)が配置され、第1の板状部材12と第2の板状部材13とが接合されたものであることが好ましい。
接合材としては、第1の板状部材12と第2の板状部材13との少なくとも一方の内部に良好に浸透する材料を用いたものであることが好ましい。具体的には、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、ニッケル(Ni)、及びアルミニウム(Al)からなる群より選択される少なくとも一つを含む金属又は合金からなる「ろう材」を好適に用いることができる。このろう材の厚さについては特に制限はないが、第1の板状部材12と第2の板状部材13の少なくとも一方に良好に浸透するように、0.1〜200μmであることが好ましく、1〜50μmであることがさらに好ましい。
また、このような接合材は、例えば、パラジウム(Pd)、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、コバルト(Co)、リン(P)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、ホウ素(B)等の添加剤を更に含んだものであってもよい。このような添加剤を更に含んだものは、接合温度を下げることができ、接合信頼性を向上させることができる。
(3)ハニカム構造体成形用口金の製造方法:
次に、本発明の接合体の製造方法を、ハニカム構造体成形用口金の製造方法を例にして説明する。本実施形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法は、図1〜図5に示す本発明のハニカム構造体成形用口金の一の実施形態(ハニカム構造体成形用口金11)を製造する方法である。
本実施の形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、まず、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼(特定ステンレス鋼)により形成された第2の板状部材の一方の表面(図4、図5における接合面24側)に、格子状の溝部を形成する(工程(1))。
溝部を形成する方法としては、例えば、c−BN砥石による研削加工やエンドミル加工、放電加工(EDM加工)等の従来公知の方法を好適に用いることができる。
また、本実施形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、第2の板状部材の一方の表面に溝部を形成する前、又は溝部を形成した後に、第2の板状部材の他方の表面から溝部へと連通する裏孔を形成してもよい。例えば、図3〜図5に示すハニカム構造体成形用口金11においては、柱状部23が、裏孔15と溝部22とによって区画されるため、この工程(1)において、上記溝部とともに裏孔を形成することが好ましい。
裏孔を形成する方法については特に制限はないが、例えば、電解加工(ECM加工)、放電加工(EDM加工)、レーザ加工、ドリル等の機械加工等による従来公知の方法を好適に用いることができる。
裏孔は、第2の板状部材の両面間を貫通するものであってもよいし(図5参照)、接合界面側が、接合界面まで到達せずに、溝部と連通するように形成されたものであってもよい。
なお、本実施の形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、上記工程(1)では裏孔を形成せずに、これ以降の工程、例えば、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合させた後の工程において、裏孔を形成することもできる。
次に、第2の板状部材の溝部7を形成した側の表面に、炭化タングステン基超硬合金(超硬合金)により形成された第1の板状部材を積層し、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合する(工程(2))。
また、本実施の形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、第1の板状部材と第2の板状部材とを積層する際に、第1の板状部材と第2の板状部材との間に接合材を配し、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合してもよい。このような接合材としては、本発明のハニカム構造体成形用口金の一の実施形態において説明した「ろう材」を好適に用いることができる。
第1の板状部材と第2の板状部材とを積層して接合する際には、第1の板状部材と第2板状部材とを、「ろう材」の融点以上である900〜1200℃に加熱して接合することが好ましく、1000〜1150℃に加熱して接合することが更に好ましい。また、本実施形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法において、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合する際には、第1の板状部材と第2の板状部材とを、接合面に対して垂直に、0.01〜10MPaの圧力で加圧しながら、接合することが好ましい。このように加熱することにより、第1の板状部材と第2板状部材とを良好に接合するとともに、第2の板状部材の強度低下を防止することができる。また、加熱時間は、1分〜1時間が好ましく、10〜45分が更に好ましい。1分より短いと、第1の板状部材と第2板状部材とを、強い接合強度で接合できないことがあり、1時間より長いと、超硬合金に含有される炭素が、第1の板状部材から第2の板状部材へと溶出し、接合界面付近の強度が低下しやすくなることがある。
本実施形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、接合させた第1の板状部材と第2の板状部材とを、0.1〜100℃/分の降温速度にて、少なくとも500℃まで、接合面に対して垂直に0.01〜10MPaの圧力で加圧しながら冷却することが好ましい。また、本実施形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、このようにして得られたハニカム構造体成形用口金に、接合面に生ずる引張応力及び圧縮応力が500MPa以下となるように、「オーステナイト変態を起こす温度以下の温度領域で、0.1〜100℃/分の速度で昇温又は冷却する」再熱処理を、1〜3回さらに行うことが好ましい。この再熱処理により、第2の板状部材が熱処理されることになるため、第2の板状部材の強度を向上させることができる。また、ハニカム構造体成形用口金を再熱処理する際には、第1の板状部材と第2の板状部材とを、接合面に対して垂直に0.01〜10MPaの圧力で加圧しながら、再熱処理することが好ましい。このようにして製造したハニカム構造体成形用口金は、精度や強度、耐摩耗性に優れている。
次に、第1の板状部材の、第2の板状部材との接合界面とは反対側の表面から、上記溝部22の形状(形成パターン)に対応し、溝部22と連通するスリットを形成してハニカム構造体成形用口金11を得る(図1〜5参照)(工程(3))。
第1の板状部材の表面にスリットを形成する方法については特に制限はないが、例えば、ダイヤモンド砥石による研削加工や放電加工(EDM加工)、レーザー加工等の従来公知の方法を好適に用いることができる。また、図1に示すハニカム構造体成形用口金11は、スリット14の形状(形成パターン)が四角形の格子状のものであるが、本実施形態のハニカム構造体成形用口金の製造方法においては、第1の板状部材に形成するスリット14の形状は四角形の格子状に限定されることはなく、その他の多角形の格子状であってもよい。
また、第1の板状部材に形成するスリットの幅については、成形するハニカム構造体の形状によって適宜決定することができる。なお、例えば、一般的なハニカム構造体を押出成形するためのハニカム構造体成形用口金を製造するためには、スリットの幅が5〜5000μmであることが好ましく、10〜500μmであることが更に好ましい。
以上のようにして、図1〜図5に示すような、成形原料を導入するための裏孔15と、成形原料を格子状に形成するためのスリット14とが形成されたハニカム構造体成形用口金11を製造することができる。
以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
(実施例1)
成形原料を導入するための裏孔と、成形原料を格子状に形成するためのスリットとが形成され、裏孔に導入した成形原料をスリットから押出してハニカム構造体を成形するハニカム構造体成形用口金を製造した。
実施例1においては、コバルトの含有率が16質量%の炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の板状部材と、SUS420J2(C;0.32、Si;1.00以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.008、Ni;0.6以下、Cr;12〜14、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材とを接合して、スリット等を形成することによりハニカム構造体成形用口金の製造を行った。SUS420J2の炭素当量は、およそ3.04であった。炭素当量は、ミルシートにより提出された化学成分表より計算した。硫黄含有量としては、ミルシートに記載の値を採用することができる。但し、ミルシートがない場合には、材料規格における上限値または炭素・硫黄分析装置(燃焼−赤外線吸収法)により得た値とする。
第1の板状部材は、その面の大きさが直径210mmの円盤形状で、厚みが2.5mmであり、第2の板状部材は、その面の大きさが直径215mmの円盤形状で、厚みが20mmであった。
まず、第2の板状部材に、深さが1.0mmの格子状の溝部と、開口径1.4mmの裏孔とを電解加工(ECM加工)によって形成した。なお、溝部の幅は0.3mmとし、溝部のピッチは1.37mmとした。
次に、第2の板状部材と第1の板状部材とを、その間に、第2の板状部材に良好に浸透する「ろう材」を配して積層した後に、1100℃で0.75時間加熱して、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合させ、接合面に対して垂直に2MPaの圧力で加圧しながら40℃以下まで冷却し、さらに250〜650℃で再熱処理を実施した。そして、第1の板状部材と第2の板状部材とを接合、再熱処理したものを、常温まで降温した後、第1の板状部材にスリットを形成してハニカム構造体成形用口金を得た。スリットは、ダイヤモンド砥石によって四角形の格子状に形成した。スリットの幅は0.1mm、スリットのピッチは1.37mmとした。
このようにして得られたハニカム構造体成形用口金について、第2の板状部材の、接合界面からの深さ0.1mm〜1.0mmの範囲の硬度を測定した。硬度は、アカシ社製のマイクロビッカース硬度計を用いて荷重300gf(2.98N)、保持時間15秒の方法で測定した。結果を表1に示す。
また、得られたハニカム構造体成形用口金について、以下の方法で、セルブロックの倒れ易さを測定する「セルブロックの倒れ試験」を行った。また、以下の方法で、第1の板状部材と同材質の板と、第2の板状部材と同材質の板とを、実施例1において第1の板状部材と第2の板状部材とを接合させた方法で、接合させて接合体を作製し、当該接合体について、「剥がれ試験」を行った。結果を表2に示す。
(セルブロックの倒れ試験)
セルブロックの頂点部(第1の板状部材の表面側の端部)に対して倒れる方向への荷重を加えることで、セルブロックの頂点部に約0.05mmの変位を与え、荷重除去後の残留変位を計測する。表2において、「倒れ」は、約0.0025mm以上の倒れを意味する。
(剥がれ試験)
第1の板状部材と同材質の板(70mm×70mm×15mm(厚さ))と、第2の板状部材と同材質の板(68mm×68mm×2.5mm(厚さ))とを、実施例1において第1の板状部材と第2の板状部材とを接合させた方法で、接合させて接合体を作製する。そして、当該接合体を、およそ350〜450℃まで昇温して熱膨張係数の違いによる熱応力をかける。そして、そのときの剥れの状態を超音波探傷映像装置により観察する。表1において、「無し」は全く剥れなかったことを意味する。「微小剥れ」は接合面積全体の10%未満(「無し」を除く)が剥がれたことを意味する。「小剥れ」は接合面積全体の10〜30%が剥がれたことを意味する。「大剥れ」は接合面積全体の50%を超える面積が剥がれたことを意味する。
Figure 2011051322
Figure 2011051322
(実施例2)
SUS403(C;0.13、Si;0.5以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.004、Ni;0.6以下、Cr;11.50〜13、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS403の炭素当量は、2.63であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。実施例1の場合と同様に、硬度の測定、「セルブロックの倒れ易さ」の測定、及び「剥れ試験」を行った。結果を表1,2に示す。
(実施例3)
SUS431(C;0.2以下、Si;1.0以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.015未満、Ni;1.25〜2.5、Cr;15.0〜17.0、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS431の炭素当量は、3.45であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。実施例1の場合と同様に、硬度の測定、「セルブロックの倒れ易さ」の測定、及び「剥れ試験」を行った。結果を表1,2に示す。
(実施例4)
SUS420J2(C;0.28、Si;1.0以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.020、Ni;0.6以下、Cr;12〜14、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS420J2の炭素当量は、2.91であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(実施例5)
SUS420J1(C;0.17、Si;1.0以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.012、Ni;0.6以下、Cr;12〜14、Fe;残部(単位は質量%)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS420J1の炭素当量は、2.65であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(実施例6)
S−STAR(大同特殊鋼社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。S−STARの炭素当量は、3.16であり、硫黄含有量は0.015質量%未満(<0.015)であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(実施例7)
PROVA−400(不二越社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。PROVA−400の炭素当量は、3.29であり、硫黄含有量は0.015質量%未満(<0.015)であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(実施例8)
HPM38(日立金属社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。HPM38の炭素当量は、3.23であり、硫黄含有量は0.015質量%未満(<0.015)であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(実施例9)
STAVAX ESR(ウッデホルム社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。STAVAX ESRの炭素当量は、3.24であり、硫黄含有量は0.015質量%未満(<0.015)であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(実施例10)
HPM31(日立金属社製の工具鋼(SKD系)の商品名)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。HPM31の炭素当量は、2.68であり、硫黄含有量は0.015質量%未満(<0.015)であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(比較例1)
SUS440C(C;0.95〜1.2、Si;1.0以下、Mn;1.00以下、P;0.04以下、S;0.001、Ni;0.6以下、Cr;16〜18、Mo;0.75以下、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS440Cの炭素当量は、4.68であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。実施例1の場合と同様に、硬度の測定、「セルブロックの倒れ易さ」の測定、及び「剥れ試験」を行った。結果を表1,2に示す。
(比較例2)
SUS630(C;0.07以下、Si;1.00以下、Mn;1.00以下、P;0.040以下、S;0.011、Ni;3.00〜5.00、Cr;15.00〜17.50、Cu;3.00〜5.00、Nb+Ta;0.15〜0.45,Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS630の炭素当量は、3.39であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。また、SUS630は、析出硬化系のステンレス鋼である。実施例1の場合と同様に、硬度の測定、「セルブロックの倒れ易さ」の測定、及び「剥れ試験」を行った。結果を表1,2に示す。
(比較例3)
SUS329J1(C;0.08以下、Si;1.0以下、Mn;1.50以下、P;0.04以下、S;0.003、Ni;3.0〜6.0、Cr;23.0〜28.0、Mo;1.0〜3.0,Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS329J1の炭素当量は、6.10であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。また、SUS329J1は、オーステナイト・フェライト系のステンレス鋼である。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(比較例4)
SUS430(C;0.12以下、Si;0.75以下、Mn;1.0以下、P;0.04以下、S;0.015未満、Cr;16.0〜18.0、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS430の炭素当量は、3.73であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。また、SUS430は、フェライト系のステンレス鋼である。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(比較例5)
SUS416(C;0.15以下、Si;1.0以下、Mn;1.25以下、P;0.06以下、S;0.27、Ni;0.6以下、Cr;12.0〜14.0、Fe;残部(単位は質量%))から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。SUS416の炭素当量は、2.91であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
(比較例6)
HPM77(日立金属社製のマルテンサイト系ステンレス鋼の商品名)から構成された第2の板状部材を用いた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体成形用口金を得た。HPM77の炭素当量は、3.48であり、硫黄含有量は0.03質量%超、0.10質量%未満(0.03<S<0.10)であった。炭素当量は、実施例1の場合と同様の方法で求めた。「セルブロックの倒れ易さ」の測定及び「剥れ試験」を行った。結果を表2に示す。
表1より、実施例1のハニカム構造体成形用口金は、第2の板状部材の接合界面付近(接合界面から0.5mmまでの範囲)の硬度が、接合界面から0.5mmを超える範囲における硬度と同程度の硬度であり、高い硬度を維持していた。また、「セルブロックの倒れ易さ」の測定においても、セルブロックが倒れ難いという結果であった。実施例2のハニカム構造体成形用口金は、第2の板状部材の接合界面付近の硬度が高く、接合界面から離れるに従って硬度が低くなっていた。これにより、実施例2のハニカム構造体成形用口金は、炭素の溶出により、第2の板状部材の接合界面付近の硬度が高くなり、接合前の合金より強度が高くなったものと考えられる。実施例3のハニカム構造体成形用口金は、第2の板状部材の接合界面付近の硬度が、接合界面に近づくに従って若干低下しているが、大きな低下ではなく、炭素が第2の板状部材に溶出しても硬度は十分に高く維持されていると考えられる。比較例1のハニカム構造体成形用口金は、第2の板状部材の炭素当量が、4.68と高いため、全体的に硬度が低くなっていることがわかる。比較例2のハニカム構造体成形用口金は、第2の板状部材の炭素当量が3.39と低い値であるが、析出硬化系のステンレス鋼であるため、第2の板状部材の接合界面付近の硬度が、大きく低下していることがわかる。
本発明の接合体は、ハニカム構造体成形用口金、精密金型、ダイス等として好適に利用することができる。本発明のハニカム構造体成形用口金は、内燃機関、ボイラー、化学反応機器及び燃料電池用改質器等の触媒作用を利用する触媒用担体や、排気ガス中の微粒子捕集フィルター等を成形する際に用いることができる。
1:接合体、2:第1の金属部材、3:第2の金属部材、11:ハニカム構造体成形用口金、12:第1の板状部材、13:第2の板状部材、14:スリット、15:裏孔、21:セルブロック、22:溝部、23:柱状部、24:接合界面、L:溝部の深さ(柱状部の高さ)。

Claims (5)

  1. 炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下のマルテンサイト系ステンレス鋼から構成された第2の金属部材とが接合されてなる接合体。
  2. 前記炭素当量2.5〜3.5のマルテンサイト系ステンレス鋼が、SUS431、SUS420J1、SUS420J2、SUS410、SUS410J1、S−STAR、PROVA−400、HPM38、STAVAX ESR及びSUS403からなる群から選択される少なくとも一種である請求項1に記載の接合体。
  3. 前記第2の金属部材が、成形原料を導入するための裏孔が形成された第2の板状部材であり、前記第1の金属部材が、前記裏孔に連通し、成形原料を格子状に成形するためのスリットが形成された第1の板状部材である請求項1又は2に記載の接合体を備えたハニカム構造体成形用口金。
  4. 炭化タングステン基超硬合金から構成された第1の金属部材と、炭素当量が2.5〜3.5であり硫黄含有量が0.030質量%以下の工具鋼から構成された第2の金属部材とが接合されてなる接合体。
  5. 前記工具鋼が、HPM31である請求項4に記載の接合体。
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