JP2011219867A - 複合構成要素およびその生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合構成要素およびその生産方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、粉末金属で作られた担体（１２）および少なくとも一定部分が担体（１２）内に埋め込まれている超硬合金製の耐摩耗性本体（１４）を有する複合構成要素（１０）であって、超硬合金本体（１４）が少なくとも一定部分で金属被覆されている複合構成要素に関する。本発明は同様に、このような複合構成要素を生産する方法にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末金属で作られた担体と、少なくとも一定部分が担体内に埋め込まれている超硬合金製の耐摩耗性本体とを有する複合構成要素に関する。本発明は同様に、このような複合構成要素を生産する方法にも関する。

このような複合構成要素は例えば、鋼を圧延するために使用することができる。超硬合金本体の硬度は、この本体の耐摩耗性が極めて高く、したがって高い耐用年数が得られることを意味する。担体は、耐用年数の長さと共に発生する応力を高い信頼性で吸収できるために必要とされる靭性を有する。このような複合構成要素の一例は、特許文献１の中に見出すことができる。

独国特許出願公開第４３２１１４３Ａ１号明細書

本発明の目的は、担体と超硬合金本体との間により優れた結合が得られるように公知の複合構成要素を発展させることにある。

この目的を達成するために、本発明は、少なくとも一定部分が金属被覆される超硬合金本体を提供する。超硬合金本体上に金属被膜を使用することで、拡散の結果として超硬合金本体と担体の間に改善された金属結合が提供される、ということが明らかになった。

本発明の好ましい実施形態によると、金属被膜はニッケルで構成される。ニッケルは、拡散プロセスに対し特に有利な効果を有することが明らかになっている。

あるいは、金属被膜を銅またはクロムで構成することもできる。

上述の目的を達成するため、本発明は同様に、次のステップを用いて複合構成要素を生産するための方法も提供している：すなわち、第一に超硬合金で作られた耐摩耗性本体を用意する。次に超硬合金本体上に金属層を提供する。その後超硬合金本体を金属層と共に金属粉末内に埋め込む。その後金属粉末を、超硬合金本体と共に熱間静水圧プレス成形に付す。超硬合金本体上の薄い金属層は例えばニッケルで構成することができ、超硬合金本体と担体との間の金属結合を改善する。

本発明の一実施形態によると、超硬合金本体は電着によってコーティングされる。こうして、わずかな費用で所望の層厚みを有する金属被膜を適用することが可能になる。

原理的には、超硬合金本体と金属粉末との間に配置されたホイルまたは薄板の形で、金属層を提供することを想定してもよい。熱間静水圧プレス成形の間、金属層材料は、超硬合金と担体との間に優れた金属結合をもたらす拡散プロセスを補助する。

本発明の有利な構成は、従属項から明らかである。

以下では、本発明は、添付図面に示されている一実施形態を基準として記述される。

シャフト上に配置された本発明に係る複合構成要素を概略的に示す。 図１の細部ＩＩを拡大して示す。 複合構成要素の生産を概略的に示す。

図１は、本発明に係る複合構成要素１０が上に配置されているシャフト５を概略的に示す。図示された例示的実施形態は、鋼の生産に使用されるロールである。ただし、本発明に係る複合構成要素は、複数の利用分野で使用することができる。したがって、以下の記述は単に１つの利用分野の例示的説明としてのみ理解すべきものである。

複合構成要素は、担体１２と耐摩耗性本体１４を含む。図２を見ればさらに明確にわかるように、担体１２と耐摩耗性本体１４の間には金属層１６が存在する。

担体１２は、好ましくは低温で靭性のある高品質構造用合金鋼の粉末金属で構成されている。一例は、材料１．６９５７である。ただし、その他の熱処理鋼および高強度ステンレス鋼も同様に適している。

耐摩耗性本体１４は、超硬合金、詳細には結合剤割合のＣｏ、ＮｉＣｒ、ＣｏＮｉＦｅまたはＣｏＮｉＣｒを伴うＷＣ（炭化タングステン）で構成されている。利用分野に応じて、付加的な炭化物を伴う超硬合金を使用することも可能である。

ここでは、超硬合金本体１４は、単なる一例として、単純な矩形の横断面を有する輪として示されている。原理的には、その他の横断面形状も同様に適している。詳細には、輪の外側面は、それぞれの利用分野の結果としてもたらされる異形断面(Profilierungen)を有していてよい。遡及的に外側面上に異形断面を形成することも可能である。

金属層１６は好ましくはニッケルで構成される。これを、例えば電着による金属被膜として適用することができる。この場合、電着により適用されるニッケル金属被膜の厚みはおよそ１０〜２０μｍである。しかしながら、異なる方法で金属層を適用することもできる。一例としては、熱溶射により適用される金属がある。あるいは、ホイルまたは薄板の形で、当初個別の構成要素として金属層１６を導入することも可能である。

原則的には、金属層１６は、その後粉末金属担体１２によって超硬合金本体１４が取り囲まれることになる領域内にのみ提供される。ただし、金属層１６の存在をこれらの領域に限定する必要はない。金属層１６が環状超硬合金本体１４の外側面上に存在した場合でも害はない。これは、詳細には、主に金属被膜が電着により適用される場合にあてはまる。

複合構成要素を生産するにあたって、超硬合金本体１４は、金属層１６と共に粉末形状で存在する鋼１２’により包被され、この場合鋼製カプセルとして設計された金型１８内に配置される。金型１８は、例えば、互いに溶接された鋼板から形成されていてよい。この金型は、粉末形状で存在する鋼１２’を熱間静水圧プレス成形に付すために使用される。この目的で、金型の内部はまず最初に、金型１８上に具備されたノズル２０を用いて排気される。次に、金型は圧力チャンバ２２内に配置され、この中で、所要圧力および所要温度に曝露され、これらが全ての側面から均一に作用する（矢印Ｐを参照のこと）。

熱間静水圧プレス成形は、低速加熱段階で始まり、それに保持段階が続き、この保持段階の間、およそ９００℃〜１３００℃の温度、ならびに１０００〜２０００ｂａｒの範囲内の圧力が行きわたる。使用される材料に応じて、保持段階の持続時間は１〜９時間である。保持段階の後には、低速冷却段階が続く。

熱間静水圧プレス成形が完了すると、粉鋼１２’は焼結されて、粉末金属で作られた担体１２を形成するが、一方では超硬合金本体１４は本質的にいかなる冶金学的変化も受けない。担体１２の粉末金属内では、金属層１６のニッケルが、最高厚み０．５ｍｍの拡散層を形成しており、その結果金属担体１２と超硬合金本体１４との間に極めて優れた結合がもたらされる。方法パラメータに応じて、拡散層はおよそ７０〜９０μｍの厚みを有するが、この厚みは同様に最高５００μｍに達してもよい。拡散ゾーン内には、硬度の有意な増加が見られる。

熱間静水圧プレス成形が完了すると、金型１８は除去される。この点において、環状超硬合金本体１４の外側面上にも金属層１６が提供された場合、超硬合金本体１４から金型１８の鋼板を容易に分離することができるため、有利であるかもしれない。

複合構成要素の生産のために使用される熱間静水圧プレス成形の際立った利点は、熱間静水圧プレス成形の間に超硬合金本体１４が再度圧縮されるという点にある。

１０ 複合構成要素
１２ 担体
１４ 超硬合金本体
１６ 金属被膜

Claims (15)

1. 粉末金属で作られた担体（１２）と、少なくとも一定部分が前記担体（１２）内に埋め込まれている超硬合金製の耐摩耗性本体（１４）とを有する複合構成要素（１０）であって、前記超硬合金本体（１２）が少なくとも一定部分で金属被覆されていることを特徴とする複合構成要素。
2. 金属被膜（１６）が、ニッケルで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合構成要素（１０）。
3. 前記金属被膜（１６）が銅で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合構成要素（１０）。
4. 前記金属被膜（１６）がクロムで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合構成要素（１０）。
5. 前記超硬合金本体（１４）が結合剤割合のＣｏ、ＮｉＣｒ、ＣｏＮｉＦｅまたはＣｏＮｉＣｒを伴うＷＣで構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合構成要素（１０）。
6. 前記担体（１２）が高品質構造用合金鋼で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合構成要素（１０）。
7. 鋼の生産用の複合ロールであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合構成要素（１０）。
8. − 超硬合金で作られた耐摩耗性本体（１４）を用意するステップと；
   − 前記超硬合金本体（１４）上に薄い金属層（１６）を提供するステップと；
   − 前記超硬合金本体（１４）を金属粉末（１２’）内に埋め込むステップと；
   − 前記金属粉末（１２’）を、前記超硬合金本体（１４）と共に熱間静水圧プレス成形に付すステップと、
   を用いて、複合構成要素（１０）を生産する方法。
9. 前記超硬合金本体（１４）が電着によりコーティングされることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記超硬合金本体（１４）が全ての側面をコーティングされることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
11. 前記金属層（１６）の厚みが１０μｍ〜５ｍｍ、詳細には７０μｍ〜９０μｍであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の複合構成要素。
12. 前記熱間静水圧プレス成形が、担体（１２）内に、約０．５ｍｍの厚みを有し大幅な硬度増加により区別される拡散浸透層を生成することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の複合構成要素。
13. 前記熱間静水圧プレス成形が加熱段階、保持段階および冷却段階を含み、ここで前記保持段階の間９００〜１３００℃の範囲内の温度が存在することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の複合構成要素。
14. 前記保持段階の持続時間が１時間〜９時間であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の複合構成要素。
15. 前記保持段階中１０００〜２０００ｂａｒの範囲内の圧力がかけられることを特徴とする、請求項８〜１４のいずれか一項の複合構成要素。

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