JP2012503095A - 硬質表面を有する摩耗部品 - Google Patents
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Abstract
Description
中間層が0.05mm〜1mm、通常は0.1μm〜200μmの厚さを有し、耐摩耗層のSi量の0.1〜0.7のSi、耐摩耗層のクロム量の0.1〜0.6のクロム、および耐摩耗層の金属炭化物の金属量の0.2〜0.6の金属炭化物の金属とを含むことを特徴とする。中間層は、本体の鉄族金属の少なくとも50%を含むマトリックスに分散された樹枝状共晶結晶のミクロ組織を有することが好ましい。
鉄族金属又は合金により形成された本体を準備するステップと、
金属炭化物の粒の組成と鉄族金属、シリコン及びクロムを含む金属基相の成分とを微粒子の形態で準備するステップと、
組成の層を本体の表面に塗布するステップと、
この層及び本体の表面の温度を、金属基相の成分及び本体の表面の液相線よりも高温に上昇させるステップと、
上昇させた温度を30秒〜5分間維持するステップと、
成分及び本体の表面を液相線温度よりも低い温度まで戻す、すなわち固化させることを可能にするステップとを含む、前記のいずれかの摩耗部品又は工具を製造する方法が提供される。
1.硬質炭化物相を金属又は金属合金粉体と製粉及び/又は混合するステップ、
2.被覆されたダイヤモンド粒又は他の超硬粒を、そのような超硬粒を包含することが好ましい場合、この混合物に混ぜ合わせるステップ(このステップは、超硬粒が表面硬化部に必要ない場合は省略できる)、
3.この混合物に、結合剤が水性又は非水性媒体に懸濁された有機結合剤を導入してスラリーを形成するステップ、
4.通常は懸濁媒体をいくらか取り除くステップを伴う、スラリーをペースト、テープ又はストリップに形成するステップ。
鋼用の耐摩耗性に優れた、硬い、完全に緻密な、冶金的に接合された超硬合金硬質表面部であり、それは実際的であり経済的に実行可能である。本発明の硬質表面部の耐摩耗性は、商業的に入手可能な熱溶射された最高の硬質表面化法に匹敵する。
本発明の合金は高融点金属炭化物との濡れがよく、そのために炭化物粒の接合及び保持、並びに予備成型品の孔内への合金の溶浸又は毛管現象を促進する。したがって、Me−Cr−Si−C系結合剤を有する高融点炭化物基の超硬合金は、非常に低い温度で完全な密度まで焼結することができる。
専用の機器は必要なく、この方法は低圧下で及び/又は不活性雰囲気で一般的な炉を使用して、或いは超硬合金工具ロウ付け用の従来型の機器を使用して塗布することができる。
従来型のロウ付け機器、温度及び時間を使用することによって、この表面硬化工程はロウ付けと同時に実施することができ、その結果追加の熱処理操作は必要ない。
必要な熱処理温度が比較的低く、結果として鋼基板本体、又は存在する場合にはダイヤモンドなどの準安定相が最小限でしか変形又は劣化しない。
熱処理又は焼結時間は短く、熱処理又は焼結中に、この被覆体の付着される複雑な又は非平面の表面を流れ落ちる液体相の流れも最小になる。
約0.8μmの平均直径を有する70重量%のWC粉体、22.5重量%のCo粉体、6%のCr3C2粉体、および1.5重量%のSi粉体を含む1kgのバッチの粉体が、ヘキサンおよび20gのパラフィン・ワックスの媒体と、6kgの超硬合金ボールと、摩砕機ミルで6時間製粉された。製粉後、得られたスラリーは乾燥され、粉体は凝集体を無くすために篩に掛けられた。この篩に掛けられた粉体は、従来型の冷間プレスを使用して圧縮成型されて円筒形状のサンプルを形成し、1160℃で1分間真空中で焼結された。焼結されたサンプルは、12.4g/cm3の密度、1250(HV30)の硬さ、14.6MPa m1/2の破壊靭性、および2700MPaの抗折強度を有していた。このサンプルのミクロ組織は、WC、クロム炭化物、並びにSi、W、C及びCrが固溶しているCoを含む結合剤相を含んでいた。これらの特性は、同様な結合剤含有量を有する従来型のWC−Co超硬合金に匹敵する。
約0.8μmの平均直径を有する67重量%のWC粉体、24重量%のCo粉体、6.4%のCr3C2粉体、1.6重量%のSi粉体を含む1kgバッチの粉体が、ヘキサンおよび20gパラフィン・ワックスの媒体と6kgの超硬合金ボールとで摩砕機ミルで6時間製粉された。製粉後、得られたスラリーは乾燥され、この粉体は凝集体を無くすために篩に掛けられた。300〜400μmの範囲の平均直径を有し、平均厚さ約0.5μmのTiC被覆体を有するダイヤモンド粒が7重量%だけ、得られた粉体に導入され、Turbularミキサーを使用して粉体に混合された。加えられたダイヤモンドの重量パーセントは、最終焼結製品の20体積%のダイヤモンドに対応することが計算された。この段階では、混合物は63重量%のWC、22.5重量%のCo、7重量%のダイヤモンド粒、6重量%のCr3C2、および1.5重量%のSiを含んでいた。
約0.8μmの平均直径を有する30重量%のWC粉体、30重量%のTiC、20重量%のCo粉体、10%のCr3C2粉体、及び10重量%のSi粉体を含む1kgバッチの粉体が、6kg超硬合金ボールを有するヘキサンの媒体内で、摩砕機ミルで1時間製粉された。製粉後、得られたスラリーは乾燥され、凝集体を無くすために篩に掛けられた。得られた粉体は、10%の有機結合剤DECOFLUX(RTM)(Zschimmer & Schwarz)と混合された。このようにして得られたペーストは、鋼基板(炭素鋼、ST50)の表面に塗布された。ペースト層を有する基板は、1220℃の温度で2分間真空中で熱処理され、鋼基板上に厚さほぼ3mmの連続被覆体を形成した。この被覆された鋼基板は、鋼を熱処理するための従来型の手順を使用して熱処理された。
53体積%のWC、9体積%のCr3C2、3体積%のSi、35体積%のCoの粒子および有機結合剤を含むペーストが作製された。このペーストは、ピック工具の鋼本体の一部分に塗布されて2〜3mmの範囲の厚さの層を形成し、乾燥された。従来型のロウ付け機器を使用して、非酸化性雰囲気で約1分、鋼基板との界面に鉄が存在する状態で、ペーストの融点よりも高温約1200℃の適用温度でペーストを溶融させた。硬質表面部を付着させるために従来型のロウ付け機器を使用できることは、この方法の重要な利点であると考えられる。温度の不確実性は約30℃であり、適用された温度は約1250℃であったと思われる。溶融したペーストは、十分に粘性を有することが分かり、ロウ付け工程中実質的に流れなかった。ペーストのCoの存在によって、ロウ付けが1分以内で首尾よく完了することが可能になると思われ、それによってロウ付け時間が短縮され、溶融した被覆体の流れが最小にされる。
約2.5μmの平均直径を有する62.7重量%のWC粉体、25重量%のFe粉体、10%のCr3C2粉体、および2.3重量%のSi粉体を含む1kgバッチの粉体が、6kg超硬合金ボールを有するヘキサンの媒体と、摩砕機ミルで1時間製粉された。製粉後、得られたスラリーは乾燥され、凝集体を無くすために篩に掛けられた。得られた粉体は、12%有機結合剤DECOFLUX(RTM)(Zschimmer & Schwarz)と混合された。このように得られたペーストは、鋼基板(炭素鋼、ST50)の表面に塗布された。このペーストの層を有する基板は、ロウ付け用の従来型の機器を使用して、約2分間1250℃の温度で窒素中で熱処理され、鋼基板上にほぼ3mmの連続した被覆体を形成した。この被覆された鋼基板は、鋼を熱処理するための従来型の手順を使用して熱処理された。被覆体のHV10硬さは950であることが分かり、ミクロ組織分析及びXRD分析によって、Si、W及びCrが固溶したFe基の合金のマトリックスに、WC、丸みを有する(Cr,Fe)7C3及び(Cr,Fe)23C6の粒が埋め込まれていることが明らかになった。Murakahami溶液で2分間の冶金的な横断面のエッチング後、丸みを有する粒は茶色の色彩を有していた。このように得られた被覆された鋼基板は、ASTMG65−04試験を使用して試験された。被覆されていない鋼基板が対照材として使用された。様々なサンプルに対する試験後の質量損失は、以下の通りであった。鋼820mg及び被覆された鋼基板120mg。したがって、本発明により被覆された鋼の耐摩耗性は、鋼基板の耐摩耗性よりもほぼ7倍高かった。図9は、この被覆体のミクロ組織を示す。この被覆体のミクロ組織は、切子面でカットされた又は丸みをつけられたWC粒と、ほぼ0.5〜5μmの(Cr,Co)xCyの粒と、W、Cr、Si及びCを含むCo基結合剤の中間層とを含む。この中間層のミクロ組織は、基板表面領域の溶融、被覆体との相互作用、およびFe基マトリックスへの分散の結果として形成される、主としてFe、Cr及びSiを含有する樹枝状共晶結晶を含む。この界面は、鋼基板の溶融部と被覆体との相互作用の結果として形成される厚さほぼ200μmの中間層を含む。EDXによる中間層の平均組成は、結果として以下の通りである。(重量%)で、Si:0.5、Cr:4.0、W:25.2、残部はFeである。この界面は、Murakhami試薬で20秒間のエッチング後黄茶色の色彩を有していた樹枝状共晶結晶を含む。
約2.5μmの平均直径を有する57重量%のWC粉体、10%のCr3C2粉体、2.3重量%のSi粉体、および残部のCo粉体を含む1kgバッチの粉体が、6kgの超硬合金ボールを有するヘキサンの媒体と、摩砕機ミルで1時間製粉された。製粉後、スラリーは乾燥され、凝集体を無くすために篩に掛けられた。得られた粉体は、12%の有機結合剤DECOFLUX(RIM)(Zschimmer & Schwarz)と混合された。このように得られたペーストは、鋼基板及び石炭切削ピック(炭素鋼、ST50)の表面に塗布された。このペーストの層を有する基板及びピックは、ロウ付け用の従来型の機器を使用して約2分間1250℃の温度で、真空中で熱処理され、鋼基板上に厚さほぼ2.5mmの連続被覆体を形成した。この被覆されたピックを図11に示す。被覆された基板及び被覆されたピックは、鋼を熱処理するための従来型の手順を使用して熱処理された。被覆のHV10硬さは、約900であることが分かり、ミクロ組織分析及びXRD分析によって、Si、W及びCrが固溶したCo基の合金のマトリックスにWC、(Cr,Co)7C3、(Cr,Co)23C6の粒が埋め込まれていることが明らかになった。このように得られた被覆された鋼基板は、ASTM G65−04試験を使用して試験された。被覆されていない鋼基板が対照材として使用された。様々なサンプルに対する試験後の質量損失は以下の通りであった。鋼820mg、及び被覆された鋼基板160mg。したがって、本発明により被覆された鋼の耐摩耗性は、鋼基板の耐摩耗性よりもほぼ5倍高かった。図10は、被覆及び被覆−基板界面のミクロ組織を示す。この被覆のミクロ組織は、切子面でカットされた又は丸みつけられたWC粒、ほぼ0.5〜10μmの(Cr,Co)xCyの粒、W、Cr、Si及びCを含むCo基結合剤を含む。中間層のミクロ組織は、基板表面領域の溶融、被覆との相互作用、Fe基マトリックスへの分散の結果として形成された、主としてFe、Cr及びSiを含有する樹枝状共晶結晶を含む。
Claims (20)
- 鉄族金属又は合金を含有する本体と、中間層を介して前記本体の表面に冶金的に接合された耐摩耗層とを有する、摩耗部品又は工具において、
前記耐摩耗層が、WC、TiC、VC、ZrC、NbC、Mo2C、HfC及びTaCからなる群から選択された少なくとも13体積%の金属炭化物の粒と、MeがFe、Co及び/又はNiである(Cr,Me)xCyの粒と、0.5%〜20%のCr、0.2%〜15%のSiおよび0.2%〜20%の炭素の固溶体を含む金属基相とを含み、
前記中間層が0.05mm〜1mmの厚さを有し、前記耐摩耗層内のSi量の0.1〜0.7のSi、前記耐摩耗層内のクロム量の0.1〜0.6のクロム、および前記耐摩耗層内の前記金属炭化物の金属の量の0.2〜0.6の前記金属炭化物の前記金属を含むことを特徴とする、摩耗部品又は工具。 - 前記(Cr,Me)xCy粒が丸みを有し、1〜30μmのサイズを有する、請求項1に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記中間層が、前記本体の少なくとも50%の鉄族金属を含むマトリックスに分散された樹枝状の共晶結晶のミクロ組織を有する、請求項1又は請求項2に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層が、酸化物、窒化物、ホウ化物、炭窒化物、ホウ窒化物を含む群から選択されるセラミック材料の粒をさらに含む、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ホウ炭化物及び亜酸化ホウ素から選択される超硬セラミック材料をさらに含む、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層の金属炭化物粒及び/又はセラミック材料粒が40体積%よりも多い、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層が、接合される前記摩耗部品又は工具の前記本体よりも耐摩耗性及び/又は耐腐蝕性を有する、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層の前記金属基相が1160℃以下の液相線を有する、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層が500μmよりも厚い、請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- (Cr,Me)xCyの粒が、Murakhami試薬中で、室温で5分間又はそれより長くエッチングした後、冶金的な横断面上に茶色又は黄色の色彩を有する、請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記樹枝状共晶結晶が、Murakhami試薬中で、室温で5秒以上エッチングした後、冶金的な横断面が茶色又は黄色の色彩を有する、請求項3に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層が接合される前記表面は非平面である、請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記耐摩耗層が接合される前記表面は丸みがあるか又は曲がっている、請求項1から請求項12までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 前記摩耗部品又は工具が採掘ピック、制御弁、道路平削り工具又はホッパーである、請求項1から請求項13までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具。
- 請求項1から請求項14までのいずれか一項に記載された摩耗部品又は工具を製造する方法において、該方法が、
鉄族金属又は合金により形成された本体を準備するステップと、
金属炭化物の粒の組成と鉄族金属、シリコン及びクロムを含む金属基相の成分とを微粒子の形態で準備するステップと、
前記組成の層を前記本体の表面に塗布するステップと、
前記層及び前記本体の表面の温度を、前記金属基相の成分及び前記本体の表面の液相線温度よりも高温に上昇させるステップと、
前記上昇させた温度を30秒〜5分間維持するステップと、
前記成分及び前記本体の表面を前記液相線温度よりも低い温度まで戻すステップとを含む、方法。 - 前記上昇した温度を30秒〜3分間維持する、請求項15に記載された方法。
- 前記上昇した温度を30秒〜2分間維持する、請求項15に記載された方法。
- 前記金属炭化物の組成と前記金属基相の成分が、ペースト、テープ又はストリップの形態である、請求項15から請求項17までのいずれか一項に記載された方法。
- 前記上昇させる温度が1150℃〜1300℃である、請求項15から請求項18までのいずれか一項に記載された方法。
- 前記焼結温度が1160℃よりも低い、請求項15から請求項18までのいずれか一項に記載された方法。
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