JP2012508327A - 超硬合金体及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
超硬合金において、バインダーの含有分の増加により、通常、靭性は増加するが、硬度及び耐摩耗性は低下する。さらに、タングステンカーバイドの粒度は、一般に、より粒度が微細であるほど、より粗い粒度のものよりも硬質で高い耐摩耗性の材料が提供されるが、耐衝撃性が低い材料が提供される点で特性に影響を及ぼす。
本発明は(1)結晶粒成長抑制剤及び炭素及び/又は窒素を含む結晶粒成長抑制剤化合物、及び、(2)結晶粒成長促進剤を、1種以上の硬質相形成性成分及びバインダーを含むWC−ベースの出発材料の成形体の表面の少なくとも一部の上に提供すること、及び、その後、成形体を焼結することを含む、超硬合金体の製造方法を提供する。
結晶粒成長抑制剤化合物は、適切には、約0.1〜約100mg/cm2の量、好ましくは約1〜約50mg/cm2の量で表面上に提供される。結晶粒成長促進剤は、適切には、約0.1〜約100mg/cm2の量、好ましくは約0.5〜約50mg/cm2の量で表面上に提供される。
例
例1
94wt%WC及び6wt%Coの組成である標準原材料を用いて超硬合金粉末ブレンドを製造した。
10mmの直径の円柱形基部及び球形(半ドーム)先端を有する16mmの長さのドリルビットの形態の採掘工具インサートの形態で成形体を製造した。
平均粒度は平均等価円直径として測定して約1.25μmであった。
先端を、表1にしたがって、結晶粒成長抑制剤化合物としてCr3C2、結晶粒成長促進剤としてグラファイト、又はそれらの組み合わせで適用し、「ドープ」した。さらなる対照として、1つのインサートはいかなるものも適用せず、すなわち、「ドープせず」であった。
インサートを乾燥させ、その後、慣用のガス圧焼結によって1410℃で1時間焼結させた。
ビッカー硬度を、異なる深さ、すなわち、表面からの距離でインサートに対して測定した。
図1は表面から下方に異なる距離で測定された硬度(HV10)を示す。Cr3C2とともにグラファイトを用いて、顕著な硬度勾配が生じることが明らかである。グラファイト溶液を用いたドーピングにより、ドープされないサンプルと比較してを約80HV表面硬度を増加させる。液体PEG中のCr3C2でドープしたサンプルはドープされていないサンプルよりも約80HVというほぼ同一の硬度増加を示す。グラファイト溶液中のCr3C2を用いたサンプルは150HVを超える硬度増加を示す。硬度は表面のすぐ下で低下していることが判る。
図2は表面から下の異なる距離でのサンプル3中のコバルト、炭素及びクロムの含有分を示す。図3は、さらに、クロムの勾配の詳細図を示す。コバルト及びクロムの明らかな勾配が存在している。
粒度は後方散乱電子回折(EBSD)から計算した。
図4〜5はそれぞれ深さ0.3mm及び10mmでのサンプル3(本発明)の代表的なEBSD画像を示す。
表2はサンプル1(Cr3C2−ドープ)及びサンプル3(Cr3C2−グラファイト−ドープ)の間の粒度(等価円直径)の比較を示す。
例1と同一のサイズ及び組成の成形体を、表3に従い、結晶粒成長抑制剤化合物としてCr2N又はCrN及び/又は結晶粒成長促進剤としてグラファイトで適用し、「ドープ」した。
インサートを乾燥させ、その後、慣用のガス圧焼結によって1410℃で1時間焼結させた。
ビッカー硬度を、異なる深さ、すなわち、表面からの距離でインサートに対して測定した。
図6はドープされた表面から下方で測定された硬度(HV10)(サンプル5、6及び7について)を示す。Cr2N又はCrNとともにグラファイトを用いて、顕著な硬度勾配が生じることが明らかである。
表4は表面から異なる距離でのサンプル6(Cr2N−グラファイト−ドープ)及びサンプル7(CrN−グラファイト−ドープ)の硬度を示す。
図7は深さ0.3mmでのサンプル6の代表的なSEM画像を示している。図8はサンプル6の影響を受けていないバルク材料部分(10mm)の画像である。
例1と同一のサイズ及び組成の成形体を、結晶粒成長抑制剤化合物としてCr3C2及び/又は結晶粒成長促進剤としてグラファイト又は煤で適用し、「ドープ」した。
インサートを乾燥させ、その後、慣用のガス圧焼結によって1410℃で1時間焼結させた。
ビッカー硬度を、異なる深さ、すなわち、表面からの距離でインサートに対して測定した。
図9はドープされた表面から下方で測定された硬度(HV10)を示す。Cr3C2とともに煤を用いると、Cr3C2とともにグラファイトを用いたときと同様に、顕著な硬度勾配が生じることが明らかである。
本発明に係るサンプルでは、影響を受けていないバルク材料(8〜10mm深さ)と比較して約160単位(HV)の硬度の増加がある。硬度の最大値の箇所は表面から下方に約2mmに見られる。
93.5wt%のWC及び6.5wt%のCoの組成を有する標準原材料を用いて超硬合金粉末ブレンドを製造した。
16mmの直径の円柱形基部及び円錐形先端を有する25mmの長さの採掘工具用インサートの形態で成形体を製造した。
平均粒度は平均等価円直径として測定して約6μmであった。
25wt%のCr3C2及び7.5wt%のグラファイトを水中に含む組み合わせ分散体として、結晶粒成長抑制剤化合物としてCr3C2、結晶粒成長促進剤としてグラファイトの組み合わせで、先端を適用し、「ドープ」した。すべてのサンプルで、約40mgのスラリー又は分散体を先端上の約3.2cm2に適用した。
インサートを乾燥させ、その後、慣用のガス圧焼結によって1520℃で1時間焼結させた。
ビッカー硬度を、異なる深さ、すなわち、表面からの距離でインサートに対して測定した。
図10はドープされた表面から下方で測定された硬度(HV10)を示す。
表6は表面から異なる距離での硬度(HV10)を示す。
本発明に係る耐衝撃性超硬合金インサートを、キルナ、スエーデンの廃棄岩の削岩で大規模なフィールド試験にて従来の均一な超硬合金インサートと比較した。従来の超硬合金インサートは94wt%WC及び6wt%Coの組成を有した。また、本発明の勾配超硬合金インサートは全体として94wt%WC及び6wt%Coの組成を有したが、本発明に係る勾配で分布していた。本発明の超硬合金インサートは例1の手順に従って製造した。勾配超硬合金を、6ゲージインサート及び3フロントインサート毎ビットを有する20ドリルビットにおいて試験した。ドリルビットは初期ゲージ直径49.5mmを有し、45〜46mmで削り取った。ゲージ及びフロントインサートはそれぞれ直径10mm及び9mmであった。勾配超硬合金インサートを、ビットも最も傷つきやすい部分であるゲージにおいて試験した。フロントインサートは標準的な均一な超硬合金であった。このことは20×6=120の勾配インサートが試験されたことを意味し、このことは、岩状態の回避できない分布をよく網羅するはずであり、その分布はキルナ廃棄岩において低いと考えられている。標準的な超硬合金を含む20個の同一のビットを対照として使用した。インサートは球形ドーム先端を有し、そしてその幾何学形状は標準なインサート及び新規の勾配インサートの両方のそれぞれ10mm及び9mmのすべてのインサートで同一であった。1つのインサートを断面にわたって70のHV10測定に付し、そして等硬度線を図11に示されるように計算した。ドープされた表面のすぐ下のゾーンは、硬度の最大値の箇所が発見されるドープされた表面の下1〜2mmのHV1491よりも低い硬度である1477のHV10であることが明らかに判る。
Sandvik Tamrockから入手されるトップハンマードリルリグを用いて試験を行った。油圧式トップハンマーは操作圧が210バールでありそしてフィード圧が90バールであるHFX5であった。回転は230rpmであり、回転圧は70バールであった。
下記の表7は平均掘削メートル毎ビット、DM、平均掘削メートル毎ビットゲージ直径摩耗mm、DM/mm、及び最初の破損までの平均掘削メートル、DMFを示す。ビットは約58〜59掘削メートルの後にリグラインドした(約12穴/リグラインディング)。
Claims (18)
- (1)結晶粒成長抑制剤及び炭素及び/又は窒素を含む結晶粒成長抑制剤化合物、及び、(2)結晶粒成長促進剤を、1種以上の硬質相成分及びバインダーを含むWC−ベースの出発材料の成形体の表面の少なくとも一部の上に提供すること、及び、その後、前記成形体を焼結することを含む、超硬合金体の製造方法。
- 前記結晶粒成長抑制剤化合物はクロム又はバナジウムの炭化物又は窒化物である、請求項1記載の方法。
- 前記結晶粒成長促進剤は炭素である、請求項1又は2記載の方法。
- 最初に成形体を提供し、そしてその後、結晶粒成長抑制剤化合物及び結晶粒成長促進剤を、前記成形体の表面の少なくとも一部の上に提供することにより、前記成形体の表面の上に結晶粒成長抑制剤化合物及び結晶粒成長促進剤を提供することを含む、請求項1〜3のいずれか1項記載の方法。
- 前記結晶粒成長抑制剤化合物及び/又は前記結晶粒成長促進剤は別個の又は配合された液体分散体又はスラリーの形態で前記成形体に適用することにより提供される、請求項4記載の方法。
- 前記結晶粒成長抑制剤化合物及び/又は前記結晶粒成長促進剤は固体物質の形態で前記成形体に適用することにより提供される、請求項4記載の方法。
- 前記炭素は浸炭性雰囲気から前記成形体上に提供される、請求項4記載の方法。
- 前記結晶粒成長抑制剤化合物及び前記結晶粒成長促進剤をWC−ベースの出発材料粉末と配合し、その後、それをプレスして成形体とすることにより、前記成形体の表面の上に結晶粒成長抑制剤化合物及び前記結晶粒成長促進剤を提供することを含む、請求項1〜3のいずれか1項記載の方法。
- WC−ベースの出発材料粉末の導入の前に加圧成形型中に前記結晶粒成長抑制剤化合物及び前記結晶粒成長促進剤を導入し、次いで、プレス加工を行うことを含む、請求項8記載の方法。
- 前記超硬合金体は金属機械加工のための切削工具インサート、採掘工具用インサート又は冷間加工工具である、請求項1〜9のいずれか1項記載の方法。
- 請求項1〜10のいずれか1項記載の方法により得ることができる超硬合金体。
- WC−ベースの硬質相及びバインダー相を含む超硬合金体であって、前記超硬合金体は上部表面ゾーン及び中間表面ゾーンを含み、前記中間表面ゾーンの少なくとも一部は平均バインダー含有分が前記超硬合金体のより内側の部分よりも低く、前記上部表面ゾーンの少なくとも一部は平均WC粒度が前記中間表面ゾーンよりも平均で大きい、超硬合金体。
- 前記上部表面ゾーンは表面点から深さd1までの距離を含み、
前記中間表面ゾーンはd1から深さd2まで又は表面点から最遠位部分までのいずれか最初に到達するまでの距離を含み、d1/d2の比が約0.01〜約0.8である、請求項12記載の超硬合金体。 - 深さd2よりも下に存在するバルクゾーンでのバインダー濃度/表面点から1mmの深さでのバインダー濃度の質量比は約1.05〜約5である、請求項12又は13記載の超硬合金体。
- 表面点からの最遠位部分でのバインダー濃度/表面点から1mmの深さでのバインダー濃度の質量比は約1.05〜約5である、請求項12又は13記載の超硬合金体。
- 表面の下方に存在している少なくとも1つの最大硬度の箇所を含む、請求項12〜15のいずれか1項記載の超硬合金体。
- 前記最大硬度の箇所は表面から約0.1〜約4mmの深さに存在している、請求項16記載の超硬合金体。
- 金属機械加工のための切削工具インサート、採掘工具用インサート又は冷間加工工具である、請求項11〜17のいずれか1項記載の超硬合金体。
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