JP2016500626A - 傾斜機能性材料の新規組成物を有する金属またはセラミック物品を形成する方法およびそれを含有する物品 - Google Patents
傾斜機能性材料の新規組成物を有する金属またはセラミック物品を形成する方法およびそれを含有する物品 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本出願は、2012年9月27日に出願された米国仮特許出願第61/706,693号、および2012年12月13日に出願された米国仮特許出願第61/736,791号の利益を主張し、それら両方の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書において使用される場合、「傾斜機能性材料」は、本明細書においてFGMとも称され、組成物および/または構造の経容量的な変化を特徴とし、材料の特性において対応する変化をもたらす材料を意味する。一実施形態において、FGM材料における組成物および/または構造の経容量的な変化は、段階的である。別の実施形態において、組成物および/または構造の変化は、組成物と構造との間の別個の界面を突然に示し得る。別の実施形態において、FGMは、材料間に比較的別個の界面を有する物品にわたって物理特性の変化を含み得る。言い換えれば、本開示に従うFGM材料は、一端から他端まで組成物の変化を有する任意の物品を含む。本開示に従うFGM材料は、典型的に、材料全体が同じ加工条件に供される工程によって作製されることが理解される。
・別個のFGM構造を維持しながら、種々の粉末間の強力な化学結合
・最小限のコバルト移動、WC粒成長なし(WC−Co FGMに発生する技術的問題点)
・耐摩耗性の増加のために焼結部品内に意図的に設計された圧縮応力を誘導する
・TCHP−FGMの適切な設計によって稼働中に生成された熱を管理または分散する
・様々なTCHP−FGM部品−ワイヤダイス、ドリル工具用ロッド、共焼結工具先端等
TCHP材料および特定のWC−Co粉末等の慎重に選択された支持材料の組み合わせは、改善された効率および生産性を通じて性能の強化を促進することが示された。本開示で使用されるWC−Co支持粉末に関する説明は、以下に提供される。
以下の発明の実施例において使用されるブレンドTCHP粉末を創出するための工程順序は、本明細書に記載され、出願人の関連出願、米国公開出願第US2011/0030440A1においてさらに詳細に記載され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
12個のFGM二材料ロッドを調製し、以下の方法に従って焼結熱間等方圧プレス(HIPed)した。ロッドは、それぞれロッドの最大3分の2を形成する上部材料と、ロッドの残りの3分の1を形成する底部材料とで構成された。この実施例で作製される各ロッドは、3/8インチOD×2 1/2インチを有するTCHP/WC−Co FGMロッドで構成された。上部および底部区分に使用される特定の材料は、以下のとおりである。
・真空下、室温で開始する。
・5℃/分の速度で440℃に昇温する(約2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・440℃で120分間保持する(約2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・真空下、5℃/分の速度で1250℃に昇温する。
・真空下、1250℃で30分間保持する。
・5℃/分の速度で1445℃に昇温する(2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・1445℃で60分間保持する(2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・高圧アルゴンを約600PSIで導入し、圧力を15〜20分間保持する。
・2トールの部分圧で冷却の最初の1時間、アルゴンを用いて冷却する。
以下は、本開示に従って作製される粉末プレスFGM円筒に使用される方法論を提供する。
以下は、本開示に従って作製されるFGM円筒を真空焼結するために使用される方法論を提供する。次に、グリーン部品を以下の条件下で焼結した。
・真空下、室温で開始する。
・5℃/分の速度で440℃に昇温する(約2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・440℃で120分間保持する(約2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・真空下、5℃/分の速度で700℃に昇温する。
・真空下、700℃で60分間保持する。
・真空下、5℃/分の速度で1250℃に昇温する。
・真空下、1250℃で30分間保持する。
・5℃/分の速度で1400℃に昇温する(2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・1400℃で60分間保持する(2トールの部分圧でアルゴンを用いる)。
・2トールの部分圧で冷却の最初の1時間、アルゴンを用いて冷却する。
・最終焼結FGM部品重量は、約20グラムである(グリーン重量はわずかに高い、20.5グラムに近い)。
Claims (23)
- 金属またはセラミック部品を作製する方法であって、
a)少なくとも1つの第1の粉末を提供することであって、前記第1の粉末が、コア粒子材料、前記コア粒子材料上の中間層及び外層から作製された複数の複合粒子を含み、前記コア粒子材料が、前記中間層および前記外層の両方よりも高い硬度を有し、前記中間層が、前記コア粒子材料および前記外層の両方よりも大きい破壊靱性を有することと、
b)炭化材料を含む少なくとも1つの第2の粉末を提供することと、
c)前記第1および第2の粉末混合物からなるグリーン体を形成することであって、前記グリーン体の第2の部分を形成する前記第2の粉末混合物とともに、前記第1の粉末混合物が、前記グリーン体の第1の部分を形成することと、
d)前記グリーン体を成形、プレス、または形削して圧粉体を形成することと、及び
e)前記圧粉体を焼結して、異なる並置特性の部分を有する物品を形成することであって、前記グリーン体の前記第1の部分が、前記物品の硬質耐摩耗部分を形成し、前記グリーン体の前記第2の部分が、前記物品の強靭で強力な荷重負荷部分を形成することと、を含む、方法。 - 前記少なくとも1つの第1の粉末が、TiN、Ti(C,N)、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、ZrB2、VC、VN、cBN、Al2O3、Si3N4、SiB6、SiAlCB、W2B5、AlN、AlMgB14、MoFeB(鉄ホウ化モリブデン)、MoS2、MoSi2、Mo2B5、Mo2B、およびダイヤモンドからなる群から選択される化合物を含む、コア粒子を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの第1の粉末が、前記コア粒子上に中間層を含み、前記中間層が、WC、W2C、工具鋼、ガラス質の不透明なナノ合金鋼、窒化ケイ素、炭化タンタル、またはそれらの組み合わせから選択される少なくとも1つの化合物を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記外層が、Co、Fe、Ni、またはそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの第1の粉末が、9〜10重量%のCoを含む、請求項4に記載の方法。
- 炭化材料を含む前記少なくとも1つの第2の粉末が、WC−Coを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記WC−Coが、0.5〜5.0マイクロメートルの範囲の粒径を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記グリーン体の前記第1および第2の粉末混合物が、20,000〜40,000psiの範囲の圧力下で集合させられる、請求項1に記載の方法。
- 前記成形、プレス、または形削が、射出成形、押出、カレンダリング、テープ成形、粉末成層、または少なくとも1つの付加的製造プロセスから選択される少なくとも一つの方法を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および第2の粉末混合物が、連続ロッド、同心円筒もしくは平板積層、またはより複雑な形状に集合させられる、前記グリーン体の層を形成する、請求項1に記載の方法。
- 前記グリーン体の前記第1および第2の粉末混合物が、30〜200℃の範囲の温度で集合させられる、請求項1に記載の方法。
- 前記グリーン体の集合体が、液相焼結、熱間プレス、熱間等方圧プレス、焼結−HIP、放電プラズマ焼結、焼結鍛造、マイクロ波、または高速全方向性圧密から選択される方法による圧縮後に焼結される、請求項1に記載の方法。
- 前記グリーン体の集合体が、不活性、浸炭、脱炭もしくは還元、窒素、圧力または真空雰囲気下で焼結される、請求項1に記載の方法。
- 前記グリーン体の集合体を成す前記第1の粉末コア粒子および第2の粉末粒子の直径が、約0.5〜約30マイクロメートルの範囲内である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の粉末または前記第2の粉末のうちの少なくとも1つが、前記形削の前またはそれと同時に、パラフィンろう、ステアリン酸、エチレンビス−ステアラミド(EBS)、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、および複数の前記成分粒子とのコポリマーから選択される少なくとも1つの添加剤と混合される、請求項1に記載の方法。
- 前記金属またはセラミック部品が、傾斜機能性材料または多成分材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 金属またはセラミック部品を作製する方法であって、
a)少なくとも1つの第1の形成されたグリーン物品を提供することであって、前記形成されたグリーン物品が、
コア粒子材料、前記コア粒子材料上の中間層、及び外層とから作製された複数の複合粒子を含み、前記コア粒子材料が、前記中間層および前記外層の両方よりも高い硬度を有し、前記中間層が、前記コア粒子材料および前記外層の両方よりも優れた破壊靱性を有することと、
b)炭化材料を含む少なくとも1つの支持粉末を提供することと、
c)前記第1のグリーン物品および前記少なくとも1つの支持粉末からなる第2のグリーン体を形成することと、
d)前記第1のグリーン物品および前記支持粉末を圧粉して、圧粉体を形成することと、及び
e)前記圧粉体を焼結して、異なる並置特性の部分を有する物品を形成することと、を含む、方法。 - 少なくとも2つの別個かつ隣接した組成領域を含む焼結物品であって、
第1の組成物であって、
TiN、Ti(C,N)、TiC、TiB2、ZrC、ZrN、ZrB2、VC、VN、cBN、Al2O3、Si3N4、SiB6、SiAlCB、W2B5、AlN、AlMgB14、MoS2、MoSi2、Mo2B5、Mo2B、MoFeB(鉄ホウ化モリブデン)、およびダイヤモンドからなる群から選択される化合物を含む、複数のコア粒子と、
前記コア粒子上の中間層であって、WC、W2C、工具鋼、ガラス質の不透明なナノ合金鋼、窒化ケイ素、炭化タンタル、またはそれらの組み合わせから選択される少なくとも1つの化合物を含む、中間層と、
Co、Fe、Ni、またはそれらの組み合わせを含む、前記中間層上に位置する外層と、を含む、第1の組成物と、及び
炭化材料を含む第2の組成物と、を含む、焼結物品。 - 前記第2の組成物が、WC−Coを含む、請求項18に記載の物品。
- 前記第1の組成物が、9〜10重量%のCoを含む、請求項18に記載の物品。
- ドリル、ミル、切削または形成工具、引抜きダイス、押出ダイス、鍛造ダイス、切削および刻印ダイス、型枠、形成ローラー、射出金型、せん断機、のこぎり、ホブ、ブリーチ、リーマー、タップと、
ギア、カム、ジャーナル、ノズル、シール、バルブシート、ポンプ羽根車、キャプスタン、シーブ、ベアリング、および摩耗面から選択される個別の機械部品と、
嵌合部、内燃機関ロッド、ベアリング、カムシャフト、トランスミッション部に代わる内蔵共焼結部品と、及び
メモリドライブ読取りヘッドおよび特殊磁石等の電気機械部品と、を備える、請求項18に記載の物品。 - 前記物品が、実質的に前記第1の組成物からなる作業領域と、実質的に前記第2の組成物からなる支持領域と、を含む、請求項18に記載の物品。
- 前記少なくとも2つの別個かつ隣接した組成領域が、傾斜機能性材料または多成分材料を含む、請求項18に記載の物品。
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