JP2019510872A - 四ホウ化タングステンの結合材組成物及びそれらの研磨方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本出願は、2016年1月25日出願の米国仮出願第62/286,865号の優先権を主張し、上記出願は参照により本明細書に援用される。
本発明は、全米科学財団、材料研究部(National Science Foundation, Division of Materials Research (DMR))による契約第DMR−1506860号の下、米国政府の支援によってなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nの組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式Tqの組成物であって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nの組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式Tqの組成物であり、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である上記工具が記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であって、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
上記第2の組成物(b)が、上記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する複合材料も記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xは、ホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であり、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
上記第2の組成物(b)が、上記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する上記工具が記載される。
遷移金属及び軽元素による四ホウ化タングステン(WB4)の組成変更によって、優れた硬さならびに高速切削に対する耐摩耗性が達成されることが見出されている。W1−xMxXy組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも4.0である
上記組成物の靭性は、研磨に関して十分でない場合がある。高い靱性と硬さを併せ持つ複合材料に対する、長年にわたる切実な及び満たされていない要求がある。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nの組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式Tqの組成物であって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nの組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式Tqの組成物であり、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である上記工具が記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であって、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
上記第2の組成物(b)が、上記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する複合材料も記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xは、ホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であり、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
上記第2の組成物(b)が、上記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する上記工具が記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式Tqを含む組成物であって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
いくつかの実施形態において、本明細書では、
(a)第1の式(W1−xMxB4)nの組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Bはホウ素であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式Tqの組成物であって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
いくつかの実施形態において、本明細書では、
(a)式(WB4)nの四ホウ化タングステンであって、
式中、nは0.001〜0.999である
上記四ホウ化タングステンと、
(b)第2の式Tqであって、
式中、
Tは、少なくとも1種の元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族元素を含む合金であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記式Tqと
を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
いくつかの実施形態において、本明細書では、
(a)第1の式(W1−xMxBey)nであって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Beはベリリウム(Be)であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記第1の式と、
(b)第2の式Tqであって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記第2の式と
を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
いくつかの実施形態において、本明細書では、
(a)第1の式(W1−xMxSiy)nであって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Siはケイ素(Si)であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記第1の式と、
(b)第2の式Tqであって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記第2の式と
を含み、
qとnとの和が1である複合材料が記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む第1の組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記第1の組成物と、
(b)第2の式Tqを含む組成物であり、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である上記工具も記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であって、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
上記第2の組成物(b)が、上記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する複合材料も記載される。
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xは、ホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
上記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であり、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
上記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
上記第2の組成物(b)が、上記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する上記工具が記載される。
本発明の主題のいくつかの実施形態は、種々の濃度の(一部のもしくは全ての)タングステン及び/またはホウ素を、それぞれ遷移金属及び軽元素で置換することによる、四ホウ化タングステン(WB4)の硬さの改善に関する。固溶体、結晶粒界分散及び析出硬化機構に起因する硬さの増加が、本発明の主題のいくつかの実施形態に係る、寿命が向上した工作機械の製造に繋がる。いくつかの実施形態において、バルク状及び薄膜状の両方の上記開発された材料は、ドリルビット、鋸刃、旋盤インサート及び押出ダイ、ならびにカップ、管及び金属線引抜き加工用型押し具を含む種々の用途に用いられる。
本発明の主題のいくつかの実施形態に係る、タングステンをレニウムなどの他の遷移金属で置換することによる、四ホウ化タングステンをベースとする新規な超硬材料が記載される。この開発された材料は、安価であること及び金属導電性を有することに加えて、50GPaを優に超える改善されたビッカース硬さを示し、このビッカース硬さはWB4のビッカース硬さ(約43GPa)よりも格段に高い。
いくつかの実施形態において、本明細書では、遷移金属及び軽元素を含むWB4の変化形(W1−xMxXy組成物)と元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素などの結合材との組み合わせとして提供される複合材料が記載される。いくつかの実施形態において、本明細書では、遷移金属及び軽元素を含むWB4の変化形(W1−xMxXy組成物)と元素の周期表の第8、9または10族遷移金属元素などの結合材との組み合わせとして提供される複合材料が記載される。更なる実施形態において、上記結合材はFe、Co、及びNiの少なくとも1種の元素を含み、上記結合材のwt%の範囲は0.001〜0.5である。いくつかの更なる実施形態において、上記結合材のwt%の範囲は0.01〜0.5である。いくつかの更なる実施形態において、上記結合材のwt%の範囲は0.1〜0.5である。
いくつかの実施形態において、W1−xMxXy(式中、Wはタングステン(W)であり、Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)及びケイ素(Si)の1種であり、MはHf、Zr、もしくはY、またはそれらの組み合わせである)の組成処方。この組成処方において、Mは、式M'X'、M'X'2、M'X'4、M'X'6、もしくはM'X'12またはそれらの組み合わせの組成物を形成し、上記W1−xMxXy組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する。組成処方W1−xMxXyにおいて、最終生成物中のxは、少なくとも0.001及び0.50未満の組成である。いくつかの実施形態において、非限定的な例として、Hf、Zr、もしくはY、またはそれらの組み合わせを過剰に添加する(xが0.50〜1.5である名目上の合成前の組成処方であり、その結果上記組成処方がアーク溶解前でW0.9M1.5B4となる)ことによって、結晶粒界における合成後の組成物はW1−xMxXy+MX2となる。したがって本質的には、上記組成物は、上記固溶体添加剤を含む(エッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲む2次相を有する)WB4である。いくつかの場合において、意図してWB4を2次相で取り囲むのは、該2次相をもたない化合物と比較して酸化耐性を向上させるためである。いくつかの場合において、上記2次相はその下にあるWB4を酸化から保護する。いくつかの実施形態において、非限定的な例として、複合材/2元組成物(結晶粒界におけるMB2を含むWB4)として、高酸化点であるいずれの二ホウ化物(MB2(式中、MはHf、Zr、及びYの少なくとも1種である))も被覆することが重要である。これらの2種の種は緊密な状態で散在し、分離不可であろう。
特定の実施形態において、本明細書には複合材料の製造方法が記載される。いくつかの実施形態において、本明細書には、(a)第1の式(W1−xMxXy)nを有する組成物と、第2の式Tqを有する組成物とを、粉体混合物を製造するのに十分な時間互いに混合することであって、式中、XはB、Be及びSiの1種であり、Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、イットリウム(Y)及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、Tは、少なくとも1種の元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族元素を含む合金であり、xは0.001〜0.999であり、yは少なくとも4.0であり、q及びnはそれぞれ独立に0.001〜0.999であり、qとnとの和が1である上記混合することと、(b)ペレットを形成するのに十分な圧力下で上記粉体混合物を圧縮成形することと、(c)上記ペレットを緻密化された複合材料を製造するのに十分な温度で焼結することとを含む、酸化耐性の複合材料の製造方法が記載される。
いくつかの実施形態において、工具または研磨材を作製、改変、または被覆するために、本明細書に記載の複合材料が用いられる。いくつかの例において、本明細書に記載の複合材料は工具または研磨材の表面上に被覆される。他の例において、工具または研磨材の表面は本明細書に記載の複合材料で改質される。更なる例において、工具または研磨材の表面は本明細書に記載の複合材料を含む。
別段の定義がなされない限り、本明細書で用いる全ての技術用語及び科学用語は、特許請求される主題が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同様の意味をもつ。詳細な説明は例示的かつ説明的なものに過ぎず、特許請求されるいずれの主題をも限定するものではないことを理解されたい。本出願において、別段の明示がない限り、単数形の使用は複数形を包含する。本明細書中では、文脈上別段の明確な指示がない限り、単数形「a」、「an」及び「the」は複数形の指示対象を包含することに留意されたい。本出願において、「または」の使用は、別段の記載がない限り、「及び/または」を意味する。更に、用語「含むこと(including)」ならびに「含む(include、includes、及びincluded)」などの他の形態は非制限的である。
この複合材料は、約73wt%〜約95wt%のWB4と、約5wt%〜約27wt%の固溶体Co−Ni−Fe結合材とを含み、上記結合材は、約40wt%〜約90wt%のCoと、約4wt%〜約36wt%のNiと、約4wt%〜約36wt%のFeとを含み、Ni:Fe比が約1.5:1〜約1:1.5であり、上記結合材の上記固溶体は実質的に応力及びひずみ誘起相変態を示さない。
以下は複合材試料の微小押込データである。これらの試料は、WB4+1種の第4〜14族金属、またはWB4+第4〜14族金属を含む合金となるような2元系を含む。用いた荷重(kgf、キログラム重で表す)は、ビッカース硬さであるHvに相関した。ビッカース硬さ微小押込に用いた標準的な荷重(複数可)は1kgfまたは30kgfのいずれかであった。荷重をlkgfとした場合はHV1として示し、30kgfの場合にはHv30として示した。列挙した結晶粒径はWB4に対応するものであり、当該試料に用いられるメジアン粒径である。結合材相は3ミクロン以下であった。
Claims (80)
- (a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも4.0であり、
nは0.001〜0.999である
前記組成物と、
(b)第2の式Tqを含む組成物であって、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
前記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である複合材料。 - XがBまたはSiである、請求項1に記載の複合材料。
- XがBeまたはSiである、請求項1に記載の複合材料。
- XがBである、請求項1に記載の複合材料。
- XがBeである、請求項1に記載の複合材料。
- XがSiである、請求項1に記載の複合材料。
- MがRe、Ta、Mn、Cr、Hf、Ta、Zr、及びYの少なくとも1種を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがRe、Ta、Mn、及びCrの少なくとも1種を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがTa、Mn、及びCrの少なくとも1種を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがHf、Zr、及びYの少なくとも1種を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Li、Sc、Y、及びAlから選択される2種以上の元素を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがRe、Ta、Mn、Cr、Hf、Ta、Zr、Y、Ta、及びMn、またはTa及びCrから選択される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがRe、Ta、Mn、Cr、及びMn、またはTa及びCrから選択される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- MがTaと、MnまたはCrから選択される元素とを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合材料。
- xが0.001〜0.7である、請求項1に記載の複合材料。
- xが0.001〜0.4である、請求項1に記載の複合材料。
- xが0.001〜0.2である、請求項1に記載の複合材料。
- yが少なくとも4である、請求項1に記載の複合材料。
- XがBであり、MがReであり、xが少なくとも0.001及び0.6未満である、請求項1に記載の複合材料。
- XがBであり、MがTaであり、xが少なくとも0.001及び0.6未満である、請求項1に記載の複合材料。
- xが約0.02である、請求項20に記載の複合材料。
- XがBであり、MがMnであり、xが少なくとも0.001及び0.6未満である、請求項1に記載の複合材料。
- xが約0.04である、請求項22に記載の複合材料。
- XがBであり、MがCrであり、xが少なくとも0.001及び0.6未満である、請求項1に記載の複合材料。
- XがBであり、MがTa及びMnを含み、yが少なくとも4であり、xが少なくとも0.001及び0.4未満である、請求項1に記載の複合材料。
- W0.94Ta0.02Mn0.04B4を含む、請求項25に記載の複合材料。
- XがBであり、MがTa及びCrを含み、yが少なくとも4であり、xが少なくとも0.001及び0.2未満である、請求項1に記載の複合材料。
- W0.94Ta0.02Cr0.05B4を含む、請求項27に記載の複合材料。
- Tが、少なくとも1種の元素の周期表の第8、9、10、11、12、13または14族元素を含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- Tが、2種以上の、3種以上の、4種以上の、5種以上の、もしくは6種以上の、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族元素を含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- Tが、Cu、Ni、Co、Fe、Si、Al及びTi、またはそれらの任意の組み合わせから選択される少なくとも1種の元素を含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- Tが、Co、Ni、Fe、Si、Ti、W、Sn、Ta、またはそれらの任意の組み合わせから選択される少なくとも1種の元素を含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- TがCoを含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- TがFeを含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- TがNiを含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- TがSn含む合金である、請求項1〜28のいずれか1項に記載の複合材料。
- Tが、約40wt%〜約60wt%のCu、約10wt%〜約20wt%のCo、0wt%〜約7wt%のSn、約5wt%〜約15wt%のNi、及び約10wt%〜約20wt%のWを含む合金である、請求項1〜36のいずれか1項に記載の複合材料。
- Tが、約50wt%のCu、約20wt%のCo、約5wt%のSn、約10wt%のNi、及び約15wt%のWを含む合金である、請求項1〜37のいずれか1項に記載の複合材料。
- q及びnが重量百分率範囲である、請求項1〜38のいずれか1項に記載の複合材料。
- qが0.01〜0.7である、請求項1〜39のいずれか1項に記載の複合材料。
- qが0.1〜0.3である、請求項1〜39のいずれか1項に記載の複合材料。
- qが、約0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、または0.5である、請求項1〜39のいずれか1項に記載の複合材料。
- qが0.7〜0.8である、請求項1〜39のいずれか1項に記載の複合材料。
- nが0.01〜0.5である、請求項1〜43のいずれか1項に記載の複合材料。
- nが、約0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45または0.5である、請求項1〜44のいずれか1項に記載の複合材料。
- nが約0.25である、請求項1〜44のいずれか1項に記載の複合材料。
- 固溶体を形成する、請求項1〜46のいずれか1項に記載の複合材料。
- 酸化に対して耐性である、請求項1〜47のいずれか1項に記載の複合材料。
- 緻密化された複合材料である、請求項1〜48のいずれか1項に記載の複合材料。
- 前記第1の組成物と第2の組成物とを混合し、荷重下で圧縮して未熱処理ペレットを製造し、次いで前記ペレットを高温真空炉中で暫時焼結させて、十分に緻密化された四ホウ化タングステン(WB4)の結合材との複合材を製造する、請求項1に記載の複合材料の製造方法。
- 前記第1の組成物と第2の組成物とを、i)混合し、及びグラファイトダイ中に充填して油圧圧密化し、ii)次いでスパークプラズマ焼結炉(SPS)、高温高圧炉(HTHP)または熱間静水圧圧縮機(HIP)に装填し、十分に緻密化された四ホウ化タングステン(WB4)の結合材との複合材を製造する、請求項1に記載の複合材料の製造方法。
- 少なくとも硬質材料の表面である、切削もしくは研磨用の表面または本体を備える工具であって、前記硬質材料が、
(a)第1の式(W1−xMxXy)nの組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
前記組成物と、
(b)第2の式Tqの組成物であり、
式中、
Tは、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素を含む少なくとも1種の元素であり、
Tは、任意選択で、元素の周期表の第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14族遷移金属元素の組み合わせである合金を含んでいてもよく、
qは0.001〜0.999である
前記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1である前記工具。 - XがBである、請求項52に記載の工具。
- MがRe、Ta、Mn、Cr、Ta及びMn、またはTa及びCrの1種である、請求項52に記載の工具。
- XがBであり、MがRe、Ta、Mn、Cr、Ta及びMn、またはTa及びCrの1種である、請求項52に記載の工具。
- Tが鉄(Fe)、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)を含む少なくとも1種の元素を含む、請求項52に記載の工具。
- Tが鉄(Fe)、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)を含む1種の元素を含む、請求項56に記載の工具。
- TがCoを含む合金である、請求項52〜57のいずれか1項に記載の工具。
- TがFeを含む合金である、請求項52〜57のいずれか1項に記載の工具。
- TがNiを含む合金である、請求項52〜57のいずれか1項に記載の工具。
- TがSnを含む合金である、請求項52〜57のいずれか1項に記載の工具。
- Tが、約40wt%〜約60wt%のCu、約10wt%〜約20wt%のCo、0wt%〜約7wt%のSn、約5wt%〜約15wt%のNi、及び約10wt%〜約20wt%のWを含む合金である、請求項52〜61のいずれか1項に記載の工具。
- Tが、約50wt%のCu、約20wt%のCo、約5wt%のSn、約10wt%のNi、及び約15wt%のWを含む合金である、請求項52〜62のいずれか1項に記載の工具。
- 前記第2の組成物の重量%範囲が0.01〜0.5である、請求項52〜63のいずれか1項に記載の工具。
- 前記第2の組成物の重量%範囲が0.1〜0.5である、請求項52〜64のいずれか1項に記載の工具。
- 前記第2の組成物がCoであり、前記第2の組成物の重量%範囲が0.1〜0.5である、請求項52〜65のいずれか1項に記載の工具。
- 前記第1の組成物と第2の組成物とを混合し、荷重下で圧縮して未熱処理ペレットを製造し、次いで前記ペレットを高温真空炉中で暫時焼結させて、十分に緻密化された四ホウ化タングステン(WB4)の結合材との複合材を製造する、請求項52に係る硬質材料の製造方法。
- 前記第1の組成物と第2の組成物とを、i)混合し、及びグラファイトダイ中に充填して油圧圧密化し、ii)次いでスパークプラズマ焼結炉(SPS)、高温高圧炉(HTHP)または熱間静水圧圧縮機(HIP)に装填し、十分に緻密化された四ホウ化タングステン(WB4)の結合材との複合材を製造する、請求項52に係る硬質材料の製造方法。
- (a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であって、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xはホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
前記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であって、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
前記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
前記第2の組成物(b)が、前記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する複合材料。 - XがBである、請求項69に記載の複合材料。
- MがRe、Ta、Mn、Cr、Ta及びMn、またはTa及びCrの1種である、請求項69に記載の複合材料。
- XがBであり、MがRe、Ta、Mn、Cr、Ta及びMn、またはTa及びCrの1種である、請求項69に記載の複合材料。
- X'がBである、請求項69に記載の複合材料。
- M'がHf、Zr及びYの1種である、請求項69に記載の複合材料。
- 少なくとも硬質材料の表面である、切削もしくは研磨用の表面または本体を備える工具であって、前記硬質材料が、
(a)第1の式(W1−xMxXy)nを含む組成物であり、
式中、
Wはタングステン(W)であり、
Xは、ホウ素(B)、ベリリウム(Be)、及びケイ素(Si)の1種であり、
Mはチタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、リチウム(Li)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1種であり、
xは0.001〜0.999であり、
yは少なくとも2.0であり、
nは0.001〜0.999である
前記組成物と、
(b)第2の式(M'X')q、(M'X'2)q、(M'X'4)q、(M'X'6)q、もしくは(M'X'12)q、またはそれらの組み合わせを含む組成物であり、
式中、
X'はB、Be、及びSiの1種であり、
M'はHf、Zr、及びYの少なくとも1種であり、
qは0.001〜0.999である
前記組成物と
の2種の組成物を含み、
qとnとの和が1であり、
前記第2の組成物(b)が、前記第1の組成物のエッジ部を部分的にまたは全体的に取り囲み、保護被覆として作用する前記工具。 - XがBである、請求項75に記載の工具。
- MがRe、Ta、Mn、Cr、Ta及びMn、またはTa及びCrの1種である、請求項75に記載の工具。
- XがBであり、MがRe、Ta、Mn、Cr、Ta及びMn、またはTa及びCrの1種である、請求項75に記載の工具。
- XがBである、請求項75に記載の工具。
- M'がHf、Zr及びYの1種である、請求項75に記載の工具。
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