JP2020153017A - 超硬合金材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】付加製造による超硬合金物品の製造方法、および顆粒物質の提供。【解決手段】付加製造に供される顆粒として、炭化物粒子と、コバルト、ニッケルおよび鉄のいずれか、及びバインダーとを含んでなる、前駆体物質。各顆粒は、理論密度の少なくとも９９．５％の密度を有し、前駆体物質の顆粒は、少なくとも４０メガパスカル（ＭＰａ）の平均圧縮強度を有する。付加製造プロセスは、前駆体物質に由来する物質の連続層を構築することにより物品を製造するために用いられる。【選択図】図２
Description
この開示は、概して、付加製造による超硬合金物品の製造方法、および超硬合金物品用の前駆体物質に関する。
付加製造は、複雑形状を有する金属製品の迅速な見本および製造のための効果的な工具である。この方法は、純金属、ならびに鉄鋼およびチタン合金などの合金からなる物品の製造のためにほぼ単独で用いられることが知られている。Ｇｕ ｅｔ ａｌ．，‘Ｌａｓｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ：ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ’，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｖｉｅｗｓ，２０１２，Ｖ．５７，Ｎ．３，１３３では、金属部品の付加製造のプロセスを概説している。
付加製造プロセスは、２つ以上の相からなる複合材料からなる物品の工業的な製造にめったに用いられない。特に、付加製造は、超硬合金材料の製造に用いられない。超硬合金材料は、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）または金属合金などの金属を含んでなるバインダー材料内に分散された炭化タングステン（ＷＣ）または炭化チタン（ＴｉＣ）などの炭化物の粒子を含んでなる。バインダー相は、焼結された成形体として炭化物粉末と一緒に、固定する（ｃｅｍｅｎｔ）と言われ得る。付加製造プロセスは、短時間の付加製造プロセス中に部分的にのみ溶融される材料の緻密化に関して困難であるため、超硬合金に用いられないことがある。高密度の超硬合金を得るために必要な極めて高いエネルギーの、それ故に高温の採用は、液相焼結に付されない超硬合金顆粒の低い密度および強度によって制限され、大抵は超硬合金の付加製造のための前駆体として利用される。このような顆粒は、付加製造に必要とされる短時間で高密度のバルク材料に焼結することができず、付加製造中の高エネルギー電子またはレーザービームの衝撃に起因する熱衝撃の結果として、「爆発」によって容易に破壊され得る。
ＷＯ２０１５／１６２２０６Ａ２では、上記の問題に対処するために、液相焼結によって得られる完全に焼結された超硬合金粒状物の使用を開示している。未焼結の超硬合金顆粒を一緒に焼結される危険性を低減するために、「焼結防止粉末」が添加される。これらの粉末は、液相焼結前の素粒状物に添加された酸化セラミックまたは黒鉛からなる。しかしながら、この手法の欠点は、焼結防止粉末による超硬合金粒状物の汚染の重大な危険性があることである。さらに、このような粉末の添加は、超硬合金粒状物の強度を低下させる。
付加製造プロセスを用いて超硬合金物品を製造する方法を提供することが目的である。
第１の態様によれば、付加製造による超硬合金物品の製造方法が提供される。顆粒を含んでなり、顆粒が、炭化物粒子と、コバルト、ニッケルおよび鉄のいずれかを含んでなるバインダーと、を含んでなる、前駆体物質が提供される。各顆粒は、理論密度の少なくとも９９．５％の密度を有し、前駆体物質の顆粒は、少なくとも４０メガパスカル（ＭＰａ）の平均圧縮強度を有する。付加製造プロセスは、前駆体物質に由来する物質の連続層を構築することにより物品を製造するために用いられる。
選択肢として、前駆体物質の各顆粒は、理論密度の少なくとも９９．７％、理論密度の少なくとも９９．９％、および理論密度の１００％のいずれかから選択される密度を有する。
前駆体物質の顆粒は、場合により、少なくとも６０ＭＰａ、および少なくとも１００ＭＰａのいずれかから選択される平均圧縮強度を有する。
前駆体物質の顆粒は、場合により、２０ミクロン〜２００ミクロン、３０ミクロン〜１２０ミクロン、および４０ミクロン〜９０ミクロンのいずれかから選択されるサイズを有する。
第１の例示的な選択肢によれば、前駆体物質の顆粒を提供することは、超硬合金粉末混合物を可塑剤と有機流体中で粉砕して懸濁物を得ることと、懸濁物を乾燥して超硬合金粉末を得ることと、超硬合金粉末を粒状にして超硬合金顆粒を得ることと、を含んでなる。
顆粒は、真空または保護雰囲気中、１０００℃〜１２５０℃の温度で、１〜６０分間固相焼結され、予備焼結された粒状粉末が得られる。予備焼結された顆粒は選別され（例えば、ふるい分けによって）、予備焼結された顆粒の所要のサイズ分級物が得られる。予備焼結された顆粒は、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間焼結され、焼結された顆粒の凝集物が得られる。凝集物は、別個の完全に焼結された顆粒に砕かれる。完全に焼結された顆粒は選別され、所要のサイズ分級物が得られる。
顆粒は、真空または保護雰囲気中、１０００℃〜１２５０℃の温度で、１〜６０分間固相焼結され、予備焼結された粒状粉末が得られる。予備焼結された顆粒は選別され（例えば、ふるい分けによって）、予備焼結された顆粒の所要のサイズ分級物が得られる。予備焼結された顆粒は、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間焼結され、焼結された顆粒の凝集物が得られる。凝集物は、別個の完全に焼結された顆粒に砕かれる。完全に焼結された顆粒は選別され、所要のサイズ分級物が得られる。
選択肢として、本方法は、懸濁物を噴霧乾燥して、超硬合金顆粒を乾燥および粒状にすることを含んでなる。あるいは、超硬合金粉末は、場合により、５０℃超の温度において、回転ドラム内の回転を用いることによって粒状にされる。
第２の例示的な選択肢によれば、前駆体物質の顆粒を提供することは、超硬合金粉末混合物を可塑剤と有機流体中で粉砕して懸濁物を得ることと、懸濁物を乾燥して超硬合金粉末を得ることと、超硬合金粉末をプレスして素地を形成することと、素地を砕いて素顆粒を形成することと、素顆粒を選別して素顆粒の所要のサイズ分級物を得ることと、素顆粒を、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間焼結して、完全に焼結された顆粒の凝集物を得ることと、凝集物を砕いて、別個の完全に焼結された顆粒を得ることと、完全に焼結された顆粒を選別して所要のサイズ分級物を得ることと、を含んでなる。
第３の例示的な選択肢によれば、前駆体物質の顆粒を提供することは、超硬合金粉末混合物を可塑剤と有機流体中で粉砕して懸濁物を得ることと、懸濁物を乾燥して超硬合金粉末を得ることと、超硬合金粉末を粒状にして超硬合金顆粒を得ることと、顆粒を選別して顆粒の所要のサイズ分級物を得ることと、顆粒を、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間焼結して、完全に焼結された顆粒の凝集物を得ることと、凝集物を砕いて、別個の完全に焼結された顆粒を得ることと、完全に焼結された顆粒を選別して所要のサイズ分級物を得ることと、を含んでなる。
選択肢として、本方法は、予備焼結された顆粒を焼結した後に、０．５〜１０ＭＰａの圧力下、アルゴン中で、完全に焼結された顆粒を熱間等方圧プレスすることを含んでなる。
超硬合金物品は、場合により、理論密度の少なくとも９７％、理論密度の少なくとも９８％、理論密度の少なくとも９９％、および理論密度の少なくとも９９．５％のいずれかから選択される密度を有する。
選択肢として、本方法は、超硬合金物品を、真空または保護雰囲気中、１３００℃〜１３５０℃の温度で、２〜１５分間液相焼結に付することを含んでなる。更なる選択肢として、本方法は、超硬合金物品を、真空または保護雰囲気中、１３００℃〜１３５０℃の温度で、２〜１５分間液相焼結に付することと、超硬合金物品を、０．５〜１０ＭＰａの圧力下、アルゴン中で、熱間等方圧プレスすることと、を含んでなる。
付加製造プロセスは、場合により、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）および電子ビーム溶解（ＥＢＭ）のいずれかから選択される。
顆粒は、場合により、バインダー中に固溶体の形態で、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａおよび／またはこれらの金属の群から選択される金属の炭化物、炭窒化物および／または窒化物を含んでなる。
顆粒は、場合により、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｙ、Ｃｕの群から選択される金属を含んでなる。
本方法は、場合により、超硬合金物品の表面上に、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）の層を配置することをさらに含んでなる。
第２の態様によれば、付加製造による超硬合金物品の製造に用いる粒状前駆体物質であって、粒状前駆体物質は顆粒を含んでなり、顆粒は、炭化物粒子と、コバルト、ニッケルおよび鉄のいずれかを含んでなるバインダーとを含んでなり、各顆粒は、理論密度の少なくとも９９．５％の密度を有し、前駆体物質の顆粒は、少なくとも４０ＭＰａの平均圧縮強度を有する、粒状前駆体物質が提供される。
選択肢として、前駆体物質の各顆粒は、理論密度の少なくとも９９．７％、理論密度の少なくとも９９．９％、および理論密度の１００％のいずれかから選択される密度を有する。
選択肢として、前駆体物質の顆粒は、少なくとも６０ＭＰａ、および少なくとも１００ＭＰａのいずれかから選択される平均圧縮強度を有する。
選択肢として、前駆体物質の顆粒は、２０ミクロン〜２００ミクロン、３０ミクロン〜１２０ミクロン、および４０ミクロン〜９０ミクロンのいずれかから選択されるサイズを有する。
本開示を例示的に説明するために非限定的な構成の例は、添付の図面を参照して説明される。
図１を参照すると、例示的な付加製造装置１が示されている。供給粉末２は、供給容器内の移動式供給台４の上に配置されている。レーキアーム（ｒａｋｅ ａｒｍ）５は、粉末６の薄い層を造形容器７に押し込むために、供給粉末２の頂部を周期的に掃く。造形容器７内の粉末６は、稼働式造形台８上に置かれる。
コンピューター９は、粉末６の層にエネルギーを導くためにエネルギー源１０を制御する。エネルギーは、レーザーまたは電子ビームなどの任意の適切な供給源によって提供されてもよい。この例では、エネルギーはレーザー１１である。操作は不活性環境中で実施してもよい。
レーザー１１は、造形台状の粉末６を横切ってスキャンされ、例えば、０．５〜２５ｍｓの短パルスが提供される。このエネルギーは、粉末６を非常に小さな領域で溶融し、粉末中に物品１２を構築し始める。レーザー１１は、コンピューター９によって送られた命令に従ってラスター（ｒａｓｔｅｒ）を横切って移動する。レーザー１１がラスターを横切って垂直方向にスキャンされると、造形台は所要の粉末厚さの距離だけ下方にインデックスする。レーキアーム５は、粉末を供給容器３から造形容器７に掃き、供給台４は、所要の粉末厚さの距離だけ上方にインデックスされ、付加製造の次の層のための粉末を提供するために準備する。このようにして、複雑な形状を有する物品１２は構築され得る。操作が終了し、物品１２が生成されると、過剰な粉末は物品１２から除去され、新たな操作で再利用されてもよい。
上記のように、超硬合金などの複合材料が、短い時間のエネルギーの適用では、部分的に溶融するだけで、完全な緻密化を達成することは困難であるため、付加製造は、典型的には金属および合金などの単相材料のために用いられる。
驚くべきことに、バインダー中の完全に焼結された炭化物粒子の顆粒は、付加製造によって高密度の超硬合金物品の製造に用いられ得ることが、今回見出された。これをするためには、顆粒は、理論密度に近い高い密度、および高い圧縮強度を必要とする。理論密度は、「完全な」非多孔質材料の密度である。
高密度物品を得るために完全に焼結された粒状物の緻密化は、付加製造プロセス中に必要とされる短時間の高エネルギーを適用することで達成することができる。顆粒の高い圧縮強度が原因で、高エネルギー電子またはレーザービームは、熱衝撃によって引き起こされる可能性があるそのような粒子の損傷、破壊または「爆発」の重大な危険なしに、付加製造プロセス中に用いられ得る。さらに、２００μｍ未満のサイズの微細な超硬合金顆粒の使用により、付加製造プロセス中に素早く焼結されるので、付加製造によって調製された超硬合金物品１２は、理論密度と比較して高い密度を有する。
上記の技術は、バインダー中の任意のタイプの炭化物粒子に用いられてもよく、炭化物粒子が炭化タングステンであり、バインダーがコバルト、ニッケル、鉄、またはこれらの金属の混合物に基づく場合に、特定の用途を有する。
図２は、付加製造によって超硬合金物品を製造する例示的な工程を示すフロー図である。以下の番号は図１の番号に相当する。
Ｓ１．顆粒の形態の超硬合金の前駆体物質が提供される。顆粒はバインダー内に分散された炭化物粒子を含んでなる。バインダーは、コバルト、ニッケルおよび鉄などの物質を単独で、または任意の組み合わせで含んでなる。各顆粒は、理論密度の少なくとも９９．５％の密度を有し、前駆体物質の顆粒は、少なくとも４０ＭＰａの平均圧縮強度を有する。
少なくとも６０ＭＰａ、または少なくとも１００ＭＰａなどのより高い圧縮強度は、改善された特性を与えることができる。前駆体物質の顆粒は、典型的には２０μｍ〜２００μｍのサイズを有する。３０μｍ〜２００μｍ、および４０μｍ〜９０μｍのサイズは、いくつかの用途に好まれ得る。レーキアーム５が粉末を供給容器３から造形容器７に広げる際に、顆粒は均等に広がり、レーキアーム５と容器壁との間で引きずられたり、詰まったりしないことを確保するために、顆粒のサイズは、付加製造プロセス中の各層よりもはるかに大きくすべきではない。例えば、各所望の層が、１００μｍの厚さである場合、最大顆粒サイズは、１００μｍを超えるべきではない。ケーキを形成する際のプロセスの温度により、各層はプロセス中に圧縮され、顆粒の密度から最終物品の密度へ増加するため、顆粒は、層の厚さよりわずかに大きくなり得ることに留意する。
少なくとも６０ＭＰａ、または少なくとも１００ＭＰａなどのより高い圧縮強度は、改善された特性を与えることができる。前駆体物質の顆粒は、典型的には２０μｍ〜２００μｍのサイズを有する。３０μｍ〜２００μｍ、および４０μｍ〜９０μｍのサイズは、いくつかの用途に好まれ得る。レーキアーム５が粉末を供給容器３から造形容器７に広げる際に、顆粒は均等に広がり、レーキアーム５と容器壁との間で引きずられたり、詰まったりしないことを確保するために、顆粒のサイズは、付加製造プロセス中の各層よりもはるかに大きくすべきではない。例えば、各所望の層が、１００μｍの厚さである場合、最大顆粒サイズは、１００μｍを超えるべきではない。ケーキを形成する際のプロセスの温度により、各層はプロセス中に圧縮され、顆粒の密度から最終物品の密度へ増加するため、顆粒は、層の厚さよりわずかに大きくなり得ることに留意する。
Ｓ２．付加製造プロセスは、前駆体物質に由来する物質の連続層を造形することによって物品を製造するために用いられる。これは、高エネルギー電子ビームまたはレーザーパルスを含んでもよい。エネルギーは、バインダー相を溶融するためには十分であるが、炭化物相を溶融するためには十分ではなく、これは物品１２において完全な緻密化を達成することが可能になる。物品１２が製造されると、過剰な粉末が除去され、更なる操作で再利用され得る。
所要の特性を有する前駆体物質顆粒が調製され得るいくつかの手法がある。
図３は、前駆体物質顆粒を調製する第１の例示的な方法に関して例示的な工程を例示するフロー図である。以下の番号は図３の番号に相当する。
Ｓ３．超硬合金粉末混合物は、可塑剤と有機流体中で粉砕され、懸濁物が得られる。粉砕が行われ、所望の粒子径、および炭化物粉末とバインダーとの間の密な混合物が得られる。バインダーがコバルトなどの金属または合金である場合、粉砕のエネルギーは、炭化物粒子上にバインダーを「塗り付けて」、密な混合物を確保する。
Ｓ４．懸濁物は乾燥され、超硬合金粉末が得られる。
Ｓ５．超硬合金粉末は粒状にされ、超硬合金顆粒が得られる。工程Ｓ４およびＳ５は、懸濁物の乾燥操作と一緒に行われ得ることに留意する。
Ｓ６．予備焼結された、粒状にされた粉末は、顆粒を真空または保護雰囲気中、１０００℃〜１２５０℃の温度で、１〜６０分間固相焼結することによって得られる。予備焼結は、顆粒の機械強度を改善し、これは取扱いが容易になる。予備焼結された、粒状にされた粉末は、次いで、より小さい顆粒に砕かれる。
Ｓ７．予備焼結された顆粒は選別され、予備焼結された顆粒の所望の分級物が得られる。
所望の分級物は、粉末の取扱いを助けるために、最大粒子径、最小粒子径および平均粒子径を含んでもよい。選別は、ふるい分けによって行われてもよく、顆粒サイズは、例えば、４０〜１００μｍであってもよい。
所望の分級物は、粉末の取扱いを助けるために、最大粒子径、最小粒子径および平均粒子径を含んでもよい。選別は、ふるい分けによって行われてもよく、顆粒サイズは、例えば、４０〜１００μｍであってもよい。
Ｓ８．予備焼結された顆粒は、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間液相焼結され、焼結された顆粒の凝集物が得られる。顆粒はほとんど完全に焼結されるが、後に凝集物を粉砕することがより困難になるため、凝集物が完全に焼結されることは望ましくない。
Ｓ９．凝集物は砕かれ、別個の完全に焼結された前駆体物質顆粒が得られる。
Ｓ１０．ほとんど完全に焼結された前駆体物質顆粒は選別され、付加製造プロセスのための所望の分級物が得られる。再度、所望の分級物は、顆粒が付加製造プロセス中にレーキアーム５によって均等に動かされることを確保するために最大粒径を含んでもよく、かつ粉末の取扱いを可能にするために、最小粒径および平均粒径を含んでもよい。大きすぎる顆粒は、付加製造プロセス中に完全に焼結しなくてもよいので、最大粒径も必要とされ得る。選別は、ふるい分けによって行われてもよく、顆粒サイズは、例えば、４０〜１００μｍであってもよい。前駆体物質顆粒は、所要の特性を有し、上記の通り付加製造プロセスに用いられる。
図４は、前駆体物質顆粒を調製する第２の例示的な方法に関して、例示的な工程を例示するフロー図である。以下の番号は図４の番号に相当する。
Ｓ１１．超硬合金粉末混合物は、上記工程Ｓ３で記載された通りに粉砕される。
Ｓ１２．懸濁物は、上記工程Ｓ４で記載された通りに乾燥される。
Ｓ１３．乾燥された粉末は、バインダーなしで乾燥プレスされ、素地が形成される。
Ｓ１４．素地は、軽く粉砕によって砕かれ、顆粒が形成される。
Ｓ１５〜Ｓ１８．顆粒の更なる処理は、上記工程Ｓ７〜Ｓ１０の通り、いくつかの手段で行われる。
図５は、前駆体物質顆粒を調製する第３の例示的な方法に関して例示的な工程を例示するフロー図である。以下の番号は図３の番号に相当する。
Ｓ１９．超硬合金粉末混合物は、上記工程３で記載された通りに粉砕される。
Ｓ２０．懸濁物は、上記工程Ｓ４で記載された通りに乾燥される。
Ｓ２１．乾燥された粉末は、上記工程Ｓ５で記載された通りに粒状にされる。
Ｓ２２．顆粒は、上記工程７で記載された通りに、ふるい分けされ、所望のサイズの分級物が得られる。
Ｓ２３〜Ｓ２５．顆粒の更なる処理は、上記工程Ｓ８〜Ｓ１０の通り、いくつかの手段で行われる。
当業者は、他に公知の粉末調製技術が用いられ得、付加製造に用いる所要の特性を有する超硬合金顆粒が得られ得ることを理解するだろう。
以下の例は、どのように前駆体顆粒物質が調製されることができ、かつ後の付加製造プロセスで用いられることができるかを示す。
例１
ＷＣ−Ｃｏ粉末（２００ｋｇ）の製造バッチは、１７４ｋｇのＷＣと２６ｋｇのＣｏ粉末とを一緒に粉砕することによって作られた。ＷＣ粉末は、１．３μｍの平均粒径を有した。Ｃｏ粉末は、約１μｍの平均粒径を有した。加えて、アルコールに４ｋｇのパラフィンワックスが添加された。これらの成分は、１０００ｋｇの炭化物ボールを備えるアトライターミル中で一緒に３時間粉砕された。
ＷＣ−Ｃｏ粉末（２００ｋｇ）の製造バッチは、１７４ｋｇのＷＣと２６ｋｇのＣｏ粉末とを一緒に粉砕することによって作られた。ＷＣ粉末は、１．３μｍの平均粒径を有した。Ｃｏ粉末は、約１μｍの平均粒径を有した。加えて、アルコールに４ｋｇのパラフィンワックスが添加された。これらの成分は、１０００ｋｇの炭化物ボールを備えるアトライターミル中で一緒に３時間粉砕された。
粉砕後、得られた懸濁物は、約９０℃の温度で乾燥された。粉末混合物は、Ｎｅｔｚｓｃｈ（登録商標）からのユニットの使用によって、約８０℃の温度で回転ドラム中で圧延することにより粒状にされた。得られた顆粒は、４０〜４００μｍの様々な粒径分級物にふるい分けされた。
ふるい分けされた顆粒は、約１０ｃｍの最大高さで５０×５０×１０ｃｍの黒鉛ボックスに入れられ、１０８０℃の温度で３０分間予備焼結された。予備焼結された顆粒は、５０〜１００μｍの様々な粒径分級物にふるい分けされた。
予備焼結され、かつふるい分けされた顆粒は、黒鉛ボックスに入れられ、最終的に、１３１０℃の温度において、真空中で４５分間、その後アルゴン中で５０ｂａｒの圧力（熱間等方圧プレス法）で３０分間焼結された。最終的な焼結後、顆粒は凝集された顆粒からなる「焼結ケーキ（ｓｉｎｔｅｒ ｃａｋｅ）」を形成した。凝集された顆粒は、軽い粉砕によって砕かれた。得られた焼結された顆粒は、最初に、５００μｍのサイズを有するふるいを通ってふるい分けされた。次いで、焼結された顆粒は、６０〜１００μｍの様々な粒径分級物にふるい分けされた。
図６は、上記通りに製造された顆粒の断面の微細構造を示す。多孔性は断面に見られないので、顆粒はほぼ理論密度に焼結されていると思われ得る。温度は、顆粒を完全に緻密化するのに十分高いが、その焼結を一緒に防ぐために高すぎなかった。
５つの顆粒の試料が、破壊的機械的試験のために無作為に選択された。各顆粒は、硬質ステージに置かれ、硬質プレートは特定の速度で顆粒に対してゆっくりとプレスされ、したがって、顆粒が砕けるまで、５０ミリニュートン（ｍＮ）から最大２，０００ニュートン（Ｎ）まで増加する力で圧縮した。各顆粒の機械特性は、顆粒のサイズに部分的に依存するので、試験された顆粒は、全て１００〜１２０μｍの直径サイズを有した。顆粒の平均圧縮強度は、２７０±５０メガパスカル（ＭＰａ）であることが分かった。
顆粒は、３０ｍＡの電流および５ｍ／ｓの電子ビーム速度において、付加製造プロセスで溶融する電子ビームを用いることによって、約１５ｍｍの直径および約１０の高さの円柱体の製造のために用いられた。付加製造プロセスを行う前に、２ｍｍの厚い顆粒層は、１００×１００×１０ｍｍのサイズのＷＣ−２０％Ｃｏ超硬合金のプレート上に配置され、これは、電子ビームによって１１００℃の温度にプレ加熱された。付加製造プロセスが終了した後、焼結された炭化物物品の間の焼結されていない顆粒は、すぐに圧縮空気を用いて吹き飛ばすことによって除去された。焼結された物品は、１４．０ｇ／ｃｍ３の密度を有し、これは理論重量の９８．６％に相当する。焼結された物品は、１０．５ｋＡ／ｍの保磁力、１８．２Ｇｃｍ３／ｇの磁気モーメント、１１９０ビッカース単位の硬さ、および１４．０ＭＰａｍ１／２の破壊靱性を有した。
その後の研磨の後、焼結された円柱体は、高圧高温（ＨＰＨＴ）条件下でプレス焼結によって得られた多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）の基材として用いられた。ＨＰＨＴプレス焼結が終了した際に、１つの炭化物円柱体の試料は切断され、調べられた。その密度は、１４．２４ｇ／ｃｍ３であり、これは密度１００％に相当することが分かった。保磁力は１０．１ｋＡ／ｍに低下し、磁気モーメントは１７．８Ｇｃｍ３／ｇに低下し、硬さは１２９０ビッカース単位に上昇し、破壊靱性は１４．２ＭＰａｍ１／２に上昇した。
例２
例１に記載された付加製造プロセスによって製造された炭化物円柱体は、１３２０℃の温度において、真空中で２分間、加えてアルゴン中で４０ｂａｒの圧力で１０分間の熱間等方圧プレス法で液相焼結に付された。その密度は１４．２２ｇ／ｃｍ３であったことが分かり、これは密度１００％（１４．２±０．１ｇ／ｃｍ３の理論密度）に相当した。保磁力は１０．４ｋＡ／ｍに低下し、磁気モーメントは１８．１Ｇｃｍ３／ｇに低下し、硬さは１２２０ビッカース単位に上昇し、破壊靱性は１４．１ＭＰａｍ１／２に上昇した。
例１に記載された付加製造プロセスによって製造された炭化物円柱体は、１３２０℃の温度において、真空中で２分間、加えてアルゴン中で４０ｂａｒの圧力で１０分間の熱間等方圧プレス法で液相焼結に付された。その密度は１４．２２ｇ／ｃｍ３であったことが分かり、これは密度１００％（１４．２±０．１ｇ／ｃｍ３の理論密度）に相当した。保磁力は１０．４ｋＡ／ｍに低下し、磁気モーメントは１８．１Ｇｃｍ３／ｇに低下し、硬さは１２２０ビッカース単位に上昇し、破壊靱性は１４．１ＭＰａｍ１／２に上昇した。
上記例において、所望の粒径は、大きな顆粒が存在しないことを確保するために、公知のメッシュサイズのふるいを通して顆粒をふるい分けすることによって得られた。これらは、粉末の取扱いの問題および焼結の問題を引き起こす可能性があった。
超硬合金の種々の例の実施形態、超硬合金の製造方法、および超硬合金を含んでなる工具が、上記に記載されている。当業者は、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、これらの例に変更および修正を加えることができることを理解する。例えば、上記例は、超硬合金タングステン物品を指すが、同じ技術が他のタイプの超硬合金物品に適用されてもよいことは理解される。
Claims (21)
- 付加製造による超硬合金物品の製造方法であって、
顆粒を含んでなる粒状前駆体物質を提供することであって、前記顆粒が、炭化物粒子と、コバルト、ニッケルおよび鉄のいずれかを含んでなるバインダーと、を含んでなり、各顆粒が、理論密度の少なくとも９９．５％の密度を有し、前記前駆体物質の顆粒が、少なくとも４０メガパスカル（ＭＰａ）の平均圧縮強度を有する、粒状前駆体物質を提供することと、
付加製造プロセスを用いて、前記前駆体物質に由来する物質の連続層を構築することにより前記物品を製造することと、
を含んでなる、超硬合金物品の製造方法。 - 前記前駆体物質の各顆粒が、前記理論密度の少なくとも９９．７％、前記理論密度の少なくとも９９．９％、および前記理論密度の１００％のいずれかから選択される密度を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記前駆体物質の顆粒が、少なくとも６０ＭＰａ、および少なくとも１００ＭＰａのいずれかから選択される平均圧縮強度を有する、請求項１または２に記載の方法。
- 前記前駆体物質の顆粒が、２０ミクロン〜２００ミクロン、３０ミクロン〜１２０ミクロン、および４０ミクロン〜９０ミクロンのいずれかから選択されるサイズを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記前駆体物質の顆粒を提供することが、
超硬合金粉末混合物を可塑剤と有機流体中で粉砕して懸濁物を得ることと、
前記懸濁物を乾燥して超硬合金粉末を得ることと、
前記超硬合金粉末を粒状にして超硬合金顆粒を得ることと、
前記顆粒を、真空または保護雰囲気中、１０００℃〜１２５０℃の温度で、１〜６０分間固相焼結して、予備焼結された粒状粉末を得ることと、
前記予備焼結された粒状粉末を選別して、前記予備焼結された顆粒の所望のサイズ分級物を得ることと、
前記予備焼結された顆粒を、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間液相焼結して、完全に焼結された顆粒の凝集物を得ることと、
前記凝集物を砕いて、別個の完全に焼結された顆粒を得ることと、
前記完全に焼結された顆粒を選別して所望のサイズ分級物を得ることと、
を含んでなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。 - 前記懸濁物を噴霧乾燥して、前記超硬合金顆粒を乾燥および粒状にすることを、さらに含んでなる、請求項５に記載の方法。
- 前記超硬合金粉末を、５０℃超の温度において、回転ドラム内の回転を用いることによって粒状にすることを、さらに含んでなる、請求項５に記載の方法。
- 前記前駆体物質の顆粒を提供することが、
超硬合金粉末混合物を可塑剤と有機流体中で粉砕して懸濁物を得ることと、
前記懸濁物を乾燥して超硬合金粉末を得ることと、
前記超硬合金粉末をプレスして素地を形成することと、
前記素地を砕いて素顆粒を形成することと、
前記素顆粒を選別して前記素顆粒の所望のサイズ分級物を得ることと、
前記素顆粒を、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間焼結して、完全に焼結された顆粒の凝集物を得ることと、
前記凝集物を砕いて、別個の完全に焼結された顆粒を得ることと、
前記完全に焼結された顆粒を選別して所望のサイズ分級物を得ることと、
を含んでなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。 - 前記前駆体物質の顆粒を提供することが、
超硬合金粉末混合物を可塑剤と有機流体中で粉砕して懸濁物を得ることと、
前記懸濁物を乾燥して超硬合金粉末を得ることと、
前記超硬合金粉末を粒状にして超硬合金顆粒を得ることと、
前記顆粒を選別して前記顆粒の所要のサイズ分級物を得ることと、
前記顆粒を、真空または保護雰囲気中、１２６０℃〜１３３０℃の温度で、２〜２０分間焼結して、完全に焼結された顆粒の凝集物を得ることと、
前記凝集物を砕いて、別個の完全に焼結された顆粒を得ることと、
前記完全に焼結された顆粒を選別して所要のサイズ分級物を得ることと、
を含んでなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。 - 前記予備焼結された顆粒を焼結した後に、０．５〜１０ＭＰａの圧力下、アルゴン中で、前記完全に焼結された顆粒を熱間等方圧プレスすることを、さらに含んでなる、請求項５〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超硬合金物品が、理論密度の少なくとも９７％、理論密度の少なくとも９８％、理論密度の少なくとも９９％、および理論密度の少なくとも９９．５％のいずれかから選択される密度を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超硬合金物品を、真空または保護雰囲気中、１３００℃〜１３５０℃の温度で、２〜１５分間液相焼結に付することを、さらに含んでなる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超硬合金物品を、真空または保護雰囲気中、１３００℃〜１３５０℃の温度で、２〜１５分間液相焼結に付することと、
前記超硬合金物品を、０．５〜１０ＭＰａの圧力下、アルゴン中で、熱間等方圧プレスすることと、をさらに含んでなる、請求項１２に記載の方法。 - 前記付加製造プロセスが、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、および電子ビーム溶解（ＥＢＭ）のいずれかを含んでなる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記顆粒が、前記バインダー中に固溶体の形態で、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａおよび／またはこれらの金属の群から選択される金属の炭化物、炭窒化物および／または窒化物を含んでなる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記顆粒が、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｙ、Ｓｉ、Ｃｕの群から選択される金属を含んでなる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記超硬合金物品の表面上に、多結晶ダイヤモンド，ＰＣＤの層を配置することを、さらに含んでなる、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
- 付加製造による超硬合金物品の製造に用いる粒状前駆体物質であって、顆粒前駆体物質が顆粒を含んでなり、前記顆粒が、炭化物粒子と、コバルト、ニッケルおよび鉄のいずれかを含んでなるバインダーと、を含んでなり、各顆粒が、理論密度の少なくとも９９．５％の密度を有し、前記前駆体物質の顆粒が、少なくとも４０ＭＰａの平均圧縮強度を有する、粒状前駆体物質。
- 前記前駆体物質の各顆粒が、前記理論密度の少なくとも９９．７％、前記理論密度の少なくとも９９．９％、および前記理論密度の１００％のいずれかから選択される密度を有する、請求項１８に記載の粒状前駆体物質。
- 前記前駆体物質の顆粒が、少なくとも６０ＭＰａ、および少なくとも１００ＭＰａのいずれかから選択される平均圧縮強度を有する、請求項１８または１９のいずれか一項に記載の粒状前駆体物質。
- 前記前駆体物質の顆粒が、２０ミクロン〜２００ミクロン、３０ミクロン〜１２０ミクロン、および４０ミクロン〜９０ミクロンのいずれかから選択されるサイズを有する、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
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