JP2021531413A

JP2021531413A - 伸線ダイス

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Publication number: JP2021531413A
Application number: JP2021524105A
Authority: JP
Inventors: ドレシェル，ミヒャエル; ヴァルセッキ，アントネッロ
Original assignee: Ceratizit Luxembourg SARL
Current assignee: Ceratizit Luxembourg SARL
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: BR112020026905B1; KR20210030961A; US20210323040A1; US11904370B2; EP3594370A1; JP7133712B2; BR112020026905A2; EP3821053A1; CN112449655A; WO2020011575A1

Abstract

炭化タングステンおよび金属バインダを含む超硬合金材料から作製された伸線ダイス（２）が提供される。超硬合金材料は、０．１５〜１．３μｍの平均粒径を有する炭化タングステン、比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９である０．５〜５．０重量％の（Ｃｏ＋Ｎｉ）、０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．２２である０．１〜１．０重量％のＣｒ、０．０２〜０．２重量％のＭｏ、及び０〜０．０４重量％のＶを含有し、超硬合金材料は、η相を実質的に含まない。

Description

本発明は、超硬合金材料からなる伸線ダイス、特に鋼線を伸線加工する伸線ダイスに関する。

伸線ダイスは、いくつかの用途のために線材の製造に使用される。伸線加工用工具は、ユーザに経済的な利点をもたらすために、高い硬度と耐摩耗性を発揮しなければならない。金属材料から線材を伸線加工するための伸線ダイス、特に鋼線を伸線加工するために、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金材料から作られることが多い。超硬合金は、ＷＣ粒間の空隙がほとんどの場合においてコバルト（Ｃｏ）で形成される延性金属材料で充填された複合材料である。

欧州特許第１３２７００７号には、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる結合相を有し、微細に分布した金属相（η相）を１〜５体積％の高含有量の構造を有する超硬合金から作製された伸線ダイスが記載されている。

伸線加工の工程で生産性を向上させるために、この工程で使用される伸線ダイスは、ますます過酷な条件にさらされている。このような工具の故障モードは、機械的摩耗に限定されるものではなく、加工材料およびプロセスで使用される潤滑剤との相互作用による腐食にも関係する。また、ダイスと線材との接触領域で生じる高い局部温度も腐食機構を加速する一因となる。更に、加工材料の高い硬度が伸線加工工具に応力の臨界値をもたらす幾つかの用途において、高い値の破壊靭性が要求される。これに伴い、従来主流であった伸線ダイスの材質が高硬度であることの要求の他に、伸線ダイスの耐腐食性や靭性などの他の特性も改善したいという要求が増えてきている。炭化物グレードの耐腐食性を改善するための標準的な戦略は、しばしば様々なバインダ組成による破壊靭性の低下をもたらす。

欧州特許第１３２７００７号明細書

本発明の目的は、高硬度と同時に改良された耐腐食性および靭性を有する超硬合金材料から作製された伸線ダイスを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の伸線ダイスにより解決される。さらなる発展は従属クレームにおいて定義される。

伸線ダイスは、炭化タングステンおよび金属バインダを含む超硬合金材料から作製される。超硬合金材料は、平均粒径が０．１５〜１．３μｍである炭化タングステン、比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９である０．５〜５．０重量％の（Ｃｏ＋Ｎｉ）、０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．２２である０．１〜１．０重量％のＣｒ、０．０２〜０．２重量％のＭｏ及び０〜０．０４重量％のＶを含有する。超硬合金材料は、η相を実質的に含まない。好ましくは、超硬合金材料は、この組成物のみに不可避的不純物を加えたもの、すなわち本質的にこの組成物からなるものを含むことができる。このような超硬合金材料から作製された伸線ダイスが、驚くべきことに、高い硬度を有するだけでなく、改良された耐腐食性及び靭性を示すことを見出した。定義したようなＣｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）比を有するＣｏ−Ｎｉ混合バインダは、一方で、バインダによる炭化タングステン結晶粒の濡れ性と、他方で高い耐腐食性との、特に良好なバランスを達成する。さらに、著しく改善された破壊靭性が達成され、これは、η相およびバナジウムの両方の有意な量が存在しないことに起因すると考えられる。比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）および比Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）は、重量％に基づいて決定される。

さらなる進展によれば、超硬合金材料は、ＨＶ１０≧２４３０−２００^＊重量％（Ｃｏ＋Ｎｉ）の式を満たす硬さＨＶ１０を有する。ビッカース硬さＨＶ１０は、ＤＩＮＩＳＯ３８７８：１９９１（「Ｈａｒｄｍｅｔａｌｓ−Ｖｉｃｋｅｒｓ硬さ試験」）に従って決定される。金属バインダの含有量に関連してこの高い硬度は、超硬合金材料を非常に要求の厳しい伸線用途に特に適したものにする。硬さＨＶ１０は、好ましくは、ＨＶ≦２９０５〜２００^＊重量％（Ｃｏ＋Ｎｉ）の式を満たすこともできる。

さらなる進展によれば、超硬合金材料は、ＩＳＯ２８０７９：２００９に従うＰａｌｍｑｖｉｓｔ方法によって決定されるように、破壊靭性Ｋｉｃを有し、式：Ｋｉｃ≧０．４５＋１．７^*（重量％（Ｃｏ＋Ｎｉ）)を満たす。この範囲の高い破壊靭性は、伸線加工において被加工材料の高硬度の場合にも、伸線ダイスの信頼できる使用を可能にする。破壊靭性Ｋｉｃは、好ましくは、Ｋｉｃ[ＭＰａ／√ｍ]≦４．２４＋１．７^*（重量％（Ｃｏ＋Ｎｉ）)によって区切られた帯域であり得る。

さらなる進展によると、炭化タングステンは、０．４〜１．３μｍの平均粒径を有する。平均粒度は０．５〜０．８μｍであり得、これは硬度と靭性のバランスに関して特に有利であることが証明された。

比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．７〜０．８であれば、バインダによる炭化タングステン結晶粒の濡れ性と耐腐食性とのバランスが特に良好である。

さらなる進展によると、Ｍｏ含有量は、超硬合金の０．０３〜０．０８重量％である。これにより、高温の加工温度における炭化タングステン結晶粒の粒径及び超硬合金の耐腐食性を特に良好に制御することができる。

超硬合金材料が２．０〜５．０重量％の（Ｃｏ＋Ｎｉ）を含む場合には、伸線ダイスは、求められる伸線加工作業に特に良く適しており、脆さが高すぎること、硬度が低すぎることの両方が確実に阻止される。

更なる進展によれば、超硬合金材料は０．０３重量％未満のＶを含有する。これにより超硬合金材料の高いレベルの破壊靭性が確保される。

さらなる進展によると、伸線ダイスは、スチールコード延伸のための伸線ダイスである。本発明による超硬合金材料からの伸線ダイスは、この用途に特によく適していることが見出された。

さらなる進展によれば、Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の関係が下記式で満たされる。
０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．１７

さらなる利点およびさらなる進展は、添付の図面を参照した以下の実施形態の説明から明らかになるであろう。

鋼製ケーシングにケーシングされた実施形態による超硬合金伸線ダイスを含む伸線ダイス工具の概略図である。図１の伸線ダイス工具の概略上面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った伸線ダイス工具の概略断面図である。サンプルＢの光学顕微鏡像である。サンプルＥの光学顕微鏡像である。

次に、図を参照して実施形態を説明する。

一実施形態による伸線ダイス工具１が図１に示されている。この伸線ダイス工具１は、鋼製ケーシング３内にケーシングされた超硬合金材料からなる伸線ダイス２を備える。伸線ダイス２（しばしば、伸線ダイスペン先と称される）は、伸線加工において形成されるワイヤの材料と直接接触する耐摩耗性の形成インサートである。特定の実施形態では、伸線ダイス工具１は、スチールコード延線のために設計される。

非常に特定の伸線ダイス工具１における伸線ダイス２の配置が図１〜図３に示されているが、ケーシング配置の他の実現も可能である。

この伸線ダイス２は、伸線加工工程中に被加工材と接触するように構成された内部形成面２１を有している。また、実施形態による伸線ダイス工具１は、スチールコード延線に適している。

伸線ダイス２は、以下に説明するように、特定の組成を有する超硬合金材料から作製される。

本発明による伸線ダイス２は、平均粒径０．１５〜１．３μｍの炭化タングステン（ＷＣ）と延性金属バインダとを含む微粒子超硬合金材料からなる。好ましくは、炭化タングステンは、０．４〜１．３μｍ、より好ましくは０．５〜０．８μｍの範囲の平均粒径を有することができる。超硬合金材料は、ＣｏとＮｉを主成分とする混合金属バインダを有する。超硬合金材料のＣｏとＮｉの混合量は０．５〜５．０重量％の範囲にある。好ましくは、ＣｏとＮｉの混合量（すなわち（Ｃｏ＋Ｎｉ）含有量）は、超硬合金材料の２．０〜５．０重量％の範囲内である。ＣｏおよびＮｉのそれぞれの量は、比（重量％)Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９の範囲、すなわちＣｏの量が実質的にＮｉの量よりも多いように選択される。好ましくは、ＣｏおよびＮｉの含有量は、比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．７〜０．８の範囲にあるように選択することができる。

さらに、超硬合金材料は、０．１〜１．０重量％のＣｒ含有量を有する。特に、Ｃｒの量は、以下の関係（重量％）を満たすように選択される。
０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．２２。
好ましくは、０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．１７の関係を満たすことができる。そうすることで、有利な結晶微粒子効果を達成することができ、Ｃｒ_３Ｃ_２の望ましくない析出を確実に防止することができる。

さらに、超硬合金材料は、超硬合金材料の０．０２〜０．２重量％の範囲のＭｏ含有量を含む。前記超硬合金材料の製造工程は、前記超硬合金材料が少なくとも実質的にη相を含まないように注意深く制御される。実質的にη相を含まないとは、０〜０．５体積％未満のη相の量を意味する。η相、すなわち脆性混合（Ｗ_x、Ｃｏ_y）_zＣ相の存在は、硬さおよび／または破壊靭性の望ましくない低下をもたらすであろう。η相の実質的な不在は、当該技術分野で周知のように、超硬合金材料の製造プロセス中の炭素バランスを制御することによって実現することができる。

超硬合金材料は、さらに実質的にＶ（バナジウム）を含まず、いずれの場合も０．０４重量％未満のＶである。特に、超硬合金材料は、不可避的な汚染を除いて、好ましくはＶを含まないものである。好ましくは、超硬合金材料は、少なくとも０．０３重量％未満のＶを含有する。

本発明による超硬合金材料は、粒径（フィツシャーふるい径：ＦＳＳＳ）がそれぞれ０．７５μｍ、２．８５μｍ、１．００μｍおよび０．６μｍの複数のＷＣ粉末、ＦＳＳＳ粒径が０．８μｍのＣｏ粉末、２．２５μｍのＦＳＳＳ粒径を有するＮｉ粉末、１．５μｍのＦＳＳＳ粒径を有するＣｒ_３Ｃ_２粉末、１．５μｍのＦＳＳＳ粒径を有するＣｒ_２Ｎ粉末、１．５μｍのＦＳＳＳ粒径を有するＭＯ_２Ｃ粉末、および（比較例の場合）１μｍのＦＳＳＳ粒径を有するＶＣ粉末を使用し、それぞれの粉末を溶媒中でボールミル／アトライター中で混合し、続いて従来の方法で噴霧乾燥することによって、粉末冶金法によって製造した。得られた造粒物を圧縮成形して所望の形状に成形し、続いて超硬合金材料を得るために従来の方法で焼結した。異なった内径を有する鋼線伸線ダイスを超硬合金材料から製造し、続いて試験した。

超硬合金材料中の炭化タングステン結晶粒の平均粒径は、「ＥＢＳＤ（電子後方散乱回折）像からの等価円直径（ＥＣＤ）法」に従って求めた。この方法は、例えば、ＦｒｅｄｒｉｋＪｏｓｅｆｓｓｏｎによる「ＥＢＳＤを用いた粒径測定のための定量的方法の開発」、科学修士論文、ストックホルム２０１２に記載されている。

［実施例１]
内径が０．１〜１．２ｍｍのスチールコード延線用の数個の伸線ダイス２を、上記のように粉末冶金製造プロセスで製造した。以下の超硬合金材料の組成を有する、サンプルＢによる超硬合金伸線ダイス２を製造した。２．２５重量％のＣｏ、０．７５重量％のＮｉ、０．２６重量％のＣｒ(０．３重量％のＣｒ_２Ｎ粉末に相当）、０．０５重量％のＭｏ、残りの炭化タングステンおよび不可避的不純物。この場合には、ＦＳＳＳ粒径０．７５μｍのＷＣ粉末を使用した。製造プロセス中の炭素バランスは、超硬合金材料中にη相を検出され得ないように制御した。超硬合金材料中の炭化タングステン結晶粒の平均粒径は０．５〜０．８μｍの範囲であった。ビッカース硬さＨＶ２０６０を測定した。また、７．５ＭＰａ／√ｍの破壊靭性Ｋｉｃを測定した。サンプルＢの光学顕微鏡像を図４に示す。

第１の比較サンプルＡとして、組成が３．３重量％のＣｏ、０．３５重量％のＣｒ（０．４重量％のＣｒ_２Ｎに相当）、０．１２重量％のＶ（０．１５重量％のＶＣに相当）、残りの炭化タングステンおよび不可避的不純物を有する超硬合金材料から伸線ダイスを製造した。この場合、ＦＳＳＳ粒径が１．０μｍのＷＣ粉末を使用した。得られた超硬合金材料中の炭化タングステン結晶粒の平均粒径は０．５〜０．８μｍの範囲であった。ここでも、超硬合金材料中にη相が検出され得ないように炭素バランスを制御した。２０２０のビッカース硬さＨＶ１０を測定し、６．５ＭＰａ／√ｍの破壊靭性Ｋｉｃを得た。

サンプルＢは比較サンプルＡに比べて破壊靭性Ｋｉｃが著しく高いことが分かる。腐食試験を実施したところ、比較サンプルＡに比べてサンプルＢには実質的に高い耐腐食性が見られた。

伸線ダイスは、以下の条件で試験した。
- 被削材：高炭素鋼線（０．７５重量％のＣ)、引張強さ２５００−３５００ＭＰａ、黄銅被覆
- 伸線速度：１０−２０ｍ／ｓ

サンプルＢおよび第１の比較サンプルＡによる複数の伸線ダイスを通って延伸された塊の長さとしてのワイヤの量に関する性能係数を、以下の結果で決定した。
- 比較サンプルＡの性能係数：１．０
- サンプルＢの性能係数：２．５

このように、比較サンプルＡと比較して、サンプルＢで著しく改善された性能が達成されたことが分かる。

［実施例２]
第２の比較サンプルＤとして、組成が６．５重量％のＣｏ、０．２６重量％のＣｒ (０．３重量％のＣｒ_３Ｃ_２に相当）、０．３６重量％のＶ（０．４５重量％のＶＣに相当）、残りの炭化タングステンおよび不可避的不純物を有する超硬合金材料から伸線ダイスを製造した。この場合には、ＦＳＳＳ粒径０．６μｍのＷＣ粉末を用い、得られた炭化タングステン結晶粒の平均粒径は０．２〜０．５μｍの範囲であった。ここでも、炭素バランスを制御して、超硬合金材料中にη相が検出され得ないようにした。２０３０のビッカース硬さＨＶ１０を測定し、破壊靭性Ｋｉｃを７．２ＭＰａ／√ｍとした。

比較サンプルＤは、上記のサンプルＢに比べて破壊靭性がより低いことが分かる。腐食試験を実施したところ、上記サンプルＢは著しく高い耐腐食性を示していることがわかった。

第２比較サンプルＤに係る伸線ダイス、及び、上記からのサンプルＢに係る伸線ダイスについて、以下の条件で試験を行った。
-被削材：高炭素鋼線（０．７５重量％のＣ)、引張強さ２５００−３５００ＭＰａ、黄銅被覆
-伸線速度：１０−２０ｍ／ｓ

性能因子は、以下の結果で、上記実施例１と同様に決定した。
-比較サンプルＤの性能係数：１．０
-サンプルＢの性能係数：３．０

このように、比較サンプルＤと比較して、サンプルＢで著しく改善された性能が達成されたことが分かる。

［実施例３]
内径０．８〜２．５ｍｍの鋼線伸線加工用ダイスを製作した。

以下の超硬合金材料の組成を有する、サンプルＥによる超硬合金伸線ダイス２を製造した。３重量％のＣｏ；１重量％のＮｉ;０．３５重量％のＣｒ(０．４重量％のＣｒＮに相当）；０．０５重量％のＭｏ、残りの炭化タングステンおよび不可避的不純物。この場合には、ＦＳＳＳ粒径２．８５μｍのＷＣ粉末を使用した。製造プロセス中の炭素バランスは、超硬合金材料中にη相が検出され得ないように制御した。超硬合金材料中の炭化タングステン結晶粒の平均粒径は０．８〜１．３μｍの範囲であった。ビッカース硬さＨＶ１７８０を測定した。また、１０．１ＭＰａ／√ｍの破壊靭性Ｋｉｃを測定した。サンプルＥの光学顕微鏡像を図５に示す。

第３の比較サンプルＦとして、組成が６重量％のＣｏ、０．５３重量％のＣｒ(０．６重量％のＣｒＮに相当）、０．１５重量％のＶ（０．１８重量％のＶＣに相当）、残りの炭化タングステンおよび不可避的不純物を有する超硬合金材料から伸線ダイスを作製した。この場合には、ＦＳＳＳ粒径が１．０μｍのＷＣ粉末を使用した。得られた超硬合金材料中の炭化タングステン結晶粒の平均粒径は０．５〜０．８μｍの範囲であった。ここでも、超硬合金材料中にη相が検出され得ないように炭素バランスを制御した。１８２０のビッカース硬さＨＶ１０を測定し、破壊靭性Ｋｉｃは８．２ＭＰａ／√ｍであった。

比較サンプルＦはサンプルＥに比べて低い破壊靭性を示すことが分かる。腐食試験を実施したところ、サンプルＥは比較サンプルＦに比べて著しく高い耐腐食性を示すことが分かった。

サンプルＥによる伸線ダイス、及び比較サンプルＦによる伸線ダイスについて、以下の条件で試験を行った。
-被加工材：快削炭素鋼線（１．０重量％のＣ、０．２重量％のＰｂ）、引張強さ９５０ＭＰａ、
-伸線速度：５ｍ／ｓ

性能因子は、以下の結果で、上記実施例１と同様に決定した。
-比較サンプルＦの性能係数：１．０
-サンプルＥの性能係数：１．８

このように、比較サンプルＦと比較して、サンプルＥで著しく改善された性能が達成されたことが分かる。

Claims

炭化タングステンおよび金属バインダを含む超硬合金材料からなる伸線ダイス（２）
であって、
前記超硬合金材料は、平均粒径が０．１５〜１．３μｍの炭化タングステン、比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が０．６〜０．９である０．５〜５．０重量％の（Ｃｏ＋Ｎｉ）、０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．２２である０．１〜１．０重量％のＣｒ、０．０２〜０．２重量％のＭｏ、及び０〜０．０４重量％のＶを含有し、前記超硬合金材料が、η相を実質的に含まない、伸線ダイス（２）。
前記超硬合金材料が、下記式を満たす硬さＨＶ１０を有する、請求項１に記載の伸線ダイス。
ＨＶ１０≧２４３０−２００^*重量％（Ｃｏ＋Ｎｉ）
前記超硬合金材料が、下記式を満たすＩＳＯ２８０７９：２００９に従ったＰａｌｍｑｖｉｓｔ方法によって決定される破壊靭性Ｋｉｃを有する、請求項１または２に記載の伸線ダイス。
Ｋｉｃ[ＭＰａ／√ｍ]≧０．４５＋１．７^*（重量％（Ｃｏ＋Ｎｉ）)
前記炭化タングステンが、０．４〜１．３μｍ、好ましくは０．５〜０．８μｍの平均粒径を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の伸線ダイス。
前記比Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が、０．７〜０．８である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の伸線ダイス。
前記Ｍｏ含有量が、０．０３〜０．０８重量％である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の伸線ダイス。
前記超硬合金材料が、２．０〜５．０重量％の（Ｃｏ＋Ｎｉ）を含有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の伸線ダイス。
前記超硬合金材料が、０．０３重量％未満のＶを含有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の伸線ダイス。
前記伸線ダイスが、スチールコード延伸用の伸線ダイスである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の伸線ダイス。
０．０５≦Ｃｒ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）≦０．１７である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の伸線ダイス。