JP2022050532A - 積層造形用wc系超硬合金粉末 - Google Patents
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Abstract
Description
上述したように、本発明の積層造形用WC系超硬合金粉末(以下、単に「WC系超硬合金粉末」とも称する。)は、W(タングステン)とC(炭素)との炭化物であるWC(タングステンカーバイト)と、Cu(銅)とを含み、さらにCo(コバルト)、Fe(鉄)およびCr(クロム)のうちの少なくとも1つを含む。Co、FeおよびCrのうちの少なくとも1つは、WCの金属結合相の原料である。本明細書では、このような超硬合金を「WC系超硬合金」と称する。金属結合相を構成する原料は、後述するWC系超硬合金の製造過程においてCuと分離する(固溶しない)元素であれば良い。
本実施形態のWC系超硬合金部材の観察写真を図1A~1Cに示す。図1Aは反射電子像(Backscattered Electron Image:BEI)であり、図1Bは走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope、STEM)による透過電子像およびエネルギー分散型X線分析(Energy Dispersive X-ray spectroscopy:EDX)によるCuのマッピングである。図1Cは二次電子像(secondary electron image:SEI)である。なお、図1Bの試料は、WC超硬合金部材の結合相の表面にカーボン保護膜を形成し、Ga(ガリウム)イオンビームを用いたスパッタリング加工によって100nm程度まで薄片化することによって作製することができる。なお、図1Aおよび図1Cは、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて観察することができる。
図2は本実施形態のWC系超硬合金部材の製造方法の一例を示すフロー図である。図2に示すように、WC系超硬合金部材の製造方法は、予熱工程(S1)、積層造形工程(S2)および熱処理工程(S3)を含む。
予熱工程S1は、金属基材を350℃以上の温度に予熱する工程である。予熱は、例えば、高周波誘導加熱、ガスバーナー、赤外線電気ヒーター、加熱炉、電子ビームまたはレーザの照射等を用いて行うことができる。なお、予熱工程S1において、金属基材を500℃以上の温度に予熱することがより好ましく、700℃以上の温度に予熱することがさらに好ましい。また、予熱工程S1において、自重による変形を防止する観点から、金属基材を1300℃以下の温度に予熱することが好ましく、より好ましくは1000℃である。
積層造形工程S2は、上述した金属基材の表面に、上述した本発明のWC系超硬合金粉末を積層造形する工程である。積層造形方式は、特に限定されないが、例えば、レーザメタルデポジションなどの指向性エネルギー堆積方式、粉末床溶融結合方式、プラズマ粉体肉盛等を用いることができる。熱源としては、レーザ、電子ビーム、プラズマおよびアーク等を用いることができる。この中でも特に、レーザであると照射スポットを比較的小さくすることができ、また、大気圧下で施工できるので好ましい。
熱処理工程S3は、上述した金属基材とWC系超硬合金の造形体(超硬合金部材)を400℃以上1250℃未満の温度で熱処理する工程である。これにより、積層造形した超硬合金の結合相に固溶したCuを析出させ、熱伝導率を向上させることができる。熱処理温度は、450℃以上、1250℃未満がより好ましく、500℃以上、1250℃未満が更に好ましく、500℃~1200℃以下が最も好ましい。熱処理時間は、1~12時間が好ましく、3~10時間がより好ましく、5~8時間が最も好ましい。
積層造形中の溶融部において、WCがCo中に溶解するため、急冷により固化した造形体にはη相(W3Co3C、W6Co6C)が存在する。η相は硬質であり、耐摩耗性に優れることから組織として残存しても構わない。一方で、脆化相でもあるため、靭性の要求される部分には適さない。η相は1100℃以上に熱処理することでWC相とCo相に分解し、することがわかっている。そのため、450℃以上、1250℃未満での熱処理は、Cuの析出とη相の分解に有効である。
後述する表1に示す成分組成(単位:質量%)を有する試験用WC系超硬合金部材をそれぞれ作製した。なお、製造方法は、溶融凝固を伴う積層造形材の組織および特性を模擬するために、アルミナるつぼに所定の量のWC粉末、CoとCuのバルク材を入れ、高周波溶解で溶製した後、るつぼ内で冷却した。得られたインゴットを所定の形状に加工した後、各試験に供した。このようにして得られた試験用WC系超硬合金部材は、積層造形体と同じく溶融凝固組織を有する。凝固速度は積層造形よりもやや遅いが、特性に大きく影響しない範囲である。
切断後に、断面をエメリー紙およびダイヤモンド砥粒を用いて鏡面まで研摩し、ビッカース硬さ試験機によって荷重500gf、保持時間15秒で硬さを室温にて測定した。測定は5回行い、5回の平均値を記録した。硬さ測定の結果を、後述する表2に示す。
作製した各実施例と比較例の合金部材の熱拡散率α、密度ρ、比熱cを測定し、以下の式(1)より熱伝導率を求めた。
次に、積層造形法を用いて、WC系超硬合金部材を作製した。
[実施例2のWC系超硬合金部材を用いた金型の作製]
本発明の有効性を確かめるために、従来金型材料であるマルエージング鋼および実施例2の合金粉末を用い、冷却穴を有する金型を積層造形により2つずつ作製した。図3は実施例2で作製した試験用金型を示す模式図である。金型5は、50mm×30mm×30mmのサイズで、金型5内に直径10mmの水冷穴6を2つ有している。800℃に加熱した厚さ2mmの板材(ワーク)を、作製した2つの金型5で挟み込み、ワークの温度が200℃以下になるまでの時間を計測した。なお、温度は、ワーク側面に取り付けた熱電対によって測定した。マルエージング鋼を用いた場合、200℃に到達するまでに6.6秒かかった。一方で、実施例2の合金を使用した場合、5.0秒で200℃に到達し、本発明の有効性を確認できた。
Claims (2)
- WCと、Cuと、Co、FeおよびCrのうちの少なくとも1つと、を含み、
前記WCの含有量が40質量%以上であり、
前記Co、FeおよびCrのうちの少なくとも1つの含有量が25質量%以上60質量%未満であり、
前記Cuの含有量aと、前記Co、FeおよびCrのうちの少なくとも1つの含有量bの割合a/bが0.070≦a/b≦1.000を満たし、流動度が10sec/50g以上25sec/50g以下であることを特徴とする積層造形用WC系超硬合金粉末。 - 前記Cuの含有量が5質量%超25質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層造形用WC系超硬合金粉末。
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