JP2611934B2

JP2611934B2 - 超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2611934B2
Application number: JP6113696A
Authority: JP
Inventors: 保明石
Original assignee: 住友石炭鉱業株式会社
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1997-05-21
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JPH07300375A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒粉体混合、粉体輸送
機器及び土木建設機械等のアプレイシブ摩耗を被りやす
い部分に利用する耐摩耗材に係わり、特に、炭化タング
ステン基超硬合金の優れた機械的強度と耐摩耗特性を維
持しながら、上記機器、機械本体への直接溶接接合を可
能にした信頼性の高い、高品位の超硬合金系耐摩耗材及
びその製造方法を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属、セラミックスの粉砕、混合、さら
にそれらの輸送手段を提供する各種機器類や土砂、岩石
の破砕、輸送を司る土木建設機械類ではその対象処理物
の摩耗性が高く、処理物と部材の接触による顕著なすり
減り摩耗（以下、アプレイシブ摩耗と呼ぶ）をうける。
このようなアプレイシブ摩耗の著しい部分には、その摩
耗の程度により、耐摩耗材の種類と機械本体への取付方
が適宜選択されている。比較的摩耗の少ない対象処理物
に対してはステライトや炭化タングステン粒子を含有す
る材料の本体への溶射、肉盛り方法が用いられている。
また、中程度の摩耗をもたらす処理物に対しては、コバ
ルトやニッケルを結合材として多く含んだ炭化タングス
テン基超硬合金が選択され、本体へ直接溶接する方法が
採用されている。

【０００３】一方、処理物が土砂やセラミック粉のよう
な摩耗性の極めて高いものに対しては、金属結合材を極
力少なくした耐摩耗性の改良された炭化タングステン基
超硬合金が一般に利用されている。機械本体へは圧入法
や焼きばめ法により固定したり、耐摩耗性の高い超硬合
金をステンレス製あるいはスチール製の裏金に一度ロー
付けしたものを止め金で本体へ取り付けている。上記の
ような炭化タングステン基超硬合金は、通常、それらの
原料粉末を型成形し、真空中あるいは水素炉中で燒結す
る。特に、金属結合相の少ない、難燒結の組成について
はホットプレス法による燒結方法が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明に係わる粒粉体
混合、輸送機器や土木建設機械類を対象とした耐摩耗材
には、優れた耐アプレイシブ摩耗特性と同時に、使用中
の強い衝撃にも充分耐えられる、本体への強固な接合が
必要不可欠である。炭化タングステン基超硬合金の内
で、金属系結合相を比較的多く含む超硬合金は、上記機
械本体を構成しているステンレス鋼や鋼への直接溶接が
可能であり、本体への強い接合強度が得られる。しか
し、この種の結合材を多く含んだ超硬合金は靭性は高く
なるが、硬さは低下し、耐摩耗性も著しく劣る。また、
この種の超硬合金では腐食環境下での結合相構成金属の
溶出が多く、耐食性も劣るという問題があった。一方、
結合相量を減らし、耐摩耗性を高めた超硬合金では機械
本体を構成するステンレス鋼や鋼本体への直接溶接は不
可能であり、従来の機械的固定方法では使用中の衝撃に
よるゆるみや圧着面強度不足による抜け落ちが起きると
いう問題があった。

【０００５】また、現状では、この種の超硬合金を高分
子系接着剤やロー材を用いて接着させる方法も取られて
いるが、前者の方法ではその耐熱性とその接着強度に問
題があり、衝撃のかかるような条件では使用に耐えな
い。また、ロー付け法では超硬と機械本体を構成する材
料との熱膨張差による残留応力の発生が問題となる。金
属結合相の少ない超硬合金の熱膨張率は約６×１０^-6で
あるのに対し、ステンレスの熱膨張率は１２〜１８×１
０^-6と２倍以上も違っており、ロー付け温度からの冷却
中にこの熱膨張差に相当する応力が超硬側に発生する。
その結果、ロー付け後、超硬側に変形や割れがなくて
も、使用中の温度変化や僅かの衝撃で剥れたり、割れを
起こしてしまい信頼性に乏しいという問題があった。ま
た、従来の炭化タングステン基超硬合金の製造方法にお
いては、真空または水素炉燒結では燒結炉内に、また、
ホットプレス法ではその燒結型内に大きな温度分布を付
けることは構造上不可能であり、このため、結合相量の
異なる、従って、燒結温度の異なる２種類以上の超硬合
金を一度に一体燒結することは極めて困難であった。

【０００６】コバルト含有量の異なる２種類の超硬合金
圧粉体を合い接した状態で加熱していくと、両者とも約
１３２０℃あたりからＷ−Ｃ−Ｃｏ系の共晶液相が生成
し始めるが、その量は初めの結合相量の多い方で多く、
また、その後の昇温による液相量の増加も多くなる。結
合相量の多い超硬合金側は充分な液相生成により急激に
燒結するが、一方の結合相量の少ない方はまだ燒結を始
めるには液相が少なすぎ、隙間の多い状態にある。その
隙間部分に結合相量の多い方で生成した液相が毛細管現
象を利用して進入、拡散してくる。その量は両方の超硬
合金中の結合相量の差が大きく、つまり、両者の燒結温
度の差が大きいとき顕著になる。この結果、燒結後で
は、当初結合相量を少なく設計した超硬合金の性質は損
なわれ、耐摩耗性も劣るものしか得られないという問題
があった。

【０００７】従来の方法では、結合相量の異なる２種類
の超硬合金を一体に燒結する場合、両者を別々にそれ
らの最適温度で燒結しておき、再度、それらの中間温度
で接合する、結合相量の少ない、燒結温度の高い超硬
合金粉末を、まずその最適温度で燒結しておき、これに
他方の超硬合金粉末をその最適温度で燒結、接合させ
る、方法がある。の方法は、最後の接合が固体と固体
の接合となり、接合自体も難しく、信頼性のある接合が
得られないという問題があった。この両者の間にそれら
の中間的結合相を入れ、同様に接合する方法もあるが、
両端の固体に粉末部の燒結収縮が阻害され、この部分が
燒結不良となり、充分な接合強度が得られない。一方、
後者の方法でも、２回目の燒結が固体−粉末の燒結であ
り、加熱過程での収縮が異なり、燒結後の燒結体に大き
な応力が残り、加工中や使用中に割れが発生したり、両
者の剥離を起こし易いという問題があった。また、上記
２つの方法とも１つの耐摩耗材を製造するのに２〜３回
の燒結過程を必要とし、その製造コストが高くなりす
ぎ、実用的でないという問題があった。

【０００８】本発明は以上のような事情に鑑みなされた
もので、結合相量の少ない、耐摩耗性の優れた炭化タン
グステン基超硬合金と、機械本体への直接溶接接合を可
能にする結合相量の多い超硬合金を温度傾斜を持たせた
通電燒結法を用いて一体に同時燒結することにより、耐
摩耗性に優れた、信頼性の高い高品位の超硬合金系耐摩
耗材及びその製造方法を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な耐摩耗材としての問題点と、その機械本体への固定方
法上の問題点を解決するための研究を続けてきた。その
結果、加圧条件下での通電燒結法において、成形外枠を
その通電経路の１つとして持つ型構成に設計し、その成
形外枠の肉厚を適切に調整し、そこでの通電中の発熱量
を制御することにより、燒結体部分の加圧軸方向に必要
に応じた温度傾斜をつけることができ、この方法によ
り、結合相量の異なる、従って、燒結温度の異なる２種
以上の超硬合金を燒結状態の過不足なく、かつ、残留応
力の発生も極めて少ない状態に一度で一体に燒結できる
ことを見いだし、この発明をなすに至った。

【００１０】すなわち、この発明は、直接または中間層
１ｃを介して燒結接合された金属系結合相１５重量％以
上、４０重量％未満を含有する炭化タングステン基超硬
合金よりなる溶接可能層１ｂと金属系結合相２重量％以
上、１０重量％以下を含有する炭化タングステン基超硬
合金よりなる耐摩耗層１ａよりなる耐摩耗材を成形外枠
２と上下パンチ３，４を用いた通電燒結法により製造す
る方法において、成形外枠２の肉厚が耐摩耗層原料粉末
１ａ１側から溶接可能層原料粉末１ｂ１側へ連続及び／
またはステップ状に増加し、溶接可能層原料粉末１ｂ１
側の下パンチ４の端面を成形外枠２の端面と一致するよ
うに治具５上に配置し、成形外枠２を少なくとも１つの
通電経路とすることにより、通電中に耐摩耗材原料粉末
１１の加圧軸方向に温度傾斜を形成しながら耐摩耗材原
料粉末１１を燒結することにより優れた耐摩耗性を維持
し、機械本体への直接溶接接合を可能にした超硬合金系
耐摩耗材の製造方法を提供するものである。

【００１１】通常の通電燒結法では、黒鉛製成形外枠と
上下パンチを用い、まず、成形外枠に下パンチをセット
した状態で燒結しようとする粉末を充填した後、上パン
チを押し込み、加圧する。この状態で上下パンチを通じ
て直流または交流、あるいはそれらの重畳した電流を流
し、燒結しようとする試料の電気抵抗を利用してジュー
ル熱により燒結する。ここで、成形外枠が１つの通電経
路となるように成形型を設計し、かつ、その成形外枠の
肉厚を加圧軸方向に変化させると、その厚み変化に対応
してそこでの発熱量を制御でき、試料部分の加圧軸方向
に凹凸を含む温度勾配をつけることができることがわか
った。成形外枠を他より薄くした部分では電気抵抗が高
くなり、一定電流のもとでの発熱量は多く高温となる。
一方、厚くした部分では逆に抵抗が低く、発熱は少なく
低温域を形成する。

【００１２】この方法により、燒結に高温を要する材料
側ではその周囲の成形外枠の肉厚を他より薄くすること
によって温度を高くでき、同時にもう一方の材料側では
必要以上の温度上昇を押さえることができる。また、さ
らに、大きな温度傾斜が必要な場合には、片側に大きな
熱容量をもつ治具を入れ、ヒートシンクとして利用する
方法や、昇温速度を速くできる場合には、温度が平衡に
達する前の過渡的な温度分布を利用する方法を合わせて
用いることができる。ここでの成形外枠の肉厚変化の程
度は、成形外枠には低圧ながら圧力容器としての役割が
あり、その強度的に許容される範囲であることが必要で
ある。

【００１３】

【作用】効果と共に説明する。

【００１４】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
１は、結合相量の少ない耐摩耗層１ａと結合相量の多い
溶接可能層１ｂを直接燒結接合して構成された超硬合金
系耐摩耗材１の断面図である。また、図２，図３は、両
層の間にそれらの中間的結合相量を持つ中間層１ｃを入
れ、燒結接合して構成された超硬合金系耐摩耗材１の断
面図である。ここでの中間層１ｃは単に両者の接合を助
けるだけでなく、燒結後の収縮による残留応力の発生を
緩和する役割をもつものであり、この中間層中の結合相
量は耐摩耗層１ａから溶接可能層１ｂへ溶接可能層の結
合相量を上限として連続またはステップ状に増加させ
る。直接接合によるか中間層を入れた接合にするかは、
耐摩耗層１ａと溶接可能層１ｂを構成する超硬合金中の
結合相の量及びそれらの量の差により、また、その使用
方法により適宜選択する。一応の目安としては、両層の
結合相の差が、１５％未満の組合わせに対して図１の直
接燒結結合を採用することができる。また、中間層の厚
みとステップの数は両層を構成する超硬合金中の結合相
の量、つまり両者の熱膨張率の差および使用環境により
適宜決定する。さらに、ここでの耐摩耗層と溶接可能層
中の結合相の種類は、必ずしも同じである必要はなく目
的に応じて異なる結合相を選択できる。

【００１５】耐摩耗層を構成する超硬合金中の金属系結
合相の量は、その耐摩耗性及び耐食性を考慮するとでき
るだけ少ない方が望ましいが、実用上ある程度の衝撃強
度を合わせもつ必要があり、試験結果、その量は２重量
％以上、１０重量％以下必要であった。好ましくは、３
重量％以上、８重量％以下であった。２重量％以下で
は、それ自体の燒結も困難になると同時に、燒結接合す
る溶接可能層との熱膨張差が大きくなりすぎる結果、耐
摩耗層側に割れが発生することがあり好ましくない。超
硬合金をステンレス鋼や鋼材への高い接合強度で溶接す
るためには、結合相を少なくとも１５重量％必要であっ
た。この溶接可能超硬合金は、機械本体への溶接性を確
保する目的のほか、同時に燒結された耐摩耗層の機械的
補強の役割をも果たしている。

【００１６】耐摩耗層中の結合相量は、その優れた耐摩
耗性と耐食性を発揮するため必要最小限に押さえられて
いる。その結果、その強度面、特に靭性が犠牲になって
おり、一体に燒結されている溶接可能な靭性の高い超硬
合金部分がそれを補い、耐摩耗材としての全体の信頼性
を高めることに寄与している。この役割を果たすことの
できる溶接可能層を構成する超硬合金部分の結合相量
は、多くても４０重量％、好ましくは３０重量％であっ
た。４０重量％以上では超硬合金の性質より、結合相金
属の性質に近づき、変形が大きくなり補強的役割を果た
せなくなり好ましくない。

【００１７】図５は、本発明の１実施例を説明するため
の通電燒結法の概略を示したものである。耐摩耗層１ａ
と溶接可能層１ｂの間に中間層１ｃをもつ耐摩耗材１を
製造するための燒結試料構成を示し、結合相量の多い、
従って、燒結に高温を要しない溶接可能層原料粉末１ｂ
１が下パンチ４の上に充填され、その上に中間層原料粉
末１ｃ１０、さらに耐摩耗層原料粉末１ａ１が積層され
ている。成形外枠２はそれら各層の必要燒結温度と燒結
前の各層の厚みに応じて加圧軸方向の肉厚が調整されて
おり、本実施例では、溶接可能層原料粉末１ｂ１の燒結
に関与する肉厚の厚い部分と耐摩耗層原料粉末１ａ１の
燒結に関与する肉厚の薄い部分を、中間層原料粉末１ｃ
１０の入っている部分で連続して肉厚を増加させて繋い
だ断面形状の例となっている。

【００１８】燒結工程では、まず、上記のように肉厚加
工された成形外枠２を下パンチより大きな断面積をもつ
治具５の上に置き、下パンチを入れ、下パンチ下面と成
形外枠端面が治具５上で同一平面となるようにセットす
る。次に、その上に溶接可能層原料粉末１ｂ１、中間層
原料粉末１ｃ１０、耐摩耗層原料粉末１ａ１の順に積層
充填する。これに上パンチを入れ軽く押した後、通電燒
結機へセットする。まず、所定圧力まで加圧した後、上
電極６と下電極７を介して電源８により通電を開始し、
加熱燒結する。成形外枠２と下パンチ４の面を治具５の
上面に合わせて接するように配置することにより、大き
い熱容量を持つ治具５側への熱伝導が促進され、成形外
枠２の肉厚を大きくした部分での温度上昇を押さえる効
果があり、肉厚を薄くした高温発生部分との一層大きな
温度傾斜を形成することができる。必要な温度傾斜の大
きさにあわせて治具５の大きさを調節する。治具５の材
質は黒鉛が実用的である。

【００１９】また、成形外枠２の形状は本発明の重要な
構成要素であるが、その材質は耐熱性があり導電性材料
であれば特に制約はないが、実用的には黒鉛が適する。
上下パンチについても同様である。図７〜９は、本発明
の耐摩耗材の製造方法に利用できる成形外枠２の縦断面
形状を示したものである。図１０〜１３までは、本発明
に係わる製造方法に利用できる成形外枠２と耐摩耗材原
料粉末１１の横断面形状の例を示したもので、要求され
る超硬合金系耐摩耗材の最終形状に応じて適宜選択す
る。

【００２０】図７は、成形外枠２の肉厚がステップで変
化する場合であり、比較的急激な温度傾斜を必要とする
耐摩耗層１ａと溶接可能層１ｂを直接接合する場合に利
用する。一方、図８，９は、成形外枠２の肉厚が連続し
て変化する場合の例であり、比較的穏やかな温度勾配を
利用したい場合に用い、具体的には耐摩耗材の厚みが大
きく、また中間層厚みも大きくとれる場合に利用する。
本発明に係わる耐摩耗材の製造方法においては、成形外
枠２と上下パンチとの嵌合う具合は、通電中の目的とし
た温度傾斜を実現する上で特に重要であり、成形外枠と
上下パンチとのクリアランスは、それら両者の間に特に
導電性物質を満たさない場合、２／１００ｍｍ以下、好
ましくは１／１００ｍｍ以下であった。

【００２１】（実施例１）図４を参照して、平均粒径
１．５μｍの炭化タングステン（以下、ＷＣと略す）粉
末に、平均粒径１μｍのニッケル（以下、Ｎｉと略す）
粉末とコバルト（以下、Ｃｏと略す）粉末をそれぞれ２
重量％加え、調整した粉末を耐摩耗層用原料粉末とし
て、また、平均粒径１５μｍのＷＣ粉末にＮｉ粉末１
７．５重量％を加え、調整した粉末を溶接可能層用の原
料粉末として用いた。通電燒結用の成形外枠には、図７
に示す断面形状を持ち、Ａ−Ａ断面が図１０となる高さ
４５ｍｍ、中孔径４０ｍｍの黒鉛製型を用いた。この成
形外枠の肉厚は、一端から２５ｍｍまでを肉厚６．５ｍ
ｍ、他端から２０ｍｍを肉厚１７．５ｍｍとした。ま
た、温度測定用孔はこの成形外枠の薄肉側を上として、
上から２０ｍｍの耐摩耗層相当位置と下から１５ｍｍの
溶接可能層相当位置に成形外枠外周からそれぞれ深さ
２．５ｍｍ、１６ｍｍの径３ｍｍのきり孔を開けた。下
パンチは径４０ｍｍ、高さ１０ｍｍを、上パンチは径４
０ｍｍ、高さ３０ｍｍを、また、治具５として径７５ｍ
ｍ、高さ４０ｍｍの黒鉛製ブロックを用いた。

【００２２】ここでの上下パンチと成形外枠内径とのク
リアランスは１／１００ｍｍ以下であった。これらの燒
結部品を用いて、まず、径７５ｍｍの黒鉛製ブロックの
上に、肉厚の薄い方を上にして成形外枠を黒鉛製ブロッ
クの外径と成形外枠の外径が同心円状になるように配置
し、その成形外枠に下パンチを押し込み、この下パンチ
の上に溶接可能層原料粉末１ｂ１としてＮｉ粉末１７．
５％粉末を厚さ１０ｍｍとなるように充填し、その上に
耐摩耗層原料粉末１ａ１としてＮｉ，Ｃｏ各２％粉末を
厚さ１０ｍｍとなるように入れ、上パンチをセットして
１００Ｋｇ／ｃｍ² で加圧した。この燒結試料構成を通
電燒結機にセットし、圧力５５０Ｋｇ／ｃｍ² まで加圧
し、通電を開始した。耐摩耗層相当位置での測定温度で
１２６０℃まで約５分で昇温し、その温度で２．５分保
持し、通電を停止し、冷却した。

【００２３】耐摩耗層相当位置で１２６０℃に達したと
きの、溶接可能層相当位置での温度は１０５０℃であ
り、２．５分保持後の温度は１０７５℃であった。冷却
後回収した燒結体の形状は径４０ｍｍ、高さ約１１．５
ｍｍであった。この燒結体を加圧方向に平行な面で半分
に切断し、その片方の切断面を研磨し断面を観察した。
断面には割れや気孔はなく、両層の境界は鮮明であっ
た。燒結体の硬さは耐摩耗層で１５７０Ｋｇ／ｍｍ² 、
溶接可能層で１１８０Ｋｇ／ｍｍ² であった。また、残
りの半分を用いて、Ｎｉ１７．５％部分を径５０ｍｍ、
厚み４０ｍｍのステンレス鋼に純ニッケル溶接棒を用い
てアーク溶接試験を試みたところ、超硬合金側へのダメ
ージもなく、充分高い強度で溶接が可能であり、実用的
な衝撃強度をもつものであった。さらに、このステンレ
ス鋼へ溶接した燒結体を用いて、その耐摩耗層の耐摩耗
性試験を実施した。試験は、研磨機上に＃８０炭化珪素
（ＳｉＣ）研磨紙を張り付け、その上に水を掛けながら
研磨盤を約５０ｒｐｍで回転させた状態で、研磨紙にＣ
ｏ５％耐摩耗層を押しつけ、約５分後の重量減を測定し
た。この方法での重量減は約０．７ｍｇとかなり小さ
く、良好な耐摩耗性を示した。

【００２４】（実施例２）図５を参照して、平均粒径１
０μｍのＷＣ粉末に、平均粒径１μｍのＣｏ粉末を重量
％で５％、１０％、２０％配合、湿式混合した粉末を本
実施例の原料粉末として用いた。通電燒結用の成形外枠
には、図８，１０に示す断面形状のもので、同心円状と
なる高さ４０ｍｍ、中孔径３０ｍｍの黒鉛製の型を用い
た。この成形外枠の肉厚は一端から１５ｍｍまでを肉厚
１５ｍｍ、他端から２０ｍｍまでを７．５ｍｍとし、そ
の間を肉厚１５ｍｍから７．５ｍｍへ断面で直線的に連
続して減少させた。また、この成形外枠の薄肉側を上と
して、上から１９ｍｍの耐摩耗層相当位置と、下から１
４ｍｍの溶接可能層相当位置に径３ｍｍのきり孔を、成
形外枠外周から中孔側へそれぞれ深さ３．５ｍｍ、１１
ｍｍとなるように穿ち、燒結中の温度をこの２ケ所で放
射温度計を用いて測定した。下パンチ、上パンチはそれ
ぞれ１０ｍｍ、３０ｍｍの黒鉛製とし、成形外枠とそれ
らパンチとのクリアランスは最大１／１００ｍｍであっ
た。

【００２５】また、図５のごとく治具５として、外径５
５ｍｍ、高さ５０ｍｍの黒鉛製ブロックを用いた。これ
らの燒結部品を用いて、まず、径５５ｍｍの黒鉛製ブロ
ック上に肉厚の薄い方を上にして成形外枠を黒鉛製ブロ
ック外径と成形外枠外径が同心円状になるように配置
し、その中に高さ１０ｍｍの下パンチを治具５の上面に
接するように挿入する。次に、この下パンチの上に順
次、溶接可能層原料粉末１ｂ１としてＣｏ２０％粉末、
中間層原料粉末１ｃ１０としてＣｏ１０％粉末、耐摩耗
層原料粉末１ａ１としてＣｏ５％粉末をそれぞれ厚さ５
ｍｍとなるように圧力１００Ｋｇ／ｃｍ²で加圧充填
し、上パンチをセットした。

【００２６】この燒結試料構成を通電燒結機にセット
し、圧力５００Ｋｇ／ｃｍ² で加圧し通電を開始した。
成形外枠の上から１９ｍｍの耐摩耗層相当位置での測定
温度で１２５０℃まで約４分で昇温し、その温度で２分
保持した後、通電を停止し、燒結を完了した。上記測定
温度が１２５０℃に達したときの下から１４ｍｍの溶接
可能相当位置での測定温度は１０８０℃であり、２分保
持は１１００℃であった。冷却後取り出した燒結体は径
３０ｍｍ、高さ約７．５ｍｍであった。この燒結体を加
圧方向に平行な面で半分に切断し、その片方の切断面を
研磨した後、硬さ測定、組織観察を行った。

【００２７】燒結体断面には各層の光沢の差がはっきり
認められ、ステップ状の強固な接合ができていた。ま
た、断面には割れや気孔の発生といった欠陥はなく、強
固に一体燒結されていた。硬さはＣｏ５％の耐摩耗層で
１６４０Ｋｇ／ｍｍ² 、中間層Ｃｏ１０％部分で１３７
０Ｋｇ／ｍｍ² 、溶接可能層Ｃｏ２０％部分で１０４０
Ｋｇ／ｍｍ² であった。さらに、実施例１と同様の方法
と手順で、残りの半分を用いて、ステンレス鋼への溶接
試験を実施したところ、溶接は可能であり、この溶接サ
ンプルを用いて実施例１の方法と同様の方法で耐摩耗層
の耐摩耗試験を行った。その結果、重量減は０．８ｍｇ
とかなり小さく良好な耐摩耗性を示した。

【００２８】（比較例１）成形外枠として、実施例２に
用いたと同じ材質の黒鉛から作成した外径６０ｍｍ、高
さ４０ｍｍ、中孔径３０ｍｍの単純円筒を用いた。上下
パンチは径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍの同形状のものを用
い、また治具５は実施例２と同じ形状のものをそれぞれ
実施例２に使用したと同じ材質の黒鉛から作成した。こ
れらの燒結部品を用いて、実施例２と同様の３種の原料
粉末を用い、まず径５５ｍｍ、高さ５０ｍｍの黒鉛製ブ
ロックの上に、上記成形外枠を、黒鉛製ブロックの外径
と成形外枠の外径が同心円状となるように配置し、これ
に下パンチをセットした。次に、この下パンチ上面から
順次、溶接可能層原料粉末１ｂ１としてＣｏ２０％粉
末、中間層原料粉末１ｃ１０としてＣｏ１０％粉末、耐
摩耗層原料粉末１ａ１としてＣｏ５％粉末をそれぞれ厚
み５ｍｍとなるように１００Ｋｇ／ｃｍ² で加圧、充填
し上パンチをセットした。この状態で上下パンチの成形
外枠端面からの出具合を同じになるように調整した。

【００２９】測温用の孔は成形外枠の一端から１５ｍｍ
の耐摩耗層相当位置と、他端から１５ｍｍの溶接可能層
相当位置の２カ所に成形外枠外周から深さ１１ｍｍの径
３ｍｍのきり孔を加工した。この燒結試料構成を通電燒
結機にセツトし、実施例２と同様に５００Ｋｇ／ｃｍ²
の圧力で加圧しながら通電を開始した。成形外枠の一端
から１５ｍｍの耐摩耗層相当位置での測温で１２５０℃
まで４分で昇温し、その温度で２分保持して通電を停止
し、燒結を終了した。１２５０℃燒結保持中のもう一方
の測温点での測定温度も１２５０℃であり、温度差は認
められなかった。冷却後、回収した成形外枠には上下パ
ンチとの間に数ｍｍの球状の金属光沢の噴き出し物が見
られた。

【００３０】また、燒結体は成形外枠、上下パンチと強
固に接合しており、成形型を破壊して燒結体を回収し
た。燒結体の厚みは約６．５ｍｍであり、一塊で回収さ
れた。この燒結体を実施例１と同様の手順と方法で切
断、研磨し、硬さ、組織を観察した。断面外周に微細な
気孔が見られた他は割れの発生はなかった。また、断面
ではＣｏ結合相の差による３層の光沢の差は認められ
ず、相互にＣｏの拡散が起きていた。硬さも、３層によ
る差は極めて少なく１１００Ｋｇ／ｍｍ² 〜１１８０Ｋ
ｇ／ｍｍ² であった。さらに、実施例１と同様の方法と
手順で残り半分を用いてステンレス鋼への溶接試験を実
施したところ、溶接は可能であり、この溶接サンプルを
用いて、実施例１と同様の方法で耐摩耗層の耐摩耗試験
を行った。その結果、重量減は１２ｍｇとかなり大き
く、耐摩耗性は著しく損なわれていた。

【００３１】（実施例３）図６を参照して、平均粒径
０．８μｍのＷＣ粉末に、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉
末を３重量％配合、調整した粉末を耐摩耗層用原料粉末
とし、また、平均粒径８μｍのＷＣ粉末に平均粒径１．
５μｍｍのＮｉ粉末と平均粒径１μｍのＣｏ粉末をそれ
ぞれ３重量％、Ｃｏ粉末のみを１２．５重量％、Ｃｏ粉
末のみを２５重量％を加えた粉末を調整し、前２者を中
間層、他を溶接可能層用の原料粉末とした。通電燒結用
の成形外枠には、図９，１０に示す断面形状のもので、
同心円状となる高さ４５ｍｍ、中孔径３０ｍｍの黒鉛製
型を用い、この成形外枠の肉厚は、一端から２０ｍｍま
でを肉厚８．０ｍｍ、他端から１５ｍｍを肉厚２０ｍｍ
とし、その間を肉厚８．０ｍｍから２０ｍｍまでを、断
面でみて曲率約１５ｍｍの曲線で連続して繋いだ。

【００３２】また、温度測定用孔は成形外枠の薄肉側を
上として、上から１７．５ｍｍの耐摩耗層相当位置と、
他端から１２．５ｍｍの溶接可能層相当位置に径３ｍｍ
のきり孔を成形外枠外周からそれぞれ深さ４．０ｍｍ、
１６ｍｍあけた。下パンチとして、径３０ｍｍ、高さ１
０ｍｍを、上パンチとして径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍ
を、また、治具５として径８０ｍｍ、高さ４０ｍｍの黒
鉛製ブロックを用いた。ここでの上下パンチと成形外枠
内径とのクリアランスは１／１００ｍｍ以下であった。
これらの燒結部品を用いて、まず、径８０ｍｍの黒鉛製
ブロック上に、肉厚の薄い方を上にして成形外枠を黒鉛
製ブロックの外径と成形外枠の外径が同心円状になるよ
うに配置し、成形外枠に下パンチを黒鉛製ブロック上面
に接するように押し込んだ。次に、この下パンチの上に
溶接可能層原料粉末１ｂ１としてＣｏ２５％粉末５０ｇ
を入れ、平坦化した後その上に中間層原料粉末１ｃ１０
を構成する下部中間層原料粉末１ｃ１１としてＣｏ１
２．５％粉末５１．５ｇを入れ、軽く振動させながらそ
の上面を平坦化した。

【００３３】さらに、この上に中間層原料粉末１ｃ１０
を構成するもう１つの上部中間層原料粉末１ｃ２１とし
てＮｉ、Ｃｏ各３％粉末５２ｇを入れ、再び軽く振動さ
せてその上面を平坦にした後、その上に耐摩耗層原料粉
末１ａ１としてＮｉ３％粉末５３ｇを入れ、振動、平坦
化し、この状態で約１００Ｋｇ／ｃｍ² で加圧して上パ
ンチをセットした。この燒結試料構成を通電燒結機にセ
ットし、圧力４００Ｋｇ／ｃｍ² まで加圧し、通電を開
始した。耐摩耗層相当位置での測定温度で１２７０℃ま
で約４．５分で昇温し、その温度で１．５分保持し、通
電を停止し、冷却した。耐摩耗層相当位置での測温が１
２７０℃に達したときの、もう一方の測温点である溶接
可能層相当位置の温度は１０６０℃であり、１．５分保
持後の温度は１０９０℃であった。

【００３４】冷却後回収した燒結体の形状は、径３０ｍ
ｍ、高さ約１１ｍｍであった。この燒結体を実施例１と
同様の方法で評価したところ、断面には割れや気孔はな
く、各層の境界は鮮明でなく、ほぼ連続した積層体にな
っていた。この燒結体の硬さは、図３を参照して、耐摩
耗層１ａで約１５５０Ｋｇ／ｍｍ² 、中間層１ｃを構成
する上部中間層１ｃ２のＮｉ，Ｃｏ各３％層で１４２０
Ｋｇ／ｍｍ² 、下部中間層１ｃ１のＣｏ１２．５％層で
１３６０Ｋｇ／ｍｍ² 、溶接可能層１ｂでは９８０Ｋｇ
／ｍｍ² であった。また、実施例１と同様の手段と方法
により、ステンレス鋼への溶接可能層の溶接試験を試み
たところ、実用的強度の溶接が可能であった。さらに、
この溶接サンプルを用いて、実施例１と同様の手段と方
法により、耐摩耗層の耐摩耗試験を実施したところ、重
量減は１．２ｍｇであり、良好な耐摩耗性を示した。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば金属系
結合相量の異なる、従って、燒結温度の異なる２種類以
上の超硬合金よりなる耐摩耗材の通電燒結法による製造
において、その成形外枠の加圧軸方向の肉厚を、燒結し
ようとする耐摩耗材原料粉末の各構成材料の燒結温度に
応じて適切に調整することにより、耐摩耗材原料粉末を
その構成材料に合わせた温度傾斜のもとで過不足なく燒
結できる。この方法により、優れた耐摩耗性と、ステン
レス鋼や鋼に直接溶接できる性質を兼ね備えた高機能の
超硬合金系耐摩耗材を短時間に、安定して製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１での超硬合金系耐摩耗材の縦断面図で
ある。

【図２】実施例２での超硬合金系耐摩耗材の縦断面図で
ある。

【図３】実施例３での超硬合金系耐摩耗材の縦断面図で
ある。

【図４】実施例１での超硬合金系耐摩耗材の製造方法を
説明する縦断面図である。

【図５】実施例２での超硬合金系耐摩耗材の製造方法を
説明する縦断面図である。

【図６】実施例３での超硬合金系耐摩耗材の製造方法を
説明する縦断面図である。

【図７】成形外枠の肉厚がステップで変化している状態
を示す縦断面図である。

【図８】成形外枠の肉厚が連続して変化している状態を
示す縦断面図である。

【図９】成形外枠の肉厚が連続して変化している状態を
示す縦断面図である。

【図１０】Ａ−Ａ線拡大端面図である。

【図１１】Ａ−Ａ線拡大端面図である。

【図１２】Ａ−Ａ線拡大端面図である。

【図１３】Ａ−Ａ線拡大端面図である。

【符号の説明】

１耐摩耗材１ａ耐摩耗層１ｂ溶接可能層１ｃ中間層２成形外枠３上パンチ４下パンチ５治具６上電極７下電極８電源１１耐摩耗材原料粉末１ａ１耐摩耗層原料粉末１ｂ１溶接可能層原料粉末１ｃ１下部中間層１ｃ２上部中間層１ｃ１０中間層原料粉末１ｃ１１下部中間層原料粉末１ｃ２１上部中間層原料粉末

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属系結合相１５重量％以上、４０重量
％未満を含有する炭化タングステン基超硬合金よりなる
溶接可能層（１ｂ）を基材として持ち、金属系結合相２
重量％以上、１０重量％以下含有する炭化タングステン
基超硬合金よりなる耐摩耗層（１ａ）よりなる耐摩耗材
であって、それら２種の超硬合金が直接燒結接合、また
は、それら２層の間に、耐摩耗層（１ａ）から溶接可能
層（１ｂ）方向へ連続またはステップ状に金属系結合相
量が増加する中間層（１ｃ）をもって耐摩耗層（１ａ）
と溶接可能層（１ｂ）が一体に燒結接合されていること
を特徴とする超硬合金系耐摩耗材。
【請求項２】直接または中間層（１ｃ）を介して燒結
接合された金属系結合相１５重量％以上、４０重量％未
満を含有する炭化タングステン基超硬合金よりなる溶接
可能層（１ｂ）と金属系結合相２重量％以上、１０重量
％以下含有する炭化タングステン基超硬合金よりなる耐
摩耗層（１ａ）よりなる耐摩耗材を成形外枠（２）と上
下パンチ（３，４）を用いた通電燒結法により製造する
方法において、成形外枠（２）の肉厚が耐摩耗層原料粉
末（１ａ１）側から溶接可能層原料粉末（１ｂ１）側へ
連続及び／またはステップ状に増加するように構成し、
溶接可能層原料粉末（１ｂ１）側の下パンチ（４）の端
面を成形外枠（２）の端面と一致するように治具（５）
上に配置し、成形外枠（２）を少なくとも１つの通電経
路とすることにより、通電中に耐摩耗材原料粉末（１
１）の加圧軸方向に温度傾斜を形成しながら耐摩耗材原
料粉末（１１）を燒結することを特徴とする超硬合金系
耐摩耗材の製造方法。