JP2807874B2 - Ｗｃ基超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法 - Google Patents
Ｗｃ基超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粉体混合、粉体輸
送機器、土木建設機械類の耐摩耗部品や金型、工具用途
分野に利用する超硬合金系耐摩耗材に関し、特に、超硬
合金の優れた耐摩耗性と上記機械本体または工具母材に
直接溶接できる性質を兼ね備えた信頼性の高い、高品位
の耐摩耗材を提供するものである。
送機器、土木建設機械類の耐摩耗部品や金型、工具用途
分野に利用する超硬合金系耐摩耗材に関し、特に、超硬
合金の優れた耐摩耗性と上記機械本体または工具母材に
直接溶接できる性質を兼ね備えた信頼性の高い、高品位
の耐摩耗材を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のものにあっては、下記の
ようなものになっている。粉体混合、粉体輸送機器や土
木建設工具類の摩耗しやすい部分や、工具、金型の加工
部分に超硬合金系の耐摩耗材が用いられている。超硬合
金の中には金属結合相量の比較的多い、金属的性格の強
いものがあり、この種の超硬合金はステンレスや鋼材へ
の直接溶接接合が可能であり、例えば、ＴＩＧ溶接やレ
ーザービーム溶接により、機械本体あるいは工具母材へ
溶接され、用いられている。一方、金属結合相量の少な
い超硬合金では溶接による接合は不可能であり、この種
の超硬合金の取付には、ろー材や低融点金属箔を用いた
拡散接合法や、機械的接合法ではかしめ法ややきばめ法
が用いられている。
ようなものになっている。粉体混合、粉体輸送機器や土
木建設工具類の摩耗しやすい部分や、工具、金型の加工
部分に超硬合金系の耐摩耗材が用いられている。超硬合
金の中には金属結合相量の比較的多い、金属的性格の強
いものがあり、この種の超硬合金はステンレスや鋼材へ
の直接溶接接合が可能であり、例えば、ＴＩＧ溶接やレ
ーザービーム溶接により、機械本体あるいは工具母材へ
溶接され、用いられている。一方、金属結合相量の少な
い超硬合金では溶接による接合は不可能であり、この種
の超硬合金の取付には、ろー材や低融点金属箔を用いた
拡散接合法や、機械的接合法ではかしめ法ややきばめ法
が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたも
のにあっては、下記のような問題点を有していた。ステ
ンレスや一般鋼材へ直接溶接できる性質を持つ超硬合金
は、その取付の手間を省け、その接合強度の信頼性も高
く、取付法からは理想的と言える。しかし、この種の超
硬合金は上記のように含有する金属結合相量が多く、硬
さは低く、耐摩耗性は著しく劣るものであった。また、
この種の超硬合金では腐食環境下での金属結合相の溶出
が多く、このため、耐食性も劣るという問題があった。
一方、金属結合相量を減らし、耐摩耗性を高めた超硬合
金ではステンレスや一般鋼材への溶接は困難であり、従
来タイプの取付、固定方法に頼らざるを得なかった。か
しめ法ややきばめ法といった機械的接合法では耐衝撃
性、耐熱性等の問題があった。また、ろー材や低融点金
属箔を用いた拡散接合法では、超硬合金と相手材との熱
膨張差による残留応力の問題があった。ステンレスと超
硬合金のろー付けの場合、ステンレスの熱膨張率は１２
〜１８×１０-6、超硬合金のそれは６×１０-6と、２倍
以上の差があり、両者をろー接するとその接合面近傍に
は大きな残留応力が発生する。その結果、超硬合金側に
割れが発生したり、その時点で割れがなくても、使用中
の温度変化や衝撃で接合が剥がれたり、突発的な破壊を
起こしてしまうという問題があった。以上のように、従
来タイプの超硬合金にあっては、その優れた耐摩耗性を
確保しようとすると、母材との接合に問題が発生し、ま
た、母材との強固な接合を実現しようとすると、その耐
摩耗性が犠牲になってしまうという問題があった。
のにあっては、下記のような問題点を有していた。ステ
ンレスや一般鋼材へ直接溶接できる性質を持つ超硬合金
は、その取付の手間を省け、その接合強度の信頼性も高
く、取付法からは理想的と言える。しかし、この種の超
硬合金は上記のように含有する金属結合相量が多く、硬
さは低く、耐摩耗性は著しく劣るものであった。また、
この種の超硬合金では腐食環境下での金属結合相の溶出
が多く、このため、耐食性も劣るという問題があった。
一方、金属結合相量を減らし、耐摩耗性を高めた超硬合
金ではステンレスや一般鋼材への溶接は困難であり、従
来タイプの取付、固定方法に頼らざるを得なかった。か
しめ法ややきばめ法といった機械的接合法では耐衝撃
性、耐熱性等の問題があった。また、ろー材や低融点金
属箔を用いた拡散接合法では、超硬合金と相手材との熱
膨張差による残留応力の問題があった。ステンレスと超
硬合金のろー付けの場合、ステンレスの熱膨張率は１２
〜１８×１０-6、超硬合金のそれは６×１０-6と、２倍
以上の差があり、両者をろー接するとその接合面近傍に
は大きな残留応力が発生する。その結果、超硬合金側に
割れが発生したり、その時点で割れがなくても、使用中
の温度変化や衝撃で接合が剥がれたり、突発的な破壊を
起こしてしまうという問題があった。以上のように、従
来タイプの超硬合金にあっては、その優れた耐摩耗性を
確保しようとすると、母材との接合に問題が発生し、ま
た、母材との強固な接合を実現しようとすると、その耐
摩耗性が犠牲になってしまうという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は下記のようになるものである。そこで、本
発明者らは、母材へ直接溶接できる性質と優れた耐摩耗
性を合わせ持つ一体の超硬合金系耐摩耗材の開発を進め
てきた。その結果、一つの方法として、金属結合相量の
異なる積層された２種以上の超硬合金原料粉末を、例え
ば黒鉛製のダイ、パンチを用いて通電焼結する方法にお
いて、そのダイの部分を一つの通電経路とし、そのダイ
の肉厚を適切に調整し、また、熱の供給と逃げのバラン
スを調整することにより、焼結しようとする積層原料粉
末の加圧軸方向に温度傾斜を形成し、金属結合相量の異
なる、従って、焼結温度の異なる２種以上の超硬合金原
料粉末を一度に一体に焼結接合できることを見出し、特
願平６−１１３６９６号として出願した。しかし、この
方法による超硬合金系耐摩耗材の製造には、焼結過程
（原料粉末の収縮過程）を考慮した成形用のダイ形状の
設計が難しく、また、正確な温度制御が必要となるなど
の問題があり、一定品質の焼結体を安定して大量に生産
する方法としては問題があった。また、この方法の性格
上、サイズの大きなものの製造は困難であった。
に、本発明は下記のようになるものである。そこで、本
発明者らは、母材へ直接溶接できる性質と優れた耐摩耗
性を合わせ持つ一体の超硬合金系耐摩耗材の開発を進め
てきた。その結果、一つの方法として、金属結合相量の
異なる積層された２種以上の超硬合金原料粉末を、例え
ば黒鉛製のダイ、パンチを用いて通電焼結する方法にお
いて、そのダイの部分を一つの通電経路とし、そのダイ
の肉厚を適切に調整し、また、熱の供給と逃げのバラン
スを調整することにより、焼結しようとする積層原料粉
末の加圧軸方向に温度傾斜を形成し、金属結合相量の異
なる、従って、焼結温度の異なる２種以上の超硬合金原
料粉末を一度に一体に焼結接合できることを見出し、特
願平６−１１３６９６号として出願した。しかし、この
方法による超硬合金系耐摩耗材の製造には、焼結過程
（原料粉末の収縮過程）を考慮した成形用のダイ形状の
設計が難しく、また、正確な温度制御が必要となるなど
の問題があり、一定品質の焼結体を安定して大量に生産
する方法としては問題があった。また、この方法の性格
上、サイズの大きなものの製造は困難であった。
【０００５】特願平６−１１３６９６号は、超硬合金中
の金属結合相量の異なる、従って、焼結温度の異なるも
のの組合せを、その焼結温度に合せてダイ形状や熱の出
入り量を設計し、無理なく一度に焼結接合しようとする
試みから達成されたものであるが、本発明は、上記目的
を達成するためのもう一つの観点からのアプローチによ
り達成されたものである。すなわち、金属結合相量の異
なる超硬合金を同じ焼結温度で一体に焼結接合する方法
はないか探索してきた。その結果、組成の異なる複数の
超硬合金の焼結において、それらの超硬合金の硬質相で
あるＷＣ粒子の大きさを、ある条件のもとで、適切に組
合せることにより、金属結合相量のある範囲の複数の超
硬合金について、同一温度のもとで、一体に焼結できる
ことを見出した。本発明は、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ
系超硬合金の焼結特性に与えるＷＣ粒径の影響や、それ
ら二つの系よりなる超硬合金原料粉末を積層して焼結し
た場合の焼結挙動などについて研究し、その結果なされ
たものである。すなわち、本発明は、金属結合相量３重
量％以上、２０重量％未満含有し、１０μｍ以下のＷＣ
粒子よりなる超硬合金で構成された耐摩耗層と金属結合
相量２０重量％以上、５０重量％未満含有する超硬合金
よりなる溶接可能層の直接または中間層を介して接合さ
れたＷＣ基超硬合金系耐摩耗材を製造する方法におい
て、該３層を構成する超硬合金中の金属結合相をＣｏ又
はＮｉのいずれか一方とし、かつ、それら３層を構成す
る超硬合金中のＷＣ粒子の大きさを、耐摩耗層１ａから
溶接可能層１ｂ方向へ増加させることにより、金属結合
相量の互いに異なる耐摩耗層と溶接可能層を直接または
中間層を介して同一温度のもとで一体に焼結接合するこ
とにより、鋼材等への溶接性と優れた耐摩耗性を兼ね備
えたＷＣ基超硬合金系耐摩耗材とその製造方法を提供す
るものである。ここで、該耐摩耗層を構成する超硬合金
中のＷＣ粒子の平均粒径を１μｍ以下とすることによ
り、硬さの高い、耐摩耗性の一層優れた耐摩耗層を形成
でき、また、該溶接可能層と該中間層を構成する超硬合
金の原料粉末として、混合すべき金属結合相の全体また
は一部をその表面に均一に被覆コートしたＷＣ粒子より
なる粉末を用いることにより、金属結合相の均一に分布
した、焼結性の改善された超硬合金を得ることができ
る。
の金属結合相量の異なる、従って、焼結温度の異なるも
のの組合せを、その焼結温度に合せてダイ形状や熱の出
入り量を設計し、無理なく一度に焼結接合しようとする
試みから達成されたものであるが、本発明は、上記目的
を達成するためのもう一つの観点からのアプローチによ
り達成されたものである。すなわち、金属結合相量の異
なる超硬合金を同じ焼結温度で一体に焼結接合する方法
はないか探索してきた。その結果、組成の異なる複数の
超硬合金の焼結において、それらの超硬合金の硬質相で
あるＷＣ粒子の大きさを、ある条件のもとで、適切に組
合せることにより、金属結合相量のある範囲の複数の超
硬合金について、同一温度のもとで、一体に焼結できる
ことを見出した。本発明は、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ
系超硬合金の焼結特性に与えるＷＣ粒径の影響や、それ
ら二つの系よりなる超硬合金原料粉末を積層して焼結し
た場合の焼結挙動などについて研究し、その結果なされ
たものである。すなわち、本発明は、金属結合相量３重
量％以上、２０重量％未満含有し、１０μｍ以下のＷＣ
粒子よりなる超硬合金で構成された耐摩耗層と金属結合
相量２０重量％以上、５０重量％未満含有する超硬合金
よりなる溶接可能層の直接または中間層を介して接合さ
れたＷＣ基超硬合金系耐摩耗材を製造する方法におい
て、該３層を構成する超硬合金中の金属結合相をＣｏ又
はＮｉのいずれか一方とし、かつ、それら３層を構成す
る超硬合金中のＷＣ粒子の大きさを、耐摩耗層１ａから
溶接可能層１ｂ方向へ増加させることにより、金属結合
相量の互いに異なる耐摩耗層と溶接可能層を直接または
中間層を介して同一温度のもとで一体に焼結接合するこ
とにより、鋼材等への溶接性と優れた耐摩耗性を兼ね備
えたＷＣ基超硬合金系耐摩耗材とその製造方法を提供す
るものである。ここで、該耐摩耗層を構成する超硬合金
中のＷＣ粒子の平均粒径を１μｍ以下とすることによ
り、硬さの高い、耐摩耗性の一層優れた耐摩耗層を形成
でき、また、該溶接可能層と該中間層を構成する超硬合
金の原料粉末として、混合すべき金属結合相の全体また
は一部をその表面に均一に被覆コートしたＷＣ粒子より
なる粉末を用いることにより、金属結合相の均一に分布
した、焼結性の改善された超硬合金を得ることができ
る。
【０００６】ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系の焼結とも
に、比較的低い温度では金属結合相成分の固相焼結がゆ
っくり進行するが、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系の共晶
温度以上になると液相を伴った急速な緻密化（焼結）が
進行する。従って、これらの系の焼結は一般に液相焼結
と呼ばれている。文献によると、Ｗ−Ｃ−Ｃｏ系、Ｗ−
Ｃ−Ｎｉ系の液相出現温度はそれぞれ１２８０℃、１３
４０℃であり、その時の液相へのＷＣの溶解度はそれぞ
れ２２％、１５％と報告されている。（Ｇ．Ｓ．ＵＰＡ
ＤＨＹＡＹＡ ａｎｄ Ｓ．Ｋ．ＢＨＡＵＭＩＫ、Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ、Ａ１０５／１０６、１９８８、ｐ２４９
−２５６）前述のようにＷＣ−Ｎｉ系の焼結温度はＷＣ
−Ｃｏ系より高くなるが、これは、この系での液相出現
温度が６０℃高いことと、ＷＣの溶解度が低く、液相生
成量も少ないことに起因するものと考えられる。この両
成分系における液相出現温度の差、そして、そのための
焼結温度の差は、これらの成分系の原料粉末を単独に独
立して焼結する場合にはそれぞれの焼結温度で別々に焼
結すれば特に問題となることはなかった。しかし、問題
は、これら両成分系の原料粉末を積層して一体に焼結し
ようとする場合に起きる。１０μｍＷＣ粉末にＣｏ，Ｎ
ｉ粉末を各１０重量％加えた原料粉末を積層して焼結す
る場合を例にとると、これらＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ
系の焼結温度はそれぞれ１３１０℃、１３７５℃であ
り、まず、同一温度では焼結できない。１３１０℃では
Ｎｉ系が焼結不良となることは明らかなので、Ｃｏ系で
過焼結となる１３７５℃で焼結してみると、ＣｏがＷＣ
−Ｎｉ系側へ拡散し、Ｃｏ系側では金属量が減り、Ｎｉ
系側では増加が見られ、当初の設計通りの焼結体を得る
ことができない。また、積層界面には上下の層と光沢の
異なるＣｏＮｉ3 のような脆い金属間化合物が生成さ
れ、接合強度の低下を招く。さらに、両成分系で焼結温
度のほぼ同じとなる組成の組合せとして、例えば、前例
と同じ１０μｍＷＣ粉末を用いて、Ｃｏ１０重量％、Ｎ
ｉ３０重量％の原料粉末の積層、一体焼結があり、ここ
での焼結温度は１３１５℃である。この一体焼結では確
かに、Ｃｏ成分のＮｉ系側への拡散、浸透は少なくなる
が、Ｃｏの移動が起きる。加えて、接合界面には、Ｃｏ
Ｎｉ3 のような金属間化合物も形成される。これは、上
記のＷＣ−Ｃｏ系とＷＣ−Ｎｉ系での液相出現温度の差
によるものであって、結合金属相の量で左右されるもの
でなく、これら両成分系を積層、一体焼結する場合の本
質的な問題と考えられる。従って、本発明に係わるＷＣ
基超硬合金系耐摩耗材１では、それを構成する超硬合金
の金属結合相の種類をＣｏ又はＮｉのいずれか１種とす
る。
に、比較的低い温度では金属結合相成分の固相焼結がゆ
っくり進行するが、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系の共晶
温度以上になると液相を伴った急速な緻密化（焼結）が
進行する。従って、これらの系の焼結は一般に液相焼結
と呼ばれている。文献によると、Ｗ−Ｃ−Ｃｏ系、Ｗ−
Ｃ−Ｎｉ系の液相出現温度はそれぞれ１２８０℃、１３
４０℃であり、その時の液相へのＷＣの溶解度はそれぞ
れ２２％、１５％と報告されている。（Ｇ．Ｓ．ＵＰＡ
ＤＨＹＡＹＡ ａｎｄ Ｓ．Ｋ．ＢＨＡＵＭＩＫ、Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ、Ａ１０５／１０６、１９８８、ｐ２４９
−２５６）前述のようにＷＣ−Ｎｉ系の焼結温度はＷＣ
−Ｃｏ系より高くなるが、これは、この系での液相出現
温度が６０℃高いことと、ＷＣの溶解度が低く、液相生
成量も少ないことに起因するものと考えられる。この両
成分系における液相出現温度の差、そして、そのための
焼結温度の差は、これらの成分系の原料粉末を単独に独
立して焼結する場合にはそれぞれの焼結温度で別々に焼
結すれば特に問題となることはなかった。しかし、問題
は、これら両成分系の原料粉末を積層して一体に焼結し
ようとする場合に起きる。１０μｍＷＣ粉末にＣｏ，Ｎ
ｉ粉末を各１０重量％加えた原料粉末を積層して焼結す
る場合を例にとると、これらＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ
系の焼結温度はそれぞれ１３１０℃、１３７５℃であ
り、まず、同一温度では焼結できない。１３１０℃では
Ｎｉ系が焼結不良となることは明らかなので、Ｃｏ系で
過焼結となる１３７５℃で焼結してみると、ＣｏがＷＣ
−Ｎｉ系側へ拡散し、Ｃｏ系側では金属量が減り、Ｎｉ
系側では増加が見られ、当初の設計通りの焼結体を得る
ことができない。また、積層界面には上下の層と光沢の
異なるＣｏＮｉ3 のような脆い金属間化合物が生成さ
れ、接合強度の低下を招く。さらに、両成分系で焼結温
度のほぼ同じとなる組成の組合せとして、例えば、前例
と同じ１０μｍＷＣ粉末を用いて、Ｃｏ１０重量％、Ｎ
ｉ３０重量％の原料粉末の積層、一体焼結があり、ここ
での焼結温度は１３１５℃である。この一体焼結では確
かに、Ｃｏ成分のＮｉ系側への拡散、浸透は少なくなる
が、Ｃｏの移動が起きる。加えて、接合界面には、Ｃｏ
Ｎｉ3 のような金属間化合物も形成される。これは、上
記のＷＣ−Ｃｏ系とＷＣ−Ｎｉ系での液相出現温度の差
によるものであって、結合金属相の量で左右されるもの
でなく、これら両成分系を積層、一体焼結する場合の本
質的な問題と考えられる。従って、本発明に係わるＷＣ
基超硬合金系耐摩耗材１では、それを構成する超硬合金
の金属結合相の種類をＣｏ又はＮｉのいずれか１種とす
る。
【０００７】図１と図２は、金属結合相量５〜６０重量
％の範囲でのＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−Ｎｉ系の焼結温度に与
えるＷＣ粒径の影響を示したものである。これらの図
は、平均粒径１μｍのＣｏ又はＮｉ粉末と、１０，２
５，４０μｍのＷＣ粉末よりなる超硬合金原料粉末の焼
結試験をダイ、パンチを用いた通電加圧焼結法にて実施
し、加熱過程での上下パンチの変位量を記録し、これを
温度に対してプロットし直し、図３の要領で各焼結温度
を決定し、作成したものである。ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−
Ｎｉ系とも、ＷＣ粒子が１０μｍ以下の範囲では焼結温
度のＷＣ粒径依存性は僅かであるが、これ以上のＷＣ粒
径の増加で次第に焼結温度が高くなる。これはＷＣ粒径
が１０μｍ以上に大きくなると、粒子間の隙間も大きく
なり、また、粒子同士のブリッジングも強固になるた
め、通常のホットプレスの圧力（〜５００ｋｇ／ｃｍ
2 ）でも容易に緻密化が進行しなくなるためと思われ
る。この緻密化不足の分は焼結体中の気孔として残り、
強度低下の原因となり、好ましくない。このような気孔
の残留を避けるためには、原料粉末のＷＣ粒径が１０μ
ｍ以上になる場合、混合する金属結合相の全体または一
部をその表面に均一に被覆コートしたＷＣ粉末を用い、
粒の再配列、液相分布の均一化を図って緻密化を促進す
ることにより、残留気孔のない緻密な焼結体を得ること
ができる。
％の範囲でのＷＣ−Ｃｏ，ＷＣ−Ｎｉ系の焼結温度に与
えるＷＣ粒径の影響を示したものである。これらの図
は、平均粒径１μｍのＣｏ又はＮｉ粉末と、１０，２
５，４０μｍのＷＣ粉末よりなる超硬合金原料粉末の焼
結試験をダイ、パンチを用いた通電加圧焼結法にて実施
し、加熱過程での上下パンチの変位量を記録し、これを
温度に対してプロットし直し、図３の要領で各焼結温度
を決定し、作成したものである。ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−
Ｎｉ系とも、ＷＣ粒子が１０μｍ以下の範囲では焼結温
度のＷＣ粒径依存性は僅かであるが、これ以上のＷＣ粒
径の増加で次第に焼結温度が高くなる。これはＷＣ粒径
が１０μｍ以上に大きくなると、粒子間の隙間も大きく
なり、また、粒子同士のブリッジングも強固になるた
め、通常のホットプレスの圧力（〜５００ｋｇ／ｃｍ
2 ）でも容易に緻密化が進行しなくなるためと思われ
る。この緻密化不足の分は焼結体中の気孔として残り、
強度低下の原因となり、好ましくない。このような気孔
の残留を避けるためには、原料粉末のＷＣ粒径が１０μ
ｍ以上になる場合、混合する金属結合相の全体または一
部をその表面に均一に被覆コートしたＷＣ粉末を用い、
粒の再配列、液相分布の均一化を図って緻密化を促進す
ることにより、残留気孔のない緻密な焼結体を得ること
ができる。
【０００８】図１，図２を参照すると、（５μｍＷＣ＋
１０％Ｃｏ）と（１７μｍＷＣ＋２０％Ｃｏ）は１３１
０℃の同一温度で焼結でき、また（１０μｍＷＣ＋２０
％Ｎｉ）と（２２μｍＷＣ＋４０％Ｎｉ）、あるいは
（３０μｍＷＣ＋６０％Ｎｉ）が同一温度で焼結できる
組合せであることがわかる。本発明に係わる方法では、
溶接可能層１ｂ、中間層１ｃを構成する超硬合金のＷＣ
粒径と金属結合相量は次のように選定する。まず、耐摩
耗層を構成する超硬合金のＷＣ粒径と金属結合相量を決
め、その条件での焼結温度を図１，図２から求める。金
属結合相量２０〜５０重量％の溶接可能層はその温度で
焼結する必要がある。従って、金属結合相量２０〜５０
重量％の範囲で、上に求めた焼結温度で同時に焼結でき
るＷＣ粒径の範囲を図１，図２から見出す。次に、耐摩
耗層を構成する超硬合金の熱膨張率を考慮し、それらの
範囲の中から最適と思われる金属結合相量とＷＣ粒径の
組合せを選択する。中間層を必要とする場合には両者の
中間的位置の組合せを選択する。本発明に係わるＷＣ基
超硬合金系耐摩耗材の耐摩耗層を構成する超硬合金中の
金属結合相量は３重量％以上、２０重量％未満必要であ
った。３重量％未満ではそれ自体の焼結が難しくなるほ
か、焼結できても脆く、欠けや割れによる損傷が大きく
実用的な焼結体が得られない。また、２０重量％以上で
は超硬合金の硬さが低下し、実用的な耐摩耗性が得られ
ない。一方、溶接可能層は金属結合相量が多いほど鋼材
等との強力な溶接ができるが、一体に焼結されている耐
摩耗層との熱膨張率の差、さらに、それとの焼結温度の
差の問題があり、２０重量％以上、５０重量％未満が望
ましい。２０重量％未満では鋼材等との溶接自体が困難
となり、本発明の効果を達成できない。また、５０重量
％以上では耐摩耗層を構成する超硬合金との熱膨張率差
が大きくなりすぎ、また、焼結温度の差も大きくなり、
一体焼結が難しくなる。
１０％Ｃｏ）と（１７μｍＷＣ＋２０％Ｃｏ）は１３１
０℃の同一温度で焼結でき、また（１０μｍＷＣ＋２０
％Ｎｉ）と（２２μｍＷＣ＋４０％Ｎｉ）、あるいは
（３０μｍＷＣ＋６０％Ｎｉ）が同一温度で焼結できる
組合せであることがわかる。本発明に係わる方法では、
溶接可能層１ｂ、中間層１ｃを構成する超硬合金のＷＣ
粒径と金属結合相量は次のように選定する。まず、耐摩
耗層を構成する超硬合金のＷＣ粒径と金属結合相量を決
め、その条件での焼結温度を図１，図２から求める。金
属結合相量２０〜５０重量％の溶接可能層はその温度で
焼結する必要がある。従って、金属結合相量２０〜５０
重量％の範囲で、上に求めた焼結温度で同時に焼結でき
るＷＣ粒径の範囲を図１，図２から見出す。次に、耐摩
耗層を構成する超硬合金の熱膨張率を考慮し、それらの
範囲の中から最適と思われる金属結合相量とＷＣ粒径の
組合せを選択する。中間層を必要とする場合には両者の
中間的位置の組合せを選択する。本発明に係わるＷＣ基
超硬合金系耐摩耗材の耐摩耗層を構成する超硬合金中の
金属結合相量は３重量％以上、２０重量％未満必要であ
った。３重量％未満ではそれ自体の焼結が難しくなるほ
か、焼結できても脆く、欠けや割れによる損傷が大きく
実用的な焼結体が得られない。また、２０重量％以上で
は超硬合金の硬さが低下し、実用的な耐摩耗性が得られ
ない。一方、溶接可能層は金属結合相量が多いほど鋼材
等との強力な溶接ができるが、一体に焼結されている耐
摩耗層との熱膨張率の差、さらに、それとの焼結温度の
差の問題があり、２０重量％以上、５０重量％未満が望
ましい。２０重量％未満では鋼材等との溶接自体が困難
となり、本発明の効果を達成できない。また、５０重量
％以上では耐摩耗層を構成する超硬合金との熱膨張率差
が大きくなりすぎ、また、焼結温度の差も大きくなり、
一体焼結が難しくなる。
【０００９】耐摩耗層と溶接可能層を直接接合するか、
中間層を介した接合を採用するかは両層を構成する超硬
合金中の金属結合相の量の差による。一応の目安とし
て、その差が２０重量％以上の組合せの場合には中間層
を介した接合が残留応力の少ない接合体を製造する上か
ら好ましい。中間層は１層である必要はなく、必要に応
じて２層以上とすることができ、また、中間層内の金属
結合相量の変化は連続でもステップ状ともすることがで
きる。本発明に係わる耐摩耗材原料粉末２の焼結には、
特に制約はなく、通常の真空焼結法も用いることもでき
るが、ホットプレス法、通電焼結法などの加圧焼結が望
ましい。
中間層を介した接合を採用するかは両層を構成する超硬
合金中の金属結合相の量の差による。一応の目安とし
て、その差が２０重量％以上の組合せの場合には中間層
を介した接合が残留応力の少ない接合体を製造する上か
ら好ましい。中間層は１層である必要はなく、必要に応
じて２層以上とすることができ、また、中間層内の金属
結合相量の変化は連続でもステップ状ともすることがで
きる。本発明に係わる耐摩耗材原料粉末２の焼結には、
特に制約はなく、通常の真空焼結法も用いることもでき
るが、ホットプレス法、通電焼結法などの加圧焼結が望
ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例に基づ
き図面を参照して説明する。 実施例１ 以下の実施例における原料粉末の粒径は平均粒径を示す
ものとする。図４を参照して、１μｍのＷＣ粉末と１μ
ｍのＣｏ粉末２０重量％よりなる粉末を耐摩耗層原料粉
末２ａとして用いた。また、２０μｍのＷＣ粉末と１μ
ｍのＣｏ粉末４０重量％よりなる粉末をアルゴン雰囲気
にした乾式ボールミル法による、メカニカルアロイング
（ＭＡ）法により処理した粉末を溶接可能層原料粉末２
ｂとして用いた。なお、成形助材として、それぞれに外
割りで３％ずつ樟脳を混合した。次に、φ３０超硬成形
型に耐摩耗層原料粉末４６．９ｇと溶接可能層原料粉末
４０．６ｇを積層して充填し、４００ｋｇ／ｃｍ2 で加
圧成形した。得られた成形体を真空炉に入れ、１０-5ト
ールまで排気した後、加熱を開始した。１２８０℃まで
２時間で昇温し、その温度で１０分保持して焼結を終了
した。回収した焼結体は径２８．５ｍｍ（溶接可能層側
の収縮が大きい）、高さ約１１．５ｍｍであった。この
焼結体を半割りし、一方の断面を研磨仕上げし、焼結、
接合状態を観察した。断面では耐摩耗層１ａ、溶接可能
層１ｂの光沢の差ははっきりしており、両層の硬さはそ
れぞれ１４２０、８１０ｋｇ／ｍｍ2 であった。また、
断面には気孔や割れはなく、両層とも真密度まで良く焼
結できており、溶接可能層でＣｏの均一な分散が観察で
きた。さらに、接合面近傍にも気孔や割れは認められ
ず、強固な焼結接合ができていた。半割りした残りの半
分を用いて溶接可能層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍ
のステンレスブロックに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩ
Ｇ溶接を試みたところ、超硬合金側へのダメージもな
く、実用的強度での溶接が可能であった。
き図面を参照して説明する。 実施例１ 以下の実施例における原料粉末の粒径は平均粒径を示す
ものとする。図４を参照して、１μｍのＷＣ粉末と１μ
ｍのＣｏ粉末２０重量％よりなる粉末を耐摩耗層原料粉
末２ａとして用いた。また、２０μｍのＷＣ粉末と１μ
ｍのＣｏ粉末４０重量％よりなる粉末をアルゴン雰囲気
にした乾式ボールミル法による、メカニカルアロイング
（ＭＡ）法により処理した粉末を溶接可能層原料粉末２
ｂとして用いた。なお、成形助材として、それぞれに外
割りで３％ずつ樟脳を混合した。次に、φ３０超硬成形
型に耐摩耗層原料粉末４６．９ｇと溶接可能層原料粉末
４０．６ｇを積層して充填し、４００ｋｇ／ｃｍ2 で加
圧成形した。得られた成形体を真空炉に入れ、１０-5ト
ールまで排気した後、加熱を開始した。１２８０℃まで
２時間で昇温し、その温度で１０分保持して焼結を終了
した。回収した焼結体は径２８．５ｍｍ（溶接可能層側
の収縮が大きい）、高さ約１１．５ｍｍであった。この
焼結体を半割りし、一方の断面を研磨仕上げし、焼結、
接合状態を観察した。断面では耐摩耗層１ａ、溶接可能
層１ｂの光沢の差ははっきりしており、両層の硬さはそ
れぞれ１４２０、８１０ｋｇ／ｍｍ2 であった。また、
断面には気孔や割れはなく、両層とも真密度まで良く焼
結できており、溶接可能層でＣｏの均一な分散が観察で
きた。さらに、接合面近傍にも気孔や割れは認められ
ず、強固な焼結接合ができていた。半割りした残りの半
分を用いて溶接可能層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍ
のステンレスブロックに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩ
Ｇ溶接を試みたところ、超硬合金側へのダメージもな
く、実用的強度での溶接が可能であった。
【００１１】実施例２ 図５を参照して、０．５μｍのＷＣ粉末と１μｍのＣｏ
粉末８重量％よりなる粉末を耐摩耗層原料粉末２ａとし
て用いた。また、中間層原料粉末２ｃとし、１７μｍの
ＷＣ粉末にＣｏを２０重量％となるようにメッキした粉
末を、溶接可能層原料粉末２ｂとして２５μｍのＷＣ粉
末にＣｏを４０重量％となるようにメッキした粉末をそ
れぞれ用いた。次に、φ３０ｍｍの黒鉛製成形型を用い
て、この型に上記溶接可能層原料粉末３３．７ｇ，中間
層原料粉末１８．８ｇ，耐摩耗層原料粉末１４．８ｇの
順にそれぞれ充填した後、ホットプレス装置にセット
し、１０-2トールまで排気し、５００ｋｇ／ｃｍ2 まで
加圧した。１３２０℃まで約２．５時間で昇温し、その
温度で１０分保持した後、冷却して焼結体を回収した。
回収した焼結体は径３０ｍｍ、高さ約１０ｍｍであっ
た。この焼結体を半割りし、一方の断面を研磨仕上げ
し、焼結、接合状態を観察した。断面では耐摩耗層１
ａ、中間層１ｃ、溶接可能層１ｂの光沢の差ははっきり
しており、各層の硬さはそれぞれ１９７０、１２００、
７３０ｋｇ／ｍｍ2 であった。また、断面には気孔や割
れはなく、両層とも真密度まで良く焼結できていた。さ
らに、接合面近傍にも気孔や割れは認められず、強固な
焼結接合ができていた。半割りした残りの半分を用いて
溶接可能層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍのステンレ
スブロックに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩＧ溶接を試
みたところ、超硬合金側へのダメージもなく、実用的強
度での溶接が可能であった。
粉末８重量％よりなる粉末を耐摩耗層原料粉末２ａとし
て用いた。また、中間層原料粉末２ｃとし、１７μｍの
ＷＣ粉末にＣｏを２０重量％となるようにメッキした粉
末を、溶接可能層原料粉末２ｂとして２５μｍのＷＣ粉
末にＣｏを４０重量％となるようにメッキした粉末をそ
れぞれ用いた。次に、φ３０ｍｍの黒鉛製成形型を用い
て、この型に上記溶接可能層原料粉末３３．７ｇ，中間
層原料粉末１８．８ｇ，耐摩耗層原料粉末１４．８ｇの
順にそれぞれ充填した後、ホットプレス装置にセット
し、１０-2トールまで排気し、５００ｋｇ／ｃｍ2 まで
加圧した。１３２０℃まで約２．５時間で昇温し、その
温度で１０分保持した後、冷却して焼結体を回収した。
回収した焼結体は径３０ｍｍ、高さ約１０ｍｍであっ
た。この焼結体を半割りし、一方の断面を研磨仕上げ
し、焼結、接合状態を観察した。断面では耐摩耗層１
ａ、中間層１ｃ、溶接可能層１ｂの光沢の差ははっきり
しており、各層の硬さはそれぞれ１９７０、１２００、
７３０ｋｇ／ｍｍ2 であった。また、断面には気孔や割
れはなく、両層とも真密度まで良く焼結できていた。さ
らに、接合面近傍にも気孔や割れは認められず、強固な
焼結接合ができていた。半割りした残りの半分を用いて
溶接可能層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍのステンレ
スブロックに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩＧ溶接を試
みたところ、超硬合金側へのダメージもなく、実用的強
度での溶接が可能であった。
【００１２】実施例３ 図５を参照して、１μｍのＷＣ粉末に１μｍのＮｉ粉末
を１２重量％加え、混合した粉末を耐摩耗層原料粉末２
ａとし、２２μｍＷＣ粉末にＮｉを２５重量％メッキし
た粉末を中間層原料粉末２ｃとし、また、３０μｍのＷ
Ｃ粉末と１μｍのＮｉ粉末５０重量％よりなる粉末をア
ルゴンガス中でＭＡ処理して得た粉末を溶接可能層原料
粉末２ｂとして用いた。次に、黒鉛製φ３０ｍｍの成形
型を用いて、この型に上記溶接可能層原料粉末３１．０
ｇ，中間層原料粉末１８．４ｇ，耐摩耗層原料粉末４
０．４ｇの順にそれぞれ充填した後、通電焼結機にセッ
トし、１０-2トールまで排気し後、５００ｋｇ／ｃｍ2
まで加圧した。１３７０℃まで約１５分で昇温し、その
温度で５分保持した後、冷却して焼結体を回収した。回
収した焼結体は径３０ｍｍ、高さ１０ｍｍであった。こ
の焼結体を半割りし、一方の断面を研磨仕上げし、焼
結、接合状態を観察した。断面では耐摩耗層１ａ、中間
層１ｃ、溶接可能層１ｂの光沢の差ははっきりしてお
り、各層の硬さはそれぞれ１４１０、７５０、６７０ｋ
ｇ／ｍｍ2 であった。また、断面には気孔や割れはな
く、両層とも真密度まで良く焼結できていた。また、接
合面近傍にも気孔や割れは認められず、強固な焼結接合
ができていた。半割りした残りの半分を用いて溶接可能
層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍのステンレスブロッ
クに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩＧ溶接を試みたとこ
ろ、超硬合金側へのダメージもなく、実用的強度での溶
接が可能であった。
を１２重量％加え、混合した粉末を耐摩耗層原料粉末２
ａとし、２２μｍＷＣ粉末にＮｉを２５重量％メッキし
た粉末を中間層原料粉末２ｃとし、また、３０μｍのＷ
Ｃ粉末と１μｍのＮｉ粉末５０重量％よりなる粉末をア
ルゴンガス中でＭＡ処理して得た粉末を溶接可能層原料
粉末２ｂとして用いた。次に、黒鉛製φ３０ｍｍの成形
型を用いて、この型に上記溶接可能層原料粉末３１．０
ｇ，中間層原料粉末１８．４ｇ，耐摩耗層原料粉末４
０．４ｇの順にそれぞれ充填した後、通電焼結機にセッ
トし、１０-2トールまで排気し後、５００ｋｇ／ｃｍ2
まで加圧した。１３７０℃まで約１５分で昇温し、その
温度で５分保持した後、冷却して焼結体を回収した。回
収した焼結体は径３０ｍｍ、高さ１０ｍｍであった。こ
の焼結体を半割りし、一方の断面を研磨仕上げし、焼
結、接合状態を観察した。断面では耐摩耗層１ａ、中間
層１ｃ、溶接可能層１ｂの光沢の差ははっきりしてお
り、各層の硬さはそれぞれ１４１０、７５０、６７０ｋ
ｇ／ｍｍ2 であった。また、断面には気孔や割れはな
く、両層とも真密度まで良く焼結できていた。また、接
合面近傍にも気孔や割れは認められず、強固な焼結接合
ができていた。半割りした残りの半分を用いて溶接可能
層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍのステンレスブロッ
クに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩＧ溶接を試みたとこ
ろ、超硬合金側へのダメージもなく、実用的強度での溶
接が可能であった。
【００１３】
【発明の効果】本発明は、上述の通り構成されているの
で次に記載する効果を奏する。以上のように、本発明の
方法によれば、金属結合相量の異なる２種以上の超硬合
金の原料粉末積層体を、その金属結合相をＣｏ又はＮｉ
のいずれか１種とし、それらの超硬合金の硬質相である
ＷＣ粒子の大きさをある条件のもとで適切に組合せるこ
とにより、同一温度のもとで一体に焼結できる。この方
法により、優れた耐摩耗性と鋼材等への直接溶接性を兼
ね備えたＷＣ基超硬合金系耐摩耗材を特殊な焼結機を要
することなく、従来の焼結方法により安定して大量に生
産でき、高機能耐摩耗材を安価に市場に供給できる。
で次に記載する効果を奏する。以上のように、本発明の
方法によれば、金属結合相量の異なる２種以上の超硬合
金の原料粉末積層体を、その金属結合相をＣｏ又はＮｉ
のいずれか１種とし、それらの超硬合金の硬質相である
ＷＣ粒子の大きさをある条件のもとで適切に組合せるこ
とにより、同一温度のもとで一体に焼結できる。この方
法により、優れた耐摩耗性と鋼材等への直接溶接性を兼
ね備えたＷＣ基超硬合金系耐摩耗材を特殊な焼結機を要
することなく、従来の焼結方法により安定して大量に生
産でき、高機能耐摩耗材を安価に市場に供給できる。
【図１】金属結合相量５〜６０重量％の範囲でのＷＣ−
Ｃｏ系におけるＷＣ粒径による焼結温度の変化を説明す
るグラフである。
Ｃｏ系におけるＷＣ粒径による焼結温度の変化を説明す
るグラフである。
【図２】金属結合相量５〜６０重量％の範囲でのＷＣ−
Ｃｏ系におけるＷＣ粒径による焼結温度の変化を説明す
るグラフである。
Ｃｏ系におけるＷＣ粒径による焼結温度の変化を説明す
るグラフである。
【図３】焼結温度の求め方を示した概略図である。
【図４】本発明に係わるＷＣ基超硬合金系耐摩耗材及び
その原料粉末の構成の１実施例である。
その原料粉末の構成の１実施例である。
【図５】本発明に係わるＷＣ基超硬合金系耐摩耗材及び
その原料粉末の構成の１実施例る。
その原料粉末の構成の１実施例る。
１ ＷＣ基超硬合金系耐摩耗材 ２ 耐摩耗材原料粉末 １ａ 耐摩耗層 １ｂ 溶接可能層 １ｃ 中間層 ２ａ 耐摩耗層原料粉末 ２ｂ 溶接可能層原料粉末 ２ｃ 中間層原料粉末
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 秀夫 北海道赤平市字赤平594番地の１ 住友 石炭鉱業株式会社 北海道技術研究所内 (56)参考文献 特開 平７−300375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−54846（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22C 29/08 C22C 1/05 B22F 7/00
Claims (5)
- 【請求項１】 金属結合相量３重量％以上、２０重量％
未満含有し、１０μｍ以下のＷＣ粒子よりなる超硬合金
で構成された耐摩耗層（１ａ）と、金属結合相量２０重
量％以上、５０重量％未満含有する超硬合金よりなる溶
接可能層（１ｂ）とが、直接または中間層（１ｃ）を介
して一体に焼結接合されているＷＣ基超硬合金系耐摩耗
材であって、該３層を構成する超硬合金の金属結合相が
Ｃｏ又はＮｉのいずれか一方の同一金属結合相よりな
り、かつ、それら３層を構成する超硬合金中のＷＣ粒子
の大きさが、耐摩耗層（１ａ）から溶接可能層（１ｂ）
方向へ大きくなっていることを特徴とするＷＣ基超硬合
金系耐摩耗材。 - 【請求項２】 該耐摩耗層を構成する超硬合金中のＷＣ
粒子の平均粒径が１μｍ以下である請求項１記載のＷＣ
基超硬合金系耐摩耗材。 - 【請求項３】 金属結合相量３重量％以上、２０重量％
未満含有し、１０μｍ以下のＷＣ粒子よりなる超硬合金
で構成された耐摩耗層と金属結合相量２０重量％以上、
５０重量％未満含有する超硬合金よりなる溶接可能層の
直接または中間層を介して接合されたＷＣ基超硬合金系
耐摩耗材を製造する方法において、該３層を構成する超
硬合金中の金属結合相をＣｏ又はＮｉのいずれか一方と
し、かつ、それら３層を構成する超硬合金中の粒子の大
きさを、耐摩耗層（１ａ）から溶接可能層（１ｂ）方向
へ増加させることにより、金属結合相量の互いに異なる
耐摩耗層と溶接可能層を直接または中間層を介して同一
温度のもとで一体に焼結接合することを特徴とするＷＣ
基超硬合金系耐摩耗材の製造方法。 - 【請求項４】 該耐摩耗層を構成する超硬合金中のＷＣ
粒子の平均粒径が１μｍ以下である請求項３記載のＷＣ
基超硬合金系耐摩耗材の製造方法。 - 【請求項５】 該溶接可能層と該中間層を構成する超硬
合金の原料粉末として、混合すべき金属結合相の全体ま
たは一部をその表面に均一に被覆コートしたＷＣ粒子よ
りなる粉末を用いる請求項３記載のＷＣ基超硬合金系耐
摩耗材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15769296A JP2807874B2 (ja) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | Ｗｃ基超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15769296A JP2807874B2 (ja) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | Ｗｃ基超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09316588A JPH09316588A (ja) | 1997-12-09 |
| JP2807874B2 true JP2807874B2 (ja) | 1998-10-08 |
Family
ID=15655306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15769296A Expired - Fee Related JP2807874B2 (ja) | 1996-05-28 | 1996-05-28 | Ｗｃ基超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2807874B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4857506B2 (ja) * | 2001-09-13 | 2012-01-18 | 株式会社タンガロイ | Ｗｃ基超硬合金製積層チップ |
| EP3117939A1 (de) * | 2015-07-14 | 2017-01-18 | HILTI Aktiengesellschaft | Werkzeug |
-
1996
- 1996-05-28 JP JP15769296A patent/JP2807874B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09316588A (ja) | 1997-12-09 |
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