JP3843211B2

JP3843211B2 - 傾斜複合材の製造方法

Info

Publication number: JP3843211B2
Application number: JP2000385236A
Authority: JP
Inventors: 光雄桑原; 昌紀大塚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: JP2002180107A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜複合材の製造方法に関し、一層詳細には、表面の硬度が互いに相違する部位を有する傾斜複合材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属とセラミックスとを含有する複合材は、種々の分野で広汎に使用されている。例えば、コバルトと炭化タングステンが焼結されてなる炭化タングステン−コバルト系超硬合金や、モリブデンと炭化チタンが焼結されてなる炭化チタン系サーメットは、切削工具の刃具として採用されている。
【０００３】
前記複合材の靱性や強度、硬度等の特性は、金属とセラミックスの組成比に依存して変化する。すなわち、金属の組成比が高くなるほど強度および靱性が向上し、一方、金属の組成比が低くなるほど硬度が向上する。したがって、金属とセラミックスの組成比は、複合材が所望の特性となるように選定される。例えば、上記したような刃具においては、硬度や耐摩耗性を確保して長寿命化を図るために、金属の組成比を低くする傾向にある。
【０００４】
しかしながら、金属の組成比が低い刃具は、高硬度および高耐摩耗性を有する一方、靱性が低い。したがって、この種の刃具を使用した場合には、該刃具に割れや欠けが生じることが懸念される。しかしながら、靱性が高い刃具には、耐摩耗性が低く寿命が短いという不具合がある。
【０００５】
そこで、表面が高硬度でかつ内部が高靱性である傾斜複合材から刃具を構成することが提案されている。この場合、表面が高硬度であるので長寿命を有し、かつ内部が高靱性であるので割れや欠けが生じ難い刃具となるからである。なお、この刃具においては、硬度が表面から内部に指向して低下するとともに、靱性が表面から内部に指向して上昇する。
【０００６】
この種の傾斜複合材は、通常、金属の粒子とセラミックスの粒子との緻密焼結体が作製され、次いで、面荒れのない平滑な表面を得るために、該緻密焼結体の表面から少なくとも０．５〜１ｍｍ程度が加工にて除去されることにより製造されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した緻密焼結体の硬度は、表面が最も高い。すなわち、傾斜複合材を製造するに際しては、緻密焼結体の最も高硬度な部位が除去されている。このため、製品としての傾斜複合材では、高硬度な部位の厚みが小さくなるという不具合がある。
【０００８】
高硬度な部位の厚みが大きい傾斜複合材を得るためには、形状が大なる成形体を作製した後に該成形体を焼結することが有効であるかのように考えられる。しかしながら、この場合、成形体の内部では焼結が起こり難くなる。したがって、緻密焼結体を効率よく得ることができなくなるので、傾斜複合材の生産効率が低下してしまうという不具合を招く。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、高硬度な部位の厚みが大きく、このために加工により表面が除去された場合であっても新たに露呈した表面がなお高硬度である傾斜複合材を得ることが可能な傾斜複合材の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる群から選択された少なくとも１種をセラミックスとして含有し、かつＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｒまたはこれらの中の２種以上で構成される合金からなる群から選択された少なくとも１種を金属として含有するとともに、表面の硬度が互いに相違する第１部位および第２部位を有する傾斜複合材を製造する傾斜複合材の製造方法であって、前記セラミックスの粒子と前記金属の粒子とが混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程と、前記多孔質焼結体の表面の一部に、前記セラミックスの粒子の粒成長を促進する粒成長促進剤からなり、かつ前記多孔質焼結体の内部に窒素が浸透することを防止するコーティング膜を形成する被覆工程と、表面の一部に前記コーティング膜が形成された前記多孔質焼結体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とするとともに、前記コーティング膜が形成された部位では窒素が浸透することを防止しながら前記セラミックスの粒子を粒成長させて前記第１部位を設ける一方、前記コーティング膜が形成されていない部位では表面から内部に窒素を浸透させることで前記セラミックスの粒子の粒成長を抑制して、表面硬度が前記第１部位に比して小さい前記第２部位を設ける二次焼結工程とを有することを特徴とする。なお、ここでいう「表面の一部」には、コーティング膜が形成された領域に比してコーティング膜が形成されていない領域が狭い場合のみならず、広い場合も含まれる。要するに、コーティング膜が形成されていない領域が多孔質焼結体に残留している状態であればよい。
【００１１】
窒素は、一般的に上記したセラミックスの粒子の粒成長を阻害する。本発明においては、コーティング膜が形成された領域では多孔質焼結体の内部に窒素が浸透することが著しく抑制される。したがって、該多孔質焼結体の内部におけるセラミックスの粒子の粒成長が阻害されることがない。このため、コーティング膜が形成された領域では表面から内部に亘ってセラミックスの粒子が良好に成長した傾斜複合材を得ることができる。このような領域では、強度が向上している。
【００１２】
また、コーティング膜の形成領域を調整することにより、窒素の多孔質焼結体内部への浸透箇所が調整される。これにより、所望の特性を有する傾斜複合材を得ることができる。
【００１３】
前記コーティング膜の構成材料の好適な例としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂの炭化物、窒化物、炭窒化物、または炭素のいずれかを挙げることができる。これらは上記したセラミックスの粒子の粒成長促進剤として機能するので、コーティング膜直下に位置するセラミックスの粒子が一層良好に粒成長するからである。
【００１４】
特に、容易かつ安価にコーティング膜を形成することが可能であることから、構成材料が六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）であることが好ましい。
【００１５】
また、被覆工程と二次焼結工程との間に、前記多孔質焼結体の内部に粒成長促進剤含有溶液を含浸させる含浸工程を行うことが好ましい。これにより、コーティング膜のみを形成して二次焼結工程を行う場合に比して強度および硬度、靱性が一層向上するからである。
【００１６】
この場合、粒成長促進剤含有溶液に含有される粒成長促進剤としてはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドを好適な例として挙げることができる。なお、以下の説明では、この粒成長促進剤と、コーティング膜である前記粒成長促進剤とを区別するため、便宜上、粒成長促進剤含有溶液を「触媒含有溶液」と表記するとともに、粒成長促進剤含有溶液（触媒含有溶液）に含有される粒成長促進剤を「触媒」と表記する。
【００１７】
なお、前記混合粉末における前記セラミックスの粒子と前記金属の粒子との割合は、重量比で６０：４０〜９５：５とすることが好ましい。セラミックスの粒子が６０重量部未満でかつ金属の粒子が４０重量部を超えると、セラミックスの粒子の粒成長が起こり難くなる。また、セラミックスの粒子が９５重量部を超えかつ金属の粒子が５重量部未満であると、製品としての傾斜複合材を得ることが容易でなくなるからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る傾斜複合材の製造方法につき添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
本実施の形態に係る傾斜複合材の製造方法のフローチャートを図１に示す。この製造方法は、成形体を得る成形工程Ｓ１と、前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程Ｓ２と、前記多孔質焼結体の内部に触媒含有溶液を含浸する含浸工程Ｓ３と、前記多孔質焼結体の表面の一部にコーティング膜を形成する被覆工程Ｓ４と、前記多孔質焼結体を再焼結して緻密焼結体とする二次焼結工程Ｓ５とを備える。
【００２０】
まず、成形工程Ｓ１において、セラミックスの粒子と金属の粒子の混合粉末を調製する。
【００２１】
ここで、セラミックスの粒子としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる群から選択された少なくとも１種（以下、非酸化物セラミックスという）の粒子が選定される。これら非酸化物セラミックスの粒子は、二次焼結工程Ｓ５において、後述する粒成長促進剤の作用により粒成長が促進される。なお、金属の粒子としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｒまたはこれらの中の２種以上で構成される合金からなる群から選択された少なくとも１種の粒子が選定される。
【００２２】
混合粉末における非酸化物セラミックスの粒子と金属の粒子との組成比は、非酸化物セラミックスの粒子：金属の粒子＝６０：４０〜９５：５（重量比、以下同じ）とすることが好ましい。非酸化物セラミックスの粒子の重量比が６０重量部未満でかつ金属の粒子の重量比が４０重量部を超えると、セラミックスの粒子の粒成長が起こり難くなる。また、非酸化物セラミックスの粒子の重量比が９５重量部を超えかつ金属の粒子の重量比が５重量部未満であると、製品としての緻密焼結体（傾斜複合材）を得ることが容易でなくなる。
【００２３】
そして、この混合粉末に成形加重を加えて成形体を作製する。この際、成形荷重は、後述する一次焼結工程Ｓ２において多孔質焼結体が得られるようにするため、金属粒子が塑性変形を起こさない程度に設定される。具体的には、成形荷重を１００〜３００ＭＰａ程度とすることが好ましい。この場合、金属粒子が塑性変形を起こすことを回避することができるので、成形体の開気孔が閉塞されることはない。
【００２４】
次いで、一次焼結工程Ｓ２において、開気孔が残留するように前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする。この時点で緻密焼結体とすると、高強度と高靱性とを兼ね備える傾斜複合材を得ることは困難である。
【００２５】
したがって、一次焼結工程Ｓ２における焼結温度や時間は、金属の粒子同士の融着が起こり、該金属の粒子同士にネックが形成された状態で終了されるように設定される。すなわち、一次焼結工程Ｓ２では、非酸化物セラミックスの粒子同士は融着されない。このため、成形体が多孔質焼結体になる過程においては、体積はほとんど変化しない。
【００２６】
次いで、含浸工程Ｓ３において、触媒を含有する触媒含有溶液を前記多孔質焼結体の内部に含浸させる。具体的には、触媒含有溶液中に前記多孔質焼結体を浸漬する。この浸漬により、触媒含有溶液が多孔質焼結体の開気孔を介してその内部へと浸透する。
【００２７】
なお、触媒は、二次焼結工程Ｓ５において非酸化物セラミックスの粒子の粒成長を促進する物質であれば特に限定されるものではないが、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイド等を好適な例として挙げることができる。触媒含有溶液としては、上記した金属を含有する金属塩を溶媒に溶解したものや有機金属溶液を使用すればよい。
【００２８】
この場合、触媒は、溶媒中に分散または溶解されることにより単一分子またはイオンにまで解離される。したがって、含浸工程Ｓ３においては、単一分子またはイオンにまで解離された触媒が多孔質焼結体の内部に均一に分散される。このため、二次焼結工程Ｓ５における非酸化物セラミックスの粒子の粒成長は、多孔質焼結体の表面から内部に亘り促進される。
【００２９】
含浸工程Ｓ３を行った後には、自然放置により触媒含有溶液を乾燥する。または、多孔質焼結体を加熱して触媒含有溶液を乾燥するようにしてもよい。
【００３０】
次いで、被覆工程Ｓ４において、前記多孔質焼結体の表面の一部にコーティング膜を形成する。すなわち、前記多孔質焼結体には、コーティング膜が形成されていない領域が残留する。なお、以下においては、コーティング膜が形成されていない領域を非被覆領域と表記するとともに、コーティング膜が形成された領域を被覆領域と表記する。後述するように、被覆領域では表面から内部に亘って高硬度となり、一方、非被覆領域では内部が高靱性となる。被覆領域と非被覆領域の比は特に限定されない。例えば、前記多孔質焼結体が直方体である場合、少なくとも一端面を非被覆領域とするようにしてもよい。
【００３１】
また、コーティング膜の構成材料は、前記非酸化物セラミックスの粒子の粒成長を促進する粒成長促進剤であることが好ましい。粒成長促進剤は、特に限定はされないが、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂの炭化物、窒化物、炭窒化物、または炭素のいずれかを好適な例として挙げることができる。このうち、ｈ−ＢＮ（六方晶系窒化ホウ素）からなるコーティング膜は、容易にかつ低コストで形成することができるので特に好適である。
【００３２】
コーティング膜は、例えば、キシレンやトルエン、あるいはアセトン等の溶媒にｈ−ＢＮ等のような粒成長促進剤が分散されてなる溶液を多孔質焼結体の表面に噴霧した後、溶媒を揮散除去することにより形成することができる。
【００３３】
最後に、二次焼結工程Ｓ５において、表面の一部にコーティング膜が形成された多孔質焼結体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とする。
【００３４】
この際、多孔質焼結体におけるコーティング膜が形成された領域では、非酸化物セラミックスの粒子の粒成長を阻害する窒素が多孔質焼結体の内部に浸透することが著しく抑制される。このため、多孔質焼結体の内部に存在する非酸化物セラミックスの粒子の粒成長は、窒素により阻害されることなく前記触媒によって促進される。また、コーティング膜が上記したような粒成長促進剤から構成されている場合には、コーティング膜によっても表面近傍の非酸化物セラミックスの粒子の粒成長が促進される。
【００３５】
一方、コーティング膜が形成されていない領域では、多孔質焼結体の内部に窒素が浸透する。このため、多孔質焼結体の内部に存在する非酸化物セラミックスの粒子は、窒素により粒成長することが抑制される。
【００３６】
すなわち、二次焼結工程Ｓ５においては、被覆領域ではセラミックスの粒子が粒成長し、このため、該被覆領域は表面から内部に亘って高硬度かつ高強度となる。一方、非被覆領域ではセラミックスの粒子の粒成長が抑制されるので、該非被覆領域は高靱性な部位となる。
【００３７】
このことから諒解されるように、被覆領域と非被覆領域との比を調整することにより、該多孔質焼結体の内部への窒素の浸透箇所を制御することができる。すなわち、高硬度かつ高強度な部位と高靱性な部位を所望の割合で得ることができ、結局、所望の特性を有する緻密焼結体（傾斜複合材）を得ることができる。
【００３８】
このように、本実施の形態に係る傾斜複合材の製造方法によれば、被覆領域と非被覆領域との比を調整することにより所望の特性を有する傾斜複合材を製造することができる。すなわち、高硬度かつ高強度な部位の厚みが大きい緻密焼結体を得ることができるので、該緻密焼結体の表面を加工して除去する場合であっても、新たに露呈した表面は除去された領域と略同一の硬度および強度を示す。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、成形工程Ｓ１と一次焼結工程Ｓ２とを個別に行っているが、熱間等圧成形（ＨＩＰ）等のように、両工程Ｓ１、Ｓ２を同時に行うようにしてもよい。
【００４０】
【実施例】
平均粒径１μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粒子を９０重量部、平均粒径１μｍのコバルト（Ｃｏ）粒子１０重量部を混合して混合粉末とした。次いで、この混合粉末を１００ＭＰａの成形荷重でプレス成形することにより、２０ｍｍ×２０ｍｍ×７０ｍｍの成形体を３個作製した。この成形体を乾燥した後、真空内において９００℃で３０分間保持することにより多孔質焼結体とした。
【００４１】
次いで、この多孔質焼結体を濃度１０％のＮｉイオン溶液に１分間程度浸漬することにより、多孔質焼結体の内部にＮｉイオンを分散させた。乾燥後、ｈ−ＢＮがキシレンに分散された溶液を、図２〜図４に示すように、多孔質焼結体１０ａ〜１０ｃの表面にスプレー塗布した。そして、室温にて放置してキシレンを揮散除去することによりｈ−ＢＮのコーティング膜を形成した。なお、図２〜図４においては、直方体の多孔質焼結体１０ａ〜１０ｃを展開して示し、かつコーティング膜が形成された端面、すなわち、被覆領域を斜線で示すとともに参照符号１２を付している。また、参照符号１４は、非被覆領域を示す。
【００４２】
次いで、窒素雰囲気中において、被覆領域１２および非被覆領域１４を有する多孔質焼結体を１４００℃で１時間保持することにより緻密化させ、３個の緻密焼結体（傾斜複合材）を得た。
【００４３】
そして、得られた各傾斜複合材を長手方向に沿って切断した後、切断面における硬度を測定した。結果を図５〜図７に示す。なお、図５〜図７においては、多孔質焼結体１０ａ〜１０ｃに対応する傾斜複合材に参照符号１６ａ〜１６ｃを付し、かつ硬度が高い領域を斜線で示している。
【００４４】
図５〜図７から、被覆領域１２の近傍では硬度が高く、一方、非被覆領域１４の近傍では硬度が低いことが諒解される。この理由は、非被覆領域１４の近傍では、二次焼結工程Ｓ５が行われる際に多孔質焼結体１０ａ〜１０ｃの内部に浸透した窒素によりＷＣの粒成長が抑制されているためであると考えられる。
【００４５】
また、上記と同様にして図８に示す形状の傾斜複合材２０を製造した。この場合、コーティング膜は多孔質焼結体の外周壁部にのみ形成した。この傾斜複合材２０につき、上端から２．５ｍｍ（Ｍ−Ｍ’線）および下端から１．５ｍｍ（Ｎ−Ｎ’線）の位置で、水平方向に沿ってビッカース硬度および破壊靱性値を測定した。結果を図９、図１０にそれぞれ示す。なお、ビッカース硬度は外周壁部から内周壁部に指向（Ｍ→Ｍ’方向およびＮ→Ｎ’方向）して示しており、一方、破壊靱性値は内周壁部から外周壁部（Ｍ’→Ｍ方向およびＮ’→Ｎ方向）に指向して示している。
【００４６】
図９から、コーティング膜を形成した外周壁部が高硬度であることが明らかである。また、図１０から、破壊靱性値は外周壁部と内周壁部との略中央付近で最大となっていることが分かる。
【００４７】
さらに、この傾斜複合材２０をＳＣＭ４４０材に対して摺動動作させて摩擦係数μを測定したところ、０．３８であった。一方、市販品である超硬材、ＴｉＮコーティング材およびＴｉＣＮコーティング材の同一条件下での摩擦係数μは、それぞれ、０．６７、０．７４および０．７５であった。すなわち、傾斜複合材２０の摩擦係数μは市販品に比して著しく低く、したがって、加工時における発熱量が低下するとともにかじりが生じ難い材料となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る傾斜複合材の製造方法によれば、表面の一部にコーティング膜が形成された多孔質焼結体を再焼結して緻密焼結体（傾斜複合材）とするようにしている。この場合、コーティング膜が形成された領域ではセラミックスの粒子の粒成長を阻害する窒素が多孔質焼結体の内部に浸透することが著しく抑制される。このため、コーティング膜が形成された領域では表面から内部に亘ってセラミックスの粒子が良好に成長し、その結果、高硬度な部位の厚みが大きい傾斜複合材を得ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る傾斜複合材の製造方法のフローチャートである。
【図２】表面にコーティング膜が形成された多孔質焼結体の展開図である。
【図３】表面にコーティング膜が形成された多孔質焼結体の展開図である。
【図４】表面にコーティング膜が形成された多孔質焼結体の展開図である。
【図５】図２の多孔質焼結体が再焼結されることにより得られた傾斜複合材の内部における硬度の変化を示す長手方向断面図である。
【図６】図３の多孔質焼結体が再焼結されることにより得られた傾斜複合材の内部における硬度の変化を示す長手方向断面図である。
【図７】図４の多孔質焼結体が再焼結されることにより得られた傾斜複合材の内部における硬度の変化を示す長手方向断面図である。
【図８】別の形状の傾斜複合材の縦断面概略斜視図である。
【図９】図８のＭ−Ｍ’線およびＮ−Ｎ’線に沿うビッカース硬度の変化を示すグラフである。
【図１０】図８のＭ−Ｍ’線およびＮ−Ｎ’線に沿う破壊靱性値の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ａ〜１０ｃ…多孔質焼結体１２…被覆領域
１４…非被覆領域１６ａ〜１６ｃ、２０…傾斜複合材

Claims

Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物または炭窒化物からなる群から選択された少なくとも１種をセラミックスとして含有し、かつＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｒまたはこれらの中の２種以上で構成される合金からなる群から選択された少なくとも１種を金属として含有するとともに、表面の硬度が互いに相違する第１部位および第２部位を有する傾斜複合材を製造する傾斜複合材の製造方法であって、
前記セラミックスの粒子と前記金属の粒子とが混合されてなる混合粉末を成形して成形体とする成形工程と、
前記成形体を焼結して多孔質焼結体とする一次焼結工程と、
前記多孔質焼結体の表面の一部に、前記セラミックスの粒子の粒成長を促進する粒成長促進剤からなり、かつ前記多孔質焼結体の内部に窒素が浸透することを防止するコーティング膜を形成する被覆工程と、
表面の一部に前記コーティング膜が形成された前記多孔質焼結体を窒素雰囲気中で再焼結して緻密焼結体とするとともに、前記コーティング膜が形成された部位では窒素が浸透することを防止しながら前記セラミックスの粒子を粒成長させて前記第１部位を設ける一方、前記コーティング膜が形成されていない部位では表面から内部に窒素を浸透させることで前記セラミックスの粒子の粒成長を抑制して、表面硬度が前記第１部位に比して小さい前記第２部位を設ける二次焼結工程と、
を有することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
請求項１記載の製造方法において、
前記被覆工程で、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂの炭化物、窒化物、炭窒化物、または炭素のいずれかを構成材料とするコーティング膜を形成することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
請求項２記載の製造方法において、
六方晶系窒化ホウ素を構成材料とするコーティング膜を形成することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法において、
さらに、前記多孔質焼結体の内部に粒成長促進剤含有溶液を含浸させる含浸工程を有することを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
請求項４記載の製造方法において、
前記粒成長促進剤含有溶液に含有される粒成長促進剤をＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはランタノイドとすることを特徴とする傾斜複合材の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法において、
前記セラミックスの粒子と前記金属の粒子とを６０：４０〜９５：５の重量比で混合して前記混合粉末とすることを特徴とする傾斜複合材の製造方法。