JP4166821B2

JP4166821B2 - 複合材料の粉末冶金学的製造方法

Info

Publication number: JP4166821B2
Application number: JP52560796A
Authority: JP
Inventors: ベルンズ、ハンス
Original assignee: Erasteel Kloster AB
Current assignee: Erasteel Kloster AB
Priority date: 1995-02-18
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: DE19505628A1; JPH11500784A; ATE202155T1; AU708686B2; DE69613359T2; AU4737196A; WO1996026298A1; EP0815274A1; DE69613359D1; US6022508A; EP0815274B1

Description

技術分野
本発明は、金属マトリックス中に粒子を含有し、高い靭性と共に高い耐摩耗性を有する複合材料の粉末冶金学的製造方法に関する。
発明の背景
耐摩耗性金属材料は、通常、硼化物、炭化物、窒化物又は金属間相のような硬質粒子が混在物として存在する固化した金属マトリックスよりなる。このような材料の耐摩耗性や破壊靭性は通常硬質粒子が金属マトリックス中に一様に分散されたとき、及び、網様の分布が避けられたときに最高となる。所定量の一様に分散された硬質粒子を用いる場合、硬質粒子の大きさが増すに連れて材料の破壊強度は減少するが、一方、破壊靭性は増大する。このことは、添付図１ａと１ｂを参照して次のように説明することができる。材料が引張り又は曲げ荷重Ｆを受けるとき、割れはまず脆い硬質粒子に生ずる（図１ａ）。硬質粒子が大きいほど、この割れは大きくなり、低い張力で早く伝播し、破壊に至る。換言すれば、硬質粒子の大きさが増すに連れて、破壊強度は減少する。しかし、所定の含量の硬質粒子を用いる場合は、硬質粒子の大きさが増すに連れて、硬質粒子間の平均間隔は増大する（図１b）。したがって、割れの前方の金属マトリックス中に塑性域が形成され、硬質粒子が更に割れることを防ぐことができ、この場合破壊靭性は硬質粒子間の間隔に比例して増大する。所定の含量の硬質粒子の場合、すなわち所定の耐摩耗性の場合は、破壊靭性が改善されれば、それに伴って破壊強度は損なわれる。
発明の概要の開示
本発明の目的は、金属マトリックス中に粒子を含有し、高い破壊強度及び破壊靭性と共に高い耐摩耗性を有する複合材料を提供することにある。この目的は、添付した請求項１の特徴とする部分に規定された方法によって達成される。すなわち本発明は、
第一金属または合金の第一粉体の粉体粒子であり且つ該第一粉体の粉体粒子のマトリックス中に分散する硬質相（ＨＴ）として２０体積％を超える量の炭化物相を含む粉体粒子（Ｉ）が、
第二金属または合金の粒子（II）よりなる第二の粉体であり且つ該第二粉体粒子のマトリックス中に分散する硬質相（ＨＴ）として１０体積％未満の量の炭化物相を含む第二粉体中に分散され、
該第二粉体は、ガス噴霧により球状粒子として形成されたものであり、
該第一及び第二粉体の粉体粒子は、これらを互いに混合する前に、異なった粒子分布を持たせられ、かつ第一粉体の平均径（Ｄ_I）は第二粉体の平均径（Ｄ_II）よりも大きくされ、
かつ該第一及び第二粉体の混合物は熱間圧縮によって成形体とされる複合材料の製造方法において、
該第一粉体もまたガス噴霧により球状粒子として形成されたものであり、
該第一粉体の硬質相間の相互接触は避けられることを特徴とする金属マトリックス中に粒子を含有し高い靭性と共に高い耐磨耗性を有する複合材料の製造方法である。本発明の更なる特徴は、従属する請求項及び以下の説明中に記載されるが、その中でも添付図面も参照される。
【図面の簡単な説明】
図１aと１bは、所定の含量の硬質粒子を有する分散構造体において、硬質粒子の大きさと機械的特性である破壊強度及び破壊靭性との関係を図示する。
図２aと２bは、各々等しい体積含量の硬質粒子を有する一段及び二段分散構造体を図示する。
図３は、第一粉体Ｉ及び第二粉体IIの混合物から作られた二段分散構造体を示す。
図４は、第一及び第二粉体の平均径の比に対する第一粉体Ｉの体積含量を示す図表である。
発明の詳細な説明
本発明によれば、一段法で得られる図２ａの周知の分散構造体の金属マトリックスＭＭ中の硬質粒子ＨＴは、図２ｂの二段法による分散構造体で置き換えられる。本発明の図２ｂの二段分散微細構造体は、第一金属マトリックスＭＭＩ中に微細な硬質粒子の微密な分散体を持つ領域を含み、微細な硬質粒子に富むこれら領域は、今度は、実質的に硬質粒子の無い第二金属マトリックスＭＭII中に混在物の分散体として現われる。
本発明の二段分散微細構造体は、第一金属マトリックスＭＭＩ中の硬質粒子の径が小さいので高い破壊強度を持ち、また第二マトリックスＭＭII中の硬質粒子間の間隔が大きいので高い破壊靭性を持つ。
以下に、一段分散微細構造体を比較した二段分散によって選られる微細構造体の利点を、実施例を参照して説明する。実施例に材料を製造するに当たっては、表１に示された合金組成を持つガス噴霧鋼粉を出発原料として用いた。

合金鋼はまた、約０．４％のＳｉ、約０．３％のＭｎ、及び高速度鋼に通常含まれる量の窒素と他の不純物を含有し、残りは鉄である。
試験材料は熱間等圧圧縮成型によって作り、これら材料は約９００ＨＶの硬度にまで硬化され焼戻した。従来の一段分散構造体は金属粉体ＭＰによって作り、約１μｍの平均径を持つ炭化物の微細な分散体を含有させ、約１６％の体積含量にした。図３の本発明の二段分散構造体は、金属粉体ＭＰＩとＭＰIIの混合物から作った。粉体ＭＰＩ中では約１μｍの平均径を持つ炭化物の微細な分散体を存在させ、約３０％の体積含量にした。それを、試験試料中の炭化物含量が約１６体積％になるように、実質的に炭化物を含まない粉体ＭＰIIと混合した。
粉体ＭＰIIよりなる構造領域は、約２体積％の微細炭化物を含有し、ほとんど炭化物の無い領域ということができるが、一方、粉体ＭＰＩから作られた領域は約３０体積％の炭化物を含有し、換言すれば、この領域は炭化物に富んでいた。ＭＰII粒子のバルク中にＭＰＩ粒子を分散させるために、粉体ＭＰＩとＭＰIIの平均粉体粒子径Ｄ_IとＤ_IIは、Ｄ_I／Ｄ_II比が粉体ＭＰＩの体積含量が増すに連れて大きくなるように、またこの比が図４の境界曲線の上側にあり、好ましくは図４の曲線Ｃ上側の陰影（斜線）区域にあるようにそれぞれ選ばれる。本発明を具体化するこの実施例では、図４のＥで示されるように、Ｄ_I／Ｄ_II比＝５を選んだ。
従来の一段で作られた分散構造体を有する試験材料と、本発明に従って作られた分散構造体は、静的な曲げを受けたとき、約３，０００〜３，２００ＭＰａの破壊強度を示した。両材料の耐摩耗性は、１．３１Ｎ／ｍｍ²の負荷のもとに、８０メッシュの結合フリント粒子で摩耗にかける摩耗試験では、７．５×１０⁴と８×１０⁴の間にあると測定された。換言すれば、両方の試験材料は平均してほぼ等しい破壊強度と耐摩耗性を示した。しかし、本発明に従って二段で作られた試験材料の破壊靭性は１５ＭＰａ／ｍと測定され、この値は僅か１０．５ＭＰａ／ｍと測定された１段で作られた従来の材料の値より４０％大きかった。
二つのダイインサートを、二段で作られた本発明の試験材料で作り、これらダイインサートを焼きばめして、鋼線からねじをつくるための冷間鍛造工具とした。先行技術で用いられている従来の高速度鋼Ｓ６−５−２と比べて、その工具で製造されるねじの量は、焼鈍した鋼線を加工する場合は係数８で増加し、冷間引抜鋼線を加工する場合は係数６．５で増加した。

Claims

第一金属または合金の第一粉体の粉体粒子であり且つ該第一粉体の粉体粒子のマトリックス中に分散する硬質相（ＨＴ）として２０体積％より多い量の炭化物相を含む粉体粒子（Ｉ）が、
第二金属または合金の粒子（II）よりなる第二の粉体であり且つ該第二粉体粒子のマトリックス中に分散する硬質相（ＨＴ）として１０体積％未満の量の炭化物相を含む第二粉体中に分散され、
該第二粉体は、ガス噴霧により球状粒子として形成されたものであり、
該第一及び第二粉体の粉体粒子は、これらを互いに混合する前に、異なった粒子分布を持たせられ、かつ第一粉体の平均径（Ｄ_I）は第二粉体の平均径（Ｄ_II）よりも大きくされ、
かつ該第一及び第二粉体の混合物は熱間圧縮によって成形体とされる複合材料の製造方法において、
該第一粉体もまたガス噴霧により球状粒子として形成されたものであり、
該第一粉体の硬質相間の相互接触は避けられることを特徴とする金属マトリックス中に粒子を含有し高い靭性と共に高い耐磨耗性を有する複合材料の製造方法。
炭化物相の平均径は、第一粉体の粒子の平均径の１／４未満であることを特徴とする請求項１記載の方法。
第二粉体の粉体粒子は８体積％未満の硬質粒子を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
炭化物相は、一方では炭素と、他方では、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｓｉよりなる群に属する一つ以上の元素の化合物として存在することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法。
第一及び第二金属又は合金は、アルミニウム合金であり、かつ硬質相は少なくともかなりの程度、珪素、Ｓｉの一次又は共融析出物として生成することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の方法。
粉体粒子中の硬質相は、該第一および第二金属又は合金の小滴を固化して粉体粒子を生ずる際に、あるいはこの固化に続く熱処理の際に作られることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の方法。
該第一及び第二粉体の少なくとも一つは、粉体のバルクを篩にかけて選ばれた大きさを持つ粉体を得ることを含む方法によって作られることを特徴とする請求項６に記載の方法。
第一及び第二粉体の粒子の平均径の比が式

（Ｄ_Iは第一粉体の粒子の平均径であり、また、Ｄ_IIは第二粉体の粒子の平均径である）
を満足することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の方法。
式

を満足することを特徴とする請求項８記載の方法。
式

を満足することを特徴とする請求項９記載の方法。
第一及び第二金属又は合金は、主として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ及びＡｌよりなる群に属する何れかの元素よりなり、また少なくとも第一合金はより硬質の粒子と所望の特徴を得るために合金化されることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の方法。
熱間圧縮は次の技術、すなわち真空焼結、加圧焼結又は熱間等圧加圧成型（hot isostatic pressing）の何れかによって行われることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の方法。
第一金属又は合金は、重量％で表わして、全部で１％より多いＣ、Ｎ、Ｂ及びＯ、０〜２のＭｎ、０〜３のＳｉ、並びに、Ｃ、Ｎ、Ｂ及びＯに対し高い親和力を持ち、炭化物、窒化物、硼化物、及び／又は、酸化物を生成する全部で１５％より多い金属（該金属はＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＡｌを含む）を含有する合金であり、
また第二金属又は合金は、全部で１％未満のＣ、Ｎ、Ｂ及びＯ、０〜２のＭｎ、０〜３のＳｉ、並びに、Ｃ、Ｎ、Ｂ及びＯに対し高い親和力を持つ全部で１５％未満の金属を含有する合金であり、
該第一及び第二の合金の残部において、鉄、コバルト及びニッケル、並びに付随不純物、並びに付帯元素は通常の量であることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の方法。
第一合金は、全部で１．５％より多いＣ、Ｎ、Ｂ及びＯと、Ｃ、Ｎ、Ｂ及びＯに対し高い親和力を有する全部で１８％より多い前記金属とを含有することを特徴とする請求項１３記載の方法。
第一合金は、全部で２．０％より多いＣ、Ｎ、Ｂ及びＯと、Ｃ、Ｎ、Ｂ及びＯに対し高い親和力を有する全部で２２％より多い前記金属とを含有することを特徴とする請求項１４記載の方法。
第二合金は、全部で０．９％未満のＣ、Ｎ、Ｂ及びＯと、Ｃ、Ｎ、Ｂ及びＯに対し高い親和力を有する全部で１４％未満の前記金属とを含有する請求項１３記載の方法。
第二合金は、全部で０．６％未満のＣ、Ｎ、Ｂ及びＯと、Ｃ、Ｎ、Ｂ及びＯに対し高い親和力を有する全部で１０％未満の前記金属とを含有する請求項１６記載の方法。