JP4178282B2 - 焼結炭化物物品及び母合金組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低融点合金を用いた焼結炭化物物品及び母合金組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具、採鉱工具、及び摩耗部品のような焼結炭化物部品は、通常炭化物粉末及び金属粉末から、液相焼結又はホットプレスの粉末冶金法により製造されている。焼結炭化物は、硬質炭化タングステン（ＷＣ）粒子を、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）のような柔らかい完全緻密金属マトリックス中で焼結することにより製造されている。
【０００３】
必要な複合体粉末は、二つの方法で作ることができる。慣用的には、ＷＣ粉末をＣｏ粉末とボールミル又はアトリッターミルで物理的に混合し、ＷＣ粒子がＣｏ金属で被覆された複合体粉末を形成する。新しい方法は、スプレー転化処理を用いており、この場合は複合体粉末粒子が化学的手段により直接生成する。この場合、Ｗ及びＣｏが原子レベルで混合されている前駆物質塩を還元し、炭化して複合体粉末を形成する。この方法は、多くのＷＣ粒子がコバルトマトリック中に埋め込まれている粉末粒子を生ずる。５０μｍの直径を有する個々の粉末粒子は、その1/1000の小さいＷＣ粒子を含有する。
【０００４】
焼結炭化物物品を製造する次の工程は、生地部品(green part)を形成することである。これはＷＣ−Ｃｏ粉末をプレスするか又は押出すことにより達成される。プレス又は押出された部品は柔らかく、非常に多くの気孔を有する。時々更に成型が必要なことがあり、それはこの段階で機械加工により簡単に行なうことができる。希望の形が、得られたならば、生地部品を液相焼結し、完全に緻密な部品を生成させる。別法として、時には完全緻密部品を、粉末をホットプレスすることにより直接生成させる。最終的製造工程では、ダイヤモンド研磨により必要な誤差まで部品を仕上げる。
【０００５】
焼結炭化物は、上に記載した方法により工具又は部品の硬度及び強度を調節することができるので、広い用途を有する。大きな耐摩耗性を得るためには大きな硬度が必要である。もし部品を、破壊されることなく大きな応力にかけることができるようにしたいならば、大きな強度が必要である。一般に結合剤濃度の低い等級の焼結炭化物は大きな硬度を有するが、結合剤濃度の大きい等級のものよりも低い強度を有する。結合剤濃度が大きいと、硬度の低い強い部品を生ずる。硬度及び強度は炭化物粒径、炭化物粒子の連続性、及び結合剤分布にも関係する。結合剤濃度を一定にすると、粒径の小さな炭化物は大きな硬度を有する。特定の用途に性質を適合させるため、屡々交互配列(trade-off tactics) を適用する。このようにして、工具又は部品の性能は、結合剤及びＷＣの両方の量、粒径、及び分布を調節することにより最適にすることができる。
【０００６】
焼結物品中のＷＣの平均粒径は、一般には物品が製造された粉末中のＷＣ平均粒径よりも小さくなることはない。しかし、通常圧搾粉体又は押出し物の液相焼結中に主に行われる粒子成長のために、それは一層大きくなる。例えば、生地部品中のＷＣ粒子が５０ｎｍである場合から出発して、最終的に１μｍより大きいＷＣ粒子になることがある。
【０００７】
焼結の分野での主な技術的課題は、そのような粒子成長を限定して、一層細かな微細構造を達成することができるようにすることである。例えば、ＷＣ−Ｃｏ粉末に、それを圧搾又は押出しする前に、粒子成長阻止剤を添加するのが典型的である。二つの最も一般的に用いられている粒子成長阻止剤は、炭化バナジウム（ＶＣ）及び炭化クロム（Ｃｒ₃ Ｃ₂ ）である。しかし、これらの添加物を使用すると或る問題を与える。第一に、両方とも特に酸素に敏感であり、ミル中でＷＣ及び結合剤金属と一緒にすると、両方とも酸素を取り込み、表面酸化物を形成する傾向を有する。後で液相焼結工程中これらの酸化物が混合物中の炭素と反応し、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを形成する。もしこの炭素消費を可能にするため粉末に過剰の炭素を添加していないと、酸化物がＷＣ及びＣｏと反応して脆いη相を形成し、それが物品を破壊する。余りにも多くの炭素を添加すると、所謂炭素気孔を生じ、この場合も物品を破壊する。丁度正しい量の炭素を添加した場合でも、ＣＯガスの発生自身が許容できない水準の気孔率を生ずることがある。圧搾粉体又は押出し物中の酸素濃度が大きいと、それらの焼結中に大きな問題を生ずる。
【０００８】
これら二種類の成長阻止剤の中で、ＶＣがＷＣ粒子の成長を限定するのに最も有効である。しかし、ＶＣ自身は、ＷＣより硬く、一層脆い。約０．５重量％より多く粉末に添加すると、焼結物品は多くの用途にとって脆くなりすぎる。Ｃｒ₃ Ｃ₂ は、一層高い濃度でも許容できる。それは殆どＶＣほど激しく強度を変化させることはないが、ＷＣ粒子成長の阻止についてはそれほど効果的ではない。更に、Ｃｒ₃ Ｃ₂ の濃度が高いことは、酸素の濃度が高いことを意味し、従って焼結が困難になることを意味している。最もよい妥協点は、いくらか少ない量のＶＣと組合せて適当な少量のＣｒ₃ Ｃ₂ を使用することである。粉末にＣｒ₃ Ｃ₂ を添加することは、工具又は部品の耐食性を増大する付加的利点を有する。
【０００９】
液相焼結中、結合剤金属が溶融する。ＷＣ−Ｃｏ材料の場合、焼結温度は１３５０〜１５００℃の範囲に選択する。液体金属はＷＣ粒子を濡らし、毛細管力により粒子を移動させ、互いに一層密に詰まり、気孔が減少する。残留する気孔は焼結温度を上昇させることにより除去することができ、それによって存在する液体の量が増加し、そのことが更にＷＣ粒子の再配列を可能にする。別法として、温度を一定に保ち、焼結時間を長くし、小さなＷＣ粒子を消費して大きなＷＣ粒子を成長させることができる。このようにして、残留ＷＣ粒子を再配列し、それらの質量中心を互いに一層近接させることができる。後者の粒子成長はオズワルド熟成（Oswald ripening)とよばれている。それは活性化工程であり、粒子成長速度は温度が高くなるほど大きくなることを意味する。従って、小さな粒径を維持したいならば、できるだけ低い焼結温度が好ましいことは明らかである。一般に結合剤濃度が低い組成物は、完全に気孔を除去するのに充分な液体を生成させるのに高い焼結温度を必要とする。結合剤濃度の低い組成物は完全密度まで焼結させるのが最も難しい組成物である。そのような場合、部品を圧力を増大させて液相焼結（ＨＩＰ焼結）するか、又は焼結部品を全ての気孔が完全に閉ざされるように後ＨＩＰ成型することが屡々必要である。
【００１０】
従来、炭化物工業では、粒子成長阻止剤、一層高い温度、一層高い圧力等を用いることに伴われる利点及び問題をバランスさせ、相殺させ、ＷＣ−Ｃｏ材料系に固有の自然的拘束内で処理しながら、組成及びＷＣ粒径を調節することにより工具又は部品の性能を最大にすることを試みてきた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来用いられていた焼結温度より低い、例えば、１２５０℃より低い温度で金属炭化物部品を焼結し、然も、靭性を著しく低下することなく粒子成長を著しく阻止することができ、炭化物粒径が１２０ｎｍ位の小さな炭化物生成物を形成する方法を与える。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、「母合金」又は「焼結助剤」と呼ばれる低融点結合用合金を、鉄、コバルト又はニッケルのような一種以上の結合剤金属と、少量の、バナジウム、クロム、タンタル又はニオブのような一種以上の粒子成長阻止剤金属（これらの金属の炭化物は一般に粒子成長阻止剤として用いられているのでそのように呼ばれている）及び炭素と組合せたものから形成することができると言う発見に基づいてなされたものである。この結合用合金は、結合用金属（一種又は多種）、阻止剤金属（一種又は多種）、及び炭素を配合した単一の成分として形成してもよく、又は別法として、夫々異なった低融点合金である幾つかの成分として用いてもよい。前者の型の合金の一例は、コバルト、クロム、バナジウム及び炭素からなる粒子からなる粉末である。後者の型の合金の一例は、コバルト、クロム、及び炭素からなる粒子と、コバルト、バナジウム及び炭素からなる粒子との粉末混合物である。前者は、ただ一種の粉末を製造し、取り扱いさえすればよい利点を有する。後者は、種々の割合でそれら別々の合金を一緒に粉砕して焼結助剤の組成を変化させることができる点で、製造の融通性が大きい利点を有する。どの場合でも形成された合金は、ＷＣ−Ｃｏ工具及び部品を製造するのに用いられている通常の焼結温度より１５０〜２００℃低い温度である、１３５０℃よりかなり低く、１２００℃位の低い温度で優れた焼結を可能にする充分低い温度で溶融する。
【００１３】
特に、本発明は、粒子成長阻止剤及び（又は）焼結助剤として用いるためのＸ−Ｙ−Ｃ合金粉末〔式中、ＸはＣｏ、Ｎｉ、及びＦｅの群から選択された一種以上の結合剤金属（一種又は多種）であり、ＹはＣｒ、Ｖ、Ｔａ及びＮｂの群から選択された一種以上の阻止剤金属（一種又は多種）である〕を形成するように、炭化工程と組合せた粒子形成法を組み込んでいることである。例えば、低融点Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ、Ｃｏ−Ｖ−Ｃ、及びＣｏ−Ｃｒ−Ｖ−Ｃ合金を、硝酸コバルトのような金属塩、（ＣＨ₃ ＣＯ₂)₇ Ｃｒ₃(ＯＨ)₂のようなクロム塩及び（又は）バナジン酸アンモニウムのようなバナジウム塩の均質混合物を噴霧乾燥することにより製造する。噴霧乾燥した塩混合物を、メタン、エタン又はエチレン及び水素の希釈流中で炭化し、酸素を除去し、合金を形成する時にその系中へ炭素を添加する。別法として、それら合金は、一種以上の結合剤金属（一種又は多種）を、一種以上の粒子成長阻止剤金属（一種又は多種）の炭化物と一緒に粉砕することにより形成してもよい。これらの組成物は１３２０℃よりかなり低い温度で溶融する。
【００１４】
続いて、これらの合金は、セラミック粉末、サーメット粉末、及びそれらの混合物の低温液相焼結を可能にし、９５％、好ましくは９８〜９９％の密度まで焼結することができる。セラミック粉末は、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化チタン、又はそれらの混合物であるのが好ましい。これはナノ粒径ＷＣ粒子を含有する粉末を焼結するのに特に有用である。サーメットは、セラミック粉末と、鉄、コバルト、又はニッケルとの組合せである。一般にこれらの合金は、どのようなセラミック・金属（サーメット）複合体粉末でも、セラミック粉末、又はセラミック粉末とサーメット粉末との混合物でも、それらの低温焼結を可能にする。
【００１５】
上で述べた理由から、焼結した工具又は摩耗部品中の粒子成長阻止剤の量を限定することが重要である。純粋ＷＣ粉末を焼結するのに低融点結合剤合金粉末（一種又は多種）を用いるならば、得られる物品は、殆どの有用な結合剤量に対し、含有する阻止剤は多すぎるであろう。本発明の方法は、例えば生地部品を形成するのに低融点Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ及びＣｏ−Ｖ−Ｃ結合剤合金と組合せてＷＣ−Ｃｏ複合体粉末を用いることによりこの問題を回避している。ＷＣ−Ｃｏ複合体粉末粒子中のコバルト固溶体は約１３２０℃で溶融するのに対し、低融点結合剤合金粒子は約１２００℃より低い温度で溶融する。合金粒子が溶融した時、ＷＣ−Ｃｏ粒子のいくらかが溶解し、それによって液相の体積を増大し、更に液相の溶融温度を低下する。どの場合でもＷＣ−Ｃｏ粒子中のＣｏの量を、最終的生成物中の炭化クロム及び炭化バナジウムの量を許容可能な低い水準まで希釈するように調節する。この方法は、工具及び部品に有用な組成物を生成させるのに必要な低融点結合剤合金（一種又は多種）の量が、完全な緻密化が行われるのに充分な液体を低い温度で与えているので、成功を収めている。
【００１６】
好ましい態様として本発明は、５００ｎｍより小さい粒径を有するコバルト・クロム・バナジウム・炭素合金により結合されたセラミック粒子、好ましくは低いＡ型気孔率、優れた密度、大きな硬度及び大きな最大保磁力を有する１２０ｎｍ平均炭化タングステン粒径を有する炭化タングステンを製造するのに用いることができる。
【００１７】
本発明の目的及び利点は、次の詳細な記述及び図面を参照することにより一層よく認識できるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明により、コバルト、ニッケル及び（又は）鉄のような結合用金属（一種又は多種）を、一層少ない量の、バナジウム、クロム、タンタル及び（又は）ニオブのような粒子成長阻止剤金属（一種又は多種）、及び炭素と組合せたものからなる結合用合金を用いて、耐摩耗性(abrasive)炭化物含有粒子を、単独又は一緒に焼結する。
【００１９】
耐摩耗性炭化物は、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ニオブ、又は炭化バナジウムのようなどのような典型的な耐摩耗性金属炭化物の単独又は組合せたものでもよい。これらは炭化物の個々の粒子からなっていてもよく、或いは一般に、結合用金属、特にコバルト、ニッケル、又は鉄のマトリックス中に埋め込まれた炭化物粒子である複合体粒子からなる。耐摩耗性炭化物含有量は５０％〜９７％に調節することができるが、好ましい量は約７０％〜約９５％である。ここで用いられている％は、別に特定化しない限り、重量による。
【００２０】
これらの粒子は種々の製造業者から購入することができる。特に小さなサブミクロン粒子を製造する好ましい方法は、例えばポリゾッティ(Polizotti）による「非金属化合物粒子のＡ型分布を含む多層複合体粒子」(Multiphase Composite Particle Containing A Distribution of Nonmetallic Compound Particles）と題する米国特許第５，３３８，３３０号明細書、マクキャンドリッシュ(McCandlish)による「ナノ相ＷＣ−Ｃｏ粉末のカルボサーミック反応法」(Carbothermic Reaction Process for Making Nanophase WC-Co Powders)と題する米国特許第５，２３０，７２９号明細書、及びマクキャンドリッシュによる「ナノ相複合体粉末を製造するための噴霧転化法」(Spray Conversion Process for the Production of Nanophase Composite Powders)と題する米国特許第５，３５２，２６９号明細書に記載されている。
【００２１】
コバルト、ニッケル、及び鉄の何れでも、或いは何れの組合せでも、本発明の結合用金属として用いることができる。しかし、炭化物含有粒子を濡らす能力のため、コバルトが好ましい。結合用金属の全量は、５％〜３０％であるのが好ましい。結合剤の全量は、純粋結合剤粉末として添加した量、複合体炭化物／結合剤粉末の一部分として添加した量、及び低融点合金（一種又は多種）の一部分として添加した量の合計である。
【００２２】
低融点結合用合金は、二つの方法の一つで形成することができる。最も簡単な方法では、金属炭化物、例えば炭化バナジウム及び（又は）炭化クロムの形の粒子成長阻止剤金属の希望の量（表参照）と一緒に結合用金属を混合及び（又は）粉砕する。粉砕した粉末を、表面酸化物を除去する処理を行った後、１２００℃〜１３００℃の温度で溶融する。表面酸化物の除去は、メタン又はエタンのような炭化用ガスを０．５〜５体積％含有する水素ガスを流しながら、酸化物を除去するのに有効な時間、９００℃〜１０００℃に粉末を加熱することにより達成することができる。低融点結合用合金は、クロムの場合のように共融型溶融か、又はバナジウムの場合のように包晶型溶融を受ける。
【００２３】
結合用金属、炭素、バナジウム、クロム、タンタル又はニオブの重量による量は、１３００℃より低い溶融温度を達成するように調節することができる。特に、クロム、バナジウム、タンタル及びニオブの量は、この低融点を達成するように調節する。一般に合金の鉄含有量は６０％より少ない。
【００２４】
合金は、少なくとも約３％のバナジウム、クロム、タンタル又はニオブを含む。クロムの量は０〜２５％である。バナジウム、タンタル又はニオブの量は、０〜２０％である。バナジウム含有量は、性能をよくするため最小にするのが好ましい。一般に合金は５〜２５％のクロム、タンタル、又はニオブ、及び３〜２０％のバナジウムを含む。
【００２５】
存在する炭素は、もしバナジウム、クロム、ニオブ又はタンタルの全てが夫々ＶＣ、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 、ＮｂＣ、又はＴａＣとして存在するならば、存在するその量にほぼ等しいであろう。従って、炭素含有量はバナジウム、クロム、ニオブ及びタンタルの一緒にした量に大きく依存する。
【００２６】
次の表は、コバルト、炭素及びバナジウムか又はクロムを含有する合金についての大略の液相温度を示す。クロム及びバナジウムは一緒に用いてもよい。
【００２７】
【表１】

【００２８】
８０％のＣｏ及び２０％のＮｂＣから形成された合金は、約１２３７℃の液相温度を有する。８０％のＣｏ及び２０％のＴａＣの合金は約１２８０℃の液相温度を有する。
【００２９】
低融点結合用合金は、結合用金属含有組成物及び溶融抑制剤金属含有組成物を溶媒中に、この場合も希望の重量％で溶解することによっても製造することができる。適当な結合用金属組成物には、コバルト、ニッケル、及び鉄の硝酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、酸化物、炭酸塩、水酸化物、蓚酸塩及び種々のアミン錯体が含まれる。これらは、炭素、窒素、酸素、及び水素の群からの元素及び結合用金属だけを含有する組成物であるのが好ましい。クロム含有又はバナジウム含有合金を形成するために、結合用金属を含む組成物及びクロム含有組成物、又はバナジウム含有組成物を適当な溶媒中に溶解する。適当なクロム組成物には、酢酸塩、炭酸塩、蟻酸塩、クエン酸塩、水酸化物、硝酸塩、酸化物、蟻酸塩、及び蓚酸塩が含まれる。適当なバナジウム組成物には、バナジン酸塩及び酸化物が含まれる。勿論、クロム含有組成物又はバナジウム含有組成物と組合せて結合用金属組成物を、それらの両方が同じ溶媒に可溶性であるように選択することが重要である。好ましい溶媒は水であるが、種々の組成物の溶解度に依存して、有機溶媒を用いることもできる。
【００３０】
次に溶液を噴霧乾燥して均質なばらばらの粉末粒子を形成する。この粉末を、後で記述するように、今度は炭化水素／水素ガス混合物の流れの中で粉末の反応を起こすのに充分な時間加熱することにより炭化し、低融点結合用合金を形成する。一般に温度は約８００℃〜約１１００℃であり、時間は１時間〜約２４時間である。流動床反応器、回転床反応器、環状反応器のような静止床反応器、又はベルト炉等のような種々の型の炉を用いることができる。炭化用ガスは、炉から反応生成物を追い出すのに充分な流量で導入すべきである。最適流量は、炉の型及び大きさ、導入粉末の粒径に依存する。適当な炭化用ガスには、メタン、エタン、エチレン、及びアセチレンのような低分子量炭化水素が含まれる。低融点合金の形成については、更に下の実施例に記述する。
【００３１】
本発明を実施する場合、セラミック、サーメット、又はセラミックとサーメットの混合物を、結合剤粉末及び低融点合金粉末（一種又は多種）と、希望の最終的組成物を与える割合で一緒にする。その混合物を、約１μ粒径の粒子の粉末が得られるまで粉砕する。次に、粉末を生地部品に成型し、最終的に焼結して緻密な、即ち理論値の９５〜９９％の緻密な希望の物品を製造する。
【００３２】
低融点合金粉末（一種又は多種）、結合剤粉末（一種又は多種）、及び（又は）複合体結合剤含有粉末（一種又は多種）の割合は、焼結後、粒子成長阻止剤濃度が、低融点合金粉末（一種又は多種）中にそれらが存在していた場合よりも充分希釈され、最終的生成物の機械的性質を過度に損なわないように調節する。この場合も例えば、バナジウムと、クロム、タンタル及び（又は）ニオブからなる群から選択された少なくとも一種類の他の粒子成長阻止剤との組合せを、炭素と一緒に用い、粒子成長阻止を最大にし、同時にバナジウムの使用によってもたらされる靭性の低下を最小にするのが好ましい。従って、最終的焼結生成物中、０．１％〜３％のＣｒ₃ Ｃ₂ 、ＮｂＣ又はＴａＣに相当する量のクロム、タンタル、又はニオブを、最終的焼結物品中の０．１％〜０．５％のＶＣに相当する量のバナジウムと組合せて用いるのが一般に好ましい。
【００３３】
これらの焼結組成物中、好ましい範囲は、炭化物粒子（セラミック）、５〜３０％の結合剤金属、０〜１０％のＶ、Ｃｒ、Ｔａ、又はＮｂ、及び炭素である。ＷＣ−Ｃｏの組合せについては、好ましい比率は、ＷＣ、５〜３０％のＣｏ、０〜１０％のＣｒ、０〜１０％のＶ及びＣであり、この場合、少なくとも０．３％のＶ及び（又は）Ｃｒが存在する。
【００３４】
好ましくは、セラミック粒子は焼結前に１．０μより小さく、好ましくは０．５μより小さく、最も好ましくは１２０ｎｍより小さい粒径を有する。セラミック粒子とサーメット粒子を一緒に組合せた場合の一つの態様として、セラミック粒子の粒径は１〜２０μにすることができ、サーメット粒子は１μより小さなセラミック相平均粒径を有する。本質的なことではないが、好ましい焼結方法は液相焼結である。焼結温度は１３００℃より低く、好ましくは１２８０℃より低く、即ち母合金の液体形成温度になるであろう。
【００３５】
【実施例】
本発明の実施方法を、次の実施例により更に記載する。
【００３６】
例Ａ
ＷＣ−Ｃｏ組成物焼結のためのＣｏ−Ｃｒ−Ｃ低融点クロム合金粒子成長阻止剤
クロム合金のための前駆物質溶液を、１１１．２ｇの酢酸コバルト四水和物、Ｃｏ（ＣＨ₃ Ｃｏ₂)₃ ・４Ｈ₂ Ｏ、及び１９．２ｇの酢酸クロム水和物、（ＣＨ₃ Ｃｏ₂)₇ Ｃｒ₃(ＯＨ)₂、を７５０ｍｌの脱イオン水中に溶解することにより調製した。これらの塩の割合は、Ｃｏの還元及びＣｒの炭化でＣｒ₃ Ｃ₂ −８２Ｃｏ合金を生成させるのに適切なものである。
【００３７】
母合金のための前駆物質粉末を、ヤマト(Yamato)研究室用噴霧乾燥器中で前駆物質溶液を噴霧乾燥することにより調製した。溶液を噴霧するのに噴霧装置二流体ノズル（２８５０ＳＳノズル及び６４−５ＳＳキャップ）を用いた。噴霧空気圧は２Ｋｇｆ／ｍｍ² で溶液流量は２０ｃｍ³ ／分であった乾燥用空気流は、０．６標準ｍ³ ／分であった。導入空気温度は３２５℃に設定し、排出空気温度は９０℃〜１００℃に維持した。このようにして得られた可溶性前駆物質は明紫色であった。
【００３８】
３００ｍｇの前駆物質粉末を、調節した雰囲気の熱重量分析器（ＴＧＡ）中で水素とエチレンとのガス混合物と反応させるため白金ボートに入れた。反応器を先ず３．６トールの圧力に減圧し、次にアルゴンで再び満たした。反応器中のアルゴン雰囲気を、次に水素中１％のエチレンを含む混合物の流れ（１８０ｃｍ³ ／分）によって置換した。反応器の温度を６０分で９００℃に上昇させ、３７分間９００℃に維持し、６０分で室温へ冷却した。反応工程中の試料の重量変化を記録した。Ｘ線回折分析は、Ｃｏ金属の小さな回折ピークを示していたが、その他については特徴はなかった。母合金粉末をアルミナるつぼに入れ、真空中１２００℃で溶融した。
【００３９】
母合金前駆物質粉末１２ｇを還元炭化することにより、水平管状炉中のアルミナボート中で多量の母合金バッチを調製した。この場合も炭素原料ガスとして水素中１％のエチレンを用いた。反応器を真空にし、アルゴンで再び満たし、然る後、温度を上昇させた（１５℃／分）。反応器温度を８時間９００℃に維持した。試料を水素雰囲気中で１５０℃に冷却し、次にアルゴンで追い出しながら５０℃に冷却した。
【００４０】
例Ｂ
例Ａで述べた調製法に従って、タンデムボート中で９００℃でクロム合金粉末の二つのバッチを作った。１２．５４ｇの前駆物質粉末を上流ボート中に入れ、１５．８１ｇの前駆物質粉末を下流ボート中に入れた。
【００４１】
例Ｃ
１３．４４１ｇの前駆物質粉末からクロム合金粉末の新しいバッチを製造した。試料を、１８０ｃｍ³ ／分で流れる水素中で３℃／分で４００℃に加熱した。４００℃になった時、加熱速度を１５℃／分に増大し、流れる水素中に３．８ｃｍ³ ／分のＣ₂ Ｈ₂ を添加した。試料を９００℃に加熱し、そこに８時間保持した。試料を水素中室温へ冷却した。４．１８１８ｇの母合金が生成した。炭素付着領域に近いケーキ状物の端を捨てた後、３．８５４１ｇを回収した。この修正した製造方法により、前に得られたものより細かい気孔がケーキ状母合金内部に生じた。
【００４２】
低融点バナジウム含有合金は、上で記載した低融点クロム含有合金の形成で用いた方法と同様な方法によって形成することができる。一般にいくらか少ないバナジウムを用いるのが好ましい。一般にバナジウム含有量は、存在するコバルトの量に対して２０％未満から約５％であろう。クロム合金の場合と同様に前駆物質粉末を、希望の濃度のバナジウム組成物及び結合用金属組成物を含有する溶液を噴霧乾燥することにより形成するのが好ましい。適当なバナジウム組成物には、バナジン酸アンモニウム及びバナジウム酸化物が含まれる。噴霧乾燥して形成された前駆物質粉末を、約８００℃〜約１１００℃の温度で炭素含有ガス流を流した反応器中でバナジウム合金を形成するのに充分な時間加熱する。次の実施例でこのことについて更に記述する。
【００４３】
例Ｄ
ＷＣ−Ｃｏ組成物を焼結するためのＣｏ−Ｖ−Ｃ低融点バナジウム合金粒子成長阻止剤
４．７９４８ｇの噴霧乾燥したＣｏ（ＮＯ₃)₂ ／ＮＨ₄ ＶＯ₃ （ＩＣＰにより１２．０６％のＶ）を管状炉中で１８０ｃｃ／分で流れるＨ₂ −１％Ｃ₂ Ｈ₂ 中、１１００℃で８時間転化した。この方法により２．７２６４ｇのＣｏ−Ｖ−Ｃ母合金を生じた。Ｘ線回折像は、少量のＶＣ、Ｃｏ金属、及び同定できない主要ピークを示していた。
【００４４】
コバルト、クロム、及び炭素を含有する低融点合金を前駆物質粉末と炭化用ガスとの反応により形成した時、その生成物はＸ線回折で調べると、炭化クロムに特徴的なピークは示さないことに注意することは重要である。同様に、コバルト、バナジウム及び炭素を含有する低融点合金を前駆物質粉末と炭化用ガスとの反応により形成すると、生成物のＸ線回折像は炭化バナジウムに起因する小さなピーク及び同定できない相（単数又は複数）による大きなピークしか示さない。換言すれば、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 又はＶＣの形成が予想されるような反応条件下で、これらの炭化物が形成されないことが分かる。むしろＣｏの存在がそれらの形成を妨げ、予想もしなかった生成物が得られている。それにも拘わらず上で述べたように、炭化クロム及び（又は）炭化バナジウム及びコバルトの適切な量を一緒に粉砕することにより低融点クロム・バナジウム合金を作ることができる。化学反応又は粉砕により形成された低融点合金は、本発明の実施で耐摩耗性炭化物の結合に同等にその機能を果たす。
【００４５】
例Ｅ
機械的混合によるＣｏ−Ｃｒ₃ Ｃ₂ 及びＣｏ−ＶＣ母合金粉末の製造
０．６５８６ｇのＣｒ₃ Ｃ₂ 粉末を３．０００４ｇのＣｏ粉末と混合し、希望の組成の混合粉末を生成させた。混合した粉末を管状炉中で水素中９００℃で８時間アニールした。
【００４６】
０．５０８９ｇのＶＣ粉末を３．００１ｇのＣｏ粉末と混合し、希望の組成の混合粉末を生成させた。混合した粉末を管状炉中で水素中９００℃で８時間アニールした。
【００４７】
本発明のクロム及びバナジウムの合金を単独又は組合せて用いて焼結炭化物工具又は摩耗部品を形成した。
【００４８】
これらの合金を焼結炭化物の形成に用いることについては、次の実施例で更に例示する。
【００４９】
例Ｆ
ＷＣ−２．１Ｃｏ＋Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末＋Ｃｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末からＷＣ−８Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の製造
例Ａの場合と同様にして調製したＣｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末１．４３７２ｇ、例Ｄの場合と同様にして調製したＣｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末０．８９２２ｇ、及びＷＣ−２．１Ｃｏ粉末３０．０００７ｇを、蓋した試験管中で振盪することにより混合した。それら母合金粉末を少量ずつＷＣ−２．１Ｃｏ粉末と共に、母合金粉末が消費されるまで添加した。ＷＣ−２．１Ｃｏ粉末の全てが消費されるまで、混合粉末にＷＣ−２．１Ｃｏ粉末をその量を増加しながら添加した。それら混合粉末を２００ｃｍ³ 粉砕媒体（０．２５″直径のＷＣ−Ｃｏボール）の入ったユニオン・プロセス(Union Process）アトリッターミル（型０１）中へ入れた。粉砕をヘキサン（１６０ｍｌ）中で行った。撹拌器を２５０ｒｐｍまで回転させた。粉砕時間は２時間５０分であった。最終粉末組成は、ＷＣ−８Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣであった。約３１．８ｇの粉末がミルから回収された。
【００５０】
例Ｇ
ＷＣ−２．１Ｃｏ＋Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末＋Ｃｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末からＷＣ−８Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の焼結
例Ｆで調製した粉末３．０２４８ｇを、２５６ＭＰａの圧力を用いて直径１５．１８ｍｍ直径、厚さ２．５４ｍｍの円盤にダイスで圧搾した。１％エチレン／水素混合物の流れの中で９００℃で１時間加熱した後で、真空誘導炉中で図１に示した温度計画に従い、円盤を非加圧焼結した。焼結後、円盤は厚さが１．７６ｍｍで、直径は１１．８ｍｍであった。最終的測定密度は１４．４７ｇ／ｃｍ³ であった。材料の測定硬度は、Ｈｖ３０＝１８７５であった。測定保磁力は、Ｈｃ＝５６０ Ｏｅであった。
【００５１】
例Ｈ
ＷＣ−３．７Ｃｏ＋Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末＋Ｃｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末からＷＣ−９．４Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の製造
例Ａの場合と同様にして調製したＣｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末１．２４４７ｇ、例Ｄの場合と同様にして調製したＣｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末０．７７３１ｇ、及びＷＣ−３．７Ｃｏ粉末２６．０００６ｇを、蓋した試験管中で振盪することにより混合した。それら母合金粉末を少量ずつＷＣ−３．７Ｃｏ粉末と共に、母合金粉末が消費されるまで添加した。ＷＣ−３．７Ｃｏ粉末の全てが消費されるまで、混合粉末にＷＣ−３．７Ｃｏ粉末をその量を増加しながら添加した。それら混合粉末を２００ｃｍ³ 粉砕媒体（０．２５″直径のＷＣ−Ｃｏボール）の入ったユニオンプロセス・アトリッターミル（型０１）中へ入れた。粉砕をヘキサン（１６０ｍｌ）中で行った。撹拌器を２５０ｒｐｍで回転させた。粉砕時間は２時間５０分であった。最終粉末組成は、ＷＣ−９．４Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣであった。約３１．８ｇの粉末がミルから回収された。
【００５２】
例Ｉ
ＷＣ−３．７Ｃｏ＋Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末＋Ｃｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末からＷＣ−９．４Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の焼結
例Ｈで調製した粉末４．５７ｇを、２５６ＭＰａの圧力を用いて直径１５．２ｍｍ、厚さ３．１５ｍｍの円盤にダイスで圧搾した。１％エチレン／水素混合物の流れの中で９００℃で１時間加熱した後で、真空誘導炉中で図２に示した温度計画に従い、円盤を非加圧焼結した。焼結後、円盤は厚さが２．４５ｍｍで、直径は１１．８７ｍｍであった。最終的測定密度は１４．３ｇ／ｃｍ³ であった。材料の測定硬度は、Ｈｖ３０＝２０２６であった。測定保磁力は、Ｈｃ＝５９３
Ｏｅであった。
【００５３】
例Ｊ
ＷＣ−３．７Ｃｏ＋Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末＋Ｃｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末からＷＣ−１１．６Ｃｏ−１．３Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の製造
例Ａの場合と同様にして調製したＣｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末２．４０７５ｇ、例Ｄの場合と同様にして調製したＣｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末０．９２０４ｇ、及びＷＣ−３．７Ｃｏ粉末３０．０００８ｇを、蓋した試験管中で振盪することにより混合した。それら母合金粉末を少量ずつＷＣ−３．７Ｃｏ粉末と共に、その母合金粉末が消費されるまで添加した。ＷＣ−３．７Ｃｏ粉末の全てが消費されるまで、混合粉末にＷＣ−３．７Ｃｏ粉末をその量を増加しながら添加した。それら混合粉末を２００ｃｍ³ 粉砕媒体（０．２５″直径のＷＣ−Ｃｏボール）の入ったユニオンプロセス・アトリッターミル（型０１）中へ入れた。粉砕をヘキサン（１６０ｍｌ）中で行った。撹拌器を２５０ｒｐｍで回転させた。粉砕時間は２時間５０分であった。最終粉末組成は、ＷＣ−１１．６Ｃｏ−１．３Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣであった。約３１ｇの粉末がミルから回収された。
【００５４】
例Ｋ
ＷＣ−３．７Ｃｏ＋Ｃｏ−Ｃｒ−Ｃ母合金粉末＋Ｃｏ−Ｖ−Ｃ母合金粉末からＷＣ−１１．６Ｃｏ−１．３Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の焼結
例Ｊで調製した粉末３．９８ｇを、２５６ＭＰａの圧力を用いて直径１５．１１ｍｍ、厚さ３．２２ｍｍの円盤にダイスで圧搾した。１％エチレン／水素混合物の流れの中で９００℃で１時間加熱した後で、真空誘導炉中で図３に示した温度計画に従い、円盤を非加圧焼結した。焼結後、円盤は厚さが２．５７ｍｍで、直径は１１．９４ｍｍであった。最終的測定密度は１３．９８ｇ／ｃｍ³ であった。材料の測定硬度は、Ｈｖ３０＝１８０９であった。測定保磁力は、Ｈｃ＝４８８ Ｏｅであった。
【００５５】
例Ｌ
Ｃｏ−Ｃｒ₃ Ｃ₂ 及びＣｏ−ＶＣ機械的混合母合金粉末からＷＣ−９．４Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の製造
Ｃｏ−Ｃｒ₃ Ｃ₂ 母合金粉末１．４３８１ｇ、例Ｅの場合と同様にして調製したＣｏ−ＶＣ母合金粉末０．８９２８ｇ、及びＷＣ−３．７Ｃｏ粉末３０．００２１ｇを、蓋した試験管中で振盪することにより混合した。それら母合金粉末を少量ずつＷＣ−３．７Ｃｏ粉末と共に、その母合金粉末が消費されるまで添加した。ＷＣ−３．７Ｃｏ粉末の全てが消費されるまで、混合粉末にＷＣ−３．７Ｃｏ粉末をその量を増加しながら添加した。それら混合粉末を２００ｃｍ³ の粉砕媒体（０．２５″直径のＷＣ−Ｃｏボール）の入ったユニオンプロセス・アトリッターミル（型０１）中へ入れた。粉砕をヘキサン（１６０ｍｌ）中で行った。撹拌器を２５０ｒｐｍで回転させた。粉砕時間は２時間５０分であった。最終粉末組成は、ＷＣ−９．４Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣであった。約３０ｇの粉末がミルから回収された。
【００５６】
例Ｍ
Ｃｏ−Ｃｒ₃ Ｃ₂ 及びＣｏ−ＶＣ機械的混合済み母合金粉末からＷＣ−９．４Ｃｏ−０．８Ｃｒ₃ Ｃ₂ −０．４ＶＣ粉末の焼結
例Ｌで調製した粉末４．０４ｇを、２５６ＭＰａの圧力を用いて直径１５．０７ｍｍ、厚さ３．１５ｍｍの円盤にダイスで圧搾した。１％エチレン／水素混合物の流れの中で９００℃で１時間加熱した後で、真空誘導炉中で図４に示した温度計画に従い、円盤を非加圧焼結した。焼結後、円盤は厚さが２．５８ｍｍで、直径が１１．９２ｍｍであった。最終的測定密度は１４．２６ｇ／ｃｍ³ であった。材料の測定硬度は、Ｈｖ３０＝２０４０であった。測定保磁力は、Ｈｃ＝５７１ Ｏｅであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】例Ｇで用いた焼結温度／圧力の経時変化を示すグラフである。
【図２】例Ｉで用いた焼結温度の経時変化を示すグラフである。
【図３】例Ｋで用いた焼結温度の経時変化を示すグラフである。
【図４】例Ｍで用いた焼結温度の経時変化を示すグラフである。

Claims (19)

1. 鉄、コバルト及びニッケルの群から選択された少なくとも一種の結合用金属、並びにバナジウム、クロム、タンタル及びニオブの群から選択された少なくとも一種の金属を、鉄含有量が６０％以下であって、１２５０℃より低い融点を有する低融点合金を与えるのに有効な量の炭素と組合せたものからなる低融点合金からなる焼結助剤で焼結されているセラミック粉末の粒子からなる物品。
2. 完全密度の９５％より大きい密度まで焼結された、請求項１に記載の物品。
3. セラミック粉末が、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化チタン及びそれらの混合物からなる群から選択された一種の炭化物である、請求項２に記載の物品。
4. セラミック粉末が炭化タングステンからなり、結合用金属がコバルトからなる、請求項２に記載の物品。
5. ＷＣ、３〜３０重量％のＣｏ、０〜１０重量％のＣｒ、０〜１０重量％のＶ及び炭素の化学的組成を有する、請求項４に記載の物品。
6. 鉄、コバルト及びニッケルの群から選択された少なくとも一種の結合用金属、並びにバナジウム、クロム、タンタル及びニオブの群から選択された少なくとも一種の金属を、鉄含有量が６０％以下であって、１２５０℃より低い融点を有する低融点合金を与えるのに有効な量の炭素と組合せたものからなる低融点合金からなる焼結助剤を用いることにより焼結されたサーメット粉末の粒子からなる物品。
7. 完全密度の９５％より大きい密度まで焼結された、請求項６に記載の物品。
8. サーメット粉末が、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の炭化物、並びに鉄、コバルト、及びニッケルから選択された少なくとも一種の金属からなる、請求項７に記載の物品。
9. 炭化物が炭化タングステンからなり、結合用金属がコバルトからなる、請求項８に記載の物品。
10. ＷＣ、３〜３０重量％のＣｏ、０〜１０重量％のＣｒ、０〜１０重量％のＶ及び炭素の化学的組成を有する、請求項９に記載の物品。
11. ０〜１．５％のＶを含む、請求項１０に記載の物品。
12. ０〜０．５％のＶを含む、請求項１０に記載の物品。
13. 鉄、コバルト及びニッケルの群から選択された少なくとも一種の結合用金属、並びにバナジウム、クロム、タンタル及びニオブの群から選択された少なくとも一種の金属を、鉄含有量が６０％以下であって、１２５０℃より低い融点を有する低融点合金を与えるのに有効な量の炭素と組合せたものからなる低融点合金からなる焼結助剤を用いることにより焼結されたサーメット粉末の粒子と、セラミック粉末の粒子とからなる物品。
14. 完全密度の９５％より大きい密度まで焼結した、請求項１３に記載の物品。
15. セラミック粉末が、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化チタン及びそれらの混合物の群から選択された一種の炭化物であり、サーメット粉末が、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化クロム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム及び炭化チタンからなる群から選択された少なくとも一種の炭化物と鉄、コバルト及びニッケルの群から選択された少なくとも一種の金属とからなる、請求項１４に記載の物品。
16. セラミック粉末が炭化タングステンからなり、サーメット粉末が炭化タングステン＋コバルトからなる、請求項１５に記載の物品。
17. セラミック粉末が０．５μｍ以下の平均セラミック粒径を有する、請求項１に記載の物品。
18. 焼結粉末が０．５μｍ以下の平均セラミック粒径を有する、請求項６に記載の物品。
19. 完全密度の９８％より大きい密度まで焼結され、セラミック粉末が１μｍより大きい平均粒径を有し、サーメット粉末が１μｍより小さいセラミック相平均粒径を有する、請求項１３に記載の物品。

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