JP5076044B2 - 複合耐摩耗部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は超硬質粒子（ダイヤモンド粒或いはｃＢＮ粒（立方晶窒化硼素））を含有する緻密で高硬度な複合耐摩耗用部材及びその製造方法に関係する。

ダイヤモンド粒子を含む焼結体は一般に高温、超高圧下で製造される。しかし近年放電焼結法を用いて超高圧ではない圧力で素早くダイヤモンドとＷＣと鉄系金属の焼結体を製造する方法が研究されている（特許文献１、特許文献２参照）。しかしながら超高圧下でない場合、ダイヤモンドは不安定な状態になり、焼結時の高温度でダイヤモンドは炭素に変質してしまう。ダイヤモンド粒の周囲が炭化すればその炭化部が早々に摩滅してダイヤモンド粒が脱落する。

このような変質を防ぐためダイヤモンドに各種のコーティングを施す研究がなされている（特許文献３〜５参照）。

特開平５−１３０４号公報 特開平６−２８７０７６号公報 特開平５−２３９５８５号公報 特開平９−１９４９７８号公報 特開２００１−１９２７６０号公報

本発明の主な目的は、ダイヤモンド等の超硬質粒子表面の炭化を防ぐために焼結温度を低温にする事が可能な複合耐摩耗部材及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明によれば、ダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属を含む結合材とを有し、燐の重量％がＷＣ粒と結合材の合計重量に対し０．０１％〜２．０％であることを特徴とする複合耐摩耗部材が提供される。
前記硬質粒子としてのダイヤモンド粒は個々に独立し、ＷＣと結合材中に分散して存在し、ダイヤモンド粒は１〜６０体積％であり、望ましくは５〜４０％であり、結合材は３〜３０％であり、望ましくは６〜２５重量％である。
前記硬質粒子としてのダイヤモンドの粒径は１０００μｍ以下であり、望ましくは５〜１００μｍである。ＷＣの粒径は１０μｍ以下、望ましくは０．５〜５μｍである。
ダイヤモンド粒の代わりにｃＢＮ粒を用いてもよい。

また、上記目的を達成するために本発明によればダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む結合材とを含む混合物におけるＷＣ粒と結合材の合計重量に対し燐の重量％を０．０５％〜１．０％に調整する工程と、前記混合物を９００℃〜１１００℃でホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含むことを特徴とする複合耐摩耗部材の製造方法が提供される。
前記ダイヤモンド粒の体積％は１〜６０％であり、望ましくは５〜４０％である。前記結合材は３〜３０％であり、望ましくは６〜２５重量％である。
前記硬質粒子としてのダイヤモンドの粒径は１０００μｍ以下であり、望ましくは５〜１００μｍである。ＷＣの粒径は１０μｍ以下、望ましくは０．５〜５μｍである。
ダイヤモンド粒の代わりにｃＢＮ粒を用いてもよい。

本発明によれば、ダイヤモンド粒を含む超硬質粒子と燐含有結合材からなる材料の焼結適正温度が９００℃〜１１００℃になるよう燐の割合を調整しているので、低温でホットプレス焼結または放電焼結をすることができる。焼結適正温度が低いため、ダイヤモンド粒子表面が変質して炭化層を生じることが殆どなく、ダイヤモンド粒子をＷＣ粒子と燐含有鉄族金属の中にダイヤモンドを変質させること無く、かつ安価に分散させることが出来る。

本発明による複合耐摩耗部材は、ダイヤモンド粒を含む超硬質粒子と燐（Ｐ）含有結合材からなる材料の焼結適正温度が９００℃〜１１００℃になるよう燐の割合を調整する点に最大の特徴がある。この複合耐摩耗部材はホットプレス焼結または放電焼結されて製造される。ホットプレス焼結とは加圧成型しながらグラファイトコイルまたはグラファイトダイを誘導加熱・焼結することであり、放電焼結とは加圧成型しながらグラファイトダイへのパルス通電により加熱・焼結することである。焼結温度の下限を９００℃と設定した理由は、８８０℃付近で燐含有鉄族金属に液相が発生し、急激に焼結が加速されるからである。また上限を１１００℃と設定した理由はこれ以上の温度域ではダイヤモンドが加速度的に炭素に変質するからである。

超硬質粒子はダイヤモンド粒とＷＣ粒からなり、結合材は燐含有鉄族金属からなり、燐の重量％はＷＣと鉄族金属の合計重量に対し０．０１％〜２．０％である。ダイヤモンドの変質炭化防止の観点から１０００℃の焼結温度を目安として燐の添加量を設定した。複合耐摩耗部材の強度を考慮すると燐含有量の上限は１．０％とするのが望ましい。

超硬質粒子としてのダイヤモンド粒は個々に独立し、ＷＣと燐含有鉄族金属中に分散して存在し、ダイヤモンド粒の体積％は１〜６０体積％である。ダイヤモンド添加の上限を６０体積％に設定した理由は、これを超えると複合耐摩耗部材が衝撃に対して十分な靭性が得られなくなるためである。下限を１％に設定した理由は、これ以下では耐摩耗性能に効果を期待出来ないためである。ダイヤモンド添加量は好ましくは５〜４０体積％である。また、結合材である燐含有鉄族金属は３〜３０重量％である。３％以下では材料に十分な靭性が得られずダイヤモンド粒子を衝撃から十分に保護できず、他方３０％以上では十分な地の硬さ（耐摩耗性）が得られないことによる。望ましくは６〜２５重量％である。

超硬質粒子としてのダイヤモンドの粒径は１０００μｍ以下である。しかし５μｍ以下の細粒となると表面積が増加して焼結時に液相の回りが悪くなり焼結性に問題が生じやすい。他方１００μｍ以上になると衝撃によってダイヤモンド粒内破壊が生じやすい。望ましくは５〜１００μｍである。
また、ダイヤモンド粒の代わりにｃＢＮ粒を用いることができる。

ＷＣの粒径は１０μｍ以下である。しかし、５μｍ以上になると耐摩耗部材全体の硬さが大きく低下し、圧縮強度も低下する。他方０．５μｍ以下の粒は焼結条件が厳しくなり一般的でない。望ましくは０．５〜５μｍである。
また、ＷＣ粒の代わりにＴｉＣ、ＴａＣ、ＶＣ等の金属炭化物を単独または組み合わせて用いることが出来る。

粒径２μｍのＷＣを８２重量％、粒径２〜３μｍのＣｏを１５重量％、ＮｉＰ（Ｐ含有量１０．７％：４００メッシュ以下）３重量％を秤量してアルコール中で４８時間ボールミル混合を行った。この混合粉末を３００グラム採取し、粒径５０〜７０μｍのダイヤモンド１０グラムを添加し、アルコール溶液中で混合後乾燥した。
この混合物を２０グラム採取し、直径２０ｍｍのモールドに型込めして圧力４０ＭＰａ、温度１０００℃−３０分間保持の条件で真空ホットプレスを行った。ＷＣと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ダイヤモンド粒が１０体積％強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。光学顕微鏡による観察例を図１に示す。

実施例１と同様な方法にて粒径５０〜７０μｍのダイヤモンド添加量を２０ｇとして、ＷＣと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ダイヤモンド粒が２０体積％強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。光学顕微鏡による観察例を図２に示す。

実施例１と同様な方法にて粒径５０〜７０μｍのダイヤモンド添加量を５０ｇとして、ＷＣと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ダイヤモンド粒が４０体積％程度分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。光学顕微鏡による観察例を図３に示す。

粒径が１０〜２０μｍの微細なダイヤモンドを用いて、実施例１と同様な方法にて、ＷＣと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、微細なダイヤモンド粒が１０体積％強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。走査電子顕微鏡による観察例を図４に示す。

ダイヤモンドの代わりに粒径５０〜７０μｍのｃＢＮ（チッカホウソ）を用いて実施例１と同様な手法で複合耐摩耗部材を製作した。ＷＣと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ｃＢＮ粒が３０体積％強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。光学顕微鏡による観察例を図５に示す。

（各試験片の組織）
光学顕微鏡による組織観察ではダイヤモンドの炭素化は観察されなかった。また組織中の巣、クラック、空孔の存在は僅かで、微量のＮｉのプールが点在する状態であった。

（ダイヤモンド粒子の炭化）
ダイヤモンド粒子の炭化、変質状況を走査型電子顕微鏡で調べた結果を図７、図８に示す。本発明に基づき１０００℃で焼結した複合耐摩耗部材のダイヤモンド（図８）は、滑らかな外観を示している。他方、１２３０℃で焼結したダイヤモンド粒子（図７）は、ダイヤモンド粒子の外周部が欠落し著しく粗くなっている。
炭化、変質によるダイヤモンドの剥離、脱落を調べるため、研磨加工面に突起して残存するダイヤモンド粒子周辺の窪みの深さをレーザー顕微鏡で測定した。図１０に示すように、１０００℃で焼結した複合耐摩耗部材のダイヤモンド周辺には窪みは発生していない。他方、１２３０℃で焼結したダイヤモンド粒子は、図９に示すようにダイヤモンド粒子周辺に窪みが発生している。ダイヤモンドの劣化によりダイヤモンドの表面がえぐり取られたためと考えられる。

（各試験片の研削による砥石の消耗量）
上記各実施例の試験片をダイヤモンド砥石によって同一量研削除去するに要する砥石の消耗量を比較した。一般の超硬合金に比べダイヤモンド粒を添加した試験片の切削は砥石の消耗量が極端に激しく、ダイヤモンドの効果は顕著であった。超硬合金に比べるとダイヤモンドを１０体積％添加した試験片は９０倍、ダイヤモンドを２０体積％添加した試験片は１２０倍の量の砥石を消耗した。さらに研磨して組織観察を行った結果、ダイヤモンド砥粒が脱落した状態は殆ど発見されず、ダイヤモンド砥粒は研磨され難く浮き上がって存在している。ダイヤモンドが極めて摩耗特性が優れていることを示していると共に、燐含有合金を介してダイヤモンドは強固に保持されていることがわかる。以上のことから本部材は耐摩耗用複合部材として、十分なダイヤモンド粒子保持力を持っていると判断することが出来る。

（ＷＣと燐含有鉄族金属のみの試料の硬度、靭性等）
ダイヤモンド粒を取り巻くＷＣと燐含有鉄族金属の硬度と靭性を調査するため、ダイヤモンド粒を含まないＷＣと燐含有鉄族金属のみの配合で試験片を製作した。
燐含有量を変化させた混合粉末を３種類、上記実施例のようにボールミル混合の手法で製作し、各２０グラムを直径２０ｍｍのモールドに型込めして、真空中で圧力４０ＭＰａ、温度１０００℃、１０分間保持の条件で放電焼結を行った。市販の同一硬度レベルの超硬合金との比較試験結果を表１に示す。なお、市販の超硬合金は、焼結温度１３９０℃で製造されたものである。

試料１は１０００℃では焼結不良で物性の測定が出来なかったが、１１００℃焼結で良好な組織が得られた。
試料２〜試料５については市販の超硬合金材料と同程度のレベルを維持している。
試料６の靭性値は市販の超硬合金に比べてやや低い値であり、また、ニッケルプールが目立つが用途によっては十分利用できる値である。

（燐の含有率と焼結体の収縮率）
次に８２ＷＣ−１８Ｃｏに燐を添加した材料について、放電焼結過程での温度と収縮率の経過を調べた結果を図６に示す。ここで収縮率（％）とは完全焼結体の収縮量を１００とした場合の各温度における試料の収縮量を表す。昇温条件は毎分２０℃で１０５０℃まで昇温した。各温度到達時の寸法変化量から収縮率を算定した。
実際の焼結では最高温度で数分間の保持時間を設定するので、上記の各温度における収縮率の値は保持時間の設定で大幅に高くなる。例えば、図６によれば燐０．２％で試料の９５０℃の収縮率は６２％であるが、１０分の保持時間を与えると９８％迄上昇した。なお、図６において８２ＷＣ−１８Ｃｏとあるのは燐無添加（０％）の市販超硬材料である。

光学顕微鏡による実施例１の試料の組織を示す写真である。 光学顕微鏡による実施例２の試料の組織を示す写真である。 光学顕微鏡による実施例３の試料の組織を示す写真である。 走査型電顕による実施例４の試料の組織を示す写真である。 光学顕微鏡による実施例５の試料の組織を示す写真である。 ホットプレス焼結過程での温度と収縮率の関係を示す図である。 １２３０℃で焼結した複合耐摩耗部材の走査型電顕による組織を示す写真である。 １０００℃で焼結した複合耐摩耗部材の走査型電顕による組織を示す写真である。 １２３０℃で焼結した複合耐摩耗部材の研磨加工面に突起して残存するダイヤモンド粒子周辺の窪みの深さをレーザー顕微鏡で測定した結果を示す。 １０００℃で焼結した複合耐摩耗部材の研磨加工面に突起して残存するダイヤモンド粒子周辺の窪みの深さをレーザー顕微鏡で測定した結果を示す。

Claims (10)

1. ダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属を結合材とし、燐の重量％がＷＣ粒と結合材の合計重量に対し０．０５％〜１．０％であることを特徴とする複合耐摩耗部材。
2. 前記硬質粒子としてのダイヤモンド粒は個々に独立し、ＷＣと結合材中に分散して存在し、ダイヤモンド粒は１〜６０体積％、結合材は３〜３０重量％とすることを特徴とする請求項１記載の複合耐摩耗部材。
3. 前記硬質粒子としてのダイヤモンドの粒径は１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の複合耐摩耗部材。
4. ダイヤモンド粒の代わりにｃＢＮ粒を用いた請求項３記載の複合耐摩耗部材。
5. ダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む結合材とを含む混合物におけるＷＣ粒と結合材の合計重量に対し燐の重量％を０．０５％〜１．０％に調整する工程と、前記混合物を９００℃〜１１００℃でホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含むことを特徴とする複合耐摩耗部材の製造方法。
6. ダイヤモンド粒とＷＣ粒からなる硬質粒子と、燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む結合材とを含む混合物におけるＷＣ粒と結合材の合計重量に対し燐の重量％を０．０５％〜１．０％に調整する工程と、前記混合物を９００℃〜１１００℃（ただし、１１００℃を除く）でホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含むことを特徴とする複合耐摩耗部材の製造方法。
7. 前記ダイヤモンド粒は１〜６０体積％であり、前記結合材は３〜３０重量％であることを特徴とする請求項６に記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
8. 前記硬質粒子としてのダイヤモンドの粒径は１０００μｍ以下であり、ＷＣの粒径は０．５〜５μｍであることを特徴とする請求項６に記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
9. ダイヤモンド粒の代わりにｃＢＮ粒を用いた請求項６に記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
10. 請求項６に記載の方法により製造された複合耐摩耗部材。