JP6158218B2 - 超硬合金の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、再生されたガンマ相含有超硬合金を使用して超硬合金(cemented carbide)を製造する方法に関する。
超硬合金スクラップの再生能力は極めて重要である。それというのも、超硬合金製造時に使用される原料が高価だからである。再生超硬合金を使用すると、未使用原料を使用する場合と比較してエネルギー消費量及び環境への影響が著しく低減されることになる。しかしながら、未使用原料を使用する場合と比較して製品品質を犠牲にすることなしには再生超硬合金から製造することができないいくつかの超硬合金製品がある。
超硬合金の再生は通常、冶金学的手段又は化学的手段、例えば亜鉛回収プロセス、電解回収、及び抽出又は酸化によって行われる。PRZ(process recycled zinc)とも呼ばれるZn回収プロセスの場合、超硬合金スクラップを電気炉内の溶融亜鉛中に浸漬する。次いで亜鉛を所定の温度で蒸留し、ひいては炉から除去する。残留粉末はWCとバインダー金属、通常はコバルトとを、互いに分離した状態で含む。このことは例えば米国特許第3,595,484号明細書に記載されている。
いくつかの超硬合金等級は、立方晶炭化物、例えばNbC、TiC及びTaCを含むガンマ相を含んでいる。このガンマ相の粒径は材料の最終特性に影響を与える。それゆえ、異常な粒成長及びガンマ相クラスター化を回避するために、ガンマ相に対する焼結中に粒成長を制御することが重要である。欧州特許出願公開第1526189号明細書に記載された1つの粒成長制御方法の場合、立方晶炭化物はWCと予備合金化される。予備合金化された粉末の組成は、焼結温度におけるガンマ相の平衡組成とできる限り近くなければならない。このことは、微粒状ガンマ相をもたらす。この方法の欠点は、所望の微細構造を得るために未使用の原料しか使用できないことである。ガンマ相を含有する超硬合金を再生すると、結果として生じる粉末の組成は、焼結温度における平衡時の組成とは異なるおそれがある。
異なる粒径を有する2つのWC部分、すなわちバイモーダルWC粒径分布を有する超硬合金を製造することが当業者に知られている。
欧州特許出願公開第0665308号明細書に記載されている超硬合金は、バイモーダルWC粒径分布を有している。得られた超硬合金は標準粒径分布を有する超硬合金と比較して塑性変形に対する抵抗を増大させる。
欧州特許出願公開第0913489号明細書に記載された、バイモーダルWC粒径分布を有するガンマ相を含む超硬合金の場合、WCのうちのいくらかをZn回収プロセスによって回収された粉末として添加する。ガンマ相を形成する立方晶炭化物は全て未使用材料として添加する。
本発明の1つの目的は、原料として立方晶炭化物を含む再生超硬合金を使用して、微粒状ガンマ相を有する超硬合金を製造する方法を得ることである。
本発明の別の目的は、未使用原料から形成された微粒状ガンマ相を有する超硬合金と比較して同じ又は改善された特性を有する微粒状ガンマ相を有する超硬合金を製造することである。
PRZ粉末をより粗い粉末部分と混合する前に予備ミリングして微粒径にすることによって、未使用材料から形成された超硬合金と比較して同じ又は改善された特性を有する超硬合金が得られることが判っている。
本発明は、ミリング液、バインダー金属粉末、第1粉末部分及び第2粉末部分を含むスラリーを形成する工程、前記スラリーをミリング、乾燥、加圧及び焼結にさらす工程を含む超硬合金の製造方法であって、
前記第1粉末部分が、W、C、Coの元素と、Ta、Ti、Nb、Cr、Zr、Hf及びMoのうち少なくとも1つ又は複数とを含む再生された超硬合金スクラップから作成され、
前記第2粉末部分が、WCの未使用原料と、場合によってはCr、Zr、W、Ta、Ti、Hf及びNbのうち1つ又は複数の炭化物及び/又は炭窒化物とを含む超硬合金の製造方法に関する。
第1粉末部分は、Zn回収プロセスを用いて再生された超硬合金スクラップから作成される。第1粉末部分は、ミリング液、バインダー金属粉末、第1粉末部分及び第2粉末部分を含むスラリーを形成する工程の前に、予備ミリング工程にさらされて0.2〜1.5μmの平均粒径を得る。
第1粉末部分を構成する粉末は、当技術分野で公知のZn回収プロセスによって再生されたガンマ相含有超硬合金から作成される。本明細書において、Zn回収プロセスとは、超硬合金スクラップが電気炉内の溶融亜鉛中に浸漬されることを意味する。次いで、亜鉛は、超硬合金中の金属バインダー相、通常はコバルトと合金を形成し、こうしてバインダー相と炭化物との結合を破断する。次いで、亜鉛が所定の温度で蒸留され、したがって炉から除去される。残留生成物は、炭化物とバインダー相、通常はコバルトとを別々の相として含む。本発明の目的において、製造パラメータの変化とは無関係にZn回収プロセスから作成された全ての粉末を第1粉末部分のために使用することができる。
第1粉末部分を構成する粉末は、Z回収プロセスによって回収されたガンマ相含有超硬合金スクラップから形成された粉末であって、予め決められた粒径0.2〜1.5μm、好ましくは0.2〜1.0μm(FSSS)に予備ミリングされている粉末である。粉末に関して本明細書中で述べる全ての粒径は、他に指定のない場合にはFSSSである。
予備ミリングは、粉末の所期平均粒径を達成するのに十分な時間にわたってボールミル又はアトリターミル内で好適にミリングされたスラリーを形成することによって適切に行われる。ミリング時間は、使用されるミルのタイプ、及びミリングされるべき粉末の品質の両方に依存するので種々様々である。この場合、所期粒径を得るのに十分な時間にわたって粉末をミリングする。第1粉末部分の好適なミリング時間は、ボールミルの場合50〜120時間、又はアトリターミルの場合には15〜35時間である。
本発明の1つの実施態様では、米国特許出願公開第2012/0111976号明細書に記載されるミリング法を使用することができる。
従来の超硬合金製造においてミリング液として広く使用されているいかなる液体を使用してもよい。ミリング液は好ましくは水、アルコール、又は有機溶媒であり、より好ましくは水、又は水とアルコールとの混合物であり、そして最も好ましくは水とエタノールとの混合物である。スラリーの特性はミリング液の添加量に依存する。スラリーの乾燥はエネルギーを必要とするため、液体量を最小限にすることによってコストを抑えておくべきである。しかし、スラリーをポンプでくみ上げ可能にし、システムの目詰まりを回避するためには、十分な液体の添加が必要となる。
また、当業者に広く知られている他の化合物、例えば分散剤、pH調整剤などをスラリーに添加することもできる。
次いで第1粉末部分は、第2粉末部分とさらに混合するためにスラリー中で乾燥又は保持することができる。
本発明の1つの実施態様では、予備ミリングされた第1粉末部分を含むスラリーは、公知の技術、特には噴霧乾燥によって乾燥される。有機液体、及び場合によっては有機バインダーと混合された粉末状材料を含有するスラリーは、乾燥塔内で適宜のノズルを通して霧化される。乾燥塔において、小さな液滴を高熱ガス流によって、例えば窒素流中で瞬時に乾燥させることによって凝集顆粒を形成する。小規模試験の場合、他の乾燥法、例えばパン乾燥を用いることもできる。
第1粉末部分は、W、C、Coの元素と、Ta、Ti、Nb、Cr、Zr、Hf及びMoの元素のうち少なくとも1つ又は複数とを含む。正確な組成は、使用される超硬合金スクラップによって決定される。少量の、すなわち通常は1wt%未満の他の元素、例えばFe及びNiのようなバインダー金属、Zn回収プロセスに由来するZn、及びコーティングされた超硬合金のコーティングに由来するAlが存在してもよい。また酸素も好適には0.2〜1.8wt%の量で存在する。
本発明の1つの実施態様では、第1粉末部分は、元素溶解度点(elements solubility point)を上回る量でTi、Ta又はNbのうち少なくとも1つを含む。
本発明の1つ実施態様では、第1粉末部分は70〜90wt%のW、5〜9wt%のCo、1〜3wt%のTa、0.5〜3wt%のTi、0.1〜2wt%のNb、及び5〜6wt%の炭素を含む。
第2粉末部分は、Zn回収プロセスに従って生成されたのではない粉末、すなわち未使用粉末を含む。第2粉末部分は、WC粉末と、場合によってはCr、Zr、W、Ta、Ti、Hf及びNbのうち1つ又は複数の炭化物及び/又は炭窒化物とを含む。
第2粉末部分中のWCの平均粒径は好適には2〜12μm、好ましくは4〜8μmである。
本発明の1つの実施態様では、第2粉末部分はCr32を含む。
本発明の1つの実施態様では、第2粉末部分は立方晶炭化物粉末を別個の炭化物として、又はWCと予備合金化されたものとして含む。
本発明の1つの実施態様にでは、立方晶炭化物粉末は別個の炭化物として添加される。NbC、TiC及びTaCのうち1つ又は複数が添加される。
本発明の1つの実施態様では、立方晶炭化物粉末はWCと予備合金化されたものとして、すなわち(Me,W)C(式中、Meは、Ta、Ti、Nb、Cr、Hf及びZrのうち1つ又は複数、好ましくはTa、Ti及びNbのうち1つ又は複数である)として添加される。
本発明のさらに別の実施態様では、別個の立方晶炭化物と、WCと予備合金化された立方晶炭化物との組み合わせが添加される。
本発明のさらに別の実施態様では、第2粉末部分の少なくとも一部も予備ミリング工程においてミリングされるように、第2粉末部分の少なくとも一部が予備ミリング工程の前に第1粉末部分に添加される。
本発明のさらに別の実施態様では、予備ミリングされた第1粉末部分との混合前に、第2粉末部分の少なくとも一部が別の予備ミリング工程にさらされる。
本発明のさらに別の実施態様では、予備ミリングされた第1粉末部分との混合前に、第2粉末部分に予備ミリングが施されることはない。
第2粉末部分の正確な組成は、第1粉末部分の組成によって決定される。第2粉末部分の組成は、第1及び第2の粉末部分の最終組成が目標としたものになるように調節される。
バインダー金属粉末は、ただ1つのバインダー金属の粉末、又は2つ以上の金属の粉末ブレンド、又は2つ以上の金属からなる合金の粉末であってよい。バインダー金属はCr,Mo,Fe,Co又はNiから選択され、好ましくはCo,Cr又はNiから選択され、最も好ましくはCoである。添加されるバインダー金属粉末の粒径は好適には0.5〜3μm、好ましくは0.5〜1.5μmである。平均粒径は多くの場合、原料販売業者によって提供される。別個に添加されるバインダー金属粉末の量は、第1粉末部分中に存在するバインダー金属の量に依存する。従ってバインダー金属粉末の添加量は、最終生成物中の目標金属バインダー含量を得るために必要とされる量である。最終生成物中の総バインダー金属含量は好適には2〜20wt%である。
第1粉末部分と第2粉末部分との質量比は0.25〜9、好ましくは0.5〜4、最も好ましくは0.8〜1.2である。
第2粉末部分中のWCの平均粒径と第1粉末部分の平均粒径との比は好適には5〜40、好ましくは5〜25である。
金属バインダー粉末と、第1及び第2の粉末部分と、場合によっては有機バインダーとはボールミル又はアトリターミル内でミリング動作によって好適に混合される。ミリングは好適には、金属バインダー粉末と、第1及び第2の粉末部分と、場合によっては有機バインダーとを含むスラリーを先ず形成することによって行われる。次いでスラリーをボールミル又はアトリターミル内でミリングすることによって、均質スラリーブレンドを得る。
本発明の1つの実施態様では、第1粉末部分は第2粉末部分との混合前に乾燥され、好ましくは、第1粉末部分は、噴霧乾燥によって得られた乾燥凝集体の形態である。次いで第2粉末部分を、乾燥粉末の形態を成すか又はスラリーとして形成された第1粉末部分と混合する。全ての成分と一緒にスラリーが形成されるように、金属バインダー粉末と、場合によっては有機バインダーと、ミリング液とをさらに添加する。
従来の超硬合金製造においてミリング液として広く使用されているいかなる液体を使用してもよい。すなわち、上記第1粉末部分の予備ミリングに関して挙げたものと同じ液体もこれに適している。
また、続いて行われる噴霧乾燥動作中の顆粒化を容易にするために、そして続いて行われる加圧動作及び焼結動作のための加圧剤として機能するためにも、スラリーに有機バインダーを任意に添加する。有機バインダーは、当業者によって広く使用されているいかなるバインダーであってもよい。有機バインダーは例えばパラフィン、ポリエチレングリコール(PEG)、長鎖脂肪酸などであってよい。有機バインダーの量は総乾燥粉末体積を基準として好適には15〜25vol%であり、有機バインダーの量は総乾燥粉末体積中に含まれない。
続いて、予備ミリングされた粉末に関して記載されたものと共通の技術のうちのいくつかを用いてスラリーを乾燥させる。
続いて、一軸加圧、多軸加圧などのような加圧動作によって、乾燥粉末/顆粒からグリーンボディが形成される。
本発明に従って形成された粉末/顆粒からグリーンボディを、続いて従来の焼結法、例えば真空焼結、シンターHIP(Sinter HIP)、放電プラズマ焼結法に従って焼結する。
本発明の1つの実施態様では、超硬合金は、勾配が形成され、ひいてはコバルト富化されてガンマ相がない表面ゾーンを形成するように焼結される。このことは通常、炭窒化物を原料として組み入れることによって行われる。
本発明の1つの実施態様では、超硬合金は、勾配が形成されないように、すなわち窒素の添加なしに焼結されるか、又はN2対圧を用いて焼結される。
超硬合金の最終組成は、その具体的用途によって決定される。切削工具において使用される超硬合金の典型的組成は、WCと、4.5〜12wt%のCoと、1〜5wt%のTaと、1〜5wt%のTiと、0.2〜5wt%のNbとを含むことができる。
超硬合金はあらゆるタイプの切削工具、摩耗部品、又は超硬合金のための他のタイプの共通の用途に使用することができる。
切削工具とはここでは、インサート、エンドミル又はドリルを意味する。
本発明の1つの実施態様では、上記に従って製造された超硬合金工具は、CVD又はPVD技術を用いて耐摩耗性コーティングでコーティングされる。
本発明の1つの実施態様では、MTCVDによって堆積された第1TiCN層とCVDによって堆積された第2α−Al23層とを含むCVDコーティングが堆積される。場合によっては、摩耗検出のための最も外側の着色層、例えばTiN層を堆積することもできる。
コーティングは、追加の処理、例えばブラッシング、ブラスティングなどにさらすこともできる。
本発明はまた、上記方法に従って製造された超硬合金切削工具を開示する。
[例1(発明)]
表1にwt%で示された組成を有する、Zn回収プロセスによって再生されたガンマ相含有超硬合金スクラップから形成された粉末を、100時間にわたってボールミル内で予備ミリングした。予備ミリング後の粒径は、Microtrac 3000Sと呼ばれるレーザー回折装置を使用して測定して0.7μmであった。この装置は吸収モードで運転し、また測定は水中で行った。すなわち粉末はスラリーの形態を成した。
Figure 0006158218
予備ミリングされた部分を粒径5μm(FSSS)の未使用WC原料の部分と混合し、そして(Ti0.850.15)C、(Ta0.8Nb0.2)C及びTi(C0.50.5)の未使用立方晶炭化物粉末をバインダー金属Co粉末と一緒に、図2に示す量(wt%)で別個の炭化物として添加することによって、表3に示す結果としての全体的な元素組成(wt%)と一致させた。
Figure 0006158218
Figure 0006158218
また、ポリエチレングリコールである有機バインダーを2wt%の量で添加した。有機バインダーの量は総乾燥粉末体積中には含まれない。ボールミルを使用して12時間にわたってミリング動作を行うことにより、総材料体積を混合して均質なスラリーブレンドを形成した。続いてスラリーを噴霧乾燥器内で、加圧準備ができた粉末になるまで乾燥させた。
生成された加圧準備のできた粉末から、CNMG120408 ISOインサート幾何学的形状で超硬合金ブランクを加圧し、1450℃の温度で40mbarのアルゴン雰囲気中で焼結した。Foerster Koerzimat CS1.096を使用して、飽和保磁力及び固有磁気飽和を測定した。焼結インサートは、DIN ISO 3326に基づく飽和保磁力が13.3kA/mであり、また固有磁気飽和値が12.51μT・m3・kg-1であった。焼結インサートは、ガンマ相のない、コバルト富化された25μmの表面ゾーンを得た。
インサートは、正面研削及びエッジ丸み付けを施すことによってカッティング・エッジを半径50μmにし、そして11μmのMTCVD−TiCN層からなるCVDコーティング、続いて5μmのAl23層及び1〜1.5μmのTiN層でコーティングした。湿式ブラスティング動作により、TiN層をすくい面から除去した。
[例2(従来技術)]
粒径5μmの未使用WC原料と、Ta/Ti/Nb/Wの質量分率が31/20/5/34である、予備合金化された立方晶炭化物原料(Ta,Ti,Nb,W)(C,N)と、Co粉末とを混合することによって、表4に示す結果としての全体的な元素組成(wt%)と一致させた。ポリエチレングリコールである有機バインダーも2wt%の量で添加した。有機バインダーの量は総乾燥粉末体積中には含まれない。ボールミルを使用して12時間にわたってミリング動作を行うことにより、総材料体積を混合して均質なスラリーブレンドを形成した。続いてスラリーを噴霧乾燥器内で、加圧準備ができた粉末になるまで乾燥させた。
Figure 0006158218
生成された加圧準備のできた粉末から、CNMG120408 ISOインサート幾何学的形状で超硬合金ブランクを加圧し、例1と同じ条件下で焼結した。Foerster Koerzimat CS1.096を使用して、飽和保磁力及び固有磁気飽和を測定した。焼結インサートは、DIN ISO 3326に基づく飽和保磁力が13.2kA/mであり、また固有磁気飽和値が13.01μT・m3・kg-1であった。焼結インサートは、ガンマ相のない、コバルト富化された25μmの表面ゾーンを得た。
例1と同様に、インサートに正面研削、エッジ丸み付け、そして被覆を施した。
[例3(比較)]
粒径5μmの未使用WC原料と、バインダー金属Co粉末と、表1に示された組成を有するZn処理法に従って再生されたPRZ材料と、(Ti0.850.15)C、(Ta0.8Nb0.2)C及びTi(C0.50.5)の未使用立方晶炭化物粉末とを、図5に示す量(wt%)で別個の炭化物として添加した。再生されたPRZ粉末には予備ミリング工程は施さなかった。PRZ材料の粒径は、Microtrac 3000Sと呼ばれるレーザー回折装置を使用して測定して3μmであった。この装置は吸収モードで運転し、また測定は水中で行った。すなわち粉末はスラリーの形態を成した。粉末を混合することによって、表6に示す結果としての全体的な元素組成(wt%)と一致させた。ポリエチレングリコールである有機バインダーも2wt%の量で添加した。有機バインダーの量は総乾燥粉末体積中には含まれない。ボールミルを使用して12時間にわたってミリング動作を行うことにより、総材料体積を混合して均質なスラリーブレンドを形成した。続いてスラリーを噴霧乾燥器内で、加圧準備ができた粉末になるまで乾燥させた。
Figure 0006158218
Figure 0006158218
生成された加圧準備のできた粉末から、CNMG120408 ISOインサート幾何学的形状で超硬合金ブランクを加圧し、例1と同じ条件下で焼結した。Foerster Koerzimat CS1.096を使用して、飽和保磁力及び固有磁気飽和を測定した。焼結インサートは、DIN ISO 3326に基づく飽和保磁力が13.28kA/mであり、また固有磁気飽和値が12.87μT・m3・kg-1であった。焼結インサートは、ガンマ相のない、コバルト富化された25μmの表面ゾーンを得た。
例1と同様に、インサートに正面研削、エッジ丸み付け、そして被覆を施した。
[例4]
WC及び立方晶炭化物(ガンマ相)の平均粒径を、焼結後のそれぞれの微細構造試料に対して、3つのSEM画像(倍率4000)上で平均リニア・インターセプト法を用いて測定した。各画像上に複数の線を引き、全ての線に沿った立方晶炭化物粒子を測定した。結果を表7に示す。インターバルは、立方晶炭化物粒子の90%がその中に存在するインターバルを表す。
Figure 0006158218
[例5]
例1及び例3に基づくCNMG 120408 ISO幾何学的形状の製造されたインサートを、材料SSI672、非合金鋼における靱性要求基準(DIN Ck45)に基づいて、長手方向の間欠的な旋回動作中に試験した。
切削データ:
切削速度:220m/分
送り量: 0.30mm
切削深さ:3mm
冷却剤: 有り
結果を表8に示す。4つの後続試験にわたってワークピース材料において2サイクルを実施した後の、平均したエッジライン摩耗長さで性能を測定した。工具寿命基準はエッジライン破損及びチッピングであった。
Figure 0006158218
表8から判るように、本発明に従って製造されたインサートは比較例と同等の性能を発揮した。
[例6]
例1、例2及び例3に基づくCNMG 120408 ISO幾何学的形状の製造されたインサートを、材料SSI1312、低炭素非合金鋼における靱性要求基準(DIN St37−2)に基づいて、送り量の増大を伴う長手方向の間欠的な旋回動作中に試験した。
切削データ:
切削速度:80m/分
送り量: 0.15mmから0.35mm
切削深さ:1.5mm
冷却剤: 有り
結果を表9に示す。エッジ破損までの時間で性能を測定した。工具寿命基準はエッジライン破損及びチッピングであった。
Figure 0006158218
表9から判るように、本発明に従って製造されたインサートは比較例と同等であるか又は比較例よりも良好な性能を発揮した。

Claims (11)

  1. ミリング液、バインダー金属粉末、第1粉末部分及び第2粉末部分を含むスラリーを形成する工程、前記スラリーをミリング、乾燥、加圧及び焼結にさらす工程を含む超硬合金の製造方法であって、
    前記第1粉末部分が、W、C、Coの元素と、Ta、Ti、Nb、Cr、Zr、Hf及びMoのうち少なくとも1つ又は複数とを含む再生されたガンマ相含有超硬合金スクラップから作成され、
    前記第2粉末部分がWCを含み、
    前記第1粉末部分が、Zn回収プロセスを用いて再生されたガンマ相含有超硬合金スクラップから作成され、前記第1粉末部分が、ミリング液、バインダー金属粉末、第1粉末部分及び第2粉末部分を含むスラリーを形成する工程の前に、予備ミリング工程にさらされて0.2〜1.5μmの平均粒径を得ることを特徴とする、超硬合金の製造方法。
  2. 前記第2粉末部分が、Cr、Zr、Ta、Ti、Hf及びNbのうち1つ又は複数の炭化物及び/又はCr、Zr、W、Ta、Ti、Hf及びNbのうち1つ又は複数の炭窒化物を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第2粉末部分の少なくとも一部も前記予備ミリング工程においてミリングされるように、前記第2粉末部分の少なくとも一部が前記予備ミリング工程の前に前記第1粉末部分に添加されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  4. 予備ミリングされた第1粉末部分との混合前に、前記第2粉末部分の少なくとも一部が別の予備ミリング工程にさらされることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  5. 予備ミリングされた第1粉末部分との混合前に、前記第2粉末部分に予備ミリングが施されることはないことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  6. 前記第2粉末部分中のWCの平均粒径と前記第1粉末部分の平均粒径との比が5〜40であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記第2粉末部分中のWCの平均粒径が2〜12μmであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記第1粉末部分の平均粒径が0.2〜1.0μmであることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記第1粉末部分と前記第2粉末部分との質量比が0.25〜9であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記スラリーに有機バインダーが添加されることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記第1粉末部分の予備ミリングがボールミル又はアトリターミルにおいて行われることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
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