JP6591021B2 - サイズおよび形状の異なる焼結部品の接合方法 - Google Patents

Description

本開示は、サイズおよび／または形状の異なる部品または部材を接合して単一構造体を形成する方法に関し、より詳細には、サイズおよび／または形状の異なる焼結部品を接合して単一構造工具または摩耗部品を形成するための方法に関する。

超硬合金のような高耐摩耗性材料が、岩石および金属穴あけ工具のために人気が高い。これらの材料体は、通常、粉末冶金法、すなわち、加圧および焼結によって作成される。

多部材超硬合金体（ｍｕｌｔｉ−ｍｅｍｂｅｒ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｂｏｄｙ）を接合するためのいくつかの方法がある。多部材超硬合金体は、別個の素地から単独で形成され得る。時として、単独で形成される素地はまた、単独で焼結もされ、時として、研削後、たとえば、はんだ付け、ろう付け、直押しまたは焼き嵌めによって組み立てられて、多領域超硬合金体（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｒｅｇｉｏｎ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｂｏｄｙ）が形成される。したがって、焼結体の機械加工には費用がかかるため、焼結体の所望の形状は通常、焼結前に、部分体がともに焼結された後、所望の、複雑であることが多い幾何形状を有するボディが形成されることで得られる。

たとえば、マルチサイズの工具を製造する標準的な方法は、最大サイズを有する部品を製造し、その後、焼結の前、焼結の後、またはその両方において材料を除去することを含む。この結果として、相当量の超硬合金が失われることになる。

または、単独で形成されたボディが組み立てられ、その後、焼結される。しかしながら、単独で形成されたボディを含む、同じ成分から成る異なる組み合わせは、焼結に対して異なった反応を示す。成分の各組み合わせは、焼結温度、時間、雰囲気または上記の任意の組み合わせに固有に応答し、したがって、固有に収縮する。

その上、大量の液相がボディの各々へと相当の距離を移動することに起因する欠点がある。この結果、深刻な組成変化が起こることがある。

類似していない材料から構成される複雑な形状の製品を形成することが既知であり、ここで、材料間の界面が非常に狭くなり得る。各別個のボディが少なくとも１つの他の別個のボディと接触して集合体を形成するように、複数の別個のボディが構成される、米国特許第６，３１５，９４５号明細書を参照されたい。この集合体はその後、強化成形製品（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ｓｈａｐｅｄ ａｒｔｉｃｌｅ）を形成するのに十分な温度、過圧、その温度にある時間およびその過圧にある時間で強化される。強化成形製品は、その製品を作成するのに使用される別個のボディの各々によって規定される形状を有する。しかしながら、過圧の使用は時間および費用がかかる。

米国特許第６，９０８，６８８号明細書も、複数の異なる接合体を有する硬質金属工具を形成するために過圧を使用することを開示している。この方法および他の既知の方法では、部品の境界にわたる成分の相当の移動が起こる。これによって、脆化相が発生し、中間特性の勾配領域が長くなって、深刻な場合には、大規模な密度変化およびその結果としての部品の歪みが生じる可能性がある。

したがって、圧力の必要性、境界における粒成長または高価な材料の浪費なしに、予備焼結した部材を接合または融着して、複雑な幾何形状の工具を形成する方法が必要とされている。

一態様において、複数の部品を接合して単一構造体を形成する方法であって、少なくとも２つの焼結部品を提供するステップを含み、部品の各々はカーバイドまたはサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）から形成され、それらの部品のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの内部空洞を有する、方法が提供される。少なくとも２つの焼結部品を組み立てて単一構造体の形状にすることができ、少なくとも２つの部品の各々は、接合面を有し、各接合面が接触するようになると、接合された表面が、それらの間にボンディング界面を形成する。組み立てられた部品は、外圧を加えることなく真空またはガス雰囲気に晒され、少なくとも２つの焼結部品がボンディング界面において、ともに融着して単一構造体を形成するのに十分な温度に晒される。

別の態様において、耐摩耗性工具は、複数の焼結部品を含み、複数の部品の各々は、超硬合金またはサーメットから形成されている。複数の焼結部品のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの空洞を有し、複数の焼結部品は、単一構造体の形状に組み立てることができる。複数の焼結部品の各々の上に接合面が配置され、複数の焼結部品が組み立てられると、各接合面は接触するようになってそれらの間にボンディング界面を形成し、それによって、組み立てられた焼結部品が、外圧を加えることなく真空またはガス雰囲気に晒され、組み立てられた複数の部品を融着するのに十分な温度に晒されると、組み立てられた複数の部品は、それぞれのボンディング界面においてともに接合されて、単一構造体の摩耗工具が形成される。

本開示のこれらのおよび他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に関連する以下の好適な実施形態の詳細な説明からより明らかになる。

図１は、本方法のステップを示す流れ図である。 図２は、本方法に従って作成されるボディの断面図である。 図３Ａは、本方法に従って作成される別のボディの斜視図である。図３Bは、図３Ａの線Ｉ−Ｉによる断面図である。 本方法に従って作成されるボディの断面図である。 図５Ａは、本方法に従って作成される別のボディの斜視図である。図５Bは、ボディの端面図である。図５Ｃは、図５Ａの線ＩＩ−ＩＩによる断面図である。 図６Ａは、本方法に従って作成される別のボディの斜視図である。図６Ｂは、図６Ａの線ＩＩＩ−ＩＩＩによる断面図である。

図１および図２を参照すると、少なくとも一対の部品の結合または接合方法が記載されている。第１のステップ１２において、複数の部品３２、３４が提供される。部品は、同じサイズもしくは形状または異なるサイズもしくは形状とすることができる。本開示に従って多数の部品を接合することができるが、これは、単一構造体３０を形成するのに使用される特定数の部品に限定されるべきではないことも諒解されたい。単一構造体は、複数の接続された部品から成る単数のボディとして定義される。たとえば、ボディ３０は、直径の異なる複数の部品を有する段付きドリルのような耐摩耗性工具とすることができる。

部品３２および３４は、低融点相成分および高融点相成分を含む液相焼結材料の成形体から成る超硬合金またはサーメットから作成することができる。超硬合金は、タングステンカーバイド、および、金属相、一般的にはコバルト、ニッケル、鉄または様々な割合におけるそれらの化合物であるチタン、クロム、バナジウム、タンタル、ニオブの１つ、または複数のカーバイド、窒化物または炭窒化物から構成される硬質相を有する。サーメットは、金属相、一般的にはコバルト、ニッケル、鉄または様々な割合におけるそれらの化合物であるチタン、クロム、バナジウム、タンタル、ニオブの１つ、または複数のカーバイド、窒化物または炭窒化物から構成される硬質相を有する。

サーメットおよび超硬合金は種々の材種で存在する。材種とは、本明細書においては、いくつかの割合のうちの１つにあり、特定の粒径を有する超硬合金またはサーメットを指す。材種の性能および信頼性は、サーメットおよび超硬合金の組成に応じて決まる。高品質材種は、所与の用途において、定量化可能な、より高い性能および信頼性を有する材料である。

たとえば、本明細書においてさらに説明するように、部品は、同じ組成、または、ともに融着される、材種および／もしくは粒径に関して異なる、２つ以上の異なる組成の超硬合金とすることができる。

各部品は、実質的にその完全密度および硬度を得るために焼結されている。ステップ１４を参照されたい。各部品は、接合面３８を有する。ステップ１６において、部品は、部品間に十分に平滑な仕上げをもたらすために、合わせ面／接合面において研削または機械加工される。部品はまた、接合面において清浄な界面をもたらすために、たとえば、水素洗浄プロセスにおいて洗浄されてもよい。その後、ステップ１８において、個々の部品が組み立てられて、所望の工具形状にされる。

ステップ２０は、２つ以上の部品の間の第１の結合面または接合面３８が、他の部品の間の第２の結合面または接合面と嵌め込み係合して、各々が結合または境界領域３６を画定することによって、部品を組み立てられた関係において接触するようにすることを含む。その後、組み立てられた関係にある部品を加熱するステップが、部品をともに融着するために利用される。

ステップ２０において、部品は、粒成長が発生しないよう十分に低い温度で融着される。たとえば、約１３４０℃〜約１３６０℃で約１０〜約３０分間、より好ましくは、約１３５０℃で約１５分間である。言い換えれば、部品は、部品の元の最も低い焼結温度を有する超硬合金部品の融点よりも低いか、またはその中間の温度で融着する。このより低いおよびより短い時間によって、融着が、結合金属の短距離の拡散で進行することが可能になり、微細構造において粒径変化が誘発されない。

組み立てられた単一構造体３０は、標準的な焼結炉内におくことができる。環境を制御するために、焼結プロセス中に真空または水素雰囲気が使用される。その後、ボディは室温から、組成に応じて約１３５０℃またはそれ以上の融着温度まで１時間あたり約４５０℃で上げられ、最高温度にある滞留時間は約１５分間である。この融着および熱サイクルは、最低の融解温度を有するボディの部品（複数の場合もあり）の元の焼結温度および加熱サイクルよりも低い。

このステップは、すでに高密度および硬質のカーバイド片を取り出し、再び焼結炉に戻す。しかし、最初の焼結動作のように、収縮およびより高い密度を得る代わりに、部品は基本的に同じ物理特性のままである。生じる液相は最小量だが、依然として結合は有効に行われる。

再び図２を参照すると、本発明は、サイズおよび形状の異なる焼結部品を接合して単一構造工具または摩耗部品を形成することを可能にする。ボディ３０がこの例において説明されているが、本方法に従って材料、サイズまたは形状の異なる複数の部材から構成されるボディを作成することができることが諒解されるべきであり、以下の例に示されているとおりである。したがって、部品のサイジングおよび／または成形は、所望の特定の単一構造体または工具に応じて決まり、それゆえ、特定の物理的特性および／または寸法特性は、意図される用途に十分満足に適合する。

材種の異なる複数の材料を接合して、工具または摩耗部品のローカル特性を最適化することができる。したがって、たとえば、材料の抵抗性、強靭性、ろう付け性、摩擦係数および／または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）含量は、工具または摩耗部品内の材料の位置に応じて選択することができる。その上、コバルトまたは粒子のサイズの不整合も、結合金属の融着およびその結果としての密度変化を誘発するように選択することができる。これによって、工具または部品の表面において圧縮応力を生じて、強靭化効果をもたらすことができる。また、コバルト含量または粒径の大きい多層構造を、亀裂偏向に対して組み込むことができる。

図２に示すように、工具３０は、一端３３において封鎖されている中空体または管３２から構成することができる。材料の芯４０は、締まり嵌め、パンチ嵌め（ｐｕｎｃｈ ｆｉｔ）、ろう付けまたは任意の既知の方法を介して管３２内に挿入されてもよい。芯はまた、焼結、成型またはその材料に応じて管の中に充填されてもよい。芯４０は、高速度鋼（ＨＳＳ）のような強化材料とすることができる。したがって、工具の費用は、性能を犠牲にすることなく、工具全体をカーバイドから作成するよりも著しく低くなる。工具の先端部３４を形成することができる別個の部品が、本明細書において説明されるように、芯が挿入された後に本発明の方法に従って管３２の他端３５に融着される。

図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、本発明の方法に従って作成される工具５０の別の態様が示されている。工具５０は、より品質の低い組成物、たとえば、低品質カーバイドから作成されるボディ部５２と、より品質の高い材料の部品または先端部５４とを含む。各部品５０および５２は、境界領域５８においてともに融着される接合面５６を有する。先端部５４は、高品質カーバイドから作成することができる。部分５２は、銅、ワックス、流体、たとえば、水、冷却剤、多孔質発泡体などのような潜熱除去材料６２を含む内部チャネルまたは空洞６０を含む。図１のステップ１６に従って先端５４を融着する前に、チャネル５８を部分５２内に機械加工することができる。

図４に示すように、本発明の方法の別の態様に従って、押し出し部材７０を作成することができる。部材７２は、少なくとも１つの大きいチャネルを含むことができるが、複数のチャネル７２が図示されている。穴あけ用途のために、チャネル７２は、上述したように、封鎖して、熱除去のための芯材７４、たとえば、銅を充填することができる。ウェブ内または部材の表面には銅は存在しない。または、芯材７４は、冷却剤を供給するための軽量で低コストの代替方法を提供する多孔質発泡体であってもよい。チャネル７２はまた、小さいまたは細かい削り屑を内部で吸引排出して良好な孔品質を保持し削り屑を再切断することを回避するために、空のままにすることもできる。

本発明の方法は、複雑な内部形状を有する工具の作製を可能にする。図５Ａ〜図５Ｃを参照すると、工具８０、たとえば、ドリルは、潜熱除去のための複数の空洞８２を有する。空洞は部分８４内に形成することができ、その後、上述のようにこれらの部分は接合面８６においてともに融着され、境界領域が形成される。複雑な幾何形状を有する複数の空洞を所望のように組み込むことができる。融着の前に、同じく上述のように、銅、ワックス、流体、冷却剤、多孔質発泡体などのような熱除去材が空洞に充填されてもよい。工具の先端部の先端９０のような部品は、より品質の高い材料から作成され得、工具のボディ８４はより品質の低いカーバイド材料から作成され得る。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の方法に従って作成される、空洞１０２が内部に封止されたシャンク１００を示す。空洞１０２はまた、制振材１１２を充填されてもよい。制振材は、振動を最小限に抑えるかまたは低減するための流体であり得る。制振材はまた、アルミナまたはアルミナコーティング材料の球もしくはショットを充填されてもよい。別の例において、制振材は、調整器、スイッチまたは位置表示器として機能するために空洞内を動くことができる、アルミナまたはアルミナコーティング材料のスライドブロクであってもよい。空洞はまた、重量を低減する目的で空のままにされてもよい。上述したように、別の部品１１４がシャンク１１２に融着され得る。

開示される方法を使用して、種々の部品のストックから複雑な形状を構築することができ、アンダーカット、側孔、空隙、外形の変更などが可能になるが、ＭＡＰ／ＰＩＭまたは機械加工は回避される。

最も重要なことには、上述した特徴の任意のものを組み合わせて単一の工具または部品にすることができる。たとえば、種々の部品を、耐摩耗性、耐化学性などが必要とされる特定の用途に適するように慎重に選択し、ともに接合することができる。

本発明の方法は、限定ではない、大幅な費用節約および環境に配慮した製品を含む多くの利点を提供する。重要な利点はまた、従来の処理または機械加工では可能でない複雑な形状を形成することも含む。また、現行の方法では可能でない材料の組み合わせも達成することができる。

本開示はその特定の実施形態に関連して説明されているが、多くの他の変形形態および修正形態ならびに他の用途が、当業者には明らかとなろう。それゆえ、本開示は、本明細書に開示されている細目によってではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。

Claims (11)

1. 複数の部品を接合して単一構造体を形成する方法であって、
   少なくとも２つの焼結部品を提供するステップであって、部品の各々はタングステンカーバイド及びコバルトのバインダを含む超硬合金から形成され、部品のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの内部空洞を有する、提供するステップと、
   少なくとも２つの焼結部品を単一構造体の形状に組み立てるステップであり、少なくとも２つの部品の各々は接合面を有し、各接合面が接触するようになると、接合された表面はそれらの間にボンディング界面を形成する、組み立てるステップと、
   組み立てられた少なくとも２つの焼結部品を、外圧を加えることなく真空またはガス雰囲気に晒し、単一構造体を形成するために、ボンディング界面において組み立てられた少なくとも２つの焼結部品をともに融着するのに十分な温度に晒すステップと
   を含み、
   組み立てられた少なくとも２つの焼結部品は、これらの部品をボンディング界面において融着するために、１０から３０分の間、１３４０℃から１３６０℃の温度まで加熱されること、及び
   少なくとも２つの焼結部品をともに組み立て、融着するステップの前に、少なくとも１つの内部空洞内に振動最小化材料を配置することを特徴とする、方法。
2. 組み立てられた少なくとも２つの焼結部品は、１３５０℃の温度まで１５分間加熱されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも２つの焼結部品の各々は、異なる形状および／または異なるサイズを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 単一構造体は、耐摩耗性工具、工具ブランクまたは摩耗部品であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 振動最小化材料が、流体、アルミナ球およびアルミナコーティング球から成る群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 振動最小化材料が、少なくとも１つの内部空洞内に移動可能に配置されたアルミナ又はアルミナでコーティングされた材料のブロックである、請求項１に記載の方法。
7. 耐摩耗性工具であって、
   複数の焼結部品であり、複数の焼結部品の各々はタングステンカーバイド及びコバルトのバインダを含む超硬合金から形成され、複数の焼結部品の少なくとも１つは少なくとも１つの空洞を有し、複数の焼結部品は単一構造体の形状に組み立てることができる、複数の焼結部品と、
   複数の焼結部品の各々の上に配置されている接合面であり、複数の焼結部品が組み立てられると、各接合面は接触するようになって、それらの間にボンディング界面を形成し、それによって、組み立てられた焼結部品が、外圧を加えることなく真空またはガス雰囲気に晒され、組み立てられた複数の部品を融着するのに十分な温度に晒されると、組み立てられた複数の部品は、それぞれのボンディング界面においてともに接合されて、耐摩耗性工具の単一構造体が形成される、接合面と
   を備え、
   組み立てられた複数の焼結部品は、部品をボンディング界面において融着するために、１０から３０分の間、１３４０℃から１３６０℃の温度まで加熱されること、及び
   少なくとも２つの焼結部品をともに組み立て、融着するステップの前に、少なくとも１つの内部空洞内に振動最小化材料を配置することを特徴とする、耐摩耗性工具。
8. 複数の焼結部品の各々は、異なるサイズおよび／または異なる形状を有することを特徴とする、請求項７に記載の耐摩耗性工具。
9. 少なくとも１つの空洞がチャネルであることを特徴とする、請求項７又は８に記載の耐摩耗性工具。
10. 振動最小化材料が、流体、アルミナ球およびアルミナコーティング球から成る群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載の耐摩耗性工具。
11. 振動最小化材料が、少なくとも１つの空洞またはチャネル内に移動可能に配置されたアルミナ又はアルミナでコーティングされた材料のブロックである、請求項７に記載の耐摩耗性工具。

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