JP7299161B2 - サーメット部を含む物体、および該物体を製造するための方法 - Google Patents

Description

本開示は、炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部を含む物体、該物体を製造するための方法、および溶融ろう材の接触角を減少させるための該物体の使用に関する。

炭化タングステン（ＷＣ）がベースの超硬合金は、高い硬度、抗折力、および高い破壊靱性が必要である多くの用途に対して、広範に使用される。しかしながら、炭化タングステンの供給は低下しており、結果的にそのコストが増大し、したがって代替的なハードメタルが、適切な選択肢を見出すために検討されている。炭化ニオビウム（ＮｂＣ）がベースのサーメットは、いくつかの用途において、そのような代替的な硬質材料となる可能性を有し、供給も豊富であり、したがってより安価に購入できる。

さらに、ＮｂＣベース硬質材料は、ステンレス鋼の特性限界に近いが、ＷＣベース超硬合金が高価すぎる用途において、ステンレス鋼工具と置き換えて使用できる。

ろう付けは、超硬合金またはサーメットの切削用チップを、鋼シャンク、または異なる外形および／または組成を有する超硬合金またはサーメットの別の小片に接合するために、超硬合金およびサーメットの工具の製造において一般に使用される。しかしながら、炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部に関して、炭化タングステンを含む超硬合金に対して一般に使用されるろう付け法を使用する際には、溶融ろう付け合金の接触角が９０°よりも高く、これが、サーメット部のろう付け性が乏しく、したがって強い接合が形成されないことを意味しているので、問題がある。

本開示の目的は、上記の問題を軽減またはさらに解消する解決策を提供することである。

そのため、したがって、本開示は：
炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部と；
ろう付け合金と；
サーメット部がろう付けされる少なくとも１つの他の部分と
を含む物体であって、
サーメット部が、少なくとも０．５原子％（ａｔ％）のモリブデンを含むことを特徴とする、物体を提供する。

さらに、本開示は、炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部を少なくとも１つの他の部分にろう付けする方法であって、
ａ．硬質相粉末の合計量に対して、５０重量％（ｗｔ％）を超える炭化ニオビウム、例えば６０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム、例えば７０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム、例えば８０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム、例えば９０ｗｔ％を超える炭化ニオビウムを含む硬質相粉末を用意する工程と；
ｂ．金属バインダー粉末の合計量に対して、５０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば６０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば７０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば８０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば９０ｗｔ％を超えるニッケルを含む金属バインダー粉末を用意する工程と；
ｃ．硬質相粉末および金属バインダー粉末を、有機バインダーと混合して、粉末混合物を得る工程と；
ｄ．得られた粉末混合物を粉砕する工程と；
ｅ．粉砕粉末混合物をプレス加工する工程と；
ｆ．プレス加工された粉末混合物を焼結させて、焼結サーメット部を得る工程と；
ｇ．ろう付け合金を用意する工程と；
ｈ．得られた焼結サーメット部を、ろう付け合金を使用することにより、少なくとも１つの他の部分にろう付けする工程と
を含む方法において、工程ｃでは：
炭化モリブデン（ＭｏＣ）の粉末を添加するか、または
モリブデンの粉末および炭素の粉末を添加することを特徴とする、方法にも関する。

したがって、本開示は、炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部を、少なくとも１つの他の部分にろう付けすることを可能とする方法を提供するであろう。

加えて、本開示は、前記サーメットが、炭化ニオビウムベース硬質相、およびニッケル基金属バインダー、およびサーメット部をろう付けする方法を使用することにより少なくとも１つの他の部分にサーメット部がろう付けされる場合に、溶融ろう材の接触角を減少させるためのモリブデンを含む、サーメット部の使用にも関する。

接触角がどのように測定されるのかを示す、サーメットの表面上の溶融ろう付け合金の、注釈が付けられた光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ａの光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ｂの光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ｃの光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ｄの光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ｅの光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ｆの光学画像を開示する図である。 ろう付けの接触角を示す、試料Ｇの光学画像を開示する図である。

本開示の一態様に従って、
炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部と；
ろう付け合金と；
サーメット部がろう付けされる少なくとも１つの他の部分と
を含む物体であって、
サーメット部が、少なくとも０．５原子パーセントのモリブデンを含むことを特徴とする、物体を提供する。

サーメット部の原子百分率は、添加した各粉末の重量百分率（ｗｔ％）を取り、その後、サーメット部の製造中に添加した各粉末の成分の、それぞれの分子量または原子量を使用して、各元素の相対的な原子百分率（ａｔ％）を算出することにより、算出される。原子パーセントは、原子ｍｏｌ％分率としても知られている。任意の炭化物添加に関して、その量を、金属および炭素のそれぞれのｗｔ％分率に分割することにより、個々の元素の原子百分率を算出した。

用語ｗｔ％は、粉末組成物全体と比較した各粉末のｗｔ％を指す。サーメット部のろう付け性に対する、モリブデン（Ｍｏ）添加の肯定的な効果は、少なくとも０．５ａｔ％のＭｏが添加される場合にのみ見られる。

本発明者は、驚くべきことに、モリブデンの添加が、例から分かるように、サーメット部のろう付け性を大幅に増大させることを見出した。いかなる理論にも拘束されるものではないが、添加されたモリブデンが金属バインダー相の一部を形成すること、およびその添加により溶融ろう付け合金中で金属バインダーが可溶型となり、したがってより良好でより強いろう付け接合が形成されることが考えられる。

サーメットは、硬質相および金属バインダー相を含む物質であるとして定義される。本開示では、用語「炭化ニオビウムベース硬質相」は、硬質相が、硬質相の合計量に対して、５０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム粒子、例えば６０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム、例えば７０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム、例えば８０ｗｔ％を超える炭化ニオビウム、例えば９０ｗｔ％を超える炭化ニオビウムを含むことを意味する。残りの硬質相は、ＷＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｍｏ_２Ｃ、もしくはＨｆＣ、またはそれらの混合物からなるであろう。さらに、本開示では、用語「ニッケル基金属バインダー相」は、バインダーが、金属バインダー相の合計量に対して、５０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば６０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば７０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば８０ｗｔ％を超えるニッケル、例えば９０ｗｔ％を超えるニッケルを含むことを意味する。バインダーはまた、ＣｏおよびＦｅを含んでもよい。ニッケル基金属バインダーが、鉄ベース金属バインダーと置き換え可能であること、およびＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、またはＶＣなどの少量の、例えば最大約４ｗｔ％の他の炭化物が、例えば結晶粒微細化を促進するために添加され、靱性を改善および／または高温硬度を改善してもよいことも理解されるべきである。

当該技術分野で周知であるように、ろう付けは、ハードメタルまたは金属を含む部分同士を接合または融着するために使用されるプロセスである。このプロセス中に、熱が、ろう材、例えばろう付け合金に加えられ、接合中の各部分の融点未満で溶融するであろう。

本開示の一実施形態では、サーメット部は、少なくとも１．０ａｔ％のモリブデン含有量を有し、例において示されるように、サーメット部のろう付け性に対するさらにより肯定的な効果は、モリブデンの添加が少なくとも１．０ａｔ％である場合に見られる。

本開示の一実施形態では、サーメット部のモリブデン含有量は、物体の特性がモリブデン添加を１０．６ａｔ％以下に保つことによりさらに最適化することができるので、１０．６ａｔ％以下である。より多量のモリブデンが添加される場合、炭化モリブデンが析出するリスクがある。炭化モリブデンなどの、サーメット中の、第２の硬質相の存在は、摩耗、抗折力、または結晶粒成長のコントロールに関する問題を悪化させる効果を有する可能性がある。

一実施形態では、ろう付け合金は、銀ベースろう付け合金である。本開示では、用語「銀ベースろう付け合金」は、ろう付け合金が、ろう付け合金の合計量に対して５０ａｔ％を超える銀を含むことを意味する。ろう付け合金は、６４ａｔ％のＡｇ、２６ａｔ％のＣｕ、２ａｔ％のＮｉ、２ａｔ％のＭｎ、および６ａｔ％のＩｎを含んでもよい。

一実施形態に従って、少なくとも１つの他の部分は、２つ以上の部分である。さらに別の実施形態に従って、２つの部分のうちの少なくとも１つは、サーメットである。本明細書において以上または以下に定義されるような物体の一実施形態に従って、少なくとも１つの他の部分は、サーメットから選択され、その部分は、サーメットと同じ組成を有するか、または異なる組成を有する。少なくとも１つの他の部分は、超硬合金、または鋼合金を含む部分から選択されてもよい。

物体は、ドリルビット、インサート、またはソーチップなどの製品の製造で使用してもよい。例えば、ドリルビットの場合、ドリルの作用チップは、鋼シャンク（少なくとも１つの他の部分）にろう付けされる物体のサーメット部である。

本開示の別の態様は、炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部を、少なくとも１つの他の部分にろう付けする方法であって、
ａ．硬質相粉末の合計量に対して、５０ｗｔ％を超える炭化ニオビウムを含む硬質相粉末を用意する工程と；
ｂ．金属バインダー粉末の合計量に対して、５０ｗｔ％を超えるニッケルを含む金属バインダー粉末を用意する工程と；
ｃ．硬質相粉末および金属バインダー粉末を、有機バインダーと混合して、粉末混合物を得る工程と；
ｄ．得られた粉末混合物を粉砕する工程と；
ｅ．粉砕粉末混合物をプレス加工する工程と；
ｆ．プレス加工された粉末混合物を焼結させて、焼結サーメット部を得る工程と；
ｇ．ろう付け合金を用意する工程と；
ｈ．得られた焼結サーメット部を、ろう付け合金を使用することにより、少なくとも１つの他の部分にろう付けする工程と
を含む方法において、工程ｃでは：
炭化モリブデンの粉末が添加されるか、または
モリブデンの粉末および炭素の粉末が添加される
ことを特徴とする、方法に関する。

硬質相粉末および金属バインダー粉末は、典型的にはボールミルを使用することにより、有機バインダーと共に粉砕される。有機バインダーは、プレス加工を補助するために添加され、典型的には、ＰＥＧ３４などのポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）である。典型的には、その後、粉末は、例えばＴＯＸプレスを使用するプレス方法を使用した形状へと形成される。その後、プレス加工後、粉末混合物は、例えばＳｉｎｔｅｒ ＨＩＰ炉を使用して焼結される。しかしながら、他の粉砕、形成、および焼結方法を利用することもでき、他のプレス助剤を、本明細書に記載されている本開示の方法ために使用することもできる。本明細書で述べられるように、モリブデンは、工程ｃにおいて、炭化モリブデン粉末の形態で添加されるか、または別個のモリブデン粉末および別個の炭素粉末として同等の原子量で添加されるかのいずれかである。

以上または以下に定義されるような方法の一実施形態に従って、炭化モリブデンの重量パーセント（ｗｔ％）、または添加されたモリブデンおよび炭素の総重量パーセントは、粉末混合物全体のうちの、ニッケルの重量パーセント未満である。用語ｗｔ％は、粉末組成物全体、すなわち炭化モリブデンの添加、またはモリブデンおよび炭素の添加を含むものと比較した各粉末のｗｔ％を指す。炭化モリブデンの重量パーセント、または添加されたモリブデンおよび炭素の総重量パーセントが、添加されたニッケルの量を超過した場合は、溶解していない炭化モリブデンの析出物が存在することが見出された。

以上または以下に定義されるような方法の一実施形態に従って、ニッケル、炭化モリブデン、および添加された炭素の組合せ重量パーセントは、粉末混合物全体の６から３５ｗｔ％、例えば、８から３０ｗｔ％までである。十分に高密度なサーメットを形成するために、ニッケルおよび炭化モリブデンの総重量パーセントが、少なくとも６ｗｔ％、例えば少なくとも８ｗｔ％である場合、サーメット部の特性が最適化される。サーメットの特性は、ニッケル、炭化モリブデン、および炭素の組合せ重量パーセントが３５ｗｔ％を超過しない場合にも、例えば３０ｗｔ％以下で最適化されるが、これは、サーメット部中の金属バインダー含有量がこれよりも高い場合に、材料の隣接性が減少するからであり、これが、硬度および靱性の減少などの物質特性を損なう効果を有する。

以上または以下に定義されるような方法の一実施形態に従って、ろう付け合金は、銀ベースである。

以上または以下に定義されるような方法の一実施形態に従って、少なくとも１つの他の部分は、サーメット、超硬合金、または鋼を含む部分から選択される。

焼結プロセス中に、炭化モリブデンは、金属バインダー中に溶解し、炭化モリブデンよりもむしろモリブデンとして存在するであろう。モリブデンおよび炭素の各粉末が別々に添加される場合は、両方の粉末が、バインダー中に溶解するであろう。焼結された試料中で、ニッケル－モリブデン基合金金属バインダー、および炭素の化学量論組成が様々なＮｂＣである唯一の硬質相が形成されると思われる。

本開示はまた、サーメット部が、炭化ニオビウムベース硬質相、およびニッケル基金属バインダー、およびろう付け合金を使用することにより少なくとも１つの他の部分にサーメット部がろう付けされる場合に、溶融ろう付け合金の接触角を減少させるためのモリブデンを含む、サーメット部の使用に関する。理解されているように、溶融ろう付け合金は、液状のろう付け合金である。これは、ろう付け合金を、わずかにその融点温度以上に加熱することにより達成される。加熱は、適切な保護雰囲気で実施することができる。溶融ろう付け合金は、接合される各部分上を流動することになるが、これはぬれとして知られており、その後、溶融ろう付け合金および各部分が冷却されて、部分同士を接合する。

接触角θは、溶融ろう付け合金が載っている表面と接触する角度である。図１に示されるように、接触角θは、冷却された後の表面上の溶融ろう材の光学画像を撮影することにより測定される（２）。第１の線（４）は、サーメット（６）上の表面に沿って描かれており、描かれた第２の線（８）は、溶融ろう材（１２）の表面との接点（１０）から延びて描かれている。その後、これらの２つの線の間の角度が測定され、これが接触角（１４）である。より小さい接触角が、溶融ろう付け合金のより良いぬれを意味し、したがってより良い接合が、接合される小片間で達成される。ろう付け性を改善するためには、接触角を可能な限り小さい角度に減少させることができる必要がある。

一実施形態に従って、接触角は、９０°未満、例えば４５°以下、例えば３０°以下に減少される。良好なぬれは、接触角が９０°未満である場合に達成されたと言われており、角度が９０°よりも大きいと、ぬれは生じず、２つの部分は接合されないであろう。一実施形態に従って、接触角は、４５°未満、例えば３０°未満に減少される。接触角がより浅いと接着の表面積がより大きく、したがって得られるろう付け接合がより強い。

一実施形態に従って、溶融ろう付け合金は銀ベースである。

一実施形態に従って、使用される少なくとも１つの他の部分は、サーメット、超硬合金、または鋼を含む部分から選択される。

以下の例は、例示的で非限定的な例である。

炭化ニオビウムベースサーメットを、２０時間かけて炭化ニオビウムを予め粉砕することにより調製した。予め粉砕した炭化ニオビウム粉末を計量し、ニッケル粉末および炭化モリブデン粉末も計量した。その後、これらの成分を、ＰＥＧ３４と共に、８時間、エタノール中、１：２１の投入物：媒体質量比で、１２００ｇの粉砕媒体（ｃｙｌｐｅｂｓ）を用いて粉砕した。その後、得られた粉末を、乾燥させ、篩い分けし、ＴＯＸプレスを使用しておよそ５．５×６．５×２０ｍｍの寸法の小片へとプレス加工した。その後、その小片を、１時間、１４１０℃～１４５０℃の温度で真空焼結した。その後、焼結した小片を、ダイヤモンドディスクで粗研磨し、続いてより微細なダイヤモンドスラリーで、コロイドシリカ最終段階研磨剤を含む１μｍダイヤモンドグリットを使用して最終的な研磨まで、研磨した。

ろう付け性の試験のために、６４ａｔ％のＡｇ、２６ａｔ％のＣｕ、２ａｔ％のＮｉ、２ａｔ％のＭｎ、６ａｔ％のＩｎから構成される、およそ０．０２ｇの重量の、１６５μｍの厚みのＪｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ Ｍｅｔａｌ Ａｒｇｏｂｒａｚｅ ６４ホイルの小片を、焼結した試料の最大面上に配置した。その後、ろう付け合金を、Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｔｈｅｙ Ｅａｓｙ－Ｆｌｏフラックスで覆い、酸化を防止した。ろう付け性を試験するために、その後、試料を、銅コイルの中心に配置し、ここで、その銅コイルは、５ｍｍの直径の銅管を２．５回転させて作られ、３６ｍｍの内径を有し、１５ｋＷ Ａｍｂｒｅｌ Ｅｋｏｈｅａｔ ＥＳ誘導加熱器に取り付けられている。各試験に関して、電力を１００ボルトに設定し、電源を入れた時、ろう材が溶融するのにかかる時間は、およそ３０秒であった。ろう材の溶融が人間の眼で視覚的に認められた後に、さらに３秒間電源を入れたままにし、その後、スイッチを切った。一旦試料が完全に冷却したら、フラックスを、温水を使用して除去し、その後溶融ろう材の研磨した断面の光学画像を、接触角（θ）が測定できるように撮影した。

表１は、粉末混合段階で計量した際の組成、原子分析値、および測定した接触角の概要を示す。

溶融ろう付け合金の光学顕微鏡の画像を撮影し、接触角を、試料Ａ～Ｇの図２～８にそれぞれ示すように測定した。上の表で分かるように、炭化モリブデンが炭化ニオビウムベースサーメットに添加されない場合、接触角は＞９０°であり、したがってぬれていない。しかしながら、組成物に炭化モリブデンを微量でも添加すると、接触角が９０°以下に著しく降下し、良好なぬれが達成される。小さい接触角は、４．２ａｔ％のＭｏが焼結した試料中に組み込まれた場合に達成された。

コバルトまたはニッケルの金属バインダーを含むＷＣベース超硬合金を、銀ベースろう付け合金を使用してろう付けする場合、組成物へのＭｏなどのさらなる添加物を必要とせずとも、溶融ろう付け合金の接触角が、９０°以下であることに留意するべきである。これは、良好なぬれおよびろう付け性が、超硬合金の組成をそれ以上変更する必要なしに達成されることを意味する。

添加された炭化モリブデンのｗｔ％の量が、添加されたニッケルの量を超過する場合、硬質相中の炭化モリブデンの析出が観察された。

ＷＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、またはＺｒＣなどの他の炭化物の、炭化ニオビウムベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部への添加は、同じ効果を挙げることはなかった。溶融ろう付け合金との接触角を減少させる肯定的な効果は、Ｍｏ_２Ｃに固有のものである。

Claims (12)

1. 炭化ニオブベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部と；
   ろう付け合金と；
   サーメット部がろう付けされる少なくとも１つの他の部分と
   を含む物体であって、
   サーメット部が、４．２原子パーセントから２２．３原子パーセントのモリブデンを含み、
   溶融時のろう付け合金のサーメット部との接触角が９０°未満である、
   物体。
2. ろう付け合金が、銀ベースである、請求項１に記載の物体。
3. 少なくとも１つの他の部分が、サーメット、超硬合金、または鋼を含む部分から選択される、請求項１又は２に記載の物体。
4. 炭化ニオブベース硬質相およびニッケル基金属バインダーを含むサーメット部を、少なくとも１つの他の部分にろう付けする方法であって、
   ａ．硬質相粉末の合計量に対して、５０ｗｔ％を超える炭化ニオブを含む硬質相粉末を用意する工程と；
   ｂ．金属バインダー粉末の合計量に対して、５０ｗｔ％を超えるニッケルを含む金属バインダー粉末を用意する工程と；
   ｃ．硬質相粉末および金属バインダー粉末を有機バインダーと混合して、４．２原子パーセントから２２．３原子パーセントのモリブデンを含む粉末混合物を得る工程と；
   ｄ．得られた粉末混合物を粉砕する工程と；
   ｅ．粉砕粉末混合物をプレス加工する工程と；
   ｆ．プレス加工された粉末混合物を焼結させて、焼結サーメット部を得る工程と；
   ｇ．ろう付け合金を用意する工程と；
   ｈ．得られた焼結サーメット部を、ろう付け合金を使用することにより、少なくとも１つの他の部分にろう付けする工程と
   を含む方法において、工程ｃでは、
   炭化モリブデンの粉末が添加されるか、または、
   モリブデンの粉末および炭素の粉末が添加され、
   溶融時のろう付け合金のサーメット部との接触角が９０°未満である、
   方法。
5. 炭化モリブデンの重量パーセント、または添加されたモリブデンおよび炭素の組合せ重量パーセントが、粉末混合物全体のうちの、ニッケルの重量パーセント未満である、請求項４に記載の方法。
6. ニッケル、ならびに炭化モリブデンまたはモリブデンおよび炭素の組合せ重量パーセントが、粉末混合物全体の６重量パーセントから３５重量パーセントである、請求項４または請求項５に記載の方法。
7. ろう付け合金が、銀ベースである、請求項４から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも１つの他の部分が、サーメット、超硬合金、または鋼を含む部分から選択される、請求項４から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 炭化ニオブベース硬質相、ニッケル基金属バインダー、及び４．２原子パーセントから２２．３原子パーセントのモリブデンを含む、サーメット部であって、溶融ろう付け合金を用いてサーメット部が少なくとも１つの他の部分にろう付けされる方法の間に、溶融ろう付け合金の接触角を減少させるために使用され、溶融時のろう付け合金のサーメット部との接触角が９０°未満である、サーメット部。
10. 接触角が、４５°以下に減少される、請求項９に記載のサーメット部。
11. ろう付け合金が、銀ベースである、請求項９または１０に記載のサーメット部。
12. サーメット部がろう付けされる少なくとも１つの他の部分が、サーメット、超硬合金、または鋼を含む部分から選択される、請求項９から１１のいずれか一項に記載のサーメット部。

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