JPH08208335A - 炭化タングステン焼結体 - Google Patents

炭化タングステン焼結体

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JPH08208335A
JPH08208335A JP7031574A JP3157495A JPH08208335A JP H08208335 A JPH08208335 A JP H08208335A JP 7031574 A JP7031574 A JP 7031574A JP 3157495 A JP3157495 A JP 3157495A JP H08208335 A JPH08208335 A JP H08208335A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高硬度で耐摩耗性に優れ、かつ高抗折力で折
れにくい、実質的に微細な炭化タングステンのみよりな
る炭化タングステン焼結体を、良好な生産性で提供す
る。 【構成】 炭化タングステン粉末、または炭化タングス
テンと炭化クロム、および/または炭化バナジウムから
なる粉末を、アトライターなどを用いて混合した後、放
電活性化加圧焼結法を用いて焼結することにより、炭化
タングステンおよび不可避的不純物、または、炭化タン
グステンと炭化クロムおよび/または炭化バナジウムお
よび不可避的不純物からなり、理論密度比が99.9%
以上である焼結体が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ウォータージェットノ
ズル、メカニカル・シール、切削チップ、ドリル、エン
ドミル、カッターおよび金型などに適した、高硬度で高
抗折力の炭化タングステン焼結体に関する。より詳細に
は、放電活性化加圧焼結法を用いて焼結して得られる、
炭化タングステン、および不可避的不純物からなる焼結
体、および炭化タングステンを主体とし、2重量%以下
の炭化クロムおよび/または炭化バナジウム、不可避的
不純物からなる焼結体に関する。
【0002】
【従来の技術】コバルトなどのバインダーを含まず、炭
化タングステンを主成分とし、真空焼結(焼結温度:1
700℃)後、HIP(熱間静水圧プレス、焼結温度:
1500〜1600℃)により形成された、ウォーター
ジェットノズル用のバインダーレス焼結体が特開平4ー
365558号公報に開示されている。しかしここに開
示されている焼結体は、硬度は HRAが94.7〜9
5.5と比較的高く、耐摩耗性に優れているが、抗折力
が60〜85kgf/mm2 と低く、折れやすい。その
ため腐食性の原因となるコバルトなどのバインダー金属
を含まないという利点を有するにも拘らず、切削チッ
プ、ドリル、金型等の用途には不適当であるという問題
を有している。
【0003】また、原料粉の平均粒径が0.7μm以下
の炭化タングステンを主成分とし、少量の炭化タンタル
などを含有する、真空下で1600〜1750℃の温度
で焼結されたバインダーレス焼結体が、特開平3ー11
5541号公報に開示されている。この焼結体は理論密
度比が99.5〜99.8%と幾分小さく、空孔が残存
しているため、抗折力がやはり155〜175kgf/
mm2 と低く、また長時間の真空焼結による炭化タング
ステンの粒成長のために、硬度も94.2〜94.8と
比較的低いという問題を有している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明においては、高
硬度で耐摩耗性に優れ、かつ高抗折力で折れにくい、実
質的に微細な炭化タングステンのみよりなる炭化タング
ステン焼結体を、良好な生産性で提供することを課題と
する。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の炭化タングステ
ン焼結体は、焼結体の成分が炭化タングステンおよび不
可避的不純物からなり、平均粒径が0.3μm〜2.0
μmで、理論密度比が99.9%以上である、放電活性
化加圧焼結法を用いて焼結したことを特徴とする。ま
た、焼結体の成分が98重量%以上の炭化タングステン
と、2重量%以下の炭化クロム及び炭化バナジウムと、
不可避的不純物とからなり、平均粒径が0.3〜1.0
μmで、理論密度比が99.9%以上である、放電活性
化加圧焼結法を用いて焼結したことを特徴とする。さら
に、焼結体の成分が98重量%以上の炭化タングステン
と、2重量%以下の炭化クロムと、不可避的不純物とか
らなり、平均粒径が0.3〜1.0μmで、理論密度比
が99.9%以上である、放電活性化加圧焼結法を用い
て焼結したことを特徴とし、焼結体の成分が98重量%
以上の炭化タングステンと、2重量%以下の炭化バナジ
ウムと、不可避的不純物とからなり、平均粒径が0.3
〜1.0μmで、理論密度比が99.9%以上である、
放電活性化加圧焼結法を用いて焼結したことを特徴とす
る。
【0006】
【作用】放電活性化加圧焼結法とは次のような焼結法で
ある。すなわち、空気中で炭化物粉体(成形体を含む)
に圧力を加えた状態で、極く低電圧の直流に低電圧の矩
形波の交流を重畳して短時間通電し、粉体間に放電を生
ぜしめて粉体表面の吸着ガスを蒸発させ、かつ酸化物皮
膜などの不純物を破壊し、酸化物のまま、もしくはたと
えばCOやCO2 などの気体として蒸発させて粉体表面
を清浄化、すなわち活性化させる。引き続き加圧しなが
ら直流電流の部分を徐々に上昇させて直接通電して粉体
を加熱し、拡散焼結、すなわち固体間焼結を行い、粉体
が収縮を停止する時点で数分間通電を保持した後、通電
を停止する。前段の清浄化段階で残存した一部の粉体表
面の酸化物などは、緻密化を進行させる昇温中において
も、鋸歯状波電流の通電による放電によって除去され、
オープンポアを通して排出される。
【0007】
【実施例】本発明を実施例を用いて詳細に説明する。図
1は、本発明の焼結体を製造する装置の一例を説明する
要部縦断面図である。図2は、図1の装置を用いて本発
明の焼結体を放電活性化加圧焼結法により製造する際
の、電圧及び電流と、焼結時間との関係の例を示す線図
である。WC原料粉とアセトンなどの溶媒からなるスラ
リーをボールミル、またはアトライターなどで十分混練
し、均質化した後乾燥させ、乾燥粉末1を作成する。W
Cの原料粉は、一般に超硬合金用として製造市販されて
いる。超硬合金の製造は液相焼結によって行われるた
め、焼結の際にWCの粒成長が起こりやすい。そのため
粒径の小さい超硬合金を作製するための、平均粒径が
1.0μm以下の市販のWC原料粉には通常、粒成長抑
制剤としての炭化クロム(以下Cr32という)、およ
び/または炭化バナジウム(以下VCという)が2重量
%以下含まれている。
【0008】本発明の焼結においては液相の出現を伴わ
ないため、焼結の際の粒成長はほとんど生じないが、粒
成長抑制剤としてのCr32、および/またはVCが2
重量%以下を含有するWC原料粉を用いることにより、
焼結の際の粒成長はほとんど完璧に抑制される。
【0009】図1に示すように、上記乾燥粉末1を型2
に大気雰囲気で充填し、対向する電極3によって一定の
圧力(たとえば約200〜1000kgf/cm2 )を
負荷した状態で、図2に示すような1〜50HZ の低周
波でかつ0.5〜2Vの低電圧の矩形波5を、20〜1
20秒間断続的にONーOFF通電して粉体間に放電を
生ぜしめ、粉体表面の吸着ガスや酸化皮膜などの不純物
を蒸発除去、またはCOやCO2 の気体として除去して
粉体表面を清浄化、すなわち活性化させる。その間に流
れる実効電流6は例えば30〜150A/cm2であ
る。
【0010】引き続いて一定圧力を加えながら、鋸歯状
波7(電圧:1〜6V、周波数:50〜400HZ )を
重畳した波形の直流電圧8を印加し、続いて電流制御に
より直流電圧8を段階的に上昇させる。それに伴い通電
電流9も段階的に上昇する。そして、粉体の収縮が止ま
った時点で1〜5分保持し、拡散焼結、すなわち固体間
焼結を行う。全焼結時間は通常5〜20分である。この
焼結時間は真空焼結法やHIP法に比べて格段に短い。
拡散焼結ではあるが、活性化処理により粉体表面は完全
に清浄化しているので、各粒子は界面に異物を介するこ
となく結合し、完全に一体化する。放電活性化加圧焼結
法による焼結は、液相の出現を伴わない固体焼結である
ため、原料粉の粒径と焼結体の粒径は実質的にほぼ同一
である。焼結体の炭化タングステン(以下WCという)
の平均粒径が2μm以下の場合は、高い抗折力の焼結体
を得ることができる。そのため、WCの平均粒径の上限
を2μmとした。抗折力の点からは平均粒径は小さい方
が好ましい。しかし0.3μmより小さいWCの原料粉
の入手が不可能であるため、粒径の下限を0.3μmと
した。また、放電活性化加圧焼結法用いて焼結すると理
論密度比が99.9%以上の実質的に無孔の焼結体が得
られる。この点からも、後述の実施例に示すように高い
抗折力(200〜240kgf/mm2 )の焼結体が得
られる。さらに、WCおよび不可避的不純物のみからな
り、CoやNiなどの硬度低下の原因となるバインダー
金属を含まないため、後述の実施例に示すように高い硬
度(HRA95.5以上)の焼結体が得られる。なお、こ
こでいう不可避的不純物とは、原料粉末を粉砕、および
混合する際に用いられるアトライターの容器、および攪
拌羽根や、ボールミルの容器、およびボールなどから持
ち込まれる原料粉以外の金属や炭化物を指す。
【0011】(実施例1)平均粒径1.5μmのWC原
料粉(WC:100重量%)とアセトンよりなるスラリ
ーを、攪拌羽根を備えるアトライターによって4時間十
分に混練、均質化した後、乾燥した。この乾燥粉末1を
図1に示す内径30mmの黒鉛の型2に大気雰囲気で充
填し、黒鉛よりなる一対の対向する電極3によって60
0kgf/cm2 の圧力を負荷しながら、電源制御装置
4によって図2に示すように、まず最初に低周波でかつ
低電圧の矩形波5を電極3に印加した。その後、鋸歯状
波7を重畳させた波形の直流電圧8を、図2に示すよう
に段階的に上昇させながら印加した。この時粉末1に
は、図2に示すようにまず実効電流6が流れた後、通電
電流9が段階的に上昇しながら流れた。このようにして
焼結時間約7.5分、最終温度1550℃で放電活性化
加圧焼結を実施した。 放電活性化加圧焼結の際の、活性化過程における矩形波
5の電圧は1V、周波数は30HZ であり、実効電流6
は700Aであった。焼結過程における、鋸歯状波7の
電圧は3〜6V、周波数300HZ であった。焼結過程
においては電流6を図2に示すように、1分毎に100
0Aずつ上昇させ、最後に5000Aで3分間通電し
た。それに応じて鋸歯状波7を重畳した波形の直流電圧
8も、図2に示すように階段的に上昇した。
【0012】得られた焼結体の平均粒径、理論密度比、
抗折力、硬度、摩耗体積(溶融アルミナ研削剤を用い、
噴射圧力:10kg/cm2 、噴射時間:15分のショ
ットブラストテストで評価)、および本発明の焼結体と
同一の原料粉をウォータジェット用のノズル形状の黒鉛
型に入れ、上記と同一の条件で放電活性化加圧焼結法に
より焼結し、ウォータージェット用のノズルを作製し、
摩耗試験(噴射圧力:3000kg/cm2 、研磨材:
ガーネットサンド、噴射時間:1分)による摩耗量を測
定した結果を表1および表2に示す。
【0013】(実施例2)平均粒径0.5μmのWC原
料粉(WC:99.5重量%、VC:0.5重量%)を
用いた以外は、実施例1と同様に焼結体を作製し、同様
にして諸特性を測定した。結果を表1および表2に示
す。 (実施例3)平均粒径0.5μmのWC原料粉(WC:
99重量%、VC:0.6重量%、Cr32:0.4重
量%)を用いた以外は、実施例1と同様に焼結体を作製
し、同様にして諸特性を測定した。結果を表1および表
2に示す。
【0014】(比較例1)実施例1と同一のWC原料粉
を用い、同一の条件で混練し乾燥した。この乾燥粉末を
通常のWCの製造方法を用いて、1700℃で真空焼結
した後、1600℃、1000気圧で熱間静水圧プレス
を施して焼結し、焼結体を得た。この焼結体の諸特性を
実施例1と同様にして測定した。結果を表1および表2
に示す。 (比較例2)実施例1と同一のWC粉に、焼結助剤とし
て平均粒径1.5μmの炭化チタン(TiC)を3重量
%添加したものを原料粉とした以外は実施例1と同様に
焼結体を作製し、同様にして諸特性を測定した。結果を
表1および表2に示す。
【0015】
【表1】
【0016】
【表2】
【0017】表1および表2より、本発明の焼結体は、
95.5(HRA)以上の高い硬度を有し、耐摩耗性に
優れており、抗折力も200kgf/cm2 以上の高い
値を示し、強度においても優れていることが分かる。本
発明は、以上の実施例によって制約されるものではな
く、たとえば、2重量%以下の炭化チタンおよび/また
は炭化タンタルおよび/または炭化モリブデンを含んで
もよい。また原料粉を混連する前に、微量の(好ましく
は0.1〜0.3重量%の)カーボン粉末を添加しても
よい。
【0018】
【発明の効果】本発明の、放電活性化加圧焼結法を用い
て焼結された炭化タングステン焼結体は、高硬度で耐摩
耗性に優れ、かつ高抗折力で折れにくいという優れた特
性を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の焼結体を製造する装置の一例を説明す
る要部縦断面図である。
【図2】図1の装置を用いて本発明の焼結体を放電活性
化加圧焼結法により製造する際の、電圧電流と焼結時間
との関係の例を示す線図である。
【符号の説明】 1 乾燥粉末 2 黒鉛の型 3 対抗電極 4 電源制御装置 5 矩形波 6 実行電流 7 鋸歯状波 8 直流電圧 9 通電電流

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 焼結体の成分が炭化タングステンおよび
    不可避的不純物からなり、平均粒径が0.3μm〜2.
    0μmで、理論密度比が99.9%以上である、放電活
    性化加圧焼結法を用いて焼結した、炭化タングステン焼
    結体。
  2. 【請求項2】 焼結体の成分が98重量%以上の炭化タ
    ングステンと、2重量%以下の炭化クロム及び炭化バナ
    ジウムと、不可避的不純物とからなり、平均粒径が0.
    3〜1.0μmで、理論密度比が99.9%以上であ
    る、放電活性化加圧焼結法を用いて焼結した、炭化タン
    グステン焼結体。
  3. 【請求項3】 焼結体の成分が98重量%以上の炭化タ
    ングステンと、2重量%以下の炭化クロムと、不可避的
    不純物とからなり、平均粒径が0.3〜1.0μmで、
    理論密度比が99.9%以上である、放電活性化加圧焼
    結法を用いて焼結した、炭化タングステン焼結体。
  4. 【請求項4】 焼結体の成分が98重量%以上の炭化タ
    ングステンと、2重量%以下の炭化バナジウムと、不可
    避的不純物とからなり、平均粒径が0.3〜1.0μm
    で、理論密度比が99.9%以上である、放電活性化加
    圧焼結法を用いて焼結した、炭化タングステン焼結体。
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