JPH09194909A - 複合材料およびその製造方法 - Google Patents

複合材料およびその製造方法

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JPH09194909A
JPH09194909A JP8281435A JP28143596A JPH09194909A JP H09194909 A JPH09194909 A JP H09194909A JP 8281435 A JP8281435 A JP 8281435A JP 28143596 A JP28143596 A JP 28143596A JP H09194909 A JPH09194909 A JP H09194909A
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孔文 有澤
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迪夫 大塚
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属製の基体の表面に焼結体を接合した複合
材料において、高温における接合強度が高く、複合材料
内の応力緩和を図り、強度・耐摩耗性・耐食性を改善す
る。 【解決手段】 焼結体は接合面に対して垂直方向に組成
の異なる積層構造を有し、この焼結体と基体との体積関
係が（基体の体積×0.2）≧（焼結体の体積／積層数）
で、各層の厚みが0.2mm以上５mm以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鋼などの基体の表
面に超硬合金など焼結体を接合した複合材料とその製造
方法に関するものである。特に、応力の緩和を図ること
ができる複合材料料とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】金属とセラミックスなど、線膨張係数の
差が大きい材料同士を接合する技術として以下のものが
知られている。
【０００３】(1) 特開昭52-50906号公報 Ｃｏ含有量の少ない切削用超硬合金を中炭素鋼に接合す
るのに、Ｃｏ含有量の多い耐衝撃用超硬合金を中間に介
して加熱・加圧し、コバルトの拡散により三者を一体に
接合する。
【０００４】(2) 特開昭53-1609 号公報 超硬合金と鋼などの母材との接合に際し、両者に対して
融合性のよい焼結用の粉末を両者間に配置し、通電加圧
により三者を一体に焼結接合する。
【０００５】(3) 特開平7-3306号公報 高硬度の超硬合金と鋼の間に接合用超硬合金を介在させ
る。この接合用超硬合金中における結合相の割合は高硬
度の超硬合金中のそれよりも10〜45重量％多い。
【０００６】(4) 特公平7-84352 号公報 金属とセラミックの間にそれら両成分よりなる傾斜混合
層を有する傾斜機能材を成形外枠と上下押し棒を用いて
通電焼結する。通電は加圧軸方向、すなわち一方の押し
棒から傾斜機能材を介して他方の押し棒へと行う。この
際、通電経路の一つとなる成形外枠の厚みを変えること
で傾斜組成に合わせた温度勾配を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記(1)〜(3) の技術
は、それぞれにその所期の目的を達成するが、実際の製
造に際しては各層の材質の相違や体積比などに起因する
複合材料内の応力の不均衡を生じ易い。その結果、耐久
性などの点で不十分であるという問題があった。
【０００８】また、(4) の技術では、上下押し棒の導電
率や成形外枠の断面積および成形外枠と上下押し棒のク
リアランス等の影響により優れた品質の傾斜機能材が得
難いという問題がある。特に、接合面積の大きな場合
は、通電する成形外枠が非常に大きくなり、大電力を要
すると共に型のコストも高くなる。さらに、成形外枠を
用いた焼結接合であるため、その形状によって複合材料
の形状が限られるという問題もある。
【０００９】なお、超硬合金と鋼との接合には古くより
ろう付け法も用いられているが、この技術には次のよう
な多くの問題が知られている。 高温環境下ではろう材の軟化により接合強度が低下す
る。 同様の理由によりろう付け後に鋼に熱処理を施すこと
ができない。 ろう付けは別工程で行われるので製造コストが割高と
なる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題を解
消するためのもので、基体と焼結体の体積比、積層構造
の焼結体における各層の厚み、材質、気孔率などについ
て種々の検討を行った結果なされたものである。
【００１１】本発明複合材料の特徴は、金属製の基体の
表面に焼結体を接合した複合材料において、この焼結体
は接合面に対して垂直方向に組成の異なる積層構造を有
し、この焼結体と基体との体積関係が（基体の体積×0.
2）≧（焼結体の体積／積層数）で、各層の厚みが0.2mm
以上５mm以下としたことにある。
【００１２】このような体積関係と各層の厚みとを規定
することで、各層における応力緩和を促進しつつ、耐
摩、耐食性を要する最上層の性能を大幅に向上させるこ
とができる。各層の厚みが0.2mm 未満では応力緩和効果
が小さく、５mmを越えると中央部の圧縮応力が大きくな
り過ぎて強度低下につながる。焼結体の積層構造は多層
（特に、３層以上）である方が応力緩和に効果的であ
る。
【００１３】ここで、焼結体は超硬合金、サーメット、
セラミックスおよびステライトから選ばれる少なくとも
一種であることが好ましい。特に、焼結体は結合相の金
属中に硬質相粒子を分散して保持した構造であることが
好適である。結合相金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，
Ｃｒなどが挙げられる。硬質相としては、難融性の金属
化合物、すなわち炭化物、酸化物、ホウ化物、窒化物な
どのセラミックが挙げられる。
【００１４】また、本発明複合材料は上記「体積関係と
各層の厚みの限定」に加えて次の各構成を単独で、また
は複合して具えることを特徴とする。
【００１５】(1) 結合相量は、焼結体の各層のうち、基
体と接する第１層の結合相量が最も多い。第一層は基体
との応力緩和を担う層であることから、結合相量を多く
して、焼結性の向上を図るためである。
【００１６】(2) 焼結体の各層の少なくとも１層におい
て、その中心部から外周に向かうに伴って結合相量が増
加する。この構成も基体との応力緩和を図ることに寄与
する。
【００１７】(3) 焼結体の各層のうち、接合面から第ｎ
層および第n+1 層における結合相量ＸｎおよびＸn+1 が
重量比でＸn −20≧Ｘn+1 ≧Ｘn −５の関係にある。結
合相量Ｘn+1 が、Ｘｎ−20を越えると各層間の応力が大
きくなりすぎるので強度が低下し、Ｘｎ−５より小さい
と応力緩和の効果が小さい。
【００１８】(4) - 焼結体の結合相の主成分がＦｅ、
Ｃｏ、Ｎｉからなり、（Ｃｏ＋Ｆｅ）／Ｎｉの重量比が
基体と接する第１層で最も多く、（Ｃｏ＋Ｆｅ）／Ｎｉ
の重量比が上層ほど少ない。(4) - 焼結体の結合相の
主成分がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなり、Ｆｅ／（Ｃｏ＋Ｎ
ｉ）の比率が基体と接する第１層で最も多く、Ｆｅ／
（Ｃｏ＋Ｎｉ）の重量比が上層ほど少ない。超硬合金
中、接合界面付近は応力緩和と強度のみを担う層である
ことから、結合相量を多くして焼結性を向上することが
必要である。そのためＣｏ、Ｆｅの比率、特にＦｅ比率
をあげることは、低温での焼結性を高め、鋼側の劣化を
抑さえると共に安価でもあるという効果がある。
【００１９】(5) 焼結体の各層のうち、基体と接する第
１層に大きさが25μm未満の気孔を有し、この層の気孔
率が0.6vol％を越え、最上層の気孔率が0.2vol％以下と
する。特に、気孔の大きさは10μm以下が好ましい。こ
のように限定したのは、上層部での気孔の大きさ及び気
孔率が大きいと耐摩耗性の劣化につながるためである。
このような構成は上層ほど焼結温度が高い傾斜温度場に
より製作される。そして、その場合、結合相の液相出現
温度を下層ほど低くすることができ、各層の液相出現温
度をずらすことができる。その結果、各層間の界面付近
で結合相の移動が起こり、組成の変化を連続的にするこ
とで応力緩和に寄与する。
【００２０】(6) 焼結体の各層のうち、基体から第ｎ層
におけるカーボン量をＣｎとしたとき、下記に示すＺｎ
の値が下層ほど大きい。 Ｚｎ＝（Ｃｎ−ｂｎ）／（ａｎ−ｂｎ） ａｎ：第ｎ層の組成においてフリーカーボンが析出する
カーボン値の下限 ｂｎ：第ｎ層の組成においてη相が析出するカーボン値
の上限 各層のＺｎの差により、結合相の液相出現温度に差が生
じ、焼結初期に各層間で結合相の移動が生じるため、上
層部ほどＺｎの値を小さくすることで焼結体の厚さ方向
への硬度の変化を円滑にし、上層部の硬度化を実現して
いる。
【００２１】(7) 焼結体の各層のうち、基体と接する第
１層にフリーカーボンの析出がみられる。
【００２２】(8) - 焼結体の各層のうち、基体と接す
る第１層の破壊靱性が10MPa・m1/2以上で、最上層の硬度
が1500／Ｈｖ以上である。この限定により、靱性と硬度
とを兼ね具え、基体との応力が緩和された複合材料が得
られる。(8)-さらに、焼結体の各層の中央部において
圧縮残留応力σを有し、その大きさが 0.1≦σ≦1.0GPa
である。超硬合金中の残留応力については、それを 0.1
GPa 以上有することにより各層の合金強度を向上させる
効果があるが、 1.0GPa をこえると圧縮応力が大きすぎ
て、逆に圧縮による破壊が生じ易くなる。
【００２３】(9)-焼結体の各層のうち少なくとも１層
において、接合面に対して平行な方向に組成の異なる領
域を有する。(9)-焼結体の各層のうち少なくとも１層
にスリットが形成されている。接合面に対して平行な方
向に組成の異なる領域やスリットを設けることで基体と
焼結体の応力を緩和することができる。
【００２４】(10)焼結体がＷＣ基超硬合金の場合、焼結
体の各層の少なくとも１層において、その中心部から外
周に向かうに伴ってＷＣの粒度が細かい。この構成によ
っても応力緩和を図ることができる。
【００２５】(11)焼結体がＷＣ基超硬合金の場合、硬質
相であるＷＣの粒度が上層ほど細かく、各層のうち基体
と接する第１層のＷＣの平均粒度が４μm以上で、最上
層のＷＣの平均粒度が２μm以下である。ＷＣ粒度は、
下層のそれを大きくすることにより亀裂伝播抵抗を大と
して強度を向上させ、上層のそれを小とすることにより
耐摩耗性の向上と、結合相のミーンフリーパスを小さく
できる効果により耐食性を向上させる。
【００２６】(12)基体と接する第１層における硬質相が
Ｔｉを金属主成分とする4a、5a、6a族金属の炭化物、窒
化物および炭窒化物の少なくとも一種のＢ１型結晶を含
みむ場合、以下のいずれかの構成とすることが望まし
い。いずれの構成によっても基体と焼結体との応力を緩
和することができる。
【００２７】焼結体における各層のＢ１型結晶の量が
上層に向かうほど少ない。 接合面から第ｎ層および第n+1 層におけるＢ１型結晶
の量Ｙn およびＹn+1がＹn −40≧Ｙn+1 ≧Ｙn −10の
関係にある。Ｙn+1 が、Ｙｎ−40を越えると各層間の応
力が大きくなりすぎるので強度が低下し、Ｙｎ−10より
小さいと応力緩和の効果が小さい。 焼結体の各層のうち少なくとも１層において、その中
心部から外周に向かうに伴ってＢ１型結晶の量が増加し
ている。
【００２８】本発明複合材料の他の特徴は、金属製の基
体の表面に焼結体を接合した複合材料において、焼結体
が硬質相としてＷＣを含む場合、ＷＣの粒度や分布など
に関し、次の構成を具えることにある。以下の構成のみ
で効果的であるのはもちろん、上述した「体積関係と各
層の厚みなどの限定」と組み合わせてもよい。
【００２９】(1) 焼結体の最上層において、ＷＣの平均
粒度を４μm以上とする。都市開発工具や鉱山工具にお
いては、焼結体の最上層に粒度の粗いＷＣ粒子を用いる
ことにより土砂摩耗性能や耐衝撃性能の向上がみられ、
大幅な寿命向上が得られる。ＷＣの粒度が細かいと、こ
のような分野での使用はＷＣ粒子の脱落を起こしながら
摩耗するため性能向上が見込めない。また、ＷＣ粒度が
粗いことで、衝撃により亀裂が入ったときの進展抵抗が
向上するため、耐衝撃特性も向上する。
【００３０】(2) 焼結体の最上層において、ＷＣの粒度
分布が２つのピークを持ち、粗粒側のピークが４μm以
上で、細粒側のピークが２μm以下である。粒度分布に
２つのピークを持つＷＣを用いることにより、最上層に
おける強度を保ちながらその高硬度化が可能となる。
【００３１】(3) 焼結体の最上層に多角形のＷＣ粒子を
含み、それ以外の少なくとも１層に丸みを帯びたＷＣ粒
子を含む。ＷＣと基体（鋼など）との接合は、原料粉末
の積層状態を維持し、鋼の溶解を防ぐため、なるべく短
時間、低温で行うことが好ましい。そのため、ＷＣはほ
とんど粒成長しておらず、原料粉末の混合・粉砕時の形
状を保って丸みを帯びている。しかし、ＷＣの強度は焼
結中に結合相金属中に溶解析出することにより成長した
多角形のものの方がはるかに大きい。そこで、通電加圧
焼結により数分以内の短時間で焼結を行う。この際、焼
結体の原料部材表面側のみを高温（例えば1500℃以上）
とすることで、焼結体の最上層のみ粒成長を起こさせ、
ＷＣ粒子を多角形にすることができる。原料部材の表面
側のみを高温にするには、昇温速度10分以内と早く（昇
温時の電流値を高く）したり、原料部材表面に接するパ
ンチ（ヒータ）を高抵抗の材質または形状としたりする
ことが挙げられる。
【００３２】また、本発明複合材料の他の特徴は、金属
製の基体の表面にＷＣ基超硬合金を接合した複合材料に
おいて、ＷＣ基超硬合金における最上層の表面から10な
いし1000μmの第一の領域において結合相量が５wt％以
下であり、この第一の領域の直下から500μm 以内の第
二の領域において第一の領域に比べて結合相量が増加
し、極値を有することにある。耐摩耗性向上には、上層
ほど結合相が少なく、下層ほど多い方が好ましい。しか
し、最上層での結合相量が５wt％以下の場合には、この
部分での強度不足を生じることもある。そのため、結合
相が少ない第一の領域の直下に結合相を富化した第二の
領域を設けることが有効である。これにより、表層部で
生じた亀裂が内部方向に伝播するのを阻止できるため、
強度を向上することができる。
【００３３】さらに、本発明複合材料の他の特徴は、円
筒状の基体の外周面および内周面の少なくとも一方に焼
結体が焼結接合されてなることにある。後述するよう
に、加熱・加圧機構を焼結体の原料部材に対して相対的
に移動させることで、円筒面の外周や内周などの三次元
形状の基体に焼結体を焼結接合することができる。
【００３４】上記の複合材料の製造に好適な本発明の製
造方法は、金属製の基体の表面に、基体とは線膨張係数
の異なる焼結体の原料部材を配置し、加熱機構によりこ
の原料部材の表面側から加熱すると共に加圧機構により
圧力を加え、原料粉末を焼結して基体と接合することを
特徴とする。原料部材の表面側から加熱することで、表
面側が高温に、接合面側が低温となる温度勾配を形成す
ることができる。加熱・加圧手段は原料を焼結できる温
度・圧力が得られるものであれば何でもよい。例えば、
加熱手段には通電、高周波、またはマイクロ波など種々
の加熱方法が利用できる。
【００３５】ここで、焼結体は超硬合金、サーメット、
セラミックスおよびステライトから選ばれる少なくとも
一つであることが望ましい。
【００３６】原料部材としては、粉末、予めプレスした
型押し体、予備焼結体、これらの積層体のいずれかが挙
げられる。
【００３７】また、加熱・加圧機構を焼結体の原料部材
に対して相対的に移動させ、加熱・加圧機構の原料部材
への作用面積よりも大きい面積の焼結体を基体に接合す
ることを特徴とする。これにより、加熱・加圧機構の原
料部材への作用面積よりも大きい面積の焼結体、特に、
円筒形などの三次元形状を有する複合材料を得ることが
できる。
【００３８】加熱機構の一例としては焼結体の原料部材
表面に載置されるヒータが挙げられる。焼結はこのヒー
タに通電して行えばよい。加圧機構はこのヒータを原料
部材に押圧すればよい。
【００３９】加圧機構にヒータを用いた場合、このヒー
タに成形型の機能を持たせることが好ましい。すなわ
ち、ヒータを成形型の形状とするのである。これによ
り、成形型を用いることなく焼結体と基体を焼結接合す
ることができる。
【００４０】加熱機構は原料部材の外周部付近を加熱す
る外部ヒータも有することが好適である。例えば、原料
部材の外周を取り囲む枠状または環状の外部ヒータを用
いればよい。これにより、原料部材外周部の温度低下を
抑制することができる。さらに、加圧機構は原料部材の
外周部側面も加圧するように構成すれば、原料部材外周
側面の加熱と加圧を行うことができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （複合材料の構成）図１は本発明複合材料の一例の縦断
面図である。同図において、鋼などの基体１の上には焼
結接合された積層構造の焼結体２が位置している。焼結
体２の各層2A、2B、2Cのそれぞれの線膨張係数をαA 、
αB 、αC 、焼結温度をＴSA、ＴSB、ＴSC、融点を
ＴMA、ＴMB、ＴMCとし、基体１の線膨張係数をαM 、焼
結温度をＴSM、融点をＴMMとするとき、これらは次の関
係にある。 αM−αA＞αM−αB＞αM−αC ＴSM−ＴSA＞ＴSM−ＴSB＞ＴSM−ＴSC ＴMM−ＴMA＞ＴMM−ＴMB＞ＴMM−ＴMC
【００４２】図２は本発明の複合材料の他の具体例の縦
断面図である。この複合材料では基体１の上に傾斜組成
を有する焼結体３が接合されている。すなわち、基体１
と焼結体２の線膨張係数は接合面から焼結体表面に向か
うに伴って小さくなり（図３参照）、焼結温度は高くな
る関係（図４参照）にある。
【００４３】（複合材料の製造装置）図５（Ａ）は本発
明の複合材料を製造する装置の縦断面図である。基体１
の表面に焼結体の原料部材４を配置し、これら試料が上
下部の加圧ラム５，６の間に配置されている。原料部材
４の上面と上部加圧ラム５の間には下から順に、ヒータ
７（高強度黒鉛）、絶縁プレート8A（高強度Si3N4 ）、
断熱プレート９（SUS304) および冷却ラム10A が介在さ
れている。一方、基体１の下面と下部加圧ラム６の間に
は上から順に、絶縁プレート8Bおよび冷却ラム10B が介
在されている。また、各冷却ラム10A,10B には冷却水が
流通される。そして、加熱電源11によりリード線12を介
してヒータ７に通電し、原料部材４を高温加熱すると共
に、上下部加圧ラム５，６の圧縮によりヒータ７を原料
部材４に押圧して原料部材４を基体１に焼結接合する。
焼結を行う際、原料部材４のヒータ７と接触する面にＢ
Ｎスプレーを塗布したり、カーボンシートを挿入してお
くことが好ましい。原料部材４との反応によるヒータ７
の損傷防止と、試料とヒータ７の分離を容易にするため
である。ＢＮスプレーとカーボンシートは試料の形状に
よって適宜使い分ければよい。なお、図示していない
が、少なくとも試料（基体と原料部材）は真空容器内に
収納されている。
【００４５】この具体例においては、ヒータの加熱を通
電加熱によって行ったものを示したが、加熱方法は通電
加熱によるものに限られるものではなく、誘導加熱でも
マイクロ波加熱など他の手段によることもできる。
【００４６】なお、図５（Ｂ）に示すように、ヒータ７
の周辺部の温度低下を防ぎ加熱効率の向上をはかるた
め、原料部材４の外周部に枠状の外部ヒータ13を設置し
てもよい。
【００４７】図６（Ａ）は本発明複合材料の製造装置の
他の具体例の縦断面図である。この具体例はヒータ７に
成形型の機能をもたせている。すなわち、ヒータ７自体
が成形型の形状をしているのである。ここでは、上面の
周縁部を面取りした円筒状の焼結体に対応した形状とし
た。ヒータ７による通電加熱と上下部加圧ラム５，６の
加圧により原料部材４を焼結して基体１の表面に接合す
る。なお、図６において、図５と同一符号は同一部位を
表している。
【００４８】また、図６（Ｂ）に示すように、ヒータ７
の成形型機能を上部と側面からの加圧に機能を分離し、
さらに側面からの加熱機能を付加してもよい。つまり、
基体と原料部材の接合部の周囲に側面ヒータ20A,20B,20
C,20D および側面加圧ラム21A,21B,21C,21D を設ける。
【００４９】さらに、図５，６とは異なる構成の製造装
置を図７，８に示す。これらは、加熱・加圧機構が試料
に対して相対的に移動する。この構成により、加熱・加
圧機構が試料に作用する面積よりも大きい複合材料を製
造することができる。特に、、円筒（柱）等の三次元形
状の基体に焼結体を接合するのに好適である。もちろ
ん、ヒータの形状を焼結体の形状と対応させておく。な
お、図７，８において、図５と同一符号は同一部位を表
している。
【００５０】図７は円筒（柱）状基体１の外周面に原料
部材４を焼結して接合する装置を示す。円筒状の基体１
の外周にはヒータ７が配置されている。ここで、基体外
周面に傾斜組成を有する原料部材４を配置し、基体１を
回転させながらヒータ７で加熱・加圧を行うことで基体
１の外周全面に焼結体を焼結接合することができる。
【００５１】図８は円筒状基体１の内周面に原料部材４
を焼結して接合する装置を示す。円筒状基体１の内周に
はヒータ７が配置され、基体の両端開口から突出したヒ
ータ７の両端部に上部加圧ラム５が連結されている。こ
こで、基体１の内周面に原料部材１を配置し、基体１を
回転させながらヒータ７で加熱・加圧を行えば、円筒状
基体１の内周面に焼結体を接合することができる。
【００５２】＜試験例１＞焼結体の原料として、Ａｌ2
Ｏ3 粉末（平均粒径0.5μm ）、ＺｒＯ2粉末（平均粒径
0.5μm ）、ＴｉＣ粉末（平均粒径１μm）、ＴｉＮ粉末
（平均粒径１μm）、Ｃｒ3 Ｃ2粉末（平均粒径１μ
m）、Ｍｏ2 Ｃ粉末（平均粒径１μm）、ＷＣ粉末（平均
粒径２μm）、Ｃｏ粉末（平均粒径４μm）、Ｎｉ粉末
（平均粒径１μm）、ステンレス鋼粉末（SUS 304 ／平
均粒径10μm）を表１の試料 No.１〜３に示す組成に秤
量後、回転式ボールミルにより15時間湿式混合したのち
乾燥した。
【００５３】
【表１】
【００５４】上記試料 No.１，２の混合粉末を用い、次
のようにプレス積層体を作製した。基体（50mm2 ×30mm
ｔの鋼：SS41）の表面に各組成の粉末を配置し、成形型
を用いて３層構造の予備成形体を形成した。まず第１層
（基体との接合面側）を10kg/cm2の加圧力で２mmの厚さ
に加圧成形し、引続き同様の手順で第２層、第３層と順
次２mmずつの厚さに積層した。
【００５５】試料 No.４を用いた積層体の作製は次のよ
うに行った。まず、ＺｒＯ2粉末およびステンレス鋼粉
末の各々をエチルアルコールを溶剤としてスラリーとし
た。これらのスラリーを各粉末の混合比を微小に変化さ
せながらスプレー噴射し、基体（50mm2×30mmｔのステ
ンレス鋼：SUS 304)の表面に50層の積層体を形成した。
これにより、ステンレス鋼100％からＺｒＯ2 100 ％ま
で組成が厚さ方向に実質的に連続変化する積層体を得る
ことができる。最上層には100％ＺｒＯ2 を１mm積み、
計６mm厚さの積層体とした。この積層体を形成すると
き、スラリーは加熱したステンレス基体にスプレー塗布
された際、直ちに乾燥を終了する。
【００５６】次に、上記 No.１，２，４を用いた積層体
を図５（Ａ）に示す装置にセッし、10-3Torr以下に真空
排気した後、上下から試料を400kg/cm2の圧力に加圧し
た。この圧力を維持しつつ、ヒータを２分間で1350℃ま
で急速昇温し、焼結体の収縮が止まってから１分間保持
した。その後、加圧を維持しながらＮ2ガスでリークし
て降温し、３分間で400℃まで降温後、除荷して装置か
ら試料を取出した。降温時には下部冷却ラムの冷却水の
流量を増大させて、冷却能を向上させた。
【００５７】得られた複合材料は、試料 No.１，２，４
のいずれも反りやひび割れ等の外観上の欠陥はなく、切
断面を研摩観察したところ、内部にも割れや空隙はなく
十分緻密化していた。
【００５８】また、試料 No.１，２は３層積層した初期
の構造が維持できており、表面硬度は表面がセラミック
スの試料No.1ではＨV2500と従来法により焼結成形した
場合よりも300程度高い値が得られた。表面がサーメッ
トの試料No.2はＨV が1750で、第３層のみを通常の焼結
法により焼結した場合よりも200程度高い値が得られ
た。
【００５９】さらに、試料 No.４は傾斜積層を50層積層
したので、試料 No.１，２のような段階的ではなく、実
質的には連続傾斜構造が実現できた。表面の100 ％Ｚｒ
Ｏ2の硬度はＨV が1400で、通常の焼結法の場合よりも
１割程度硬度が上昇した。
【００６０】＜試験例２＞次に、図６（Ａ）の装置を用
い、表１の試料 No.３を用いて複合材料を作製した。用
いた基体は鋼製で、厚さ50mmｔ、底面径φ50mm、上面径
φ35mm、上面周縁部に7.5mm の面取りがしてある。表１
の試料No.3の粉末をこの基体上面に配置し、成形型を用
いて加圧力20kg/cm2で、３層目を1.5mm、２層目を3.5m
m、１層目を１mmの厚さに圧粉成形した積層体を作製し
た。この際、試料のヒータとの接触面にはＢＮスプレー
を塗布した。
【００６１】上記積層体を図６（Ａ）の装置にセット
し、上下から積層体を加圧して500kg/cm2の圧力を加え
た。この圧力を維持しつつ大気中でヒータを１分間で13
80℃まで急速加熱し、焼結部分の収縮が止まってから30
秒間保持した。1380℃での保持時間は1.5分間であっ
た。その後、加圧を維持しながら降温し、２分間で500
℃まで降温後、除荷して装置から試料を取出した。
【００６２】得られた複合材料はそりや接合部およびび
面取り部でのひび割れ等の外観上の欠陥は認められず、
切断面を研摩観察したところ、内部にも割れや空隙はな
く、十分緻密化して完全に焼結接合されていた。また、
超硬合金のＣｏ結合相の移動もなく、初期の組成が維持
できていることが確認された。
【００６３】＜試験例３＞次に、ドリルビットを試作し
て掘削試験を行った。このドリルビットは、図９に示す
ように、鋼(S45C 材) の基体１の表面に積層構造の焼結
体２を接合したものである。全体形状はほぼ円筒状で、
接合面30および焼結体表面は球面状に形成されている。
表２に焼結体の原料粉末の配合割合を、表３に焼結体の
積層順、各層の厚み及び鋼との体積比を示す。各原料配
合がほぼ焼結体各層の組成となる。なお、これら粉末の
平均粒度は３μm程度のものを用いた。
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】ドリルビットの製造手順は次の通りであ
る。まず、基体１をカーボン型（図示せず）に入れ、そ
の基体の球面状端面２の上に第１層の粉末（表３参照）
を充填して予備プレスする。さらにその上に第２層の粉
末を充填して再び予備プレスする。第３層を有するもの
はこれをもう一度繰り返す。場合によっては、各粉末を
予め積層充填し、一挙に予備プレスすることも可能であ
る。
【００６７】このプレス積層体を図１０に示す加熱加圧
装置にセットして、圧力 300kg／cm2 、電流 2000 Ａ、
温度1380℃、保持時間２分で焼結した。この加熱加圧装
置は図６（Ａ）の装置とほぼ同様の構成で、基体１上の
原料部材４の形状に対応したヒータ７（黒鉛）を具え、
このヒータ７を上部加圧ラム５，６で基体側へ押圧しな
がらプレス積層体を加熱する。焼結は加熱電源（ＤＣ）
よりヒータ７に通電して行われる。ヒータ７の温度制御
は熱電対25を用いて行う。また、基体１の底面は空冷さ
れている。
【００６８】実施例として試料 No.５から12までを、比
較例として試料 No.ａからｅまでを試作し、同一条件で
掘削試験を行った結果も表２に示す。焼結体と鋼の体積
の関係が鋼の体積× 0.2≧超硬合金の体積／積層数であ
り、かつ各層の厚みが 0.2mm以上５mm以下である実施例
はいずれも比較例に比べて寿命が飛躍的に向上してい
る。
【００６９】＜試験例４＞基体として鋼(S53C 材) を用
い、これに焼結体を接合した耐食用バルブを試作し、海
水中で 500時間使用後の腐食深さを観察して評価した。
焼結体の積層順、各層の厚み、鋼との体積比および試験
の結果は表４に示す通りとした。なお、耐食用バルブの
製造条件は試験例４と同一とした。
【００７０】
【表４】
【００７１】試験例３と同様に、実施例（試料 No.13か
ら15）は比較例（試料 No.ｆからｈ）ものより秀れた耐
食性を有していた。
【００７２】＜試験例５＞試験例３における試料 No.
６，11及び試験例４における試料 No.14と同じ組成，構
造で、製造条件を下記のように変更したものを試料 No.
6'、11' 、14' として表５に示した。
【００７３】
【表５】
【００７４】変更した点は、加圧焼結時の基体の冷却を
空冷から水冷としたことである。即ち、基体の底部を水
冷ジャケットで囲んで冷却効率を上げた。用いた冷却水
の温度は30℃で、これにより焼結体における基体側の温
度が約30℃低下し、気孔率が0.6vol％をこえる第１層が
形成できた。このとき第２層目以降はほぼ完全に焼結さ
れており、気孔率は0.2vol％以下であった。
【００７５】さらに冷却水の温度を10℃に下げ、同様の
方法で試料 No.ｉを作製した。この試料 No.ｉの第１層
の気孔率は0.6vol％を越えており、最上層における気孔
率も0.4vol％であった。これらの試料を用いて試験例３
と同様な掘削試験を行なった結果も表６に示す。
【００７６】焼結体の接合面付近に気孔を有する実施例
は、応力緩和効果、亀裂のネッキング効果により強度が
向上され長寿命となり、そうでない比較例は向上が見ら
れない。なお、上層で気孔を多く含有すると、耐摩耗性
の劣化につながるので、最外層においては0.2vol％以下
にする必要がある。
【００７６】＜試験例６＞基体としてＳＫＤ11材を用
い、これに積層構造の焼結体を接合した鍛造用パンチ束
材（試料 No.17から23）を下記の条件で作製した。ま
た、比較例として焼結体を基体に銀ろう付けした試料 N
o.ｊも作製した。焼結体の積層順、各層のＺｎ値（第１
層から順にＺ1 ，Ｚ2 …）は表６に示す。 構 成：鋼体積×0.2 ／焼結体体積／積層数＝1.0 各層の厚みは１mm。 製造法：予備プレスは試験例３と同様。焼結条件は次の
点を除き試験例３と同様。焼結温度1400℃、保持時間１
分、電流3000Ａ、圧力 500kg／cm2
【００７７】
【表６】
【００７８】各作製試料をパンチとして、S45Cの鋼材を
材料温度 800℃で400tonにて熱間鍛造した。寿命に至る
までの鍛造箇数も表６に示す。実施例は比較例に比べて
飛躍的に寿命が増大していることがわかる。
【００７９】ここで、試料 No.17と18の複合材料におけ
る焼結体の硬度を図１１に示す。No.18 ではＺｎの差に
より、各層の結合相の液相出現温度に差が生じ、焼結初
期に各層間での結合相の移動が生じる。その結果、 No.
18はＺｎの差がない No.11に比べて各層間の硬度の変化
が円滑な構造となっている。
【００８０】＜試験例７＞試験例６の試料 No.17から23
では鍛造により焼結体の一部にヒビが発生したことか
ら、同一構成において第１層のＺ1 の値のみを1.05（フ
リーカーボン析出）にかえたものを製作し、同様の鍛造
試験を行った。その結果、試験例６と同数の鍛造箇数に
おいても、ヒビ割れの発生が見られなかった。
【００８１】＜実施例８＞試験例６の試料 No.17、18、
23について、ヒビ割れの解消と耐摩耗性向上の目的で、
第１層目のＷＣ粒子を５〜６μmに変え、最上層のＷＣ
粒子を 1.5μmに変えたものを製作した。このものを試
験例６と同数の鍛造箇数試用したところ、ヒビ割れは発
生せず、摩耗量も約１／２に減少していた。また、これ
らの各層の硬度と破壊靱性を測定したところ、第１層で
は破壊靱性＝10〜13MPa ・ｍ1/2 、最上層の硬度は1500
〜1700kg／mm2 （Ｈｖ）であった。
【００８２】＜試験例９＞試験例６の試料 No.17〜23と
同じ積層順で、各層の厚みを２mmとした構成の複合材料
を作製し、これらを試料 No.24〜30とした。なお、製造
方法、試用方法は試験例３と同様とした。（鋼体積×0.
2 ）／（焼結体体積／積層数）は1.0 である。各試料に
おける焼結体の圧縮応力および掘削使用におけるドリル
ビットの寿命を表６に示す。試料 No.24〜30の寿命は試
験例３の結果より増大されていることが明らかである。
【００８３】
【表７】
【００８４】＜試験例１０＞試験例３の各試料を用い、
焼結体にスリットを有するビットと、スリットの代わり
に組成の不連続領域を有するビットとを作製した。
【００８５】前者は予備プレス後、そのプレス積層体を
中間焼結し、この中間焼結体に切削加工を施して図１２
に示すような同心円状のスリット40を設けた後、加熱焼
結して作製する。または、予備プレスの粉末充填時にス
リット40に対応する形のカーボンリングを用い、その箇
所のみ粉末の充填を排除したプレス積層体を焼結して作
製する。スリットの大きさは、プレス積層体の外径が45
mmの場合、スリット内径30mm、幅5mm である。
【００８６】後者は予備プレスのパンチ形状の選択やカ
ーボンリングなどの補助具の使用により作製する。ま
ず、第１層の原料粉末の充填時に不連続領域に対応する
形のカーボンリングを配置する。次に、カーボンリング
に対応する凹部を有するパンチで予備プレスした後、カ
ーボンリングを抜き出して第１層に溝を有するプレス積
層体を作製する。この溝に第２層の組成の粉末を充填し
て予備プレスし、不連続領域を形成する。この不連続領
域の上にカーボンリングを配置し、同様に溝を有する第
２層を形成する。第２層の溝を含めて第３層の組成の粉
末を充填して予備プレスする。即ち、図１３に示すよう
に、第１層の溝45には第２層の組成粉末が入り込み、第
２層の溝46には第３層の組成粉末入り込み、第３層はそ
の部分のみ厚くなった断面構造を有するプレス積層体を
得る。そして、このプレス積層体を加熱焼結すればよ
い。
【００８７】このように、焼結体にスリットまたは接合
面に平行な方向に組成の不連続な領域領域を設けたもの
は、試験例３において見られた焼結体の割れはほとんど
なく、いずれも試験例３よりも寿命の増大がみられた。
【００８８】これは、応力緩和の効果がさらに均質化さ
れ、積層構造のもつ特性がバランスよく発揮されるため
と考えられる。そして、この効果は積層構造を構成する
各層のうち１つでも設けることにより生じる。また、ス
リット（不連続領域）の形状は同心円状に限らず、例え
ば図１４に示すように、格子状のスリット50など他の形
状によっても期待できる。特に、大径の焼結体などにお
いてはスリットと不連続領域を共に設けることも可能で
ある。
【００８９】なお、上記試験例においては、図１０に示
すように、焼結時の通電は加圧方向とは異なる方向に行
ったが、この方法によれば焼結体から基体にかけて容易
に焼結体表面側が高温で、反対側が低温の温度勾配を形
成することができる。なお、加圧軸と通電方向が同一の
従来方法（特公平7-84352 号公報など参照）を改良し、
焼結体の表面（上層）側から加熱して温度勾配を形成す
るには、次のような構成が考えられる。
【００９０】焼結体表面に接する上押し棒の電気抵抗
を基体と接する下押し棒のそれよりも大きい材質で構成
する。 上押し棒の焼結体との接触面側を電気抵抗が大きい材
質で構成する。 上押し棒を焼結体との接触面側がその反対側よりも電
気抵抗が大きい形状（上押し棒を長くするとかその断面
小さくする等）とする。
【００９１】＜試験例１１＞都市開発工具で損傷が激し
い箇所に貼着する耐摩プレート（基体上に超硬合金を接
合）を図５（Ａ）と同様の装置により作製した。耐摩プ
レートの構造と製造条件は次の通りである。
【００９２】 構 造 基 体：鋼(SS41) 焼結体：３層構造の超硬合金 各層の厚み＝1mm （基体の体積×0.2）≧（焼結体の体積／積層数）＝2.0
【００９３】 製造方法 通電加熱焼結 圧力：300kg ／cm2 電流：3000Ａ 温度：1360℃ 昇温時間：６分 保持時間：２分 冷却時間：１０分
【００９４】使用した超硬合金の組成，ＷＣ粒径を表８
に、超硬合金の積層パターンを表９に示す。なお、表８
における組成No. α4 はＷＣの粒度分布に２つのピーク
（1.5μm と5.0μm)をもつ。これは、平均粒径1.5μm
のＷＣと同5.0μm のＷＣとを混合して得た。そして、
作製したプレートにアルミナ砥粒（平均粒径0.5mm ）を
１０分間噴射し、厚さの減少量を測定した（土砂摩耗テ
スト）。その結果も表９に示す。
【００９５】
【表８】
【００９６】
【表９】
【００９７】実施例は比較例に比べて優れた土砂摩耗特
性を示した。試料 No.41に比べＷＣ粒度の粗い試料 No.
42,43 はより良い結果となっている。これはＷＣの粗粒
化によりＷＣ粒の脱落による摩耗が減少したからと考え
られる。さらに、ＷＣの粒度に２つのピークをもつ試料
No.44は一層よい結果が得られた。これは上記粗粒化に
加え、微粒ＷＣも混在させることにより硬度が向上した
ためと考えられる。
【００９８】＜試験例１２＞さらに、試料 No.45,46 の
耐摩プレートを作製した。試料 No.45はヒータの断面積
のみを試験例１１のときの２／３とすることでその温度
を1550℃まで上げ作製した。他の条件は試験例１１の試
料 No.41と同様である。これにより、最上層（α1′
層）におけるＷＣの平均粒度は焼結中に4μmまで成長し
ており、この層のＷＣ粒のみ多角形となっていた。他の
層におけるＷＣは丸みを帯びた形状となっていた。多角
形のＷＣ粒子をが見られる第３層の断面顕微鏡写真を図
１５に示す。図中の黒い部分が気孔、白い部分が結合
相、灰色の分散片がＷＣ粒子である。丸みを帯びたＷＣ
粒子が見られる他の層の断面顕微鏡写真を図１６に示
す。図中の白い部分が結合相、灰色の分散片がＷＣ粒子
である。
【００９９】試料 No.46の作製は、まず組成No. α1 の
粉末を通常の焼結法（1400℃，１時間，真空中）で別途
焼結し、得られた焼結体の表面を研削しておく。一方、
基体上には組成No. γ，βの粉末を順に積層する。そし
て、この組成No. βの粉末の上に組成No. α1 の焼結体
を積層し、後は試験例１１と同様の方法により作製し
た。これにより、最上層（α1′′ 層）のＷＣの平均粒
度は4.5μm まで成長しており、この部分のＷＣ粒のみ
多角形となっていた。
【０１００】このように多角形のＷＣを表層部のみに含
む焼結体を基体に焼結接合するには次のような手段があ
る。表層部ほど高温の温度勾配を形成して焼結接合を
行う。予め通常の焼結法（1350〜1450℃，１時間，真
空中）で焼結した表層部を形成しておき、これと基体と
の間に中間層用の焼結体原料粉末を配置して、短時間，
低温で焼結接合を行う。
【０１０１】そして、試料No.42 と比較例ｋも加えて試
験例１１と同様の土砂摩耗テストを時間のみ３０分に延
長して行った。その結果も表１０に示す。
【０１０２】
【表１０】
【０１０３】試料No.42,45,46 のＷＣ粒度はほぼ同じ
で、試験後の摩耗量もほぼ同等であるが、試料No.42 で
はヒビが発生しているのに対し、試料No.45,46では発生
していない。これは最表面部のＷＣ粒の形状が多角形で
強度が高いことによると考えられる。
【０１０４】＜試験例１３＞試験例１１の試料No.2の各
層の厚みを２mmとし、（基体の体積×0.2）≧（焼結体
の体積／積層数）＝1.0 として、製造時の昇温速度のみ
を変えた試料No.47〜50を作製した。昇温速度を早くす
ることにより昇温時にヒータに流れる電流が大きくな
り、試料の上層部ほど先に温度が上がって第３層の最表
面付近の結合相量に分布が生じる。即ち、試料の上層部
において下層側よりも早く結合相金属の液相が出現し、
この液相が下層側に移動するため結合相量の分布が生じ
るのである。各試料における結合相量が平均組成の70％
以下の領域（第一の領域）の最表面からの幅と、この領
域の直下における結合相量の富化した領域（第二の領
域）の幅を測定した結果を表１１に示す。
【０１０５】
【表１１】
【０１０６】同表に示すように、昇温時間が短いほど第
一・第二の領域の幅が広く形成されている。このうち、
試料No.49 の焼結体最表面からの硬度分布を図１７に、
断面の顕微鏡写真を図１８に示す。図１７のグラフに示
すように、最表面から約90μmの範囲で硬度が高く、そ
の直下から硬度が低下して再度硬度の上昇が見られる。
また、図１８に示すように、最表面付近は緻密で結合相
が少なく、中間部に結合相（白い点）の多い部分が見ら
れ、下層で再度結合相が少なくなっている。即ち、第二
の領域の結合相量には極値が認められる。なお、この写
真の上部で黒く塗り潰された箇所は背景である。
【０１０７】上記の試料No.47 〜50を用いて試験例１１
と同様の土砂摩耗試験を行った。その結果を表１２に示
す。
【０１０８】
【表１２】
【０１０９】同表に示すように、第一・第二の領域が見
られない試料No.47 と、両領域が最も広い試料No.50 に
は焼結体にヒビが発生した。
【０１１０】＜試験例１４＞前記表２と同じの原料粉末
を用いて試験例３と同じ形態のドリルビットを作製し
た。試験例３のドリルビットと異なる点は、焼結体各層
の中央部から外周部に向かって組成を変化させたことに
ある。そのため、原料粉末はその結合相量またはＢ１型
結晶量を増減した複数種を用意し、これら複数種の平均
組成が表１の各組成となるようにした。最も結合相量
（Ｂ１型結晶）の多い原料粉末は、その最も少ない原料
粉末よりも結合相（Ｂ１型結晶）量が20％程度多い。な
お、比較例においては表２の配合割合のまま使用した。
【０１１１】作製手順は試験例３で説明したものとほぼ
同様である。異なる点は、試料No.51 〜54においては外
周ほど結合相金属の多い粉末を配置し、試料No.55 〜58
においては外周ほどＢ１型結晶の多い粉末を配置して予
備プレスすることである。この各原料粉末の充填は、仕
切板を使って段階的に行ってもよいし、中央部から外周
部に向かって実質的に連続変化するように行ってもよ
い。なお、予備プレスしたプレス積層体を焼結する装
置，条件は試験例３と同様とした。
【０１１２】実施例（試料No.51 〜58) と、各層内を均
一な組成とした比較例（試料No. ｌ〜ｐ）を試作し、試
験例３と同様の掘削試験を行った。その結果を表１３に
示す。この表に示すように、接合面に対して平行な方向
に各層の組成が変化する実施例は寿命が飛躍的に向上し
ている。それに対して比較例は寿命が短い。
【０１１３】
【表１３】
【０１１４】＜試験例１５＞試験例１０で説明したよう
に、焼結体に同心円状の不連続領域のある複合材料（試
料No.51′〜58′)を作製・試験した。不連続領域の大き
さや形成の仕方は試験例１０で述べたものと同様とした
が、それ以外は試験例１４と同一条件で作製した。な
お、本例では、不連続領域の内周に結合相（Ｂ１型結
晶）の少ない原料粉末を、外周にその多い原料粉末を充
填した。そして、得られたビットを用いて試験例１４と
同一条件で掘削試験を行った。その結果、表１４に示す
ように、試験例１４よりも寿命の増大がみられた。
【０１１５】
【表１４】
【０１１６】＜試験例１６＞試験例１５では焼結体の各
層における中央部から外周部への組成の変化を不連続領
域の内外の２段階としたが、本試験例では段階的に行わ
ず、中央部から外周に向って連続的に変化する複合材料
（試料No.61 〜68) を作製した。他の条件は試験例１５
と同様である。このようにして製作したビットの寿命は
表１５に示した通りで、焼結体のヒビ割れもほとんどな
く、寿命はさらに向上していた。
【０１１７】
【表１５】
【０１１８】なお、このような積層構造の各層におけ
る、接合界面平行方向に組成を変えることは全ての層に
ついて行うことが効果的であるが、基体と接する第１層
についてのみ行っても応力緩和の効果を奏し得るので、
少くとも１層以上について施すことが必要である。
【０１１９】＜試験例１７＞鋼としてはＳＫＤ11材を用
いて試験例６とほぼ同様の鍛造用パンチ束材を試作し
た。本例では、焼結体中のＷＣの粒度を外周ほど細かく
なるものとした。表１６の試料No.71 から77までは内周
部から外周部へのＷＣ粒度の変化を試験例１５と同様に
段階的にし、表１７の試料 No.71′から77′までは試験
例１６と同様に連続的にした。なお、比較例は上記粒度
の変化を施していない。
【０１２０】 構 成：第１層のＷＣの平均粒度 5〜6μm 最上層と最外周部のＷＣの平均粒度 1.5μm 破壊靱性：第１層中心部 10〜13MPa・m1/2 硬 度：第１層中心部 1190〜1210kg/mm2 硬 度：最上層および最外周 1500〜1700kg/mm2 その他の構成，焼結条件は試験例６と同じ。
【０１２１】作製された各試料をパンチとして実施例６
と同様の鍛造試験を行った。その結果を表１６、表１７
に示す。いずれも実施例は接合界面と平行方向に焼結体
のＷＣ粒度を変えていない比較例に比べて飛躍的に寿命
が増大している。
【０１２２】
【表１６】
【０１２３】
【表１７】
【０１２４】＜試験例１８＞試験例１４の各試料におい
て、図１２に示すように焼結体にスリットを設けたドリ
ルビット（試料No.81 〜88) を作製し、これらについて
試験例１４と同様な掘削試験を行った。スリットの形成
は原料粉末を中間焼結し、この中間焼結体に切削加工を
施すことで行った。スリットの大きさ・形状は内径30m
m、幅５mmの同心円状とした。試験の結果、表１８のよ
うに寿命の向上が見られた。
【０１２５】
【表１８】
【０１２６】＜試験例１９＞試験例１８において、スリ
ットの第１層のみに第２層の原料粉末を充填して焼結し
た構造のドリルビット（試料No.91 〜98) を作製し、同
様の掘削試験を行った。即ち、第２層，第３層のスリッ
トには何も充填されていない。この場合のスリットは、
予備プレスの粉末充填時、カーボンリングにより原料粉
末の充填を排除することにより容易に形成できた。試験
の結果、表１９のように、やはり寿命の向上が見られ
た。
【０１２７】
【表１９】
【０１２８】以上の試験例で説明したスリットは、前記
不連続領域の効果と同様、接合体内の各部位置の応力差
を緩和するものである。従って、上記試験例のように焼
結体各層に設けることが好ましいが、１層のみに設けて
も緩和には役立つので、１層以上に設けることが必要で
ある。
【０１２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明複合材料
は、積層構造の焼結体と基体との体積関係や各層の厚み
を規定することで、焼結体の表面硬度の向上はもちろ
ん、内部の割れや空隙をなくし、十分に緻密化させるこ
とができる。
【０１３０】また、焼結体の結合相の分布や硬質相粒子
の粒径などを限定したり、接合面と平行方向に焼結体の
組成分布を形成することで、鋼や焼結体の位置による応
力差（接合面から同じ距離でも、焼結体の中心部では圧
縮、端部では引張りが生じることによる差）を低減させ
ることができる。これにより接合面付近の焼結体強度と
上層部での耐摩耗性のバランスを向上させることができ
る。特に、不連続領域やスリットを設けることにより、
この効果は一層高められる。
【０１３１】さらに、本発明製造方法によれば、基体上
の原料部材の表面から加熱することで容易に温度勾配を
形成することができる。従って、厚さ方向に組成の異な
る焼結体を基体上に接合するのに最適である。特に、得
られる複合材料は高温における接合強度が高く、ろう付
け法による複合材料の短所が完全に解消される。しか
も、従来の焼結接合法による複合材料よりも強度、耐摩
耗性、耐食性をバランス良く具えた長寿命の複合材料が
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料の一例の縦断面図。
【図２】本発明の複合部材の他の具体例の縦断面図。
【図３】図３の複合材料ににおける基体と焼結体の線膨
張係数の関係を示すグラフ。
【図４】図３の複合材料ににおける基体と焼結体の焼結
温度の関係を示すグラフ。
【図５】（Ａ）は本発明の複合材料を製造する装置の概
略図、（Ｂ）は側面にも加熱機構を設けた製造装置の概
略図。
【図６】（Ａ）はヒータに成形型の機能を持たせた複合
材料製造装置の概略図、（Ｂ）は側面にも加熱・加圧機
構を設けた装置の概略図。
【図７】円筒状基体の外周面に焼結体を焼結接合する装
置の概略図。
【図８】円筒状基体の内周面に焼結体を焼結接合する装
置の概略図。
【図９】本発明複合材料を示す縦断面図。
【図１０】図９の複合材料を製造する装置の概略図。
【図１１】本発明複合材料における接合面からの距離と
焼結体の硬度との関係を示すグラフ。
【図１２】図９の複合材料にスリットを設けたものの縦
断面図。
【図１３】図９の複合材料に組成の不連続領域を設けた
ものの縦断面図。
【図１４】図１２におけるスリットの形状を格子状とし
た複合材料の平面図。
【図１５】多角形のＷＣ粒子が見られる焼結体の断面顕
微鏡写真。
【図１６】丸みを帯びたＷＣ粒子が見られる焼結体の断
面顕微鏡写真。
【図１７】本発明焼結体最表面からの硬度分布を示すグ
ラフ。
【図１８】図１７で用いた焼結体の表面付近における断
面顕微鏡写真。
【符号の説明】
１ 基体 ２，３ 焼結体 ４ 原料部材 ５ 上部加
圧ラム ６ 下部加圧ラム ７ ヒータ 8A,8B 絶縁プレート
９ 断熱プレート 10A,10B 冷却ラム 11 加熱電源 12 リード線 13
外部ヒータ 20A,20B20C,20D 側面ヒータ 21A,21B,21C,21D 側面
加圧ラム 25 熱電対 30 接合面 40 スリット 45,16 溝 50 格子状スリ
ット

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属製の基体の表面に焼結体を接合した
    複合材料において、 この焼結体は接合面に対して垂直方向に組成の異なる積
    層構造を有し、 この焼結体と基体との体積関係が（基体の体積×0.2）
    ≧（焼結体の体積／積層数）で、 各層の厚みが0.2mm以上５mm以下であることを特徴とす
    る複合材料。
  2. 【請求項２】 焼結体が超硬合金、サーメット、セラミ
    ックスおよびステライトから選ばれる少なくとも一種で
    あることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
  3. 【請求項３】 焼結体が結合相の金属中に硬質相粒子を
    分散して保持した構造であることを特徴とする請求項１
    記載の複合材料。
  4. 【請求項４】 焼結体の各層のうち、基体と接する第１
    層の結合相量が最も多いことを特徴とする請求項３記載
    の複合材料。
  5. 【請求項５】 焼結体の各層の少なくとも１層におい
    て、その中心部から外周に向かうに伴って結合相の量が
    増加することを特徴とする請求項３記載の複合材料。
  6. 【請求項６】 焼結体の各層のうち、接合面から第ｎ層
    および第n+1 層における結合相量ＸｎおよびＸn+1 が重
    量比でＸn −20≧Ｘn+1 ≧Ｘn −５の関係にあることを
    特徴とする請求項３記載の複合材料。
  7. 【請求項７】 焼結体の結合相の主成分がＦｅ、Ｃｏ、
    Ｎｉからなり、 （Ｃｏ＋Ｆｅ）／Ｎｉの重量比が基体と接する第１層で
    最も多く、 （Ｃｏ＋Ｆｅ）／Ｎｉの重量比が上層ほど少ないことを
    特徴とする請求項３記載の複合材料。
  8. 【請求項８】 焼結体の結合相の主成分がＦｅ、Ｃｏ、
    Ｎｉからなり、 Ｆｅ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の比率が基体と接する第１層で最
    も多く、 Ｆｅ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）の重量比が上層ほど少ないことを
    特徴とする請求項３記載の複合材料。
  9. 【請求項９】 焼結体の各層のうち、基体と接する第１
    層に大きさが25μm未満の気孔を有し、この層の気孔率
    が0.6vol％を越え、 最上層の気孔率が0.2vol％以下であることを特徴とする
    請求項３記載の複合材料。
  10. 【請求項１０】 焼結体の各層のうち、基体から第ｎ層
    におけるカーボン量をＣｎとしたとき、下記に示すＺｎ
    の値が下層ほど大きいことを特徴とする請求項３記載の
    複合材料。 Ｚｎ＝（Ｃｎ−ｂｎ）／（ａｎ−ｂｎ） ａｎ：第ｎ層の組成においてフリーカーボンが析出する
    カーボン値の下限 ｂｎ：第ｎ層の組成においてη相が析出するカーボン値
    の上限
  11. 【請求項１１】 焼結体の各層のうち、基体と接する第
    １層にフリーカーボンの析出がみられることを特徴とす
    る請求項３記載の複合材料。
  12. 【請求項１２】 焼結体の各層のうち、基体と接する第
    １層の破壊靱性が10MPa・m1/2以上で、 最上層の硬度が1500／Ｈｖ以上であることを特徴とする
    請求項３記載の複合材料。
  13. 【請求項１３】 焼結体の各層の中央部において圧縮残
    留応力σを有し、その大きさが 0.1≦σ≦1.0GPaである
    ことを特徴とする請求項１２記載の複合材料。
  14. 【請求項１４】 焼結体の各層のうち少なくとも１層に
    おいて、 接合面に対して平行な方向に組成の異なる領域を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の複合材料。
  15. 【請求項１５】 焼結体の各層のうち少なくとも１層に
    スリットが形成されたことを特徴とする請求項１記載の
    複合材料。
  16. 【請求項１６】 焼結体がＷＣ基超硬合金で、 硬質相であるＷＣの粒度が上層ほど細かく、 各層のうち基体と接する第１層のＷＣの平均粒度が４μ
    m以上で、 最上層のＷＣの平均粒度が２μm以下であることを特徴
    とする請求項３記載の複合材料。
  17. 【請求項１７】 焼結体がＷＣ基超硬合金で、 焼結体の各層の少なくとも１層において、その中心部か
    ら外周に向かうに伴ってＷＣの粒度が細かいことを特徴
    とする請求項３記載の複合材料。
  18. 【請求項１８】 基体と接する第１層における硬質相が
    Ｔｉを金属主成分とする4a、5a、6a族金属の炭化物、窒
    化物および炭窒化物の少なくとも一種のＢ１型結晶を含
    み、 焼結体における各層のＢ１型結晶の量が上層に向かうほ
    ど少ないことを特徴とする請求項３記載の複合材料。
  19. 【請求項１９】 接合面から第ｎ層および第n+1 層にお
    けるＢ１型結晶の量Ｙn およびＹn+1 がＹn −40≧Ｙn+
    1 ≧Ｙn −10の関係にあることを特徴とする請求項１８
    記載の複合材料。
  20. 【請求項２０】 焼結体の各層のうち少なくとも１層に
    おいて、その中心部から外周に向かうに伴ってＢ１型結
    晶の量が増加していることを特徴とする請求項１８記載
    の複合材料。
  21. 【請求項２１】 金属製の基体の表面にＷＣ基超硬合金
    を接合した複合材料において、 ＷＣ基超硬合金は接合面に対して垂直方向に組成の異な
    る積層構造を有し、 その最上層においてＷＣの平均粒度が４μm以上である
    ことを特徴とする複合材料。
  22. 【請求項２２】 ＷＣ基超硬合金の最上層において、Ｗ
    Ｃの粒度分布が２つのピークを持ち、 粗粒側のピークが４μm以上で、細粒側のピークが２μm
    以下であることを特徴とする請求項２１記載の複合材
    料。
  23. 【請求項２３】 ＷＣ基超硬合金の最上層におけるＷＣ
    粒子の形状は主として多角形からなり、 最上層以外の少なくとも１層におけるＷＣ粒子の形状は
    主として丸みを帯びた形状からなることを特徴とする請
    求項２１記載の複合材料。
  24. 【請求項２４】 金属製の基体の表面にＷＣ基超硬合金
    を接合した複合材料において、 ＷＣ基超硬合金における最上層の表面から10ないし1000
    μmの第一の領域において結合相量が５wt％以下であ
    り、 この第一の領域の直下から500μm 以内の第二の領域に
    おいて第一の領域に比べて結合相量が増加し、極値を有
    することを特徴とする複合材料。
  25. 【請求項２５】 円筒状の基体の外周面および内周面の
    少なくとも一方に焼結体が焼結接合されてなることを特
    徴とする複合材料。
  26. 【請求項２６】 金属製の基体の表面に、基体とは線膨
    張係数の異なる焼結体の原料部材を配置し、 加熱機構によりこの原料部材の表面側から加熱すると共
    に加圧機構により圧力を加え、原料粉末を焼結して基体
    と接合することを特徴とする複合材料の製造方法。
  27. 【請求項２７】 焼結体が超硬合金、サーメット、セラ
    ミックスおよびステライトから選ばれる少なくとも一つ
    であることを特徴とする請求項２６記載の複合材料の製
    造方法。
  28. 【請求項２８】 加熱・加圧機構を焼結体の原料部材に
    対して相対的に移動させ、加熱・加圧機構の原料部材へ
    の作用面積よりも大きい面積の焼結体を基体に接合する
    ことを特徴とする２６記載の複合材料の製造方法。
  29. 【請求項２９】 加熱機構は焼結体の原料部材表面に載
    置されるヒータで、 加圧機構はこのヒータを原料部材に押圧し、 このヒータに通電して焼結することを特徴とする請求項
    ２６記載の複合材料の製造方法。
  30. 【請求項３０】 ヒータに成形型の機能を持たせたこと
    を特徴とする請求項２９記載の複合材料の製造方法。
  31. 【請求項３１】 加熱機構は原料部材の外周部付近を加
    熱する外部ヒータも有することを特徴とする請求項２９
    記載の複合材料の製造方法。
  32. 【請求項３２】 加圧機構は原料部材の外周部側面も加
    圧することを特徴とする請求項３１記載の複合材料の製
    造方法。
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