JPH09315873A

JPH09315873A - 超硬合金系耐摩耗材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09315873A
Application number: JP15769196A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Akashi; 保明石; Koji Maki; 孝司牧; Masahito Tani; 雅人谷; Hideo Ando; 秀夫安藤
Original assignee: Sumitomo Coal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Coal Mining Co Ltd
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】従来タイプの超硬合金にあっては、その優れ
た耐摩耗性を確保しようとすると、母材との接合に問題
が発生し、また、母材との強固な接合を実現しようとす
ると、その耐摩耗性が犠牲になってしまうという問題が
あった。【解決手段】金属結合相量の少ない超硬合金よりなる
耐摩耗層と金属結合相量の多い超硬合金よりなる溶接可
能層の接合された超硬合金系耐摩耗材を製造する方法に
おいて、ＷＣ粒子の大きさが０．５μｍ〜１０μｍであ
り、かつ、該耐摩耗層の金属結合相をＣｏ又は（Ｃｏ及
びＮｉ）のいずれかの１種とし、また、該溶接可能層の
金属結合相をＮｉ又は（Ｎｉ及びＣｏ）のいずれかの１
種とし、各層の金属結合相中のＮｉの割合を、耐摩耗層
１ａから溶接可能層１ｂ方向へ増加させ同一温度のもと
で一体に焼結接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉体混合、粉体輸
送機器、土木建設機械類の耐摩耗部品や金型、工具用途
分野に利用する超硬合金系耐摩耗材に関し、特に、超硬
合金の優れた耐摩耗性と上記機械本体または工具母材に
直接溶接できる性質を兼ね備えた信頼性の高い、高品位
の耐摩耗材を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のものにあっては、下記の
ようなものになっている。粉体混合、粉体輸送機器や土
木建設工具類の摩耗しやすい部分や、工具、金型の加工
部分に超硬合金系の耐摩耗材が用いられている。超硬合
金の中には金属結合相量の比較的多い、金属的性格の強
いものがあり、この種の超硬合金はステンレスや鋼材へ
の直接溶接接合が可能であり、例えば、ＴＩＧ溶接やレ
ーザービーム溶接により、機械本体あるいは工具母材へ
溶接され、用いられている。一方、金属結合相量の少な
い超硬合金では溶接による接合は不可能であり、この種
の超硬合金の取付には、ろー材や低融点金属箔を用いた
拡散接合法や、機械的接合法ではかしめ法ややきばめ法
が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたも
のにあっては、下記のような問題点を有していた。ステ
ンレスや一般鋼材へ直接溶接できる性質を持つ超硬合金
は、その取付の手間を省け、その接合強度の信頼性も高
く、取付法からは理想的と言える。しかし、この種の超
硬合金は上記のように含有する金属結合相量が多く、硬
さは低く、耐摩耗性は著しく劣るものであった。また、
この種の超硬合金では腐食環境下での金属結合相の溶出
が多く、このため、耐食性も劣るという問題があった。
一方、金属結合相量を減らし、耐摩耗性を高めた超硬合
金ではステンレスや一般鋼材への溶接は困難であり、従
来タイプの取付、固定方法に頼らざるを得なかった。か
しめ法ややきばめ法といった機械的接合法では耐衝撃
性、耐熱性等の問題があった。また、ろー材や低融点金
属箔を用いた拡散接合法では、超硬合金と相手材との熱
膨張差による残留応力の問題があった。ステンレスと超
硬合金のろー付けの場合、ステンレスの熱膨張率は１２
〜１８×１０^-6、超硬合金のそれは６×１０^-6と、２倍
以上の差があり、両者をろー接するとその接合面近傍に
は大きな残留応力が発生する。その結果、超硬合金側に
割れが発生したり、その時点で割れがなくても、使用中
の温度変化や衝撃で接合が剥がれたり、突発的な破壊を
起こしてしまうという問題があった。以上のように、従
来タイプの超硬合金にあっては、その優れた耐摩耗性を
確保しようとすると、母材との接合に問題が発生し、ま
た、母材との強固な接合を実現しようとすると、その耐
摩耗性が犠牲になってしまうという問題があった。本願
は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑みなされ
たものであり、その目的とするところは、上述の問題を
解決できるものを提供しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は下記のようになるものである。そこで、本
発明者らは、母材へ直接溶接できる性質と優れた耐摩耗
性を合わせ持つ一体の超硬合金系耐摩耗材の開発を進め
てきた。その結果、一つの方法として、金属結合相量の
異なる積層された２種以上の超硬合金原料粉末を、例え
ば黒鉛製のダイ、パンチを用いて通電焼結する方法にお
いて、そのダイの部分を一つの通電経路とし、そのダイ
の肉厚を適切に調整し、また、熱の供給と逃げのバラン
スを調整することにより、焼結しようとする積層原料粉
末の加圧軸方向に温度傾斜を形成し、金属結合相量の異
なる、従って、焼結温度の異なる２種以上の超硬合金原
料粉末を一度に一体に焼結接合できることを見出し、特
願平６−１１３６９６号として出願した。しかし、この
方法による超硬合金系耐摩耗材の製造には、焼結温度
（原料粉末の収縮過程）を考慮した成形用のダイ形状の
設計が難しく、また、正確な温度制御が必要となるなど
の問題があり、一定品質の焼結体を安定して大量に生産
する方法としては問題があった。また、この方法の性格
上、サイズの大きなものの製造は困難であった。

【０００５】特願平６−１１３６９６号は、超硬合金中
の金属結合相量の異なる、従って、焼結温度の異なるも
のの組合せを、その焼結温度に合せてダイ形状や熱の出
入り量を設計し、無理なく一度に焼結接合しようとする
試みから達成されたものであるが、本発明は、上記目的
を達成するためのもう一つの観点からアプローチにより
達成されたものである。すなわち、金属結合相量の異な
る超硬合金を同じ焼結温度で一体に焼結接合する方法は
ないかと探索してきた。その結果、金属結合相成分の種
類、量、成分の配合を適切に設計することにより、金属
結合相量のある範囲のものまで、同一温度で一体に焼結
できることを見出した。そこで、本発明は、金属結合相
量３重量％以上、２０重量％未満含有する超硬合金より
なる耐摩耗層と金属結合相量２０重量％以上、５０重量
％未満含有する超硬合金よりなる溶接可能層の直接また
は中間層を介して接合された超硬合金系耐摩耗材を製造
する方法において、該超硬合金を構成するＷＣ粒子の大
きさが０．５μｍ〜１０μｍであり、かつ、該耐摩耗層
を構成する超硬合金の金属結合相をＣｏ又は（Ｃｏ及び
Ｎｉ）のいずれかの１種とし、また、該溶接可能層を構
成する超硬合金の金属結合相をＮｉ又は（Ｎｉ及びＣ
ｏ）のいずれかの１種とし、各超硬合金層の金属結合相
中のＮｉの割合を、耐摩耗層１ａから溶接可能層１ｂ方
向へ増加させることにより、金属結合相量の異なる耐摩
耗層と溶接可能層を直接または中間層を介して同一温度
のもとで一体に焼結接合することにより、溶接性と優れ
た耐摩耗性を兼ね備えた超硬合金系耐摩耗材とその製造
方法を提供するものである。

【０００６】ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系の焼結とも
に、比較的低い温度では金属結合相成分の固相焼結がゆ
っくりと進行するが、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−Ｎｉ系の共
晶温度以上になると液相を伴った急速な緻密化（焼結）
が進行する。従って、これらの系の焼結は一般に液相焼
結と呼ばれている。文献によると、Ｗ−Ｃ−Ｃｏ系、Ｗ
−Ｃ−Ｎｉ系の液相出現温度はそれぞれ１２８０℃、１
３４０℃であり、その時の液相へのＷＣの溶解度はそれ
ぞれ２２％、１５％と報告されている。（Ｇ．Ｓ．ＵＰ
ＡＤＨＹＡＹＡａｎｄＳ．Ｋ．ＢＨＡＵＭＩＫ、Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉ
ｎｅｅｒｉｎｇ、Ａ１０５／１０６、１９８８、ｐ２４
９−２５６）前述のようにＷＣ−Ｎｉ系の焼結温度はＷＣ−Ｃｏ系よ
り高くなるが、これは、この系での液相出現温度が６０
℃高いことと、ＷＣの溶解度が低く、液相生成量も少な
いことに起因するものと考えられる。

【０００７】図１と図２は、平均粒径１μｍのＣｏ又は
Ｎｉ粉末を金属結合相とし、平均粒径０．６μｍのＷＣ
粉末（日本新金属株式会社製、グレードＷＣ−Ｆ：０．
５〜０．７５μｍ）、または平均粒径９μｍのＷＣ粉末
（日本新金属株式会社製、グレードＷＣ−９０：７〜１
２μｍ）を用いた超硬合金原料粉末の金属結合相量によ
る焼結温度の変化を示したものである。この一連の焼結
試験はダイ、パンチを用いた通電加圧焼結法にて実施
し、加熱過程での上下パンチの変位量を記録し、これを
温度に対してプロットし直し、図３の要領で各焼結温度
を決定した。公知の通りＷＣ−Ｎｉ系の焼結温度は高
く、金属結合相量１０％〜７０％までの範囲では５０℃
〜７０℃高くなった。また、ここで実施したＷＣ粒径の
範囲ではＷＣ粒子の大きさによる焼結温度の変化は、１
０℃程度と小さいものであった。本発明による方法では
金属結合相の種類とその量を正確に制御し、焼結温度を
正確にコントロールすることを一つの目的としている。
従って、ＷＣ粒子の大きさの範囲を、上記実験の結果か
ら、その間で焼結温度の大きな変化のない、０．５μｍ
〜１０μｍとした。また、この範囲のＷＣ粒径よりな
り、金属結合相３重量％以上、２０重量％未満含有する
超硬合金は実用的耐摩耗性を発揮することができる。こ
の範囲を越す大きなＷＣ粒径では硬さが低下し、耐摩耗
性が劣るようになる。さらに、この範囲より小さいＷＣ
粒径では耐摩耗性は向上すると期待できるが、入手困難
な上高価であると同時に、金属結合相との混合、取扱が
難しくなる。

【０００８】図１，図２を参照すると、０．６μｍＷＣ
９０重量％とＣｏ粉末よりなる超硬合金粉末と、例え
ば、同じ０．６μｍＷＣ８０重量％とＮｉ粉末よりなる
超硬合金原料粉末を１３００℃の同一温度のもとで一体
に焼結できることが分かる。また、０．６μｍＷＣ８０
重量％とＣｏ粉末よりなる超硬合金粉末では、図２より
９μｍＷＣ５０重量％とＮｉ粉末よりなる超硬合金粉末
と一緒に１２７５℃の同一温度のもとで一体に焼結でき
ることが示されている。本発明にかかわる超硬合金系耐
摩耗材１ではそれを構成する超硬合金の金属結合相成分
は、超硬合金としての強度、耐摩耗性を考慮し、また、
ＷＣとの上記共晶温度を考慮して、Ｃｏ，Ｎｉ，（Ｃｏ
及びＮｉ）の中から適宜選択できるが、本発明の作用を
害しない範囲の他の成分の添加も差し支えない。本発明
にかかわる超硬合金系耐摩耗材１の耐摩耗層１ａを構成
する超硬合金中の金属結合相量は３重量％以上、２０重
量％未満必要であった。３重量％未満ではそれ自体の焼
結が難しくなるほか、焼結できても脆く、欠けや割れに
よる損傷が大きく実用的な焼結体が得られない。また、
２０重量％以上では超硬合金の硬さが低下し、実用的な
耐摩耗性が得られない。一方、溶接可能層１ｂは金属結
合相量が多いほど鋼材等との強力な溶接ができるが、一
体に焼結されている耐摩耗層１ａとの熱膨張率の差、さ
らに、それとの焼結温度の差の問題があり、２０重量％
以上、５０重量％未満が望ましい。２０重量％未満では
鋼材等との溶接自体が困難となり、本発明の効果を達成
できない。また、５０重量％以上では耐摩耗層１ａを構
成する超硬合金との熱膨張率差が大きくなりすぎ、ま
た、焼結温度の差も大きくなり、一体焼結が難しくな
る。

【０００９】耐摩耗層１ａと溶接可能層１ｂを直接接合
するか、中間層１ｃを介した接合を採用するかは両層を
構成する超硬合金中の金属結合相の量の差による。一応
の目安として、その差が２０重量％以上の組合せの場合
には中間層１ｃを介した接合が残留応力の少ない接合体
を製造する上から好ましい。中間層１ｃは１層である必
要はなく、必要に応じて２層以上とすることができ、ま
た、中間層内の金属結合相量の変化は連続でもステップ
状ともすることができる。本発明にかかわる超硬合金系
耐摩耗材１を構成する超硬合金中の金属結合相の種類は
必ずしも同じである必要はなく、焼結温度を考慮して、
Ｃｏ，Ｎｉ，（Ｃｏ及びＮｉ）の中から選択できる。ま
た、本発明にかかわる耐摩耗材原料粉末２の焼結方法に
は、特に制約はなく、通常の真空焼結法、ホットプレス
法、通電焼結法を用いることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例に基づ
き図面を参照して説明する。実施例１以下の実施例における原料粉末の粒径は平均粒径を示す
ものとする。図４を参照して、３μｍのＷＣ粉末と１μ
ｍのＣｏ粉末８重量％よりなる粉末を耐摩耗層原料粉末
２ａとし、１μｍのＷＣ粉末と１μｍのＮｉ粉末２２重
量％よりなる粉末を溶接可能層原料粉末２ｂとして用い
た。次に、耐摩耗層原料粉末５２．２ｇと溶接可能層原
料粉末４５．９ｇを積層して、φ３０の超硬成形型に充
填し、５００ｋｇ／ｃｍ² で加圧成形した。得られた成
形体を真空炉に入れ、１０^-5トールまで排気した後、加
熱を開始した。１３２０℃まで２時間で昇温し、その温
度で１０分保持して焼結を終了した。回収した焼結体は
径２８〜２７ｍｍ（溶接可能層側の収縮が大きい）、高
さ約１２ｍｍであった。この焼結体を半割りし、一方の
断面を研磨仕上げし、焼結、接合状態を観察した。断面
では耐摩耗層１ａ、溶接可能層１ｂの光沢の差ははっき
りしており、両層の硬さはそれぞれ１６７０、１０９０
ｋｇ／ｍｍ² であった。また、断面には気孔や割れはな
く、両層とも真密度まで良く焼結できていた。また、接
合面近傍にも気孔や割れは認められず、強固な焼結接合
ができていた。半割りした残りの半分を用いて溶接可能
層部分を径５０ｍｍ，厚み４０ｍｍのステンレスブロッ
クに純ニッケル溶接棒を用いたＴＩＧ溶接を試みたとこ
ろ、超硬合金側へのダメージもなく、実用的強度での溶
接が可能であった。

【００１１】実施例２図５を参照して、０．７μｍのＷＣ粉末と１μｍのＣｏ
粉末１５重量％よりなる粉末を耐摩耗層原料粉末２ａと
し、９μｍＷＣ粉末に１μｍのＣｏ，Ｎｉ粉末をそれぞ
れ４重量％、１８重量％加え、混合した粉末を中間層原
料粉末２ｃとし、また、９μｍのＷＣ粉末に１μｍのＣ
ｏ，Ｎｉ粉末をそれぞれ５重量％、３０重量％加え、混
合した粉末を溶接可能層原料粉末２ｂとして用いた。次
に、φ２５ｍｍの黒鉛製成形型を用いて、この型に上記
溶接可能層原料粉末２３．７ｇ，中間層原料粉末１０．
９ｇ，耐摩耗層原料粉末２７．４ｇの順にそれぞれ充填
した後、ホットプレス装置にセットし、１０^-2トールま
で排気し、３００ｋｇ／ｃｍ² まで加圧した。１２９０
℃まで約２．５時間で昇温し、その温度で１０分保持し
た後、冷却して焼結体を回収した。回収した焼結体は径
２５ｍｍ、高さ１０ｍｍであった。この焼結体を半割り
し、一方の断面を研磨仕上げし、焼結、接合状態を観察
した。断面では耐摩耗層１ａ、中間層１ｃ、溶接可能層
１ｂの光沢の差ははっきりしており、各層の硬さはそれ
ぞれ１５８０、１１００、７９０ｋｇ／ｍｍ² であっ
た。また、断面には気孔や割れはなく、両層とも真密度
まで良く焼結できていた。また、接合面近傍にも気孔や
割れは認められず、強固な焼結接合ができていた。半割
りした残りの半分を用いて溶接可能層部分を径５０ｍ
ｍ，厚み４０ｍｍのステンレスブロックに純ニッケル溶
接棒を用いたＴＩＧ溶接を試みたところ、超硬合金側へ
のダメージもなく、実用的強度での溶接が可能であっ
た。

【００１２】実施例３図５を参照して、５μｍのＷＣ粉末に１μｍのＣｏ，Ｎ
ｉ粉末をそれぞれ１８重量％、２重量％加え、混合した
粉末を耐摩耗層原料粉末２ａとし、３μｍＷＣ粉末に１
μｍのＣｏ，Ｎｉ粉末をそれぞれ１５重量％、１８重量
％加え、混合した粉末を中間層原料粉末２ｃとし、ま
た、９μｍのＷＣ粉末と１μｍのＮｉ粉末５０重量％よ
りなる粉末を溶接可能層原料粉末２ｂとして用いた。次
に、黒鉛製φ４０ｍｍの成形型を用いて、この型に上記
溶接可能層原料粉末３７ｇ，中間層原料粉末１７．１
ｇ，耐摩耗層原料粉末４６．９ｇの順にそれぞれ充填し
た後、通電焼結機にセットし、１０^-2トールまで排気し
後、３５０ｋｇ／ｃｍ² まで加圧した。１２８０℃まで
約１５分で昇温し、その温度で５分保持した後、冷却し
て焼結体を回収した。回収した焼結体は径４０ｍｍ、高
さ１２ｍｍであった。この焼結体を半割りし、半割りし
た残りの半分を用いて溶接可能層部分を径５０ｍｍ，厚
み４０ｍｍのステンレスブロックに純ニッケル溶接棒を
用いたＴＩＧ溶接を試みたところ、超硬合金側へのダメ
ージもなく、実用的強度での溶接が可能であった。

【００１３】

【発明の効果】本発明は、上述の通り構成されているの
で次に記載する効果を奏する。以上のように、本発明の
方法によれば、金属結合相量の異なる２種以上の超硬合
金の原料粉末積層体を、その金属結合相を構成する成分
の種類と量を適切に選択、配合することによって同一温
度で一体に焼結することができる。この方法により、優
れた耐摩耗性と鋼材等への直接溶接性を兼ね備えた超硬
合金系耐摩耗材を特殊な焼結機を要することなく、従来
の焼結法により安定して大量に生産でき、高機能耐摩耗
材を安価に市場に供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平均粒径０．６μｍＷＣ粉末とＣｏ又はＮｉ粉
末よりなる超硬合金原料粉末の金属結合相量による焼結
温度の変化を説明するグラフである。

【図２】平均粒径９μｍＷＣ粉末とＣｏ又はＮｉ粉末よ
りなる超硬合金原料粉末の金属結合相量による焼結温度
の変化を説明するグラフである。

【図３】焼結温度の求め方を示した概略図である。

【図４】本発明にかかわる超硬合金系耐摩耗材及びその
原料粉末の構成の１実施例を説明する縦断面図である。

【図５】本発明にかかわる超硬合金系耐摩耗材及びその
原料粉末の構成の１実施例を説明する縦断面図である。

【符号の説明】

１超硬合金系耐摩耗材２耐摩耗材原料粉末１ａ耐摩耗層１ｂ溶接可能層１ｃ中間層２ａ耐摩耗層原料粉末２ｂ溶接可能層原料粉末２ｃ中間層原料粉末

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤秀夫北海道赤平市字赤平594番地の１住友石炭鉱業株式会社北海道技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｏ又は（Ｃｏ及びＮｉ）のいずれかを
金属結合相として３重量％以上、２０重量％未満含有す
るＷＣ基超硬合金よりなる耐摩耗層（１ａ）と、Ｎｉ又
は（Ｎｉ及びＣｏ）のいずれかを金属結合相として２０
重量％以上、５０重量％未満含有するＷＣ基超硬合金よ
りなる溶接可能層（１ｂ）とが、直接またはＷＣ基超硬
合金よりなる中間層（１ｃ）を介して一体に焼結接合さ
れている超硬合金系耐摩耗材であって、該超硬合金系耐
摩耗材を構成するＷＣ粒子の大きさが０．５μｍ〜１０
μｍであり、かつ、各超硬合金層の金属結合相中のＮｉ
の割合が、耐摩耗層（１ａ）から溶接可能層（１ｂ）方
向へ増加することを特徴とする超硬合金系耐摩耗材。
【請求項２】金属結合相量３重量％以上、２０重量％
未満含有する超硬合金よりなる耐摩耗層と金属結合相量
２０重量％以上、５０重量％未満含有する超硬合金より
なる溶接可能層の直接または中間層を介して接合された
超硬合金系耐摩耗材を製造する方法において、該超硬合
金を構成するＷＣ粒子の大きさが０．５μｍ〜１０μｍ
であり、かつ、該耐摩耗層を構成する超硬合金の金属結
合相をＣｏ又は（Ｃｏ及びＮｉ）のいずれかの１種と
し、また、該溶接可能層を構成する超硬合金の金属結合
相をＮｉ又は（Ｎｉ及びＣｏ）のいずれかの１種とし、
各超硬合金層の金属結合相中のＮｉの割合を、耐摩耗層
（１ａ）から溶接可能層（１ｂ）方向へ増加させること
により、金属結合相量の異なる耐摩耗層と溶接可能層を
直接または中間層を介して同一温度のもとで一体に焼結
接合することを特徴とする超硬合金系耐摩耗材の製造方
法。