JPS6230804A - 粉末ホットプレス法による超硬質材料粉末と鉄系金属粉末の多層焼結方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は粉末ホットプレス法による超硬質材料粉末と鉄
系金属粉末の多層焼結方法に係わり、更に詳しくは高温
高圧の焼結の際の冷却時に生ずる歪を可及的に抑えるこ
とができる製法に関する。

［従来の技術］ 周知の通り、表面に耐摩耗性が要求される部材、部品、
機械、器具、装置、構造物は数多く存在する。

この為、従来からこれらの表面その他必要な箇所には超
硬質材料が適用され、又はそれらで製されている。ａ硬
質材料としては、Ｗ　ｃ　−Ｃｏ系、Ｗｃ−Ｔｉｃ−Ｃ
ｏ系。

Ｗｃ−Ｔｉ　ｃ−Ｔａｃ　（Ｎｂｃ）−Ｃｏ系等の超硬
合金、サーメット、又はＡ立。０３．ＳｉＮ、Ｓ　ｉ　
Ｃ、Ｂ　Ｃ、Ｚ　ｒ２０５等のセラミック材料等種々あ
る。これらは、周知の通り、各々程度の差こそあれ、高
硬度であって、耐摩耗性を具えている。

黙しながら、高硬度である一方、強度は一般の鉄系金属
、銅等に比して非常にもろい。

そこで従来から、超硬質材料の板等に対して、その裏面
にこれら鉄系金属の板を裏当てして補強する事がとられ
ている。いわゆる超硬質材料より成る板と鉄系金属より
成る板を複層にしたものである。こうすると高硬度と強
度の双方が具備される。

その１つの従来技術は、超硬質材料の板に、鉄系又は銅
等の金属をロウ付けする技術である。

又、その２つ目は、鉄の溶湯の中に予かしめ製した超硬
質材料の板又は塊を置いて、冷却固化する技術である。

［発明が解決しようとする問題点１ 上記従来技術によると、前述した通り高硬度と強度の双
方がＪｌ−＃ｉＩされるものの、この所期した利点を現
実に可俺にする為には、従来技術は次の解決課題を有し
ている。

ｌのロウ付けする技術の場合、超硬質材料と鉄系金属の
膨張係数が略１．５倍の差があるので（鉄系金属の方が
大きい、）ロウ付けする時に高温加熱して冷却すると、
２つの材料の収縮度合に差が生じ大きな歪を生じてしま
う、又、この歪を可及的に抑えて製しようとすると、金
属加ニ一般がそうであるように徐令すればよいが、この
ようにすると生産能率が極端に落ちる。

２つ目の溶湯中に硬質材料の板又は塊を置く方法は、溶
湯中に置くものであり、この場合溶湯の中で沈下しなけ
ればならないので溶湯の比重より十分改い比重の硬質材
料に限定され、今度は使用できる硬質材料に制限を受け
、適用光が限られる。

このように従来は、超硬質材料の板と鉄系材料の板とを
、個々に製造して、次に両者を一体融着化しようとした
為に上述した不具合を有するものであった。

従って本発明の目的とする所は、超硬質材料の層と鉄系
金属材料の層とが、冷却時の大きな収縮歪を生ずること
なく融着されている多層焼結体を製することのできる方
法を提供するにあり、且つ使用できる超硬質材料粉末に
制限を受けずに、各用途先に最も適した超硬質材料を選
んで製することのできる製法を提供するにある。

［問題点を解決する為の手段］ 上記目的を達成する為に、本発明は次の技術的手段を有
する。即ち第１図に示したこの発明の概念図を参照して
これを説明すると、■は成形型を示し、この中に鉄系金
属粉末２と超硬質材料粉末３とを交互に充てんする。

この場合、二層でもよいが、更にもつと多層にしてもよ
い。

そして各々の粉末層２又は３を充てんする時は、型１内
に於いて平らに均らし、軽く仮押圧しておく。

上記に於いて超硬質材料粉末２としては、硬超合金粉末
（例えば、Ｗ　ｃ　−Ｇ　ｏ系、Ｗｃ−Ｔｉｃ−ＧＯ系
、Ｗｃ−Ｔｉ　ｃ−Ｔａｃ　（Ｎｂｃ）　−ＧＯ）、い
わゆるサーメット材料、又はセラミック材料等を用いる
ことができ、従来の溶湯の中に超硬の板を固定するのと
異なり使用する材料に限定を受けない。

更に鉄系金属粉末ｌについても、少なくともＦｅ系を保
有し、強度性に秀でたものであれば何れでもよい。

このように本発明も、多層に焼結すべき材料粉末を型１
に充てんするものであるが、この鉄系金属粉末２と超硬
質材料粉末３とは、著しく熱膨張係数が異なる。超硬質
材料粉末３に対して、鉄系金属粉末２はおよそ１．５倍
程大きい。

従って、このまま加熱して従前通り完全焼結（粒子間の
少空隙が完全に密な状態）すると、冷却時に一方と他方
の材料の収縮の差が生じ、当然のことながら従来技術と
同様に、それがそのまま製品の収縮歪として結果する。

因みに、従来は鉄系金属粉末の焼結の場合、その粒子が
粗いので、予かじめ４〜６を程度で予備加圧し、次いで
焼結温度で焼結して完全焼結することが一般であり、又
硬質材料粉末の焼結は、その粒子が細かいので、通常は
ｌ　ｔ　−１，５を程度で加圧し、次いで焼結温度で焼
結することにより完全焼結することが行なわれている。

そこで、本発明は、上記鉄系金属粉末２を型１に充てん
する時には、焼結の際の冷却時に上記２つの粉末２．３
の収縮の差を、鉄系金属粉末粒子間の空隙によって吸収
できるような空間率が存するように粒度調節して充てん
するようにしたものである。より具体的には、焼結終了
時に於いて、各粉末粒子の小空隙を完全になくする程度
に焼結体を得るものではなく、特に鉄系金属粉末２によ
って形成される層に極〈少ない粒子間空隙が残るように
焼結するものであり、この鉄系金属粉末２によって形成
される粒子間空隙が、焼結の際の、冷却の２つの層の収
縮の差を吸収するようにして収縮するので、従来のよう
に大きな収縮歪が製品に結果しない、即ち、収縮歪をよ
り一層小さく抑えることができる。この為に、鉄系金属
粉末２を充てんする時は、上記の収縮差吸収の為の余裕
の空間率を残すものである。一般に上記空間率は、粉末
粒子層中の空間（粒子間の間隙）の体積割合であり、 空間率＝１−充てん率　　で表わされ、粒子のかさ体積
（ｃｒｎ’）Ｘ粒子密度（ｇ／ｃｒｎ’）で表わされる
。

この空間率が微少程度残るようにする為には幾つかの技
術的手段が考へられるけれども、その１つは鉄系金属粉
末の層を粗くする方法であり、又は細かい粒子と粗い粒
子を適当割合で混在させる方法等がある。しかし、この
小空間が、焼結の結果に於いて残り、これが２つの層の
収縮歪を可及的に防１■−できる焼結機構は後述する高
温高圧の焼結法と深く関与しているので、そこで詳述す
る。

さて、このように充てんを終えた後は、次にホ。

ドブレス法で焼結するが、本発明は次の特徴を有してい
る。即ち、これら粉末な、加圧すると同時に、これら粉
末の最適焼結温度より、より高温で加熱して、これら粉
末を液相状態と成すものである。即ち従来のように大き
な圧力の予備加圧をする代りに、高温で液相状態と成し
て、それにより間隙に拡散させて均一な固溶体を生成ご
せるものである。　Ｆｌ、つ　これらの層を上記加圧力
で同時に加圧して一体的に融着せしめる。然しながら、
この高温加熱に際しては、各々の液相の層が互いに他に
対して急激に拡散することを抑えられるように、極く短
時間のみ高温で加熱するものである。

これにより、一方と他方の層が互いに拡散してしまうこ
とから結果する強度の低下を抑えることができる。住つ
この焼結は、極く短かい時間高温加熱して実施するもの
であるから、従前のように高い加圧力を必要とせず、前
述した鉄系金属粉末２によって形成される層に小ざい空
隙が僅かに残るものである。

それ故に、冷却した時にこれら２層の間に生ずる収縮の
差を、鉄系金属層の粒子間空隙によって吸収でき、収縮
歪をＩＩｆ及的に抑えることができるものである。

上記の高温加圧法は、通常、低圧、大電流を短時間これ
ら被成型物自体に直接通電することによって実施される
。第１図の概念図は、これを示し、４．５は各々カーボ
ン電極を兼ねた一対のパンチを示している。又、高周波
加熱を用いても実施できる。

これらの事により、超硬質材料粉末の材料に限定される
ことなく、種々のものを用いて、而も必然的に生ずる冷
却時の２層の収縮の差な、可及的に吸収して、より収縮
歪の少ない多層焼結体を得ることができる。

更に第２図の概念図に示す如く上記鉄系金属粉末２と、
超硬質材料粉末３とを型ｌに充てんする時に、これら２
層の間に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等の強度に富
み、展延性に富む、且つ鉄系金属粉末や超硬質材料粉末
に対してぬれ性のよい薄板又は粉末の薄層６を介在させ
て充てんして製するものである。このようにすると、こ
れら材料が鉄系金属粉末２の層及び超硬質材料粉末３の
層に対してぬれ性がよく、なじむのでより一層冷却時の
２層の収縮差を吸収し易くなり、よりよく歪のない多層
焼結体を得ることができる。

又第３図の概念図に示す如＜ｆ記鉄系金属粉末２と超硬
質材料粉末３とを型に充てんする時に、これら２層の間
に、鉄系金属粉末と超硬質材料粉末を配合した薄い中間
粉末層７を介在させて充てんして製するものである。こ
の中間粉末層７は、鉄系金属粉末の層とａ硬質材料粉末
の層の双方に対して、その膨張係数がその各々に対して
近似するので、冷却時の２つの層の収縮の差が、そこで
より吸収され、よりよく歪のない多層焼結体を得ること
ができる。

［実施例］ 実施例１ 型内に、１５０ｇメツシュの鉄粉９０ｇと、４０メツシ
ユの鉄粉１０ｇを混合【７て、粒度２ｇ１ｍｔ、た鉄粉
層を充てんし、これを軽く押圧して均らした。

次にＷｃ９４％、Ｃｏ６％のＷ　ｃ　−Ｃｏ系超硬合金
粉末５０ｇを充てんし、これを軽く押圧して均らした。

次に、型に沿って上下動する両力ポーン電極を兼ねたパ
ンチによって、３５０　Ｋｇ／　ｃｒｎ’の圧力で加圧
すると同時に、両電極の間に５　Ｖ　、　５０００Ａの
低電圧大電流を３５秒間直接通電した。

この結果、両肘がそれら各々の焼結温度より、より高温
の温度、具体的にはＷ　ｅ　−Ｃｏ　ａ硬合金の最適焼
結温度は略１４３０℃の所、＋１００℃以上の１５３０
℃内外の高温が生じ、両層は急早な液相を生じ、各層に
於いて粒子間空隙に早い拡散が生じ粒子が密になったと
考へられる。この為、以後の冷却過程を経て各層が密に
固溶した。且つこの液相状態の時に、同時に３５０Ｋｇ
　／　ｃ　ｒｎ’で加圧しているので両層が融着した。

　３５０Ｋｇ　／　ｃ　ｍ’と、比較的小さい圧力でも
、両層が融着するのは、−Ｆ述１−だように高温で急呈
に液相したからと考へられる。

このように、　３５０　Ｋｇ／　ｃｒｎ’程度の加圧な
ので、焼結終Ｙ段階に於いて鉄系金属粉末から形成され
る層には空隙が僅かに残るものである。勿論、当初、こ
の鉄系金属粉末を充てんする時に、その粒度を調節して
空隙が残るようにしであるので、この空隙の形成がより
よ＜Ｉ３Ｔ１ｍにされる。徒って冷却の時の収縮差が吸
収され、大きな歪が生成されなかった。

実施例？ 型内に１００メツシユの鉄粉４０ｇを充てんし、軽く押
圧して均らし、次に１ミクロンのＮｉ粉末３ｇを薄く介
在させ、更にＷｃ９４％、Ｃｏ６％の超硬合金粉末２０
ｇを充てんし、軽く押圧して均らした。次に、型の−Ｌ
下の一対のパンチで３８０Ｋｇ　／　ｃゴで加圧すると
同時に、−上記カーボン電極を兼ねた一対のパンチに５
　Ｖ　、　５０００Ａの′ｒＬ流を４０秒通電した。こ
れにより、それら材料の焼結温度より、より高温に加熱
でき、これら材料粉末を急呈に液相化し得、住つこの液
相同志を一体融着できた。

しかし４０秒間の短時間なので、一方と他方の粉末の層
が何れか他方へ広く拡散していくことを抑えることがで
きた。１つ鉄粉の層には、上記３ＧＯＫｇ／　ｃ　ｍ’
の小さい加圧力であること、及び１００　メツシュ程度
の粗い層であることにより小空隙が残った。これにより
、且つ中間にぬれ性のよいＮｉ層が介在しているので、
冷却時の収縮差を吸収でき、歪を極力抑えた多層焼結体
を製した。

実施例３ 実施例１と同様に調整した鉄粉を型に充てんし、けつ均
もした後、鉄粉とＷ　ｃ　−Ｃｏ系超硬合金粉末を１：
１の割合で配合した層を薄く充てんし、次に実施例１と
同様に調整したＷ　ｃ　−Ｃｏ超硬合金の粉末を型に充
てんし、且つ均らした後。

実施例１と同一の条件でホットプレスした。

この結果、２つの層の収縮差がより抑えられ、歪がより
少くなった多層焼結体が得られた。上記の中間の層は焼
結後０．５■■の厚さであった。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、この発明によれば、超硬質材料粉末
と鉄系金属粉末とを型に充てんし、これを加圧すると同
時にこれらの最適焼結温度より、より高温の温度で短時
間加熱する。それにより両層は急呈に液相となり、この
時に上記加圧力で一体融着する。しかし、短時間加熱な
ので２つの層の液相が互いに他に対して広く拡散するこ
とを抑ＩＦできる。従って多層体とすることができる。

而もこのように液相で焼結する為に、その加圧力は比較
的小さい。

それ故に、鉄系金属粉末の層に、いわゆる完全焼結では
ない小さい空隙が残る。丘つこの小空隙が残るように、
予かじめ鉄系金属粉末の粒度を調節して充てんする。こ
れによって冷却した時に、両層の収縮の差が、この小空
隙によって吸収され、収縮差に基づく大きな歪の発生が
防止される。且つ、冷却についても、長時間要する徐令
をする必要がなく能率的に加工でき、更に超硬質材料粉
末の何れをも使用できるので、用途に応じた種々の超硬
質材料粉末と鉄系材料粉末の多層焼結体を製することが
できる。

【図面の簡単な説明】

添伺図面第１図は本発明の基本概念図を示し、次いで第
２図は薄い板又は薄い粉末層を介在させた場合の本発明
概念図、第３図は鉄系金属粉末と超硬質材料粉末を配合
した薄い中間粉末層を介在させた場合の本発明の概念図
であり、 図中１は型、２は鉄系金属粉末の層、３は超硬質材料粉
末の層、４．５はカーボン電極を兼ねたパンチ、６は中
間の薄い層、７は中間の薄い配合層を各々示している。 手続補正書 昭和６０年１２月１３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄系金属粉末と超硬質材料粉末とを交互に型に充て
   んし、而も上記鉄系金属粉末を充てんする時は、焼結の
   際の冷却時に上記２つの粉末層の収縮の差を、鉄系金属
   粉末粒子間の空隙によって吸収できるような空間率が存
   するように粒度調節して充てんし、次いで、これら粉末
   を加圧すると同時に、これら粉末の焼結温度より、より
   高温で加熱して、これら粉末を液相状態と成し、而も各
   々の液相の層が互いに他に対して急激に拡散することを
   抑えられるように極く短時間の間のみ高温で加熱し、こ
   の時これらの層を上記加圧力で加圧して一体的に融着せ
   しめ、次いで、冷却した時に生ずるこれら層の収縮の差
   を、鉄系金属層の粒子間空隙によって吸収して収縮歪を
   可及的に抑えて多層焼結体を得るようにしたことを特徴
   とする粉末ホットプレス法による超硬質材料粉末と鉄系
   金属粉末の多層焼結方法。 ２、鉄系金属粉末と超硬質材料粉末とを交互に型に充て
   んし、而も上記鉄系金属粉末を充てんする時は、焼結の
   際の冷却時に上記２つの粉末層の収縮の差を、鉄系金属
   粉末粒子間の空隙によって吸収できるような空間率が存
   するように粒度調節して充てんし、次いで、これら粉末
   を加圧すると同時に、これら粉末の焼結温度より、より
   高温で加熱して、これら粉末を液相状態と成し、而も各
   々の液相の層が互いに他に対して急激に拡散することを
   抑えられるように極く短時間の間のみ高温で加熱し、こ
   の時これらの層を上記加圧力で加圧して一体的に融着せ
   しめ、次いで、冷却した時に生ずるこれら層の収縮の差
   を、鉄系金属層の粒子間空隙によって吸収して収縮歪を
   可及的に抑えて多層焼結体を得るようにしたことを特徴
   とする粉末ホットプレス法による超硬質材料粉末と鉄系
   金属粉末の多層焼結方法に於いて； 上記鉄系金属粉末と超硬質材料粉末とを型に充てんする
   時に、これら２層の間に、ニッケルＮｉ、銅Ｃｕ等の強
   度に富み展延性に富む材料の薄板又は粉末の薄層を介在
   させて充てんして製することを特徴とする粉末ホットプ
   レス法による超硬質材料粉末と鉄系金属粉末の多層焼結
   方法。 ３、鉄系金属粉末と超硬質材料粉末とを交互に型に充て
   んし、而も上記鉄系金属粉末を充てんする時は、焼結の
   際の冷却時に上記２つの粉末層の収縮の差を、鉄系金属
   粉末粒子間の空隙によって吸収できるような空間率が存
   するように粒度調節して充てんし、次いで、これら粉末
   を加圧すると同時に、これら粉末の焼結温度より、より
   高温で加熱して、これら粉末を液相状態と成し、而も各
   々の液相の層が互いに他に対して急激に拡散することを
   抑えられるように極く短時間の間のみ高温で加熱し、こ
   の時これらの層を上記加圧力で加圧して一体的に融着せ
   しめ、次いで、冷却した時に生ずるこれら層の収縮の差
   を、鉄系金属層の粒子間空隙によって吸収して収縮歪を
   可及的に抑えて多層焼結体を得るようにしたことを特徴
   とする粉末ホットプレス法による超硬質材料粉末と鉄系
   金属粉末の多層焼結方法に於いて； 上記鉄系金属粉末と超硬質材料粉末とを型に充てんする
   時に、これら２層の間に、鉄系金属粉末と超硬質材料粉
   末を配合した薄い中間粉末層を介在させて充てんして製
   することを特徴とする粉末ホットプレス法による超硬質
   材料粉末と鉄系金属粉末の多層焼結方法。