(57)【要約】      （修正有）【課題】耐摩耗性・耐食性に優れ、かつ母材の硬装施工にも適用可能な広いサイズで、あるいは任意の形状をニヤネットに作製できる複合材料、それを用いた部材、及びその製造方法を提供する。【解決手段】鉄系母材５と型９との隙間に、自溶性合金単独、または自溶性合金をベースとしてダイヤモンド粒またはｃＢＮ粒の超砥粒を分散した混合粉末１０を充填し、真空または非酸化性雰囲気中の温度で混合粉末１０を仮焼結させ、鉄母材の表面に仮焼結体を強固に拡散接合させ、型９を取りはずした後、非酸化性雰囲気中で本焼結を行うことにより、耐摩耗性複合材料をニヤネットで作製する。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自溶性合金単独の粉末または自溶性合金ベースの混合粉末の任意の形状の層が、鉄系金属の母材の表面にニヤネットに焼結接合された耐摩耗性複合材料。
【請求項２】
前記混合粉末に、ダイヤモンド粒及び／またはｃＢＮ粒の超砥粒がさらに混合されている、請求項１に記載の耐摩耗性複合材料。
【請求項３】
前記超砥粒が前記複合材料中に１〜３０体積％含まれる請求項２に記載の耐摩耗性複合材料。
【請求項４】
前記粉末の層の厚さが０．２ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐摩耗性複合材料。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐摩耗性複合材料を用いた掘削用の部材または工具、バルブ装置用の部材、内燃機関用の部材。
【請求項６】
鉄系金属の母材と該母材を覆うように配置された型との隙間に、自溶性合金単独の粉末または自溶性合金をベースとした混合粉末を充填する工程と、
前記粉末を、真空または非酸化性雰囲気中で焼結収縮を始める温度未満の温度に所定の時間保持して仮焼結させ、前記母材の表面に仮焼結体を強固に拡散接合させる工程と、
前記型を取りはずした後、非酸化性雰囲気中で本焼結を行う工程と
を含む耐摩耗性複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記粉末に超砥粒をさらに混合させる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記超砥粒がダイヤモンド粒であり、前記焼結温度が１１００℃以下である、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記超砥粒がｃＢＮ粒であり、前記焼結温度が１２００℃以下である、請求項６または７に記載の方法。
【請求項１０】
前記超砥粒が前記複合材料中に１〜３０体積％含まれる請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記型がカーボンである請求項６〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記母材と前記型との隙間が０．３ｍｍ以上である請求項６〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記本焼結後の前記耐摩耗性複合材料の形状の寸法のバラツキが±０．１ｍｍ以下のニヤネットである、請求項６〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削用ビット等に用いる耐摩耗性・耐食性部材用複合材料、及びその製造方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
石油、天然ガス、地熱等のエネルギー開発に用いる掘削用ビットには、岩石を掘削するだけでなく、掘削した穴径を保持する特性が必要となる。図１Ａは典型的な掘削用ビット（トリコンビット）の外見写真、図１Ｂはその部分的拡大写真である。掘削用トリコンビットのビットゲージ部２は、岩石から掘削荷重７及び抗壁圧力８を受け、岩石との摩擦で摩耗する事によって掘削穴の径が細径化する。これは次に使用するビットを短時間に損傷させて、掘削効率の低下を招く。また抗壁圧力８はビットカッターが抜け落ちる方向に作用するのでベアリング３及びシール４がダメージを受ける。その結果としてビットの取り換えを要する場合には膨大な費用を要し、それは掘削費用の高騰に繋がる。従ってビットの摩耗対策は最重要課題である。
【０００３】
ビットの耐摩耗性の向上のため、通常、超硬チップの埋め込みや超硬（溶融タングステンを含む）粒子の溶接肉盛が行われているが、それでは十分とは言えず、超高圧のダイヤモンド焼結体を用いる場合もある。本願の発明者等は、ダイヤモンド複合材料を開発して実用化した（特許文献１）。これは超硬合金中にダイヤモンド粒を分散させた耐摩耗に優れた複合材料である。しかし複合材料チップの耐摩耗性が優れていても、チップが埋め込まれた母材（鋼材）５が摩耗すると、チップは歯槽膿漏のように脱落するので、母材の耐摩耗性も同様に重要となる。
【０００４】
母材の耐摩耗性を向上させるため、鋼材の表面を硬化することが行われ、通常、溶射、溶接の手法により１〜３ｍｍ厚程度の硬装施工が行われる。例えば特許文献２には、耐摩耗性に優れたれたＷＣサーメットのウォームスプレー法による溶射施工により、気孔率が１．５％以下、粒子径が５μｍ以下で、ＨＶ１０５０〜１１５０である溶射ロールを得ることが開示されている。しかし、１０〜４０％の金属炭化物（ＷＣ）を分散しているものの気孔も含むため、重荷重で衝撃のある耐摩耗用途には向いていない。特許文献３にはダイヤモンドと樹脂の複合材料について開示されているが、金属ベースではないので重荷重で衝撃のある耐摩耗用途には使用できない。また、特許文献１に記載されているように、超硬合金中にダイヤモンド粒子を分散し加圧焼結する方法もあるが、超高圧法による超砥粒チップは極めて高価で、形状の制約があり、サイズの大きな物は作製できないことから本用途には向いていない。また、メッキ処理によるダイヤ砥粒の貼り付けの例（ダイヤモンド電着被膜）もあるが、接合強度が弱く、多孔質であるため、主に砥石用として用いられ、重荷重で衝撃のある耐摩耗用途には向いていない。その他にも、表面に数μｍ程度の高硬度の薄膜コーティングを行う研究は多くされており、例えば特許文献４には、ダイヤモンド被膜の成型方法が開示されているが、得られる膜厚が薄いため、重荷重の衝撃のある耐摩耗硬装用途には向いていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許５０７６０４４号公報（米国特許第７６３７９８１号明細書）
【特許文献２】特許第５０１３３６４号公報
【特許文献３】特許第３４９０９７８号公報
【特許文献４】特許第４３５８５０９号公報
【特許文献５】国際公開第２０１７／１３０２８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、耐摩耗性・耐食性に優れ、かつ母材の硬装施工にも適用可能な広いサイズで、あるいは任意の形状をニヤネットに作製できる複合材料、それを用いた部材、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
通常、溶射、溶接の手法により厚さ１〜３ｍｍ程度の硬装施工が行われるが、この中に超砥粒を分散させることができれば、ビットの母材としても使用できる耐摩耗性材料を実現することが可能となる。しかしながら、発明者等の知る限り、溶射、溶接で超砥粒を分散させた事例はない。砥粒を溶射、硬装に用いるのが不可能であった理由として、施工（溶射、溶接）中に超砥粒が熱により炭素に変質する、または超砥粒の比重が軽く表面に浮き上るため半溶融にならない、さらに施工物に付着しない（濡れない）等が考えられる。このため、従来技術ではＷＣを主とする金属炭化物を自溶性合金中へ分散したものが主で、ＷＣを４０％程度まで溶融して緻密化処理が可能であったが、これ以上のＷＣを添加する場合は高速プラズマ等の溶射処理で行う必要があった。しかし溶射処理は微少な気泡が含まれるため緻密化処理はできず、耐衝撃性が得られなかった。
【０００８】
そこで発明者等は、特許文献１に記載した超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ）とダイヤモンド粒子の焼結体であるダイヤモンド複合材料において、ＷＣの一部または全部をＣｏ または Ｎｉを含む自溶性合金に置き換え、ダイヤモンド及び／またはｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を自溶性合金中に分散させることを目指し研究を行った。自溶性合金は高硬度、低融点で半溶融域が広く、本研究目的に適している。
【０００９】
ダイヤモンドを自溶性合金のような金属材料に分散させるために必要な条件としては以下の条件が考えられる。
（１）ダイヤモンドが真空、雰囲気中の熱処理で変質しないこと。即ち短時間かつ１１００℃以下であること。なおダイヤモンドの代わりにｃＢＮを用いる場合には、短時間かつ１２００℃以下であること。
（２）ダイヤモンドと硬質金属の混合粉末が偏析なく型に充填されること。 
（３）ダイヤモンドが混合粉末中で移動（浮き上がり）しないこと。 
（４）混合粉末が熱処理（焼結温度）条件で、施工物表面に強固に付着すること。 付着が不十分であると、混合物が焼結収縮して端面が捲れたり、亀裂が発生する。
（５）完全に焼結すること（気泡が含まれないこと）。この場合、厚み方向だけの収縮となる。
【００１０】
本発明による硬装施工は、目的施工物の形状より少し大きい雌型のカーボン製の型９と、目的施工物の形状より少し小さい金属母材５を用いて作製する（図２Ａ）。そしてカーボン型と金属母材との隙間にダイヤモンドまたはｃＢＮの超砥粒と自溶性合金の混合粉末１０を十分に充填し、これを自溶性合金が焼結収縮を始める温度の近傍下の温度で十分保持する。混合粉末にはダイヤモンドまたはｃＢＮの他、金属炭化物等を超砥粒として加えてもよい。母材表面にＮｉロー等９００℃程度の融点の低融点材料を微量塗布すればさらに好結果が得られる。また、自溶性合金は固相〜液相の半溶融域が広く、適度な粘性を有するのでこのような用途に好適である。充填した混合粉末は硬く固まり（仮焼結）、同時に鋼材の鉄との拡散結合により強く保持される。次にカーボン型枠９を外して仮焼結体と母材の鋼材を適正温度（１１００℃以下。超砥粒がｃＢＮの場合には１２００℃以下）で焼結する。仮焼結を行わず一度に焼結温度まで加熱すると、型９と充填物１０が付着して取出しができず破損する。また型９のリサイクルもできないので仮焼結の工程が必要となる。
【００１１】
前述の分散条件を満たすためには、カーボン型９と母材金属５の間に０．３ｍｍ以上の隙間（空間）を設けて、混合粉末１０を充填する必要がある。隙間がこれ以上狭いと、粉末を充填することが難しくなる。また母材金属５の表面は清浄な状態に保つことが、強固に付着させるためには重要である。自溶性合金としてはコルモノイ（登録商標）、またはヘガネス社の１３５５を用いるのが好適である。型の材料は熱伝導が良いカーボンが最適である。また、カーボン型９は簡単に取り外しが可能である。図２Ｂはこのようにして試作した、母材金属の左端部に硬装を形成した試験片の外観写真（左）及び断面写真（右）を示す。
【００１２】
母材金属と仮焼結体は拡散結合で強く保持されているので、焼結収縮は厚み方向に制限される。従って、通常の焼結に比べると厚み収縮率は大きくなるが、充填時の厚みに比例して焼結されるので、硬装の厚みは収縮率×充填厚みとなる。充填厚みは均等なため、焼結後の寸法のバラツキはプラスマイナス ０．１ｍｍ以下に収まり、ニヤネットの製作が可能となる。
【００１３】
表１に従来の溶射施工と本発明による施工との比較を示す。
【表１】
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【発明の効果】
【００１４】
本発明による方法により、母材金属の表面に超砥粒（ダイヤモンドまたはｃＢＮ）−自溶性合金の複合材料による任意の形状の硬装を施工することが可能になった。この複合材料には各種の金属炭化物等の材料を高精度に複合添加することも可能である。このため、超砥粒の量、粒度等の調整を最適化すれば、多様な用途において優れた耐摩耗部材が提供できる。また施工に際しては、投入した原材料の粉末のほぼ１００％が硬装となるため、溶射のような付着歩留まりロスが無く、材料歩留まりに特に優れている。
【００１５】
本発明による硬装または施工物は、前述のダイヤモンド複合材料（特許文献１）に比べると、地が超硬合金から硬質金属になり靱性・耐衝撃が強化される効果がある。本発明によるダイヤモンドやｃＢＮの超砥粒を含んだ硬装材料は画期的な材料であり、また広い面積に被覆出来るので、従来の硬装よりも耐摩耗性を強化することができる。本発明による硬装を掘削用ビットに適用した場合には、超砥粒、ＷＣ粒子を含んだ凸状の広い鑢面を形成するので、坑壁研削力を従来よりも強化することができる。それにより抗壁の面圧が低減され、ベアリング保護とシールの強化を図ることができる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、型によって任意の形状、大きさの施工物が作製できる。また、製作後の寸法のバラツキはプラスマイナス ０．１ｍｍ以下に収まるため、ニヤネットの硬装施工が可能となる。これにより、施工物を作製するための加工費の大幅削減を図ることができる。この利点のため、耐摩耗性をそれほど必要としない用途の場合には、ダイヤモンドやｃＢＮを粉末に混合せずに金属炭化物を超砥粒とした硬装として、多様な用途に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】掘削用ビットの全体外見写真（左）と拡大外見写真（右）である。
【図１Ｂ】掘削用ビットの模式的断面図である。
【図２Ａ】本発明による施工物を作製するための方法を示す模式的断面図である。
【図２Ｂ】本発明により作製した試験的施工物の概観写真（左）と断面写真（右）である。
【図３Ａ】本発明により作製したシャフト型の形状の施工物の模式的断面図（左）と焼結施工後の外見写真（中）、及びその後センタレス加工を行った外観写真（右）である。
【図３Ｂ】本発明により作製したスリーブ円筒型の形状の施工物の模式的断面図（左）と焼結施工後の外見写真（右）である。
【図３Ｃ】本発明により作製した鼓型ロール形状の施工物の模式的断面図（左）と焼結施工後の外見写真（中）、（右）である。
【図４】本発明により作製した掘削用ビット（中）と、作製前の母材（左）、及び施工物の断面写真（右）である。
【図５】６０〜８０μm径のダイヤモンド粒を含んだ複合材料の１ｍｍ厚の層を施工した試作品の断面の組織写真である。
【図６】３０〜４０μm径のｃＢＮ粒を含んだ複合材料の１ｍｍ厚の層を施工した試作品の断面の組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施例１）
本発明の方法による施工の予備試作として、種種の形状の回転体の母材の表面にダイヤモンド粒を含んだ硬装を形成した。図３Ａ、３Ｂ、３Ｃはそれぞれ、シャフト型の形状、スリーブ円筒型の形状、鼓型ロール形状の母材上の施工物の模式的断面図（左）と焼結施工後の外見写真（中、右）である。シャフト型の例では硬装を形成後、センタレス加工も問題なく行えることが確認され、いずれの形状でも、均一な硬装が母材の表面に強固に形成されることが分かった。
【００１９】
（実施例２）
本発明の方法によりビットカッターの模型を試作した。図４に示すように、ビットカッターの母材（鉄）のゲージ部に、深さ２ｍｍの凹状スリットを放射状に加工形成し、その上にカーボンの型を被せた。その隙間の空間に平均径が３０μｍのダイヤモンドで超硬合金粒を包んだ複合粒子（特許文献５）４０重量％と、残りが自溶性合金ヘガネス１３５５から成る混合物を充填した。そして、全体を加熱炉中で９５０℃で６０分保持して仮焼きを行った。その後型を外し、１０３０℃で３０分間焼結を行い、硬質層が形成された部材を得た（図４（中））。図４（右）の切断面写真が示すように、緻密な硬質層（上端部）が母材に固着して形成されていることが分かる。
【００２０】
（実施例３）
図５は、φ２５ｍｍの鉄丸棒の外周に、６０〜８０μm径のダイヤモンド粒を含んだ複合材料の１ｍｍ厚の硬質層を施工した試作品の、表面硬装部の断面組織の拡大写真である。ダイヤモンド粒は複合材料中に１０体積％含まれている。ダイヤモンド粒が比較的均一に分散していることが分かる。
【００２１】
（実施例４）
図６は、同様なφ２５ｍｍの鉄丸棒の外周に、ダイヤモンド粒の代わりに３０〜４０μm径のｃＢＮ粒を含んだ複合材料の１ｍｍ厚の、硬質層を施工した試作品の表面硬装部の断面組織の拡大写真である。ｃＢＮ粒は複合材料中に１０体積％含まれている。この場合もｃＢＮ粒は比較的均一に分散していることが分かる。
【００２２】
なお、上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限定されず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更、及び修正をすることができることは当業者に明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明による耐摩耗性・耐食性複合材料は、石油、天然ガス、地熱等のエネルギー開発に用いる掘削用ビット、その他の掘削用工具の耐摩耗部材として利用が可能である。また、母材の表面を広く覆うように形成して、母材の硬装施工へも応用が可能である。さらに、部材をニヤネットに作製できるので、従来よりも複雑な任意の形状の硬装施工物、例えば、内燃機関の各種弁、ロッカーアーム、あるいはバルブ装置用のボールバルブの球、ゲートバルブ等への応用が可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  ビット、
２  ゲージ部
３  ベアリング
４  シール部
５  母材
７  掘削荷重
８  側壁からの面圧
９  型
１０  混合粉末
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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