(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３０〜４５重量パーセントの量の炭化タングステンと、少なくとも３０重量パーセントの量の炭化チタンと、０．１〜５重量パーセントの量の炭化クロムと、コバルトまたはコバルトおよびニッケルの組み合わせを含むバインダー材料と、を含み、１２Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を有する、ペレット化ダイフェースにおける低熱伝導性硬質金属組成物であって、前記コバルトが前記低熱伝導性硬質金属組成物の３〜１５重量パーセントを構成する、低熱伝導性硬質金属組成物。
【請求項２】
前記炭化タングステンが、３５〜４０重量パーセントの量で存在する、請求項１に記載の低熱伝導性硬質金属組成物。
【請求項３】
前記炭化チタンが、３０〜４５重量パーセントの量で存在する、請求項１に記載の低熱伝導性硬質金属組成物。
【請求項４】
前記炭化チタンが、３５〜４０重量パーセントの量で存在する、請求項１に記載の低熱伝導性硬質金属組成物。
【請求項５】
前記低熱伝導性硬質金属組成物が、少なくとも８８ＨＲＡの硬度を有する、請求項１に記載の低熱伝導性硬質金属組成物。
【請求項６】
前記コバルトが、前記低熱伝導性硬質金属組成物の６〜１５重量パーセントを構成する、請求項１に記載の低熱伝導性硬質金属組成物。
【請求項７】
ダイ本体と、前記ダイ本体の表面上のダイフェースと、を含むペレット化ダイであって、
前記ダイフェースが、耐摩耗性低熱伝導性合金を含み、
前記耐摩耗性低熱伝導性合金が、３０〜４５重量パーセントの量の炭化タングステンと、少なくとも３０重量パーセントの量の炭化チタンと、０．１〜５重量パーセントの量の炭化クロムと、コバルトまたはコバルトおよびニッケルの組み合わせを含むバインダー材料と、を含み、１２Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を有し、
前記コバルトが、前記耐摩耗性低熱伝導性合金の３〜１５重量パーセントを構成する、
ペレット化ダイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性材料の分野に関し、特に、ペレット化ダイフェース等に用いられる低熱伝導性超硬合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペレット化は、均一な粒径の新たに製造されるまたはリサイクルプラスチック樹脂を製造するためのプロセスである。石油産業では、このプロセスを、その材料のより効率的な取り扱いおよび加工を可能にするための充填材と共に、ペレット化されたポリエチレン、ポリプロピレンおよび他の高分子材料を製造するために用いる。ペレット化プロセスは、ダイを通して強制的に押し出される押出し機からの溶融ポリマーで開始されて、ポリマー樹脂の複数のストランドが形成される。典型的には、このペレット化プロセスは水中で実施され、ストランドは、ダイから出ると直ぐにダイフェースの表面に沿って通過する回転ナイフによって切断される。この作業は閉鎖環境中に行われ、水が循環されて、ダイフェースを冷却すると共にペレットをこの閉鎖環境から搬出する。次いで、ペレットは、最終的な梱包またはさらなる加工の前に脱水／乾燥システムに移される。
【０００３】
一般に、ペレタイザーのダイフェースは、ペレタイザーの本体とは異なる材料で形成されているか、または異なる材料でコートされていてもよい。ペレタイザーでの摩耗のほとんどはフェースで生じるため、硬質で、耐摩耗性、かつ、耐食性ダイフェース材料の使用がペレタイザーの寿命をより長期とする。ダイフェース材料は、ダイ本体を換えなければならなくなる前に数回交換されてもよい。ダイフェース材料は、例えば、極端な温度、水環境中への水没、ならびに、流動するポリマー材料およびキャビテーションを生じさせる切断ナイフの動きからの定常的な表面摩擦などの様々な有害な環境条件にさらされている。硬質であることおよび耐摩耗性であることに追加して、ダイフェース材料はまた、低熱伝導性および高い耐食性／耐キャビテーション性を有するべきである。
【０００４】
現在、摩耗パッドおよびオリフィスニブとして用いられる２種の最も一般的なダイフェース材料は、フェロ−炭化チタン（Ｆｅｒｒｏ−ＴｉＣ）および炭化タングステンコバルト（ＷＣ−Ｃｏ）合金である。摩耗パッドおよびオリフィスニブは、ダイフェースプレートのステンレス鋼合金および／またはセラミック材料中に埋設されている。Ｆｅｒｒｏ−ＴｉＣは、炭化チタンに結合された機械加工性および硬化性合金／鋼である。Ｆｅｒｒｏ−ＴｉＣは、典型的には、炭化チタン（ＴｉＣ）とクロム（Ｃｒ）と、モリブデン（Ｍｏ）、炭素−鉄合金（Ｃ−Ｆｅ）および／またはチタンの金属マトリックス複合体である。例えば、典型的なＦｅｒｒｏ−ＴｉＣ組成物は、特許文献１（ベラ（Ｖｅｌａ）ら）において言及されているとおり、３０〜３２％ＴｉＣ、９〜１０％Ｃｒ、３〜６．５％Ｃｏ、３〜４．５％Ｎｉ、２〜４％Ｍｏ、０〜１％Ａｌ、１〜２％Ｔｉ、０〜１％Ｃｒ、および４０〜５０％Ｆｅを含む。超硬質の、丸い炭化チタン粒が、硬化性鋼合金マトリックス全体に均一に分散されている。アニール状態における製作は通常のツールおよび器具で達成され、その後の従来の熱処理で最大硬度が得られる。
【０００５】
ＷＣ−Ｃｏベースの超硬合金は、金属バインダーにより一緒に結合されている硬質炭化物粒子を含有する様々な複合材料を含む。炭化物相の割合は、一般に、複合体の総重量の７０〜９７％の間であり、その粒径は平均で０．２〜１４μｍの間である。例えば、典型的なコバルト結合炭化タングステン材料が特許文献２（ティム（Ｔｉｍｍ）ら）において開示されている。ティム（Ｔｉｍｍ）らは、ＷＣを８３〜９９重量％の量で、およびコバルトを１〜１８重量％の量で有する組成物に言及している。硬質相である炭化タングステン（ＷＣ）が、バインダー相であるコバルト（Ｃｏ）と一緒に基本的な超硬合金構造を形成する。ＷＣ−Ｃｏ組成物に追加して、超硬合金は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）および炭化ニオビウム（ＮｂＣ）などの第２の炭化物を小さい割合で含有していてもよい。これらの第２の炭化物は相互に可溶性であると共に、高い割合で炭化タングステンを溶解することも可能である。加えて、超硬合金は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）またはこれらの元素の合金などの他の金属と合金されているか、完全に置き換えられているコバルトバインダー相を有して製造される。それ故、典型的には、炭化タングステンのα−相、バインダー材料（例えばＣｏ、Ｎｉ等）のβ−相、ならびに、（例えば、ＷＣおよびＴｉＣ、および／またはＴａＣ、および／またはＮｂＣ、および／または窒化物または炭窒化物の）の単一または固溶体炭化物相であるγ−相といった、超硬合金を構成する３種の個別の相が存在する。
【０００６】
Ｆｅｒｒｏ−ＴｉＣ合金は、一般に耐摩耗性の用途に有効であるが、匹敵するＷＣ−Ｃｏ合金より高価であると共に、加工がより困難である。例えば、ＷＣ−Ｃｏ合金は、安価に、かつ、容易に、ダイ本体に空気中で銀ロウ付またはロウ付けされることが可能であるが、一方で、Ｆｅｒｒｏ−ＴｉＣ合金は、従来の方法によっては、ダイに直接的に銀ろう付またはロウ付することはできない。
【０００７】
ＷＣ−Ｃｏ材料は、Ｆｅｒｒｏ−ＴｉＣ合金と同様の耐食性および耐摩耗性を有しているにもかかわらず、オリフィスニブとして用いられると、望ましくないほどに高い熱伝導性を被る。高い熱伝導性は、表面での循環水の冷却効果により、オリフィスニブが押出されているポリマーから伝熱により熱を奪うために、ダイオリフィス中でのポリマーの固化をもたらす。これは、ポリプロペレンなどの充填材が関与する場合に顕著である。
【０００８】
本明細書において参照により援用される特許文献３（マジャギ（Ｍａｊａｇｉ）ら）は、コバルトおよびニッケルのバインダー材料と一緒に焼結されている、主要量の炭化タングステンおよび微量の炭化チタンを含む硬質金属を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５３６６１３８号明細書
【特許文献２】米国特許第４９２３５１２号明細書
【特許文献３】米国特許第６５２１３５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
セラミック材料に匹敵する超低熱伝導性、高い耐磨耗性および耐腐食性を有し、ならびに、比較的安価であり、製造が容易であり、かつ、セラミック材料と比して鋼との結合がより容易である、ペレット化ダイフェースおよび他の高磨耗性用途において用いられるための硬質金属合金材料に対する要求が継続的に存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の要求は、材料の５０重量パーセント未満の量の炭化タングステン、少なくとも約３０重量パーセントの量の炭化チタン、ならびに、コバルトおよびニッケルのバインダー材料を含む硬質合金材料を提供する本発明によって満たされる。本発明の材料の熱伝導性は約１２Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ以下である。本発明の他の態様において、モリブデンおよび／またはクロムが、熱伝導性をさらに低下させるためにおよび材料の耐腐食性を向上させるためにバインダー材料中に含まれている。本発明のさらに他の態様において、炭化クロムおよび／またはタンタルニオビウム炭化物などの追加の炭化物が材料中に含まれている。
【００１２】
本発明の態様は、約１２Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を有する合金を含む、耐摩耗性、低熱伝導性合金を提供することである。この合金は、５０重量パーセント未満の量の炭化タングステン、少なくとも３０重量パーセントの量の炭化チタン、ならびに、コバルトおよび／またはニッケルを含むバインダー材料を含む。
【００１３】
本発明の他の態様は、約５０重量パーセント未満の量の炭化タングステン、少なくとも３０重量パーセントの量の炭化チタン、およびコバルトおよび／またはニッケルを含むバインダー材料を含み、約１２Ｗａｔｔ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導性を有する、ペレット化ダイフェース中の低熱伝導性硬質金属組成物を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる態様は、ダイ本体、および前記ダイ本体の表面上のダイフェースを備え、前記ダイフェースが合金を含むペレット化ダイを提供することである。この合金は、５０重量パーセント未満の量の炭化タングステン、少なくとも３０重量パーセントの量の炭化チタン、ならびに、コバルトおよび／またはニッケルを含むバインダー材料を含む。
【００１５】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下の記載からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の硬質金属合金材料を利用するペレット化ダイの図である。
【図２】図１のペレット化ダイの断面図である。
【図３】本発明の硬質金属合金組成物の一実施形態の微小構造の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１および２は、ペレット化ダイプレート１０において用いられるダイフェースプレート３０の好ましい実施形態を示す。本明細書において参照により援用される米国特許第４，８５６，９７４号明細書（ウルフ（Ｗｏｌｆ））に記載のものなどのペレット化ダイプレート１０は、本体２０およびダイフェースプレート３０を有する。ダイフェースプレート３０は、個別に交換可能な物品であってもよく、または、本体２０上のコーティングあるいはダイフェースプレートの形状を有する物品基材上のコーティングであってもよい。例えば、このダイフェースプレース３０は、ほぼ円柱状のオリフィスニブ５２および摩耗パッド５８が埋設された第１の構成要素３４から構成される。第１の構成要素３４は、例えば、ステンレス鋼（例えば、１５−５ＰＨ鋼）であっても、または、アルミナあるいはジルコニアベースのセラミック上に溶射されていても、または、これらの組み合わせであってもよい。オリフィスニブ５２および摩耗パッド５８は、ロウ付けなどのいずれかの好適な方法によって第１の構成要素３４に取り付けられる。第１の構成要素３４が上述のとおりセラミックである場合、セラミックとインサート５２および摩耗パッド５８との間に鋼の層が存在していてもよい。
【００１８】
本体２０はまた、ステンレス鋼（例えば、１５−５ＰＨステンレス）であってもよく、押出し成形オリフィス２２および加熱路２４を有する。オリフィス２２もまたダイフェースプレート１０を貫通していると共に、オリフィスニブ５２により囲まれている。
【００１９】
好ましい実施形態において、オリフィスニブ５２および摩耗パッド５８は、炭化タングステン（ＷＣ）および炭化チタン（ＴｉＣ）の焼結物品である。超硬合金材料は、５０重量パーセント未満のＷＣ、好ましくは約３０〜約４５重量パーセントのＷＣ、およびより好ましくは約３５〜約４０重量パーセントのＷＣを含む。超硬合金材料はまた、約３０重量パーセント超の量の炭化チタン（ＴｉＣ）、好ましくは約３０〜約４５重量パーセントのＴｉＣ、より好ましくは約３５〜約４０重量パーセントのＴｉＣを含む。一実施形態においては、ＷＣおよびＴｉＣの量は実質的に等しい。
【００２０】
小さい粒径、高硬度、高磁気保磁力、および低有孔率が達成され得るよう、加工の最中に、特にＷＣ細粒といった材料の細粒成長を制限することが重要である。これを達成するために、細粒成長抑制剤が添加され得る。細粒成長抑制剤は、好ましくは、他の炭化物であり、炭化クロム、炭化モリブデン、炭化タンタル、炭化ニオビウムまたは炭化バナジウムなどの単独または組み合わせでのいずれかの金属炭化物であることが可能である。これらの元素は、組成物中のＷＣと一緒に炭化物または固溶体炭化物を形成する。この組成物は、ＩＶＢ、ＶＢおよびＶＩＢ族元素、好ましくはＴａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ、およびＣｒなどの炭化物および／または固溶体炭化物形成性元素を、単独でまたは相互に組み合わせて含有することが好ましい。より好ましくは、少なくとも１種であるが場合によりそれ以上の元素の炭化物が、約０．１〜約５重量パーセントＣｒ3Ｃ2、約１〜約８重量パーセントＴａＣ、約０．５〜約５重量パーセントＮｂＣ（好ましくはタンタルニオビウム炭化物の合計で約２〜５重量パーセント）、約０．５〜約３重量パーセントＺｒＣおよび約０．５〜約３重量パーセントＭｏ2Ｃの量で組成物中に存在する。これらの元素は、好ましくは、元素、合金、または炭化物として混合物に添加され得る。炭化物はまた、元素Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、ＶおよびＷの１種以上のいずれかの組み合わせで存在して、炭化物または固溶体炭化物を形成してもよい。ＣｒおよびＭｏのいくつかまたはすべてがバインダー材料中に存在し得る。
【００２１】
Ｍｏおよび／またはＣｒはまた、ダイフェースプレート３０の熱伝導性をさらに低減させる。加えて、Ｍｏおよび／またはＣｒは腐食性を向上させると共に、焼結プロセスを補助する。理想的には、Ｍｏは、約０．５重量パーセントの量で存在すると共に、Ｃｒは約０．５重量パーセントの量で存在する。
【００２２】
バインダー材料は、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）および／またはＣｏまたはＮｉの一方の合金のいずれかの組み合わせを含有することが好ましく、および、総組成物の約１０〜約３０パーセントの量の組成物で存在することが好ましい。コバルト含有量は、典型的には、約３〜約１５重量パーセント、より好ましくは約６〜約８重量パーセントである。ニッケル含有量は、典型的には、約８〜約２５重量パーセント、より好ましくは約１０〜約１５重量パーセントである。
【００２３】
超硬合金材料はまた、ＴａＮｂＣを、１０重量パーセント以下、典型的には約０．５〜約５重量パーセント、およびより好ましくは約１〜約３重量パーセントの量で含んでもいてもよい。ＴａＮｂＣは、ダイフェース上の回転ナイフの摩擦による局所的な発熱からの摩損の傾向を低減させる。
【００２４】
本発明の他の実施形態において、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｂおよびＶの元素のいずれか１種以上の窒化物および／または炭窒化物が、硬質金属合金組成物中に、前述の炭化物含有量の好ましくは完全な、または、部分的な置換で含まれていてもよい。好ましくは、この組成物は、Ｔｉおよび／またはＺｒの窒化物を含有する。ＴｉＮは、好ましくは組成物の約１０〜約重量パーセントの量で、および、より好ましくは、約１５〜約２５重量パーセントの量で添加される。ＺｒＮは、好ましくは、組成物の約０．５〜約３重量パーセントの量で、および、より好ましくは、約０．５〜約１．０重量パーセントの量で添加される。
【００２５】
オリフィスニブ５２および摩耗パッド５８を形成するための好ましいプロセスが以下に記載されている。各構成成分部分は粉末形態で供給される。この粉末は、典型的には、構成成分元素および上記に列挙された化合物およびパラフィンワックスの混合物を含有する。本発明において用いられる粉末材料は、ＷＣ−Ｃｏボールおよびヘプタン／アセトン等を用いる成分の湿式摩擦摩鉱により製造されることが好ましい。摩鉱時間は、用いる摩鉱法、ならびに、所望されるＷＣおよびＴｉＣ粒子の粒径に応じて変更され得る。摩鉱粉末は、噴霧乾燥されるか、または、従来のペレット化形態においても用いられ得る。
【００２６】
摩鉱粉末は、一軸プレス、冷間等方加工プレス、射出成形または押出し成形により生素地と呼ばれる所望の形状にプレスされ、次いで、脱ろうされる。脱ろうは、５０〜６００℃の間に、真空／Ｈ2雰囲気下に行われることが好ましい。さらに、予備焼結が、約６００〜１２００℃の温度で、真空／Ｈ2雰囲気下で実施されてもよい。
【００２７】
一旦所望の形状が達成されたら、この生素地が焼結されて、完全に高密度の部品が製造される。生素地を焼結するための代表的な方法としては、常圧あるいは真空焼結、または、急速全方向コンパクション（Ｒａｐｉｄ  Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）（ＲＯＣ）または一軸ホットプレスが続く、真空焼結が挙げられる。好ましくは、生素地は真空焼結され、その後、後焼結ＨＩＰ（熱間静水圧圧縮成形）プロセスが続いて焼結製品がさらに高密度化されることが好ましい。この生素地は、約１３６０℃〜約１４８０℃の温度で、真空炉中に約２０分間〜約９０分間かけて焼結されることが好ましい。より好ましくは、焼結は約４０〜６０分間かけて行われる。焼結後、すべての有孔を完全に閉じるために焼結部品をＨＩＰに供する必要があることが多い。ＨＩＰは、焼結温度と同様の温度で、１００〜３０，０００ｐｓｉ、好ましくは５００〜１５００ｐｓｉの圧力で、および最も好ましくは１４４０℃で約８００ｐｓｉの圧力で実施される。この材料の最終有孔率は、Ａ０４−Ｂ０２−Ｃ００と等しいか、これより良好であることが好ましい。
【００２８】
生素地もまたＲＯＣプロセスを用いて焼結され得、その種々の態様は、各々が本明細書において参照により援用される、米国特許第４，７４４，９４３号明細書（ティム（Ｔｉｍｍ））、米国特許第４，６５６，００２号明細書および米国特許第４，３４１，５５７号明細書（リゼンビー（Ｌｉｚｅｎｂｙ））、米国特許第４，４２８，９０６号明細書（ロズムス（Ｒｏｚｍｕｓ））およびケルト（Ｋｅｌｔｏ）、メタルズハンドブック（Ｍｅｔａｌｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、「急速全方向コンパクション（Ｒａｐｉｄ  Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）」、第７巻、第５４２〜５４６ページに示されている。ＲＯＣプロセスにおいて、多孔性生素地は、先ず、焼結温度で粘性の液体の用に作用する圧力伝達材料中に埋められる。この材料および生素地は、その後の加工の最中に亀裂が発生したりまたは破裂したりすることがないよう十分な可塑性を有する容器またはシェル中に含まれる。これを達成するために、シェルは例えば薄い鋼ライナを備えていてもよい。生素地は、グラファイトフォイルまたはホウ素窒化物などのバリア層中に包まれていてもよい。好適な圧力伝達材料としては、ガラスが加圧下で生素地中に浸入しないよう十分な粘度を有するガラスが挙げられる。代表的なガラスとしては、シリカおよびホウ素を高濃度で含有するガラスが挙げられる。
【００２９】
最終的な製造ステップにおいて、焼結製品は、必要な最終仕上げおよび／または形状に従って、例えば、追加の研削仕上げ、ラップ仕上げおよび／または研磨プロセスにより仕上げられる。例えば、本発明の焼結製品は、ダイフェース、材料クーポン、被覆ダイ本体、オリフィスニブ５２または摩耗パッド５８であり得る。
【００３０】
好ましくは、オリフィスニブ５２および摩耗パッド５８は、加工後に、１〜２０ミクロンおよび、好ましくは３〜６ミクロンの平均粒径を有するであろう。オリフィスニブ５２および摩耗パッド５８の硬度は、ＨＲＡスケールで計測されて約８６〜約９３の範囲内であることが好ましい。
【００３１】
本発明の実施が以下の実施例においてさらに記載されている。
【実施例】
【００３２】
本発明の実施形態により、以下の公称組成を有するサンプルを形成した：３８．５重量パーセント炭化タングステン；３８．５重量パーセント炭化チタン；１３重量パーセントニッケル；７重量パーセントコバルト；２重量パーセントＴａＮｂＣ；０．５重量パーセント炭化クロム；および０．５重量パーセントモリブデン。
【００３３】
表１および２は、本発明の実施形態に基づくＷＣ／ＴｉＣ超硬合金材料のバルク化学および材料特性を示す。バルク化学は、加工前の本発明の粉末材料のものである。材料特性は、本発明に基づいて調製されたクーポン、すなわち、高密度化後のものである。この材料の微小構造が図３に示されている。
【表１】
0005607524.tif 000002
【表２】
0005607524.tif 000003
【００３４】
本発明の超硬合金は、従来の炭化物材料より少なくとも約１０倍低い熱伝導性、ならびに、ほとんどのセラミック材料より少なくとも約２〜３倍高い破壊靭性および強度を有する。一実施形態においては、焼結炭化タングステンの熱伝導性は室温で１２Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。この材料は、既存のプロセス（Ｎｉメッキ＋ロウ付）を用いて鋼上にロウ付することが可能である。５，０００ｐｓｉを超えるロウ付強度が達成された。
【００３５】
上記の明細書および図面は、本発明の目的、特徴および利点を達成する好ましい実施形態を例示する。本発明が例示の実施形態に限定されることは意図されていない。以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に属する本発明の如何なる変更も、本発明の一部としてみなされるべきである。
【図１】
0005607524.tif 000004
【図２】
0005607524.tif 000005
【図３】
0005607524.tif 000006