(57)【要約】【課題】耐摩耗性部材をニヤネットシェイプに製作することにより、加工費を大幅に安価にすること。【解決手段】焼結後の形状及び寸法をニヤネットシェイプに仕上げることが出来る焼結耐摩耗性部材であって、炭化物相が８０重量％以上であり、結合相が１％〜２０重量％、リンが０．０１重量％〜２．０重量％であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結後の形状及び寸法をニヤネットシェイプに仕上げることが出来る焼結耐摩耗性部材であって、炭化物相が８０重量％以上であり、結合相が１％〜２０重量％、リンが０．０１重量％〜２．０重量％であることを特徴とする焼結耐摩耗性部材。
【請求項２】
炭化物がＷＣである請求項１に記載の耐摩耗性部材。
【請求項３】
結合相が鉄系金属のＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびその合金からなる群から選択された少なくとも１つを含む請求項１に記載の耐摩耗性部材。
【請求項４】
リンが０．０５％〜１．０重量％である請求項１に記載の耐摩耗性部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性部材を用いたプラスティック用金型。
【請求項６】
炭化物と、リンを含む鉄系金属粉末を混合し、所定形状のカーボン型に充填する工程と、結合相の液相発生温度以上、且つ結合相がカーボンと反応層を形成しない温度以下にて加圧焼結する工程を含むことを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法。
【請求項７】
炭化物とリンを含む鉄系金属粉末を混合する工程と、所定形状のカーボン型に充填する工程と、これを１１００℃以下で加圧焼結する工程を含むことを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はニヤネットシェイプ耐摩性部材、その耐摩耗性部材を用いたプラスティック用金型及びその耐摩耗性部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年プラスティック材料はあらゆるところに広く用いられ、用途によっては非常に高性能な材料特性を要求され、多種多様の材料開発が行われている。このため材料によってはプラスティック用の金型材料は非常に過酷な条件で使用される。
【０００３】
例えば半導体製造における樹脂封し工程では、４００℃前後の高温と、２０００ｋｇｆ／ｃｍ２近い圧力で成形され、これは金型材料にとっては非常に厳しい使用条件である。特にポット、プランジャー、ゲート（鋳込み口）などの部材は耐摩耗性と高温強度が要求され、一般的に耐摩性部材、特に超硬合金が用いられている。
【０００４】
従来、超硬合金部材は粉末冶金法で製造され、一般的には焼結前に大雑把な直線的な形状に成形を行って焼結し、その後仕上げ精加工を行うというものである。したがって加工代が多い。また、超硬合金は優れた硬度と靭性および耐摩耗性を有しているが、それゆえにその加工はダイヤモンド砥石による研削加工或いは放電加工に頼っている。したがって加工代が多いと、精密加工に要する費用は大変高価になる。また、必然的に加工形状には制限があり、加工コストは極めて高価となる。
【０００５】
特に内面加工は困難を極め、放電焼結に頼る方法、または複雑な割り型にする方法が採用されているが、曲面、窪み等は勿論の事、その加工形状は大きく制限されている。このため研削代の削減が叫ばれ、限りなくニヤネットシェイプの耐摩耗素材の提供が金型製造業界を初めとする産業界から強く要求されている。
【０００６】
なお最近、射出成型による超硬合金の製造も一部で行われているが、数量、部材の大きさ、形状、等々に多くの制限があり、その成形型も高価である。加えて納期が長くかかる。これらの技術は焼結前に成形を行い、その後焼結するため、焼結時の収縮変形が避けられない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に超硬合金の焼結温度は、真空焼結で製造する場合は１３５０℃〜１４５０℃、ホットプレスで製造する場合は１２５０℃〜１３５０℃である。超硬合金は約１２００℃以上の温度では急激にカーボンと反応して浸炭され、表面部の機械的性質を極端に劣化させる。このためホットプレス用のカーボンモールドは超硬合金との反応を防ぐ為、通常アルミナ、BN（チッ化ホウ素）などの材料でコーティングされる。これらの材料は超硬合金の表面を荒し、変質層を形成する。これらの事から、焼結材の表面に加工代を付けておく必要があり、ニヤネットシェイプは不可能であった。
【０００８】
超硬合金が円筒形状の場合はHIP（熱間等方加圧）処理が可能であり、より効果的である。HIP処理においては超硬合金へ等方的に圧力がかかるため形状の転写性能が優れているからである。しかしながら、超硬合金のＨＩＰ処理は、従来は特殊な方法、例えば、圧力媒体としてサンドを用いるロック法（Rapid Omnidirectional Compaction :metals hanndobook,vol.7 P.542~546）でしか行うことが出来なかった。ＨＩＰ処理の際には、密閉容器を用いた封し（キャンニング）が行われるが、１１５０℃を越えると、鉄系材料製の密閉容器は、カーボンモールドからの浸炭で鉄系材料の融点が低下し溶け落ちるため、気体を圧力媒体とする通常のHIPは不可能であるからである。
【０００９】
本発明の主な課題は、耐摩耗性部材をニヤネットシェイプに製作することにより、上記の問題を解決し加工費を大幅に安価にすることである。
本発明の他の課題は、これまで不可能であった内面形状付きの耐摩耗性部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、焼結後の形状及び寸法をニヤネットシェイプに仕上げることが出来る焼結耐摩耗性部材であって、炭化物相が８０重量％以上であり、結合相が１％〜２０重量％、リン（P）が０．０１重量％〜２．０重量％であることを特徴とする焼結耐摩耗性部材が提供される。
【００１１】
炭化物はＷＣである。
また、結合相は、鉄系金属のＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびその合金からなる群から選択された少なくとも１つを含む。
リンは好ましくは０．０５％〜１．０重量％である。
【００１２】
本発明による焼結耐摩耗性部材のホットプレス用の型材としては加工性、強度、単価等、あらゆる点でカーボン（例えばグラファイト）が最適である。このカーボン型材に粉末を充填し、低温ホットプレス焼結する事で、型材に掘り込んだ形状を超硬合金に転写する。
具体的には炭化物と融点降下元素であるリンを含んだ鉄系金属からなる配合粉末を、この型材に充填して、５００ｋｇ/ｃｍ２で加圧しながら1０００℃でホットプレス焼結する。
【００１３】
焼結後、カーボンに加工された形状は焼結体に転写されニヤネットシェイプの耐摩耗性部材が得られる。融点降下元素であるリンの添加により、超硬合金の低温ホットプレス焼結が可能になった。このため焼結体表面のカーボン型からの浸炭の影響を僅かにすることができる。
【００１４】
更に、本発明によれば、請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性部材を用いたプラスティック用金型が提供される。
【００１５】
更に、本発明によれば、炭化物と、リンを含む鉄系金属粉末を混合し、所定形状のカーボン型に充填する工程と、結合相の液相発生温度以上、且つ結合相がカーボンと反応層を形成しない温度以下にて加圧焼結する工程を含むことを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法が提供される。
具体的には金属炭化物からなる硬質粒子と、リンを含有する鉄系金属結合材料のリンの割合を調整して焼結適正温度を１０００℃程度の低温度とした粉末を混合製作する。
【００１６】
更に、本発明によれば、炭化物とリンを含む鉄系金属粉末を混合する工程と、所定形状のカーボン型に充填する工程と、これを１１００℃以下で加圧焼結する工程を含むことを特徴とする耐摩耗性部材の製造方法が提供される。
焼結しょうとする形状と逆の凹凸形状を加工したカーボンモールドに混合粉末を充填してホットプレス焼結し、焼結後カーボンを除去する事により、超硬合金耐摩耗性部材が製造される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の耐摩耗性部材は融点降下元素すなわちリンの添加により焼結温度を１０００℃程度に低くする事ができ、これによりカーボンと超硬合金の反応（浸炭）を防ぎ、カーボン型の形状を超硬合金焼結体にニヤネットで転写することが可能となる。
【００１８】
また、ＨＩＰ処理の際に用いる鉄系材料製の密閉容器に、カーボンモールドからの浸炭が発生しないので、気体を圧力媒体とする通常のHIPを行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明による焼結耐摩耗性部材は、WCが８０重量％以上であり、鉄系金属のＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびその合金からなる群から選択された少なくとも１つを含む結合相が１％〜２０重量％、リンが０．０１重量％〜２．０重量％、好ましくは０．０５％〜１．０重量％であり、焼結後の形状及び寸法をニヤネットシェイプに仕上げることが出来るものである。
また、本発明によるプラスティック用金型は、上記の耐摩耗性部材を用いたものである。
更に、本発明による耐摩耗性部材の製造方法は、WCと、リンを含む鉄系金属粉末を混合し、所定形状のカーボン型に充填する工程と、結合相の液相発生温度以上、且つ結合相がカーボンと反応層を形成しない温度以下にて加圧焼結する工程を含むものである。
更に、本発明による他の耐摩耗性部材の製造方法は、WCとリンを含む鉄系金属粉末を混合する工程と、所定形状のカーボン型に充填する工程と、これを１１００℃以下で加圧焼結する工程を含むものである。
【００２０】
リン添加超硬合金の特性
ところで、リンの微量添加によって耐摩耗材料の特性が損なわれる懸念があるが、下記２．及び３．で説明するように実験の結果、１．０重量％添加までは耐摩耗材料として十分な靭性と機械的特性を有していた。
【００２１】
また、カーボン型材から浸炭による焼結体の材質劣化については、焼結温度約１０００℃、保持時間約１５分の条件で焼結し組織調査を行ったところ、浸炭によるフリーカーボンの析出は無く材質劣化は認められなかった。
リンを選んだ理由は、微量添加により１０００℃の低温ホットプレス焼結が可能になると共に、耐摩耗材料として要求される、硬度、靭性が得られるためで、以下にこれを示す。
【００２２】
１．焼結温度と組織および外観
１μmのＷＣ粒子８３wt％、Co１５wt％、及び２wt％のNiP粉末を混合し、各種温度で焼結した。得られた焼結体の組織を図１に、組織および外観の評価を表１に示す。
【表１】
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【００２３】
２．焼結温度と密度、硬度
上述した８３ＷＣ−１５Ｃｏ−２NiPの材料についてホットプレス焼結（２０分保持―５００kg・ｃｍ２）を行い、焼結温度と密度、及びビッカース硬度の関係を調べた結果をそれぞれ図２，図３に示す。約９４０℃でほぼ１００％の密度を示してビッカース硬度も約９４０℃以上で最高値に達している。これは概ね９５０℃でほぼ完全な焼結が可能である事を示している。
【００２４】
３．靭性
超硬合金の靭性に及ぼすリン含有量の影響を調べるため、上述した８３ＷＣ−１５Ｃｏ−２NiPの材料について焼結条件を固定（１０００℃―２０分―５００ｋｇ／ｃｍ２）して、リンの添加量を変えた焼結体（試料１〜６）の破壊靭性値を測定した。この破壊靭性値を市販の同一硬度レベルの超硬合金の破壊靭性値と比較した結果を表２に示す。なお、市販の超硬合金の焼結温度は1390℃である。
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【００２５】
超硬合金は高い硬度と靭性が要求されるが、超硬合金は硬度が高くなるほど靭性が低く、硬度が低い程靭性が高い傾向がある。同一硬さレベルの市販の超硬合金との比較試験では、試料２〜試料５については概ね同程度の靭性を保持していることが分かる。この事から耐摩耗性部材として問題の無い強度を有していると判断できる。
また、リン含有量が高い試料６は、組織にＮｉのプールが目立ち、試料２〜５に較べ靭性値は低いが、転写用途によっては利用可能な値である。他方、リン含有率の低い試料１は焼結不良であったが、焼結温度を変えて1100℃とすることにより、良好な組織が得られた。
【実施例１】
【００２６】
WC（サイズ1μm）８３ wt％−Co（3μm）１５ wt％−NiP（リン含有量１０重量％−４００メッシュ以下）２ wt％  を１ｋｇ秤量し、ボールミルにてアルコール２００ｃｃ、８φの超硬合金ボール２ｋｇと共に４８時間混合し、乾燥した。
この粉末を、形状を加工したカーボンパンチ（図４）で１０００℃―２０分保持の条件で５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレスを行った。冷却後炉より取り出し、カーボン型材を除去した。
【００２７】
得られたニヤネットシェイプの焼結体を図５に示す。形状、寸法調査の結果、カーボンパンチ形状および面粗度は正確に転写されており、焼結状態は良好であった。
表面部の硬度測定では（ｍＨＶ：１ｋｇ）１５５３〜１６０４で、部処による特別な傾向はなく、断面硬度測定でも、ｍＨＶ（１ｋｇ）１５３１〜１５９９で、部処による硬度差は認められなかった。
【００２８】
カーボン接触部の組織観察の結果、浸炭に起因するフリーカーボンの析出は無く、EPMA（X線マイクロアナライザー）分析の結果でも浸炭は認められなかった。焼結体断面の分析位置を図６に、分析位置のSE(２次電子)像、炭素のEDS（特性Ｘ線）像をそれぞれ図７，図８に示す。超硬合金表面層に炭素濃度の濃淡は見られず、浸炭していない事を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】各焼結温度における組織および外観の写真を示す図である。
【図２】８３ＷＣ−１５Ｃｏ−２NiPの材料についてホットプレス焼結での焼結温度（２０分保持―５００kg・ｃｍ２）と密度の関係を示す。
【図３】８３ＷＣ−１５Ｃｏ−２NiPの材料についてホットプレス焼結での焼結温度（２０分保持―５００kg・ｃｍ２）とビッカース硬度の関係を示す。
【図４】実施例１において行ったホットプレスに用いたカーボンパンチの写真を示す図である。
【図５】実施例１で得られたニヤネットシェイプの焼結体の写真を示す図である。
【図６】実施例１で得られたニヤネットシェイプの焼結体断面の分析位置の写真を示す図である。
【図７】実施例１で得られたニヤネットシェイプの焼結体断面の分析位置のSE像の写真を示す図である。
【図８】実施例１で得られたニヤネットシェイプの焼結体断面の分析位置のEDS像の写真を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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