(57)【要約】【課題】接合部の選択的消耗を低減できるとともに接合強度を向上できる、超硬合金とバインダレス超硬合金との接合体を提供する。【解決手段】表面層と背面層とが中間層を介して接合されている接合体において、前記表面層は、金属相を含有しないバインダレス超硬合金であり、前記背面層は、金属相を含有する超硬合金であり、前記中間層は、前記背面層の金属相と同一の金属相を、０質量％を超え前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面層と背面層とが中間層を介して接合されている接合体において、
前記表面層は、金属相を含有しないバインダレス超硬合金であり、
前記背面層は、金属相を含有する超硬合金であり、
前記中間層は、前記背面層の金属相と同一の金属相を、０質量％を超え前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有することを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記表面層は、炭化タングステン相を８０質量％以上含有し、金属相を含有しないバインダレス超硬合金であり、
前記背面層は、金属相を１質量％以上２０質量％以下含有し、炭化タングステン相以外の炭化物相の含有量が１０質量％以下（０を含む）であり、残部が炭化タングステン相からなる超硬合金であり、
前記中間層は、金属相を、０質量％を超え前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有する、請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記中間層の厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の接合体。
【請求項４】
前記表面層を構成するバインダレス超硬合金と前記背面層を構成する超硬合金との熱膨張係数差が１．５×１０−６／Ｋ以下である、請求項１から３のいずれかに記載の接合体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の接合体の使用方法において、
使用時の各層に掛かる摩擦力が、
表面層に掛かる摩擦力＞背面層に掛かる摩擦力
であることを特徴とする接合体の使用方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の接合体の使用方法において、
表面層を構成するバインダレス超硬合金と背面層を構成する超硬合金とを、１０００℃以上１５００℃以下の温度にて拡散接合を行い、前記背面層の金属相と同一の金属相を、０質量％を超え前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有する中間層を生成することを特徴とする接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超硬合金とバインダレス超硬合金との接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期律表IVａ、Vａ、VIａ族金属の炭化物相をＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属相で結合した超硬合金は、耐摩耗性、耐熱・耐食性に優れ、また靱性もセラミックスに比べて高いことなどから、切削用工具をはじめ、ロール、ノズル、土木建設用工具など多くの産業分野に応用されている。代表的な超硬合金はＷＣ−Ｃｏ系であり、これは炭化タングステン（ＷＣ）相を基とし、コバルト（Ｃｏ）相やニッケル（Ｎｉ）相を金属相として含む。
【０００３】
一方、近年では、金属相を含まない超硬合金、すなわちバインダレス超硬合金も開発されている。このバインダレス超硬合金は、ＷＣ−Ｃｏ系のような一般的な超硬合金では得られなかった、優れた硬さ、耐食性、耐酸化性を有することから、より高い耐摩耗性や耐食性が要求される技術分野、例えばカメラ用レンズ成形用金型、レーザー照射装置のマスク材、核融合炉の炉壁材などへの応用が期待されている。
【０００４】
ただし、バインダレス超硬合金は金属相を含まないことからセラミックスと似た性質を持ち、金属相を含む一般的な超硬合金に比べ抗折力（曲げ強度）に劣るので、バインダレス超硬合金単独での製品化には制約がある。すなわち、高い耐摩耗性と抗折力の両方が求められる用途には、抗折力不足のため適用が難しい。
【０００５】
この点、特許文献１には、セラミックスと超硬合金とを、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属からなる介在層を介して接合する技術が開示されている。しかし、この特許文献１の技術により得られる接合体では、セラミックスと超硬合金との接合部である介在層が金属よりなることから、その接合部が選択的に消耗し、また、接合強度も低くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−１６８５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、接合部の選択的消耗を低減できるとともに接合強度を向上できる、超硬合金とバインダレス超硬合金との接合体、その使用方法及び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】
【０００８】
本発明の接合体は、表面層と背面層とが中間層を介して接合されている接合体において、前記表面層は、金属相を含有しないバインダレス超硬合金であり、前記背面層は、金属相を含有する超硬合金であり、前記中間層は、前記背面層の金属相と同一の金属相を、０質量％を超え前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の接合体の使用方法は、使用時の各層に掛かる摩擦力が、表面層に掛かる摩擦力が背面層に掛かる摩擦力よりも大きい（「表面層に掛かる摩擦力＞背面層に掛かる摩擦力」と表現する）ことを特徴とする。同じく中間層については、上下限が表面層と背面層とに掛かる摩擦力とすることが適当である。
【００１０】
本発明の接合体の製造方法は、表面層を構成するバインダレス超硬合金と背面層を構成する超硬合金とを、１０００℃以上１５００℃以下の温度にて拡散接合を行い、前記背面層の金属相と同一の金属相を、０質量％を超え前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有する中間層を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の接合体は、バインダレス超硬合金からなる表面層と超硬合金からなる背面層とが、前記背面層の金属相と同一の金属相を前記背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有する中間層を介して接合されてなる。これにより、接合部の選択的消耗を低減できるとともに接合強度を向上できる。
【００１２】
また、本発明の接合体を、使用時の各層に掛かる摩擦力が表面層＞背面層であるように使用することで、本発明の接合体の特徴（利点）をいかんなく発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】拡散接合により接合した本発明の接合体（本発明品）の抗折力試験後の外観を示す。
【図２】ロウ付け接合により接合した比較品の抗折力試験後の外観を示す。
【図３】本発明品の接合部近傍のＳＥＭ観察結果を示す。
【図４】本発明品の接合部近傍のコバルト相（金属相）の含有量をＥＰＭＡのライン分析により定量した結果を示す。
【図５】本発明品及び比較品の接合部近傍の硬さの変化を示す。
【図６】低温条件で拡散接合した本発明の接合体の接合部近傍のＳＥＭ観察結果を示す。
【図７】本発明の接合体の使用方法を例示する模式図である
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、表面層は、炭化タングステン相を８０質量％以上含有し、金属相を含有しないバインダレス超硬合金であり、背面層は金属相（典型的には、金属バインダである、コバルト相及び／又はニッケル相）を１質量％以上２０質量％以下含有し、炭化タングステン相以外の炭化物相の含有量が１０質量％以下（０を含む）であり、残部が炭化タングステン相からなる超硬合金であり、中間層は、金属相を、０質量％を超え背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有する。すなわち、この実施形態において中間層は、表面層を構成するバインダレス超硬合金と背面層を構成する超硬合金との中間的な組成を有するＷＣ−金属系の超硬合金になり得るので、接合部の選択的消耗を効果的に低減できるとともに接合強度を効果的に向上できる。
【００１５】
本発明の接合体において中間層の厚さは、接合部の選択的消耗を効果的に低減するとともに接合強度を効果的に向上する点から、５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましい。
【００１６】
また、本発明の接合体において表面層を構成するバインダレス超硬合金と背面層を構成する超硬合金との熱膨張係数差は、接合時や使用時の温度変化による両合金の膨張、収縮量の差により生じる内部応力を低減する点から、１．５×１０−６／Ｋ以下であることが好ましく、０．７×１０−６／Ｋ以下であることがより好ましい。
【００１７】
以上のような本発明の接合体は、表面層を構成するバインダレス超硬合金と背面層を構成する超硬合金とを拡散接合することによって得ることができる。すなわち、前記拡散接合により、背面層の金属相と同一の金属相を、０質量％を超え背面層中の金属相の含有量未満の範囲で含有する中間層、具体的には表面層を構成するバインダレス超硬合金と背面層を構成する超硬合金との中間的な組成であって金属相が傾斜組成を有する中間層が生成し、この中間層を介して表面層と背面層とが接合される。そして、拡散接合の温度や時間を調整することにより、中間層の厚さや組成を制御することができる。この拡散接合の温度は１０００℃以上１５００℃以下とすることが適当で、時間は１０分以上５時間以下とすることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の接合体は、使用時の各層に掛かる摩擦力が、「表面層に掛かる摩擦力＞背面層に掛かる摩擦力」であるように使用することが好ましい。すなわち、本発明の接合体は、背面層（超硬合金）側に耐衝撃性や高強度が必要であり、表面層（バインダレス超硬合金）側に強い摩擦力が加わる用途に好適である。例えば、粒子を含む流体用のノズルに使用する場合には、流体を受け止め、ある程度の形状に流体を変形させる部分を背面層（超硬合金）側とし、流体中の粒子が圧力を高めた状態で摩擦する部分を表面層（バインダレス超硬合金）側とするような使用方法に適している。特に、流体中の粒子がセラミックスなどの硬質粒子である場合に、本発明の接合体は有効である。
【００１９】
以上の使用方法を例示する模式図を図７に示す。
図７（ａ）はノズルヘッドの模式図であり、上部から下部に向かい、流体が動くことを想定している。この図中で、内径が広い部分から狭い部分へとすぼむ斜面部分は、耐衝撃性や高強度が必要であり、前記背面層に該当する。また、流体と壁面との間で強い摩擦を生じるのは、下部の狭い部分であり、この部分は前記表面層に該当する（図７で中間層は省略している）。図７（ａ）では、内径が狭い部分全体をバインダレス超硬合金からなる表面層、内径が広い部分から傾斜部分までを超硬合金からなる背面層としているが、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、境界部分や中間層は必ずしも図７（ａ）に示す位置とする必要はなく、耐衝撃性や高強度が必要な部分を超硬合金とし、少なくとも流体の出口となる部分をバインダレス超硬合金とすればよい。
【００２０】
このような流体用のノズルのほか、本発明の接合体は、刃物（刃先が表面層（バインダレス超硬合金）側、母材が背面層（超硬合金）側）、摺動部品（摺動部が表面層（バインダレス超硬合金）側、母材が背面層（超硬合金）側）、噴射ノズル（ノズル先端部が表面層（バインダレス超硬合金）側、母材が背面層（超硬合金）側）などとして好適に使用できる。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例として、金属相を含まず炭化タングステン相の単相からなるバインダレス超硬合金と、金属相としてコバルト相を６．５質量％含むＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金とを真空雰囲気下で１３００℃×９０ｍｉｎの条件で拡散接合して接合体（本発明品）を得た。また、比較例として、実施例と同じバインダレス超硬合金と超硬合金とをロウ付けにより接合して接合体（比較品）を得た。そして、本発明品及び比較品の各６個の試験片について、超硬工具協会規格「ＣＩＳ０２６Ｂ−２００７」に基づき、接合部を荷重点として抗折力試験を行い、抗折力を測定した。その結果を表１に示す。また、本発明品（６個の試験片）の抗折力試験後の外観を図１に示し、比較品（６個の試験片）の抗折力試験後の外観を図２に示す。また、本発明品の接合部近傍のＳＥＭ観察結果を図３に示し、本発明品の接合部近傍のコバルト相（金属相）の含有量をＥＰＭＡのライン分析により定量した結果を図４に示す。さらに、本発明品及び比較品の接合部近傍の硬さの変化を図５に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
まず、図３を参照すると、本発明品においてバインダレス超硬合金と超硬合金とは拡散接合により生成した厚さ４００μｍ程度の中間層を介して接合されていることが確認された。また図４に示すように、この中間層（接合部）には、超硬合金の金属相と同一の金属相であるコバルト相が、超硬合金中の金属相（コバルト相）の含有量未満の範囲で含有されていることが確認された。すなわち、本発明品においてバインダレス超硬合金と超硬合金は、これらの中間的な組成を有する超硬合金からなる中間層を介して接合されていることが確認された。
【００２４】
さらに本発明品は、例えば特許文献１に示すような介在層を有さないために、図５に示すように接合部に起因する硬さの低下がない。一方、比較品においてはロウ付けによる接合部の硬さが低下しており、これを耐摩耗部材として用いると、接合部に摩耗が集中してしまいそれが部材寿命となってしまうため、超硬合金やバインダレス超硬合金の長所を活かせない。
【００２５】
そして表１に示すように、本発明品の抗折力は比較品より大幅に高く、図１に示すように、抗折力試験において本発明品は、超硬合金より抗折力の低いバインダレス超硬合金側を基点に破壊しているものが多かった。すなわち、本発明品において中間層（接合部）の抗折力（強度）はバインダレス超硬合金より高く、バインダレス超硬合金と超硬合金とが十分な接合強度をもって接合されていることが確認された。
【００２６】
一方、比較品については、図２に示すように、抗折力試験においてロウ付けによる接合部を基点として破壊した。すなわち、比較品では、バインダレス超硬合金と超硬合金との接合強度が低く、この比較品はバインダレス超硬合金と超硬合金との接合部が選択的に消耗しやすいと言える。
【００２７】
以上のとおり、本発明によれば、表面層（バインダレス超硬合金）と背面層（超硬合金）と接合部の選択的消耗を低減できるとともに接合強度を向上できることが確認された。
【００２８】
なお、本発明品で使用したバインダレス超硬合金と超硬合金の熱膨張係数は、それぞれ４．５×１０−６／Ｋと５．２×１０−６／Ｋであり、熱膨張係数差は０．７×１０−６／Ｋであった。このほかに本発明者らは、熱膨張係数が６．０×１０−６／Ｋの超硬合金と前記バインダレス超硬合金とを拡散接合することによっても、前記比較品に比べ、接合部分の選択的消耗を低減できるとともに接合強度を向上できることを確認している。
【００２９】
また、１３００℃×９０ｍｉｎの条件で拡散接合した本発明品における中間層の厚さは前述のとおり４００μｍ程度であったが、拡散接合の温度を１２００℃と低くすることにより、図６に示すように、中間層の厚さを１００μｍ程度に小さくすることができ、本発明者らは、この厚さ１００μｍ程度の中間層によっても前記本発明品と同等の特性が得られることを確認している。
【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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