(57)【要約】      （修正有）【課題】電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む、機械的及び化学的特性に優れたグレード粉末組成物の提供。【解決手段】グレード粉末組成物は、グレード粉末組成物の少なくとも７５重量パーセントの量の再生粉末成分を含み、再生炭化物成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
グレード粉末組成物であって、
前記グレード粉末組成物の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物粉末成分を含み、前記再生炭化物成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む、グレード粉末組成物。
【請求項２】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、炭化タングステンを含む、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項３】
前記再生炭化物粉末成分は、ＩＶＢ族金属炭化物、ＶＢ族金属炭化物、及びＶＩＢ族金属炭化物からなる群より選択される少なくとも１つの金属炭化物を更に含む、請求項２に記載のグレード粉末組成物。
【請求項４】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、０．５μｍ〜３０μｍの平均粒径を有する、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項５】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、１μｍ〜５μｍの平均粒径を有する、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項６】
前記再生炭化物粉末成分は、前記グレード粉末組成物の７５〜９９重量パーセントの量で存在する、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項７】
前記再生炭化物粉末成分は、前記グレード粉末組成物の９０〜９９重量パーセントの量で存在する、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項８】
前記再生炭化物粉末成分は、前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になる、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項９】
粉末金属結合剤を更に含む、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項１０】
前記粉末金属結合剤は、前記グレード粉末組成物の１〜３０重量パーセントの量で存在する、請求項９に記載のグレード粉末組成物。
【請求項１１】
バージン炭化物粉末成分を更に含む、請求項１に記載のグレード粉末組成物。
【請求項１２】
焼結超硬合金物品であって、
前記焼結超硬合金物品の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物相と、
金属結合剤と、
を含み、前記再生炭化物相は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む、焼結超硬合金物品。
【請求項１３】
前記再生炭化物相は、前記焼結超硬合金物品の９０〜９９重量パーセントの量で存在する、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項１４】
前記再生炭化物相は、前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になる、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項１５】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、炭化タングステンを含む、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項１６】
ＩＶＢ族金属炭化物、ＶＢ族金属炭化物、及びＶＩＢ族金属炭化物からなる群より選択される少なくとも１つの金属炭化物を更に含む、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項１７】
破壊靭性が５〜２０ｋｓｉ（ｉｎ１／２）である、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項１８】
抗折力が２５０〜６５０ｋｓｉである、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項１９】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、０．５μｍ〜１５μｍの平均粒径を有する、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項２０】
密度が１４〜１５ｇ／ｃｍ３である、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項２１】
硬度が８０〜９５ＨＲＡである、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項２２】
切削要素の形状を有する、請求項１２に記載の焼結超硬合金物品。
【請求項２３】
焼結超硬合金物品を作製する方法であって、
グレード粉末組成物を提供することであって、前記グレード粉末組成物は、前記グレード粉末組成物の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物粉末成分を含み、前記再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む、グレード粉末組成物を提供することと、
前記グレード粉末組成物から素地（ｇｒｅｅｎ）物品を形成することと、
前記素地物品を焼結して、焼結超硬合金物品を提供することと、
を含む、方法。
【請求項２４】
前記グレード粉末組成物を提供することは、前記再生炭化物成分を金属結合剤とミル粉砕することを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、炭化タングステンを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、０．５μｍ〜１５μｍの平均粒径を有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記再生炭化物粉末成分は、前記グレード粉末組成物の９０〜９９重量パーセントの量で存在する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記再生炭化物粉末成分は、前記電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記グレード粉末組成物は、ＩＶＢ族金属炭化物、ＶＢ族金属炭化物、及びＶＩＢ族金属炭化物からなる群より選択される少なくとも１つの金属炭化物を更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記グレード粉末組成物は、バージン炭化タングステン粉末を更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記焼結超硬合金物品は、５〜２０ｋｓｉ（ｉｎ１／２）の破壊靭性を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記焼結超硬合金物品は、２５０〜６５０ｋｓｉの抗折力を有する、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレード粉末及び関連する焼結超硬合金組成物に関し、より具体的には、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含むグレード粉末及び焼結超硬合金組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
タングステンは、様々な分野、とりわけ工具産業に重点を置いて応用される、産業上重要な金属である。タングステン及びその炭化物形態は硬度、耐熱性、及び耐摩耗性が高く、これによりタングステン及びその炭化物形態を切削工具、採掘及び土木工具、並びに形成工具、例えば、金型及びパンチで使用するのに理想的な候補にする。超硬炭化タングステン工具は、例えば、世界中のタングステン消費の大部分を占める。２００７年のアメリカ地質調査所によれば、タングステン資源の鉱床は合計でほぼ３００万トン近くであった。現在の生産レベルでは、これらの資源は今後４０年以内に枯渇に直面するであろう。さらに、一握りの国が世界中のタングステン鉱床の大部分を支配している。例えば、中国は、タングステン鉱床の約６２％を支配し、生産量の８５％を占める。
【０００３】
タングステンの限られた供給及びその不公平な世界分布を考慮して、スクラップ炭化タングステン組成物をリサイクルするためのプロセス開発に多大な資源が投資されている。例えば、炭化タングステンスクラップを溶融硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）と焙焼して水溶性のＮａ２ＷＯ４を生成する、湿式製錬タングステンリサイクルプロセスが開発されている。Ｎａ２ＷＯ４は、いくつかの異なる化学種への変換を受けて、（ＮＨ４）２ＷＯ４の水溶液になる。パラタングステン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ  ｐａｒａｔｕｎｇｓｔａｔｅ、ＡＰＴ）は焙焼により容易に酸化タングステン（ＷＯ３）に変換され、続いて浸炭されて炭化タングステン（ＷＣ）になり得る。しかしながら、このリサイクルプロセスは、多くの加工ステップ、高い化学的消費、及び高いエネルギー消費等のいくつかの欠点を有する。したがって、大規模生産が達成されるまで、収益性が限られる。
【０００４】
ＷＣスクラップをリサイクルするための代替プロセスには、溶融亜鉛金属を用いる。このプロセスにおいて、超硬合金スクラップはトレイ内で亜鉛インゴットと混合され、混合物は炉内で加熱されて亜鉛が液化される。液化亜鉛は、金属結合剤相と反応するＷＣスクラップに浸透する。続いて、亜鉛は揮発されて、粉末形態に破砕される多孔質ＷＣが残る。この亜鉛処理プロセスも重大な欠点を有する。例えば、亜鉛の液化は、高いエネルギー消費を必要とする。しかしながら、更なる問題は、得られる多孔質ＷＣの汚染状態である。亜鉛処理では、金属炭化物粒成長抑制剤及び金属結合剤等のＷＣ組成物中の不純物が除去されない。このような不純物により機械的及び化学的特性が劣ることになり、これにより、新しい工具の製造におけるリサイクルＷＣ組成物の使用が制限される。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書には、ある態様では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含むグレード粉末組成物が記載される。他の再生又はリサイクル技術とは対照的に、電気化学的処理によれば、焼結炭化物スクラップから相当量の金属結合剤及び他の不純物を除去することができる。これらの不純物の除去により、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを新たな粉末金属結合剤及び他の成分と組み合わせて焼結超硬合金部品の生産のための新しいグレード粉末組成物を提供するための、有意な柔軟性が提供される。ある実施形態では、例えば、グレード粉末組成物は、グレード粉末組成物の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物粉末成分を含み、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、炭化タングステンを含んでいてもよい。ある実施形態では、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になる。グレード粉末組成物はまた、粉末金属結合剤を含んでいてもよい。
【０００６】
本明細書には、別の態様では、焼結超硬合金物品が記載される。焼結超硬合金物品は、焼結物品の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物相を含み、再生炭化物相は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。ある実施形態では、再生炭化物相は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になる。焼結超硬合金物品はまた、金属結合剤を含む。さらに、焼結超硬合金物品は、ある実施形態では、破壊靭性が５〜２０ｋｓｉ（ｉｎ１／２）であってもよい。焼結超硬合金物品はまた、抗折力が２５０〜６５０ｋｓｉであってもよい。
【０００７】
別の態様では、焼結超硬合金物品を作製する方法が提供される。ある実施形態では、焼結超硬合金物品を作製する方法は、粉末金属結合剤と、グレード粉末組成物の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物粉末成分とを含む、グレード粉末組成物を提供することを含み、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。グレード粉末組成物から素地（ｇｒｅｅｎ）物品が形成され、素地物品は焼結されて焼結超硬合金物品が提供される。
【０００８】
これら及び他の実施形態を、以下の詳細な説明において更に記載する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に記載される実施形態は、以下の詳細な説明及び実施例、並びにその前及びその後の説明を参照することによって、より容易に理解され得る。しかしながら、本明細書に記載される要素及び装置は、詳細な説明で提示される特定の実施形態に限定されない。これらの実施形態が本発明の原理の例示にすぎないことが認識されるべきである。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの改変及び適用が当業者に容易に明らかとなるであろう。
【００１０】
Ｉ．グレード粉末組成物
本明細書には、ある態様では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含むグレード粉末組成物が記載される。ある実施形態では、グレード粉末組成物は、グレード粉末組成物の少なくとも７０重量パーセント又は少なくとも７５重量パーセントの量の再生炭化物粉末成分を含み、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。ある実施形態では、再生炭化物粉末成分は、グレード粉末組成物の８０〜９９重量パーセント又は９０〜９９重量パーセントの量で存在する。グレード粉末組成物はまた、粉末金属結合剤を含んでいてもよい。
【００１１】
ここで具体的な成分について述べると、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。本明細書に記載されるように、電気化学的処理により、焼結炭化物スクラップから相当量の金属結合剤及び／又は他の不純物を除去することができる。ある実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、バージン炭化物と実質的に同様の物理的、機械的、及び／又は化学的特性を有する。したがって、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを新たな粉末金属結合剤及び他の成分と組み合わせて、焼結超硬合金部品の生産のための新しいグレード粉末組成物を提供するための有意な柔軟性が存在する。ある実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、炭化タングステン粒子に限定される。他の実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、炭化タングステンと、ＩＶＢ族金属炭化物、ＶＢ族金属炭化物、及びＶＩＢ族金属炭化物からなる群より選択される少なくとも１つの金属炭化物と、を含む。
【００１２】
電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、本発明の目的と矛盾しない任意の平均粒径を有していてもよい。ある実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、平均粒径が０．５μｍ〜３０μｍである。他の実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、平均粒径が１μｍ〜５μｍである。電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップに望まれる粒径は、グレード粉末の生産において焼結炭化物スクラップを粉末金属結合剤とミル粉砕することにより達成することができる。ミル粉砕されたグレード粉末を噴霧乾燥又は真空乾燥し、顆粒化して、球形等の種々の形状を有する流動性粉末凝集体を提供することができる。あるいは、グレード粉末を真空乾燥して、静水圧圧密に適した粉末を提供することができる。ある実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、金属結合剤とのミル粉砕前に、破砕又はその他のやり方で粉末状にしてもよい。焼結炭化物スクラップは、参照によりその全体が本明細書に取り込まれる米国特許第９，６５６，８７３号に記載される電気化学的技術が含まれるが、これに限定されず、種々の電気化学的技術により処理してもよい。電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップはまた、Ｇｌｏｂａｌ  Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ａｎｄ  Ｐｏｗｄｅｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｔｏｗａｎｄａ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）等の種々の商業的供給源から入手可能である。
【００１３】
ある実施形態では、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になる。例えば、ある実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、再生粉末成分の唯一の種である。あるいは、再生炭化物粉末成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップと、１つ以上の異なる再生方法により処理された焼結炭化物スクラップと、を含む。ある実施形態では、ＡＰＴ処理及び／又は亜鉛処理された焼結炭化物スクラップを、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップと組み合わせるか又は混合して、グレード粉末組成物の再生炭化物粉末成分を提供することができる。電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、本発明の目的と矛盾しない任意の量で、他の再生焼結炭化物スクラップと混合してもよい。再生炭化物粉末成分中の電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップの量は、グレード粉末から形成される物品に望まれる機械的及び化学的特性、並びに再生炭化物粉末成分中の他の粉末の組成の内容等のいくつかの考慮事項に応じて選択してもよい。ある実施形態では、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップは、再生炭化物成分の５０〜１００重量パーセントの量で存在する。電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップはまた、表Ｉから選択される重量パーセントで再生炭化物粉末成分中に存在していてもよい。再生炭化物粉末成分の残部の重量パーセントは、ＡＰＴ及び／又は亜鉛処理された焼結炭化物スクラップ等の他の再生焼結炭化物スクラップにより満たされる。
【００１４】
【表１】
2019035143.tif 000002
【００１５】
ある実施形態では、グレード粉末は、バージン炭化物成分を更に含んでいてもよい。バージン炭化物成分は、周期表のＩＶＢ族、ＶＢ族、及びＶＩＢ族から選択される１つ以上の金属の炭化物、窒化物及び／又は炭窒化物を含んでいてもよい。バージンであるとは、金属炭化物、窒化物、及び／又は炭窒化物が、焼結炭化物組成物の一部となっていたことがなかったことを意味する。ある実施形態では、バージン炭化物成分は、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、炭化クロム、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化チタン、及びこれらの固溶体のうちの少なくとも１つを含む。バージン炭化物成分は、本発明の目的と矛盾しない任意の量で、グレード粉末組成物中に存在することができる。バージン炭化物成分の量は、グレード粉末で形成される焼結物品に望まれる機械的及び化学的特性、並びに再生炭化物粉末成分の組成の内容等のいくつかの考慮事項に応じて選択してもよいが、考慮事項はこれらに限定されない。ある実施形態では、バージン炭化物成分は、グレード組成物の０〜２０重量パーセントの量、例えば、グレード組成物の０．１〜２０重量パーセントの量で存在する。
【００１６】
グレード組成物はまた、粉末金属結合剤を含んでいてもよい。粉末金属結合剤は、周期表のＶＩＩＩＢ族の金属等の１つ以上の遷移金属を含んでいてもよい。ある実施形態では、例えば、粉末金属結合剤は、コバルト又はコバルト系合金である。ある実施形態では、粉末コバルト系合金結合剤は、コバルト−遷移金属合金を含む。例えば、結合剤合金の遷移金属は、モリブデン、ルテニウム、レニウム、ロジウム、白金、パラジウム、マンガン、銅、鉄、ニッケル、及びこれらの組み合わせからなる群より選択してもよい。他の実施形態では、粉末コバルト系金属結合剤は、シリコン及び／又はアルミニウムを含む。粉末金属結合剤は、本発明の目的と矛盾しない任意の量で、グレード粉末中に存在していてもよい。金属結合剤は、グレード粉末組成物の１重量パーセント〜３０重量パーセントの量で存在することができる。ある実施形態では、金属結合剤は、表ＩＩから選択される量でグレード粉末組成物中に存在する。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
粉末金属結合剤は、存在する場合、再生炭化物粉末成分及びバージン炭化物成分の個々の粒子等の、グレード粉末組成物の炭化物成分を被覆する。
【００１９】
ＩＩ．焼結超硬合金物品
別の態様では、本明細書の第Ｉ節に記載されるグレード粉末組成物から形成した焼結超硬合金物品が提供される。焼結超硬合金物品は、例えば、焼結物品の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物相を含み、再生炭化物相は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。焼結超硬合金物品はまた、金属結合剤を含む。焼結超硬合金物品は、第Ｉ節に記載されるグレード粉末組成物特性のうちの任意のものを有していてもよい。例えば、再生炭化物相は、焼結超硬合金物品の８０〜９９重量パーセント又は９０〜９９重量パーセントの量で存在していてもよい。さらに、再生炭化物相は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップから本質的になるものであってもよい。あるいは、再生炭化物相は、表Ｉから選択される量で電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含んでいてもよく、残部は、ＡＰＴ及び／又は亜鉛処理された焼結炭化物スクラップ等の他の再生焼結炭化物スクラップにより満たされる。ある実施形態では、焼結超硬合金物品は、第Ｉ節に記載されるように、バージン粉末相を含む。
【００２０】
さらに、焼結超硬合金物品の再生炭化物相は、平均粒径が０．５〜１５μｍであってもよい。ある実施形態では、再生炭化物相は、平均粒径が１〜１０μｍ又は０．５〜５μｍである。他の実施形態では、再生炭化物相は、平均粒径が１５μｍよりも大きい。再生炭化物相の粒径は、焼結超硬合金物品に望まれる機械的特性及び焼結超硬合金物品の使用目的等のいくつかの考慮事項に応じて選択してもよいが、考慮事項はこれらに限定されない。
【００２１】
本明細書に記載されるように、焼結超硬合金物品はまた、金属結合剤を含む。金属結合剤の組成の内容は、本明細書の第Ｉ節に示している。さらに、金属結合剤は、表ＩＩから選択される量で焼結超硬合金物品中に存在していてもよい。
【００２２】
本明細書に記載される再生炭化物粉末が用いられる焼結超硬合金物品は、バージン炭化物粉末組成物のみから形成された焼結物品と同等の特性を有し得る。ある実施形態では、例えば、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、ＡＳＴＭ  Ｂ７７１超硬合金の短棒破壊靱性のための標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｓｈｏｒｔ  Ｒｏｄ  Ｆｒａｃｔｕｒｅ  Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ  ｏｆ  Ｃｅｍｅｎｔｅｄ  Ｃａｒｂｉｄｅｓ）に従う破壊靭性が、概ね５〜２０ｋｓｉ（ｉｎ）１／２の範囲である。ある実施形態では、焼結超硬合金物品は、表ＩＩＩから選択される破壊靭性を有する。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
破壊靭性に加えて、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、ＡＳＴＭ  Ｂ４０６−超硬合金の抗折力のための標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｒｕｐｔｕｒｅ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｏｆ  Ｃｅｍｅｎｔｅｄ  Ｃａｒｂｉｄｅｓ）−に従う抗折力が、２５０〜６５０ｋｓｉであってもよい。ある実施形態では、焼結超硬合金物品は、表ＩＶから選択される抗折力を有する。
【００２５】
【表４】
2019035143.tif 000005
【００２６】
本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、硬度が少なくとも８０ＨＲＡであってもよい。ある実施形態では、焼結超硬合金物品は、硬度が８０〜９５ＨＲＡである。さらに、焼結超硬合金物品は、密度が１４〜１５ｇ／ｃｍ３であってもよい。例えば、焼結超硬合金物品は、密度が１４．１〜１４．８ｇ／ｃｍ３であってもよい。さらに、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、η相［（ＣｏＷ）Ｃ］、Ｗ２Ｃ、及び／又はＷ３Ｃ等のより低級の炭化物相を無含有でも、実質的に無含有でもよい。ある実施形態では、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、Ａ型気孔率及びＢ型気孔率のうちの少なくとも１つを有さない。さらに、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、遊離黒鉛（Ｃ型気孔率）を含んでいなくてもよい。ある実施形態では、例えば、焼結超硬合金物品は、気孔率表記がＡ００Ｂ００Ｃ００である。
【００２７】
本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、種々の用途のための切削要素又は切削要素の構成成分であってもよい。ある実施形態では、焼結超硬合金物品は、金属又は合金を機械加工するための切削インサートを含む。他の実施形態では、焼結超硬合金物品は、ドリル、エンドミル、及び／又はミリングインサート等の断続切削工具を含む。さらに、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、多結晶ダイヤモンド（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｄｉａｍｏｎｄ、ＰＣＤ）、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ、ＤＬＣ）、立方晶窒化ホウ素、及び多結晶立方晶窒化ホウ素等の超硬質材料と組み合わせてもよい。例えば、本明細書に記載される焼結超硬合金物品は、ＰＣＤが高温高圧プロセスにおいて焼結される基材又は支持体として機能することができる。このような実施形態では、ＰＣＤの層により耐摩耗性を強化することができ、これにより、本明細書に記載される焼結超硬合金組成物が用いられる切削要素及び／又は摩耗部品の寿命が延びる。ある実施形態では、焼結超硬合金物品は、土壌掘削本体、ビット、及びカッター等の土壌掘削及び／又は採掘装置を含む。
【００２８】
ＩＩＩ．焼結超硬合金物品の作製方法
別の態様では、焼結超硬合金物品を作製する方法が提供される。ある実施形態では、焼結超硬合金物品を作製する方法は、グレード粉末組成物の少なくとも７０重量パーセントの量の再生炭化物粉末成分を含む、グレード粉末組成物を提供することを含み、再生炭化物成分は、電気化学的に処理された焼結炭化物スクラップを含む。グレード粉末組成物はまた、金属結合剤を含んでいてもよい。グレード粉末組成物から素地物品が形成され、素地物品は焼結されて、焼結超硬合金物品が提供される。グレード粉末組成物は、上記の第Ｉ節に記載されるいずれかの組成及び／又は特性を有していてもよい。さらに、本明細書に記載される方法に従って形成される焼結超硬合金物品は、上記の第ＩＩ節に記載されるいずれかの組成及び／又は特性を有していてもよい。
【００２９】
ある実施形態では、グレード粉末組成物は、再生炭化物粉末成分と粉末金属結合剤とを混合することにより提供される。必要に応じて、バージン炭化物粉末成分を、再生炭化物粉末成分と粉末金属結合剤との混合物に添加してもよい。再生炭化物粉体成分、金属結合剤、及び任意のバージン炭化物成分は、第Ｉ節に記載される量で混合物中に存在していてもよい。得られる混合物は、ボールミル又はアトライタでミル粉砕してもよい。混合物のミル粉砕により、粉末金属結合剤で被覆される再生炭化物成分の粒子を提供することができる。バージン炭化物成分の粒子もまた、存在する場合、粉末金属結合剤で被覆される。
【００３０】
焼結の準備として、グレード粉末を素地物品へと成形又は圧密化する。本発明の目的と矛盾しない任意の圧密化方法を用いることができる。グレード粉末を、例えば、成形、押し出し、又はプレスして素地物品にしてもよい。ある特定の実施形態では、グレード粉末を錠剤プレス又は冷間静水圧プレスして素地物品にしてもよい。ある実施形態では、グレード粉末を、１つ以上の付加的な製造技術により圧密化して素地物品にしてもよい。本明細書で企図される付加的な製造技術としては、ＡＳＴＭ  Ｆ−４２に記載されるような結合剤噴射、材料噴射、レーザ粉末床、電子ビーム粉末床、及び指向性エネルギー堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられるが、これらに限定されない。素地物品は、ブランクの形態であってもよいし、切削インサート、ドリル、又はエンドミル等の所望の切削要素が有するニアネットシェイプ形状であってもよい。ある実施形態では、素地物品を機械加工して所望の形状を得る。
【００３１】
続いて、素地物品を焼結して、焼結超硬合金で形成される物品を提供する。素地物品をアルゴン又は水素／メタン雰囲気下で真空焼結又は焼結してもよい。真空焼結中、素地物品を真空炉内に配置し、１３２０℃〜１５００℃の温度で焼結する。ある実施形態では、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）が真空焼結プロセスに追加される。熱間静水圧プレスは、焼結後操作として行ってもよく、真空焼結中に行って焼結ＨＩＰプロセスとしてもよい。得られる焼結超硬合金物品は、本明細書に記載される破壊靭性値及び抗折力値を有していてもよい。
【００３２】
ある実施形態では、本明細書に記載される組成及び特性を有する焼結超硬合金物品を、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及び／又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により１つ以上の耐火材料で被覆する。ある実施形態では、耐火被覆は、アルミニウム並びに周期表のＩＶＢ族、ＶＢ族、及びＶＩＢ族の金属元素から選択される１つ以上の金属元素と、周期表のＩＩＩＡ族、ＩＶＡ族、ＶＡ族、及びＶＩＡ族から選択される１つ以上の非金属元素と、を含む。例えば、耐火被覆は、アルミニウム並びに周期表のＩＶＢ族、ＶＢ族、及びＶＩＢ族から選択される１つ以上の金属元素の１つ以上の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、又はホウ化物を含んでいてもよい。さらに、被覆は、単層であってもよく、多層であってもよい。
【００３３】
これら及び他の実施形態を以下の非限定的な実施例により更に説明する。
【００３４】
実施例１−焼結超硬合金物品
表Ｖに列挙される化学組成の焼結超硬合金物品を以下のように製造した。焼結超硬合金物品の生産に必要とされる炭化タングステンの約８８重量パーセントが、電気化学的に処理された焼結ＷＣスクラップに由来する。炭化タングステン成分の残部の１２重量パーセントは、亜鉛再生炭化タングステンに由来する。バージン炭化タングステンは、本実施例の焼結超硬合金本体には使用しなかった。使用した電気化学的に処理されたＷＣスクラップの特性を表ＶＩに示す。
【００３５】
【表５】
2019035143.tif 000006
【００３６】
【表６】
2019035143.tif 000007
【００３７】
電気化学的に処理されたＷＣスクラップの平均粒径は、約２μｍであった。電気化学的に処理された焼結炭化タングステンスクラップと、亜鉛再生炭化タングステンと、新たな粉末コバルト結合剤と、を含むグレード粉末組成物を、ヘプタン中で１１時間ボールミル粉砕し、噴霧乾燥して、プレスに好適な顆粒を製造した。グレード粉末を使用して素地ブランクをプレスし、１４８２℃で４５分間真空焼結して、十分に緻密な成形体を製造した。成形体の物理的特性、微細構造特性、及び機械的特性は、バージン粉末を使用して作製した焼結炭化物と同等であり、これを表ＶＩＩに示す。
【００３８】
【表７】
2019035143.tif 000008
【００３９】
実施例２−焼結超硬合金物品
表ＶＩＩＩに列挙される化学組成の焼結超硬合金物品を以下のように製造した。
【００４０】
【表８】
2019035143.tif 000009
【００４１】
バッチＩにおいて、超硬合金物品の生産のために必要とされる炭化タングステンの１００重量パーセントが、電気化学的に処理された焼結ＷＣスクラップに由来する。超硬合金物品の生産において、他の炭化タングステン源は使用しなかった。電気化学的に処理されたＷＣスクラップの特性は、実施例１の表ＶＩに示される特性と同じである。
【００４２】
比較のために、バッチＩＩを並行して作製したところ、バッチＩＩにおいて、必要とされる炭化タングステンの８８重量パーセントがバージンＷＣであり、残部の１２重量パーセントが亜鉛再生ＷＣに由来する。バッチＩ及びバッチＩＩのグレード粉末をそれぞれ、ヘプタン中でボールミル粉砕し、噴霧乾燥して、プレスに好適な顆粒を製造した。バッチＩを６５時間ボールミル粉砕し、バッチＩＩを７５時間ボールミル粉砕して、グレードのための保磁力仕様を達成した。バッチＩ及びバッチＩＩからの素地ブランクをプレスし、１４８２℃で４５分間真空焼結して、十分に緻密な成形体を製造した。バッチＩ及びバッチＩＩの焼結成形体の物理的特性、微細構造特性、及び機械的特性を、表ＩＸに示す。
【００４３】
【表９】
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【００４４】
表ＩＸに示すように、電気化学的に処理されたＷＣスクラップを含むバッチＩの焼結超硬合金物品は、８８重量パーセントのバージンＷＣを使用するバッチＩＩの焼結超硬合金物品と実質的に同等の特性を有するものであった。
【００４５】
本発明の種々の実施形態は、本発明の種々の目的を達成するために記載されている。これらの実施形態が本発明の原理の例示にすぎないことは認識されるべきである。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その多くの改変及び適用が当業者に容易に明らかとなるであろう。