(57)【要約】  鋼製基材と、該鋼製基材に融合された硬質表面構造とを含む本体であって、前記硬質表面構造が、核領域と中間領域とを含み、前記中間領域が、少なくとも部分的に核領域を包含し、少なくとも約０．５質量％のＳｉ、少なくとも約３質量％のＣｒ、および少なくとも約１０質量％のＷを含み、中間領域の残部が、実質的に、鉄族金属Ｍ及および炭素からなり、Ｍが、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉ、またはそれらの合金から選択され、前記中間領域が、式ＭｘＷｙＣｚ（式中ｘは１〜７の範囲であり、ｙは１〜１０の範囲であり、ｚは１〜４の範囲である）による少なくとも１つのイータ相またはシータ相を含む複数の微結晶、または前記式によるイータ相とシータ相の混合物を含み、核領域が、少なくとも約１質量％のＳｉ、少なくとも約５質量％のＣｒ、少なくとも約４０質量％のＷを含み、核領域の残部が、実質的に、Ｍおよび炭素からなり、前記核領域が、ＷＣ含有粒および（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒もしくは（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒、または（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒および（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒を含み、該粒が前記核領域マトリックス材料中に分散し、該材料が、その固溶体中に、Ｃｒ、ＷおよびＳｉを含む５０質量％超のＭを含み、中間領域には、ＷＣ粒が実質的に存在しない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製基材と、該鋼製基材に融合した硬質表面構造とを含む本体であって、前記硬質表面構造が、核領域と中間領域とを含み、該中間領域が、少なくとも部分的に核領域を内包し、かつ少なくとも０．５質量％のＳｉ、少なくとも３質量％のＣｒ、および少なくとも１０質量％のＷを含み、中間領域の残部が、実質的に、鉄族金属Ｍおよび炭素からなり、Ｍが、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉ、またはそれらの合金から選択され、前記中間領域が、式ＭｘＷｙＣｚ（式中ｘは１〜７の範囲であり、ｙは１〜１０の範囲であり、ｚは１〜４の範囲である）による少なくとも１つのイータ相またはシータ相を含む複数の微結晶、または前記式によるイータ相およびシータ相の混合物を含み、前記核領域が、少なくとも１質量％のＳｉ、少なくとも５質量％のＣｒ、少なくとも４０質量％のＷを含み、核領域の残部が、実質的に、Ｍおよび炭素からなり、核領域が、ＷＣ含有粒および（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒もしくは（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒、または（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒および（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒を含み、該粒が前記核領域マトリックス材料中に分散し、該材料が、その固溶体中に、Ｃｒ、Ｗ、およびＳｉを含む５０質量％超のＭを含み、前記中間領域には、ＷＣ粒が実質的に存在しない、本体。
【請求項２】
イータ相またはシータ相またはその両方の粒が、少なくとも１質量％のＣｒおよび少なくとも１質量％のＳｉを含み、前記イータ相またはシータ相またはその両方は、少なくとも１質量％のＳｉおよび少なくとも２質量％のＣｒを含む中間領域マトリック材料中に分散している、請求項１に記載の本体。
【請求項３】
前記（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒または前記（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒またはその両方が、少なくとも１質量％のＳｉを含み、前記核領域マトリックス材料が、少なくとも１質量％のＳｉ、少なくとも５質量％のＷ、および少なくとも５質量％のＣｒを含む、請求項１または２に記載の本体。
【請求項４】
前記中間領域の厚さが少なくとも０．５ｍｍであり、該厚さが、核領域との境界上のある点と鋼製基材との境界上の最近点との間の最短距離である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の本体。
【請求項５】
前記硬質表面構造の核領域および中間領域のビッカース硬度が、少なくとも７００ＨＶ１０である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の本体。
【請求項６】
前記硬質表面構造の核領域および中間領域のビッカース硬度が、少なくとも８００ＨＶ１０である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の本体。
【請求項７】
前記硬質表面構造の核領域および中間領域のパームクイスト破壊靭性が、少なくとも約２０ＭＰａ．ｍ１／２である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の本体。
【請求項８】
前記硬質表面構造が、前記中間領域に埋め込まれた複数の核領域を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の本体。
【請求項９】
前記本体が、舗装道路または岩の侵食に使用されるツールまたは摩耗部品である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の本体。
【請求項１０】
多結晶ダイヤモンドで形成されたチップを含む、請求項９に記載の本体。
【請求項１１】
前記本体が、縦軸と、一般に円筒形、円錐形、または切頭円錐形の部分と、一般に鋼製基材に融合される環状または他の同軸の硬質表面構造とを有する鋼製基材を含む、舗装道路侵食用のピックツールである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の本体。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の本体の製造方法であって、前記方法が、前駆体本体を鋼製基材と接触させることを含み、該前駆体本体が、少なくとも１３体積％ＷＣ粒、０．１質量％〜１０質量％の範囲のＳｉ、および０．１質量％〜１０質量％の範囲のＣｒを含み、残りがＭであり、液相線温度が最大約１２８０℃であり、前記前駆体本体の周辺領域が鋼と反応し、かつ融合できて、前記前駆体本体の核領域が鋼と完全に反応するのを回避できるよう制御した一定の時間、前駆体本体を少なくとも液相線温度にまで熱することを含む、方法。
【請求項１３】
前記前駆体本体が、ダイヤモンド粒子またはＣＢＮ粒子を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記硬質表面前駆体本体の形状が鋼製基材の非平面表面の形状に嵌合するように構成することを含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
温度が、少なくとも１２００℃であり、最大でも１３００℃であり、時間が、少なくとも約１分であり、最大でも５分である、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、鋼製本体用硬質表面構造に関し、かつ該硬質表面構造を含む鋼製本体に関する。より具体的には、本発明は、舗装道路や岩を侵食する（ｄｅｇｒａｄｅ）ためのピックツールの硬質表面構造に関するが、これに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
ピックツールは、例えば、岩、アスファルト、石炭またはコンクリート等を砕き、侵食しまたは抉って断片にするのに使用され得、鉱業、建設業および道路建築等に応用され得る。例えば、道路建設等のいくつかの応用において、複数のピックツールを回転ドラムに取り付け、断片に対しドラムを回転させながら断片を侵食することもできる。
【０００３】
ピックツールは、ダイヤモンド砥粒間に隙間を画定する骨格塊を形成する、実質的に相互成長がなされた（ｉｎｔｅｒ−ｇｒｏｗｎ）ダイヤモンド粒の塊を含む、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）等、超硬質材料の作業チップを含んでもよい。ＰＣＤ材料は典型的に、少なくとも約８０体積％のダイヤモンドを含み、例えば、ダイヤモンド粒の凝集塊に約５ＧＰａ超の超高圧をかけ、例えば、少なくとも約１２００℃の温度にさらすことにより作製され得る。
【０００４】
米国特許第３，７２５，０１６号は、約１０〜７５質量％のＴｉＣから本質的になり、その残部を本質的に補うスチール形成マトリックスを有する、チタニウムカーバイドの硬質表面スチールベース組成物を開示している。
【０００５】
国際公開第２０１０／０２９５１８号は、ＴｉＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＭｏＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、ＷＣもしくはその組み合わせから選択される少なくとも１３体積％の金属カーバイドと、１または複数の鉄族金属もしくはその合金ならびに０．１〜１０質量％のＳｉおよび０．１〜１０質量％のＣｒを含む結合剤相とを含み、１２８０℃以下の液相線温度を有し、保護膜でコーティングされた３〜３９体積％のダイヤモンドもしくはＣＢＮまたはそれらの混合物を有する超硬合金について開示している。
【０００６】
国際公開第２０１０／０２９５２２号は、鉄族金属または合金を含有する本体と、中間層を介して本体の表面に冶金的に接合された耐摩耗層とを含む摩耗部品または工具を開示している。
【０００７】
独国特許第３，６１８，１９８号は、カーバイドおよび金属粒子を含む粉末を工具の頭部と型の間に付着させ、粒子の混合物を工具頭部に溶接することにより、鋼チゼル工具の表面を硬化させる方法を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
摩耗挙動の改善が見られる鋼を含む摩耗部品、およびその費用対効果の高い製造方法を提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様によれば、鋼製基材と、該鋼製基材に融合された硬質表面構造とを含む本体を提供することができ、前記硬質表面構造が核領域と中間領域とを含み、該中間領域が、少なくとも部分的に核領域を内包し、少なくとも約０．５質量％のＳｉ、少なくとも約３質量％のＣｒ、および少なくとも約１０質量％のＷを含み、中間領域の残部が、実質的に、鉄族金属Ｍおよび炭素からなり、ＭはＦｅ、Ｃｏ、およびＮｉ、またはそれらの合金から選択され、前記中間領域が、式ＭｘＷｙＣｚ（式中ｘは１〜７の範囲であり、ｙは１〜１０の範囲であり、ｚは１〜４の範囲である）による少なくとも１つのイータ相またはシータ相を含む複数の微結晶、または前記式によるイータ相とシータ相の混合物を含み、核領域が、少なくとも約１質量％のＳｉ、少なくとも約５質量％のＣｒ、少なくとも約４０質量％のＷを含み、核領域の残部が、実質的に、Ｍおよび炭素からなり、該核領域が、ＷＣ含有粒および（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒もしくは（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒、または（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒および（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６含有粒を含み、該粒は前記核領域のマトリックス材料中に分散し、該材料が、その固溶体中に、Ｃｒ、Ｗ、およびＳｉを含む５０質量％超のＭを含み、前記中間領域には、ＷＣ粒が実質的に存在しない。
【００１０】
第２の態様によれば、鋼製基材と、該鋼製基材に融合される硬質表面構造とを含む本体の製造方法を提供することができ、本方法が、前駆体本体を鋼製基材と接触させることを含み、該前駆体本体が、少なくとも１３体積％のＷＣ粒、０．１質量％〜１０質量％の範囲のＳｉ、および０．１質量％〜１０質量％の範囲のＣｒを含み、残りはＭであり、液相線温度は最大約１２８０℃である。また、本方法が、前記前駆体本体の周辺領域が鋼と反応し、かつ融合できて、前記前駆体本体の核領域が鋼と完全に反応するのを回避できるよう制御した一定の時間、前駆体本体を少なくとも液相線温度にまで熱することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
以下、添付図面を参照しつつ、本明細書の開示を例示するための非限定的実施態様を記載する。
【図１】舗装道路用ピックツールの一例を示した概略斜視図である。
【図２】鋼製本体の一部に融合した硬質表面構造を有するピックツールの一例を示した概略部分切除斜視図である。
【図３】図１に示した、一例としてのピックツールを拡大した部分の概略部分断面図である。
【図４】一例として示す硬質表面構造の中間材料の微少構造の概略図である。
【図５】ピックツールに融合した硬質表面構造を作り出すための一対の前駆体環を有するピックツールの一例を示した概略図である。
【図６】一例として示す、鋼製基材に融合された硬質表面構造の部分の概略断面図である。  全ての図面において、同じ特徴を言及するのに同じ参照が用いられる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で使用される特定の用語について説明する。
【００１３】
本明細書で使用する「硬質表面構造」とは、基材を摩耗から保護するために基材に融合させた層等の構造のことであるが、これに限定されない。硬質表面構造は、実質的に、基材よりも強力な耐摩耗性を示す。
【００１４】
本明細書で使用する「ツール／工具（ｔｏｏｌ）」は、「ツールまたはツール用構成部分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」を意味すると理解される。
【００１５】
本明細書で使用する摩耗部品は、使用時に摩耗ストレスに晒されるまたは晒されるよう意図された部品または構成部分である。摩耗、侵食、腐食およびその他の化学摩耗形態等、摩耗部品が典型的に晒される摩耗ストレスには様々なものが存在する。摩耗部品には多様な任意の材料が含まれてよく、それは、摩耗部品に求められる摩耗耐性およびその強度、ならびに費用、大きさおよび質量の制約に依る。例えば、超硬タングステンカーバイドは、摩耗に対し高度な耐性を有するが、高密度かつ高価であるため、通常は、ドリル用ビットの挿入物、ノミ、切削用刃等、比較的小さな部品の第一構成要素としてのみ使用される。より大きな摩耗部品は、掘削、ドリル用ビット本体、ホッパーおよび研磨材の担体に使用され得るが、特定の用途に使用される超硬カーバイドよりもはるかに経済的な硬鋼で作製されている。
【００１６】
本明細書で使用する超硬合金は、金属結合剤、特にコバルトを含む結合剤内に分散するＷＣ等の金属カーバイド粒を含む物質のことである。金属カーバイド粒含有量は、物質中少なくとも約５０質量％である。
【００１７】
硬質表面構造および硬質表面構造を含む本体の実施態様を記載する。
【００１８】
一つの実施態様では、ｘは約２〜約４の範囲であり、ｙは約２〜約４の範囲である。一つの実施形態では、ｘは３であり、ｙは３である。
【００１９】
一つの実施態様では、イータ相またはシータ相またはその両方の粒は、少なくとも約１質量％Ｃｒおよび少なくとも約１質量％Ｓｉを含み、イータ相またはシータ相またはその両方は、少なくとも約１質量％Ｓｉおよび少なくとも約２質量％Ｃｒを含む中間領域のマトリックス材料中に分散している。
【００２０】
一つの実施態様では、（Ｍ，Ｃｒ）７Ｃ３含有粒または（Ｍ，Ｃｒ）２３Ｃ６粒またはその両方は、少なくとも約１質量％Ｓｉを含み、および核マトリックス材料は、少なくとも約１質量％Ｓｉ、少なくとも５質量％Ｗおよび少なくとも約５質量％Ｃｒを含む。
【００２１】
一つの実施態様では、中間領域の厚さは、少なくとも約０．５ｍｍまたは少なくとも約１ｍｍであり、この厚さとは、核領域との境界上のある点と鋼製基材との境界上の最近点との間の最短距離のことである。
【００２２】
一つの実施態様では、硬質表面構造の核領域および中間領域のビッカース硬度は、少なくとも約７００ＨＶ１０または少なくとも約８００ＨＶ１０である。いくつかの実施形態では、硬質表面構造の核領域および中間領域のビッカース硬度は、少なくとも約７００ＨＶ１０または少なくとも約７５０ＨＶ１０である。いくつかの実施形態では、硬質表面構造の核領域および中間領域のビッカース硬度は、少なくとも約９００ＨＶ１０または少なくとも約８５０ＨＶ１０である。
【００２３】
一つの実施態様では、硬質表面構造の核領域および中間領域のパームクイスト破壊靭性は、少なくとも約２０ＭＰａ．ｍ１／２である。
【００２４】
一つの実施態様では、硬質表面構造は、中間領域内に内包されている複数の核領域を含み、いくつかの実施形態では、硬質表面構造は２個または３個の核領域を含む。一つの実施形態では、少なくとも一つの核領域は一般に環状形態である。
【００２５】
いくつかの実施態様では、本体は、摩耗性の高い用途に利用するためのツールまたは摩耗部品である。本発明の一つの実施形態では、本体は、舗装道路または岩の侵食に利用されるツールまたは摩耗部品である。一つの実施形態では、ツールは多結晶ダイヤモンドで形成されたチップを含む。一つの実施形態では、本体は、縦軸と、一般に円筒形、円錐形または切頭円錐形の部分と、一般に鋼製基材に融合される環状またはその他の同軸の硬質表面構造とを有する鋼製基材を含む、舗装道路侵食用のピックツールである。
【００２６】
図１に関して、例として挙げたピックツール用本体１０は、鋼製基材１２と、鋼製基材１２に融合する硬質表面構造２０とを含む。ピックツール１０は、超硬タングステンカーバイドのベース１６に融合する多結晶ダイヤモンドのチップ１４をさらに含む。
【００２７】
図２に関して、例として挙げたピックツール用本体１０は、鋼製基材１２と、鋼製基材１２に融合する硬質表面構造２０とを含む。ピックツール１０は、超硬タングステンカーバイドのベース１６に融合する多結晶ダイヤモンドのチップ１４をさらに含む。
【００２８】
図３に関して、一例として挙げた硬質表面構造２０は、実質的に同軸である核領域２２ａおよび２２ｂならびに中間領域２４を含み、該中間領域２４は、核領域２２ａおよび２２ｂの両方に内包されている。
【００２９】
図４に関しては、一例として挙げた中間領域は、式ＭｘＷｙＣｚ（式中ｘは１〜７の範囲であり、ｙは１〜１０の範囲であり、ｚは１〜４の範囲である）による少なくとも１つのイータ相またはシータ相を含む複数の樹脂状微結晶、または前記式によるイータ相およびシータ相の混合物を含む。前記中間領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉ、またはそれらの合金から選択される鉄族金属Ｍが豊富な相３２を含む。前記中間領域は、少なくとも平均約０．５質量％のＳｉ含有量、少なくとも平均約３質量％のＣｒ含有量、および少なくとも平均約１０質量％のＷを含み、中間領域の残部は、実質的に、金属Ｍからなる。中間領域は、ＷＣ粒が実質的に存在しない相を含む。
【００３０】
図５に関して、一例として挙げた硬質表面構造は、２つの緑色本体の前駆体環４０ａおよび４０ｂを、一般には、舗装道路侵食用ピックツールの円錐形鋼部分１２に融合させることを含む方法により作製され得る。一つの形態では、前記前駆体環は、国際公開第２０１０／０２９５１８号および２０１０／０２９５２２号に記載の通り、超硬合金用前駆物質を含んでもよい。前記ピックツールはさらに、超硬タングステンカーバイドベース１６に融合する多結晶ダイヤモンドのチップ１４を含む。前記前駆体環４０ａおよび４０ｂの直径は、縦方向の隣接位置において円錐形鋼部分１２の円周に嵌合させるために異なる。前駆体環は、少なくとも１３体積％のＷＣ粒、約０．１質量％〜約１０質量％の範囲のＳｉ、および約０．１質量％〜約１０質量％の範囲のＣｒを含む非焼結の緑色本体である。該緑色本体の前駆体環の液相線温度は、最大約１２８０℃である。２つの前駆体環４２ａおよび４２ｂは、円錐形鋼部分１２の円周にかつ互いに対してぴったりと合うように設置され、次に、少なくとも約１３００℃まで熱し、その結果溶解し、反応して、鋼製ツール本体の隣接部分１２と融合するようになる。前駆体環の周辺領域が鋼と反応し、かつ融合できて、前駆体本体の核領域が鋼と完全に反応するのを回避できるようにするのに十分な一定の時間、熱する。
【００３１】
本方法の一つの形態において、前駆体本体は、ダイヤモンド粒子またはＣＢＮ粒子を含む。
【００３２】
本方法の一つの形態において、本方法は、硬面前駆体本体の形状が鋼製基材の非平面表面の形状に嵌合するように構成することを含む。本発明の一つの実施形態では、鋼製基材の非平面表面は弓形である。本発明の一つの実施形態では、非平面表面は、エッジまたはシャープベンドを含む。
【００３３】
本方法の一つの形態において、温度は少なくとも約１２００℃であり、最大でも約１３００℃であり、時間は少なくとも約１分、最大でも約５分である。
【００３４】
本方法の一つの形態において、本方法は、前記基材が、一般には円筒形、円錐形、または円錐台形状である側部を含むよう構成することを含み、前記硬質表面の前駆体本体が、サイズおよび形状において側面周辺に嵌合し得るように構成された一般的な環状またはリングの形状をしている。
【００３５】
前記の開示された方法は、結果として、本体に密接に溶接された、非常に効率的な硬質表面構造となるという態様を有し得る。
【実施例】
【００３６】
非制限的実施態様について、以下にさらに詳細に記載する。
【００３７】
２つの緑色本体の前駆体環を以下の通り作製した。粒子の平均直径が約０．８ミクロンである６７質量％ＷＣ粉末、２４質量％Ｃｏ粉末、６．４質量％Ｃｒ３Ｃ２粉末および１．６質量％Ｓｉ粉末を含む１ｋｇ分の粉末を、ヘキサンと２０ｇのパラフィンワックスと６ｋｇの超硬合金ボールを媒体にして、アトライター粉砕機で６時間粉砕した。粉砕後、得られたスラリーを乾燥させ、前記粉末をスクリーンして凝集粒子を除去した。超硬合金環を圧縮し、８００℃で１時間、真空で予備焼結した。
【００３８】
２つの緑色本体環を舗道侵食用ピックの鋼製本体に取り付け、該アセンブリを窒素リッチ雰囲気中で、温度１２５０℃で約４分間、蝋付けで使用される従来の装置を利用してアルゴン雰囲気下で熱処理した。コーティングのＨＶ１０硬度は、ほぼ８５０ビッカース硬度であることが判明した。
【００３９】
熱処理後の、ピックの鋼製本体１２に融合された硬質表面構造２０の部分概略断面図を示した図６に関して（全体図ではないが）、表面近傍の硬質表面構造２０は２つの核領域２２ａと２２ｂとを含み、それぞれは、各前駆体超硬合金環（図示なし）に相応し、中間領域２４内に組み込まれ、かつ中間領域２４により完全に内包された。硬質表面構造のＨＶ１０ビッカース硬度および元素組成は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥで示される５箇所それぞれにおいて測定された。結果を表１に示した。
【表１】
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【００４０】
核領域の微細構造は、鉄ベースの結合剤材料に取り込まれたＷＣ粒および（Ｆｅ，Ｃｒ）７Ｃ３粒を含んでいた。中間領域の微細構造は、鉄ベースの結合剤材料に取り込まれたＦｅ３Ｗ３Ｃイータ相の樹脂状微結晶を含んでいた。図３に関して、樹脂状微結晶３４および鉄リッチ相３２の構成を以下の表２に示した（炭素含有量は測定されなかったため、鉄含有量のみ示した）。核領域の破壊靱性は約２４．２ＭＰａ．ｍ１／２であり、中間領域は、約２６．０ＭＰａ．ｍ１／２であった。
【表２】
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【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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【国際調査報告】
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2013529250.tif 000012
2013529250.tif 000013