(57)【要約】      （修正有）【課題】超硬粒子を異なる材料、特に金属質材料に結合させる、改良された超硬粒子−金属材料を巨視的複合体焼結粉末金属物品の提供。【解決手段】鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される金属及び金属合金の１つを含み、硬質粒子を３０体積％以下を含むか含まない第２の領域１１２，２１２を含み、少なくとも６０体積％の硬質粒子を含む第１の領域１１０，２１０は第２の領域１１２，２１２に金属結合しており、第２の領域１１２，２１２が１００ミクロンよりも大きい厚さを有する複合体焼結粉末金属部品１００，２００。硬質粒子及び粉末バインダーを含む第１の金属粉末、及び金属又は金属合金を含む第２の金属粉末を共圧縮及び焼結することを含む巨視的複合体焼結粉末金属物品１００，２００の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも６０体積％の硬質粒子を含む超硬粒子材料を含む第１の領域；及び
鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される金属及び金属合金の１つを含む第２の領域；
を含み、該金属又は金属合金が硬質粒子を含まないか又は３０体積％以下の硬質粒子を含み、
第１の領域と第２の領域との界面において第１の領域が第２の領域に金属結合しており、この界面には亀裂がなく、そして第１の領域及び第２の領域のそれぞれが１００ミクロンよりも大きい厚さを有する、複合体焼結粉末金属物品。
【請求項２】
第２の領域の金属又は金属合金が超硬粒子の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項３】
第２の領域の金属又は金属合金が１００Ｗ／ｍＫよりも低い熱伝導率を有する、請求項２に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項４】
第２の領域の金属又は金属合金が１２００℃よりも高い融点を有する、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項５】
第２の領域の金属又は金属合金が、２〜５体積％の、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の硬質粒子を含む、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項６】
該金属又は金属合金が硬質粒子を含まない、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項７】
超硬粒子材料が連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項８】
硬質粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の粒子を含み、バインダー相が、コバルト、コバルト合金、モリブデン、モリブデン合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の少なくとも１つを含む、請求項７に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項９】
硬質粒子が、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含む、請求項７に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１０】
超硬粒子が炭化タングステン粒子を含む、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１１】
炭化タングステン粒子が０．３〜１０μｍの平均粒径を有する、請求項１０に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１２】
バインダー相がコバルトを含む、請求項７に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１３】
第１の領域の硬質粒子が界面に存在する、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１４】
超硬粒子材料がハイブリッド超硬合金の粒子を含む、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１５】
ハイブリッド超硬合金粒子が、
超硬合金連続相；及び
超硬合金連続相中に分散している超硬合金分散相；
を含み、ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の接触率が０．４８以下である、請求項１４に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１６】
第２の領域が少なくとも１つの機械的結合構造を含む、請求項１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１７】
機械的結合構造が、ネジ、溝、キー溝、ベベルよりなる群から選択される、請求項１６に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１８】
機械的結合構造が、歯、はめ歯、段差、孔、ピン及びアームである、請求項１６に記載の複合体焼結粉末金属物品。
【請求項１９】
少なくとも６０体積％の硬質粒子を含む超硬粒子材料を含む第１の領域；及び
鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される金属及び金属合金の１つを含む第２の領域；
を含み、該金属又は金属合金が硬質粒子を含まず、第１の領域と第２の領域の間の界面において第１の領域が第２の領域に金属結合しており、第１の領域及び第２の領域のそれぞれが１００ミクロンよりも大きい厚さを有する、複合体焼結粉末金属物品。
【請求項２０】
成形型の第１の領域内に第１の粉末を与え、第１の粉末は硬質粒子及び粉末状バインダーを含み、そして第１の粉末は少なくとも６０体積％の硬質粒子を含み；
成形型の第２の領域内に第２の粉末を与え、ここで第２の粉末は第１の粉末と接触し、鋼粉末、ニッケル粉末、ニッケル合金粉末、モリブデン粉末、モリブデン合金粉末、チタン粉末、チタン合金粉末、コバルト粉末、コバルト合金粉末、タングステン粉末、及びタングステン合金粉末から選択される金属粉末及び金属合金粉末の少なくとも１つを含み、該金属又は金属合金粉末は硬質粒子を含まないか又は３０体積％以下の硬質粒子を含み；
成形型内で第１の粉末及び第２の粉末を成形してグリーン成形体を与え；そして
グリーン成形体を焼結して、第１の粉末から形成される超硬粒子領域を含む複合体焼結粉末金属物品を与え、ここで該超硬粒子領域は、第１の領域と第２の領域との界面において第２の粉末から形成される金属質の第２の領域に金属結合しており、この界面には亀裂がない；
ことを含む、複合体焼結粉末金属物品の製造方法。
【請求項２１】
金属質の第２の領域の熱伝導率が超硬粒子領域の熱伝導率よりも低い、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
金属質の第２の領域の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
金属質の第２の領域の融点が１２００℃より高い、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
金属質の第２の領域が、２〜５体積％の、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体からなる群から選択される１種類以上の硬質粒子を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
第２の領域の金属又は金属合金が硬質粒子を含まない、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
超硬粒子領域が連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
硬質粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の硬質粒子を含み、バインダー相が、コバルト、コバルト合金、モリブデン、モリブデン合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の１つ以上を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
硬質粒子が、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
超硬粒子領域が炭化タングステン粒子を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
炭化タングステン粒子が０．３〜１０μｍの平均粒径を有する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
バインダー相がコバルトを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
超硬粒子領域が２〜４０体積％の連続バインダー相及び６０〜９８体積％の連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
超硬粒子領域がハイブリッド超硬合金の粒子を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３４】
ハイブリッド超硬合金粒子が、
超硬合金連続相；及び
超硬合金連続相中に分散している超硬合金分散相；
を含み、ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の接触率が０．４８以下である、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
金属質の第２の領域が少なくとも１００ミクロンの厚さを有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
グリーン成形体真空中は窒素中で焼結される、請求項２０に記載の方法。
【請求項３７】
グリーン成型体が１３５０〜１５００℃の温度で焼結される。請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、超硬粒子を含む改良された物品、及びかかる物品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]超硬粒子から構成される材料は、技術的及び商業的に重要である。超硬粒子は、連続金属バインダー相中に埋封されている硬質の金属質（則ち金属含有）及び／又はセラミックの粒子の不連続分散相を含む。多くのかかる材料は、耐摩擦性及び耐摩耗性、強度、並びに破壊靱性の独特の組み合わせを有する。
【０００３】
[0003]ここで用いる用語は以下の意味を有する。「強度」は、材料が破断又は破壊する時点での応力である。「破壊靱性」は、材料が破壊する前にエネルギーを吸収し可塑変形する能力である。「靱性」は、応力−歪み曲線の下側の始点から破断点までの面積に比例する。McGraw Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms (５版, 1994）を参照。「耐摩耗性」は、材料がその表面に対する損傷に耐える能力である。「摩耗」は、一般に材料と接触表面又は物質との間の相対的な動きによる材料の進行的損失を含む。Metals Handbook Desk Edition (２版, 1998）を参照。
【０００４】
[0004]分散した硬質粒子相は、通常は、例えば炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及び任意のこれらのタイプの化合物の固溶体の１つ以上の粒子を含む。超硬粒子材料において通常用いられる硬質粒子は炭化タングステンのような金属炭化物であり、これらの材料はしばしば総称的に「超硬合金」と呼ばれる。硬質粒子を一緒に結合又は「接着」する連続バインダー相は、一般に、例えばコバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の少なくとも１つを含む。更に、例えばクロム、モリブデン、ルテニウム、ホウ素、タングステン、タンタル、チタン、及びニオブのような合金化元素をバインダー相中に含ませて、特定の特性を向上させることができる。種々の商業的に入手できる超硬合金のグレードは、例えば組成、粒径、又は不連続及び／又は連続相の体積分率のような少なくとも１つの特性の観点で異なる。
【０００５】
[0005]特定の用途のためには、超硬粒子から形成される部品を、例えば鋼、非鉄金属合金、及びプラスチックのような異なる材料から形成される部品に結合させる必要がある可能性がある。かかる部品を結合させるために用いられている技術としては、例えばろう付け、溶接、ハンダ付けのような冶金的技術、並びに例えば圧入又は焼嵌め、エポキシ及び他の接着剤の塗布、並びにネジ接合及びキー溝の配置などの機械的構造の接合のような機械的技術が挙げられる。
【０００６】
[0006]従来の冶金的又は機械的技術を用いて超硬粒子部品を鋼又は非鉄合金から形成される部品に結合させる場合には幾つかの問題に遭遇する。超硬合金材料と殆どの鋼（並びに殆どの非鉄合金）との間の熱膨張率（ＣＴＥ）の差は大きい。例えば、鋼のＣＴＥは約１０×１０−６インチ／インチ／°Ｋ〜１５×１０−６インチ／インチ／°Ｋの範囲であり、これは超硬合金に関する約５×１０−６インチ／インチ／°Ｋ〜７×１０−６インチ／インチ／°Ｋの範囲のＣＴＥの約２倍である。幾つかの非鉄合金のＣＴＥは鋼のものよりも大きく、このために更により大きなＣＴＥの不釣り合いが起こる。例えば、ろう付け又は溶接のような金属結合技術を用いて超硬合金部品を鋼部品に結合させると、部品の収縮速度における差のために冷却中に部品間の界面において非常に大きな応力が発生する可能性がある。これらの応力によってしばしば、部品の界面及び界面付近において亀裂が発生する。これらの欠陥のために超硬粒子領域と金属又は金属質領域との間、並びに部品の結合領域それ自体の結合が弱くなる。
【０００７】
[0007]一般に、超硬合金の破壊靱性は鋼及び他の金属並びに金属合金と比べて低いので、ネジ、キー溝、又は他の機械的構造を用いて超硬粒子部品を鋼又は他の金属質部品に機械的に結合させることは通常は実用的でない。更に、例えば超硬合金は切欠き感受性が高く、鋭利な角部において早期に亀裂の形成を起こしやすい。ネジ及びキー溝のような機械的構造を部品上にデザインする場合には、部品内に角部が含まれることを避けることは困難である。而して、超硬粒子部品は、機械的構造を含む領域において早期に破壊する可能性がある。
【０００８】
[0008]Carlssonらの米国特許５，３５９，７７２に記載されている技術は、超硬合金領域が金属領域に結合している複合体物品を形成する際に遭遇する幾つかの困難性を克服することを企図している。Carlssonにおいては、予め形成されている超硬合金環の上に鉄をスピンキャストする技術が開示されている。Carlssonにおいては、この技術によって鉄と超硬合金との間の「金属結合」が形成されると主張されている。Carlssonにおいては、鋳造温度から冷却する間に超硬合金と鋳鉄との間の収縮差によって引き起こされる応力を軽減するために、鋳鉄の組成を注意深く制御して、オーステナイトの一部がベイナイトを形成するようにしなければならない。しかしながら、この遷移は、複合体が形成された後の熱処理工程中に起こって、既に存在する応力が軽減される。而して、Carlssonの方法において鋳鉄と超硬合金との間に形成される結合は、既に応力損傷を受けている可能性がある。更に、Carlssonに記載されているような結合技術は、有用性が限られており、スピンキャスト及び鋳鉄を用いる場合に有効である可能性があるだけで、他の金属又は金属合金を用いる場合には有効ではないであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許５，３５９，７７２
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】McGraw Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms (５版, 1994）
【非特許文献２】Metals Handbook Desk Edition (２版, 1998）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
[0009]超硬粒子部品を異なる材料の部品、特に金属質部品に結合させることに関係する困難性のために、設計技師に大きな課題が提起されており、超硬粒子部品に関する用途が限定されている。このように、改良された超硬粒子−金属材料、及び関連する材料、方法、並びにデザインに関する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0010]本発明による１つの非限定的な態様は、超硬粒子を含む第１の領域、並びに金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域を含む複合体焼結粉末金属物品に関する。金属又は金属合金は、鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される。第１の領域は第２の領域に金属結合しており、第２の領域は１００ミクロンより大きい厚さを有する。
【００１３】
[0011]本発明による他の非限定的な態様は、複合体焼結粉末金属物品の製造方法に関する。この方法は、成形型の第１の領域内に第１の粉末を与え、成形型の第２の領域内に第２の粉末を与えることを含み、ここで第２の粉末を第１の粉末と接触させる。第１の粉末は、硬質粒子及び粉末状バインダーを含む。第２の粉末は、鋼粉末、ニッケル粉末、ニッケル合金粉末、モリブデン粉末、モリブデン合金粉末、チタン粉末、チタン合金粉末、コバルト粉末、コバルト合金粉末、タングステン粉末、及びタングステン合金粉末から選択される金属粉末及び金属合金粉末の少なくとも１つを含む。この方法は、成形型内で第１の粉末及び第２の粉末を成形してグリーン成形体を与えることを更に含む。グリーン成形体を焼結して、第２の領域に金属結合している第１の領域を含む複合体焼結粉末金属物品を与える。第１の領域は、第１の粉末を焼結することによって形成される超硬粒子材料を含む。第２の領域は、第２の粉末を焼結することによって形成される金属又は金属合金を含む。
【００１４】
[0012]ここで記載する主題の特徴及び有利性は、添付の図面を参照することによってより良好に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】[0013]図１ａは、ニッケル領域に金属結合している超硬合金領域を含む本発明による複合体焼結粉末金属物品の非限定的な態様を示す。左側に示す物品は、ニッケル領域中に機械加工されているネジを含む。[0014]図１ｂは、本発明による超硬合金−ニッケル複合体の１つの非限定的な態様の金属結合領域の断面の顕微鏡写真である。
【図２】[0015]図２は、超硬合金領域、ニッケル領域、及び鋼領域を含む、本発明による３層複合体焼結粉末金属物品の１つの非限定的な態様を示す。
【図３】[0016]図３は、超硬合金領域及びタングステン合金領域を含む、本発明による複合体焼結粉末金属物品の領域の断面の顕微鏡写真である。この図は、複合体の金属結合領域を示す。タングステン合金部分中に見られる粒子は、純粋なタングステンの粒子である。超硬合金領域中に見られる粒子は、超硬合金の粒子である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[0017]実施例又は他に示されている箇所以外の非限定的な態様の記載及び特許請求の範囲において、成分及び生成物の量又は特性、処理条件などを表す全ての数値は、全ての場合において用語「約」で修飾されているものと理解すべきである。したがって、反対に示されていない限りにおいては、以下の記載及び特許請求の範囲において示される全ての数値パラメーターは、本明細書に記載されている主題において得ようとする所望の特性によって変化する可能性がある近似値である。最後に、特許請求の範囲に対する均等論の適用を限定することは意図しないが、それぞれの数値パラメーターは、少なくとも、報告する大きな桁の数を考慮し且つ通常の丸め法を適用することによって解釈すべきである。
【００１７】
[0018]本発明による幾つかの態様は、複合体焼結粉末金属物品に関する。複合体物品は、それぞれの領域が異なる材料で構成される少なくとも２つの領域を含む物体である。本発明による複合体焼結粉末金属物品は、少なくとも、超硬粒子を含み、金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域に金属結合している第１の領域を含む。本発明による複合体物品の２つの非限定的な例を図１Ａに示す。焼結粉末金属物品１００は、ニッケル領域１１２の形態の第２の領域に金属結合している超硬合金領域１１０の形態の第１の領域を含む。焼結粉末金属物品２００は、ネジが切られたニッケル領域２１２の形態の第２の領域に金属結合している超硬合金領域２１０の形態の第１の領域を含む。
【００１８】
[0019]当該技術において公知なように、焼結粉末金属物品は、金属粉末の塊を圧縮及び焼結することによって製造される。通常の圧縮−焼結プロセスにおいては、金属粉末ブレンドを成形型の空間内に配置し、圧縮して「グリーン成形体」を形成する。グリーン成形体を焼結して、成形体を緻密化し、個々の粉末粒子を一緒に金属結合させる。幾つかの場合においては、成形体を焼結中に完全か又はほぼ完全に理論的な密度に成形することができる。
【００１９】
[0020]本発明による複合体物品においては、第１の領域の超硬粒子は、連続バインダー相中に分散している硬質粒子の不連続相を含む複合体である。第２の領域中に含まれる金属及び／又は金属合金は、鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される１つ以上である。２つの領域は、一緒に圧縮及び焼結される金属粉末から形成される。焼結中に、第１及び第２の領域の間、例えば第１の領域中の超硬粒子と第２の領域中の金属及び／又は金属合金との間の界面において金属結合が形成される。
【００２０】
[0021]本発明者らは、焼結中に第１の領域（超硬粒子を含む）と第２の領域（金属及び／又は金属合金の少なくとも１つを含む）の間に形成される金属結合が、驚くべきことに予想外に強固であることを確認した。本発明によって製造される種々の態様においては、第１及び第２の領域の間の金属結合は、亀裂及び脆性二次相などの大きな欠陥を含まない。かかる結合欠陥は、従来の方法を用いて超硬粒子材料を金属又は金属合金に結合させた場合には通常的に存在する。本発明にしたがって形成される金属結合は、第１及び第２の領域の間に微細構造レベルで直接形成され、例えばCarlssonの米国特許５，３５９，７７２において議論されている鋳造法のような超硬合金と金属又は金属合金とを一緒に結合させるのに用いられる従来技術の方法によって形成される結合よりも非常に強固である。溶融した鉄を超硬粒子上に鋳造することを伴うCarlssonの方法では、強固な結合は形成されない。溶融した鉄は、炭化タングステン粒子と化学的に反応することによって超硬合金と反応して、通常はη相と呼ばれる脆性相を形成する。したがって、界面は弱く脆性である。Carlssonにおいて記載されている方法によって形成される結合は、比較的低融点の溶融した鋳鉄と予め形成された超硬合金との間に形成することができる比較的弱い結合に限定される。更に、この方法は、結合領域における応力の軽減をオーステナイトのベイナイトへの遷移に頼っているので、鋳鉄にしか適用されない。
【００２１】
[0022]ここで示す材料を用いる本発明の圧縮焼結法によって形成される金属結合は、他の結合法が遭遇する応力及び亀裂を回避する。本発明にしたがって形成される強固な結合は、結合した材料の熱膨張特性における差から生成する応力を有効に打ち消して、複合体物品の第１及び第２の領域の間の界面において亀裂が形成されないようにする。これは、少なくとも部分的に、本発明方法によって形成される予想外に強固な金属結合の性質の結果であると考えられ、またこれは本発明において発見された材料の相溶性の結果でもある。全ての金属及び金属合金を超硬合金のような超硬粒子に焼結することはできないことが分かっている。
【００２２】
[0023]本発明による幾つかの態様においては、超硬粒子を含む第１の領域は１００ミクロンよりも大きな厚さを有する。また、幾つかの態様においては、第１の領域は被覆のものよりも大きな厚さを有する。
【００２３】
[0024]本発明による幾つかの態様においては、第１及び第２の領域はそれぞれ、１００ミクロンよりも大きな厚さを有する。幾つかの他の態様においては、第１及び第２の領域のそれぞれは、０．１ｃｍより大きな厚さを有する。更に他の態様においては、第１及び第２の領域はそれぞれ、０．５ｃｍより大きな厚さを有する。本発明による幾つかの他の態様は、１ｃｍより大きな厚さを有する第１及び第２の領域を含む。更に他の態様は、５ｃｍより大きな厚さを有する第１及び第２の領域を含む。また、本発明による幾つかの態様においては、複合体焼結粉末金属物品の少なくとも第２の領域又は他の領域は、その領域に例えばネジ又はキー溝のような機械的結合構造を含ませて、複合体物品を機械的結合構造によって他の物品に結合させることができるようにするのに十分な厚さを有する。
【００２４】
[0025]ここで記載する態様によって、複合体物品の第１の領域（超硬粒子を含む）と第２の領域（金属及び金属合金の少なくとも１つを含む）との間の予想外の驚くべき強固な金属結合が達成される。本発明による幾つかの態様においては、第１及び第２の領域の間の優れた結合の形成が複合体の第２の領域上に導入されているネジ又はキー溝のような有利な機械的構造と組み合わさって、種々の用途において用いることができるか、或いは特殊な用途において用いるための他の物品と接続するのに適した強固で耐久性のある複合体物品が与えられる。
【００２５】
[0026]本発明による他の態様においては、第２の領域の金属又は金属合金は、第１の領域の超硬粒子材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する（ここでは、いずれの熱伝導率も室温（２０℃）において評価する）。いかなる特定の理論にも制限されないが、超硬粒子材料の幾つかの要求の厳しい用途のために十分な強度を有する第１及び第２の領域の間の金属結合を形成するためには、第２の領域の金属又は金属合金は第１の領域の超硬粒子材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有していなければならないと考えられる。幾つかの態様においては、超硬合金よりも低い熱伝導率を有する金属又は金属合金のみを第２の領域において用いることができる。幾つかの態様においては、第２の領域或いは第２の領域の金属又は金属合金は、１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。他の態様においては、第２の領域或いは第２の領域の金属又は金属合金は、９０Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。
【００２６】
[0027]本発明による幾つかの他の態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は１２００℃より高い融点を有する。いかなる特定の理論にも制限されないが、超硬粒子材料の幾つかの要求の厳しい用途のために十分な結合強度を有する第１の領域の超硬粒子材料との金属結合を形成するためには、第２の領域の金属又は金属合金は１２００℃より高い融点を有していなければならないと考えられる。他の態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は１２７５℃より高い融点を有する。幾つかの態様においては、第２の領域の金属又は金属合金の融点は鋳鉄よりも高い。
【００２７】
[0028]本発明によれば、第１の領域中に含まれる超硬粒子材料は少なくとも６０体積％の分散硬質粒子を含んでいなければならない。超硬粒子材料が６０体積％未満の硬質粒子しか含んでいない場合には、超硬粒子材料は、超硬粒子材料を用いる用途のために必要な耐摩擦及び摩耗性、強度、並びに破壊靱性の必要な組み合わせに欠ける。Kenneth J. A. Brookes, Handbook of Hardmetals and Hard Materials (International Carbide Data, 1992）を参照。したがって、ここで用いる「超硬粒子」及び「超硬粒子材料」は、連続バインダー材料中に分散している硬質粒子の不連続相を含み、少なくとも６０体積％の硬質粒子不連続相を含む複合体材料を指す。
【００２８】
[0029]本発明による複合体物品の幾つかの態様においては、第２の領域の金属又は金属合金は（金属又は金属合金の体積を基準として）０〜５０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。金属又は金属合金中に特定濃度のかかる粒子を存在させることによって、金属又は金属合金の機械加工性に大きな悪影響を与えることなく、かかる硬質粒子を含まない同じ材料と比べて金属又は合金の耐摩耗性を向上させることができる。明らかに、金属合金中に５０体積％以下のかかる粒子を存在させても、少なくとも硬質粒子の体積分率が超硬粒子材料中よりも有意に少ないという理由のために、ここで定義するような超硬粒子材料は得られない。更に、本発明による幾つかの複合体物品においては、第２の領域の金属又は金属合金中に硬質粒子を存在させることによって、この領域の収縮特性を第１の領域の収縮特性により近づけるように変化させることができることが発見された。このように、第２の領域のＣＴＥを調節して、第１の領域のＣＴＥとの適合性をより良好に確保して、亀裂を引き起こす可能性がある金属結合領域中の応力の形成を妨げることができる。
【００２９】
[0030]而して、本発明による幾つかの態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は、金属又は金属合金中に分散している０〜５０体積％、好ましくは２０〜３０体積％以下の硬質粒子を含む。金属又は金属合金の耐摩耗性及び／又は収縮特性に影響を与える金属又は金属合金領域中の硬質粒子の最小量は、約２〜５体積％であると考えられる。而して、本発明による幾つかの態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は、金属又は金属合金中に分散している２〜５０体積％、好ましくは２〜３０体積％の硬質粒子を含む。他の態様は、金属又は金属合金中に分散している５〜５０体積％の硬質粒子、又は５〜３０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。更に他の態様は、金属又は金属合金中に分散している２〜２０体積％、又は５〜２０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。幾つかの他の態様は、金属又は金属合金中に分散している２０〜３０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。
【００３０】
[0031]第１の領域及び場合によっては第２の領域中に含まれる硬質粒子は、例えば炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、並びにこれらの混合物及び固溶体からなる群から選択することができる。一態様においては、第２の領域の金属又は金属合金は５０体積％以下の分散炭化タングステン粒子を含む。
【００３１】
[0032]本発明による幾つかの態様においては、第１の領域の超硬粒子材料の分散硬質粒子相は、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の硬質粒子を含んでいてよい。幾つかの態様においては、硬質粒子は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含んでいてよい。更に他の態様においては、第１の領域の超硬粒子材料の連続バインダー相は、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の少なくとも１つを含む。バインダーはまた、バインダー中のこれらの元素の溶解度限界以下の、例えばタングステン、クロム、チタン、タンタル、バナジウム、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、及び炭素から選択される１種類以上の元素を含んでいてもよい。更に、バインダーは、５重量％以下の銅、マンガン、銀、アルミニウム、及びルテニウムから選択される１種類以上の元素を含んでいてよい。当業者であれば、超硬粒子材料の任意又は全ての構成成分を、それから超硬粒子材料が形成される金属粉末中に、元素形態か、化合物としてか、及び／又は母合金として導入することができることを認識するであろう。
【００３２】
[0033]超硬合金のような超硬粒子材料の特性は、硬質粒子の平均粒径、並びに硬質粒子及び／又はバインダーの重量分率又は体積分率などのパラメーターによって定まる。一般に、硬度及び耐摩耗性は、粒径が減少し及び／又はバインダー含量が減少すると増加する。他方、破壊靱性は、粒径が増加し及び／又はバインダー含量が増加すると増加する。而して、任意の用途のために超硬粒子材料のグレードを選択する際には、耐摩耗性と破壊靱性との間の妥協点が存在する。耐摩耗性が増加すると破壊靱性は通常は減少し、その逆も成り立つ。
【００３３】
[0034]本発明の物品の幾つかの他の態様は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含む硬質粒子を含む。幾つかの他の態様においては、硬質粒子は炭化タングステン粒子を含む。更に他の態様においては、炭化タングステン粒子は０．３〜１０μｍの平均粒径を有していてよい。
【００３４】
[0035]第１の領域中の超硬粒子材料の硬質粒子は、好ましくは超硬粒子材料の全体積の約６０〜約９８体積％を構成する。硬質粒子は、好ましくは超硬粒子材料の全体積の約２〜約４０体積％を構成するバインダーのマトリクス内に分散している。
【００３５】
[0036]本発明による複合体物品の幾つかの態様はまた、例えば共に係属中の米国特許出願１０／７３５，３７９（その全ての開示事項を参照として本明細書中に包含する）に記載の任意のハイブリッド超硬合金のようなハイブリッド超硬合金を含んでいてよい。例えば、本発明による物品は、少なくとも、金属及び金属合金の１つを含む第２の領域に金属結合しているハイブリッド超硬合金を含む第１の領域を含んでいてよい。幾つかの他の物品は、少なくとも、超硬粒子を含む第１の領域、金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域、及びハイブリッド超硬合金材料を含む第３の領域を含んでいてよく、ここで第１及び第３の領域は第２の領域に金属結合している。
【００３６】
[0037]一般に、ハイブリッド超硬合金は、第２の超硬合金連続相全体に分散しており、それによって超硬合金の微細複合体を形成する、少なくとも１種類の超硬合金グレードの粒子を含む材料である。出願１０／７３５，３７９のハイブリッド超硬合金は、幾つかの他のハイブリッド超硬合金に比べて低い分散相粒子の接触率及び改良された特性を有する。好ましくは、本発明の幾つかの態様に含まれるハイブリッド超硬合金の分散相の接触率は０．４８以下である。また、本発明による幾つかの態様に含まれるハイブリッド超硬合金は、好ましくはハイブリッド超硬合金の連続相の硬度よりも高い硬度を有する分散相を含む。例えば、本発明による複合体物品の１以上の領域中に含まれるハイブリッド超硬合金の幾つかの態様においては、ハイブリッド超硬合金中の分散相の硬度は、好ましくは８８ロックウェルＡ硬度（ＨＲＡ）以上で９５ＨＲＡ以下であり、ハイブリッド炭化物中の連続相の硬度は７８ＨＲＡ以上で９１ＨＲＡ以下である。
【００３７】
[0038]本発明による物品の更なる態様は、物品の１以上の領域中にハイブリッド超硬合金を含んでいてよく、ここでは分散超硬合金相の体積分率はハイブリッド超硬合金の５０体積％未満であり、分散超硬合金相の接触率は、ハイブリッド超硬合金中の分散超硬合金相の体積分率の１．５倍以下である。
【００３８】
[0039]本発明による物品の幾つかの態様は、金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域を含み、この領域は少なくとも１つの機械的結合構造又は他の機械的構造を含む。ここで用いる機械的結合構造により、本発明による特定の物品を特定の他の物品に結合させて、より大きな装置の一部として機能させることが可能になる。機械的結合構造としては、例えばネジ、溝、キー溝、歯又ははめ歯、段差、ベベル、孔、ピン、及びアームを挙げることができる。これまでは、超硬粒子材料の限定された曲げ強さ及び切欠き感受性のために、特定の要求の厳しい用途のための超硬粒子のみから形成される物品に対してこのような機械的結合構造を上首尾に含ませることはできなかった。従来技術の物品は、共圧縮及び焼結以外の手段によって超硬粒子領域に結合させた１以上の機械的結合構造を含む金属又は金属合金領域を含んでいた。このような従来技術の物品は、金属又は金属合金領域と超硬粒子領域との間の比較的弱い結合を有しており、このため物品の可能な用途が大きく限定されていた。
【００３９】
[0040]超硬粒子部品を製造する方法は、通常は、硬質粒子及び粉末状バインダーを含む粉末状成分をブレンド又は混合して金属粉末ブレンドを形成することを含む。金属粉末ブレンドは、成形するか又は圧縮してグリーン成形体を形成することができる。次に、グリーン成形体を焼結して物品又は物品の一部を形成する。１つのプロセスによれば、金属粉末ブレンドを、通常は１０，０００〜６０，０００ｐｓｉの圧力で機械的又は液圧的に圧縮することによって成形してグリーン成形体を形成する。幾つかの場合においては、グリーン成形体を約４００℃〜約１２００℃の温度で予備焼結して「ブラウン」成形体を形成することができる。次に、グリーン又はブラウン成形体を焼結して、金属粉末粒子を一緒に自生溶接し、成形体を更に緻密化する。幾つかの態様においては、粉末成形体を真空中又は水素中で焼結することができる。幾つかの態様においては、成形体を、３００〜２０００ｐｓｉ及び１３５０〜１５００℃の温度において過圧焼結する。焼結の後、物品を適当に機械加工して、所望の形状又は特定の形状の物品の他の特徴を形成することができる。
【００４０】
[0041]本発明の幾つかの態様は、複合体焼結粉末金属複合体物品を製造する方法を含む。１つのかかる方法は、硬質粒子及び粉末状バインダーを含む第１の金属粉末を成形型の空間の第１の領域中に配置することを含む。第２の金属粉末ブレンドを成形型の空間の第２の領域中に配置する。第２の粉末は、鋼粉末、ニッケル粉末、ニッケル合金粉末、モリブデン粉末、モリブデン合金粉末、チタン粉末、チタン合金粉末、コバルト粉末、コバルト合金粉末、タングステン粉末、及びタングステン合金粉末からなる群から選択される金属粉末及び金属合金粉末の少なくとも１つを含んでいてよい。第２の粉末は、第１の粉末と接触させることができ、或いは当初は分離手段によって成形型内で第１の粉末から分離させることができる。複合体物品中において所望の超硬粒子及び金属又は金属合金領域の数によって、成形型を更なる領域に区画して、その中に更なる金属粉末ブレンドを配置することができる。例えば、成形型は、成形型の空間内に１以上の物理的な仕切りを配置して幾つかの領域を画定するか、及び／又は単に隣接する粉末の間に仕切りを与えずに成形型の複数の領域に異なる粉末を充填することによって、複数の領域に分離することができる。金属粉末は、ここで記載する物品の対応する領域の所望の特性を達成するように選択される。本発明方法の幾つかの態様において用いる材料には、ここで議論する任意の材料を含ませることができるが、これらは圧縮及び焼結することができるように粉末形態のものである。粉末を成形型中に装填したら、任意の仕切りを取り外し、次に成形型内の粉末を成形してグリーン成形体を形成する。粉末は、例えば機械的又は液圧的圧縮によって成形することができる。次に、グリーン成形体を焼結して、第１の粉末から形成され、第２の金属又は金属合金粉末から形成されている第２の領域に金属結合している超硬粒子領域を含む複合体焼結粉末金属物品を与えることができる。例えば、焼結は、１５００℃以下の温度のような、粉末粒子を自生結合し、物品を好適に緻密化するのに好適な温度で行うことができる。
【００４１】
[0042]焼結粉末金属物品を製造する通常の方法を用いて、種々の形状で、種々の幾何学的な特徴を含む焼結物品を与えることができる。かかる通常の方法は、当業者に直ぐに知られるであろう。当業者であれば、本開示を考察した後には、通常の方法を本発明による複合体物品を製造するように容易に適合させることができる。
【００４２】
[0043]本発明による方法の更なる態様は、成形型内で第１の金属粉末を成形して第１のグリーン成形体を形成し、第１のグリーン成形体を第２の成形型内に配置し、第１のグリーン成形体で第２の成形型の一部を充填することを含む。第２の成形型には、第２の金属粉末を少なくとも部分的に充填することができる。第２の金属粉末及び第１のグリーン成形体を成形して第２のグリーン成形体を形成することができる。最後に、第２のグリーン成形体を焼結して、成形体を更に緻密化し、第１の金属粉末の領域と第２の金属粉末の領域との間に金属結合を形成させる。必要な場合には、第１のグリーン成形体を約１２００℃以下の温度で予備焼結して、第１のグリーン成形体に更なる強度を与えることができる。本発明による方法のかかる態様により、特定の用途のための複合体物品の異なる領域のデザインにおいて増加した柔軟性が与えられる。第１のグリーン成形体は、ここで示す態様による任意の所望の粉末金属材料からの任意の所望の形状にデザインすることができる。更に、このプロセスを好ましくは焼結の前に所望回数繰り返すことができる。例えば、成形して第２のグリーン成形体を形成した後に、第２のグリーン成形体を、第３の金属粉末を有する第３の成形型内に配置し、成形して第３のグリーン成形体を形成することができる。かかる反復プロセスによって、より複雑な形状を形成することができる。複数の明確に画定された異なる特性の領域を含む物品を形成することができる。例えば、本発明の複合体物品には、例えば増加した耐摩耗特性が所望である箇所に超硬粒子材料、及び機械的結合構造を与えることが所望の箇所の物品の領域に金属又は金属合金を含ませることができる。
【００４３】
[0044]本発明による方法の幾つかの態様は、複合体焼結粉末金属物品に関する。ここで用いる複合体物品は、それぞれの領域が異なる材料で構成される少なくとも２つの領域を含む物体である。本発明による複合体焼結粉末金属物品は、少なくとも、超硬粒子を含み、金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域に金属結合している第１の領域を含む。本発明による複合体物品の２種類の非限定的な例を図１Ａに示す。焼結粉末金属物品１００は、ニッケル領域１１２に金属結合している超硬合金領域１１０の形態の第１の領域を含む。焼結粉末金属物品２００は、ネジが切られたニッケル領域２１２の形態の第２の領域に金属結合している超硬合金領域２１０の形態の第１の領域を含む。
【００４４】
[0045]本発明による複合体物品において、第１の領域の超硬粒子は、連続バインダー相中に分散している硬質粒子の不連続相を含む複合体である。第２の領域中に含まれる金属及び／又は金属合金は、鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される１つ以上である。２つの領域は、一緒に圧縮及び焼結された金属粉末から形成される。焼結中に、第１及び第２の領域の間、例えば第１の領域中の超硬粒子と第２の領域中の金属又は金属合金との間の界面に金属結合が形成される。
【００４５】
[0046]本発明方法の幾つかの態様において、本発明者らは、焼結中に第１の領域（超硬粒子を含む）と第２の領域（金属及び金属合金の少なくとも１つを含む）との間に形成される金属結合が、驚くべきことに予想外に強固であることを確認した。本発明によって製造される種々の態様においては、第１及び第２の領域の間の金属結合は、亀裂などの大きな欠陥を含まない。かかる結合欠陥は、従来の方法を用いて超硬粒子材料を金属又は金属合金に結合させた場合には通常的に存在する。本発明によって形成される金属結合は、第１及び第２の領域の間に微細構造レベルで直接形成され、上記で記載したCarlssonの米国特許５，３５９，７７２において議論されている鋳造法のような超硬合金及び金属又は金属合金を一緒に結合させるのに用いられる従来技術の方法によって形成される結合よりも非常に強固である。ここで示す材料を用いて圧縮及び焼結法によって形成される金属結合は、他の結合方法が遭遇する応力及び亀裂を避ける。これは、少なくとも部分的に、本発明方法によって形成される強固な金属結合の性質の結果であると考えられ、また本方法において用いる材料の相溶性の結果でもある。全ての金属及び金属合金を超硬合金のような超硬粒子に焼結することはできないことが分かっている。また、本発明によって形成される強固な結合は、結合した材料の熱膨張特性における差から生成する応力を有効に打ち消して、複合体物品の第１及び第２の領域の間の界面において亀裂が形成されないようにする。
【００４６】
[0047]本発明による方法の幾つかの態様においては、超硬粒子を含む第１の領域は１００ミクロンよりも大きな厚さを有する。また、幾つかの態様においては、第１の領域は被覆のものよりも大きな厚さを有する。
【００４７】
[0048]ここで記載する方法の幾つかの態様により、複合体物品の第１の領域（超硬粒子を含む）と第２の領域（金属及び金属合金の少なくとも１つを含む）との間の予想外の驚くべき強固な金属結合が達成される。本発明方法の幾つかの態様においては、第１及び第２の領域の間に優れた結合を形成することを、複合体の第２の領域上にネジ又はキー溝のような有利な機械的構造を導入する工程と組み合わせて、種々の用途において用いることができるか、或いは特殊な用途において用いるための他の物品と接続するのに適した強固で耐久性のある複合体物品が与えられる。
【００４８】
[0049]本発明方法の幾つかの態様においては、第１及び第２の領域はそれぞれ、１００ミクロンよりも大きな厚さを有する。幾つかの他の態様においては、第１及び第２の領域のそれぞれは０．１ｃｍより大きな厚さを有する。更に他の態様においては、第１及び第２の領域はそれぞれ、０．５ｃｍより大きな厚さを有する。本発明による幾つかの他の態様は、１ｃｍより大きな厚さを有する第１及び第２の領域を含む。更に他の態様は、５ｃｍより大きな厚さを有する第１及び第２の領域を含む。また、本発明方法の幾つかの態様においては、複合体焼結粉末金属物品の少なくとも第２の領域又は他の領域は、その領域に例えばネジ又はキー溝のような機械的結合構造を含ませて、複合体物品を機械的結合構造によって他の物品に結合させることができるようにするのに十分な厚さを有する。
【００４９】
[0050]本発明方法の他の態様においては、第２の領域の金属又は金属合金は第１の領域の超硬粒子材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。ここで、いずれの熱伝導率も室温（２０℃）において評価する。いかなる特定の理論にも制限されないが、超硬粒子材料の幾つかの要求の厳しい用途のために十分な強度を有する第１及び第２の領域の間の金属結合を形成するためには、第２の領域の金属又は金属合金は第１の領域の超硬粒子材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有していなければならないと考えられる。幾つかの態様においては、超硬合金よりも低い熱伝導率を有する金属又は金属合金のみを第２の領域において用いることができる。幾つかの態様においては、第２の領域或いは第２の領域の金属又は金属合金は、１００Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。他の態様においては、第２の領域或いは第２の領域の金属又は金属合金は、９０Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する。
【００５０】
[0051]本発明方法の幾つかの他の態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は１２００℃より高い融点を有する。いかなる特定の理論にも制限されないが、超硬粒子材料の幾つかの要求の厳しい用途のために十分な結合強度を有する第１の領域の超硬粒子材料との金属結合を形成するためには、第２の領域の金属又は金属合金は１２００℃より高い融点を有していなければならないと考えられる。他の態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は１２７５℃より高い融点を有する。幾つかの態様においては、第２の領域の金属又は金属合金の融点は鋳鉄よりも高い。
【００５１】
[0052]本発明によれば、第１の領域中に含まれる超硬粒子材料は少なくとも６０体積％の分散硬質粒子を含んでいなければならない。超硬粒子材料が６０体積％未満の硬質粒子しか含んでいない場合には、超硬粒子材料は、超硬粒子材料を用いる用途のために必要な耐摩擦及び摩耗性、強度、並びに破壊靱性の必要な組み合わせに欠ける。したがって、ここで用いる「超硬粒子」及び「超硬粒子材料」は、連続バインダー材料中に分散している硬質粒子の不連続相を含み、少なくとも６０体積％の硬質粒子不連続相を含む複合体材料を指す。
【００５２】
[0053]本発明による複合体物品の製造方法の幾つかの態様においては、第２の領域の金属又は金属合金は（金属又は金属合金の体積を基準として）０〜５０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。金属又は金属合金中に特定濃度のかかる粒子を存在させることによって、金属又は金属合金の機械加工性に大きな悪影響を与えることなく、かかる硬質粒子を含まない同じ材料と比べて金属又は合金の耐摩耗性を向上させることができる。明らかに、金属合金中に５０体積％以下のかかる粒子を存在させても、少なくとも硬質粒子の体積分率が超硬粒子材料中よりも有意に少ないという理由のために、ここで定義するような超硬粒子材料は得られない。更に、本発明による幾つかの複合体物品においては、第２の領域の金属又は金属合金中に硬質粒子を存在させることによって、この領域の収縮特性を第１の領域の収縮特性により近づけるように変化させることができることが発見された。このように、第２の領域のＣＴＥを調節して、第１の領域のＣＴＥとの適合性をより良好に確保して、亀裂を引き起こす可能性がある金属結合領域中の応力の形成を妨げることができる。
【００５３】
[0054]而して、本発明方法の幾つかの態様においては、複合体物品の第２の領域の金属又は金属合金は、金属又は金属合金中に分散している０〜５０体積％、好ましくは２０〜３０体積％以下の硬質粒子を含む。金属又は金属合金の耐摩耗性及び／又は収縮特性に影響を与える金属又は金属合金領域中の硬質粒子の最小量は、約２〜５体積％であると考えられる。而して、本発明による幾つかの態様においては、複合体物品の第２の領域の金属合金は、金属又は金属合金中に分散している２〜５０体積％、好ましくは２〜３０体積％の硬質粒子を含む。他の態様は、金属又は金属合金中に分散している５〜５０体積％の硬質粒子、又は５〜３０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。更に他の態様は、金属又は金属合金中に分散している２〜２０体積％、又は５〜２０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。幾つかの他の態様は、金属又は金属合金中に分散している２０〜３０体積％の硬質粒子を含んでいてよい。
【００５４】
[0055]第１の領域及び場合によっては第２の領域中に含まれる硬質粒子は、例えば炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、並びにこれらの混合物及び固溶体からなる群から選択することができる。一態様においては、第２の領域の金属又は金属合金は５０体積％以下の分散炭化タングステン粒子を含む。
【００５５】
[0056]本発明方法の幾つかの態様においては、第１の領域の超硬粒子材料の分散硬質粒子相は、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の硬質粒子を含んでいてよい。幾つかの態様においては、硬質粒子は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含んでいてよい。更に他の態様においては、第１の領域の超硬粒子材料の連続バインダー相は、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の少なくとも１つを含む。バインダーはまた、バインダー中のこれらの元素の溶解度限界以下の、例えばタングステン、クロム、チタン、タンタル、バナジウム、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、及び炭素から選択される１種類以上の元素を含んでいてもよい。更に、バインダーは、５重量％以下の銅、マンガン、銀、アルミニウム、及びルテニウムから選択される１種類以上の元素を含んでいてよい。当業者であれば、超硬粒子材料の任意又は全ての構成成分を、それから超硬粒子材料が形成される金属粉末中に、元素形態か、化合物としてか、及び／又は母合金として導入することができることを認識するであろう。
【００５６】
[0057]超硬合金のような超硬粒子材料の特性は、硬質粒子の平均粒径、並びに硬質粒子及び／又はバインダーの重量分率又は体積分率などのパラメーターによって定まる。一般に、硬度及び耐摩耗性は、粒径が減少し及び／又はバインダー含量が減少すると増加する。他方、破壊靱性は、粒径が増加し及び／又はバインダー含量が増加すると増加する。而して、任意の用途のために超硬粒子材料のグレードを選択する際には、耐摩耗性と破壊靱性との間の妥協点が存在する。耐摩耗性が増加すると破壊靱性は通常は減少し、その逆も成り立つ。
【００５７】
[0058]本発明の物品の製造方法の幾つかの他の態様は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含む硬質粒子を含む。幾つかの他の態様においては、硬質粒子は炭化タングステン粒子を含む。更に他の態様においては、炭化タングステン粒子は０．３〜１０μｍの平均粒径を有していてよい。
【００５８】
[0059]第１の領域中の超硬粒子材料の硬質粒子は、好ましくは超硬粒子材料の全体積の約６０〜約９８体積％を構成する。硬質粒子は、好ましくは超硬粒子材料の全体積の約２〜約４０体積％を構成するバインダーのマトリクス内に分散している。
【００５９】
[0060]本発明による複合体物品の製造方法の幾つかの態様はまた、例えば共に係属中の米国特許出願１０／７３５，３７９（その全ての開示事項を参照として本明細書中に包含する）に記載の任意のハイブリッド超硬合金のようなハイブリッド超硬合金を含んでいてよい。例えば、本発明による物品は、少なくとも、金属及び金属合金の１つを含む第２の領域に金属結合しているハイブリッド超硬合金を含む第１の領域を含んでいてよい。幾つかの他の物品は、少なくとも、超硬粒子を含む第１の領域、金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域、及びハイブリッド超硬合金材料を含む第３の領域を含んでいてよく、ここで第１及び第３の領域は第２の領域に金属結合している。
【００６０】
[0061]一般に、ハイブリッド超硬合金は、第２の超硬合金連続相全体に分散しており、それによって超硬合金の微細複合体を形成する、少なくとも１種類の超硬合金グレードの粒子を含む材料である。出願１０／７３５，３７９のハイブリッド超硬合金は、幾つかの他のハイブリッド超硬合金に比べて低い分散相粒子の接触率、及び改良された特性を有する。好ましくは、本発明の幾つかの態様に含まれるハイブリッド超硬合金の分散相の接触率は０．４８以下である。また、本発明による幾つかの態様に含まれるハイブリッド超硬合金は、好ましくはハイブリッド超硬合金の連続相の硬度よりも高い硬度を有する分散相を含む。例えば、本発明による複合体物品の１以上の領域中に含まれるハイブリッド超硬合金の幾つかの態様においては、ハイブリッド超硬合金中の分散相の硬度は、好ましくは８８ロックウェルＡ硬度（ＨＲＡ）以上で９５ＨＲＡ以下であり、ハイブリッド炭化物中の連続相の硬度は７８ＨＲＡ以上で９１ＨＲＡ以下である。
【００６１】
[0062]本発明による物品の製造方法の更なる態様は、物品の１以上の領域中にハイブリッド超硬合金を含んでいてよく、ここでは分散超硬合金相の体積分率はハイブリッド超硬合金の５０体積％未満であり、分散超硬合金相の接触率は、ハイブリッド超硬合金中の分散超硬合金相の体積分率の１．５倍以下である。
【００６２】
[0063]本発明による物品の製造方法の幾つかの態様は、少なくとも、金属及び金属合金の少なくとも１つを含む第２の領域の上に機械的結合構造又は他の機械的構造を形成することを含む。ここで用いる機械的結合構造により、本発明による特定の物品を特定の他の物品に結合させて、より大きな装置の一部として機能させることが可能になる。機械的結合構造としては、例えばネジ、溝、キー溝、歯又ははめ歯、段差、ベベル、孔、ピン、及びアームを挙げることができる。これまでは、超硬粒子材料の限定された曲げ強さ及び切欠き感受性のために、特定の要求の厳しい用途のための超硬粒子のみから形成される物品に対してこのような機械的結合構造を上首尾に含ませることはできなかった。従来技術の物品は、共圧縮及び焼結以外の手段によって超硬粒子領域に結合させた１以上の機械的結合構造を含む金属又は金属合金領域を含んでいた。このような従来技術の物品は、金属又は金属合金領域と超硬粒子領域との間の比較的弱い結合を有しており、このため物品の可能な用途が大きく限定されていた。
【実施例】
【００６３】
実施例１：
[0064]図１Ａは、本発明による以下の方法を用いて製造された、ニッケル部分１１２、２１２に金属結合している超硬合金部分１１０、２１０から構成された超硬合金−金属複合体物品１００、２００を示す。７０％の炭化タングステン、１８％のコバルト、及び１２％のニッケルから構成された超硬合金粉末（Madison, Alabama, USAのATI Firth SterlingからFL30粉末として商業的に入手できる）の層を、成形型内に、ニッケル粉末（Wyckoff, New Jersey, USAのInco Special ProductsからIncoタイプ123高純度ニッケルとして商業的に入手できる）の層と接触させて配置し、共圧縮して、成形した粉末材料の２つの別個の層から構成される単一のグリーン成形体を形成した。圧縮（又は成形）は、約２０，０００ｐｓｉのプレス圧を用いて１００トンの液圧プレス中で行った。得られたグリーン成形体は、直径約１．５インチで長さ約２インチの円筒形であった。超硬合金層は長さ約０．７インチであり、ニッケル層は長さ約１．３インチであった。圧縮の後、複合体成形体を真空炉中１３８０℃において焼結した。焼結中の成形体の線収縮は、全ての方向に沿って約１８％であった。複合体焼結物品の外径上を研磨し、１つの物品のニッケル部分２１２内にネジを機械加工した。図１Ｂは、物品１００及び２００の、超硬合金材料３００とニッケル材料３０１との界面における微細構造を示す。図１Ｂは、超硬合金及びニッケルの部分が、界面領域３０２において一緒に金属結合していることを明確に示す。界面領域に亀裂は見られなかった。
【００６４】
実施例２：
[0065]図２は、本発明による粉末金属圧縮及び焼結法によって製造された３つの別々の層を含む超硬合金−金属合金複合体物品４００を示す。第１の層４０１は、FL30（上記を参照）から形成された超硬合金から構成されていた。第２の層４０２はニッケル粉末から形成されたニッケルから構成されており、第３の層４０３は鋼粉末から形成された鋼から構成されていた。複合体を製造するために用いた方法は、２つの層に代えて粉末の３つの層を一緒に共圧縮してグリーン成形体を形成した他は実施例１において用いた方法と実質的に同じであった。３つの層は、均一に一緒に金属結合して複合体物品を形成しているように見えた。焼結物品の外側の超硬合金及びニッケルの領域の間の界面の近傍において亀裂は見られなかった。
【００６５】
実施例３：
[0066]本発明にしたがって、以下の方法を用いて超硬合金部分及びタングステン合金部分から構成される複合体物品を製造した。超硬合金粉末（FL30粉末）の層を、成形型内に、タングステン合金粉末（７０％のタングステン、２４％のニッケル、及び６％の銅から構成）の層と接触させて配置し、共圧縮して、成形粉末の２つの別個の層から構成される単一の複合体グリーン成形体を形成した。圧縮（又は成形）は、約２０，０００ｐｓｉのプレス圧を用いて１００トンの液圧プレス中で行った。グリーン成形体は、直径約１．５インチで長さ約２インチの円筒形であった。超硬合金層は長さ約１．０インチであり、タングステン合金層も長さ約１．０インチであった。圧縮の後、複合体成形体を水素中１４００℃において焼結して、タングステン合金を焼結する際の酸化を最小化又は排除した。焼結中の成形体の線収縮は、全ての方向に沿って約１８％であった。図３は、超硬合金５０２及びタングステン合金５００の部分が、界面５０１において一緒に金属結合していることを明確に示す微細構造を示す。界面領域において亀裂は見られなかった。
【００６６】
[0067]以上の説明はやむを得ずに限定された数の態様のみを示しているが、当業者であればここで記載され示されている実例の主題及び他の細部における種々の変更を当業者によって行うことができ、かかる修正は全て本明細書中及び特許請求の範囲において示す本発明の精神及び範囲内であることを認識するであろう。例えば、本開示は、やむを得ずに本発明によって構成される円筒形の棒状部材の限定された数の態様のみを示しているが、本発明及び特許請求の範囲はそのように限定されるものではないことが理解されよう。当業者であれば、更なる円筒形の棒状部材のデザインを容易に認識し、ここで議論するやむを得ずに限定された数の態様の精神に沿って且つその範囲内で更なる円筒形の棒状部材をデザイン及び製造することができる。したがって、本発明はここで開示され又は含まれている特定の態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって規定される本発明の原理及び範囲内の修正をカバーすることを意図していると理解される。また、その広い発明の概念から逸脱することなく、上記の態様に変更を行うことができることも当業者に認められるであろう。
［本発明の態様］
［１］
超硬粒子を含む第１の領域；及び
鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、モリブデン、モリブデン合金、コバルト、コバルト合金、タングステン、及びタングステン合金から選択される金属及び金属合金の１つを含む第２の領域；
を含み、第１の領域が第２の領域に金属結合しており、第１の領域及び第２の領域が１００ミクロンよりも大きい厚さを有する、複合体焼結粉末金属物品。
［２］
第２の領域の金属又は金属合金が超硬粒子の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［３］
第２の領域の金属又は金属合金が１００Ｗ／ｍＫよりも低い熱伝導率を有する、２に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［４］
第２の領域の金属又は金属合金が１２００℃よりも高い融点を有する、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［５］
第２の領域の金属又は金属合金が、５０体積％以下の、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の硬質粒子を含む、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［６］
第２の領域の金属又は金属合金が５０体積％以下の炭化タングステン粒子を含む、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［７］
超硬粒子が連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［８］
硬質粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の粒子を含み、バインダー相が、コバルト、コバルト合金、モリブデン、モリブデン合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の少なくとも１つを含む、７に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［９］
硬質粒子が、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含む、７に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１０］
超硬粒子が炭化タングステン粒子を含む、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１１］
炭化タングステン粒子が０．３〜１０μｍの平均粒径を有する、１０に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１２］
バインダー相がコバルトを含む、７に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１３］
超硬粒子が２〜４０体積％の連続バインダー相、及び６０〜９８体積％の連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１４］
超硬粒子がハイブリッド超硬合金の粒子を含む、１に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１５］
ハイブリッド超硬合金粒子が、
超硬合金連続相；及び
超硬合金連続相中に分散している超硬合金分散相；
を含み、ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の接触率が０．４８以下である、１４に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１６］
ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の体積分率が５０体積％未満であり、ハイブリッド超硬合金相中の超硬合金分散相の接触率が、ハイブリッド超硬合金粒子中の分散相の体積分率の１．５倍以下である、１４に記載の複合体焼結粉末金属物品。
［１７］
成形型の第１の領域内に、硬質粒子及び粉末状バインダーを含む第１の粉末を与え；
成形型の第２の領域内に第２の粉末を与え、ここで第２の粉末は第１の粉末と接触し、鋼粉末、ニッケル粉末、ニッケル合金粉末、モリブデン粉末、モリブデン合金粉末、チタン粉末、チタン合金粉末、コバルト粉末、コバルト合金粉末、タングステン粉末、及びタングステン合金粉末から選択される金属粉末及び金属合金粉末の少なくとも１つを含み；
成形型内で第１の粉末及び第２の粉末を成形してグリーン成形体を与え；
グリーン成形体を焼結して、第１の粉末から形成され、第２の粉末から形成される金属質の第２の領域に金属結合している超硬粒子領域を含む複合体焼結粉末金属物品を与える；
ことを含む、複合体焼結粉末金属物品の製造方法。
［１８］
金属質の第２の領域の熱伝導率が超硬粒子領域の熱伝導率よりも低い、１７に記載の方法。
［１９］
金属質の第２の領域の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ未満である、８に記載の方法。
［２０］
金属質の第２の領域の融点が１２００℃より高い、１７に記載の方法。
［２１］
金属質の第２の領域が、５０体積％以下の、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体からなる群から選択される１種類以上の硬質粒子を含む、１７に記載の方法。
［２２］
金属質の第２の領域が５０体積％以下の炭化タングステン粒子を含む、１７に記載の方法。
［２３］
超硬粒子領域が連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、１７に記載の方法。
［２４］
硬質粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、及びこれらの固溶体から選択される１種類以上の硬質粒子を含み、バインダー相が、コバルト、コバルト合金、モリブデン、モリブデン合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び鉄合金の少なくとも１つを含む、２３に記載の方法。
［２５］
硬質粒子が、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、及びタングステンから選択される少なくとも１種類の遷移金属の炭化物粒子を含む、２３に記載の方法。
［２６］
超硬粒子領域が炭化タングステン粒子を含む、１７に記載の方法。
［２７］
炭化タングステン粒子が０．３〜１０μｍの平均粒径を有する、２６に記載の方法。
［２８］
バインダー相がコバルトを含む、２３に記載の方法。
［２９］
超硬粒子領域が２〜４０体積％の連続バインダー相及び６０〜９８体積％の連続バインダー相中に分散している硬質粒子を含む、１７に記載の方法。
［３０］
超硬粒子領域がハイブリッド超硬合金の粒子を含む、１７に記載の方法。
［３１］
ハイブリッド超硬合金粒子が、
超硬合金連続相；及び
超硬合金連続相中に分散している超硬合金分散相；
を含み、ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の接触率が０．４８以下である、３０に記載の方法。
［３２］
ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の体積分率が５０体積％未満であり、ハイブリッド超硬合金粒子中の超硬合金分散相の接触率が、ハイブリッド超硬合金粒子中の分散相の体積分率の１．５倍以下である、３１に記載の方法。
［３３］
金属質の第２の領域が少なくとも１００ミクロンの厚さを有する、１７に記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2015078435000001.pdf