(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属またはセラミック部品を作製する方法であって、
ａ）少なくとも１つの第１の粉末を提供することであって、前記第１の粉末が、コア粒子材料、前記コア粒子材料上の中間層及び外層から作製された複数の複合粒子を含み、前記コア粒子材料が、前記中間層および前記外層の両方よりも高い硬度を有し、前記中間層が、前記コア粒子材料および前記外層の両方よりも大きい破壊靱性を有することと、
ｂ）炭化材料を含む少なくとも１つの第２の粉末を提供することと、
ｃ）前記第１および第２の粉末混合物からなるグリーン体を形成することであって、前記グリーン体の第２の部分を形成する前記第２の粉末混合物とともに、前記第１の粉末混合物が、前記グリーン体の第１の部分を形成することと、
ｄ）前記グリーン体を成形、プレス、または形削して圧粉体を形成することと、及び
ｅ）前記圧粉体を焼結して、異なる並置特性の部分を有する物品を形成することであって、前記グリーン体の前記第１の部分が、前記物品の硬質耐摩耗部分を形成し、前記グリーン体の前記第２の部分が、前記物品の強靭で強力な荷重負荷部分を形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第１の粉末が、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＢ２、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｗ２Ｂ５、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＦｅＢ（鉄ホウ化モリブデン）、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、Ｍｏ２Ｂ、およびダイヤモンドからなる群から選択される化合物を含む、コア粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第１の粉末が、前記コア粒子上に中間層を含み、前記中間層が、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、工具鋼、ガラス質の不透明なナノ合金鋼、窒化ケイ素、炭化タンタル、またはそれらの組み合わせから選択される少なくとも１つの化合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記外層が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第１の粉末が、９〜１０重量％のＣｏを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
炭化材料を含む前記少なくとも１つの第２の粉末が、ＷＣ−Ｃｏを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ＷＣ−Ｃｏが、０．５〜５．０マイクロメートルの範囲の粒径を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記グリーン体の前記第１および第２の粉末混合物が、２０，０００〜４０，０００ｐｓｉの範囲の圧力下で集合させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記成形、プレス、または形削が、射出成形、押出、カレンダリング、テープ成形、粉末成層、または少なくとも１つの付加的製造プロセスから選択される少なくとも一つの方法を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の粉末混合物が、連続ロッド、同心円筒もしくは平板積層、またはより複雑な形状に集合させられる、前記グリーン体の層を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記グリーン体の前記第１および第２の粉末混合物が、３０〜２００℃の範囲の温度で集合させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記グリーン体の集合体が、液相焼結、熱間プレス、熱間等方圧プレス、焼結−ＨＩＰ、放電プラズマ焼結、焼結鍛造、マイクロ波、または高速全方向性圧密から選択される方法による圧縮後に焼結される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記グリーン体の集合体が、不活性、浸炭、脱炭もしくは還元、窒素、圧力または真空雰囲気下で焼結される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記グリーン体の集合体を成す前記第１の粉末コア粒子および第２の粉末粒子の直径が、０．５〜３０マイクロメートルの範囲内である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の粉末または前記第２の粉末のうちの少なくとも１つが、前記形削の前またはそれと同時に、パラフィンろう、ステアリン酸、エチレンビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、および複数の前記成分粒子とのコポリマーから選択される少なくとも１つの添加剤と混合される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記金属またはセラミック部品が、傾斜機能性材料または多成分材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
金属またはセラミック部品を作製する方法であって、
ａ）少なくとも１つの第１の形成されたグリーン物品を提供することであって、前記形成されたグリーン物品が、
コア粒子材料、前記コア粒子材料上の中間層、及び外層とから作製された複数の複合粒子を含み、前記コア粒子材料が、前記中間層および前記外層の両方よりも高い硬度を有し、前記中間層が、前記コア粒子材料および前記外層の両方よりも優れた破壊靱性を有することと、
ｂ）炭化材料を含む少なくとも１つの支持粉末を提供することと、
ｃ）前記第１のグリーン物品および前記少なくとも１つの支持粉末からなる第２のグリーン体を形成することと、
ｄ）前記第１のグリーン物品および前記支持粉末を圧粉して、圧粉体を形成することと、及び
ｅ）前記圧粉体を焼結して、異なる並置特性の部分を有する物品を形成することと、を含む、方法。
【請求項１８】
少なくとも２つの別個かつ隣接した組成領域を含む焼結物品であって、
第１の組成物であって、
ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＢ２、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｗ２Ｂ５、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏＦｅＢ（鉄ホウ化モリブデン）、およびダイヤモンドからなる群から選択される化合物を含む、複数のコア粒子と、
前記コア粒子上の中間層であって、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、工具鋼、ガラス質の不透明なナノ合金鋼、窒化ケイ素、炭化タンタル、またはそれらの組み合わせから選択される少なくとも１つの化合物を含む、中間層と、
Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせを含む、前記中間層上に位置する外層と、を含む、第１の組成物と、及び
炭化材料を含む第２の組成物と、を含む、焼結物品。
【請求項１９】
前記第２の組成物が、ＷＣ−Ｃｏを含む、請求項１８に記載の物品。
【請求項２０】
前記第１の組成物が、９〜１０重量％のＣｏを含む、請求項１８に記載の物品。
【請求項２１】
ドリル、ミル、切削または形成工具、引抜きダイス、押出ダイス、鍛造ダイス、切削および刻印ダイス、型枠、形成ローラー、射出金型、せん断機、のこぎり、ホブ、ブリーチ、リーマー、タップと、
ギア、カム、ジャーナル、ノズル、シール、バルブシート、ポンプ羽根車、キャプスタン、シーブ、ベアリング、および摩耗面から選択される個別の機械部品と、
嵌合部、内燃機関ロッド、ベアリング、カムシャフト、トランスミッション部に代わる内蔵共焼結部品と、及び
メモリドライブ読取りヘッドおよび特殊磁石等の電気機械部品と、を備える、請求項１８に記載の物品。
【請求項２２】
前記物品が、実質的に前記第１の組成物からなる作業領域と、実質的に前記第２の組成物からなる支持領域と、を含む、請求項１８に記載の物品。
【請求項２３】
前記少なくとも２つの別個かつ隣接した組成領域が、傾斜機能性材料または多成分材料を含む、請求項１８に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年９月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／７０６，６９３号、および２０１２年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７３６，７９１号の利益を主張し、それら両方の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、異なる組成物の粉末のグリーン体を形成し、そのようなグリーン体を圧粉および焼結することによって、不均一な組成物を有する、ドリル、ミル、切削および形成工具、ワイヤダイス、および機械部品等の金属およびセラミック物品を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
工具寿命は、いくつかの種類の摩耗に対する工具の耐性、ならびに重荷重および衝撃に対するその反応によって決定されるが、耐摩耗性は一般に、強度を犠牲にして増加するという現実を伴う。現在、最良の工具は、最良の妥協点を示し、したがって特別な適用での使用に限定される。そのような妥協点を限定するために、より長い工具寿命だけでなく、切削速度および供給の増加も可能にするコーティング技法が使用されている。粉末冶金および焼結は、強化された硬度および靱性を有する新たな材料の開発につながっている。例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、またはプラズマ支援化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）によって硬質コーティングを焼結合金に付加することは、耐摩耗性を増加させた。
【０００４】
機械特性は、積層、部品形状を含む様々な設計変更によって、および局所的耐摩耗性を強化する付加的な機械および／または熱工程によって改善されている。しかしながら、これらの付加的な工程は、費用およびリードタイムを付加し、多くの場合、ろう付け、鍛造、熱処理、研磨、またはラッピング等のより多くの工程段階を必要とする。
【０００５】
外部コーティング液は、使用時のコーティング剥離および亀裂を含む、いくつかの主要な欠点を有し（異なるコーティングおよび基質の熱膨張率から、ならびに屈曲および表面荷重から）、必要とされる高いＣＶＤ工程温度（９００℃〜１２００℃）が、焼結部品の強度または形状に必要な熱処理と一致しない場合がある。
【０００６】
さらに、工具の表面上に高性能コーティングを使用する場合であっても、コーティングは最終的に損なわれ、基礎材料の特性が切削速度で動作するのに不十分であるため、その工具は極めて急速に損なわれる。そのような工具は、ＣＶＤコーティングを再適用することによって新しくすることができるが、コーティングまたは複数回のコーティングの再適用は、一般に経済的に実現可能でない。
【０００７】
したがって、本発明の１つの目的は、工具または物品の異なる領域間の界面において障害を呈すことなく、その工具または物品内の異なる位置で変化し得る特性を有する、新規の傾斜機能性材料（ＦＧＭ）を提供することである。この新規ＦＧＭは、可塑化粉末であり得る、グリーン焼結性粉末の集合であり、従来の層状界面内より何倍も大きい計画的な界面移行勾配および結合強度を可能にする、一般的または相溶性マトリックスおよびバインダー材料を有する。
【０００８】
本発明の別の目的は、工具または物品の作業面および切削端で得られる摩耗、摩擦係数、および靱性特性の極値において、従来の摩耗積層体と比較して増加を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、自然なまたはより脆弱な界面を許容するのではなく、計画的かつ操作された特性の移行を提供することである。本発明のさらに別の目的は、（ａ）必要とされる高価な材料の量を低減すること、（ｂ）可塑化された粉末状金属およびセラミックの連続押出、粉末状射出成形（ＰＩＭ）、もしくはカレンダリング、または粉末状金属およびセラミックの乾式粉末成層を使用すること、ならびに（ｃ）工程段階の数または工具もしくは部品を産生するために必要な工程段階を低減することにより費用を削減することによって、製造の経済性を提供することである。
【００１０】
これらの目的は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第６，３７２，３４６号に開示される、強靭コーティング硬質粉末（ＴＣＨＰ）等の異なる種類の圧粉および焼結材料から工具または物品を形成することによって達成される。そのような材料は、優れた金属切削工具および物品を提供するために必要な特性の組み合わせを示す。粒子をＴＣＨＰで構成された焼結物品に結合するバインダー材料の性質に起因して、積層間の界面は、異に強力である。この強度は、異なる材料をそれらの層状界面において連結する固有の溝を提供する押出もしくは射出ダイス、ローラー、または型枠を使用して、材料を徐々に移行させることによってさらに強化される。
【発明の概要】
【００１１】
本発明に従って、傾斜機能性材料の物品を作製する方法が提供される。この方法は、前述のＴＣＨＰおよび少なくとも１つの「支持」粉末等の複合粉末を提供することを含む。
【００１２】
一実施形態において、第１の粉末は、式ＭａＸｂを有する第１の金属化合物または複数の金属化合物から本質的になる複数のコア粒子で構成され、式中、Ｍは、チタン、ジルコニア、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、タンタラム、クロミウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、銅、およびケイ素からなる群から選択される金属であり、Ｘは、窒素、炭素、ホウ素、硫黄、および酸素から選択される元素であり、ａおよびｂは、ゼロより大きく最大１４以下の数である。
【００１３】
非限定的な一実施形態において、コア粒子材料は、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＢ２、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＢ２、ＴａＢ２、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、ｈＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｂ４Ｃ、Ｂ２Ｏ３、Ｗ２Ｂ５、ＷＢ２、ＷＳ２、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、ＭｏＢ２、ＭｏＦｅＢ（鉄ホウ化モリブデン）、ダイヤモンド、およびそれらの混合物からなる群から選択される。
【００１４】
コア粒子は、第１の金属化合物とは組成が異なり、より高い相対破壊靱性を有する、第２の金属化合物から本質的になる中間層をその上に有する。第２の金属化合物は、第１の金属化合物と結合することができ、鉄、コバルト、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、銀、金、および白金からなる群から選択される金属と結合することができる。コア粒子および中間層の組み合わせは、コーティングされた粒子を形成する。
【００１５】
第１のバインダーは、コーティングされた粒子上の中間層を覆い、このバインダーは、鉄、コバルト、ニッケル、それらの混合物、それらの合金、またはそれらの金属間化合物のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態において、コア粒子または第１のＴＣＨＰ粉末とは異なる他の構成素を有するＴＣＨＰ粉末等の第２の粉末混合物は、第２の粉末混合物に形成され得る。
【００１６】
ＴＣＨＰ粒子状物質の第１の粉末および第２の粉末を賦形ダイスまたはローラーを通じて予備圧粉型に押出、射出、またはカレンダリングするために調製するために、それらを高粘度であるが、流動可能かつ成形可能な状態に可塑化することができる。本明細書に記載される粉末の流動性を付加するために典型的に使用される可塑化バインダーとしては、パラフィンろう、ステアリン酸、エチレンビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、エチレン酢酸ビニル、可塑化剤（例えば、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、または合成樹脂）、および前述のもののコポリマー等の混合またはブレンドされた同様の関連有機化合物が挙げられるが、これらに限定されない。これらの可塑化剤は、最も多くの場合３０℃〜１５０℃の範囲内の熱の付加を伴うか、または伴わずに、押出、射出、またはカレンダリングの前またはそれと同時に、複数の成分粒子と混合され得る。乾式粉末成層の場合、粉末は、質量流量制御でそれらの集合点に運ばれ、押出器、噴射器、またはカレンダーの補助なしに型内で圧粉される。ろうは、圧密および脱型補助として使用されてよい。
【００１７】
強靭コーティング硬質粉末（ＴＣＨＰ）は、極めて硬質のコア粒子（立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、アルミナ、炭化ケイ素、および窒化チタンを含む）を、圧密工程において連続マトリックスになる非常に強靭な材料（炭化タングステン＋コバルトまたは鋼を含む）で被包することによって創出された、設計微細構造であり、場合によってはナノ構造である。単一のＴＣＨＰ種において、その均一な強靭基質内に存在する異なるコア粒子の数だけ多くの所望の特性が共存し得る。好ましい一実施形態において、ＴＣＨＰ粉末は、９〜１０重量％の範囲の量でＣｏを含有する。この好ましい材料は、約１６％の焼結収縮を有する。
【００１８】
第１の可塑性粉末混合物中の連続マトリックスは、耐摩耗性粒子を所定の位置に保持する強靭な支持マトリックスを提供する。この可塑性粉末混合物は、その主な機能が耐摩耗性、低摩擦係数、ならびに／または熱および電気伝導性、耐腐食性、もしくは熱膨張係数等の他の所望の特性または特性の組み合わせである、区域内または表面上に位置する。
【００１９】
第２の可塑性粉末混合物の機能は、その主な機能が、付加された破壊靱性ならびに／または熱および電気伝導性、耐腐食性、もしくは熱膨張係数等の他の所望の特性もしくは特性の組み合わせを提供すること、および費用を削減することである、基質層または区域を提供することである。一実施形態において、第２の複合粉末の化学組成物は、第１の可塑性粉末混合物の連続マトリックスと非常に類似している（または少なくともそれに結合可能であり、ともに焼結可能である）。これは、２つの基質と比較して減退していない界面強度を提供する冶金または化学結合を付与する。
【００２０】
一実施形態において、第２の粉末は、コバルトコーティングされたＷＣ粒子もしくはＷＣ−Ｃｏ混合物の複合体であるか、または第１の粉末の連続マトリックスと本質的に同じである鋼、工具鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、もしくは他の粉末である。
【００２１】
代替として、第２の粉末組成は、第１の粉末の連続マトリックスと化学的または冶金的に相溶性かつ結合可能である。
【００２２】
いくつかの積層は、層間の拡散および結合を促進するために、異なる層に存在するバインダーまたは結合要素もしくは化合物の量の著しい差異を必要とするが、本質的に等しいバインダーまたは結合相を有するように選択された傾斜機能性ＴＣＨＰ系積層を有する基質材料の積層はそうではない。
【００２３】
本明細書に記載される方法は、前述のように、付加的ＴＣＨＰ粉末の任意の数の混合物をさらに含んでよい。例えば、一実施形態において、前述の１つ以上の支持粉末、および前述の少なくとも２つのＴＣＨＰ粉末、例えば、式ＭａＸｂを有する金属化合物から本質的になるコア粒子が開示され、式中、Ｍはチタン、ジルコニア、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、タンタラム、クロミウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、銅、およびケイ素からなる群から選択される金属であり、Ｘは、窒素、炭素、ホウ素、硫黄、および酸素から選択される元素であり、ａおよびｂは、ゼロより大きく最大１４以下の数である。
【００２４】
非限定的な一実施形態において、コア粒子材料は、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＢ２、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＢ２、ＴａＢ２、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、ｈＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｂ４Ｃ、Ｂ２Ｏ３、Ｗ２Ｂ５、ＷＢ２、ＷＳ２、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、ＭｏＢ２、ＭｏＦｅＢ、ダイヤモンド、およびそれらの混合物からなる群から選択される。
【００２５】
一実施形態において、コア粒子材料は、化学量論の範囲で混合Ｆｅ−Ｍｏ−Ｂ化合物を含み、同様の置換基としてＣｏ、Ｎｉと置換され得る。
【００２６】
別の非限定的な実施形態において、中間層は、ＷＣ、ＴａＣ、Ｗ２Ｃ、ならびにＷＣおよびＷ２Ｃの混合物からなる群から選択される。
【００２７】
第２の混合物のコア粒子は、第１の可塑性混合物中のＭ、Ｘ、ａおよびｂとは異なるＭ、Ｘ、ａおよびｂのうちの少なくとも１つを有する。第２の混合物のコア粒子は、第１の可塑性混合物の第２の金属化合物から本質的になる中間層をその上に有する。第３の化合物のコア粒子およびその中間層の組み合わせは、第２のコーティングされた粒子を形成する。
【００２８】
様々な粉末混合物は、第１の粉末がグリーン体の第１の部分を形成し、第２の粉末混合物が、グリーン体の第２の部分を形成する等のように、グリーン体に形成される。
【００２９】
グリーン体の集合体を形成、形削、およびプレスする非限定的な方法としては、押出、共押出、粉末射出成形、テープ成形、カレンダリング、乾式粉末成層、スラリー成形、遠心分離スラリー成形、および湿式粉末噴霧、３Ｄ形状のスラリー、パイプをコーティングするための遠心分離、および軸対称形状の外側に蒸着させるための湿式噴霧が挙げられる。
【００３０】
層間の真の操作された移行区域を達成するために、急勾配の溝付き押出ダイスが、押出、射出、カレンダリング、または乾式粉末送達装置内に提供されてよく、移行界面区域内で異なる材料の新規の連結インブリケーションを提供するように、異なるグリーン層間により密接な界面を提供する。
【００３１】
摩耗区域内で使用される１つの材料は、ＴＣＨＰである。さらに、構造区域内で使用される材料は、低減した体積割合のコア粒子を有するか、またはコア粒子を有しないＴＣＨＰ内で使用される中間およびバインダー層材料からなる。次に、グリーン体の集合体は、圧粉されて圧粉体を形成し得るか、または型に直接射出され得る。次に、この圧粉体は、焼結されて異なる特性の区域を有する物品を形成し、グリーン体の第１の部分は、物品の硬質耐摩耗部分を形成し、グリーン体の第２の部分は、物品または構成部品の強靭、強力な荷重負荷部分を形成する。
【００３２】
この新規のグリーン粉末混合物を傾斜機能性材料として一緒に接合することは、「傾斜機能性」という用語に現実感をもたらす。例えば、付加費用および長い加工時間を必要とする熱処理または鍛造等の熱操作または物理操作を通常必要とする、ギアおよびカムシャフト等の自動車構成部品に対する少ない操作において特性を付加することができる。
【００３３】
本発明の追加の目的および利点は、部分的には以下の説明で述べられ、部分的にはその説明から明らかになるか、または本発明の実践によって学習することができる。本発明の目的および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される要素および組み合わせを用いて実現および達成されるであろう。
【００３４】
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、単に例示的および説明的であり、特許請求の範囲に従って本発明を制限するものではないことを理解されたい。
【００３５】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の一実施形態を例示し、説明とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ＴＣＨＰ−ＦＧＭ同心物品の焼結界面を示す走査電子顕微鏡写真（「ＳＥＭ」）である。
【図２】ＴＣＨＰ−ＦＧＭ物品の焼結界面を示すＳＥＭである。
【図３】ＴＣＨＰ−ＦＧＭ物品の焼結界面の断面表面を示す（Ａ）ＳＥＭおよび（Ｂ）後方散乱ＳＥＭ画像である。
【図４】ＴＣＨＰ同心物品の焼結界面を示す走査電子顕微鏡写真（「ＳＥＭ」）である。
【図５】ＴＣＨＰ−ＦＧＭ物品の焼結界面の断面を示す走査電子顕微鏡写真（「ＳＥＭ」）であり、支持粉末は、またはこの例であることがわかり（ワイヤダイス部品）、支持体Ｃは最良であることが分かり、支持体Ａは不適切であった。
【図６】本開示に従って作製されたワイヤダイス（断面）の概略図である。
【図７】本開示に従って作製された二材料ＦＧＭロッドの例を示す概略図である。
【図８】図７のロッドの界面を倍率２５倍で示す走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図９】図７のロッドの界面を倍率２５０倍で示す走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図１０】本開示に従って作製された二材料ＦＧＭ円筒の例を示す概略図である。
【図１１】発明の実施例２において作製された試料Ａの同心円筒の界面を倍率２５０倍で示す走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図１２】発明の実施例２において作製された試料Ｂの同心円筒の界面を倍率２５０倍で示す走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図１３】発明の実施例２において作製された試料Ｃの同心円筒の界面を倍率２００倍で示す光学写真である。
【図１４】発明の実施例２において作製された試料Ｄの同心円筒の界面を倍率２００倍で示す光学写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
発明の本実施形態に対する言及は、ここで詳細に行われる。
【００３８】
定義
本明細書において使用される場合、「傾斜機能性材料」は、本明細書においてＦＧＭとも称され、組成物および／または構造の経容量的な変化を特徴とし、材料の特性において対応する変化をもたらす材料を意味する。一実施形態において、ＦＧＭ材料における組成物および／または構造の経容量的な変化は、段階的である。別の実施形態において、組成物および／または構造の変化は、組成物と構造との間の別個の界面を突然に示し得る。別の実施形態において、ＦＧＭは、材料間に比較的別個の界面を有する物品にわたって物理特性の変化を含み得る。言い換えれば、本開示に従うＦＧＭ材料は、一端から他端まで組成物の変化を有する任意の物品を含む。本開示に従うＦＧＭ材料は、典型的に、材料全体が同じ加工条件に供される工程によって作製されることが理解される。
【００３９】
本明細書において使用される場合、「ＮＬ−３」またはその変型は、以下の組成物：酸化アルミニウム７．３重量％、炭化タングステン８２．８重量％、およびコバルト９．９重量％を有する強靭コーティング硬質粉末（ＴＣＨＰ）を指す。典型的に、以下の物理特性を有する：硬度、ロックウェル、ＨＲＡ（ＡＳＴＭ  Ｂ２９４）９２．５〜９２．８；ビッカース、ＨＶ３０（ＡＳＴＭ  Ｅ３８４）１７００〜１７５０；破壊靱性、ＭＰａ／ｍ（ＩＳＯ  ２８０７９）１２．５〜１３．５；および密度、ｇ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ  Ｂ３１１）１２．４〜１２．５。材料は、Ａｌ２Ｏ３粒子のＷＣシェル、続いてＣｏシェルへの被包を通じて創出される均一な微細構造を有する。
【００４０】
本明細書において使用される場合、「ＴＬ−３」またはその変型は、以下の組成物：炭窒化チタン７．３重量％、炭化タングステン８２．８重量％、およびコバルト９．９重量％を有する強靭コーティング硬質粉末（ＴＣＨＰ）を指す。典型的に、以下の物理特性を有する：硬度、ロックウェル、ＨＲＡ（ＡＳＴＭ  Ｂ２９４）９２．７〜９２．９；ビッカース、ＨＶ３０（ＡＳＴＭ  Ｅ３８４）１７７０〜１７９０；破壊靱性、ＭＰａ／ｍ（ＩＳＯ  ２８０７９）１１．０〜１１．５；および密度、ｇ／ｃｍ３（ＡＳＴＭ  Ｂ３１１）１２．７５〜１２．８５。均一に分散されたＴｉ（Ｃ，Ｎ）粒子は、従来のＷＣ−Ｃｏ材料と比較したとき、熱伝導性の増加を提供する。ＴＣＨＰコーティング工程は、圧密中にそれらを保護するために、各Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）粒子を完全に被包することによって標準コア−リムサーメット構造を排除する。
【００４１】
本明細書において使用される場合、「可塑性粉末」という用語、またはその変型（例えば、「可塑化粉末」）は、粉末が、その粉末の流動、粘度、および圧粉特性等の処理および／または加工特性を改善する添加剤と混合されたことを意味する。そのような添加剤の非限定例としては、パラフィンろう、ステアリン酸、エチレンビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、およびコポリマーが挙げられる。当業者が理解するように、添加剤は、加工中に焼失し、完成した焼結物品中には残留しない。
【００４２】
本明細書において使用される場合、「支持領域」という用語、またはその変型（例えば、「支持面」）は、物品の作業を行っていない物品の部分を含むことを意味する。例えば、切削工具において、支持領域は、切削を行っていない。ワイヤダイスにおいて、支持領域は、引き抜かれるワイヤと接触していない。
【００４３】
本明細書において使用される場合、「支持粉末」という用語は、最終的に焼結物品中の「支持領域」を形成する粉末を説明するために使用される。典型的に、支持粉末は、ＷＣ−Ｃｏ等の炭化材料を含む。
【００４４】
本明細書において使用される場合、「作業領域」という用語、またはその変型（例えば、「作業面」）は、物品の作業を行っている物品の部分を含むことを意味する。場合によって、この作業領域または作業面は、物品の外部にあり得る。例えば、ドリルビット等の切削工具において、作業領域は、切削を行う外面である。他の実施形態において、作業領域または作業面は、物品の内部にあり得る。例えば、ワイヤダイスにおいて、作業領域は、ワイヤを押出するダイスの内部であり、したがってワイヤと直接接触している。典型的にＴＣＨＰ粉末を含む第１の組成物は、一般に、焼結物品の内部に位置するか、または外部に位置するかにかかわらず、焼結物品内に作業領域を含む。
【００４５】
本開示の一態様は、強靭なマトリックス材料中に分散された強靭コーティング硬質粉末（「ＴＣＨＰ」）で構成される圧密材料に関する。
【００４６】
本明細書において使用される場合、「圧密材料」という用語は、固体または実質的に固体の物品を創出するための熱処理工程と任意に併せて、形削および／または圧縮工程に供された材料を意味する。本開示のいくつかの実施形態において、任意の熱処理工程は、例えば、焼結および／または被覆を含む。任意の熱処理工程は、圧縮工程と併せて、または圧縮工程に続いて行われ得る。
【００４７】
いくつかの実施形態において、圧密材料は、多段階工程によって産生される。例えば、材料の成分は、圧粉、テープ成形、スラリー成形、または他の同様の工程等の工程によって最初に形削され、次に熱処理されて（例えば、焼結および／または被覆によって）固体または実質的に固体の物品を形成することができる。いくつかの実施形態において、形削および熱処理工程は、実質的に同時に、例えば、熱間等方圧プレス、熱間プレス、電子ビーム高速プロトタイピング、押出、および／またはローリングを介して行われる。
【００４８】
本開示での使用に好適なＴＣＨＰ粒子は、例えば、少なくとも１つの中間層で個別にコーティングされる複数のコア粒子を含む粉末の形態で提供され得る。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉのうちの少なくとも１つを含む任意の外層は、少なくとも１つの中間層上に存在し得る。コア粒子および層材料は、ＴＣＨＰ粒子全体にそれらの物理特性を付与することが意図される。
【００４９】
いくつかの実施形態において、コア粒子は、式ＭａＸｂの金属材料から選択される少なくとも１つの第１の化合物を含み、式中、Ｍは、チタン、ジルコニア、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、タンタラム、クロミウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、およびケイ素のうちの少なくとも１つを表し、Ｘは、窒素、炭素、ホウ素、酸素、および硫黄のうちの少なくとも１つを表し、ａおよびｂは、ゼロより大きく最大１４以下の数である。そのような金属材料に加えて、少なくとも１つの第１の化合物は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、およびダイヤモンド等の非金属材料から選択され得る。本明細書において使用される場合、「化合物」という用語は、２つの元素で形成される材料に限定されず、したがって炭素のダイヤモンド形態を指すこともできる。
【００５０】
当業者であれば、結晶性材料において、単位セル中の個別の原子が、隣接する単位セルと共有され得ることを理解するであろう。したがって、式ＭａＸｂにおいて、下付き文字「ａ」および「ｂ」は、０超〜１４の範囲の整数または非整数から選択され得る。いくつかの実施形態において、下付き文字「ａ」および「ｂ」は、０超〜１４の範囲の整数から選択される。
【００５１】
本開示のいくつかの実施形態において、コア粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、および／または少なくとも１つの二次元素と化合された少なくとも１つの一次元素を含む少なくとも１つの第１の化合物を含み得る。少なくとも１つの一次元素は、チタン、ジルコニア、ハフニウム、バナジウム、ニオビウム、タンタラム、クロミウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、およびケイ素から選択され、少なくとも１つの二次元素は、窒素、炭素、ホウ素、硫黄、および酸素から選択される。
【００５２】
一般に、コア粒子材料（第１の化合物）は硬質であり（すなわち、それらは比較的高いビッカース硬度を示す）、大部分の環境およびワークピースに対する耐摩耗性および耐化学性等の特定の他の有用な特性を示すことができる。しかしながら、これらの材料は、多くの場合、限定された破壊靱性（伝搬する亀裂を止める能力）を有する。
【００５３】
当然のことながら、他の金属および非金属化合物を、本開示に従ってコア粒子として使用することもできる。例えば、本開示のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの第１の化合物は、少なくとも１つの化学量論的化合物から本質的になる。さらに、ＴＣＨＰ粉末の個別のコア粒子は、例えば、異なる第１の化合物材料から形成されてよい。同様に、個別のコア粒子が、第１の化合物材料の混合物から形成されてもよい。いかなる場合も、一般的な目的は、様々なコア粒子材料の特性を、そこから形成される物品に付与することである。
【００５４】
本明細書に開示されるＴＣＨＰのコアに好適に使用され得る第１の化合物材料の例として、ＡｌＢ２、Ａｌ４Ｃ３、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＭｇＢ１４、Ｂ４Ｃ、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、ＣｒＢ２、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ２Ｏ３、ダイヤモンド、ＨｆＢ２、ＨｆＣ、ＨｆＮ、Ｈｆ（Ｃ，Ｎ）、ＭｏＢ２、Ｍｏ２Ｂ５、Ｍｏ２Ｃ、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、ＮｂＢ２、ＮｂＣ、ＮｂＮ、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）、ＳｉＢ４、ＳｉＢ６、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＡｌＣＢ、ＴａＢ２、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｔａ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＶＢ２、ＶＣ、ＶＮ、Ｖ（Ｃ，Ｎ）、ＷＢ、ＷＢ２、Ｗ２Ｂ５、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＷＳ２、ＺｒＢ２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、Ｚｒ（Ｃ，Ｎ）、ＺｒＯ２、ならびにそれらの混合物および合金が、非限定的に記載される。特に、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ４Ｃ、ＨｆＢ２、ＭｏＳ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＷＳ２、ならびにそれらの混合物および合金から本質的になる第１の化合物が、非限定的に記載される。
【００５５】
本明細書において使用される場合、「から選択される（ｃｈｏｓｅｎ  ｆｒｏｍ）」または「から選択される（ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ｆｒｏｍ）」は、個別の成分の選択または２つ（以上）の成分の組み合わせを指す。例えば、式ＭａＸｂ中のＸは、窒素、炭素、ホウ素、酸素、および硫黄のうちの１つのみを含み得るか、またはこれらの成分のうちのいずれか、または全ての混合物を含み得る。
【００５６】
少なくとも１つの中間層が、コア粒子の外面の全てまたは一部分に適用され得る。本開示のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの中間層は、実質的に各コア粒子の外面に適用される。少なくとも１つの中間層は、例えば、コアの少なくとも１つの第１の化合物とは組成が異なる、少なくとも１つの第２の化合物から形成され得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第２の化合物は、コアの少なくとも１つの第１の化合物よりも高い相対破壊靱性を有する材料から形成される。少なくとも１つの第２の化合物は、少なくとも１つの第１の化合物および／またはマトリックス材料（以下に記載）と結合することができる場合もある。
【００５７】
本開示のいくつかの実施形態において、少なくとも１つの第２の化合物は、Ｂ４Ｃ、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＢ２、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のうちの少なくとも１つを、単独で、または別の元素もしくは材料と併せて含む。例えば、少なくとも１つの第２の化合物は、任意にＣｏと併せて、Ｗ、ＷＣ、および／またはＷ２Ｃから本質的になり得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第２の化合物は、約２０重量％未満のＣｏ、例えば、約１５重量％未満のＣｏ、またはさらに約１０重量％未満のＣｏと併せて、Ｗ、ＷＣ、および／またはＷ２Ｃから本質的になる。当然のことながら、少なくとも１つの中間層は、上記よりも多いかまたは少ないＣｏを含有し得る。さらに、少なくとも１つの中間層中のＣｏの量は、前述の範囲内で漸増的に変化し得る。
【００５８】
ＴＣＨＰ粒子は、例えば、角型、正方形、三角形、楕円形、球形、薄片、ウィスカー、小板等の任意の形状を有し得るか、またはそれらは不規則であり得る。本開示のいくつかの実施形態において、ＴＣＨＰ粒子は、実質的に球形である。本開示のさらに他の実施形態において、ＴＣＨＰ粒子は不規則な形状である。例えば、ＴＣＨＰ粒子の形状は、特定の適用、例えば、ワイヤ引抜き（実質的に球形）および金属切削／形削（不規則／ギザギザ）に適合するように選択され得る。
【００５９】
本開示に従う個別のＴＣＨＰ粒子は、中間層を取り囲む、または実質的に取り囲む材料の任意の外層を含むこともできる。この任意の外層は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属、ならびにそれらの混合物、合金、および金属間化合物を含み得る。
【００６０】
本明細書に記載される圧密材料は、ＴＣＨＰ粒子のそれぞれを取り囲む、または実質的に取り囲むマトリックスも含む。マトリックスは、いくつかの実施形態において、コア粒子に対して比較的高い破壊靱性を有する少なくとも１つの第３の化合物から形成される。例えば、マトリックスは、第１および第２の粒子の混合物を含んでよく、第１の粒子は、タングステンおよび炭化タングステン（例えば、ＷＣおよび／またはＷ２Ｃ）のうちの少なくとも１つを含み、第２の粒子は、Ｃｏを含む。代替として、または第１および第２の粒子の混合物に加えて、マトリックスは、タングステンおよび炭化タングステンのうちの少なくとも１つとＣｏとの合金を含み得る。関係なく、少なくとも１つの第３の化合物中のＣｏの量は、例えば、０超〜約２０重量％Ｃｏ以上、例えば、約５重量％〜約２０重量％、約８重量％〜約１５重量％、またはさらには約１０重量％〜約１２重量％の範囲であり得る。当然のことながら、少なくとも１つの第３の化合物中のＣｏの量は、特定の適用に適するように選択されてよく、前述の範囲内で漸増的に変化し得る。さらに、少なくとも１つの第３の化合物中のＣｏの総量は、２０重量％より高い場合がある。
【００６１】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの第３の化合物（マトリックス）中のＣｏの量は、少なくとも１つの第２の化合物（中間層）中のＣｏの量より多い。例えば、少なくとも１つの第２の化合物は、０超〜約５重量％のＣｏを含んでよく、少なくとも１つの第３の化合物は、約１０重量％〜約１５重量％のＣｏを含み得る。同様に、中間層およびバインダーについて前述の範囲内のＣｏの任意の他の量が使用されてもよいが、但し、マトリックスが、中間層よりも多くのＣｏを含有することを条件とする。増加したＣｏ含有量によって、少なくとも１つの第３の化合物（マトリックス）は、少なくとも１つの第２の化合物（中間層）と比較して、より高い靱性特性を示し得る。
【００６２】
いくつかの実施形態において、本開示の圧密材料は、上記の少なくとも１つの第１の化合物を含むコアとともに、焼結ＴＣＨＰ粒子を含む。これらの実施形態において、少なくとも１つの中間層は、実質的に各コア上に存在し、任意にＣｏと併せて、Ｗ、ＷＣ、および／またはＷ２Ｃを含むか、またはそれらから本質的になる。さらに、マトリックスの少なくとも１つの第３の材料のマトリックスは、ＴＣＨＰ粒子を含有するか、または実質的に含有し、Ｗ、ＷＣ、および／またはＷ２Ｃと、０超〜約２０重量％のＣｏとの混合物を含むか、またはそれから本質的になる。例えば、少なくとも１つの第２の化合物は、ＷＣまたはＷ２Ｃと、５〜１０重量％のＣｏとの混合物から本質的になり得、少なくとも１つの第３の化合物は、ＷＣおよび／またはＷ２Ｃと１０重量％超のＣｏ、１０重量％超〜約２０重量％のＣｏ、またはさらには約１５重量％〜約２０重量％のＣｏとの混合物から本質的になり得る。
【００６３】
本明細書に記載されるＴＣＨＰは、任意の好適な方法によって製造され得る。例えば、ＴＣＨＰは、複数のコア粒子を提供することによって製造されてよく、コア粒子は、前述の少なくとも１つの第１の化合物から形成され、複数のコア粒子の大部分の周りに少なくとも１つの中間層を提供し、この中間層は、前述の少なくとも１つの第２の化合物から形成される。
【００６４】
少なくとも１つの中間層は、任意の好適な蒸着方法によってコア粒子上に提供され得る。例えば、少なくとも１つの中間層は、化学蒸着、物理蒸着、プラズマ蒸着および／または被覆、レーザー蒸着および／または被覆、磁気プラズマ蒸着、電気化学蒸着、無電解析出、スパッタリング、固相合成、溶液化学蒸着工程、およびそれらの組み合わせから選択される少なくとも１つの方法を介して、コア粒子上に蒸着され得る。中間層を形成するための好適な工程の付加的な非限定例については、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，３７２，３４６号、および米国付与前公開第２００５／０２７５１４３号に開示される工程を参照されたい。
【００６５】
マトリックス材料の粒子は、前述の少なくとも１つの第３の化合物、またはその前駆体を含み得る。例えば、マトリックス材料の粒子は、第１の粒子および第２の粒子の混合物を含んでよく、第１の粒子は、Ｗ、ＷＣ、およびＷ２Ｃのうちの少なくとも１つを含み、第２の粒子は、Ｃｏを含む。代替として、または第１および第２の粒子の混合物に加えて、マトリックスは、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２ＣとＣｏとの合金を含み得る。同様に、マトリックス粉末は、焼結、被覆、および／または他の加工時に、Ｗ、ＷＣ、および／またはＷ２Ｃと、所望量のＣｏとの混合物をもたらす前駆体材料を含み得る。いくつかの実施形態において、マトリックス中のＣｏの量は、０超〜約２０重量％の範囲である。
【００６６】
ＴＣＨＰおよびマトリックス粒子は、既知の混合装置または方法を使用して混合され得る。例えば、ＴＣＨＰおよびマトリックスの粒子は、ボールミル加工、磨砕機ミル加工、または機械攪拌を介して混合され得る。当然のことながら、他の混合方法が使用されてもよい。
【００６７】
混合粉末は、例えば、マトリックス粒子およびＴＣＨＰの均一（均質）、実質的に均一、または不均一（不均質）な分布を含有し得る。非限定的な実施形態において、混合粉末は、ＴＣＨＰおよびマトリックス粒子の均一または実質的に均一な分布で構成される。
【００６８】
粒子状材料を物品に形削するための任意の既知の方法は、本開示に従う方法において使用され得る。例えば、混合粉末は、成形によって物品に形削され得る。さらに、混合粉末は、ブレンド粉末を、その粉末の焼結温度より低い温度で圧粉または形削することによって、いわゆる「グリーン」物品に形成され得る。例えば、物品は、冷間プレス（例えば、冷間等方圧プレス）によって形成されてよく、十分な外圧が粉末に印加され、「グリーン」物品を形成する。代替として、物品は、熱間プレス（例えば、熱間等方圧プレス）によって行われてよく、外部圧が粉末に印加される一方で、粉末は焼結温度より高い、低い、またはその付近の温度に加熱される。他の非限定的な形削方法は、本開示の混合粉末を含み、粉末射出成型、可塑化押出、高圧移行媒体、および高速プロトタイピングが挙げられる。
【００６９】
一時的バインダーを混合粉末に付加して、本明細書に記載される形削物品にグリーン強度を付加することができる。そのような一時的バインダーの非限定例としては、パラフィンろう、ステアリン酸、エチレンビス−ステアラミド（ＥＢＳ）、可塑化剤（例えば、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、および／または合成樹脂）、ならびに同様の有機化合物が挙げられる。市販の一時的バインダーの例は、Ａｃｒａｗａｘである。一時的バインダーは、例えば、約２重量％の量で付加され得る。一時的バインダーは、後の段階中、例えば焼結段階中に燃焼され得る。
【００７０】
滑沢剤を混合粉末に付加して、形削物品の形成を補助することができる。例えば、本開示の混合粉末が、不規則に形削されたＴＣＨＰを含む場合、ＴＣＨＰは溶解によって丸みを帯びないため、滑沢剤を付加して、それらの圧粉および形削を補助することができる。
【００７１】
さらに、いくつかのＴＣＨＰ粒子は、酸素および／または水分と接触すると反応工程を経る。したがって、ポリマーまたは不活性酸化物コーティング等の保護コーティングをＴＣＨＰ粒子に適用して、そのような工程が発生するのを防ぐことができる。
【００７２】
図６を参照して、本開示に従って作製されたワイヤダイス（９００）の断面が示される。図示されるように、ワイヤ（９０１）を引くための開口部は、本明細書に開示されるＴＣＨＰ粉末を含み得る、作業領域（９０５）によって取り囲まれる。例えば、一実施形態において、作業領域は、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｗ２Ｂ５、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏＦｅＢ（鉄ホウ化モリブデン）、およびダイヤモンドからなる群から選択される化合物を含む、複数のコア粒子と、該コア粒子上の中間層であって、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、工具鋼、ガラス質の不透明なナノ合金鋼、窒化ケイ素、および炭化タンタルから選択される少なくとも１つの化合物を含む、中間層と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせを含む中間層上に位置する外層と、を含む。作業領域に隣接するのは、支持領域（９１０）である。一実施形態において、作業領域は、ＷＣ−Ｃｏ等の炭化材料を含む。
【００７３】
本明細書において使用される場合、「付加的製造工程」という表現、またはその変型は、デジタルモデルからの３次元（３Ｄ）固体物体を作製する工程を指す。結果として、それは「３Ｄプリント」と称されることがあり、材料の連続層を置くことによって物体が創出される、付加的工程を使用して達成される。一実施形態において、本明細書で使用される付加的製造工程は、媒質を焼結して固体を形成するためのレーザー、例えば、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、または直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）を含む。
【００７４】
本明細書に記載される材料のＴＣＨＰファミリーは、従来の材料と比較して、ワイヤ引抜き、金属切削等の工業適用においてはるかに高い性能を提供する機械的特性の進歩をもたらす。この研究は、固有のＴＣＨＰからなる傾斜機能性構造を創出するために着想および実証され、改善された効率性および生産性を通じて性能の付加的強化を促進するように、特定のＷＣ−Ｃｏ粉末等の支持材料が慎重に選択された最近の新規開発について説明する。
【００７５】
これらの新たなＴＣＨＰ−ＦＧＭ材料は、ＴＣＨＰ材料によってもたらされるものと一致する他の所望の特性の中で、高い耐摩擦性、高い強度、および高い耐熱性等の高い性能に必要な特性を有する傾斜機能性材料（ＦＧＭ）を産生するために慎重に選択されたＷＣ−Ｃｏ粉末とともに、最近開発されたＴＣＨＰ粉末をプレスおよび共焼結することによって創出された。
【００７６】
ＴＣＨＰ材料は、多くの生産工程に存在する高熱および摩耗環境に耐えることができるが、典型的なＷＣ−Ｃｏ材料は、厳しい適用に不適切である。ＴＣＨＰ材料によって提供される高い価値は、それらの長い稼働寿命、およびＴＣＨＰダイスでのワイヤ引抜き等のいくつかのワークピースの改善された品質によって主に認識されるが、その価値を送達する部品の部分は「作業面」である。部品の「非作業」部分を典型的なＷＣ−Ｃｏ粉末と置き換えることは、費用を低減することができ、いくつかの部品において、改善された特性をＴＣＨＰに伝えることもできる。
【００７７】
そのような適用に意図された部品の１つの非限定例は、進化したＴＣＨＰ−ＦＧＭワイヤ引抜きダイスである。この実施形態において、アーキテクチャは、高硬度「作業」面（例えば、ワイヤダイスの内部または切削工具挿入体の外部）が、慎重に選択された外部「支持」材料（複数可）を有するＴＣＨＰからなる。外部ＷＣ−Ｃｏ成分の主な機能は、ＴＣＨＰに圧縮応力を付与し、生産工程中の熱膨張によって引き起こされるその拡大を制限することである（生産工程中に生成された熱の分散は、ＦＧＭの熱伝導性を設計することによって管理することもできる）。
【００７８】
単に２つの異なるＷＣ−Ｃｏ粉末組成物を使用してＦＧＭを焼結する既刊の試みとは対照的に、２つのＷＣ−Ｃｏ材料が互いに拡散し、２つの微細構造が十分に明確でなくなる場合、ＴＣＨＰとＷＣ−Ｃｏとの間に実質的な希釈は観察されなかった。
【００７９】
この種類のＴＣＨＰ−ＦＧＭの異なる成分間のコバルト移動は最小化されるが、ＷＣ−Ｃｏ  ＦＧＭを焼結する多くの試みにおいて、時にコバルトの望ましくない移動があることは周知である。さらに、ＷＣ−Ｃｏ  ＦＧＭの限界は、ＷＣ粒成長が観察されないという点で克服される。
【００８０】
結果として、開示されるＴＣＨＰ−ＦＧＭ物品および方法と関連した少なくとも以下の利益が可能であることが示された。
・別個のＦＧＭ構造を維持しながら、種々の粉末間の強力な化学結合
・最小限のコバルト移動、ＷＣ粒成長なし（ＷＣ−Ｃｏ  ＦＧＭに発生する技術的問題点）
・耐摩耗性の増加のために焼結部品内に意図的に設計された圧縮応力を誘導する
・ＴＣＨＰ−ＦＧＭの適切な設計によって稼働中に生成された熱を管理または分散する
・様々なＴＣＨＰ−ＦＧＭ部品−ワイヤダイス、ドリル工具用ロッド、共焼結工具先端等
【００８１】
本発明に従って、物品は、少なくとも２つの異なる粉末から形成され、それらのうちの少なくとも１つは、前述の式ＭａＸｂを有する本質的に化学量論的な第１の金属化合物から本質的になる複数のコア粒子で構成される、第１の粉末である。様々な実施形態において、この第１の粉末は、第１の可塑性混合物を含み、第１の金属化合物は、主に化学量論的であり、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＺｒＢ２、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｗ２Ｂ５、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏＦｅＢ（鉄ホウ化モリブデン）、およびダイヤモンドからなる群から選択される金属化合物から本質的になる。そのような金属化合物は、硬質であるか、または特定の他の有用な機械特性を有するが、限定された破壊靱性を有する。前掲の化合物に加えて、他の金属化合物は、本発明とともに操作可能であり得る。
【００８２】
前述のコア粒子は、第２の金属化合物、すなわち、粒子のコアを形成する第１の金属化合物とは組成物の異なるものから本質的になる中間材料でコーティングされる。中間層の化合物は、一般に、コアを形成する材料よりも高い相対破壊靱性を有する。さらに、第２の金属化合物は、第１の金属化合物と結合することができ、鉄、コバルト、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、ベリリウム、銀、金、および白金、それらの混合物、それらの合金、またはそれらの金属間化合物と結合することができなければならない。
【００８３】
第１の混合物を含む第１の粉末において、第２の金属化合物は、ＷＣ−Ｃｏから本質的になる。以下に開示されるように、比較的強靭かつ強力な中間層および硬質コアの組み合わせは、そこから形成される焼結材料に例外的な機械特性を提供する。コーティングされた粒子は、一般に、約２マイクロメートル未満、およびさらには約１マイクロメートル未満の平均粒径を有する。中間層は、典型的に、コア粒子の直径の５％〜５０％、例えば、１０％〜２５％の範囲の厚さを有する。
【００８４】
物品または構成部品が金属を形削または切削するための工具である範囲で、それは該第１の粉末を含有する焼結材料で構成され、その摩耗および摩擦特性は、主にコア粒子の特性、焼結材料中のそれらの濃度、およびそれらの組み合わせの関数である。破壊靱性は、ＷＣ−Ｃｏもしくは鋼または他の構造マトリックスの量、コバルトの割合（存在する場合）、および焼結マトリックスの密度の関数である。
【００８５】
物品が切削挿入体であり、コア粒子がＴｉＮであり、中間層がＷＣである実施形態において、ＴｉＮの摩擦係数、その硬性および耐摩耗性は、それらの特性を切削挿入体に付与する一方、挿入体の全体強度およびその亀裂伝播耐性は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）コア粒子を取り囲むＷＣ層によって強化される。重要なことに、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）は摩耗する外部コーティングではないため、そのような挿入体の特徴の減少をもたらさないであろう。それが摩耗するにつれて表面を新しくする挿入体材料の不可欠な部分である。
【００８６】
第１の混合物を含む第１の粉末は、コーティングされた粒子上の中間層を覆う外層をさらに含んでよい。外層の機能は、コーティングされた粒子を適度な焼結時間および温度で高密度の焼結材料に接合することである。ここで具体化されるように、外層はバインダーとして機能する。それは、鉄、コバルト、ニッケル、それらの混合物、それらの合金、またはそれらの金属間化合物で構成され得る。一般に、そのようなバインダーは、実質的に連続する層の形態の金属化合物粒子の外部の均一コーティングである。本発明とともに使用される粉末は、米国特許第６，３７２，３４６号に開示され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本開示において使用され得る粒子状粉末は、ダイヤモンド、ｃＢＮ、およびＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含む。
【００８７】
別の実施形態において、第２の粉末中の第１の金属化合物ならびに第２の粉末中の第２の金属化合物は、ＷＣまたはＷ２Ｃであり、バインダーはＣｏである。そのような実施形態において、第１の粉末は、超硬炭化タングステンを形成する。好適な実施形態において、第２の粉末は、Ｃｏのバインダー層でコーティングされたＷＣ粒子で構成される。Ｃｏの重量％は、約３％〜約２５％の範囲であり得る。代替として、第２の粉末は、ＷＣおよびＣｏの混合物からなり得、Ｃｏを３％〜２５％含む。
【００８８】
本発明に従って、機械部品等の物品を作製する方法または金属を形削するための工具が提供される。
【００８９】
第１の混合物または粉末混合物は、低減した熱、摩擦、およびへこみをもたらし、加工能力および外部滑沢剤の補助的使用をあまり必要としない作業表面および端部上に硬度および低摩擦係数を有する工具または部品材料を形成するように処理され（押出、射出、カレンダリング、または粉末成層；形削；圧粉；および焼結後）、最終的により長い工具寿命、より良い工程制御、および低減した環境影響をもたらす。そのような材料は、鉄系ワークピースとの低い反応性を提供し、粘着および拡散、フランク、またはダイス摩耗を低減し、順にそのような材料から作製された引抜きダイスの耐用年数を延長する。さらに、コア粒子上の強靭、強力な中間コーティング材料（例えば、ＷＣ−Ｃｏ）は、物品のセル支持巨大構造を形成する一方、同時に、完全に適合し密接に結合した保護層を（例えば、ＴｉＮまたはＢ４Ｃの）硬質コア粒子に提供し、それらを所定の位置に保持して、耐摩耗表面において最適な露出および硬相保持を可能にする。
【００９０】
この方法は、第２の粉末の第２の混合物または粉末混合物を形成することをさらに含む。第２の混合物または粉末混合物は、第１の粉末混合物から形成された材料よりも高い強度および破壊靱性を形成するように処理され、物品の構造的支持体を形成するように設計される（形削、第１の混合物との集合、圧粉、および焼結後）。一次コーティングされた粉末もしくはコーティングされていない粉末、または第２の混合物の粉末上の中間層は、第１の粉末混合物の粉末上に中間層と組成物が一致する可能性があり、両方の粉末混合物のバインダー材料は同じであり、かつ同じ重量画分であり得るため、これは、粉末射出成形および押出の技術分野において主要な付加価値を提供する。これは、両方の混合物から作製された物品が、集合、圧粉、および焼結後に可能な限り最高の強度で密接に結合することを可能にする。
【００９１】
グリーン体の第２の部分を形成する第２の粉末混合物とともに、第１の混合物が、グリーン体の第１の部分を形成するように、２つの粉末混合物は、一緒にグリーン体に形成される。これを達成するための例示的な方法は、粉末射出成形である。他の例は、粉末押出、粉末カレンダリング、テープ成形、および粉末成層である。
【００９２】
グリーン体の第２の部分を形成する第２の粉末混合物とともに、第１の混合物が、グリーン体の１つまたは複数の第１の耐摩耗部分を形成して、高い破壊靱性を提供するように、２つの混合物は、一緒にグリーン体に形成される。２つの粉末混合物は、押出、射出、カレンダリング、または粉末成層工程によって、一緒にグリーン状態で密接に集合する。これは、それぞれが可塑化され得る２つの粉末材料の共通または相溶性の連続マトリックスが、従来のＦＧＭ、コーティング、または積層実践を用いるよりも強力に一緒に結合することを可能にする。これは、押出、射出、カレンダリング、または粉末成層（成形）工程によってグリーン表面上に印加される圧力によってさらに補助される。他の粉末混合物に対して所与の粉末混合物に必要な圧力は、２つの相対粘度に依存する。一般に、他の層に対してその層の厚さを増加しなければならないとき、またはダイス形状もしくは流動空洞がより複雑であるとき、比較的高い粘度を有する粉末混合物に、より大きな圧力が必要とされる。
【００９３】
集合したＦＧＭグリーン体を圧粉して（例えば、冷間等方圧プレスによって）、圧粉体を形成する。次に、この圧粉体を加熱してポリマーバインダー材料を除去し、次に焼結して異なる特性の部分を有する工具等の物品を形成し、グリーン体の第１の部分は、工具の硬質耐摩耗切削部分を形成し、グリーン体の第２の部分は、工具の強靭、強力な荷重負荷部分を形成する。耐摩耗部分（複数可）の厚さは、予想される摩耗を提供するか、またはその部品の再研磨および再利用を大なり小なり提供するように増減され得る。
【００９４】
形削ブランク（「グリーン体」とも称される）を圧粉して、圧粉体を形成する。圧粉は、増加した強度、密度、形状定義、および寸法制御を付与する。従来の単軸グリーン（非焼結）粉末圧粉は、一般に、部品の１つの軸に沿った強い上方および下方パンチによって印加される圧力で行われる。可塑化粉末またはブランク等の粉末がプレスされるダイス空洞は、それが圧縮されると横方向拘束および形状を粉末に提供する。空洞を充填した後、パンチを負荷して、粉末上に２０，０００〜３０，０００ｐｓｉの範囲内の圧縮応力を生成する。より複雑な部品は、ゴムコーティングで被覆され、液圧伝達媒質内で等方に圧縮される。これは冷間圧密を生じ、その後に圧粉体は、パンチの動きによってダイスから除去されなければならない。
【００９５】
グリーン圧密中、圧粉力は、焼結するための調製において、部品の形状を保持するグリーン強度を提供する粒子間結合を創出する。湿潤液およびろうを粒子状物質に付加して、結合強度を増加させることもできる。焼結する前に粉末をプレスすることは、焼結中に収縮があまり発生しないように、粉末中の多孔性を低減する。圧粉の主な目的は、焼結前および焼結中に圧粉部品の形状を維持するが、最小の壁摩擦を有するために十分なグリーン強度特性を達成することである。
【００９６】
粉末射出成形は、可塑性射出成形の原理に基づき、低コストおよび高い形状複雑性の部品を産出する。射出成形の主な段階は、予備混合、混合およびペレット化、射出または押出成形、溶媒脱結合および除去、熱脱結合および予備焼結、最後に焼結である。使用されるバインダーは、ろう、ポリマー、油、滑沢剤、および界面活性剤の熱可塑性混合物である。ポリマーは、粘性流動特性を粉末混合物に付与して、流動、形成、ダイス充填、および均一包装を補助する。バインダーは、典型的に、適切な滑沢剤または潤沢剤とともに、７０％のパラフィンろうおよび３０％のポリプロピレンで構成され、粉末へのバインダー接着ならびに流動性を提供する。バインダーの量は、混合物の約４０体積％であり、通常は約１５０℃で流体である。射出成形は、射出機構、押出器、またはカレンダーによる供給原料の同時加熱および加圧を伴う。混合物は、押出器、射出機、またはカレンダー内で１３０℃〜１９０℃の範囲内の温度に加熱される。粉末は、ネジの前方推力またはバレル内のラムによって空洞に射出され、事前設定された体積の溶融供給原料をダイスに射出する。代替として、平坦またはカレンダー仕上げされた供給原料を切断して型空洞に写し、その積層特性を維持することができる。
【００９７】
粉末成層は、前の工程のそれと同一であるが、可塑性押出器、射出器、またはカレンダーの補助なしに、本質的に乾式構成粉末の圧粉型への連続送達および時に同時送達によって達成される。ポリマーバインダーは、混合物を可塑化するためではなく、成形圧粉および部品の脱型を補助するために使用される。成形された溝に加えて、界面で構成粒子をブレンドおよび移行するこの方法において、任意の他の方法を用いるよりも優れた移行区域強度が達成され得る。
【００９８】
次に、圧粉体を焼結して、物品もしくは工具、または最終工具を形成するようにさらに形削され得る工具の予備成形体を形成する。これらのＦＧＭ積層圧粉体の焼結は、グリーン部品の特性を大幅に改善する粒子間溶接を創出する熱工程である。この粒子を一緒に結合することは、粒子接触点において高温で粘着性ネックが成長するにつれて発生し、これはバインダー材料の融解点未満で発生し得る。粒子は、粉末と関連する高い表面エネルギーを排除する原子運動によって一緒に焼結する。焼結中の構造変化は、材料輸送機構を創出する拡散工程に依存する。粒子間ネックが成長するにつれて、多孔質構造は、収縮が発生するとますます相互接続する。高密度化が続くにつれて、粒子間の細孔は徐々に崩壊し、材料は理論的に９２％〜９９％の範囲に高密度化する。
【００９９】
一実施形態において、第２の粉末は、０．５〜５．０マイクロメートルの範囲の粒径を有するＷＣ−Ｃｏを含む。焼結すると、この第２の粉末は、約１５〜２０％、例えば１６〜１９％収縮する。
【０１００】
場合によって、焼結中に圧力が粉末に印加される。より高い圧粉圧力は、密度を増加させる。例えば、ＴＣＨＰを用いる二相システムにおいて、液体が高速輸送および高速焼結を提供し得る低融解相を形成することが可能である。液体は固相粒子の周りにフィルムを形成しなければならないため、湿潤は第１の要件である。液体は、一端形成すると、流動して粒子を濡らし、液相が増加すると、毛細管力が構造を高密度化するにつれて、粒子間の間質腔に流入する。連続加熱によって、固相を液体に溶解し、それが固体成分で飽和されるまで、液体の量を増やす。次に、液相は固相原子の担体になり、次に間質腔内で核形成および再沈殿して、冷却後に産生物を高密度化する。
【０１０１】
焼結中に異なる雰囲気を使用して、それを酸化から保護すること、ならびに予備圧密において使用される滑沢剤およびバインダーを除去することができる。そのような雰囲気は、マトリックス中の炭素の制御に寄与することもできる。初期密度、焼結温度、焼結時間、材料、粒径、焼結雰囲気、および加熱速度は、全て焼結の速度に影響を及ぼす。焼結の程度が増加するにつれて、硬度、強度、延性、熱および電気伝導性、耐腐食性、透磁率、および他の特性が改善する。疲労および衝撃靱性等の動的特性は、焼結工程に最も敏感である。
【０１０２】
ブランクは、液相焼結として知られるものによって圧密することもできる。本発明の材料に対するそのような工程は、米国特許第７，７３６，５８２号に開示され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１０３】
上記方法のうちのいずれかにおいて、焼結は、焼結工程を補助する、不活性、浸炭、脱炭もしくは還元、窒素、または真空雰囲気下で達成することができる。
ＴＣＨＰ材料および特定のＷＣ−Ｃｏ粉末等の慎重に選択された支持材料の組み合わせは、改善された効率および生産性を通じて性能の強化を促進することが示された。本開示で使用されるＷＣ−Ｃｏ支持粉末に関する説明は、以下に提供される。
0006494513.tif 000002
【０１０４】
この研究で使用されるＴＣＨＰは、９．５重量％のコバルトを含有し、約１６．０％の焼結収縮を伴う。結果として、ＷＣ−Ｃｏ粉末Ｃ（上記、１６．９％の焼結収縮を有する）は、より密接にＴＣＨＰと一致する。より高い焼結収縮を有する他のＷＣ−Ｃｏ粉末は、微細構造内に不一致の収縮および亀裂を有する最終生成物につながる。図５は、そのような構造を示す。
【０１０５】
様々な粉末からＴＣＨＰ−ＦＧＭ物品を産生する典型的な粉末プレス方法の非限定例は、以下に提供される。
【０１０６】
薄壁中空鋼管（外径０．３４０インチ）を、２つの別個の粉末型（ＴＣＨＰおよびＷＣ−Ｃｏ「支持体」）の装填中に分離を維持するために、従来の粉末プレス機上の円筒ダイス工具セット（直径０．５８０インチ）の中心に置いた。
【０１０７】
約８グラムのＴＣＨＰをこの中空管の内部に置き、約１２．５グラムのＷＣ−Ｃｏを管の外側のダイス空洞内に置いた。
【０１０８】
次に、粉末の分裂を最小限にするように中空管を慎重に除去し、次に１０〜１２  ＴＳＩ（トン／平方インチ）の圧力で従来どおりプレスした。
【０１０９】
この工程を、同じＴＣＨＰ等級を使用して、異なるＷＣ−Ｃｏ支持粉末に対して繰り返した。
【０１１０】
全てのグリーン部品を従来のグラファイト焼結トレイ上に置き、焼結炉に装填した。
【０１１１】
次に、グリーン部品を以下の条件下で焼結した：真空下、室温で開始する。
【０１１２】
５℃／分の速度で４４０℃に昇温する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。４４０℃で１２０分間保持する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
【０１１３】
真空下、５℃／分の速度で７００℃に昇温する。真空下、７００℃で６０分間保持する。
【０１１４】
真空下、５℃／分の速度で１２５０℃に昇温する。真空下、１２５０℃で３０分間保持する。
【０１１５】
５℃／分の速度で１４００℃に昇温する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。１４００℃で１０５分間保持する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。２トールの部分圧で冷却の最初の１時間、アルゴンを用いて冷却する。
【０１１６】
全ての最終焼結部品重量は、約２０グラムである（グリーン重量はわずかに高い、２０．５グラムに近い）。
【０１１７】
予備プレスされたＴＣＨＰ円板で開始するＴＣＨＰ−ＦＧＭ物品を形成するために使用される典型的な粉末プレス方法の代替例は、以下に提供される。
【０１１８】
ＴＣＨＰ円板（約３グラムのグリーン重量を有する直径０．３１０インチ）を、従来の粉末プレス機を使用して１０〜１２  ＴＳＩで最初にプレスし、確保する。
【０１１９】
次に円筒ダイス工具セット（直径０．５８０インチ）を粉末プレス機に挿入した。
【０１２０】
プレスされたＴＣＨＰ円板をダイス空洞の底部に置き、約１２グラムのＷＣ−Ｃｏ粉末を装填して、ダイス空洞の残りの体積を充填した。
【０１２１】
次に、粉末を１０〜１２  ＴＳＩの圧力で一緒に従来どおりプレスした。
【０１２２】
この工程を、同じＴＣＨＰ等級からプレスされた円板を使用して、異なるＷＣ−Ｃｏ支持粉末に対して繰り返した。全てのグリーン部品を従来のグラファイト焼結トレイ上に置き、焼結炉に装填した。
【０１２３】
次に、グリーン部品を以下の条件下で焼結した：真空下、室温で開始する。
【０１２４】
５℃／分の速度で４４０℃に昇温する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。４４０℃で１２０分間保持する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
【０１２５】
真空下、５℃／分の速度で７００℃に昇温する。真空下、７００℃で６０分間保持する。
【０１２６】
真空下、５℃／分の速度で１２５０℃に昇温する。真空下、１２５０℃で３０分間保持する。
【０１２７】
５℃／分の速度で１４００℃に昇温する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。１４００℃で１０５分間保持する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
【０１２８】
２トールの部分圧で冷却の最初の１時間、アルゴンを用いて冷却する。
【０１２９】
上記方法を使用して、少なくとも２つの別個かつ隣接した組成領域を含む焼結物品を形成することができ、第１の組成領域は、切削または押出等の工具の作業を行い、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＢ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＣ、ＶＮ、ｃＢＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＢ６、ＳｉＡｌＣＢ、Ｗ２Ｂ５、ＡｌＮ、ＡｌＭｇＢ１４、ＭｏＳ２、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ２Ｂ５、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏＦｅＢ（鉄ホウ化モリブデン）、およびダイヤモンドからなる群から選択される化合物を含む、複数のコア粒子と、該コア粒子上の中間層であって、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、工具鋼、ガラス質の不透明なナノ合金鋼、窒化ケイ素、および炭化タンタルから選択される少なくとも１つの化合物を含む、中間層と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせを含む該中間層上に位置する外層と、を含む。
【０１３０】
一実施形態において、この第１の組成領域または作業領域は、９〜１０％Ｃｏを含む。
【０１３１】
この物品は、第１の作業領域を支持する第２の組成領域も含む。一実施形態において、第２の組成領域は、ＷＣ−Ｃｏ等の炭化材料を含む。
【０１３２】
本明細書に記載される物品は、典型的に、ドリル、ミル、切削工具、形成工具、ワイヤダイス、および機械部品等の切削または形成物品であり、作業面は第１の組成物を実質的に含む。
【０１３３】
したがって、本開示に従う材料は、広範囲の物品における使用に十分に適合し、引抜きダイス（例えば、ワイヤ引抜きダイス、複合ワイヤダイス、エナメル化ワイヤ引抜きダイス）、押出ダイス、鍛造ダイス、切削および刻印ダイス、型、形成ローラー、射出型、せん断機、ドリル、ミルおよび旋盤カッター、のこぎり、ホブ、ブリーチ、リーマー、タップ、および他のダイス等の工具；ギア、カム、ジャーナル、ノズル、シール、バルブシート、ポンプ羽根車、キャプスタン、シーブ、ベアリング、および摩耗表面等の個別の機械部品；嵌合部品、内燃機関ロッド、ベアリング、粉末金属（Ｐ／Ｍ）工程における硬表面区域、熱処理された区域を有する鍛造または機械加工鋼部品に代わる機械部品（例えば、カムシャフト、ランスミッション部品等）、およびプリンター／コピー機部品に代わる内蔵共焼結部品；深井戸ドリルビット、炭鉱および土工装置の歯、および鋼ミル用ホットロール等の重工業物品；ならびにメモリドライブ読取りヘッドおよび特殊磁石等の電気機械部品等が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１３４】
本開示の圧密材料を使用して、例えば、装置、機械、および放射性（核）材料の清浄化および／または改善において使用される他の物品の構成部品を形成することもできる。非限定的な一実施形態において、本明細書に記載される圧密材料は、核材料の清浄化および／または改善における使用に好適なプレートに形成される。この点において、前述の複数のＴＣＨＰを含む圧密材料が、非限定的に記載され、ＴＣＨＰは、マトリックス材料と混合される前にニッケルで被覆またはめっきされる。
【０１３５】
本開示は、以下の非限定例によってさらに例証され、純粋にその開示の例示であることが意図される。
【実施例】
【０１３６】
以下の実施例は、それぞれが、一部に強靭コーティング硬質粉末（ＴＣＨＰ）を有する、本開示に従って作製された様々なＦＧＭ物品を説明する。実施例１において、ロッドの一端から他端まで組成物の変化を有する固体ＦＧＭロッドを作製し、試験した。実施例２において、円筒の内側から外側まで組成物の変化を有するＦＧＭ円筒を作製し、作製し、試験した。
【０１３７】
ブレンドＴＣＨＰ粉末の調製
以下の発明の実施例において使用されるブレンドＴＣＨＰ粉末を創出するための工程順序は、本明細書に記載され、出願人の関連出願、米国公開出願第ＵＳ２０１１／００３０４４０Ａ１においてさらに詳細に記載され、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１３８】
ミルコンテナを使用して、適切な割合のＴＣＨＰ粉末およびＷＣ−Ｃｏマトリックス粉末を計量した。一般に、粉末の総重量は約８００ｇであった。したがって、２５重量％のＴＣＨＰおよび７５重量％のマトリックスを含む粉末混合物を得るために、約２００ｇのＴＣＨＰ、および約６００ｇのＷＣ−Ｃｏマトリックス粉末を使用した。場合によって、原材料ＷＣ−Ｃｏマトリックス粉末は、少量（約２重量％）のパラフィンろうを含有した。
【０１３９】
ろう加工した粉末が所望される場合、ＴＣＨＰ粒子の重量に基づいて、追加の２％のパラフィンろうを粉末混合物に付加した。逆に、ろう加工していない粉末が所望される場合、パラフィンろう（原材料粉末中に存在する量を超える）を混合物に付加しなかった。
【０１４０】
１．５ｋｇのミルボール：８００ｇの粉末混合物の比に対応する量のＷＣ−Ｃｏミルボールをミルコンテナに付加した。
【０１４１】
ろう加工した粉末を調製する場合、１５０ｍｌの好適な溶媒（例えば、ヘプタン）を粉末／ミルボールに付加し、得られた溶液を混合した。溶液が流動可能な稠度を有するまで、追加の溶媒を付加した。
【０１４２】
ろう加工していない粉末の調製の場合、１５０ｍｌの好適な溶媒（例えば、エタノール）を、粉末／ミルボールに付加し、得られた溶液を混合した。溶液が流動可能な稠度を有するまで、追加の溶媒を付加した。
【０１４３】
次に、空気露出を最小限にして密閉するために、ミルコンテナをアルゴンガスで充填した。次に、コンテナをローリングミル上に、所望の期間（例えば、２時間）、所望の速度（例えば、１００ＲＰＭ）で置き、ＴＣＨＰ／ＷＣ−Ｃｏ粉末のミル溶液の形成をもたらした。
【０１４４】
以下は、実施例１に従って調製されたＴＣＨＰ／ＷＣ−Ｃｏ粉末のミル溶液の典型的な乾燥工程の非限定例である。
【０１４５】
ＴＣＨＰ／ＷＣ−Ｃｏ粉末のミル溶液を、大型の篩を通じて耐熱容器（例えば、ガラス）に静かに移した。粉末を産生するために使用されるミルコンテナを、対応する溶媒（例えば、ヘプタンまたはエタノール）で洗浄し、ＷＣ−Ｃｏミルボールから任意の残留ミル溶液を除去した。
【０１４６】
次に、耐熱容器を、例えば、約２〜３  ＳＣＦＨの窒素定流下、約８５℃の温度の乾燥オーブン内に置いた。粉末を所望の時間、例えば、少なくとも１２時間乾燥した。
【０１４７】
粉末は、典型的に乾燥工程中に一緒に固化した。粉末が乾燥したかどうかを決定するために、スパチュラを使用して、固化粉末の一部を粉砕した。固化粉末を微細粉末に粉砕したとき、粉末は十分に乾燥していると見なされた。
【０１４８】
ろう加工した粉末の場合、粉末が乾燥した後、それを粗い篩に押し通して（例えば、約１００μｍの開口を有するもの）、圧密用の粉末を調製した。
【０１４９】
次に、乾燥した粉末を、後に使用するためにアルゴン充填した容器（例えば、Ｎａｌｇｅｎｅ（登録商標））コンテナ内で保管した。
【０１５０】
実施例１．異なる上部および底部材料を有するＦＧＭ固体ロッド
１２個のＦＧＭ二材料ロッドを調製し、以下の方法に従って焼結熱間等方圧プレス（ＨＩＰｅｄ）した。ロッドは、それぞれロッドの最大３分の２を形成する上部材料と、ロッドの残りの３分の１を形成する底部材料とで構成された。この実施例で作製される各ロッドは、３／８インチＯＤ×２  １／２インチを有するＴＣＨＰ／ＷＣ−Ｃｏ  ＦＧＭロッドで構成された。上部および底部区分に使用される特定の材料は、以下のとおりである。
0006494513.tif 000003
【０１５１】
この実施例において使用されるＷＣ−Ｃｏ材料は、公称寸法３ミクロンのＷＣを、１５重量％のコバルトとともに含み、以下の物理特性を示した：硬度（ＡＳＴＭ  Ｂ２９４）８８．０、ＨＲＡ破壊靱性（ＩＳＯ  ２８０７９）１１．４９ＭＰａ／ｍ、および密度（ＡＳＴＭ  Ｂ３１１）１４．０５ｇ／ｃｍ３。
【０１５２】
ＴＬ−３は、以下の物理特性を有した：硬度（ＡＳＴＭ  Ｂ２９４）９２．１、ＨＲＡ破壊靱性（ＩＳＯ  ２８０７９）１１．４３ＭＰａ／ｍ、および密度（ＡＳＴＭ  Ｂ３１１）１２．７５ｇ／ｃｍ３。
【０１５３】
この実施例において使用される典型的な粉末プレス方法は、粉末プレス機に挿入された２〜３インチ長のロッドに好適なダイス工具セットで構成された。
【０１５４】
約２３グラムのＴＣＨＰ粉末（等級ＴＬ−３）をダイス空洞の底部に置いた。次に、約４６グラムのＷＣ−Ｃｏ粉末（公称寸法３ミクロンのＷＣおよび１５重量％のコバルト）を装填して、ダイス空洞の残りの体積を充填した。
【０１５５】
次に、別個の粉末を１０〜１２  ＴＳＩ（トン／平方インチ）の圧力で従来どおり軸方向に圧縮した。全てのグリーンプレス部品を、従来のグラファイト焼結トレイ上に置き、焼結炉に装填した。
【０１５６】
次に、グリーン部品を以下の条件下でＨＩＰｅｄ焼結した。
・真空下、室温で開始する。
・５℃／分の速度で４４０℃に昇温する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・４４０℃で１２０分間保持する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・真空下、５℃／分の速度で１２５０℃に昇温する。
・真空下、１２５０℃で３０分間保持する。
・５℃／分の速度で１４４５℃に昇温する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・１４４５℃で６０分間保持する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・高圧アルゴンを約６００ＰＳＩで導入し、圧力を１５〜２０分間保持する。
・２トールの部分圧で冷却の最初の１時間、アルゴンを用いて冷却する。
【０１５７】
図７は、本開示に従って作製された二材料ＦＧＭロッドの一例を示す概略図である。図８および９は、それぞれ図７の物品の界面を示し、この実施例において記載される、倍率２５倍および２５０倍での走査電子顕微鏡写真（後方散乱モード）である。
【０１５８】
実施例２．異なる内部および外部材料を有するＦＧＭ円筒
ＦＧＭ二材料円筒の４つの変型を、本明細書に記載されるように、以下の内部および外部材料を用いて調製し、真空焼結した。
0006494513.tif 000004
【０１５９】
典型的な粉末プレス方法（ＦＧＭ円筒の場合）
以下は、本開示に従って作製される粉末プレスＦＧＭ円筒に使用される方法論を提供する。
【０１６０】
薄壁中空鋼管（外径０．３４０インチ）を、２つの別個の粉末型（「内部」および「外部」材料）の装填中に分離を維持するために、従来の粉末プレス機上の円筒ダイス工具セット（直径０．５８０インチ）の中心に置いた。
【０１６１】
約８グラムのＴＣＨＰ「内部」粉末を中空管の内部に置き、約１２．５グラムの「外部」粉末を管の外側のダイス空洞内に置いた。
【０１６２】
次に、粉末の崩壊を最小限にするように中空管を除去し、次に７．５〜１０  ＴＳＩ（トン／平方インチ）の圧力で従来どおり軸方向にプレスした。
【０１６３】
この工程を、上の試料表に示される、異なる「内部」および「外部」粉末に対して繰り返した。
【０１６４】
次に、全てのグリーンプレス部品を、従来のグラファイト焼結トレイ上に置き、真空焼結炉に装填して、以下に記載されるように焼結した。
【０１６５】
典型的な真空焼結サイクル
以下は、本開示に従って作製されるＦＧＭ円筒を真空焼結するために使用される方法論を提供する。次に、グリーン部品を以下の条件下で焼結した。
・真空下、室温で開始する。
・５℃／分の速度で４４０℃に昇温する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・４４０℃で１２０分間保持する（約２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・真空下、５℃／分の速度で７００℃に昇温する。
・真空下、７００℃で６０分間保持する。
・真空下、５℃／分の速度で１２５０℃に昇温する。
・真空下、１２５０℃で３０分間保持する。
・５℃／分の速度で１４００℃に昇温する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・１４００℃で６０分間保持する（２トールの部分圧でアルゴンを用いる）。
・２トールの部分圧で冷却の最初の１時間、アルゴンを用いて冷却する。
・最終焼結ＦＧＭ部品重量は、約２０グラムである（グリーン重量はわずかに高い、２０．５グラムに近い）。
【０１６６】
図１１〜１４は、この実施例において記載される試料Ａ〜Ｄの界面を示す、様々な倍率での光学写真および走査電子顕微鏡写真（後方散乱モード）である。内部材料と外部材料との間の界面は、各顕微鏡写真において明白である。
【０１６７】
別段の明示的表示がない限り、本明細書に記載されるいずれの方法も、その段階が特定の順序で行われる必要があると見なされることを決して意図しない。したがって、方法請求項が、その段階が従うべき順序を実際に列挙しないか、または特許請求の範囲内で具体的に記載されない限り、もしくはその段階が特定の順序に限定されるという記載がない限り、任意の特定の順序が推測されることを決して意図しない。
【０１６８】
前述の説明は、単に例示的および説明的であり、開示の制限として解釈されるものではないことを理解されたい。さらに、本明細書における異なる実施形態の様々な特徴および／または特性が、互いに組み合わされてもよいことを理解されたい。したがって、例示の実施形態に対して修正および変更が行われてよく、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の配置が考案されてもよい。本発明の趣旨および物質を組み込む開示される実施形態の修正、組み合わせ、部分組み合わせ、および変型は、当業者であれば想到可能であるため、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの相当物の範囲内の全てを含むと見なされるべきである。
【図１】
0006494513.tif 000005
【図２】
0006494513.tif 000006
【図３】
0006494513.tif 000007
【図４】
0006494513.tif 000008
【図５】
0006494513.tif 000009
【図６】
0006494513.tif 000010
【図７】
0006494513.tif 000011
【図８】
0006494513.tif 000012
【図９】
0006494513.tif 000013
【図１０】
0006494513.tif 000014
【図１１】
0006494513.tif 000015
【図１２】
0006494513.tif 000016
【図１３】
0006494513.tif 000017
【図１４】
0006494513.tif 000018