(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐摩耗性部品（１００）を製造する方法であって：
前記部品の形状の少なくとも一部を画成する型（１０）を提供するステップ；
３０−７０体積％のタングステンカーバイドの粉末および７０−３０体積％のニッケルベース合金の粉末を含む粉末混合物である第１の粉末（２０）を提供するステップであって、前記ニッケルベース合金が重量％で：
Ｃ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２．５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物より成り；前記タングステンカーバイドの粉末が１０５−２５０μｍの粒径を有し、前記ニッケルベース合金の粉末が３２μｍの最大粒径を有する、ステップ；
前記型の少なくとも一部に前記第１の粉末混合物を充填するステップ；ならびに
前記型に所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたって熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を受けさせて、前記ニッケルベース合金の粒子を相互に冶金結合させるステップ；
を含む方法。
【請求項２】
前記ニッケルベース合金の粉末が２２μｍの最大粒径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ニッケルベース合金の粉末中の粒子の粒径分布のＤ５０が６−２０μｍである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ニッケルベース合金が０．２５−１．０ｗｔ％の炭素を含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記ニッケルベース合金が５−１４ｗｔ％のクロムを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記ニッケルベース合金が重量％で：Ｃ：０．５−０．７５、Ｃｒ：１１−１４、Ｓｉ：４．０−４．５；Ｂ：２．０−２．５；Ｆｅ：３．０−４．５、残量のニッケルおよび不可避不純物より成る、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記耐摩耗性部品（１００）が事前製造コア（１２８）および前記事前製造コア（１２８）の少なくとも一部の上へ延伸する耐摩耗性層（１４０）を備え：
事前製造コア（１２８）を提供するステップ；
耐摩耗性層（１４０）が設けられる前記事前製造コア（１２８）の少なくとも一部（１２１、１２２）を包囲するように、前記事前製造コア（１２８）を前記型（１０）に対して配置するステップであって；
耐摩耗性層（１４０）が設けられる前記事前製造コア（１２８）の少なくとも一部（１２１、１２２）が前記第１の粉末（２０）によって覆われるように、前記型（１０）に前記第１の粉末（２０）が充填される、ステップ；ならびに
前記型（１０）、前記部品コア（１２８）および前記第１の粉末（２０）に所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたって熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を受けさせて、前記第１の粉末の粒子を前記事前製造コアに冶金結合させるステップ；
を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記耐摩耗性部品がコア（１２８）および前記コア（１２８）の少なくとも一部の上へ延伸する耐摩耗性層（１４０）を備え；
前記型（１０）の第１の部分（４０）が前記耐摩耗性層（１４０）の形状を画成し、前記型（１０）の第２の部分（５０）が前記コア（１２８）の形状を画成し；
前記型（１０）の前記第１の部分（４０）に前記第１の粉末（２０）を充填するステップ；
前記型（１０）の前記第２の部分（５０）に第２の粉末（３０）を充填するステップ；
前記型（１０）に所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたって熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を受けさせて、前記第１および第２の粉末（２０、３０）の粒子を相互に冶金結合させるステップ；
を含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記第２の粉末（３０）が金属粉末である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の粉末（３０）が鋼鉄粉末である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の粉末（３０）がフェライト鋼粉末である、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
１０５−２５０μｍの粒径を有するタングステンカーバイドの粒子（４）およびニッケルベース合金の拡散結合粒子のマトリクス（４）を備えるＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）であって、前記ニッケルベース合金が（重量％で）Ｃ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２，５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物より成り、前記ニッケルベース合金の前記拡散結合粒子（３）の粒径が３２μｍ以下である、ＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）。
【請求項１３】
前記タングステンカーバイドの粒子（４）が前記ニッケルベース合金のマトリクス（３）中に離散した相互連結していない粒子として分布している、請求項１２に記載のＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）。
【請求項１４】
前記ニッケルベース合金のマトリクス（３）がボライドおよびカーバイドの析出した粒子（５）を含み、前記ボライドおよびカーバイドの粒子（５）が前記マトリクス（３）中に離散した個別の粒子として分散され、前記ボライドおよびカーバイド粒子のサイズが５−１０μｍである、請求項１２または１３に記載のＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）。
【請求項１５】
前記析出した粒子（５）が鉄および／またはクロム・リッチ・ボライドならびに鉄および／またはクロム・リッチ・カーバイドである、請求項１２から１４のいずれかに記載のＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）。
【請求項１６】
前記ＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）がインパクトハンマー；または二軸ローラー解砕機歯；または二次および／もしくは三次解砕機用解砕機歯；または解砕機用摩耗セグメント；または解砕機用摩耗板；またはスラリ処理システムの部品であり、前記部品（１００）がＨＩＰ処理耐摩耗性層（１４０）を備え、前記耐摩耗性層（１４０）が１０５−２５０μｍの粒径を有するタングステンカーバイドの粒子（４）およびニッケルベース合金の拡散結合粒子のマトリクス（４）を備え、前記ニッケルベース合金がＣ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２，５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物より成り、前記ニッケルベース合金の前記拡散結合粒子（３）の粒径が３２μｍ未満である、請求項１２から１５のいずれかに記載のＨＩＰ処理耐摩耗性部品（１００）。
【請求項１７】
耐摩耗性部品を製造するための粉末混合物であって：３０−７０体積％のタングステンカーバイドの粉末および７０−３０体積％のニッケルベース合金の粉末を含み、前記ニッケルベース合金が重量％で：Ｃ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２．５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物より成り、前記タングステンカーバイドの粉末が１０５−２５０μｍの粒径を有し、前記ニッケルベース合金の粉末が３２μｍの最大粒径を有する、粉末混合物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルによるＨＩＰ固化部品を製造する方法に関する。本発明は、請求項１０のプリアンブルによるＨＩＰ固化部品にも関する。本発明は、請求項１５のプリアンブルによるＨＩＰ固化部品を製造するための粉末混合物にも関する。
【背景技術】
【０００２】
摩耗を受ける部品、例えば鉱業用途における耐擦傷性部品は、耐摩耗性材料の層を通例備えている。ある場合において、部品全体が耐摩耗性材料で製造されていてよい。
【０００３】
プラズマ移行アーク溶接（ＰＴＡＷ）は、製品上に耐摩耗性コーティングを製造するための従来の方法である。ＰＴＡＷでは、硬質タングステンカーバイド粒子および延性金属粉末の粉末混合物は、ノズルを通じてプラズマ中へ供給され、プラズマ中で粉末が溶融されるので、固体タングステンカーバイド粒子が融解した金属粉末中に懸濁される。溶融粉末は鋼鉄部品の表面上に移行して、ここで溶融粉末が硬質タングステンカーバイド粒子を比較的延性の金属バインダー層中に含む耐摩耗性相へと固体化する。耐摩耗性層において、硬質相および延性相の体積比ならびにその分布は、耐摩耗性層の性能および寿命期間全体にとって非常に重要である。
【０００４】
しかし、ＰＴＡＷによって適用された耐摩耗性層は、いくつかの欠陥を被っている。例えばＰＴＡＷによって適用された耐摩耗性層を固体化する間に、合金元素が融解金属マトリクス中で偏析して、例えばボライドおよびカーバイドの包含を引き起こし、大型のブロックまたは細長い針様形状へと迅速に成長する。介在物が成長するにつれ、これらが相互に結合して、隣接するタングステンカーバイド粒子間に延性金属相の脆性網目を形成するため、耐摩耗性層の延性が低下する。図９は、従来のＰＴＡＷ適用材料の一部のＳＥＭ画像を示す。画像では、相互に結合した針形状およびブロック形状ボライドおよびカーバイドの網目が、マトリクスにおいて大型の白色タングステン粒子の間に見える。
【０００５】
また、タングステンカーバイドとバインダー相の金属合金との間の密度の違いのため、タングステンカーバイドは適用された耐摩耗性層の底部に向かって沈降しやすい。これにより、耐摩耗性層の表面領域中の硬質粒子の濃度がより低下するため、耐摩耗性層の硬度が低下する。図８は、表面領域がタングステンカーバイドをほとんど有さない、従来のＰＴＡＷ適用材料の一部を示す。
【０００６】
ＰＴＡＷによって厚い耐摩耗性層を製造するのがより困難であるのは、固形化の間に層に熱応力が生じるためである。さらに、耐摩耗性層を複雑な形状の部品に適用するためにＰＴＡＷを使用することは困難である。
【０００７】
ゆえに、本発明の目的は、上述の課題の少なくとも１つを解決することである。特に、本発明の目的は、耐摩耗性が改善された部品の製造を可能にする方法を達成することである。本発明のさらなる目的は、高い耐摩耗性を有する部品を達成することである。また本発明のさらなる目的は、高い耐摩耗性を有する部品の製造を可能にする粉末混合物を提供することである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の第１の態様により、上の目的の少なくとも１つは、耐摩耗性部品を製造する方法であって：
−部品の形状の少なくとも一部を画成する型を提供するステップ；
−３０−７０体積％のタングステンカーバイドの粉末および７０−３０体積％のニッケルベース合金の粉末を含む粉末混合物である第１の粉末を提供するステップであって、ニッケルベース合金が重量％で：
Ｃ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２．５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物より成り；タングステンカーバイドの粉末が１０５−２５０μｍの粒径を有し、ニッケルベース合金の粉末が３２μｍの最大粒径を有する、ステップ；
−前記型の少なくとも一部に前記粉末混合物を充填するステップ；
−前記型に所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたって熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を受けさせて、ニッケルベース合金の粒子を相互に冶金結合させるステップ；
を含む方法によって達成される。
【０００９】
本発明の方法の主な利点は、ＨＩＰ工程全体がニッケルベース合金の融点より低い温度にて行われるため、ニッケルベース合金粒子が相互に拡散結合されることである。ＨＩＰの間に、ボライドおよびカーバイドはニッケルベース合金マトリクス中に析出する。成長速度と、ボライドおよびニトリド析出物の形状も、固体マトリクスを通る合金元素の拡散速度によって制限される。したがってマトリクス中で析出したボライドおよびカーバイドは小さく、通例、５から１０μｍの粒径を有し、延性マトリクス材料中に単一の離散した粒子として分布する。
【００１０】
本発明の方法によって製造されたＨＩＰ処理部品において、このことが好都合であるのは、ボライドおよびカーバイドの小さく離散して分布した析出物により、過度の脆性を生じることなく、延性ニッケルベース合金マトリクスが強化されるためである。この機構により、マトリクスのいわゆる「ウォッシュアウト」が防止され、したがって部品の耐摩耗性が向上する。
【００１１】
本発明の方法で用いられる粉末混合物に関して、ニッケルベース合金の粒子の平均径は、タングステンカーバイド粒子の平均径と比べて比較的小さいことが重要である。このことは、本質的にすべてのタングステンカーバイド粒子がニッケルベース合金粒子中に個別に埋め込まれ、粉末混合物中に均等に分布するように、また言い換えれば、本質的に各タングステン粒子がニッケルベース合金粒子に完全に包囲されるように、粉末混合物をブレンドおよび取扱いできる効果を有する。「本質的にすべて」とは、ごく微量のタングステンカーバイド粒子のみが相互に接触していることを意味する。「均等に」という用語は、隣接するタングステン粒子間の距離が、ある体積の粉末混合物を通じてほぼ一定であることを意味する。
【００１２】
本発明の方法によって製造されたＨＩＰ処理部品において、ニッケルベース合金マトリクス中の離散した相互連結されていないタングステン粒子の均等な分布により、部品を通じて均一な硬度が生じ、ゆえに高い耐摩耗性が生じる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＨＩＰ固化部品を製造する本発明の方法のステップを示すフローチャート。
【図２】ＨＩＰ固化部品を製造する本発明の方法で使用するモールドの概略図。
【図３】本発明のニッケルベース合金粉末を従来の粉末と比較する概略図。
【図４】本発明の部品のサンプルの１５倍倍率のＳＥＭ写真。
【図５】本発明の部品のサンプルの２００倍倍率のＳＥＭ写真。
【図６】本発明の部品のサンプルの８００倍倍率のＳＥＭ写真。
【図７】本発明の部品のサンプルの２００Ｋ倍倍率のＳＥＭ写真。
【図８】従来技術によるＰＴＡＷ適用材料の一部の写真。
【図９】従来技術によるＰＴＡＷ適用材料の一部のＳＥＭ画像。
【図１０】本発明の好ましい実施形態による部品の概略図。
【図１１】本発明の第１の代案による部品を製造するステップを示す概略図。
【図１２】本発明の第２の代案による部品を製造するステップを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の方法のステップを概略的に示す。
【００１５】
第１のステップにおいて、型１０が提供される。型１０は、モールドまたはカプセルとも呼ばれ、図２ａの側面図で示され、最終部品の形状または輪郭の少なくとも一部を画成する。型１０は通例、鋼板、例えば共に溶接された炭素鋼板から製造される。型はいずれの形状を有していてもよい。図２ａにおいて、型は円筒の外形を画成し、円形底板１１、周囲外壁１２および型の充填後に溶接により外壁１２に封着されるカバー１３を有する。型１０は、最終部品の一部も画成してよい。その場合、型１０は事前製造部品１５、例えば鍛造または鋳造部品に溶接される。型１０はこれにより、型の壁の１枚が事前製造部品１５の表面によって構成されるように設計される。図２ｂを参照のこと。このことは、事前製造部品が耐摩耗性材料の層を備えてよいという利点を有する。
【００１６】
第２のステップにおいて、粉末混合物が提供される。本発明により、粉末混合物は、タングステンカーバイド粒子の粉末およびニッケルベース合金の粉末より成る。タングステンカーバイド粒子は、ＷＣもしくはＷ２ＣまたはＷＣおよびＷ２Ｃの混合物であってよい。タングステンカーバイド粒子は、球形状またはファセット形状であってよい。タングステン粒子のサイズ、すなわちふるいサイズは１０５−２５０μｍである。このことは、粉末混合物が１０５μｍから最大２５０μｍの間の異なるサイズのタングステン粒子の混合物を含むと理解すべきである。変形により、タングステン粒子のふるいサイズは１５０−２００μｍである。最終ＨＩＰ処理部品において、非常に硬質のタングステン粒子は耐擦傷性を提供する。
【００１７】
ニッケルベース合金の粉末は、最終固化部品において延性相を構成する。ニッケルベース合金の粉末は、以下の組成：Ｃ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２．５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物を重量％（ｗｔ％）で有する。ニッケルベース合金は強力で延性であり、したがって耐擦傷性用途でのマトリクス材料として非常に好適である。
【００１８】
炭素はクロムおよび鉄と共に、小型の金属リッチカーバイド、例えば延性ニッケルベース合金マトリクス中に析出するＭ２３Ｃ６およびＭ７Ｃ３を形成する。析出したカーバイドは、転位が伝搬するのを妨げることによってマトリクスを強化する。好ましくは、ニッケルベース合金の粉末は、金属リッチカーバイドを十分に析出させるために、少なくとも０．２５ｗｔ％の炭素を含む。しかし、炭素が多すぎるとグラファイトの析出につながることがあり、これによりマトリクスの延性が低下するため、炭素は１．０ｗｔ％に制限すべきである。例えば、炭素の量は０．２５−０．３５ｗｔ％または０．５−０．７５ｗｔ％である。炭素はタングステンカーバイドの溶解を促進することがあると考えられ、したがってある用途においては、炭素はマトリクス中に０ｗｔ％とすべきである。
【００１９】
クロムは、耐食性のために、クロム・リッチ・カーバイドおよびクロム・リッチ・ボライドを析出させるために重要である。したがってクロムは好ましくは、ニッケルベース合金マトリクス中に少なくとも５ｗｔ％の量で包含される。しかしクロムは強力なカーバイド形成剤であり、したがって大量のクロムは、タングステンカーバイド粒子の溶解増加を引き起こすことがある。したがってクロムは１４ｗｔ％に制限すべきである。例えばクロムの量は５．０−９．５ｗｔ％または１１−１４ｗｔ％である。ある用途において、タングステンカーバイド粒子の溶解を完全に回避することが望ましい。このような場合、クロムの含有率は、ニッケルベース合金マトリクス中で０ｗｔ％にできる。
【００２０】
ケイ素はニッケルベース合金粉末の製造工程で使用され、したがってニッケルベース合金マトリクス中に、通例少なくとも０．５ｗｔ％の、例えば２．５−３．２５ｗｔ％の、または４．０−４．５ｗｔ％の量で存在してよい。ケイ素は、Ｍ６Ｃ型のタングステン・リッチ・カーバイドに対して安定化効果を有することがあり、したがってケイ素の含有率は４．５ｗｔ％に制限すべきである。
【００２１】
ホウ素はクロム・リッチ・ボライドおよび鉄リッチボライドを形成し、これらはニッケルベース合金マトリクスの析出強化に寄与する。ホウ素は、大きな析出強化効果を達成するために、少なくとも１．２５ｗｔ％の量で存在すべきである。しかし、マトリクス中の主な元素を構成するニッケルへのホウ素の溶解度は制限されているため、ホウ素の量は３．０ｗｔを超えるべきではない。例えばホウ素の量は、１．２５−１．８ｗｔ％または２．０−２．５ｗｔ％または２．５−３．０ｗｔ％である。
【００２２】
鉄は通例、ニッケルベース合金粉末が製造されるスクラップ金属に包含されている。鉄は、ボライドおよびカーバイドを形成するため、ニッケルベース合金マトリクスの強度に対してプラスの効果を有する。したがって少なくとも１ｗｔ％の鉄がニッケルベース合金粉末中に存在すべきである。しかし、大量の鉄はタングステンカーバイド粒子の溶解につながることがあるため、鉄は４．５ｗｔ％に制限すべきである。例えば鉄は、１．０−２．５ｗｔ％または３．０−４．５ｗｔ％の量で存在する。
【００２３】
ニッケルは、ニッケルベース合金の残量を構成する。ニッケルがマトリクス材料として好適であるのは、ニッケルがむしろ延性金属であるためであり、炭素の溶解度がニッケルにおいて低いためでもある。炭素の低い溶解度は、タングステン粒子の溶解を回避するために、マトリクス材料における重要な特徴である。ニッケルは、別の従来のマトリクス材料であるコバルトと比べて、さらに安価である。
【００２４】
ニッケルベース合金の好適な組成の例は：
Ｃ：０．１；Ｓｉ：２．３；Ｂ：１．２５；Ｆｅ：１．２５；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．１；Ｓｉ：２．３；Ｂ：１．７５；Ｆｅ：１．２５；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．１；Ｓｉ：３．２；Ｂ：１．２５；Ｆｅ：１．２５；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．２５；Ｃｒ：５．０；Ｓｉ：３．２５；Ｂ：１．２５；Ｆｅ：１．０；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．３５；Ｃｒ：８．５；Ｓｉ：２．５；Ｂ：１．２５；Ｆｅ：１．０；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．３５；Ｃｒ：９．５；Ｓｉ：３．０；Ｂ：２．０；Ｆｅ：３．０；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．５；Ｃｒ：１１．５；Ｓｉ：４．０；Ｂ：２．５；Ｆｅ：３．０；残量のＮｉおよび不可避不純物、
Ｃ：０．７５；Ｃｒ：１４．０；Ｓｉ：４．０；Ｂ：２．０；Ｆｅ：４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物
である。
【００２５】
ニッケルベース合金粒子は、実質的に球形状を、または変形球形状を有する。
【００２６】
ニッケルベース合金粒子のサイズは、３２μｍ以下である。サイズは、レーザ回折、すなわちレーザビームが空気中または液体中の粒子の分散物を通過するときに発生する回折光の「ハロー」の解析によって決定されてよい。最大サイズは、合金粒子がより大きいタングステンカーバイド粒子をそれぞれ完全に包囲するように、３２μｍが選択される。代案により、ニッケルベース合金粒子の最大サイズは、３０μｍ、２８μｍ、２６μｍ、２４μｍまたは２２μｍである。
【００２７】
本発明の粉末における合金粒子のサイズの重要性は、図３ａおよび図３ｂを参照して下で説明する。図３ａは、合金粒子３が３２μｍのサイズを有する、本発明の粉末混合物のサンプル１を示す。図３ｂは、大型の合金粒子３、例えば１２５μｍを有する従来の粉末混合物のサンプル２を概略的に示す。タングステンカーバイド粒子４のサイズは、サンプル１および２と同じで、例えば１２５μｍである。サンプル１および２は、同じ体積Ｖも有する。
【００２８】
本発明のサンプル１の合金粒子３は、サンプル２の合金粒子３よりも実質的に小型であるため、２つのサンプル１および２の体積Ｖが同じであるという条件下では、サンプル１には、サンプル２の合金粒子よりも多くの合金粒子が存在する。
【００２９】
したがって図３ａに見られるように、大型のタングステンカーバイド粒子４を包囲するのに十分な合金粒子３が本発明のサンプル１中に存在する。図３ｂに示す比較サンプル２では合金粒子３はより大きく、したがってサンプル体積Ｖは、タングステンカーバイド粒子４を完全に包囲するほど十分な合金粒子３を含有していない。
【００３０】
ニッケルベース合金粒子は、粉末混合物中で最大サイズの３２μｍから数ミクロンまでの広い範囲の粒径にわたって存在する。
【００３１】
ニッケルベース合金粒子の大部分が非常に小さいサイズを有する場合、粉末混合物は凝集する傾向があり、ニッケルベース合金粉末の粒子に完全に埋め込まれる程度まで粉末混合物をブレンドすることが困難になる。凝集も、粉末混合物の流動性に関する問題を引き起こす。
【００３２】
したがって、ニッケルベース合金粒子は、ニッケルベース合金粒子のｄ５０が６−２０μｍ、より好ましくは１０−１５μｍとなるように選択すべきである。ニッケルベース合金粉末中の粒子のサイズは、ほぼ正規分布している。「ｄ５０」という用語はこれにより、粒子の５０％が６−２０μｍの、より好ましくは１０−１５μｍの範囲にある特定の値より小さいサイズを有することを意味する。例えばニッケルベース合金粉末において、Ｄ５０は２０μｍ、１９μｍ  １８μｍ、１７μｍ、１６μｍ  １５μｍ  １４μｍ  １３μｍ  １２μｍ、１１μｍ、１０μｍであってよい。
【００３３】
タングステンカーバイド粒子の粉末は、３０−７０体積％のタングステンカーバイド粉末および残りのニッケルベース合金粉末との比で、ニッケルベース合金粒子の粉末と混合される。
【００３４】
本発明の粉末混合物におけるタングステンカーバイド粉末とニッケルベース合金粉末との正確な体積比は、固化部品が目的とする用途での摩耗条件によって決定される。しかし、タングステンカーバイド粉末に関して、著しい耐擦傷性を達成するためには、最低許容量は３０体積％である。タングステンカーバイド粉末の量が７０体積％を超えるべきでないのは、ＨＩＰ処理部品が次にあまりに脆性になり得るためである。７０体積％を超えるタングステンカーバイド粉末の量をニッケルベース合金粒子と、本質的にすべてのタングステンカーバイド粒子がニッケルベース合金粉末に完全に埋め込まれる程度までブレンドすることはさらに困難である。
【００３５】
体積比は例えば、４０体積％のタングステンカーバイド粉末および６０体積％のニッケルベース合金粉末、または５０体積％のタングステンカーバイド粉末および５０体積％のニッケルベース合金粉末、または４５体積％のタングステンカーバイド粉末および５５体積％のニッケルベース合金粉末であってよい。
【００３６】
第３のステップにおいて、タングステンカーバイド粉末およびニッケルベース合金粉末は粉末混合物へとブレンドされる。ブレンドは、好ましくはＶ型ミキサで行う。ブレンドステップにより、タングステンカーバイド粒子が本発明の粉末混合物の体積中に均一に分布して、本質的にすべてのタングステンカーバイド粒子がニッケルベース合金粉末中に個別に埋め込まれるようになる。
【００３７】
第４のステップにおいて、粉末混合物は、部品の形状を画成する型１０に注入される。型はその後、カバー１３を周囲壁１２に溶接することによって封着される。型１０を封着する前に、例えば真空ポンプの使用により、真空を粉末混合物に印加してよい。真空は、粉末混合物から空気を除去する。空気を粉末混合物から除去することが重要なのは、空気がアルゴンを含有し、アルゴンがマトリクスの延性にマイナスの効果を有するためである。
【００３８】
第５のステップにおいて、充填された型に所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたって熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を受けさせて、ニッケルベース合金の粒子を相互に冶金結合させる。型はこれにより、通常、熱間等方圧加圧チャンバ（ＨＩＰチャンバ）と呼ばれる、加熱可能な圧力チャンバに配置される。
【００３９】
加熱チャンバは、ガス、例えばアルゴンガスによって、５００バールを超える等方圧まで加圧される。通例、等方圧は９００−１２００バールである。チャンバは、ニッケルベース合金粉末の融点よりも低い温度まで加熱される。温度が融点に近ければ近いほど、溶融相ならびに脆性カーバイドおよびボライド網目の望ましくない筋が形成するリスクが高くなる。したがって温度は、ＨＩＰ処理中の炉において可能な限り低いべきである。しかし低温では、拡散工程は低速化して、材料は残留孔隙度を含有し、粒子間の冶金結合は弱くなる。したがって、温度は９００−１１５０℃、好ましくは１０００−１１５０℃である。型は、加熱チャンバ内に所定の圧力および所定の温度にて、所定の期間にわたって保持される。ＨＩＰＰ処理の間に粉末粒子間で起こる拡散工程は時間依存性であるため、長い時間が好ましい。好ましくは、型は０．５−３時間の、好ましくは１−２時間の、最も好ましくは１時間の期間にわたってＨＩＰ処理すべきである。
【００４０】
ＨＩＰ処理の間、ニッケルベース合金粉末の粒子は各種の拡散工程によって塑性変形して冶金結合するので、拡散結合したニッケルベース合金粒子の高密度の凝集性物品が形成される。冶金結合において、金属表面は共に、酸化物、介在物または他の汚染物質などの欠陥のない界面と完璧に結合する。
【００４１】
ＨＩＰ処理後、型は固化部品から除去される。または、型は部品上に残されたままでもよい。
【００４２】
ＨＩＰ処理部品のサンプルを採取して、サンプルの表面をエッチングして、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて粒子が相互に拡散結合していることを判断することができる。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態により、部品はハンマーミルのインパクトハンマーである。ハンマーミルは当分野で公知であり、したがって簡単に説明するだけである。通例、ハンマーミルは、粉砕される材料、例えば岩または鉱石が中に導入されるドラムを備える。ドラムにおいて、シャフトは回転可能に配置され、回転式シャフトにはインパクトハンマーが配置されている。シャフトを回転させると、インパクトハンマーがシャフトを中心として回転し、粉砕される鉱石に衝撃を与える。
【００４４】
図１１は、本発明によるインパクトハンマー１００を概略的に示す。インパクトハンマーは、シャンク１１０およびハンマーヘッド１２０より成る。シャンクの第１端部１１１は、ハンマーヘッド１２０中へ延伸する。シャンクの他方の第２端部１１２は、インパクトハンマーをハンマーミルのシャフト（図１１に図示せず）に回転可能に取り付けるための貫通孔１３０を備える。ハンマーヘッド１２０は、シャンク１１０から反対方向に向かう上面１２１および４つの側面（図１１では、２つの側面１２２および１２３のみが見える）を備えた、直方体形状を有する。ハンマーヘッド１２０は、下面（図１１では見えない）をさらに有し、下面からシャンク１１０が延伸している。ハンマーヘッドが平行六面体以外の形状を有し得ることが明らかである。例えば、ハンマーヘッドは、ファセット不規則形状または円形形状を有することができる。
【００４５】
本発明により、ハンマーヘッド１２０の外面の少なくとも一部が、１０５−２５０μｍの粒径を有するタングステンカーバイドの粒子およびニッケルベース合金の拡散結合粒子のマトリクスを備えるＨＩＰ処理耐摩耗性層１４０を備え、ニッケルベース合金は、Ｃ：０−１．０；Ｃｒ：０−１４．０；Ｓｉ：２．５−４．５；Ｂ：１．２５−３．０；Ｆｅ：１．０−４．５；残量のＮｉおよび不可避不純物より成り、ニッケルベース合金の拡散結合粒子の粒径は３２μｍ未満である。通例、耐摩耗性層１４０は５−５０ｍｍの、好ましくは１５−２５ｍｍの厚さを有する。
【００４６】
ＨＩＰ処理耐摩耗性層１４０は、ハンマーヘッドの少なくとも上面１２１を構成する。耐摩耗性層１４０はまた、ハンマーヘッドの側面の１つ、複数またはすべてを構成してもよい。好ましくは、ＨＩＰ処理耐摩耗性層１４０は、上面１２１ならびにハンマーミルシャフトの回転方向に向けられた側面、例えば側面１２２および対向する側面（図１１に図示せず）を構成する。
【００４７】
シャンクおよびハンマーヘッドの残りの部分は通例、鋼鉄または鋳鉄、例えば白鋳鉄より成る。フェライト鋼合金、例えば一般構造用鋼または市販鋼４１０Ｌがとりわけ好ましい。これは、フェライト鋼合金の低い熱膨張係数（ＣＴＥ）により、インパクトハンマーの製造中のＨＩＰ温度からの冷却後に、耐摩耗性層における応力が最小化されるためである。他の好適な材料は、高速度鋼または工具鋼（例えば）である。
【００４８】
耐摩耗性層は、本発明のインパクトハンマーにＨＩＰによって印加される。図１１ａ−図１１ｄは、第１の代案による本発明のインパクトハンマーを製造するステップを概略的に示す。
【００４９】
第１のステップにおいて、事前製造コア１２８は、例えば鍛造または鋳造または粉末冶金によって提供される。事前製造ハンマーコア１２８は、シャンク１１０およびハンマーヘッドコア１２９より成る。ハンマーヘッドコア１２９の寸法は、最終ハンマーヘッドのサイズから耐摩耗性層１４０を引いたものに等しい。
【００５０】
第２のステップにおいて、型１０が提供される。型１０は、最終ハンマーヘッドの形状の少なくとも一部、すなわち耐摩耗性層を備えるハンマーヘッドの一部を画成する。しかし、型１０は、ハンマーヘッド全体またはインパクトハンマー全体を画成することももちろん可能である。型は、共に溶接された鋼板から製造される。
【００５１】
型１０および事前製造コア１２８は、型１０がハンマーヘッドコア１２９の一部を包囲するように相互に対して配置され、ハンマーヘッドコア１２９の一部の上の耐摩耗性層が適用されるものとする。図１１ａを参照のこと。図１１ａにおいて、型１０はハンマーヘッドコアの側面１２１および１２２を包囲している。ハンマーコアと型との間の寸法差により、ハンマーヘッドコア１２９と型１０との間に間隔ｄが得られる。間隔ｄは、最終インパクトハンマー上の耐摩耗性層の厚さの寸法を画成する。ハンマーヘッドと型との間の間隔ｄはしたがって、５−５０ｍｍ、好ましくは１５−２５ｍｍである。
【００５２】
続いてのステップにおいて、型１０に本発明の粉末混合物２０が充填される。図１１ｂを参照のこと。型がハンマーヘッドコアに対して配置される前または配置された後に、型に粉末を充填してよい。いくつかの場合において、最初に多少の粉末を型に充填して、次にハンマーコアを型内に配置して、続いて型の残りに粉末を充填することも必要であり得る。
【００５３】
充填後、型は気密封着される。図１１ｃを参照のこと。これは型をハンマーヘッドコアに溶接することによって、また蓋１３を型のいずれの開口部にも溶接することによって達成されてよい。この前に、空気を型から真空引きによって除去してよい（図示せず）。
【００５４】
続いて、型およびハンマーコアには、所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたってＨＩＰを受けるので、本発明の粉末混合物の粒子が相互におよびハンマーヘッドコアに冶金結合されて、高密度の凝集性耐摩耗性層がハンマーコア上に形成される。
【００５５】
最終ステップにおいて、型１０は例えばグリットブラストまたは酸洗いによって除去され、耐摩耗性層が露出される（図１１ｄを参照のこと）。型１０を最終インパクトハンマー上に残すことも可能である。
【００５６】
本発明の第２の代案により、インパクトハンマー全体が粉末から製造される。図１２ａ−図１２ｃは、本発明の第２の代案によるインパクトハンマーを製造する方法のステップを概略的に示す。
【００５７】
第１のステップにおいて、インパクトハンマー全体の形状を画成する型１０が製造される。図１２ａを参照のこと。型１０の、点線で示される第１の部分４０は、耐摩耗性層の形状を画成する。型１０の第２の部分５０は、インパクトハンマーの残り、すなわちインパクトハンマーのコアを画成する。
【００５８】
型１０にはその後、粉末が充填される。型の第１の部分４０に本発明の粉末混合物２０が充填され、型の第２の部分５０に第２の粉末３０が充填される。第２の粉末は、金属粉末、例えば鋼鉄粉末または鋳鉄粉末である。上述したように、第２の粉末３０は、好ましくはフェライト鋼合金粉末、例えば４１０Ｌである。通例、第２の粉末は５００μｍ未満の、好ましくは１０−５００μｍの粒径を有する。本発明の粉末混合物および第２の粉末は、型が適正に充填されるように、型内に任意の順序で導入できることが明らかである。２つの粉末は同時にまたは交互に導入してもよい。図１２ｂは、充填された型１０を示す。
【００５９】
続いて、型は真空引きされ、封着されて、所定の温度、所定の等方圧にて所定の時間にわたってＨＩＰを受けるので、第１および第２の粉末の粒子は相互に冶金結合して、耐摩耗性コーティングを有する高密度の凝集性インパクトハンマーが形成される。
【００６０】
上の本発明の部品およびその製造方法は、インパクトハンマーに関して詳細に記載されている。しかし、他の部品にも上記のように耐摩耗性層を備えることができる。このような部品の例は、二軸ローラー解砕機歯、二次および／または三次解砕機用解砕機歯、解砕機用摩耗セグメントもしくは板およびスラリ処理システムの部品、例えば管湾曲部のインペラである。もちろん、上記の方法を組み合わせることも可能である。
【実施例】
【００６１】
本発明は、非限定的な実施例を参照して以下に記載される。
【００６２】
最初に、本発明の粉末混合物の試験サンプルを調製した。
【００６３】
試験サンプルは、５０体積％のＷＣ粉末および５０体積％の、重量％で以下の組成：Ｃ：０．７５；Ｃｒ：１４．０；Ｓｉ：４．０；Ｂ：２．０；Ｆｅ：４．５；残量のＮｉを有する、ニッケルベース合金粉末の粉末を含有していた。ＷＣ粉末は１０５−２５０μｍのサイズを有し、ニッケルベース合金粉末は３２μｍの最大サイズを有し、粉末量の９０％が２２μｍより小さく、５０％は１３μｍより小さかった（すなわち１３μｍのｄ５０。
【００６４】
ＷＣ粉末およびニッケルベース合金粉末は、Ｖブレンダ内で混合されて均一ブレンドとなった。その後、鋼板より製造したモールドに粉末混合物を充填して、加熱可能な圧力チャンバ、すなわち熱間等方圧加圧チャンバ（ＨＩＰチャンバ）に配置した。
【００６５】
加熱チャンバをアルゴンガスによって等方圧１０００バールまで加圧した。チャンバを１１００℃の温度まで加熱して、サンプルをその温度で２時間保持した。
【００６６】
ＨＩＰ処理の後、モールドをサンプルから除去して、サンプルに擦傷試験を受けさせた。
【００６７】
サンプルに標準「ドライ・サンド・ラバー・ホイール試験」を受けさせて、擦傷摩耗に対する耐性を決定した。サンプルをドライ・サンド・ラバー・ホイール試験の前後に秤量して、サンプルの密度を用いて各サンプルの体積損失を、擦傷の尺度として決定した。
【００６８】
本発明のサンプルの体積損失は、６．１ｍｍ３と決定された。
【００６９】
これは擦傷条件下で非常に小さい体積であり、ゆえに本発明の材料が非常に高い耐擦傷性を有する証拠と考えられる。
【００７０】
比較として、従来のＰＴＡＷ適用耐摩耗性コーティングの標準「ドライ・サンド・ラバー・ホイール試験」は、１１−１６ｍｍ３の規模の体積損失を示している。
【００７１】
本発明のサンプルを各種の倍率でカールツァイスＳＥＭによっても調べた。
【００７２】
図４は、サンプルのＳＥＭ画像を示す。図２より、固化部品の断面全体に大型の円形タングステンカーバイド粒子３が均等に分布していることと、本質的に各単一のタングステンカーバイド粒子がニッケルベース合金マトリクスによって個別に包囲されていることも明らかである。
【００７３】
図５は、図４の画像の一部を２００倍の倍率で示す。この画像では、タングステンカーバイド粒子４が、周囲の金属ニッケルベース合金マトリクス３中の離散した個別の粒子として存在することが明らかである。
【００７４】
図６は、図４の画像の一部を８００倍の倍率で示す。画像の右側に、２つの円形タングステンカーバイド粒子４の一部が見える。タングステンカーバイド粒子には、金属リッチカーバイドの範囲が隣接している。金属リッチカーバイドは、円形タングステンカーバイドが溶解して、これにより放出された炭素がマトリクス中の金属元素、例えばクロムおよび鉄と反応して形成されている。囲み範囲は、暗色ニッケルベース合金マトリクス３の一部を示し、この部分には小規模な明るい範囲が見える。これらは、サンプルのＨＩＰ処理の間に合金マトリクス中に析出したカーバイドおよびボライドの析出物である。
【００７５】
図７は、図６の囲み部分を２．００Ｋ倍の倍率で示す。この倍率では、囲み内の析出物は図５のものであり、明瞭に見える。画像より、析出物がおよそ６−１０μｍのサイズを有し、本質的に相互に接触することなく、マトリクス中に離散した粒子として分散されていることが推測できる。円形の黒点６は、サンプル調製ならびに小型の非金属介在物の結果であると考えられる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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