(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原材料の重量％で、元素又は化合物のいずれかの形態で添加されている１５％〜２０％の炭化モリブデンと、０．９〜３％のコバルト、ニッケル、又はコバルトとニッケルの組み合わせの合金と、０〜０．１％の炭化クロムと、残部の炭化タングステンとを含む、結合剤の少ない耐摩耗材料。
【請求項２】
２０％の炭化モリブデン及び１．８％のコバルトを含む、請求項１に記載の結合剤の少ない耐摩耗材料。
【請求項３】
２０％の炭化モリブデン及び１．８％のニッケルを含む、請求項１に記載の結合剤の少ない耐摩耗材料。
【請求項４】
炭化クロムを含まない、請求項１に記載の結合剤の少ない耐摩耗材料。
【請求項５】
０．１％の炭化クロムを含む、請求項１に記載の結合剤の少ない耐摩耗材料。
【請求項６】
請求項１に記載の結合剤の少ない耐摩耗材料を含む、密封リング、摩耗パッド、ワイヤ延伸ダイス、又は複合材料用穿孔工具。
【請求項７】
下記のステップを含む、結合剤の少ない耐摩耗材料の製造方法：
元素又は化合物の形態で添加されている１５％〜２０％の炭化モリブデンを提供し、０．９〜３％のコバルト、ニッケル、又はコバルトとニッケルの組み合わせの合金を提供し、０〜０．１％の炭化クロムを提供し、残部の炭化タングステンを提供して、粉末混合物を形成するステップ；
前記粉末混合物を粉砕するステップ；
前記粉末混合物を乾燥するステップ；
前記粉末混合物を篩にかけるステップ；
前記粉末混合物を圧縮するステップ；
前記粉末混合物をアルゴン雰囲気中の５０バールの圧力下で１４５０℃以上の温度で焼結させるステップ。
【請求項８】
２０％の炭化モリブデン及び１．８％のコバルトを提供するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
２０％の炭化モリブデン及び１．８％のニッケルを提供するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
０．１％の炭化クロムを提供するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結合剤の量は少ないが、Ｍｏ２Ｃの量が多く、高い硬度と小さな摩擦係数を示すＷＣ系材料に関する。
【発明の概要】
【０００２】
一実施態様では、結合剤の少ない耐摩耗材料は、重量％で、約１５〜約２０％の炭化モリブデンと、約０．９〜約３％のコバルト、ニッケル、又はコバルトとニッケルの組み合わせの合金と、約０〜約０．１％の炭化クロムと、残部の炭化タングステンとを含んでいる。この新しい材料は、優れた耐摩耗性と耐腐食性を有する。
【０００３】
別の一実施態様では、結合剤の少ない耐摩耗材料は、２０％の炭化モリブデン及び１．８％のコバルトを含んでいる。
【０００４】
さらに別の一実施態様では、結合剤の少ない耐摩耗材料は、０．１％の炭化クロムを含んでいる。
【０００５】
本発明のこれら及び他の目的、特徴、側面、並びに利点は、好ましい実施態様の以下の詳細な説明により、一層明らかになるであろうし、添付した図面も、この実施形態に関する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】試験した２種類の無結合剤の変形の耐摩耗性を示すグラフである。
【図２Ａ】表２のサンプル１５／０．９の多孔性を示す。
【図２Ｂ】表２のサンプル１５／１．８の多孔性を示す。
【図２Ｃ】表２のサンプル２０／０．９の多孔性を示す。
【図２Ｄ】表２のサンプル２０／１．８の多孔性を示す。
【図３Ａ】表２のサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図３Ｂ】表２のサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図３Ｃ】表２のサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図３Ｄ】表２のサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図３Ｅ】表２のサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織のＥＤＸマップである。
【図４Ａ】表２のサンプル２０／１．８に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図４Ｂ】表２のサンプル２０／１．８に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図４Ｃ】表２のサンプル２０／１．８に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図４Ｄ】表２のサンプル２０／１．８に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図４Ｅ】表２のサンプル２０／１．８に存在するミクロ組織のＥＤＸマップである。
【図５】２種類の無結合剤の変形と、サンプル１５／０．９、２０／０．９、１５／１．８、及び２０／１．８の耐摩耗性を示すグラフである。
【図６】Ｃｒ３Ｃ２を含む１５／０．９の変形の多孔性を示す。
【図７Ａ】Ｃｒ３Ｃ２を含まないサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図７Ｂ】Ｃｒ３Ｃ２を含まないサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図７Ｃ】Ｃｒ３Ｃ２を含まないサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図７Ｄ】Ｃｒ３Ｃ２を含まないサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織の電子顕微鏡画像である。
【図７Ｅ】Ｃｒ３Ｃ２を含まないサンプル１５／０．９に存在するミクロ組織のＥＤＸマップである。
【図８】試験した２種類の無結合剤の変形の耐摩耗性を示すグラフである。
【図９】３種類の変形とグレード２０／１．８  ２のＨＶ３０を示すグラフである。
【図１０】３種類の変形とグレード２０／１．８  ２のＫ１Ｃを示すグラフである。
【図１１Ａ】サンプル１９．８７／２．４の多孔性を示す。
【図１１Ｂ】サンプル１９．７５／３の多孔性を示す。
【図１１Ｃ】サンプル２０／１．８  ＷＣＯ２０の多孔性を示す。
【図１２】表８の変形の耐摩耗性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
この明細書では、結合剤を含まない炭化タングステンは、コバルト、鉄、又はニッケルのような、あらゆる金属相を含まない、炭化タングステンと定義する。結合剤を含まないこの炭化タングステンは、金属相を含まないため、酸化と腐食に対する優れた耐性とともに、高い硬度と大きな熱伝導率を示す。結合剤を含まないこの炭化タングステンは、従来の超硬合金よりもはるかに高温に耐えることができる。しかし、低温融解相が全く存在していないため、密度の高い無結合剤炭化タングステンの焼結は難しい。金属相が少ない炭化タングステンは、ポンプ装置、複合材料に穿孔するための工具、ワイヤ延伸ダイス、摩耗パッド、密封リングの製造、及び硬い材料を用いる他の多くの用途で用いることができる。
【０００８】
そこで、本発明の１つの目的は、硬さ（多孔性と関係している）、破壊靭性、耐摩耗性、及び圧縮圧力の間のバランスがうまくとれた組成物を提供することである。
【０００９】
本発明の一実施態様は、原材料の重量％で、元素又は化合物のいずれかの形態で添加されている約１５％〜約２０％の炭化モリブデンと、約０．９〜約３％のコバルト、ニッケル、又はコバルトとニッケルの組み合わせの合金と、約０〜約０．１％の炭化クロムと、残部の炭化タングステンとを含む、結合剤の少ない耐摩耗材料である。選択的に、結合剤の少ないこの耐摩耗材料は、炭化チタン及び／又は炭化チタンタングステンなどの材料を含んでいてもよい。
【００１０】
本発明の別の一実施態様は、原材料の重量％で、元素又は化合物のいずれかの形態で添加されている約２０％のモリブデンと、約１．８％のコバルト合金と、約０〜約０．１％の炭化クロムと、残部の炭化タングステンとを含む、結合剤の少ない耐摩耗材料である。選択的に、結合剤の少ないこの耐摩耗材料は、炭化チタン及び／又は炭化チタンタングステンなどの材料を含んでいてもよい。
【００１１】
本発明の別の一実施態様は、原材料の重量％で、元素又は化合物いずれかの形態で添加されている約２０％のモリブデンと、約１．８％のニッケル合金と、約０％〜約０．１％の炭化クロムと、残部の炭化タングステンとを含む、結合剤の少ない耐摩耗材料である。選択的に、結合剤の少ないこの耐摩耗材料は、炭化チタン及び／又は炭化チタンタングステンなどの材料を含んでいてもよい。
【００１２】
本発明の別の一実施態様は、原材料の重量％で、元素又は化合物いずれかの形態で添加されている約２０％のモリブデンと、約１．８％のニッケル合金と、約０．１％の炭化クロムと、残部の炭化タングステンとを含む、結合剤の少ない耐摩耗材料である。選択的に、結合剤の少ないこの耐摩耗材料は、炭化チタン及び／又は炭化チタンタングステンなどの材料を含んでいてもよい。
【００１３】
別の一実施態様は、結合剤の少ない耐摩耗材料を製造方法を含み、この方法は、元素又は化合物の形態で添加されている約１５％〜約２０％の炭化モリブデンを提供し、約０．９〜約３％のコバルト、ニッケル、又はコバルトとニッケルの組み合わせの合金を提供し、約０〜約０．１％の炭化クロムを提供し、残部の炭化タングステンを提供して、粉末混合物を形成するステップと、前記粉末混合物を粉砕するステップと、前記粉末混合物を乾燥させるステップと、前記粉末混合物を篩にかけるステップと、前記粉末混合物を圧縮するステップと、前記粉末混合物をアルゴン雰囲気中の約５０バールの圧力下で約１４５０℃以上の温度で焼結させるステップと、が含まれる。
【００１４】
上記の方法の別の一実施態様は、炭化チタンを提供する追加ステップを含んでいる。
【００１５】
上記の方法の別の一実施態様は、炭化チタンタングステンを提供する追加ステップを含んでいる。
【００１６】
上記の方法の別の一実施態様は、約２０％のモリブデン及び約１．８％のコバルトを提供する追加ステップを含んでいる。
【００１７】
上記の方法の別の一実施態様は、約２０％のモリブデン及び約１．８％のニッケルを提供する追加ステップを含んでいる。
【００１８】
上記の方法の別の一実施態様は、約０．１％の炭化クロムを提供する追加ステップを含んでいる。
【００１９】
摩擦係数が小さく熱伝導率に優れる耐摩耗グレードは、ラウンドツール及び密封リングの分野で使用される。一実施態様によるＭｏ２Ｃの変形の組成を表１に示す。
【００２０】
【表１】
0006271567.tif 000002
【００２１】
図１のグラフに示したように、表１のＭｏ２Ｃの変形は、硬度が高く耐摩耗性が優れている。
【００２２】
以下に、本発明の異なる実施態様による本体の実施例と、本体の製造方法を示す。
【実施例１】
【００２３】
異なる４種類の粉末組成物をボールミルの中で粉砕した。その組成を表２Ａに示す。ＰＥＧを圧縮剤として添加した。この粉末をＧａｌｌｅｎｋａｍｐ炉（モデル１３５／３００２７）の中で７５℃で乾燥させ、５００μｍメッシュの篩で篩い分けし、Ｔｏｘプレス（モデルＳＴＥ  ５１０−００８−１０２）を用いて圧縮し、４０×２５×５ｍｍのファーゴ（Ｆａｒｇｏ）片にした。これらのサンプルをＦＣＴ  Ａｎｌａｇｅｎｂａｕ社の焼結用ＨＩＰ炉の中に入れ、５０バールの大きなアルゴン静水圧で、１４５０℃で焼結させた。
【００２４】
【表２Ａ】
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【００２５】
焼結後、２００μｍと８０μｍのグリットを用いて各焼結体を研磨し、次いで９．３μｍと１μｍのダイヤモンド・ペーストで研磨した。破壊靱性値Ｋ１Ｃと硬度ＨＶ３０を測定した。表３から、サンプル間で、Ｋ１Ｃと硬度ＨＶ３０の測定値に顕著な差がないことが判明した。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
図２Ａ〜図２Ｄは、４種類の変形それぞれの多孔性を示す写真である。反射電子検出器を用い、電子高電圧（ＥＨＴ）を１０ｋＶ、ワーキングディスタンス（ＷＤ）を６ｍｍにして、２万倍の倍率でＳＥＭ画像を撮影し、ＥＨＴを２１ｋＶ、ＷＤを１３ｍｍにして、ＥＤＸマップを取得することにより、作製した組成物に存在するミクロ組織と相を調べた。
【表２Ｂ】
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【００２８】
図３Ａ〜図３Ｄは電子顕微鏡画像であり、図３Ｅはサンプル１５／０．９のＥＤＸマップであり、図４Ａ〜図４Ｄは電子顕微鏡画像であり、図４Ｅはサンプル２０／１．８のＥＤＸマップである。ＷＣ粒は丸くて粒径が１μｍ未満であることがわかる。そのため、粒径は出発ＷＣ材料の大きさに近い。したがって、焼結中に、粒は成長しないようである。全てにおいて、粒の丸さは、溶解−再沈殿を通じて粒の成長が起こることはほとんどなく、むしろ粒が結合していることを示唆している。
【００２９】
図３Ｅ及び図４Ｅは、３つの相が認められることを示唆している。
【００３０】
Ｂ６１１摩耗試験は、多孔性が最も優れていたサンプルで実施した。Ｂ６１１摩耗試験は全て、ＡＳＴＭ、８５（２００５年）に従って実施した。結果を図５のグラフに示す。
【００３１】
このグラフからわかるように、４つのサンプル１５／０．９、２０／０．９、１５／１．８、及び２０／１．８は、従来の結合剤を含まない変形よりも、優れた摩耗結果を示した。
【００３２】
前述したのと同様に実験を実施し、反応抑制剤である炭化クロムを除去することの効果を調べた。粒径が１μｍ未満であることがわかっているため、反応抑制剤である炭化クロムを添加せずに、別の粉砕を実施した。これにより、炭化クロムが特性に及ぼす影響が評価された。
【００３３】
炭化クロムなしである１５／０．９の変形の組成を表４に示す。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
炭化クロムを含む１５／０．９の変形と、炭化クロムなしである１５／０．９の変形について、Ｋ１Ｃ及びＨＶ３０を測定した。結果を表５に示す。
【００３６】
【表５】
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【００３７】
Ｋ１Ｃ及びＨＶ３０に変化は認められなかったため、炭化クロムの存在は、これらの特性に影響を与えないようである。
【００３８】
Ｃｒ３Ｃ２なしのサンプル１５／０．９について、図７Ａ〜図７Ｄは電子顕微鏡画像であり、図７ＥはＥＤＸマップである。観察結果は、１５／０．９の従前の変形と同じであり、特に、粒は丸くて大きさは約１μｍ未満である。３つの相は図７Ｅでも認められる。Ｃｒ３Ｃ２は、耐腐食性を向上させることが知られているが、ミクロ組織及び組成には影響しないと考えられるため、硬度及び破壊靭性には影響しない。
【００３９】
Ｃｒ３Ｃ２を含むサンプルとＣｒ３Ｃ２を含まない変形で摩耗試験を実施した。結果を図８に示す。
【００４０】
従前の全ての実験において、焼結は、５０バールの大きなアルゴン静水圧で、１４５０℃で実施した。以下に示す別の実施例は、２０／１．８の変形を、１４５０℃にしたＣａｒｂｏｌｉｔｅ社の真空炉（モデル１６／７５／４５０）の中で焼結させる例を示している。
【００４１】
【表６】
0006271567.tif 000008
【００４２】
表６は、硬度及び破壊靭性に顕著な変化がなかったことを示している。
【００４３】
２０／１．８は、約６００ｃｍ−３の耐摩耗性、摩耗経路上に空孔がない点での信頼性、及びＭｏとＣｏの分布の均一性に関し、最良の変形であるようである。
【００４４】
さらに別の実施例において、破壊靭性を大きくする実験を実施した。典型的には、Ｋ１Ｃを大きくすると、割れの伝播が防止される。通常は、コバルトの含有量が増えるほど硬度が低下し、破壊靭性が大きくなる。そのため、表７に示した実施例は、Ｃｏの含有量をより多くして粉砕した。粒径が破壊靭性に及ぼす影響を調べるため、表７には、２．０μｍのＷＣの代わりに０．８μｍのＷＣを用いた、別の実施例も示してある。
【００４５】
【表７】
0006271567.tif 000009
【００４６】
粉末をＧａｌｌｅｎｋａｍｐ炉（モデル１３５／３００２７）の中で、７５℃で乾燥させ、５００μｍメッシュの篩で篩い分けし、Ｔｏｘプレス（モデルＳＴＥ  ５１０−００８−１０２）を用いて圧縮し、４０×２５×５ｍｍのＦａｒｇｏ片にした。これらのサンプルを、ＦＣＴ  Ａｎｌａｇｅｎｂａｕ社の焼結用ＨＩＰ炉の中で、５０バールの大きなアルゴン静水圧で、１４５０℃で焼結した。図９及び図１０を参照し、新しい３種類の変形とグレード２０／１．８  ２の間で、ＨＶ３０とＫ１Ｃを比較した。コバルトの含有量が増えるにつれて硬度が低下するという結果は、予想通りであった。しかし、破壊靭性の向上は認められなかった。
【００４７】
これらサンプルの多孔性を図１１Ａ〜図１１Ｃに示す。
【００４８】
図１２を参照すると、耐摩耗性の測定結果は、硬度の測定結果と矛盾しない。すなわち硬度に伴って耐摩耗性が低下する。さらに別の実施例では、炭化モリブデンにＭｏ＋Ｃを元素成分で添加することにより、まるで化合物の形態でＭｏ２Ｃを添加したかのように、同じ材料特性を実現できることも判明した。８４．１％のＷＣと、０．９％のＣｏと、１４．１２％のＭｏと、０．８８％のＣと、２．０％のＰＥＧを含む組成の１５／０．９の変形を粉砕して圧縮した後、５０バールの大きなアルゴン静水圧のもとで、１４５０℃で焼結した。ＨＶ３０の測定値は２１８５であり、Ｋ１Ｃの測定値は７．２であった。これらの値は、１５％のＭｏ２Ｃを化合物の形態で添加し、同じ組成として作製したサンプルと同等である。
【００４９】
さらに別の実施例では、異なる結合系の効果も調べた。いくつかの用途、例えばポンプの用途では、ニッケル（Ｎｉ）結合剤も使用できる。
【００５０】
【表８】
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【００５１】
表８からわかるように、Ｎｉの場合、硬度がわずかに低いが、それでも高いレベルである。Ｋ１Ｃには変化がない。
【００５２】
本発明を具体的な実施態様に関して説明してきたが、他の多くのバリエーション、改変、及び他の用途が当業者には明らかであろう。したがって本発明は、この明細書の具体的な開示内容によって制限されるのではなく、添付の請求項だけによって制限されることが好ましい。
【図１】
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【図２Ａ】
0006271567.tif 000012
【図２Ｂ】
0006271567.tif 000013
【図２Ｃ】
0006271567.tif 000014
【図２Ｄ】
0006271567.tif 000015
【図３Ａ】
0006271567.tif 000016
【図３Ｂ】
0006271567.tif 000017
【図３Ｃ】
0006271567.tif 000018
【図３Ｄ】
0006271567.tif 000019
【図３Ｅ】
0006271567.tif 000020
【図４Ａ】
0006271567.tif 000021
【図４Ｂ】
0006271567.tif 000022
【図４Ｃ】
0006271567.tif 000023
【図４Ｄ】
0006271567.tif 000024
【図４Ｅ】
0006271567.tif 000025
【図５】
0006271567.tif 000026
【図６】
0006271567.tif 000027
【図７Ａ】
0006271567.tif 000028
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
0006271567.tif 000031
【図７Ｅ】
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【図８】
0006271567.tif 000033
【図９】
0006271567.tif 000034
【図１０】
0006271567.tif 000035
【図１１Ａ】
0006271567.tif 000036
【図１１Ｂ】
0006271567.tif 000037
【図１１Ｃ】
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【図１２】
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