(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
８８〜９２重量％の炭化タングステンと、１２〜８重量％のコバルトからなる基材を焼結した後、
前記基材の上面に積層される層の所望の特性に応じて設定された少なくとも炭化タングステン及びコバルトを原材料粉末として含むスラリーに浸漬し、次いで、乾燥させて焼結する処理を各層毎に繰り返すことにより、
各層の特性が段階的に変化する傾斜機能材料である積層構造材料を製造する方法であって、
前記スラリーに使用する原材料粉末の最大粒径は、前記基材あるいは直前に形成された前記層の最大粒径以上とし、かつ、粒度分布ｑを、任意の大きさの粒子半径をＲ、最大粒子半径をＲｍａｘ、粒子半径Ｒ以下の粒子の含有量をｍＲとした場合、
ｍＲ＝（Ｒ／Ｒｍａｘ）q
の関係式において、１／３≦ｑ≦２／３とし、
前記基材あるいは前記基材の上面に積層された前記各層を４００〜１３８０℃の温度範囲で焼結することで、焼結後の焼結体の収縮率を２〜２０％に設定して、該焼結体に空気孔を形成し、
最上面に配置される層を、前記温度範囲よりも高温で焼結することを特徴とする積層構造材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層構造材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、超硬工具等を製作する際、求められる強度および耐熱性をその工具に付与するため、異種材料間に連続的に組成を変化させた中間層を配置させた積層構造材料が用いられる。
【０００３】
特開平４−１３８０５号公報には、各層の組成に応じて設定されたスラリーに基材を浸漬した後、乾燥させる工程を繰り返すことで前記積層構造材料を作成する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来技術に開示された技術的思想では、基材をスラリーに浸積させた際に、スラリー中の溶媒により基材が崩壊したり、度重なる浸漬により、層が基材から剥離してしまう等のおそれがある。またさらに、スラリーを乾燥させる際に、異なる組成からなる層が乾燥することで、収縮差によるクラックが発生したり、複数の層を形成した後に焼結を行った場合には、各層間の収縮差により層が剥離する等の種々のおそれがある。さらに、基材が脆性な場合、処理中に基材自体が破壊され易く、したがって、材料の歩留まりが悪く、製造コストが嵩むという問題もある。
【０００５】
本発明は前記の種々の不都合を克服するためになされたものであり、基材に積層される各層が容易に分離あるいは剥離することがなく、しかも、形成中にクラックが生じることのない高品質の積層構造材料の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、８８〜９２重量％の炭化タングステンと、１２〜８重量％のコバルトからなる基材を焼結した後、
前記基材の上面に積層される層の所望の特性に応じて設定された少なくとも炭化タングステン及びコバルトを原材料粉末として含むスラリーに浸漬し、次いで、乾燥させて焼結する処理を各層毎に繰り返すことにより、
各層の特性が段階的に変化する傾斜機能材料である積層構造材料を製造する方法であって、
前記スラリーに使用する原材料粉末の最大粒径は、前記基材あるいは直前に形成された前記層の最大粒径以上とし、かつ、粒度分布ｑを、任意の大きさの粒子半径をＲ、最大粒子半径をＲｍａｘ、粒子半径Ｒ以下の粒子の含有量をｍＲとした場合、
ｍＲ＝（Ｒ／Ｒｍａｘ）q
の関係式において、１／３≦ｑ≦２／３とし、
前記基材あるいは前記基材の上面に積層された前記各層を４００〜１３８０℃の温度範囲で焼結することで、焼結後の焼結体の収縮率を２〜２０％に設定して、該焼結体に空気孔を形成し、
最上面に配置される層を、前記温度範囲よりも高温で焼結することを特徴とする。
【０００７】
この場合、焼結によって基材の強度が増すとともに、基材あるいは積層された層の表面に開気孔が生じ、以降の工程においてスラリーが確実に付着することを可能にし、この結果、基材とスラリー、あるいは直前に施された層とスラリー間の結合力を強めることができる。また、基材が十分な強度を得、かつ各層の剥離がない。さらに、基材および層の乾燥時の収縮量が抑制され、基材上にクラックが発生することがない。さらにまた、各層間の特性差が小さく層の剥離が起こりにくいとともに、材料に傾斜機能を付与することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る積層構造材料の製造方法について、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。なお、本実施の形態では、超硬合金からなるドリルを製造するための材料を形成する場合を例に挙げて説明する。
【００１５】
まず、ＷＣ（炭化タングステン）粉末とＣｏ（コバルト）粉末を表１に示す重量比で湿式混合し、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６の造粒粉末を作成した。なお、ＷＣ粉末は平均粒径を０．６μｍ〜２μｍとし、８８重量％から９２重量％の範囲とし、Ｃｏ粉末は、１２重量％から８重量％の範囲とした。
【００１６】
【表１】
0003865816.tif 000002
【００１７】
これらの造粒粉末に１０００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力を加え１２×１２×１５０ｍｍの基材を形成し、図１のグラフに示す温度変化のパターンに従い温度Ｔで仮焼結し、仮焼結体Ａ（基材）を形成した。続いて、前記仮焼結体Ａを直径１０×１００ｍｍに加工し、さらにドリル形状を付加するために溝切り加工をした。
【００１８】
これらの仮焼結体Ａのうち、２００℃以下で仮焼結されたＮｏ．１、７、１２は、作業中に破損した。また、１４００℃で仮焼結されたＮｏ．６、１１、１６は、後述するスラリーａ内に浸漬しても着肉せず層を形成することができなかった。一方、良好な各仮焼結体Ａが得られた焼結温度は、基材を焼結させた時の収縮率が２％以上２０％以下となる温度範囲であった。２％未満であると十分な強度を保つことができず、また、２０％を越える収縮率では、仮焼結体Ａが閉気孔となりスラリーが着肉しないからである。
【００１９】
次に、表１のＮｏ．４、９、１４に示すドリル形状の仮焼結体Ａに、積層構造を付加する処理を行った。このために準備したスラリーａの組成および条件をそれぞれ表２〜表４に示す。各スラリーは０．５部の多糖系バインダーを有機溶媒２０部に加え十分に分散させた。その後、前記表１のＮｏ．４、９、１４で作成した仮焼結体Ａを表２〜表４に示すＷＣ、Ｃｏ、ＮｂＣ（炭化ニオブ）、ＴａＣ（炭化タンタル）の成分からなるスラリーａに浸漬させた。
【００２０】
【表２】
0003865816.tif 000003
【００２１】
【表３】
0003865816.tif 000004
【００２２】
【表４】
0003865816.tif 000005
【００２３】
なお、表２〜表４のＮｏ．欄のうち、数字４、９、１４は、それぞれ前記表１でのＮｏ．４、９、１４の仮焼結体Ａに対する条件を表わす。
【００２４】
欄Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶは、それぞれスラリーａの仮焼結温度、該スラリーａの粒度分布、基材のＷＣ平均粒径、収縮率を表す。
【００２５】
また、ｑは、任意の大きさの粒子半径をＲ、最大粒子半径をＲｍａｘ、粒子半径Ｒ以下の粒子の含有量をｍＲとした場合のＡｎｄｒｅａｓｅｎの式
ｍＲ＝（Ｒ／Ｒｍａｘ）q 
における粒度分布を示す。さらに、表２〜表４の備考欄は、仮焼結体Ａをスラリーａに浸漬し、仮焼結した後の仮焼結体Ｂの状態を示す。
【００２６】
この場合、仮焼結時に生じた仮焼結体Ａ上の空気孔にスラリーａ内の溶媒が毛細管現象により吸収されると同時に、スラリーａ内に分散している粒子が仮焼結体Ａの回りに着肉し、層を形成する。
【００２７】
次に、仮焼結体Ａを該スラリーａから取り出して乾燥させた後、仮焼結して仮焼結体Ｂを形成した。この際の焼結温度変化のパターンは、図１に示す仮焼結体Ａが仮焼結された場合のパターンと同様である。
【００２８】
表２〜表４より、仮焼結体Ｂの収縮率を考察すれば、仮焼結体Ｂの収縮率が２％〜２０％の範囲であることが該仮焼結体Ｂの不具合を防ぐための必要条件であると理解される。この仮焼結体Ｂの収縮率に関する実験結果は、仮焼結体Ｂに対し更なる第２層またはそれ以上の数の層構造を形成させる場合にも適用できる。
【００２９】
また、粒度分布ｑが１／３≦ｑ≦２／３の範囲外のものは、スラリーａに浸漬した後または仮焼結後に層が剥がれたり、仮焼結体Ｂ上にクラックが発生した。
【００３０】
さらに、表２に示すクラックの生じなかった仮焼結体Ｂ、すなわち、粒度分布ｑが１／３≦ｑ≦２／３である仮焼結体Ｂを選択し、表５および表６に示すＷＣ、Ｃｏ、ＮｂＣ、ＴａＣの成分を持つスラリーｂに浸漬させた。
【００３１】
【表５】
0003865816.tif 000006
【００３２】
【表６】
0003865816.tif 000007
【００３３】
なお、表５および表６のＮｏ．欄のうち、Ａ−１〜Ａ−１５は、仮焼結体Ｂとして前記表２での４−１２〜４−１４を、Ｂ−１〜Ｂ−１５は同じく仮焼結体Ｂとして前記表３での９−１２〜９−１４を、Ｃ−１〜Ｃ−１５は同じく仮焼結体Ｂとして前記表４での１４−１２〜１４−１４を、それぞれ用いていることを表す。また、表５および表６の備考欄は、後述する本焼結後における焼結体の状況を示す。
【００３４】
この場合も前記と同様に、仮焼結時に生じた仮焼結体Ｂ上の空気孔にスラリーｂの溶媒が毛細管現象により吸収される。それと同時に、スラリーｂ内に分散している粒子が仮焼結体Ｂの回りに着肉し、新たな層を形成する。
【００３５】
スラリーｂに浸漬された後、乾燥させることにより、新たな層が形成された仮焼結体Ｂ’が得られる。
【００３６】
その後、前記仮焼結体Ｂ’を焼結温度１４５０℃、水素還元雰囲気で２時間焼結した。
【００３７】
仮焼結体Ａの主成分であるＷＣの最大粒径ｄ１と、スラリーｂの主成分であるＷＣの最大粒径ｄ２を比較すると、ｄ１≦ｄ２という関係が成立する場合のみ、層の表面にクラックが生じていない。この作業後に得られたクラックの生じていない焼結体から割れや剥離のない傾斜超硬ドリルを作成することができる。
【００３８】
この実験結果から、以下のようにして処理を行うことで好適な傾斜超硬ドリルが得られることがわかった。
【００３９】
まず、平均粒径が１．０μｍで、最大粒径が５．０μｍのＷＣ粉末９０重量％、Ｃｏ粉末１０重量％を湿式混合し、造粒する。この造粒粉末に１０００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力を加え、１２×１２×１５０ｍｍの基材を作成する。その後、該基材を真空雰囲気のもとに１０００℃で１時間仮焼結し、仮焼結体Ａを形成する。さらに該仮焼結体Ａをφ１０×１４０ｍｍに加工し、ドリル形状を付加するため、溝切り加工を該仮焼結体Ａの表面に施す。
【００４０】
次に、最大粒径が５μｍで、Ａｎｄｒｅａｓｅｎの式によるｑ＝２／３としたＷＣ粉末９０重量％、Ｃｏ粉末７．０重量％、ＮｂＣ粉末２．０重量％、ＴａＣ粉末１．０重量％に、０．５部の多糖類系バインダーを加えた有機溶媒２０部を加え、分散させることでスラリーａを作成する。
【００４１】
この場合、スラリーａに使用する原材料粉末の最大粒径を、仮焼結体Ａの最大粒径以上である５μｍにし、また、該スラリーａの粒度分布ｑがｑ＝２／３であるように設定する。
【００４２】
また、前記スラリーａによって形成される層の最大粒径が５μｍであることを考慮し、この層の上層をなす層形成用のスラリーｂは、最大粒径が１０μｍで、Ａｎｄｒｅａｓｅｎの式によるｑ＝２／３に調整したＷＣ粉末９１重量％、Ｃｏ粉末６．０重量％、ＮｂＣ粉末２．０重量％、ＴａＣ粉末１．０重量％とする。
【００４３】
そこで、仮焼結体Ａをスラリーａに浸漬する。次に、仮焼結体Ａを該スラリーａから取り出し乾燥させる。
【００４４】
仮焼結体Ａが乾燥した後、仮焼結する。仮焼結温度は図１のグラフに示される温度変化のパターン通りに、基材を焼結させた時の収縮率が２〜２０％の範囲内となるＴ＝９００℃で行う。ここで、該スラリーａの粒度分布ｑがｑ＝２／３であるため、層にクラックが生じることはない。
【００４５】
続いて、前記の工程で得られた仮焼結体Ｂをスラリーｂに浸漬させる。
【００４６】
この仮焼結体Ｂを乾燥させることにより、新たな層が形成された仮焼結体Ｂ’ができ上がる。この仮焼結体Ｂ’を焼結温度１４５０℃、水素還元雰囲気で２時間焼結する（図２）。この結果、図３および図４に示すように、従来品に比して、高い硬度を有し、且つ、磨耗の少ない性能を持った傾斜超硬ドリルが得られた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る積層構造材料の製造方法によれば、以下のような効果ならびに利点が得られる。
【００４８】
基材に積層される各層が容易に分離あるいは剥離せず、しかも、層上にクラックが生じることのない高品質の積層構造材料を提供できるため、材料の歩留まりを改善し、製造コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る仮焼結の温度変化のパターンを示す図である。
【図２】本焼結の温度変化のパターンを示す図である。
【図３】表面からの距離と硬度変化の関係を示す図である。
【図４】切削時間と磨耗量の関係を示す図である。
【図１】
0003865816.tif 000008
【図２】
0003865816.tif 000009
【図３】
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【図４】
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