説明

強靭耐摩耗複合材料とその製造方法

【課題】ダイヤモンド複合耐摩耗部材に圧力と熱の衝撃に対して強靭な特性を付与する事。
【解決手段】ダイヤモンド粒及びWC粒からなる硬質粒子、と燐(P)を含有する鉄族金属の結合材と、分散して単独で存在する銅を含む材料の、燐の割合を調整して焼結適正温度を900℃〜1080℃とする工程と、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含む、複合耐摩耗部材の製造方法であり、ダイヤモンド粒とWC粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属の結合材と、銅とを含む材料を備え、燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%である複合耐摩耗部材である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は超硬質粒子(ダイヤモンド粒或いはcBN粒(立方晶窒化硼素))を含有する緻密で高硬度な複合耐摩耗用部材に関し、特に、熱および圧力に対しての耐衝撃特性の高い複合耐摩耗部材及びその製造方法に関する
【背景技術】
【0002】
石油掘削などの耐摩耗工具には超硬合金の優れた靭性、耐摩粍性で一般的に用いられているが、近年は高温、超高圧下で超硬合金にダイヤモンド複合材料を接合した超耐摩耗性を有する複合材料(PDCすなわち多結晶ダイヤモンド圧粉体)も多く用いられる様になってきた。
【0003】
これらダイヤモンド粒子を含む焼結体は高温、超高圧下で製造される。しかし近年、超高圧ではない低圧力でダイヤモンドとWCと鉄系金属の焼結体を製造する方法が研究されている。(特許文献1、2)
【0004】
しかし、超高圧で製造されたPDCでも、低圧力で製作したダイヤモンド複合材料でも、全てのダイヤモンド複合材料は熱や圧力による衝撃を受けると、クラックや欠落などが生じ得るという根本的な問題点を有している。
この問題点を克服するために多様な事が試みられてきた(特許文献3〜7)。これらの文献に記載の各発明は、一部の効果を認められるものの、接合部の応力対策が多く、材料自体を強化して衝撃による欠けの発生および伝播を防ぐ根本的な手立ては現在までなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許3309897
【特許文献2】特願2005−016581(WO2006−080302A1)
【特許文献3】米国特許第5,119,714号
【特許文献4】米国特許第4,604,106号
【特許文献5】米国特許第4,525,178号
【特許文献6】米国特許第4,694,918号
【特許文献7】特開平9−194909号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
石油掘削用ビットに用いるあらゆるWC基ダイヤモンド複合材料は、岩石との過酷な摩耗と衝撃により微少クラックを発生し、これが亀裂伝播を起こして成長して剥離を生じる。また、地熱および岩石との摩擦などによる摩擦熱により膨張して素材内部に応力が蓄積してクラックを発生する。
従ってその使用には細心の注意が必要である。
【0007】
クラックの発生およびその伝播を防止して強靭な素材にしなければ石油掘削などの耐衝撃摩耗の激しい部所には安心して使用できず、欠損を生じた石油掘削ビットなどの工具の取替えには、膨大な費用と時間を必要とする。さらに、ビット製造工程においても、ダイヤモンド複合部材ロウ付け時にクラックが発生することが問題であった。これらの事情から、圧力と熱の衝撃に強い強靭なダイヤモンド複合材料の提供が強く望まれているのである。
【0008】
本発明の主な目的は、ダイヤモンド複合耐摩耗部材に圧力と熱の衝撃に対して強靭な特性を付与する事にある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者は金属銅の延展性、熱伝導性に着目した。すなわち、金属銅を複合材料中に分散、積層させると、銅の熱伝導性によって部材の局部加熱を防止し、さらに銅の延展性によって衝撃力を吸収し、もしクラックが発生してもその伝播を防止し、さらに使用時の銅の優先摩耗により刃先を形成させ掘削効率を高めることに着目した。
また、銅の存在により、ロウ付け性が改善されることにも着目した。
【0010】
ところで、WC基合金の焼結温度は一般的に1300℃以上であり、銅の融点は1083℃融点であるため、金属銅を分散して焼結すれば、銅は溶融してWC基複合材料に拡散しWC結合部を極端に軟化させ本来の特性を出せない。
従って超硬合金中に銅を分散することは不可能であった。
【0011】
これに対して、特許文献2で提案する複合材料の焼結は1100℃以下の低温焼結を特徴としている。
銅は、鉄の様に炭素と合金化して融点を低下する事はなく、また、燐の影響も受け難く、燐と反応して僅かに融点低下を招く。
【0012】
そこで、WCを主成分として燐を含有する鉄族金属を結合材としたダイヤモンド複合材料焼結用粉末に金属銅を混合分散させて、通常のホットプレス法で焼結した結果、1050℃−300kg/cm−30分保持の条件では銅が溶融せず、混合時の状態のままで金属銅として存在する事を確認した。
【0013】
焼結された複合材料は、焼結終了後は加圧された状況で冷却され、温度低下に伴って金属と複合材料間に応力が発生するが、加圧状態を継続することにより銅金属が変形して応力は緩和され、硬質ダイヤモンド複合材料中に微量銅金属が分散した新たな複合材料が製作できた。
【0014】
また、銅金属の薄板または網をダイヤモンド複合材料中に挟み込んで積層構造に配置してホットプレス焼結を行った結果、銅金属薄板または銅金属網とダイヤモンド複合材料がサンドウィッチ構造をした新たな複合材料が製作できた。
【0015】
本発明によれば、WC基ダイヤモンド複合材料中に銅を分散させた複合材料、およびWC基ダイヤモンド複合材料と銅金属板をサンドウィッチ状にホットプレス焼結された複合材料で、熱および圧力の衝撃に対して強靭な抵抗力を有する、今まで無い新規のダイヤモンド複合耐摩耗部材が得られる。
【0016】
概括的にいうと、本発明によれば、銅が分散したビット用のダイヤモンド複合材料および、銅板または銅網とダイヤモンド複合材料が積層配置された、全く新しいビット用ダイヤモンド複合材料、およびその製造方法が提供される。
【0017】
すなわち本発明によれば、ダイヤモンド粒及びWC粒からなる硬質粒子、と燐(P)を含有する鉄族金属の結合材と、銅を含む材料の、燐の割合を調整して焼結適正温度を900℃〜1080℃とする工程と、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含むことを特徴とする複合耐摩耗部材の製造方法が提供される。
【0018】
また、本発明によればダイヤモンド粒及びWC粒からなる硬質粒子と燐(P)を含有する鉄族金属の結合材とを有する基体層と、銅からなる層とを重ね合わせた後、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含む前記複合耐摩耗部材の製造方法が提供される。
【0019】
本発明によれば、さらに、燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%である請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の複合耐摩耗部材の製造方法が提供される。
【0020】
さらに本発明によれば、ダイヤモンド粒とWC粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属の結合材と、銅とを含む材料を備え、燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%であることを特徴とする前記複合耐摩耗部材が提供される。
【0021】
さらに本発明によれば、ダイヤモンド粒とWC粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属の結合材を有する基体層と、銅からなる層とを備え、燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%であることを特徴とする請求項6に記載の複合耐摩耗部材が提供される。
【0022】
前記前記複合耐摩耗部材の製造方法及び複合耐摩耗部材において、銅は例えば細線である。
また、ダイヤモンド粒の代わりにcBN粒を用いることができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明は、ダイヤモンド粒を含む超硬質粒子と燐(P)含有結合材からなる材料に金属銅を分散させたことに最大の特徴があり、ダイヤモンド粒を含む超硬質粒子と燐含有結合材からなる材料の焼結適正温度が900℃〜1080℃になるよう燐の割合を調整しているので、低温でホットプレス焼結または放電焼結をすることができ、焼結適正温度が低いため、ダイヤモンド粒子表面が変質して炭化層を生じることが殆どない。
【0024】
銅は溶融分散せず金属銅のままでWC基ダイヤモンド複合材料中に存在し、材料に掛る衝撃をよく吸収して亀裂発生を防ぎ、もしも微少クラックが発生しても銅金属はその拡大伝播を防ぎクラックの伝播は金属銅の部分で阻止される。銅の熱伝導により局部加熱が抑制される結果、熱衝撃にもよく耐えることが確認出来、冷却効果も増し、ロウ付け性も大きく改善された。
【0025】
また、岩石との摩耗によって銅金属部分が早く摩耗して、WC基ダイヤモンド複合材料表面に溝や窪みを形成することで、切子の逃げが良くなり、研削効率が向上した。
【0026】
以上の様に、ビット用のWC基ダイヤモンド複合材料に切望される、圧力と熱に対する衝撃抵抗を付与する事が出来た。
【0027】
この複合耐摩耗部材はホットプレス焼結または放電焼結されて製造される。ホットプレス焼結とは加圧成型しながらグラファイトコイルまたはグラファイトダイを誘導加熱・焼結することであり、放電焼結とは加圧成型しながらグラファイトダイへのパルス通電により加熱・焼結することである。焼結温度の下限を900℃と設定した理由は、880℃付近で燐含有鉄族金属に液相が発生し、急激に焼結が加速されるからである。また上限を1080℃と設定した理由はこれ以上の温度域では銅が溶融して拡散してしまうためである。
【0028】
超硬質粒子はダイヤモンド粒とWC粒からなり、結合材は燐含有鉄族金属からなり、燐の重量%はWCと鉄族金属の合計重量に対し0.01%〜2.0%である。
ダイヤモンドの変質炭化防止の観点から1000℃の焼結温度を目安として燐の添加量を設定した。複合耐摩耗部材の強度を考慮すると燐含有量の上限は1.0%とするのが望ましい。
【0029】
超硬質粒子としてのダイヤモンド粒は個々に独立し、WCと燐含有鉄族金属中に分散して存在し、ダイヤモンド粒の体積%は1〜60体積%である。
ダイヤモンド添加の上限を60体積%に設定した理由は、これを超えると複合耐摩耗部材が衝撃に対して十分な靭性が得られなくなるためである。下限を1%に設定した理由は、これ以下では耐摩耗性能に効果を期待出来ないためである。ダイヤモンド添加量は好ましくは5〜40体積%である。また、結合材である燐含有鉄族金属は3〜30重量%である。3%以下では材料に十分な靭性が得られずダイヤモンド粒子を衝撃から十分に保護できず、他方30%以上では十分な地の硬さ(耐摩耗性)が得られないことによる。望ましくは6〜25重量%である。
【0030】
超硬質粒子としてのダイヤモンドの粒径は(削除)5μm以下の細粒となると表面積が増加してダイヤモンドの炭素化が大きくなり、さらに焼結時に液相の回りが悪くなり焼結性に問題が生じやすい。
【0031】
また、ダイヤモンド粒の代わりにcBN粒を用いることができる。この場合、5μ以下の粒径でも問題はない。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の実施例1による耐磨耗複合材料の組織写真を示す図である。
【図2】本発明の実施例1による耐磨耗複合材料の組織写真を示す図である。
【図3】図1の組織写真を模式的に描いた概略図である。
【図4】本発明の実施例2による耐磨耗複合材料の組織写真を示す図である。
【図5】本発明の実施例2による耐磨耗複合材料の組織写真を示す図である。
【図6】本発明の実施例3による耐磨耗複合材料の組織写真を示す図である。
【図7】掘削用カッターにロウ付けした本発明の実施例による耐磨耗複合材料を取り付けて、掘削深さを測定した結果を示す図である
【実施例1】
【0033】
粒径2μmのWC粉末を87重量%、粒径2〜3μmのCoを10重量%、NiP(P含有量10.7%:400メッシュ以下)3重量%を秤量してアルコール中で48時間ボールミル混合を行った。この混合粉末を300グラム採取し、粒径40〜50μmのダイヤモンド10グラムを添加し、アルコール溶液中で混合後乾燥した。
【0034】
このようにして得られた粉末(圧粉体)を長さ25mm、幅10mmのカーボン型に4g投入し200kg/cmで仮プレスして基体層とし、この基体層の上に0.4mm厚みの銅薄板(銅からなる層)を置き、さらにその上に準備した粉末を4g投入し仮プレスして基体層とし、さらにその上に0.4mm厚みの銅薄板(銅からなる層)を重ねて配置し、この作業を繰り返して複合材料4層と銅板3枚からなるプレス体をカーボン型に用意して、N2ガス中で圧力40MPa、温度1000℃−30分間保持の条件でホットプレスを行った。WCと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ダイヤモンド粒が10体積%強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。
【0035】
光学顕微鏡による観察例を図1及び図2に示す。これらの図において、1は超硬合金の地(HV.1400)、2は銅薄板、3はダイヤモンド粒子を示す。図1は銅薄板2を4層示し、図2は銅薄板2を1つだけ示した図である。図3は図1を模式的に描いた概略図である。
これらの図に示すように銅はきれいに層状に存在し、割れもなく良好な外観を呈していた。
ワイヤ放電加工で切断を試みたが問題なく切断できた。
また、ロウ付けもロウ周りが良くてやり易く、割れの発生は無かった。
【実施例2】
【0036】
粒径2μmのWC粉末を87重量%、粒径2〜3μmのCoを10重量%、NiP(P含有量10.7%:400メッシュ以下)3重量%を秤量してアルコール中で48時間ボールミル混合を行った。この混合粉末を300グラム採取し、粒径40〜50μmのダイヤモンド10グラムおよび5mm長さで線径0.1mmの銅細線を9g添加し、アルコール溶液中で混合後乾燥した。
【0037】
このようにして得られた圧粉体を長さ25mm、幅10mmのカーボン型に25g充填して、N2ガス中で圧力40MPa、温度1000℃−30分間保持の条件でホットプレスを行った。WCと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ダイヤモンド粒が10体積%強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。光学顕微鏡による観察例を図4及び5に示す。これらの図において、4は銅細線を示す。図4は下方に示す目盛単位が1mm、図5は右下に示すスケールが100μmである。得られた複合材料は図示したように、銅が分散点在する複合材料で、割れもなく良好な外観を呈していた。
ワイヤ放電加工で切断を試みたが問題なく切断できた。
また、ロウ付けもロウ周りが良くてやり易く、割れの発生は無かった。
【実施例3】
【0038】
粒径2μmのWC粉末を87重量%、粒径2〜3μmのCoを10重量%、NiP(P含有量10.7%:400メッシュ以下)3重量%を秤量してアルコール中で48時間ボールミル混合を行った。この混合粉末Aを300グラム採取した。
線径0.3φ−30メッシュの銅網を長さ25mm、幅10mmに揃え、その上に平均粒径500μmのダイヤモンド粒子を並べ950℃−真空−5分保持でロウ付けで固定した。このようにして得られた、ダイヤモンド固定の銅網を銅網Bとする。
さらに、厚さ0.1mm、長さ25mm、幅10mmの銅薄板Cを用意した。
【0039】
長さ25mm、幅10mmのカーボン型に上記混合粉末Aを4g充填し200kg/cmで仮プレスして、その上に上記のダイヤモンドを固定した銅網Cを置き、同じく粉末Aを1g充填し、銅薄板Cを乗せて200kg/cmで仮プレスを行った。
この操作を1サイクルとして操作を4回繰り返した。最後に粉末Aを4g充填してN2ガス中で圧力40MPa、温度1000℃−30分間保持の条件でホットプレスを行った。WCと燐含有鉄族金属の微細な組織中に、ダイヤモンド粒が10体積%強分散した複合耐摩耗部材を製作することが出来た。
光学顕微鏡による観察例を図6に示す。この図において、5は銅網を示し、6は銅薄板を示す。
この図に示すように本実施例による複合耐摩耗部材は、割れもなく良好な外観を呈していた。
ワイヤ放電加工で切断を試みたが問題なく切断できた。
また、ロウ付け試験結果も良好で割れの発生は無かった。
(実験例)
【0040】
(WCと燐含有鉄族金属のみの硬度、靭性等)
ダイヤモンド粒を取り巻くWCと燐含有鉄族金属の硬度と靭性を確認するため、ダイヤモンド粒を含まないWCと燐含有鉄族金属のみの配合で試験片を製作した。
87WC−10Co−3%NiPの配合材料20グラムを長さ25mm、幅10mmのカーボン型に型込めして、真空中で圧力40MPa、温度1040℃、30分間保持の条件でホットプレス焼結を行い、物性値を調査した。その結果、硬度はHRA.90.1〜90.5、靭性(K1c)は12.9(MPa・m1/2)であり、組織は良好であった。
さらにダイヤモンド10%を添加した複合材料を長さ25mm、幅10mm、厚さ8mmに製作して、これを基準試験片とした。
【0041】
(ロウ付け試験)
実施例1、実施例2、基準試験片の3種のチップを長さ60mm、幅60mm、厚さ20mmの鋼材(SNCM439)上に高周波にて銀ロウ(JIS:BAg−4)付け後、空冷して作業性とクラックの有無を調査した。
【0042】
その結果、を表1に示す。実施例1、実施例2は良好なロウ付け性能を示した。
銅無添加のダイヤモンド複合材料には微少クラックが認められた。
【表1】

【0043】
(熱衝撃試験)
上記、実施例1、実施例2、基準試験片、の3種の材料を(長さ25mm、幅10mm、厚さ8mm)に各3本製作し、このチップを800℃−N2雰囲気で1時間加熱して焼入れ用の油に投入した。その結果を表2に示す。
この試験結果から、熱衝撃において銅の添加は有効であることが分かる。
【表2】

【0044】
(岩石摩耗試験)
銅を含有しない通常のダイヤモンド複合材料と、銅とダイヤモンド複合材料の積層構造、の2種を鋼材(S45C)にロウ材(JIS:BAg−4)を用いて高周波で800℃程度に加熱しながらロウ付け接合を行い徐冷した。いずれもダイヤモンドの含有量は10%(平均粒径は400μm)である。
【0045】
試験のために特別に製作した掘削用カッターにロウ付けした上記部材を取り付けて、予め直径160mmの下穴を設けた岩石を掘削して、該穴を直径200mmに拡大した。荷重100kg/cm、速度60m/分で10分間摺動させて、その時の掘削深さ(mm/分)を測定した。その結果を図7に示す。この図7に示されるように銅とダイヤモンドの積層構造は非常に有効である。
【符号の説明】
【0046】
1 超硬合金の地
2 銅薄膜
3 ダイヤモンド粒子
4 銅細線
5 銅網
6 銅薄板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダイヤモンド粒及びWC粒からなる硬質粒子、と燐(P)を含有する鉄族金属の結合材と、分散して単独で存在する銅を含む材料の、燐の割合を調整して焼結適正温度を900℃〜1080℃とする工程と、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含むことを特徴とする複合耐摩耗部材の製造方法。
【請求項2】
ダイヤモンド粒及びWC粒からなる硬質粒子と燐(P)を含有する鉄族金属の結合材とを有する基体層と、銅からなる層とを重ね合わせた後、ホットプレス焼結または放電焼結をする工程を含むことを特徴とする請求項1記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
【請求項3】
前記銅は細線であることを特徴とする請求項1記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
【請求項4】
ダイヤモンド粒の代わりにcBN粒を用いた請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
【請求項5】
燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%である請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の複合耐摩耗部材の製造方法。
【請求項6】
ダイヤモンド粒とWC粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属の結合材と、分散して単独で存在する銅とを含む材料を備え、燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%であることを特徴とする複合耐摩耗部材。
【請求項7】
ダイヤモンド粒とWC粒からなる硬質粒子と、燐を含有する鉄族金属の結合材を有する基体層と、銅からなる層とを備え、燐の重量%はWC粒と結合材の合計重量に対し0.01%〜1.0%であることを特徴とする請求項6に記載の複合耐摩耗部材。
【請求項8】
前記銅は細線であることを特徴とする請求項6に記載の複合耐摩耗部材。
【請求項9】
ダイヤモンド粒の代わりにcBN粒を用いた請求項6〜8のうちいずれか一項に記載の複合耐摩耗部材。

【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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【公開番号】特開2011−1565(P2011−1565A)
【公開日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−142837(P2009−142837)
【出願日】平成21年6月16日(2009.6.16)
【出願人】(595045886)株式会社ティクスホールディングス (9)
【Fターム(参考)】