超硬合金の改質方法および該方法によって改質された超硬合金
【課題】超硬合金の改質方法および該方法によって改質された超硬合金を提供し、特に、金属基材の表面に溶射法によって形成された超硬合金層を改質する有利な方法を提供する。
【解決手段】超硬合金10の改質方法は、超硬合金10に摩擦攪拌プロセス用ツール30によって摩擦攪拌プロセスを施し、該超硬合金10に含まれる結合相の結晶粒を微細化するものである。特に、溶射法を用いて金属基材の表面に形成された超硬合金層に摩擦攪拌プロセスを施すことで、効果的に改質を達成することができる。
【解決手段】超硬合金10の改質方法は、超硬合金10に摩擦攪拌プロセス用ツール30によって摩擦攪拌プロセスを施し、該超硬合金10に含まれる結合相の結晶粒を微細化するものである。特に、溶射法を用いて金属基材の表面に形成された超硬合金層に摩擦攪拌プロセスを施すことで、効果的に改質を達成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超硬合金の改質方法および該方法によって改質された超硬合金に関し、特に、金属基材の表面に溶射法によって形成された超硬合金層を改質する有利な方法に関する。
【背景技術】
【0002】
超硬合金は硬質セラミックス粒子を鉄族金属(Fe,Ni,Co)の結合相で焼結した合金であり、優れた耐摩耗性と破壊靭性を両立することから、各種切削工具や摺動部材等に幅広く利用されている。しかしながら、近年の産業の急速な発展に伴って超硬合金に求められる機械的特性も日増しに高くなっており、超硬合金の機械的特性向上に関する研究開発が盛んに遂行されている。
【0003】
超硬合金は結合相の減少とともに、硬度、耐摩耗性、圧縮強さ、耐高温劣化性等が向上することから、バインダレスの超硬合金が提案されている(例えば、特許文献1)が、セラミックスの焼結体と同様に破壊靭性等の面で問題がある。また、結合相が同一の場合は微粒の硬質セラミックス粒子を用いたものほど硬さが上昇するため、ナノサイズの硬質セラミックス粒子を用いた超硬合金が提案されている(非特許文献1および2)。しかしながら、ナノサイズの硬質セラミックス粒子を結合しているのは一般的な鉄族金属の結合相であり、切削工具や摺動部材等の分野で求められている要求を十分に満たす機械的特性を発現するまでには至っていない。
【0004】
また、超硬合金は主としてタングステン、コバルトおよびニッケル等の希少元素から構成されており、価格や省資源の観点からも問題がある。加えて、超硬合金の製造には加圧焼結が用いられることが多く、該手法によって製造される焼結体の大きさや形状は焼結装置によって制限されてしまう。これらの問題を克服する手法として、溶射法を用いた超硬合金層の形成技術が種々検討されている(特許文献2および3)。基材表面に超硬合金層を形成させることで、焼結体と比較して超硬合金の使用量を低減できるだけでなく、種々の形状および大きさに対応することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2003−81649号公報
【特許文献2】特開平7−11418号公報
【特許文献3】特開平10−158809号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Nanostructured novel cemented hard alloy obtained by mechanical alloying and hot−pressing sintering and its applications,Journal of Alloys and Compounds 462 (2008) 416−420.
【非特許文献2】Synthesis,sintering,and mechanical properties of nanocrystalline cemented tungsten carbide−A review,Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials,27 (2009) 288−299.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
結合相を有する全ての超硬合金に関し、結合相を高強度化することで超硬合金の機械的特性の向上が期待できるが、結合相を高強度化する普遍的かつ効果的な手法は確立されていない。また、溶射法によって形成された超硬合金層には、(1)不可避的に空隙等の欠陥を有する、(2)基材との密着性に乏しい、(3)超硬合金焼結体と比較して機械的特性が低い等の問題点が存在する。
【0008】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、超硬合金の改質方法および該方法によって改質された超硬合金を提供し、特に、溶射法によって形成された超硬合金層にも適用可能な、超硬合金の緻密化および機械的特性の向上に資する有利な改質方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の超硬合金の改質方法は、超硬合金に摩擦攪拌プロセスを施し、該超硬合金に含まれる結合相の結晶粒を微細化するものである。特に、溶射法を用いて金属基材の表面に形成された超硬合金層(溶射超硬合金層)に摩擦攪拌プロセスを施すことで、効果的に改質を達成することができる。摩擦攪拌プロセスにより金属基材と溶射超硬合金層が冶金的に接合される。加えて、溶射超硬合金層と金属基材との界面近傍における金属基材の硬度を摩擦攪拌プロセス前よりも高くすることができる。
【0010】
本発明の超硬合金の改質方法は種々の結合相を有する超硬合金に適用することができるが、超硬合金の機械的特性を向上させることが比較的困難であるニッケル系の結合相を有する超硬合金に用いることが好ましい。また、摩擦攪拌プロセスには種々のツールを用いることができるが、被改質材である超硬合金よりも高硬度な超硬合金製ツールを用いることが好ましい。
【0011】
本発明の超硬合金は、本発明の超硬合金の改質方法によって製造することができる。つまり、超硬合金に摩擦攪拌プロセスを施すことで結合相の結晶粒が微細化される。摩擦攪拌プロセスには種々のツールを用いることができるが、被改質材である超硬合金よりも高硬度な超硬合金製ツールを用いることが好ましい。
【0012】
被改質材が溶射超硬合金層である場合は、摩擦攪拌プロセスにより金属基材と溶射超硬合金層が冶金的に接合され、溶射超硬合金層と金属基材との界面近傍における金属基材の硬度が摩擦攪拌プロセス前よりも高くなっている。処理可能な超硬合金の種類は特に限定されず、種々の結合相を有するものを対象とするが、機械的特性を向上させることが比較的困難であるニッケル系の結合相を有する超硬合金であることが好ましい。また、結合相の平均結晶粒径は1μm以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の超硬合金の改質方法では、結合相の結晶粒を微細化することで結合相を高強度化し、超硬合金の機械的特性を向上させることができる。また、溶射法によって形成された超硬合金層に本発明を適用した場合、溶射超硬合金層に不可避的に存在する空隙等の欠陥を消失させると共に、冶金的な接合により基材との密着性を向上させることもできる。
【0014】
本発明の超硬合金は、結合相の結晶粒を微細化することで結合相が高強度化されているため、結晶粒が微細化されていない同種の超硬合金と比較して、優れた機械的特性を有する。また、超硬合金が溶射超硬合金層である場合、溶射超硬合金層に不可避的に存在する空隙等の欠陥が大幅に低減されている。加えて、冶金的な接合により溶射超硬合金層と基材との密着性が向上している。本発明の超硬合金は高硬度、高靭性および高耐摩耗特性等が要求される用途に広く利用することができ、例えば、各種フィルムシート成形用のTダイ等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の超硬合金の改質方法の模式図である。
【図2】本発明の超硬合金の改質方法を施した超硬合金の断面模式図である。
【図3】本発明の超硬合金の改質方法を溶射超硬合金層に適用する場合の模式図である。
【図4】本発明の超硬合金の改質方法を施した溶射超硬合金層の断面模式図である。
【図5】実施例1で得られた試料の断面のSEM写真である。
【図6】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層のSEM写真である。
【図7】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)である。
【図8】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(高倍率)である。
【図9】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングである。
【図10】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層のSEM写真である。
【図11】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)である。
【図12】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(高倍率)である。
【図13】摩擦攪拌プロセス前後における溶射超硬合金層のビッカース硬度である。
【図14】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図1に本発明の超硬合金の改質方法の模式図を示す。高速回転する円筒状の摩擦攪拌プロセス用ツール30を超硬合金10に圧入し、摩擦攪拌プロセス用ツール30を任意の方向に移動させることで超硬合金10の改質を行う。なお、摩擦攪拌プロセス用ツール30を圧入後、移動させることなく引き抜いた場合には、摩擦攪拌プロセス用ツール30の底面形状に対応した改質領域が得られる。摩擦攪拌プロセス用ツール30で攪拌された領域には塑性流動が生じ、超硬合金10に存在する空隙等の欠陥を消失させると共に結合相の結晶粒を微細化することができる。
【0017】
摩擦攪拌プロセスは、1991年に英国のTWI(The
Welding Institute)で考案された接合技術である摩擦攪拌接合法を、金属材の表面改質法として応用したものである。摩擦攪拌接合は高速で回転する円柱状のツールを接合したい領域に圧入(ツール底面にプローブと呼ばれる突起を有しており、該プローブが圧入される)し、摩擦熱によって軟化した被接合材を攪拌しながら接合したい方向に走査することで接合を達成する技術である。回転するツールによって攪拌された領域は一般的に攪拌部と呼ばれ、接合条件によっては材料の均質化および結晶粒径の減少に伴う機械的特性の向上がもたらされる。摩擦攪拌による材料の均質化および結晶粒径の減少に伴う機械的特性の向上を表面改質として用いる技術が摩擦攪拌プロセスであり、近年広く研究の対象になっている。なお、本発明で用いる摩擦攪拌プロセス用ツール30の底面には、必ずしもプローブを有している必要はなく、プローブを有さない所謂フラットツールを用いることができる。
【0018】
超硬合金10には種々の結合相および硬質セラミックス粒子を有する超硬合金を用いることができる。結合相としては鉄族金属(Fe,Ni,Co)やその固溶体を例示でき、硬質セラミックス粒子としてはWC、TiC、VC、Mo2C、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr3C2、SiC等の炭化物、Si3N4等の窒化物、TiB2等のホウ化物およびAl2O3等の酸化物等を例示することができる。
【0019】
摩擦攪拌プロセス用ツール30には、超硬合金10よりも機械的特性(硬度、耐熱衝撃性および摩擦攪拌プロセス時の温度における変形抵抗等)に優れたものを使用することができる。摩擦攪拌プロセス時に摩擦攪拌プロセス用ツール30の破片が超硬合金10に混入する場合を考慮すると、摩擦攪拌プロセス用ツール30は超硬合金製であることが好ましい。超硬合金製の摩擦攪拌プロセス用ツール30は超硬合金10よりも機械的特性に優れたものを使用する必要があり、例えば、超硬合金10よりも高硬度のものを選択する必要がある。
【0020】
図2に本発明の超硬合金の改質方法を施した超硬合金の断面模式図を示す。超硬合金10の表面近傍に、摩擦攪拌プロセス用ツール30の圧入によって形成された改質領域20が存在する。改質領域20に含まれる結合相の結晶粒は微細化されており、平均結晶粒径が1μm以下であることが好ましい。
【0021】
図3に本発明の超硬合金の改質方法を溶射超硬合金層に適用する場合の模式図を示す。高速回転する円筒状の摩擦攪拌プロセス用ツール30を溶射超硬合金層14に圧入し、摩擦攪拌プロセス用ツール30を任意の方向に移動させることで溶射超硬合金層14の改質を行う。なお、摩擦攪拌プロセス用ツール30を圧入後、移動させることなく引き抜いた場合には、摩擦攪拌プロセス用ツール30の底面形状に対応した改質領域が得られる。摩擦攪拌プロセス用ツール30で攪拌された領域には塑性流動が生じ、溶射超硬合金層14に存在する空隙等の欠陥を消失させると共に結合相の結晶粒を微細化することができる。また、摩擦攪拌プロセス時に発生する塑性流動および入熱により、溶射超硬合金層14と金属基材12とは冶金的に接合される。加えて、改質された溶射超硬合金層14と金属基材12との接合界面近傍において、金属基材12の硬度は摩擦攪拌プロセス前よりも高くなる。
【0022】
摩擦攪拌プロセス用ツール30には、溶射超硬合金層14よりも機械的特性(硬度、耐熱衝撃性および摩擦攪拌プロセス時の温度における変形抵抗等)に優れたものを使用することができる。摩擦攪拌プロセス時に摩擦攪拌プロセス用ツール30の破片が溶射超硬合金層14に混入する場合を考慮すると、摩擦攪拌プロセス用ツール30は超硬合金製であることが好ましい。超硬合金製の摩擦攪拌プロセス用ツール30は溶射超硬合金層14よりも機械的特性に優れたものを使用する必要があり、例えば、溶射超硬合金層14よりも高硬度のものを選択する必要がある。具体的には、溶射超硬合金層14がWC−CrC−Ni系の場合、摩擦攪拌プロセス用ツール20にはWC−Co系等を用いることができる。
【0023】
溶射超硬合金層14を形成する手法は特に限定されず、ガス燃焼エネルギーや電気エネルギー(プラズマ、アーク等)を利用した各種溶射法を用いることができる。具体的には、ガスフレーム溶射、高速ガスフレーム溶射(HVOF)、アーク溶射、プラズマ溶射、減圧プラズマ溶射(VPS)等を用いることができる。
【0024】
摩擦攪拌プロセスは高速回転する摩擦攪拌プロセス用ツール30を被処理材に圧入して塑性流動を生じさせるプロセスであるため、被処理材が高い塑性変形抵抗を有する場合には適用が困難である。超硬合金は高い塑性変形抵抗を有する代表的な材料であり、一般的には摩擦攪拌プロセスの適用は困難である。ここで、溶射超硬合金層14は薄いことに加えて金属基材12との密着性に乏しいため、超硬合金焼結体と比較して塑性流動を生じさせ易く、容易に摩擦攪拌プロセスを施すことができる。
【0025】
図4に本発明の超硬合金の改質方法を施した溶射超硬合金層の断面模式図を示す。溶射超硬合金層14に、摩擦攪拌プロセス用ツール30の圧入によって形成された改質領域20が存在する。溶射超硬合金層14の厚さおよび摩擦攪拌プロセスの条件によっては、改質領域20は金属基材12にまで広がって存在する場合もある。改質領域20に含まれる結合相の結晶粒は微細化されており、平均結晶粒径が1μm以下であることが好ましい。また、溶射超硬合金層14に存在する空隙等の欠陥は摩擦攪拌プロセスによって消失するため、改質領域20に含まれる欠陥は大幅に低減されている。加えて、溶射超硬合金層14と金属基材12とは冶金的に接合されており、改質された溶射超硬合金層14と金属基材12との接合界面近傍において、金属基材12の硬度は摩擦攪拌プロセス前よりも高くなっている。
【実施例】
【0026】
以下に本発明の実施例及び比較例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1(溶射超硬合金層の形成)
SKD61板材に対し、高速フレーム溶射法を用いて溶射超硬合金層を形成させた。原料粉末にはガスアトマイズ法で製造された平均粒径40μmのWC−20mass%CrC−7mass%Ni粒子を用いた。
【0027】
得られた試料に関する断面のSEM写真を図5に、溶射超硬合金層のSEM写真を図6に示す。SKD61板材表面に約300μmの厚さを有する溶射超硬合金層が形成されている。また、溶射超硬合金層には空隙等の欠陥が多数存在していることが確認できる。
【0028】
溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)を図7に、TEM写真(高倍率)を図8に示す。溶射超硬合金層にはSEM観察では判別が困難な、非常に微小な欠陥が多数存在することが分かる。また、ニッケル結合相はそれ程細かな金属組織を有していないことが確認できる。
【0029】
図9に溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングを示す。WおよびNiの分布は溶射超硬合金層、Feの分布はSKD61板材の位置に一致しており、WおよびNiのSKD61板材への拡散、およびFeの溶射超硬合金層への拡散はほとんど認められない。
【0030】
実施例2(溶射超硬合金層への摩擦攪拌プロセス)
SKD61板材に対し、高速フレーム溶射法を用いて溶射超硬合金層(WC−20mass%CrC−7mass%Ni)を形成させた後、該溶射超硬合金層に対して摩擦攪拌プロセスを施した。摩擦攪拌プロセスには直径が12mmの円柱形状をした超硬合金(WC−Co)製のツールを用い、600rpmの速度で回転する該ツールを3400kgの荷重で溶射超硬合金層に圧入させた。ツールの移動速度は50mm/minとし、アルゴンガスをフローさせることでツールおよび試料の酸化を防止した。
【0031】
摩擦攪拌プロセスを施した溶射超硬合金層のSEM写真を図10に示す。摩擦攪拌プロセスを施す前の溶射超硬合金層には空隙等の欠陥が多数存在していたが、摩擦攪拌プロセス後の溶射超硬合金層には該欠陥がほとんど確認できない。
【0032】
摩擦攪拌プロセスを施した溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)を図11に、TEM写真(高倍率)を図12に示す。摩擦攪拌プロセス前の溶射超硬合金層にはSEM観察では判別が困難な、非常に微小な欠陥が多数存在していたが、摩擦攪拌プロセスを施すことで該欠陥が消失し、溶射超硬合金層の緻密化が進んでいることが分かる。また、ニッケル結合相の結晶粒はナノメートルオーダー(1μm以下)にまで微細化されていることが確認できる。
【0033】
図13に摩擦攪拌プロセス前後における溶射超硬合金層のビッカース硬度(溶射超硬合金層の表面から深さ150μmの位置における水平方向プロファイル)を示す。ビッカース硬度は荷重2.94N(300gf)、保持時間15秒の条件で測定を行った。摩擦攪拌プロセス前における溶射超硬合金被膜の硬度は約1250HV程度であり、欠陥が存在する領域では1000HVを下回る硬度となっている。これに対し、摩擦攪拌プロセス後では硬度が大幅に向上し、1900HV前後の領域が広範囲に確認された。
【0034】
表1に摩擦攪拌後におけるSKD61板材に関し、溶射超硬合金層との接合界面から深さ方向へのビッカース硬度を示す。ビッカース硬度は荷重2.94N(300gf)、保持時間15秒の条件で測定を行った。未処理のSKD61板材の硬度は400〜450HV程度であるが、溶射超硬合金の直下では800HV以上の高硬度を示している。溶射超硬合金層から基材内部への緩やかな硬度変化は、摺動部材等への利用に関して極めて理想的である。
【0035】
【表1】
【0036】
図14に摩擦攪拌プロセス後の溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングを示す。溶射超硬合金層/SKD61板材界面近傍において、各元素が分布する外縁の形状が明瞭でない。また、Feの分布が溶射超硬合金層の内部に広がっており、Feの溶射超硬合金層への拡散が認められる。該結果は溶射超硬合金層とSKD61板材とが冶金的に接合されていることを示唆している。
【符号の説明】
【0037】
10…超硬合金
12…金属基材
14…溶射超硬合金層
20…改質領域
30…摩擦攪拌プロセス用ツール
【技術分野】
【0001】
本発明は、超硬合金の改質方法および該方法によって改質された超硬合金に関し、特に、金属基材の表面に溶射法によって形成された超硬合金層を改質する有利な方法に関する。
【背景技術】
【0002】
超硬合金は硬質セラミックス粒子を鉄族金属(Fe,Ni,Co)の結合相で焼結した合金であり、優れた耐摩耗性と破壊靭性を両立することから、各種切削工具や摺動部材等に幅広く利用されている。しかしながら、近年の産業の急速な発展に伴って超硬合金に求められる機械的特性も日増しに高くなっており、超硬合金の機械的特性向上に関する研究開発が盛んに遂行されている。
【0003】
超硬合金は結合相の減少とともに、硬度、耐摩耗性、圧縮強さ、耐高温劣化性等が向上することから、バインダレスの超硬合金が提案されている(例えば、特許文献1)が、セラミックスの焼結体と同様に破壊靭性等の面で問題がある。また、結合相が同一の場合は微粒の硬質セラミックス粒子を用いたものほど硬さが上昇するため、ナノサイズの硬質セラミックス粒子を用いた超硬合金が提案されている(非特許文献1および2)。しかしながら、ナノサイズの硬質セラミックス粒子を結合しているのは一般的な鉄族金属の結合相であり、切削工具や摺動部材等の分野で求められている要求を十分に満たす機械的特性を発現するまでには至っていない。
【0004】
また、超硬合金は主としてタングステン、コバルトおよびニッケル等の希少元素から構成されており、価格や省資源の観点からも問題がある。加えて、超硬合金の製造には加圧焼結が用いられることが多く、該手法によって製造される焼結体の大きさや形状は焼結装置によって制限されてしまう。これらの問題を克服する手法として、溶射法を用いた超硬合金層の形成技術が種々検討されている(特許文献2および3)。基材表面に超硬合金層を形成させることで、焼結体と比較して超硬合金の使用量を低減できるだけでなく、種々の形状および大きさに対応することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2003−81649号公報
【特許文献2】特開平7−11418号公報
【特許文献3】特開平10−158809号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Nanostructured novel cemented hard alloy obtained by mechanical alloying and hot−pressing sintering and its applications,Journal of Alloys and Compounds 462 (2008) 416−420.
【非特許文献2】Synthesis,sintering,and mechanical properties of nanocrystalline cemented tungsten carbide−A review,Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials,27 (2009) 288−299.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
結合相を有する全ての超硬合金に関し、結合相を高強度化することで超硬合金の機械的特性の向上が期待できるが、結合相を高強度化する普遍的かつ効果的な手法は確立されていない。また、溶射法によって形成された超硬合金層には、(1)不可避的に空隙等の欠陥を有する、(2)基材との密着性に乏しい、(3)超硬合金焼結体と比較して機械的特性が低い等の問題点が存在する。
【0008】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、超硬合金の改質方法および該方法によって改質された超硬合金を提供し、特に、溶射法によって形成された超硬合金層にも適用可能な、超硬合金の緻密化および機械的特性の向上に資する有利な改質方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の超硬合金の改質方法は、超硬合金に摩擦攪拌プロセスを施し、該超硬合金に含まれる結合相の結晶粒を微細化するものである。特に、溶射法を用いて金属基材の表面に形成された超硬合金層(溶射超硬合金層)に摩擦攪拌プロセスを施すことで、効果的に改質を達成することができる。摩擦攪拌プロセスにより金属基材と溶射超硬合金層が冶金的に接合される。加えて、溶射超硬合金層と金属基材との界面近傍における金属基材の硬度を摩擦攪拌プロセス前よりも高くすることができる。
【0010】
本発明の超硬合金の改質方法は種々の結合相を有する超硬合金に適用することができるが、超硬合金の機械的特性を向上させることが比較的困難であるニッケル系の結合相を有する超硬合金に用いることが好ましい。また、摩擦攪拌プロセスには種々のツールを用いることができるが、被改質材である超硬合金よりも高硬度な超硬合金製ツールを用いることが好ましい。
【0011】
本発明の超硬合金は、本発明の超硬合金の改質方法によって製造することができる。つまり、超硬合金に摩擦攪拌プロセスを施すことで結合相の結晶粒が微細化される。摩擦攪拌プロセスには種々のツールを用いることができるが、被改質材である超硬合金よりも高硬度な超硬合金製ツールを用いることが好ましい。
【0012】
被改質材が溶射超硬合金層である場合は、摩擦攪拌プロセスにより金属基材と溶射超硬合金層が冶金的に接合され、溶射超硬合金層と金属基材との界面近傍における金属基材の硬度が摩擦攪拌プロセス前よりも高くなっている。処理可能な超硬合金の種類は特に限定されず、種々の結合相を有するものを対象とするが、機械的特性を向上させることが比較的困難であるニッケル系の結合相を有する超硬合金であることが好ましい。また、結合相の平均結晶粒径は1μm以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本発明の超硬合金の改質方法では、結合相の結晶粒を微細化することで結合相を高強度化し、超硬合金の機械的特性を向上させることができる。また、溶射法によって形成された超硬合金層に本発明を適用した場合、溶射超硬合金層に不可避的に存在する空隙等の欠陥を消失させると共に、冶金的な接合により基材との密着性を向上させることもできる。
【0014】
本発明の超硬合金は、結合相の結晶粒を微細化することで結合相が高強度化されているため、結晶粒が微細化されていない同種の超硬合金と比較して、優れた機械的特性を有する。また、超硬合金が溶射超硬合金層である場合、溶射超硬合金層に不可避的に存在する空隙等の欠陥が大幅に低減されている。加えて、冶金的な接合により溶射超硬合金層と基材との密着性が向上している。本発明の超硬合金は高硬度、高靭性および高耐摩耗特性等が要求される用途に広く利用することができ、例えば、各種フィルムシート成形用のTダイ等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の超硬合金の改質方法の模式図である。
【図2】本発明の超硬合金の改質方法を施した超硬合金の断面模式図である。
【図3】本発明の超硬合金の改質方法を溶射超硬合金層に適用する場合の模式図である。
【図4】本発明の超硬合金の改質方法を施した溶射超硬合金層の断面模式図である。
【図5】実施例1で得られた試料の断面のSEM写真である。
【図6】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層のSEM写真である。
【図7】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)である。
【図8】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(高倍率)である。
【図9】実施例1で得られた試料の溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングである。
【図10】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層のSEM写真である。
【図11】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)である。
【図12】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層のTEM写真(高倍率)である。
【図13】摩擦攪拌プロセス前後における溶射超硬合金層のビッカース硬度である。
【図14】実施例2で得られた試料の溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図1に本発明の超硬合金の改質方法の模式図を示す。高速回転する円筒状の摩擦攪拌プロセス用ツール30を超硬合金10に圧入し、摩擦攪拌プロセス用ツール30を任意の方向に移動させることで超硬合金10の改質を行う。なお、摩擦攪拌プロセス用ツール30を圧入後、移動させることなく引き抜いた場合には、摩擦攪拌プロセス用ツール30の底面形状に対応した改質領域が得られる。摩擦攪拌プロセス用ツール30で攪拌された領域には塑性流動が生じ、超硬合金10に存在する空隙等の欠陥を消失させると共に結合相の結晶粒を微細化することができる。
【0017】
摩擦攪拌プロセスは、1991年に英国のTWI(The
Welding Institute)で考案された接合技術である摩擦攪拌接合法を、金属材の表面改質法として応用したものである。摩擦攪拌接合は高速で回転する円柱状のツールを接合したい領域に圧入(ツール底面にプローブと呼ばれる突起を有しており、該プローブが圧入される)し、摩擦熱によって軟化した被接合材を攪拌しながら接合したい方向に走査することで接合を達成する技術である。回転するツールによって攪拌された領域は一般的に攪拌部と呼ばれ、接合条件によっては材料の均質化および結晶粒径の減少に伴う機械的特性の向上がもたらされる。摩擦攪拌による材料の均質化および結晶粒径の減少に伴う機械的特性の向上を表面改質として用いる技術が摩擦攪拌プロセスであり、近年広く研究の対象になっている。なお、本発明で用いる摩擦攪拌プロセス用ツール30の底面には、必ずしもプローブを有している必要はなく、プローブを有さない所謂フラットツールを用いることができる。
【0018】
超硬合金10には種々の結合相および硬質セラミックス粒子を有する超硬合金を用いることができる。結合相としては鉄族金属(Fe,Ni,Co)やその固溶体を例示でき、硬質セラミックス粒子としてはWC、TiC、VC、Mo2C、ZrC、HfC、NbC、TaC、Cr3C2、SiC等の炭化物、Si3N4等の窒化物、TiB2等のホウ化物およびAl2O3等の酸化物等を例示することができる。
【0019】
摩擦攪拌プロセス用ツール30には、超硬合金10よりも機械的特性(硬度、耐熱衝撃性および摩擦攪拌プロセス時の温度における変形抵抗等)に優れたものを使用することができる。摩擦攪拌プロセス時に摩擦攪拌プロセス用ツール30の破片が超硬合金10に混入する場合を考慮すると、摩擦攪拌プロセス用ツール30は超硬合金製であることが好ましい。超硬合金製の摩擦攪拌プロセス用ツール30は超硬合金10よりも機械的特性に優れたものを使用する必要があり、例えば、超硬合金10よりも高硬度のものを選択する必要がある。
【0020】
図2に本発明の超硬合金の改質方法を施した超硬合金の断面模式図を示す。超硬合金10の表面近傍に、摩擦攪拌プロセス用ツール30の圧入によって形成された改質領域20が存在する。改質領域20に含まれる結合相の結晶粒は微細化されており、平均結晶粒径が1μm以下であることが好ましい。
【0021】
図3に本発明の超硬合金の改質方法を溶射超硬合金層に適用する場合の模式図を示す。高速回転する円筒状の摩擦攪拌プロセス用ツール30を溶射超硬合金層14に圧入し、摩擦攪拌プロセス用ツール30を任意の方向に移動させることで溶射超硬合金層14の改質を行う。なお、摩擦攪拌プロセス用ツール30を圧入後、移動させることなく引き抜いた場合には、摩擦攪拌プロセス用ツール30の底面形状に対応した改質領域が得られる。摩擦攪拌プロセス用ツール30で攪拌された領域には塑性流動が生じ、溶射超硬合金層14に存在する空隙等の欠陥を消失させると共に結合相の結晶粒を微細化することができる。また、摩擦攪拌プロセス時に発生する塑性流動および入熱により、溶射超硬合金層14と金属基材12とは冶金的に接合される。加えて、改質された溶射超硬合金層14と金属基材12との接合界面近傍において、金属基材12の硬度は摩擦攪拌プロセス前よりも高くなる。
【0022】
摩擦攪拌プロセス用ツール30には、溶射超硬合金層14よりも機械的特性(硬度、耐熱衝撃性および摩擦攪拌プロセス時の温度における変形抵抗等)に優れたものを使用することができる。摩擦攪拌プロセス時に摩擦攪拌プロセス用ツール30の破片が溶射超硬合金層14に混入する場合を考慮すると、摩擦攪拌プロセス用ツール30は超硬合金製であることが好ましい。超硬合金製の摩擦攪拌プロセス用ツール30は溶射超硬合金層14よりも機械的特性に優れたものを使用する必要があり、例えば、溶射超硬合金層14よりも高硬度のものを選択する必要がある。具体的には、溶射超硬合金層14がWC−CrC−Ni系の場合、摩擦攪拌プロセス用ツール20にはWC−Co系等を用いることができる。
【0023】
溶射超硬合金層14を形成する手法は特に限定されず、ガス燃焼エネルギーや電気エネルギー(プラズマ、アーク等)を利用した各種溶射法を用いることができる。具体的には、ガスフレーム溶射、高速ガスフレーム溶射(HVOF)、アーク溶射、プラズマ溶射、減圧プラズマ溶射(VPS)等を用いることができる。
【0024】
摩擦攪拌プロセスは高速回転する摩擦攪拌プロセス用ツール30を被処理材に圧入して塑性流動を生じさせるプロセスであるため、被処理材が高い塑性変形抵抗を有する場合には適用が困難である。超硬合金は高い塑性変形抵抗を有する代表的な材料であり、一般的には摩擦攪拌プロセスの適用は困難である。ここで、溶射超硬合金層14は薄いことに加えて金属基材12との密着性に乏しいため、超硬合金焼結体と比較して塑性流動を生じさせ易く、容易に摩擦攪拌プロセスを施すことができる。
【0025】
図4に本発明の超硬合金の改質方法を施した溶射超硬合金層の断面模式図を示す。溶射超硬合金層14に、摩擦攪拌プロセス用ツール30の圧入によって形成された改質領域20が存在する。溶射超硬合金層14の厚さおよび摩擦攪拌プロセスの条件によっては、改質領域20は金属基材12にまで広がって存在する場合もある。改質領域20に含まれる結合相の結晶粒は微細化されており、平均結晶粒径が1μm以下であることが好ましい。また、溶射超硬合金層14に存在する空隙等の欠陥は摩擦攪拌プロセスによって消失するため、改質領域20に含まれる欠陥は大幅に低減されている。加えて、溶射超硬合金層14と金属基材12とは冶金的に接合されており、改質された溶射超硬合金層14と金属基材12との接合界面近傍において、金属基材12の硬度は摩擦攪拌プロセス前よりも高くなっている。
【実施例】
【0026】
以下に本発明の実施例及び比較例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1(溶射超硬合金層の形成)
SKD61板材に対し、高速フレーム溶射法を用いて溶射超硬合金層を形成させた。原料粉末にはガスアトマイズ法で製造された平均粒径40μmのWC−20mass%CrC−7mass%Ni粒子を用いた。
【0027】
得られた試料に関する断面のSEM写真を図5に、溶射超硬合金層のSEM写真を図6に示す。SKD61板材表面に約300μmの厚さを有する溶射超硬合金層が形成されている。また、溶射超硬合金層には空隙等の欠陥が多数存在していることが確認できる。
【0028】
溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)を図7に、TEM写真(高倍率)を図8に示す。溶射超硬合金層にはSEM観察では判別が困難な、非常に微小な欠陥が多数存在することが分かる。また、ニッケル結合相はそれ程細かな金属組織を有していないことが確認できる。
【0029】
図9に溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングを示す。WおよびNiの分布は溶射超硬合金層、Feの分布はSKD61板材の位置に一致しており、WおよびNiのSKD61板材への拡散、およびFeの溶射超硬合金層への拡散はほとんど認められない。
【0030】
実施例2(溶射超硬合金層への摩擦攪拌プロセス)
SKD61板材に対し、高速フレーム溶射法を用いて溶射超硬合金層(WC−20mass%CrC−7mass%Ni)を形成させた後、該溶射超硬合金層に対して摩擦攪拌プロセスを施した。摩擦攪拌プロセスには直径が12mmの円柱形状をした超硬合金(WC−Co)製のツールを用い、600rpmの速度で回転する該ツールを3400kgの荷重で溶射超硬合金層に圧入させた。ツールの移動速度は50mm/minとし、アルゴンガスをフローさせることでツールおよび試料の酸化を防止した。
【0031】
摩擦攪拌プロセスを施した溶射超硬合金層のSEM写真を図10に示す。摩擦攪拌プロセスを施す前の溶射超硬合金層には空隙等の欠陥が多数存在していたが、摩擦攪拌プロセス後の溶射超硬合金層には該欠陥がほとんど確認できない。
【0032】
摩擦攪拌プロセスを施した溶射超硬合金層のTEM写真(低倍率)を図11に、TEM写真(高倍率)を図12に示す。摩擦攪拌プロセス前の溶射超硬合金層にはSEM観察では判別が困難な、非常に微小な欠陥が多数存在していたが、摩擦攪拌プロセスを施すことで該欠陥が消失し、溶射超硬合金層の緻密化が進んでいることが分かる。また、ニッケル結合相の結晶粒はナノメートルオーダー(1μm以下)にまで微細化されていることが確認できる。
【0033】
図13に摩擦攪拌プロセス前後における溶射超硬合金層のビッカース硬度(溶射超硬合金層の表面から深さ150μmの位置における水平方向プロファイル)を示す。ビッカース硬度は荷重2.94N(300gf)、保持時間15秒の条件で測定を行った。摩擦攪拌プロセス前における溶射超硬合金被膜の硬度は約1250HV程度であり、欠陥が存在する領域では1000HVを下回る硬度となっている。これに対し、摩擦攪拌プロセス後では硬度が大幅に向上し、1900HV前後の領域が広範囲に確認された。
【0034】
表1に摩擦攪拌後におけるSKD61板材に関し、溶射超硬合金層との接合界面から深さ方向へのビッカース硬度を示す。ビッカース硬度は荷重2.94N(300gf)、保持時間15秒の条件で測定を行った。未処理のSKD61板材の硬度は400〜450HV程度であるが、溶射超硬合金の直下では800HV以上の高硬度を示している。溶射超硬合金層から基材内部への緩やかな硬度変化は、摺動部材等への利用に関して極めて理想的である。
【0035】
【表1】
【0036】
図14に摩擦攪拌プロセス後の溶射超硬合金層/SKD61板材界面のSEM写真およびEDS元素マッピングを示す。溶射超硬合金層/SKD61板材界面近傍において、各元素が分布する外縁の形状が明瞭でない。また、Feの分布が溶射超硬合金層の内部に広がっており、Feの溶射超硬合金層への拡散が認められる。該結果は溶射超硬合金層とSKD61板材とが冶金的に接合されていることを示唆している。
【符号の説明】
【0037】
10…超硬合金
12…金属基材
14…溶射超硬合金層
20…改質領域
30…摩擦攪拌プロセス用ツール
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超硬合金に摩擦攪拌プロセスを施し、
前記超硬合金に含まれる結合相の結晶粒を微細化することを特徴とする超硬合金の改質方法。
【請求項2】
前記超硬合金が溶射法を用いて金属基材の表面に形成された超硬合金層であることを特徴とする請求項1に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項3】
前記金属基材と前記超硬合金層が冶金的に接合されることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項4】
前記超硬合金層と前記金属基材との界面近傍における前記金属基材の硬度が前記摩擦攪拌プロセスを施す前と比較して高くなっていることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項5】
前記結合相がニッケルであることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項6】
前記摩擦攪拌プロセスに超硬合金製のツールを用い、
前記ツールの硬度が前記超硬合金の硬度よりも高いことを特徴とする請求項1〜5いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項7】
請求項1〜6いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法によって改質された超硬合金。
【請求項8】
前記超硬合金に含まれる結合相の平均結晶粒径が1μm以下であることを特徴とする請求項7に記載の超硬合金。
【請求項1】
超硬合金に摩擦攪拌プロセスを施し、
前記超硬合金に含まれる結合相の結晶粒を微細化することを特徴とする超硬合金の改質方法。
【請求項2】
前記超硬合金が溶射法を用いて金属基材の表面に形成された超硬合金層であることを特徴とする請求項1に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項3】
前記金属基材と前記超硬合金層が冶金的に接合されることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項4】
前記超硬合金層と前記金属基材との界面近傍における前記金属基材の硬度が前記摩擦攪拌プロセスを施す前と比較して高くなっていることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項5】
前記結合相がニッケルであることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項6】
前記摩擦攪拌プロセスに超硬合金製のツールを用い、
前記ツールの硬度が前記超硬合金の硬度よりも高いことを特徴とする請求項1〜5いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法。
【請求項7】
請求項1〜6いずれか1項に記載の超硬合金の改質方法によって改質された超硬合金。
【請求項8】
前記超硬合金に含まれる結合相の平均結晶粒径が1μm以下であることを特徴とする請求項7に記載の超硬合金。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2011−38143(P2011−38143A)
【公開日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−185651(P2009−185651)
【出願日】平成21年8月10日(2009.8.10)
【出願人】(508114454)地方独立行政法人 大阪市立工業研究所 (60)
【出願人】(509068356)株式会社AMC (5)
【出願人】(504176911)国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年8月10日(2009.8.10)
【出願人】(508114454)地方独立行政法人 大阪市立工業研究所 (60)
【出願人】(509068356)株式会社AMC (5)
【出願人】(504176911)国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Fターム(参考)】
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