JP5576287B2 - 鋳造された超硬合金構成部品 - Google Patents

Description

本発明は、低炭素鋼の中に鋳造された超硬合金構成部品に関する。その構成部品は、ローラーコーンビット（roller cone bits）、衝撃砕岩機手／羽根車（impact rock crusher arm/impellers）、ポイントアッタクツール（point attack tools）、ドレッジ歯（dredging teeth）および滑り摩耗部品（sliding wear parts）にとくに好適である。

米国特許第４,１１９,４５９号明細書は、超硬合金と２．５〜６％の炭素含有率を有する黒鉛鋳造鉄ベース合金の母材とを有する複合体を開示している。米国特許第４,５８４,０２０号明細書および米国特許第５,０６６,５４６号明細書は、鋼母材は１．５％と２．５％との間の炭素含有率を有すべきことを主張する。米国特許第４,６０８,３１８号明細書は、金属成形体を固体焼結させ、そして前記成形体に結合させる間に複合材料体を得るための粉末冶金法を開示している。米国特許第６,１７１,７１３号明細書は、白鋳鉄合金および超硬合金か粒の複合材を記載している。その融点は１４８０〜１５２５℃である。国際公開第０３／０４９８８９号パンフレットは、緻密化硬材料、製造方法および用途を記載している。急速全方向性圧縮（rapid omnidirectional compaction）（ＲＯＣ）または高温静水圧プレス（ＨＩＰ）を使用して、バインダー金属の液相温度よりも低い温度で緻密化が起こる。

先行技術で使用された延性鋳鉄は、約３８ＨＲＣの低い硬さを一般に有し、鋳造低合金鋼は、４０ＨＲＣと５３ＨＲＣとの間の硬さを有する。したがって、低合金鋼の母材は、先行技術による同等の鋳鉄製品の約２倍の強度を有するであろう。

上述の引用された先行技術、たとえば、米国特許第４,５８４,０２０号明細書および米国特許第５,０６６,５４６号明細書から、比較的高い炭素含有率を有する鉄合金の中で超硬合金を鋳造して本体を形成し、その後、その本体をより低い炭素含有率を有する鉄合金の中で鋳造することが好ましいことが明らかである。

改良された摩耗特性を有する、鋼の中に鋳造された超硬合金からなる本体を提供することが本発明の目的である。

また、その本体を作製するための鋳造方法を提供することが本発明の目的である。

鋳造を進行している間、非常によく制御された温度で鋳造し、黒鉛形態に近い炭素含有率を有する超硬合金を使用することによって、低炭素含有率を有する鋼に超硬合金を鋳造した場合、改良された性能を有する製品を得ることができることが今、発見されていた。

図１は、ムラカミ（Murakami）およびナイタル（Nital）を使用してエッチングした後の超硬合金／鋼の遷移領域の光学顕微鏡写真である。 図２は、同様であるが、倍率を高くした。 図３は、遷移領域と垂直をなす線に沿ったＷ、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｒの分布を示す。

本発明により、様々な配置および形状を有する低合金炭素鋼に鋳造された超硬合金体からなる耐摩耗性構成部品が、今では提供される。

その鋼は、０．９重量％未満、好ましくは０．８重量％未満、しかし、０．１重量％よりも大きく、好ましくは０．５重量％よりも大きな炭素当量（Ｃｅｑ＝Ｃの重量％＋０．３（Ｓｉの重量％＋Ｐの重量％））を有する組成を有する。好ましくは、その鋼は、約１４５０〜１５５０℃の融点を有するＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏの低合金鋼材料からなる。その鋼の硬さは、４５ＨＲＣと５５ＨＲＣとの間である。

本発明は、遊離黒鉛の形態に近い炭素含有率を好ましくは有し、Ｃｏおよび／またはＮｉのバインダー相を有するＷＣベースの超硬合金に使用でき、それは、コバルトバインダー相を有する超硬合金の場合、磁性コバルトの含有率が通常のコバルトの含有率の０．９〜１．０であることを意味する。その超硬合金の硬さは、ＨＶ３で８００〜１７５０である。炭化物の５重量％までのＴｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖの成分が存在することができる。

土工工具、たとえば、ドレッジカッターヘッド（dredge cutter heads）を意図した第１の態様では、超硬合金は、０．５μｍと７μｍとの間の粒径を有するＷＣと一緒に、１０〜２５重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有する。

とくに岩石粉砕ビットカッター（rock milling bit cutters）、たとえば、回転掘削用の歯タイプのスリーコーンビット（three cone bits）を意図した第２の態様では、超硬合金は、２μｍと１０μｍとの間の粒径を有するＷＣに、９〜１５重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有する。

とくに岩石粉砕工具、たとえば、ポイントアッタクツールを意図した第３の態様では、超硬合金は、２μｍと１５μｍとの間の粒径を有するＷＣと一緒に、５〜９重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有する。

とくに粉砕機手または、たとえば、鉱石および油砂の粉砕機のパドル（paddles）を意図した第４の態様では、超硬合金は、２μｍと１０μｍとの間の粒径を有するＷＣに、Ｃｏおよび／またはＮｉの１０〜２５重量％のバインダー相含有率を有する。

超硬合金と鋼との間の遷移領域は、空孔およびクラックが実質的にない良好な結合を示す。しかし、鋼と超硬合金と間の領域に、製品の性能に重要な影響を与えないであろうクラックが少しある。

遷移領域には、５０μｍと２００μｍとの間の厚みを有する薄いイータ（eta）相領域がある（Ｂ）。イータ相領域に近接する超硬合金には、０．５〜２ｍｍの幅を有する鉄含有遷移領域がある（Ｃ）。イータ相領域に近接する鋼には、１０μｍと１００μｍとの間の幅を有し、リッチな炭素含有率を有する領域がある（Ｅ）。

本鋳造方法によれば、超硬合金部分は、型の中で固定され、溶融した鋼がその型の中に注がれる。注いでいる間の溶融物の温度は、１５５０℃と１６５０℃との間である。好ましくは、溶融物が超硬合金体の周りの型を通過するようにさせることによって、超硬合金体は予備加熱される。冷却は、自由空気中で行われる。鋳造の後、鋼を焼き入れし、焼きなましをするために、従来のタイプの熱処理が行われる。

本発明による鋼は、超硬合金に対して良好な結合を示す。この良好な結合は、低炭素含有率を有し、超硬合金の外側の部分の脱炭を示して超硬合金の中に微細構造を形成する、鋼タイプと、脆性硬相のない鋼との組み合わせによる。薄いイータ相領域は、鋳造製品の脆性に影響を与えない。この構造を示すために、鋳造中の鋼の溶融温度は、超硬合金体の表面の領域における超硬合金のバインダー相の融点よりも少し高くすべきである。

５重量％のＮｉと、１０重量％のＣｏと、４μｍの粒径を有する残余のＷＣとの組成を有し、２２ｍｍの直径および１２０ｍｍの長さを有する超硬合金の円柱の棒を従来の粉末冶金技術で作製した。炭素含有率は、５．２重量％であり、硬さはＨＶ３で１１４０であった。

ドレッジカッターヘッドを使用するためのＶＯＳＴＡ Ｔ４システムに合ったドレッジ歯を製造するために、その棒は、型の中で固定された。Ｃが０．２６％、Ｓｉが１．５％、Ｍｎが１．２％、Ｃｒが１．４％、Ｎｉが０．５％、Ｍｏが０．２％であり、Ｃｅｑ＝０．７８である組成のＣＮＭ８５タイプの鋼を溶融し、その溶融物を１５７０℃の温度の型の中に注いだ。溶融物が超硬合金体の周りの型を通過するようにさせることによって、超硬合金体を予備加熱した。空気中で冷却した後、９５０℃で焼きならしを行い、９２０℃で焼き入れを行った。２５０℃の焼きなましが、最終形状へ研磨する前の最後の熱処理工程であった。

歯の超硬合金／鋼遷移領域の冶金学的調査のために１つの歯を選択した。切断し、研磨し、磨くことによって、その歯の断面を作製した。光学顕微鏡（ＬＯＭ）で超硬合金／鋼遷移領域を調べた。エッチングされていない表面ならびにムラカミおよびナイタルでエッチングされた表面（図１および図２参照）で、ＬＯＭ調査を行った。鋼と超硬合金との間の結合は、実質的に空孔やクラックがなく、良好であった。超硬合金と鋼との間には、１００μｍの厚みのイータ相領域Ｂがあった。超硬合金には、影響を受けない超硬合金Ｄの上部に、１．５ｍｍの厚みを有する鉄含有遷移領域Ｃがあった。鋼には、５０μｍの厚みの炭素リッチ領域Ｅがある。また、マイクロプローブ分析で遷移領域にわたるＷ、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｒの分布を調べた。遷移領域Ｃは、Ｆｅ−バインダー相中のＷＣから実質的になることがわかった（図３参照）。

２種の超硬合金グレードの本体を使用して、実施例１を繰り返した。一方のグレードは、Ｃｏが１５重量％、残りが３μｍの粒径を有するＷＣである組成、１４重量％である磁性Ｃｏの含有率、およびＨＶ３で１０７０の硬さを有していた。他方のグレードは、Ｃｏが１０重量％、残りが４μｍの粒径を有するＷＣである組成、９．６重量％である磁性Ｃｏの含有率、およびＨＶ３で１１７５の硬さを有していた。その超硬合金体は、この場合、１８ｍｍの外径を有する円柱たがね形状のボタンであった。

鋳造する前、好適な型の中で、円錐形のカッターが得られるように、そのボタンを固定した。そのコーン（cone）の外半径に、低い方のＣｏ含有率を有するボタンを固定し、そして、内側の先端の位置に、高い方のＣｏ含有率を有するボタンがある。熱処理および研磨の後、軸受け用の穴をコーンに備え付けた。実施例１と同じ方法で最終のカッターを調べ、その結果、実質的に同じ結果であった。

Ｃｏが２０重量％であり、残りが２μｍの粒径を有するＷＣである組成を有するグレードを使用して、実施例１を繰り返した。磁性Ｃｏの含有率が１８．４重量％であり、硬さがＨＶ３で９００であった。

図では、
Ａ 鋼
Ｂ イータ相領域
Ｃ 超硬合金の遷移領域
Ｄ 影響されない超硬合金
Ｅ 鋼の炭素リッチ領域

Claims (5)

1. 超硬合金と鋼を含む複合体であって、
   前記鋼は、０．９重量％未満、しかし、０．１重量％よりも大きな炭素当量（Ｃｅｑ＝Ｃの重量％＋０．３（Ｓｉの重量％＋Ｐの重量％））に相当する炭素含有率を有すること、
   ５０μｍと２００μｍとの間の厚みを有する薄いイータ相領域を有する超硬合金／鋼遷移領域、
   前記イータ相領域に隣接する前記超硬合金の中の０．５〜２ｍｍの幅を有する鉄含有遷移領域、
   前記イータ相領域に隣接する前記鋼の中の１０μｍと１００μｍとの間の幅を有し、前記０．９重量％未満、しかし、０．１重量％よりも大きな炭素当量（Ｃｅｑ＝Ｃの重量％＋０．３（Ｓｉの重量％＋Ｐの重量％））に相当する炭素含有率よりも高い炭素含有率を有する領域、
   前記炭素当量（Ｃｅｑ）が０．８重量％未満であり、かつ０．５重量％よりも大きいこと、および
   前記超硬合金は、コバルトバインダー相を有する場合、全コバルトのうち、０．９〜１．０の割合のコバルトが、磁化したコバルトであること、を特徴とする複合体。
2. 前記複合体は、土工工具を意図され、
   前記超硬合金は、０．５μｍと７μｍとの間の粒径を有するＷＣと一緒に、１０〜２０重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有することを特徴とする請求項１に記載の複合体。
3. 前記複合体は、岩石粉砕ビットカッターを意図され、
   前記超硬合金は、２μｍと１０μｍとの間の粒径を有するＷＣと一緒に、９〜１５重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有することを特徴とする請求項１に記載の複合体。
4. 前記複合体は、岩石粉砕工具（rock milling tools）を意図され、
   前記超硬合金は、２μｍと１５μｍとの間の粒径を有するＷＣと一緒に、５〜９重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有することを特徴とする請求項１に記載の複合体。
5. 前記複合体は、粉砕機手または粉砕機のパドルを意図され、
   前記超硬合金は、２μｍと１０μｍとの間の粒径を有するＷＣと一緒に、１０〜２５重量％のＣｏおよび／またはＮｉのバインダー相含有率を有することを特徴とする請求項１に記載の複合体。

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