JP7712065B2 - 切断装置用の炭化物材料及び関連する製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄基部上に堆積させるための炭化物材料、及びそのような炭化物材料の製造方法に関する。

コーティングとして使用されるカーバイド材料の場合、しばしば高い硬度値を達成することが望ましく、１つの一般的な材料は、高温又は高衝撃条件下でも最適な硬度と強靭性を一体的に提供するコバルト又はニッケルの金属マトリックス中の炭化タングステンである。

炭化物材料は、粉末又は線材をレーザー又は電子ビームなどの高エネルギーを集中させる熱源によって溶融又は焼結させる付加製造プロセスを使用して堆積させることができる。

積層造形技術を使用した鉄基部への炭化タングステンの堆積に関する既知の問題は、材料の脆性を増加させる非常に脆い鉄炭化タングステン（Ｗ、Ｆｅ）_６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）_１２Ｃの形成である。従って、これまでのところ、炭化タングステンを鉄基部に堆積させる積層造形法によって達成できる材料の強靭性には限界があった。このことは、金属切削工具や回転刃先などの高衝撃条件下で動作させることがある鉄基部に、炭化タングステン堆積物を生成するための積層造形法を適用することを妨げてきた。

硬度を上げることを目的とした材料組成の調整は、他の問題を引き起こす可能性があり、特に、材料の脆性を高め、それにより破壊率を高める可能性がある。従って、これまでのところ、炭化タングステン材料で達成できる硬度には限界があるが、それでもなお、切断に適した材料を提供している。

本発明の一態様によれば、６０～８５重量％の炭化タングステン、１０～２５重量％の炭化チタンを含む炭化物材料が提供される。

炭化物材料は、Ｆｅを含む０．５～２０重量％の金属マトリックスをさらに含むことができる。

金属マトリックスは、４．５～２０重量％の範囲とすることができ、特に、Ｃｏ又はＮｉの少なくとも１つのような別の金属が金属マトリックスに組み込むことができる。従って、金属マトリックスは、Ｆｅと、金属Ｃｏ又はＮｉの少なくとも一方又は両方を含むことができることが好ましい。

好ましい組成において、金属マトリックスは、Ｃｏ及びＦｅを含むことができることが好ましい。

炭化チタンは、ＴｉＣのみからなるか、又はＴｉＣと（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの組み合わせ、すなわち炭化チタンと炭化チタニウムタングステンを含むことができる。

炭化物材料は、０．５～８重量％の範囲の付加的な化合物をさらに含むことができ、この付加的な化合物は、ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２及びＣｒ_７Ｃ_３の１つ以上である。これらの付加的な化合物は、材料内の粒子の特性を改善する。

タンタルの添加は、溶融状態からの材料の固化中に亀裂をなくすのに役立つため、特に好ましい。

（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ及びＷＣなどの材料内の球状の炭化物は、直径が１～５μｍの粒径を有することが好ましい。

本発明の別の態様によれば、鋼基板などの鉄基板と、この基板の少なくとも一部に形成された前述の炭化物材料とを含む装置が提供される。

この装置は、層又はエッジとして炭化物材料の添加を必要とする鉄製の基板を組み込んだ任意の装置、例えば、直線エッジブレード、円形ブレード、のこぎり、ドリル、ドリルビットなどの切断装置、又は旋盤やフライス盤などの切削目的で炭化物材料が配置されている鋼基板、さらに医療機器、医療用インプラント、タービンブレード、エンジン部品、電子部品、とすることができる。

炭化物材料は、好ましくは、鉄基板の上面に形成され、鉄基板の縁に沿って形成することもできる。

本発明のさらなる態様によれば、装置、特に切断装置を製造する方法が提供され、この方法は、炭素とタングステンを個々の元素すなわち炭化タングステン、又はそれらの混合物、及びスカベンジャー材料とを混合し混合した粉末を鉄基板の近くに配置し、粉末材料にエネルギー源を衝突させて、粉末と基板の材料で形成されたメルトプールを作成し、メルトプールを凝固させて、（Ｗ、Ｆｅ）_６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）_１２Ｃタイプの鉄炭化タングステンを実質的に含まない、すなわち好ましくは（Ｗ、Ｆｅ）_６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）_１２Ｃタイプの鉄炭化タングステンを０.０１％以下しか含まない、より好ましくは（Ｗ、Ｆｅ）_６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）_１２Ｃタイプの鉄炭化タングステンを０.００１％以下しか含まない、炭化物材料を形成するようにし、ここで、鉄基板又は鋼基板中の鉄が炭素と反応するのに比べて優先的に、スカベンジャー材料は鉄基板又は鋼基板中の炭素と反応する。これにより、メルトプール内でスカベンジャー材料が鉄よりも前に炭素と反応するため、これらの有害なカーバイドを形成するために使われる可能性のある遊離炭素がないため、脆い鉄炭化タングステンの形成が防止される。従って、凝固した材料は、（Ｗ、Ｆｅ）_６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）_１２Ｃなどの鉄炭化タングステンの脆い炭化物を実質的に含まず、靭性が改善されている。

スカベンジャー材料は、好ましくは、固化した炭化物材料の１０～２５重量％のチタンである。

粉末は、純粋な金属又は化合物として提供されるかどうかにかかわらず、金属Ｃｏ又はＮｉの少なくとも１つ又は混合物を含むことが好ましい。

粉末は、元素粉末又は化合物のいずれかとして、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ及びＣｒなどの１つ以上の材料をさらに含むことができる。これらは、材料内の粒子から不純物を除く働きをする。タンタルは、メルトプールが凝固するときにメルトプール内で亀裂が形成されないようにし、さらに形成された炭化物材料の構造を改善するので、特に好ましい。

望ましくは、メルトプールは、１５００℃～３０００℃の温度で形成される。

エネルギー源は、３００Ｗから２ｋＷまでの間の電力を生じさせることができ、一般的には、レーザービームを基板に衝突させる、１ｋＷ連続波ファイバーレーザーなどのレーザーを用いる。

この方法は、鉄基板をエネルギー源に対して、好ましくは０．０１ｍ／分～６ｍ／分のトラバース速度で、より好ましくは１ｍ／分～４ｍ／分のトラバース速度で移動させることをさらに含むことができる。

本発明を、例示的に、添付の図面を参照して説明する。
切断装置を形成する方法を示す概略側面図である。 炭化物材料の微細構造の顕微鏡写真である。 炭化物材料の一部の詳細を示す拡大顕微鏡写真である。

図１は、帯鋸、弓のこ、ジグソー、ホールソーなどのツール内のブレードとして使用可能な鋼ストリップ１０などの装置上に炭化物材料を形成する方法を示す。必要に応じて、ストリップ１０に歯を形成することができる。

ストリップ１０がワークステーション１２に対して相対的に移動することで、炭化物材料をストリップ１０の上縁１４に沿って形成する。ワークステーション１２は、粉末の形態で材料を供給するホッパー２０、２０'と、３００Ｗ～２ｋＷの出力範囲を適用できるが通常は１ｋＷの連続波ファイバーレーザーを８００Ｗで適用する高出力エネルギー源２２とを含む。１つ以上の計算装置２４は、ワークステーション１２及びホッパー２０、２０'に対する相対的なストリップ１０の動き、ホッパー２０、２０'からの材料の供給、及びエネルギー源２２の出力を制御する。通常、ストリップ１０は２ｍ／分で基板トラバース速度で動き、トラバース速度は０.０１ｍ/ｍｉｎから６ｍ/ｍｉｎの間で変更することができる。

ワークステーション１２を３Ｄプリンターとして機能させるように構成されたコンピューター実行可能命令が可能であり、その命令は、装置２４内にある又は装置２４から取り外すことができるコンピューター読み取り可能媒体中に存在する。当然のことながら、１つ以上のホッパーを利用することができる。

ホッパー２０、２０’は、粉末３０を縁１４に投射し、入射レーザービーム３１は、粉末と基板が溶融されるホットメルトプール３２を形成する。溶融成分は、１５００℃～３０００℃の温度で反応し、ストリップ１０がワークステーション１２に対して相対的に移動すると、メルトプール３２が冷却されて、固体炭化物材料３４が形成される。

必要に応じて、炭化物材料を同様の方法でドリルビット、回転ブレード、又は炭化物表面を有することを必要とする他の装置、例えばタービンブレード、エンジン部品、医療装置及び電子部品に堆積させることができる。

この方法は、炭化タングステン及び炭化チタンである炭化物、及び必要に応じてさらに、金属マトリックス（Ｆｅ、及び必要に応じてＣｏ及び/又はＮｉ）の存在下でのＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ_３Ｃ２、Ｃｒ_７Ｃ_３、ＺｒＣ及びＨｆＣの１つ以上の形成を伴う。炭化物は、炭素の元素粉末とＷ、Ｔｉの元素粉末との反応によって生成される。固体炭化物材料３４は、６０～８５重量％の炭化タングステン、１０～２５重量％の炭化チタン、及びＦｅと金属Ｃｏ又はＮｉの少なくとも一方又は両方を含む４．５～２０重量％の金属マトリックスを含み、通常は、ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３、ＺｒＣ、ＨｆＣの１つ以上からなる結晶粒微細化のための添加剤を０.５～８％含む。材料３４は、ホッパー２０、２０'から供給される粉末元素粉末を使用して、又は個々の化合物の粉末を使用して形成され、粉末がホットメルトプール３２で鋼基板１０の溶融成分と反応して、基板１０上に所望の組成の炭化物材料を生成する。

基板１０に堆積する前に、Ｔｉ、Ｗ、Ｃの元素粉末、必要に応じてＣｏ及び／又はＮｉの元素粉末、必要に応じてＴａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆの１つ以上の元素粉末を計量し、そして、得られた炭化物材料が６０～８５重量％のＷＣ、１０～２５重量％のＴｉＣ、及び必要に応じて０.５～８重量％のＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３、ＺｒＣ、ＨｆＣの１つ以上と共に４．５～２０重量％の金属マトリックス（Ｆｅ及び必要に応じてＣｏ及び／又はＮｉ）の組成を有することとなるように混合される。

粉末を少なくとも４０分間混合及び／又は凝集させて均一に分散した混合物を確保し、次に基板１０に堆積させて堆積バルクを形成するか、又は、アルゴン又はヘリウムのような不活性キャリアガスと共にホッパー２０、２０'からノズルを通して供給する。事前に堆積させた粉末の場合、レーザービーム３１を事前に堆積させた粉末の最上層に集束させるが、ノズルを介して供給の場合は、レーザービーム３１は基板の上面に集束させるか、堆積領域の真上で、粉末ストリームに集束させる。

レーザービーム３１を、堆積させた基板エリア全体にわたって集束させ及び走査させる。領域３２の粉末と基板は、レーザービーム３１からのエネルギーにより溶融し、メルトプール３２を生成する。ノズルを介して吐出させる場合、基板が溶融してメルトプールを形成し、ノズルから粉末３０がメルトプールへと吐出される。供給された粉末の一部の粒子は、粉末ストリームがレーザービーム３１を通過している間に、基板１０に到達する前に予熱され、部分的に溶融される。メルトプール３２内の溶融成分は、供給された粉末と基板材料である。

炭化物材料を作成するプロセスでは、材料の浪費を回避し、製造時間の短縮と自由なネット製品形状を実現するために、炭化物材料をネット形状及びニアネット形状に正確に堆積する。数平方ｍｍ以下のような炭化物材料の小さな領域を、歪みを生じさせたり熱の影響を受けたゾーンを軟化させたりすることなく、小さな装置や回路基板に迅速かつ正確に堆積させることができる。

１０～２５重量％という比較的大量のチタンを使用することにより、チタンは、炭化物材料が形成されるときに任意の炭素と優先的に反応するスカベンジャー材料として機能し、炭素がメルトプール内の鉄と反応するのを防ぐ。これにより、鋼基板の鉄が中性化され、（Ｆｅ、Ｗ）_１２Ｃ及び（Ｆｅ、Ｗ）_６Ｃの脆い炭化物を形成できなくなり、代わりにこれらはＴｉＣ又は（Ｔｉ、Ｗ）Ｃなどの炭化チタンに置き換えられる。ＷＣ、及び室温に下がるまで保持することのできるＷ２Ｃも存在する。

必要に応じて、結晶粒微細化材料として、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒのうちの１つ又はこれらの混合物を添加する。Ｔａを添加することにより、メルトプール３２が凝固するときに材料内に亀裂が形成されるのを防ぐ。凝固後、（Ｆｅ、Ｗ）_１２Ｃ及び（Ｆｅ、Ｗ）_６Ｃ炭化物は微細構造中に存在しない。

図２及び図３は、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、及びＣの粉末から得られた材料の顕微鏡写真を示す。Ｃｏは球状の粉末で、純度９９.８％、ガス噴霧され、及び粒子径≦４５μｍであった。Ｔｉは球状の粉末で、純度９９.９％、ガス噴霧され、粒子径１５～４５μｍであった。Ｗ粉末は純度９９.９％、粒子径≦２５μｍであった。Ｔａ粉末の場合、純度は９９.９７％、粒子径は３２５メッシュ（≦４４μｍ）であった。Ｃでは、粒径≦２０μｍの人造黒鉛粉末を使用した。粉末の比率は重量％でＣｏが０.１７５、Ｔｉが０.１６、Ｗが０.５７７３、Ｔａが０.００９４、Ｃが０.０７８３であった。これは、１７.５重量％のＣｏ、２０重量％のＴｉＣ、６１.５重量％のＷＣ、及び１重量％のＴａＣに相当し、４.５～２０重量％のマトリックス（Ｆｅ及びＣｏ）、６０～８５重量％のＷＣ、１０～２５重量％のＴｉＣ、及び必要に応じて０.５～８％の（ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＣｒＣ、ＺｃＣ、個別値又は合計値）を有する最終材料が得られる。

堆積された材料３４は、Ｆｅ及びＣｏの金属マトリックス、及びＷ、並びにＴｉＣ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ及びＴａＣとなる複数のタイプの炭化物からなる。図２から、形成された固体材料３４の微細構造は、連続的なマトリックス中に、球状となり凝集した樹枝状の混合炭化物を含むことが分かる。（Ｆｅ、Ｗ）_１２Ｃ及び（Ｆｅ、Ｗ）_６Ｃの樹枝状構造は含まれていない。マトリックスは連続しており、Ｆｅ、Ｃｏ、及び未反応のＷを含んでいる。エリア１、２、３、及び５は炭化物凝集体を示し、エリア４は樹枝状炭化物を示し、エリア６は球状炭化物を示す。図２の明るい（白い）炭化物は、多くの六角形ＷＣに関連する。図２の濃い（灰色の）炭化物は、ＦＣＣタイプのＴｉＣ及び（Ｔｉ、Ｗ）Ｃの含有量が高いことと関連している。ＦＣＣ構造のＴａＣの存在は、炭化物形成の一部において観察することができる。

図３に、より高い倍率で示されているように、球状炭化物の大部分は、中心にＦＣＣ構造（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ炭化物があり、六角形のＷＣで囲まれている。ＴｉＣの球状炭化物の粒径は、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒが炭化物ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＣｒＣ、ＺｒＣとして使用される場合、１～５μｍである。

代替的な材料では、０．５～２０重量％の金属マトリックス、６０～８５重量％のＷＣ、１０～２５重量％のＴｉＣ、及び必要に応じて０．５～８％の添加剤の組成を有する。純粋な炭化タングステン粉末がチタン粉末と共に鋼ストリップに堆積され、メルトプールが凝固した後のストリップエッジの材料組成は、ＷＣが６０～８５重量％、ＴｉＣが１０～２５重量％、メルトプール３２で溶融したときに鋼帯の成分から得られる金属マトリックスが０.５～２０重量％となる。この場合もチタンは（Ｗ、Ｆｅ）Ｃの形成を防止する。必要に応じて、炭化タングステン粉末及びチタン粉末と共に、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、及びＨｆの１つ又は複数の添加物を加えることができる。

Claims (15)

1. ６０～８５重量％の炭化タングステン、１０～２５重量％の炭化チタンを含む炭化物材料であって、前記炭化物材料は球状の炭化物を含み、前記球状の炭化物は中心にＦＣＣ構造（Ｔｉ、Ｗ）Ｃ炭化物があり、六角形のＷＣで囲まれ、直径が１～５μｍの粒径であることを特徴とする炭化物材料。
2. Ｆｅを含む０．５～２０重量％の金属マトリックスをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の炭化物材料。
3. 前記金属マトリックスは４．５～２０重量％の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の炭化物材料。
4. 前記金属マトリックスは金属Ｃｏ又はＮｉの少なくとも１つ又は両方をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の炭化物材料。
5. 前記金属マトリックスはＣｏ及びＦｅを含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の炭化物材料。
6. ０．５～８重量％の範囲の付加的な化合物をさらに含み、前記付加的な化合物は、ＴａＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＺｒＣ、Ｃｒ３Ｃ２及びＣｒ７Ｃ３の１つ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の炭化物材料。
7. 鉄基板と前記鉄基板の少なくとも一部に形成された請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の炭化物材料とを含む装置。
8. 装置の製造方法であって、前記製造方法は、炭素、タングステン、及びスカベンジャー材料を含む粉末を混合するステップと、前記混合した粉末を鉄基板の近くに配置するステップと、粉末材料にエネルギー源を衝突させて、前記粉末と基板の材料で形成されたメルトプールを作成するステップと、前記メルトプールを凝固させて、（Ｗ、Ｆｅ）６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）１２Ｃタイプの鉄炭化タングステンを含まない炭化物材料を形成するステップと、を具備し、前記スカベンジャー材料は前記炭化物材料の１０～２５重量％のチタンであることを特徴とする装置の製造方法。
9. 前記炭化物材料は（Ｗ、Ｆｅ）６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）１２Ｃタイプの鉄炭化タングステンを０.０１％以下しか含まないことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
10. 前記炭化物材料は（Ｗ、Ｆｅ）６Ｃ及び（Ｗ、Ｆｅ）１２Ｃタイプの鉄炭化タングステンを０.００１％以下しか含まないことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
11. 切断装置の製造方法であって、前記製造方法は、炭素、タングステン、及びチタンを含む粉末を混合するステップと、前記混合した粉末を鉄基板の近くに配置するステップと、粉末材料にエネルギー源を衝突させて、前記粉末と基板の材料で形成されたメルトプールを作成するステップと、前記メルトプールを凝固させて、６０～８５重量％の炭化タングステン、１０～２５重量％の炭化チタンを含む炭化物材料を形成するステップと、を具備し、前記メルトプールは１５００℃～３０００℃の温度で形成されることを特徴とする切断装置の製造方法。
12. 前記粉末は金属Ｃｏ又はＮｉの少なくとも１つ、又はこれらの混合物をさらに含むことを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の製造方法。
13. 前記粉末はＴａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びＣｒのうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の製造方法。
14. 前記エネルギー源は３００Ｗから２ｋＷまでの間の電力を生じさせることを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれか１項に記載の製造方法。
15. 前記鉄基板を前記エネルギー源に対して０．０１ｍ／分～６ｍ／分のトラバース速度で移動させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８乃至請求項１４のいずれか１項に記載の製造方法。