球状鋳造炭化タングステン粉末は、新しいタイプの耐摩耗性の高いセラミック粒子材料です。従来の炭化タングステンと比較して、球状鋳造炭化タングステンには 2 つの大きな利点があります。まず、外観は規則的な球形であり、粉末の流動性と湿潤性に優れています。添加粒子として使用すると、周囲の構造物とのなじみ性に優れ、応力集中を軽減します。第二に、炭化タングステン粒子の内部構造は緻密であり、コーティングとして良好な靭性、微細な粒径、高硬度、および優れた耐摩耗性を示します。負荷がかかっても破損しにくいです。

球状鋳造タングステンカーバイド粉末は、その優れた性能により、鉱山機械、石油機械、建設業界、鋳造工場などの表面保護用途において、従来のタングステンカーバイド粉末に徐々に取って代わりつつあります。部品の耐摩耗性、耐腐食性、耐酸化性を大幅に向上させ、寿命を延ばします。

以下では、さまざまな方法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末の化学組成、微細形態、微細構造、微小硬度、およびその他の粉末特性を調査します。

1.炭化物粉末サンプルの化学組成

上の表は、異なる方法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末サンプルの化学組成を示しています。球状鋳造タングステンカーバイド粉末の主成分はタングステン（W）と炭素（C）で、微量の鉄（Fe）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、ニオブ（Nb）が含まれていることがわかります。球状鋳造タングステンカーバイドの理想的な組成は、共晶WC相とW2C相で構成され、共晶温度は25〜25℃、共晶点における炭素含有量は3.840%（質量分率）です。表のデータから、プラズマ回転電極噴霧法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末は、理論炭素含有量からの偏差が最も小さく、遊離炭素含有量が最も低いことがわかります。一方、誘導溶解・アトマイズ法で得られた粉末は、理論炭素含有量との差が最も大きく、0.170%（質量分率）の差がありました。これは、誘導溶解プロセスにおいて黒鉛管加熱を用いることで炭素含有量が増加するためと考えられます。そのため、プラズマ回転電極アトマイズ法は、他の方法と比較して、球状鋳造タングステンカーバイド粉末の炭素含有量をより正確に制御でき、浸炭・脱炭による過共晶・亜共晶反応を防ぎ、ほぼ完全な共晶微細構造を実現できます。これは、球状鋳造タングステンカーバイドの微細構造と特性を向上させる上で非常に重要です。

2.顕微鏡的形態学

上の図は、異なる方法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末の微細構造を示しています。3つの方法すべてで得られた球状鋳造タングステンカーバイド粉末は、規則的で滑らかな球形に近い形状を呈していることがわかります。

上図は、異なる方法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末の断面写真です。(a)と(b)から、プラズマ回転電極噴霧法で製造された球状タングステンカーバイド粉末は、粒子内部が緻密で欠陥がほとんどないことが分かります。一方、(c)と(d)から、プラズマ溶融噴霧法や誘導溶融噴霧法で製造された球状タングステンカーバイド粉末は、内部構造に目立った気孔や中空粒子が見られることが分かります。その主な原因は、上記の方法で原料として使用される粉砕タングステンカーバイド粉末に、鋳造工程で生じた残留気孔が含まれている可能性があるためです。短時間のプラズマ加熱または誘導加熱処理では、粉砕タングステンカーバイド粉末の内部が完全に溶融することが困難になり、粒子内部に気孔が発生します。

3.微細構造

上の図は、異なる方法で作製された球状鋳造タングステンカーバイド粉末粒子の腐食後の微細構造の顕微鏡画像を示しています。3つの方法すべてにおいて、粒子の内部構造は主にWC相とW2C相の典型的な細針状の共晶構造で構成されていることがわかります。プラズマ溶融アトマイズ法や誘導溶融アトマイズ法と比較すると、プラズマ回転電極アトマイズ法で得られた球状鋳造タングステンカーバイド粉末の共晶微細構造はより細かく密度が高いように見えます。これは、プラズマ溶融アトマイズ法や誘導溶融アトマイズ法とは対照的に、プラズマ回転電極アトマイズ法はタングステンカーバイド原料棒を完全に溶融し、遠心力で急速に凝固させるためです。溶融タングステンカーバイドの結晶化中の過冷却度が高いため、核生成がより速く、結晶核の形成数が多くなり、共晶微細構造がより細かくなります。

4.微小硬度

下の表は、異なる方法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末の平均マイクロ硬度を示しています。3つの方法すべてで得られた球状鋳造タングステンカーバイド粉末のマイクロ硬度は2800 HV0.1を超えていることがわかります。その中でも、プラズマ回転電極噴霧法で製造された粉末は最も高いマイクロ硬度を示し、3045 HV0.1に達しています。これは主に、プラズマ回転電極噴霧法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末内の共晶組織がより微細で高密度であるためです。

5.その他の物理的特性

下の表は、異なる方法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末の流動性とタップ密度を示しています。プラズマ回転電極噴霧法で得られた粉末は、流動性が最も悪く、タップ密度も最も低いことがわかります。一方、誘導溶融噴霧法で得られた粉末は、流動性が最も良く、タップ密度が最も高くなっています。

結論

（１）プラズマ回転電極噴霧法で製造された球状鋳造タングステンカーバイド粉末は、理論上の炭素含有量および共晶炭素含有量からの偏差が最も小さく、遊離炭素含有量が最も低く、不純物含有量が比較的低い。

（2）プラズマ回転電極噴霧法で得られた球状炭化タングステン粉末粒子の内部構造は緻密で、欠陥はほとんどなく、共晶組織はより微細で緻密である。一方、プラズマ溶融噴霧法や誘導溶融噴霧法で得られた粒子は、内部構造内に目立った気孔や中空粒子が見られる。

（３）これら３つの方法によって、主にWC相とW2C相からなる球状の鋳造タングステンカーバイド粉末が得られる。

（4）3つの方法すべてで得られた球状鋳造タングステンカーバイド粉末の微小硬度は2800 HV0.1以上である。その中で、プラズマ回転電極噴霧法で製造された粉末は最も高い微小硬度を示し、3045 HV0.1に達した。誘導溶融噴霧法で製造された粉末は良好な流動性と最も高いタップ密度を示した。