【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物粒子分散合金層を表面に有する金属部材の製造方法に係り、また摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物分散合金層を表面に有する金属部材は、弁等の摺動部品に使用されている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、ほう化クロム粒子を分散させたクロム−ホウ素−けい素系のニッケル基合金により、弁の摺動面を形成することが記載されている。また、特許文献２には、粒状又は塊状の共晶炭化物が分散したコバルト基，ニッケル基又は鉄基合金により弁の摺動面を形成することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−６３２５１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開２００１−２８８５２１号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、いずれも、合金中に硬質の化合物粒子を分散させることによって、耐摩耗性及び耐焼き付き性を高めたものである。硬質の化合物粒が分散した合金は、一般に延性が乏しく加工しにくい。したがって、弁の本体は加工性の良い他の金属で形成し、摺動面のみに化合物粒子分散合金層を形成することが行われる。化合物粒子分散合金層を形成する方法としては、溶接が最も一般的であるが、溶接を行うと溶融により粗大な化合物を含む凝固組織になってしまい、当初の微細な粒子の状態を保持できない。
【０００６】
本発明の目的は、溶接等の接合手段を採らずに、化合物粒子分散合金層を金属部材の表面に形成することができるようにしたことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に化合物粒子分散合金層を有する金属部材を、熱間静水圧成形（ｈｏｔ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工によって製造することにある。
【０００８】
前記熱間塑性加工を施すに当たっては、化合物を含む合金の粉末を用意して、これを容器に封入する。封入する際には、容器内に溜まっている気体主に空気を排気して、粉末の酸化を防ぐことが望ましい。粉末を容器に封入した状態で、熱間静水圧成形と熱間押出し加工の一方又は両方を施す。これらの塑性加工により、化合物は分断されて粒状又は塊状になる。また、粉末同士が金属的に結合する。容器が金属でできていれば、金属容器と粉末も金属的に結合する。粉末の一部が金属容器の内面に食い込む現象も起こる。前記熱間塑性加工が終了したならば、機械加工、例えばワイヤカットによる切削加工を行う。前記容器が筒状の金属容器であれば、化合物粒子分散合金層を内表面に有する筒状金属部材を製造することができる。
【０００９】
また、粉末を容器内に封入するときに、同時に金属部材を挿入しておけば、金属部材の表面に化合物粒子分散合金層が形成された金属部材を製造することができる。管状の金属部材の内面に化合物粒子分散合金層を形成する場合には、管状の金属部材が容器を兼ねることができる。
【００１０】
本発明は、弁の摺動面あるいは弁の軸，はめ輪，ブッシュ等に化合物粒子分散合金層を形成する方法として好適である。
【００１１】
本発明の製造方法を実施する場合に好適な化合物粒子分散合金の例としては、けい化物とほう化物及び炭化物から選ばれた少なくとも１種を含むニッケル基，コバルト基或いは鉄基合金がある。
【００１２】
ニッケル基合金としては、けい素を８重量％以下，ほう素を０〜４重量％，クロムを７〜３０重量％，炭素を１．２ 重量％以下，タングステンを０〜５重量％，鉄を４２重量％以下かつニッケル量を超えない範囲で含み、残部がニッケルよりなるものが望ましい。
【００１３】
また、合金粉末には、合金の溶湯より噴霧することによって製造されたアトマイズ粉末を用いることが望ましい。アトマイズ粉は、きれいな丸みを帯びた粒子になるので、容器に詰めるのに適する。噴霧方法としては、液体を噴霧する方法及びガスを噴霧する方法がいずれも適用可能であるが、不活性ガスを噴霧する方法が望ましい。水アトマイズは、粉末の表面が酸化されやすく、また、この酸化を伴うために丸い形状の粒子が得られにくい。不活性ガスアトマイズ粉は、酸化がなく、丸い形状の粒子が得られやすい。
【００１４】
粉末を容器に封入する段階では、化合物を粒子状にしておく必要はない。アトマイズ粉では、溶湯が粉化されたのち凝固する過程で、化合物がデンドライト状に析出するが、それを用いることができる。たとえば、前記化学成分範囲のニッケル基合金よりなるアトマイズ粉は、けい化物と場合によってほう化物がデンドライト状に析出するが、それを用いることができる。デンドライト状の析出物は、熱間静水圧成形または熱間押出し加工の過程で、粒状又は塊状に分断される。
【００１５】
本発明の方法によれば、溶接等の接合工程を経ずに、金属部材の表面に化合物粒子分散合金層を形成することができる。また、前記合金層は、金属部材の表面に形成される過程で溶融したりすることはないので、微細な粒状または塊状をした化合物粒子を分散させることができる。
【００１６】
熱間静水圧成形または熱間押出し加工は、一般に知られている方法で行うことができる。例えば、熱間静水圧成形方法としては、アルゴンガスなどの不活性ガスを圧力媒体とし、粉末を封入した容器を所定の温度と圧力の下で加圧処理する方法が知られているが、この方法を適用することができる。また、熱間押出し加工方法としては、ダイスを用いて素材を押し出すことが知られているが、この方法を適用して、粉末を封入した容器を押し出すことができる。
【００１７】
本発明によれば、熱間静水圧成形及び熱間押出し加工から選ばれた少なくとも一方よりなる熱間塑性加工によって化合物粒子分散合金層が形成され、かつその塑性加工時に摺動部材の本体と一体化された摺動部材が提供される。
【００１８】
本発明の摺動部材は、各種弁に用いることができる。また、スイング弁（ｓｗｉｎｇｃｈｅｃｋ ｖａｌｖｅ）やちょう型弁（ｂｕｔｔｅｒｆｌｙ ｖａｌｖｅ）の軸，はめ輪或いはブッシュ等に用いることができる。
【００１９】
摺動部材に用いる場合には、炭素鋼，低合金鋼またはステンレス鋼よりなる部材の表面に、けい化物粒子，ほう化物粒子及び炭化物粒子の少なくとも１種を分散したニッケル基合金，コバルト基合金または鉄基合金の層を形成することが望ましい。粒状または塊状の前記化合物粒子が分散したニッケル基合金，コバルト基合金または鉄基合金は、耐摩耗性及び耐焼き付き性が優れており、摺動部材に適する。また、摺動部材に用いる場合、化合物粒子分散合金層の表面に更に硬質のセラミックス皮膜をコーティングして耐摩耗性を高めてもよい。セラミックス材料には、窒化クロム（ＣｒＮ），窒化チタン（ＴｉＮ），炭化チタン（ＴｉＣ）或いは炭化ハフニウム（ＨｆＣ）などを用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施例１
重量％でけい素６．１％，ほう素１．１％，クロム１９．７％，炭素０．３２％，タングステン２．０％，鉄７．６％を含み、残部がニッケルと同伴する不純物よりなるニッケル基合金の粉末を不活性ガスアトマイズ法により製造した。粒度分布が７０〜２５０メッシュの前記ニッケル基合金粉末を、外径１４５ｍｍφ，内径
１２３ｍｍφの炭素鋼Ｓ１２Ｃ製の中空円筒形状をした容器に充填し、常温で圧縮成形してから容器を密封した。その後、約９５０℃の温度で熱間静水圧成形を行い、更に９５０℃の温度で熱間押出し加工を行った。熱間押出し加工は、押し出し圧力が約５，０００ｋｇ／ｃｍ２，ステム速度が２０ｍｍ／秒の条件で行った。容器は、外径が６０ｍｍφになるまで加工された。その後、機械加工を施して、各種試験片を切り出し各種の試験を行った。
【００２１】
ニッケル基合金は、粉末同士が相互に金属的に結合していた。また、ニッケル基合金粉末は、炭素鋼製の容器とも金属的に結合していた。更に粉末の一部は、炭素鋼製の円筒容器の内部まで食い込み、容器と強固に結合していた。また、炭素鋼製の円筒状容器の内面に形成されたニッケル基合金層は、アトマイズ粉の状態ではデンドライト状になっていた化合物が、粒径１０μｍ以下の粒状または塊状をした化合物に粒子に分断されていた。化合物は主にけい化物であり、一部ほう化物も含まれていた。
【００２２】
各種試験では、本実施例によって製造されたニッケル基合金層から溶接棒を切り出して、肉盛溶接を行ったものと比較した。
【００２３】
まず、本発明の実施例によるニッケル基合金層は、肉盛溶接材に比べて、延性が３倍以上も優れていた。また、本発明によるものは、肉盛溶接材に比べて、ノッチ無し衝撃試験では約２．５ 倍、Ｕノッチ衝撃試験では約１．４ 倍も高い衝撃値を示した。硬さは本発明材及び肉盛溶接材ともにＨｖ５５０〜６００の範囲内であった。
【００２４】
沸騰硫酸と硫酸銅を含む水溶液中に試験片を７２時間浸漬するストラウス試験（ＪＩＳＧ０５７５）を行い、試験後に断面を観察したところ、本発明によるものは侵食深さが最大で１０μｍ以下であり、肉盛溶接材の最大侵食深さ約２００μｍに比べて、耐食性が優れていた。
【００２５】
表面に窒化クロム膜をコーティングした析出硬化型ステンレス鋼ＳＵＳ６３０を摺動相手材に用いて、面圧２０００ｋｇ／ｃｍ２ ，摺動速度３００ｍｍ／分の条件で高温水中における摩擦係数を測定したところ、本発明材は０．３４ であり、肉盛溶接材は０．４３ であった。これより、本発明材は、回転摺動部或いは往復摺動部を有するスイング弁やちょう型弁の軸，はめ輪等に使用するのに適することが確認された。
【００２６】
実施例２
重量％でけい素６．０％，ほう素１．６％，クロム２０．０％，炭素０．７％，タングステン１．６％，鉄５．０％を含み、残部がニッケルと同伴する不純物よりなるニッケル基合金の不活性ガスアトマイズ粉を、外径１４５ｍｍφ，内径１２３ｍｍφの低合金鋼Ｆ１１Ａ（１．５クロム−０．５モリブデン鋼）製の中空円筒形状をした容器に充填して密封し、約９００℃の温度で熱間静水圧成形及び熱間押出し加工を行って、外径７０ｍｍφに加工した。機械加工により円筒状容器を切断したところ、内径は５６ｍｍφであり、金属組織のマトリクスに粒径１０μｍ以下の粒状または塊状のけい化物粒子とほう化物粒子等が分散しているニッケル基合金が詰まっていた。低合金鋼製の円筒状容器とその内部に詰まっているニッケル基合金との間のせん断強度を測定したところ、１５ｋｇ／ｍｍ２以上であった。せん断強度が低い場合には、剥離等が生じやすくなり、スイング弁のはめ輪には適用しにくくなる。本実施例材は、合金層と低合金鋼との界面に１５ｋｇ／ｍｍ２ のせん断力が負荷されても破断せず、例えばはめ輪の摺動相手材である逆止弁の軸との摩擦係数を０．５とすれば、約３，０００気圧（３０００ｋｇ／ｃｍ２）の面圧に耐えられることが確認された。
【００２７】
本実施例材から、外径６８ｍｍφ，内径５０ｍｍφ，長さ１６０ｍｍのスイング逆止弁のはめ輪を機械加工により製作した。低合金鋼製の円筒の内側には厚さ３ｍｍのニッケル基合金層が形成されている。
【００２８】
一方、スイング逆止弁の軸として、析出硬化型ステンレス鋼ＳＵＳ６３０
（１７−４ＰＨ）の表面に窒化クロム膜を約１０μｍの厚さに蒸着によりコーティングした、外径５０ｍｍφの軸を作製した。
【００２９】
更に、外径７０ｍｍφの本実施例材から、長さ１５０ｍｍのものを切り出し、９５０〜１０００℃の温度で軸方向に垂直に熱間プレスして外径を１００ｍｍφ以上に拡張し、これから弁体ブッシュを機械加工により製作した。
【００３０】
本実施例品は、肉盛溶接材に比べて、機械的衝撃に強く割れにくく、また耐食性も良好であった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、粒状または塊状の化合物粒子が分散する合金層を表面に有する金属部材を、溶接等の接合方法を経ずに製造することができる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a metal member having a compound particle-dispersed alloy layer on the surface, and also relates to a sliding member.
[0002]
[Prior art]
A metal member having a compound-dispersed alloy layer on its surface is used for sliding parts such as valves (for example, see Patent Documents 1 and 2).
[0003]
Patent Document 1 describes that a sliding surface of a valve is formed by a chromium-boron-silicon-based nickel-based alloy in which chromium boride particles are dispersed. Patent Literature 2 describes that a sliding surface of a valve is formed of a cobalt-based, nickel-based, or iron-based alloy in which granular or massive eutectic carbide is dispersed.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-63251 (Claims)
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-288521 (Claims)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In each of the prior arts, hard compound particles are dispersed in an alloy to improve wear resistance and seizure resistance. Alloys in which hard compound particles are dispersed generally have poor ductility and are difficult to process. Therefore, the main body of the valve is formed of another metal having good workability, and the compound particle dispersed alloy layer is formed only on the sliding surface. As a method of forming the compound particle dispersed alloy layer, welding is the most common method. However, when welding is performed, a solidified structure containing a coarse compound is formed by melting, and the initial fine particle state cannot be maintained.
[0006]
An object of the present invention is to be able to form a compound particle-dispersed alloy layer on the surface of a metal member without using a joining means such as welding.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to produce a metal member having a compound particle dispersed alloy layer on its surface by hot plastic working comprising at least one selected from hot isostatic pressing and hot extrusion. .
[0008]
In carrying out the hot plastic working, an alloy powder containing a compound is prepared and sealed in a container. At the time of encapsulation, it is desirable to evacuate mainly the gas accumulated in the container to prevent oxidation of the powder. With the powder enclosed in a container, one or both of hot isostatic pressing and hot extrusion are performed. Due to these plastic workings, the compound is divided into granules or aggregates. Further, the powders are metallically bonded to each other. If the container is made of metal, the metal container and the powder also combine metallically. A phenomenon that a part of the powder digs into the inner surface of the metal container also occurs. When the hot plastic working is completed, machining, for example, cutting by wire cutting is performed. When the container is a cylindrical metal container, a cylindrical metal member having a compound particle-dispersed alloy layer on the inner surface can be manufactured.
[0009]
In addition, when the metal member is inserted at the same time when the powder is sealed in the container, a metal member having the compound particle-dispersed alloy layer formed on the surface of the metal member can be manufactured. When the compound particle-dispersed alloy layer is formed on the inner surface of the tubular metal member, the tubular metal member can also serve as the container.
[0010]
The present invention is suitable as a method for forming a compound particle-dispersed alloy layer on a sliding surface of a valve or a valve shaft, a ferrule, a bush, or the like.
[0011]
An example of a compound particle dispersed alloy suitable for carrying out the production method of the present invention is a nickel-based, cobalt-based or iron-based alloy containing at least one selected from silicides, borides and carbides.
[0012]
As the nickel-based alloy, silicon is 8% by weight or less, boron is 0 to 4% by weight, chromium is 7 to 30% by weight, carbon is 1.2% by weight or less, tungsten is 0 to 5% by weight, iron is Desirably, the content is not more than 42% by weight and does not exceed the nickel amount, and the balance is made of nickel.
[0013]
It is desirable to use atomized powder produced by spraying from a molten alloy as the alloy powder. Atomized flour is suitable for packing in containers as it becomes clean, rounded particles. As a spraying method, any of a method of spraying a liquid and a method of spraying a gas can be applied, but a method of spraying an inert gas is preferable. In the water atomization, the surface of the powder is easily oxidized, and because of this oxidation, it is difficult to obtain round particles. The inert gas atomized powder is not oxidized, and round particles are easily obtained.
[0014]
At the stage of enclosing the powder in the container, it is not necessary to keep the compound in particulate form. In the atomized powder, the compound precipitates in the form of dendrite in the process of solidifying the molten metal after it is pulverized, and it can be used. For example, in the atomized powder composed of a nickel-based alloy having the above-mentioned chemical composition range, silicide and, in some cases, boride precipitate in the form of dendrite. The dendrite-like precipitate is divided into granules or blocks in the course of hot isostatic pressing or hot extrusion.
[0015]
According to the method of the present invention, a compound particle-dispersed alloy layer can be formed on the surface of a metal member without performing a joining step such as welding. Further, since the alloy layer is not melted in the process of being formed on the surface of the metal member, fine granular or massive compound particles can be dispersed.
[0016]
Hot isostatic pressing or hot extrusion can be carried out by generally known methods. For example, as a hot isostatic pressing method, a method is known in which an inert gas such as argon gas is used as a pressure medium, and a container in which powder is sealed is subjected to pressure treatment at a predetermined temperature and pressure. The method can be applied. As a hot extrusion method, it is known that a material is extruded using a die. However, this method can be applied to extrude a container enclosing a powder.
[0017]
According to the present invention, the compound particle-dispersed alloy layer is formed by hot plastic working comprising at least one selected from hot isostatic pressing and hot extrusion, and is integrated with the main body of the sliding member during the plastic working. A sliding member is provided.
[0018]
The sliding member of the present invention can be used for various valves. Further, it can be used for a shaft, a ferrule or a bush of a swing check valve or a butterfly valve.
[0019]
When used as a sliding member, a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy or a nickel-based alloy in which at least one of silicide particles, boride particles and carbide particles is dispersed on the surface of a member made of carbon steel, low alloy steel or stainless steel. It is desirable to form a layer of an iron-based alloy. Nickel-based alloys, cobalt-based alloys, or iron-based alloys in which the granular or massive compound particles are dispersed have excellent wear resistance and seizure resistance, and are suitable for sliding members. When used for a sliding member, the surface of the compound particle-dispersed alloy layer may be further coated with a hard ceramic film to enhance wear resistance. As the ceramic material, chromium nitride (CrN), titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC), hafnium carbide (HfC), or the like can be used.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Example 1
Impurities containing 6.1% by weight of silicon, 1.1% of boron, 19.7% of chromium, 0.32% of carbon, 2.0% of tungsten, and 7.6% of iron in weight% with the balance being nickel A nickel-based alloy powder was produced by an inert gas atomizing method. The nickel-base alloy powder having a particle size distribution of 70 to 250 mesh was filled in a hollow cylindrical container made of carbon steel S12C having an outer diameter of 145 mmφ and an inner diameter of 123 mmφ, and was compression-molded at room temperature, and then the container was sealed. Thereafter, hot isostatic pressing was performed at a temperature of about 950 ° C., and hot extrusion was performed at a temperature of 950 ° C. The hot extrusion was performed under the conditions of an extrusion pressure of about 5,000 kg / cm 2 and a stem speed of 20 mm / sec. The container was processed until the outer diameter became 60 mmφ. Then, it machined and cut out various test pieces and performed various tests.
[0021]
In the nickel-based alloy, the powders were metallically bonded to each other. In addition, the nickel-based alloy powder was also metallically bonded to a carbon steel container. Further, a part of the powder penetrated into the inside of the cylindrical container made of carbon steel, and was strongly bonded to the container. In addition, in the nickel-based alloy layer formed on the inner surface of the cylindrical container made of carbon steel, the compound which was in the form of dendrite in the state of atomized powder was divided into particles having a particle size of 10 μm or less into particles or aggregates. It had been. The compound was mainly a silicide, and a part was also a boride.
[0022]
In various tests, a welding rod was cut out from the nickel-based alloy layer manufactured according to the present example, and compared with the one obtained by overlay welding.
[0023]
First, the nickel-based alloy layer according to the example of the present invention was more than three times more ductile than the build-up welding material. In addition, the steel according to the present invention exhibited an impact value about 2.5 times higher in the notch impact test and about 1.4 times higher in the U notch impact test as compared with the overlay welding material. The hardness was in the range of Hv550 to 600 for both the material of the present invention and the build-up welded material.
[0024]
A Strauss test (JIS G0575) was performed in which the test piece was immersed in an aqueous solution containing boiling sulfuric acid and copper sulfate for 72 hours, and the cross section was observed after the test. The erosion depth of the test piece according to the present invention was 10 μm or less at the maximum. The corrosion resistance was superior to the maximum erosion depth of the welded material of about 200 μm.
[0025]
Using a precipitation hardening stainless steel SUS630 having a surface coated with a chromium nitride film as a sliding partner, the friction coefficient in high-temperature water was measured under the conditions of a surface pressure of 2000 kg / cm 2 and a sliding speed of 300 mm / min. The invented material was 0.34, and the build-up welded material was 0.43. From this, it was confirmed that the material of the present invention is suitable for use in a shaft of a swing valve or a butterfly valve having a rotary sliding portion or a reciprocating sliding portion, a ferrule, and the like.
[0026]
Example 2
Impurities containing 6.0% by weight of silicon, 1.6% of boron, 20.0% of chromium, 0.7% of carbon, 1.6% of tungsten, and 5.0% of iron by weight%, with the balance being nickel. An inert gas atomized powder of a nickel-based alloy comprising a hollow cylindrical container made of low alloy steel F11A (1.5 chromium-0.5 molybdenum steel) having an outer diameter of 145 mmφ and an inner diameter of 123 mmφ is sealed and sealed. Hot isostatic pressing and hot extrusion were performed at a temperature of about 900 ° C. to obtain an outer diameter of 70 mmφ. When the cylindrical container was cut by machining, the inner diameter was 56 mmφ, and the matrix of the metal structure was clogged with a nickel-based alloy in which granular or massive silicide particles having a particle size of 10 μm or less and boride particles were dispersed. Was. When the shear strength between the cylindrical container made of low alloy steel and the nickel-based alloy packed in the inside thereof was measured, it was 15 kg / mm 2 or more. When the shear strength is low, peeling or the like is likely to occur, and it is difficult to apply to a ferrule of a swing valve. The material of the present embodiment does not break even when a shearing force of 15 kg / mm 2 is applied to the interface between the alloy layer and the low alloy steel, for example, friction with the shaft of a check valve, which is a sliding partner of the ferrule. It was confirmed that when the coefficient was set to 0.5, it could withstand a surface pressure of about 3,000 atmospheres (3000 kg / cm 2 ).
[0027]
A ferrule of a swing check valve having an outer diameter of 68 mmφ, an inner diameter of 50 mmφ, and a length of 160 mm was manufactured from the material of this example by machining. A nickel-based alloy layer having a thickness of 3 mm is formed inside a low alloy steel cylinder.
[0028]
On the other hand, a precipitation hardening stainless steel SUS630 is used as a shaft of the swing check valve.
A shaft having an outer diameter of 50 mmφ was prepared by coating the surface of (17-4PH) with a chromium nitride film to a thickness of about 10 μm by vapor deposition.
[0029]
Further, a material having a length of 150 mm was cut out from the material of the present example having an outer diameter of 70 mmφ, and hot-pressed vertically in the axial direction at a temperature of 950 to 1000 ° C. to expand the outer diameter to 100 mmφ or more. Was manufactured by machining.
[0030]
The product of the present example was strong against mechanical impact, was hard to crack, and had good corrosion resistance as compared with the overlay welding material.
[0031]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal member which has the alloy layer in which a granular or massive compound particle disperse | distributes on a surface can be manufactured, without going through joining methods, such as welding.