JP2010037598A - 耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
付加工程の負担を低減した耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法を提供する。
【解決手段】
耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法は、円柱状外周面を有する犠牲部材の外周面上に耐磨耗性硬化層を形成し、耐磨耗性硬化層の外径に対応する内径の円筒状基材の内径部に耐磨耗性硬化層を形成した犠牲部材を嵌め込んで、複合部材を形成し、複合部材を加熱し、耐磨耗性硬化層中に少なくとも部分的液相を生じさせ、基材の内径部と耐磨耗性硬化層の間で構成元素の拡散を生じさせ、犠牲部材を除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、耐磨耗製表面を有する部材の製造方法に関し、特に内周面に耐磨耗性硬化層を形成する、耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法に関する。

Ｎｉ基、Ｃｏ基のＢ含有合金は、共晶組成の利用により低い融点を有し、その良好な耐磨耗性、耐食性から種々の金属材料部材の表面改質材料として注目されている。目的とする特性に応じて、さらにＣｒ，Ｓｉなどを添加する。Ｃｒは耐食性を向上し、Ｓｉは融点をさらに低下させる。Ｎｉ基、Ｃｏ基のＢ含有合金の施工法としては、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、遠心鋳造法などの大型の加工装置を必要とする方法の他、プラズマ移行型アーク溶接（ＰＴＡ）法などの肉盛り溶接、溶射などのコストパフォーマンスの良い方法が知られている。

通常の肉盛り溶接は、ワークと溶接棒との間の放電により溶接棒の材料をワークに溶融付着させる。ＰＴＡ法では、キャリアガスに搬送された粉体をプラズマアークで溶融し、対象物上に肉盛り溶接する。溶射は、金属材料粉末を溶かし、スプレー状にワークに吹きつけ被膜を形成させる。熱源が燃焼ガスである高速フレーム溶射、熱源がプラズマに与える電力であるプラズマ溶射等が知られている。

特開平２−１７３２３７号は、Ｂを４−６ｗｔ％含むＣｏまたはＣｏ−Ｎｉ合金粉末またはＮｉ合金粉末に、１）Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒの粉末をＢの４倍以下、および２）Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの粉末をＢの２倍以下、混合した後、成形して、共晶温度に加熱して表面硬化用焼結合金を得ることを提案する。硼化物の密度が小さいＴｉ，Ｖ，Ｃｒは体積収縮率が小さく、硼化物の密度が大きいＷ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａは体積収縮率が大きい現象を利用している。

特開平９−１３１６１号は、Ｂを２−１２ｗｔ％含むＣｏ合金粉末に、Ｍｏ炭化物，Ｗ炭化物を１０ｗｔ％以上、かつＣ量の合計がモル比でＢ量の１．５倍以下となるように配合した混合粉末を被処理物の表面に溶射した後、これを加熱処理して遊離炭素を析出させることを提案する。Ｃｏ合金中のＢがＭｏ，Ｗと反応して複硼化物となり、Ｃが遊離し、析出する。全炭化物が硼化物と反応することはないので、炭化物の下限と炭素量の上限が規定されている。

円筒型部材の内面に硬化層を形成するような場合、円筒の内径、深さなどにより種々の制約を受ける。通常の肉盛り溶接は、内径がおよそ７０ｍｍφ以下の内径面への施工が困難であると言われている。

特開平１１−２０７７９６号は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系合金（コルモノイ）粉末をプレス金型に入れ、圧力２０トンで加圧成形して、例えば外径３０ｍｍ、内径２４ｍｍ、高さ２０ｍｍを有する円筒状の加圧成形体を複数個作成し、外径４６ｍｍ、内径３０．１ｍｍ、高さ３００ｍｍのＳＵＳパイプに１５個の加圧成形体を挿入し、真空雰囲気中、１０２０℃で１０分加熱すると、パイプ内周面に合金層が形成され、パイプと合金層との間に空隙は見られず、金属的な結合が観察されたと報告する。Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ系合金（オレックス）粉末を用いてもよい、加熱温度を合金粉末の液相線温度以上にすると合金は溶融落下する、加熱温度を合金粉末の固相線温度以下にするとパイプと加圧成形体が結合されないと開示する。

溶射法では、近年、内径用溶射ガンの開発が盛んに行われ、内径３０ｍｍφ、出力１０ｋＷ程度の装置が市販されている。しかし、内径３０ｍｍφ程度であっても、１０ｋＷ程度の出力は低く、溶射材料、溶射条件、施工範囲等に制約が生じる。

特開平２−１７３２３７号公報 特開平９−１３１６１号公報 特開平１１−２０７７９６号公報

内周面上に耐磨耗性を有する硬化層を形成することは容易ではない。特別規格の処理装置や、付加工程が必要となる。

本発明の目的は、付加工程の負担を低減した耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法を提供することである。

本発明の１観点によれば、
円柱状外周面を有する犠牲部材の外周面上に耐磨耗性硬化層を形成する工程と、
前記耐磨耗性硬化層の外径に対応する内径の円筒状基材の内径部に前記耐磨耗性硬化層を形成した犠牲部材を嵌め込んで、複合部材を形成する工程と、
前記複合部材を加熱し、前記耐磨耗性硬化層中に少なくとも部分的液相を生じさせ、前記基材の内径部と前記耐磨耗性硬化層の間で構成元素の拡散を生じさせる工程と、
前記犠牲部材を除去する工程と、
を含む耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法
が提供される。

耐磨耗性硬化層を形成する工程は、元々必要な工程であり、内周面上の代わりに外周面上に形成することとすれば、容易な工程となる。耐磨耗性硬化層を溶射で形成する場合、熱処理工程は、フュージング工程と兼用できる。複合部材を形成する工程、犠牲部材を除去する工程は付加工程となるが、容易に実行できる工程である。

図１Ａ−１Ｄは、実施例による内周面に耐磨耗性硬化層を備えた円筒状部材の製造方法の主要工程を示す断面図である。

図１Ａに示すように、結果として得る円筒状部材の内径に相当する外径を有する円柱部材１１を用意する。別に用意する円筒状部材の素材は、目的とする内径に耐磨耗性硬化層の厚さを加えた内径を有する。円柱部材１１はその表面に耐磨耗性硬化層を形成するためのもので、製品からは除去される。鉄などの材料で形成できる。円柱部材１１の外周面に、ＰＴＡ法あるいは溶射法で耐磨耗性硬化層１２を形成する。溶射層はフュージング処理を必要とするが、この段階では溶射工程によって層が形成するのみであり、フュージングは行わない。

耐磨耗性硬化層１２は、Ｎｉ基、あるいはＣｏ基のＢ含有合金で形成する。例えば、Ｂ／［（ＮｉまたはＣｏ）＋Ｂ］＝５−１０ｗｔ％の自溶合金粉末とＷまたはＭｏ粉末の混合粉末をＰＴＡ溶接、又は高速フレーム溶射あるいはプラズマ溶射して耐磨耗性硬化層１２を作成する。必要に応じて、機械加工で表面を整形する。

例１
Ｃｏ−１０（１０ｗｔ％）Ｂ粉末（粒径１２５μｍ以下）にＷ粉末（粒径７５−１５０μｍ）を混合して混合粉末原料とし、対象部材の所望表面上にプラズマ溶射し、厚さ１ｍｍ程度の溶射層を形成する。溶射ガンの出力６０ｋＷ用を用いた。溶射条件の例は、電流：５００Ａ，電圧：６７Ｖ，ガス種：Ａｒ，Ｈ_２，回転数：２１５ｒｐｍ、横送り速度：２０ｍｍ／ｓｅｃ、供給粉末量：１９０ｇ／ｍｉｎである。

例２
粒径３２μｍ−９０μｍ、より好ましくは３２μｍ−６３μｍのＮｉ−（８−１２ｗｔ％）Ｂ−（１２ｗｔ％）Ｃｒ−（５ｗｔ％）Ｓｉ粉末３８−６０重量部と粒径５μｍ−４０μｍのＷ粉末６２−４０重量部を混合した混合粉末を対象部材の所望表面上にプラズマ溶射して、厚さ１ｍｍ程度の溶射層を形成する。

図１Ｂに示すように、内周面に耐磨耗性硬化層を形成すべき円筒状部材２０を加熱し、表面に耐磨耗性硬化層１２を形成した円柱部材１１を焼き嵌めする。円筒状部材は、鉄ないし鉄合金で形成され、１端から円柱状の開口を備えるものであればよく、内側の孔が突き抜けている円筒形状であっても、１端が閉じた形状でもよい。円筒状部材が降温すると、外側の円筒部材と内側の円柱部材とが機械的にしっかり結合した複合部材を形成する。冷やし嵌めや単なる圧入を用いることも可能である。

図１Ｃに示すように、複合部材１１，１２，２０を加熱し、一定時間保持する熱処理を行なった後、徐冷する。加熱温度は、耐磨耗性硬化層１２の少なくとも一部に液相が生じる温度である。耐磨耗性硬化層１２を溶射によって作成した場合は、この熱処理工程がフュージング工程を兼ねることになる。Ｗ添加Ｃｏ−１０Ｂ合金の溶射層のフュージングは例えば１２７０℃で、３０分間である。冶金的接合を強めるため、温度を高めにし、時間を長めにしてもよい。円柱部材１１と円筒部材２０との相対的位置を固定しておけば、耐磨耗性硬化層１２全体が液相になっても問題は無い。

加熱処理により、円筒状部材２０のＦｅが耐磨耗性硬化層１２に拡散すると共に、耐磨耗性硬化層１２中のＢが円筒状部材２０内に拡散する。相互拡散により、耐磨耗性硬化層１２と円筒状部材２０とが冶金的にも結合する。耐磨耗性硬化層１２の添加元素であるＢとＷ等の硼化物生成元素が熱処理によって化合し、耐磨耗性の高い硼化物を生成する。例えばＷＢが微細に析出する。徐冷により、円柱部材１１は、柔らかくなる。

図１Ｄに示すように、熱処理後、円柱部材１１を例えば機械加工により除去する。円筒部材２０と耐磨耗性硬化層１２の界面には相互拡散層２２が形成され、強固な結合力を発揮する。

図２Ａ，２Ｂは、作成した耐磨耗性硬化層の基材との界面近傍、および上層部のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡））およびＥＰＭＡ（electron probe micro analyzer）の面分析結果を示す写真である。測定したサンプルの作成手順は以下の通りである。

円筒内面に耐磨耗性硬化層を形成する工程は、図１Ａ〜１Ｄに示す手順に従って行なわれた。

具体的には、図３に示すように、φ１０ｍｍの円筒物を用い、その外周面に厚さ１ｍｍ以上の溶射層を形成する（図１Ａ対応）。その外径を計測して嵌めこまれる側の外側円筒の内径を加工する。図１Ｂに示すように両円筒物を嵌めこみ、図１Ｃに示すように１１００℃前後でフュージング処理をする。図１Ｄに示すように、相互拡散層が形成される。これらの工程により、外側円筒の内周面に耐磨耗性硬化層を形成した。

その後、円筒物の基材と耐磨耗性硬化層を含めた観察部分をカッターで切り出す。切り出したサンプルを樹脂に埋め込み、番手の荒いエメリ紙から研磨を始め、最終的にはバフ研磨までを行う。このようにして得たサンプルをＥＰＭＡ等により観察、測定する。

図２Ａにおいて、左の写真がＳＥＭ写真であり、縦方向が耐磨耗性硬化層の深さ方向を示す。下側に基材部分が示され、上側が耐磨耗性硬化層である。耐磨耗性硬化層中に析出が認められる。中央および右側が、ＢおよびＦｅのＥＰＭＡの面分析結果である。Ｂの分布は、基材表面より内部に入り込んでいる。Ｆｅの分布は、本来存在しない耐磨耗性硬化層中にも深く拡がっている。ＢのパターンとＦｅのパターンが重なる領域は、Ｆｅ＊Ｂ化合物領域である可能性が高い。

図２Ｂは、図２Ａより表面側の深さ位置での分析結果を示す。ＳＥＭ写真は、析出領域が分布していることを示す。ＥＰＭＡによる中央のＢの分布、および右側のＷの分布は、大幅に重なった形状を示し、ＷＢの析出を示すと考えられる。

本実施例によれば、犠牲部材である円柱部材外周面上に耐磨耗性硬化層を形成した。外周面上であるので、内径用の溶射ガン等特別の装置を必要とせず、通常のＰＴＡや溶射により容易に耐磨耗性硬化層を形成できる。円柱部材を円筒状部材の内径に結合した後、熱処理を行なうことにより、耐磨耗性硬化層を円筒状部材と強く結合させる。耐磨耗性硬化層の構成元素と円筒状部材の構成元素との相互拡散を生じさせることにより、耐磨耗性硬化層と円筒上部剤との間に強い機械的、冶金的結合を生じさせることができる。溶射層の場合は、フュージングと熱処理とを同時に行なえる。犠牲部材である円柱部材は容易に除去可能である。

図３は、犠牲部材として、円柱部材に変え、円筒部材を用いる場合を示す斜視図である。円筒部材１４の外周面上に耐磨耗性硬化層１２を形成する。プロセスとしては図１Ａの場合と同様である。図１Ｄに示す、犠牲部材除去工程は除去すべき材料が減少するので容易になり、材料の消費量も減少する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらの限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａ−１Ｄは、実施例による耐磨耗性内周面を有する円筒状部材の製造方法の主要工程を示す断面図である。 図２Ａ，２Ｂは、耐磨耗性硬化層の基材下面近傍および上層部のＳＥＭ，ＥＰＭＡ結果を示す写真である。 実施例の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１１ 円柱部材（犠牲部材）、
１２ 耐磨耗性硬化層、
２０ 円筒状部材、
２２ 相互拡散層、
１４ 円筒部材

Claims (6)

1. 円柱状外周面を有する犠牲部材の外周面上に耐磨耗性硬化層を形成する工程と、
   前記耐磨耗性硬化層の外径に対応する内径の円筒状基材の内径部に前記耐磨耗性硬化層を形成した犠牲部材を嵌め込んで、複合部材を形成する工程と、
   前記複合部材を加熱し、前記耐磨耗性硬化層中に少なくとも部分的液相を生じさせ、前記基材の内径部と前記耐磨耗性硬化層の間で構成元素の拡散を生じさせる工程と、
   前記犠牲部材を除去する工程と、
   を含む耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法。
2. 前記基材が構成元素としてＦｅを含み、前記拡散が前記耐磨耗性硬化層中へのＦｅの拡散、前記基材中へのＢの拡散を含む請求項１記載の耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法。
3. 前記耐磨耗性硬化層を形成する工程が、Ｎｉ−Ｂ系またはＣｏ−Ｂ系合金粉末に硼化物生成元素粉末を混合した混合粉末を用い、ＰＴＡ法又は溶射法により前記犠牲部材外周面上に耐磨耗性硬化層を形成する請求項１または２記載の耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法。
4. 前記硼化物生成元素がＷまたはＭｏである請求項３記載の耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法。
5. 前記複合部材を形成する工程が、焼き嵌めである請求項１〜４のいずれか１項記載の耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法。
6. 前記犠牲部材が円筒部材である請求項１〜５のいずれか１項記載の耐磨耗性内周面を有する部材の製造方法。