JP2017206852A - 耐摩耗部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】芯部と本体部との密着性を確保しつつ耐摩耗性を大きく向上させることが可能な耐摩耗部品を提供する。【解決手段】耐摩耗部品であるツース２０は、芯部３０と、芯部３０を包むように配置され、第１金属からなる本体部２５と、を備える。芯部３０は、第２金属からなる母相３１と、母相３１内に分散する第１硬質粒子３２と、本体部２５の鍛流線２５Ｆに沿う方向に第１硬質粒子３２から延び、母相３１よりも硬い硬質組織３３と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明は耐摩耗部品およびその製造方法に関するものである。

耐摩耗性が求められる部品（耐摩耗部品）においては、耐摩耗性を向上させる観点から、硬度の高い材料を用いる対策が採用されるのが一般的である。油圧ショベル、ブルドーザ、ホイールローダなど、土砂の存在する環境下で稼働する作業機械を構成する部品として、リッパ、ツースなどの耐摩耗部品が用いられる。岩盤の破砕などに使用される油圧ブレーカには、岩盤などを叩く耐摩耗部品としてチゼルが用いられる。

耐摩耗部品においては、表層部（本体部）よりも硬度が高い材料からなる芯部を形成することにより、耐摩耗性をさらに向上させることが提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。

特開平１１−１３１５３４号公報 特開２００２−１４４２５４号公報

特許文献１および２のように本体部よりも硬度が高い材料からなる芯部を形成する対策において、芯部を構成する材料として本体部よりも大幅に硬度が高い材料（耐摩耗性が高い材料）を採用すると、芯部と本体部との材料の違いに起因して、芯部と本体部との間の線膨張率に大きな差が生じ、両者が密着する状態を維持することが難しいという問題がある。また、芯部と本体部との線膨張率の差を小さくするためには、芯部を構成する材料として十分に硬度が高い材料を採用することが難しいという問題がある。このように、芯部と本体部との密着性を確保しつつ耐摩耗性を大きく向上させることは難しいという問題があった。

本発明はこのような問題に対応するためになされたものである。本発明の目的は、芯部と本体部との密着性を確保しつつ耐摩耗性を大きく向上させることが可能な耐摩耗部品を提供することである。

本発明に従った耐摩耗部品は、芯部と、芯部を包むように配置され、第１金属からなる本体部と、を備える。芯部は、第２金属からなる母相と、母相内に分散する第１硬質粒子と、本体部の鍛流線に沿う方向に第１硬質粒子から延び、母相よりも硬い硬質組織と、を含む。

本発明の耐摩耗部品においては、第１硬質粒子を含む芯部を備えることにより、高い耐摩耗性が実現される。芯部が単一の材料ではなく、母相と第１硬質粒子とを含むものであることにより、第１硬質粒子によって耐摩耗性を維持しつつ、母相を構成する材料として本体部との密着性を確保しやすい材料、たとえば本体部を構成する材料と線膨張率が近い材料を採用して、芯部と本体部との密着性を向上させることができる。本体部を構成する第１金属と芯部の母相を構成する第２金属とは同種の金属であってもよい。芯部内に本体部の鍛流線に沿う方向に延びる硬質組織が存在することにより、芯部と本体部との密着性を阻害することなく、芯部の耐摩耗性がさらに向上する。

このように、本発明の耐摩耗部品によれば、芯部と本体部との密着性を確保しつつ耐摩耗性を大きく向上させることができる。

上記耐摩耗部品において、硬質組織は、第１硬質粒子を構成する元素を含んでいてもよい。このようにすることにより、第１硬質粒子から延びる硬質組織を容易に形成することができる。

上記耐摩耗部品において、芯部は、本体部の鍛流線に沿って延びていてもよい。このようにすることにより、本体部と芯部との密着性の確保が容易となる。

上記耐摩耗部品において、母相は焼結体からなっていてもよい。このようにすることにより、芯部の形成が容易となる。

上記耐摩耗部品において、第１金属は鋼であってもよい。本体部を構成する第１金属として、鋼は好適である。

上記耐摩耗部品において、第２金属は鋼であってもよい。芯部の母相を構成する第２金属として、鋼は好適である。

上記耐摩耗部品は、本体部の表面の一部である被覆領域を覆うように本体部に接触して配置される肉盛層をさらに備えていてもよい。本体部の表面の、被覆領域と被覆領域以外の領域である露出領域との境界である肉盛端部において、露出領域と肉盛層の表面とは同一面を構成する鍛造面となっていてもよい。

耐摩耗部品の耐摩耗性を向上させるために、表面の一部を覆うように肉盛層を形成することができる。肉盛層は、たとえば肉盛溶接などの手法で形成することができる。肉盛層が形成された耐摩耗部品では、本体部の表面の、肉盛層に覆われた領域（被覆領域）と被覆領域以外の領域（露出領域）との境界である肉盛端部において、肉盛層の表面と本体部の露出領域との間に段差が形成されるのが一般的である。この段差は、肉盛層の形成に起因したデメリットの原因となり得る。たとえば、油圧ショベルのバケットのツースに肉盛層が形成されると、肉盛層の形成によりツースの耐摩耗性が向上する一方で、上記段差が形成されることによりツースの土砂に対する貫入抵抗が上昇する場合がある。

肉盛端部において、本体部の露出領域と肉盛層の表面とが同一面を構成することにより、上記段差に起因した肉盛層の形成によるデメリットが抑制される。また、肉盛端部が鍛造面に含まれることにより、切削等によって本体部の露出領域と肉盛層の表面とが同一面となるように加工する工程を省略することが可能となる。そのため、硬度差の大きい肉盛端部の加工、および硬度の高い肉盛層の加工を回避することができる。

上記耐摩耗部品において、肉盛層は、第３金属からなるベース相と、ベース相中に分散する第２硬質粒子と、を含んでいてもよい。このようにすることにより、耐摩耗性に優れた肉盛層を容易に形成することができる。

上記耐摩耗部品において、肉盛層の表面から第２硬質粒子の平均粒径以内の領域である肉盛層表層領域内に位置する第２硬質粒子は、肉盛層に埋め込まれた状態で並んで配置されていてもよい。このようにすることにより、肉盛層の表面から第２硬質粒子が大きく突出して配置されることが抑制される。その結果、耐摩耗部品の使用中における第２硬質粒子の脱落が抑制される。なお、第２硬質粒子の平均粒径は、肉盛層の表面に垂直な断面を光学顕微鏡にて観察し、観察される第２硬質粒子１０個の直径の平均値を計算することにより得ることができる。

上記耐摩耗部品において、肉盛層表層領域内に位置する第２硬質粒子は、肉盛層の表面に接するように配置されてもよい。このようにすることにより、肉盛層の表面から露出する第２硬質粒子の領域がわずかとなり、第２硬質粒子の脱落が抑制される。

上記耐摩耗部品において、肉盛層表層領域内に位置する第２硬質粒子の、肉盛層の表面から露出する領域に対応する中心角は鋭角（９０°未満）であってもよい。このようにすることにより、肉盛層の表面から露出する第２硬質粒子の領域がわずかとなり、第２硬質粒子の脱落が抑制される。

上記耐摩耗部品において、肉盛層は、肉盛層と本体部との界面を含む領域において、本体部に向けて突出する突出部を含んでいてもよい。このようにすることにより、本体部から肉盛層が剥離することが抑制される。

上記耐摩耗部品において、突出部には、第２硬質粒子の少なくとも一部が進入していてもよい。このようにすることにより、本体部から肉盛層が剥離することが、より確実に抑制される。

上記耐摩耗部品は、先端を有していてもよい。芯部は、先端に向けて延びていてもよい。耐摩耗部品において、摩耗は先端から進行する場合が多い。芯部が先端に向けて延びることにより、摩耗の進行を抑制することができる。

本発明に従った耐摩耗部品の製造方法は、第１金属からなり、凹部を有する本体素材を準備する工程と、凹部内に、第２金属からなる粉末と第１硬質粒子とを含む原料粉末を充填する工程と、凹部内に原料粉末が充填された本体素材を熱間鍛造により成形する工程と、を備える。

本発明の耐摩耗部品の製造方法によれば、上記本発明の耐摩耗部品を容易に製造することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の耐摩耗部品および製造方法によれば、芯部と本体部との密着性を確保しつつ耐摩耗性を大きく向上させることが可能な耐摩耗部品を提供することができる。

油圧ショベルのバケットの構造を示す概略斜視図である。 ツースの構造を示す概略平面図である。 図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。 本体部と芯部との界面付近の構造を示す概略断面図である。 実施の形態１におけるツースの製造方法の概略を示すフローチャートである。 ツースの製造方法を説明するための概略断面図である。 ツースの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態２におけるツースの構造を示す概略断面図である。 肉盛層の表面付近の構造を示す概略断面図である。 肉盛層と本体部との界面付近の構造を示す概略断面図である。 実施の形態２におけるツースの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態２のツースの製造方法を説明するための概略断面図である。 肉盛層の形成方法を説明するための概略断面図である。 ツースの断面を示す写真である。 芯部の断面の光学顕微鏡写真である。 第１硬質粒子と母相との界面付近を拡大した光学顕微鏡写真である。 硬質組織付近の硬度分布を示す図である。 第１硬質粒子近傍の元素の分布状態を示すＥＰＭＡ分析の結果を示す図である。 肉盛層の表面付近の光学顕微鏡写真である。 肉盛層と本体部との界面付近の光学顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
油圧ショベルのバケットのツースを例に、本実施の形態の耐摩耗部品について説明する。図１は、油圧ショベルのバケットの構造を示す概略斜視図である。図２は、ツースの構造を示す概略平面図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。

図１を参照して、バケット１は、油圧ショベルのアーム（図示しない）の先端に装着され、土砂を掘削する。バケット１は、板状部材から構成され、開口を有する本体１０と、本体１０の開口外周部１２の掘削側からその一部が突出するように本体１０に取り付けられた複数の（図１に示すバケット１においては３つの）ツース２０と、本体１０の、ツース２０が取り付けられる側とは反対側に配置された装着部４０とを備えている。バケット１は、装着部４０において油圧ショベルのアームに支持される。掘削時には、バケット１は、ツース２０から土砂へと進入する。そのため、ツース２０には、高い耐摩耗性（耐土砂摩耗性）が要求される。ツース２０は、土砂に接触する用途に使用される機械部品である耐土砂摩耗部品である。

ツース２０は、図２に示すように、先端２１と、基端２２とを含む。ツース２０は、基端２２側において本体１０に取り付けられ、先端２１側がバケット１の開口外周部１２から突出する。バケット１は、ツース２０の先端２１側から土砂へと進入する。そのため、ツース２０の先端２１側には、特に高い耐摩耗性（耐土砂摩耗性）が要求される。

図３を参照して、ツース２０は、芯部３０と、芯部３０を包むように配置され、第１金属からなる本体部２５とを備える。芯部３０は、ツース２０の内部において先端２１に向けて延びる。芯部３０は、本体部２５の鍛流線２５Ｆに沿って延びる。芯部３０は、先端２１に到達している。本体部２５を構成する第１金属としては、たとえば鋼を採用することができる。より具体的には、第１金属としては、たとえばＪＩＳ規格に規定される機械構造用炭素鋼または機械構造用合金鋼（たとえばＳ４５Ｃ、ＳＣＭ４３５のほか、同等量の炭素を含むＳＭｎ鋼、ＳＣｒ鋼、ＳＣＭ鋼など）などを採用することができる。芯部３０は、本体部２５よりも耐摩耗性が高い。

図４は、図３の本体部２５と芯部３０との界面付近を拡大して示す図である。図４を参照して、芯部３０は、第２金属からなる母相３１と、母相３１内に分散する第１硬質粒子３２と、本体部２５の鍛流線２５Ｆに沿う方向に第１硬質粒子３２から延び、母相３１よりも硬い硬質組織３３とを含む。

母相３１を構成する第２金属としては、たとえば鋼を採用することができる。より具体的には、第２金属としては、たとえばＪＩＳ規格に規定される機械構造用炭素鋼または機械構造用合金鋼（たとえばＳ４５Ｃ、ＳＣＭ４３５のほか、同等量の炭素を含むＳＭｎ鋼、ＳＣｒ鋼、ＳＣＭ鋼など）などを採用することができる。母相３１は、たとえばこれらの鋼からなる粉末が焼結されて構成される焼結体である。

第１硬質粒子３２は、本体部２５よりも硬度が高いことが好ましい。第１硬質粒子３２は、母相３１よりも硬度が高いことが好ましい。第１硬質粒子３２を構成する材料としては、たとえば炭化モリブデン、炭化窒化モリブデン、炭化タンタル、炭化窒化タンタル、炭化タングステン、炭化窒化タングステンなどを含む超硬合金のほか、炭化チタン、炭化窒化チタン、炭化バナジウム、炭化窒化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化窒化ジルコニウム、炭化クロム、炭化窒化クロムなどを含むサーメットを採用することができる。第１硬質粒子３２の粒径は、たとえば０．０２ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることができる。

硬質組織３３は、第１硬質粒子３２を構成する元素を含んでいてもよい。硬質組織３３は、たとえば母相３１を構成する第２金属に、第１硬質粒子３２を構成するタングステンなどの元素が加えられた材料からなっている。硬質組織３３は、たとえば第１硬質粒子３２から溶出した元素が、鍛造によって本体部２５の鍛流線２５Ｆに沿った方向に延ばされて形成されている。

本実施の形態のツース２０においては、第１硬質粒子３２を含む芯部３０を備えることにより、高い耐摩耗性が実現される。芯部３０が単一の材料ではなく、母相３１と第１硬質粒子３２とを含むものであることにより、第１硬質粒子３２によって耐摩耗性を維持しつつ、母相３１を構成する材料として本体部２５との密着性を確保しやすい材料、たとえば本体部２５を構成する材料と線膨張率が近い材料を採用して、芯部３０と本体部２５との密着性を向上させることができる。本体部２５を構成する第１金属と芯部３０の母相３１を構成する第２金属とは同種の金属（鋼）であってもよい。芯部３０内に本体部２５の鍛流線２５Ｆに沿う方向に延びる硬質組織３３が存在することにより、芯部３０と本体部２５との密着性を阻害することなく、芯部３０の耐摩耗性がさらに向上する。

このように、本実施の形態のツース２０は、芯部３０と本体部２５との密着性を確保しつつ耐摩耗性が大きく向上した耐摩耗部品となっている。

次に、図５〜図７を参照して、本実施の形態における耐摩耗部品であるツース２０の製造方法について説明する。図５は、ツースの製造方法の概略を示すフローチャートである。図６および図７は、ツースの製造方法を説明するための概略断面図である。

図５を参照して、本実施の形態におけるツース２０の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として本体素材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図６を参照して、ツース２０の本体部２５となるべき本体素材であるベース部材５０が準備される。ベース部材５０は、第１金属からなる。ベース部材５０は円筒形状である。ベース部材５０は、一方の端面５２と、他方の端面５３と、一方の端面５２と他方の端面５３とを接続する側面５１とを含む円筒状の形状を有している。一方の端面５２と側面５１とが接続される領域には、第１面取り部５２Ａが形成されている。他方の端面５３と側面５１とが接続される領域には、第２面取り部５３Ａが形成されている。

ベース部材５０には、一方の端面５２において開口し、軸方向（一方の端面５２から他方の端面５２に向かう方向）に延びる空洞である凹部５４が形成されている。凹部５４は、たとえば円筒形状を有している。図６および図３を参照して、ベース部材５０の一方の端面５２側がツース２０の先端２１側に対応し、ベース部材５０の他方の端面５３側がツース２０の基端２２側に対応する。

次に、図５を参照して、工程（Ｓ２０）として原料粉末充填工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図７を参照して、工程（Ｓ１０）において準備されたベース部材５０の凹部５４内に、芯部３０となるべき原料粉末５５が充填される。第２金属の粉末と第１硬質粒子とが混合されて作製された原料粉末５５が、凹部５４内に充填される。第１硬質粒子としては、たとえば超硬合金の粉末を採用することができる。

第２金属の粉末としては、低合金鋼粉末、ハイス粉末、工具鋼粉末、ステンレス粉末、超合金粉末、軸受鋼粉末などを採用することができる。低合金鋼粉末は、たとえば０．１質量％以上０．３質量％以下のマンガンと、１．７質量％以上２．２質量％以下のニッケルと、０．４質量％以上０．８質量％以下のモリブデンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる合金鋼粉（または鉄基合金紛）であってもよいし、ＪＩＳ ＳＣＭ４３５などの機械構造用合金鋼の粉末であってもよい。第２金属の粉末は、これらの粉末のうち１種の粉末であってもよいし、これらの粉末からなる群から選択される２種以上の粉末が混合されたものであってもよい。

第２金属の粉末には、黒鉛粉末が添加されてもよい。上記第２金属の粉末として上記合金鋼粉（または鉄基合金紛）が採用される場合、母相３１に十分な硬度を付与する観点から、第２金属の粉末には、たとえば０．４５質量％程度の割合で黒鉛粉末が添加されてもよい。また、第２金属の粉末には、たとえば１．０５質量％程度の割合で潤滑剤が添加されてもよい。潤滑剤としては、たとえばワックス、スピンドル油などを採用することができる。第２金属の粉末と第１硬質粒子とは、たとえば７０：３０の質量割合で混合されてもよい。

次に、図５を参照して、工程（Ｓ３０）としてプレス工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図７を参照して、工程（Ｓ２０）において凹部５４内に充填された原料粉末５５がプレスされることにより圧縮される。この工程（Ｓ３０）は必須の工程ではないが、これを実施することにより、原料粉末５５内の空隙を減少させることができる。工程（Ｓ３０）における原料粉末５５の圧縮は、４００ｋｇ／ｃｍ^２以上６０００ｋｇ／ｃｍ^２以下（たとえば５０００ｋｇ／ｃｍ^２）の条件で実施することができる。

次に、図５を参照して、工程（Ｓ４０）として焼結工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図７を参照して、工程（Ｓ３０）においてプレスされた凹部５４内の原料粉末５５が焼結される。具体的には、たとえばベース部材５０の凹部５４内充填された原料粉末５５が、ＡＸガス（アンモニア分解ガス）雰囲気中または真空中において１１００℃以上１３００℃以下の温度、たとえば１２００℃に加熱されることにより、焼結される。この工程（Ｓ４０）は必須の工程ではないが、これを実施することにより、原料粉末５５を確実に焼結させることができる。

次に、工程（Ｓ５０）として熱間鍛造工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において凹部５４内の原料粉末５５が焼結されたベース部材５０が熱間鍛造される。図７および図３を参照して、凹部５４内の原料粉末５５が焼結されたベース部材５０が熱間鍛造可能な温度に加熱された上で、所望のツース２０の形状に対応するキャビティを有する金型内に配置され、鍛造される。熱間鍛造により、原料粉末５５は芯部３０となる。熱間鍛造により、ベース部材５０が本体部２５となる。上記工程（Ｓ４０）が省略された場合でも、原料粉末５５の焼結が可能な条件にて工程（Ｓ５０）を実施することにより、原料粉末５５を焼結し、芯部３０とすることができる。このようにして、図３に示す構造を有するツース２０が得られる。

次に、図５を参照して、工程（Ｓ６０）として熱処理工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において熱間鍛造されたベース部材５０に対して、熱処理が実施される。工程（Ｓ６０）において実施される熱処理は、たとえば焼入および焼戻である。これにより、ツース２０の本体部２５に対し、所望の硬度および靱性を付与することができる。以上の手順により、本実施の形態におけるツース２０が完成する。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における耐摩耗部品であるツースについて説明する。図８は、実施の形態２におけるツースの構造を示す概略断面図である。図８は、実施の形態１のツースの構造を示す図３に対応する断面図である。

図８および図３を参照して、実施の形態２のツース２０は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２のツース２０は、表面に肉盛層が形成されている点において実施の形態１の場合とは異なっている。

図８を参照して、実施の形態２におけるツース２０は、芯部３０と、芯部３０を包むように配置され、第１金属からなる本体部２５と、本体部２５の表面の一部である被覆領域２５Ａを覆うように本体部２５に接触して配置される肉盛層２７とを備える。本体部２５の表面の、被覆領域２５Ａと被覆領域２５Ａ以外の領域である露出領域２５Ｂとの境界である肉盛端部２９において、露出領域２５Ｂと肉盛層２７の表面２７Ａとは同一面を構成する鍛造面となっている。肉盛層２７の表面２７Ａは、全域にわたって鍛造面となっている。肉盛層２７は、本体部２５よりも耐摩耗性（耐土砂摩耗性）が高い。

図８を参照して、本実施の形態におけるツース２０は、実施の形態１の場合と同様に耐摩耗性に優れた芯部３０を有するだけでなく、耐摩耗性に優れた肉盛層２７をさらに有している。そのため、実施の形態２のツース２０は、一層耐摩耗性に優れたものとなっている。また、肉盛端部２９において露出領域２５Ｂと肉盛層２７の表面２７Ａとが同一面を形成することにより、肉盛端部２９における段差に起因した貫入抵抗（ツース２０が土砂等に進入する際の抵抗）の上昇を回避することができる。肉盛端部２９が鍛造面に含まれることにより、切削等によって露出領域２５Ｂと肉盛層２７の表面２７Ａとが同一面となるように加工する工程を省略することが可能となる。そのため、硬度差の大きい肉盛端部２９の加工、および硬度の高い肉盛層２７の加工を回避することができる。

このように、本実施の形態におけるツース２０によれば、優れた耐摩耗性を達成しつつ、肉盛層２７の形成に起因した貫入抵抗の上昇を抑制することができる。また、ベース部材上に肉盛層を形成した後、鍛造を実施して先端２１を含む領域を成形すれば、図８に示すように先端２１を含む領域を肉盛層２７に覆われたものとすることが容易となり、高い耐摩耗性を有するツース２０を得ることができる。芯部３０は、本体部２５の鍛流線２５Ｆに沿って先端２１に向けて延びる。芯部３０は、先端２１（先端２１を覆う肉盛層２７）に到達している。

次に、肉盛層２７の構造について説明する。図９は、肉盛層の表面付近の構造を示す概略断面図である。図１０は、肉盛層と本体部との界面付近の構造を示す概略断面図である。図９および図１０を参照して、肉盛層２７は、第３金属からなるベース相９５と、ベース相９５中に分散する第２硬質粒子９１と、を含んでいる。ベース相９５を構成する第３金属は、たとえば溶接ワイヤに由来する金属と本体部２５を構成する第１金属とが混合されたものとすることができる。第２硬質粒子９１としては、ベース相９５よりも硬度が高い粒子、たとえば炭化モリブデン、炭化窒化モリブデン、炭化タンタル、炭化窒化タンタル、炭化タングステン、炭化窒化タングステンなどを含む超硬合金のほか、炭化チタン、炭化窒化チタン、炭化バナジウム、炭化窒化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化窒化ジルコニウム、炭化クロム、炭化窒化クロムなどを含むサーメットを採用することができる。第２硬質粒子９１の硬度は、本体部２５よりも高いことが好ましい。第２硬質粒子９１の粒径は、たとえば０．０２ｍｍ以上９ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以上９ｍｍ以下とすることができる。

図９を参照して、肉盛層２７の表面２７Ａは鍛造面となっている。肉盛層２７の表面２７Ａから第２硬質粒子９１の平均粒径以内の領域である肉盛層表層領域２７Ｂ内に位置する第２硬質粒子９１は、肉盛層２７に埋め込まれた状態で並んで配置される。これにより、肉盛層２７の表面２７Ａから第２硬質粒子９１が大きく突出して配置されることが抑制される。その結果、ツース２０の使用中における第２硬質粒子９１の脱落が抑制され、ツース２０の耐摩耗性が向上している。

肉盛層表層領域２７Ｂ内に位置する第２硬質粒子９１は、図９に示すように肉盛層２７の表面２７Ａに接するように配置されていてもよい。これにより、肉盛層２７の表面２７Ａから露出する第２硬質粒子９１の領域がわずかとなり、第２硬質粒子９１の脱落が抑制される。

第２硬質粒子９１の、肉盛層２７の表面２７Ａから露出する領域に対応する中心角θは鋭角（９０°未満）であることが好ましい。これにより、肉盛層２７の表面２７Ａから露出する第２硬質粒子９１の領域がわずかとなり、第２硬質粒子９１の脱落が抑制される。

図１０を参照して、肉盛層２７は、肉盛層２７と本体部２５との界面を含む領域において、本体部２５に向けて突出する突出部９９を含む。突出部９９によるアンカー効果により、本体部２５から肉盛層２７が剥離することが抑制される。突出部９９には、第２硬質粒子９１の少なくとも一部が進入している。これにより、本体部２５から肉盛層２７が剥離することがより確実に抑制される。突出部９９に進入している第２硬質粒子９１と本体部２５との間には肉盛層２７のベース相９５が介在している。突出部９９に進入している第２硬質粒子９１と本体部２５とは、接触していない。第２硬質粒子９１の中心は、突出部９９の外部に位置している（第２硬質粒子９１の体積の１／２未満の領域が突出部９９内に進入している。）。各突出部９９内には、１つの第２硬質粒子９１が進入している。各突出部９９の深さは、当該突出部９９に進入する第２硬質粒子９１の半径よりも小さい。

次に、図１１〜図１３を参照して、本実施の形態における耐摩耗部品であるツース２０の製造方法について説明する。図１１は、ツースの製造方法の概略を示すフローチャートである。図１２は、ツースの製造方法を説明するための概略断面図である。図１３は、肉盛層の形成方法を説明するための概略断面図である。

実施の形態２におけるツース２０の製造方法は、基本的には実施の形態１のツース２０の製造方法と同様の手順で実施される。図１１を参照して、実施の形態２におけるツース２０の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）〜（Ｓ４０）が実施の形態１の場合と同様に実施される。これにより、実施の形態１の場合と同様に、凹部５４内の原料粉末５５が焼結されたベース部材５０が得られる（図７参照）。

次に、工程（Ｓ４５）として、肉盛層形成工程が実施される。この工程（Ｓ４５）では、図７および図１２を参照して、工程（Ｓ４０）において凹部５４内の原料粉末５５が焼結されたベース部材５０の表面の一部である被覆領域５１Ａに接触して被覆領域５１Ａを覆うように肉盛層６０が形成される。肉盛層６０は、後工程において熱間鍛造が実施されることにより本体部２５の所望の領域を覆うように形成される。被覆領域５１Ａは、たとえば予め有限要素法を用いた熱間鍛造のシミュレーションを行うことにより決定することができる。本実施の形態では、図１２を参照して、側面５１の一方の端面５２側、第１面取り部５２Ａおよび一方の端面５２を覆うように、肉盛層６０が形成される。

肉盛層６０の形成は、たとえば以下のように炭酸ガスアーク溶接法を利用した肉盛溶接により実施することができる。まず、肉盛層形成装置について説明する。図１３を参照して、肉盛層形成装置は、溶接トーチ７０と、硬質粒子供給ノズル８０とを備えている。溶接トーチ７０は、中空円筒形状を有する溶接ノズル７１と、溶接ノズル７１の内部に配置され、電源（図示しない）に接続されたコンタクトチップ７２とを含む。コンタクトチップ７２に接触しつつ、溶接ワイヤ７３が溶接ノズル７１の先端側へと連続的に供給される。溶接ワイヤ７３としては、たとえばＪＩＳ規格ＹＧＷ１２を採用することができる。溶接ノズル７１とコンタクトチップ７２との隙間は、シールドガスの流路となっている。当該流路を流れるシールドガスは、溶接ノズル７１の先端から吐出される。硬質粒子供給ノズル８０は、中空円筒状の形状を有している。硬質粒子供給ノズル８０内には第２硬質粒子９１が供給され、硬質粒子供給ノズル８０の先端から第２硬質粒子９１が吐出される。

上記肉盛層形成装置を用いて肉盛層６０を以下の手順で形成することができる。ベース部材５０を一方の電極とし、溶接ワイヤ７３を他方の電極としてベース部材５０と溶接ワイヤ７３との間に電圧を印加すると、溶接ワイヤ７３とベース部材５０との間にアーク７４が形成される。アーク７４は、溶接ノズル７１の先端から矢印βに沿って吐出されるシールドガスによって、周囲の空気から遮断される。シールドガスとしては、たとえば二酸化炭素を採用することができる。アーク７４の熱により、ベース部材５０の一部および溶接ワイヤ７３の先端が溶融する。溶接ワイヤ７３の先端が溶融して形成された液滴は、ベース部材５０の溶融した領域へと移行する。これにより、溶融したベース部材５０と溶接ワイヤ７３とが混ざり合った液体領域である溶融池９２が形成される。溶融池９２には、硬質粒子供給ノズル８０から吐出された第２硬質粒子９１が供給される。

肉盛溶接装置を構成する溶接トーチ７０および硬質粒子供給ノズル８０がベース部材５０に対して矢印αの向きに相対的に移動すると、溶融池９２が形成される位置が順次移動し、先に形成された溶融池９２は凝固して、肉盛層６０となる。肉盛層６０は、溶融池９２が凝固して形成されたベース相９５と、ベース相９５中に分散する第２硬質粒子９１とを含む。以上の手順により、ベース部材５０の表面の被覆領域５１Ａを覆う肉盛層６０が形成される。肉盛層６０が形成されなかったベース部材５０の表面は、露出領域５１Ｂとなる。図１２を参照して、被覆領域５１Ａと露出領域５１Ｂとの境界が肉盛端部５９である。なお、肉盛溶接は、たとえば溶接電流２３０Ａ、溶接電圧１７Ｖ、硬質粒子の供給量１１０ｇ／ｍiｎ、ビード余盛高さ４ｍｍの条件で実施することができる。溶接ワイヤとしては、ＪＩＳ規格ＹＧＷ１１を採用してもよい。第２硬質粒子としては、炭化タングステン（たとえばＷＣ、Ｗ_２Ｃ）系の粒子を採用してもよい。

なお、上記においては、第３金属を構成する材料を含む溶接ワイヤを供給しつつ実施される炭酸ガスアーク溶接法により肉盛層６０が形成される場合について説明したが、肉盛層６０の形成には、溶接ワイヤに代えて第３金属を構成する材料を含む粉体を供給しつつ実施される紛体肉盛法であるＰＴＡ（Ｐｌａｓｍａ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ Ａｒｃ）溶接やレーザ溶接を採用してもよい。

次に、工程（Ｓ５０）として熱間鍛造工程が実施される。本実施の形態の工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４５）において肉盛層６０が形成されたベース部材５０が熱間鍛造される。図１２および図８を参照して、肉盛層６０が形成されたベース部材５０が、実施の形態１の場合と同様に熱間鍛造される。この熱間鍛造により、肉盛端部５９を含むベース部材５０の領域が加工される。熱間鍛造により、肉盛端部５９は肉盛端部２９となる。熱間鍛造において肉盛端部５９が加工されることにより、肉盛端部２９において、露出領域２５Ｂと肉盛層２７の表面２７Ａとが同一面を構成するツース２０が得られる。肉盛端部２９において、露出領域２５Ｂと肉盛層２７の表面２７Ａとは、熱間鍛造において用いられる金型の表面の肉盛端部５９を加工する領域に対応する同一面を構成する鍛造面となる。肉盛端部２９において、露出領域２５Ｂと肉盛層２７の表面２７Ａとは、鍛造用の金型の形状に対応する同一面を構成する。肉盛端部２９は、鍛造面に含まれる。

図１３および図９を参照して、肉盛層６０が形成されたベース部材５０が熱間鍛造されることにより、肉盛層６０の形成時において肉盛層６０の表面から突出していた第２硬質粒子９１は、肉盛層６０の内部へと押し込まれる。その結果、ツース２０では、肉盛層表層領域２７Ｂ内に位置する第２硬質粒子９１は、肉盛層２７の表面２７Ａに接するように配置される（図９参照）。肉盛層表層領域２７Ｂ内に位置する第２硬質粒子９１の、肉盛層２７の表面２７Ａから露出する領域に対応する中心角θは鋭角（９０°未満）となる。これにより、ツース２０の使用中における第２硬質粒子９１の脱落が抑制され、ツース２０の耐摩耗性が向上する。

図１３および図１０を参照して、肉盛層６０が形成されたベース部材５０が熱間鍛造されることにより、肉盛層６０の形成時において肉盛層６０とベース部材５０との界面付近に位置していた第２硬質粒子９１の影響により、ツース２０では、肉盛層２７に突出部９９が形成される。突出部９９には、第２硬質粒子９１の少なくとも一部が進入した状態となる。上記プロセスにより、表面２７Ａに接するように第２硬質粒子９１が配置された耐摩耗性に優れた肉盛層２７の表層領域と、肉盛層２７の本体部２５からの剥離を抑制する突出部９９とが同時に形成される。その後、実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ６０）として熱処理工程が実施される。以上の手順により、本実施の形態におけるツース２０が完成する。

なお、上記実施の形態の耐摩耗部品の製造方法において、ベース部材に肉盛層を形成するに際して、肉盛層が形成されるべきベース部材の領域に対応するベース部材の表層部を予め除去してから、すなわちベース部材にアンダーカット部を形成してから肉盛層を形成してもよい。これにより、鍛造時における肉盛層の変形量が抑制され、鍛造後の肉盛層にしわが形成される等の不具合を抑制できる。

上記実施の形態２において説明した製造方法と同様の手順でツース２０を作製し、芯部３０および肉盛層２７の構造等を確認する実験を行った。

図１４は、ツース２０の先端２１付近の断面を示す写真である。図１４を参照して、母相中に第１硬質粒子が分散した芯部３０と、芯部３０を包む本体部２５と、ベース相中に第２硬質粒子が分散し、本体部２５の被覆領域を覆う肉盛層２７とを備えるツース２０が得られている。このことから、上記実施の形態２における製造方法により、上記実施の形態２におけるツース２０が製造可能であることが確認される。芯部３０および肉盛層２７と本体部２５との間に亀裂などの明確な欠陥は確認されない。

図１５は、ツース２０の芯部３０を拡大して撮影した光学顕微鏡写真である。観察および撮影に先立って、芯部３０に対して腐食液による腐食を実施した。図１５を参照して、芯部３０は、母相３１と、母相３１内に分散する第１硬質粒子３２と、第１硬質粒子３２から延びる硬質組織３３を含んでいることが確認される。硬質組織３３は、本体部の鍛流線に沿う方向に延びている。

図１６は、第１硬質粒子３２と母相３１との界面付近をさらに拡大して撮影した光学顕微鏡写真である。図１６を参照して、硬質組織３３は、空洞などではなく、周囲の組織に比べて濃く腐食された組織（周囲の組織に比べて腐食されやすい組織）であることが確認される。

硬質組織３３の硬度を確認するため、硬質組織３３の延びる方向に垂直な方向における硬度の分布を測定した。硬度の測定は、マイクロビッカース硬度計により実施した。図１７に硬度測定の結果を示す。図１７において、横軸は硬質組織３３からの距離を示している。図１７において、縦軸は硬度（ビッカース硬さ）を示している。横軸中央の硬質組織３３からの距離が０であるデータ点が硬質組織３３の硬度に対応し、他のデータ点は母相３１の硬度に対応する。

図１７を参照して、母相３１の硬度は平均６３２．７ＨＶであるのに対し（図１７中の破線参照）、硬質組織３３は８００ＨＶを超える硬度を有している。このことから、硬質組織３３は、母相３１よりも硬い組織であることが確認される。

硬質組織３３の成分組成を確認するため、硬質組織３３を含む第１硬質粒子３２近傍をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ）により分析した。図１８に第１硬質粒子近傍の元素の分布状態を示すＥＰＭＡ分析の結果を示す。図１８の各画像の左上の元素名が、各画像において検出対象である元素を示す。

図１８を参照して、硬質組織３３において、Ｗ（タングステン）、Ｃ（炭素）、Ｃｏ（コバルト）、Ｔｉ（チタン）およびＣｒ（クロム）が強く検出されている。これらの元素は、いずれも第１硬質粒子３２を構成する材料（超硬合金）に含まれる元素である。このことから、硬質組織３３は、第１硬質粒子３２を構成する元素が母相３１に溶出して形成されたものであると考えられる。

図１９は、肉盛層２７の表面付近を撮影した光学顕微鏡写真である。図１９を参照して、肉盛層２７の形成後に鍛造による加工を受けたことにより、表層領域に位置する第２硬質粒子９１が、肉盛層（ベース相９５）に埋め込まれた状態で並んで配置されている。第２硬質粒子９１が肉盛層２７の表面２７Ａに接するように並んでいる。第２硬質粒子９１の、肉盛層２７の表面２７Ａから露出する領域に対応する中心角θは鋭角（９０°未満）となっている。これは、肉盛層２７が鍛造により加工される際に、肉盛層２７の表面２７Ａから突出していた第２硬質粒子９１が相対的に硬度の低いベース相９５内に押し込まれるためであると考えられる。

図２０は、肉盛層２７と本体部２５との界面付近を撮影した光学顕微鏡写真である。図２０を参照して、肉盛層２７の形成後に鍛造による加工を受けたことにより、肉盛層２７（ベース相９５）と本体部２５との界面を含む領域に、肉盛層２７（ベース相９５）が本体部２５に向けて突出する突出部９９が形成されている。この突出部９９には、第２硬質粒子９１の一部が進入している。突出部９９は、肉盛層２７が鍛造により加工される際に、ベース部材との界面付近に存在していた第２硬質粒子９１の影響により形成されたものと考えられる。突出部９９の形成に寄与した第２硬質粒子９１は、当該突出部９９の内部に、少なくともその一部が進入した状態となる。

なお、上記実施の形態および実施例においては、本発明の耐摩耗部品の一例として作業機械（油圧ショベル）のバケットのツースについて説明したが、本発明の耐摩耗部品はこれに限られない。本発明の耐摩耗部品は、たとえばチゼル、ビット、作業機械（たとえばブルドーザ）の履帯式足回りを構成するトラックブシュ、スプロケットティースおよびシューラグ、油圧ショベルのバケット、ツースアダプタ、リップ、ツース間シュラウドおよびコーナーガード、ＧＥＴ（Ｇｒｏｕｎｄ Ｅｎｇａｇｉｎｇ Ｔｏｏｌ）部品のカッティングエッジ、エンドビット、ツース、リッパポイント、プロテクタ、ウエアプレートおよびシャンク、トラッシュコンパクタの鉄輪のチョッパなど、耐摩耗性の要求される種々の部品に適用することができる。上記実施の形態では、バケットのツースとして、小型の油圧ショベル用の中実のツースについて説明したが、バケットのアダプタに被せるように取り付けて使用される中、大型油圧ショベル用のツースにも本発明の耐摩耗部品を適用することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の耐摩耗部品およびその製造方法は、耐摩耗性の向上が要求される耐摩耗部品およびその製造方法に、特に有利に適用され得る。

１ バケット、１０ 本体、１２ 開口外周部、２０ ツース、２１ 先端、２２ 基端、２５ 本体部、２５Ａ 被覆領域、２５Ｂ 露出領域、２５Ｆ 鍛流線、２７ 肉盛層、２７Ａ 表面、２７Ｂ 肉盛層表層領域、２９ 肉盛端部、３０ 芯部、３１ 母相、３２ 第１硬質粒子、３３ 硬質組織、４０ 装着部、５０ ベース部材、５１ 側面、５１Ａ 被覆領域、５１Ｂ 露出領域、５２ 端面、５２Ａ 第１面取り部、５３ 端面、５３Ａ 第２面取り部、５４ 凹部、５５ 原料粉末、５９ 肉盛端部、６０ 肉盛層、７０ 溶接トーチ、７１ 溶接ノズル、７２ コンタクトチップ、７３ 溶接ワイヤ、７４ アーク、８０ 硬質粒子供給ノズル、９１ 第２硬質粒子、９２ 溶融池、９５ ベース相、９９ 突出部。

Claims (15)

1. 芯部と、
   前記芯部を包むように配置され、第１金属からなる本体部と、を備え、
   前記芯部は、
   第２金属からなる母相と、
   前記母相内に分散する第１硬質粒子と、
   前記本体部の鍛流線に沿う方向に前記第１硬質粒子から延び、前記母相よりも硬い硬質組織と、を含む、耐摩耗部品。
2. 前記硬質組織は、前記第１硬質粒子を構成する元素を含む、請求項１に記載の耐摩耗部品。
3. 前記芯部は、前記本体部の鍛流線に沿って延びる、請求項１または２に記載の耐摩耗部品。
4. 前記母相は焼結体からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐摩耗部品。
5. 前記第１金属は鋼である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐摩耗部品。
6. 前記第２金属は鋼である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐摩耗部品。
7. 前記本体部の表面の一部である被覆領域を覆うように前記本体部に接触して配置される肉盛層をさらに備え、
   前記本体部の表面の、前記被覆領域と前記被覆領域以外の領域である露出領域との境界である肉盛端部において、前記露出領域と前記肉盛層の表面とは同一面を構成する鍛造面となっている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐摩耗部品。
8. 前記肉盛層は、
   第３金属からなるベース相と、
   前記ベース相中に分散する第２硬質粒子と、を含む、請求項７に記載の耐摩耗部品。
9. 前記肉盛層の表面から前記第２硬質粒子の平均粒径以内の領域である肉盛層表層領域内に位置する前記第２硬質粒子は、前記肉盛層に埋め込まれた状態で並んで配置される、請求項８に記載の耐摩耗部品。
10. 前記肉盛層表層領域内に位置する前記第２硬質粒子は、前記肉盛層の表面に接するように配置される、請求項９に記載の耐摩耗部品。
11. 前記肉盛層表層領域内に位置する前記第２硬質粒子の、前記肉盛層の表面から露出する領域に対応する中心角は鋭角である、請求項９に記載の耐摩耗部品。
12. 前記肉盛層は、前記肉盛層と前記本体部との界面を含む領域において、前記本体部に向けて突出する突出部を含む、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の耐摩耗部品。
13. 前記突出部には、前記第２硬質粒子の少なくとも一部が進入している、請求項１２に記載の耐摩耗部品。
14. 前記耐摩耗部品は先端を有し、
    前記芯部は、前記先端に向けて延びる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の耐摩耗部品。
15. 第１金属からなり、凹部を有する本体素材を準備する工程と、
    前記凹部内に、第２金属からなる粉末と第１硬質粒子とを含む原料粉末を充填する工程と、
    前記凹部内に前記原料粉末が充填された前記本体素材を熱間鍛造により成形する工程と、を備える、耐摩耗部品の製造方法。