JP2021042454A - 金属部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属炭化物粉末の隙間への金属の充填不足を抑制可能な金属部材の製造方法を提供すること。【解決手段】一実施の形態に係る金属部材の製造方法では、金属粉末に樹脂結着剤を混合して成形した第２のシート２２が、金属炭化物粉末に樹脂結着剤を混合して成形した第１のシート２１よりも鉛直上側に位置する状態において、第１及び第２のシート２１、２２が積層された金属基材１０を加熱し、金属粉末を溶融させる。その後、金属基材１０を冷却し、金属基材１０上に耐摩耗層３０を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は金属部材の製造方法に関する。

耐摩耗層が金属基材上にコーティングされた金属部材は、例えば刃具等に広く利用されている。耐摩耗層を金属基材上にコーティングする方法として、熱間等方加圧（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing）法、溶浸法、ろう付け法、溶射法等が知られているが、大型装置や手間を要する等の問題を有していた。

これに対し、特許文献１には、金属炭化物粉末に樹脂結着剤を混合したシートと、金属粉末に樹脂結着剤を混合したシートと、を金属基材上に重ねて積層し、金属粉末を溶融させることによって金属基材上に耐摩耗層を形成する手法が開示されている。

特開昭４６−００４００４号公報

発明者は、金属中に金属炭化物粒子が分散した耐摩耗層を金属基材上にコーティングする金属部材の製造方法に関し、以下の問題を見出した。
特許文献１に記載の手法では、金属粉末シートを金属基材上に積層し、金属粉末シート上に金属炭化物粉末シートを積層している。そのため、金属粉末が溶融した際、毛細管現象によって、溶融金属が重力に逆らって金属炭化物粉末の隙間に吸い上げられる必要がある。従って、特許文献１に記載の手法では、金属炭化物粉末の隙間に金属を充分に充填できない問題があった。
その他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態に係る金属部材の製造方法では、金属粉末に樹脂結着剤を混合して成形した第２のシートが、金属炭化物粉末に樹脂結着剤を混合して成形した第１のシートよりも鉛直上側に位置する状態において、第１及び第２のシートが積層された金属基材を加熱し、金属粉末を溶融させた後、金属基材を冷却し、金属基材上に耐摩耗層を形成する。

他の一実施の形態に係る金属部材の製造方法では、金属炭化物粉末と金属粉末と樹脂結着剤とを混合して成形したシートが積層された金属基材を加熱し、金属粉末を溶融させた後、金属基材を冷却し、金属基材上に前記耐摩耗層を形成する。シートにおける金属炭化物粉末の含有量を５０質量％以下とする。

前記一実施の形態によれば、金属炭化物粉末の隙間への金属の充填不足を抑制可能な金属部材の製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。 実施例２に係るＷＣ粉末シート２１の表面の走査型電子顕微鏡写真である。 加熱前と加熱後とにおける実施例２に係る金属部材の上面マクロ写真及び側面マクロ写真である。 耐摩耗層３０全体の断面ミクロ写真、及び耐摩耗層３０と金属基材１０との界面部の拡大断面ミクロ写真である。 第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。 実施例に係る混合粉末シート２０の表面の走査型電子顕微鏡写真である。 加熱前と加熱後とにおける実施例に係る金属部材の上面マクロ写真及び側面マクロ写真である。 実施例及び比較例における耐摩耗層３０全体の断面ミクロ写真、及び耐摩耗層３０の拡大断面ミクロ写真である。

以下、具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜金属部材の製造方法＞
図１を参照して、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法について説明する。図１は、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。第１の実施形態に係る金属部材の製造方法は、金属中に金属炭化物粒子が分散した耐摩耗層を金属基材上にコーティングする金属部材の製造方法である。金属部材は、例えば刃具である。マトリクスである金属及び硬質粒子である金属炭化物粒子は特に限定されないが、図１の例では、マトリクスであるニッケル基合金中に硬質粒子である炭化タングステン粒子が分散している。

なお、当然のことながら、図１及び他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

まず、図１上段に示すように、炭化タングステン粉末（ＷＣ粉末）に樹脂結着剤を混合して成形したＷＣ粉末シート（第１のシート）２１を金属基材１０上に積層する。そして、ニッケル基合金粉末（Ｎｉ基合金粉末）に樹脂結着剤を混合して成形したＮｉ基合金粉末シート（第２のシート）２２をＷＣ粉末シート２１上に積層する。ＷＣ粉末シート２１及びＮｉ基合金粉末シート２２における樹脂結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）を用いることができる。

ここで、ＷＣ粉末シート２１においてＰＴＦＥの含有量が多くなると、加熱中にＰＴＦＥが分解することによって、ＷＣ粉末シート２１にひび割れが発生する。そこで、ＰＴＦＥの含有量を０．６質量％、１質量％、５質量％、１０質量％の４段階に変化させ、ＷＣ粉末シート２１を作製した。メジアン径（Ｄ５０）７．５〜１２μｍのＷＣ粉末を使用し、ＷＣ粉末シート２１の厚さは２ｍｍとした。

これら４枚のＷＣ粉末シート２１を真空中において１０００℃に加熱し、ひび割れの発生を調査した。その結果、５質量％、１０質量％のＷＣ粉末シート２１については、ひび割れが発生し、０．６質量％、１質量％のＷＣ粉末シート２１については、ひび割れが発生しなかった。すなわち、ＷＣ粉末シート２１におけるＰＴＦＥの含有量は、例えば１質量％以下であることが好ましい。
同様に、Ｎｉ基合金粉末シート２２におけるＰＴＦＥの含有量も、例えば１質量％以下であることが好ましい。

また、ＷＣ粉末シート２１を金属基材１０上に樹脂系接着剤によって接着し、Ｎｉ基合金粉末シート２２をＷＣ粉末シート２１上に樹脂系接着剤によって接着してもよい。樹脂系接着剤としては、アクリル系接着剤やシアノアクリレート系接着剤を使用することができる。これらの樹脂系接着剤を使用すると、加熱後に形成される耐摩耗層３０中に残渣が残留しないため好ましい。

次に、図１下段に示すように、Ｎｉ基合金粉末シート２２がＷＣ粉末シート２１よりも鉛直上側（ｚ軸正方向側）に位置する状態において、ＷＣ粉末シート２１及びＮｉ基合金粉末シート２２が積層された金属基材１０を加熱する。そして、Ｎｉ基合金粉末シート２２におけるＮｉ基合金粉末を溶融させた後、金属基材１０を冷却し、金属基材１０上に耐摩耗層３０を形成する。ＷＣ粉末シート２１のＷＣ粉末の隙間に溶融したＮｉ基合金が浸透し、充填されることによって、耐摩耗層３０が形成される。

上述の通り、特許文献１では、Ｎｉ基合金粉末シート上にＷＣ粉末シートを積層する。そのため、Ｎｉ基合金粉末シートにおけるＮｉ基合金粉末が溶融した際、毛細管現象によって、溶融したＮｉ基合金が重力に逆らってＷＣ粉末の隙間に吸い上げられる必要がある。従って、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金を充分に充填できない。

これに対し、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法では、図１に示すように、ＷＣ粉末シート２１上にＮｉ基合金粉末シート２２を積層する。そして、Ｎｉ基合金粉末シート２２がＷＣ粉末シート２１よりも鉛直上側に位置する状態において、金属基材１０を加熱し、Ｎｉ基合金粉末シート２２におけるＮｉ基合金粉末を溶融させる。そのため、溶融したＮｉ基合金が重力によって下方向に移動しながらＷＣ粉末シート２１のＷＣ粉末の隙間に浸透する。従って、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金を充分に充填できる。

＜第１の実施形態に係る金属部材の製造方法の実施例＞
以下、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法を、実施例を挙げて詳細に説明する。しかしながら、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。

まず、表１に示すように、ＰＴＦＥとＷＣ粉末とを混合し、実施例１〜３に係るＷＣ粉末シート２１を作製した。ＷＣ粉末シート２１の厚さはいずれも２ｍｍとした。表１には、ＰＴＦＥとＷＣ粉末との配合比（質量％）、及び作製したＷＣ粉末シート２１の密度（ｇ／ｃｍ^３）を示した。表１に示すように、ＰＴＦＥの配合比はいずれも０．６質量％とし、残り９９．４質量％をＷＣ粉末とした。

ＷＣ粉末シート２１の密度を高めるために、実施例１〜３に係るＷＣ粉末シート２１において、いずれも異なる粒径のＷＣ粉末を略１：１の割合で混合した。表１に示すように、メジアン径（Ｄ５０）５３〜１０６μｍ、メジアン径７．５〜１２μｍ、メジアン径３〜４μｍの３種類のＷＣ粉末を用いた。

その結果、表１に示すように、メジアン径７．５〜１２μｍのＷＣ粉末とメジアン径３〜４μｍのＷＣ粉末とを混合した実施例２に係るＷＣ粉末シート２１の密度が最も高かった。ここで、図２は、実施例２に係るＷＣ粉末シート２１の表面の走査型電子顕微鏡写真である。図２に示すように、結着剤であるＰＴＦＥがＷＣ粉末を保持している。

次に、ＰＴＦＥとメジアン径４５〜１０６μｍのＮｉ基合金粉末とを０．６：９９．４の質量比で混合し、厚さ２ｍｍのＮｉ基合金粉末シート２２を作製した。そして、ＪＩＳ規格ＳＳ４００からなる金属基材１０上に、実施例２に係るＷＣ粉末シート２１をアクリル系接着剤によって接着した。さらに、ＷＣ粉末シート２１上にＮｉ基合金粉末シート２２をアクリル系接着剤によって接着した。

その後、Ｎｉ基合金粉末シート２２及びＷＣ粉末シート２１を上側にした状態で、金属基材１０を真空加熱炉に入れ、真空中において１０５０℃で加熱した。Ｎｉ基合金粉末シート２２におけるＮｉ基合金粉末が溶融し、ＷＣ粉末シート２１のＷＣ粉末の隙間に浸透することによって、金属基材１０上に耐摩耗層３０が形成された。得られた耐摩耗層３０におけるＷＣの濃度は、６０質量％であった。また、耐摩耗層３０のロックウェル硬さは、６７ＨＲＣであった。このロックウェル硬さの値は、３点での測定値の平均値である。

ここで、図３は、加熱前と加熱後とにおける実施例２に係る金属部材の上面マクロ写真及び側面マクロ写真である。図３に示すように、加熱前には、金属基材１０にＷＣ粉末シート２１及びＮｉ基合金粉末シート２２が積層されている。加熱後には、Ｎｉ基合金粉末シート２２におけるＮｉ基合金粉末が溶融し、ＷＣ粉末シート２１のＷＣ粉末の隙間に浸透することによって、金属基材１０上に耐摩耗層３０が形成されている。すなわち、ＷＣ粉末シート２１の形状が維持されたまま、耐摩耗層３０が形成されている。

ここで、図４は、耐摩耗層３０全体の断面ミクロ写真、及び耐摩耗層３０と金属基材１０との界面部の拡大断面ミクロ写真である。図４に示すように、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金が略完全に充填されており、ボイドは確認されなかった。また、耐摩耗層３０と金属基材１０との接合状態も極めて良好であった。
以上の通り、第１の実施形態に係る金属部材の製造方法によって、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金が充分に充填されることが確認できた。

（第２の実施形態）
＜金属部材の製造方法＞
次に、図５を参照して、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法について説明する。図５は、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を示す断面図である。
まず、図５上段に示すように、ＷＣ粉末とＮｉ基合金粉末と樹脂結着剤とを混合して成形した混合粉末シート２０を金属基材１０上に積層する。ここで、混合粉末シート２０におけるＷＣ粉末の含有量を５０質量％以下とする。ＷＣ粉末の含有量が５０質量％を超えると、Ｎｉ基合金をＷＣ粉末の隙間に充分に充填させることができなくなる。他方、ＷＣ粉末の含有量が小さ過ぎると、充分な耐摩耗性が得られないため、ＷＣ粉末の含有量は例えば３０質量％以上とする。

第１の実施形態と同様に、樹脂結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）を用いることができる。混合粉末シート２０におけるＰＴＦＥの含有量は、例えば０．６〜１質量％であることが好ましい。また、混合粉末シート２０を金属基材１０上に樹脂系接着剤によって接着してもよい。樹脂系接着剤としては、アクリル系接着剤やシアノアクリレート系接着剤を使用することができる。

次に、図５下段に示すように、混合粉末シート２０が積層された金属基材１０を加熱する。そして、混合粉末シート２０におけるＮｉ基合金粉末を溶融させた後、金属基材１０を冷却し、金属基材１０上に耐摩耗層３０を形成する。混合粉末シート２０のＷＣ粉末の隙間に溶融したＮｉ基合金が浸透し、充填されることによって、耐摩耗層３０が形成される。

上述の通り、特許文献１では、Ｎｉ基合金粉末シート上にＷＣ粉末シートを積層する。そのため、Ｎｉ基合金粉末シートにおけるＮｉ基合金粉末が溶融した際、毛細管現象によって、溶融したＮｉ基合金が重力に逆らってＷＣ粉末の隙間に吸い上げられる必要がある。従って、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金を充分に充填できない。

これに対し、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法では、図５に示すように、ＷＣ粉末とＮｉ基合金粉末とを予め混合して成形した混合粉末シート２０を金属基材１０上に積層する。ここで、混合粉末シート２０におけるＷＣ粉末の含有量を５０質量％以下とする。このように、ＷＣ粉末の含有量を５０質量％以下として、ＷＣ粉末とＮｉ基合金粉末とを予め混合しておくことによって、加熱によって溶融したＮｉ基合金をＷＣ粉末の隙間に充分に充填させることができる。

＜第２の実施形態に係る金属部材の製造方法の実施例＞
以下、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法を、実施例を挙げて詳細に説明する。しかしながら、第２の実施形態に係る金属部材の製造方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。

まず、表２に示すように、ＰＴＦＥとＮｉ基合金粉末とＷＣ粉末とを混合し、実施例及び比較例に係る混合粉末シート２０を作製した。混合粉末シート２０の厚さはいずれも２ｍｍとした。表２には、ＰＴＦＥとＮｉ基合金粉末とＷＣ粉末との配合比（質量％）を示した。表２に示すように、ＰＴＦＥの配合比はいずれも０．６質量％とした。残り９９．４質量％のうち、実施例についてはＷＣ粉末の配合比を５０質量％とし、比較例についてはＷＣ粉末の配合比を６０質量％とした。実施例及び比較例のいずれについても、メジアン径４５〜１０６μｍのＮｉ基合金粉末を用いた。

ＷＣ粉末の密度を高めるために、表２に示すように、実施例及び比較例に係る混合粉末シート２０において、メジアン径７．５〜１２μｍ及びメジアン径３〜４μｍのＷＣ粉末を１：１の割合で混合した。ここで、図６は、実施例に係る混合粉末シート２０の表面の走査型電子顕微鏡写真である。図６に示すように、結着剤であるＰＴＦＥがＷＣ粉末及びＮｉ基合金粉末を保持している。

次に、実施例及び比較例に係る混合粉末シート２０をそれぞれＪＩＳ規格ＳＳ４００からなる金属基材１０上にアクリル系接着剤によって接着した。その後、混合粉末シート２０を上側にした状態で、金属基材１０を真空加熱炉に入れ、真空中において１０５０℃で加熱した。混合粉末シート２０におけるＮｉ基合金粉末が溶融し、ＷＣ粉末の隙間に浸透することによって、金属基材１０上に耐摩耗層３０が形成された。耐摩耗層３０のロックウェル硬さは、６６ＨＲＣであった。このロックウェル硬さの値は、３点での測定値の平均値である。

ここで、図７は、加熱前と加熱後とにおける実施例に係る金属部材の上面マクロ写真及び側面マクロ写真である。図７に示すように、加熱前には、金属基材１０に混合粉末シート２０が積層されている。加熱後には、混合粉末シート２０におけるＮｉ基合金粉末が溶融し、ＷＣ粉末の隙間に浸透することによって、金属基材１０上に耐摩耗層３０が形成されている。すなわち、混合粉末シート２０の形状が維持されたまま、耐摩耗層３０が形成されている。

ここで、図８は、実施例及び比較例における耐摩耗層３０全体の断面ミクロ写真、及び耐摩耗層３０の拡大断面ミクロ写真である。図８に示すように、ＷＣ粉末の含有量が５０質量％の実施例では、多少のボイドは確認されたが、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金が充分に充填されている。また、耐摩耗層３０と金属基材１０との接合状態も良好であった。一方、ＷＣ粉末の含有量が６０質量％の比較例では、ボイドが多数確認され、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金が充分に充填されなかった。

以上の通り、ＷＣ粉末の含有量を５０質量％以下として、ＷＣ粉末とＮｉ基合金粉末とを予め混合しておく第２の実施形態に係る金属部材の製造方法によっても、ＷＣ粉末の隙間にＮｉ基合金が充分に充填されることが確認できた。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０ 金属基材
２０ 混合粉末シート
２１ ＷＣ粉末シート
２２ Ｎｉ基合金粉末シート
３０ 耐摩耗層

Claims (10)

1. 金属中に金属炭化物粒子が分散した耐摩耗層を金属基材上にコーティングする金属部材の製造方法であって、
   （ａ）金属炭化物粉末に樹脂結着剤を混合して成形した第１のシートを前記金属基材上に積層すると共に、金属粉末に樹脂結着剤を混合して成形した第２のシートを前記第１のシート上に積層する工程と、
   （ｂ）前記第２のシートが第１のシートよりも鉛直上側に位置する状態において、前記第１及び第２のシートが積層された前記金属基材を加熱し、前記金属粉末を溶融させた後、前記金属基材を冷却し、前記金属基材上に前記耐摩耗層を形成する工程と、を備えた、
   金属部材の製造方法。
2. 前記金属粉末が、ニッケル基合金粉末であり、
   前記金属炭化物粉末が、炭化タングステン粉末である、
   請求項１に記載の金属部材の製造方法。
3. 前記第１のシートは、前記樹脂結着剤であるポリテトラフルオロエチレンを０．６〜１．０質量％含有する、
   請求項１に記載の金属部材の製造方法。
4. 前記工程（ａ）において、
   前記第１のシートを前記金属基材上に樹脂系接着剤によって接着し、
   前記第２のシートを前記第１のシート上に樹脂系接着剤によって接着する、
   請求項１に記載の金属部材の製造方法。
5. 前記樹脂系接着剤は、アクリル系接着剤である、
   請求項４に記載の金属部材の製造方法。
6. 金属粉末中に金属炭化物粒子が分散した耐摩耗層を金属基材上にコーティングする金属部材の製造方法であって、
   （ａ）金属炭化物粉末と金属粉末と樹脂結着剤とを混合して成形したシートを前記金属基材上に積層する工程と、
   （ｂ）前記シートが積層された前記金属基材を加熱し、前記金属粉末を溶融させた後、前記金属基材を冷却し、前記金属基材上に前記耐摩耗層を形成する工程と、を備え、
   前記シートにおける前記金属炭化物粉末の含有量を５０質量％以下とする、
   金属部材の製造方法。
7. 前記金属粉末が、ニッケル基合金粉末であり、
   前記金属炭化物粉末が、炭化タングステン粉末である、
   請求項６に記載の金属部材の製造方法。
8. 前記シートは、前記樹脂結着剤であるポリテトラフルオロエチレンを０．６〜１．０質量％含有する、
   請求項６に記載の金属部材の製造方法。
9. 前記工程（ａ）において、
   前記シートを前記金属基材上に樹脂系接着剤によって接着する、
   請求項６に記載の金属部材の製造方法。
10. 前記樹脂系接着剤は、アクリル系接着剤である、
    請求項９に記載の金属部材の製造方法。

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