JP2908179B2 - 機械部材用耐衝撃摩耗材料および該耐衝撃摩耗材料を用いた機械部材用耐衝撃摩耗層 - Google Patents

機械部材用耐衝撃摩耗材料および該耐衝撃摩耗材料を用いた機械部材用耐衝撃摩耗層

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、激しい摩耗環境下で運
転される破砕機部材等の表面保護層として好適な機械部
材用耐衝撃摩耗材料およびこの耐衝撃摩耗材料を用いた
機械部材用耐衝撃摩耗層に関するものである。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】金属
マトリックスと分散相であるセラミック粉末との複合材
料からなる表面保護膜を形成することは各種構造物の耐
摩耗性を改善するための有効な手段であって、そのため
に各種の複合材料が提案されている。そして、かかる複
合材料からなる表面保護膜を形成する方法として溶射法
が広く行われているが、溶射法により形成される保護膜
は密着強度が低く、機械衝撃により剥離しやすいため、
より耐摩耗性に優れた保護膜形成手段の開発が要望され
ている。この点に関して、耐摩耗性に優れた粉体肉盛溶
接法として、近年プラズマ粉体肉盛溶接法が注目されて
いる。
【0003】さて、このプラズマ粉体肉盛溶接とは、従
来、難加工性で細径のフィラーワイヤなどになりにくい
ステライトやコルモノイ合金などを粉体とすることによ
り、これらの肉盛溶接を容易に行うことができるように
したものであり、合金粉末の配合比率を変えることによ
り極めて厳しい摩耗条件にも十分に適用し得る耐摩耗層
を形成できるので、従来の肉盛溶接では得られない高機
能、高性能の表面層を形成し得る技術として期待されて
いるものである。そして、このプラズマ粉体肉盛溶接材
料としては、以下のものが提案されている。
【0004】すなわち、特開昭64−11093号公報
には、「金属マトリックスと炭化物系セラミック粒子か
らなる複合材料であって、炭化物系セラミック粒子が2
0〜80重量%であり、金属分は、C:0.08%以
下、Si:0.5〜3%、Mn:2%以下、Ni:2〜
10%、Cr:15〜30%、Co:20〜40%、残
部実質的にFeからなる成分組成を有するプラズマ粉体
溶接肉盛用複合溶接材」に関する発明が開示されている
(以下「従来技術1」という)。
【0005】また、特開昭64−18598号公報に
は、「金属マトリックスと炭化物系セラミック粉末から
なる複合材料であって、炭化物系セラミック粉末が20
〜70重量%であり、金属分は、C:8%以下、Si:
2%以下、Mn:2%以下、Ni:2〜10%、Cr:
20〜60%、W:4〜15%、残部実質的にCoから
なる成分組成を有するプラズマ粉体溶接肉盛用複合溶接
材」に関する発明が開示されている(以下「従来技術
2」という)。
【0006】しかし、従来技術1は、Crによる靱性の
低下を防止するために、Crを30重量%以下に抑えて
おり、この場合、衝撃の激しい摩耗環境下においては十
分な耐摩耗性を発揮できない。
【0007】また、従来技術2は、Crによる靱性の低
下を、多量にCoを含有することでカバーしようという
ものであって、この場合、製造コストが高くなる。
【0008】本発明は従来の技術の有するこのような問
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐衝
撃性・耐摩耗性に優れた低コストの機械部材用耐衝撃摩
耗材料および該耐衝撃摩耗材料を用いた機械部材用耐衝
撃摩耗層を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、マトリックスである金属成分と分散相であ
るセラミック成分とからなる機械部材用耐衝撃摩耗材料
において、セラミック成分が35重量%超且つ65重量
%未満のクロムカーバイドであって、金属成分が実質的
に鉄であることを特徴とする機械部材用耐衝撃摩耗材料
を第一の発明とし、実質的に鉄である金属マトリックス
中に35重量%超且つ65重量%未満のクロムカーバイ
ドを分散させた機械部材用耐衝撃摩耗材料の粉末を、プ
ラズマ粉体肉盛溶接法で肉盛溶接することによって得
た、クロムカーバイドと鉄の複合組織からなる機械部材
用耐衝撃摩耗層を第二の発明とする。
【0010】
【作用】本発明で分散相となるクロムカーバイドは硬質
で強度が高く、金属マトリックスである鉄との濡れ性が
よく、分散強化成分として優れた物質である。
【0011】しかし、クロムカーバイドの量が35重量
%以下では、耐摩耗性の点で十分でなく、一方、クロム
カーバイドの量が65重量%以上になると、欠陥(ボイ
ド)が多くなり、耐衝撃性が低下するので好ましくな
い。
【0012】そこで、クロムカーバイドを35重量%超
且つ65重量%未満とし、残部を鉄とすることにより、
靱性を低下することなく、耐衝撃性・耐摩耗性を向上す
ることができる。
【0013】
【実施例】次に本発明の実施例を説明するが、まず、以
下の試験で使用した供試材の詳細について述べると、使
用した鉄系粉体およびクロムカーバイドの化学成分(重
量%)は以下の表1の通りであり、クロムカーバイドの
物性は以下の表2の通りであり、表1の鉄系粉体とクロ
ムカーバイドからなる肉盛粉体材料のクロムカーバイド
の含有率(重量%)は、以下の表3に示すように3種類
とした。
【0014】
【表1】
【0015】
【表2】
【0016】
【表3】
【0017】そして、表3に示すクロムカーバイド比率
の粉体材料を用いて、プラズマ粉体肉盛溶接により衝撃
摩耗試験片を作製し、衝撃摩耗試験を行ったので、以下
にその詳細について説明する。
【0018】まず、プラズマ粉体肉盛溶接法に関して、
図1の概略構成図に基づいて簡単に説明する。同図にお
いて、1はタングステン電極(−)、2は母材(+)、
3はシールドガス導入口、4は粉体装入口、5はプラズ
マアーク用ガス導入口である。このような構成におい
て、装入口4から装入した粉体はタングステン電極1と
母材2との間に発生したプラズマアーク6により溶融
し、母材2上に肉盛金属7が形成される。なお、本実施
例においては、シールドガス、プラズマアーク用ガスと
してアルゴンガスを使用した。
【0019】そして、このプラズマ粉体肉盛溶接法によ
り、図2(a)(b)に示すような形状の衝撃摩耗試験
片を得た。同図において、8は粉体肉盛部(鉄−クロム
カーバイド複合組織)、9は母材(SS材)である。な
お、粉体肉盛部8の肉厚Tは10mmであり、粉体肉盛に
際して、母材9を約600℃に予熱した。
【0020】次に、この試験片を用いて衝撃摩耗試験を
行ったので、その内容について説明する。すなわち、図
2に示す形状の4個の衝撃摩耗試験片10を図3のよう
な構成のインパクトブレーカーのローター11に取りつ
け、ローター11を一定の速度で回転させながら、開口
12から300kgの石を試験機内に投入し、この30
0kgの石を試験片10の粉体肉盛部8で粉砕した後の
試験片10の摩耗重量を測定し、さらに300kgの石
を試験機内に投入して、この石を同粉体肉盛部8で粉砕
した後の試験片10の摩耗重量を測定するという方法で
衝撃摩耗試験を行った。この場合の各300kgの石を
粉砕した後の摩耗減量と表面硬さ(HRC) を図4に示
す。同図に明らかなように、クロムカーバイドを50重
量%含有した試験片の摩耗量は最も少なく、クロムカー
バイドを50重量%含有することによって耐衝撃性・耐
摩耗性を向上し得ることが分かる。
【0021】さらに、図5(a)に示すように、衝撃摩
耗試験後の試験片の肉盛部8より調査用試験片13を採
取し、垂直方向の硬さ測定、金属組織観察および分析電
子顕微鏡による元素分析を行ったので、その内容につい
て説明する。
【0022】 〔垂直方向の硬さ測定〕 垂直方向の硬さ測定法は、図5(b)に点線で示すよう
に、母材9と肉盛部8との界面Aから表面に向かって垂
直方向にビッカース硬さを測定したもので、3箇所の各
垂直方向対応位置における平均硬さを図6に示す。図に
おいて、○はクロムカーバイド30重量%のもの、□は
同50重量%のもの、△は同70重量%のものの値であ
る。同図に明らかなように、クロムカーバイドの含有量
が増えるに伴って硬度が増す傾向にある。
【0023】 〔金属組織観察〕〔元素分析〕 図7に調査用試験片13の金属組織(×100)を示
す。組織観察位置は、図5(a)の摩耗面(B部)付近
と表面(C部)付近の垂直断面方向である。
【0024】また、図8、図9、図10に、それぞれク
ロムカーバイドの含有量が30重量%、50重量%、7
0重量%の試験片の表面(C部)付近の垂直断面方向の
元素分析結果(×500)を示す。
【0025】図10に明らかなように、クロムカーバイ
ド70重量%のものは、50重量%(図9(b)参照)
や30重量%(図8(b)参照)のものに比べて鉄分
(図10(b)で白い部分)が少なく、クロムカーバイ
ドの間隙を延性の優れた鉄分で埋めることができないの
で、図7(e)(f)に示すようにボイド(同図で黒い
部分)が多くなったものと思われる。従って、クロムカ
ーバイドを70重量%含有するものは硬度が高いが、ボ
イドが多いので耐衝撃性に劣る。
【0026】一方、クロムカーバイドが30重量%のも
のは、図8(b)に示すように、鉄分(白い部分)は多
いが、微細なクロムカーバイド(図8(c)で白い部
分)が全面に分散しているので、延性はよいが、耐摩耗
性に劣る。
【0027】これらに比してクロムカーバイドが50重
量%のものは、図9(c)に示すように、適当な大きさ
のクロムカーバイドが適当に分散し、この間隙を鉄分が
埋めるので、上記衝撃摩耗試験で明らかにしたように、
耐衝撃性・耐摩耗性に優れた性質を示したものと思われ
る。
【0028】なお、表1のクロムカーバイドと鉄系粉体
を用いて、同上プラズマ粉体肉盛溶接法によりクロムカ
ーバイドが35重量%と65重量%の粉体肉盛部を有す
る衝撃摩耗試験片も作製し、その試験片についても同上
衝撃摩耗試験を行い、試験片表面付近の金属組織観察と
元素分析も同上方法で行ったが、クロムカーバイド35
重量%のものは30重量%のものと同様に微細なクロム
カーバイドが全面に分散した組織を示し、クロムカーバ
イド65重量%のものは70重量%のものと同様にボイ
ドの多い組織であった。また、同上条件で粉体肉盛部8
の肉厚Tが20mmの衝撃摩耗試験片も作製することがで
きた。
【0029】
【発明の効果】本発明にかかる機械部材用耐衝撃摩耗材
料は耐衝撃性・耐摩耗性に優れているので、激しい摩耗
環境に晒される破砕機部材等の機械部材用耐衝撃摩耗層
として極めて好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラズマ粉体肉盛溶接法を説明する図である。
【図2】図2(a)は衝撃摩耗試験片の側面図、図2
(b)は同試験片の正面図である。
【図3】インパクトブレーカーの概略構成を示す側面図
である。
【図4】衝撃摩耗試験後の試験片の摩耗量および表面硬
さを示す図である。
【図5】図5(a)は衝撃摩耗試験後の試験片の斜視
図、図5(b)は硬さ測定方向を説明する図である。
【図6】衝撃摩耗試験後の試験片の表面付近の垂直方向
硬さ分布を示す図である。
【図7】図7(a)〜(f)は衝撃摩耗試験後の試験片
の表面付近(粉体肉盛部)の金属組織を示す図で、
(a)(b)はクロムカーバイド30重量%含有のもの
を示し、(c)(d)は同50重量%含有のものを示
し、(e)(f)は同70重量%含有のものを示す。
【図8】図8(a)〜(d)は粉体肉盛部にクロムカー
バイドを30重量%含有した試験片の衝撃摩耗試験後の
表面付近の垂直断面方向の元素分析結果を示す図で、
((a)は組織を示し、(b)は鉄分を示し、(c)は
クロム分を示し、(d)は炭素分を示す。
【図9】図9(a)〜(d)は粉体肉盛部にクロムカー
バイドを50重量%含有した試験片の衝撃摩耗試験後の
表面付近の垂直断面方向の元素分析結果を示す図で、
((a)は組織を示し、(b)は鉄分を示し、(c)は
クロム分を示し、(d)は炭素分を示す。
【図10】図10(a)〜(d)は粉体肉盛部にクロム
カーバイドを70重量%含有した試験片の衝撃摩耗試験
後の表面付近の垂直断面方向の元素分析結果を示す図
で、(a)は組織を示し、(b)は鉄分を示し、(c)
はクロム分を示し、(d)は炭素分を示す。
【符号の説明】
1…タングステン電極 2…母材 3…シールドガス導入口 4…粉体装入口 5…プラズマアーク用ガス導入口 6…プラズマアーク 7…肉盛金属 8…粉体肉盛部 9…母材 10…衝撃摩耗試験片 11…ローター 12…開口 13…調査用試験片
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 犬塚 雅之 兵庫県神戸市中央区東川崎町3丁目1番 1号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 山口 正治 兵庫県神戸市中央区東川崎町3丁目1番 1号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 尾崎 弘憲 千葉県八千代市上高野1780番地 川崎重 工業株式会社 八千代工場内 (72)発明者 田村 朗 千葉県八千代市上高野1780番地 川崎重 工業株式会社 八千代工場内 (56)参考文献 特開 平1−95896(JP,A) 特開 昭64−71596(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マトリックスである金属成分と分散相で
    あるセラミック成分とからなる機械部材用耐衝撃摩耗材
    において、セラミック成分が35重量%超且つ65重
    量%未満のクロムカーバイドであって、金属成分が実質
    的に鉄であることを特徴とする機械部材用耐衝撃摩耗材
  2. 【請求項2】 実質的に鉄である金属マトリックス中に
    35重量%超且つ65重量%未満のクロムカーバイドを
    分散させた機械部材用耐衝撃摩耗材料の粉末を、プラズ
    マ粉体肉盛溶接法で肉盛溶接することによって得た、ク
    ロムカーバイドと鉄の複合組織からなる機械部材用耐衝
    撃摩耗層
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