JP3305357B2 - 耐食・耐摩耗性に優れた合金およびその製造方法ならびにその合金製造用材料 - Google Patents

耐食・耐摩耗性に優れた合金およびその製造方法ならびにその合金製造用材料

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は耐食性と耐摩耗性の双方
に優れた合金材料とその製法、それに用いる合金用材料
ならびにこの合金材料を用いた金属部材と、その表面の
耐食性ならびに耐摩耗性を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明の解決すべき課題】従来、機械
装置を構成する金属部材の耐食性ならびに耐摩耗性を改
善する方法としては、たとえばステンレス鋼などの構成
材料を焼入れするか、あるいはめっきするなど金属部材
の表面を改質する方法が一般的である。
【０００３】上記のような表面処理法の他に、近年にお
いては金属部材を構成する金属材料中に特定の硬質粒子
を添加する方法が種々提案されている。このような方法
としては、たとえば、特開昭５８−１８１４７０号公報
に記載されているように、Ｎｉ基、Ｃｏ基あるいはＦｅ
基合金からなるマトリックス金属中あるいはその母材表
面に、ＷＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＣｒＣ、ＶＣなどの硬質
粒子を添加することによりマトリックス金属の硬度ない
し耐摩耗性を向上させる方法が知られている。本発明者
らの知見によれば、この方法は、耐摩耗性を向上させる
上においてはある程度有効な方法ではあるが、反面、合
金の靭性が低下するという点においては必ずしも満足の
いくものではない。たとえばＮｂＣ（融点３４８０
℃）、ＴｉＣ（融点３１８０℃）などの硬質粒子は融点
が高く、溶融しにくいため、未溶融の状態で添加するこ
とを避けることは困難である。そのため、耐食・耐摩耗
層を形成する工程において、硬質粒子が比較的大きな形
態のままでマトリックス金属中に残留し、これに起因し
て金属材料の靭性がいきおい低下してしまうという問題
がある。
【０００４】一方、添加する炭化物をマトリックス金属
中で溶融させる場合においても、材料の脆化の問題が生
じる場合がある。たとえば、ＭｏＣやＷＣをＮｉ基、Ｃ
ｏ基あるいはＦｅ基合金とともに溶融すると脆弱なＭ６
Ｃ型の化合物が晶出することが知られている。このよう
な脆弱な化合物の晶出は、耐摩耗性の向上に寄与しない
ばかりか、マトリックス金属の脆化をもたらす結果とな
る。
【０００５】また、特開昭６３−１５７７９６号公報に
は、熱間圧延用ロールの製造方法が開示されている。こ
の方法においては、鉄系合金にＶＣ粉末を添加すること
によって耐摩耗性と耐クラック性とを備え、強靭性に富
んだロールを得ることに向けられており、この方法で
は、鉄系合金に、１０重量％以上のＶＣ粉末を添加する
ことを必須の要件としている。しかしながら、この方法
は、ロールの焼入れ性の改善に向けられたものであっ
て、本発明者らの知見によれば、Ｆｅ系合金を母材とし
て用いる場合、これにＶＣを添加した場合にはＷＣ、Ｃ
ｒＣなどの複数の炭化物が不可避的に多量発生し、必ず
しも本発明が目的とする効果を得ることができない。さ
らに、この方法においては、ＶＣを特定状態に再晶出な
いし再析出させる技術ではなく、耐摩耗性と耐食性の双
方を改善する上においては、必ずしも有効な方法ではな
い。
【０００６】また、従来の方法においては、硬質粒子の
添加に際しては、マトリックス金属の溶着に必要な最小
限の温度上昇に止めて上述したような脆性化合物の晶出
を阻止する必要があり、さらにこのためには、添加する
硬質粒子の粒径をある程度大きくする必要があるが、粒
径が大きくなると均一な分散が困難となり、結果的に金
属材料の靭性を低下させることとなる。マトリックス金
属中に、粗く偏った硬質粒子が存在すると、上述したよ
うに、これらが摩擦運動に際して容易に脱落し、耐摩耗
性を低下させる結果となる。
【０００７】さらに上記のような硬質粒子の分布状態の
偏りあるいはこれに起因する硬質粒子の脱落の問題は、
マトリックス金属と硬質粒子との間の比重差によっても
促進される。たとえば、マトリックス金属としてＦｅ基
合金を用い、硬質粒子としてＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ある
いはＴｉＣを使用した場合においては、硬質粒子の凝集
あるいは偏りが特に生じやすくなる。さらに、硬質粒子
としてＣｒ系炭化物を使用した場合にあっては、加熱後
の冷却工程において再晶出ないし再析出したクロムの炭
化物が凝集して粗大な炭化物粒に成長し、その結果、硬
質粒子がマトリックス金属から脱落しやすくなるという
問題が生じる。
【０００８】一方、国際公開ＷＯ９１／０９９８０号公
報には、Ｆｅ基、Ｃｏ基およびＮｉ基合金の１種以上の
金属粉末と粒径６０〜１００μｍの炭化バナジウム粉末
からなる粉末混合物を高エネルギー密度の熱源を用いて
溶融および／または再溶融を繰り返すことにより、耐食
・耐摩耗性に優れた合金を製造する方法が開示されてい
る。このように粒径の比較的大きな粉末を使用すること
は合金化の操作を容易化する上で利点がある。ところ
が、この方法では、粒径１０μｍ以下の微細な炭化バナ
ジウムも晶・析出するが、一部には未溶融の炭化バナジ
ウム粒子が残留し、これを溶融するために繁雑な溶融工
程をいくども繰り返さざるを得ない。さらに、本発明者
の知見によれば、それにもかかわらず、一部の未溶融炭
化バナジウムが顕微鏡観察では塊状となって存在するた
め、微細な炭化バナジウム粒子相がしばしば不均一に分
布し、耐摩耗性も所期の性能を得られず、また局部破損
による亀裂、剥離の誘因になるおそれがあるという問題
がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来の技
術群が有する問題を解決するものであり、具体的には、
本発明による耐食性および耐摩耗性に優れた合金は、Ｆ
ｅ基合金、Ｃｏ基合金およびＮｉ基合金から選ばれた少
なくとも１種からなるマトリックス金属相中に、ほぼ均
一に晶出および／または析出された５μｍ以下の粒径を
有するＶＣ粒子相が１０％〜６５％の範囲の面積比で存
在することを特徴とするものである。さらに本発明によ
る表面改質金属部材は、上記合金を表面の所望位置に一
体的に被覆してなることを特徴とするものである。
【００１０】また、本発明による耐食性および耐摩耗性
に優れた合金の製造方法は、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金お
よびＮｉ基合金から選ばれた少なくとも１種からなるマ
トリックス金属と、粒径１０μｍ以下のＶＣ粉末とから
なる粉末混合物またはＶＣ粉末入りワイヤとを高エネル
ギー密度の熱源を用いて溶融したのち冷却することによ
って、前記マトリックス金属相中に５μｍ以下の粒径の
ＶＣを均一に晶出および／または析出させることを特徴
とするものである。
【００１１】前記高エネルギー密度の熱源を用いて溶融
する方法は、プラズマ溶接、レーザまたはＨ．Ｉ．Ｐ．
のいずれかによるものであってもよい。
【００１２】上記の製造方法は、また、金属部材の所望
位置に施されることにより、耐食性および耐摩耗性に優
れた合金層を所定表面に形成する表面改質金属部材の製
造方法とすることもできる。
【００１３】更に、上記の製造方法に用いる合金用材料
としては、前記マトリックス金属からなる管の中に粒径
１０μｍ以下のＶＣ粉末を充填したコアードワイヤや、
前記マトリックス金属と粒径１０μｍ以下のＶＣ粉末を
混合した粉末混合物とすることもできる。
【００１４】
【作用】マトリックス金属と併用する炭化バナジウム粉
末の粒径を１０μｍ以下の微細化粉末とすることによっ
て、高エネルギー密度の熱源下において、ＶＣ粉末を一
回の溶融のみで完全にマトリックス金属相中に溶け込ま
せることができ、これを冷却することによって、５μｍ
以下の微細なＶＣ粒子相を均一に析出／晶出させること
ができる。このようなＶＣ粒子相を、マトリックス金属
相に対し、材料および熱処理条件を調整することで、１
０〜６５％の範囲で面積比を容易に確保することがで
き、、耐食・耐摩耗性を安定的に発現させることが可能
となる。
【００１５】本発明による耐食・耐摩耗性合金において
は、マトリックス金属として、耐食性に優れたＦｅ基合
金、Ｃｏ基合金またはＮｉ基合金が好ましく用いられる
得る。たとえば、耐食性Ｆｅ基合金としては、オーステ
ナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス
鋼、フェライト系ステンレス鋼などが用いられ得る。
【００１６】また、耐食性Ｃｏ基合金としては、ステラ
イト系Ｃｏ合金、たとえば、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ系合金やＣ
ｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ系合金などが用いられ得る。
【００１７】さらに、Ｎｉ基合金としては、ハステロイ
系合金、インコネル系合金、コルモノイ系合金が用いら
れ、具体的には、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ
−Ｆｅ−Ｗ系合金などが用いられ得る。
【００１８】本発明の合金を得るに際しては、上述した
少なくとも１種のマトリックス金属の粉末に、粒径１０
μｍ以下の微細な炭化バナジウム粉末を７０重量％以下
混合、充填した粉末混合物や造粒粉末を製造するか、ま
たは、マトリックス金属のパイプ中に上記炭化バナジウ
ム粉末を充填密封したコアードワイヤとして用いること
が好ましい。この炭化バナジウム粉末としては、ＶＣが
好ましく用いられる。
【００１９】このＶＣ粉末の粒径は、分散状態を良好な
ものにするためには１０μｍ以下の範囲が肝要であり、
さらに好ましくは、５μｍ以下、さらに好ましくは３μ
ｍ以下である。ＶＣ粉末の粒径が１０μｍを超えると、
上述した均一な分散状態を得ることは困難であるばかり
でなく、マトリックス相中での溶融が不十分なものとな
ることが判明した。一般に、粒径が小さくなると粉体の
取扱いが繁雑化し、表面積が増大することに伴う操作性
の低下や凝集の問題が生じることが考えられるが、これ
は、マトリックス金属とＶＣ粉末の混合粉末を造粒した
り、マトリックス合金よりなる管内にＶＣ粉末を充填し
たコアードワイヤを用いたりすることによって解決する
ことができる。
【００２０】本発明における、炭化バナジウムの添加量
としては、上記のように７０重量％以下の範囲内におい
て、目的とする耐摩耗特性に応じて適宜選択し得る。し
かしながら、マトリックス金属がＦｅ基合金からなる場
合においては、炭化バナジウムの量は１０重量％以下の
量、さらに好ましくは７．５重量％以下である。
【００２１】一方、マトリックス金属がＣｏ基合金また
はＮｉ基合金からなる場合においては、炭化バナジウム
の量は７０重量％以下が好ましい。通常、炭化バナジウ
ムの含有量が多くなるほど耐摩耗性は向上するが、上述
した上限値を超えて添加すると、靭性の低下や炭化物の
欠落に起因する耐摩耗性の低下が生じるので好ましくな
い。
【００２２】本発明においては、上記のようにして調製
された粉末混合物等を、好ましくはアルゴンガスなどの
不活性ガス雰囲気中において、高エネルギー密度の熱源
を用いて熱処理を行う。すなわち、高エネルギー密度の
熱源を用いた熱処理により溶融することによって、マト
リックス金属相中に均一かつ粒径５μｍ以下の微細な炭
化バナジウム粒子相を晶出および／または析出させる。
【００２３】上記熱処理は、具体的には、高エネルギー
密度の熱源を用いて、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金およびＦ
ｅ基合金からなる群から選ばれた少なくとも１種よりな
るマトリックス金属粉末等と炭化バナジウム粉末とから
なる粉末混合物や造粒粉末等を溶融しかつマトリックス
金属相中に均一かつ粒径５μｍ以下の微細な炭化バナジ
ウム粒子相を晶出および／または析出させる工程による
のが好ましい。
【００２４】上記熱処理の際の冷却は、約１００℃／秒
以上の冷却速度で行うことが、炭化バナジウム粒子相の
良好な晶出・析出状態を現出させる上において好まし
い。このような急速冷却は強制空冷や強制水冷によって
行うことができる。本発明者の知見によれば、上記の冷
却速度条件を満足することによって、確実にマトリック
ス金属中に固溶したＶＣを微細かつ均一な状態で晶出な
いし析出させることができる。
【００２５】上記冷却過程において、マトリックス金属
相中に一旦溶融した炭化バナジウム粒子相が晶出および
／または析出する。
【００２６】すなわち、溶融ならびに冷却によってＶＣ
はほぼ完全に溶解したのち微細粒子相として晶出・析出
し、しかもこのＶＣ粒子の分散状態は極めて良好なもの
となる。
【００２７】具体的には、上記の工程によって得られる
耐食・耐摩耗性合金は、マトリックス金属相中に晶出お
よび／または析出し、均一かつ微細な炭化バナジウム粒
子相の粒径が５μｍ以下であり、かつ、合金相全体に対
する炭化バナジウム粒子相の面積比が１０％〜６５％で
あることが肝要である。炭化バナジウム粒子相の粒径が
５μｍを超えると、合金自体の靭性低下を招き易くな
り、硬質粒子が欠落する危険性が増して耐摩耗性の向上
を阻害するので好ましくない。また、合金相全体に対す
る炭化バナジウム粒子相の面積比が１０％未満では、耐
摩耗性の改善効果が低下するので好ましくない。一方、
６５％を超えるとマトリックス金属相本来の性質を低下
させ得るので好ましくない。
【００２８】高エネルギー密度の熱源を用いた溶融手段
としては、プラズマアークやレーザ光熱源や熱間静水圧
プレス（Ｈ．Ｉ．Ｐ）を用いた溶融方法が使用できる。
尚、ＨＩＰ法による場合は、粉末混合物を封入した容器
を高温・高圧で処理するが、後述する金属部材と粉末混
合物を容器中に封入することもできる。また、後述する
ような金属部材表面に上記の合金を肉盛溶接する方法と
しては、プラズマアークを熱源とするプラズマ粉体溶接
法（Ｐ．Ｔ．Ａ法）が好ましく用いられる。これらの溶
融手段によれば、少なくとも瞬間的に３０００℃を超え
る加熱が可能であり、上述した粉末混合物を効果的に溶
融することができる。
【００２９】上記の熱処理の結果晶出および／または析
出する炭化物は、実質的にＶＣからなるが、この他にも
副成分としてＶ２Ｃが生じる可能性がある。また上記の
他にも微量成分として、（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｖ，Ｗ）23Ｃ６
が析出するものと考えられる。本発明においては、これ
らの不可避的成分の存在は、本発明の目的から逸脱しな
い範囲において容認される。
【００３０】次に、本発明による金属部材の表面改質法
について説明する。
【００３１】本発明の表面改質法は、基本的に、上述し
た方法で得られる耐食・耐摩耗性合金からなる肉盛層を
所望の金属部材の表面に適用することを特徴とする。
【００３２】すなわち、本発明の表面改質法は、金属部
材を構成する基材の表面に、Ｃｏ基合金、Ｎｉ基合金お
よびＦｅ基合金からなる群から選ばれた少なくとも１種
よりなるマトリックス金属の粉末やパイプと炭化バナジ
ウム粉末との混合物や組立体を供給して、高エネルギー
密度の熱源を用いた熱処理に付すことにより、前記混合
物等の溶融によって、基材の表面に、マトリックス金属
相中に均一かつ粒径５μｍ以下の微細な炭化バナジウム
粒子相を晶出および／または析出させてなる肉盛合金層
を形成することを特徴とするものである。
【００３３】また、上述した熱処理は、プラズマアーク
を熱源とするプラズマ粉体溶接法（Ｐ．Ｔ．Ａ法）が好
ましく用いられる。上述したように、これらの溶融手段
によれば、少なくとも瞬間的に３０００℃を超える加熱
が可能であり、上述した粉末混合物や造粒粉末等を効果
的に溶融することができる。
【００３４】その他の冷却条件、あるいは炭化バナジウ
ム粒子相の析出ないし分散状態については、上述した記
載と同様である。特に、上記熱処理の際の冷却は、約１
００℃／秒以上の冷却速度で行うことが、炭化バナジウ
ム粒子相の良好な晶出・析出状態を確実に現出させる上
において好ましい。このような急速冷却は強制空冷や強
制水冷によって行うことができる。本発明者の知見によ
れば、上記の冷却速度条件を満足することは、マトリッ
クス金属中に固溶したＶＣをいっそう微細かつ均一な状
態で晶出ないし析出させる上で好ましい。通常、金属部
材の基材部分と肉盛層との界面における割れの発生を防
止する上では、冷却速度は遅いほど好ましいことが予想
されるが、本発明者の知見によれば、冷却速度を遅くす
ることは、ＶＣ粒子相の析出状態を上記のような状態に
する上においては必ずしも有効ではないことが判明して
いる。
【００３５】なお、本発明においては、上記の冷却方法
として、たとえば、肉盛層を形成する対象金属部材を強
制的に冷却しながら上記の方法を実施してもよい。
【００３６】本発明においては、上述した熱処理をウィ
ービング法を用いて効率的に行うことができる。図１８
および図１９は、各々、プラズマアーク溶接機を用いて
肉盛層の形成を行う場合のトーチのウィービングパター
ンを示す例であり、この場合のウィービングの態様は、
円弧形（図１８）あるいはジグザグ形（図１９）の往復
運動であってもよい。
【００３７】図２０は、１個のトーチを備えたプラズマ
アーク溶接機を用いて肉盛層の形成を行う場合の説明図
である。この例の場合のプラズマアーク溶接機は、トー
チ本体１０に、プラズマ粉体溶接を行うトーチ１１と、
このトーチに原料粉末を供給する粉体送給管１３を設け
てなる。このプラズマアーク溶接機と金属部材２０とを
適正な位置関係を保持するように制御して移動させるこ
とによって、上述した耐食・耐摩耗性合金からなる肉盛
層２１を形成することができる。
【００３８】上述した金属部材の表面改質方法は、部分
的に良好な耐食性、摺動特性ならびに耐摩耗性が要求さ
れる機械部品に適用することができる。
【００３９】従来、機械の構成金属部品の表面改質法と
しては、メッキ、ＣＶＤ、ＰＶＤあるいは高温熱源を用
いた表面クラッディングや表面合金化法によって、金属
部品の表面を処理することが行われている。たとえば、
各種工具類やプラスチック成形機のスクリュウの耐食性
および耐摩耗性を向上させるためには、通常、スクリュ
ウに焼入れを施し、硬度を高くしたのち、メッキ処理を
行う方法、あるいはＰＶＤやＣＶＤを施すのが一般的で
ある。一方、上述したスクリュウと組合わせて用いられ
るシリンダとしては、従来、窒化鋼を素材としてその内
面に窒化処理を施したもの、あるいはシリンダの内壁の
全面もしくは部分的に耐食性ならびに耐摩耗性に優れた
自溶性合金をコーティングするか、あるいは耐食性およ
び耐摩耗性に優れた合金ライナを嵌合わせる方法が一般
に採用されている。
【００４０】しかしながら、前記従来の方法においては
金属部品の基材と改質された表面層との間の接着力が低
いため、熱的負荷がかかった場合あるいは比較的低い荷
重下において剥離や割れなどが発生することがある。さ
らに、従来の方法で得られた表面改質部品は、耐摩耗性
の点においても、必ずしも十分満足のいくものではな
い。また、特に上述したようなプラスチック成形機用の
部品にあっては、プラスチック原料が移動する部分（特
に原料の供給部分）においてはプラスチック原料の作用
による摩耗が大きくなるとともに、プラスチックの射出
あるいは吐出部分において原料プラスチックから発生す
るガスによる腐食損傷と高圧力下における摩耗損傷が問
題となっている。
【００４１】上述した本発明の金属部材の表面改質方法
によれば、表面改質層と基材との間の接合力は極めて良
好であり、しかも表面層は耐食性、摺動特性ならびに耐
摩耗性にすぐれているので、本発明は上述したプラスチ
ック成形機用の部品のように部分的に耐食性や耐摩耗性
が要求される金属部材の表面改質法としてすこぶる有用
である。
【００４２】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００４３】以下の例において、実施例１〜６はウィー
ビング方式で耐食・耐摩耗性合金あるいは肉盛層の形成
を行った例であり、実施例７〜９はプラズマ粉体溶接機
を用いて実施した場合の例である。
【００４４】実施例１ 重量比で、Ｃ：０．２％、Ｓｉ：０．６％、Ｃｒ：２
６．５％、Ｎｉ：２．７％、Ｍｏ：５．４％、Ｆｅ：
０．３％、残部が実質的にＣｏからなるＣｏ基合金粉末
（マトリックス金属粉末）にＶＣ粉末（平均粒径１．７
μｍ）を重量比で、各々、２０％、２５％、および４０
％添加して、造粒した粉末を合金用材料とした。その造
粒粉の状態の一例を図１、２に示す。
【００４５】これら造粒粉末の各々の試料を、プラズマ
粉体溶接機を用いて小さいピッチのウィービングを行
い、ＶＣの融点（約２８３０℃）の近傍の温度に加熱し
て溶融を行い、本発明にる耐食・耐摩耗性合金を製造し
た。
【００４６】得られた各試料合金について硬さの測定値
を下記表１に示す。
【００４７】 表 １ 試料 ＶＣの配合割合 硬さ（Ｈｖ） No． （重量％） １ ２０ ５５０−６２０ ２ ２５ ７５０−８５０ ３ ４０ ９５０−１１５０ また、図３、図４および図５は、各々、上記で得られた
試料１、２および３の合金の金属組織の顕微鏡写真であ
る（倍率４００倍）。いずれの金属組織においても、微
細なＶＣ粒子相（粒径約１μｍ以下を主体とする）が、
マトリックス金属相中において、均一な分布状態で存在
していることが分かる。
【００４８】次に、上記試料合金の各々について、腐食
試験を行った。この腐食試験は、腐食液として、６Ｎの
塩酸水溶液と６Ｎの硝酸水溶液を用いて行った。得られ
た結果を下記表２に示す。
【００４９】 表 ２ 試料 腐食量（mg／cm2 ・Hr） No． 塩酸水溶液 硝酸水溶液 １ ０．０４ ０．０８ ２ ０．０５ ０．０８ ３ ０．０５ ０．１１ さらに、上記各試料合金について、摩耗試験を行った。
試験装置としては、大越式摩耗試験装置を用い、相手材
ＳＫＤ−１１（ＨＲＣ５８）、最終荷重１８．９Kgf 、
摩擦距離６００Ｍの条件で測定した。結果を図８に示
す。この試験結果から、本発明による試料合金１、２お
よび３は、いずれも良好な耐摩耗性を示し、硬質粒子Ｖ
Ｃの添加量が多くなるほど耐摩耗性が向上する傾向がみ
られる。
【００５０】実施例２ 重量比で、Ｃ：１．２％、Ｓｉ：０．６％、Ｍｎ：０．
３％、Ｃｒ：４．５％、Ｍｏ：５．１％、Ｗ：６．３
％、Ｖ：３．１％、Ｃｏ：８．４％、残部が実質的にＦ
ｅからなるＦｅ基合金粉末（マトリックス金属粉末）に
ＶＣ粉末（平均粒径１．７μｍ）を重量比において、
７．５％混合し造粒した粉末を用いて得た材料を用意し
た。
【００５１】この造粒粉末を用いて実施例１と同様の方
法で本発明による耐食・耐摩耗性合金を製造した。
【００５２】得られた試料合金の硬さは、Ｈｖ９５０〜
１０００であった。したがって、Ｆｅ基合金をマトリッ
クス金属とする場合においては、ＶＣの添加量が７．５
％程度であっても、Ｃｏ基合金に比べても高い硬度が得
られることが分かる。
【００５３】図６は、本実施例で得られた試料合金の金
属組織の顕微鏡写真である（倍率４００倍）。微細なＶ
Ｃ粒子相（粒径約１μｍ）が、マトリックス金属相中に
おいて、均一な分布状態で存在していることが分かる。
【００５４】次に、この試料合金（Ｎｏ．４）について
上記実施例１と同様の方法で腐食試験を行った。腐食量
（mg／cm2 ・Hr）は、塩酸水溶液で０．０８、硝酸水溶
液で６２．８であった。
【００５５】さらに、上記の試料合金（Ｎｏ．４）につ
いて、摩耗試験を行った。試験装置としては、大越式摩
耗試験装置を用い、相手材ＳＫＤ−１１（ＨＲＣ５
８）、最終荷重１８．９Kgf 、摩擦距離６００Ｍの条件
で測定した。結果を図８に示す。この試験結果から、上
記試料合金も良好な耐摩耗性を示している。
【００５６】実施例３ 重量比で、Ｃ：０．０４２％、Ｓｉ：０．３０％、Ｂ：
０．００８％、Ｃｒ：２０．５０％、Ｆｅ：０．２７
％、Ｍｎ：０．２９％、Ｔｉ：２．７０％、残部が実質
的にＮｉからなるＮｉ基合金粉末（マトリックス金属粉
末）にＶＣ粉末（平均粒径１．７μｍ）を重量比で、１
９％混合した粉末混合物を用意した。
【００５７】この粉末混合物試料を、プラズマ粉体溶接
機によって、実施例１と同様の方法で熱処理を行って、
本発明による耐食・耐摩耗性合金を製造した。
【００５８】得られた試料合金の硬さは、Ｈｖ５１０〜
５９０であった。
【００５９】図７は、本実施例で得られた試料合金の金
属組織の顕微鏡写真である（倍率４００倍）。微細なＶ
Ｃ粒子相（粒径約１μｍ）が、マトリックス金属相中に
おいて、均一な分布状態で存在していることが分かる。
【００６０】次に、この試料合金（Ｎｏ．５）について
上記実施例１と同様の方法で腐食試験を行った。腐食量
（mg／cm2 ・Hr）は、塩酸水溶液で０．０６、硝酸水溶
液で０．０９であった。
【００６１】さらに、上記の試料合金（Ｎｏ．５）につ
いて、摩耗試験を行った。試験装置としては、大越式摩
耗試験装置を用い、相手材ＳＫＤ−１１（ＨＲＣ５
８）、最終荷重１８．９Kgf 、摩擦距離６００Ｍの条件
で測定した。結果を図８に示す。この試験結果から、上
記試料合金も良好な耐摩耗性を示している。
【００６２】比較例 下記表３に示す組成のマトリックス金属粉末ならびに平
均粒径約７０μｍの硬質粒子粉末を混合し、実施例１と
同様の条件で、各試料をプラズマ粉体溶接機を用い、ウ
ィービング操作を行って、硬質粉末の融点（約２７３０
℃）以上の温度に加熱して溶融した。溶融後、放冷する
ことにより、硬質粒子含有を含有する合金を製造した。
得られた各試料合金（Ａ、ＢおよびＣ）について硬さの
測定値を下記表３に示す。
【００６３】 表 ３ マトリックス金属の組成 硬質粒子 試料 （重量％） （重量％） Ａ ０．６Ｓｉ、２６．５Ｃｒ、０．３Ｆｅ、０．２Ｃ ＶＣ２５ ２．７Ｎｉ、５．４Ｍｏ、Ｃｏ残 Ｂ ０．６Ｓｉ、２６．５Ｃｒ、０．３Ｆｅ、０．２Ｃ ＶＣ４０ ２．７Ｎｉ、５．４Ｍｏ、Ｃｏ残 Ｃ ０．６Ｓｉ、２６．５Ｃｒ、０．３Ｆｅ、０．２Ｃ ＶＣ５０ ２．７Ｎｉ、５．４Ｍｏ、Ｃｏ残 得られた各試料合金（Ａ、ＢおよびＣ）の硬さ（Ｈｖ）
は、各々、５５０〜６００、６００〜７５０、６５０〜
７５０であった。
【００６４】さらに、上記各試料について、実施例１と
同様の方法で腐食試験を行った。結果を下記表４に示
す。
【００６５】 表 ４ 試料 腐食量（mg／cm2 ・Hr） No． 塩酸水溶液 硝酸水溶液 Ａ ０．０５ ０．０７ Ｂ ０．０４ ０．０８ Ｃ ０．０４ ０．０９ さらに、上記各試料Ａ、ＢおよびＣについて、実施例１
と同様の方法で摩耗試験を行った。結果を図９に示す。
【００６６】図８、９を比較すると、実施例の造粒した
粉末を使用する場合と比較例の物理的に混合した粉末を
使用する場合とは、ＶＣを添加することは同じであって
も粒径の差に起因して、前者の場合の方が比摩耗量が小
さく、即ち、耐摩耗性が優れていることがわかる。
【００６７】これらからも、図９の比較では析出したＶ
Ｃの粒径が１０〜５０μｍ位にバラ付き、中には未溶融
のＶＣ粒も含まれ、耐摩耗性を低下させているものと推
測される。
【００６８】実施例４ 重量比で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０．９０
〜１．３０％、Ｍｎ：１．００％以下、Ｐ：０．０３０
％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：２．５０〜３．
５０％、Ｃｒ：２４．０〜２８．０％、Ｍｏ：５．００
〜６．００％、Ｆｅ：１．５０％以下を含み残部がＣｏ
からなる化学組成のＣｏ基合金粉末と、ＶＣを主成分と
する粉末とを混合し造粒するに際し、ＶＣ粉末（平均粒
径１．７μｍ）を重量比で、各々、２０％、２５％、お
よび４０％添加した材料を調製した。
【００６９】これらの造粒粉末を、プラズマ粉体溶接機
を用いて、鉄鋼材料（ＳＣＭ４４０）上にウィービング
により肉盛溶接して、該鉄鋼材料表面に耐食・耐摩耗性
合金層を形成した。プラズマ粉体溶接の操作条件は以下
の通りである。
【００７０】電流：１４０Ａ、電圧：４０Ｖ、プラズマ
ガス量：１．４リットル／分、シールドガス量：１６リ
ットル／分、パウダーガス量：３．１リットル／分、粉
末送給量：１１．８ｇ／分、ウィービング回数：４６回
／分、ウィービング幅：７mm、溶接速度：８０mm／分、
エクステンション：８mm 上記の例において供与された造粒粉末の粒度は、１６０
〜２５０メッシュの範囲であり、粒度分布のピークは、
−２００メッシュのものであった。
【００７１】図１０〜図１２（各々、ＶＣを２０重量
％、２５重量％、および４０重量％添加したものに対
応）は、このようにして得られた肉盛溶接部の断面の金
属組織の顕微鏡写真でＶＣ粒子径が１μｍ以下のものを
均一に分散析出させていることがわかる（倍率４００
倍）。
【００７２】このようにして得られた表面改質金属部材
について、剥離強さおよび剪断強さの測定結果を下記表
５に示す。
【００７３】 表 ５ ＶＣ添加量 剥離強さ （重量％） （Kgf/mm2 ） ２０ ５４ ２５ ５３ ４０ ４９ さらに、上記の表面改質金属部材の硬さ測定の結果を図
１３〜図１５（各々、ＶＣを２０重量％、２５重量％、
および４０重量％添加したものに対応）に示す。なお、
腐食試験結果は、上記実施例１における結果と同様であ
った。
【００７４】上記の試験結果から、本発明による金属部
材は、従来技術において問題となっていた、基材と肉
盛溶接部との間の接合強度の不足、添加粒子の粗大
化、分布状態の偏りなどの起因する耐摩耗性の低下、が
解消され、すぐれた部材特性を有していることが分か
る。
【００７５】実施例５ 実施例４で用いた材料ならびに方法と同様の方法によ
り、部材表面が改質された射出成形用スクリュウを製作
した。図１６は、この射出成形用スクリュウ３０の外観
図である。このようにして得られた射出成形用スクリュ
ウと、従来法によって焼入れ硬化したのち表面に硬質ク
ロムメッキを施した射出成形用スクリュウとを比較する
実践試験を行った。この場合の耐用寿命試験は、上記従
来法で表面改質されたスクリュウの耐用寿命を基準とし
て、これに対して本発明のスクリュウの耐用寿命を耐用
寿命比として計算した。本発明に係る射出成形用スクリ
ュウの耐用寿命比は３．５であり、従来法で得られた射
出成形用スクリュウの耐用寿命比は１．０であった。
【００７６】上記の結果からも明らかなように、本発明
による射出成形用スクリュウの耐用寿命は、従来のもの
に比べて、著しく改良されていることが分かる。実施例６ 実施例４で用いた材料ならびに方法と同様の方法によ
り、部材表面が改質された射出成形用シリンダを製作し
た。この射出成形用シリンダの断面図を図１７に示す。
図中、符号１はシリンダ本体、２はプラスチック原料供
給口、３は表面処理の対象部分であるシリンダ内面壁で
ある。
【００７７】このようにして得られた射出成形用シリン
ダと、従来法により、ＳＡＣＭ６４５よりなる射出成形
用シリンダ本体の内面に窒化処理を施したものとを比較
する実践試験を行った。この場合の耐用寿命試験は、上
記従来法で表面改質されたシリンダの耐用寿命を基準と
して、これに対して本発明のシリンダの耐用寿命を耐用
寿命比として計算した。本発明に係る射出成形用シリン
ダの耐用寿命比は３．６であり、従来法で得られた射出
成形用シリンダの耐用寿命比は１．０であった。
【００７８】上記の結果からも明らかなように、本発明
による射出成形用シリンダの耐用寿命は、従来のものに
比べて、著しく改良されていることが分かる。実施例７ 重量比で、Ｃ：０．２％、Ｓｉ：０．６％、Ｃｒ：２
６．５％、Ｎｉ：２．７％、Ｍｏ：５．４％、Ｆｅ：
０．３％、残部が実質的にＣｏからなるＣｏ基合金粉末
（マトリックス金属粉末）にＶＣ粉末（平均粒径１．７
μｍ以下）を重量比で、２０％混合した材料を調製し
た。
【００７９】これら粉末混合物試料を、図２０に示すプ
ラズマ粉体溶接機を用いて本発明による耐食・耐摩耗性
合金を製造した。このとき冷却速度は、１００℃／sec
以上になるようにコントロールした。
【００８０】得られた各試料合金について硬さの測定値
は、Ｈｖ５８０〜６５０であった。
【００８１】また、図２１は得られた合金の金属組織の
顕微鏡写真である（倍率４００倍）。微細なＶＣ粒子相
（粒径約１μｍ以下を主体とする）が、マトリックス金
属相中において、均一な分布状態で存在していることが
分かる。
【００８２】次に、上記試料合金について、腐食試験を
行った。この腐食試験は、腐食液として、６Ｎの塩酸水
溶液と６Ｎの硝酸水溶液を用いて行った。得られた結果
を下記表６に示す。
【００８３】 表 ６ 腐食量（mg／cm2 ・Hr） 塩酸水溶液 硝酸水溶液 ０．０５ ０．０９ さらに、上記各試料合金について、摩耗試験を行った。
試験装置としては、大越式摩耗試験装置を用い、相手材
ＳＫＤ−１１（ＨＲＣ５８）、最終荷重１８．９Kgf 、
摩擦距離６００Ｍの条件で測定した。結果を図２４に示
す。この試験結果から、本発明による合金良好な耐摩耗
性を示すことが分かる。
【００８４】実施例８ 実施例２と同様のＦｅ基合金製の中空管内にＶＣ粉末を
充填密封したコアードワイヤ（径１．６mmφ、ＶＣ粉末
充填率約３０％）用い、さらに図２０に示すプラズマワ
イヤ溶接機と同様機種でワイヤ送給手段付のものを用い
て本発明の合金を形成した。この溶接条件は、溶接速度
１６０ミリ／分、溶接電流１６０Ａ、アーク電圧２２Ｖ
であった。
【００８５】得られた各試料合金について硬さの測定値
は、Ｈｖ７５０〜８００であった。
【００８６】また、図２２は得られた合金の金属組織の
顕微鏡写真である（倍率４００倍）。微細なＶＣ粒子相
（粒径約１μｍ以下を主体とする）が、マトリックス金
属相中において、均一な分布状態で存在していることが
分かる。
【００８７】耐食性ならびに摩耗試験の結果は以下の通
りであった。６Ｎ塩酸水溶液に対する腐食量は、０．１
２mg／cm2 ・Hrであった。また、実施例７と同様の条件
で、大越式摩耗試験機を用いて摩耗試験を行った。その
結果を図２４に示す。
【００８８】実施例９ 実施例３と同様のＮｉ基合金粉末ならびにＶＣ粉末を用
い、さらに図２０に示すプラズマ粉体溶接機を用いて本
発明の合金を形成した。
【００８９】得られた各試料合金について硬さの測定値
は、Ｈｖ５５０〜６５０であった。
【００９０】また、図２３は得られた合金の金属組織の
顕微鏡写真である（倍率４００倍）。微細なＶＣ粒子相
（粒径約１μｍ以下を主体とする）が、マトリックス金
属相中において、均一な分布状態で存在していることが
分かる。
【００９１】実施例７と同様の方法で行った摩耗試験の
結果は図２４に示す通りであった。
【００９２】また、６Ｎ塩酸水溶液に対する腐食量は
０．０１mg／cm2 ・Hrであり、６Ｎ硝酸水溶液に対する
腐食量は０．０７mg／cm2 ・Hrであった。
【００９３】
【発明の効果】本発明の合金によれば、耐食・耐摩耗性
を従来に比べて顕著に向上させ且つ安定したレベルに維
持させることができる。また、本発明の合金製造方法に
よれば、一回の溶融で炭化バナジウムを完全に溶融させ
ことができる上、５μｍ粒径以下の微細な粒子相にて均
一に析・晶出させることができ、少ない工程で合金の耐
食・耐摩耗性を向上させると共に、各種金属部材の加工
寿命、耐久性が著しく高められるというすぐれた効果を
奏する。更に、本発明の合金用材料は、上記合金製造を
容易化する上で好適であり、粉末混合物のほかコアード
ワイヤとして各種の溶接機、溶接条件に応じて自在に選
択でき、実用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例において使用した造粒処理をし
た粉末の顕微鏡写真。
【図２】本発明の実施例において使用した造粒処理をし
た粉末の顕微鏡写真。
【図３】本発明の実施例１中の試料１によって得られた
耐食・耐摩耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図４】本発明の実施例１中の試料２によって得られた
耐食・耐摩耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図５】本発明の実施例１中の試料３によって得られた
耐食・耐摩耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図６】本発明の実施例２によって得られた耐食・耐摩
耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図７】本発明の実施例３によって得られた耐食・耐摩
耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図８】本発明の実施例１〜３によって得られた耐食・
耐摩耗性合金の摩耗試験の結果を表すグラフ。
【図９】比較例の摩耗試験の結果を表すグラフ。
【図１０】本発明の実施例４−１方法によって表面改質
された金属部材の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図１１】本発明の実施例４−２の方法によって表面改
質された金属部材の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図１２】本発明の実施例４−３の方法によって表面改
質された金属部材の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図１３】本発明の実施例４−１の方法によって表面改
質された部材の硬さ測定の結果を示すグラフ。
【図１４】本発明の実施例４−２の方法によって表面改
質された部材の硬さ測定の結果を示すグラフ。
【図１５】本発明の実施例４−３の方法によって表面改
質された部材の硬さ測定の結果を示すグラフ。
【図１６】本発明の実施例５において表面改質の対象と
なった射出成形用スクリュウの外観図。
【図１７】本発明の実施例６において表面改質の対象と
なった射出成形用シリンダの断面図。
【図１８】ウィービングパターンを示す説明図。
【図１９】ウィービングパターンを示す説明図。
【図２０】本発明の方法を実施する場合に用いるプラズ
マアーク溶接機の概要図。
【図２１】本発明の実施例７によって得られた耐食・耐
摩耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図２２】本発明の実施例８によって得られた耐食・耐
摩耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図２３】本発明の実施例９によって得られた耐食・耐
摩耗性合金の断面の金属組織の顕微鏡写真。
【図２４】本発明の実施例７〜９によって得られた耐食
・耐摩耗性合金の摩耗試験の結果を表すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 35/30 ３４０ Ｂ２３Ｋ 35/30 ３４０Ｍ Ｃ２２Ｃ 29/06 Ｃ２２Ｃ 29/06 32/00 32/00 (72)発明者 加 藤 喜 久 愛知県津島市葉苅町字稲葉117番地 (56)参考文献 特開 平２−6098（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−230866（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／9980（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 1/05 C22C 29/06 C22C 32/00 B23K 10/02 B23K 26/00 B23K 35/30

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金およびＮｉ基合金
    から選ばれた少なくとも１種からなるマトリックス金属
    と粒径３μｍ以下のＶＣ粉末とを高エネルギー密度の熱
    源を用いて溶融したのち１００℃／秒以上の冷却速度で
    冷却することによって、前記マトリックス金属とＶＣと
    が溶融凝固により一体化した合金凝固体であって、該マ
    トリックス金属相中に、ほぼ均一に晶出および／または
    析出された粒径１μｍ以下を主体とする微細なＶＣ粒子
    相が存在する合金凝固体を得ることを特徴とする、耐食
    性および耐摩耗性に優れた合金の製造方法。
  2. 【請求項２】前記高エネルギー密度の熱源を用いて溶融
    する方法が、プラズマ溶接またはレーザのいずれかによ
    るものである、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】金属部材の所望位置に、請求項１または２
    に記載の方法により耐食・耐摩耗性に優れた合金層を形
    成することを特徴とする、表面改質金属部材の製造方
    法。
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