JP4222944B2 - 強化された摩耗抵抗性を持つ鋳造部品 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は強化された領域の許容できる衝撃抵抗性を保持しながら摩耗抵抗性の改善により強化された摩耗抵抗性を持つ鋳造部品の製造に関する。

発明の基本部分における技術背景
鉱物を採取しかつ粉砕するための、特に材料を破砕しかつ粉砕するための設備は性能と費用の多くの制約を受ける。

一例として、セメントの及び鉱物の骨材の処理の領域内で、垂直軸を持つ粉砕機のエゼクター及びアンビル、水平軸を持つ粉砕機のハンマー及びブレーカー、破砕機のためのコーン、垂直破砕機のためのテーブル及びローラー、ボールミルまたはロッドミルのための装甲板及び昇降機のような摩耗部品を引用することができる。鉱山採取設備に関しては、特に瀝青質の砂のためのポンプまたは穿孔機、鉱石ポンプ及び浚渫歯を述べることができる。

これらの機械のための摩耗部品の供給者は衝撃抵抗性と同時に摩耗抵抗性の制約に合致する摩耗部品に対する増大する要求に直面する。

伝統的な材料はこれらの種類の要求の一方または他方に一般的に合致するが、それらは衝撃と摩耗の両方に対して抵抗性を持つのは非常にまれである。もちろん、延性材料は衝撃に対して強化された抵抗性を提供するが、摩耗に対しては非常に小さい抵抗性を持つ。他方で、硬質耐摩耗性材料は激しい衝撃に対しては非常に小さい抵抗性を持つ。

歴史的には、この問題の第一反響は専ら冶金学的方策に導き、それは衝撃に対して非常に抵抗性があるにもかかわらず６５０から７００Ｈｖ（ビッカース硬度）のオーダーの中間硬度水準を達成するマンガンを含む鋼を提案することからなっていた。

クロムを含む鋳造品のような他の代替物もまた提案された。これらは適当な熱処理後に７００から８５０Ｈｖのオーダーの硬度水準を達成することを可能とする。これらの値は３５％迄のカーバイドを含む合金に対して達成される。

現在、二種の金属からなる鋳造品も用いられているが、これらはそれにもかかわらず簡単な形状の部品に限られるという不利を持ち、これが工業的利用のそれらの機会を徹底的に減らす。

摩耗部品は一般的に消耗品として考えられており、これは純粋な技術的制約とは別に、ＵＳ ４ドル／ｋｇの平均コストを持つ解決策の機会を制限するという財政上の制約がある。伝統的な摩耗部品の２倍であるこの価格水準は顧客に対する財政的容認性の限界値であると一般的に見積られている。

従来技術による解決策の説明
摩耗と衝撃に対して抵抗性である摩耗部品を達成することは既に種々の種類の研究の主題であった。

このような状況において、人々は当然セラミックに基づく複合部品に目を向けており、この領域内で既に出願人は文献ＷＯ ９９／４７２６４において摩耗と衝撃に対して非常に抵抗性があるセラミックス及び鉄に基づく合金を開示している。

文献ＷＯ ９８／１５３７３において、出願人は鋳造前に鋳造時に金属により浸透される多孔性セラミックのウェーハを鋳型中に挿入することを提案している。それにもかかわらずこの発明の利用の機会は強い横断面の部品及び鋳造時に高い流動性を持つ合金に限定される。更に、これらセラミックウェーハの配置は部品の使用の実際的要求によるよりむしろ鋳造金属による浸透の必要条件により決定される。

同じ目的を持たないが、Ｍｅｒｚｈａｎｏｖは文献ＷＯ／９００７０１３において減圧下での粉末の発熱混合物の原材料の冷間圧縮後に混合物の燃焼を開始することにより得られた耐火性多孔材料を開示する。ここで、我々は連鎖反応を論じている。この方法により、彼は衝撃に対していかなる抵抗性も持たないが極めて硬い材料を得ている。これは本質的に製品の高い多孔性のためである。

更に、文献ＷＯ／９０１１１５４において、同じ発明者が同様な方法を提案しており、そこでは反応後の粉末の混合物が１０００バール程の高い圧力にさらされる。この発明は衝撃に対して不十分な抵抗性を持つが摩耗に対して極めて抵抗性がある層の製造をもたらす。ここでの目的は特にこの意味で大きく求められている摩耗道具のための表面を製造することである。

一般に、チタン、ホウ素、タングステン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、ケイ素、炭素等の粉末のような非常に純粋な粉末の使用は反応後に５０％に近い多孔率を持つ極めて多孔性の部片をもたらす。従ってこれらは反応後に突き固め及び従って密度の増加を含む圧縮を必要とし、これは工業用途のためには欠くことができない。

かかる方法の実施の複雑性、反応の制御及び原材料の費用はそれにもかかわらずこれらの技術の産業への導入をかなり制限する。

ドイツ特許出願１９７９７７７−Ｌｅｈｍａｎｎは高度に摩耗抵抗性である鋳造部品のための製造方法を開示する。この方法において、カーバイド粉末は燃焼可能結合剤及び／または低融点を持つ金属粉末と組み合わされる。鋳造時に、結合剤はその場所を鋳造金属に渡し、鋳造金属は次いでカーバイド粒子を取り囲む。この方法において、化学連鎖反応はなく、高度に摩耗抵抗性の粒子は全て出発時から鋳型中に存在する。

多くの文献が硬い粒子を取り囲むためのかかる方法を開示し、特にＵＳ−Ｐ−５０５２４６４及びＵＳ−Ｐ−６０３３７９１−Ｓｍｉｔｈはセラミック粒子間の細孔に浸透することとなる硬い粒子の鋳造前の存在に基づいている。

この発明は新規で簡単な方法、従って安価な方法により製造された新規な構造の摩耗部品を製造することにより、従来技術の落とし穴を避ける。

発明の目的
本発明は財政的に容認できる価格で摩耗と衝撃の両方に対して抵抗性のある摩耗部品、並びにそれらの製造方法を提供することを目的とする。それは特に従来技術による解決策に関連した問題を解決することを目的とする。

発明の概要
本発明は金属カーバイド及び／または金属窒化物及び／または金属酸化物及び／または金属ホウ化物並びに金属間化合物（以下成分と呼ばれる）の少なくとも一つの種類により強化された構造を持つ、鋳造摩耗部品に関し、それは前記成分のための試薬（反応体）として作用する原材料が鋳造前に、突き固め粉末の挿入体または予備成形された形でまたはペーストの形で鋳型中に置かれていること、前記粉末の反応が鋳造金属の熱によりその場で開始されること、及び前記金属が多孔性集塊に浸透し、かくして部品の鋳造のために使用される金属の構造中への前記集塊の包含を達成するように強化構造を形成し、それにより摩耗部品中に強化構造を作ることを特徴とする。

本発明の中心的特徴の一つはその場で作られかつ溶融金属により後程浸透される多孔性集塊が１０００Ｈｖ_２０を越えるビッカース硬度を持ち、このようにして得られた摩耗部品は考慮された純セラミックスのものより高い、少なくとも１０ＭＰａ√ｍに等しい衝撃抵抗性を提供することである。

この発明の特徴の一つによれば、原材料（すなわち前記成分のための試薬）間のその場での反応は連鎖反応であり、それは溶融金属の熱により開始され、強化構造の有意な変化なしに溶融金属により同時に浸透されることができる非常に多孔性の集塊を形成する。

この発明の一つの特に有利な実施例によれば、原材料間の反応はいかなる特別の保護ガス雰囲気もなしにかつ反応後の圧縮に対する必要なしに、大気圧で起こる。

成分を製造することを意図した原材料は鉄系合金の、好ましくはフェロＴｉ，フェロＣｒ，フェロＮｂ，フェロＷ，フェロＭｏ，フェロＢ，フェロＳｉ，フェロＺｒまたはフェロＶの群に属し、または酸化物、好ましくはＴｉＯ_２，ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＣｒＯ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｂ_２Ｏ_３，ＭｏＯ_３，Ｖ_２Ｏ_５，ＣｕＯ，ＭｇＯ及びＮｉＯの群に属し、または金属またはそれらの合金、好ましくは鉄、ニッケル、チタンまたはアルミニウムの群にさえ属し、かつまた炭素、ホウ素または窒化物化合物に属する。

図面の簡略な記述
図１は鋳型１内の鋳造部品２が強化される領域に渡って広げられたペースト４を示す。

図２は鋳型１内の鋳造される部品２内の強化挿入体３の形でこの発明を示す。

図３，４及び５は本発明におけるようにセラミックで強化されたクロム（図３）、純セラミック（図４）及び合金（図５）による鋳造のための硬度インプレッションを示す。

図６は鉄系母材中にＴｉＣを生成させるためにＦｅＴｉの炭素とのその場での反応から得られる鉄合金中のＴｉＣの粒子を示す。ＴｉＣ粒子の寸法は数ミクロンのオーダーのものである。

発明の詳細な記述
本発明はその場でかつ鋳造熱の単独作用下に反応することができる粉末を含む材料を鋳造前に鋳型中に置くことにより摩耗表面が強化される鋳造部品を提案する。

この目的に対し、突き固め粉末の試薬が使用され、要求される形状のウェーハまたは挿入体３の形でまたはこれに代えて鋳型１を覆う被膜４の形で鋳型内に置かれ、そこで部品２が強化される。

その場で反応することができる材料はカーバイド、ホウ化物、酸化物、窒化物または金属間化合物の硬い化合物を生成する。一旦形成されるとこれらは摩耗抵抗性に貢献するＨｖ＞１３００の硬度を持つ硬い粒子の割合を更に増やすように鋳造合金中に既に存在するどのような可能なカーバイドとも結合する。硬い粒子は約１５００℃で溶融金属により“浸透”され、鋳造のために使用される金属の構造中に組み込まれた摩耗に耐えうる粒子の追加を形成する（図６）。

更に、従来技術の方法と対照的に、その場でこの反応を得るために純粋な金属粉末を使用する必要がない。提案された方法は摩耗抵抗性の強化が要求される鋳造金属により形成された母材中に埋め込まれた極めて硬い粒子を得るために安価な鉄系合金または酸化物を用いることを有利に可能とする。

この発明は強化構造を持つ領域の引き続いての突き固め、すなわち圧縮、を必要としないのみならず、前記領域内にこのようにして作られた多孔性から溶融金属の高温度の隙間中への浸透を可能とする恩恵を被る（図６）。

これは特別の保護雰囲気を必要とせず、鋳造により提供される熱により大気圧で起こり、これが明らかにこの方法の費用に特にプラスの結果を持つ。衝撃と摩耗に対する同時抵抗性に関して非常に有利な特徴を持つ構造はかくして得られる。

このようにして強化表面中に埋め込まれた粒子により達成された硬度値は１３００から３０００Ｈｖの範囲内にある。鋳造金属による浸透に続いて、得られた化合物は１０００Ｈｖ_２０より高い硬度を持ち、一方１０Ｍｐａ√ｍより高い衝撃抵抗性を保持する。衝撃抵抗性は押込みにより測定され、これは押込みが較正された負荷でピラミッド形状のダイヤモンド孔抜き道具により作られることを意味する。
負荷の結果として、材料は曲げられ、押込みの隅に割れを発現するかもしれない。割れの長さ測定が衝撃抵抗性を計算可能とする（図１，２及び５）。

成分を製造することを意図した原材料は鉄系合金の、好ましくはフェロＴｉ，フェロＣｒ，フェロＮｂ，フェロＷ，フェロＭｏ，フェロＢ，フェロＳｉ，フェロＺｒまたはフェロＶの群に属し、または酸化物、好ましくはＴｉＯ_２，ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＣｒＯ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｂ_２Ｏ_３，ＭｏＯ_３，Ｖ_２Ｏ_５，ＣｕＯ，ＭｇＯ及びＮｉＯの群に属し、または金属またはそれらの合金、好ましくは鉄、ニッケル、チタンまたはアルミニウムにさえ属し、かつまた炭素、ホウ素または窒化物化合物に属する。

例として、本発明で使用される反応は一般的に：
ＦｅＴｉ＋Ｃ→ＴｉＣ＋Ｆｅ
ＴｉＯ_２＋Ａｌ＋Ｃ→ＴｉＣ＋Ａｌ_２Ｏ_３
Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ａｌ→Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ
Ｔｉ＋Ｃ→ＴｉＣ
Ａｌ＋Ｃ＋Ｂ_２Ｏ_３→Ｂ_４Ｃ＋Ａｌ_２Ｏ_３
ＭｏＯ_３＋Ａｌ＋Ｓｉ→ＭｏＳｉ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３
の形式のものである。
これらの反応はまた組み合わされることができる。

反応速度は反応に加わらない種々の金属、合金または粒子の添加により制御されることもできる。これらの添加は更にその場で作られた複合体の衝撃抵抗性または他の性質を要求により修正するために有利に使用されることができる。これは次の例示的反応により示される：
Ｆｅ_２Ｏ_３＋２Ａｌ＋ｘＡｌ_２Ｏ_３→（１＋ｘ）Ａｌ_２Ｏ_３＋２Ｆｅ
Ｔｉ＋Ｃ＋Ｎｉ→ＴｉＣ＋Ｎｉ

発明の好適実施例の説明
この発明の第一好適実施例は選択された反応性粉末を簡単な冷間圧力により突き固めることからなる。これは鋳造部品２の強化のために、恐らく結合剤の存在下に挿入体または予備成形された形状３の希望の形状を持つ圧縮鋳型内で起こる。この挿入体または予備成形された形状はそのとき希望の場所の鋳造鋳型１中に置かれるであろう。

粉末に対し、粒度分布は１と１０００ミクロンの間の、好ましくは１００μ未満のＤ５０を持つように選ばれる。この粒度が原材料の取り扱い、浸透される多孔性製品の能力及び反応の制御の間の理想的な妥協であることを実際の経験が示した。

鋳造時に、熱い金属が予備成形された形状のまたは挿入体の反応を開始し、それは硬い粒子の多孔性構造を持つ集塊に変形する。なお高温度のこの集塊はそれ自身で部品を形成する鋳造金属で浸透され、その中に埋め込まれる。この段階はその部品を作るために選ばれた合金の鋳造温度に依存して１４００と１７００℃の間で実行される。

第二好適実施例は鋳型１のまたはコアのある領域を被覆するように種々の試薬を含むペースト４の使用である。一つまたはそれ以上の層の適用が希望の厚さに依存して可能である。これらの種々の層はそのとき金属が鋳型１中に注入される前に乾燥させられる。この溶融金属はまたその反応直後に浸透される多孔性層を作るための反応を開始する役目をし、特に衝撃と摩耗の両方に対して抵抗性の構造を形成する。

鋳型１内の鋳造部品２が強化される領域に渡って広げられたペースト４を示す。 鋳型１内の鋳造される部品２内の強化挿入体３の形でこの発明を示す。 本発明におけるようにセラミックで強化されたクロムによる鋳造のための硬度インプレッションを示す。 本発明におけるようにセラミックで強化された純セラミックによる鋳造のための硬度インプレッションを示す。 本発明におけるようにセラミックで強化された合金による鋳造のための硬度インプレッションを示す。 鉄系母材中にＴｉＣを生成させるためにＦｅＴｉの炭素とのその場での反応から得られる鉄合金中のＴｉＣの粒子を示す。

Claims (13)

1. 強化構造を含む鋳造摩耗部品であって、前記強化構造が金属カーバイド、金属窒化物、金属ホウ化物、金属酸化物及び金属間化合物の群から選ばれた少なくとも一つの成分を含むものにおいて、
   − 前記成分が前記成分のための反応体として作用する原材料からその場の反応により形成され、前記反応体が鋳造前に、突き固め粉末の挿入体または予備成形された形状（３）の形でまたはペースト（４）の形で鋳型（１）中にまず置かれること、
   − 溶融された鋳造金属の熱により前記反応体間の反応が開始されること、
   − 前記反応が前記成分の多孔性集塊を形成すること、
   − 前記鋳造金属が前記多孔性集塊に浸透し、鋳造のために使用される金属の構造中への前記集塊の包含をもたらし、このようにして摩耗部品（２）上に強化構造を作ること、を特徴とする摩耗部品。
2. 前記多孔性集塊がその場で作られかつ鋳造金属により浸透されること、前記集塊が１３００と３０００Ｈｖの間のビッカース硬度を持つこと、及び摩耗部品上の前記強化構造が１０ＭＰａ√ｍを越える衝撃抵抗性を持つことを特徴とする請求項１に記載の摩耗部品。
3. 金属カーバイド、金属窒化物、金属ホウ化物、金属酸化物、及び金属間化合物の群から選ばれた少なくとも一つの成分により強化された構造を持つ摩耗部品の製造方法において、
   − 前記成分が前記成分のための反応体として作用する原材料からその場の反応により形成され、前記反応体が鋳造前に、突き固め粉末の挿入体または予備成形された形状（３）の形でまたはペースト（４）の形で鋳型（１）中にまず置かれること、
   − 溶融された鋳造金属の熱により前記反応体間の反応が開始されること、
   − 前記反応が前記成分の多孔性集塊を形成すること、
   − 前記鋳造金属が前記多孔性集塊に浸透し、鋳造のために使用される金属の構造中への前記集塊の包含をもたらし、このようにして摩耗部品（２）上に強化構造を作ること、
   − 前記反応後に前記成分を形成することを意図した原材料間のその場での反応が溶融金属の熱により開始されかつ維持されること、
   を特徴とする摩耗部品の製造方法。
4. 原材料間の反応が反応体の反応後のいかなる圧縮も必要とせずに大気圧で起こることを特徴とする請求項３に記載の摩耗部品の製造方法。
5. 原材料間の反応がいかなる特別のガス保護雰囲気も必要としないことを特徴とする請求項３から４のいずれか一つに記載の摩耗部品の製造方法。
6. 前記原材料が鉄系合金を含むことを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の摩耗部品の製造方法。
7. 前記鉄系合金がフェロＴｉ，フェロＣｒ，フェロＮｂ，フェロＷ，フェロＭｏ，フェロＢ，フェロＳｉ，フェロＺｒ及びフェロＶの群に属することを特徴とする請求項６に記載の摩耗部品の製造方法。
8. 前記原材料が酸化物を含むことを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の摩耗部品の製造方法。
9. 前記酸化物がＴｉＯ_２，ＦｅＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＣｒＯ_３，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｂ_２Ｏ_３，ＭｏＯ_３，Ｖ_２Ｏ_５，ＣｕＯ，ＭｇＯ及びＮｉＯの群に属することを特徴とする請求項８に記載の摩耗部品の製造方法。
10. 前記原材料が金属またはそれらの合金を含むことを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の摩耗部品の製造方法。
11. 前記金属が鉄、チタン、ニッケルまたはアルミニウムの群に属することを特徴とする請求項１０に記載の摩耗部品の製造方法。
12. 前記原材料が炭素、ホウ素または窒化物化合物を含むことを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の摩耗部品の製造方法。
13. 摩耗と衝撃の両方に対する抵抗性を必要とする用途のための請求項１から２のいずれか一つに記載の摩耗部品または請求項３から１２のいずれか一つに記載の方法により製造された摩耗部品の使用。

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