JP5294751B2 - 金属炭化物表面層の形成方法、金属炭化物表面層 - Google Patents

Description

本発明は、母材の表面に金属炭化物表面層を形成する方法、並びにその方法から得られる金属炭化物表面層に関するものである。

従来より、工具等の金属の表面に耐摩耗性のある金属炭化物含有層を形成することにより、工具表面の高硬度化や工具寿命の延長を図るための技術が種々提案されている。斯かる従来技術の例としては、Ｃ（炭素）粉末を分散した加工液を供給しつつ金属電極を用いて放電により金属母材表面に金属炭化物の被膜を形成する技術（例えば、特許文献１参照）、電極にＷ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の耐摩耗性が高く炭化物を形成しやすい金属を用い、Ｃを所定量含有する加工液を用いることにより、金属母材表面に金属炭化物の被膜を形成する技術（例えば、特許文献２参照）、Ｃ含有ガスを構成成分とする雰囲気中でＣｏ（コバルト）−Ｃｒ（クロム）系合金物品を所定条件下でプラズマ処理を行うことで、その合金物品の表面領域にＣを導入する技術（例えば、特許文献３参照）等を挙げることができる。

その他、例えば肉盛溶接や溶射等の表面改質技術を用い、耐摩耗性に優れるＷやＴｉ等の金属炭化物粉末をＣｏ基合金やＦｅ（鉄）基合金等の粉末をバインダとしてサーメット化したものを用いるという技術や、焼結による炭化物を含む表面層の作成技術も従来より知られている。これらの技術は、金属炭化物の粉末を未溶融状態のままバインダにより硬化させ、金属炭化物や金属窒化物の粒子を表面に分散させたことにより、耐摩耗性を実現する、というものである。このような技術を用いた工具として、例えば、分散させる炭化物粒子の種類及びバインダ材を目的に応じて選択することで、工具表面に耐摩耗性、低摩擦係数、耐焼き付き性を付与するというものや（例えば、特許文献４参照）、炭化物粒子の種類及びバインダ材により、高温下での工具表面の耐摩耗性が異なるというもの（例えば、被特許文献１参照）が知られている。
特開２０００−２３４１７８号公報 特開平９−１９８２９号公報 特表２００５−５２４７７２号公報 特公平６−４５８５８号公報 "Development of a wear-resistant surface layer for a tool to be usedfor high-temperature stainless steel rolling"，K.Tubouchi, N.Akiyama, M.Tumura, S,Amano，Proc Inst Mech Engrs，Vol.213 Part J，p473-480，１９９９年発行

ところで、上述した特許文献１〜３に開示されている技術では、Ｃ粉末を分散した加工液やＣ含有ガスを用いなければならず、またこれらの方法では、数μｍ〜数十μｍ程度の厚さの金属炭化物被膜を得ることしかできない。また、特許文献４や非特許文献１に開示されている技術では、形成される表面層の炭化物粒子の大きさや形状は、注入する金属炭化物粒子に大きく依存するため、制御することが困難である。そして、形成される金属炭化物粒子の大きさや形状は、工具の耐摩耗性や靭性等に大きく影響する。すなわち、耐摩耗性を向上させるために金属炭化物粒子の割合を多くすると靭性が低下して、工具の使用中に割れが発生しやすくなるという問題が生じる。さらに、比重の差により金属炭化物粒子が溶接中に浮き沈みするため、均一な割合で表面に金属炭化物粒子を分散させることができず、また比重が大きく異なる金属炭化物粒子同士は混合することが困難であるという問題もある。

以上のような問題に鑑みて、本発明は、金属を含む母材表面にＣ（炭素）を直接注入して冶金学的に金属炭化物表面層を形成する方法、並びにその金属炭化物表面層を提供することを主たる目的とするものである。

すなわち本発明に係る方法は、１種類以上の金属を主とする母材表面に金属炭化物表面層を形成する方法であって、母材表面を溶融し、当該母材表面に溶融池を形成する工程と、溶融池において、溶融した母材表面に存在する金属に炭素を直接反応させる工程と、炭素が反応した溶融池を冷却により硬化させて金属炭化物表面層を形成する工程とを含むことを特徴とする金属炭化物表面層の形成方法である。

このような方法によれば、Ｃ（炭素）を直接的且つ強制的に溶融した母材表面に注入し、母材表面における金属とＣとを反応させる結果、冶金学的に金属炭化物が生成するため、母材表面に存在させる金属元素の種類や割合を制御したり、溶融池に注入するＣの注入条件を制御したりすることができ、目的に応じた耐摩耗性を有する母材の表面層を得ることが可能となる。また、金属炭化物表面層の耐摩耗性と靭性のバランスを適度に調整することができ、数ｍｍ〜数十ｍｍの比較的厚い金属炭化物表面層を形成することもできるため、このような金属炭化物表面層を有する工具の耐久性や寿命を向上することが可能となる。ここで、母材表面に溶融池を形成する方法としては、例えばプラズマ粉体溶接（ＰＴＡ）や、タングステンイナートガス（ＴＩＧ）溶接、レーザーや電子ビーム等の溶接技術を用いることができる。また、本発明において、Ｃと共に金属炭化物表面層を形成する金属は、母材自体がその組成として含有していてもよいが、母材の表面に対して外部から添加してもよい。また、母材表面に存在させる金属は、一種類以上あれば複数種類が存在していてもよく、金属炭化物表面層が複数種類の金属炭化物から構成されることを妨げない。特に、母材表面に形成されて耐摩耗性を向上することができるような金属炭化物表面層が得られる金属としては、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）等を例示することができる。

特に本発明では、母材表面に炭素を直接反応させる工程において、母材表面における溶融池に炭素棒を挿入することにより、母材表面と炭素とを直接反応させるようにしているため、母材表面に対するＣの注入操作の容易性が向上し、また注入条件の設定を容易なものとすることができる。

また、本発明においては、母材表面に外部から金属炭化物表面層をＣと共に形成する金属を添加する場合、母材表面に溶融池を形成する工程において、溶融池に、金属炭化物を形成すべき金属を添加して溶融させておくことができる。その他にも、母材表面に炭素を直接反応させる工程において、溶融池内で母材表面と炭素とを反応させつつ金属炭化物を形成すべき金属を添加するようにしてもよい。さらには母材表面に炭素を直接反応させる工程と金属炭化物表面層を形成する工程との間に、溶融池内で溶融している母材表面と炭素に、金属炭化物を形成すべき金属を添加する工程を加えるようにしてもよい。

本発明に係る金属炭化物表面層は、溶融させた１種類以上の金属を主とする母材表面に存在する当該金属に、母材表面に形成した溶融池に炭素棒を挿入することによって炭素を直接反応させ、反応後の溶融池を冷却・硬化させることにより、母材表面に形成されることを特徴とするものである。このような金属炭化物表面層を有する工具であれば、上述したとおり、耐摩耗性や靭性に優れ耐久性の良好な工具とすることができ、摩耗した工具表面の部分的な補修やリサイクルも容易に行うことができる。

本発明によれば、母材表面に形成した溶融池において、溶融池に炭素棒を挿入し、母材表面に存在する金属と炭素棒のＣとを直接反応させ、それを冷却・硬化させることで金属炭化物表面層を形成することができるため、母材表面に存在させる金属元素の種類や割合の制御や、Ｃの溶融池への注入条件の制御が可能であり、目的や用途に応じた耐摩耗性を有する母材の表面層を得ることができる。さらに、このような調整により、金属炭化物表面層の耐摩耗性と靭性のバランスを適度なものとし、比較的分厚い金属炭化物表面層を形成することもできることから、耐久性や寿命の良好な表面層を有する工具を得ることが可能である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明においては、母材表面への金属炭化物表面層の形成方法並びにその方法に使用する装置について述べるものとする。本実施形態では、高温の熱源を有する溶接技術に用いられるプラズマ粉体溶接（ＰＴＡ）を利用して、母材表面を溶融し溶融池を形成しつつ、金属炭化物を形成すべき金属とＣを溶融池に供給することとしている。

図１は、本実施形態に適用されるＰＴＡを利用した金属炭化物表面層形成装置１（以下、必要に応じて「装置１」と略する）の要部の概観を示す模式的な縦断面図である。この装置１は、主としてＰＴＡ装置（トーチ２のみを図示する）と炭素源３とから構成される。トーチ２は、駆動手段（図示省略）により溶接方向と直交する方向（例えば図中の左右方向）に移動可能とされている。具体的にトーチ２は、内側から順にタングステン電極２１、内壁２２、中壁２３、外壁２４により構成されている。内壁２２は水冷式ノズルとして機能している。タングステン電極２１と内壁２２とによりプラズマガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるプラズマガス２ａをトーチ２の先端部に向けて送出するようにしている。また、内壁２２と中壁２３とによりプラズマアーク収束及び粉体供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるキャリアガス２ｂと金属炭化物表面層を形成すべき金属の粉体５（以下、「金属粉体５」と称する）をトーチ２の先端部から放出するようにしている。さらに中壁２３と外壁２４とによりシールドガス供給用ノズルを構成しており、図中上方から供給されるシールドガス２ｃをトーチ２の先端部から噴射するようにしている。また、符号２５及び２６はそれぞれパイロットアーク電源、プラズマアーク電源を示している。プラズマアーク電源２５は、タングステン電極２１と母材４との間に電圧を発生させるためのものであり、プラズマアーク電源２６は、発生した電圧を安定させるように制御するものである。ここで、金属粉体５としては、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔｉ等を一種類、又は複数種類混合したものを適用することができる。これらは炭化物の中でも硬質な炭化物を作る代表的な元素であり、これらの他にはＣｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）等を例示することができる。また、金属粉体５には、窒化物や硼化物のような非金属が混合されていてもよい。プラズマガス２ａ、キャリアガス２ｂ、シールドガス２ｃには、例えばＡｒ（アルゴン）ガスを適用することが好ましい。

炭素源３は、具体的には炭素を棒状に固めた炭素棒３１と、炭素棒３１の先端部をプラズマアーク２ｄ（後述）により溶融した母材表面の溶融池Ｘ１，Ｘ２（後述。Ｘ２については図２参照）に挿入する駆動手段（図示省略）とから構成される。また母材４には、本実施形態ではＦｅ（鉄）を主成分とし、炭素含有量が０．３（質量％）以下である低炭素鋼を用いている。

そして、トーチ２の先端部をシールドガス２ｃによりシールドし、プラズマガス２ａとキャリアガス２ｂと共に金属粉体５を供給しながらタングステン電極２１と母材４との間に電圧を発生させることにより、トーチ２の先端部からプラズマアーク２ｄを発生させる。さらに、プラズマアーク２ｄの先端部には、炭素棒３１を順次挿入する。そして、前述の駆動手段によりトーチ２と母材４とを相対的に移動させることで、母材４の表面に金属炭化物表面層６（母材４側から第一層目を金属炭化物表面層６１とする）を形成していく。すなわち、図中、金属炭化物表面層６１の先端部において灰色（色が濃い部分）で示している部分は、プラズマアーク２ｄにより溶融した母材４の構成金属（本実施形態ではＦｅ）及び金属粉体５と金属棒３１由来のＣからなる溶融池Ｘ１であり、この溶融池Ｘ１内で溶融した母材４の構成金属（Ｆｅ）と金属粉体５とＣとが反応し、この溶融池Ｘ１が冷却により硬化することで、母材４の表面に順次金属炭化物表面層６１が形成される。形成された金属炭化物表面層６１は、母材４の構成金属とＣとからなる金属炭化物（本実施形態の場合、炭化鉄）と、添加した粉体５の金属元素とＣとからなる金属炭化物（本実施形態の場合、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化タングステン、炭化チタン等）とが混在したものとなる。なお、生成する金属炭化物は条件により異なる。例えば、Ｃとの親和力がＦｅよりも強いＮｂが大量に存在する場合には、Ｃの混入量にもよるが、ＣとＮｂが優先的に化合物を形成し、炭化鉄が全く又は殆ど形成されない場合があり、後述するような複合炭化物が生成される場合もあり得る。

図２に、上述した方法と同様にして、母材４の表面に第一層目として形成された金属炭化物表面層６１の表面に、第２層目の金属炭化物表面層６２を形成する様子を図１に倣って示す。この場合、母材表面とは、第一層目の金属炭化物表面層６１の表面を意味する。この場合、プラズマアーク２ｄにより第一層目の金属炭化物表面層６１の表面を溶融して溶融池Ｘ２を形成し、この溶融池Ｘ２内で溶融した金属炭化物表面層６１と金属粉体５とＣとが反応し、この溶融池Ｘ２が冷却により硬化することで、母材４の表面に順次金属炭化物表面層６２が形成される。形成された金属炭化物表面層６２は、金属炭化物表面層６１に含まれる金属とＣとからなる金属炭化物と、金属炭化物表面層６２形成時に添加した粉体５の金属元素とＣとからなる金属炭化物（複数の金属元素による複合炭化物も含まれる場合がある）とが混在したものとなる。ただし、二層目の金属炭化物表面層６２では、一層目の金属炭化物表面層６１における母材４の構成金属（Ｆｅ）の含有量は母材４よりは少ないため、金属炭化物表面層６２に含まれる母材４由来の金属炭化物（炭化鉄）は金属炭化物表面層６１よりは少なくなる。なお、生成する金属炭化物は条件により異なるのは、上述の通りである。第三層目以降の金属炭化物表面層を形成する場合も同様にして行うことができる。

このように、本実施形態の方法によれば、母材表面に形成した溶融池Ｘ１，Ｘ２に直接Ｃを反応させているため、母材表面に、母材４の組成金属とＣとの金属炭化物、溶融池Ｘ１，Ｘ２形成時に外部から添加した金属（金属粉体５）とＣとの金属炭化物、複数種類の金属とＣとの複合炭化物からなる金属炭化物表面層６を得ることができる。そして、この金属炭化物表面層６の組成、あるいは金属炭化物表面層６を形成する金属炭化物の形状や大きさや性質は、母材４の種類や添加する金属の種類や量若しくは反応させるＣの量等により適宜に調整することが可能である。特に、耐摩耗性に優れた金属炭化物表面層６を有する工具等を安価に得るためには、低機能で安価な低炭素鋼等を母材４としつつ、溶融した母材表面にＭｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔｉ等の金属を添加すればよく、さらに熱間で潤滑性能の高い（低摩擦性の）表面を有する工具等を得るためには、添加する金属をＭｏやＮｂ等とすればよい。Ｍｏについては冷間でも潤滑性を発揮することができる。また、金属炭化物表面層６の厚さについては、金属炭化物表面層６を複数層とすることで調整することが可能であり、従来のものよりも分厚い金属炭化物表面層６を容易に形成することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば母材表面の溶融は、上述したＰＴＡ以外にもＴＩＧ溶接技術や他の溶融技術を利用することも可能である。また、上記実施形態のように、母材表面を溶融しながら別の金属を添加するのではなく、溶融した母材表面に金属を添加してもよく、さらに別の金属（ＣｏやＮｉ等）を添加剤として加えることもできる。あるいは、このように別の金属を添加するのではなく、溶融した母材表面にＣを注入するだけでも、母材の組成金属とＣとの金属炭化物表面層を得ることができる。その他、金属炭化物表面層を形成する方法や装置の具体的構成、あるいは形成される金属炭化物表面層の組成等についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

以下に、上述した本発明の実施形態により、母材を低炭素鋼（Ｆｅを主成分とし、炭素含有量０．３（質量％）以下）として、その母材表面に次のような各種の金属炭化物表面層を形成した。なお、母材自体を比較例としている。
実施例１；母材に対しＣを注入したもの。
実施例２；母材に対し純Ｍｏ６０重量％と純Ｎｂ４０重量％の混合粉体をＰＴＡにより一層肉盛したもの（これを母材表面とする）にＣを注入したもの。
実施例３；母材に対し純Ｍｏ１００重量％の粉体をＰＴＡにより二層肉盛したもの（これを母材表面とする）にＣを注入したもの。
実施例４；母材に対し純Ｍｏ１００重量％の粉体をＰＴＡにより三層肉盛したもの（これを母材表面とする）にＣを注入したもの。

図３に、各実施例の金属炭化物表面層及び比較例（母材）について、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光分析法）による定量分析結果を示すこの分析から、各表面における主要な金属の重量割合が分かる。比較例及び実施例１ではＦｅが１００重量％であるが、実施例２〜４の分析結果から、肉盛層が多くなるほどＦｅの割合が減少し、添加した金属（Ｍｏ及びＮｂ、又はＭｏ）の割合が高くなることが分かる。また、ＦｅよりもＭｏやＮｂはＣとの親和力が強く、それらからなる炭化物は凝固点も炭化鉄よりも高いので、ＭｏやＮｂが添加されていれば、それらからなる炭化物が優先的に生成されることになる。

図４に、各実施例の及び比較例（母材）の各表面についての光学顕微鏡による組織観察写真を示す。実施例１の写真において、白い部分が炭化鉄である。実施例２の写真において、白いバンド状の部分が炭化鉄であり、粒状の部分が炭化ニオブである。実施例３及び実施例４の写真において、色が濃い部分がＦｅ−Ｍｏ系複合炭化物である。各実施例の写真並びに比較例（母材）の写真を比べると分かるように、母材表面に金属炭化物表面層を形成することで表面の性状が変化し、また形成される金属炭化物の種類や形成過程が異なることで、さらに表面の性状が変化することが分かる。

図５に実施例１の、図６に実施例２の、図７に実施例３の、図８に実施例４の、それぞれ金属炭化物表面層の表面からの深さ０．５ｍｍから０．５ｍｍ毎におけるマイクロビッカース硬度の測定結果をグラフで示す。なお、母材（Ｆｅ）自体のマイクロビッカース硬度は１００〜２００（Ｈｖ）程度である。各図において、マイクロビッカース硬度が急激に低下している部分から図中左側が金属炭化物表面層であり、右側が母材である。各図から分かるように、各実施例とも、母材表面に金属炭化物表面層を形成することにより、表面の硬度を向上することができる。また、母材にＣを注入した実施例１よりも、ＭｏとＮｂを添加してＣを注入した実施例２、Ｍｏを二層盛又は三層盛してＣを注入した実施例３及び実施例４の方が、表面の硬度を大幅に向上することができる。さらに、実施例３と実施例４とを比較すると、母材表面にＭｏを二層盛するよりも三層盛した方が、表面の硬度が向上した。なお、最も高い硬度が得られたのは実施例２である。これは炭化鉄の硬度は１２００Ｈｖ程度と炭化物の中では低いが、その面積占有率が高いこと、更に硬度２０００Ｈｖ以上を有する炭化ニオブが数多く分散していることに起因している。また、最も深くまで高い硬度を維持できたのは実施例４であった。

以上の結果から、溶融した母材表面、すなわち溶融した母材自体又はそれに添加した別の金属と共にＣを直接反応させるという本発明により、非常に硬度が高い金属炭化物表面層を得ることができることが実証された。さらに、溶接技術を用いているため接合部の密着性に優れ、尚かつ金属炭化物の面積占有率が高く、有効強度の深い高硬度金属炭化物表面層を得ることができることが実証された。また、添加元素の添加量や種類を調整する事により様々な形態の炭化物が形成可能であり、それにより金属炭化物表面層の性質を調整可能なことは明らかである。

本発明の一実施形態に適用される金属炭化物表面層装置の概観と、第一層目の金属炭化物表面層形成の様子を示す模式的縦断面図。 同第二層目の金属炭化物表面層形成の様子を示す模式的縦断面図。 各実施例及び比較例のＥＤＸによる定量分析結果を示す図。 各実施例及び比較例の光学顕微鏡による組織観察写真を比較して示す図。 第１実施例の金属炭化物表面層の表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。 第２実施例の金属炭化物表面層の表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。 第３実施例の金属炭化物表面層の表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。 第４実施例の金属炭化物表面層の表面からの各深さにおけるマイクロビッカース硬度の測定結果を示す図。

符号の説明

１…金属炭化物表面層形成装置
２…トーチ
２ｄ…プラズマアーク
３…炭素源
３１…炭素棒
４…母材
５…金属粉末
６，６１，６２…金属炭化物表面層

Claims (5)

1. １種類以上の金属を主とする母材表面に金属炭化物表面層を形成する方法であって、
   前記母材表面を溶融し、当該母材表面に溶融池を形成する工程と、
   前記溶融池に炭素棒を挿入することにより、溶融した母材表面の前記金属に炭素を直接反応させる工程と、
   前記炭素が反応した溶融池を冷却により硬化させて金属炭化物表面層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする金属炭化物表面層の形成方法。
2. 前記母材表面に溶融池を形成する工程において、当該溶融池に、金属炭化物を形成すべき金属を添加して溶融させておくようにしている請求項１に記載の金属炭化物表面層の形成方法。
3. 前記母材表面に炭素を直接反応させる工程において、前記溶融池内で母材表面と炭素とを反応させつつ金属炭化物を形成すべき金属を添加するようにしている請求項１に記載の金属炭化物表面層の形成方法。
4. 前記母材表面に炭素を直接反応させる工程と前記金属炭化物表面層を形成する工程との間に、前記溶融池内で溶融している母材表面と炭素に、金属炭化物を形成すべき金属を添加する工程を含む請求項１に記載の金属炭化物表面層の形成方法。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の方法により、１種類以上の金属を主とする前記母材表面に形成されることを特徴とする金属炭化物表面層。

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