JP5475213B2 - 改良された耐摩耗性金属部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

発明の属する技術分野

1. 発明の分野
本発明は、金属マトリックス-セラミック複合材料からなる耐摩性部品及び金属-セラミック摩耗部品に使用するためのセラミックケーク(a ceramic cake)に関する。本発明はさらに、金属マトリックス-セラミック複合材料からなる摩耗部品において使用するためのセラミックケークの製造方法に関する。

多くの工業分野で、耐用年数中に摩耗を受ける部材が必要とされている。セメント工業、鉱業、および火力発電産業では、耐摩耗性を必要とする部品がごく一般的に使用されている。歴史的に見ると、20世紀の前半では、耐摩耗性の用途に対して12%マンガン鋼とニハード（Nihards）が使用された。後半の50年では、耐摩耗性の用途に対して高クロム鉄が順調に使用され、ニハードと12%マンガン鋼のほとんどが高クロム鉄に置き換わった。

耐摩耗性のさらなる改良のために研究が続けられ、20世紀の最後の10年では、耐摩耗性の用途に対して金属マトリックス-セラミック複合材料が、成功の程度はさまざまではあるが使用されている。本発明は同じ分野に属しており、現在使用されている複合材料と比較して、経済性と摩耗特性に大幅な改善もたらす。金属-セラミック複合材料は、金属マトリックス中に埋め込まれたセラミック部品を含む。

2. 背景と先行技術
金属マトリッリス-セラミック複合材料に対して最初にやるべきことは、当然ながら、セラミック材料(通常は粒子形態)の選択である。この点に関連して、Douglas W.Marshalによって米国特許(番号3,181,939、日付04.05.1965)が出願されている(米国マサチューセッツ州ノートン社が譲受人)。該特許は、アルミナの優れた耐摩耗特性とジルコニアの靭性を併せ持つ溶融アルミナジルコニア研磨剤の製造を説明している。したがってアルミナ／ジルコニア粒子が、金属マトリックス-セラミック複合材料のための最も適切な候補であると思われる。

埋め込んだ硬質材料を使用してキャスティングする技術がDr.Wahlによるドイツ特許(番号7326661、日付20.07.73)において開示されている。
KHIのTamuraによる日本国特許(特許番号62286661、日付12.12.87)は、セラミック粒子を溶融金属で含浸させて、優れた耐摩耗性を有する複合材料注型物を製造する方法を説明している。

Staub Fritzの出願によるヨーロッパ特許(番号EP0575858B1、日付23.06.92)は、摩耗面に多孔質のセラミック部材を有する金属マトリックス複合材料注型物の製造を説明している。使用するセラミック粒子は、コランダム、酸化ジルコニウム、または酸化マグネシウムであると記載されている。

Hubert Francoisの出願による特許(番号US6399176B1、日付04.06.2002)は、キャスティングによる複合材料摩耗部材の製造について説明している。20〜80%のアルミナと80〜20%のジルコニアからなる均質固溶体からなるセラミックパッドを摩耗表面に導入している。キャスティング時に、セラミックパッドは液体金属で含浸されている。

3. 発明の目的
セラミック粒子を使用して製造される複合材料部品の耐摩耗性を向上させるためには、改良された耐摩耗性を有するセラミック粒子について検討する必要がある。さらに、選択される粒子は、容易に製造できて且つ経済的に調達できなければならない。先行技術において現在使用されている粒子は改良の必要がある。

4. 発明の要約
本発明は、金属を含浸させたセラミックケークによって形成される摩耗部分を含む、金属マトリックス-セラミック複合材料からなる摩耗部品を提供する。前記摩耗部品においては、セラミックケークが、アルミナ、ジルコニア及び酸化チタンを含むセラミック粒子を含み、セラミック粒子の重量を基準として、アルミナが30〜65重量%の量で存在し、ジルコニアが30〜65重量%の量で存在し、そして酸化チタンが1〜7重量%の量で存在する。

本発明は、大幅に改良された耐摩耗性をもたらし且つより容易に調達できる粒子を提供する。粒子中に酸化チタンを含有させると、耐摩耗性に対して顕著な影響を与えることが明らかになっている。前記先行技術文献はいずれも、酸化チタンを含有させる点について記載も示唆もしていない。酸化チタン自体は、アルミナやジルコニアよりかなり軟らかく、このことが耐摩耗性の増大をより一層顕著にしている。本発明にしたがった組成を有するセラミック粒子は製造が容易であり、極めてコスト効率的な価格で入手可能な在庫品である。

発明の実施のための最良の形態

酸化チタンの量は、2〜6重量%であるのが好ましく、3〜5.5重量%であるのが最も好ましい。耐摩耗性に及ぼす好ましい効果は、これらの重量割合で最も顕著である。
アルミナの割合は40〜55重量%が好ましく、ジルコニアの割合は40〜50重量%が好ましい。

かくして、本発明は、金属マトリックス複合材料部品の摩耗特性を改善することに成功している。摩耗特性の改善は、ジルコニア、アルミナ及び酸化チタンを含む粒子を摩耗表面に導入することによって達成される。該粒子内には、通常、アルミナ、アルミナ／ジルコニア共晶(約43%のジルコニアと約57%のアルミナを含む)、ジルコニア、酸化チタン及びおそらくはアルミナ／チタニア共晶を、現実の割合に応じて含んだ小さい微視的な相が存在することが認められる。したがって、粒子の構造は均質でなく、また、構成成分（すなわち、アルミナ、ジルコニア及び酸化チタン）は幾つかの先行技術文献中に要求されるような固溶体を全く形成しない。組成は、金属マトリックス-セラミック複合材料からなる摩耗部品中の粒子に応じて様々に変動してよいことがわかる。上記割合はいずれも、粒子に対する平均の割合である。

さらに、粒子からセラミックケークを製造する場合には、粒子が比較的粗いので粒子の結合特性が重要である、ということを本発明者らは見い出した。したがって、セラミック粒子間の結合と、セラミックケークに造り上げる材料の成形適性を改善するためには、セラミック粒子に他の成分を加える必要がある。このような成分の1つがケイ酸ナトリウムであり、ケイ酸ナトリウムを加えると、セラミック粒子の結合が強化され、材料の成形適性が改善される。

本発明者らはさらに、非常に微細なセラミック粉末(主として酸化アルミニウム粉末で構成されるのが好ましい)を加えると、成形適性が改善されるだけでなく、セラミックケークの硬度も向上し、したがって最終製品の耐摩耗性が増大する、ということを見い出した。“非常に微細な粉末”とは、アルミナ／ジルコニア／チタニアセラミック粒子のサイズよりかなり小さな(少なくとも１桁、好ましくは2桁小さい)サイズの粉末を意味している。このような小さなセラミック粉末は、セラミック粒子の重量を基準として1〜4重量%にて混合するのが好ましい。

前述のセラミック粒子と微細セラミック(アルミナ)粉末とケイ酸ナトリウムとの混合物は、適切な形状を有する柔軟性のある(好ましくはゴム製の)中子取り内に充填することが好ましい。中子取り内のケークをそのままガスで処理し、焼成して高強度を生じさせる。

調製したセラミックケークをモールドの所望の表面に配置し、キャビティ内に液体金属を注入して、金属マトリックス-セラミック複合材料注型物を製造する。
5. 本発明の実施態様の詳細な説明
本発明は、金属マトリックス-セラミック複合材料部品の摩耗特性を向上させることに成功した。摩耗特性の向上は、摩耗表面にセラミック粒子を導入することによって達成された。セラミック粒子の種々の組み合わせを用いて検討した結果、アルミナ、アルミナジルコニア及び酸化チタン(チタニアと呼ばれることもある)を含む混合物を指示された範囲で含むセラミック粒子は、アルミナとジルコニアのみを含む混合物からなる粒子より優れた耐摩耗性を付与することがわかった。これらのセラミック粒子は製造が容易であり、実際、単なる均一なアルミナ-ジルコニア固溶体よりコスト効率が高い。

本発明のセラミック粒子は、30〜65%の範囲のアルミナ、65〜30%の範囲のジルコニア、および1〜7%の範囲の酸化チタンを含む。上記3種の酸化物成分の合計量は、粒子の少なくとも95重量%であるのが好ましく、少なくとも98重量%であるのがさらに好ましい(この場合、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、および酸化鉄等の他の酸化物が2%の程度にまで存在してよい)。セラミック粒子の粒子サイズは通常、グリットサイズによって表される。粒子のサイズは、必要とされる摩耗ゾーンの厚さによって決まる。金属マトリックス-セラミック複合材料を製造する上で推奨されるグリットサイズは、FEPA基準に従って6〜12のグリットサイズ範囲である。

このような粒子を所望の場所に導入できるためには、必要な形状のケークを作製する必要がある。このようなケークはさらに、結果として起こる液体金属による包み込み（engulfing）に耐えられるだけの十分な強度を有していなければならない。微細セラミック粉末(酸化アルミニウム粉末を含むのが好ましい)をケイ酸ナトリウムと共に加えると、成形適性が改善されること、および強度の増大が達成されることがわかった。1000〜1400グリット(好ましくは1200グリット)の細かい酸化アルミニウム粉末を加えると、チキソトロープ性が付与され、耐摩耗性が向上する。細かいアルミナ粉末を使用するのが好ましいが、本発明の枠組み内において、他の細かい粉末(たとえば、ジルコニア粉末やアルミナ/ジルコニア粉末)も使用することができる。

前述の無機質粒子とセラミック(好ましくはアルミナ粉末)との混合物を、適切な結合剤(たとえばケイ酸ナトリウム)と混合するのが好ましい。しかしながら、このような混合物は十分な生強度(すなわち、未処理の、また焼成していない状態での強度)をもたない場合があること、そしてセラミックケークの造形物を柔軟性のある(好ましくはゴム製、たとえばシリコンーンゴム製)中子取り内で支持するのが好ましい、ということを本発明者は見い出した。セラミックケークを製造するのにゴム製の中子取りを使用することは、本発明の方法の好ましい実施態様の特徴である。

上記の混合物を所望の形状のゴム製中子取り内部に充填し、二酸化炭素で処理して、取り扱う上での十分な強度をもたせる。さらに、十分な強度が発現されるように、ゴム製中子取り内のセラミック造形物を80〜220℃で4時間加熱する。

耐熱性の金型または金属ダイの所望の表面にケークを配置する。金型集成体／ダイ集成体を閉じた後、液体金属をキャビティ中に注ぎ込む。液体金属の組成は、用途に応じて選択される。高衝撃の用途では鋼(steel)が必要とされ、低衝撃の用途では鉄(irons)でも許容される。クロム鋼は、0.2〜1.2%のCと2〜8%のCrを含有してよく、そしてさらにMn、Mo、Ni、またはCuなどの合金元素を含有してよい。マンガン鋼は、0.8〜1.2%のCと8〜14%のMnを含有してよく、そしてさらにSi、Cr、S、またはPなどの元素と、存在する添加物と、不純物とを含有してよい。鉄は、1〜3.5%のCと、11〜28%のCrを含有してよく、そしてさらに他の合金元素(たとえば、Mo、Ni、またはCu)を含有してよい。

一般に、耐摩耗の用途に対しては、上記タイプの鋼と鉄が広く使用されている。しかしながら本発明の方法は、いかなる非鉄合金に対しても同様に適用可能である。
十分な冷却時間の後に金型/ダイを取り外し、得られた摩耗部品を、金属部分がより良好な耐摩耗性と靭性を発現するよう特殊な熱処理に付す。

6. 実施例
火力発電所で使用される粉砕ロールとして表わされる摩耗部品を、上記の方法を使用して製造した。この部品は、遠心注型法を使用して製造した。製造手順は、無機質粒子のケークを作製すること、ケークを導入してインサートと呼ばれる複合材料注型物を作製すること、遠心ダイ中にインサートを位置決めすること、およびSG鉄(SG iron)をスピニング・ダイ(spinning die)中に注入して複合材料注型物を生成させること、を含んでいた。このようにして得られた注型物を熱処理し、摩耗用途に関して試験を行った。摩耗部材の寿命の大幅な伸びが観測された。

縦フライス用のテーブルライナーとして説明されている別の摩耗部品を製造した。注型部品の摩耗表面に無機質粒子のケークを導入した。注型物は、従来の鋳物注型法を使用して製造した。注型物を熱処理し、機械加工し、そして摩耗特性に関して試験を行った。大幅な改善が認められた。

7. 本発明の利点
本発明によって、先行技術から公知であるセラミック粒子より優れた耐摩耗性を有するセラミック粒子を使用することが可能となる。さらに、高純度のアルミナ及びジルコニアを使用して粒子を製造する必要がないので、セラミック粒子をより経済的に調達することができる。

好ましい実施態様においては、本発明は、細かいセラミック粉末（好ましくはアルミナ）を加えることにより耐摩耗性を一段と改善し、混合物の成形適性を向上させる。
さらに、柔軟性のある（好ましくは、シリコンゴム製）中子取り(本発明の実施態様の一部である)を使用することにより、複雑な形状のケークを製造することが容易になる。

Claims (19)

1. 金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品であって、該摩耗部品は金属を含浸させたセラミックケークによって形成される摩耗部分を含み、該摩耗部分は摩耗表面を含み、前記セラミックケークが、粒子内にアルミナ、ジルコニア、および酸化チタンの混合物を含んだセラミック粒子を該摩耗表面に含み、セラミック粒子の質量を基準として、アルミナが３０〜６５質量％の量で存在し、ジルコニアが３０〜６５質量％の量にて存在し、そして酸化チタンが１〜７質量％の量で存在する、前記摩耗部品。
2. セラミック粒子中の酸化チタンの量が２〜６質量％である、請求項１に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
3. セラミック粒子中の酸化チタンの量が３〜５．５質量％である、請求項２に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
4. アルミナの量が４０〜５５質量％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
5. ジルコニアの量が４０〜５０質量％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
6. セラミック粒子のグリットサイズがＦＥＰＡ６〜１２の範囲にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
7. セラミックケークが、セラミック粒子のサイズより少なくとも１桁小さいサイズの微細なセラミック粉末をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
8. セラミックケークが、セラミック粒子の質量を基準として１〜４質量％の微細セラミック粉末を含む、請求項７に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
9. 微細セラミック粉末がアルミナ粉末を含む、請求項７または８に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
10. 微細セラミック粉末のグリットサイズがＦＥＰＡ１０００〜１４００の範囲にある、請求項７〜９のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
11. セラミックケークがケイ酸ナトリウムを結合剤として含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
12. ケイ酸ナトリウム結合剤を４〜６質量％の範囲にて含む、請求項１１に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
13. 金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品が、０．２〜１．２質量％のＣと、２〜８質量％のＣｒと、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ若しくはＣｕ等の他の合金元素とを含有するクロム鋼を含むか、又は、０．８〜１．２質量％のＣと、８〜１４質量％のＭｎと、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｓ若しくはＰ等の他の元素と、存在する添加物と、不純物とを含有するマンガン鋼を含むか、又は、１〜３．５質量％のＣと、１１〜２８質量％のＣｒと、Ｍｏ、Ｎｉ、またはＣｕ等の他の合金元素とを含有する鋼鉄を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品のためのセラミックケーク。
15. セラミック粒子、微細セラミック粉末及び結合剤を含む混合物を柔軟性のある容器内に注ぎ込み、硬化させる、請求項１４に記載のセラミックケークの製造方法。
16. 前記柔軟性のある容器がシリコンゴム製の中子取りである、請求項１５に記載のセラミックケークの製造方法。
17. セラミックケークを、ＣＯ_２ガスで処理することによって硬化させ、オーブン中にて８０〜２００℃の温度で１〜４時間焼成する、請求項１５または１６に記載のセラミックケークの製造方法。
18. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品を含む粉砕ロール。
19. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の金属マトリックス−セラミック複合材料からなる摩耗部品を含む、縦フライス用のテーブルライナー。