JPH01287242A - 表面改質部品およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表面改質部品およびその製法に係り、具体的
には激しい摩耗環境に耐え得る表面改質部品およびその
製法に関する。

〔従来の技術〕

産業機械や建設機械部品には耐摩耗性を要求されるもの
（例えばポンプの羽根車やケーシングなど）が多い。従
来は次に述べる方法等により、用途等に合わせて耐摩耗
性を向上させることがなされている。

夷」」しく沫 合金元素を添加して部品全体の材質を耐摩耗性化するも
のであり、例えば高Ｃｒ鋳鉄や高Ｍｎ鋳鋼（ハツトフィ
ールド）などが知られている。後者は加工硬化による表
面硬化を狙ったものであるが、いずれも部品全体の硬さ
が向上し、耐摩耗性を有する。

髪裟従来払 部品表面に、硬質クロームメツキやセラミック粒子を分
散させて無電解メツキを施したり、あるいはセラミック
を溶射する方法が知られている。これらによれば、表面
に形成された薄いメツキ層により、耐摩耗性が向上する
。

粟主従来迭 部品表面に高周波加熱やプラズマ加熱などにより表面焼
入れを施したり、浸炭もしくは窒化焼入れなどの熱処理
を施し、表面部を硬化させる方法が知られている。すな
わち、鉄のマルテンサイト変態を利用して金属表面を硬
化し、これにより耐摩耗性を向上させるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来法によれば、それぞれ一定の耐摩耗性が得られ
る。しかし、土砂などの如き摩耗性の強い物質を含んだ
流体を移送するポンプ部品、あるいは同様に激しい摩耗
轡件下で用いられる建設機械部品などの場合には、特に
高い耐摩耗性が要求される他、強い靭性が要求されるこ
とから、次に述べるような問題がある。

すなわち、第１の従来法によれば、表面層のみならず内
部の材質も硬化するので脆くなり、部品全体の耐摩耗性
が低下する。したがって、強靭性が要求される機械部品
等には適用することができない。

この点、前述した第２．第３の従来法は表面を改質する
ものであるから、素地金属の靭性が保持されるので問題
ない。

しかし、セラミックを溶射する方法によれば、厚さの均
一性を得るのが難しく、寸法精度が要求される場合には
さらに機械加工が必要となる。

また、メツキによるものは膜厚の均一性に優れ、皮膜自
体の硬さも、無電解メツキでＨｖ　９０　Ｑ、硬質クロ
ームメツキでＨｖ　Ｌ、　３００であるから、普通鋼の
Ｈｖ　２００〜３００に比べて耐摩耗性が向上する。

しかし、これら第２従来法にあっては、表面改質膜の厚
みが薄い（例えば、溶射て約５００μｍ以下、メツキで
５０μｍ以下）ので、摩耗条件が苛酷な場合には、短時
間で皮膜が摩消してしまうという問題がある。例えば、
２０μｍのメツキ膜面に水と砂の混合物を高速噴射した
ところ、０゜５分程度で全て摩耗剥離した。

また、表面熱処理による第３の従来法は、加熱によって
製品の形状・寸法が狂う場合があるとともに、割れの発
生などが見られる。従って、高精度を要する部品の場合
には、再度の機械加工を要する。特に素材が鋳鉄の場合
には、黒鉛の膨張に＝４− より製品の割れが発生しやすいため、この方法は殆んど
行なわれていない。

上述したように、第１〜第３の従来法は、部品全体とし
て強靭性を有し、かつ高い耐摩耗性が要求されるような
部品を、実現することができないという問題がある。

一方、従来、アルミナ粉（Ａｕｚｏ３）に鉄粉を混合し
て焼結することにより、耐摩耗性を有するセラミックス
に一定の靭性を持たせる技％ｆｆ　（以下、「焼結法」
と称する）が提案されている（日本セラミックス協会学
術論文誌９６　［３］　２９２−２９８頁、１９８８年
）。

しかし、上記「焼結法」はアルミナ粉と鉄粉の混合体を
ホットプレス法により焼結させて部材を一体形成する技
術であるから、実際の部品に適用した場合、部品全体が
セラミックスとなる。したがって、前述した第１の従来
法と同様、耐摩耗性の点では優れているが、耐衝撃性や
強靭性の点において劣り、ポンプ部品等に適用すること
はできない。また、部品全体をセラミックスとすること
は１部品価格の上昇を招き、実用的でない。

しかも、「焼結法」によれば、ホラ１へプレス法により
加圧力を部品全体に行きわたらせなければならないので
、平板、円柱、ないしはこれらに相当する単純な形状の
ものしか形成することができない。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決すること
、換言すれば、苛酷な摩耗条件においても、良好な耐摩
耗性を有し、かつ強靭性を併せもつ表面改質部品および
その製法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

」１記目的を達成するため、本発明の表面改質部品は、
金属材からなる基体の表面所定領域に、セラミック粒子
と金属との混合層を有するものとしたのである。

また、上記混合層をセラミック粒子を核とし外周がセラ
ミック粒子と金属との中間生成体により包囲された構成
を含むものとしたのである。この場合において、前記基
体が鋳鉄であり、前記セラミック粒子がＳｉＣ粒子であ
り、前記混合層の金属がステンレスであることが望まし
い。

一方、本発明の表面改質部品の製法は、セラミック粒子
を粘結材により所定形状に成形し、この成形体を鋳型内
壁に沿わせて所定箇所に配置し、その後金属溶湯を鋳込
むことを含んでなるものである。

また、前記成形体の形成に際し、金属粉（例えば、鉄粉
）を混入することが望ましい。この場合において、前記
セラミック粒子をＳｉＣ粒子とし、前記金属粉をステン
レス粉とすることができる。

また、前記金属溶湯を鋳込む前に、鋳型を所定温度に加
熱することが望ましく、さらに鋳込時に鋳込差圧を付与
することが望ましい。

〔作用〕

このような構成の本発明によれば、次の作用により目的
が達成される。

すなわち、本発明の表面改質部品は例えば第１−図（ａ
）に示す断面構造を有し、部品１０の断面は内部に金属
材からなる基体」−］−を有し、その表面部にセラミッ
ク粒子と金属の混合Ｎ１２を有したものである。混合Ｎ
１２は同図（ｂ）に示すミクロ組織の模式図のように、
セラミック粒子１３と、このセラミック粒子と金属とが
反応して生成された中間生成体と反応残金湯層を含んだ
反応層１４からなる。その内側は基体１１を構成する素
地金属層１５である。

このような構成を有することから、部品１０の表面部と
なる混合層ｊ２の硬度は、セラミｙり粒子１３の硬度と
反応層１４の中間生成体の硬度に支配され、表面部は十
分な摩耗耐力を有する。また、混合ｌ　１２の厚さを十
分なもの（例えば２〜６ｍｍ以上）にすることにより苛
酷な摩耗条件にも耐え得る。しかも、部品全体の靭性は
基体］］の金属材に支配されるから、十分な靭性を持た
せることが可能である。

また、混合層のセラミック粒子の周囲に形成された中間
生成体が十分な厚みを有するものによれば、中間生成体
の硬度が十分に高く、かつセラミック粒子と金属層との
結合力が強いことから、強い耐摩耗性が確保できる。

なお、ＳｉＣ粒子と鉄（鋳鉄、鋳ｗりの場合に比へ、Ｓ
ｉＣ粒子とステンレスの場合は反応が激しく、第２図に
示すように、中間生成体１４ａは十分な厚みとなり（例
えば５０〜５００μｍ程度）となり、反応残金湯層１４
ｂが小さくなるので、−層硬度上昇に寄与し得る。また
、ビッカース硬度によると、中間生成体がＨＶ　Ｌ：５
００〜６００、未反応ＳｉＣ粒子がＨｖ　”＝　２６０
０−３５００であるから、土砂などの硬い粒子が衝突し
ても摩耗は殆ど生しない。しかも、ステンレスをベース
とする混合層１２によれば、表面部にのみ耐食性をもた
せることが可能である。

一方、上記表面改質部品を製造する本発明の製法によれ
ば、まずセラミック粒子に少量の粘結材（バインダー）
を混ぜて均一な混合物を作る。

次に、真に耐摩耗性が必要な部品の所定領域又は形状に
合わせ、例えば第３図（ａ）に示す金型（又は木型）２
１ａ、ｂによって形成される間隙に充填し、つき固め等
により成形体２２を形成する。このときの間隙は所望と
する耐摩耗層（混合層１２）の厚み（例えば２〜６ｍｍ
）に設定する。

このように形成された成形体２２を、同図（ｂ）に示す
ように、金属鋳造用鋳型２３ａ、ｂ、ｃの空洞部の所定
位置にセットし、残余の空洞部に素地金属の溶湯２４を
鋳込む。

これにより、溶湯２４が成形体２２のセラミック粒子の
すき間に侵入し、溶湯の熱によってセラミック粒子と溶
湯金属との間に一定の反応が起る。

この結果セラミック粒子１３の周囲に中間生成体の生成
を伴いながら、次第に冷却されて凝固する。

金属が凝固した後、同図（ｃ）に示すように、鋳型２３
ａ、ｂ、ｃを除去することにより、表面部にセラミック
粒子と金属とが強固に結合してなる混合層１２を有する
部品１０が得られる。なお、セラミック粒子の成形体に
用いた粘結材は鋳込み過程で殆んど消失する。すなわち
、有機質系バインダ（ＰＶＡなど）は消失し、無機質系
バインダの場合、例えばコロイダルシリカの場合はＳｉ
Ｏ２が残留するが、量的に少量（バインダ量の１５％程
度）なので問題とならない。

このようにして、部品の必要な部位にのみ、必要かつ十
分な厚みの耐摩耗性の混合層を有し、かつ部品全体とし
て強い靭性を有した表面改質部品が得られる。

また、セラミック粒子の成形体２２に予め金属粉（鉄粉
等）を混入しておけば、これらが溶湯２４の保有熱によ
り溶融されるため、セラミック粒子間への溶湯２４の浸
透作用を補い、十分な密度の混合層が得られる。

また、セラミック粒子１３をＳｉＣ粒子とし、金属粉を
ステンレス粉とした場合には、それらが激しく反応し、
第２図に示したように、十分な厚み、大きさの中間生成
体１４ａが形成される。この中間生成体１４ａの存在は
、混合層の硬度を全体的に高めるとともに、ＳｉＣ粒子
と反応残金湯層１４ｂとの結合を強くする作用がある。

この中間生成体１４ａの硬度は、前述したように素地金
属に比べ３〜４倍の硬度となる。

また、上述した鋳込み時に際し、鋳型を所定温度に加熱
すれば混合層１２の生成反応の促進に寄与し、一方第３
図（ｂ）に示す部材２５を介して鋳込差圧を付与すれば
、成形体２２内への溶湯２４の浸透が促され、粒子と金
属との密着性を高くできる。

なお、前述した従来の焼結法によれば、Ｆｅが溶融して
いないので八Ω２０３とＦｅの反応は殆どみられず、本
発明に係る中間生成体の存在を認めることができない。

したがって、本発明により得られる混合層は焼結法より
も硬度等の機械的強度に優れたものであるといえる。

なお、セラミック粒子は上述のＳｉＣ粒子の他、素地金
素よりも硬度が高く、かつ溶湯又は混合金属粉（鉄又は
ステンレスなど）と高温で反応するものが望ましい。

また、バインダーは鋳込み金属の融点との関連で決めら
れるべきである。すなわち、鋳込み金属の融点において
粘結力を喪失しないバインダーなら何でも良い。望まし
くはコロイダルシリカなどの高融点バインダーであるが
エチルシリケートで一も水ガラスでもときには使用でき
る。更にバインダーは少量で粘結力を発揮できるものが
望ましい。

また、鋳型は溶融金属を鋳込みことができ、かつ空洞中
に内包した成形体を加熱する際の温度に耐えられるもの
ならば、いかなる骨材、バインダーを用いた鋳型であっ
てもかまわない。具体的にはＣ○２鋳型などの無機鋳型
の適用が妥当である。

しかし、フラン型などの有機鋳型であっても鋳鉄鋳込な
どでは差しつかえない。なお鋳型は必ずしも一体鋳型で
なくてよい。

また雰囲気加熱の場合、鋳型壁の厚さはやや薄肉である
ことが望ましい。

鋳型の加熱方法は、雰囲気加熱が一般的である。

しかし高周波誘導加熱をすれば迅速に加熱できる。

鋳型用の模型材としてはワックスが良い。前述したセラ
ミック粒子と金属粉末の成形体２２を埋設したＳｉゴム
鋳型の空洞に溶融ワックスを注入させたのち、ワックス
が凝固するのをまって、Ｓｉゴム型を除去する。これに
より、耐摩耗を要する必要箇所に成形体２２が設置され
たワックスの一体枠型を得ることができる。

溶湯（鋳込金属）２４は鉄Ｆｅもしくはこれらの合金で
あればいかなる成分のものであってもかまわない。但し
、セラミック（ＳｉＣ）と溶融状態で反応するものが望
ましい。

〔実施例〕

以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。

裏」」ｑ１健 本実施例はセラミック粒子１３としてＳｉＣ粒子を、混
合層１２の金属材としてステンレスを、基体１１の金属
材として鋳鉄をそれぞれ適用したものであり、第２図で
説明した構造の表面改質部品を得る製法であり、第４図
を用いて説明する。

まず、ＳｉＣ粒子（１００メツシユピーク）とステンレ
ス粉（１００メツシユピーク）を１対１の割合い（かさ
）とし、これにバインダーとしてコロイダルシリカを加
えて均一に混合する。なお、ＳｉＣ粒子又はステンレス
粉の粒径分布は５０〜２００メツシユの範囲が望ましい
。また混合割合の範囲は１刻１〜１対２が望ましい。

」二連の混合体を所定形状の金型などを用いて所望の形
状、すなわち部品に要求される耐摩耗層の所定形状、所
定厚みを有した成形体３１を形成する。

この成形体３１を、第４図に示すように、無機自硬性鋳
型３２のキャビティ内壁の所定位置に埋設する。次に、
この鋳型３２を金枠３３ａ、３３ｂ内にセットし、上金
枠３３ａの中央部に設けた開口３３ｃから６００　’Ｃ
の熱風を吹込み、成形体３１を約５００℃に予熱する。

その後、１６００°Ｃの鋳鉄溶湯３４を開口３３ｃから
注入した。溶湯の温度範囲は１４００〜１６００℃が望
ましい。

そして、溶湯３４が凝固したのち鋳型１６を除去したと
ころ、鋳物の表面から深さ約５ｍｍにわたって、第２図
に示した構造のＳｉＣ粒子とステンレスからなる混合層
１２を有する表面改質部品１０が得られた。これにより
得られた混合層１２の顕微鏡組織写真を第５図に示す。

図から判るように、ＳｉＣ粒子３６はステンレス粉の溶
融体と反応して小さくなり、その周りにＳｉＣとステン
レスが反応してなる中間生成体３７が存在する。中間生
成体３７の周囲は反応しなかったステンレスを主成分と
し鋳込金属を含む金属層である。

なお、本実施例の試料片により硬度を測定したところ、
鋳鉄部はＩ−Ｉ　Ｖ　Ｌ：１５０　、中間生成体はＨｖ
　弁５００−６００、ＳｉＣ粒子はＨｖ　Ｌ：２７００
〜３０００であった。

第４」Ｕ１性 本実施例は、ステンレスと基体１１とし、ＳｊＣ粒子と
鉄との混合Ｍ１２を表面部に有する表面改質部品を得る
製法であり、第７図を用いて説明する。

まず、］５０メソシュのＳ］Ｃ粒子：１００重量部と、
８重量部のバインダー（Ｓｇｌ、５の水ガラス水溶液）
１０％ＰＶＡ水溶液７％の均一混合し、これを所定形状
に成形し、乾燥させて成形体４１を形成する。また、鉄
粉は１００メツシュピーク：　２００重量部とした。な
お、成形体４１の厚みは４ｍｍとした。

鋳型は第７図に示すように、多分割形の鉄粉鋳＝１６− 型４２を用いる。この鋳型４２は３００メツシユの鉄粉
：１００重量部、３量水ガラス二６部のＣ○２鋳型であ
る。

鋳型４２の外側に高周波コイル４３を設置し、高周波に
よって鉄粉鋳型４２を約６ｏ○℃に誘導加熱し、その熱
をＳｉＣと鉄粉の成形体４１に伝えることにより、成形
体４］を同様の温度にする。

次に、金枠４４を、鋳型４２の上部に設置し、湯口部４
５より鋳鋼溶湯４６を鋳込み、その後ただちに、湯面に
３気圧の加圧空気を加えることにより、溶湯４６と成形
体４１とを緊密に接触させて一体化する。なお、鋳型４
２の加熱および鋳鋼溶湯４６の鋳込に至る一連の工程は
不活性雰囲気内にて行った。

溶湯４６の凝固後、型ばらしをして、表面に耐摩耗層を
有する鋳鋼部品を得た。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の表面改質部品によれば、
表面部にセラミック粒子と金属の混合層を有し、内部は
金属材からなる基体となっていることから、セラミック
粒子により十分な耐摩耗性が確保されるので、苛酷な摩
耗条件に長期間耐えることができ、しかも靭性は基体に
より十分確保できる。したがって、ポンプの羽根車など
のように苛酷な条件が要求される部品にも十分用いるこ
とができる。

また、セラミック粒子と金属との反応物である中間生成
体により包囲されたセラミック粒子と金属とにより混合
層が形成されてなるものによれば、中間生成体の硬度が
高いことから、上記効果が一層顕著なものとなる。

一方、本発明の製法によれば、上記表面改質部品を得る
ことができることに加え、鋳込み法によるものとしてい
ることから、任意の形状の部品に対しても容易に耐摩耗
性をもたせることができる。

また、部品表面の必要な箇所に必要な厚さだけ、耐摩耗
層（混合Ｍ）を形成できる。これにより、たとえば耐摩
耗性を要する部分のみ耐摩耗層とし、他は安価で、かつ
靭性のすぐれた金属とすることができる。換言すると本
発明は必要に応じて、広汎なバリエーションをとること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明を説明するための表面改
質部品の断面構成図、第２図は本発明の他の発明を説明
するための表面改質部品の断面構成図、第３図は本発明
の詳細な説明するための工程図、第４図は本発明の一実
施例製法を説明する図、第５図は第４図実施例により得
られた表面改質部品の金属組織を示す写真、第６図は本
発明の他の実施例製法を説明する図である。 １１・・基体、　　　　　　　１２・・・混合層、１３
・・・セラミック粒子、　　１４・・・反応層、１５・
・・素地金属、　　　　　２１・・・金型、２２・・成
形体、　　　　　　２３・・・鋳型、２４・・・溶湯、
　　　　　　３１・・成形体、３２・・・無機自硬性鋳
型、　　３４・・・鋳鉄溶湯、４１・・・成形体、　　
　　　　４２・・・鉄分鋳型、４６・・ステンレス溶湯
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属材からなる基体の表面所定領域に、セラミック
   粒子と金属との混合層を有する表面改質部品。 ２、金属材からなる基体の表面所定領域に、セラミック
   粒子と金属との中間生成体により包囲されたセラミック
   粒子と金属との混合層が形成されてなる表面改質部品。 ３、前記基体が鋳鉄であり、前記セラミック粒子がＳｉ
   Ｃ粒子であり、前記混合層の金属がステンレスを主成分
   とする請求項２記載の表面改質部品。 ４、セラミック粒子を粘結材により所定形状に成形し、
   この成形体を鋳型内壁に沿わせて所定箇所に配置し、そ
   の後金属溶湯を鋳込むことを含んでなる表面改質部品の
   製法。 ５、セラミック粒子と金属粉を混合して粘結材により所
   定形状に成形し、この成形体を鋳型内壁に沿わせて所定
   箇所に配置し、その後金属溶湯を鋳込むことを含んでな
   る表面改質部品の製法。 ６、前記セラミック粒子がＳｉＣ粒子であり、前記金属
   粉がステンレス粉であり、前記金属溶湯が鋳鉄である請
   求項５に記載の表面改質部品の製法。 ７、前記金属溶湯を鋳込む前に、鋳型を所定温度に加熱
   することを含んでなる請求項４、５又は６に記載の表面
   改質部品の製法。 ８、前記鉄系金属を鋳込む際に、鋳込み差圧を付与する
   ことを含んでなる請求項４、５、６又は７に記載の表面
   改質部品の製法。