JPH04202705A - 焼結層の被覆形成方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、基材の表面に焼結層を被覆する方法に係り、
特に鉄鋼材料の表面に耐食性、耐磨耗性を備えた焼結層
を被覆形成する方法に関する。

［従来技術］ 基材に焼結層を被覆する方法として、第９図に示すよう
に、成形後焼結した部材１０１を基材１０２に接合する
方法、及び第１０図に示すように容器１１０と基材１１
１とで形成された充填空間内に原料粉末を充填して気密
溶接する工程と、脱気したのち圧力をかけて焼結接合す
る工程とを備えた熱間静水圧加圧（ＨＩ　Ｐ）をおこな
って基材ｉｌｌに焼結層１１２を被覆形成し、その後容
器１１０を加圧除去する方法が公知である。

しかし前者の方法は、焼結と接合という二回の加熱工程
が必要であり、製造コストが高くなる問題がある。また
焼結部材１０１と基材１０２との嵌め合いが必要となる
ため、精密加工を必要とし、このため複雑形状の基材に
は適用できない。

また後者の方法は、気密溶接工程と脱気工程とを必要と
するため、工程が長くなる。また高温度で加圧、変形さ
せるため、気密溶接された箇所が破損する恐れがある。

更にこの方法では高度な溶接技術と変形予測技術が必要
であるため、実際には予備試験をおこなって、この試験
結果から経験的に変形量を求めている。特に複雑に肉厚
変化する基材の場合、変形量が大きいため、予備テスト
の必要性が大きくなる。更にまた、この方法では、極め
て高価な高温高圧の熱間静水圧加圧装置を必要とする。

［発明が解決しようとする技術的課題］本発明は上記事
情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、
単純かつ簡単な方法でしかも低コストで性能の優れた焼
結層を被覆形成する方法を提供するものである。

［課題を解決する手段、作用コ すなわち本発明は、基材の表面に焼結層を被覆形成する
方法において、焼結層を形成する領域に粉末原料を充填
する工程と、充填された粉末原料を焼結して、上記基材
表面に焼結層を被覆形成する工程とを具備し、上記粉末
原料は、少なくとも２種類の成分を有し、かつ加熱によ
り固相と液相とが共存する温度領域を有し、この液相は
上記基材に対して濡れ性を有し、また焼結温度は、固相
と液相とが共存する温度領域でおこなう焼結層の被覆形
成方法である。

以下第１図に基づいての本発明の詳細な説明する。

本発明は任意の用途に適用可能である。好適には、射出
成形機用シリンダー、射出成形のノズル、射出成形機の
逆止弁、二軸混練押出機のバレル、二軸混練押出機のス
クリュー、押出機のノズルなどが挙げられる。

本発明では、第１図（ａ）に示すように、基材１に粉末
原料を充填する前にまず、基材１や治具２を脱脂、洗浄
する。基材１の汚れは焼結層との結合強度を低下させる
ので注意して除去する。錆も除去する。

所定の治具２との溶接や機械的組立により或いは治具を
用いることなく基材１の焼結層を形成する領域に原料粉
充填空間を形成する。原料粉を圧力をかけて焼結するよ
うなことはしないので、組立強度は低くてもよい。充填
空間を形成する治具等は焼結中に原料粉の融液と反応し
たり接合したりしないようにするために表面にセラミッ
ク溶射などをおこなう。

つぎに形成された充填空間に原料粉末３を充填する。原
料粉末３は少なくとも２種類の成分を有し、同相と液相
とが共存する温度領域を有し、この液相は上記基材に対
して濡れ性を有するものであることが必要であり、かつ
得られる焼結層が必要とする特性（例えば耐蝕性、耐摩
耗性など）を有するものとする。原料粉末は、２成分以
上含む合金でもよいし、複数の原料粉末の混合物でもよ
い。「固相と液相とが共存する温度領域を有し」とは、
合金の場合はその合金組成の固相線と液相線とに温度差
があることをいい、混合物の場合は、少なくとも二つの
成分の融点に温度差があることをいう。また原料粉にセ
ラミックスが混合されていてもよい。熱間静水圧加圧法
の場合にはセラミックスの混合比率は２０％程度である
が、本発明では４０〜５０％まで可能である。原料粉末
の例を挙げれば、基材が鉄鋼系の材料の場合で、耐蝕性
、耐摩耗性を必要とする焼結層を得るためにＮ五合金、
Ｃｏ合金が挙げられる。

原料粉末は、加振しながら充填し、なるべく高密度で充
填する。６０％以上を目標とするのがよい。充填率が５
０％以下になると焼結層の収縮によって亀裂が発生する
場合がある。

次いで焼結をおこなうが、焼結温度は原料の固相、液相
が共存する温度とする。すなわち合金の場合、固相線と
液相線の間の温度、混合物の場合は一成分の融点以上で
他の成分の融点以下の温度である。固相のみが存在する
温度では、焼結層４の密度が低く空孔が多数発生する。

液体のみが存在する温度では鋳造と同様になって最終凝
固部に引は巣を発生するため不適切である。原料粉末を
加熱して、固相５、液相６が共存する温度となると、液
相６が未溶融の固相粒子５相互間に引力を及はす。この
とき治具２の表面には、液相に濡れないセラミックを溶
射しておいであるので、治具−固相粒子間には引力は働
かない。従って、液相６が基材１と固相粒子５に対して
濡れ性かあるために液相と固相粒子は基材に接合する方
向に移動する（第１図（ｂ）参照）。焼結の進行と共に
粒子５内から液相６が浸出してくるので、原料粉末３の
径は小さくなっていくとともに原料粉末３の空隙は液相
６によって満たされ、得られた焼結層４が基材を被覆す
る。なお本発明の焼結工程では、外部から液相６を供給
する必要はない。

焼結サイクルは二段階加熱、すなわち、加熱プロセス−
均熱プロセス→昇温プロセス→焼結プロセス−冷却プロ
セスを備えるのが好適である。好適な焼結サイクルを例
示すれば、加熱プロセスは５〜ｂ 熱プロセスは製品全体の温度の均一化と焼結の進行をお
こなうもので、温度は原料粉の融点より２０〜３０℃下
とする。つぎの昇温プロセスは、０゜１〜ｂ るほど昇温速度を下げる必要がある。焼結プロセスでは
その温度は原料粒子間の空隙を埋めるに十分な液相が生
じる温度とする。この温度は原料粉の成分によって異な
る。焼結プロセスの処理時間は製品全体が加熱時間に達
してからほぼ２Ｏ分経過するまでとするのかよい。冷却
プロセスでは炉冷するのかよい。

加熱プロセスでは焼結炉は無酸化雰囲気炉、例えば水素
炉や真空炉を用いる。焼結後の焼結層の性質を考慮すれ
ば真空炉が好ましい。この炉では脱ガスがおこなわれる
ので、微小空孔の発生がない。

次いで焼結層を被覆した基材を加工して、所定の寸法、
形状とする。

［実施例］ 以下、本発明を図示する実施例を参照して説明する。た
だし、本発明は、これら実施例に限定されるものではな
い。

実施例１（射出成形機用シリンダーへの適用）第２図（
ａ）に示すように、射出成形機用シリンダー基材１１と
してＳＣＭ４４０　（内径２０ＩＩｌＩＩφＸ６３０ｍ
ｍＮ）を用い、その内面を脱脂した。

基材１１は、基材と焼結層との残留応力発生防止のため
、焼結原料と同程度の熱膨張係数の鋼を選択した。この
基材１１にセンタ出し治具１２（焼結原料粉に触れる部
分をアルミナ溶射した５Ｓ４１材）′、焼結治具］３（
表面にアルミナ溶射した５２５Ｃ材、１５市φＸ６３０
ｍｍ１ｌ）、スペーサ１４　（ＳＳ４１材）を用いて、
充填空間を形成した。なお、センタ出し治具１２、焼結
治具１３の表面にアルミナ溶射が施しであるのは、焼結
時に焼結層が収縮する際に、基材側に向って収縮を起こ
させるためである。また原料粉の融液が治具に接合され
てしまうと、治具のぼらしができなくなってしまうので
、その付着、接合を防ぐためにおこなう。

充填空間に充填する焼結原料粉１５には、下記表２に示
すように、Ｃｒ１Ｏ，３重量％、Ｂ２゜１重量％、Ｓｉ
２．９重量％、ＦｅＯ，４重量％、残部Ｎｉの成分の合
金を用いた。この合金は、三元共晶温度が９８０℃、三
元共晶温度が１０５５℃、初晶温度はさらに高い。これ
は、９８０℃〜１０５５℃の間では固相と液相が共存す
る温度となり、本発明方法の原料として好適である。な
ぜなら、固液共存の温度範囲で焼結すると、焼結層が崩
れ落ちることなく、緻密な層が得られるからである。ま
たこの成分の合金は耐食性、耐摩耗性ともに優れている
ため射出成形機用シリンダーの性能を満足することがで
きる。

原料粉として、−１００メツシユのガスアトマイズ粉を
用いた。第２図（ａ）の組立図の上部から粉末を落下さ
せながらシリンダの外径部を銅ハンマーで叩いて充填し
た。この時の充填率は６１％であった。

次にこれを真空中で焼結した。こ焼結はまず９５０℃で
４０分保持し、その後４℃／分の昇温をおこない、１０
２５℃に４０分間保持した後炉冷することによりおこな
った（第２図（ｂ）参照）。

焼結後、形成された焼結層１６の内径を測定したところ
、約１７ｍｍφてあった。収縮量は約１゜０ＩＩＩＩＩ
／厚さであった。これは、充填時の厚さ２゜５Ｉｎ１１
の約４０％である。下部には液相の凝固した層１７が約
４５ｍｍ高さ認められた。最上部には層のめくれが生じ
ていたが、機械加工で除去できる範囲であった。以後、
機械加工し、所定の寸法に仕上げた（第２図（ｃ）参照
）。

実施例２（二軸混練押出機バレルへの適用）基材２１と
して、ＳＣＭ４４０材（内径５０龍φ）を用い、この基
材２１に焼結治具２２（Ｓ２５Ｃ材表面にアルミナ溶射
したもの、４０＋ａ■φ）と内径治具２３を用いて、充
填空間（厚さ５．０１１）を形成した。この充填空間に
下記表２に示す組成の原料粉２４を充填した。その充填
率は約６０％である（第３図（ａ）参照）。

この原料粉を焼結し、得られた焼結層２５は厚さ３關で
、空孔のない良好な層が形成されていることが認められ
た。また約４０％の厚さの収縮があった。下部には液相
相当部の溜まりがあった。

ついでこれを加工して、焼結層２．５關、内径４５＋ｎ
φ、４２Ｃ１ａｍ、ｌ）の二軸混練押出機バレルか得ら
れた（第３図（ｂ）参照）。

得られた試料について大越式摩耗試験をおこない、摩耗
速度と比摩耗量との関係を調べた。その結果を熱間静水
圧加圧装置で作成した試料の実験結果と比較して第８図
に示す。ここで、試験の相手材は５ＫＤ１１、ＨｐＣ５
８、最終荷重は１８゜９ｋｇ、摩擦距離は６００ｍとし
た。この図から、本発明で得られた試料は、耐摩耗性が
優れていることが分かる。

実施例３（二軸混練機スクリューへの適用）基材３１と
して５３５Ｃ材、外径３７ｍｍφを用い、この基材と焼
結治具３２（表面をアルミナ溶射した、抜き勾配を設け
た５２５Ｃ材、内径４６關φの筒状体）とで充填空間を
形成し、この空間に下記表２に示す原料粉３３を充填し
た（第４図（ａ）参照）。

これを焼結して焼結層３４が得られた（第４図（ｂ）参
照）。

これを加工して二輪混練機スクリュー（外径４４　ｍ＋
ｓφ、内径２５關φ、４０ｍｍ、Ｑ）か得られた（第４
図（ｃ）参照）。

実施例４（射出成形機ノズルへの適用）基材４１として
ＳＣＭ４４０材を用い、この基材４１と第１焼結治具４
２（表面アルミナ溶射した５Ｓ４１材）、第２焼結治具
４３（アルミナピン）とて、充填空間を形成し、ここに
下記表２に示す原料粉４４を充填した（第５図（ａ）参
照）。

焼結して焼結層４５を形成した後、加工して射出成形機
ノズル（外径１１０關φ、１８５ｍｍＮ）が得られた（
第５図（ｂ）参照）。

実施例５（押出機ノズルへの適用） 基材５１としてＳＣＭ４４０材を用い、この基材に形成
された充填空間に下記表２に示す原料粉５２を充填した
（第６図（ａ）参照）。

焼結後、焼結層５３が形成された（第６図（ｂ）参照）
。

加工後、押出機ノズル（４２Ｃ１＋ｍφ）が形成された
（第６図（ｃ）参照）。

実施例６（射出成形機逆止弁への適用）まず、第１焼結
治具６２（表面アルミナ溶射した５２５Ｃ材）と第２焼
結治具６３（内表面アルミナ溶射した５２５Ｃ材）とを
用いて、第１の充填空間を形成し、ここに下記表２に示
す原料粉６５を充填した（第７図（ａ）参照）。

次に基材６１として３２５Ｃ材を用い、これを充填した
原料粉上に載せて、第３焼結治具６４を用いて第２の充
填空間を形成し、ここに下記表２に示す原料粉６５を充
填した（第７図（ｂ）参照）次に焼結して焼結層６６を
形成した（第７図（Ｃ）参照）。

そして加工して射出成形機逆止弁（内径２５＋ｏｍφ、
外径３７ｍｍφ、４１關ρ）を得た（第７図（ｄ）参照
）。

これら実施例１〜６の実験条件を以下の表１に、原料粉
の組成を表２にまとめる。

上述した実施例から、本発明では、従来の接合では不可
能であった実施例２，４．６のような形状のものにも特
定の機能をもった材料を被覆することができる。また本
発明は加熱中に加圧しないため、従来の熱間静水圧加圧
による方法では得られなかった高精度の被覆面が得られ
、実施例２のような大型のものについても内径の寸法精
度は±０．１、ピッチの精度は±０．２以下であった。

ただし、液相凝固部は内径治具の寸法１１０龍φになっ
ているため被覆面の寸法よりも直径で３゜２　ｍｖｒ小
さくなっている。二〇液相凝固部は切削可能であるため
切削加工後内径全体を切削仕上した。

また本発明は熱間静水圧加圧による方法のように粉末充
填空間を密閉しないこと、加熱中に加圧しないことによ
り、余剰分の液相を下部に流化させ、加工除去できるた
め、被覆層には焼結時の固相が多く残留することになる
。この固相分の多くは耐食性、耐摩耗性ともに液相分の
凝固部より優れているため、結果的に本発明による被覆
層の性能は熱間静水圧加圧によるものよりも、優れてい
る。

この液相流化は、実施例５．６のように炭化物等のセラ
ミックを混合した被覆層を得よう・とする場合、セラミ
ックの混合比率を高めることができ、同様に耐摩耗性、
耐食性の向上を図ることができる。

また本発明によれば、工程が単純で、高価な設備費が不
要であり、製造原価を低くすることができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、粉末原料を充填
後焼結するという簡単な工程で焼結層を被覆形成できる
。また熱間静水圧加圧のような高温で加圧しないため、
基材や充填空間部の変形が全くない。変形は原料粉つま
り焼結層のみに発生し、しかもその変形は厚さ方向が主
なので、充填時の空隙率を計算すれば容易に寸法予測す
ることができる。したがって、均一な層厚さとなり、寸
法精度が良く、寸法不良がでない。気密溶接が不要で、
脱気、気密化が不要なため、溶接部の破損がない。比較
的安価な雰囲気炉や真空炉を使うため、熱間静水圧加圧
装置を必要とせず、設備コストが低い。原料粉末から生
じる液相（融液）と不溶融の固体粒子に発生する引力に
因って、焼結と結合が同時に行われる。また比較的多量
のセラミックを含有することか可能であり、耐食性の優
れた焼結層を形成できる。

表　　２

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の原理を示す説明図、第２図乃至第
７図は本発明方法の実施例１乃至６の工程を順に示す説
明図、 第８図は実施例２で得られた試料の耐摩耗性の実験結果
を熱間静水圧加圧装置で作成した試料の場合とともに示
す図、 第９図及び第１０図は従来方法の説明図である。 １．１１，２１．：３１，４１，５１．６１・・・基材
、２．１２，１３，２２．２Ｂ、３２，４２，４３゜６
２．６３．６４・・・治具、３，１５，２４，３３゜４
４．５．２．６５・・原料粉末、４，１６．２５゜３４
．４５．５３．６６・・・焼結層、１４・・・スペーサ
、１７・・・凝固した層 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 （ａ） （ｂ） 第６図 第７図 第８図 Ａｔ　　　　　燻社 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基材表面に焼結層を被覆形成する方法において、焼結層
   を形成する領域に粉末原料を充填する工程と、充填され
   た粉末原料を焼結して、上記基材表面に焼結層を被覆形
   成する工程とを具備し、上記粉末原料は、少なくとも２
   種類の成分を含み、かつ加熱により固相と液相とが共存
   する温度領域を有し、この液相は上記基材に対して濡れ
   性を有し、また焼結温度は、固相と液相とが共存する温
   度領域である焼結層の被覆形成方法。