JPH05261515A - 金属製品に硬質耐摩耗表面を含ませる方法及びそれによって製造される製品 - Google Patents

金属製品に硬質耐摩耗表面を含ませる方法及びそれによって製造される製品

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JPH05261515A
JPH05261515A JP5026224A JP2622493A JPH05261515A JP H05261515 A JPH05261515 A JP H05261515A JP 5026224 A JP5026224 A JP 5026224A JP 2622493 A JP2622493 A JP 2622493A JP H05261515 A JPH05261515 A JP H05261515A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 金属製品に硬質耐摩耗表面域を含浸させる方
法は、一以上の「ピン」をシート表面上に一体に取り付
けた焼結シート形態の耐摩耗層を準備するステップを包
含する。この耐摩耗層をサンドコア上に張り付け、溶融
金属を注型して最終製品を製造する。この方法は各種金
属製品の製造に使用することができるが、鋳鉄とくにダ
クタイル鋳鉄が好適である。更に、この方法は、焼結可
能な任意の硬質相たとえば炭化タングステン、炭化クロ
ム等の硬質相を効果的に使用することができる。シート
及び「ピン」は、共に耐摩耗材料、有機結合剤及び一種
以上の可塑剤の同一混合物から製造されることが好まし
い。 【効果】 製品の製造費用を大幅に下げられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は硬質耐摩耗材料を含む表
面を金属製品に含ませる（impregnating）方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】鉄などの金属に硬質耐摩耗性表面を含ま
せる技術には各種のものが知られており、炎スプレー被
覆やプラズマスプレー被覆が含まれる。しかしながら、
これらの各被覆技術には被覆過程及び使役時に表面層の
破砕に係る問題があると共に、本技術の使用には特に多
額の費用を要する。
【０００３】炭化物粒子を型内に配置後に溶鉄を注型す
るキャストインカーバイド（cast-in-carbides）も公知
である。例えば、エックマー（Eckmer）等の米国特許第
4,119,459号の議論を参照されたい。しかしながら、こ
のような鋳造法では、炭化物粒子を所望の位置及び規則
正しい分布パターンに正確に維持することは困難であ
る。
【０００４】これに加えて、ポリスチレンパターンと共
に使用するキャストオンハードサーフェシング（cast-o
n hard surfacing）技術も当該技術分野で知られてい
る。例えば、ハンセン（Hansen）等の「ポリスチレンパ
ターン鋳物へのフェロクロム系ハードサーフェシングの
適用（"Application of Cast-On Ferrochrome-Based Ha
rd Surfacing to Polystyrene Pattern Castings"）」
（米国内務省、鉱山局研究報告第8942号、1985年）を参
照されたい。
【０００５】しかしながら、この方法には、耐摩耗層例
えば炭化タングステンと発泡体パターンとの間に形成さ
れる結合の信頼性が低いという問題がある。このため、
鉄は固化前に炭化物層に浸透せず、従って炭化物は鉄を
含浸せずに製品から剥がれ落ちる。
【０００６】本発明者は、鋳造過程で鉄などの金属の表
面に硬質層を更に効果的に含ませようと試みたその他の
方法にも注目した。例えば、蒸発パターン鋳造法（ＥＰ
Ｃ）を用いて鋳鉄に炭化物を含ませるレヴァンカー（Re
vankar）等の米国特許第5,027,878号明細書やサンドコ
ア（sand core）を用いて鋳鉄及びアルミニウム合金鋳
物に炭化物を含まさせる米国特許出願第564,184号及び
同第564,185号明細書が注目される。
【０００７】しかしながら、これらの方法は効果的であ
ったにも係らず、幾つかの欠陥もあった。例えば、ＥＰ
Ｃ法の実施には従来の鋳造工場内に特殊装置を設置する
必要がある。更に、この方法で製造される鋳物は発泡プ
ラスチックレプリカの変形に基づく変形を受ける可能性
を有する。他方、前述のサンドコアを用いる炭化物鋳造
法は炭化物球を使用する方法であり、それがプロセス費
用に加わる。この費用は実質的に平らな耐摩耗表面を所
望する場合には更に高まる可能性がある。この場合に
は、球径の半分以上の厚みの表面層を機械研削する必要
があるからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、公知技術に係
わる問題を克服できるような、金属表面とくに鉄表面に
硬質耐摩耗材料を含浸させる方法が今尚求められてい
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の一面として、金
属製品に硬い耐摩耗材料表面層を含ませる方法であっ
て、耐摩耗材料製の「ピン」又は「フック（hook）」を
使用して、その耐摩耗材料表面層を鋳物表面に「機械的
に」結合させることができるような方法を開示する。
【００１０】本発明の一面は、 （ａ）一以上のピンを表面の一方に一体に取り付けた焼
結シート形態の耐摩耗材料層を準備するステップ； （ｂ）その耐摩耗層をサンドコアに張り付けるステッ
プ；及び （ｃ）溶融金属を注型して、耐摩耗材料表面層を有する
金属製品を製造するステップ；を包含する金属製品に硬
質耐摩耗表面層を含浸させる方法に関する。
【００１１】本発明は、別の面として、この方法により
製造される製品に関する。
【００１２】本発明は、当該技術分野で知られている実
質上全ての型の金属の鋳造に使用することができる。し
かしながら、鋳鉄、とくにダクタイル鋳鉄又は鼠鋳鉄が
好適である。その他の好適金属例には非鉄合金及びスー
パアロイがある。
【００１３】本発明の最初のステップには、耐摩耗材料
を含むシートの形成が含まれる。硬質耐摩耗材料の選択
に関し、本発明は炭化タングステン、炭化クロム等、焼
結可能な何れの硬質層も効果的に使用することができ
る。更に、この耐摩耗材料は金属結合剤を含むことがで
きて、例えば炭化タングステンに対してはＦe族金属、
好ましくはＣoを、炭化クロムに対してはＮiを使用する
ことができる。例えば、鋳造金属としてダクタイル鋳鉄
を使用する場合には、１４−１７重量％のコバルトを含
む炭化タングステンの粒が好適である。
【００１４】シートの形成は、（場合によっては金属結
合剤を含む）硬質耐摩耗材料の粉末を適当な有機結合剤
たとえばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）１０％溶液及
び適当な可塑剤たとえば２−エチルヘキシルジフェニル
ホスフェート、ホスフェートエステル可塑剤（例えば、
ＦＭＣ社のクロニテックス（ＫＲＯＮＩＴＥＸ ３６０
０）又は可塑剤混合物と混合して、シート形成を可能に
する適当なレオロジー特性を有するスリップを形成する
ことにより行なわれる。この点に関し、好適な結合剤及
び／又は可塑剤は、個々の耐摩耗材料に効果的に使用で
きるものである。
【００１５】本発明の方法では、耐摩耗材料の微粒子た
とえばメッシュ寸法−１４０／２００又はそれより細か
いものを使用することが好ましい。
【００１６】次に、鉄内へより良好に含ませるようなパ
ターンのテキスチャーをシートの外表面に形成すること
が好ましい。シート内のパターンの形状は、使用時にシ
ートがコンポーネント表面から横方向に移動するのを効
果的に防止し、シート表面の接線方向に加えられる剪断
に抵抗するようなパターンである。例えば、一実施態様
では、シートの外面上に「ワッフル」状のテキスチャー
をパターン化する。例えば図１を参照されたい。
【００１７】更には、このパターンは適当な手段によ
り、例えばシートが未硬化の可塑状態にある間にシート
表面上に所要パターンを有するダイをプレスすることに
より形成することができる。
【００１８】シートの製造に使用されるものと同一の耐
摩耗材料／有機結合剤／可塑剤混合物が、シートに取り
付けるための「ピン」や「フック」の形成にも使用され
るのが好ましい。これらの「ピン」や「フック」の形状
は、耐摩耗材料を鋳造物表面に「機械的」に保持するよ
うな形状であればいずれの形状でもよい。好適ピン形状
の二例を図２に示す。その他のピン形状は、例えば、ワ
ッフル表面テキスチャーを有する炭化物の平らな「シー
ト」がある。
【００１９】これらのピンを別々に鋳造した後、例えば
１００℃のオーブン内で乾燥すると「剛性」の固体にな
る。これらのピンをシート上、特にパターンを含むシー
ト面上に置いて耐摩耗層を形成する。例えば図１に示す
配列を参照されたい。
【００２０】シートに取り付けるピンの必要数は、シー
ト表面に加わる分離力を克服するために必要な数であ
る。例えば図１に示す実施態様では、四個のフックが使
用されているが、この数を例えば１−８ピンに変えるこ
とができる。
【００２１】これらのピンは乾燥後に取り付けることが
できるが、予備焼結した後にシート上に取り付けてもよ
い。何れの技術を用いても、取り付けたピンと一緒にシ
ート自身を焼結すると、ピンはシートの一体部分とな
る。次に、シートを低温たとえば３２０−３４０℃で加
熱し、有機結合剤及び可塑剤を部分的に除去する。
【００２２】「グリーン」シートの焼結は、シートとピ
ンが十分高密になるような条件下で行われる。好適焼結
条件は当該技術分野で知られており、例えば真空下１４
５０−１４７５℃で５０−７５分といった条件である。
【００２３】ピン組成は好ましくはシート組成と同一が
好ましいので、フックを取り付けた焼結シートは焼結温
度から室温まで冷却された際にも応力が加わらず、ピン
は焼結後にシートの一体部分を形成する。例えば、図３
に示した断面を参照されたい。
【００２４】前記の方法は結合剤及び可塑剤を用いてシ
ートとピンを形成したが、これら有機添加物を使用しな
いその他の方法もある。例えば、適当な割合の金属結合
剤を含む炭化物粉末をコールドダイプレスで平らなピン
を含むシートに直接プレス加工することができる。次
に、このシートを有機結合剤及び可塑剤を用いる炭化物
シートの製造手順に従って焼結することができる。勿
論、低温加熱による結合剤及び可塑剤の除去ステップは
必要でない。
【００２５】次に、焼結された耐摩耗層を当該技術分野
で知られている手段により適当な型表面たとえばサンド
コア上に張り付ける。例えば一実施態様では、高温接着
剤を使用し、この層を例えば１００℃のオーブン内で加
熱し、接着剤から水分を追い出して硬化させるのであ
る。
【００２６】高温とは、その接着剤が金属注入温度より
高い融点をもつことを意味する。本発明には適当な接着
剤は何れも使用できるが、高温無機接着剤が好適であ
る。
【００２７】金属としてダクタイル鋳鉄を用いる好適実
施態様では、この結合剤はアレムコ社（ＡＲＥＭＣＯ）
のセラマボンド（Ceramabond）５６９なる高温セラミッ
ク接着剤である。セラマボンド５６９は、アルミニウ
ム、ケイ素及びカリウムの酸化物を水中コロイド懸濁体
として含み、最大使用温度が約１６５０℃の同社専有の
高温結合剤である（セラマボンドはアレムコプロダクツ
社（AREMCO Products Inc.）の商標である）。
【００２８】この時点で、当該技術分野で伝統的に使わ
れている鋳造技術たとえば重力供給鋳造、圧潰鋳造、真
空鋳造等の何れかを用いて、液体金属を硬質耐摩耗層の
周囲に注型する。しかしながら、使い易さの点で金属の
重力供給が好適である。炭化タングステン包含によるダ
クタイル鋳鉄の鋳造例を図３に示す。
【００２９】本発明の方法は、広範な用途を有する金属
製品の製造に使用することができる。更には前述のよう
に、本発明の方法では金属が耐摩耗材料シートと冶金学
的に反応する必要はないので、本発明の方法は広範な金
属及びその合金に適用される。しかしながら、鋳鉄の特
定ケースでは、鉄と炭化物との結合を更に強化する冶金
学的反応が見出されている。この反応はシートにワッフ
ル状のパターンを付けると促進することができる。
【００３０】
【発明の効果】本発明の方法は先行技術システムと比較
して製品の製造費用を大幅に下げることができる。特
に、次工程でのろう付けや溶接を必要とせず、且つま
た、ＥＰＣシステムに係るような追加鋳造設備を必要と
せずに鋳造過程で表面を効果的に変性することができ
る。実際、本発明の方法は既存のサンドコア鋳造法に容
易に採用することができる。
【００３１】
【実施例】本発明及びその利点を更に説明するため、以
下に特定実施例を提示する。但し、この実施例は単に説
明を意図するものであって、発明の範囲を限定するもの
ではない。
【００３２】１４−１７％のコバルトを含む炭化タング
ステンの微粉末（−１４０／２００又はそれより細かい
メッシュ寸法のもの）をポリビニルアルコール１０％水
溶液などの適当な結合剤及び適当な可塑剤（２−エチル
ヘキシルジフェニルホスフェート又はＦＭＣ社のクロニ
テックス（KRONITEX）３６００）又は可塑剤混合物と混
合し、鋳造又はロール加工によりシートにすることがで
きるような適当なレオロジー特性を有するスリップを形
成する。シートが乾燥又は硬化により剛性になる前に図
１に示すような「ワッフル」テキスチャーをシート表面
上にパターン形成する。
【００３３】同じ炭化物／結合剤／可塑剤混合物を用い
て、適当な形状のピン（図２を参照のこと）を別々に鋳
造して、１００℃のオーブン内で乾燥すると剛性の固体
になる。シートが可塑状態にある間すなわち結合剤樹脂
が硬化する前に、上記ピンを炭化物シートの図１に示す
ようなワッフル模様の面上に置く。次に、未硬化シート
を真空下１４６０℃で６０分間焼結すると、シートとピ
ンは十分稠密になる。図３を参照されたい。
【００３４】次に、アレコム社のセラマボンド５６９を
用いて焼結した炭化物シートをサンドコアに張り付け、
このサンドコア／シートを１００℃のオーブン内で加熱
し、結合剤から水分を追い出して硬化させる。十分に長
時間の硬化が許されるならば室温でも乾燥することがで
きる。金属凝固時に炭化物シートが鋳物の表面にしっか
りと結合するよう、従来の鋳造法を用いて鋳鉄をシート
の周囲に注型する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭化物「ピン」を４個含む焼結炭化物
シートを示す。
【図２】本発明に使用する炭化物ピンの好適形状を示
す。
【図３】「フック」又は「ピン」が一体となった炭化物
シートを示すダクタイル鋳鉄の写真である。

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ） 表面上に一以上のピンを一体に取
    り付けた焼結シート形態の耐摩耗層を準備するステッ
    プ； （ｂ） 該耐摩耗層を型表面に張り付けるステップ；及
    び （ｃ） 溶融金属を注型して耐摩耗材料表面層を有する
    金属表面を製造するステップ；を包含する金属製品に硬
    質耐摩耗表面を含ませる方法。
  2. 【請求項２】 該型表面がサンドコアであり、かつ、該
    層がその一以上の表面上にシートの横方向移動を防止す
    るための所望パターンを有する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 該パターンがワッフルパターンである請
    求項２の方法。
  4. 【請求項４】 該シートに複数のピンを一体に取り付け
    た請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 該ピンは、シートに取り付けられる際に
    焼結されていない請求項４の方法。
  6. 【請求項６】 該ピンをシートに取り付け、その後で該
    シートを焼結する請求項５の方法。
  7. 【請求項７】 該ピンをシートに取り付ける前に焼結す
    る請求項４の方法。
  8. 【請求項８】 該ピンをシートに取り付けた後、該シー
    トを焼結する請求項７の方法。
  9. 【請求項９】 該型表面がサンドコアであり、かつ、高
    温接着剤を用いて該層を該サンドコアに張り付ける請求
    項１の方法。
  10. 【請求項１０】 該高温接着剤が高温セラミック接着剤
    である請求項９の方法。
  11. 【請求項１１】 該金属が鉄である請求項１の方法。
  12. 【請求項１２】 該鉄がダクタイル鋳鉄である請求項１
    １の方法。
  13. 【請求項１３】 該硬質耐摩耗材料が金属結合剤を含む
    炭化タングステンである請求項１の方法。
  14. 【請求項１４】 該炭化タングステンが１４−１７重量
    パーセントのコバルトを含有する請求項１３の方法。
  15. 【請求項１５】 耐摩耗材料の粉末、有機結合剤及び一
    種以上の可塑剤の混合物から該シートを形成する請求項
    １の方法。
  16. 【請求項１６】 該シートと同一の混合物から該ピンを
    製造する請求項１５の方法。
  17. 【請求項１７】 該混合物を該シートに鋳造する請求項
    １５の方法。
  18. 【請求項１８】 該混合物を該シート及び一以上のピン
    に鋳造する請求項１６の方法。
  19. 【請求項１９】該型表面がサンドコアであり；該層がそ
    の一以上の表面上にワッフルパターンを有し；該シート
    とピンが耐摩耗材料の粉末、有機結合剤及び一種以上の
    可塑剤の混合物から形成され；かつ、 該シートに複数のピンを一体に取り付けた；請求項１の
    方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１の方法により製造される製
    品。
  21. 【請求項２１】 請求項１９の方法により製造される製
    品。
JP5026224A 1992-01-21 1993-01-21 含浸による硬質耐摩耗表面層を備えた金属製品の製造方法及びその製品 Expired - Lifetime JPH0798262B2 (ja)

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US07/822,904 US5267600A (en) 1992-01-21 1992-01-21 Hard facing casting surfaces with wear-resistant sheets
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JPH0798262B2 JPH0798262B2 (ja) 1995-10-25

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US (3) US5267600A (ja)
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JP (1) JPH0798262B2 (ja)
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DE (1) DE59304769D1 (ja)
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