JPH0585273B2 - - Google Patents

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JPH0585273B2
JPH0585273B2 JP60137491A JP13749185A JPH0585273B2 JP H0585273 B2 JPH0585273 B2 JP H0585273B2 JP 60137491 A JP60137491 A JP 60137491A JP 13749185 A JP13749185 A JP 13749185A JP H0585273 B2 JPH0585273 B2 JP H0585273B2
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JP
Japan
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metal
powder
composite layer
dispersed
mixed powder
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Kazuhiko Mori
Akyoshi Morita
Masaaki Tokui
Muneya Takagi
Atsushi Oota
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Toyota Motor Corp
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    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

産業上の利用分野 本発明は、金属材料の表面処理に係り、更に詳
細には金属材料の表面に炭化物系セラミツク粒子
分散金属複合層を形成する方法に係る。 従来の技術 鋼の如き金属材料の耐摩耗性、耐熱性、耐食性
などを向上させる一つの手段として、それ自身高
強度且高硬度を有し耐熱性及び耐食性に優れたセ
ラミツク粒子を金属材料中に分散させ、これによ
りセラミツク粒子分散金属複合材料又は複合層を
形成することが有効であることが知られている。 かくしてセラミツク粒子を金属材料中に分散さ
せる方法としては、金属炭化物の如き固溶体を形
成する固溶体形成元素を含有する金属材料に対し
溶体化処理を行うことにより過飽和固溶体を形成
し、該過飽和固溶体を所定の温度に一定時間保持
することにより固溶体を時効析出させる析出硬化
法、ベース金属よりも酸素との反応性の高い金属
元素を含有する金属材料を酸化性雰囲気中にて所
定の温度に一定時間維持することにより、金属材
料の表面よりその内部へ酸素を拡散させて金属材
料の内部に於て前記元素を酸化させる内部酸化
法、分散されるべきセラミツク粉末とベース金属
粉末とを混合し、該混合粉末を圧縮成形し、該圧
縮成形体を高温度に加熱する粉末冶金法(焼結
法)、ベース金属の溶湯中に分散されるベきセラ
ミツク粉末を添加して撹拌し、かくして得られた
混合溶湯を鋳造するコンポキヤスト法などが従来
より知られている。 発明が解決しようとする問題点 上述の析出硬化法に於ては、ベース金属中に極
めて微細な分散粒子を分散させることが可能であ
り、分散粒子とベース金属との密着性に優れた複
合材料を得ることができるが、分散粒子の体積率
等を適正に制御することが困難であり、また時効
処理に際しては金属材料を所定の温度に長時間加
熱維持しなければならなず、金属材料全体に対し
処理を行う必要があるため、セラミツク粒子分散
金属複合層を低廉に且能率よく形成することが困
難であり、また特定の表面にのみセラミツク粒子
分散金属複合層を有する金属材料を製造すること
が困難である。 また内部酸化法に於ては、処理される金属材料
はベース金属よりも酸素との反応性の高い金属元
素を含有する金属材料でなければならず、金属材
料をその融点近傍の高温度に長時間加熱維持しな
ければならず、更には前記金属元素の酸化の速度
は金属材料中への酸素の拡散速度により制限され
るため、金属材料の表面部に酸化物系セラミツク
粒子分散金属複合層を能率よく且低廉に形成する
ことが困難である。またこの方法に於ては、炭化
物系のセラミツク粒子をベース金属中に分散させ
ることが不可能であり、またセラミツク粒子の体
積率等を適正に制御することが困難である。 また粉末冶金法に於ては、セラミツク粒子の体
積率、大きさ、形状等を比較的容易に制御するこ
とはできるが、金属材料の特定の表面部にのみセ
ラミツク粒子分散金属複合層を形成することが非
常に困難であり、従つて金属材料の特定の表面部
にセラミツク粒子分散金属複合層を容易に且低廉
に形成することが困難である。また気孔率が実質
的に零であるセラミツク粒子分散金属複合層やセ
ラミツク粒子とベース金属との密着性に優れたセ
ラミツク粒子分散金属複合層を形成することが非
常に困難である。 更にコンポキヤスト法に於ては、セラミツク粒
子分散金属複合材料よりなる鋳物を容易に製造す
ることはできるが、金属材料の特定の表面部にの
みセラミツク粒子分散金属複合層を形成すること
が非常に困難であり、セラミツク粒子が均一に分
散された複合層を形成することが困難であり、ま
た複合層中のセラミツク粒子の体積率を適正に制
御することが非常に困難である。 本発明は、金属材料中にセラミツク粒子を分散
させる従来の方法に於ける上述の如き問題に鑑
み、特に炭化物系のセラミツク粒子が所望の体積
率にて均一に分散されたセラミツク粒子分散金属
複合層を金属材料の所望の表面に容易に且低廉に
能率よく形成することのできる方法を提供するこ
とを目的としている。 問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、炭素との
反応性の高い金属元素の粉末と炭素粉末とを混合
し、該混合粉末を金属材料の表面に配置し、前記
混合粉末を高密度エネルギ源にて加熱して溶融さ
せる炭化物系セラミツク粒子分散金属複合層の形
成方法によつて達成される。 発明の作用及び効果 本発明の方法によれば、炭素との反応性の高い
金属元素の粉末と炭素粉末との混合粉末が金属材
料の表面に配置され、混合粉末が高密度エネルギ
源にて局部的に高温度に加熱されることにより金
属粉末が溶融(半溶融状態を含む)されると共
に、その金属及び炭素粉末が活性化され、これに
より金属が炭化されることにより金属炭化物、即
ち炭化物系セラミツクが分散状態にて形成される
ので、金属粉末と炭化粉末とを所定の比率にて均
一に混合することにより、炭化物系のセラミツク
粒子が所望の体積率にて均一に分散された複合層
を金属材料の特定の表面に容易に且能率よく形成
することができ、またこの場合金属粉末と共に金
属材料の表面部も部分的に溶融されるので、金属
材料との一体性に優れた複合層を形成することが
できる。 また本発明の方法によれば、混合粉末等に対す
る入熱は従来の方法の如く金属材料全体が長時間
に亙り高温度に加熱される場合に比して遥に少な
く且短時間であり且局部的であり、粉末冶金法法
の如く金属材料全体にセラミツク粒子が分散され
るのではなく、金属材料の任意の特定の表面にの
み炭化物系セラミツク粒子分散金属複合層を形成
し得るので、金属材料の主要部に熱的悪影響を実
質的に及ぼすことなく金属材料の所望の表面にの
み複合層を低廉に形成することができる。 また本発明の方法によれば、内部酸化法の如く
分散されるセラミツク粒子が酸化物系セラミツク
粒子に限定されることはなく、またセラミツク粉
末と混合される金属粉末(二種以上の金属粉末の
混合物を含む)を適宜に選定することにより、セ
ラミツク粒子分散による耐摩耗性等の性質の向上
に加えて、複合層のマトリツクス金属の組成によ
つても耐食性等の性質の向上を図ることができ
る。 更に本発明の方法によれば、金属材料の表面に
配置される混合粉末中の金属粉末と炭素粉末との
比率を厚さ方向に変化させることにより、例えば
複合層の金属材料に近い部位よりその表面に向う
につれてセラミツク粒子の体積率が増大する複合
層の如く、厚さ方向にセラミツク粒子の体積率が
変化した複合層を形成することができ、その場合
セラミツク粒子の体積率を複合層の厚さ方向に連
続的に変化させることもできる。 本発明の方法の一つの詳細な特徴によれば、高
密度エネルギ源にて溶融された混合粉末は主とし
て金属材料による吸熱により急冷される。かかる
方法によれば、溶融された混合粉末を冷却するた
めの特別な冷却装置は不要であり、また溶融され
た混合粉末及び高温度に加熱された金属材料の表
面部が急冷されるので、マトリツクス金属の結晶
が微細であり、従つて強度等に優れた複合層を形
成することができる。 本発明の方法の他の一つの詳細な特徴によれ
ば、混合粉末を高密度エネルギ源にて加熱して混
合粉末を溶融させる過程は不活性雰囲気中にて行
われる。かかる方法によれば、炭素粉末が酸化さ
れることに起因して金属の炭化が十分に行われな
くなつたり、複合層中の気孔が発生するなどの不
具合や、金属粉末が酸化されて複合層のマトリツ
クス金属が酸化されるなどの不具合の発生を回避
することができる。この場合不活性雰囲気は溶接
の場合の如くフラツクスにて創成されてもよい
が、確実性、スラグ巻込みの回避、及び作業性等
の点からアルゴン、ヘリウの如き不活性ガス雰囲
気又は真空雰囲気であることが好ましい。 また本発明の方法に於ける高密度エネルギ源は
レーザ、TIGアーク、電子ビームであつてよい
が、レーザは金属粉末や金属材料の電気抵抗が比
較的高い場合にも適用可能であり、また焦点調整
により混合粉末に対する加熱範囲の大きさを比較
的容易に調整し得る点に於て他の高密度エネルギ
源よりも優れており、TIGアーク及び電子ビーム
は混合粉末が溶融されるとその溶融金属及び形成
されたセラミツク粒子が電磁撹拌作用により撹拌
される点に於てレーザよりも優れている。また電
子ビームの雰囲気は一般に真空雰囲気でなければ
ならないのに対し、レーザ及びTIGアークの雰囲
気は不活性ガス雰囲気であつてよいので、所定の
雰囲気を創成し維持するに必要な装置や作業能率
の点からはレーザ及びTIGアークが好ましく、電
子ビームは加熱領域が非常に小さく且溶け込み深
さを大きくし得るので、かかる特徴を必要とする
場合には他の高密度エネルギ源よりも優れてい
る。従つて本発明の方法の更に他の一つの詳細な
特徴によれば、金属粉末の種類、形成されるベき
複合層の形状、面積、厚さ等に応じて高密度エネ
ルギ源としてレーザ、TIGアーク、電子ビームが
適宜に使い分けられる。 尚本発明の方法に於ける炭素との反応性の高い
金属元素の粉末は単一種類の金属粉末又は複数種
類の金属粉末の混合粉末であつてよいが、セラミ
ツク粒子が均一に分散された複合層を形成するた
めには、金属粉末と炭素粉末とが実質的に均一に
混合されることが好ましい。また炭素との反応性
の高い金属としてはSi、Cr、Ti、V、Zr、Al、
Mo、Mn、Ta、Nb、Wなどがあり、これらの金
属元素の炭素との反応式及び1500Kに於ける炭化
物生成時の標準自由エネルギの変化ΔG゜は下記の
表1に示された通りである。
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD The present invention relates to surface treatment of metal materials, and more particularly to a method for forming a metal composite layer in which carbide-based ceramic particles are dispersed on the surface of a metal material. Conventional technology As a means of improving the wear resistance, heat resistance, corrosion resistance, etc. of metal materials such as steel, ceramic particles, which themselves have high strength and hardness and have excellent heat resistance and corrosion resistance, are incorporated into metal materials. It is known to be effective to disperse and thereby form ceramic particle-dispersed metal composite materials or composite layers. Thus, as a method for dispersing ceramic particles in a metal material, a supersaturated solid solution is formed by performing solution treatment on a metal material containing a solid solution forming element such as a metal carbide, and the supersaturated solid solution is dispersed in a predetermined manner. A precipitation hardening method in which a solid solution is aged and precipitated by holding it at a temperature for a certain period of time, and a metal material containing a metal element that is more reactive with oxygen than the base metal is maintained at a specified temperature for a certain period of time in an oxidizing atmosphere. An internal oxidation method in which oxygen is diffused from the surface of the metal material to the inside thereof to oxidize the element inside the metal material, and the ceramic powder to be dispersed and the base metal powder are mixed, and the mixing A powder metallurgy method (sintering method) in which powder is compression molded and the compression molded body is heated to a high temperature, ceramic powder dispersed in a molten base metal is added and stirred, and the mixture thus obtained is Compocasting methods for casting molten metal have been known for some time. Problems to be Solved by the Invention In the precipitation hardening method described above, it is possible to disperse extremely fine dispersed particles in the base metal, and a composite material with excellent adhesion between the dispersed particles and the base metal can be created. However, it is difficult to properly control the volume fraction of the dispersed particles, and the aging treatment requires heating and maintaining the metal material at a predetermined temperature for a long period of time, resulting in damage to the entire metal material. It is difficult to form a ceramic particle-dispersed metal composite layer inexpensively and efficiently because of the need to process the ceramic particle-dispersed metal composite layer. is difficult. In addition, in the internal oxidation method, the metal material to be treated must contain a metal element that is more reactive with oxygen than the base metal, and the metal material must be kept at high temperatures near its melting point for a long time. Since heating must be maintained for a long time and the rate of oxidation of the metal element is limited by the rate of oxygen diffusion into the metal material, a metal composite layer with oxide-based ceramic particles dispersed on the surface of the metal material is applied. It is difficult to form it efficiently and inexpensively. Furthermore, in this method, it is impossible to disperse carbide-based ceramic particles in the base metal, and it is also difficult to appropriately control the volume fraction of the ceramic particles. Furthermore, in the powder metallurgy method, although it is possible to control the volume fraction, size, shape, etc. of ceramic particles relatively easily, it is difficult to form a ceramic particle-dispersed metal composite layer only on a specific surface area of the metal material. Therefore, it is difficult to easily and inexpensively form a ceramic particle-dispersed metal composite layer on a specific surface portion of a metal material. Furthermore, it is extremely difficult to form a ceramic particle-dispersed metal composite layer with substantially zero porosity or a ceramic particle-dispersed metal composite layer with excellent adhesion between the ceramic particles and the base metal. Furthermore, in the composite cast method, although it is possible to easily produce a casting made of a ceramic particle-dispersed metal composite material, it is extremely difficult to form a ceramic particle-dispersed metal composite layer only on a specific surface area of the metal material. It is difficult to form a composite layer in which ceramic particles are uniformly dispersed, and it is very difficult to properly control the volume fraction of ceramic particles in the composite layer. In view of the above-mentioned problems in the conventional method of dispersing ceramic particles in a metal material, the present invention provides a ceramic particle-dispersed metal composite layer in which carbide-based ceramic particles are uniformly dispersed at a desired volume ratio. It is an object of the present invention to provide a method that can easily, inexpensively, and efficiently form a metal material on a desired surface of a metal material. Means for Solving the Problems According to the present invention, the above object is to mix a powder of a metal element highly reactive with carbon and a carbon powder, and to arrange the mixed powder on the surface of a metal material. This is achieved by a method of forming a metal composite layer in which carbide ceramic particles are dispersed, in which the mixed powder is heated and melted using a high-density energy source. Effects and Effects of the Invention According to the method of the present invention, a mixed powder of a metal element powder highly reactive with carbon and a carbon powder is placed on the surface of a metal material, and the mixed powder is locally localized with a high-density energy source. By heating the metal powder to a high temperature, the metal powder is melted (including in a semi-molten state), and the metal and carbon powder are activated, thereby carbonizing the metal and forming a metal carbide, that is, a carbide-based metal powder. Ceramic is formed in a dispersed state, so by uniformly mixing metal powder and carbonized powder at a predetermined ratio, a composite layer in which carbide-based ceramic particles are uniformly dispersed at a desired volume ratio can be created. It can be easily and efficiently formed on a specific surface of a metal material, and in this case, the surface of the metal material is partially melted together with the metal powder, so a composite layer with excellent integrity with the metal material can be created. can be formed. Furthermore, according to the method of the present invention, the heat input to the mixed powder etc. is much less and in a shorter time than in the conventional method where the entire metal material is heated to a high temperature for a long time. It is possible to form a metal composite layer with carbide-based ceramic particles dispersed only on any specific surface of the metal material, instead of dispersing the ceramic particles throughout the metal material as in the powder metallurgy method. A composite layer can be formed at low cost only on a desired surface of a metal material without substantially having an adverse thermal effect on the main part of the metal material. Furthermore, according to the method of the present invention, the ceramic particles dispersed as in the case of the internal oxidation method are not limited to oxide-based ceramic particles, and the metal powder mixed with the ceramic powder (a combination of two or more metal powders) (including mixtures), it is possible to improve properties such as wear resistance by dispersing ceramic particles, and also improve properties such as corrosion resistance by changing the composition of the matrix metal of the composite layer. . Furthermore, according to the method of the present invention, by changing the ratio of metal powder and carbon powder in the mixed powder disposed on the surface of the metal material in the thickness direction, for example, the portion of the composite layer closer to the metal material is It is possible to form a composite layer in which the volume fraction of ceramic particles changes in the thickness direction, such as a composite layer in which the volume fraction of ceramic particles increases toward the surface. It can also be changed continuously in the horizontal direction. According to one detailed feature of the method of the invention, the mixed powder melted by the high-density energy source is rapidly cooled primarily by heat absorption by the metallic material. According to this method, there is no need for a special cooling device for cooling the molten mixed powder, and since the surface of the molten mixed powder and the metal material heated to a high temperature is rapidly cooled, the matrix The metal crystals are fine, so a composite layer with excellent strength etc. can be formed. According to another detailed feature of the method of the invention, heating the mixed powder with a high-density energy source to melt the mixed powder takes place in an inert atmosphere. According to this method, there are problems such as insufficient carbonization of the metal due to oxidation of the carbon powder, generation of pores in the composite layer, and problems such as oxidation of the metal powder and the formation of pores in the composite layer. It is possible to avoid problems such as oxidation of the matrix metal. In this case, the inert atmosphere may be created using flux as in the case of welding, but from the viewpoint of reliability, avoidance of slag entrainment, and workability, an inert gas atmosphere such as argon or helium or a vacuum atmosphere may be used. It is preferable that there be. Further, the high-density energy source in the method of the present invention may be a laser, a TIG arc, or an electron beam, but the laser can also be applied when the electrical resistance of the metal powder or metal material is relatively high, and the TIG arc and electron beam are superior to other high-density energy sources in that the size of the heating range for mixed powder can be adjusted relatively easily by adjustment, and when mixed powder is melted, the molten metal It is superior to a laser in that the formed ceramic particles are stirred by electromagnetic stirring action. In addition, the atmosphere for electron beams generally must be a vacuum atmosphere, whereas the atmosphere for lasers and TIG arcs may be an inert gas atmosphere, so the equipment and work efficiency required to create and maintain the specified atmosphere are limited. Lasers and TIG arcs are preferred, and electron beams are superior to other high-density energy sources when such characteristics are required, since they have a very small heating area and can achieve large penetration depths. Therefore, according to yet another detailed feature of the method of the invention, depending on the type of metal powder, the shape, area, thickness, etc. of the composite layer to be formed, a laser, TIG, etc. can be used as the high-density energy source. Arc and electron beam can be used appropriately. The powder of the metal element highly reactive with carbon in the method of the present invention may be a single type of metal powder or a mixed powder of multiple types of metal powder, but a composite powder in which ceramic particles are uniformly dispersed may be used. Preferably, the metal powder and carbon powder are mixed substantially uniformly to form the layer. Metals that are highly reactive with carbon include Si, Cr, Ti, V, Zr, Al,
There are Mo, Mn, Ta, Nb, W, etc., and the reaction formula of these metal elements with carbon and the change in standard free energy ΔG゜ during carbide formation at 1500K are as shown in Table 1 below. be.

【表】【table】

【表】 また本願発明者らが行つた実験的研究の結果に
よれば、金属粉末を容易に溶融させ、また複合層
中に気孔が発生することを防止するためには、金
属粉末の平均粒径は300μ以下、特に100μ以下で
あることが好ましく、金属粉末と炭素粉末との均
一な混合粉末を形成し、これによりセラミツク粒
子が実質的に均一に分散された複合層を形成する
ためには、炭素粉末の平均粒径は0.1〜200μ、特
に0.1〜100μであることが好ましい。 更に金属材料の表面に金属粉末と炭素粉末との
混合粉末を配置することは、金属材料の表面に混
合粉末をただ単に層状に予め配置することにより
行われてもよく、また高密度エネルギ源がレーザ
や電子ビームである場合には高密度エネルギ源に
対しその走査方向前方の位置にて金属材料の表面
に連続的に混合粉末を送給することにより行われ
てもよいが、混合粉末の飛散を防止しその歩留り
を向上させるためには、混合粉末の圧粉成形体を
金属材料上に配置したり、金属材料の表面に溝を
形成し該溝内にて混合粉末を圧粉成形したり、混
合粉末にP.V.A.(ポリビニルアルコール)の水溶
液やセルロースとグリセリンとの混合液の如き粘
結剤を添加してペーストを形成し、該ペーストを
ヘラ塗り法やチユーブ法にて金属材料の表面に付
着させたり、形成されるべき複合層の厚さが小さ
くてよい場合には、アクリル樹脂をシンナーにて
溶解した溶媒の如き溶媒中に混合粉末を分散させ
てスラリーを形成し、該スラリーをはけ等による
塗布、スプレー法、ドブ漬け法にて金属材料の表
面に付着させることにより行われてもよい。但し
ペーストやスラリーが形成される場合には、ペー
ストやスラリーはそれらが乾燥されることにより
形成される混合粉末層の表面が酸化されたり、混
金粉末層の表面部に気孔等が発生することがない
温度範囲及び雰囲気中にて十分に乾燥され、実質
的に水分を含有しない状態で高密度エネルギ源に
よる加熱に付されることが好ましい。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。 実施例 1 平均粒径50μのクロム粉末(純度99.5%)と平
均粒径20μのグラフアイト粉末とを均一に混合
し、これによりこれらの粉末の原子%比が2:1
(重量比9:1)である混合粉末を形成した。次
いで混合粉末中に粘結剤としてポリビニルアルコ
ールの5%水溶液を注入することにより、水より
も粘性が高く粘土よりも粘性の低いペーストを形
成した。 次いで第1図に示されている如く、70×40×10
mmの寸法を有する工具鋼(JIS規格SKD61)製の
試験片1を用意し、その一方の70×40mmの表面上
にその長手方向に沿つて厚さ0.2mmの二枚のガイ
ド2及び3を互いに5mm隔置して平行に配置し、
それらのガイドの間にペースト4をへら塗り式に
充填することにより、試験片の前記表面の中央に
その長手方向に沿つて幅5mm、厚さ0.2mmの層状
にペーストを配置した。次いで図には示されてい
ないが試験片を乾燥炉内にて100℃に0.5時間維持
することによりペーストを十分乾燥させ、これに
より第2図に示されている如く気孔率が約40%で
ある混合粉末層5を試験片1上に形成した。 次いで第3図に示されている如く、レーザガン
6の先端よりシールドガスとしてのアルゴンを放
出させ、これにより試験片上の溶融部をアルゴン
にてシールドしつつ、混合粉末層5の一端より他
端までレーザガン6を1パス走査させることによ
り、下記の表2に示された条件にて混合粉末層を
レーザ7により局部的に加熱し、クロム粉末を溶
融させてクロムを炭化させ、これにより第4図に
示されている如く、炭化クロム粒子が分散された
クロム合金よりなる複合層8を形成した。尚この
場合試験片の混合粉末層直下の部分も部分的に溶
融され、かくして生じた金属溶湯及び形成された
炭化クロム粒子及び試験片の表面部は主として試
験片の主要部によつて吸熱されることにより急冷
された。 表2 パワー密度:300W/mm2 エネルギ密度:120J/mm2 走査速度:10mm/sec アルゴンの流量:106/min 上述の如く形成された複合層の幅は5.2mmであ
り、最大厚さは0.4mmであつた。また試験片の長
手方向中央部の横断面を観察したところ、第5図
に解図的に示されている如く、複合層8と試験片
のベース金属9との間には熱影響部10が存在し
ていたが、その幅は0.5〜0.7mm程度であつた。ま
た複合層中の炭化クロム粒子11の体積率は約15
%であり、複合層全体に亙り実質的に均一であ
り、クロム粒子とマトリツクス金属としてのクロ
ム合金12との密着及び複合層と試験片との一体
性も良好であることが認められた。更に炭化クロ
ム粒子の平均粒径は約2μであつた。 第6図は複合層8の長手方向中央部の横断面の
中央部の金属組織を400倍にて示す光学顕微鏡写
真である。図に於て、白い地の部分はマトリツク
ス金属としてのクロム合金の部分であり、黒い点
状の部分は炭化クロム粒子である。この第6図よ
り、微細且実質的に均一な大きさの炭化クロム粒
子がマトリツクス金属中に均一に分散されてお
り、気孔等の不良は全く発生していないことが解
る。 実施例 2 平均粒径44μのチタニウム粉末(純度99.0%)
と平均粒径20μのグラフアイト粉末とを均一に混
合し、これによりこれらの粉末の原子%比が
1.5:1(重量比6:1)である混合粉末を形成し
た。次いで混合粉末中に粘結剤としてポリビニル
アルコールの5%水溶液を注入することにより、
実施例1の場合と同様の粘性のペーストを形成し
た。 次いで実施例1に於て使用された試験片と同一
寸法及び同一材質の試験片を用意し、実施例1の
場合と同一の要領にてその一方の70×40mmの表面
の中央にその長手方向に沿つて幅5mm、厚さ0.8
mmの層状にペーストを配置した。次いで実施例1
の場合と同一の条件にてペーストを十分乾燥させ
ることにより、第7図に示されている如く、気孔
率が40%である混合粉末層13を試験片14上に
形成した。 次いで実施例1と同様の要領にて、レーザガン
の先端よりシールドガスとしてのヘリウムを放出
させ、これにより試験片上の溶融部をヘリウムに
てシールドしつつ、混合粉末層13の一端より他
端までレーザガンを1パス走査させることによ
り、下記の表3に示された条件にて混合粉末層を
レーザにより局部的に加熱して、チタニウム粉末
を溶融させてチタニウムを炭化させ、これにより
第8図に示されている如く、炭化チタニウム粒子
が分散されたチタニウムム合金よりなる複合層1
5を形成した。尚この場合試験片の混合粉末層直
下の部分も部分的に溶融され、かくして生じた金
属溶湯及び形成された炭化チタニウム粒子及び試
験片の表面部は主として試験片の主要部によつて
吸熱されることにより急冷された。 表3 パワー密度:240W/mm2 エネルギ密度:180J/mm2 走査速度:4mm/sec ヘリウムの流量:100/min 上述の如く形成された複合層の幅は5.4mmであ
り、最大厚さは1.6mmであつた。また試験片の中
央部の横断面を観察したところ、実施例1の場合
と同様、複合層と試験片のベース金属との間には
熱影響部が存在していたが、その幅は0.8〜1.0mm
程度であつた。また複合層中の炭化チタニウム粒
子の体積率は約25%であり、複合層全体に亙り実
質的に均一であり、炭化チタニウム粒子とマトリ
ツクス金属としてのチタニウム合金との密着及び
複合層と試験片との一体性も良好であることが認
められた。更に炭化チタニウムの平均粒径は約
8μであつた。 第9図は複合層15の長手方向中央部の横断面
の中央部の金属組織を400倍にて示す光学顕微鏡
写真である。図に於て、黒色乃至暗灰色の部分は
マトリツクス金属としてのチタニウム合金の部分
であり、白い粒状の部分は炭化チタニウムの粒子
である。この第9図より、微細且比較的均一な大
きさの炭化チタニウム粒子がマトリツクス金属中
に均一に分散されており、気孔等の不良は全く発
生していないことが解る。 以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説したが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。
[Table] Also, according to the results of experimental research conducted by the inventors of the present invention, in order to easily melt the metal powder and to prevent the formation of pores in the composite layer, the average particle size of the metal powder must be The diameter is preferably 300μ or less, particularly 100μ or less, in order to form a uniform mixed powder of metal powder and carbon powder, thereby forming a composite layer in which ceramic particles are substantially uniformly dispersed. The average particle size of the carbon powder is preferably 0.1 to 200μ, particularly 0.1 to 100μ. Further, disposing the mixed powder of metal powder and carbon powder on the surface of the metal material may be carried out by simply disposing the mixed powder in advance in a layer on the surface of the metal material, and it is also possible to arrange the mixed powder on the surface of the metal material by simply disposing the mixed powder in a layered manner. In the case of laser or electron beam, it may be carried out by continuously feeding the mixed powder to the surface of the metal material at a position in front of the high-density energy source in the scanning direction, but scattering of the mixed powder may be carried out. In order to prevent this and improve the yield, it is possible to place a powder compact of the mixed powder on a metal material, or to form grooves on the surface of the metal material and compact the mixed powder within the groove. , a paste is formed by adding a binder such as an aqueous solution of PVA (polyvinyl alcohol) or a mixture of cellulose and glycerin to the mixed powder, and the paste is attached to the surface of the metal material using the spatula coating method or tube method. If the thickness of the composite layer to be formed is small, the mixed powder is dispersed in a solvent such as a solvent in which acrylic resin is dissolved in thinner to form a slurry, and the slurry is brushed off. It may be carried out by adhering to the surface of the metal material by coating, spraying, or dipping. However, when a paste or slurry is formed, the surface of the mixed powder layer formed by drying the paste or slurry may be oxidized, or pores may be generated on the surface of the mixed powder layer. Preferably, the material is sufficiently dried in a temperature range and atmosphere free of moisture, and then heated with a high-density energy source in a substantially moisture-free state. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The invention will be explained in detail below by way of example embodiments with reference to the accompanying figures. Example 1 Chromium powder (purity 99.5%) with an average particle size of 50μ and graphite powder with an average particle size of 20μ are uniformly mixed, so that the atomic % ratio of these powders is 2:1.
A mixed powder having a weight ratio of 9:1 was formed. A 5% aqueous solution of polyvinyl alcohol as a binder was then injected into the mixed powder to form a paste that was more viscous than water and less viscous than clay. Then, as shown in Figure 1, 70 x 40 x 10
A specimen 1 made of tool steel (JIS standard SKD61) with dimensions of Arranged parallel to each other with a distance of 5 mm,
The paste 4 was filled between these guides by spatula application, so that the paste was arranged in a layer having a width of 5 mm and a thickness of 0.2 mm along the longitudinal direction at the center of the surface of the test piece. Next, although not shown in the figure, the test piece was kept at 100℃ for 0.5 hours in a drying oven to sufficiently dry the paste, which resulted in a porosity of about 40% as shown in Figure 2. A mixed powder layer 5 was formed on the test piece 1. Next, as shown in FIG. 3, argon as a shielding gas is emitted from the tip of the laser gun 6, thereby shielding the molten part on the test piece with argon and spreading the powder mixture from one end to the other end of the mixed powder layer 5. By scanning the laser gun 6 in one pass, the mixed powder layer is locally heated by the laser 7 under the conditions shown in Table 2 below, and the chromium powder is melted and chromium is carbonized. As shown in FIG. 1, a composite layer 8 made of a chromium alloy in which chromium carbide particles were dispersed was formed. In this case, the part of the test piece immediately below the mixed powder layer is also partially melted, and the resulting molten metal, the formed chromium carbide particles, and the surface of the test piece mainly absorb heat from the main part of the test piece. As a result, it was rapidly cooled. Table 2 Power density: 300 W/mm 2 Energy density: 120 J/mm 2 Scanning speed: 10 mm/sec Argon flow rate: 106/min The width of the composite layer formed as described above is 5.2 mm, and the maximum thickness is 0.4 It was warm in mm. Furthermore, when we observed the cross section of the longitudinal center of the test piece, we found that there was a heat-affected zone 10 between the composite layer 8 and the base metal 9 of the test piece, as schematically shown in FIG. Although it did exist, its width was approximately 0.5 to 0.7 mm. In addition, the volume fraction of chromium carbide particles 11 in the composite layer is approximately 15
% and was substantially uniform over the entire composite layer, and it was observed that the adhesion between the chromium particles and the chromium alloy 12 as the matrix metal and the integrity between the composite layer and the test piece were also good. Furthermore, the average particle size of the chromium carbide particles was about 2μ. FIG. 6 is an optical micrograph showing the metal structure at the center of the cross section of the longitudinal center of the composite layer 8 at 400 times magnification. In the figure, the white area is the chromium alloy as the matrix metal, and the black dotted areas are chromium carbide particles. From FIG. 6, it can be seen that fine chromium carbide particles of substantially uniform size are uniformly dispersed in the matrix metal, and defects such as pores are not generated at all. Example 2 Titanium powder with an average particle size of 44μ (purity 99.0%)
and graphite powder with an average particle size of 20 μ are uniformly mixed, so that the atomic % ratio of these powders is
A mixed powder of 1.5:1 (6:1 weight ratio) was formed. Then, by injecting a 5% aqueous solution of polyvinyl alcohol as a binder into the mixed powder,
A viscous paste similar to that of Example 1 was formed. Next, a test piece of the same size and material as the test piece used in Example 1 was prepared, and in the same manner as in Example 1, a test piece was placed in the center of one of the 70 x 40 mm surfaces in the longitudinal direction. Width 5mm along, thickness 0.8
The paste was arranged in a layer of mm. Next, Example 1
By sufficiently drying the paste under the same conditions as in the case of Example 1, a mixed powder layer 13 having a porosity of 40% was formed on the test piece 14, as shown in FIG. Next, in the same manner as in Example 1, helium as a shielding gas is emitted from the tip of the laser gun, thereby shielding the molten part on the test piece with helium, and the laser gun is heated from one end of the mixed powder layer 13 to the other. By scanning in one pass, the mixed powder layer is locally heated with a laser under the conditions shown in Table 3 below, melting the titanium powder and carbonizing the titanium, as shown in Figure 8. Composite layer 1 made of a titanium alloy in which titanium carbide particles are dispersed as shown in FIG.
5 was formed. In this case, the part of the test piece immediately below the mixed powder layer is also partially melted, and the thus generated molten metal, the titanium carbide particles, and the surface of the test piece absorb heat mainly from the main part of the test piece. As a result, it was rapidly cooled. Table 3 Power density: 240W/mm 2Energy density: 180J/mm 2Scanning speed: 4mm/sec Helium flow rate: 100/min The width of the composite layer formed as described above is 5.4mm, and the maximum thickness is 1.6 It was warm in mm. In addition, when we observed the cross section of the central part of the test piece, we found that, as in Example 1, there was a heat-affected zone between the composite layer and the base metal of the test piece, but the width of the heat-affected zone was 0.8~ 1.0mm
It was moderately hot. In addition, the volume fraction of titanium carbide particles in the composite layer is approximately 25%, which is substantially uniform over the entire composite layer. It was also observed that the integrity was good. Furthermore, the average particle size of titanium carbide is approximately
It was 8μ. FIG. 9 is an optical micrograph showing the metal structure at the center of the longitudinal cross-section of the composite layer 15 at a magnification of 400 times. In the figure, the black to dark gray parts are titanium alloy parts as the matrix metal, and the white granular parts are titanium carbide particles. From FIG. 9, it can be seen that fine titanium carbide particles of relatively uniform size are uniformly dispersed in the matrix metal, and defects such as pores are not generated at all. Although the present invention has been described in detail with respect to specific embodiments above, the present invention is not limited to these embodiments, and various embodiments are possible within the scope of the present invention. will be clear to those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は試験片の表面にペーストを配置する要
領をペースト及びガイドの一部を破断して示す斜
視図、第2図は表面に混合粉末層が形成された試
験片を示す斜視図、第3図は試験片上の混合粉末
層をレーザにより溶融させて複合層を形成する工
程を示す解図、第4図は第3図に示された工程に
より試験片上に形成された複合層を示す斜視図、
第5図は複合層が形成された試験片の長手方向の
中央部の横断面を示す解図的断面図、第6図は炭
化クロム粒子が分散されたクロム合金よりなる複
合層の横断面の中央部の金属組織を400倍にて示
す光学顕微鏡写真、第7図は表面に混合粉末層が
形成された試験片を示す斜視図、第8図は第7図
の混合粉末層をレーザにより溶融することにより
形成された複合層を示す斜視図、第9図は炭化チ
タニウム粒子が分散されたチタニウム合金よりな
る複合層の横断面の中央部の金属組織を400倍に
て示す光学顕微鏡写真である。 1……試験片、2,3……ガイド、4……ペー
スト、5……混合粉末層、6……レーザガン、7
……レーザ、8……複合層、9……ベース試験
片、10……熱影響部、11……炭化クロム粒
子、12……クロム合金、13……混合粉末層、
14……試験片、15……複合層。
Fig. 1 is a perspective view showing how to place the paste on the surface of the test piece, with parts of the paste and guide cut away; Fig. 2 is a perspective view showing the test piece with a mixed powder layer formed on the surface; Figure 3 is an illustration showing the process of melting the mixed powder layer on the test piece with a laser to form a composite layer, and Figure 4 is a perspective view showing the composite layer formed on the test piece by the process shown in Figure 3. figure,
Fig. 5 is an illustrative cross-sectional view showing a longitudinal cross-section of the central part of a test specimen on which a composite layer is formed, and Fig. 6 is a cross-sectional view of a composite layer made of a chromium alloy in which chromium carbide particles are dispersed. Optical micrograph showing the metal structure in the center at 400x magnification, Figure 7 is a perspective view of a test piece with a mixed powder layer formed on the surface, and Figure 8 shows the mixed powder layer in Figure 7 melted by a laser. Fig. 9 is an optical micrograph showing the metal structure at the center of the cross section of the composite layer made of a titanium alloy in which titanium carbide particles are dispersed, at a magnification of 400 times. . 1... Test piece, 2, 3... Guide, 4... Paste, 5... Mixed powder layer, 6... Laser gun, 7
... Laser, 8 ... Composite layer, 9 ... Base test piece, 10 ... Heat affected zone, 11 ... Chromium carbide particles, 12 ... Chromium alloy, 13 ... Mixed powder layer,
14...Test piece, 15...Composite layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 炭素との反応性の高い金属元素の粉末と炭素
粉末とを混合し、該混合粉末を金属材料の表面に
配置し、前記混合粉末を高密度エネルギ源にて加
熱して溶融させる炭化物系セラミツク粒子分散金
属複合層の形成方法。 2 特許請求の範囲第1項の炭化物系セラミツク
粒子分散金属複合層の形成方法に於て、前記溶融
された混合粉末は主として前記金属材料による吸
熱により急冷されることを特徴とする炭化物系セ
ラミツク粒子分散金属複合層の形成方法。 3 特許請求の範囲第1項又は第2項の炭化物系
セラミツク粒子分散金属複合層の形成方法に於
て、前記混合粉末を高密度エネルギ源にて加熱し
て溶融させる過程は不活性雰囲気中にて行われる
ことを特徴とする炭化物系セラミツク粒子分散金
属複合層の形成方法。 4 特許請求の範囲第1項乃至第3項の何れかの
セラミツク粒子分散金属複合層の形成方法に於
て、前記高密度エネルギ源はレーザであることを
特徴とするセラミツク粒子分散金属複合層の形成
方法。
[Claims] 1. A powder of a metal element highly reactive with carbon and a carbon powder are mixed, the mixed powder is placed on the surface of a metal material, and the mixed powder is heated with a high-density energy source. A method for forming a metal composite layer in which carbide ceramic particles are dispersed by melting. 2. The method for forming a metal composite layer in which carbide ceramic particles are dispersed according to claim 1, wherein the molten mixed powder is rapidly cooled mainly by heat absorption by the metal material. Method for forming a dispersed metal composite layer. 3. In the method for forming a carbide-based ceramic particle-dispersed metal composite layer according to claim 1 or 2, the step of heating and melting the mixed powder with a high-density energy source is performed in an inert atmosphere. A method for forming a metal composite layer in which carbide-based ceramic particles are dispersed. 4. The method for forming a ceramic particle-dispersed metal composite layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the high-density energy source is a laser. Formation method.
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