JPH06228677A

JPH06228677A - 耐食耐摩耗性にすぐれた複合焼結合金およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06228677A
Application number: JP4202293A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Gama; 隆弘蒲; Takashi Nishi; 隆西; Takeshi Mihashi; 剛三橋
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1994-08-16

Abstract

(57)【要約】【目的】チタン合金とセラミツクス粒子等の硬質化合
物粒子とからなる複合焼結合金の混相組織およびその諸
特性の改善【構成】この複合焼結合金は、金属相（チタンまたは
チタン合金）と、その粒を囲む微細硬質化合物粒子（Ｔ
ｉＣ，ＴｉＮ，ＭｏＣ等）とからなる混相組織における
金属相の平均粒径が約６０μｍ以下と小さく、両相は良
好な分散混相状態を有している。その分散混相組織によ
り改良された耐摩耗性、強度、靱性等を有する。金属相
がチタンはたはチタン合金であるので非鉄溶湯等に対す
る腐蝕溶損抵抗性にもすぐれている。この複合焼結合金
は、粉砕処理された微細粒径の水素化チタン粉末と、硬
質化合物粉末等の混合物を焼結原料として製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイカストマシンの射
出部構成部材等のように耐食性・耐摩耗性が要求される
部材料として有用な複合焼結合金およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムや亜鉛等の非鉄合金溶湯と
接触するダイカストマシンの射出部を構成するプランジ
ャースリーブ、ピストン、チツプ、湯口スリーブ等の部
材料として、従来よりＳＫＤ６１に代表される熱間金型
用合金工具鋼（ＪＩＳＧ４４０４）が使用されてき
た。上記合金工具鋼からなる射出部材は、アルミニウム
や亜鉛等の金属溶湯の接触による腐食溶損を生じ易く、
プランジャースリーブでは腐食溶損のほかに、ピストン
の摺動の反復による摩耗が加重される等、その耐用寿命
は短く、メンテナンスに多大の負担を余儀なくされてい
る。また、部材の急速な腐食溶損は、鋳造金属溶湯を汚
染し、鋳造品質を損なう原因ともなる。その対策とし
て、近時はセラミツクス焼結品や、耐食金属とセラミツ
クスとからなる混相組織を有する複合焼結材を適用する
試みもなされ、特開平３−１４２０５３号公報、特開平
４−２４７８０１号公報には、チタン（またはチタン合
金）の粉末とセラミツクス粉末との粉末混合物を焼結原
料として製造される複合焼結体が、従来材であるＳＫＤ
６１等の合金工具鋼に勝る腐蝕溶損抵抗性および耐摩耗
性を有し、かつセラミツクス単一の焼結材に比べ、耐衝
撃特性も良好でであることが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】金属粉末とセラミツク
ス粉末の混合物を原料として製造される複合焼結材は、
その金属相と分散相であるセラミツクス粒子との複合効
果が十分に発現されるように、両相ができるだけ細かく
分散した混相組織を有するものであることが望ましい。
しかしながら、チタンまたはチタン合金（以下、単に
「チタン」とも称する）の粉末を使用し、これをセラミ
ツクス粉末と混合して製造される複合焼結材について、
そのミクロ組織を観察すると、均一微細な組織とは程遠
く、セラミツクス粒子が集合偏在した組織を呈してい
る。図２はその組織の様子を示している。白い部分はチ
タン合金相であり、黒い部分はセラミツクスの微細粒子
が集合している部分（セラミツクス粒子のクラスター）
である。その混相組織における金属相の平均粒径Ｄａ
（後記〔Ｉ〕式）は約８０μｍ以上と粗大である。

【０００４】チタン−セラミツクス粒子の複合焼結材
が、均質性に乏しい粗大な混相組織を呈するのは、セラ
ミツクス粉末の粒径が数μｍ以下（約５μｍ以下、通常
２〜３μｍ）と極微細粒であるのに対し、チタン粉末と
して通常入手し得るのは、最小粒径のものでも約２０〜
３０μｍと、比較的粗粒の粉末であることに起因してい
る。すなわち、チタンは比較的粘稠で粉砕し難い金属で
あるので、チタンブリケツトを粉砕してチタン粉末を製
造する工程では、チタンブリケツトを、一旦水素化処理
して脆く破砕し易い水素化チタンブリケツトに変え、こ
れを機械粉砕処理することにより、数μｍないしそれ以
下（約５μｍ以下）の微細な水素化チタン粉末に粉化し
たうえ、その水素化チタン粉末を脱水素処理（処理温
度：約７００〜８００℃）に付して金属チタン粉末に変
換している。その脱水素のための加熱過程で微細粒子同
士の凝着を生じるので、脱水素処理の後、あらためて粉
砕処理が加えられるが、脱水素処理した後に粉砕処理を
加えて脱水素前の粉末（水素化チタン粉末）と同程度の
微細粒径にまで粉化させることは不可能であり、その再
粉砕処理を経て得られるチタン粉末の粒径は約２０〜３
０μｍないしそれ以上の粗粒のものに限られるのであ
る。このため、チタン粉末と、セラミツクス粉末とをい
かに均一に混合しても、これを焼結原料として製造され
る焼結体は、微細粒径のセラミツクス粒子が粒径の大き
いチタン粒を囲むように集合偏在した均質性の乏しい混
相組織を有するものとなる。前記図２に示した混相組織
におけるセラミツクス粒子（黒い部分）は、粗粒の金属
相（チタンまたはチタン合金）の粒界に沿って集合偏在
してネツトワーク状のクラスターをなしているのであ
る。

【０００５】このセラミツクス粒子の集合偏在を解消す
る手段として、反応焼結を適用することも考えられる。
しかし、原料に配合されるセラミツクス粒子が、チタン
との反応の高いもの（例えば炭化けい素等）である場合
は、マトリツクス金属中に極度にＳｉやＣが固溶し、著
しく脆化してしまい、サーメツトとしての効果は期待し
難い。逆に、チタンとの反応性の低いもの（例えば炭化
チタン等）の場合には、マトリツクス金属分の液化した
状態で焼結が進行することによる焼結体の変形等の不都
合をきたす。なお、焼結原料調製におけるセラミツクス
粉末として、チタン粉末と同程度の粗粒のものを使用す
る場合は、チタン粒子を囲むセラミツクス粒子のネツト
ワーク状の集合偏在を解消することができても、セラミ
ツクス粒子の粗大化による分散強化作用の低下、および
焼結体の組織の緻密性の低下を免れず、本質的な対策と
はなり得ない。本発明は、上記に鑑みでなされたもので
あり、チタンまたはチタン合金からなる金属相と、これ
に混在するセラミツクス粒子等の微細硬質粒子からなる
改良された混相組織を有する複合焼結合金およびよその
製造方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複合焼結合金
は、チタンまたは、Ｍｏ含有チタン合金（Ｍｏの一部は
Ｎｂ，ＴａもしくはＶの１種ないし２種以上の元素で置
換されてもよい）からなる金属相が、硬質化合物の微細
粒子のクラスターで囲まれて島状に分布した組織を有
し、金属相は平均粒径（Ｄａ）６０μｍ以下であること
を特徴としている。本発明の複合焼結合金の混相組織に
おける金属相の平均粒径（Ｄａ）は以下のように算定さ
れる。顕微鏡の倍率２００倍、その写真印画の大きさを
７０ｍｍ×７０ｍｍ以上とし、印画紙上に１０ｍｍ間隔
の平行線（６本以上）を引き、各平行線が、金属相と硬
質化合物粒子クラスターとの境界部分と交叉する点の数
（個）をカウントする（但し、写真上で１ｍｍ以下の粒
径をもつ金属相は除外）。Ｄａ＝（Ｄ₁＋Ｄ₂＋Ｄ₃＋…Ｄｎ…＋Ｄｘ）／Ｘ＝２
Ｈ（１／Ｎ₁＋１／Ｎ₂＋１／Ｎ₃＋…１／Ｎｎ…＋１
／Ｎｘ）／Ｘ…〔Ｉ〕〔式中、Ｈ：写真印画紙の幅（各平行線の長さ）（μ
ｍ）、Ｘ：写真上に引いた平行線の本数（本）、Ｎｎ：
ｎ番目の平行線上における交点の数（個）、Ｄｎ：ｎ番
目の平行線上の金属相の平均粒径（μｍ）〕。本発明の複合焼結合金は、粉砕された水素化チタン粉末
と、硬質化合物粒子と、所望により配合されるモリブデ
ン粉末（Ｍｏの一部は、Ｎｂ，ＴａもしくはＶの１種な
いし２種以上の元素で置換されてよい）を均一に混合し
た粉末混合物を焼結原料として製造することができる。

【０００７】

【作用】本発明の複合焼結合金は、硬質化合物粒子に包
囲されて分布するチタン、またはチタン合金からなる金
属相の粒径が小さく、金属相と硬質化合物粒子の混相組
織が微細であり、両相の複合効果が高められる結果とし
て、改良された摩耗抵抗性が発現され、また混相組織の
改善効果として、従来材を凌ぐ強度、および衝撃特性等
が付与される。また、チタン（チタン合金）の水素化物
の微細粉末を使用し、これを脱水素化処理するに先立っ
て、硬質化合物粉末と混合することとしているので、水
素化チタン粉末を脱水素化する加熱処理においてチタン
粉末が凝集しても、それを原因として本発明の複合焼結
合金の混相組織が損なわれることはなく、焼結処理工程
のハンドリングに差し支えない程度の粒径（例えば４０
０μｍ以下）に粉砕して焼結工程に供することにより、
上記の改良された混相組織を確保することができる。

【０００８】以下、本発明について詳しく説明する。本
発明の焼結合金は、チタン（Ｔｉ）、またはＭｏ含有チ
タン合金をマトリツクスとしている。チタンは、高度の
耐食性を有し、非鉄溶湯に対するすぐれた腐蝕溶損抵抗
性を示す金属である。Ｍｏはチタンの耐摩耗性の改善に
有効な元素であり、またその添加は耐食性の改善にも奏
効する。その添加効果を十分なものとするために、含有
量（重量比）は５％以上であるのが好ましい。含有量の
増加によりその効果を増すが、過度の添加は、マトリツ
クス金属の脆化をきたし、構造部材としての適性を損な
うので、その添加量は、好ましくは５０％以下である。
合金元素として添加されるＭｏは、その一部をＮｂ，Ｔ
ａ，もしくはＶの１種ないし２種以上の元素で置換する
ことができる。この場合、その置換量があまり多くなる
と、焼結合金の靱性低下等の不具合をきたす原因となる
ので、これらの元素の割合は、Ｍｏと置換元素の全量の
約４０％以下とするのが好ましい。

【０００９】チタンまたはチタン合金の金属相と共存し
て混相組織を構成する硬質化合物粒子は、例えば、炭化
物（ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＶＣ等）、硼化物（ＴｉＢ₂、Ｚ
ｒＢ₂等）、窒化物（ＴｉＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄等）、酸化物
（ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等）、複化合物（例えば、Ｔｉ
ＣＮ等の炭窒化物）、あるいは金属間化合物（ＴｉＳｉ
₂、レーベス相等）等であり、本発明の複合焼結合金
は、これらの各種化合物粒子の２種以上が混在する混相
組織をなすものであつてもよい。上記硬質化合物粒子の
粒径は特に限定されないが、組織の微細化のために、約
１０μｍないしそれ以下であるのが好ましい。また、混
相組織に占める硬質化合物粒子の割合（体積率）は、混
相効果を十分なものとするために約５％以上であるのが
望ましい。その混在量が多い程、複合焼結合金の硬度・
耐摩耗性が高められるが、反面焼結合金の延・靱性の低
下を招くので、４０％を上限とするのがよい。この容積
比率は、焼結原料粉末の調製工程における水素化チタン
粉末と、硬質化合物粉末の配合割合により高低任意に調
整される。

【００１０】本発明の複合焼結合金は、その焼結原料と
して、金属相を生成するための微細粒径の水素化チタン
粉末と、硬質化合物粉末、および必要に応じて金属相の
合金元素として添加されるモリブデン等の金属粉末と
を、目的とする複合焼結合金の金属相の組成、および硬
質化合物粒子の体積率等に応じた割合に配合した粉末混
合物を使用して製造される。水素化チタン粉末は、チタ
ンブリケツトを水素化処理した水素化チタンブリケツト
を機械粉砕処理する公知の方法により製造されたものを
使用すればよい。その粒径は、これに配合される硬質化
合物粒子や、合金元素の粉末との均一な混合のために、
約１０μｍ以下のものが好ましい。より好ましくは約５
μｍ以下である。

【００１１】金属相として、Ｍｏ含有合金を形成する場
合に配合されるモリブデン粉末は、チタン中への固溶を
促進し、チタンとの合金化を確保するために、粒径約５
μｍ以下のものが好ましい。この粒径は、通常の市販品
として入手容易である。Ｍｏの一部をＮｂ，Ｔａ，Ｖ等
で置換する場合は、モリブデン粉末と共にこれらの元素
の粉末、またはＭｏとこれらの元素との合金粉末を使用
すればよい。いずれの場合もその粉末粒径は、チタンへ
の固溶促進のために５μｍ以下であるのが好ましい。上
記金属成分に配合される硬質化合物粉末は、目的とする
複合焼結合金中の硬質化合物粒子の種類に応じた材種、
例えば炭化物、硼化物、窒化物、酸化物、複化合物（炭
窒化物等）、金属間化合物等が適宜選択使用される。そ
の粒径は、金属相との混相状態の均質性を高めるため
に、水素化チタン粉末と同程度の粒径、すなわち約１０
μｍ以下のものが好ましく使用される。

【００１２】上記各原料粉末は、十分に混合均一化して
焼結原料とする。その混合物中の水素化チタン粉末の脱
水素処理は、焼結工程に先立って、または焼結工程にお
ける適宜の段階で行うことができる。焼結処理に先立つ
て脱水素処理を行う場合は、脱水素処理で生じる粉末の
凝着を破砕するたの機械粉砕処理を加えて焼結処理に供
する。その粉砕処理における粉砕粒径は厳密を必要とせ
ず、その後の焼結処理工程でのハンドリング処理操作に
差支えのない程度の粒径、例えば約４０メツシュアンダ
（約４００μｍ以下）に粉砕すれば十分である。脱水素
処理前に既に構成成分の十分な均一混合状態が与えられ
ており、その均一混合状態は、脱水素処理後の粉砕粒径
の影響を受けないからである。

【００１３】脱水素処理とそれにつづく粉砕処理を経て
得られた焼結原料粉末の焼結処理は、公知の各種プロセ
スに従って行えばよい。例えば、粉末混合物をカプセル
に充填し、脱気密封して熱間静水圧加圧焼結する方法、
またはその粉末混合物を適宜の加圧成形処理（一軸ラバ
ープレス、冷間静水圧加圧成形法等）に付して成形体を
得、ついでこれを常圧焼結処理し、あるいはその成形体
をカプセルに密封して熱間静水圧加圧焼結する方法等を
適用することができる。その焼結プロセスには特別の条
件や制限を付加されず、例えば熱間静水圧加圧焼結は、
温度８００〜１３００℃、加圧力８００〜１３００Ｋｇ
／ｃｍ²として適当時間（例えば０．５〜３Ｈｒ）処理
することにより首尾よく達成される。

【００１４】また、水素化チタン粉末を含む焼結原料を
脱水素処理することなく、焼結体製造工程に供する場合
には、その処理工程の適宜の段階、例えばその粉末成形
体を、真空雰囲気下に加熱して脱水素を行うようにして
もよく、また焼結処理炉での加熱過程で脱水素を行うよ
うにしてもよい。更に他の方法として、その焼結原料粉
末をカプセルに密封し熱間静水圧加圧焼結過程で脱水素
を達成することも可能である。

【００１５】

【実施例】

（１）焼結原料粉末の製造：水素化処理したチタンブリ
ケツトを機械粉砕処理して得られた水素化チタン粉末
（平均粒径：５μｍ）と、モリブデン粉末（同：２μ
ｍ）と、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末（同：２μｍ）を、
重量比で６０：２０：２０（但し、水素化チタン粉末と
炭化チタン粉末は、Ｔｉ量換算値）となる割合に配合
し、乾式混合により十分に均一化した後、真空下に、温
度８００℃で脱水素処理を施す。脱水素処理の後、機械
粉砕処理に付して４０メツシュアンダの粉末を得る。（２）焼結処理：上記粉末を焼結原料とし、鋼製の缶に
充填し、脱気密封（１０^-4Ｔｏｒｒ）した後、熱間静水
圧加圧焼結処理に付し、温度１１００℃、加圧力１１０
０Ｋｇ／ｃｍ²、保持時間２Ｈｒの処理を行つて、複合
焼結合金（φ３０×３０ｌ）を得た。

【００１６】

【比較例】

（１）焼結原料粉末の調製：水素化チタン粉末に代え、
市販のチタン粉末（平均粒径：３０μｍ）を使用する以
外は、実施例と同じ条件で焼結原料粉末（但し、脱水素
処理なし）を調製し、実施例と同一条件の熱間静水圧加
圧焼結を行って複合焼結合金を得た。

【００１７】〔Ａ〕複合焼結体の混相組織の比較：図１
は、実施例で得られた複合焼結合金（発明例）の組織、
図２は比較例で得られた複合焼結合金（従来材）の組織
を、それぞれ示している（倍率：各図共２００倍）。図
中、白い部分は金属（Ｔｉ−Ｍｏ合金）相、黒い部分は
硬質化合物粒子として混在する炭化チタン（ＴｉＣ）粒
子のクラスターであり、硬質粒子の占める割合（体積
率）は、いずれも、約２０％である。図１（発明例）と
図２（従来例）における金属相の平均粒径Ｄａ（前記
〔Ｉ〕式）を比較すると、前者（発明例）は４６μｍで
あり、後者（従来例）のそれは８４μｍである。両者の
比較から明らかなように、発明例の複合焼結合金は、従
来の複合焼結体（図２）に比べて、金属相が小さい粒径
をなして分散し、均質性の改良された混相組織を有して
いる。

【００１８】〔Ｂ〕諸特性の比較：表１は、発明例の複
合焼結合金と、比較例の複合焼結合金の諸特性を示して
いる。（ｉ）曲げ強度ＪＩＳＲ１６０１に規定の曲げ試験法による。試験片サイズ：３×４×５０，ｍｍ、スパン距離：３０
ｍｍ、試験温度：常温。（ｉｉ）たわみ量上記曲げ試験における試験片のスパン中央の最大たわみ
量。

【００１９】

【表１】硬度曲げ強度たわみ量Ｈ_RC Kg/mm ² ｍｍ発明例４６１３８０．６６比較例４０１１５０．５０

【００２０】上記試験結果から明らかなとおり、発明例
の複合焼結合金は、硬度・耐摩耗性、強度、および靱性
等の特性が著しく向上している。この改善効果は、複合
混相組織の分散均質性が改良されていることによるもの
である。

【発明の効果】本発明の複合焼結合金は、チタンまたは
チタン合金からなる金属相と、硬質化合物粒子の分散性
が改良された混相組織を有している。この混相組織の改
善効果として、従来材を凌ぐ摩耗抵抗性、強度、靱性等
の諸特性を兼ね備えている。また、金属相がチタン（合
金）であることにより、非鉄溶湯に対する高度の腐蝕溶
損抵抗性を備えている。従って本発明の複合焼結合金
は、ダイカストマシンの射出部構成部材料等として好適
である。また、本発明の複合焼結合金は、耐摩耗性、強
度、耐食性等を要求される各種用途における構造材料、
例えば電気めつき装置のコンダクターロールのロール胴
部材料等として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合焼結合金の組織を示す図面代用顕
微鏡写真（×２００）である。

【図２】従来の複合焼結合金の組織を示す図面代用顕微
鏡写真（×２００）である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタンまたは、Ｍｏ含有チタン合金（Ｍ
ｏの一部はＮｂ，ＴａもしくはＶの１種ないし２種以上
の元素で置換されてもよい）からなる金属相が、硬質化
合物の微細粒子のクラスターで囲まれて島状に分布した
組織を有し、金属相は平均粒径（Ｄａ）６０μｍ以下で
あることを特徴とする耐蝕耐摩耗性にすぐれた複合焼結
合金。
【請求項２】粉砕された水素化チタン粉末と、硬質化
合物粒子と、所望により配合されるモリブデン粉末（Ｍ
ｏの一部は、Ｎｂ，ＴａもしくはＶの１種ないし２種以
上の元素で置換されてよい）を均一に混合した粉末混合
物を焼結原料とすることを特徴とする請求項１に記載の
複合焼結合金の製造方法。